KR102628486B1 - 밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 방법으로서, 밸브에 소정 크기의 전류를 인가하는 단계; 상기 전류 인가에 따른 상기 밸브로부터의 피드백 전류의 크기와 상기 밸브 양단의 전압값에 기초하여 상기 밸브의 저항값을 추정하는 단계; 제1 시점에 추정된 밸브의 저항값과 제2 시점에 추정된 밸브의 저항값의 차이가 임계값 이상인 경우, 상기 밸브에 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 밸브 이상 상태 진단 방법이 제공된다.

Description

밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 전자식 밸브의 성능이 탁월하게 개선됨에 따라 기존의 건설기계의 유압 시스템에서 사용되었던 기계식 유압 스풀 밸브를 제거하고 이를 전자식 밸브로 대체하는 시도가 많이 진행되고 있다.
기존의 유압식 스풀 밸브는 밸브의 독립성을 확보할 수 없었으나, 전자식 밸브는 독립적인 밸브 시스템의 구현을 가능하게 하였다. 이러한 전자식 밸브가 적용된 독립적인 밸브 기술을 IMVT(Independent Metering Valve Technology)라 한다.
IMVT EXC 머신은 약 40개의 EHPV(Electronic Hydraulic Proportional Valve) 를 제어하여 장비의 직접적인 동작인 접근 및 이동을 제어한다.
EHPV는 ECU(Electronic Control Unit)로부터 공급되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호로 제어가 된다. 도 1은 ECU가 EHPV를 제어하는 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 1을 참조하면, ECU(10)는 PWM 신호로 EHPV(20) 양단의 전압(V1)을 제어하여 EHPV(20)에 인가되는 전류값을 결정한다. EHPV를 통과한 전류는 피드백 전류(I1)로서 다시 ECU(10)로 입력된다.
ECU(10)는 EHPV(20) 양단의 전압(V1)과 피드백 전류(I1)의 크기를 통해 EHPV(20)의 현재 저항값(R1)을 추정할 수 있다.
(R1=V1/I1)
EHPV(20)는 고유의 저항특성을 가지고 있기 때문에, 저항값은 제1 값(최소값)과 제2 값(최대값) 사이의 범위에 속하여야 할 것이다. 만약, 상기와 같은 방법으로 ECU(10)가 추정한 저항값이 상기 제1 값보다 작거나, 제2 값보다 크다면 이상이 발생했다고 판단할 수 있다.
그러나, EHPV에 대한 이러한 이상 진단 방법은 일부의 상황에서 정확한 진단을 내리는 것이 불가능하다.
도 2는 이상 진단이 불가능한 경우를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 및 제2 EHPV(20, 21)의 저항값은 정상 범위에 속해 있으나, 제1 및 제2 EHPV(20, 21)의 (-) 단이 상호 단락(short)되어 있는 경우를 가정한다.
이 경우, ECU(10)가 두 EHPV(20, 21) 양단의 전압(V1, V2)을 동일하게 제어한다고 가정할 때, 제1 EHPV(20)를 흐르는 전류(IR1) 또는 제2 EHPV(21)를 흐르는 전류(IR2) 중 일부가 상기 단락된 라인을 통해 흐르게 된다(I').
예를 들어, 제1 EHPV(20)를 흐르는 전류(IR1)의 일부가 단락 라인을 거쳐 제2 EHPV(21)의 (-) 단으로 흘러 들어간다면, ECU(10)로 입력되는 제1 피드백 전류(I1)의 크기는 단락이 발생하지 않은 경우에 비해 감소할 것이고, 제2 피드백 전류(I2)의 크기는 단락이 발생하지 않은 경우에 비해 증가할 것이다.
따라서, 제1 피드백 전류(I1)에 기초하여 추정되는 제1 EHPV(20)의 저항값은 단락이 발생하지 않은 경우에 비해 증가할 것이고, 제2 피드백 전류(I2)에 기초하여 추정되는 제2 EHPV(21)의 저항값은 단락이 발생하지 않은 경우에 비해 감소할 것이다.
ECU(10)는 실제 제1 EHPV(20)를 흐르는 전류(IR1)보다 작은 크기의 제1 피드백 전류(I1)를 인식하였으므로, PWM 제어에 있어서, 제1 EHPV(20) 양단의 전압(V1)을 증가시키게 될 것이다. 그러나, 실제로 제1 EHPV(20)의 저항값은 정상 범위에 있기 때문에, ECU(10)의 제어는 오작동을 일으키게 되는 것이다.
즉, 도 2와 같은 경우에, ECU가 EHPV의 이상 상태를 정확하게 진단하지 못하게 된다.
따라서, 어떠한 경우라도, EHPV의 이상 상태를 정확히 판단할 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 밸브 외적인 이상 상황 존재 시에도 밸브 자체적인 이상 상태에 대한 진단 정확도를 향상시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 기계가 off인 상태인 경우에도 밸브의 이상 상태를 진단할 수 있도록 하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 방법으로서, 밸브에 소정 크기의 전류를 인가하는 단계; 상기 전류 인가에 따른 상기 밸브로부터의 피드백 전류의 크기와 상기 밸브 양단의 전압값에 기초하여 상기 밸브의 저항값을 추정하는 단계; 및 제1 시점에 추정된 밸브의 저항값과 제2 시점에 추정된 밸브의 저항값의 차이가 임계값 이상인 경우, 상기 밸브에 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하는, 밸브 이상 상태 진단 방법이 제공된다.
상기 전류는 상기 밸브가 동작하기 위해 필요한 최소 전류의 크기보다 작은 크기를 가질 수 있다.
상기 전류를 인가하는 단계는, 상기 제1 시점 및 제2 시점에 각각 상이한 크기를 갖는 제1 전류 및 제2 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전류의 크기는 상기 밸브가 동작하기 위해 필요한 최소 전류의 크기보다 작고, 상기 제2 전류의 크기는 상기 밸브가 동작하기 위해 필요한 최소 전류의 크기보다 클 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 장치로서, 밸브에 소정 크기의 전류를 인가하여 밸브의 저항값을 추정하고, 상이한 시점에 추정된 밸브의 저항값 간의 차이가 임계값 이상인 경우, 상기 밸브에 이상이 발생한 것으로 판단하는 밸브 제어부를 포함하는, 밸브 이상 상태 진단 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 특정 시점에 추정되는 밸브의 저항값이 아니라, 상이한 시점에 추정되는 밸브의 저항값 간 차이를 통해 밸브의 이상 상태를 진단함으로써, 밸브 자체적인 이상 상황에 대한 진단 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기계가 off인 상태인 경우에도 밸브의 이상 상태 진단이 가능해진다.
도 1은 일반적인 밸브 제어 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 밸브 제어 시스템에서 발생할 수 있는 이상 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 제어 및 이상 진단을 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 밸브의 이상 상태를 진단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따른 밸브 제어 및 이상 진단을 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 추가 실시예에 따라 밸브의 이상 상태를 진단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결" 또는 “결합”되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브에 대한 제어 및 이상 진단을 위한 장치를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브 이상 진단 장치는 밸브 제어부(100) 및 밸브(200)를 포함한다. 이는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 종래 기술에 따른 시스템과 동일한 하드웨어적 구성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 기존의 밸브 제어 시스템의 하드웨어적 구성을 변경하지 않고도 밸브에 대한 정확한 이상 진단이 가능하다.
다시 도 3을 참조하면, 밸브 제어부(100)는 밸브(200)의 전체적인 동작을 제어하고, 밸브(200)의 이상 상태를 진단한다.
밸브 제어부(100)는 PWM 제어를 통해 밸브(200)의 양단 전압을 제어함으로써 밸브(200)에 소정 크기의 전류를 인가한다. 밸브 제어부(100)는 off 상태, 스탠바이 상태, on 상태의 적어도 3가지 상태를 가질 수 있다. off 상태는 도 3에 도시된 장치가 장착되는 기계가 off 상태인 경우이며, 이 경우, 밸브 제어부(100)는 밸브(200)에 아무런 전기적 신호를 공급하지 않는다. 스탠바이 상태는 기계가 on 상태가 된 후 밸브(200)에 스탠바이 전류(Is)를 공급하는 상태이다. 스탠바이 전류(Is)의 크기는 밸브(200)가 동작하기 위해 필요한 최소 전류의 크기보다 작을 수 있다. 마지막으로 on 상태는 밸브(200)를 동작시킬 수 있을 정도의 크기를 가진 전류를 공급해주는 상태이다.
본 발명의 실시예에 따른 밸브 제어부(100)는 상기 off 상태와 스탠바이 상태에서도 밸브(200)의 저항값 변화를 검출함으로써 이상 상태를 정확하게 진단할 수 있다. 진단 방법에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.
밸브(200)는 밸브 제어부(100)의 제어에 의해 동작을 하는 밸브로서, 밸브 제어부(100)로부터 수신되는 전기적 신호에 따라 유압 시스템의 압력, 유량 또는 방향을 비례적으로 제어하는 밸브, 즉, EHPV(Electronic Hydraulic Proportional Valve)로 구현될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 밸브(200)는 전기적 신호를 입력받아 그에 따른 동작을 수행하는 밸브라면, EHPV 외에 다른 밸브도 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
밸브(200)는 도체로 이루어지는데, 도체의 저항은 온도에 따라 달라질 수 있다. 밸브(200)가 정(+) 온도계수를 갖는다면, 온도가 올라갈수록 저항값이 증가하게 된다. 밸브(200)의 온도는 장비 내 유온의 변화, 밸브(200)에 직접 인가되는 전류값의 변화, 대기 온도의 변화 등에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로 온도의 변화는 시간에 따라 서서히 발생하게 되며, 온도 변화율이 급격한 경우는 없다고 보아도 무방하다. 따라서, 온도 변화에 따른 밸브(200)의 저항값 변화가 급격할 수는 없다는 것을 전제로 하여, 밸브(200)의 이상 상태를 정확하게 진단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브의 이상 상태 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 이상 진단 방법을 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 밸브 제어부(100)는 기계가 off인 상태, 스탠바이 상태, on인 상태에서 서로 다르게 동작하는데, 스탠바이 상태에서는 스탠바이 전류(Is)를 밸브(200)로 공급할 수 있다(S410).
스탠바이 전류(Is)는 밸브(200)가 동작할 수 없는 정도의 작은 크기를 가질 수 있으며, 예를 들면, 약 150mA의 크기를 가질 수 있다.
밸브 제어부(100)는 이러한 스탠바이 전류(Is)를 공급한 후, 밸브(200)로부터 밸브 제어부(100)로 입력되는 피드백 전류(If)의 크기 및 밸브(200) 양단의 전압(V)을 기초로 밸브(200)의 저항값(Rs)을 추정할 수 있다(S420).
Rs=V/If
밸브 제어부(100)는 일정 주기로 또는 계속적으로 상기와 같은 방법으로 밸브(200)의 저항값(Rs) 추정을 수행하며, 추정된 밸브(200)의 저항값(Rs)을 메모리에 저장해둔다(S430).
전술한 바와 같이, 밸브(200)의 저항값(Rs) 변화는 급격하게 발생할 수 없기 때문에, 만약, 추정된 밸브(200)의 저항값(Rs)이 짧은 시간 동안 급격하게 변화하였다면, 밸브(200)에 이상이 발생하였다는 것으로 판단할 수 있다.
이러한 판단을 위해, 밸브 제어부(100)는 제1 시점(T1)에서 추정된 밸브(200)의 저항값(Rs1)과 제1 시점(T1) 이후의 제2 시점(T2)에서 추정된 밸브(200)의 저항값(Rs2)의 차이가 기 설정된 임계값 이상인지 여부를 판단한다(S440). 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2) 간의 간격과 임계값은 기 설정된 값일 수 있다. 또한, 임계값은 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2) 간의 간격에 대략적으로 비례할 수 있다. 예를 들어, 제1 시점(T1)과 제2 시점(T2) 간의 간격이 1초인 경우, 상기 임계값은 3Ω으로 설정될 수 있다.
판단 결과, 밸브(200) 저항값(Rs)의 변화가 임계값 이상인 경우에는 밸브(200)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
구체적으로, 밸브(200)의 저항값(Rs)의 변화가 임계값 이상이고, 그 변화가 '증가'인 경우에는, 전류의 크기가 정상 상태보다 낮다는 에러 정보(Current Below Normal Error)를 출력하고(S450), 그 변화가 '감소'인 경우에는, 전류의 크기가 정상 상태보다 높다는 에러 정보(Current Above Normal Error)를 출력할 수 있다(S460).
한편, 기 설정된 시간 간격에서 밸브(200)의 저항값(Rs) 변화가 임계값 이하인 경우에는, 밸브(200)가 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다(S470).
도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따른 밸브에 대한 제어 및 이상 진단을 위한 장치를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 전체 장치의 구성은 도 3과 동일하다는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 추가 실시예에 따른 밸브의 이상 상태 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 이상 진단 방법을 설명하기로 한다.
밸브 제어부(100)가 밸브(200)에 아무런 전기적 신호도 공급하지 않는다면, 밸브(200)의 이상 상태를 진단할 수 없다. 즉, 통상적으로 기계가 off인 상태에서는 밸브(200)의 이상 상태를 진단할 수 없게 된다.
본 실시예는 기계가 off인 상태에서도 밸브(200)의 이상 상태를 진단하기 위한 것으로서, 먼저, 기계가 off인 상태일 때, 밸브 제어부(100)가 밸브(200)에 소정 크기의 전류(Ie)를 공급한다(S610).
이 때의 전류 크기는 밸브(200)가 동작할 수 있는 최소한의 전류 크기와 동일 또는 유사할 수 있다.
밸브 제어부(100)는 이러한 크기의 전류(Ie)를 공급한 후, 밸브(200)로부터 밸브 제어부(100)로 입력되는 피드백 전류(If)의 크기 및 밸브(200) 양단의 전압(V)을 기초로 밸브(200)의 저항값(Re)을 추정할 수 있다(S620). 추정된 저항값(Re)은 메모리에 저장된다(S630).
기계가 스탠바이 상태인 경우, 밸브 제어부(100)는 밸브(200)에 스탠바이 전류(Is)를 공급하게 되는데, 스탠바이 전류(Is)를 공급할 때의 피드백 전류(If)의 크기로 밸브(200)의 저항값(Rs)이 추정될 수 있음은 전술한 바와 같다.
밸브 제어부(100)는 기계가 off 상태인 경우 추정된 밸브의 저항값(Re)과, 스탠바이 상태인 경우 추정된 밸브의 저항값(Rs)을 비교하고, 그 차이가 임계값 이상의 차이를 갖는지 판단한다(S640).
단계 S640 에서의 임계값은 예를 들면 3Ω일 수 있다.
판단 결과, 기계가 off 상태인 경우 추정된 밸브의 저항값(Re)과, 스탠바이 상태인 경우 추정된 밸브의 저항값(Rs)의 차이가 임계값 이상인 경우에는 밸브(200)에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
구체적으로, 기계가 off 상태인 경우 추정된 밸브의 저항값(Re)이 스탠바이 상태인 경우 추정된 밸브의 저항값(Rs)보다 임계값 이상 크다면, 전류의 크기가 정상 상태보다 낮다는 에러 정보(Current Below Normal Error)를 출력하고(S650), 기계가 off 상태인 경우 추정된 밸브의 저항값(Re)이 스탠바이 상태인 경우 추정된 밸브의 저항값(Rs)보다 임계값 이상 작다면, 전류의 크기가 정상 상태보다 높다는 에러 정보(Current Above Normal Error)를 출력할 수 있다(S660).
한편, 밸브(200)의 저항값 변화가 임계값 이하인 경우에는, 밸브(200)가 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다(S670).
본 발명의 실시예에 따르면, 추정되는 밸브의 저항값 변화를 통해 밸브의 이상 상태를 진단하기 때문에, 밸브 자체적인 이상 상황에 대한 진단 정확도가 향상될 수 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은 경우, 즉, 복수의 밸브 간 단락이 발생한 경우일지라도, 추정되는 밸브의 저항값에는 변화가 없을 것이기 때문에, 밸브 자체적인 이상 상황은 없는 것으로 판단될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기계가 off인 상태일지라도 밸브의 이상 상황을 진단해낼 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 방법으로서,
    밸브에 소정 크기의 전류를 밸브 제어부에 의해 인가하는 단계;
    상기 전류가 인가됨에 따른 상기 밸브로부터의 피드백 전류의 크기와 상기 밸브 양단의 전압값에 기초하여 상기 밸브의 저항값을 추정하는 단계;
    제1 시점에 추정된 밸브의 저항값과 제2 시점에 추정된 밸브의 저항값의 차이가 임계값 이상인 경우, 상기 밸브에 이상이 발생한 것으로 판단하는 단계; 및
    상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 간격은 기설정된 값이고,
    상기 밸브 제어부는 PWM 제어를 통해 상기 밸브의 양단 전압을 제어하여 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 밸브 이상 상태 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류는 상기 밸브가 동작하기 위해 필요한 최소 전류의 크기보다 작은 크기를 갖고 상기 임계값은 상기 제1 시점과 상기 제2 시점의 간격에 비례하는, 밸브 이상 상태 진단 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류를 인가하는 단계는,
    상기 제1 시점 및 제2 시점에 각각 상이한 크기를 갖는 제1 전류 및 제2 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 밸브 이상 상태 진단 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전류의 크기는 상기 밸브가 동작하기 위해 필요한 최소 전류의 크기보다 작고, 상기 제2 전류의 크기는 상기 밸브가 동작하기 위해 필요한 최소 전류의 크기보다 큰, 밸브 이상 상태 진단 방법.
  5. 밸브의 이상 상태를 진단하기 위한 시스템으로서,
    밸브에 소정 크기의 전류를 인가하여 밸브의 저항값을 추정하고, 상이한 시점에 추정된 밸브의 저항값 간의 차이가 임계값 이상인 경우, 상기 밸브에 이상이 발생한 것으로 판단하고, 상기 상이한 시점에 간격은 기설정된 값이고, PWM 제어를 통해 상기 밸브의 양단 전압을 제어하여 전류를 인가하는 밸브 제어부를 포함하는, 밸브 이상 상태 진단 시스템.

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