KR19990013150A - 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법 - Google Patents

Abstract

개시한 위치 검출장치 및 방법은 건설용 중장비의 스크로크 센싱 실린더에서 발생하는 변위오차를 보정하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법은 자기센서에 의해 검출되고 마이크로 컴퓨터에 의해 구형파 변환되는 피스톤 로드 상의 자기눈금에서의 자계변화를 이용하여 스트로크의 변위를 검출하는 실린더에 있어서, 구형파의 에지가 평균적으로 발생하는 시간간격을 기준으로 한 소정 시간범위 이전에 외란에 의해 발생되는 에지는 무시하고, 정한 시간범위내에 발생되는 에지가 없는 경우에는 강제적으로 보정에지를 생성하여 최종적으로 생성된 에지 개수에 따른 변위량을 계산하여 기억장치에 저장하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명의 방법은 여러 가지 원인으로 인해 발생하게 되는 실린더의 변위오차를 보정하여 신뢰성이 높은 변위 검출과 방향판별이 가능한 장점이 있다.

Description

스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법

본 발명은 건설용 중장비의 자동화에 사용되며 자기눈금과 자기센서를 이용하여 스트로크의 변위를 검출하는 실린더에 있어서, 여러 가지 원인으로 인해 발생하게 되는 실린더의 변위오차를 보정하여 신뢰성이 높은 변위의 검출과 방향판별이 가능하도록 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 굴삭기 등의 전부장치에는 붐과 암 및 버킷 등의 작업장치를 구동시키기 위한 실린더가 장착되어 있고, 운전자의 제어명령에 의해 이 실린더내에 동작유가 공급되거나 저장탱크로 배출됨에 따라 실린더가 스트로크 동작을 수행하여 작업장치가 구동된다.

따라서 굴삭기와 같은 건설용 중장비에 있어서, 운전자 등의 숙련도에 의존하지 않고 일정한 작업을 정확하게 반복 수행할 수 있는 작업장치에 대한 요구가 전기-유압 서보제어 기술의 발달과 더불어 꾸준히 증대되고 있다. 이와 더불어 이러한 굴삭기등의 작업장치의 자동화를 위해서는 제어시스템에서 필요로 하는 작업장치의 위치에 관한 정보 즉, 정확한 변위를 검출하는것이 필수적으로 대두된다.

전술한 바와 같은 작업장치의 정확한 변위를 검출하기 위한 수단으로 종래에는 도 1과 같은 실린더와 도 2와 같은 실린더 스트로크의 변위검출 회로를 사용하였다.

도 1은 이러한 종래의 스트로크 센싱 실린더의 개략도이다.

도시된 바와 같이, 실린더(110)의 내벽에 상하 또는 좌우운동이 가능한 피스톤(120)이 내장되고, 이 피스톤(120)의 일측에는 피스톤(120)의 운동을 지지하는 로드(130)가 피스톤(120)과 일체형으로 형성되어 있다.

또한 로드(130)의 일측에는 소정의 등간격으로 요철( )가공된 자기눈금(140)이 피스톤(120)의 상사점과 하사점 사이에서 복수개로 형성되어 있고, 자기눈금(140)이 형성된 지점으로부터 소정거리 이격된 상태로 로드(130)상의 자기눈금(140)이 가공된 부분과 가공되지 않은 부분의 자계변화를 검출하여 소정 크기의 전기신호로 변환하는 자기센서부(150)가 장착되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 종래의 실린더(110)는 피스톤(120)이 실린더(110)내의 상사점과 하사점 사이를 왕복운동함에 따라 피스톤(120)에 일체형으로 장착된 로드(130)가 이동하고, 이 로드(130)상에 형성된 요철( )형상의 자기눈금(140)의 이동상태가 자기센서부(150)에 의해 검출되어 정현파의 형태로 출력되며, 이 파형을 구형파로 변환하여 계수함으로써 실린더(110)의 스트로크 센싱에 의한 변위를 검출할 수 있게 된다.

즉, 초기에 피스톤(120)이 정지상태에서 자기센서부(150)에 의해 검출된 자기눈금(140)의 위치로부터 피스톤(120)이 이동함에 따라 자기센서부(150)에 의해 검출되고 구형파로 변환된 펄스 또는 펄스를 이루는 에지의 개수를 파악함으로써, 피스톤(120)의 이동거리를 계산하여 실린더(110)의 스트로크 변위를 파악할 수 있었다.

도 2는 자기센서부와 마이크로 컴퓨터를 이용한 실린더 스트로크의 변위검출 회로의 일예를 나타낸 블록이다.

도시된 바와 같이, 실린더 구동신호가 실린더 구동부(210)로 입력되면, 실린더 구동부(210)의 출력신호가 자기눈금이 가동된 실린더(220)를 구동시키고, 실린더(220)에 장착된 자기 센서부(230)의 출력신호가 마이크로 컴퓨터(240)에 가해지며, 마이크로 컴퓨터(240)는 필요한 정보를 내부 기억장치 또는 별도의 기억장치(250)로부터 제공받거나 자신이 처리한 정보를 기억장치(250)에 저장한다.

상술한 바와 같은 구성의 스트로크 센싱용 실린더의 스트로크 변위검출 회로의 동작은 다음과 같다.

먼저 운전자에 의한 실린더 구동신호의 입력에 따라 실린더 구동부(210)는 실린더(220)를 구동시키게 되는데, 이때 실린더(220)의 로드상에 가공된 자기눈금(도 1의 (140)참조)에서의 자계변화를 자기 센서부(230) 내의 홀센서와 같은 자기센서(231)가 검출하여 그 검출된 신호를 실린더 신호 처리부(232)로 인가한다.

신호 처리부(232)는 정현파 형태를 이루는 자기센서(231)로부터 검출신호를 증폭시키고 필터링하는 등, 마이크로 컴퓨터(240)가 인식할 수 있는 신호로 변환시킨 후 마이크로 컴퓨터(240)로 출력한다.

마이크로 컴퓨터(240)는 자기 센서부(230) 내의 신호 처리부(232)로부터 입력되는 정현파 형태의 신호를 구형파로 변환하여 펄스 또는 에지의 개수를 계수한 다음, 스트로크 센싱 실린더의 변위와 이동방향을 계산하고 그 값을 기억장치(250)에 저장한다. 이때, 기억장치(250)에 기억되는 값을 미도시된 소정의 표시부로 출력해 주기도 한다.

이처럼 종래의 경우와 같이 자기센서(231)를 활용하여 자기눈금의 요철홈에서의 자계변화를 검출함에 따라 출력되는 정현파를 구형파로 변환하여 변위검출등에 활용하는 경우, 통상 센서를 2개 사용하게 되며, 두 센서를 90°의 위상차를 갖도록 배치하고 이것을 이용하여 방향판별이나 변위검출에 활용하여 왔다.

그러나 조립오차 등의 문제로 자기센서를 90°의 위상차를 갖도록 정확하게 위치시키는 것이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 검출되는 센서의 정현파의 출력이 여러 가지 외란에 의한 변수, 예를 들면 진동 또는 충격에 의해 파형이 나뉘어 지는 현상 등에 의해 동일한 형태를 유지하지 못하게 되므로 출력되는 파형이 정확하게 90°의 위상차를 갖기가 어렵다.

즉, 이상적인 경우에 있어서 2개의 자기센서를 이용하여 자기눈금을 검출하는 경우의 센서출력과 변환된 구형파는 도 3과 같이 일정한 주기를 유지한다.

도 3은 정상적인 검출신호를 나타낸 파형도이며, (a)는 피스톤 로드에 소정의 등간격으로 가공된 요철형상의 자기눈금을 나타내고, (b)와 (c)는 자기센서 A 및 B의 출력파형으로 90°의 위상차를 가지며, (d)와 (e)는 마이크로 컴퓨터에서 각각 구형파로 변환된 (b)와 (c)에 대응하는 파형으로 역시 90°의 위상차를 갖고 있다.

그러나 실제적인 활용에 있어서는 도 4와 같이 하나 이상의 파형이 검출되지 않거나, 하나의 구형파가 외란 등에 의해 복수개로 분할되는 경우가 발생할 수 있다.

여기서, 도 4는 검출시호가 1개 누락된 경우의 파형도이며, 도 5는 검출신호가 손상되어 분할된 경우의 파형도를 나타낸다. 그리고, 도 4와 도 5에서도 도 3과 마찬가지로 (a)는 피스톤 로드에 소정의 등간격으로 가공된 요철형상의 자기눈금을 나타내고, (b)와 (c)는 자기센서 A 및 B의 출력파형이며, (d)와 (e)에서 실선으로 도시된 파형은 마이크로 컴퓨터에서 각각 구형파로 변환된 (b)와 (c)에 대응하는 파형이다.

따라서, 이러한 경우는 스트로크 센싱 실린더의 구동시에 로드가 정상적인 거리에 비해 작게 또는 많이간 것으로 판단되는 변위의 오차가 발생하게 되며, 또한 방향판별의 오류도 발생할 가능성이 커지게 되는 문제점도 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 스트로크 센신용 실린더에 있어서 2개의 자기센서에 의해 검출되는 출력파형의 위상차가 90°를 벗어나는 경우, 출력파형의 형태를 보정하여 줌으로써 신뢰성이 높은 변위의 검출과 방향판별을 가능하게 할 수 있는 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 스트로크 센싱 실린더의 개략도,

도 2는 스트로크 센싱 실린더의 변위검출 회로의 일예를 나타낸 개략적 블록도,

도 3은 정상적인 검출신호를 나타낸 파형도,

도 4는 검축신호가 1개 누락된 경우의 파형도,

도 5는 검출신호가 손상되어 분할된 경우의 파형도,

도 6은 본 발명에 따른 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

210 : 실린더 구동부220 : 실린더

230 : 자기 센서부231 : 자기센서

232 : 신호 처리부240 : 마이크로 컴퓨터

250 : 기억장치

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법의 특징은 자기센서에 의해 검출되고 마이크로 컴퓨터에 의해 구형파 변환되는 피스톤 로드 상의 자기눈금에서의 자계변화를 이용하여 스트로크의 변위를 검출하는 실린더에 있어서, 구형파의 에지가 평균적으로 발생하는 시간간격을 기준으로 한 소정 시간범위 이전에 외란에 의해 발생되는 에지는 무시하고, 정한 시간범위내에 발생되는 에지가 없는 경우에는 강제적으로 보정에지를 생성하여 최종적으로 생성된 에지 개수에 따른 변위량을 계산하여 기억장치에 저장하는 것에 있다.

이하, 본 발명에 따른 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법의 바람직한 하나의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스크로크 센싱 실린더의 변위 보정방법의 구성 및 작용은 다음과 같다.

먼저, 스트로크를 센싱하기 위한 실린더의 피스톤 로드 일측에 소정의 등간격으로 요철( ) 가공한 자기눈금을 복수개 형성하고, 자기센서로 그 부분의 자계변화를 검출하여 마이크로 컴퓨터를 이용한 신호처리를 행함으로써, 피스톤의 이동에 대한 방향판별과 이동된 변위량을 검출하는 스트로크 센싱 실린더의 변위 검출방법에 있어서, 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법은 마이크로 컴퓨터가 이전까지 발생된 보정에지의 개수 및 입력되는 신호에 따른 구형파의 발생여부에 의해 피스톤 로드가 정지하고 있는지 또는 이동하고 있는지를 판별하고, 정지한 경우에는 정지전 이동한 방향을 판별하는 피스톤 로드의 정지여부 판단과정(S610)과, 소정의 시간범위를 정한 후, 바로 전에 발생된 에지가 가공에지인지를 판별하여 가공에지가 아닌 경우, 정해진 시간범위 내에 발생되는 에지가 있는지의 여부를 판단하는 제 1에지발생 판단과정(S620)과, 제 1에지 발생 판단과정(S620)에서 바로 전에 발생된 에지가 가공에지인 경우, 변위오차가 축적되는 것을 방지하기 위해 제 1에지발생 판단과정(S620)에서와 시간범위를 달리하여 발생되는 에지가 있는지를 판단하는 제 2에지발생 판단과정(S640)과, 제 1에지발생 판단과정(S620) 및 제 2에지발생 판단과정(S640)에서 정한 시간범위 이전에 발생되는 에지는 외란에 의해 잘못 발생된 에지로 취급하여 변위량 계산에서 무시하는 발생에지 무시과정(S650)과, 제 1에지발생 판단과정(S620) 및 제 2에지발생 판단과정(S640)에서 정한 시간범위내에 발생되는 에지가 없는 경우, 외란에 의해 발생해야 할 에지가 생략된 경우로 취급하여 보정에지를 생성한 후 변위량 계산에 고려하기 이한 보정에지 생성과정(S660)과, 제 1에지 발생 판단과정(S620)에서의 판단결과 방생한 에지 및 보정에지 생성과정(S660)에서 생성된 에지와 이전까지 발생된 에지 개수에 따른 변위량을 계산하고, 기억장치에 저장한 후, 상기 피스톤 로드의 정지여부 판단과정으로 되돌아 가는 변위계산 및 처리과정(S630)으로 구성된다.

여기서, 피스톤 로드의 정지여부 판단과정(S610)은 입력되는 신호에 따른 구형과 발생여부에 의해 피스톤 로드가 정지하고 있는지 또는 이동하고 있는지를 판단하는 과정(S611)(S612)과, 이전까지 발생된 보정에지의 개수 및 타센서에 의해 발생되는 에지가 존재하는가에 따라 피스톤 로드가 정지하고 있는지 또는 이동하고 있는지를 판단하는 과정(S614)(S615)과, 위 두 과정에서의 판단결과에 따라 피스톤로드가 정지한 경우, 정지전 이동방향을 판별하는 과정(S613)으로 제어된다.

그리고 제 1에지 발생 판단과정(S620)은 평균적으로 에지가 발생하는 시간간격(이하 'Δt'라 한다)을 결정하는 과정(S621)과, 바로 전에 발생된 에지가 정상적으로 발생된 에지인지 보정에지인지의 여부를 판단하는 과정(S622)과, Δt를 기준으로 하여 소정 시간범위 내에 발생되는 에지가 있는지의 여부를 판단하는 과정(S623)(S624)으로 제어된다.

이때, Δt는 실린더의 속도가 가변적으로 이루어지므로 이전에 발생된 복수개의 에지간격을 평균하여 계산되는데, 이와 같은 경우 Δt의 시간변화 추이를 관찰하여 다음 에지가 발생되는 시점을 예측할 수 있으며, 이와 같이 선정한 Δt를 활용하여 소정 시간범위 내에 에지가 발생한 경우만을 계수하는 것에 의해 정확한 변위의 검출이 가능하다. 그리고, 본 실시예에서는 소정 시간범위를 (0.75)Δt~(1.25)Δt로 정했다.

그러나, 제 2에지발생 판단과정(S640)에 있어서, 발생되는 에지가 있는지를 판단하는 시간범위는 제 1에지 발생 판단과정(S620)에서 정한 시간범위보다 작아야한다. 그 이유는 제 1에지발생 판단과정(S620)에서 바로 전에 발생된 에지가 가공에지인 경우, 변위오차가 축적되는 것을 방지하기 위해서이다. 이를 위해 본 실시예에서는 (0.5)Δt~(1.0)Δt의 시간범위로 정했다.

그리고 변위계산 및 처리과정(S630)은 현재까지 계수된 에지개수에 하나를 더하여 최종 에지개수를 계산하는 과정(S631)과, 최종적으로 계수된 에지개수에 따른 피스톤 로드의 변위량을 계산하는 과정(S632) 및 계산된 변위를 기억장치에 저장한 후, 상기 제 1항의 피스톤 로드의 정지여부 판단과정으로 되돌아 가는 과정(S633)으로 제어된다.

전술한 바와 같은 구성과 작용을 하는 본 발명에 따른 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법의 전반적인 동작예를 도 4 및 도 5를 참고하여 다시 설명하면 다음과 같다.

도 4는 검출신호가 1개 누람됨으로써 변위오차가 발생할 수 있는 경우이며, 우선 계산된 Δt(S621)를 기준으로 (0.75)Δt와 (1.25)Δt사이에 하나의 정상적인 에지가 발생하여야 하지만(S623)(S624), 외란 등 여러 가지 원인에 의해서 정상적인 에지가 형성되지 않은 경우, (1.25)Δt의 시점에 강제로 점선으로 도시된 보정에지를 발생시켜(S660) 실제로 에지가 발생된 것으로 판단한다. 그 다음의 에지는 (0.5)Δt와 (1.0)Δt의 사이에서 판단하여(S641)(S642), 역시 점선으로 도시된 보정에지를 형성(S660)하는 것에 의해 복원할 수 있으며, 시간범위를 (0.5)Δt와 (1.0)Δt로 잡아줌으로써 변위오차의 축적을 방지할 수 있다.

도 5는 검출신호가 손상되어 분할됨으로써 변위오차가 발생할 수 있는 경우로서, (0.75)Δt 이전에 에지가 형성된 경우는 소정 시간범위 내가 아니므로 외관에 의한 영향으로 판단하여 무시를 함으로써(S650) 외란의 영향을 제외시킬 수 있다.

또한 연속하여 3개 이상의 보정에지가 만들어진 경우는(S614)로드가 정지한 경우일 수 있으므로, -(0.75)Δt와 -(0.25)Δt 사이에 타센서에 의한 에지가 있는지의 여부를 확인하여(S615) 타센서에 의해 발생한 에지가 정상적인 에지인 경우 정상적인 변위로 인식하여 계수를 설치하고, 임의로 형성한 보정에지인 경우는 정지 또는 방향절환 시점이므로 계수를 중지하고 방향판별(S613)을 실시한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법에 의하면, 피스톤 로드의 정지여부를 판단하고, 직전에 발생된 에지가 가공에지가 아닌 경우 정해진 시간범위 내에 발생되는 에지가 있는지의 여부를 판단하는 제 1에지발생 판단과정과, 직전에 발생된 에지가 가공에지인 경우에는 그 시간범위를 달리하여 발생되는 에지가 있는지를 판단하는 제 2에지발생 판단과정과, 제 1 및 제 2에지발생 판단과정에서 정한 시간범위 이전에 외란에 의해 발생되는 에지는 무시하고, 정한 시간범위내에 발생되는 에지가 없는 경우에는 보정에지를 생성하는 보정에지 생성과정과, 최종적으로 생성된 에지 개수에 따른 변위량을 계산하여 기억장치에 저장하는 변위계산 및 처리과정으로 제어됨으로써, 실린더의 변위오차를 보정하여 신뢰성이 높은 변위검출과 높은 변위검출과 방향판별을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 스트로크를 센싱하기 위한 실린더의 피스톤 로드 일측에 소정의 등간격으로 요철( )가공한 자기눈금을 복수개 형성하고, 자기센서로 그 부분의 자계변화를 검출하여 마이크로 컴퓨터를 이용한 신호처리를 행함으로써, 피스톤의 이동에 대한 방향판별과 이동된 변위량을 검출하는 스트로크 센싱 실린더의 위치 검출장치에 있어서,

   마이크로 컴퓨터가 피스톤 로드의 이동유무를 판단하는 피스톤 로드의 정지 여부 판단과정;

   소정의 시간범위를 정한 후, 바로 전에 발생된 에지가 가공에지인지를 판별하여 가공에지가 아닌 경우, 정해진 시간범위 내에 발생되는 에지가 있는지의 여부를 판별하는 제 1에지발생 판단과정;

   상기 제 1에지 발생 판단과정에서 바로 전에 발생된 에지가 가공에지인 경우, 상기 제 1에지발생 판단과정에서와 시간범위를 달리하여 발생되는 에지가 있는지를 판단하는 제 2에지발생 판단과정과;

   상기 제 1에지발생 판단과정 및 제 2에지발생 판단과정에서 정한 시간범위 이전에 외란에 의해 발생되는 에지는 변위량 계산에서 무시하는 발생에지 무시과정과;

   상기 제 1에지발생 판단과정 및 제 2에지발생 판단과정에서 정한 시간범위내에 발생되는 에지가 없는 경우, 변위량 계산에 필요한 보정에지를 생성하는 보정에지 생성과정; 및

   상기 제 1에지발생 판단과정에서의 판단결과 발생한 에지 및 상기 보정에지 생성과정에서 생성된 에지와 이전까지 발생된 에지 개수에 따른 변위량을 계산하고, 기억장치에 저장하는 변위계산 및 처리과정으로 제어됨을 특징으로 하는 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤 로드의 정지여부 판단과정은;

   입력되는 신호에 따른 구형파 발생여부에 의해 피스톤 로드의 이동유무를 판단하는 제 1과정;

   이전까지 발생된 보정에지의 개수 및 타센서에 의해 발생되는 에지가 존재하는가에 따라 피스톤 로드의 이동유무를 판단하는 제 2과정; 및

   상기 제 1과정 및 제 2과정에서의 판단결과에 따라 피스톤 로드가 정지한 경우, 정지전 이동방향을 판별하는 제 3과정으로 제어됨을 특징으로 하는 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1에지발생 판단과정은;

   평균적으로 에지가 발생하는 시간간격을 결정하는 제 1과정;

   바로 전에 발생된 에지가 정상적으로 발생된 에지인지 보정에지인지의 여부를 판단하는 제 2과정; 및

   상기 제 1과정에서 결정된 시간간격을 기준으로 하여 소정 시간범위 내에 발생되는 에지가 있는지의 여부를 판단하는 제 3과정으로 제어됨을 특징으로 하는 특징으로 하는 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 평균적으로 에지가 발생하는 시간간격은;

   이전에 발생된 복수개의 에지간격을 평균하여 계산된 시간임을 특징으로 하는 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법.
5. 제 1항에 있어서, 제 2에지발생 판단과정의 발생되는 에지가 있는지를 판단하는 시간범위는;

   상기 제 1에지발생 판단과정에서 정한 시간범위보다 작은 것임을 특징으로 하는 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 변위계산 및 처리과정은;

   현재까지 계수된 에지개수에 하나를 더하는 제 1과정;

   상기 제 1과정에서 최종적으로 계수된 에지개수에 따른 피스톤 로드의 변위량을 계산하는 제 2과정; 및

   상기 제 2과정에서 계산된 변위를 기억장치에 저장하는 제 3과정으로 제어됨을 특징으로 하는 스트로크 센싱 실린더의 변위 보정방법.