[논문]유압 굴삭기 붐의 급정지 시 발생하는 진동 억제에 관한 연구

유봉수; 구성완; 조중선

문제 정의

전자는 실제 굴삭기에 적용하기 매우 어려우며 에너지 효율 또한 좋지 않는 반면 후자는 구현이 용이하며 에너지 효율 측면에서도 우수하다. 따라서 본 논문에서는 운동 에너지에서 변환되어 축적된 실린더의 포텐셜 에너지를 제거함으로써 다시 운동 에너지로 변환되는 것을 최소화하는 방안에 초점을 두어 진동 억제 제어 전략을 구상하였다.4 Fig.
본 논문에서는 굴삭기 붐의 급정지 시 발생하는 붐과 차체의 진동을 최소화하기 위한 제어 알고리즘을 제안하였다. 비선형성, 불확실성이 강한 유압 시스템을 대상으로 수학적인 측면에서 제어이론에 접근하기보다는 실험을 이용한 굴삭기의 동적 거동 특성의 분석을 통해 제어 알고리즘을 제안하였고, 이에 필요한 제어 파라미터를 찾는데 주력하였다.
본 논문에서는 붐의 급정지 시에 발생하는 진동 억제에 필요한 제어 파라미터를 찾아내어 그 의미와 기능을 분석하고, 진동을 최소화하기 위한 제어 알고리즘과 적절한 제어 파라미터를 실차 실험을 통해 결정하는 방법을 제안하였다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
본 논문에서는 포텐셜 에너지의 축적을 막기 위해 밀폐된 실린더 챔버에 일시적으로 유로를 제공해 주는 제어 알고리즘을 제안한다. 이 경우 유로를 제공해주는 제어 신호의 On 인가 시점과 Off 인가 시점 그리고 제어 신호의 크기가 중요 파라미터로 작용한다.
On, Off, 개구면적 3 가지이다. 본 절에서는 붐 상승 도중 급정지 시 이 3가지 제어 파라미터의 영향을 분석하고자 하며, 붐의 하강 도중 급정지 시에도 동일하게 분석이 가능하다.

제안 방법

굴삭기의 급정지 시 발생하는 진동의 원인을 분석하기 위하여 Fig. 3과 같이 변위 센서를 부착하여 실린더 진동변위(Cyl_st), 상부체의 진동변위 (CWT_st), 하부체의 진동변위(Step_st)를 측정하였고, 붐 실린더의 각 챔버 내부압력과 MCV 에 공급되는 RCV 레버 제어 신호 압력을 측정하였다.
W 과 같다. 먼저 RCV 레버 압력(Ppwt)을 측정하여 정지모드 여부를 판단한다. 여기서 Ppilot 은 붐의 상승, 하강 시의 RCV 레버 압력 Ppilot_Up+ Ppilot_Down 을 나타낸다.
본 논문에서 제안한 제어 알고리즘에서 포텐셜 에너지를 제거하기 위한 제어 파라미터는 제어 신호 On, Off, 개구면적 3 가지이다. 본 절에서는 붐 상승 도중 급정지 시 이 3가지 제어 파라미터의 영향을 분석하고자 하며, 붐의 하강 도중 급정지 시에도 동일하게 분석이 가능하다.
본 논문에서는 제안된 제어 알고리즘의 적용에 필요한 붐의 상승, 하강, 정지 명령을 검출하기 위하여 Fig. 8 과 같이 RCV 레버와 MCV 의 입력, 붐 실린더의 대형, 소형 챔버에 압력 센서를 부착하였으며 PPRV(proportional pressure reducing val.,e)를 추가로 연결하여 MCV 조작을 통해 실린더에 공급되는 유량이 조절되도록 하였다.3, 5 RCV 레버와 PPRV 를 셔틀 밸브(shuttle val.
작업환경이 동일하다고 가정할 때 붐의 급정지시 발생하는 진동은 크게 굴삭기 작업장치의 자세와 버켓에 실리는 부하, 그리고 붐 실린더의 구동속도에 의해 결정된다. 본 논문에서의 실험은 굴삭기의 자세, 동작(붐 상승, 붐 하강), 부하 상태(부하, 무부하)의 3가지 조건으로 구분한 각 조건에 대하여 붐의 진동 특성을 측정한다.
제안하였다. 비선형성, 불확실성이 강한 유압 시스템을 대상으로 수학적인 측면에서 제어이론에 접근하기보다는 실험을 이용한 굴삭기의 동적 거동 특성의 분석을 통해 제어 알고리즘을 제안하였고, 이에 필요한 제어 파라미터를 찾는데 주력하였다. 굴삭기와 같은 중장비의 경우 진동억제를 위해 에너지를 공급하기 보다는 죽적된 에너지를 다른 형태로 소모시켜 진동으로 변환되는 에너지 양을 줄이는 방법이 유용할 수 있다.
공급/회수되는 압유는 차단된다. 소형 챔버에유로를 제공하기 위해서 상승 PPRV(PPRVup)와 상승 셔틀밸브(SVup)를 추가하였다. 붐 상승 운동 중 RCV 레버의 정지 조작 시에는 상승 파일롯 소스 (Pup)는 출력되지 않고, 소형 챔버의 포텐셜 에너지를 제거하기 위한 제어 신호(PPRV control signal) 에의해 상승 PPRV 압력(PPRVup)만 출력되므로, 상승 셔틀밸브를 통하여 두출력중 높은 압력인 PPRVup 만 MCV 에 전달되게 된다.
제안된 제어 알고리즘에서는 급정지 후 운동 에너지가 포텐셜 에너지로 전환되는 동안 포텐셜 에너지를 꾸준히 감소시키는 방법으로 진동에너지를 제거하여 진동을 억제하는 방법을 제시하였다. 알고리즘의 성능을 결정하는 제어 파라미터인 제어 신호 On/Off, 개구 면적은 Volvo EC₃₃0 모델에 실제 적용하여 FullReach, Arm90, Armin 3 가지의 자세, 부흐}/무부하의 조건에서 실험을 통해 결정하였다. 실린더에 축적되는 포텐셜 에너지를 꾸준히 감소시키므로 차체에 전달되는 진동 성분이 작아 충분한 제어 성능을 유도할 수 있었으며 수 차례에 거친 제어 파라미터 튜닝을 통해 최종적으로 결정된 값을 적용하여 검증한 결과 모든 실험 조건에서 실린더 진동 폭과 차체 진동 모두 우수한 진동 개선 효과를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 제어 신호 On 인가 시점을 적절하게 선택함으로써 차체에 전달되는 진동과 붐의 정지 위치 이탈을 최소화해야 한다. 이를 위하여 본 논문에서 제안된 알고리즘에서는 RCV 레버 압력이 감소하는 지점을 정지 시점으로 설정하여 압력이 높아지기 전에 제어 신호를 On 하여 압력차가 더 이상 증가하지 않도록 제어기를 설계하였다.
굴삭기와 같은 중장비의 경우 진동억제를 위해 에너지를 공급하기 보다는 죽적된 에너지를 다른 형태로 소모시켜 진동으로 변환되는 에너지 양을 줄이는 방법이 유용할 수 있다. 제안된 제어 알고리즘에서는 급정지 후 운동 에너지가 포텐셜 에너지로 전환되는 동안 포텐셜 에너지를 꾸준히 감소시키는 방법으로 진동에너지를 제거하여 진동을 억제하는 방법을 제시하였다. 알고리즘의 성능을 결정하는 제어 파라미터인 제어 신호 On/Off, 개구 면적은 Volvo EC₃₃0 모델에 실제 적용하여 FullReach, Arm90, Armin 3 가지의 자세, 부흐}/무부하의 조건에서 실험을 통해 결정하였다.
이동속도는 급정지 시 처음 압축되는 실린더 챔버의 최대 압력을 이용하여 단계를 나누었다. 제어 파라미터는 제어 신호 On 과 0ff 인가 시 점, MCV 의 개구면적을 조절하기 위한 제어신호의 크기로 구성되며 각 파라미터를 바꾸며 굴삭기의 진동을 시험하였다.
최종적으로 결정된 제어 파라미터를 적용하여 완성된 제어 알고리즘의 성능을 실차 실험을 통하여 검증하였다. 실험 결과 실린더 진동 폭과 차체 진동 모두 상당히 개선되었다.

대상 데이터

실험에 사용된 자세는 FullReach, Arm90, Armin 으로써 Fig. 9 와 같고, 버켓에 실리는 부하는 무부하와 2.5ton 의 부하로 구분하였다. 이동속도는 급정지 시 처음 압축되는 실린더 챔버의 최대 압력을 이용하여 단계를 나누었다.

성능/효과

그래프를 보면 제어 신호의 출력 값이 자세와 부하 변화보다는 구동속도에 따른 영향을 크게 받는 것을 알 수 있다. 또한 동일한 RCV 레버 입력에서 거의 유사한 제어 출력으로 높은 제어 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
5 는 붐 하강 운동 중 급정지 시의 실험 결과이다. 붐 상승 운동과는 반대로 정지 시 관성에 의해 붐이 하강 운동을 하므로 대형 챔버의 압력이 상숭하는 것을 확인할 수 있다.
실험 결과 실린더 진동 폭과 차체 진동 모두 상당히 개선되었다. 시스템이 상당히 둔감한 면이 있어 약간의 조건 변화에는 크게 영향을 받지 않았으며, 부하, 무부하 조건에서 동일한 제어 출력을 인가하였을 때에도 모두 상당히 높은 제어 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. Table 1은 최종적으로 설정된 제어 파라미터와 Arm90, 2.
알고리즘의 성능을 결정하는 제어 파라미터인 제어 신호 On/Off, 개구 면적은 Volvo EC₃₃0 모델에 실제 적용하여 FullReach, Arm90, Armin 3 가지의 자세, 부흐}/무부하의 조건에서 실험을 통해 결정하였다. 실린더에 축적되는 포텐셜 에너지를 꾸준히 감소시키므로 차체에 전달되는 진동 성분이 작아 충분한 제어 성능을 유도할 수 있었으며 수 차례에 거친 제어 파라미터 튜닝을 통해 최종적으로 결정된 값을 적용하여 검증한 결과 모든 실험 조건에서 실린더 진동 폭과 차체 진동 모두 우수한 진동 개선 효과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 제어 알고리즘의 특성상 최종 정지지점의 이동이 발생하게 되며 이 현상은 붐의 속도가 증가할수록 큰 변위가 발생하였으나, 수용 가능한 범위였다.
검증하였다. 실험 결과 실린더 진동 폭과 차체 진동 모두 상당히 개선되었다. 시스템이 상당히 둔감한 면이 있어 약간의 조건 변화에는 크게 영향을 받지 않았으며, 부하, 무부하 조건에서 동일한 제어 출력을 인가하였을 때에도 모두 상당히 높은 제어 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

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