KR20060061997A

KR20060061997A - 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자조이스틱

Info

Publication number: KR20060061997A
Application number: KR1020040100640A
Authority: KR
Inventors: 방재석
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-09

Abstract

본 발명은 중장비 등의 유압장비에 있어서 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자 조이스틱에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전자 조이스틱은 조이스틱 레버, 조이스틱 레버의 조작에 따른 압력을 감지하기 위한 적어도 2개의 압력센서, 압력센서의 감지신호에 따라 전자감압 비례밸브를 구동하기 위한 제어신호를 발생하는 제어로직부, 및 제어로직부의 제어신호에 따라 컨트롤 밸브를 제어하는 전자감압 비례밸브로 이루어진다. 특히 전자감압 비례밸브의 제어는 유압의 변동량에 의해 다단 슬로프(Slope)를 따라 이루어지도록 구성된다.

본 발명에 따르면, 조이스틱 동작에 따른 압력을 감지하여 전자감압 비례밸브의 전류를 제어하는 방법을 통해 간접적으로 컨트롤 밸브를 제어하기 때문에 제어성능을 향상시킬 수 있고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

조이스틱, 컨트롤 밸브, 전자감압 비례밸브, 다단 슬로프, PID

Description

전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자 조이스틱{ Multi step slope control joystick using EPPR }

도 1은 종래 기계식 조이스틱에 의해 컨트롤 밸브를 조정하는 개요,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 관한 구성도,

도 3은 도 2에 도시된 제어로직부에 관한 세부 실시예,

도 4는 본 발명에 적용되는 전자감압 비례밸브의 다단 제어 곡선도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10A,10B: 조이스틱(Joystick) 20: 푸시로드(Push Rod)

30: 스프링(Spring) 40: 발란스 스프링

50: 스풀(Spool) 60A,60B: 컨트롤 밸브

70: 압력센서 80: 제어로직부

90: 전자감압 비례밸브

본 발명은 중장비 등 유압장비의 작동을 조작하기 위한 조이스틱에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어에 의해 더욱 정밀한 제어가 가능하게 하여 성능을 향상시킬 수 있는 전자 조이스틱에 관한 것이다.

일반적으로 유압 중장비에는 수 많은 유압 컨트롤 밸브가 사용되는데, 유압 컨트롤 밸브는 유압 펌프에서 송출된 압유의 흐름을 제어하여 각각의 작동기에서 원하는 동작이 이루어지도록 한다. 이러한 유압 컨트롤 밸브의 제어 방식에는 외부에서 전달되는 파일럿압으로 컨트롤 밸브의 스풀 조작이 이루어지는 파일럿 방식과, 레버를 손으로 조작하여 레버에 연결된 스풀을 직접 작동시키는 수동 조작 방식과, 전기적인 신호에 의해 솔레노이드로 조작하는 전자 조작 방식 등이 있다.

이중에서 파일럿 방식은 조이스틱의 조작으로 파일럿압의 작용 방향을 컨트롤하는 리모트 컨트롤 밸브와, 리모트 컨트롤 밸브의 파일럿압에 의해 제어되는 컨트롤 밸브를 포함한다. 컨트롤 밸브는 파일럿압이 작용하는 유압 컨트롤 밸브의 파일럿 시그널 챔버(pilot signal chamber)와, 파일럿압에 의해 작동되는 유압 컨트롤 밸브 스풀로 이루어져 있고, 리모트 컨트롤 밸브는 보조 유압 펌프로부터 토출된 압유의 진행 방향을 조절하여, 유압 컨트롤 밸브의 파일럿 시그널 챔버로 전달되는 파일럿압의 작용 방향을 제어하고, 이에 따라 파일럿압이 유압 컨트롤 밸브의 어느 한쪽 챔버에 작용하여 스풀을 밀어서 유압 컨트롤 밸브가 원격 제어에 의해 작동되도록 함으로써, 메인 펌프로부터 이 유압 컨트롤 밸브를 거쳐 작동기로 유입되는 압유의 흐름을 제어하도록 되어 있다.

이와 같이 파일럿압이 작용하게 되면 다른 쪽의 파일럿 시그널 챔버속에 설치된 스프링은 스풀에 의해 밀려서 수축하게 됨과 더불어 이 파일럿 챔버 속에 있던 오일은 밀려나서 오일 탱크로 흐르게 된다.

통상, 리모트 컨트롤 밸브는 조이스틱 레버에 캠플레이트가 부착되고, 이 캠플레이트는 밸브몸체 내부에 고정설치된 고정부를 관통하여 스프링과 발란스 스프링으로 탄력지지된 푸시로드의 상단과 맞닿아 있다. 따라서 조이스틱 레버를 좌우로 작동시키면 캠플레이트가 좌우측으로 기울어지면서 푸시로드를 눌러서 아래쪽으로 이동시킨다. 이때 푸시로드는 하강하면서 푸시로드를 받치고 있는 상부 스프링을 통하여 그 아래쪽에서 발란스 스프링에 의해 탄력적으로 맞닿아 있는 스풀을 눌러 이동시킨다. 스풀은 밸브몸체 내부에서 슬라이드 이동하면서 포트를 선택적으로 개폐하여 파일럿 압유의 흐름을 제어한다.

도 1은 종래 기계식 조이스틱을 도시한 도면으로서, 조이스틱 레버의 이동에 따라 컨트롤 밸브를 조정하는 방식의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 조이스틱은 조이스틱 레버(10A)와, 푸시로드(Push Rod:20), 스프링(Spring:30), 발란스 스프링(Balans Spring:40), 스풀(Spool:50)로 이루어져 조이스틱 레버(10A)의 조작에 따라 메인 유압을 조절하는 컨트롤 밸브(Control Valve:60A)를 제어하여 유압장치의 작동을 조정하였다. 즉, 조이스틱 레버(10A)의 이동에 따라 푸쉬로드(20)가 밑으로 눌려지고 이 힘이 밸런스 스프링(40)을 통해 스풀(50)에 전달된다. 스풀(50)의 이동 정도에 따라 입력포트로 공급되는 오일의 양이 제어되어 출력포트로 연결된다.

스풀(50)을 통과한 2차 압력이 세팅값 이상으로 올라가게 되면, 이 압력이 스풀(50)을 상단방향으로 이동시켜 입력포트와 출력포트의 오일통로를 조정하여 일정 압력을 유지시킨다.

이러한 원리에 의해 조이스틱은 감압밸브로서의 기능을 수행하는데, 이와 같은 기계식 조이스틱은 기계적으로 유로의 압력을 제어하므로 조이스틱의 구조가 복잡해지고, 각 개체간의 기계적 특성에 따라 유로를 제어함에 있어서 세밀한 제어가 이루어 질 수 없는 문제점이 있다. 즉, 상기와 같은 기계적인 방법에 의한 제어는 조이스틱의 구성이 복잡하고, 유로를 형성함에 있어서 세밀한 구조를 가지고 있어야 하므로 제어에 어려움이 있고 높은 비용을 요구하게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어에 의해 더욱 정밀한 제어를 가능하게 한 전자 조이스틱을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자 조이스틱은 조이스틱 레버, 상기 조이스틱 레버의 조작에 따른 압력을 감지하기 위한 적어도 2개의 압력센서, 일정 제어신호에 따라 컨트롤 밸브를 제어하는 전자감압 비례밸브, 및 상기 압력센서의 감지신호에 따라 상기 전자감압 비례밸브를 구동하기 위한 제어신호를 발생하는 제어로직부를 포함하여 이루어진다.

상기 제어로직부는 상기 압력센서에서 감지된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기, 상기 디지털로 변환된 데이터를 입력받아 비례적분미분(PID) 제어하여 다단 슬로프 유압제어를 위한 제어신호를 출력하는 PID 제어기; 상기 PID 제어기의 제어신호에 따라 PWM 구동신호를 발생하는 PWM신호 발생기; 및 상기 PWM 구동신호에 따라 전자감압 비례밸브를 구동하는 전자감압 비례밸브 구동기를 포함하도록 구성할 수 있다.

이하, 참부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따라 압력센서를 이용하여 조이스틱 레버의 이동에 따라 전자감압 비례밸브의 전류를 제어하여 2차 압력을 조절함으로서 컨트롤 밸브를 조절하는 방식의 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 제어로직부의 세부 블록도이며, 도 4는 본 발명에 적용되는 PID 제어 곡선도이다.

본 발명에 따른 전자 조이스틱은 도 2에 도시된 바와 같이 조이스틱 레버(10B)와, 조이스틱 레버(10B)의 조작에 따른 압력을 감지하기 위한 적어도 2개의 압력센서(70)와, 압력센서(70)의 감지신호에 따라 전자감압 비례밸브(90)를 구동하기 위한 제어신호를 발생하는 제어로직부(80)와, 컨트롤 밸브(60B)와, 제어로직부(80)의 제어신호에 따라 컨트롤 밸브(60B)를 제어하는 전자감압 비례밸브(90)로 구성된다.

그리고 제어로직부(80)는 압력센서(70)에서 감지된 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(81)와, 디지털 신호로 변환된 데이터를 입력받아 비례적분미분(PID) 제어하여 제어신호를 출력하는 PID 제어기(82)와, PID제어기(82)의 제어신호에 따라 PWM 구동신호를 발생하는 PWM신호 발생기(83)와, PWM 구동신호에 따라 전자감압 비례밸브(90)를 구동하는 전자감압 비례밸브 구동기(84)로 구성된다.

도 2를 참조하면, 조이스틱 레버(10B)의 이동위치에 따라 압력센서(70)를 통해 압력을 센싱하고, 컨트롤 유닛(Vehicle ECU)으로 구현된 제어로직부(80)는 아날로그-디지털 변환기(81)를 통해 0 ~ 3.3V의 전압 레벨(Level)을 분해하여 디지털(Digital) 신호로 변환한다. 디지털로 변환된 데이터는 PID 제어기(82)에서 처리되어 제어신호로 변환된다. PWM 발생기(83)는 이 제어신호에 따라 PWM 구동신호를 발생하고, 이 PWM 구동신호는 전자감압 비례밸브 구동부(84)로 전달되며, 전자감압 비례밸브 구동부(84)가 전자감압 비례밸브(90)의 전류를 조절하여 2차 압력을 조절한다. 이에 따라 전자감압 비례밸브(90)에 의해 컨트롤 밸브(60B)의 압력이 제어되어 감각성을 높이는 제어가 가능하게 된다.

도 3을 참조하여 제어로직부(80)의 구체적인 일 실시예를 설명하자면, 조이스틱의 조작신호를 감지하기 위한 아날로그 압력센서(70)로부터 입력된 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 제1 아날로그-디지털 변환기(801)와, 피드백된 압력을 감지하는 또 다른 아날로그 압력센서(70-1)로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 제2 아날로그-디지털 변환기(802)와, 제1 아날로그-디지털 변환기 (801)의 출력값에서 제2 아날로그-디지털 변환기(802)의 출력값을 감산하는 감산기(803)와, 감산기(803)의 출력을 비례적분미분(PID) 제어하기 위한 제1 PID 제어기(804)와, 과전류에 의한 밸브의 파손을 방지하기 위하여 기준전류에 사인파 형태의 주파수를 실어서 간헐적으로 전자감압 비례밸브(90)의 스풀을 진동시키기 위한 디더 주파수신호를 발생하는 디더 파형 발생부(806)와, 제1 PID 제어기(804)의 출력에서 디더 주파수 신호를 더하는 가산기(805)와, 가산기(805)의 출력에서 피드백된 신호를 감산하는 감산기(807)와, 디더 주파수 신호가 포함된 신호를 비례적분미분(PID) 제어하여 제한하기 위한 제2 PID 제어기(808)와, 제2 PID 제어기(808)의 출력에 따라 PWM 구동신호를 생성하는 PWM신호 발생부(809)를 포함하도록 구성될 수 있다.

또한, 전자감압 비례밸브의 션트(85)로부터 피드백되는 아날로그 전류신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 제3 아날로그-디지털 변환기(810)와, 제3 아날로그-디지털 변환기(810)에서 디지털로 변환된 피드백 전류 데이터를 처리하기 위한 전류 피드백부(811)와, 피드백 신호로부터 전자감압 비례밸브(90)의 이상 동작을 검출하기 위한 이상검출부(812)와, 이상검출부(812)에 의해 이상동작이 검출되면 PWM 구동신호를 차단하기 위한 PWM 펄스 차단부(813)를 포함할 수 있다.

여기서, 아날로그-디지털 변환기(801,802,810)와, PID 제어기(804,808), 가산기(805), 감산기(803,807), 디더 파형발생부(806), PWM 파형 발생부(809), 전류피드백부(811), 이상검출부(812), 펄스차단부(813) 등은 소정 제어 알고리즘의 소프트웨어가 탑재된 마이크로 프로세서(800)로 구현되는 것이 바람직하다.

도 3을 참조하면, 마이크로 프로세서(800)는 조이스틱 레버(10B)에 의한 아날로그 압력을 압력센서(70)를 통해 아날로그 포트(Analog Port)로 수신받아, 아날로그-디지털 변환기(801,802)를 통해 아날로그 압력신호를 디지털값으로 변환한다. 즉, 0~3.3V 전압 레벨(Level)을 분해하여 디지털 신호로 변환한다. 이때 아날로그-디지털 변환기(801,802)는 해당 신호가 들어오면 인터럽트가 발생하여 해당 서비스 루틴으로 분기하여 아날로그-디지털 변환 프로그램을 수행한다. 따라서 메인 프로그램에 부하를 주지 않고 아날로그-디지털 변환이 가능하다.

PID 제어기(804)는 입력받은 값과 피드백 받은 값을 비교하여 가감을 실시하며, 이 값에 전자감압 비례밸브(90)의 기계적 특성을 고려한 디더 주파수(Dither Frequency)를 더해준다. 전자감압 비례밸브(90)의 경우 갑자기 과전류가 흐르게 되면 파손될 위험이 있어서 레퍼런스(Reference) 전류에 사인파 형태의 주파수를 실어 간헐적으로 비례밸브(90)의 스풀이 진동하게 하여 과전류에 의한 파손을 방지한다. 디더 주파수를 더한 전류 지령값은 리미터가 있는 소프트웨어 PID 제어기(808)를 거쳐서 PWM 발생기(809)에서 PWM 파형을 발생시킨다. 이때 오버슈트(overshoot)를 방지하고 PID 제어기(808) 성능을 향상시키기 위해 PID 제어기(808)의 에러 적분량에 리미트(Limit) 처리를 해준다.

이와 같이 아날로그 입력을 받은 후 아날로그-디지털 변환기(801,802)로부터 PWM 구동신호를 발생시키는 부분까지 일련의 과정이 하드웨어적인 추가회로 없이 마이크로 프로세서(DSP:800)에서 처리가 가능하므로 비용적인 절감을 가져 올 수 있고, 소프트웨어(Software)에 의해 제어를 수행함으로써 보다 세밀한 제어가 가능 하다.

도 4는 본 발명에 따라 조이스틱 레버(10B)의 이동에 따라 압력신호를 받아 PWM 신호를 발생하여 전류값을 제어하는 시스템에서 피드백 받은 압력과 출력 지령(command)과 제어 특성을 도시한 그래프로서, 횡축은 압력(단위 Bar)을 나타내고 종축은 전류값(단위 mA)을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 본 발명은 PID 제어에 있어서 기본적인 슬로프(Slope)를 따라 제어를 실시하는 것이 아니라 단계(step)를 두어서 미세 제어가 가능하도록 한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 상승측에는 제한값을 두어 오버슈트(Overshoot)를 방지할 수 있고, 순간적인 부하의 경우 빠른 응답성을 주기 위하여 미분값이 커질 경우 급격히 전류값이 떨어지거나 상승하여 지령(Command) 값을 따라 갈 수 있다.

도 4의 그래프의 동작추이를 살펴보면, 조이스틱 레버(10B)의 조작이 미세할 경우 곡선의 하단부분을 따라 전류값이 변화하여 2차 압력이 0~100mA 구간에서도 제어가 가능하고, 40Bar 이상의 압력이 일정시간 동안 지속될 필요성이 있을 경우에는 미분값에 의해 전류값을 600mA까지 상승시켜서 제어가 가능하다. 만약, 전류값이 상승하는 도중 압력이 하강할 경우에는 전류의 상승값은 멈추고 해당 구간의 슬로프(Slope)를 따라 하강하도록 설계할 수 있다. 제한값 부근에서 동작할 경우에도 위에 설명한 바와 동일하게 동작한다.

이와 같이 본 발명은 다단 슬로프 제어를 채택함으로써 단일 슬로프(Slope)를 따라 제어하는 것보다 보다 더욱 미세하게 조정할 수 있고, 기계적 시스템의 동 작 특성을 따라 가는데 있어서 더욱 빠르게 응답할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 조이스틱 동작에 따른 압력을 감지하여 직접적인 유량제어가 아닌 전자감압 비례밸브의 전류를 제어하여 간접적으로 컨트롤 밸브를 제어함으로써 제어성능을 향상시키고, 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims

조이스틱 레버;

상기 조이스틱 레버의 조작에 따른 압력을 감지하기 위한 적어도 2개의 압력센서;

일정 제어신호에 따라 컨트롤 밸브를 제어하는 전자감압 비례밸브; 및

상기 압력센서의 감지신호에 따라 상기 전자감압 비례밸브를 구동하기 위한 제어신호를 발생하는 제어로직부를 포함하여 이루어지는 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자 조이스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 제어로직부는

상기 압력센서에서 감지된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;

상기 디지털 신호로 변환된 데이터를 입력받아 비례적분미분(PID) 제어하여 다단 슬로프 유압제어를 위한 제어신호를 출력하는 PID 제어기;

상기 PID 제어기의 제어신호에 따라 PWM 구동신호를 발생하는 PWM신호 발생기; 및

상기 PWM 구동신호에 따라 상기 전자감압 비례밸브를 구동하는 전자감압 비례밸브 구동기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자 조이스틱.
제 2 항에 있어서,

상기 전자감압 비례밸브의 제어는 유압의 변동량에 의해 다단 슬로프(Slope)를 따라 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자 조이스틱.
제 1 항에 있어서, 상기 제어로직부는

조이스틱의 조작신호를 감지하기 위한 아날로그 압력센서로부터 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 제1 아날로그-디지털 변환기;

피드백된 아날로그 압력신호를 디지털 신호로 변환하는 제2 아날로그-디지털 변환기;

상기 제1 아날로그-디지털 변환기의 출력값에서 상기 제2 아날로그-디지털 변환기의 출력값을 감산하는 감산기;

상기 감산기의 출력을 비례적분미분(PID) 제어하는 제1 PID 제어기;

과전류에 의한 밸브의 파손을 방지하기 위하여 기준 전류에 사인파 형태의 주파수를 실어서 간헐적으로 상기 전자감압 비례밸브의 스풀을 진동시키기 위한 디더 주파수 신호를 발생하는 디더 파형 발생부;

상기 제1 PID 제어기의 출력에 상기 디더 주파수 신호를 더하는 가산기;

상기 가산기의 출력에서 상기 전자감압 비례밸브의 션트로부터 피드백되는 전류신호를 감산하는 감산기;

상기 디더 주파수 신호가 포함된 신호를 비례적분미분(PID) 제어하여 다단 슬로프 유압제어를 위한 제어신호를 출력하는 제2 PID 제어기; 및

상기 제2 PID 제어기에서 출력하는 제어신호에 따라 PWM 구동신호를 생성하는 PWM신호 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자 조이스틱.
제 4 항에 있어서, 상기 제어로직부는

상기 전자감압 비례밸브의 션트로부터 피드백되는 전류신호를 통해 상기 전자감압 비례밸브의 이상동작을 검출하는 이상검출부와,

상기 이상검출부에 의해 이상이 검출되면 상기 PWM신호 발생부에서 상기 PWM 구동신호를 발생하지 않도록 차단하는 PWM 펄스 차단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자감압 비례밸브를 이용한 다단 슬로프 유압제어 전자 조이스틱.