KR101101882B1 - 유압 서보밸브 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유압 서보밸브 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 유압서보밸브(11), 액츄에이터(12) 및 변위센서(13)로 구성되는 유압서보장치(10)에 결합되어 변위센서(13)의 감지신호에 따라 유압서보밸브(11)의 동작을 정확하게 제어하며, 변위센서(13)의 영점 및 스팬 설정이 용이하고, PID제어의 각 성분의 개별제어도 용이하여, 설치 및 유지관리를 간편하게 할 수 있는 유압 서보밸브 제어장치에 관한 것이다.

Description

유압 서보밸브 제어장치{CONTROL DEVICE FOR HYDRAULIC SERVO VALVE }
본 발명은 유압 서보밸브 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 유압서보밸브(11), 액츄에이터(12) 및 변위센서(13)로 구성되는 유압서보장치(10)에 결합되어 변위센서(13)의 감지신호에 따라 유압서보밸브(11)의 동작을 정확하게 제어하며, 변위센서(13)의 영점 및 스팬 설정이 용이하고, PID제어의 각 성분의 개별제어도 용이하여, 설치 및 유지관리를 간편하게 할 수 있는 유압 서보밸브 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 유압서보장치(10)는, 지령신호에 의해 유압의 흐름을 조절하는 서보밸브(11), 서보밸브(11)에 의한 유압으로 동력을 발생시키는 액츄에이터(12), 및 액츄에이터(12)의 변위를 측정하는 변위센서(13) 를 포함하여 구성된다.
여기서, 서보밸브(11)는 액츄에이터(12)의 실린더에 연결되는 두개의 실린더포트와 오일탱크에 연결되는 공급포트 및 리턴포트를 구비하여서 지령신호에 따라 유압의 흐름 경로를 조절하도록 구성되며, 이와 같이 유압의 흐름 경로를 조절하여 액츄에이터(12)의 동작을 제어한다. 액츄에이터(12)는 서보밸브(12)로부터 공급되는 오일에 의해 실린더의 동작 위치를 변경시켜서 동력을 발생시킨다. 변위센서(13)는 액츄에이터(12)에 구비된 실린더의 동작 위치를 감지하며, 일반적으로 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)로 구성되거나 아니면 가속도 센서, 위치센서, 거리센서 또는 회전센서 등으로 구성될 수 있다.
이와 같이 구성되는 유압서보장치(10)를 정확하게 동작시키기 위해서는, 지령신호를 서보밸브(11)에 입력한 후에 실린더가 원하는 위치로 동작하였는 지를 변위센서(13)에서 감지한 신호로 판별하고, 만약 실린더의 위치가 원하는 위치에 있지 아니한 것으로 판단되면 서보밸브(11)에 입력되는 지령신호를 보정하는 과정을 반복해야 한다.
이를 위한 종래기술들로는, 공개특허 제10-2005-0046038호 및 공개특허 제10-2005-0103425호 등이 있으며, 또한 PID(비례-적분-미분) 제어방식을 채용한 종래기술들도 있었다.
하지만, 상기 종래기술들은 프로그램에 따른 디지털 방식으로 신호를 처리하므로, 디지털 신호처리에 따른 지연으로 응답특성을 저해할 수 있었으며, 더욱이 PID(비례-적분-미분)제어 방식에서 비례, 적분, 미분 피드백 성분을 개별적으로 간편하게 설정할 수 있도록 구성되지 아니하여서 사용하기에도 불편하였다. 이는, PID(비례-적분-미분) 제어방식에서 비례, 적분 및 미분 피드백 성분의 적용량에 따라 응답특성의 성능이 크게 좌우되기 때문에 각 성분을 개별적으로 간편하게 설정할 수 있어야만, 어떠한 종류의 유압서보장치(10)에도 용이하게 장착할 수 있기 때문이다.
또한, PID 제어에 의해 생성되는 보정 신호의 적용량을 간편하게 조절할 수 있는 구성도 구비하지 아니하여서, 유압서보장치(10)의 특성에 맞게 비례, 적분, 미분 피드백 성분의 비율을 설정하였더라도, 보정 신호의 적용량이 변동되면 그에 따라 비례, 적분, 미분 피드백 성분을 조절하는 구성을 재설정해야 하는 어려움도 있었다.
한편, 유압서보장치(10)를 제어하기 위해서는, 액츄에이터(12)의 변위를 감지하는 변위센서(13)의 출력신호를 보정하여 영점을 맞추어야 하고, 아울러, 외부로부터 입력받는 지령신호에 맞게 스팬(span)을 적절히 보정해야만 한다.
하지만, 종래기술들은 이에 대한 구체적인 기술을 제시하지 못하였으며, 이에 따라 종래에 일반적으로 적용되는 기술을 사용해야만 했고 어려운 영점 및 스팬 설정작업을 해야만 하였다. 또한, 영점 및 스팬의 설정값이 변위센서(13)의 종류 및 사양에 따라 변경될 뿐만 아니라, 유압서보장치(10)를 장시간 사용함에 따라 액츄에이터(12) 및 변위센서(13)의 내부 오차에 의해서도 변경될 수 있지만, 종래기술들은 영점 및 스팬 설정작업이 어려워서 자주 재설정하지 못하는 문제점도 발생하였다.
KR 10-2005-0046038 A 2005.05.18. KR 10-2005-0103425 A 2005.10.31.
따라서 본 발명의 목적은, 유압서보장치(10)에 장착하기 용이하고, 변위신호의 영점 및 스팬 설정과 PID제어를 위한 설정을 유압서보장치(10)의 종류 및 사양에 구애받지 아니하고 용이하게 할 수 있으며, 언제든지 쉽게 재설정할 수 있는 유압 서보밸브 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 비례, 적분, 미분 및 게인 피드백 성분에 대해 개별적으로 용이하게 설정할 수 있어서, 유압서보장치(10)의 특성에 맞게 용이하게 응답특성을 갖도록 설치할 수 있는 유압 서보밸브 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 지령신호 및 변위신호로부터 보정 신호를 생성하는 전과정에서 소요되는 시간을 최소화하여 응답특성이 양호한 유압 서보밸브 제어장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 지령신호에 의해 유압의 흐름을 조절하는 서보밸브(11), 서보밸브(11)에 의해 조절된 유압으로 동력을 발생시키는 액츄에이터(12), 및 액츄에이터(12)의 변위를 측정하는 변위센서(13)로 이루어지는 유압 유압서보장치(10)에 결합되어 서보밸브(11)의 동작을 제어하기 위한 유압 서보밸브 제어장치에 있어서, 액츄에이터(12)의 위치에 대한 지령신호를 입력받는 지령신호 처리수단(200); 변위센서(13)로부터 변위신호를 입력받고, 입력받은 변위신호의 영점 및 스팬을 조절하는 변위신호 처리수단(300); 지령신호와 변위신호를 차동증폭하고, 차동증폭하여 얻은 신호의 비례, 적분 및 미분에 대한 보정신호를 각각 획득한 후에 합산하는 보정수단(400); 합산하여 얻은 보정신호를 출력하는 보정신호 출력수단(500); 영점 및 스팬 조절데이터를 상기 변위신호 처리수단(300)에 전달하여 변위신호의 영점 및 스팬을 조절시키고, 비례 피드백 계수 데이터, 적분 피드백 계수 데이터 및 미분 피드백 계수 데이터를 상기 보정수단(400)에 전달하여 비례, 적분 및 미분에 대한 보정신호를 각각 획득시키는 제어수단(100); 을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 변위신호 처리수단(300)은, 변위센서(13)로부터 변위신호를 입력받는 변위신호 입력부(310); 입력받는 영점 조절데이터에 따라 저항부의 분기점을 조절하여서 저항부의 양단을 통해 인가되는 기준전압(Vref)을 분기점을 통해 분압하여 출력하는 제1 디지털 포텐셔미터(321)와, 입력받는 변위신호와 분압한 전압신호를 차동증폭하여서 영점을 조절한 변위신호를 획득하여 출력하는 제1 증폭기(322), 를 구비하는 영점조절부(320); 및 입력받는 스팬 조절데이터에 따라 저항부의 분기점을 조절하여서 분기점을 기준으로 저항부의 저항값을 분할하는 제2 디지털 포텐셔미터(331)와, 분할된 저항값의 비율을 증폭도로 하여 상기 영점을 조절한 변위신호를 증폭하여서 스팬을 조절한 변위신호를 획득하여 출력하는 제2 증폭기(332), 를 구비하는 스팬조절부(330);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제어수단(100)은, 액츄에이터(12)를 최소 위치에 두고, 액츄에이터(12)의 최소 위치에 해당되는 지령신호를 입력받을 시에, 변위센서(13)로부터 입력받는 변위신호와 동일한 신호를 상기 제1 디지털 포텐셔미터(321)의 분기점에서 출력되게 하는 분기점 위치를 영점 조절데이터로 하고, 액츄에이터(12)를 최대 위치에 두고, 액츄에이터(12)의 최대 위치에 해당되는 지령신호를 입력받을 시에, 입력받는 지령신호와 동일한 신호를 상기 제2 증폭기(332)에서 출력되게 하는 제2 디지털 포텐셔미터(331)의 분기점 위치를 스팬 조절데이터로 하는 것임을 특징으로 한다.
상기 보정수단(400)은, 상기 지령신호 처리수단(200)으로부터 입력받는 지령신호와 상기 변위신호 처리수단(300)으로부터 입력받는 영점 및 스팬을 조절한 변위신호를 차동증폭하여 오차신호를 발생시키는 오차신호생성부(410); 오차신호에 게인 계수를 곱산하여서 오차신호의 전압 레벨을 조절하는 게인조절부(420); 레벨 조절된 오차신호를 증폭하는 증폭기(431)와, 증폭된 오차신호에 비례 피드백 계수를 곱산하여 비례 피드백 신호를 생성하는 비례계수곱산부(432), 를 구비하는 비례보정부(430); 레벨 조절된 오차신호를 적분하여 적분신호를 생성하는 적분기(441)와, 적분신호에 적분 피드백 계수를 곱산하여 적분 피드백 신호를 생성하는 적분계수곱산부(442), 를 구비하는 적분보정부(440); 레벨 조절된 오차신호에 미분 피드백 계수를 곱산하는 미분계수곱산부(452)와, 곱산하여 얻는 신호를 미분하여 미분 피드백 신호를 생성하는 미분기(451). 를 구비하는 미분보정부(450); 상기 비례 피드백 신호, 적부 피드백 신호 및 미분 피드백 신호를 합산한 신호를 생성하는 합산부(460);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 보정수단(400)에서 게인조절부(420), 비례계수곱산부(432), 적분계수곱산부(442), 및 미분계수곱산부(452)는, 저항부(1)의 일단(1a)으로 신호를 입력받고 저항부(1)의 타단(1b)을 접지(G)시킨 상태에서, 상기 제어수단(100)으로부터 입력받는 계수 데이터에 따라 저항부(1)의 분기점(1c) 위치를 변경하여서, 분기점(1c)에 인가되는 신호를 출력시키는 디지털 포텐셔미터(420, 432, 442, 452)로 이루어짐을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명은, 유압서보장치(10)에 연결한 후에 액츄에이터(12)를 최소 및 최대 위치로 변위시키며 지령신호를 입력하고 키입력부(120)로 설정모드를 선택만 하면, 변위신호의 영점 및 스팬을 간편하게 설정할 수 있으며, 아울러, 비례 피드백 성부, 적분 피드백 성분, 미분 피드백 성분 및 게인 피드백 성분을 간단하게 입력만 하면 PID제어의 설정작업을 마치므로, 유압서보장치(10)의 종류 및 사양에 구애받지 아니하고 용이하게 설치 및 설정할 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명은, 디지털 포텐셔미터로 비례, 적분, 미분 및 게인 피드백 성분에 대해 개별적으로 설정하여서, 유압서보장치(10)의 동작특성에 맞게 용이하게 맞출 수 있는 이점도 갖는다.
또한, 본 발명은, 지령신호 처리수단(200), 변위신호 처리수단(300) 및 보정수단(400)의 각 구성들을 아날로그 신호로 처리하도록 구성하고, 설정값을 적용함에 있어서 디지털 포텐셔미터를 사용하여서, 종래 디지털신호로 변환하여 처리함에 따라 수반되었던 처리시간의 지연 없이 유압서보장치(10)를 제어할 수 있는 장점을 갖는다.
따라서, 지연시간 없이 유압서보장치(10)를 제어하는 본 발명은, 종래 디지털신호 처리방식에서 지연시간만큼 지난 과거의 변위정보로 서보밸브(11)를 제어함에 따라 발생하였던 헌팅현상도 없애서, 응답특성이 더욱 양호하고, 목표로 하는 액츄에이터(12)의 동작 위치로 신속하게 제어할 수 있다.
더불어, 본 발명은, 액츄에이터(12)의 동작 위치를 목표 위치에 도달시킨 상태에서 부하변동에 의해 동작 위치가 요동치더라도, 종래 디지털신호 처리방식에 비해 유연하게 제어하여 목표 위치를 유지시킬 수 있다. 즉, 액츄에이터(12)에 의해 제어되는 부하의 크기가 변동되어서 그의 반작용에 의해 액츄에이터(12)의 동작 위치가 요동치며 이에 따라 변위센서(13)로 감지되는 변위신호도 요동치게 되는데, 디지털신호 처리방식으로 목표 위치를 유지시키려 할 경우에 처리시간의 지연으로 헌팅현상이 발생하지만, 본 발명은 아날로그신호로 처리하므로 처리시간의 지연이 없어서 이러한 헌팅현상 없이 유연하게 목표 위치를 유지시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명은, 영점 및 스팬을 설정한 후 설정한 값에 따라 서보밸브(11)를 제어할 때에 아날로그신호로만 처리하여서, 디지털데이터로 변환시에 발생하는 변환오차도 없으므로, 변환오차가 증폭되어 서보밸브(11)에 전달되지도 아니하며, 이에 따라, 부하변동에 따라 요동치더라도 액츄에이터(12)의 목표 위치를 더욱 유연하게 유지시키는 장점을 갖는다. 즉, 액츄에이터(12)에 가해지는 부하변동의 반작용은 짧은 간격으로 요동치므로, 이러한 변위신호를 디지털데이터로 변환할 경우에 샘플링 잡음 등에 의해 변환오차가 커지게 되는데, 본 발명은 아날로그신호로만 처리하여서 부하변동에 대해 변환오차 없이 유연하게 대처하여 서보밸브(11)를 제어할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유압 서보밸브 제어장치의 간략 블록구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유압 서보밸브 제어장치의 세부 블록구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 지령신호 처리수단(200)의 블록구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에서, 변위신호 처리수단(300)의 블록구성도.
도 5는 본 발명의 실시예에서, 보정수단(400)의 블록구성도.
도 6은 본 발명의 실시예에서, 변위신호 처리수단(300) 및 보정수단(400)에 구비되는 디지털 포텐셔미터의 블록구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유압 서보밸브 제어장치의 간략 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유압 서보밸브 제어장치의 세부 블록구성도이다.
상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 외부로부터 전달받는 지령신호에 따라 유압서보장치(10)의 동작을 제어하도록 구성된다.
이를 위한 본 발명은, 외부로부터 전달받는 지령신호와 변위센서(13)에서 감지한 변위신호를 입력받아서(200a, 300a) 지령신호 및 변위신호에 맞게 서보밸브(11)를 정확하게 동작하도록 하는 보정신호를 서보밸브(11)에 전달한다(600a).
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 유압 서보밸브 제어장치는, 액츄에이터(12)의 위치에 대한 지령신호를 입력받는 지령신호 처리수단(200); 변위센서(13)로부터 변위신호를 입력받고, 입력받은 변위신호의 영점 및 스팬을 조절하는 변위신호 처리수단(300); 지령신호와 변위신호를 차동증폭하고, 차동증폭하여 얻은 신호의 비례, 적분 및 미분에 대한 보정신호를 각각 획득한 후에 합산하는 보정수단(400); 합산하여 얻은 보정신호를 출력하는 보정신호 출력수단(500); 상기 보정신호 출력수단(500)에서 출력되는 보정신호의 전류값을 증폭하는 보정신호 증폭수단(600); 영점 및 스팬 조절데이터를 상기 변위신호 처리수단(300)에 전달하여 변위신호의 영점 및 스팬을 조절시키고, 비례 피드백 계수 데이터, 적분 피드백 계수 데이터 및 미분 피드백 계수 데이터를 상기 보정수단(400)에 전달하여 비례, 적분 및 미분에 대한 보정신호를 각각 획득시키는 제어수단(100); 을 포함하여 구성된다.
이하, 상기 구성들에 대해 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 지령신호 처리수단(200)의 블록구성도이다.
상기 지령신호 처리수단(200)은, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 외부 지령신호의 입력을 선택할 수 있는 3로스위치(212) 및 스위치 구동부(211)로 구성되어서, 제어수단(100)의 지령에 따라 서보밸브(11)를 제어할 경우에는 외부 지령신호를 입력받고 테스트를 할 경우에는 외부 지령신호의 입력을 차단시키고 대신에 접지측 전위를 인가시켜서 그에 대한 응답특성을 테스트하게 하는 테스트선택부(210); 쌍투스위치(222) 및 스위치 구동부(221)로 구성되어서 외부 지령신호가 전압신호이면 후단의 버퍼부(240)에 그대로 전달하고 외부 지령신호가 전류신호이면 전류/전압변환부(230)에 전달하며, 상기 스위치 구동부(221)를 제어수단(110)에 의해 제어되게 연결되는 신호유형선택부(220); 외부 지령신호가 전류신호일 때에 입력받으며, 연산증폭기(231) 및 저항소자(R21)로 구성되어 전류신호를 전압신호로 변환하는 전류/전압변환부(230); 전압신호의 외부 지령신호, 아니면 상기 전류/전압변환부(230)에 의해 변환된 전압신호를 버퍼링하여 보정수단(400)에 전달하는 안정화부(240);를 포함하여 구성된다. 미설명 부호 R22 및 R23은 회로구성을 위한 저항소자이고, Z1 및 Z2는 과전압을 억제하기 위한 제너다이오드이며, 본 발명이 속하는 기술에서 통상의 기술자가 용이하게 이해될 수 있는 구성에 대해서는 간략하게 도시하고 설명하였음에 유의해야 한다.
한편, 상기 안정화부(240)의 출력단을 제어수단(100)에도 연결하여서, 제어수단(100)에서 안정화된 지령신호를 감지할 수 있게 한다. 이에 따라 제어수단(100)은 지령신호를 판독하여서 후술하는 변위신호 처리수단(300)의 영점 및 스팬을 설정할 때에 사용하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에서, 변위신호 처리수단(300)의 블록구성도이다.
상기 변위신호 처리수단(300)은, 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 변위센서(13)에서 감지된 변위신호를 입력받는 변위신호 입력부(310); 변위신호의 영점을 조절하는 영점조절부(320); 및 변위신호의 스팬을 조절하는 스팬조절부(330); 를 구비한다.
상기 변위신호 입력부(310)는, 변위센서(13)에 연결되어서 변위센서(13)에서 감지되는 변위신호를 입력받아서 버퍼회로(미도시)와 같은 안정화회로로 처리한 후에 영점조절부(320)에 전달한다. 이때 버퍼회로(미도시)는 입력 임피던스는 작고 출력 임피던스는 커서 변위신호를 왜곡 없이 안정되게 입력받게 한다. 그리고, 상기 변위신호 입력부(310)는 변위센서(13)의 유형에 맞게 적절한 신호를 출력하도록 구성될 수 있는 것이며, 예를 들어 변위센서(13)가 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)이면, 3KHz의 전압신호를 변위센서(13)에 인가한 후에 변위센서(13)로부터 입력받는 신호를 처리하여, 액츄에이터(12)의 변위에 해당되는 신호를 획득하는 것이다.
상기 영점조절부(320)는, 변위신호의 영점을 조절하기 위한 구성으로서, 영점 보정신호를 생성하는 제1 디지털 포텐셔미터(321)와; 영점 보정신호를 이용하여 변위신호의 영점을 조절한 신호를 발생시키는 제1 증폭기(322);를 구비한다.
이때, 상기 제1 디지털 포텐셔미터(321)는, 도 6을 참조하여 설명하면, 제어수단(100)으로부터 입력받는 영점 조절데이터에 따라 저항부(1)의 분기점(1c) 위치를 조절하여서 저항부(1)의 양단(1a, 1b)을 통해 인가되는 기준전압(Vref)을 분기점(1c)을 통해 분압하여 출력한다. 이와 같이 분기점(1c)를 통해 출력되는 신호는 영점 보정신호가 되어서, 상기 제1 증폭기(322)에 입력된다.
그리고, 상기 제1 증폭기(322)는, 상기 변위신호 입력부(310)로부터 입력받는 변위신호와 상기 제1 디지털 포텐셔미터(321)에서 분압한 전압신호(영점 보정신호)를 입력받아 차동증폭하여서 영점을 조절한 변위신호를 생성한다. 여기서, 상기 제1 증폭기(322)는 예를 들면 연산증폭기(OP-AMP)로 구성될 수 있는 것이며, 미설명한 R31 및 R32 , R33 및 R34는 제1 증폭기(322)에 입력되는 신호의 레벨 및 증폭레벨을 조절하기 위한 저항소자이며, 회로구성에 맞게 적절하게 적용된다.
상기 스팬조절부(330)는, 상기 영점조절부(320)로 영점을 조절한 변위신호의 스팬을 보정하는 구성으로서, 변위신호를 증폭하는 제2 증폭기(332)와, 상기 제2 증폭기(332)의 증폭비율을 결정하는 제2 디지털 포텐셔미터(331)를 구비한다.
상기 제2 디지털 포텐셔미터(331)는, 도 6을 참조하여 설명하면, 제어수단(100)으로부터 입력받는 스팬 조절데이터에 따라 저항부(1)의 분기점(1c) 위치를 조절하여서 분기점(1c)을 기준으로 저항부(1)의 총 저항값을 분할한다. 이때, 분할되는 저항값이 상기 제2 증폭기(332)에 인가되어 분할된 저항값의 비율로 증폭시키며, 회로적인 연결상태를 살펴보면, 저항부(1)의 일단(1a)을 상기 영점조절부(320)에 연결하여 영점이 조절된 변위신호를 입력받고 저항부(1)의 타단(1b)을 제2 증폭기(332)의 출력단에 연결하며 저항부(1)의 분기점(1c)를 제2 증폭기(332)의 입력단에 연결한다.
따라서, 상기 제2 증폭기(332)는, 분기점(1c)에 연결된 입력단을 제외한 나머지 하나의 입력단이 접지측에 연결되어서, 상기 제2 디지털 포텐셔미터(331)에서 저항부(1)를 분합한 비율을 증폭도로 하여 변위신호를 증폭한다. 그리고, 증폭된 변위신호는 영점 및 스팬을 조절한 신호가 되어서 보정수단(400)에 입력된다. 본 발명의 실시예에서는, 상기 제2 증폭기(332)를 연산증폭기(OP-AMP)로 구성하였다.
일반적으로, 액츄에이터(12)를 최소 위치에서 최대 위치까지 변위하고, 액츄에이터(12)의 변위를 변위센서(13)로 감지할 때에, 변위센서(13)에서 감지되는 신호는 설치시에 발생되는 설치 위치 오차 또는 변위센서(13)의 자체 오차에 의해서 일정한 값을 갖지 아니한다. 따라서, 상기 변위센서(13)에서 감지된 변위신호는 그대로 사용하지 아니하고 영점을 조절해야 하며, 아울러 액츄에이터(12)를 최소 위치에서 최대 위치까지 변위됨에 따라 감지되는 변위신호의 크기는 원하는 범위내로 맵핑할 필요가 있으며 이에 따라 스팬을 조절해야 한다. 이러한 이유로, 상기 변위신호 처리수단(300)은, 제어수단(100)으로부터 입력받는 영점 조절데이터 및 스팬 조절데이터에 따라 변위신호의 영점 및 스팬을 조절하는 것이다.
한편, 변위신호 입력부(310)의 출력단은 제어수단(100)에도 연결되어서, 제어수단(100)이 변위신호를 입력받을 수 있게 되며, 이에 따라 제어수단(100)은 후술하는 바와 같이 영점 조절데이터 및 스팬 조절데이터를 획득할 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서, 보정수단(400)의 블록구성도이다.
상기 보정수단(400)은, 상기 지령신호 처리수단(200)으로부터 전달받는 지령신호를 상기 변위신호 처리수단(300)에 의해 영점 및 스팬이 조절된 변위신호로 보정하여 보정신호 출력수단(500)에 전달한다.
이를 위한 상기 보정수단(400)은, 오차신호생성부(410), 게인조절부(420), 비례보정부(430), 적분보정부(440), 미분보정부(450) 및 합산부(460)를 구비한다.
상기 오차신호생성부(410)는, 상기 지령신호 처리수단(200)로부터 입력받는 지령신호와 상기 변위신호 처리수단(300)으로부터 입력받는 영점 및 스팬을 조절한 변위신호를 차동증폭하여 오차신호를 발생시킨다. 이와 같이 발생시킨 오차신호가 크면 클수록 후단에 의해 보정되는 신호의 크기도 커져서 보정신호 출력수단(500)을 통해 출력되는 보정신호도 커지므로, 서보밸브(11)에 의해 액츄에이터(12)의 동작량도 커지게 된다.
상기 게인조절부(420)는, 오차신호에 게인 계수를 곱산하여서 오차신호의 전압 레벨을 조절한다. 본 발명의 실시예에 따른 상기 게인조절부(420)는, 도 6에 도시된 디지털 포텐셔미터로 구성되며, 구체적으로, 저항부(1)의 일단(1a)이 상기 오차신호생성부(410)에 연결되어 오차신호를 입력받고 저항부(1)의 타단(1b)을 접지(G)시킨 상태에서, 상기 제어수단(100)으로부터 전달받는 계수 데이터를 스위칭부(2)의 데이터입력단(2a)을 통해 입력받아 저항부(1)의 분기점(1c) 위치를 변경하여서, 분기점(1c)에 의해 분압되는 오차신호를 출력시킨다. 이와 같이 구성되는 상기 게인조절부(420)는, 후단의 비례·적분·미분보정부(430, 440, 450)에 의해 생성되어 합산부(460)에 의해 합산되는 신호의 전체 크기를 조절한다.
상기 비례보정부(430)는, 레벨 조절된 오차신호를 증폭하는 증폭기(431)와, 제어수단(100)으로부터 전달받는 비례 피드백 계수를 증폭된 오차신호에 곱산하여서 비례 피드백 신호를 생성하는 비례계수곱산부(432)를 구비한다. 여기서, 상기 증폭기(431)는 도시된 바와 같이 연산증폭기(U1)와 다수의 저항(R41, R42, R43)를 회로결선하여 저항 R41 저항값과 R42 저항값의 비율로 증폭되게 구성할 수 있다. 그리고, 상기 비례계수곱산부(432)는 도시된 바와 같이 도 6의 디지털 포텐셔미터로 구성되어서, 증폭된 오차신호를 저항부(1)의 일단(1a)을 통해 입력받아 전압 분할 하여서 분기점(1c)를 통해 출력한다. 이때, 상기 게인조절부(420)와 동일하게 저항부(1)의 타단(1b)은 접지측에 연결되며, 분기점(1c)의 위치를 결정하는 스위칭부(2)의 데이터입력부(2a)는 제어수단(100)에 연결되어서 제어수단(100)으로부터 비례 피드백 계수의 데이터를 입력받는다.
상기 적분보정부(440)는, 레벨 조절된 오차신호를 적분하여 적분신호를 발생시키는 적분기(441)와, 적분신호에 적분 피드백 계수를 곱산하여 적분 피드백 신호를 생성하는 적분계수곱산부(442), 를 구비한다. 상기 적분기(441)은, 도시된 바와 같이 연산증폭기(U2), 콘덴서(C41), 저항(R44, R45), 전원(V41) 및 스위치(S41)로 구성될 수 있으며, 여기서 콘덴서(C41)와 저항(R44)의 곱에 역수를 취한 값이 적분상수가 되고 전원(V41) 및 스위치(S41)는 콘덴서(C41)의 초기값을 설정하는 것으로서, 이와 같은 적분기(441)는 일반적인 기술에 해당되므로 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 상기 적분계수곱산부(442)는 제어수단(100)으로부터 전달받는 적분 피드백 계수의 데이터에 따라 분기점(1c)의 위치를 바꾸어서 분기점(1c)을 통해 출력되는 적분신호의 크기를 조절하며, 상기 비례계수곱산부(432)와 동일한 형태로 결선되므로 중복설명을 생략한다.
상기 미분보정부(450)는, 레벨 조절된 오차신호에 미분 피드백 계수를 곱산하는 미분계수곱산부(452)와, 곱산하여 얻는 신호를 미분하여 미분 피드백 신호를 생성하는 미분기(451). 를 구비한다. 상기 미분계수곱산부(452)는, 제어수단(100)으로부터 전달받는 미분 피드백 계수의 데이터에 따라 오차신호를 분압하여 출력하며, 상기 비례계수곱산부(432) 및 적분계수곱산부(442)와 동일하게 도 6에 도시된 디지털 포텐셔미터로 구성될 수 있다. 상기 미분기(451)는 연산증폭기(U3), 콘덴서(C42) 및 저항(R46, R47)을 회로연결하여 구성될 수 있는 일반적인 기술이며, 콘덴서(C42) 및 저항(R46)의 곱이 미분 상수가 된다. 한편, 상기 미분기(451)에 의한 미분동작은 회로가 갖는 잡음에 민감하므로, 상기 미분계수곱산부(452)를 상기 미분기(451)의 전단에 배치하였다.
상기 합산부(460)는, 상기 비례보정부(430), 적분보정부(440) 및 미분보정부(450)에서 발생시킨 상기 비례 피드백 신호, 적부 피드백 신호 및 미분 피드백 신호를 합산하여서 보정신호를 발생시키고, 발생시킨 보정신호를 보정신호 출력수단(500)에 전달한다.
이와 같이 생성되는 보정신호는, 오차신호에 대한 PID(비례-적분-미분) 제어를 위해서 상기 비례 피드백 신호, 적부 피드백 신호 및 미분 피드백 신호를 개별적으로 생성한 후에 합산하되, 합산되는 비례 피드백 신호, 적부 피드백 신호 및 미분 피드백 신호의 전압 레벨도 개별적으로 조절할 수 있게 하여서 비례, 적분 및 미분 피드백의 비율을 유압서보장치(10)의 동작특성에 맞게 설정할 수 있다. 아울러, 보정신호의 총 파워를 게인조절부(420)로 조절할 수 있으므로 상기 게인조절부(420)를 이용하여 유압서보장치(10)의 반응속도를 적절하게 설정할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에서, 변위신호 처리수단(300)의 제1,2 디지털 포텐셔미터(321, 331)와, 보정수단(400)의 게인조절부(420), 비례계수곱산부(432), 적분계수곱산부(442) 및 미분계수곱산부(452)에 채용되는 디지털 포텐셔미터의 구성도이다.
상기 도 6에 도시된 디지털 포텐셔미터는, 예를 들면 일단(1a)과 타단(1b)의 사이에 다수개의 저항소자들(미도시)을 배치하고 분기점(1c)을 구비한 저항부(1)와, 데이터입력부(2a)를 통해 입력받는 데이터에 따라 상기 저항부(1)의 각 저항소자들의 연결상태를 바꾸는 스위칭부(2)로 구성된다.
따라서, 상기 디지털 포텐셔미터는, 입력받는 데이터에 따라 분기점(1c)과 일단(1a)의 사이, 및 분기점(1c)과 타단(1b)의 사이의 저항값을 변경시킬 수 있는 것이다.
상기 보정신호 출력수단(500)는, 상기 보정수단(400)에서 보정신호를 버퍼회로와 같은 안정화회로를 이용하여 안정화한 후에 출력시키며, 아울러, 출력할 보정신호의 전류값을 조절하거나 제한할 수 있게 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 보정신호 출력수단(500)은, 서보밸브(11)에 입력되는 신호의 동작점을 조절하기 위해서 바이어스 전압을 인가할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 보정신호 증폭수단(600)는, 서보밸브(11)의 기기 사양에 따라 필요로 하는 전류를 공급할 수 있도록 선택적으로 채용되는 구성으로서, 서보밸브(11)에서 필요로 하는 전류값이 클 경우에 상기 보정신호 출력수단(500)에서 출력되는 보정신호의 전류값을 증폭하여 출력시킨다. 여기서, 상기 보정신호 증폭수단(600)은, 출력전류의 최대값을 제한하도록 구성하는 것이 바람직하며, 아울러 과전류 보호회로를 추가할 수도 있다.
상기 제어수단(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(110), 키입력부(120), 디스플레이부(130), 메모리(140), A/D변환부(150) 및 제어신호전달부(160)를 구비한다. 상기와 같이 구성되는 제어수단(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
<변위신호의 영점 및 스팬 설정모드 동작>
제어부(110)는, 키입력부(120)로 영점 설정모드를 선택받은 상태에서, 액츄에이터(12)를 최소 위치에 두고 액츄에이터(12)의 최소 위치에 해당되는 지령신호를 입력받으면, 변위센서(13)에서 감지한 변위신호를 지령신호 처리수단(200)을 통해 A/D변환부(150)로 입력받아서 디지털 데이터로 변환하고, 변환한 디지털 데이터를 판독하여서 변위신호의 전압값을 영점 보정신호의 전압값으로 하고, 제1 포텐셔미터(321)의 분기점(1c)을 통해 영점 보정신호를 출력시킬 수 있는 영점 조절데이터를 획득한다. 여기서 획득하는 영점 조절데이터는, 기 설정되는 기준전압(Vref)을 분압하여 분기점(1c)에서 출력되는 전압값이 영점 보정신호의 전압값으로 되게 하는, 분기점(1c)의 위치 데이터, 즉 스위칭부(2)에 입력되는 데이터에 해당된다. 그리고, 산출한 영점 조절데이터를 메모리(140)에 저장한다.
다음으로, 상기 제어부(110)는, 키입력부(120)로 스팬 설정모드를 선택받으면, 영점 설정모드에서 저장한 영점 조절데이터를 제어신호전달부(160)를 통해 변위신호 처리수단(300)의 영점 조절부(320)에 전달하여서 제1 디지털 포텐셔미터(321)가 영점 보정신호를 제1 증폭기(322)에 공급하게 한다. 그리고, 상기 제어부(110)는, 액츄에이터(12)를 최대 위치에 두고 액츄에이터(12)의 최대 위치에 해당되는 지령신호를 입력받으면, 지령신호를 지령신호 처리수단(200)을 통해 A/D변환부(150)로 입력받아서 디지털 데이터로 변환하고, 변환한 디지털 데이터를 판독하여서 지령신호의 전압값을 상기 스팬조절부(330)의 최대 출력값으로 하여서, 상기 스팬조절부(330)이 최대 출력값을 출력하게 하는 제2 디지털 포텐셔미터(331)의 분기점 위치를 스팬 조절데이터로 한다. 그리고, 스팬 조절데이터를 메모리(140)에 저장한다.
여기서, 스팬 조절데이터는, 영점을 조절한 변위신호가 지령신호의 최소값 및 최대값의 범위로 맴핑(mapping) 시키기 위한 변위신호의 증폭도를 나타내는 데이터로서, 산술적으로 산출되며, 제2 디지털 포텐셔미터(331)의 저항부(1)의 분압비율을 나타낸다. 즉, 스팬 조절데이터는, 스팬 설정모드에서 입력받는 지령신호와 동일한 변위신호를 상기 제2 증폭기(332)에서 출력되도록 증폭하는 데이터인 것이다.
<보정 신호 설정 모드>
다음으로, 제어부(110)는 보정수단(400)의 게인조절부(420), 비례계수곱산부(432), 적분계수곱산부(442) 및 미분계수곱산부(452)의 분압비율을 조절하기 위한 게인 계수 데이터, 비례 피드백 계수 데이터, 적분 피드백 계수 데이터 및 미분 피드백 계수 데이터 를 키입력부(120)를 통해 입력받아서 메모리(140)에 저장한다. 여기서, 비례 피드백 계수, 적분 피드백 계수 및 미분 피드백 계수는, 서보밸브(11)의 제어에 따른 액츄에이터(12)의 반응성(또는 원하는 위치로 수렴하는 특성곡선)을 좌우하므로, 본 발명을 유압서보장치(10)에 장착하여 실제 테스트를 하였을 때에 원하는 반응성을 갖게 하는 계수로 선정되는 것이며, 게인 계수는 주로 반응 속도를 좌우하므로, 반응 속도를 유압서보장치(10)의 동작 조건에 맞게 적절히 선정할 수 있는 것이다.
<서보밸브 제어모드>
이와 같이, 변위신호의 영점 및 스팬을 조절하기 위한 데이터와, PID(비례-적분-미분) 제어를 위한 계수 데이터를 획득한 이후에, 서보밸브를 제어하는 모드를 선택받으면, 상기 제어부(110)는, 제어신호전달부(160)를 통해서 영점 조절데이터 및 스팬 조절데이터를 변위신호 처리수단(300)에 전달하고 게인 계수 데이터, 비례 피드백 계수 데이터, 적분 피드백 계수 데이터 및 미분 피드백 계수 데이터를 보정수단(400)에 전달하여서, 지령신호와 영점 및 스팬을 보정한 변위신호로부터 PID(비례-적분-미분) 제어신호인 보정신호를 획득하여 서보밸브(11)에 전달시킨다.
한편, 상기 제어부(110)는 외부로부터 입력받는 지령신호가 전류신호임을 키입력부(120)를 통해서 알게 되면, 지령신호 처리수단(200)의 신호유형선택부(220)를 제어하여서 지령신호를 전류신호에서 전압신호로 변환되게 한다.
미설명한 상기 디스플레이부(130)는, 영점 및 스팬 설정모드 및 보정 신호 설정 모드에서 각종 안내문을 출력하여 키입력부(120)를 알기 쉽게 조작할 수 있게 하며, 서보밸브 제어모드에서 미리 정해진 종류의 데이터를 출력하여 동작상태를 확인시킨다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
10 : 유압 서보기구 11 : 서보밸브 12 : 액츄에이터
13 : 변위센서
100 : 제어수단
200 : 지령신호 처리수단 210 : 테스트선택부 220 : 신호유형선택부
230 : 전류/전압변환부 240 : 안정화부
300 : 변위신호 처리수단 310 : 변위신호 입력부 320 : 영점조절부
330 : 스팬조절부
400 : 보정수단 410 : 오차신호생성부 420 : 게인조절부
430 : 비례보정부 431 : 증폭기 432 : 비례계수곱산부
440 : 적분보정부 441 : 적분기 442 : 적분계수곱산부
450 : 미분보정부 451 : 미분기 452 : 미분계수곱산부
460 : 합산부
500 : 보정신호 출력수단 600 : 보정신호 증폭수단
디지털 포텐셔미터(321, 331, 420, 432, 442, 452)의 도면부호
1 : 저항부 1c : 분기점
2 : 스위칭부 2a : 데이터입력단

Claims (4)

  1. 지령신호에 의해 유압의 흐름을 조절하는 서보밸브(11), 서보밸브(11)에 의해 조절된 유압으로 동력을 발생시키는 액츄에이터(12), 및 액츄에이터(12)의 변위를 측정하는 변위센서(13)로 이루어지는 유압서보장치(10)에 결합되어 서보밸브(11)의 동작을 제어하기 위한 유압 서보밸브 제어장치에 있어서,
    액츄에이터(12)의 위치에 대한 아날로그 지령신호를 입력받는 지령신호 처리수단(200);
    변위센서(13)로부터 아날로그 변위신호를 입력받고, 입력받은 변위신호의 영점 및 스팬을 조절하는 변위신호 처리수단(300);
    아날로그 지령신호와 영점 및 스팬을 조절한 아날로그 변위신호를 차동증폭하고, 차동증폭하여 얻은 신호의 비례, 적분 및 미분에 대한 아날로그 보정신호를 각각 획득한 후에 합산하는 보정수단(400);
    합산하여 얻은 보정신호를 출력하는 보정신호 출력수단(500);
    영점 및 스팬 조절데이터를 상기 변위신호 처리수단(300)에 전달하여 아날로그 변위신호의 영점 및 스팬을 조절시키고, 비례 피드백 계수 데이터, 적분 피드백 계수 데이터 및 미분 피드백 계수 데이터를 상기 보정수단(400)에 전달하여 비례, 적분 및 미분에 대한 아날로그 보정신호를 각각 획득시키는 제어수단(100);
    을 포함하여 구성되며,

    상기 변위신호 처리수단(300)은,
    변위센서(13)로부터 아날로그 변위신호를 입력받는 변위신호 입력부(310);
    입력받는 영점 조절데이터에 따라 저항부의 분기점을 조절하여서 저항부의 양단을 통해 인가되는 기준전압(Vref)을 분기점을 통해 분압하여 출력하는 제1 디지털 포텐셔미터(321)와, 입력받는 아날로그 변위신호와 분압한 전압신호를 차동증폭하여서 영점을 조절한 아날로그 변위신호를 획득하여 출력하는 제1 증폭기(322), 를 구비하는 영점조절부(320); 및
    입력받는 스팬 조절데이터에 따라 저항부의 분기점을 조절하여서 분기점을 기준으로 저항부의 저항값을 분할하는 제2 디지털 포텐셔미터(331)와, 분할된 저항값의 비율을 증폭도로 하여 상기 영점을 조절한 아날로그 변위신호를 증폭하여서 스팬을 조절한 아날로그 변위신호를 획득하여 출력하는 제2 증폭기(332), 를 구비하는 스팬조절부(330);
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 유압 서보밸브 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어수단(100)은,
    액츄에이터(12)를 최소 위치에 두고, 액츄에이터(12)의 최소 위치에 해당되는 아날로그 지령신호를 입력받을 시에, 변위센서(13)로부터 입력받는 아날로그 변위신호와 동일한 신호를 상기 제1 디지털 포텐셔미터(321)의 분기점에서 출력되게 하는 분기점 위치를 영점 조절데이터로 하고,
    액츄에이터(12)를 최대 위치에 두고, 액츄에이터(12)의 최대 위치에 해당되는 아날로그 지령신호를 입력받을 시에, 입력받는 아날로그 지령신호와 동일한 신호를 상기 제2 증폭기(332)에서 출력되게 하는 제2 디지털 포텐셔미터(331)의 분기점 위치를 스팬 조절데이터로 하는 것임을 특징으로 하는 유압 서보밸브 제어장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 보정수단(400)은,
    상기 지령신호 처리수단(200)으로부터 입력받는 아날로그 지령신호와 상기 변위신호 처리수단(300)으로부터 입력받는 영점 및 스팬을 조절한 아날로그 변위신호를 차동증폭하여 오차신호를 발생시키는 오차신호생성부(410);
    오차신호에 게인 계수를 곱산하여서 오차신호의 전압 레벨을 조절하는 게인조절부(420);
    레벨 조절된 오차신호를 증폭하는 증폭기(431)와, 증폭된 오차신호에 비례 피드백 계수를 곱산하여 비례 피드백 신호를 생성하는 비례계수곱산부(432), 를 구비하는 비례보정부(430);
    레벨 조절된 오차신호를 적분하여 적분신호를 생성하는 적분기(441)와, 적분신호에 적분 피드백 계수를 곱산하여 적분 피드백 신호를 생성하는 적분계수곱산부(442), 를 구비하는 적분보정부(440);
    레벨 조절된 오차신호에 미분 피드백 계수를 곱산하는 미분계수곱산부(452)와, 곱산하여 얻는 신호를 미분하여 미분 피드백 신호를 생성하는 미분기(451), 를 구비하는 미분보정부(450);
    상기 비례 피드백 신호, 적부 피드백 신호 및 미분 피드백 신호를 합산한 신호를 생성하는 합산부(460);
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 유압 서보밸브 제어장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 보정수단(400)에서 게인조절부(420), 비례계수곱산부(432), 적분계수곱산부(442), 및 미분계수곱산부(452)는,
    저항부(1)의 일단(1a)으로 아날로그 신호를 입력받고 저항부(1)의 타단(1b)을 접지(G)시킨 상태에서, 상기 제어수단(100)으로부터 입력받는 계수 데이터에 따라 저항부(1)의 분기점(1c) 위치를 변경하여서, 분기점(1c)에 인가되는 아날로그 신호를 출력시키는 디지털 포텐셔미터(420, 432, 442, 452)로 이루어짐을 특징으로 하는 유압 서보밸브 제어장치.
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