디지털 유량제어 모듈을 이용한 유압실린더의 위치제어
Position Control of Hydraulic Cylinder with Digital Flow Control Module
- 주제(키워드) 도움말 유압실린더 , 위치제어 , 제어
- 발행기관 강릉원주대학교 일반대학원
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2017. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 자동차공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000009321
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
본 논문은 디지털 유량제어 모듈을 이용한 유압실린더의 위치를 부드럽고 높은 정확성을 갖도록 제어하는 방법에 대한 연구이다. 유압시스템에서 사용되는 위치제어의 방법은 여러 가지가 있으며 각각의 요구에 따라 다양한 장치로 구성이 되는데, 부드럽고 높은 정확성을 요구하는 위치제어를 수행함에 있어 많이 쓰이는 방법 중의 하나는 고가의 서보 밸브를 사용한 방법으로 높은 제어성능을 제공하지만, 캐비테이션, 높은 전력 손실, 오염에 따른 감도의 저하, 그리고 높은 가격 등의 단점이 있다. 최근에 들어 서보 밸브를 대신하여 저렴하고 누유가 적으며 오염도에 큰 영향을 미치지 않고 서보 밸브에 비해 신뢰성이 높은 On-Off 밸브를 적용한 유압시스템을 구성하여 유압실린더의 위치제어를 실현하고 있다. On-Off 밸브를 사용한 위치제어 방법은 대표적으로 3가지가 있으며 다음과 같다. 첫째 유압실린더를 구동시키는 ‘Bang-Bang 컨트롤‘ 방법은 목표위치 전까지는 밸브를 개방하고 목표위치 바로 전에 닫는 방법이다. 이 방법의 장점은 제어 알고리즘이 매우 간단하고 밸브의 작업을 최소화 할 수 있다. 그러나 불확실한 정확도, 낮은 최대속도, 압력피크 그리고 캐비테이션 등의 단점이 있다. 둘째 ‘PWM(Pulse Width Modulation) 제어’ 방법은 밸브 개폐위치에 따른 밸브의 연속적인 스위칭과 고속작동이 필요하다. ’Bang-Bang 컨트롤’ 에 비해 압력피크를 줄일 수 있고 제어의 품질이 향상되었으나 높은 주파수의 스위칭은 밸브의 응답시간과 극한의 내구성에 따른 요구조건을 설정해야 한다. 마지막으로 ‘PCM(Pulse Code Modulation) 제어’ 방법은 각각 성능이 다른 밸브를 병렬로 연결하여 요구조건에 적합하게 밸브를 개폐하는 방법이다. 단계적 흐름제어를 사용하므로 밸브의 응답성능이 제어에 영향을 미치지 않으며, 밸브의 다양한 조합으로 인하여 밸브의 동작을 최소화 할 수 있다. 다만 여러 개의 밸브가 필요하므로 밸브 모듈이 커질 수 있다. 현재까지 진행되었던 PCM 제어의 연구들을 조사해보면 유압 서보 밸브를 사용하여 유압실린더의 위치제어에서 얻을 수 있었던 위치추종 성능과 유사한 결과를 얻었다. 다만 밸브들의 다양한 응답 지연에 의해 압력변동과 위치추종 과정이 서보밸브를 이용한 만큼 결과가 좋지 못했다. 그러나 좋은 추종 성능과 유사한 압력준위를 갖는 위치 측면에서 관찰해보면 PCM 제어는 낮은 비용과 일반적인 On-Off 밸브를 사용하여도 위치제어가 가능하였다. 따라서 신뢰성과 비용측면에서 효율적인 ‘PCM 제어’ 방법이다. 본 연구에서는 PCM 제어를 펌프측과 탱크측에 각각의 On-Off 솔레노이드 밸브를 병렬로 설치하여 각각의 밸브로 흐르는 유량의 비율이 2진 계열이 되도록 제어한다. 즉, N개의 병렬접속 된 밸브가 2N-1과 같이 단계적으로 유량제어를 수행하여 0을 제외한 유량비는 15가지의 상이한 조합을 가지게 된다. PCM 제어를 구현하기 위해서 밸브들을 각각 설치하여 배관으로 연결하는 것 보다는 PCM 제어용 디지털 유량제어 모듈(Digital Flow Control Module)를 구성하는 것이 공간적이나 경제적으로 효율적이다. 디지털 유량제어 모듈(Digital Flow Control Module)의 소형화를 구현하기 위하여 압전 소자도 구동되는 카트리지 밸브를 설계하여 장착하였으며, 펌프 측과 탱크 측의 유로가 겹치지 않고 압력강하가 최소가 되게 최단의 경로를 갖도록 밸브를 배치하였다. 설계된 디지털 유량제어 모듈(Digital Flow Control Module)이 유압실린더의 위치제어에 적합한지를 확인하기 위하여 시스템 해석 프로그램(Simulation X)를 통해 성능을 분석하였다. 밸브의 응답지연에 의해 위치제어의 성능이 변화할 수 있으므로 이를 고려한 제어 방법도 제시하였다. 이런 방법을 적용한 결과 위치오차 4mm의 유압실린더의 위치제어를 구현할 수 있었다.
more목차 도움말
Ⅰ. 서론 ······································································································· 1
1.1 연구배경 ···························································································· 2
1.2 연구목적 ···························································································· 3
Ⅱ. 디지털 유량제어 모듈 설계 ······································································· 4
2.1 압전 구동 유량제어 ON-OFF 밸브 설계 ··············································· 4
2.2 Module 설계 ···················································································· 11
Ⅲ. PCM 제어 알고리즘 ················································································ 13
3.1 PCM 제어 ························································································· 13
3.2 비례제어 ··························································································· 15
Ⅳ. 시스템 해석 결과 ··················································································· 15
4.1 디지털 유량제어 모듈 시뮬레이션 모델 ················································ 15
4.2 위치제어 결과 ··················································································· 17
Ⅴ. 결론 ······································································································ 25
참고문헌 ····································································································· 27
