KR20140100981A - 마력 제한 장치 및 마력 제한 방법 - Google Patents

마력 제한 장치 및 마력 제한 방법 Download PDF

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KR20140100981A
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Abstract

본 발명의 마력 제한 장치(101)는, 유압 펌프 유닛의 토출 압력을 검출하는 압력 검출기(5)와, 상기 유압 펌프 유닛에 대해 마력 제한된 토출 유량을 지시하는 마력 제한 후 유량 지시에 따라, 상기 압력 검출기에 의해 검출된 토출 압력을 보상하기 위한 보상 값을 출력하는 병렬 피드포워드 보상기(9)와, 상기 병렬 피드포워드 보상기에 의해 출력된 보상 값에 의한 보상 후의 토출 압력 및 미리 설정된 상기 유압 펌프 유닛의 마력 제한 값에 따라 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량의 제한 값을 연산하는 유량 제한 값 연산부(11)와, 상기 유량 제한 값 연산부에 의해 연산된 유량 제한 값 및 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량을 지시하는 유량 지시에 따라 상기 마력 제한 후 유량 지시를 상기 유압 펌프 유닛에 출력하는 유량 제한부(12)를 구비한다.

Description

마력 제한 장치 및 마력 제한 방법{HORSEPOWER LIMITING DEVICE AND HORSEPOWER LIMITING METHOD}
본 발명은, 유압 펌프 유닛(unit)의 토출 압력에 따라 유압 펌프 유닛의 토출 유량을 제한하는 마력 제한 장치 및 마력 제한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 유압 구동을 하기 위한 시스템에 있어서, 유압 펌프는, 모터나 엔진을 동력원으로 하여 회전 운동으로 작동 오일을 토출하고, 토출 오일은 제어 밸브를 통해 유압 액추에이터(actuator)에 공급된다. 펌프의 마력(W[kW])은 토출 유량(Q[L/min])과 토출 압력(P[MPa]), 효율(
Figure pct00001
)로부터 아래의 식으로 구해진다.
Figure pct00002
그런데, 유압 액추에이터의 동작 환경에 따라서는, 과도한 부하로 인하여 유압 액추에이터가 일시적으로 정지해버리는 것과 같은 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 유압 펌프의 토출 압력이 높아져 펌프의 출력은 증가한다. 그 결과, 펌프의 동력원에 걸리는 부하도 또한 증가하고, 모터에서는 트립(trip)을 일으키고, 엔진이라면 엔진 스톱을 일으켜 버린다.
종래, 유압 펌프에서는, 펌프의 토출 압력이 높아지면 모터나 엔진이 과부하가 되는 것을 방지하기 위해, 펌프의 토출 유량을 줄이는 마력 제한이 이루어진다. 이러한 펌프의 토출 압력에 따라 펌프의 토출 유량을 제한하는 마력 제한에서는, 미리 설정된 마력 제한 값(Wm[kW])에 대해 펌프의 유량을 제한하는 유량 제한 값(Qm[L/min])을 아래의 식에 의해 산출한다.
Figure pct00003
그리고 펌프의 토출 유량을 지시하는 유량 지시 값을, 유량 제한 값(Qm[L/min])보다 작게 하여 펌프의 토출 유량을 제한함으로써 행해진다(예를 들면, 특허문헌1 참조).
특개평 7-208403호 공보
하지만, 종래의 유압 펌프의 마력 제한에서는, 유량 지시 값이 변화하고 나서 펌프의 토출 압력이 변화할 때까지 응답 지연이 있기 때문에, 그 사이에 유량 제한 값이 필요 이상으로 변화해 버려 종종 헌팅(hunting)을 일으킨다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 마력 제한 하의 유압 펌프 유닛에 있어서 유량 지시 값에 대한 유압 펌프 유닛의 토출 압력의 응답 지연으로 인한 헌팅을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
상기한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일예에 따른 마력 제한 장치는, 유압 펌프 유닛의 토출 압력을 검출하는 압력 검출기와, 상기 유압 펌프 유닛에 대하여 마력 제한된 토출 유량을 지시하는 마력 제한 후 유량 지시에 따라, 상기 압력 검출기에 의해 검출된 토출 압력을 보상하기 위한 보상 값을 출력하는 병렬 피드포워드(feed forward) 보상기와, 상기 병렬 피드포워드 보상기에 의해 출력된 보상 값에 의한 보상 후의 토출 압력 및 미리 설정된 상기 유압 펌프 유닛의 마력 제한 값에 따라 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량의 제한 값을 연산하는 유량 제한 값 연산부와, 상기 유량 제한 값 연산부에 의해 연산된 유량 제한 값 및 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량을 지시하는 유량 지시에 따라 상기 마력 제한 후 유량 지시를 상기 유압 펌프 유닛에 출력하는 유량 제한부를 구비한다.
상기 구성에 따르면, 압력 검출기에 의해 검출된 유압 펌프 유닛의 토출 압력이 병렬 피드포워드 보상기에 의해 출력된 보상 값에 따라 보상되고, 이 보상 후의 토출 압력과 미리 설정된 유압 펌프 유닛의 마력 제한 값에 따라 유압 펌프 유닛의 토출 유량의 제한 값이 연산되고, 해당 연산된 유량 제한 값과 유압 펌프 유닛의 토출 유량을 지시하는 유량 지시에 따라 마력 제한 후 유량 지시가 유압 펌프 유닛에 출력되므로 마력 제한 하의 유압 펌프 유닛에 있어서, 유량 지시에 대한 유압 펌프 유닛의 토출 압력의 응답 지연을 보상할 수 있다. 그 결과, 응답 지연으로 인한 헌팅을 감소시킬 수 있다.
상기 병렬 피드포워드 보상기는, 상수 게인(gain)과 대역 통과 필터로 구성될 수 있다. 상기 구성에 따르면, 유량 지시에 대한 유압 펌프 유닛의 토출 압력의 응답 지연을 적절하게 보상할 수 있다.
상기한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 형태(aspect)에 따른 마력 제한 방법은, 유압 펌프 유닛의 토출 압력을 검출하는 단계와, 상기 유압 펌프 유닛에 대하여 마력 제한된 토출 유량을 지시하는 마력 제한 후 유량 지시에 따라 상기 검출된 토출 압력을 보상하기 위한 보상 값을 출력하는 단계와, 상기 출력된 보상 값에 의한 보상 후의 토출 압력 및 미리 설정된 상기 유압 펌프 유닛의 마력 제한 값에 따라 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량의 제한 값을 연산하는 단계와, 상기 연산된 유량 제한 값 및 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량을 지시하는 유량 지시에 따라 상기 마력 제한 후 유량 지시를 상기 유압 펌프 유닛에 출력하는 단계를 포함한다.
상기 보상 값을 출력하는 단계는, 상수 게인(gain)과 대역 통과 필터로 구성된 병렬 피드포워드 보상기에 의해 출력하는 단계일 수 있다.
본 발명은, 이상으로 설명한 구성을 가지며, 마력 제한 하의 유압 펌프 유닛에 있어서 유량 지시 값에 대한 유압 펌프 유닛의 토출 압력의 응답 지연으로 인한 헌팅을 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징 및 이점은, 첨부 도면 참조 하에 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백하게 된다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마력 제한 장치를 이용한 유압 구동 시스템의 개략적인 구성 예를 나타낸 블록도이다.
도 2는, 도 1의 마력 제한 장치의 구성 예를 나타낸 블록도이다.
도 3은, 마력 제한 컨트롤러에 있어서 보상 후의 토출 압력의 응답 파형을 나타낸 그래프이다.
도 4는, 제1 비교예에 따른 마력 제한에 의한 유압 펌프의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는, 제1 실시예에 따른 마력 제한에 의한 유압 펌프의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은, 제1 비교예에 따른 마력 제한에 의한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은, 제1 실시예에 따른 마력 제한에 의한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 제2 비교예에 따른 마력 제한에 의한 직렬 필터의 구성 예를 나타낸 블록도이다.
도 9는, 제1 실시예에 따른 마력 제한에 의한 병렬 필터의 구성 예를 나타낸 블록도이다.
도 10은, 제2 비교예에 따른 마력 제한에 의한 직렬 필터의 주파수 특성을 나타낸 보드(bode) 선도이다.
도 11은, 제1 실시예에 따른 마력 제한에 의한 병렬 필터의 주파수 특성을 나타낸 보드 선도이다.
도 12는, 제3 비교예에 따른 유압 펌프의 마력 제한의 블록도이다.
도 13은, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마력 제한 장치의 블록도이다.
본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에서는, 모든 도면에 걸쳐 동일하거나 상응하는 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.
(제1실시예)
도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마력 제한 장치를 이용한 유압 구동 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다. 유압 구동 시스템(100)은, 유압 펌프(1), 유압 펌프(1)의 동력원으로서의 모터(2), 유압 액추에이터(3), 제어 밸브(4), 압력 센서(5), 조작기(6), 마력 제한 컨트롤러(7), 레귤레이터(8)를 구비한다. 여기서, 압력 센서(5) 및 마력 제한 컨트롤러(7)가 마력 제한 장치(101)를 구성한다. 또한, 유압 펌프(1), 모터(2) 및 레귤레이터(8)가 유압 펌프 유닛(102)을 구성한다. 또한, 이하에서는, 마력 제한된 유량 지시 값을 포함한 지시 신호가 레귤레이터(8)에 입력됨으로써 유압 펌프(1)의 토출 유량이 제어되는 구성을 예시하지만, 예를 들어 해당 지시 신호가 모터(2)에 입력됨으로써 유압 펌프(1)의 토출 유량이 제어되도록 구성될 수 있다(그 밖의 실시예 참조).
유압 펌프(1)는, 예를 들어, 모터(2)를 동력원으로 하여 회전 운동으로 작동 오일을 토출한다. 토출 오일은 제어 밸브(4)를 통해 유압 액추에이터(3)에 공급된다. 유압 펌프(1)로서, 공지된 것을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 유압 펌프(1) 는, 예를 들어, 모터(2)에 의해 일정 회전으로 구동되고 사판(斜板) 경사각의 조정에 의해 유압 펌프(1)의 토출 유량(이하, 단지 유량이라고 부르는 경우가 있다)을 변화할 수 있는 가변 용량 펌프이다. 동력원은, 모터(2)에 한정되지 않고, 예를 들면, 내연 엔진일 수 있다.
유압 액추에이터(3)는, 유압 펌프(1)에서 토출되는 토출 오일에 의해, 도시되지 않은 부하를 구동한다. 유압 액추에이터(3)로는, 예를 들어, 유압 실린더가 예시된다.
제어 밸브(4)는, 유압 액추에이터(3)에 대한 토출 오일의 급배(給排)를 제어하고, 이에 따라 유압 액추에이터(3)의 동작을 제어한다. 제어 밸브(4)는, 도시되지 않은 제어기가 유저(user)의 조작 입력(액추에이터(3)의 동작을 지시하는 조작 입력)에 따라 출력하는 제어 신호에 따라 동작한다. 또한, 제어 밸브(4)가 액추에이터(3)에서 작동 오일을 배출하는 경우, 해당 배출되는 작동 오일은 릴리프 오일(relief oil)로서 제어 밸브(4)에서 도시되지 않은 유로를 통해 유압 펌프(1)로 돌아간다.
압력 센서(5)는, 유압 펌프(1)의 토출 압력(이하, 단지 압력이라고 부르는 경우가 있다)을 검출한다. 여기서는, 압력 센서(5)는, 유압 펌프(1)에서 유압 액추에이터(3)에 토출 오일을 공급하는 유로(20)에 설치되어 유로(20)를 통해서 공급되는 토출 오일의 압력을 검출하고, 이 검출된 토출 압력을 마력 제한 컨트롤러(7)에 출력한다.
조작기(6)는, 유압 펌프(1)에 토출 유량을 지시하기 위해 유저에 의해 조작된다. 여기서는, 조작기(6)는, 해당 조작기(6)의 조작량에 따른 유압 펌프(1)의 토출 유량의 지시 신호를 생성하여 마력 제한 컨트롤러(7)에 출력한다.
마력 제한 컨트롤러(7)는, 압력 센서(5)에 의해 검출된 유압 펌프(1)의 토출 압력 및 조작기(6)에 의해 입력된 유압 펌프(1)의 토출 유량의 지시 신호에 따라, 마력 제한된 유량 지시 값을 포함한 지시 신호를 생성하고, 이를 레귤레이터(8)에 출력한다. 여기서는, 유량 지시 값은, 유압 펌프(1)의 사판을 제어하기 위한 경전각 지시 값이다.
레귤레이터(8)는, 토출 유량의 지시 신호에 포함된 경전각 지시 값에 따라 유압 펌프(1)의 사판의 경사각을 조정하여 구동중인 유압 펌프(1)의 토출 유량을 변화시킨다.
다음에, 마력 제한 컨트롤러(7)의 구성에 대하여 도 2를 이용하여 구체적으로 설명한다. 도 2는, 마력 제한 장치(101)의 구성 예를 나타내는 블록도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 마력 제한 장치(101)는, 압력 센서(5) 및 마력 제한 컨트롤러(7)로 구성된다.
마력 제한 컨트롤러(7)는, 병렬 피드포워드 보상기(Parallel Feed forward Compensator, 이하, PFC라고 부른다)(9), 가산기(10), 유량 제한 값 연산부(11), 유량 제한부(12)를 구비한다. 마력 제한 컨트롤러(7)는, 예를 들어, 마이크로컨트롤러, PLC(Programmable Logic Controller) 등의 연산기로 구성된다. PFC(9), 가산기(10), 유량 제한 값 연산부(11) 및 유량 제한부(12)는, 연산기가, 그 내장된 동작 프로그램을 실행함으로써 실현된다.
PFC(9)는, 레귤레이터(8)에 대해 마력 제한된 토출 유량을 지시하는 마력 제한 후의 유량 지시 값(Qc[L/min])에 따라, 압력 센서(5)에 의해 검출된 토출 압력의 실적 값(출력된 토출 압력)을 보상하기 위한 보상 값(Pf[MPa])을 출력한다.
가산기(10)는, PFC(9)에 의해 출력된 보상 값(Pf[MPa])과 압력 센서(5)에 의해 검출되어 출력되는 토출 압력의 실적 값(P[MPa])을 가산하여 보상 후의 토출 압력 값(P'[MPa])을 출력한다.
유량 제한 값 연산부(11)는, 가산기(10)에 의해 출력된 보상 후의 토출 압력 값(P'[MPa]) 및 미리 설정된 유압 펌프(1)의 마력 제한 값(Wm[kW])에 따라 유압 펌프(1)의 토출 유량의 제한 값(Qm[L/min])을 연산한다. 유량 제한 값(Qm[L/min])은, 아래의 식(1)에 의해 계산된다.
Figure pct00004
여기서,
Figure pct00005
는 펌프의 효율이고, 마력 제한 값(Wm[kW])은, 예를 들어 미리 마력 제한 컨트롤러(7) 내부의 도시되지 않은 저장부에 저장되어 있다.
유량 제한부(12)는, 유량 제한 값 연산부(11)에 의해 연산된 유량 제한 값(Qm[L/min]) 및 유압 펌프(1)의 토출 유량을 지시하는 유량 지시 값(Qd[L/min])에 따라 마력 제한 후의 유량 지시 값(Qc[L/min])을 유량 펌프(1)에 출력한다. 구체적으로는, 유량 제한부(12)는, 유량 지시 값(Qd)과 유량 제한 값(Qm)을 비교하고, 유량 지시 값(Qd)이 유량 제한 값(Qm)보다 작은 경우는, 유압 펌프(1)에 출력하는 유량 지시 값(Qc)을 유량 지시 값(Qd)으로 하고, 유량 지시 값(Qd)이 유량 제한 값(Qm)보다 큰 경우는, 유압 펌프에 출력하는 유량 지시 값(Qc)을 유량 제한 값(Qm)으로 한다. 여기서 유량 지시 값(Qd[L/min])은, 도 1의 조작기(6)에서 지시 받으며, 마력 제한 컨트롤러(7) 내부의 도시되지 않은 저장부에 일시적으로 저장되어 있다. 또한, 마력 제한 값(Wm) 및 유량 지시 값(Qd)이 저장되는 저장부는, 연산기의 내부 메모리(memory), 혹은 하드 디스크 드라이브(hard disc drive) 등의 외부 메모리, 그 외에 네트워크(network)를 통해 연결된 컴퓨터에 의해 액세스(access) 가능한 저장 장치일 수 있다.
다음에, PFC(9)의 구성에 대해 설명한다. PFC(9)는 마력 제한 후 유량 지시 값(Qc)을 입력으로 하고, 유압 펌프의 토출 압력을 보상하기 위한 보상 값(Pf)을 출력하는 것이며, 본 실시예에서는, 예를 들어, 상수 게인과, 2차 하이 패스 필터(high pass filter) 및 1차 로우 패스 필터(low pass filter)를 갖는 대역 통과 필터로 구성된다. PFC(9)의 전달 함수(Gf(s))는 아래의 식(2)로 표시된다.
[수1]
Figure pct00006
[수2]
Figure pct00007
여기서,
Figure pct00008
H1,
Figure pct00009
H2는, 2차 하이 패스 필터의 컷오프 주파수이고,
Figure pct00010
L은 1차 로우 패스 필터의 컷오프 주파수이고, Kf는 상수 게인이다.
도 3은, PFC(9)에 의한 보상 후의 토출 압력의 응답 파형을 나타낸 그래프이다. 세로축은 압력을 나타내고, 가로축은 시간을 나타내고 있다. 실선은 PFC 보상 후의 압력(P'), 점선은 압력 실적 값(P), 일점쇄선은 PFC 보상 값(Pf)을 각각 나타내고 있다. 여기서는 어떤 부하 조건 하에서 유량 지시 값이 계단식으로 변화했을 경우 압력의 응답 파형을 나타내고 있다.
압력 실적 값(P)은, 유량 지시 값의 변화에 대해 응답의 시작이 지연되고 있다(도면의 기간(td)). 이에 반하여, PFC 보상 값(Pf)은, 압력 실적 값(P)이 변화할 때까지의 기간(td)에 의사적인 출력을 발생시킨다. 이로써 PFC 보상 후의 압력(P')은, 응답 지연이 없는 것처럼 보인다.
이와 같이, PFC(9)에 의해 유량 지시 값이 변화하고 나서 압력 실적 값이 변화할 때까지의 타이밍 동안에 의사적인 출력을 발생시킬 수 있으므로 압력 실적 값의 응답 지연을 보상할 수 있다.
다음에, 마력 제한 컨트롤러(7)에 있어서의 구체적인 마력 제한 처리에 대해 설명한다. 먼저, 식(2)에서 나타낸 PFC(9)의 연속 시간 전달 함수(Gf(s))는, 쌍일차 변환 등의 방법을 이용하여 아래의 식(3)과 같은 이산 시간 전달 함수(Gf(z))로 변환된다.
[수3]
Figure pct00011

이때, 시각(k)에 있어서 PFC(9)의 출력(Pf(k))은, 아래와 같이 계산된다.
[수4]
Figure pct00012

그 다음에, 유량 제한 값 연산부(11)에 의해, 시각(k)에 있어서의 유량 제한 값(Qm(k))은, 시각(k)에 있어서의 압력 실적 값(P(k)), PFC(9)의 출력(Pf(k))을 이용하여 아래와 같이 연산된다. 여기서,
Figure pct00013
는 펌프의 효율을 고려한 것으로, 압력이나 유량에 따라 가변하게 함으로써 보다 정확하게 마력 제한을 하는 것이 가능하게 된다.
[수5]
Figure pct00014

여기서, 시각(k)에 있어서 유량 지시 값(Qd(k))보다 유량 제한 값(Qm(k))이 작아져 유량이 제한된다고 가정하면, Qc(k) = Qm(k)가 된다. 따라서 시각(k)에 있어서의 유량 제한 값(Qm(k))은, 아래의 식(6)에 의해 산출된다.
[수6]
Figure pct00015
그런 다음, 유량 제한부(12)에 의해 유량 제한 값(Qm(k))이, 실제로 유량 지시 값(Qd(k))보다 작으면, Qc(k) = Qm(k)로 하고 유량 제한을 한다.
이와 같이, 보상 후의 압력을 이용하여 유량 제한 값을 계산함으로써 필요 이상으로 유량 지시 값을 변화시키는 일이 없어지므로 마력 제한에 있어서의 헌팅을 억제할 수 있다.
(제1 비교예)
다음에, PFC(9)를 이용한 본 실시예에 따른 마력 제한의 효과를 비교예와 대비하여 설명한다. 먼저, 종래 기술에서 채용되는 마력 제한을 제1 비교예로서 설명한다.
제1 비교예에 따른 마력 제한에서는, 식(9)에 따라 유압 펌프의 유량과 유압 펌프의 토출 압력으로부터 마력의 실적 값(출력된 마력)(W)을 산출한다. 또한, 미리 설정된 마력 제한 값(Wm[kW])에 대해 유압 펌프의 유량을 제한하는 유량 제한 값(Qm[L/min])을 아래의 식에 의해 산출한다.
Figure pct00016
그리고 마력 실적 값(W)이 마력 제한 값(Wm)을 초과하면, 유압 펌프의 토출 유량을 지시하는 유량 지시 값을, 유량 제한 값(Qm[L/min])으로 제한하여 유압 펌프의 토출 유량을 제한하고, 이에 따라 유압 펌프의 마력을 제한한다.
도 4는, 제1 비교예에 따른 마력 제한에 의한 유압 펌프의 특성을 나타낸 그래프이다. 세로축은 유압 펌프의 토출 유량을 나타내고, 가로축은 유압 펌프의 토출 압력을 나타내고 있다. 이 그래프의 곡선(Wm)은, 마력(Wm)이 되는 유량과 압력의 점을 연결한 마력 제한 곡선을 나타내고 있다. 실선으로 나타낸 궤적(P)은, 어떤 시각에 있어서의 유량과 압력의 위치를 시계열로 일정 시간마다 플롯(plot)한 것이다(도면의 점(a) ~ 점(i)). 제1 비교예에 따른 마력 제한에서는, 압력이 증가하여 점(a)으로 나타낸 시각에서 마력이 Wm을 초과하였을 경우, 유량 지시 값은 점선으로 나타낸 바와 같이, 점(a)의 압력에 있어서 마력(Wm)이 되는 유량으로 제한된다. 마찬가지로, 다음의 시각(b)에 있어서도 압력이 증가했다면, 유량 지시 값은, 점(b)의 압력에 있어서 마력(Wm)이 되는 유량으로 제한된다. 여기서, 유량 지시 값의 변화에 대하여 압력이 응답 지연 없이 변화한다면, 이 조작에 의한 궤적(P)은 곧바로 마력 제한 곡선(Wm) 상에 수렴할 것이다. 그러나 실제로는 응답 지연이 있기 때문에, 현재의 압력에 따라 마력(Wm)이 되는 유량을 지시하면, 도 4와 같이 점(b) ~ 점(c)에 걸쳐 유량을 너무 줄여 점(d)에서 마력이 Wm을 하회하거나, 반대로, 점(d) ~ 점(e)에 걸쳐 유량을 너무 늘려 점(f)에서 또한 마력이 Wm을 상회하거나 하면, 마력 제한 곡선을 넘듯이 하여 변동을 반복한다. 즉 헌팅이 발생해 버린다.
이에 반하여, 도 5는, 본 제1 실시예에 따른 마력 제한에 의한 유압 펌프의 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서도 종축은 유압 펌프의 토출 유량을 나타내고, 가로축은 유압 펌프의 토출 압력을 나타내고 있다. 이 그래프의 곡선(Wm)은, 마력(Wm)이 되는 유량과 압력의 점을 연결한 마력 제한 곡선을 나타내고 있다. 점선으로 나타낸 궤적(P)은, 어떤 시각에 있어서의 유량과 압력의 위치를 시계열로 일정 시간마다 플롯한 것이다(도면의 점(a) ~ 점(d)). 실선으로 나타낸 궤적(P')은 어떤 시각에 있어서의 유량과 PFC에 의한 보상 후의 압력의 위치를 시계열로 일정 시간마다 플롯한 것이다(도면의 점(a') ~ 점(d')). 본 제1 실시예에 따른 마력 제한에서는, 압력이 증가하여 점(a)으로 나타낸 시각에서 마력이 Wm을 초과하였을 경우, 유량 지시 값은 점선으로 나타낸 바와 같이, 점(a)(= 점(a'))의 압력에 있어서 마력(Wm)이 되는 유량으로 제한된다. 그 다음에, 다음의 시각(b)에 있어서도 압력이 증가했다면, 유량 지시 값은 점선으로 나타낸 바와 같이, 점(b')의 보상 후의 압력에 있어서 마력(Wm)이 되는 유량으로 제한된다. 여기서, 보상 후의 압력은, PFC에 의해 유량 지시 값에 대한 응답 지연이 보상되어 있고, 그 지연은 매우 작기 때문에 이 조작에 의한 궤적(P')은, 곧바로 마력 제한 곡선(Wm)에 수렴된다. 또한, 보상 후의 압력이 수렴되면, 실제의 압력 궤적(P)도 마력 제한 곡선(Wm)에 수렴한다. 즉, 헌팅이 감소된다.
다음에, 제1 실시예와 제1 비교예 각각의 시뮬레이션 결과를 비교한다. 시뮬레이션 조건은, 유량 지시 값(Qd)을 800[L/min], 마력 제한 값(Wm)을 200[kW], 유압 실린더의 용적을 10[L]로 하고, 릴리프 유량을 800[L/min]에서 250[L/min]까지 30초 변화시켰을 경우를 상정한다.
도 6은, 제1 비교예에 따른 마력 제한에 의한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a)는, 마력 실적 값의 시간 응답 파형을 나타내고, 도 6의 (b)는, 마력 제한에 의한 유압 펌프의 특성을 나타내고 있다. 시뮬레이션 결과로부터, 제1 비교예에서는 시작에서 15초를 경과하고 나서 20초 부근에 있어서 상당한 헌팅이 발생하고 있다.
이에 반하여, 도 7은, 제1 실시예에 따른 마력 제한에 의한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7의 (a)는, 마력 실적 값의 시간 응답 파형을 나타내고, 도 7의 (b)는, 마력 제한에 의한 유압 펌프의 특성을 나타내고 있다. 시뮬레이션 결과로부터, 본 실시예에서는, 제1 비교예에 비해 헌팅이 감소되어 있다.
(제2 비교예)
다음에, PFC(9)를 이용한 본 실시예에 따른 마력 제한의 효과를 제2 비교예와 대비하여 설명한다. 제2 비교예는, 제1 비교예에 있어서 보상 회로를 구비하도록 구성되어 있다.
도 8은, 제2 비교예에 있어서 보상 회로의 블록도이다. 도 8에 있어서, G는 제어 대상(유압 펌프 등), u는 조작량(유량 지시 값), y는 출력(보상 후의 압력 (압력 실적)), F는 보상 요소로서의 직렬 필터(위상 앞섬 필터)이다. 제2 비교예는, 응답 지연을 보상하기 위해 제어 대상(유압 펌프)에 대해 직렬로 필터를 구비한다.
이에 반하여, 도 9는, 제1 실시예에 있어서 보상 회로의 블록도이다. G는 제어 대상(유압 펌프 등), u는 조작량(유량 지시 값), y는 출력(보상 후의 압력), H는 병렬 필터(PFC)이다. 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서는, 응답 지연을 보상하기 위해 유압 펌프에 대해 병렬 필터를 구비한다. 여기서, 도 9의 (a)의 블록도를 등가 변환하면, 도 9의 (b)의 직렬 필터로서 표현된다. 따라서 제2 비교예의 직렬 필터를 F = 1 + G-1H 라고 하면, 본 실시예의 병렬 필터(PFC)와 같은 효과를 얻을 수 있게 된다. 하지만, G-1은 일반적으로 고차의 미분 항이 포함되기 때문에, 현실적으로는 이러한 필터를 사용하는 것은 불가능하다. 따라서 보상 요소로서 직렬 필터를 이용하는 제2 비교예와, 보상 요소로서 병렬 필터를 적용하는 본 실시예는 구성에 본질적인 차이가 있다.
또한, 제2 비교예의 직렬 필터와 본 실시예의 병렬 필터의 효과에 대해 설명한다. 도 10은, 제2 비교예에 따른 직렬 필터의 주파수 특성을 나타낸 보드 선도이다. 도 10의 (a)는, 게인 선도를 나타내고, 도 10의 (b)는, 위상 선도를 각각 나타내고 있다. 실선은 보상 후의 특성, H(s)는 직렬 필터의 특성, G(s)는 제어 대상의 특성을 각각 나타내고 있다. 고주파 영역에서는, 제어 대상(G(s))의 지연이 크고, 위상 지연은 거의 개선할 수 없다는 것을 나타내고 있다.
이에 반하여, 도 11은, 제1 실시예에 따른 병렬 필터의 주파수 특성을 나타낸 보드 선도이다. 도 11의 (a)는, 게인 선도를 나타내고, 도 11의 (b)는, 위상 선도를 각각 나타내고 있다. 실선은 보상 후의 특성, H(s)는 직렬 필터의 특성, G(s)는 제어 대상의 특성을 각각 나타내고 있다. 도 11에 있어서 저주파 영역에서는, 보상 후의 특성이 제어 대상의 특성(G(s))과 거의 같아지는 한편, 고주파 영역에서는, 보상 후의 특성이 병렬 필터의 특성(H(s))과 거의 같아져 위상 지연을 없앨 수 있다.
그런데, 마력 제한에서는, 식7과 같이 마력 제한 값(Wm)을 압력(P)으로 나누어 유량 제한 값(Qm)을 구하고 있지만, 이 식7을 동작점(압력(P0))의 주변에서 선형화하면, 아래의 식(8)과 같이 표현할 수 있다.
[수7]
Figure pct00017
식(8)을 압력의 피드백 제어라고 가정하면, (60
Figure pct00018
)Wm/P0 2 는 피드백 게인에 해당하며, 동작점의 압력(P0)이 낮은 경우는 매우 큰 게인이 된다는 것을 알 수 있다. 피드백 제어의 이론에서는, 위상 지연 180도 이상의 응답 지연이 되는 주파수 영역이 있으면, 일정 이상 크기의 게인으로 피드백을 했을 때 불안정해진다.
제2 비교예의 직렬 필터에 의한 보상에서는, 고주파 영역에서 위상 지연이 180도 이상으로 되는 것은 피할 수 없기 때문에 헌팅이 발생할 가능성이 있다. 한편, 본 실시예의 PFC에 의한 보상에서는, 전체 주파수 범위에 걸쳐 위상 지연을 줄일 수 있기 때문에 헌팅을 발생하기 어렵게 할 수 있다.
(제3 비교예)
다음에, PFC(9)를 이용한 본 실시예에 따른 마력 제한의 효과를 제3 비교예와 대비하여 설명한다. 제3 비교예는, PFC를 마력의 피드백 제어에 적용한 마력 제한의 구성에 대해 설명한다.
일반적으로, PFC는, 제어량(출력)을 그 위상을 반전시켜 피드백(부귀환)하는 것과 같은 제어에 적용된다. 이 PFC를 단순히 적용한 경우의 마력 제한의 구성은 도 12의 블록도와 같이 된다.
하지만, 일반적으로 유압 펌프의 마력은 토출 유량과 토출 압력의 곱이 되기 때문에, 도 12의 블록도의 제어 대상(유량→마력)은 비선형 특성이 되기 때문에, PFC로 응답 지연을 보상하는 개념을 그대로 적용할 수는 없다.
따라서 본 실시예에서는, 유압 펌프에서는, 유량을 조작하여 압력을 변화시킬 수 있는 동시에 그 변화시킨 압력을 측정할 수 있는 것을 이용하여 도 2의 블록도와 같은 구성으로 하고 있다.
이로써, 제어 대상(유량→압력)은 기본적으로 선형 근사할 수 있는 것과 같은 특성이 되어 PFC 보상의 개념을 적용할 수 있다. 또한, PID 제어기 등의 보상 요소도 불필요해져 매우 간단한 구성으로 마력 제한을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마력 제한의 구성은, 도 2의 블록도에 나타낸 바와 같이, 피드백되는 압력 실적 값과 지시 값(마력)의 차원이 다르고, 또한 피드백되는 압력 실적 값의 위상은 반전되지 않는다. 그리고 이러한 압력 실적 값을 나눗셈의 형태로 피드백함으로써 PFC를 사용할 수 있도록 고안되어 있다. 이러한 점에서 본 실시예의 마력 제한의 제어는, 일반적인 피드백 제어와는 본질적으로 다르며, 또한 "마력=유량×압력"으로 표현할 수 있는 유압 펌프만의 독창적인 구성이다.
(제2 실시예)
다음에, 본 발명의 제2 실시예에 대하여 도 13을 이용하여 설명한다. 또한, 제1 실시예와 공통되는 구성의 설명은 생략하고, 다른 구성에 대해서만 설명한다.
도 13은, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마력 제한 장치의 블록도이다. 본 실시예는, 제1 실시예와 비교하면 마력 제한 컨트롤러(7)가 가감산기(13)를 더 구비하며, 가감산기(13)에 의해, 마력 제한 후의 유량 지시 값(Qc)에서 유량 지시 값(Qd)을 뺀 값을 PFC(9)의 입력으로 하는 점이 다르다.
여기서, PFC(9)는 기본적으로 고주파 영역의 응답을 보정하므로 유량 지시 값(Qd)의 변동이 그러한 고주파 영역에 없는 경우(일반적으로는 유량 지시 값(Qd)이 일정한 경우)에는, PFC(9)의 입력에서 유량 지시 값(Qd)의 성분을 빼더라도 PFC(9)의 효과가 손상되지는 않는다. 이러한 구성으로 함으로써 예를 들면 유압 펌프(1)의 기동 시 등에 부하가 없는 상태에서 유량 지시 값을 0에서 규정 값까지 계단식으로 올렸을 때, 실제의 압력은 오르지 않지만, PFC(9)의 보상 값이 커져 마력 제한이 작동해버리는 것을 방지할 수 있다.
(그 밖의 실시예)
상기 각 실시예에 있어서는, PFC(9)는, 상수 게인과, 2차 하이 패스 필터 및 1차 로우 패스 필터를 갖는 대역 통과 필터로 구성되었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 유량 지시에 대한 유압 펌프의 토출 압력의 응답 지연을 보상할 수 있는 구성이라면, PFC(9)는, 예를 들어 상수 게인과, 그 밖의 대역 통과 필터로 구성될 수도 있고, 상수 게인만으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 각 실시예에 있어서는, 유압 펌프(1)에 있어서 모터(2)의 회전수는 일정하게 하고, 유압 펌프(1)에 대한 지시는, 유량 지시 값을 펌프의 경전각의 지시로 변환하여 이루어졌지만, 이에 한정되는 것이 아니라, 유압 펌프의 경전각을 일정하게 하고, 유압 펌프에 대한 지시는 유량 지시 값을 모터의 회전수의 지시로 변환하여 이루어지도록 할 수 있다.
상기 설명으로부터, 당업자에게는 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시예가 분명하다. 따라서 상기 설명은, 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능에 대해 실질적으로 변경할 수 있다.
본 발명은, 유압 펌프의 토출 압력에 따라 펌프의 토출 유량을 제한하는 유압 펌프의 분야에 사용할 수 있다.
1: 유압 펌프
2: 모터
3: 유압 액추에이터
4: 제어 밸브
5: 압력 센서
6: 조작기
7,70: 마력 제한 컨트롤러
8: 레귤레이터
9: PFC(병렬 피드포워드 보상기)
10: 가산기
11: 유량 제한 값 연산부
12: 유량 제한부
13: 가감산기
20: 유로
100: 유압 구동 시스템
101: 마력 제한 장치
102: 유압 펌프 유닛

Claims (6)

  1. 유압 펌프 유닛의 토출 압력을 검출하는 압력 검출기와,
    상기 유압 펌프 유닛에 대해 마력 제한된 토출 유량을 지시하는 마력 제한 후 유량 지시에 따라, 상기 압력 검출기에 의해 검출된 토출 압력을 보상하기 위한 보상 값을 출력하는 병렬 피드포워드 보상기와,
    상기 병렬 피드포워드 보상기에 의해 출력된 보상 값에 의한 보상 후의 토출 압력 및 미리 설정된 상기 유압 펌프 유닛의 마력 제한 값에 따라 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량의 제한 값을 연산하는 유량 제한 값 연산부와,
    상기 유량 제한 값 연산부에 의해 연산된 유량 제한 값 및 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량을 지시하는 유량 지시에 따라 상기 마력 제한 후 유량 지시를 상기 유압 펌프 유닛에 출력하는 유량 제한부를 구비하는 것을 특징으로 하는 마력 제한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 병렬 피드포워드 보상기는, 상수 게인과 대역 통과 필터 중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 마력 제한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 병렬 피드포워드 보상기의 입력은, 상기 유압 펌프 유닛에 대한 유량 지시에서, 조작기로부터의 유량 지시 값을 감산함으로써 구성되는 것을 특징으로 하는 마력 제한 장치.
  4. 유압 펌프 유닛의 토출 압력을 검출하는 단계와,
    상기 유압 펌프 유닛에 대해 마력 제한된 토출 유량을 지시하는 마력 제한 후 유량 지시에 따라, 상기 검출된 토출 압력을 보상하기 위한 보상 값을 출력하는 단계와,
    상기 출력된 보상 값에 의한 보상 후의 토출 압력 및 미리 설정된 상기 유압 펌프 유닛의 마력 제한 값에 따라 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량의 제한 값을 연산하는 단계와,
    상기 연산된 유량 제한 값 및 상기 유압 펌프 유닛의 토출 유량을 지시하는 유량 지시에 따라 상기 마력 제한 후 유량 지시를 상기 유압 펌프 유닛에 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마력 제한 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 보상 값을 출력하는 단계는, 상수 게인과 대역 통과 필터 중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 의해 구성된 병렬 피드포워드 보상기에 의해 출력하는 단계인 것을 특징으로 하는 마력 제한 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 병렬 피드포워드 보상기의 입력은, 유압 펌프 유닛에 대한 유량 지시에서, 조작기로부터의 유량 지시 값을 감산하는 것임을 특징으로 하는 마력 제한 방법.
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