KR20140119909A - 건설기계 유압펌프 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건설기계 유압펌프 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 건설기계 유압펌프 제어 장치는, 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)가 요구된 펌프 토크에 도달할 때에 엔진회전수(rpm)가 설정 허용 범위보다 낮아지면 엔진 동특성이 변화된 것으로 확인하는 엔진 동특성 변화 확인단계(S20); 엔진 동특성이 변화된 것으로 확인되면, 펌프 토크를 지정한 토크까지 지정한 토크 기울기로 상승시켜 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)에 펌프부하를 작용하는 펌프부하 작용단계(S40); 펌프 부하 작용단계(S40)에서 펌프부하를 작용할 때에 엔진회전수 정보와, 펌프의 사판각도 정보와, 토출 작동유의 압력 정보를 수집하고, 수집된 정보에 근거하여 부하 구간별로 토크 기울기를 생성하고, 신규 토크 기울기 맵(220a)을 생성하는 맵 데이터 생성 단계(S60); 및 종래 토크 기울기 맵(220)을 신규 토크 기울기 맵(220a)으로 갱신하는 갱신 단계(S80);를 포함한다.

Description

건설기계 유압펌프 제어 장치{Control system and method of Hydraulic Pump for Construction Machinery}
본 발명은 건설기계용 유압펌프 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변경된 엔진의 동특성을 반영하여 유압펌프를 제어할 수 있도록 하는 건설기계용 유압펌프 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 건설기계에는 유압 시스템이 탑재되어 각종 작업기를 작동시킨다. 유압시스템은 엔진으로부터 동력을 제공받아 유압펌프를 작동시키고, 유압펌프에서 토출되는 작동유에 의해 각종 작업기가 작동된다.
유압펌프는 전자제어가 가능한 전자 유압펌프가 알려져 있다. 또한, 유압펌프는 압력 제어로 제어되는 형식이 있다.
압력 제어형 전자 유압펌프는 사판의 각도를 전자제어 함으로써 최종적으로 출력되는 펌프 토크의 크기를 제어할 수 있다. 또한, 압력 제어형 전자 유압 펌프는 검출되는 작동유의 압력 값에 비례하여 펌프의 압력을 제어하는 형식이다.
이하, '압력 제어형 전자 유압펌프'는 '펌프'로 약칭한다.
종래의 기술로서 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 공개된 특허문헌1 "건설기계의 유압펌프 제어장치 및 제어방법"이 알려져 있다.
특허문헌1은 유압펌프의 출력 토크 제어 방법에 대한 것으로서, 엔진 회전수(rpm)를 바탕으로 엔진의 토크 응답 성능을 펌프 토크 제어 수단과 일치하는 시정수(Time constant, 時定數)로 매핑(Mapping)하도록 하는 기술이다.
특허문헌1에서 제어에 사용되는 시정수를 찾기 위해서는 엔진 회전수에 따른 동적 특성을 파악하는 것이 매우 중요한데, 종래에 유압 시스템에서는 부하 패턴이 대기 부하(zero 또는 일정 수준)에서 최고부하(Full 부하)까지 도달하는 것을 기준으로 시정수를 정하여 제어를 한다.
시정수 제어 방식은 최고 부하가 아닐 경우에 유압 펌프의 출력 토크 기울기가 작아지므로 엔진 회전수가 떨어지지는 않으나, 의도하지 않게 작업 속도가 느려져 작업성이 저하되는 문제점이 있다.
다른 한편으로, 엔진은 운용시간이 길어짐에 따라 성능이 저하되어 엔진 동특성에 변화가 생긴다. 따라서 엔진의 동특성이 반영된 부하별 토크 기울기 맵이 적용되어 펌프가 제어되더라도 엔진 동특성이 변화되면 이미 탑재된 부하별 토크 기울기 맵은 유압펌프를 원만하게 제어할 수 없는 문제점이 있다.
특허문헌1. 대한민국 공개 특허공보 제10-2011-0073082호(2011.06.29.)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 엔진의 성능이 저하되었다가 판단될 때에 변화된 엔진의 동적 특성을 파악하고, 변화된 엔진 동적 특성이 반영되도록 새로운 부하 범위 별로 토크 기울기 맵(map)을 제공하여 유압펌프의 출력 토크를 제어할 수 있도록 하는 건설기계용 유압펌프 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 건설기계 유압펌프 제어 장치는, ~을 포함한다.
또한, ~것일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는, 압력 제어형 전자 유압펌프가 탑재된 유압시스템에서 엔진이 노후 또는 변화되어 정상적인 출력이 되지 않을 때에, 엔진의 동특성을 반영한 부하범위 별 토크 기울기 맵(map)에 의해 유압펌프가 제어되도록 함으로써, 펌프 부하 변동에 따른 엔진 회전수 감소량을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는, 펌프 부하 변동 정도를 개선할 수 있고, 나아가 작업기의 제어 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 정상적일 때를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 정상적일 때에 요구부하와 엔진회전수의 상관관계를 보인 도면이다.
도 3은 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 정상적일 때에 부하 구간별로의 토크 기울기를 구하는 예를 보인 도면이다.
도 4는 도 3의 토크 기울기를 기초로 부하범위 별 토크 기울기 맵이 작성된 예를 보인 도면이다.
도 5는 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 변화될 때를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계 유압펌프 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 변화된 상태에서 신규 토크 기울기 맵을 반영하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 저하된 상태일 때에 요구부하와 엔진회전수의 상관관계를 보인 도면이다.
도 9는 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 저하된 상태일 때에 부하 구간별로의 토크 기울기를 구하는 예를 보인 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 신규 토크 기울기를 기초로 새로운 부하범위 별 토크 기울기 맵이 작성된 예를 보인 도면이다.
도 12는 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 신규 토크 기울기가 적용된 후에 부하와 엔진회전수의 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 크기가 과장되게 도시될 수 있다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
먼저, 건설기계 유압펌프 제어장치에 의해 펌프와 엔진이 제어될 때에 요구부하와 엔진 동특성의 상관관계를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
첨부도면, 도 1은 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 정상적일 때를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 건설기계 유압펌프 제어장치에 의해 펌프가 정상적으로 제어될 때에는 엔진회전수의 저하(drop)현상이 크지 않고, 정격 엔진회전수를 유지함을 알 수 있다. 여기서 정격 엔진회전수는 일예로서 1800rpm이 설정된 것이다.
건설기계 유압펌프 제어장치에 의해 펌프가 정상적으로 제어될 때의 부하범위 별 토크 기울기 맵(map)은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 2는 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 정상적일 때에 요구부하와 엔진회전수의 상관관계를 보인 도면이다. 도 3은 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 정상적일 때에 부하 구간별로의 토크 기울기를 구하는 예를 보인 도면이다. 도 4는 도 3의 토크 기울기를 기초로 부하범위 별 토크 기울기 맵이 작성된 예를 보인 도면이다.
도 2에 나타낸 낸 바와 같이, 조이스틱을 급격하게 조작하여 펌프부하를 최대(100%)로 요구하였을 때에, 펌프부하에 해당하는 토크를 구현하기 위하여 엔진의 회전수가 토크 기울기를 가지고 상승된다. 토크 기울기는 시간경과에 대한 엔진회전수 증가량으로 이해될 수 있다. 부하 구간별로 토크 기울기를 다르게 설정할 수 있고, 이러한 토크 기울기의 집합체를 토크기울기 맵(map)이라 한다.
즉, 토크기울기 맵(map)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 부하가 작용되지 않거나 일상적인 수준에서부터 최댓값까지를 구간으로 나누고, 각 구간마다 엔진회전수가 증가되는 토크기울기를 설정한 것이다. 본 발명의 실시예에서는 부하구간을 5개의 구간으로 나누는 예를 설명하지만, 이에 한정하는 것은 아니며, 부하구간을 세분화할수록 토크기울기의 개수가 많아지고 이로써 더욱 정교한 제어가 가능해질 수 있다.
제1 토크기울기(R1)는 토크가 요구된 시점부터 펌프부하가 20%에 도달할 때까지 소요된 제1시간(t1)의 기울기 이다
제2 토크기울기(R2)는 펌프부하가 20%에서 40%에 도달할 때까지 소요된 제2시간(t2)의 기울기 이다
마찬가지로, 제3 ~ 제5 토크 기울기(R3 ~ R5)는 각각의 부하별 구간에서 소요된 제3 ~ 제5시간(t3 ~ t5)의 기울기 이다.
도 4는 도 3에서 구해진 각 펌프 부하별로 토크 기울기를 맵(map)으로 작성한 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 펌프 부하별로 각 토크 기울기를 가진다. 이로써 유압시스템에서 펌프가 제어될 때에, 토크 기울기 맵이 반영된 펌프 제어 지령이 생성되고, 펌프제어 지령에 의해 펌프가 제어되는 것이다.
첨부도면 도 5는, 엔진 동특성이 변화된 예를 보인 것이다.
엔진동특성이 변화되면, 도 1에서처럼 토크 제한과 유사한 지령을 내리고, 이에 따라 실제 펌프 파워가 동일/유사하게 구현되더라도 엔진회전수(rpm)가 어느 특정한 시점에서 정격엔진회전수보다 현저하게 낮아지는 엔진회전수 저하현상이 발생됨을 알 수 있다. 정격엔진회전수의 예로서 1800rpm이라고 가정하면, 요구되는 토크에 도달되는 시점에서 엔진회전수가 1550rpm에 근접할 정도로 낮아진다. 이와 같이 엔진회전수가 너무 낮아지면, 요구되는 토크를 구현하기 위해 더 많은 연료가 소모된다.
따라서 엔진동특성이 변화되면 건설기계 유압시스템의 유압펌프는 변화된 엔진동특성이 반영되게 제어되어야 한다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계 유압펌프 제어 장치에 대해서 설명한다.
첨부도면 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계 유압펌프 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
유압 펌프 제어장치(100)는 요구되는 펌프토크에 대응하여 복수의 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)에서 토출되는 작동유의 유량과 작동유의 유압을 구현하도록 하는 것이다. 펌프토크는 단위 회전당 토출되는 유량과 유량에 형성된 압력의 곱셈에 의해 구해진다.
유압펌프의 제어는 마력제어부(110)와 유량제어부(120)를 포함한다. 마력제어(110)에는 요구 유닛(10), 부하모드 선택 유닛(20), 엔진회전수 설정부(30), 엔진제어장치(40: ECU)로부터 정보를 제공받는다.
요구 유닛(10)은 조이스틱, 페달 등이 있을 수 있다. 예를 들면 조이스틱을 최대 변위로 조작하면 요구 값(유량/압력)에 대한 요구 신호가 발생하고, 요구 신호는 마력제어부(110)와 유량제어부(120)에 제공된다. 요구 신호는 펌프토크에서 구현될 토크의 크기로 이해될 수 있다.
부하모드 선택 유닛(20)은 작업자가 수행하고자 하는 작업의 경중에 따라 선택하는 것이다. 예를 들면, 계기판에서 부하모드를 선택하는 것으로, 과중부하 모드, 중부하 모드, 표준부하 모드, 경부하 모드, 아이들 모드 등에서 어느 하나의 부하모드를 선택하는 것이다. 상위 부하모드가 선택될수록 유압펌프에서 토출되는 작동유에 높은 압력이 형성되고, 하위 부하모드가 선택될수록 유압펌프에서 토출되는 작동유의 유량이 증대된다.
엔진회전수 설정부(30)는 엔진회전수(rpm)을 관리자가 임의로 선택할 수 있게 한 것이다. 예를 들면, RPM 다이얼을 조절하여 작업자가 소망하는 엔진회전수(rpm)을 설정하는 것이다. 엔진회전수(rpm)를 높게 설정할수록 엔진에서 더 큰 동력을 유압펌프에 제공하지만, 상대적으로 연료소모가 증가하고 건설기계의 내구성이 저하될 우려가 있으므로 적정한 엔진회전수를 설정하는 것이 바람직하다. 표준 부하모드일 경우에 예를 들면 1400rpm으로 설정할 수 있고, 작업자의 성향에 따라 좀 더 높거나 낮게 설정할 수도 있다.
엔진제어장치(40)는 엔진을 제어하도록 하는 장치로서, 실제 엔진회전수(rpm) 정보를 마력 제어부(110)에 제공한다.
마력 제어부(110)는 수집된 정보를 가공하여 요구되는 토크의 총합을 계산하고, 토크 총합은 토크 분배 제어부(130)에 제공된다.
한편, 유량제어부(120)는 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)의 사판각도 정보를 제공받아 현재 토출되는 유량이 어느 정도인지를 파악하고, 요구 유닛(10)으로부터 어느 정도의 유량이 요구되는지를 가감하여, 앞으로 어느 정도의 토크가 필요한지를 계산한다. 한편, 유압펌프는 제1 유압펌프(P1)와 제2 유압펌프(P2)로 제공되므로, 유압펌프 별로 토크 비율을 나누고, 나누어진 정보는 토크 분배 제어부(130)에 제공된다.
또한, 유량제어부(120)는 앞으로 어느 정도 크기의 압력이 필요한지를 계산하고 필요한 압력은 압력 지령(Pi)으로 펌프 제어부(140)에 제공한다.
토크 분배 제어부(130)는 마력 제어부(110)로부터 제공받은 토크 총합에서 유량제어부(120)로부터 제공받은 토크 크기 비율에 따라 제1 유압펌프(P1)와 제2 유압펌프(P2)가 각각 담당할 토크의 크기의 토크 지령(Pd)을 상술한 펌프 제어부(140)에 제공한다. 토크 지령(Pd)은 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)를 제어하도록 하는 각각의 제어신호를 포함한다.
펌프 제어부(140)는 최대 펌프 압력 값(Pmax)과 압력지령(Pi)값과 분배된 토크 지령(Pd)값 중에 가장 작은 값이 선택되고, 펌프 지령 값으로 출력되며, 펌프 지령 값은 제1 유압펌프(P1)를 제어하는 제1펌프 지령(Pcmd1)과 제2 유압펌프(P2)를 제어하는 제2펌프지령(Pcmd2)으로 구분되어 출력된다.
일반적인 상황에서는 상술한 제1, 제2 펌프지령(Pcmd1, Pcmd2)는 각각 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)에 제공되고, 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)는 제1, 제2 펌프지령(Pcmd1, Pcmd2)에 따른 작동유의 토출유량과 토출압력을 구현한다.
그러나 엔진이 노후되거나 외부의 요인으로 인하여 엔진의 동특성이 변화될 수 있다.
본 발명에 따른 유압펌프 제어장치(100)는 제1, 제2 펌프지령(Pcmd1, Pcmd2)에 토크 제어부(200)를 부가하여 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)를 안정적으로 제어하도록 한 것이다.
토크 제어부(200)는 토크 계산부(210)와 신, 종래 토크 기울기 맵(220, 220a)을 포함하여 구성된다.
토크 계산부(210)는 다음의 수학식1에 의해 계산된다.
Figure pat00001
T: 유압펌프에 의해 구현되는 펌프 토크(Pump Torque)의 크기이다.
P: 유압펌프에서 토출되는 작동유의 압력(P)이다.
Q: 유압펌프에서 단위 회전당 토출되는 작동유의 유량(Q)이다.
A: 힘의 세기를 KGM단위에서 마력(ps) 토크 단위로 환산하기 위한 상수(A)이다.
종래 토크 기울기 맵(220, 220a)은 도 2 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 유압부하에 따른 엔진 동적 특성을 반영하여 제공되는 것이다.
토크 제어부(200)에서는 토크 계산부(210)에서 계산된 토크 값에 토크 기울기 값을 반영하여 최종적으로 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)를 제어할 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)을 생성하여 출력하는 것이다.
즉, 상술한 토크 기울기 맵(220)은 엔진 동특성이 반영된 값이기 때문에, 최종적으로 생성된 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)는 엔진 동특성이 반영된 펌프제어 지령 값이다.
한편, 도 5에 나타낸 바와 같이, 엔진 동특성의 변화로 인하여 유압시스템의 유압펌프가 정상적으로 제어되지 않고 엔진회전수가 어느 특정한 구간에서 과다하게 저하될 때에는 본 발명에 따른 건설기계 유압펌프 제어장치의 제어에 의해 토크 제어부(200)에 탑재된 토크 기울기 맵(220)을 새롭게 갱신하게 된다.
본 발명에 따른 토크 기울기 맵(220, map)을 갱신하도록 하는 실시예는 첨부도면 도 7 내지 도 11을 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 변화된 상태에서 신규 토크 기울기 맵을 반영하는 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 저하된 상태일 때에 요구부하와 엔진회전수의 상관관계를 보인 도면이다. 도 9는 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 엔진 동특성이 저하된 상태일 때에 부하 구간별로의 토크 기울기를 구하는 예를 보인 도면이다. 도 10 및 도 11은 도 9의 신규 토크 기울기를 기초로 새로운 부하범위 별 토크 기울기 맵이 작성된 예를 보인 도면이다.
이하 각 단계별로 종래 토크 기울기 맵(220)이 신규 토크 기울기 맵(220a)으로 갱신되는 실시예를 설명한다.
한편, 이하에서는 보정 전에 탑재된 토키 기울기 맵(map)은 종래 토크 기울기 맵(220)이라하고, 새롭게 생성된 토크 기울기 맵(map)은 신규 토크 기울기 맵(220a)이라한다.
부하 작용 단계(S10): 일반적인 작업을 수행하여 펌프에 부하를 작용되도록 하는 단계이다.
엔진 동특성 변화 확인단계(S20): 엔진 동특성이 설정 허용범위를 벗어나는 정도로 큰 변화가 나타날 때에 엔진 동특성 변화로 확인하는 단계이다.
즉, 엔진 동특성이 유지되거나 변화된 정도가 설정 허용범위 이내인 경우에는 토크 기울기 맵의 갱신을 수행하지 않고 종료한다.
이에 부연 설명하면 다음과 같다. 유압시스템은 조이스틱 지령에 따라 유압펌프가 유량을 토출하고, 메인컨트롤밸브(MCV: Main Control Valve)가 토출된 유량을 각 액추에이터에 배분하여 액추에이터의 작동 속도를 조정한다. 엔진은 유압펌프가 유압 에너지를 생성할 수 있는 동력을 제공한다. 동력을 요구하는 유압펌프와 동력을 제공하는 엔진간의 매칭(matching)은 건설기계의 제어성과 연비관점에서 중요한 요소로 작용한다. 요구되는 펌프토크에 비해서 엔진의 최대토크 도달시간이 길기 때문에 급부하가 작용될 때에 동력이 부족한 엔진 동특성으로 인한 엔진회전수 저하현상이 발생한다.
한편, 건설기계의 엔진에는 부하모드(파워모드)별로 정격 엔진회전수(RPM)가 제공된다. 정격 엔진회전수의 부하의 경중에 따라 구분될 수 있고, 일례로서 과중부하모드 1800Rpm, 중부하모드 1665Rpm, 표준부하모드 1560Rpm, 경부하모드 1460Rpm로 제공될 수 있다. 어느 부하모드를 선택되든 해당 부하모드의 정격 엔진회전수보다 실제 엔진회전수가 낮아지면 연료 효율이 낮아진다.
본 발명에 따른 실시예는 실제 엔진회전수가 정격 엔진회전수 보다 허용 범위보다 큰 폭으로 낮아지는 경우에 엔진동특성이 변화한 것으로 설정한다. 여기서, 허용범위는 90rpm ~ 110rpm 일 수 있다. 즉, 실제 엔진회전수가 정격 엔진회전수보다 90rpm 더 낮아지는 경우에 엔진동특성이 변화됨을 좀 더 확실하게 알 수 있게 된다. 반대로, 90rpm 이내의 변화는 미미한 수준으로 무시될 수 있다. 또한, 실제 엔진회전수가 정격 엔진회전수보다 110rpm 더 낮아지는 경우에 연료 효율이 급격하게 나빠질 수 있다.
다른 한편으로, 엔진회전수(rpm)의 상술한 허용범위를 넘는 저하현상이 나타나면 연비가 나빠짐을 알 수 있다. 이는 엔진회전수(rpm)를 높이도록 하기 위하여 더 많은 연료를 소모하기 때문이다.
입력수단 선택 단계(S30): 토크 기울기를 설정하기 위하여 계기판에 배치된 스위치 또는 작동기를 작동시키도록 조작하는 조이스틱 등을 선택하는 것이다.
펌프부하 작용단계(S40): 펌프 토크를 지정한 토크까지 지정한 기울기로 올리는 단계이다. 펌프에 부하를 구현할 수 있는 작동은 여러 가지가 있을 수 있다. 예를 들면, 조이스틱을 조작하여 지령을 생성하고, 실제로 지령으로 작업장치가 작동시키면서 펌프에 부하를 작용하는 것이다. 작업장치 작동예로서 붐 상승과 스윙 작동을 수행하여 펌프부하를 수행할 수 있다.
정보 수집 단계(S50): 펌프부하 작용단계(S40)에서 펌프 부하를 작용할 때에 발생되는 각종 정보를 수집하는 것이다. 예를 들면, 붐 상승과 상부체 스윙 작동을 수행할 때에 얻어지는 정보를 수집할 수 있다. 이때 취합되는 정보는 엔진으로부터 얻어지는 엔진회전수(rpm), 부스터 압력(boost pressure), 펌프의 사판 각도, 펌프에서 토출되는 작동유의 압력 등이 있다. 펌프의 사판 각도를 알면 펌프에서 펌프 샤프트의 단위 회전당 토출되는 유량을 알 수 있고, 이러한 유량 정보는 펌프 용적을 구할 수 있다.
즉, 펌프 용적과 작동유의 압력을 알면 펌프 토크 값을 구할 수 있고, 펌프 토크가 구해지는 시점에 엔진회전수의 추이를 살펴보면 엔진동특성을 알 수 있는 는 것이다.
맵 데이터 생성 단계(S60): 상술한 정보수집 단계(s50)에서 수집된 정보에 근거하여 토크 기울기를 구하고, 토크 기울기에 의해 토크 기울기 맵을 생성하는 단계이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 엔진동특성이 변하면, 동일한 요구부하가 작용되더라도 엔진회전수가 다르게 나타난다. 좀 더 구체적으로는, 정상 엔진회전수 선도에 비교하여 이상 엔진회전수 선도는 불특정한 부하 구간에서 엔진회전수가 낮게 나타난다.
이에 펌프부하 전체를 100%로 설정할 때에 부하 구간별로 해당 부하에 도달할 때까지 소요 시간을 체크하여 각 부하 구간별로 토크 기울기를 계산한다.
예를 들면, 조이스틱을 조작하여 펌프에 부하가 작용하는 시점(t0)부터 펌프부하가 20%까지 도달한 제1 시점(t1)을 살펴보면, 정상적인 엔진동특성인 경우이라면 엔진회전수가 높게 나타날 수 있지만, 엔진동특성이 변화되면 이상 엔진회전수 선도에 나타낸 바와 같이, 동일한 제1시점(t1)이라도 상대적으로 펌프부하가 낮게 매칭된다. 이때 이상 엔진회전수 선도와 제1~5 시점(t1 ~ t5)이 각각 매칭되는 펌프부하를 매칭 펌프 부하라 한다.
즉, 정상적인 엔진동특성을 가진 경우에 토크 기울기는 각각 제1 ~ 5 토크기울기(R1 ~ R5)를 가지는 토크 기울기 맵이 형성된다. 그러나 엔진동특성이 변화됨으로써 도 9에 나타낸 바와 같이, 각 부하구간별로 새로운 제11, 21, 31, 41, 51 신규 토크기울기(R11, R21, R31, R41, R51)이 생성된다.
비교 단계(S70): 새롭게 생성된 제11, 21, 31, 41, 51 신규 토크기울기(R11, R21, 31, 41, 51)와 기존의 제1, 2, 3, 4, 5 토크기울기(R1, R2, R3, R4, R5)는 도 10에 나타낸 바와 같이 각 부하 구간별로 증감하여 비교한다.
이때 각 토크 기울기별로 차이가 허용범위 내에 있는지 여부를 비교하는 것이다. 허용범위를 벗어날 정도로 차이가 크면, 새롭게 구해진 제11, 21, 31, 41, 51 토크기울기(R11, R21, 31, 41, 51)를 이용하여 도 11에 나타낸 바와 같이 신규 토크 기울기 맵(220a)을 생성한다. 만약, 각 토크 기울기 별로 차이가 허용범위를 벗어나지 않을 정도로 미미하다면, 종료된다. 여기서 허용 범위는 비교대상인 제1, 2, 3, 4, 5 토크기울기(R1, R2, R3, R4, R5)의 값에 비교하여 제11, 21, 31, 41, 51 신규 토크기울기(R11, R21, 31, 41, 51)의 증감 비율이 10%이상을 의미할 수 있다.
갱신 단계(S80): 도 6에 나타낸 바와 같이, 종래 토크 기울기 맵(220)을 새롭게 생성된 신규 토크 기울기 맵(220a)으로 갱신한다(230 참조). 이후, 신규 토크 기울기(220a)를 프로파일로 저장(240)한다.
상술한 바와 같이, 보정되어 새롭게 탑재되는 신규 토크 기울기 맵(220a)에 의해 펌프가 제어된다. 즉, 토크 제어부(200)에서는 토크 계산부(210)에서 새롭게 탑재된 신규 토크 기울기 맵(220a)을 근거로 토크 값을 계산한다. 특히, 신규 토크 기울기 맵(220a)의 토크 기울기 값을 반영함으로써 최종적으로 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)를 제어할 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)을 생성하여 출력하는 것이다.
상술한 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)는 변화된 엔진 동특성이 반영된 신규 토크 기울기 맵(220a)에 의해 최종적으로 생성된 것이다. 상술한 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)에 의해 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)가 제어된다.
이하, 변화된 엔진동특성이 반영된 신규 토크기울기 맵(220a)에 의해 유입시스템이 제어되는 예를 첨부도면 도 12를 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 12는 건설기계 유압펌프 제어 장치에서 신규 토크 기울기가 적용된 후에 부하와 엔진회전수의 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 12에 나타난 바와 같이, 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)에 의해 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)가 제어되는 경우를 나타낸 것이다.
이전에는 조이스틱을 조작하여 급부하를 작용하게 되면 보정 전 부하요구선도는 순간적으로 최대 토크 값이 요구되지만, 본 발명에 따른 신규 토크 기울기가 적용되면 부하요구 선도가 변화되는데, 이때 부하요구의 증가추이를 살펴보면 일정한 기울기를 가지고 상승됨을 알 수 있다. 즉, 부하요구의 증가추이는 보정 후 부하요구 선도를 따라 증가됨을 알 수 있다.
한편, 토크는 펌프에 작용되는 부하에 따라 가변 되는데, 실제로 건설기계를 운전하면, 중부하작업과 경부하작업일 혼합된 형태이기 때문에 범위(band)를 가지는 형태로 표현된다. 토크의 범위는 도 12에 나타낸 바와 같이 제1 토크 범위 선도와 제2 토크 범위 선도의 범위일 수 있다.
한편, 도 12에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는, 보정 후 부하요구 선도와 제1 토크 범위 선도 간의 차이가 좁음을 알 수 있다. 이는 보정 전 부하요구 선도와 제1 토크 범위 선도 간의 차이와 비교되는 것으로 알 수 있다. 여기서, 부하요구선도와 토크 범위 선도간의 차이가 좁을수록 엔진회전수의 드롭 량이 감소되는 것이다.
즉, 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는, 급격하게 저하되는 드롭 현상을 보이지는 않고, 양호한 엔진회전수를 나타냄을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는, 압력 제어형 전자 유압펌프가 탑재된 유압시스템에서 엔진이 노후 또는 변화되어 정상적인 출력이 되지 않을 때에, 엔진의 동특성을 반영한 부하범위 별 토크 기울기 맵(map)에 의해 유압펌프가 제어되도록 함으로써, 펌프 부하 변동에 따른 엔진 회전수 감소량을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는, 펌프 부하 변동 정도를 개선할 수 있고, 나아가 작업기의 제어 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
다른 한편으로, 엔진의 동특성을 고려하여 유압부하를 작용시킴으로써 엔진에서 연료가 과다하게 소모되는 것을 방지할 수 있으므로 연비향상에 도움이 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는 엔진의 동적특성을 반영하여 유압펌프를 제어하는 데에 이용될 수 있다.
10: 요구 유닛 20: 부하모드 선택 유닛
30: 엔진회전수 설정부 40: 엔진제어장치(ECU)
100: 유압펌프 제어장치
110: 마력 제어부 120: 유량 제어부
130: 토크 분배 제어부 140: 펌프 제어부
200: 토크 제어부 210: 토크 계산부
220: 토크 기울기 맵(map)
P1, P2: 제1, 제2 유압펌프

Claims (3)

  1. 종래 토크 기울기 맵(220)이 반영된 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)에 의해 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)에 부하가 작용되는 부하 작용단계(S10);
    상기 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)가 요구된 펌프 토크에 도달할 때에 엔진회전수(rpm)가 설정 허용 범위보다 낮아지면 엔진 동특성이 변화된 것으로 확인하는 엔진 동특성 변화 확인단계(S20);
    상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)에서 엔진 동특성이 변화된 것으로 확인되면, 펌프 토크를 지정한 토크까지 지정한 토크 기울기로 상승시켜 상기 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)에 펌프부하를 작용하는 펌프부하 작용단계(S40);
    상기 펌프 부하 작용단계(S40)에서 펌프부하를 작용할 때에 엔진회전수 정보와, 펌프의 사판각도 정보와, 토출 작동유의 압력 정보를 수집하는 정보 수집 단계(S50);
    상기 정보 수집 단계(S50)에서 수집된 정보에 근거하여 부하 구간별로 토크 기울기를 생성하여 신규 토크 기울기 맵(220a)을 생성하는 맵 데이터 생성 단계(S60); 및
    상기 종래 토크 기울기 맵(220)을 상기 신규 토크 기울기 맵(220a)으로 갱신하는 갱신 단계(S80);
    를 포함하는 건설기계 유압펌프 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)는,
    설정 허용 범위가 정격 엔진회전수보다 90rpm ~ 110rpm인 것을 특징으로 하는 건설기계 유압펌프 제어 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 맵 데이터 생성 단계(S60)는,
    펌프 부하를 최소에서 최대까지의 복수로 나누어 부하 구간을 정의하고,
    정상 엔진회전수에서 상기 각 부하 구간까지 도달되는 소요시간을 구하고,
    상기 각 소요시간에 이상 엔진회전수와 매칭되는 매칭 펌프 부하를 구하고,
    상기 각 소요시간에 상기 매칭 펌프 부하의 증가량으로 신규 토크 기울기로 정의하고,
    상기 각 부하구간 별로 각각 신규 토크 기울기(R11, R21, R31, R41, R51)를 구하여 신규 토크 기울기 맵(220a)을 생성하는 것을 특징으로 하는 건설기계 유압펌프 제어 장치.
KR1020130034252A 2013-03-29 2013-03-29 건설기계 유압펌프 제어 장치 및 방법 KR102015141B1 (ko)

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