WO2014148748A1 - 건설기계용 유압펌프 제어 장치 - Google Patents

건설기계용 유압펌프 제어 장치 Download PDF

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WO2014148748A1
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hydraulic
torque
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hydraulic pump
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조영식
정우용
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두산인프라코어 주식회사
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    • F15B2211/75—Control of speed of the output member

Definitions

  • the present invention relates to a hydraulic pump control apparatus for construction machinery, and more particularly to a hydraulic pump control apparatus for construction machinery to control the hydraulic pump to reflect the dynamic characteristics of the engine.
  • Construction machinery is generally equipped with a hydraulic system to operate a variety of work machines.
  • the hydraulic system receives power from an engine to operate a hydraulic pump, and operates various work machines by working oil discharged from the hydraulic pump.
  • Hydraulic pumps can also be classified as pressure controlled.
  • the pressure controlled electrohydraulic pump can control the magnitude of the final pump torque by electronically controlling the angle of the swash plate.
  • the pressure-controlled electrohydraulic pump is a type of controlling the pressure of the pump in proportion to the pressure value of the hydraulic oil detected.
  • Patent document 1 relates to a method of controlling the output torque of a hydraulic pump, and based on the engine speed (rpm), the torque response performance of the engine is mapped to a time constant (time constant) corresponding to the pump torque control means ( Mapping).
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to grasp the dynamic characteristics of the engine, to provide a torque gradient map (load) for each load range to reflect the engine dynamic characteristics, the hydraulic pressure for construction machinery to control the output torque of the hydraulic pump
  • the purpose is to provide a pump control device.
  • Hydraulic pump control apparatus for construction machinery for achieving the above technical problem, by generating the first and second pump commands (Pcmd1, Pcmd2) to implement the pump torque (Pump Torque) corresponding to the required value, the first Hydraulic pump control device 100 for controlling the two hydraulic pump (P1, P2); And first and second correction pump commands in which the first and second pump commands Pcmd1 and Pcmd2 are corrected by a torque gradient map 220 generated by reflecting engine dynamic characteristics in the hydraulic pump control device 100. And a torque control unit 200 generating Pcmd11 and Pcmd22 to provide the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22 to the first and second hydraulic pumps P1 and P2, respectively.
  • the torque gradient map 220 of the hydraulic pump control device for a construction machine the hydraulic load is divided into three to five sections in the range from the minimum to the maximum, and generates a hydraulic load for each section When the engine speed drop phenomenon is stabilized, it may be generated by obtaining the respective torque gradients at the time point.
  • each section for each hydraulic load of the hydraulic pump control device for a construction machine according to the present invention may be set differently.
  • each section of the hydraulic load of the hydraulic pump control device for a construction machine according to the present invention may be set relatively narrow compared to the small load section as the larger load section.
  • Hydraulic pump control device for a construction machine made as described above, in the hydraulic system equipped with a pressure-controlled electro-hydraulic pump when the engine is aged or changed, the normal output does not reflect the dynamic range of the engine for each load range
  • the hydraulic pump By controlling the hydraulic pump by the torque gradient map, it is possible to improve the engine speed reduction amount due to the pump load variation.
  • the hydraulic pump control device for a construction machine can improve the degree of pump load variation, and further improve the control performance of the work machine.
  • FIG. 1 is a view for explaining a control device and method of a hydraulic pump control apparatus according to a comparative example.
  • FIG. 2 is a graph showing time trends for engine speed and pump torque implemented by a control device of a hydraulic pump control apparatus according to a comparative example.
  • FIG. 3 is a pump torque graph of the engine speed implemented by the control of the hydraulic pump control apparatus according to the comparative example.
  • FIG. 4 is a view for explaining a hydraulic pump control device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining a change in the engine speed when the load is increased step by step in the hydraulic pump control apparatus for construction machinery according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining an example of setting the torque inclination for each load range in the hydraulic pump control device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing time trends for engine speed and pump torque implemented by a hydraulic pump control apparatus for a construction machine according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a pump torque graph of the engine speed implemented by the control of the hydraulic pump control device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a diagram for explaining flow rate control.
  • Flow control can be controlled according to the P-Q diagram. That is, since the maximum torque output from the engine is determined, the hydraulic pump is operated within a stable range in which the engine is not stopped. For example, if a high pressure is required, the flow rate is reduced, and when the pressure is low, it is controlled to discharge the maximum flow rate.
  • FIG. 1B is a diagram for explaining horsepower control.
  • Horsepower control is to control the hydraulic pump by preselecting the load mode. In other words, the higher load mode is selected to output the maximum torque when the work performance is to be increased, and the lower load mode is selected to lower the maximum torque when the light load is to be performed.
  • the load mode described above may be expressed as a light load mode, a standard load mode, a heavy load mode, or the like. In addition, it may be represented by a full power mode, power mode, standard mode, economy mode, idle mode and the like. That is, the load mode may be variously expressed according to the weight of the load or the magnitude of the output torque.
  • Figure 1 (c) shows the control of the hydraulic pump applied by combining the flow control and horsepower control.
  • Comparative Example is as shown in Figure 1 (c).
  • the correlation between the pump torque and the engine speed when controlling the hydraulic pump by combining the flow rate control and the horsepower control will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 2 is a graph showing time trends for engine speed and pump torque implemented by the control device of the hydraulic pump control apparatus according to the comparative example.
  • 3 is a pump torque graph of the engine speed implemented by the control of the hydraulic pump control apparatus according to the comparative example.
  • a and B are cases in which a joystick is rapidly operated to request a required value (flow rate / hydraulic pressure). At this time, the engine speed (rpm) is rapidly and suddenly sharply lowered, the actual pump torque is unstablely lowered.
  • the engine speed (rpm) has a linear form around the rated speed of 1800rpm ⁇ 1900rpm, but the unstable bouncing part occurs like the C part.
  • Part C corresponds to parts A and B of FIG. 2. That is, in the comparative example, it can be seen that the pump torque finally outputted when the joystick is sharply operated is unstable, thereby degrading the controllability of the work machine.
  • Part C is further explained as follows.
  • the fuel is injected at a normal injection amount, but when the engine speed decreases, even though there is a total amount of energy that can be realized with the consumed fuel, the loss increases, resulting in worse fuel economy.
  • FIG. 4 is a view for explaining a hydraulic pump control device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a view for explaining a change in the engine speed when the load is increased step by step in the hydraulic pump control apparatus for construction machinery according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a view for explaining an example of setting the torque inclination for each load range in the hydraulic pump control device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing time trends for engine speed and pump torque implemented by a hydraulic pump control apparatus for a construction machine according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 8 is a pump torque graph of the engine speed implemented by the control of the hydraulic pump control device for a construction machine according to an embodiment of the present invention.
  • Hydraulic pump control device 100 is to implement the flow rate of the hydraulic fluid and the hydraulic oil discharged from the plurality of first and second hydraulic pumps (P1, P2) corresponding to the flow rate / hydraulic pressure required.
  • Control of the hydraulic pump includes a horsepower control unit 110 and the flow control unit 120.
  • the horsepower control 110 receives information from the request unit 10, the load mode selection unit 20, the engine speed setting unit 30, and the engine control device 40 (ECU).
  • the request unit 10 may be a joystick, a pedal or the like. For example, when the joystick is operated at the maximum displacement, a request signal for the required value (flow rate / pressure) is generated, and the request signal is provided to the horsepower control unit 110 and the flow control unit 120.
  • the load mode selection unit 20 selects according to the weight of the work to be performed by the operator. For example, by selecting a load mode on the instrument cluster, one of the load modes is selected from overload mode, heavy load mode, standard load mode, light load mode, and idle mode. As the upper load mode is selected, a high pressure is formed in the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump, and as the lower load mode is selected, the flow rate of the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump is increased.
  • the engine speed setting unit 30 allows the administrator to arbitrarily select the engine speed (rpm). For example, by adjusting the RPM dial, the operator sets a desired engine speed (rpm). The higher the engine speed (rpm) is set, the greater the power provided by the engine to the hydraulic pump, but it is preferable to set the appropriate engine speed because there is a risk of increased fuel consumption and durability of the construction machine. In the case of standard load mode, it can be set to 1400 rpm, for example, and it can be set higher or lower depending on the operator's preference.
  • the engine control device 40 is a device for controlling the engine, and provides actual engine speed (rpm) information to the horsepower control unit 110.
  • the horsepower control unit 110 processes the collected information to calculate the total required torque, and the total torque is provided to the torque distribution control unit 130.
  • the flow rate control unit 120 receives the swash plate angle information of the first and second hydraulic pumps P1 and P2 to grasp how much the flow rate is currently discharged, and how much flow rate is required from the request unit 10. Calculate how much torque you need in the future.
  • the hydraulic pump is provided to the first hydraulic pump (P1) and the second hydraulic pump (P2), divided the torque ratio for each hydraulic pump, the divided information is provided to the torque distribution control unit 130.
  • the flow rate control unit 120 calculates how much pressure is required in the future and provides the required pressure to the pump control unit 140 as a pressure command Pi.
  • the torque distribution controller 130 may be in charge of the first hydraulic pump P1 and the second hydraulic pump P2 according to the torque magnitude ratio provided from the flow controller 120 in the total torque provided from the horsepower controller 110.
  • the torque command Pd of the magnitude of the torque is provided to the pump control unit 140 described above.
  • the torque command Pd includes respective control signals for controlling the first and second hydraulic pumps P1 and P2.
  • the pump control unit 140 selects the smallest value among the maximum pump pressure value Pmax, the pressure command Pi, and the distributed torque command Pd, and outputs the pump command value.
  • the first pump command Pcmd1 for controlling the hydraulic pump P1 and the second pump command Pcmd2 for controlling the second hydraulic pump P2 are output.
  • the first and second pump commands Pcmd1 and Pcmd2 described above are provided to the first and second hydraulic pumps P1 and P2, respectively, and the first and second hydraulic pumps P1 and P2 are the first and second pumps.
  • the hydraulic pump control apparatus 100 is to add a torque control unit 200 to the first and second pump commands (Pcmd1, Pcmd2) to stably control the first and second hydraulic pumps (P1, P2). .
  • the torque controller 200 includes a torque calculator 210 and a torque gradient map 220.
  • the torque calculation unit 210 is calculated by the following equation (1).
  • T The size of the pump torque implemented by the hydraulic pump.
  • A Constant for converting force units to horsepower units.
  • Torque gradient map 220 is a torque gradient generated by checking the engine dynamic characteristics according to the hydraulic load. Generation of the torque gradient map will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
  • the hydraulic load range is set in stages, and the engine speed change trend is checked while providing the staged hydraulic load to the construction machine (equipment).
  • the drop point of the engine speed (rpm) is changed to the rated engine speed while changing the torque slope. Find a point higher than the number.
  • the drop amount D2 of the engine speed rpm may drop significantly.
  • a point where the drop point of the engine speed (rpm) is set higher than the rated engine speed is found.
  • the change in the engine speed (rpm) is observed while the hydraulic load is applied step by step, and the dynamic characteristics between the hydraulic load and the engine speed are matched when the drop point is higher than or stabilized.
  • the hydraulic load is given as an example of 50%, 70%, and 100%. However, as shown in FIG. 6, the hydraulic load may be divided into 5 sections of 20%, 40%, 60%, 80%, and 100%. .
  • a time point at which the engine speed is stabilized by applying an initial low load is found, and the inclination at this time is referred to as the first torque gradient R1. define.
  • a time point at which the engine speed is stabilized by applying a 20% load is found, and a slope at this time is defined as a second torque slope R2.
  • the defined first to fifth torque gradients R1 to R5 are to generate a torque gradient map for each load section, as shown in FIG.
  • the torque gradient map 220 obtained as described above is provided to the torque control unit 200, as shown in FIG.
  • the torque control unit 200 reflects the torque inclination value to the torque value calculated by the torque calculating unit 210 to finally control the first and second hydraulic pumps P1 and P2. Pcmd22) is generated and printed.
  • the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22 generated finally are pump control command values in which engine dynamic characteristics are reflected.
  • the engine dynamics can be found more precisely by dividing the sections of the hydraulic load more precisely, but the more detailed the sections, the more time is required to find the engine dynamics.
  • the load-specific sections of the hydraulic load described above may be set at equal intervals.
  • the load section can be set in an equivalent range by 20%.
  • the section for each load of the hydraulic load may be set at equal intervals, but may also be set to the inequality interval.
  • the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22 are finally generated by the torque gradient map 220 in which engine dynamic characteristics are reflected, and the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22 are described above.
  • the 1st, 2nd hydraulic pump P1, P2 is controlled by this.
  • FIG 7 and 8 are graphs showing the correlation between the engine speed (rpm) implemented by the above-described first and second correction pump commands (Pcmd11, Pcmd22) and the actual pump torque.
  • the actual pump torque is changed over time by the required value, and the engine speed rpm is correspondingly changed.
  • the rated engine speed rpm is based on 1800 rpm. It can be seen that it does not show a drop phenomenon in which the engine speed drops sharply than), but shows a good engine speed.
  • Hydraulic pump control device for construction machinery made as described above, when the engine is aged or changed in the hydraulic system equipped with a pressure-controlled electro-hydraulic pump is not the normal output, the load range by reflecting the dynamic characteristics of the engine By controlling the hydraulic pump by the torque gradient map, it is possible to improve the engine speed reduction amount due to the pump load variation.
  • the hydraulic pump control device for a construction machine can improve the degree of pump load variation, and further improve the control performance of the work machine.
  • the hydraulic pump control apparatus for construction machinery can be used to control the hydraulic pump by reflecting the dynamic characteristics of the engine.

Abstract

본 발명은 건설기계용 유압펌프 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는, 요구 값에 상응하는 펌프 토크(Pump Torque)를 구현하도록 제1, 2 펌프 지령(Pcmd1, Pcmd2)을 생성하여 제1, 2 유압펌프(P1, P2)를 제어하는 유압펌프 제어장치(100); 및 상기 유압펌프 제어장치(100)에서 엔진 동특성이 반영되어 생성된 토크 기울기 맵(map, 220)에 의해 상기 제1, 2 펌프 지령(Pcmd1, Pcmd2)이 보정된 제1, 2 보정펌프 지령(Pcmd11, Pcmd22)을 각각 생성하여 상기 제1, 2 유압펌프(P1, P2)에 상기 제1, 2 보정펌프 지령(Pcmd11, Pcmd22)을 제공하도록 하는 토크 제어부(200);를 포함한다.

Description

건설기계용 유압펌프 제어 장치
본 발명은 건설기계용 유압펌프 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 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 작업기를 작동시키는 것이다.
유압펌프는 전자제어가 가능한 전자 유압펌프가 알려져 있다. 또한, 유압펌프는 압력 제어형으로 분류될 수 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.
종래의 기술로서 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 공개된 특허문헌1 "건설기계의 유압펌프 제어장치 및 제어방법"이 알려져 있다.
특허문헌1에는 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.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
대한민국 공개 특허공보 제10-2011-0073082호(2011.06.29.)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 엔진의 동적 특성을 파악하고, 엔진 동적 특성이 반영되도록 부하 범위 별로 토크 기울기 맵(map)을 제공하여 유압펌프의 출력 토크를 제어할 수 있도록 하는 건설기계용 유압펌프 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치는, 요구 값에 상응하는 펌프 토크(Pump Torque)를 구현하도록 제1, 2 펌프 지령(Pcmd1, Pcmd2)을 생성하여 제1, 2 유압펌프(P1, P2)를 제어하는 유압펌프 제어장치(100); 및 상기 유압펌프 제어장치(100)에서 엔진 동특성이 반영되어 생성된 토크 기울기 맵(map, 220)에 의해 상기 제1, 2 펌프 지령(Pcmd1, Pcmd2)이 보정된 제1, 2 보정펌프 지령(Pcmd11, Pcmd22)을 각각 생성하여 상기 제1, 2 유압펌프(P1, P2)에 상기 제1, 2 보정펌프 지령(Pcmd11, Pcmd22)을 제공하도록 하는 토크 제어부(200);를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치의 상기 토크 기울기 맵(220)은, 유압부하를 최소에서 최대까지의 범위에서 3 내지 5개의 구간으로 구간을 정하고, 각 구간 별로 유압부하를 발생시켰을 때에 엔진회전수 드롭 현상이 안정화되는 시점(時點)의 각각의 토크 기울기를 구하여 생성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치의 상기 유압부하별 각 구간의 범위는 서로 다르게 설정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치의 상기 유압부하별 각 구간의 범위는 큰 부하 구간일수록 작은 부하 구간에 비교하여 상대적으로 좁게 설정될 수 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 비교예에 따른 유압펌프 제어장치의 제어 장치 및 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 비교예에 따른 유압펌프 제어장치의 제어 장치에 의해 구현되는 엔진회전수와 펌프 토크에 대한 시간 추이 그래프이다.
도 3은 비교예에 따른 유압펌프 제어장치의 제어에 의해 구현되는 엔진회전수에 대한 펌프 토크 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치에서 부하를 단계 별로 상승시킬 때에 엔진 회전수의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치에서 부하 범위 별로 토크 기울기를 설정하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치에 의해 구현되는 엔진회전수와 펌프 토크에 대한 시간 추이 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치의 제어에 의해 구현되는 엔진회전수에 대한 펌프 토크 그래프이다.
[부호의 설명]
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, 2 유압펌프
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 도 1을 참조하여 유암펌프의 제어에 대하여 설명한다.
도 1의 (a)는 유량제어를 설명하기 위한 도면이다. 유량제어는 P-Q 선도에 따라 제어될 수 있다. 즉, 엔진에서 출력되는 최대 토크는 정해져 있으므로, 엔진이 정지되지 않은 안정된 범위 내에서 유압펌프를 작동시키는 것이다. 예컨대, 높은 압력이 요구되면 유량은 감소시키고, 압력이 낮을 때에는 최대 유량을 토출하도록 제어되는 것이다.
도 1의 (b)는 마력제어를 설명하기 위한 도면이다. 마력제어는 부하모드를 사전에 선택하여 유압펌프를 제어하는 것이다. 즉, 작업성능을 높이고자 할 때에는 최대 토크가 출력되도록 상위의 부하모드를 선택하고, 경부하의 작업을 하고자 할 때에는 최대 토크를 낮추도록 하위의 부하모드를 선택하는 것이다.
상술한 부하모드는 경부하 모드, 표준 부하모드, 중부하 모드 등으로 표현될 수 있다. 또한, 풀 파워 모드, 파워모드, 표준모드, 경제모드, 아이들 모드 등으로 표현될 수 있다. 즉, 부하모드는 부하의 경중 또는 출력되는 토크의 크기에 따라 다양하게 표현될 수 있다.
도 1의 (c)는 유량제어와 마력제어를 복합하여 적용한 유압펌프의 제어를 나타낸 것이다.
즉, 작업의 형태가 중부하일 때에는 상위의 파워모드(P모드)를 선택하여 작업하고, 작업의 형태가 경부하일 때에는 하위의 표준모드(S모드)를 선택하여 작업하게 된다. 이로써 파워모드에서 표준모드로 변경되었을 때에 최대 토출유량은 감소되는 쪽으로 제한되어 제어되는 것이다.
비교예는 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이. 유량제어와 마력제어를 복합하여 유압펌프를 제어할 때에 펌프 토크와 엔진회전수간의 상관관계를 첨부도면 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
첨부도면 도 2는 비교예에 따른 유압펌프 제어장치의 제어 장치에 의해 구현되는 엔진회전수와 펌프 토크에 대한 시간 추이 그래프이다. 도 3은 비교예에 따른 유압펌프 제어장치의 제어에 의해 구현되는 엔진회전수에 대한 펌프 토크 그래프이다.
도 2에서 A, B는 조이스틱을 급하게 조작하여 요구 값(유량/유압)이 급격하게 요구된 경우이다. 이때, 엔진 회전수(rpm)은 급격하게 순간적으로 급격하게 저하되고, 실제 펌프 토크가 불안정하게 저하는 형태를 보인다.
도 3에서 살펴보면, 엔진 회전수(rpm)은 정격 회전수 1800rpm ~ 1900rpm전후에서 선형의 형태를 띠지만, C부분처럼 불안정하게 튀는 부분이 발생한다. C부분은 도 2의 A, B 부분에 해당한다. 즉, 비교예에서는 조이스틱을 급격하게 조작하는 경우에 최종적으로 출력되는 펌프 토크가 불안정함을 알 수 있고, 이로써 작업기의 제어성이 저하되는 문제점이 있다.
C부분에 대하여 부연 설명하면 다음과 같다.
조이스틱을 급작스럽게 조작하면, 조이스틱 레버에 의해 최대 요구 토크(Max Torque)가 커지고, 엔진 회전수(rpm)가 감소하면 유압펌프의 출력 토크(T)는 감소한다.
최대 요구 토크(Max Torque)의 변화량만 제어하게 되면, 실제 토크 변화량이 이 급격한 부분에서 엔진 회전수(rpm)이 감소하는데, 이는 사용할 수 있는 에너지도 제한하는 성능의 저하를 야기할 수 있다. 즉, 연료는 일반적인 분사량으로 분사되는데 엔진회전수가 저하되면 소모된 연료로 구현할 수 있는 에너지의 총합이 있음에도 손실이 커져 연비가 나빠지는 결과를 초래한다.
다른 한편으로, 엔진 회전수(rpm)를 감시하여 토크의 크기를 제어한도로 갖는 경우는 후행 조치로써, 결과 값을 피드백(peed back)하므로, 갑작스러운 엔진 회전수(rpm) 변화에 대응하기는 어려움이 있다. 또한, 최종적으로 출력되는 유압펌프의 최종 토크가 불안정하여 작업기의 제어성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치에 대해서 설명한다.
첨부도면 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치에서 부하를 단계 별로 상승시킬 때에 엔진 회전수의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치에서 부하 범위 별로 토크 기울기를 설정하는 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치에 의해 구현되는 엔진회전수와 펌프 토크에 대한 시간 추이 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치의 제어에 의해 구현되는 엔진회전수에 대한 펌프 토크 그래프이다.
유압 펌프 제어장치(100)는 요구되는 유량/유압에 대응하여 복수의 제1, 2 유압펌프(P1, P2)에서 토출되는 작동유의 유량과 작동유의 유압을 구현하도록 하는 것이다.
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, 요구신호는 마력제어부(110)와 유량제어부(120)에 제공된다.
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, 2 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, 2 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, 2 펌프지령(Pcmd1, Pcmd2)는 각각 제1, 2 유압펌프(P1, P2)에 제공되고, 제1, 2 유압펌프(P1, P2)는 제1, 2 펌프지령(Pcmd1, Pcmd2)에 따른 작동유의 토출유량과 토출압력을 구현한다.
그러나 엔진이 노후되거나 외부의 요인으로 인하여 엔진의 동특성이 변화될 수 있고, 이러한 경우에는 앞서 비교예의 도 3에서 C부분처럼 불안정한 현상을 보인다.
본 발명에 따른 유압펌프 제어장치(100)는 제1, 2 펌프지령(Pcmd1, Pcmd2)에 토크 제어부(200)를 부가하여 제1, 2 유압펌프(P1, P2)를 안정적으로 제어하도록 한 것이다.
토크 제어부(200)는 토크 계산부(210)와 토크 기울기 맵(220)을 포함하여 구성된다.
토크 계산부(210)는 다음의 수학식1에 의해 계산된다.
수학식 1
Figure PCTKR2014001715-appb-M000001
T: 유압펌프에 의해 구현되는 펌프 토크(Pump Torque)의 크기이다.
P: 유압펌프에서 토출되는 작동유의 압력이다.
Q: 유압펌프에서 단위회전당 토출되는 작동유의 유량이다.
A: 힘의 단위를 마력단위로 환산하기 위한 상수이다.
토크 기울기 맵(220)은 유압부하에 따른 엔진 동적 특성을 확인하여 생성되는 토크 기울기이다. 토크 기울기 맵의 생성은 첨부도면 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 구현 가능한 최대 유압부하를 100%로 할 때에 유압부하 범위를 단계적으로 설정하고, 단계적으로 설정된 유압부하를 건설기계(장비)에 제공하면서 엔진 회전수 변화 추이를 확인한다.
설정된 단계적인 유압부하로 급격하게 작용하였을 때에 엔진회전수(rpm)가 일시적으로 저하된 후에 복원되는데 어느 시점에 복원되는지를 확인한다.
예를 들면, 50% 유압부하를 작용하였을 때에 엔진회전수(rpm)의 드롭 량이 정격 엔진 회전수보다 높으면 다음 단계로 진행한다.
다음 단계에서 75% 유압부하를 작용하였을 때에 엔진회전수(rpm)의 드롭 량(D1)이 정격 엔진회전수보다 낮다면, 토크 기울기를 변화시키면서 엔진회전수(rpm)의 드롭 포인트가 정격 엔진회전수 보다 높은 지점을 찾는다.
또 다음 단계에서 100% 유압부하를 작용하였을 때에 엔진회전수(rpm)의 드롭량(D2)이 현저하게 떨어질 수 있다. 이때에도 토크 기울기를 변화시키면서 엔진회전수(rpm)의 드롭 포인트가 정격 엔진회전수 보다 높게 안정된 지점을 찾는다.
상술한 바와 같이, 유압부하를 단계적으로 높게 작용시키면서 엔진회전수(rpm)의 변화추이를 살피고, 드롭 포인트가 정격 엔진회전수보다 높거나 안정될 때에 유압부하와 엔진회전수 간의 동특성을 일치된 것으로 간주하는 것이다.
상술한 실시예에서는 유압부하를 50%, 70%, 100%의 예로 들었지만, 도 6에 나타낸 바와 같이, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%로 5구간으로 나누어 실시할 수도 있다.
도 6을 참조하여 설명하면, 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 초기의 낮은 부하를 작용하여 엔진회전수가 안정되는 시점(時點)을 찾고, 이때의 기울기를 제1 토크 기울기(R1)로 정의한다.
이후, 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 20% 부하를 작용하여 엔진회전수가 안정되는 시점(時點)을 찾고, 이때의 기울기를 제2 토크 기울기(R2)로 정의한다.
마찬가지로, 도 6의 (c, d, e)에 나타낸 바와 같이, 제3 ~ 제5 토크 기울기(R3 ~ R5)을 단계적으로 찾아 정의 한다.
상술한 바와 같이, 정의 된 제1 ~ 제5 토크 기울기(R1 ~ R5)는 도 6의 (f)에 나타낸 바와 같이, 부하 구간별 대비 토크 기울기 맵(map)을 생성하는 것이다.
상술한 바와 같이 구해지는 토크 기울기 맵(220)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 토크 제어부(200)에 제공된다.
토크 제어부(200)에서는 토크 계산부(210)에서 계산된 토크 값에 토크 기울기 값을 반영하여 최종적으로 제1, 2 유압펌프(P1, P2)를 제어할 제1, 2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)을 생성하여 출력하는 것이다.
즉, 상술한 토크 기울기 맵(220)은 엔진 동특성이 반영된 값이기 때문에, 최종적으로 생성된 제1, 2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)는 엔진 동특성이 반영된 펌프제어 지령값인 것이다.
다른 한편으로, 유압부하의 구간을 세분화하여 나눌수록 엔진동특성을 좀 더 정확하게 찾을 수 있지만, 세분화된 구간이 많을수록 엔진동특성을 찾는 데에 많은 시간이 소요되므로 3 내지 5개의 구간이 바람직하다.
상술한 유압부하의 부하별 구간은 등간격으로 설정할 수 있다. 예를 들면, 5구간으로 설정하는 경우에, 20%씩 동등한 범위로 부하 구간을 설정할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 유압부하의 부하별 구간은 등간격으로 설정할 수 있지만, 부등간격을 설정될 수도 있다. 예를 들면, 유압부하가 낮은 쪽에는 범위를 넓게 설정하고, 유압부하가 높은 쪽은 상대적으로 좁게 설정하여 세분되도록 설정할 수 있다. 좀 더 상세하게는 유압부하를 5구간으로 설정하는 경우에, 제1부하구간은 0 ~ 30%, 제2부하구간은 30% ~ 55%, 제3부하구간은 55% ~ 75%, 제4부하구간은 75% ~ 90%, 제5부하구간은 90 ~ 100%로 설정할 수 있는 것이다.
이에 부연 설명하면, 유압부하가 낮을 때에는 엔진회전수의 드롭(drop)현상이 두드러지지 않을 수 있지만, 유압부가 큰 경우에는 엔진회전수의 드롭 량이 크게 나타날 수 있다. 때문에 유압부하가 큰 구간일수록 세분화되게 설정하여 유압부하와 엔진회전수 간의 동특성의 일치점을 찾는 것이다. 이로써 좀 더 정확하게 엔진동특성을 파악할 수 있게 된다. 즉, 부하별 구간은 큰 부하 구간일수록 부하범위를 좁게 설정하고, 상대적으로 작은 부하 구간일수록 넓게 설정함으로써 부하 반응에 민감한 구간에 가중치를 더 크게 설정할 수 있고, 이로써 엔진 동특성을 좀 더 정확하게 파악할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 제1, 2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)는 엔진 동특성이 반영된 토크 기울기 맵(220)에 의해 최종적으로 생성된 것이고, 상술한 제1, 2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)에 의해 제1, 2 유압펌프(P1, P2)가 제어된다.
첨부도면 도 7 및 도 8은 상술한 제1, 2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)에 의해 구현되는 엔진 회전수(rpm)과 실제 펌프 토크간의 상관관계를 보인 그래프이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 실제 펌프 토크는 요구 값에 의해 시간 흐름에 따라 변화되고, 이에 대응하여 엔진 회전수(rpm)가 변화된다. 제1, 2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)에 의해 제1, 2 유압펌프(P1, P2)가 제어되는 경우에 정격 엔진회전수(rpm)는 1800rpm을 기준으로 할 때에 정격 엔진회전수(rpm)보다 급격하게 엔진회전수가 낮아지는 드롭 현상을 보이지는 않고, 양호한 엔진회전수를 나타냄을 알 수 있다.
한편, 도 8에 나타낸 바와 같이, 엔진회전수(rpm)와 펌프 토크(kgf m)는 비례하여 제어됨을 알 수 있다. 즉, 엔진 회전수(rpm)를 제어함으로써 펌프 토크를 소망하는 크기로 제어할 수 있는 것이다.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 엔진특성이 변화되었을 때에 엔진회전수(rpm)와 펌프 토크(kgf m)의 상관관계 그래프와 비교하여, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1, 2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)에 의해 제1, 2 유압펌프(P1, P2)가 제어될 때에 매우 안정되게 제어됨을 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.

Claims (4)

  1. 요구 값에 상응하는 펌프 토크(Pump Torque)를 구현하도록 제1, 2 펌프 지령(Pcmd1, Pcmd2)을 생성하여 제1, 2 유압펌프(P1, P2)를 제어하는 유압펌프 제어장치(100); 및
    상기 유압펌프 제어장치(100)에서 엔진 동특성이 반영되어 생성된 토크 기울기 맵(map, 220)에 의해 상기 제1, 2 펌프 지령(Pcmd1, Pcmd2)이 보정된 제1, 2 보정펌프 지령(Pcmd11, Pcmd22)을 각각 생성하여 상기 제1, 2 유압펌프(P1, P2)에 상기 제1, 2 보정펌프 지령(Pcmd11, Pcmd22)을 제공하도록 하는 토크 제어부(200);
    를 포함하는 건설기계용 유압펌프 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 토크 기울기 맵(220)은,
    유압부하를 최소에서 최대까지의 범위에서 3 내지 5개의 구간으로 구간을 정하고, 각 구간 별로 유압부하를 발생시켰을 때에 엔진회전수 드롭 현상이 안정화되는 시점(時點)의 각각의 토크 기울기를 구하여 생성된 것을 특징으로 하는 건설기계용 유압펌프 제어 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유압부하별 각 구간의 범위는 서로 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 건설기계용 유압펌프 제어 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 유압부하별 각 구간의 범위는 큰 부하 구간일수록 작은 부하 구간에 비교하여 상대적으로 좁게 설정되는 것을 특징으로 하는 건설기계용 유압펌프 제어 장치.
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