WO2014157988A1 - 건설기계 유압펌프 제어 장치 및 방법 - Google Patents

건설기계 유압펌프 제어 장치 및 방법 Download PDF

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김창묵
정우용
조영식
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Definitions

  • the present invention relates to a construction machine hydraulic pump control apparatus and method, and more particularly to a construction machine hydraulic pump control apparatus and method for controlling the hydraulic pump to reflect the changed 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 the engine to operate the hydraulic pump, and various work machines are operated by hydraulic oil discharged from the hydraulic pump.
  • the hydraulic pump an electronic hydraulic pump capable of electronic control is known.
  • the hydraulic pump has a type that is controlled by pressure control.
  • 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.
  • pressure controlled electrohydraulic pump is abbreviated as "pump”.
  • 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, time constant) consistent with the pump torque control means ( Mapping).
  • the engine degrades as the operating time becomes longer, resulting in a change in engine dynamics. Therefore, even if the pump torque is controlled by applying the load-specific torque inclination map reflecting the dynamic characteristics of the engine, if the engine dynamic characteristics is changed, there is a problem in that the already loaded torque inclination map cannot smoothly control the hydraulic pump.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to grasp the dynamic characteristics of the changed engine when it is determined that the performance of the engine is degraded, and to provide a torque gradient map for each new load range to reflect the changed engine dynamic characteristics. It is an object of the present invention to provide a hydraulic pump control apparatus and method for a construction machine that can control the output torque of the pump.
  • the construction machine hydraulic pump control method for achieving the above technical problem, by applying a load to the hydraulic pump to determine whether the engine dynamic characteristics deviate from the preset allowable range when reaching the pump torque required by the hydraulic pump Checking the engine dynamic characteristics change step (S20); In the engine dynamic characteristic change checking step (S20), if the engine dynamic characteristic exceeds a preset allowable range, a pump load action step of applying a pump load to the hydraulic pump to raise the pump torque to a specified torque at a specified slope (S40).
  • the engine dynamic characteristic tolerance range set in advance in the engine dynamic characteristic change checking step (S20) is characterized in that the engine speed is more than 90rpm and less than 110rpm.
  • the map data generation step (S60) by dividing the hydraulic pump load into a plurality from the minimum to the maximum to define a load section, to obtain the required time to reach each load section from the normal engine speed, Obtain a matching pump load matched to the engine speed at the required time, and define the new torque slope as the increase amount of the matching pump load at each required time, and each of the new torque slopes R11, R21, R31,
  • the new torque gradient map 220a is generated by obtaining R41 and R51.
  • the engine dynamic characteristic change checking step (S20) is characterized in that the torque gradient map is not updated when the degree of change in the engine dynamic characteristic is within an allowable range.
  • the construction machine hydraulic pump control method for selecting an input means to set the torque gradient in the pump load action step (S40); It further includes.
  • the information collected in the information collecting step (S50) is characterized in that it includes an engine speed (rpm), booster pressure (boost pressure), the swash plate angle, the pressure of the hydraulic fluid discharged from the pump.
  • the construction machine hydraulic pump control method by comparing the new torque slope and the existing torque slope newly generated in the map data generation step (S60) for each load section to compare whether the torque gradient difference is within the allowable range Comparing step S70; Further, if the torque inclination difference is out of the allowable range in the comparison step (S70), characterized in that for generating a new torque inclination map 220a with the newly generated torque inclination.
  • the allowable range of the torque inclination difference in the comparison step (S70) is characterized in that the increase and decrease ratio of the new torque inclination to the existing torque inclination is 10% or more.
  • the construction machine hydraulic pump control method for achieving the above technical problem, the request unit 10, the load mode selection unit 20, the engine speed setting unit 30, the engine control device 40: A horsepower controller 110 for controlling horsepower of the hydraulic pump by receiving information from the ECU) and a flow controller 120 for controlling the flow rate;
  • the total information of the required torque is calculated by processing the information collected by the horsepower control unit 110, and the flow rate control unit 120 receives the swash plate angle information of the first and second hydraulic pumps P1 and P2 and discharges the current. It grasps how much flow volume is used, calculates how much torque is needed from the request unit 10, and calculates how much torque is needed in the future, and calculates the said torque to the 1st hydraulic pump P1.
  • Torque distribution control unit 130 for distributing to the second hydraulic pump (P2); Received as a pressure command (Pi) of how much pressure is required from the flow control unit 120 in the future, the torque distribution control unit 130 from the total torque received from the horsepower control unit 110 from the flow control unit ( According to the torque magnitude ratio provided from 120, the torque command Pd to be in charge of the first hydraulic pump P1 and the second hydraulic pump P2 is provided, respectively, and the maximum pump pressure value Pmax and the pressure command Pi are provided. The smallest value among the value and the distributed torque command (Pd) value is selected and output as the pump command value.
  • the pump command value is the first pump command (Pcmd1) and the second hydraulic pump for controlling the first hydraulic pump (P1).
  • a pump control unit 140 for dividing and outputting the second pump command Pcmd2 for controlling P2; And a swash plate angle of the first pump command Pcmd1, the second pump command Pcmd2, and the first and second hydraulic pumps P1 and P2 provided from the pump control unit 140, and a new torque slope map newly installed.
  • a torque calculator 210 that calculates a torque value based on 220a, and controls the first and second hydraulic pumps P1 and P2 by reflecting the torque slope values of the new torque slope map 220a.
  • a torque control unit 200 generating and outputting first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22; It includes.
  • the hydraulic pump control apparatus and method for a construction machine according to the present invention made as described above is a load reflecting the dynamic characteristics of the engine when the engine is deteriorated or changed in the hydraulic system equipped with the pressure-controlled electrohydraulic pump, thereby preventing normal output.
  • the hydraulic pump control apparatus and method for a construction machine according to the present invention can improve the degree of pump load variation, and further improve the control performance of the work machine.
  • 1 is a view for explaining when the engine dynamic characteristics in the construction machinery hydraulic pump control device is normal.
  • FIG. 2 is a view showing a correlation between the required load and the engine speed when the engine dynamics in the construction machine hydraulic pump control device is normal.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of obtaining a torque gradient for each load section when an engine dynamic characteristic of a construction machine hydraulic pump control device is normal.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example in which a torque slope map for each load range is created based on the torque slope of FIG. 3.
  • 5 is a view for explaining when the engine dynamic characteristics change in the construction machine hydraulic pump control device.
  • FIG. 6 is a view for explaining a construction machine hydraulic pump control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining an example of reflecting a new torque gradient map in a state in which engine dynamic characteristics are changed in a construction machine hydraulic pump control apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing a correlation between the required load and the engine speed when the engine dynamic characteristics of the construction machine hydraulic pump control device is in a reduced state.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of obtaining a torque gradient for each load section when an engine dynamic characteristic of the construction machine hydraulic pump control device is deteriorated.
  • 10 and 11 illustrate examples in which a new torque slope map for each load range is created based on the new torque slope of FIG. 9.
  • 12 is a view for explaining the correlation between the load and the engine speed after the new torque gradient is applied in the construction machine hydraulic pump control device.
  • 1 is a view for explaining when the engine dynamic characteristics in the construction machine hydraulic pump control device is normal.
  • the rated engine speed is set to 1800 rpm as an example.
  • FIG. 2 is a view showing the correlation between the required load and the engine speed when the engine dynamics of the construction machine hydraulic pump control device is normal.
  • 3 is a diagram illustrating an example of obtaining a torque gradient for each load section when an engine dynamic characteristic of a construction machine hydraulic pump control device is normal.
  • 4 is a diagram illustrating an example in which a torque slope map for each load range is created based on the torque slope of FIG. 3.
  • Torque gradient can be understood as an increase in engine speed over time. Torque gradients can be set differently for each load section, and a collection of such torque gradients is called a torque gradient map.
  • the torque slope map is a load slope in which no load is applied or divided from a normal level to a maximum value into sections, and a torque slope in which the engine speed is increased in each section.
  • the present invention an example of dividing the load section into five sections is described, but the present invention is not limited thereto. As the load section is subdivided, the number of torque gradients increases, thereby enabling more precise control.
  • the first torque slope R1 is the slope of the first time t1 taken from the time when the torque is required until the pump load reaches 20%.
  • the second torque slope R2 is the slope of the second time t2 taken until the pump load reaches 20% to 40%.
  • the third to fifth torque slopes R3 to R5 are slopes of the third to fifth times t3 to t5 spent in each load section.
  • FIG. 4 is a map of torque inclination for each pump load obtained in FIG. 3. As shown in FIG. 4, each torque gradient has a respective pump load. Thus, when the pump is controlled in the hydraulic system, a pump control command reflecting the torque slope map is generated, and the pump is controlled by the pump control command.
  • the engine gives a command similar to the torque limit as shown in FIG. 1, so that the engine speed (rpm) is significantly lower than the rated engine speed at any particular point even if the actual pump power is the same or similar. It can be seen that the rotation speed decrease phenomenon occurs. Assuming 1800 rpm as an example of the rated engine speed, the engine speed decreases to near 1550 rpm when the required torque is reached. As such, if the engine speed becomes too low, more fuel is consumed to achieve the required torque.
  • the hydraulic pump of the construction machinery hydraulic system should be controlled to reflect the changed engine dynamics.
  • FIG. 6 is a view for explaining a construction machine hydraulic pump control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the hydraulic pump control device 100 is to implement the hydraulic pressure of the hydraulic oil and the flow rate of the hydraulic oil discharged from the plurality of first and second hydraulic pumps (P1, P2) corresponding to the required pump torque.
  • the pump torque is obtained by multiplying the flow rate discharged per unit revolution with the pressure formed in the flow rate.
  • 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.
  • a request signal for the required value flow rate / pressure
  • the demand signal can be understood as the amount of torque to be implemented in the pump torque.
  • 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 is provided with the swash plate angle information of the first and second hydraulic pumps (P1, P2) to determine how much flow rate is currently discharged, how much flow rate from the request unit 10 Calculate how much torque is needed in the future, by subtracting and subtracting the required amount.
  • 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.
  • the engine's dynamic characteristics can change due to age or external factors.
  • the hydraulic pump control apparatus 100 adds a torque control unit 200 to the first and second pump commands Pcmd1 and Pcmd2 to stably control the first and second hydraulic pumps P1 and P2. It is.
  • the torque controller 200 includes a torque calculator 210 and a new and conventional torque gradient maps 220 and 220a.
  • the torque calculation unit 210 is calculated by the following equation (1).
  • T The size of the pump torque implemented by the hydraulic pump.
  • the conventional torque gradient maps 220 and 220a are provided to reflect the engine dynamic characteristics according to the hydraulic load.
  • 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 correction pump commands for controlling the first and second hydraulic pumps P1 and P2 ( Pcmd11, Pcmd22) is generated and output.
  • the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22 generated finally are pump control command values in which engine dynamic characteristics are reflected.
  • FIG. 7 is a view for explaining an example of reflecting a new torque gradient map in a state in which engine dynamic characteristics are changed in a construction machine hydraulic pump control apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 8 is a view showing a correlation between the required load and the engine speed when the engine dynamic characteristics of the construction machine hydraulic pump control device is in a reduced state.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of obtaining a torque gradient for each load section when an engine dynamic characteristic of the construction machine hydraulic pump control device is deteriorated.
  • 10 and 11 illustrate examples in which a new torque slope map for each load range is created based on the new torque slope of FIG. 9.
  • the torque gradient map mounted before the correction is referred to as the conventional torque gradient map 220
  • the newly generated torque gradient map is referred to as the new torque gradient map 220a.
  • Load action step (S10) This step is to perform a general operation to load the pump.
  • Engine dynamic characteristic change checking step (S20) It is a step which confirms with engine dynamic characteristic change, when a big change appears to be out of a setting allowable range.
  • the hydraulic pump discharges the flow rate according to the joystick command, and the operating speed of the actuator is adjusted by allocating the flow rate discharged by the main control valve (MCV) to each actuator.
  • MCV main control valve
  • the engine provides power for the hydraulic pump to generate hydraulic energy. Matching between a hydraulic pump that requires power and an engine that provides power is an important factor in the controllability and fuel economy of construction machinery. Since the maximum torque reaching time of the engine is longer than that of the required pump torque, the engine speed decrease occurs due to the lack of power dynamics of the engine when sudden load is applied.
  • the engine of the construction machine is provided with a rated engine speed (RPM) for each load mode (power mode).
  • the rated engine speed may be classified according to the light weight, and may be provided as an overload mode 1800Rpm, a heavy load mode 1665Rpm, a standard load mode 1560Rpm, and a light load mode 1460Rpm. Whichever load mode is selected, fuel efficiency will be lower if the actual engine speed is lower than the rated engine speed of the load mode.
  • the embodiment according to the present invention sets the engine dynamic characteristics when the actual engine speed is lowered by a width larger than the allowable range than the rated engine speed.
  • the allowable range may be 90 rpm ⁇ 110 rpm. That is, when the actual engine speed is 90rpm lower than the rated engine speed it can be seen more clearly that the engine dynamic characteristics change. In contrast, changes within 90 rpm can be neglected to a minor level. In addition, the fuel efficiency may be drastically deteriorated when the actual engine speed is 110 rpm lower than the rated engine speed.
  • Pump load action step (S40) It is a step of raising the pump torque to the specified slope up to the specified torque.
  • a joystick can be manipulated to generate a command and, in effect, a load acting on the pump while the work tool is running.
  • the pump load can be performed by performing boom raising and swinging operations.
  • the pump torque value can be obtained by knowing the pump volume and the pressure of the hydraulic oil, and the engine dynamic characteristics can be known by examining the trend of the engine speed at the point of time when the pump torque is obtained.
  • Map data generation step S60 A step of obtaining a torque slope based on the information collected in the above-described information collecting step s50, and generating a torque slope map by the torque slope.
  • the abnormal engine speed diagram shows a low engine speed in an unspecified load section compared to the normal engine speed diagram.
  • the engine speed may be high if the engine speed is normal.
  • the pump load is relatively matched even at the same first time point t1.
  • the pump load at which the abnormal engine speed diagram and the first to fifth time points t1 to t5 respectively match is referred to as a matching pump load.
  • the torque gradient maps having the first to fifth torque gradients R1 to R5 are formed.
  • new 11, 21, 31, 41, and 51 new torque gradients R11, R21, R31, R41, and R51 are generated.
  • the new torque gradient map 220a using the newly obtained eleventh, 21, 31, 41, and 51 torque slopes R11, R21, 31, 41, and 51, as shown in FIG. Create If the difference in each torque gradient is so small as not to deviate from the allowable range, it ends.
  • the allowable range is compared to the values of the first, second, third, fourth and fifth torque slopes R1, R2, R3, R4 and R5 to be compared to the eleventh, 21, 31, 41 and 51 new torque slopes R11, R21, 31, 41, 51) may mean more than 10%.
  • Update step S80 As shown in Fig. 6, the conventional torque gradient map 220 is updated with the newly generated new torque gradient map 220a (see 230). Thereafter, the new torque slope 220a is stored 240 as a profile.
  • the pump is controlled by the new torque inclination map 220a that is corrected and newly mounted. That is, the torque control unit 200 calculates a torque value based on the new torque gradient map 220a newly mounted in the torque calculation unit 210. In particular, by reflecting the torque inclination value of the new torque inclination map 220a, the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22 to finally control the first and second hydraulic pumps P1 and P2 are generated and output. It is.
  • the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22 described above are finally generated by the new torque gradient map 220a reflecting the changed engine dynamics.
  • the first and second hydraulic pumps P1 and P2 are controlled by the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22 described above.
  • 12 is a view for explaining the correlation between the load and the engine speed after the new torque gradient is applied in the construction machine hydraulic pump control device.
  • the first and second hydraulic pumps P1 and P2 are controlled by the first and second correction pump commands Pcmd11 and Pcmd22.
  • the torque is variable according to the load applied to the pump, in practice when operating the construction machine, because it is a mixed form of heavy load and light load work is represented in the form having a band (band).
  • the range of torque may be the range of the first torque range plot and the second torque range plot, as shown in FIG. 12.
  • the hydraulic pump control apparatus for construction machinery does not exhibit a sharp drop in the drop, but exhibits 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 and method for a construction machine according to the present invention can be used to control the hydraulic pump by reflecting the dynamic characteristics of the engine.

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Abstract

본 발명은 건설기계 유압펌프 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상기 건설기계 유압펌프 제어 방법은, 유압펌프에 부하를 가하여 상기 유압펌프가 요구하는 펌프 토크에 도달할 때에 엔진 동특성이 미리 설정한 허용범위를 벗어나는지를 확인하는 엔진 동특성 변화 확인단계(S20), 상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)에서 엔진 동특성이 미리 설정한 허용범위를 초과하는 경우 상기 펌프 토크를 지정한 기울기로 지정한 토크까지 상승시키도록 상기 유압펌프에 펌프부하를 가하는 펌프부하 작용단계(S40), 상기 펌프 부하 작용단계(S40)에서 엔진회전수 정보와, 펌프의 사판각도 정보와, 토출 작동유의 압력 정보를 포함하여 상기 펌프 부하가 작용할 때에 발생되는 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 기존의 토크 기울기 맵(220)을 상기 맵 데이터 생성 단계(S60)에서 생성된 신규 토크 기울기 맵(220a)으로 갱신하는 갱신 단계(S80)를 포함하고, 상기 갱신 단계(S80)에서 갱신된 신규 토크 기울기 맵(220a)에 의해 상기 유압펌프가 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

건설기계 유압펌프 제어 장치 및 방법
본 발명은 건설기계 유압펌프 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변경된 엔진의 동특성을 반영하여 유압펌프를 제어할 수 있도록 하는 건설기계 유압펌프 제어 장치 및 방법에 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.
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 장치 및 방법을 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 방법은, 유압펌프에 부하를 가하여 상기 유압펌프가 요구하는 펌프 토크에 도달할 때에 엔진 동특성이 미리 설정한 허용범위를 벗어나는지를 확인하는 엔진 동특성 변화 확인단계(S20); 상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)에서 엔진 동특성이 미리 설정한 허용범위를 초과하는 경우 상기 펌프 토크를 지정한 기울기로 지정한 토크까지 상승시키도록 상기 유압펌프에 펌프부하를 가하는 펌프부하 작용단계(S40); 상기 펌프 부하 작용단계(S40)에서 엔진회전수 정보와, 펌프의 사판각도 정보와, 토출 작동유의 압력 정보를 포함하여 상기 펌프 부하가 작용할 때에 발생되는 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 기존의 토크 기울기 맵(220)을 상기 맵 데이터 생성 단계(S60)에서 생성된 신규 토크 기울기 맵(220a)으로 갱신하는 갱신 단계(S80); 를 포함하고, 상기 갱신 단계(S80)에서 갱신된 신규 토크 기울기 맵(220a)에 의해 상기 유압펌프가 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)에서 미리 설정한 엔진 동특성 허용범위는 엔진회전수 90rpm 이상이고 110rpm 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 맵 데이터 생성 단계(S60)는, 상기 유압펌프 부하를 최소에서 최대까지의 복수로 나누어 부하 구간을 정의하고, 정상 엔진회전수에서 상기 각 부하 구간까지 도달되는 소요시간을 구하고, 상기 각 소요시간에 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 한다.
또한, 상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)는, 엔진 동특성의 변화 정도가 허용범위 이내인 경우에는 토크 기울기 맵의 갱신을 수행하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 건설기계 유압펌프 제어 방법은, 상기 펌프부하 작용단계(S40)에서 토크 기울기를 설정하기 위하여 입력수단을 선택하는 입력수단 선택 단계(S30); 를 더 포함한다.
또한, 상기 정보 수집 단계(S50)에서 수집하는 정보는 엔진회전수(rpm), 부스터 압력(boost pressure), 펌프의 사판 각도, 펌프에서 토출되는 작동유의 압력을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 건설기계 유압펌프 제어 방법은, 상기 상기 맵 데이터 생성 단계(S60)에서 새로이 생성된 신규 토크 기울기와 기존의 토크 기울기를 각 부하 구간별로 비교하여 토크 기울기 차이가 허용범위 내에 있는지 여부를 비교하는 비교 단계(S70); 를 더 포함하고, 상기 비교 단계(S70)에서 토크 기울기 차이가 허용범위를 벗어나면 상기 새로이 생성된 토크 기울기로 신규 토크 기울기 맵(220a)을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비교 단계(S70)에서 상기 토크 기울기 차이의 허용범위는 기존의 토크 기울기에 대한 신규 토크 기울기의 증감 비율이 10%이상인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 건설기계 유압펌프 제어 방법은, 요구 유닛(10), 부하모드 선택 유닛(20), 엔진회전수 설정부(30), 엔진제어장치(40: ECU)로부터 정보를 제공받아 유압펌프의 마력을 제어는 마력제어부(110)와 유량을 제어하는 유량제어부(120); 상기 마력 제어부(110)에서 수집된 정보를 가공하여 요구되는 토크의 총합을 계산하고, 상기 유량제어부(120)에서 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 계산하고, 상기 계산된 토크를 제1 유압펌프(P1)와 제2 유압펌프(P2)로 분배하는 토크 분배 제어부(130); 상기 유량제어부(120)로부터 앞으로 어느 정도 크기의 압력이 필요한지를 압력 지령(Pi)으로 제공 받고, 상기 토크 분배 제어부(130)로부터는 상기 마력 제어부(110)로부터 제공받은 토크 총합에서 상기 유량제어부(120)로부터 제공받은 토크 크기 비율에 따라 제1 유압펌프(P1)와 제2 유압펌프(P2)가 각각 담당할 토크 지령(Pd)을 제공받아 최대 펌프 압력 값(Pmax)과 압력지령(Pi)값과 분배된 토크 지령(Pd)값 중에 가장 작은 값이 선택되어 펌프 지령 값으로 출력되며, 펌프 지령 값은 제1 유압펌프(P1)를 제어하는 제1펌프 지령(Pcmd1)과 제2 유압펌프(P2)를 제어하는 제2펌프지령(Pcmd2)으로 구분하여 출력하는 펌프 제어부(140); 및 상기 펌프 제어부(140)로부터 제공되는 제1펌프 지령(Pcmd1)과 제2펌프지령(Pcmd2) 및 상기 제1,2유압펌프(P1,P2)의 사판각도와 새롭게 탑재된 신규 토크 기울기 맵(220a)을 근거로 토크 값을 계산하는 토크 계산부(210)를 포함하고, 상기 신규 토크 기울기 맵(220a)의 토크 기울기 값을 반영하여 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)를 제어하는 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)을 생성하여 출력하는 토크 제어부(200); 를 포함한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 건설기계용 유압펌프 제어 장치 및 방법은, 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 장치 및 방법은, 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.
수학식 1
Figure PCTKR2014002665-appb-M000001
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 토크 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 경부하작업이 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 장치 및 방법은 엔진의 동적특성을 반영하여 유압펌프를 제어하는 데에 이용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 유압펌프에 부하를 가하여 상기 유압펌프가 요구하는 펌프 토크에 도달할 때에 엔진 동특성이 미리 설정한 허용범위를 벗어나는지를 확인하는 엔진 동특성 변화 확인단계(S20);
    상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)에서 엔진 동특성이 미리 설정한 허용범위를 초과하는 경우 상기 펌프 토크를 지정한 기울기로 지정한 토크까지 상승시키도록 상기 유압펌프에 펌프부하를 가하는 펌프부하 작용단계(S40);
    상기 펌프 부하 작용단계(S40)에서 엔진회전수 정보와, 펌프의 사판각도 정보와, 토출 작동유의 압력 정보를 포함하여 상기 펌프 부하가 작용할 때에 발생되는 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
    기존의 토크 기울기 맵(220)을 상기 맵 데이터 생성 단계(S60)에서 생성된 신규 토크 기울기 맵(220a)으로 갱신하는 갱신 단계(S80); 를 포함하고,
    상기 갱신 단계(S80)에서 갱신된 신규 토크 기울기 맵(220a)에 의해 상기 유압펌프가 제어되는 것을 특징으로 하는 건설기계 유압펌프 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)에서 미리 설정한 엔진 동특성 허용범위는 엔진회전수 90rpm 이상이고 110rpm 이하인 것을 특징으로 하는 건설기계 유압펌프 제어 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 맵 데이터 생성 단계(S60)는,
    상기 유압펌프 부하를 최소에서 최대까지의 복수로 나누어 부하 구간을 정의하고, 정상 엔진회전수에서 상기 각 부하 구간까지 도달되는 소요시간을 구하고, 상기 각 소요시간에 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 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엔진 동특성 변화 확인단계(S20)는,
    엔진 동특성의 변화 정도가 허용범위 이내인 경우에는 토크 기울기 맵의 갱신을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 건설기계 유압펌프 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펌프부하 작용단계(S40)에서 토크 기울기를 설정하기 위하여 입력수단을 선택하는 입력수단 선택 단계(S30); 를 더 포함하는 건설기계 유압펌프 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정보 수집 단계(S50)에서 수집하는 정보는 엔진회전수(rpm), 부스터 압력(boost pressure), 펌프의 사판 각도, 펌프에서 토출되는 작동유의 압력을 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계 유압펌프 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상기 맵 데이터 생성 단계(S60)에서 새로이 생성된 신규 토크 기울기와 기존의 토크 기울기를 각 부하 구간별로 비교하여 토크 기울기 차이가 허용범위 내에 있는지 여부를 비교하는 비교 단계(S70); 를 더 포함하고,
    상기 비교 단계(S70)에서 토크 기울기 차이가 허용범위를 벗어나면 상기 새로이 생성된 토크 기울기로 신규 토크 기울기 맵(220a)을 생성하는 것을 특징으로 하는 건설기계 유압펌프 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비교 단계(S70)에서 상기 토크 기울기 차이의 허용범위는 기존의 토크 기울기에 대한 신규 토크 기울기의 증감 비율이 10%이상인 것을 특징으로 하는 건설기계 유압펌프 제어 방법.
  9. 요구 유닛(10), 부하모드 선택 유닛(20), 엔진회전수 설정부(30), 엔진제어장치(40: ECU)로부터 정보를 제공받아 유압펌프의 마력을 제어는 마력제어부(110)와 유량을 제어하는 유량제어부(120);
    상기 마력 제어부(110)에서 수집된 정보를 가공하여 요구되는 토크의 총합을 계산하고, 상기 유량제어부(120)에서 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 계산하고, 상기 계산된 토크를 제1 유압펌프(P1)와 제2 유압펌프(P2)로 분배하는 토크 분배 제어부(130);
    상기 유량제어부(120)로부터 앞으로 어느 정도 크기의 압력이 필요한지를 압력 지령(Pi)으로 제공 받고, 상기 토크 분배 제어부(130)로부터는 상기 마력 제어부(110)로부터 제공받은 토크 총합에서 상기 유량제어부(120)로부터 제공받은 토크 크기 비율에 따라 제1 유압펌프(P1)와 제2 유압펌프(P2)가 각각 담당할 토크 지령(Pd)을 제공받아 최대 펌프 압력 값(Pmax)과 압력지령(Pi)값과 분배된 토크 지령(Pd)값 중에 가장 작은 값이 선택되어 펌프 지령 값으로 출력되며, 펌프 지령 값은 제1 유압펌프(P1)를 제어하는 제1펌프 지령(Pcmd1)과 제2 유압펌프(P2)를 제어하는 제2펌프지령(Pcmd2)으로 구분하여 출력하는 펌프 제어부(140); 및
    상기 펌프 제어부(140)로부터 제공되는 제1펌프 지령(Pcmd1)과 제2펌프지령(Pcmd2) 및 상기 제1,2유압펌프(P1,P2)의 사판각도와 새롭게 탑재된 신규 토크 기울기 맵(220a)을 근거로 토크 값을 계산하는 토크 계산부(210)를 포함하고, 상기 신규 토크 기울기 맵(220a)의 토크 기울기 값을 반영하여 제1, 제2 유압펌프(P1, P2)를 제어하는 제1, 제2 보정펌프지령(Pcmd11, Pcmd22)을 생성하여 출력하는 토크 제어부(200); 를 포함하는 건설기계 유압펌프 제어 장치.
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