KR101646014B1 - 디지털 유압 시스템 - Google Patents

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KR101646014B1
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한누-페카 비타넨
마티 린자마
아르토 라마넨
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노하이드로 오와이
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Abstract

상기 부하에 유효한 힘의 합 (Fcyl)을 생성할 수 있는, 적어도 하나의 액추에이터 (23) 또는 액추에이터 유니트; 변위 원리에 의해 작동하고 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트에 위치되는 적어도 하나의 작동 챔버들 (19, 20, 21, 22); 유압력의 소스인, 고압력의 적어도 하나의 충전 회로 (HPi, HPia); 유압력의 소스인, 저압력의 적어도 하나의 충전 회로 (LPi, LPia); 상기 고압력의 충전 회로들(HPi, HPia) 중 적어도 하나와 상기 저압력의 충전 회로들(LPi, LPia) 중 적어도 하나를 상기 작동 챔버들 (19, 20, 21, 22)중 적어도 하나에 차례로 결합할 수 있으며, 상기 작동 챔버들 (10, 20, 21, 22) 각각은 상기 작동 챔버에 결합될 충전 회로들 (HPi, HPia, LPi, LPia)의 압력에 대응하는 힘의 요소들 (FA, FB, FC, FD)을 생성할 수 있으며, 각 힘의 요소는 단독으로 또는 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트의 다른 작동 챔버들에 의해 생산된 힘의 요소들과 합동으로 상기 힘의 합들중 적어도 하나를 생성하는, 제어 회로 (40)를 구비하는 가압 매체 시스템 및 방법이 개시된다. 상기 액추에이터 유니트는, 예를 들면, 선회 장치 또는 회전 장치이다. 상기 시스템은 제어 회로를 제어하기 위해 제어기를 사용한다.

Description

디지털 유압 시스템{Digital hydraulic system}
본 발명은 가압 매체 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 부하의 피봇 운동을 제어하는 선회 장치에 관한 것이다. 본 발명은 부하의 회전을 제어하는 회전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 가압 매체 시스템에서의 방법에 관한 것이다. 본 발명은 가압 매체 시스템을 제어하는 제어기에 관한 것이다.
가압 매체 시스템에서, 부하는 가압 매체의 압력이 유효하며 부하에 유효한 힘을 액추에이터를 통해 발생시키는 유효 영역을 가지는 작용 챔버를 구비한 액추에이터를 사용하여 제어된다. 힘의 크기는 가압 유효 영역과, 종래 가압 매체 시스템에서 가변력을 생성하기 위해 제어되는 압력에 의해 결정된다. 전형적인 예로서 부하의 전달과 상하향 이동이 있으며, 상기 부하는 그 물리적인 형태가 하나의 시스템에서, 이동될 다른 시스템으로, 예를 들면, 구조의 일부, 장치, 시스템으로 가변된다. 일반적으로, 압력 제어는 손실을 동반한 조정을 바탕으로 이루어지며, 종래의 저항 제어 방법에서는, 액추에이터의 힘에 대한 제어는 작동 챔버의 압력을 무단 제어함으로써 이루어진다. 이렇게 하여, 압력은 챔버를 출입하는 가압 매체의 흐름을 스로틀링함으로써 제어된다. 제어는, 예를 들면, 비례 밸브를 이용하여 실행된다.
일반적으로, 종래의 시스템은 압력이 조정되며 가압 매체의 체적 유량을 발생시키는 압력면과, 상기 체적 유량을 수용하며, 손실을 최소화하기 위해 전반적인 압력 레벨이 되도록 낮은, 소위 탱크 압력을 가지는 회수면을 가진다.
널리 알려진 가압 매체로는, 예를 들면, 유압 오일, 압축 공기, 물 또는 수계 유압 유동체가 있다. 가압 매체의 유형은 제한되지 않으며, 적용의 필요성 및 요구 사항에 따라 달라질수 있다.
종래 시스템의 문제점으로서는 실패에 대한 민감성과 에너지 손실이며, 특히 유압력의 손실과 제어 밸브 고장의 문제점이다.
본 발명의 목적은 가압 매체 시스템을 실행할 수 있으며, 현재 사용중인 대다수의 시스템에 비하여 상당한 에너지 절감이 가능한 신규 해결책을 제시하는 것이다.
본 발명은, 예를 들면 압력 컨버터 유닛, 펌프 압력 컨버터 유닛을 포함하는, 디지털 유압 시스템에 적용가능한 장치를 스로틀링 없이 제어하는 방법에 기반을 둔 디지털 유압 시스템 해결책에 관한 것이며, 또한, 이러한 장치 제어에 적용가능한 방법, 제어 회로, 제어기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 가압 매체 시스템은 청구항 1에 제시되어 있다. 본 발명에 따른 선회 장치는 청구항 32에 제시되어 있다. 본 발명에 따른 회전 장치는 정구항 36에 제시되어 있다. 본 발명에 따른 방법은 청구항 41에 제시되어 있다. 본 발명에 따른 제어기는 청구항 43에 제시되어 있다.
상기 시스템 해결책은 가압 매체에 의해 구동되는 액추에이터에 의해 생성되는 힘, 가속도, 속도 또는 위치를 제어하거나, 또는, 몇 개의 액추에이터를 구비한 장치에 의해 생성되는 가속도, 모멘트, 회전 가속도, 각속도, 위치 및 힘의 회전을 제어하도록 구성된다. 게다가, 또는 선택적으로, 상기 시스템 해결책은 하나 이상의 에너지 충전 유니트의 제어를 위해 제공된다. 게다가, 또는 선택적으로, 상기 시스템 해결책은 하나 이상의 압력 컨버터 유니트와 각각의 변환비율의 제어를 위해 제공된다. 게다가, 또는 선택적으로, 상기 시스템 해결책은 하나 이상의 압력 컨버터 유니트와 각각의 변환비율의 제어를 위해 제공된다.
스로틀링 없이 제어하는 방법에 기초한 신규 디지털 유압 시스템 해결책과 그에 적용되는 장치가 제공된다. 디지털 유압 시스템의 중요한 특징은 액추에이터의 작동 운동중 충전 회로로 귀환되는 운동 또는 위치 에너지의 회수이다.
디지털 유압 시스템에 적용되며, 이제부터 충전 시스템으로 명명될 가압 매체 회로는, 상이한 압력 레벨을 가지며, 충전 회로로 명명되는 하나 이상의 가압 회로를 구비한다. 일반적으로, 각각의 충전회로는, 서로 연결되며 동일한 압력을 가지는 하나 이상의 가압 매체 라인을 구비한다. 본 명세서는 아래의 설명에서, 설명상의 편의를 위해, 두개의 충전 회로를 구비한 시스템에 주로 설명할 것이다. 통상의 기술을 가진 자는, 제시된 원리를 세개 이상의 충전 회로를 구비한 시스템 해결책에도 용이하게 적용할수 있다.
제시된 일례는 고압 충전 회로와 저압 충전 회로를 다룰 것이며, 이는 특정의 절대적인 압력 레벨을 지칭하는 것이 아니며, 주로 상기 충전회로들의 압력차에 대한 것이다. 압력 레벨들은 각각의 적용 사례에 적당하도록 선택된다. 시스템 해결책이 몇 개의 고압 충전 회로들 또는 저압 충전 회로들을 구비하는 경우, 충전 회로들의 압력 레벨들은 서로 상이한 것이 바람직하다.
고압 충전 회로에 대한 설명에서, HP, HP 라인 또는 HP 접속등의 명칭들이 사용될 것이며, 저압 충전 회로에 대한 설명에서는 LP, LP 라인 또는 LP 접속등의 명칭들이 사용될 것이다. 충전 회로에 필요한 에너지는 하나 이상의 충전 유니트들에 의해 공급된다. 일례로, 에너지는 하나이상의 압력 컨버터를 통해 하나 이상의 충전 회로로부터 충전 회로로 공급된다.
동력을 공급할 수 있으며, 스로틀링 없이 제어하는 방법에 기초한 디지털 유압 액추에이터를 사용하는 둘 이상의 충전 회로를 구비한, 제시된 시스템을 저 저항 디지털 유압 시스템 (LRDHS) 이라고 한다. 저 압력 레벨 (LP)을 가진 하나 이상의 충전 회로들로부터 공급된 동력은 시스템에서 사용되는 동력의 실질적인 부분인 경우가 많으며, 그래서, 저 압력 레벨을 가진 충전 회로들의 압력 레벨들은 액추에이터들의 동력 생산, 제어성, 에너지 소모에 중요한 영향을 끼친다.
각 충전 회로의 특징은 필요한 압력을 생성할 수 있으며, 체적 유량을 공급 및 수용할 수 있다는 것이다. 바람직하게는, 상이한 충전 회로들의 압력 레벨은 서로 균등하게 등급화된다.
충전 유니트는, 펌프 유니트를 통해 충전 시스템의 외부로부터 충전 시스템의 충전회로들로 에너지를 공급하는 가압 매체 회로를 의미한다. 충전 유니트는 제어 및 안전 밸브 시스템뿐만 아니라 펌프 유니트를 구비하며, 이로써 펌프 유니트의 흡입 라인과 압력 라인은 충전회로에 연결될수 있다. 바람직하게는, 상기 흡입 라인과 압력 라인은 가압 매체 탱크에 결합될 수 있다.
보통, 고 압력 레벨의 하나 이상의 에너지 충전 유니트들은 HP 충전 회로에 연결되며, 이에 대응하여, 저 압력 레벨의 하나 이상의 에너지 충전 유니트들은 LP 충전 회로에 연결되어 있다. 예를 들면, 상기 충전 유니트들은, 예를 들면, 스프링 부하 또는 위치 에너지인 부하에 유효한 중력을 이용하는 유압 축압기 또는 그외 에너지 축적기이다. 위치 에너지 축적기와 그에 연결된 디지털 유압 액추에이터는 에너지 충전 유니트로 사용될 수 있다. 디지털 유압 액추에이터의 작동 원리는 아래에 상세히 설명될 것이다.
서로 결합된 디지털 유압 액추에이터들은 압력 컨버터로 사용될 수 있으며, 이로써, 상당한 에너지 소모를 하지 않고서도, 상이한 충전 회로간에 동력 전달이 가능하다. 상기 디지털 압력 컨버터 유니트들(DPCU)는 무정전 작동상태에 있는 액추에이터가 충전 회로에 결합될 때, 사용될수 있다. 가압 컨버커 유니트에서, 동력 전달은 액추에이터들의 유효 영역들의 사용과 스토틀링하지 않고 제어하는 방법에 기초하고 있다.
압력 컨버터 유니트의 이동가능한 부분을 이동시키는 외부 에너지원에 압력 컨버터 유니트를 결합함으로써, 상기 액추에이터를 이용하여 운동 에너지가 유압 에너지로, 즉, 가압 매체의 압력 및 체적 유량으로 변환될 때, 상기 디지털 압력 컨버터 펌프 유니트 (DPCPU)를 이용하여 충전 회로들에 에너지를 공급한다.
디지털 액추에이터는 특히 2진 또는 다른 방법으로 부호화된 유효 영역을 가지는 실린더를 지칭하며, 상기 유효 영역은 상이한 결합 조합 및 스트틀링하지 않는 제어를 이용하여 충전 회로들에 연결되어 있다. 전형적으로, 힘 제어 또는 힘의 조정은 논의의 중점이 되는 주제였다.
디지털 유압 선회 드라이브는 하나 이상의 챔버를 가지며, 스로틀링 없는 제어에 기초한 하나 이상의 액추에이터들을 구비하며, 상기 액추에이터들은, 하나 이상의 액추에이터들에 결합한 하나 이상의 기어랙들과 기어 휠들과 함께, 직선 운동을 제한된 피봇 운동으로 변환한다. 전형적으로, 모멘트 제어 또는 모멘트 조정은 논의의 중점이 되는 주제였다.
디지털 유압 회전 드라이브는 하나 이상의 챔버를 가지며, 스로틀링 없는 제어에 기초하며, 워블러(wobbler)에 기계적으로 결합된 둘 이상의 액추에이터들을 구비한다. 전통적으로, 액추에이터의 힘 제어를 통해 모멘트 제어 또는 모멘트 조정이 이루어졌다.
상기 시스템은 하나 이상의 디지털 유압 액추에이터로의 제어 인터페이스를 통해, 상이한 압력 레벨을 가진 둘 이상의 충전 회로 연결이 가능하도록 한다. 상기와 같이 하나 이상의 액추에이터에 의해 형성된 액추에이터 유니트는 부하, 압력 컨버터 유니트, 펌프 압력 컨버터 유니트, 펌프, 또는 동시에 상기 장치들의 조합을 이동하는 액추에이터로 이용된다. 액추에이터 및 액추에이터 유니트는 부하에 결합될 수 있으며, 적용상태에 따라 물리적 또는 유압적으로 서로 결합될 수 있다.
종래 해결책과 비교하여 상기 시스템의 기술적 이점과 차이는 에너지 효율의 명확한 개선, 제어성, 구성요소와 구성의 단순함, 모듈성, 고장에 대한 제어이다. 종래의 저항 제어 해결책에서는, 액추에이터의 힘 제어는 작동 챔버의 압력을 무단 조정함으로써 이루어진다. 이렇게 하여, 압력은 작동 챔버를 출입하는 매체의 흐름을 스로틀링함으로써 조정된다. 대신에, 본 발명의 시스템은, 힘의 조정에 근거하며, 주어진 개별 소정의 조정가능한 압력 레벨들 (예를 들면, HP및 LP 충전 회로들)을 이용하여, 아주 적은 수의 스로틀과 간단한 밸브 및 간단한 시스템 구조로 작동하는 액추에이터를 제어하는 선택가능한 방법을 가진다. 힘 제어는, 균등하게 등급화된 압력 레벨들을 가진 충전 회로들과 그에 결합된 액추에이터의 유효 영역을 이용하여 동력을 점차적으로 조정함으로 이루어진다. 제시된 제어 방법은, 예를 들면, 2진 또는 그 외의 방법으로 부호화된 유효 영역을 가진 액추에이터 또는 액추에이터 유니트와 조합하여, 종래 제어 방법에 비하여 에너지 소모를 상당히 감소시킨다. 상기 시스템은 또한 최대의 속도를 가능하게 하며, 매우 정확한 제어 및 위치 조정이 가능하다.
종래의 비례 스로틀링 제어에서, 액추에이터에 연결된 기구의 속도는 스로틀링 조절 부재의 구멍의 단면적에 직접적으로 비례하는 방법으로 조정되며, 상기 조절 부재 조정 에러는 조정될 기구의 속도에 직접적으로 반영된다. 종래의 해결책에서는, 조절의 정확성을 결정하고 제한하는 중요한 요소는 적용상태에 따른 조절 부재의 최적화이다.
디지털 스로틀링 조정에서, 액추에이터의 속도 조정의 비정확성은, 조절 부재로서 병렬 연결된 몇 개의 온/오프 밸브를 이용하여 줄일수 있으며, 상기 온/오프 밸브들의 소정 제어 (소위, 설정 포인트 또는 제어값)는, 소정의 압력차와 함께, 높은 확률로 예측값에 근사하는 소정의 개별 속도 값을 이용하여 이루어 진다. 이렇게 함으로써, 속도가 소정의 개별 값을 수신함에 따라, 위치 응답 곡선은 소정의 각도 계수를 수신한다. 달성된 속도에서의 에러와 위치 응답 곡선의 각도 조야성(coarseness)은 속도 조정의 해결안, 즉 가용 구멍수와 밸브들에 좌우된다.
스로틀링 없는 제어에 기초하며 가속도 조정을 하는 제시된 디지털 시스템에서, 액추에이터에 결합된 기구의 가속도는 액추에이터의 힘의 생산에 비례하여 제어되며, 이는 각 충전 회로들을 연결함으로써 제어되며, 이로써 각 가용 압력 레벨들은, 필요한 힘의 생산이 가장 이상적으로 이루어도록, 가용 유효 영역으로 연결된다.
속도 조정은 속도 피드백을 통해 이루어지며, 가속도가 소정의 개별값을 수신하면, 속도 응답 곡선은 소정의 각도 계수를 수신한다. 속도 응답 곡선의 각도의 조야성(coarseness)은 가속도 조정의 해결안에 좌우된다. 이렇게 하여, 위치 응답 곡선은, 스로틀링에 의한 직접 속도 제어와 비교해볼 때, 수학적으로 1도가 더 제어된다.
제시된 시스템에서, 이론적으로는 어떠한 속도값도 얻을수 있으며, 속도 오차는 매우 작다. 이로써, 속도 조정의 해결안을 제안하는 요소들은 가속도 제어의 해결안, 제어 시스템의 샘플링 기간, 제어 인터페이스들의 응답시간, 작동 챔버들의 상태 변화에 소요되는 시간, 센서들의 감지 정확도이다. 가속도 조정의 해결안은 가용 작동 챔버의 수와 그 영역의 부호화, 작동 챔버에 연결되며 상이한 압력 레벨을 가지는 충전 회로의 수, 충전 회로의 압력 레벨 및 충전 회로의 압력 레벨의 차이들간의 관계에 따라 달라진다. 한편, 예를 들면 부하력 또는 압력의 가변으로 인한 조절 부재의 스로틀링의 부정확성과 이로 인한 조정 오차는 본 발명의 디지털 유압 제어의 방법에서는 발생하지 않는다. 이러한 점에서, 스로틀링에 의해 제어되는 종래 시스템과 비교해볼 때, 상기 시스템은 어떠한 상황에서도 우수한 제어성과 관리능력을 가진다.
시스템이, 동일한 대상 또는 동일한 충격 포인트 또는 동일한 대상내의 상이한 충격 포인트상에 작용하는 몇 개의 개별 액추에이터를 구비한 경우, 각 액추에이터에서 생성된 힘은, 동일한 방향 또는 상이한 방향으로, 각각 서로 독립하여 제어되거나, 또는 상호간에 작용하여, 원하는 방향 또는 액추에이터들에 의해 생성된 힘의 합의 크기, 즉, 힘의 총합을 얻는다. 상기 힘의 합은 부하의 역할을 하는 대상에 유효하며, 부하 속도로부터 가속도, 감속도, 또는 취소를 유발한다. 상기 힘의 합이 원하는 크기와 방향을 갖도록 하기 위해, 제어 시스템은 시스템으로부터 측정되거나 다른 방법으로 결정된 변수 또는 변수들을 근거로 액추에이터들의 힘 제어를 조정해야 한다.
시스템의 용도는 거의 제한없이 가변되며, 디지털 유압 액추에이터들은 전형적으로 방향전환, 회전, 상승, 하강, 구동력 전달 및 이동, 예를 들면 바다 너울 보상과 같은 보상등에 다양하게 적용된다. 상기 시스템의 용도는, 상당한 에너지 절감이 이루어지는 액추에이터의 힘의 생산과 연관되어 가속 또는 감속되는 비교적 상당한 관성 질량이 있는 경우에 가장 적합하다. 또한, 상기 시스템의 용도는, 가변 부하 레벨로 동시 작동하는 몇 개의 액추에이터를 제어하는 경우에도 적합하다.
본 발명 시스템은 또한, 액추에이터가 외부 자극을 획득하거나, 외부 자극에 저항하도록, 즉, 액추에이터가 대응 크기의 대항력을 생성하여, 이동가능한 대상을 움직이지 않는 상태에 유지시키도록, 액추에이터가 유지력을 생성하는 경우에도 적용될 수 있다. 동일한 시스템에서 사용되는 액추에이터의 수는 가변적이며, 동일한 대상 또는 기구의 동일한 부분에 연결되는 액추에이터의 수 또한 가변적이다. 특히, 상기 대상들간 형성된 액추에이터 유니트의 제어특성, 에너지 소모, 고장에 대한 최적 제어의 관점에서 볼 때, 동일한 대상 또는 부분 (예를 들면, 기계 프레임)으로부터 동일한 대상 또는 부분 (예를 들면, 붐 또는 리프팅 암)으로 연결되는 액추에이터의 수는 중요하다.
본 발명에 따르면 현재 사용중인 대다수의 시스템에 비하여 상당한 에너지 절감이 가능한 신규 해결책을 제시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일예에 따라, 4개의 작동 챔버를 구비하며 가압 매체에 의해 구동되는 실린더인 액추에이터를 이용하는 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도면에 도시된 시스템을 제어하는데 사용되는 상태 표이다.
도 3은 도 1에 도시된 시스템에 의해 생성된 힘의 등급을 도시한 도면이다.
도 4는 시스템 제어의 조정 계수들의 기능을 도시한 도면이다.
도 5는 시스템 제어에 사용되는 제어기를 도시한 도면이다.
도 6은 시스템 제어에 사용되는 또 다른 제어기를 도시한 도면이다.
도 7은 시스템 제어에 사용되는 또 다른 제어기를 도시한다.
도 8은 시스템 제어에 사용되는 제어 컨버터의 작동을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일례에 따른 선회 장치를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일례에 따른 편심 펌프 모터를 도시한 도면이다.
도 11는 본 발명의 또다른 일례에 따른 시스템을 도시한 도면이다.
도 12는 펌프 압력 컨버터의 작동 원리를 도시한 도면이다.
도 13a 내지 13d는 도 1의 시스템에 사용되는 액추에이터들을 도시한 도면이다.
도 14는 4개의 챔버를 구비한, 일례에 따른 펌프 압력 컨버터를 도시한 도면이다.
도 15는 4개의 챔버를 구비한, 일례에 따른 압력 컨버터를 도시한 도면이다.
도 16는 4개의 챔버를 구비하며 제어 회로에 의해 제어되는, 일례에 따른 압력 컨버터를 도시한 도면이다.
도 17은 8개의 챔버를 구비하며 직교 접속에 의해 제어되는, 일례에 따른 펌프 압력 컨버터를 도시한 도면이다.
도 18은 8개의 챔버를 구비하며 제어 회로에 의해 제어되는, 일례에 따른 펌프 압력 컨버터를 도시한 도면이다.
제어 인터페이스
가압 매체의 액추에이터로의 도입 또는 액추에이터로부터 회수는 제어 인터페이스에 의해 제어된다. 액추에이터는 변위 원리에 의해 작동하는 하나 이상의 작동 챔버를 구비한다. 각 제어 인터페이스는 병렬로 연결된 하나 이상의 제어 밸브를 가진다. 바람직하게는, 제어 밸브는 매우 낮은 압력 손실을 가진 신속 차단 밸브, 예를 들면, 전기 접속된 온/오프 밸브들이며, 밸브들이 동일선상에서 병렬 배치되는 경우, 그 선상에서의 체적 유량도 이 밸브들에 의해 결정된다. 제어에 따라, 액추에이터의 각각의 작동 챔버들은 개별적으로 차단되거나 제어 인터페이스들을 통해, 예를 들면, 이중 가압 시스템에서 HP 충전 회로 또는 LP 충전 회로등의 충전회로로 연결된다. 액추에이터의 작동 챔버에 연결되며 하나 이상의 밸브를 구비한 제어 인터페이스들이 항상 완전히 개폐되는 제어 방법을 본 명세서에서는 스로틀링없는 제어라고 한다.
제어 인터페이스들은 제어 인터페이스의 밸브 또는 모든 병렬 밸브들이 개폐되도록 제어되는 방식으로 작동한다. 그러므로, 제어 인터페이스의 제어는 2진법 제어, 즉, 설정이 1 (제어 인터페이스 개방, 온) 또는 0 (제어 인터페이스 폐쇄, 오프) 중 하나이다. 필요한 밸브 전기 제어 신호는 상기 설정을 근거로 생성된다.
디지털 유압 액추에이터
디지털 액추에이터의 제어 시스템을 작동시키기 위해서, 시스템은 적어도 하나의 작동 챔버를 가진 적어도 하나의 액추에이터를 구비해야 한다. 작동 챔버에 의해 생성된 힘의 요소는 작동 챔버의 유효 영역과 작동 챔버에서 유효한 압력에 근거한다. 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합의 크기는 상기 요소들의 산출물이다. 본 실시예에서, 바람직하게는, 액추에이터에 의해 제어되는 부하의 부하력, 즉, 액추에이터상 유효한 힘은 액추에이터의 LP 충전 회로의 압력에 의해 생성되는 대항 힘 요소보다 그 크기가 더 크며, 액추에이터의 HP 충전 회로의 압력에 의해 생성되는 대항 힘 요소보다 그 크기가 더 작아서, 부하를 제어하는 최소한 두개의 레벨을 이용한 힘의 제어가 가능하다.
일 실시예에서, 시스템은 최소한 두개의 작동 챔버를 가진 최소한 하나의 액추에이터를 구비하며, 이중 가압 시스템에서 최소 4 레벨의 힘의 제어가 이루어지도록 작동 챔버들의 유효 영역들은 서로 상이하다. 서로 상이한 작동 챔버들에 의해 생성된 힘 요소들은 시스템에 따라, 또한 제어대상 부하의 거동에 따라, 동일한 방향 또는 상이한 방향으로 유효하다. 각각의 작동 챔버는 동등하지 않은 두개의 힘 요소들을 생성할 수 있다. 두개의 압력 레벨들을 구비한 시스템에서, 영역들간의 비율(ratio)은 바람직하게 1:2로서 균등 단계 레벨의 힘 제어를 가능하게 한다. 대응 시스템은, 예를 들면 두 영역들간의 비율 1:2 를 만족시키는 두개의 단독 챔버 액추에이터들에 의해 이루어진다. 예를 들면, 동일한 액추에이터내에서 작동 챔버들의 수를 증가시키거나, 별도의 액추에이터를 추가하고 그들을 동일한 부하에 연결함으로써, 그 이상의 힘의 레벨을 얻을 수 있다.
또한, 액추에이터에 결합된, 상이한 압력 레벨을 가진 충전 회로들의 수를 증가시킴으로써, 그 이상의 힘의 레벨을 얻을 수 있다. 이러한 경우, 힘 요소들의 수와 동시에 액추에이터에 의해 생성된 힘의 레벨은 멱함수이며, 여기에서 밑수는 상이한 압력 레벨을 가지고 액추에이터에 연결된 충전 회로들의 수이며, 지수는 액추에이터의 작동 챔버들의 수이다. 바람직하게는, 작동 챔버들의 유효영역들은 서로 상이하며, 액추에이터에 연결된 충전 회로들의 압력 레벨들은 서로 상이하다.
또한, 바람직하게는, 유효영역에 결합되는 충전 회로들의 압력 레벨들이 균등하게 등급화되어 균등 등급화된 힘 제어를 이루거나, 다양한 연결 조합을 이용하여 유효 영역들이 HP 충전 회로 또는 LP 충전 회로에 결합되거나 다른 충전 회로들에 결합되는 경우, 작동 챔버들의 유효 영역들간의 비율은 수열 MN 에 따라 정해지며, 이때 밑수 M은 액추에이터에 연결된 충전 회로들의 수이며, N은 자연수 (0, 1, 2, 3,... n) 그룹이다.
특히, 두개의 충전 회로들 (HP 충전 회로 및 LP 충전 회로)을 구비한 시스템에서, 작동 챔버들의 유효 영역들간의 비율은 바람직하게 수열 MN 에 따라 정해지며, 이때 밑수 M은 2이고 지수 N은 자연수 (0, 1, 2, 3,...n) 그룹이다. 즉, 다양한 결합 조합을 이용하여 유효 영역들이 HP 충전 회로 또는 LP 충전 회로에 결합되는 경우, 2진 시스템에서 수열들 1, 2, 4, 8, 16 등은 비트들의 가중 계수들에 의해 형성되어 균등 등급화된 힘 제어를 가능하게 한다.
균등 등급화라함은 하나의 힘의 레벨로부터 다음 힘의 레벨로 또는 하나의 압력 레벨로부터 다음 압력 레벨로의 단계가 항상 일정한 크기를 가짐을 의미한다. 힘의 레벨은 총 동력을 구성하는, 액추에이터에서 생성된 몇 개의 동력 요소들의 다양한 조합으로서 형성된다. 영역들간의 비율은 예를 들면, 수열 1, 1, 3, 6, 12, 24 등의 상이한 수열 또는 피보나치 또는 PNM 부호화 방법에 따른 수열에 따라 결정된다. 등적, 또는 예를 들면, 2진 수열과 다른 영역들을 증가시킴으로써,더 많은 힘의 레벨을 얻을 수 있으나, 동시에, 새로운 힘의 레벨은 증가시키지 않으면서, 제어 인터페이스의 둘 이상의 결합 조합에 의해 액추에이터의 동일한 힘의 합을 얻을 수 있는 중복 상태도 얻을 수 있다.
밑수는 작동 챔버에 결합될 상이한 압력 레벨들이고, 지수는 총 작동 챔버수가 되도록, 결합 조합의 수는 멱함수로 형성된다. 시스템은 부하에 유효한 최소한 하나의 액추에이터를 구비한다. 이중 가압 시스템에서 4개의 챔버를 가진 액추에이터가 사용되는 경우, 총 작동 챔버 수는 9이므로, 시스템의 상태 및 결합 조합의 수는 28 = 256으로 증가한다. 부하에서 동작의 동일한 포인트상에 유효하도록 둘이상의 동일한 액추에이터가 결합되는 경우, 시스템의 상태는 대부분 서로 중복된다. 상기 액추에이터들은 동일한 방향 또는 반대 방향으로부터 부하에 유효하며, 동일한 액추에이터들의 대응되는 작동 챔버들은 크기가 동일하다. 상이한 액추에이터가, 상이한 방향으로부터 동일한 동작 포인트상에 유효한 경우, 로드에 유효한 힘의 합의 크기 및 방향을 원하는 방식으로 조정할 수 있다. 상이한 액추에이터들이 부하에서 상이한 동작 포인트에 결합되는 경우, 로드에 유효한 힘의 합의 크기 및 방향과, 모멘트의 크기 및 방향은 원하는 대로 조정할 수 있다.
조정을 위한 충분히 많은 레벨을 가지며, 다양하게 적용가능한 본 발명의 특별하고 간결한 실시예는 4개의 작동 챔버를 가지며, 그 유효영역의 비율은 2진 수열 1, 2, 4, 8에 따라 정해지며, 균등 등급화된16-레벨의 힘 제어가 가능한 액추에이터를 구비한다. 액추에이터는 가장 큰 유효 영역과 두번째로 작은 유효영역을 가지는 작동 챔버들에 의해 생성되는 힘 요소들이 동일한 방향으로 유효하도록 구성된다. 다른 작동 챔버들에 의해 생성되는 힘 요소들은 반대 방향을 가진다.
이러한 맥락에서, 제어 인터페이스의 소정의 결합 조합으로, 시스템은 항상 소정의 힘 또는 모멘트를 생성하며, 이것은 피드백 결합을 요구하지 않으므로, 힘 제어 또는 모멘트 제어 또는 가속도 제어는 힘 또는 모멘트 또는 가속도의 제어를 지칭한다. 힘의 생성을 점차적으로 선택할 수 있는 액추에이터를 이용하여 점차적인 가속도 제어를 실행하는 것은 용이하며, 이때 가속도는, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합과 부하에 유효한 다른 힘 요소들의 총합계인 소위 유효 힘에 직접적으로 비례한다. 가속도 제어에서, 시스템은, 피드백을 위해서 시스템상에 부과된 부하력의 크기와 부하의 관성 질량의 크기를 이용하여, 생성된 힘의 합을 결정하며, 이때, 원하는 부하 가속도가 적용된다. 가장 쉬운 방법으로서, 제시된 시스템은 부하의 관성 질량이 거의 일정하게 유지되는 사례에 적용될 수 있으며, 여기에서 피드백을 위해 잔류중인 유일한 데이터는 시스템에 부과된 부하력이다.
가속도 제어 시스템은 속도 피드백 결합에 의해 속도 제어 시스템으로 확장될 수 있다. 속도 제어 시스템은 위치 피드백 결합에 의해 위치 제어 시스템으로 확장될 수 있다.
가속도, 각도 가속도, 속도, 각속도, 위치 또는 회전를 위해 무작위 선택된 소정의 기준값으로 달성될 재현성을 위한 요구조건은, 시스템의 상대적 제어를 위한 값이 제로 (0) 일 때, 액추에이터의 가속도는 대략 제로여야 한다는 것이다. 개별의 일정한 제어값으로 힘-제어된, 액추에이터의 이동부의 가속도는 액추에이터에 적용된 부하값에 따라 크게 좌우된다. 따라서, 부하력을 보상하기 위해 제어값에 조건이 추가되어야 하며, 본 명세서에서 이 조건은 제어의 가속 제로 포인트라고 한다. 이러한 제어값으로, 액추에이터의 가속도와 또한 부하의 가속도 최대한 제로에 가깝게 유지된다. 보상 조건은 부하력의 효과를 추정하고, 도표 작성하고, 통합 조정을 적용하고, 센서값을 추정함으로써 실증적으로 생성된다.
시스템이 제어 인터페이스에 개별 제어값만을 생성할 수 있으므로, 시스템에 의해 제어될 부하가 소정의 개별 제어에 의해 완전히 움직이지 않도록 유지되는 것은 필연적으로 불가능하지만, 이를 위해, 시스템 제어 상태는 서로 대응되는 가속도를 생성하는 두개의 상이한 상태들 사이에서 반복적으로 변경되어야 한다. 액추에이터에서 발생하는 상태 변경시에 손실이 전혀 발생하지 않는 것은 아니며, 가압 레벨이 작동 챔버내에서 상승할 때 가압 매체의 압축성 때문에, 여러가지 중에서, 에너지 소모가 발생한다. 그러므로, 바람직하게는, 부하와 각각의 기구를 제대로 유지하기 위해서, 기구가 소위 잠금 상태에서 움직이지 않게 잠궈지도록 모든 제어 인터페이스들은 스위치 오프한다. 이 기능은, 잠금 상태의 제어 우선순위가 제어 인터페이스의 제어 우선순위보다 더 높고, 상기 제어들이 서로 영향을 주지 않도록 실행하는 것이 실용적이다. 잠금 상태가 온으로 켜지면, 잠금 상태가 온 되지 않은 경우의 제어 인터페이스들의 결합 조합이 무엇이었던지에 상관없이, 모든 제어 인터페이스들은 스위치 오프된다.
잠금 상태를 제외하고는, 작동 챔버들의 압력 레벨 상태는 낮은 압력 (예를 들면, HP 충전 회로로의 연결)을 나타내는 제로 (0)로 표시하거나, 높은 압력 (예를 들면, LP 충전 회로로의 연결)을 나타내는1로 표시할 수 있다. 이러한 방법으로, 작동 챔버들이 소정의 순서로 표시될 때, 작동 챔버들의 상태는 매 순간마다 2진수를 이용하여 명확하게 표현될 수 있다. 4개의 작동 챔버가 있는 경우, 2진 수는 4개의 숫자로 구성된다. 본 명세서에서, 디지털 제어란 제어 방법으로서, 여기에는 둘 이상의 압력 레벨이 사용되며, 이를 사용하는 액추에이터 또는 액추에이터 유니트는 제한된 수의 개별 힘의 레벨을 가지며, 이러한 제한된 수는 작동 챔버들의 수, 특히, 상이한 작동 챔버에 연결된 상이한 압력 레벨의 조합에 근거하고 있다.
체적 유량의 스로틀은 중요하지 않으므로, 액추에이터의 피스톤 행정이 긴 경우에 시스템은 최대 속도를 허용한다. 액추에이터의 피스톤의 높은 속도는 변위 원리에 따라 액추에이터의 작동 챔버로 또는 작동 챔버로부터의 높은 체적 유량을 요구한다. 이러한 이유로, 필요한 경우에, 공동현상을 방해하지 않고 필요한 속도로 원하는 충전 회로로부터 확장 가동 챔버로 가압 매체를 유입시킬수 있도록 제어 밸브들은 높은 체적 유량을 통과시켜야한다.
2진 수열에 근거한 유효 영역을 가진 액추에이터는, 소위 스로틀링없는 제어를 이용하여, 액추에이터로 감소된 관성질량이 큰 경우에 유용하다. 이렇게 하여, 가속운동 동안에 다량의 운동 에너지가 부하에 결합되고 상승 운동에서는 위치 에너지가 부하에 결합되며, 가속 또는 부하의 하강과 연계되어, 상기 에너지들은 충전 회로들중 하나로 귀환하여 재 사용될 수 있다. 스로틀링없는 제어 방법과 유효 영역의 사용에 힘입어, 정적인 부하력의 값이 액추에이터의 힘의 생산 범위내에 있는 한, 정적인 부하력의 크기에 상관없이 상기 사항이 가능하며 실행될 수 있는 것이다. 힘의 생산의 범위란 대략, 각각의 시간에 얻을 수 있는 개별 동력의 최대값과 최소값 사이의 동력의 생성 범위를 의미한다.
상기 시스템의 최대 이점은 힘을 결속하고 방출하는 커다란 동작에서 얻을 수 있으며, 예를 들면, 큰 질량을 가속하기 위한 강한 힘이나 모멘트가 요구되지만 일정한 동작을 꾸준히 행하는 동안에는 매우 약한 힘이나 모멘트가 요구되며 제동 단계에서는 강한 제동력이 요구되는 선회장치에서 상기 이점을 얻을 수 있다. 상기 시스템은, 꾸준히 행해지는 일정한 동작에서, 아주 적은 동력을 사용하며, 마찰과 점성에서의 손실만 보상되면 된다는 이점이 있다. 상기 제어는 적당한 유효 영역과, HP 회로 또는 LP 회로로부터 그에 합당한 압력을 선택함으로써 실행된다. 이렇게 하여, 각각의 제어 상황에 맞는 힘의 레벨이 선택된다.
상기 시스템은, 예를 들면, 힘 또는 모멘트가 명확히 제로가 아니며, 소위 유지력 또는 유지 모멘트가 부하의 제로 가속도를 생성하기 위해 필요한 상승 또는 구동 전달 적용례에서 (예를 들면, 언덕위로 상승 또는 하강 구동) 상기와 동일한 방법으로 에너지를 절감한다. 이렇게 하여, 일 방향으로서의 일정한 동작중에, 높은 압력 레벨의 충전 회로로부터 액추에이터 또는 액추에이터 유니트로 가압 매체를 안내함으로써, 에너지는 부하 또는 그에 관련된 기구에 결합된다. 동시에, 액추에이터의 압축 작동 챔버가 결합되는 낮은 압력 레벨의 충전회로로 에너지가 전달된다. 반대 방향으로 이동할 경우, 가압 매체가 액추에이터로부터 충전 회로로 귀환할 때 에너지는 부하 또는 기구로부터 시스템으로 귀환한다. 이렇게 하여, 일정한 동작중에, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합이, 필요한 유지력 또는 유지 모멘트에 근사하며 시스템에 입력된 동력이 마찰과 점성에서의 손실을 감당할 수 있도록 액추에이터의 유효 영역들이 선택된다.
종래 시스템들과 비교하여, 제시된 시스템은 예를 들면, 마찰이 있는 표면상에서의 물체의 추진 또는 견인과 같이 마찰이 동반되는 움직임이 발생되어 손실이 많은 경우에서도 에너지 절감이 가능하다. 이 경우에, 바람직하게는, 움직임에 저항하는 마찰력 또는 모멘트를 극복하고 원하는 운동 속도를 생성하도록, 상기와 같은 제어와 상기와 같은 각각의 유효 영역들은 서로 다른 조건에서 각각의 액추에이터에 사용되도록 선택된다. 이렇게 하여, 각각의 액추에이터가 에너지를 가능한 한 적게 사용하는 충전회로의 압력을 고려하여 각각의 액추에이터는 항상 최적 규모로 책정된다.
마찰 및 점성 손실과 제어 인터페이스의 상태 변화에서의 손실 때문에, 시스템의 모든 입력 에너지가 충전 회로로 귀환되는 것은 아니다.
시스템을 제어하는 방법은, 운동 또는 위치 에너지가 부하 또는 그에 연관된 기계적인 시스템으로부터 방출될 때마다, 예를 들면, 관성 질량의 제동 그리고/또는 하강 단계동안 최대한 많은 에너지 수집을 자동으로 실행한다. 이렇게 하여, 관성 질량을 가속 그리고/또는 상승시키는 힘요소를 이전에 생성한 유효 영역들과 작동 챔버들은 에너지 수집에 기여하게 된다. 상기 작동 챔버들은 제어 인터페이스를 통해, 에너지가 귀환 또는 전달될 충전 회로로 연결된다.
충전 시스템
시스템의 작동 및 에너지 절감의 관점에서, 디지털 유압 액추에이터에 연결된 모든 충전 회로들은, 필수적으로, 충전 회로들의 압력 레벨들을 근본적으로 변화시키지 않고 체적 유량을 공급 및 수신할 수 있다.
충전 시스템을 이용하여, 필요할땐 언제든지 상기 에너지 충전 유니트들간 에너지 전달이 가능하다. 시스템의 작동 사이클이 에너지 결합인 경우 (부하, 예를 들면, 육중한 물건을 높이 들어올림), 필요한 에너지는, 예를 들면, 가압 매체를 펌핑함으로써 시스템으로 유입되며, 예를 들면, 펌프 유니트를 이용하여 LP 회로로부터 HP 회로로 유입된다. 작동 사이클이 에너지 방출인 경우 (부하, 예를 들면, 육중한 물건을 아래로 내림), 상기 에너지는 유압 동력으로 변환되며 필요에 따라 사용되거나 에너지 충전 유니트에 저장된다. 저장이 불가능한 경우, 유압 동력은, 가압 매체가 HP 회로로부터 LP 회로로 안내되도록 모터 또는 전기 발전기를 회전시켜, 예를 들면, 운동 에너지로 다시 변환된다. 이러한 변환은 예를 들면 상기 충전 유니트 또는 그외의 대응 에너지 변환기를 이용하여 실행된다. 상기 시스템의 액추에이터의 작동 사이클은 에너지 결합 (예를 들면, 육중한 물건의 가속, 부하 상승) 과 에너지 방출 (예를 들면, 육중한 물건의 제동, 부하의 하강) 모두를 구비한다. 시스템이 몇 개의 액추에이터를 구비한 경우, 상이한 액추에이터들은 에너지 결합 및 에너지 방출 작업 단계들을 동시에 가진다.
부하 감지 시스템 (LS 시스템)은 선행 기술에 따른 가장 전형적인 해법이며, 이 시스템은 부하 압력과 무관하며 체적 유량에 의해 제어되고, 파이프 시스템의 부하 압력뿐 아니라 압력 손실로 구성된 압력 손실을 허용하며, 가압 매체 (전형적으로 약 14 내지 20바(bar)) 의 체적 유량의 스로틀 제어의 압력차 설정을 허용한다. 병렬연결된 드라이브에서 시스템의 작동 압력은 조정되며, 또한, 몇 개의 병렬 드라이브에서 정상적으로 작동하는 시스템에서, 가장 높은 부하 압력 레벨에 따라서, 또한, 액추에이터에 따라서, 체적 유량의 제어 스로틀에 대한 압력차이는, 압력 보상기를 이용하여 일정하게 유지되며, 이렇게 하여 에너지는 압력 보상기내에서 손실의 형태로 낭비된다.
스로틀링없는 제어 방법에 근거한 디지털 유압 시스템은 작동 사이클이 적시에 서로에 대해 어떤 방법으로든 배치되는 몇 개의 액추에이터를 구비하며, 상기 시스템은 선행 기술에 따른 LS 시스템보다 분명히 에너지 효율적이다. 디지털 유압 시스템에서, 가용 압력 레벨과 힘의 생산의 필요에 따라서, 사용하기에 적합한 유요 영역을 각각의 액추에이터에서 선택하여 최소 에너지 소비로 원하는 힘의 생산과 운동 속도를 얻을 수 있다.
디지털 유압 시스템은 유효 영역을 이용하여 압력 제공 회로들에 적응하므로, 디지털 유압 시스템은 압력 제공 회로들 (충전 회로들)에서 압력 변화에 기인한 간섭에 민감하지 않다. 종래 시스템들과 신규 타입인 제시된 시스템 모두에서, 액추에이터들의 동력 요구가 충전 유니트의 동력 생산 용량을 초과하는 경우, 충전 회로들의 압력 레벨들은 훨씬 분명하게 가변될 수 있다. 제시된 디지털 유압 시스템에서, 충전 회로들의 압력은 일정한 한도내에서 자유롭게 가변하며, 조정성은 여전히 우수하고, 이러한 압력 가변은 에너지 소모에 크게 영향을 끼치지 않는다. 바람직하게는, 원하는 힘의 합을 얻기 위한 액추에이터의 작동 챔버들의 조합을 알아내기 위해 충전 회로들의 압력은 연속적으로 측정된다. 이렇게 하여, 소모된 에너지 양 또한 요구에 정확히 부합한다. 제시된 시스템에서, 충전 회로들의 압력 변화는, 정적인 부하력이 액추에이터의 힘의 생산 범위를 벗어날 정도로 변화가 강력한 경우에만 문제를 발생시킨다.
디지털 유압 시스템의 일례 I
도1 은 스로틀링 없는 제어 방법에 기초를 두고, 가압 매체, 충전 회로, 에너지 충전 유니트, 제어 인터페이스의 제어 밸브들에 의해 구동된 4개의 챔버를 가진 실린더 액추에이터로 구성된 디지털 유압 시스템의 일례를 도시한다.
상기 시스템은, 충전 회로로서, 하나의 HP 라인 (고압 라인, P라인) 3과 하나의 LP 라인 (저압 라인, T라인), 액추에이터의 챔버 A에 연결된 라인 5, 액추에이터의 챔버 B에 연결된 라인 6, 액추에이터의 챔버 C에 연결된 라인 7, 액추에이터의 챔버 D에 연결된 라인 8을 구비한다. 유압 동력은, 예를 들면, 아래에 그 작동이 설명될 충전 회로에 의해 충전 회로들 3, 4로 공급된다.
상기 시스템은 또한 HP라인과 LP라인으로의 각 챔버 연결을 제어하기 위한 제어 인터페이스를 구비한다. 즉, 제어 인터페이스 9 (HP/P-A 연결 제어), 제어 인터페이스 10 (A-LP/T), 제어 인터페이스 11 (HP/P-B), 제어 인터페이스 14 (C-LP/T), 제어 인터페이스 15 (HP/P-D), 제어 인터페이스 16 (D-LP/T)를 구비한다.
상기 시스템은 또한 HP 라인 3에 연결된 HP 축적기 17, LP 라인 4에 연결된 LP축적기 18을 구비한다. 이러한 예에서, 상기 시스템은 4개의 작동 챔버를 가진 컴팩트 액추에이터 23을 구비하며, 여기서 2개의 작동 챔버 (A, C)는 동일한 방향으로 작동하며 액추에이터 23으로 사용된 실린더를 확장하며, 2개의 작동 챔버 (B, D)는 반대방향으로 작동하며 그 실린더를 축소한다. 액추에이터 23은 A-챔버 19, B-챔버 20, C-챔버 21, D-챔버 22를 가진다. 액추에이터 23은 부하 L로 작동하는 대상에 유효하다.
HP라인은 고압 제어 인터페이스들 9, 11, 13, 15를 각각 통해 액추에이터의 작동 챔버 라인 5, 6, 7, 8로 갈라진다. LP라인은 저압 제어 인터페이스들 10, 12, 14, 16를 각각 통해 액추에이터의 작동 챔버 라인 5, 6, 7, 8로 갈라진다. 라인 5, 6, 7, 8은 각각 작동 챔버 19, 20, 21, 22로 직접 연결된다. 압력 제어 밸브는 필요한 경우 각 작동 챔버의 라인으로 연결될 수 있다. 상기 라인들과 제어 인터페이스들은 액추에이터 23의 제어를 위해 요구되는 제어 회로 40을 구성한다.
일례로 사용된 도1의 시스템에서, 액추에이터 23은, 작동 챔버들의 영역들에 대해서, 가장 작은 영역에 비례한 영역값이 2진 시스템 (1, 2, 4, 8, 16 등)의 가중 계수들을 따르도록, 그래서 액추에이터 23 또한 2진 부호화되도록 구성된다. 영역들의 2진 부호화는, 디지털 제어에 의한 힘 제어의 관점에서, 힘들이 균등하게 등급화되도록, 최소의 작동 챔버들을 이용해서 최대 수의 상이한 힘의 레벨들을 획득하기에 가장 유용한 방법이다. 액추에이터는 4개의 작동 챔버들을 가지고 있으며, 각각의 작동 챔버는 고압 상태 및 저압 상태로 불리는 두개의 상이한 상태 (두개의 상이한 힘 요소들에 대응하는)로 사용되며, 이때 HP 라인 3 또는 LP라인 4는 각 작동 챔버에 연결된다.
작동 챔버들에 의해 생성된 힘 요소들 FA, FB, FC, FD 는 도1에 도시되어 있다. 상태 또한 제로 (0, 저압 상태) 와 일 (1, 고압 상태)로 나타낼 수 있다. 이러한 경우, 상태 조합의 수는2n 이 되며, 이때 n은 작동 챔버의 수이며, 작동 챔버의 16개의 서로다른 상태 조합을 상기 예에서 나타낼 수 있으며, 그러므로 16개의 상이한 힘의 합이 액추에이터에 의해 생성되고, 힘의 크기는 2진 부호화에 의해 가장 작은 크기부터 가장 큰 크기까지 균등하게 등급화된다. 2진 부호화에 의해 각 상태 조합에 의해 각 힘의 레벨이 생성되므로 중복 상태는 없다. 모든 작동 챔버들은 서로 상이하므로, 등가의 절대값을 가진 힘 요소들은 없다. 일예에서, 상이한 힘 요소들의 작동 방향은 일부 상반되며, 이들의 힘의 합은 LP및 HP회로들의 압력 레벨과 함께, 액추에이터에 의해 생성된 힘과 액추에이의의 작동 방향을 결정한다. 그러므로, LP 및 HP 압력 레벨을 조정함으로써, 액추에이터는 일 방향으로만 또는 두개의 반대 방향으로 힘의 합을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 힘의 합이 어느 방향으로 요구되는지 또는 어느 방향으로 사용되어질 필요가 있는가에 따라 달라진다.
다른 실시예에서, 충전 회로들은, 예를 들면 HP 라인 또는 LP 라인 또는 두 라인 모두는, 각각의 작동 챔버에 연결될 수 있다.
도1의 시스템에 포함된 제어기는 액추에이터의 작동을 제어하며, 원하는 힘, 모멘트, 가속도, 각도 가속도, 속도, 각속도, 위치 또는 회전의 생성과 관련된 일련의 작동을 제공하기 위해 도1의 시스템을 제어하는 보다 큰 제어 시스템의 일부일 수 있다. 시스템이 몇 개의 액추에이터를 구비하는 경우, 각각의 액추에이터를 위한 각각의 제어기를 가진다. 안내값은 자동 또는 수동으로, 예를 들면, 조이스틱으로 주어진다. 제어 시스템은 일반적으로, 원하는 알고리즘을 따르며, 액추에이터 제어용 센서들로부터 필요한 측정데이터를 수신하는 프로그램된 프로세서를 구비한다. 제어 시스템은, 예를 들면, 시스템으로부터 요구되는 기능성에 따라 제어기를 제어한다.
액추에이터가 상이한 힘의 합을 생성하도록 하며, 제어 인터페이스 9 내지 16을 실행할 수 있도록 하는 밸브의 상이한 결합 조합은, 밸브의 상이한 상태로 생성되는 힘의 합이, 예를 들면 2도에 도시한 바와 같이, 크기 순서대로 정렬되도록 제어기의 소위 제어 벡터에 정렬된다. 이것은, 2진 부호화된 영역을 가진 실린더 23의 경우에, 작동 챔버의 상태를 선택함에 있어서 4-비트 2진수를 증가시킴으로써 가능한데, 이때 네가티브 방향으로 유효한 작동 챔버 20, 22의 상태를 나타내는 비트들은 각각의 보수들로 변환된다. 작동 챔버들의 상태를 선택하고 액추에이터를 제어하기 위해 사용되는 2진수에서, 각 비트의 중요성은 작동 챔버들의 유효영역에 비례한다. 이러한 방법으로, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합은 상기 제어 벡터에서, 제어 벡터로부터 선택된 제어 조합의 인덱싱에 비례하여 제어된다. 제어 조합은 제어 인터페이스들의 제어 조합을 지칭한다.
도2는 도1의 시스템에 대응하여, 4개의 챔버를 가진 실린더 액추에이터의 상태표의 일례를 도시한다. 작동 챔버들의 유효 영역들은 2진 가중 계수로 부호화된다. A:B:C:D = 8:4:2:1. 상태표에는 하나의 상태에서 다음 상태로 진행할 때 상이한 압력하에서 유효 표면들이 변경되는 방법이 나타나 있다. 이러한 이유로, 액추에이터에 의해 생성된 힘 반응 또한 균등하게 등급화된다.
컬럼 "U%" 에서, 상이한 제어를 위한 인덱스는 10진수로 주어진다. 컬럼 "dec 0...15" 에서, 작동 챔버들의 2진 상태 (HP, LP)로부터 형성된 2진수에 대응하는 10진수가 주어진다. 컬럼 A, B, C, D에서, 챔버들의 2진 상태들은 상태 비트 1이 고압 (HP)을 나타내고 상태 비트 0이 저압 (LP)을 나타내는 방식으로 표현된다. 컬럼 "a/HP"과 "a/LP"에서, 액추에이터의 HP와 LP 압력에 연결된 유효 영역들은, 상기 영역들의 비율이 충족된다는 전제하에, 비례수로 표시된다. 컬럼 "dec 0..0.255" 에서, 제어 인터페이스의 2진 상태로부터 형성된 2진수에 대응하는 10진수가 주어진다. 컬럼 A-LP, HP-A, B-LP, HP-B, C-LP, HP-C, D-LP, HP-D 은 각각의 제어 (1은 개방 0은 폐쇄)에 부합하는 제어 인터페이스들의 2진 상태들을 포함한다. 충전 회로들의 수가 증가하는 경우, 작동 챔버들의 상태 수를 증가시키면서, 예를 들면, 3진 시스템 (수 0, 1, 2), 4진 시스템 (수 0, 1, 2, 3) 또는 다른 방법으로 상태를 표시할 수 있음은 명백하다.
도 3은 도2에서 일례로 도시된 상태표에 나타낸 경우에 대한, 그리고 예를 들면, 도1에 따라 이상적으로 2진 부호화된 영역들을 가진 4-챔버 실린더를 위한 힘 그래프이다. 상기 보다 상세한 예에서, 실린더 피스톤의 직경은 85　mm, HP회로의 압력은 14　MPa, LP 회로의 압력은 1　MPa이다. 도3의 그래프중 위쪽 그래프는, 도2의 상태표에 따라 작동 챔버들을 HP 및 LP 회로에 결합하여 이루어지는 작업 챔버들의 상이한 결합 조합을 이용하여 달성되는, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합을 크기 순으로 도시한다.
아래쪽 도면에서는, 위쪽 곡선은 등급이 부여된 힘의 합을 연속 함수로서 나타냄으로써 액추에이터의 힘의 생산을 보여준다. 아래쪽 곡선은, 이 경우, 액추에이터의 확장을 억제하거나 확장에 저항하는 외부 부하력의 영향을, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합에 더함으로써 산출되는, 액추에이터의 피스톤 또는 피스톤 로드의 가속도에 비례한 유효력 생성을 도시한다. 부하력은 적용 사례에 따라, 또한 제어대상에 의해 발생한 부하에 따라 달라진다. 본 일례에서, 외부력의 억제는 부정적인것으로 간주된다. 즉, 이것은 유효력 곡선을 아래로 하강시키고, 외부 견인력은 유효력 곡선을 위로 상승시키며, 본 일례에서, 액추에이터의 확장을 촉진한다. 이러한 제어값에 대한, 또는 측정 유효력 또는 가속도가 제로인 제어값에 대한 근사값이 그래프로부터 도출된다. 제로 힘 포인트는 액추에이터에 의해 생성된 유효력이 제로인 기준값에 대한 근사치를 나타낸다. 제로 가속 포인트는 액추에이터의 이동부의 가속도가 제로인 제어값을 나타낸다. 실린더 액추에이터의 경우, 부하가 피스톤 로드에 연결되었다면, 이동부는 피스톤과 피스톤 로드이며 프레임은 움직이지 않는다. 반면, 부하가 프레임에 연결되었다면, 이동부는 피스톤과 피스톤 로드에 대해 상대적으로 움직이는 프레임이다. 2진 액추에이터의 경우, 도3의 곡선은 1차 다항식인 연속 함수, 즉 직선이다.
디지털 유압 시스템의 일례 II
도 11은 스로틀링없는 제어 방법에 기초한 디지털 유압 시스템인 시스템의 일례를 도시한다. 또 다른 실시예의 시스템은 도 11의 하나 이상의 액추에이터를 구비한다. 대응 요소가 있는 경우 도11의 구성요소들의 참조 부호는 도1의 구성요소들의 참조 부호와 대응된다. 이렇게 하여, 스로틀링없는 제어 방법에 기초한 디지털 유압 액추에이터를 적용한 시스템이 된다. 상기 시스템은 적어도 하나의 액추에이터 (23)와 둘 이상의 충전회로들 (3, 4, 121)을 구비하며, 이 구성요소들로부터 유압력은 액추에이터 (23)의 작동 챔버들로 공급된다. 액추에이터 (23) 과 제어 회로 (40, DACU)는 에너지 충전 유니트의 일부로 사용될 수 있으며, 일 례로서, 스프링 (113) 또는 로드 (L)에서의 위치 에너지 충전을 들수 있다. 부하 (L)는 예를 들면 힘 제어에 의해 제어되는 부하를 지칭한다. 하나 이상의 충전 회로들은 에너지 충전 유니트의 일부로 사용되는 각 액추에이터에 결합된다. 둘 이상의 충전 회로들은 또 다른 부하를 제어하는 각 액추에이터에 연결된다. 충전 회로는 최소한 필요한 제어 인터페이스 (도1 참조)를 구비한 제어 회로에 의해 액추에이터에 연결되며, 이로써, 각 작동챔버는 충전 회로에 연결될수 있으며, 일반적으로 상기 연결은 폐 연결이다. 바람직하게는, 액추에이터의 모든 작동 챔버는 폐쇄되어 있으며 시스템에 속한 모든 충전 회로에 연결될 수 있다. 각 제어 인터페이스는 예를 들면, 하나 이상의 온/오프 타입 밸브들로 실행된다. 밸브들은 필요한 라인들을 구비한, 예를 들면, 밸브 블록에 배치된다.
각각의 제어 회로 (40)는 각각의 제어기와 함께 디지털 가속 제어 회로 (DACU)를 구성한다. 제어기의 보다 상세한 작동 방법과 제어 알고리즘은 액추에이터의 적용에 따라 달라진다. 도면에서, 상기 유니트에 연결될 충전 회로들은 참조 부호 HPi, MPi, LPi 로 나타내며, 이때 i는 정수이다. 액추에이터의 부호에 포함된 화살표는 상이한 압력 레벨과 유효 영역에 기초한 조정성을 나타낸다. 제어기 실행의 일례는 도 5에 도시된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은 충전 유니트 (110)에 연결된 충전 회로 (3, 4)에 필요한 유압력을 생성하는 적어도 하나의 충전 유니트 (110)를 구비한다. 하나 이상의 충전 유니트들은 각 충전 회로에 연결되거나, 다른 충전 회로를 통해서 또는 다른 방법으로 (예를 들면, 도 11의 압력 컨버터 (112) 또는 도 12의 펌프 압력 컨버터 (122)) 간접적으로 유압을 공급받는 충전 유니트인 경우 (예를 들면, HPia, HPia, LPia (i는 정수)로 표시되는 충전 유니트 (116, 117))는 충전 유니트에 연결되지 않는다. 충전유니트 (110)는, 예를 들면, 종래 유압 펌프와 그의 드라이브를 구비한 유압 펌프 유니트 (112)를 가진 하나 이상의 펌프 유니트 (111)를 구비한다.
펌프 유니트가, 병렬 결합된 몇 개의 유압 펌프 또는 불균등 용량을 가진 최소한 하나의 펌프를 구비한 경우, 상기 용량은 서로 무관하게 제어되며, 유압력은 상이한 압력 레벨을 가진 충전 회로들 간에 동시에 전달된다.
충전 회로 (110)는 제어 및 안전 밸브 시스템 (124)를 구비하며, 이로써 펌프 유니트의 각 라인은, 본 일례에서는 펌프 유니트의 라인 (119, 118)은, 서로 독립적으로 시스템에 포함된 모든 충전 회로 또는 탱크 라인 및 탱크 (T)에 연결될 수 있다. 제어 및 안전 밸브 시스템 (124)를 이용하여, 충전 회로 내에서 또는 펌프 유니트의 라인내에서 압력 레벨이 너무 높게 상승하지 않도록 제어된다.
시스템이, 동일한 충전 유니트에 연결되지 않은 충전 회로들을 구비한 경우, 에너지는, 예를 들면, 압력 컨버터를 이용하여 상기 충전 회로들간에 전달된다. 일 예로서, 도 11의 충전 회로 HPi and HPia 가 언급되었으며, 여기에서 두 개 이상의 충전 회로들로부터 압력 컨버터를 통해 둘 이상의 충전 회로들에게로 동시에 에너지 전달이 가능하다.
하나 이상의 에너지 충전 유니트들은 각각의 충전 회로에 연결될 수 있다. 에너지 충전 유니트는, 위치 에너지의 형태로, 예를 들면, 부하 (L) 또는 스프링 (113) 상에 에너지를 충전하는, 예를 들면, 종래의 축압기 (17, 18) 또는 디지털 실린더 액추에이터 (23)이다. 에너지는 압축가능한 가스 또는 에너지의 다른 형태로 위치 에너지로서 충전된다. 충전 회로들의 압력은 에너지 충전 유니트와 충전 유니트에 의해 원하는 레벨로 유지된다.
스로틀링없는 제어에 기초한 디지털 유압 액추에이터와, 스로틀링 제어 밸브에 의해 제어되는 종래 액추에이터는 둘다 도 13c와 13d에 도시한 바와 같이 각각의 충전 회로에 결합된다. 도13c와 13d
또한, 하나 이상의 서브 회로들은, 압력 컨버터 또는 펌프 압력 컨버터로 적용되는 디지털 유압 액추에이터를 이용하여 각각의 충전 회로에 연결될 수 있다 서브 회로는 그 무정전 작동이, 다른 충전 회로로부터 유입된 에너지에 따라 좌우되는 충전 회로이다. 다른 사항들에서는, 다른 충전 회로들에 적용된 동일한 원리가 서브 회로들에 적용된다.
충전 유니트
이제, 충전 유니트 (110)의 작동에 대해 설명한다. 유압 펌프 유니트 (120)는, 하나의 흡입 라인과 하나의 가압 라인을 구비한 종래 유형 또는 종래 펌프 모터인 하나 이상의 유압 펌프 또는 펌프 모터들을 구비하거나, 제어에 따라 흡입 라인 및 가압 라인 모두로 사용되는 몇 개의 라인을 구비한 디지털 유압 모터들 또는 펌프 모터들을 구비한다. 본 예에서, 라인 (119)은 체적 유량을 수신하는 종래 유압 펌프의 흡입라인이며, 라인 (118)은 체적 유량을 전달하는 압력 라인이다. 제어 및 안전 밸브 시스템 (124)의 기능은, 가압 매체를 전달해줄 충전회로로 라인 (119)을 연결하는 것이며, 가압 매체와 유압력이 공급될 충전 회로로 라인 (118)을 연결하는 것이다.
제어 유니트하에서, 충전 유니트 (110)의 펌핑 알고리즘은 일반적으로, 라인 (118)이 항상 이러한 충전회로에 연결되는 원리에 의해 작용하며, 이때, 목표 압력 창 또는 목표 압력의 최소값으로부터의 상대적인 압력 이탈이 가장 크다. 이에 상응하는 방식으로, 라인 (119)은 이러한 충전 회로에 항상 연결되며, 이때, 목표 압력 창 또는 목표 압력의 최대값으로부터의 상대적 압력 초과가 가장 높다. 충전 회로의 압력이 최대값 또는 대응하는 목표 압력 창의 목표 압력을 초과하지 않는 경우, 라인 (119)은 탱크 라인 (탱크 T)에 연결되며, 이에 대응되는 방식으로, 라인 (118)은 이러한 충전 회로에 연결되며, 이때 목표 압력 창 또는 목표 압력의 최소값으로부터의 상대적인 압력 이탈이 가장 크다. 모든 충전 회로의 압력이 최대값 또는 대응하는 목표 압력 창의 목표 압력을 초과하는 경우, 라인 (118)은 탱크 라인 (탱크 T)에 연결되며, 이에 대응되는 방법으로, 라인 (119)은 이러한 충전 회로에 연결되며, 이때 목표 압력 창의 최대값으로부터의 상대적인 초과가 가장 높다. 이 경우에, 에너지는 충전 회로로부터 펌프 유니트 (111)를 통해, 예를 들면, 운동 에너지로 전달되거나, 충전 회로로부터 펌프 유니트 (111)를 통해 전달되어, 예를 들면, 발전기 및 충전가능한 배터리를 이용한 전기 에너지 생산을 위해 사용된다.
펌프 유니트 (111)의 진동을 방지하기 위해, 커플링은 충분히 긴 시간간격을 두고, 예를 들면, 최소한 1초의 커플링 주기로, 변경된다. 하나의 충전 회로의 압력이 목표 압력 또는 목표 압력 창과 다른 경우, 목표 압력이 달성되는 범위내에서 라인 (118)은 연결된 상태로 유지된다. 모든 충전 회로들의 압력들이, 대응 목표 압력 창들의 최소값 이하에 머무는 경우, 압력들은 상기 알고리즘에 의해, 또한, 압력간의 관계를 대응 목표 압력들간의 관계와 동일하게 유지함으로써, 교호 연결된다. 이렇게 하여, 충전 회로가 아직 충전 단계에 있고 목표 압력이 아직 달성되지 않아도, 액추에이터들의 성능은 양호하게 유지된다. 압력들이 대응 목표 압력들로부터 다른 방향으로 이탈되는 경우, 가압 매체는 충전 회로로부터 제거되며, 이때, 압력 레벨의 목표 압력의 상대적인 초과가 가장 높으며, 가압 매체는 충전 회로로 공급되며, 이때, 목표 압력으로부터의 압력 레벨의 상대적인 부족이 가장 높다.
부하를 이동하기 위한 다량의 힘을 액추에이터가 직접적으로 요구하는 상황에서, 소정의 충전 회로의 충전은 잠시 동안 또는 영원히, 다른 회로들의 충전보다 우선처리되거나, 소정의 충전 회로는 상기 액추에이터에 의해 사용되기 위해 결합된다. 제어 유니트는 충전 유니트 (110)에서 상기 동작을 실행하도록 구성되어 있으며, 적절한 제어 신호에 의해, 또한, 상이한 가압 회로들의 압력 측정치를 특히 포함하는 측정치를 기초로 그 구성요소들을 제어한다. 충전 회로들과 충전 유니트의 라인들은 바람직하게는 제어 유니트에 연결된 압력 센서를 구비한다.
디지털 유압 액추에이터의 제어기
다음은 시스템을 제어하기 위해 사용되는 제어기에 대해 설명할 것이며, 이 제어기는 액추에이터를 이용하여 부하를 제어하기 위해 필요한 제어값을, 기준값을 이용하여 계산한다. 이 경우, 제어값은 제어 인터페이스들의 상태와 그들의 제어 밸브들의 상태를 나타내는 값이다.
몇 개의 가능한 제어기 운영방법이 있으며, 그중 적절한 몇가지는 여기에서 제시될 것이다. 제어기가 제어 인터페이스의 최적 상태, 즉, 제어 밸브들의 위치 (개방 또는 폐쇄)를 계산한다는 것은 상이한 제어기들의 공통된 특징이다. 제어 계산은 소정의 기준값과 측정된 변수를 기초로 실행된다. 제어기의 디지털 출력은 제어 밸브들의 위치를 설정하기 위해 사용된다.
제어 인터페이스들의 상태들이 2진수 0과1에 의해 표시될 때, 출력 조합들의 수는 총 2n 이며, 여기에서 n은 출력의 수이다. HP회로와 LP회로 모두가 동시에 동일한 작동 챔버에 결합되는 상황은 허용되지 않으므로 이러한 조합들중, 일부만 사용된다. 상기 상황은, 예를 들면, HP회로로부터 LP회로로의 단락 유량과, LP회로와 HP회로 모두의 압력으로부터 작동 챔버 (20)의 압력의 이탈을 유도할 수 있는, 제어 인터페이스 (11)(HP-B)와 제어 인터페이스 (12)(B-LP)가 모두 개방된 상태를 의미한다. 단락 유량은 피해야 할 상황인 에너지 손실을 초래한다. 본 발명의 조정 방법은, 시스템의 운동 상태가 무단 (stepless) 방식으로 하나의 제어 밸브에 의해 제어되는 비례 조정과는 실질적으로 상이하다.
제어기 (24)의 작동은, 시스템 시뮬레이션에 적합한 개략도 수준인 도면에 도시되어 있다. 개략도에 도시된 원리에 기초하여, 이 분야의 전문가는, 부하를 제어하는 시스템에 연결된 필요한 제어기 장치 (제어 알고리즘/제어 소프트웨어)를 설계하고 실행할 수 있다. 이것은 일반적으로, 신호 처리에 적합하고 소프트웨어에 의해 제어되어 소정의 컴퓨팅 알고리즘을 실행하는 프로세서이다. 제어기는 신호들을 수신 및 생성하기 위해 필요한 입력들 및 출력들을 구비한다. 제어기는 디지털 가속 제어 유니트 (DACU)의 일부를 형성한다.
본 명세서에서 제어 계수를 설명할 때, 도4에 도시되고, 출력 변수 (Out1)가 일부 제어 변수로 조정된 조건들 P(증폭), I(적분), D(미분) 의 합이 되도록 입력 변수 (In1)를 조정하는 것으로 알려진 수단에 대한 언급이 이루어진다. 일반적으로 상기 입력은 측정값을 기초로 세트값 또는 기준값으로부터 산출된 나머지이다. 효율성을 위한 보다 정확한 수치는 실증적으로 또는 제어기의 조정과 연계한 계산에 의해 얻을 수 있다.
도5는 도1세 도시한 4-작동챔버 액추에이터용 제어기 (24)를 도시한다. 대응 제어기는 대응 부호화된 작동 챔버 영역을 가진 액추에이터나 액추에이터 유니트에 적용될 수 있다. 제어기 (24)의 원리는 4-챔버 또는 2진 부호화된 액추에이터 이외의 것으로 확장될 수 있다.
액추에이터에 의해 제어기로 생성된 힘에 대한 데이터뿐 아니라 가속 데이터의 피드백 결합에 의해, 힘제어 시스템은 가속제어될 수 있다. 이에 기초하여, 부하력에 상관없이 액추에이터를 원하는대로 가속할 수 있는, 제어에 대해 제로 가속을 생성하는 보상 조건을 산출할 수 있다.
가속제어 시스템은, 속도 기준값을 제어기에 제공하고 이 속도 기준값을 액추에이터로부터 측정된 속도 데이터와 비교함으로써 (속도 피드백) 속도제어될 수 있다. 이렇게 하여, 액추에이터에 의해 생성된 힘은 속도차 변수, 즉, 속도 기준값과 실제값의 차이, 또는 속도 데이터에 비례하여 비교된다. 상기 차이 변수는 도4에 도시한 부재에 의해 조정된다.
속도제어 시스템은, 위치 기준값을 제어기에 제공하고 이 위치 기준값을 액추에이터로부터 측정된 위치 데이터와 비교함으로써 위치제어될 수 있다. 이렇게 하여, 속도 시스템에 입력될 액추에이터의 속도 기준값은, 위치 차이 변수, 즉, 위치 기준값과 실제값과의 차이에 비례하여 조정된다. 액추에이터의 힘 제어에 기초하여 이러한 방법으로 실행된 위치 제어 시스템은 소위 2차 제어 시스템의 일 례이다.
도5의 제어기 (24)는 액추에이너틔 위치를 조정하고, 2차 제어를 수행하고, 산출된 제어값을 제어 인터페이스들의 상태 조합으로 변환한다. 제어기는 액추에이터의 위치에 대한 기준값 (26)과 위치 데이터 (27)를 입력받아, 그들 사이의 차이, 즉, 위치 차이 변수를 계산한다. 위치 차이 변수는 위치 제어 블록 (61)에서 조정되어 (위치 제어 계수) 도4에 도시된 부재 (25)에 의해 속도 기준값 (28)을 형성한다. 속도 데이터 (29)를 속도 지침값 (28)으로부터 감산해서, 속도 차이 변수를 획득한다. 속도 차이 변수는 도4에 도시된 부재 (25)에 의해 속도 제어 블록 (38)에서 조정되어 (속도 제어 계수), 예를 들면, -1에서 +1까지의 범위에서 포화되고 제어 컨버터 (32)로 입력된 힘 제어값 (31)을 형성한다. 이런 방법으로 조정된 제어값은 추가로 용이하게 조정되어 제어 인터페이스의 제어값들을 형성한다. 속도 제어 블록 (30)의 계수에서 I-조건이 제로이면, 즉, 적분 제어가 사용되지 않는 경우, 제어값 (31)은 원하는 가속에 비례하며, 이때 제어값 (31)을 상대 가속 제어값이라고 한다. 적분 제어가 사용되는 경우, 제어값 (31)은 원하는 힘의 생산에 비례한 변수에 근사하며, 부하력을 보상하기 위한 조건이 더 이상 제어에 추가되지 않는다.
제어 컨버터 (32)의 기능은 주로 제어값 (31)을 제어 인터페이스들의 2진 제어로 변환하는 것이다. 적분 제어가 사용되지 않는 경우, 상기 기능을 위해서는, 제어 컨버터는 액추에이터에 유효한 부하력에 대한 정보가 필요하며, 제어할 부하에 비례한 조건을 추가하여 원하는 가속을 만족시킨다. 또한, 제어 컨버터 (32)는 위치 차이 변수 (33)에 대해 실시간 센서 데이터로 획득한 데이터, 속도 데이터 (29), 속도 차이 변수 (34)를 검토하여, 그 검토결과를 바탕으로, 예를 들면, 모든 제어 인터페이스를 폐쇄함으로써 시스템을 잠금 위치에 두어야 하는지에 대한 판단을 한다. 예를 들면, 소정의 위치 기준값 (26) 또는 제로 속도가 충분한 정확성을 가지고 달성되는 경우, 밸브들의 상태를 변경하기 위해서는 에너지가 소모되기 때문에 제어를 계속할 필요가 없다. 제어 컨버터 (32)는 사용될 잠금 상태의 유형에 대한 기준값 (35)을 필요로 한다. 대체안들로는, 예를 들면, 1) 어떠한 경우에든 잠금상태를 사용하지 않음, 2)항상 수동으로 잠금 (오버라이드(override) 유형에서는 이를 "강제로" 라고함), 3) 위치 제어의 필요에 의해 잠금, 4) 속도 제어의 필요에 의해 잠그는 방법이 있다.
제어 컨버터 (32)의 기능은, 예를 들면, 각 컨버터가 단일 액추에이터의 제어 인터페이스를 제어하도록, 몇 개의 개별 컨버터로 분리될 수 있다. 가속을 위한 제어값 (31), 즉, 상대적인 힘 제어값은, 부하 상황에 따라 원하는 가속에 대응하는 위치들을 산출하는 모든 컨버터들에 입력될 수 있다.
또는, 제어 컨버터의 기능은 제어기의 주 레벨상의 모듈 부분들로 분리될 수 있다. 이렇게 하여, 제어 컨버터의 부분들에 입력되기전에 시스템으로부터 획득된 몇 개의 변수들에 기초하여 개별적으로 조정되는, 벡터값 제어를 위한 공통적인 동작이 실행되는 방법으로 제어 컨버터의 동일한 부분들에서 몇 개의 액추에이터들을 제어하는 것이 가능하다. 또는, 다양한 제어 벡터들, 즉, 제어 변환표를 이용하여 시스템의 단일 공통 개별 제어로부터 동일한 제어 컨버터내에서 몇 개의 액추에이터들을 제어하는 것이 가능하다.
지연 블록 (36)이 필요하지는 않으나, 제어 인터페이스의 밸브들의 기능에 유효한 최적화를 실행하기 위해 사용될 수는 있다. 예를 들면, 지연 블록 (36)의 기능은 디지털 제어의 상승 에지상의 밸브들의 제어값들 (37)의 변경을 지연시키는 것이며, 필요한 경우, 에너지 소모의 측면에서 유용하다면 제어 인터페이스의 개방을 제어하는 것이다. 필요한 지연들은, 예를 들면, 액추에이터의 속도 데이터 (29)를 기초로 계산된다.
다음으로, 속도 제어 시스템의 제어기에 대해 설명한다.
도6에 도시한 바와 같이, 속도 제어 시스템은, 작동을 위해, 액추에이터의 속도 기준값 (28)과 속도 데이터 (29)를 요구하며, 이들은, 예를 들면, 속도 센서로부터 직접 측정된 데이터 또는, 특히, 시기 적절한 변경에 따른 위치 변경, 즉, 위치 데이터와는 구분되는 변경과 같은 또다른 측정 변수들로부터 추정된 데이터로서 획득된다. 위치 제어 루프는 속도제어 시스템에서 생략되었다. 다른 부분들에 대해, 속도 제어 시스템은 도5의 위치 제어 시스템과 동일한 방법으로 작동된다.
다음으로, 속도 제어 시스템의 제어기에 대해 설명한다.
가속 제어 시스템은 피드백 센서 데이터로서 액추에이터의 속도 데이터 (29)를 요구한다. 그러나, 이것은 제어를 위해 사용되지는 않으며, 예를 들면, 도5에 도시한 바와 같이 제어 컨버터 (32)에서 필요한 잠금 시스템을 위해 사용된다. 또한, 잠금 시스템은 속도 차이 변수에 대한 데이터, 또는 제어값 (31)의 상태에 대한 데이터, 즉, 제어값이 제로에서 얼마나 차이나는가에 대한 데이터를 필요로 한다. 다른 부분들에 대해, 힘 제어 시스템은 도5의 위치 제어 시스템과 동일한 방법으로 작동된다.
또한, 속도 및 가속 제어 시스템에서, 제어 인터페이스의 개방 지연을 지능적으로 추가하는 것은 도5의 지연 블록(36)과 함께 유용하다.
제어기의 제어 컨버터의 작동은 도8에서 개략도의 수준으로 도시되어 있으며, 컨버터에서 사용되는 도2의 상태표도 동시에 언급된다. 소정의 제어값(31)을 기초로, 제어 컨버터 (32)는 제어 인터페이스에 적합한 2진 상태들 (38)을 산출한다. 개별 힘의 레벨들이 불확실하므로, 제어값 (31)은 필요한 경우 조정될 수 있으며, 레벨 변환될 수 있고, 정수로 어림수 처리될 수 있다. 적분 제어 (블록 61, 30)가 제어기에 적용되지 않는 경우, 가중 제로 포인트 또는 그에 비례한 변수에 대한 추정치 (38)가 제어 컨버터 (32)에서의 제어값 (31)에 추가된다.
액추에이터의 상대적 힘 제어 값 (31)은, 액추에이터의 상태표(도2, u%) 제어를 위한 지수 범위로 조정되어야하며, 이 조정은 모든 부하 상황에서, 제로 (0) 제어값이 포화 블록의 입력에 가속 제로 포인트의 제어값을 생성하는 방법으로 이루어진다. 이것은, 본 예에서, 상대적 힘 제어값을, 제어를 위한 지수 범위의 절대값과 곱한 후에, 가속 제로 포인트에 대한 추정치 (38)를 신호에 추가함으로써 실행된다. 그 결과는 0 내지 15의 지수 범위로 포화되고, 가장 근사치의 정수로 어림수 처리되며, 여기서 개별 제어값 u% 이 형성된다.
그 다음에는, 제어 인터페이스들의 2진 상태로 형성된 2진수에 대응하는 10진수가, 그에 대응하는 개별 제어값 u%에 해당하는 목록표 (0...255) 로부터 인출되는 방식으로A/D(아나로그-디지털) 변환이 실행된다. 목록표로부터 인출된 10진수는 2진수로 변환되어, 그 2진수의 비트들은 상태표에 따라 각각의 출력으로 분리된다. 이렇게 하여, 2진 제어 (39) (개폐)가 각각의 밸브에 대해 형성된다. 잠금 상황에서는, 각각의 제어 인터페이스들의 제어는 폐쇄에 대응하는 상태로 설정된다.
액추에이터에서의 에너지 소모에 대한 관리 및 최적화
다음으로, 시스템의 작동 챔버들의 상태들의 변경에 대해 설명할 것이다. 작동 챔버의 압력이 LP압력에서 HP압력으로 상승하면, 작동 챔버내의 가압 매체 또한 압축되며, 시스템의 구조는 어느 정도 변형되므로, 시스템의 자체 운동 에너지를 이용하여 선압축이 수행되지 않으면,HP 회로로부터 작동 챔버로 에너지가 공급되어야 한다. 압력이 LP압력으로 감소하는 경우, 에너지를, 가압 매체의 확장 (선확장)에 의해, 시스템에서 사용될 운동 에너지로 결합하기를 원하지 않거나 결합할 수 없다면, 상기 압축된 가압 매체로 결합된 에너지는 낭비된다. 상태 변화가 일어나는 작동 챔버가 클수록, 가압 매체의 체적도 커지며 상태 변화에서 소모되거나 방출되는 에너지양도 커진다. 그러므로, 상태 변경의 수는 에너지 소모에 직접적인 영향을 끼친다.
도2의 상태표를 검토해보면, 상이한 제어값들 u% 이 변경되면, 상이한 수의 작동 챔버 특정 상태 변경들이 발생함을 알수 있다. 제어값들 u% = 4 와 u% = 5 에서는 가장 작은 작동 챔버 (D-챔버)의 상태가 변경되는 반면, 제어값들 u% = 7 와 u% = 8 에서는 모든 작동 챔버들의 상태들이 변경된다. 그 결과, u% = 4 와 u% = 5 사이의 상태 변경은, 제어값 u% = 7 과 u% = 8. 사이의 상태 변경보다 몇배나 적은 에너지를 소모한다.
에너지 소모의 측면에서, LP회로에 연결된 제어 인터페이스의 상태변경과, 동일한 챔버의 HP회로에 연결된 제어 인터페이스의 상태변경을 항상 동시에 수행하는 것이 유리한데, 그 이유는, 이런 경우에 제어 인터페이스들중 하나의 제어 인터페이스가 개방하기 시작하면 동시에 다른 하나의 제어 인터페이스가 폐쇄되기 시작하기 때문이다. 그러므로, 예를 들면, 제어 밸브들중 폐쇄되는 부재들이 동시에 움직이면, 제어 인터페이스들은 둘다 절반이 개방되므로, 상당한 양의 체적 유량 (소위 단락 유량)을 순간적으로 통과시키며 이는 에너지를 소모하는 결과를 초래한다. 본 명세서에서, 이 현상은 짧은 기간의 동력 손실이므로 버스트(burst)상태 변경이라고 한다.
제어 밸브들의 작동 속도들을 증가시키고 이를 시스템 제어에 있어서 참작함으로써 동력 손실은 감소될 수 있다.
작동 챔버가 수축되고 그 압력이 LP압력으로부터 HP압력으로 상승해야 하는 경우, 에너지 소모의 측면에서, HP 회로로 연결된 제어 인터페이스에 대한 개방 지연을 설정하는 것이 유리하다. 이렇게 하여, LP 회로로 연결된 제어 인터페이스가 폐쇄된 경우, 작동 챔버는 일정 시간 동안 폐쇄된다. 작동 챔버가 추가로 수축되는 경우, 작동 챔버의 압력은 상승하며 (선 압축), HP회로에 연결된 제어 인터페이스는, 작동 챔버내의 압력이 HP압력의 수준으로 상승하는 순간의 불필요한 동력 손실없이 개방된다. 작동 챔버가 확장되고 그 압력이 HP압력에서 LP압력으로 변경되는 경우, 대응하는 이점을 얻을 수 있다. 이렇게 하여, LP 회로로 연결된 제어 인터페이스에 개방 지연이 설정되며, 다시 말하면, 작동 챔버가 확장되어 작동 챔버의 압력이 LP압력 수준으로 감소하면 (선 확장), 작동 챔버의 상태 변경은 일정 기간동안 작동 챔버를 폐쇄하고 대기함으로써 수행된다. 이렇게 하여, LP회로에 연결된 제어 인터페이스는 동력 손실없이 개방될 수 있다. 다른 상태 변경에서는, 동력 손실을 피하기는 어려우며, 개방 지연이 사용되지 않는다.
개방 지연은 도5의 제어기 (24)에서, 예를 들면, 상기에 나타낸 바와 같이 지연 블록 (36)에서 제어된다.
일 례에서, 작동 챔버의 상태 변경에서의 동력 손실을 최소화하기 위해, 상태 변경과 연계하여, 예를 들면, HP회로와 LP회로의 압력들 사이에, 대략 두 압력들 사이의 중간 쯤에 설정된 압력 레벨을 이용하는 것이 가능하다. 도11에 도시한 바와 같이, 그것은 충전 회로 (121), 즉, MP 회로이다. 바람직하게는, 최소한 하나의 에너지 충전 유니트, 예를 들면, 축압기가 MP회로에 연결된다.
셋이상의 압력 레벨을 가진 시스템에서, 작동 챔버의 두개의 압력 레벨들 사이에 남은 압력 레벨을 이용하여, 작동 챔버의 두개의 압력 레벨들 사이에 상태 변경을 거의 손실없이 수행할 수 있다. 단일 디지털 유압 액추에이터의 작동 챔버의 상태 변경에 대해 설명할 것이다. 상태 변경 초기에는, 작동 챔버가 LP압력하에 있다. 초기에는, MP회로가 작동 챔버에 연결되며, 압력은 작동 챔버내에서 증가한다. 압력 레벨이 HP압력에 충분히 가깝거나, 최대압력일 경우에, HIP 회로는 작동 챔버에 연결되며, 이때 압력 변동은 작고 압력 초과는 거의 발생하지 않는다. 어떤 단계에서든, 가압 매체 흐름을 스로틀링 할 필요는 없으며, 그 결과 거의 손실없는 상태 변경을 수행할 수 있다. 상태 변경을 위해 필요한 에너지는, 배관의 기생 인덕턴스에 의해, 작동 챔버 또는 충전 회로로부터 충전 회로의 운동 에너지로 방출되어, 추가로 작동 챔버의 압력 에너지로 방출된다.
작동 챔버의 HP 압력으로부터 LP압력으로의 상태 변화도 상기와 대응되는 방법으로 실행된다. 우선, MP회로는 작동 챔버에 연결되며, 압력 부족이 가장 심할 때, 작동 챔버는 LP압력에 연결된다. 에너지는 상기에 설명한 대로 상태 변화에서 결합되고 방출된다.
충전 회로들의 압력 레벨의 제어 및 최적화
다음으로, 등급화와 힘의 레벨에 대한 HP와 LP압력들의 영향과, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합의 조정성에 대해 설명한다.
LP 압력이 매우 낮은 경우, HP압력이 증가하면 최대 추진력 (양의 힘의 합)과 최대 견인력 (음의 힘의 합)은 둘다 증가한다. 이렇게 하여, 힘의 범위의 면적이 증가하면, 힘의 레벨의 수는 변하지 않으므로 힘의 레벨 사이의 차이도 증가한다. 적용례에서 HP및 LP압력들 사이의 매우 높은 비율을 사용하는 것은 적절하며, 이때, 요구되는 힘의 합의 크기와 방향은 상당히 크게 가변된다. HP압력이 소정의 레벨로 설정되고 LP압력이 증가한 후, 최고의 개별 제어로 얻을 수 있는 양의 힘의 합은 감소하며, 최저 개별 제어를 통해 얻을 수 있는 음의 힘의 합은 양의 방향으로 이동하며, 이때 액추에이터의 힘의 범위는 좁아진다. LP압력이 충분히 증가하면, 최저 개별 제어를 통해 얻을 수 있는 힘의 합은 음에서 양으로 이동함으로써, 최대 개별 제어를 통해 얻을 수 있는 양의 힘의 합에 더욱 가까워진다. 힘의 범위가 좁아지면, 힘의 레벨간의 차이도 좁아지며, 이때, 액추에이터의 가속의 변화도 동시에 줄어든다. 이것은, 부하력이 크게 가변되지 않는 경우, 즉, 부하력이 소정의 허용값 이내에 있는 경우, 조정성을 향상시킨다. 이렇게 하여, 어떤 적용례에서는, 필요하다면, LP및 HP압력들은 능동적으로 조정되어, 부하를 최적의 방법으로 이동하기 위해 요구되는 힘의 생산을 힘의 범위가 보장할 수 있도록 하는 것이 적절하다. 상기 제시된 방법은, 버스트 상태 변경의 동력 손실이 적을수록 HP및 LP 압력들이 서로 가까워 지므로, 에너지 소모를 감소시킨다. 또한, 힘의 레벨의 차이가 작을수록, 조정은 보다 정확해지며, 최적화는 더욱 용이해지고, 에너지 효율은 향상된다.
시스템이 가압 매체를 위한 대체 저장 유니트들을 구비하지 않은 경우, 축압기들에 수용된 가압 매체의 양은 HP회로의 최대 압력을 제한한다. 한편, LP회로의 최소 압력은 제어 밸브들의 처리 용량에 의해 결정되며, 액추에이터의 요구 속도와 함께, 압력차에 비례하며, 이때 HP및 LP압력들은 서로 상관하지 않고 조정될 수는 없다. HP및 LP압력들을 서로 상관하지 않고 조정하려면 시스템은 가압 매체를 위한 대체 저장 유니트를 포함하여야 한다. 저장 유니트는, 예를 들면, 축압기 또는 가압 매체 탱크일 수 있다.
제어기 최적화
다음으로, 부하력의 보상 조건의 추정에 대해 설명한다.
가속도 뿐만 아니라, 위치와 속도의 조정에 있어서, 부하력을 참작하기 위해서, 예를 들면, 측정 위치 데이터 (27)와, 위치 데이터로부터 측정 또는 적분되는 속도 데이터 (29)를 기초로 했을때만 가능한 적분 조정을 사용할 수 있다. 또는, 시스템의 이동부에 고정된 가속 센서로부터 획득한 가속 데이터와 액추에이터의 힘의 생산에 근거하여 획득한 데이터에 기초하여, 부하력을 보상하는 조건, 즉, 가속 제로 포인트 추정치 (38)를 제어값(31)에 추가하는 방법으로, 소위 가속 제로 포인트를 추정할 수 있다.
도1에 도시된 시스템을 이용하여, 추정은 시스템의 연속 상태의 힘의 방정식에 기초하며, 이때 가속도는 제로이다.
Figure 112011033188717-pct00001
여기서 a=0 이며,
Figure 112011033188717-pct00002
여기서, 액추에이터의 피스톤에 의해 액추에이터의 길이를 늘이는 방향으로 유효한 힘들은 양의 힘들이며, 액추에이터의 길이를 줄이는 방향으로 유효한 힘들은 음의 힘들이다.
Figure 112011033188717-pct00003
여기에서
Figure 112011033188717-pct00004

가속도가 제로라는 가정하에, 정수로 어림수 처리된, 즉, 개별값을 가지는 액추에이터의 제어 u% 는, 정적인 또는 동적인 부하력이 유효한 경우, 인식된 가속도의 절대값이 매 순간마다 최대한 제로에 가까워지도록 해야한다. 액추에이터의 제어는 제한된 수의 개별 상태를 가지며, 여기서 제로 가속도는 상기의 상태들에서 자주 이루어지는 것은 아니지만, 요구되는 제어에 대한 정확한 값을 계산할 수 있도록, 연속값을 이용한 이론적 제어를 개별값들 사이에서 생각해봐야 한다. 제로 가속도를 산출하는, 상기 연속값을 이용한 이론적 제어를 본 명세서에서 가속 제로 포인트 ua0 라고 한다. 상기 제어는 방정식에서 액추에이터의 개별 제어를 대체하여 사용된다.
Figure 112011033188717-pct00005
실시간 센서 데이터 또는 추정 데이터가 부하력, LP압력과 HP압력을 근거로 획득되는 경우, 상기 항 ua0 은 실시간 힘의 방정식으로부터 풀 수 있다.
Figure 112011033188717-pct00006

상기 항 ua0 은, 연속값을 가지거나 어림수 처리된 단계별 제어값 u%의 등가물을 나타내며, 이 등가물은 어림수 연산전에 액추에이터의 제로값 인덱싱 범위로 조정된 제어에 추가될 경우 최선의 방법으로 제로 가속도 근사치를 생성한다. 이렇게 하여, 액추에이터의 개별 제어 u%는 요구되는 쉬프트에 의해 정확하게 이동하여 요구되는 보상 효과가 실현된다.
상기 언급한 방정식들에서, 항 D1 은 작동 챔버 (19) (가장 큰 A-챔버)의 직경이며, pHP 은 HP회로의 압력이며, pLP 은 LP회로의 압력이며, Fload 은 액추에이터를 위해 감소된 부하력의 크기이다. 항 ua0 은 본 예에서 0에서 15사이에 가변된다. 힘의 방정식의 좌측은 액추에이터에 의해 생산된 힘 FCyl 을 나타낸다. 시스템에 의해 생산되는 힘 또한 제어값 ua0 (도2 참조)의 선택된 단계에 따라 달라지며, 이 힘은 가속 제로 포인트에서의 부하력과 등가이어야 한다.
시스템에 유효한 힘의 총합은, 예를 들면 센서 데이터 형태로 획득된 가속도를, 액추에이터를 위해 감소된 관성 질량과 곱셈하여 산출된다. 액추에이터에 의해 생선된 가정 힘 Fcyl 은 액추에이터의 개별 제어를 기초로 직접 산출될 수 있지만, 모든 상황에서 힘의 생산의 보다 신뢰성있는 결과는 작동 챔버들의 측정된 압력과 유효 영역들을 기초로 힘을 산출하여 획득하거나, 힘 센서로부터의 측정 결과로서 직접 획득할 수 있다. 이제, 부하력 Fload 은 상기 힘의 총합과 액추에이터에 의해 생성된 힘의 차이로서 획득된다. 계산 결과로 획득된 부하력의 값은 HP및 LP압력들과 함께 가속 제로 포인트의 방정식에 삽입될 수 있으며, 여기서 방정식은 그 결과로 가속 제로 포인트를 산출한다. 또는, 부하력 Fload 는, 액추에이터의 힘의 곡선에 대응하며 도2의 상태표와 동일한 방법으로 제어 컨버터(32)에 저장되는 표에 삽입될 수 있다. 부하력과 동일한 대항력을 생성하기 위해 필요한 제어값은 표에 제시된 부하력에 의해 찾을 수 있다. 표에 기초한 상기 방법은, 유효 영역들의 크기 설정이,, 힘의 레벨들이 불균등하게 등급화되도록, 예를 들면, 2진 수열로부터 벗어나는 경우에 기능적으로 특별하다.
산출된 또는 표로 작성된 제어값 (추정치 38)은, 예를 들면, 제어 컨버터 (32)에서, 액추에이터의 제어값(31)에 추가되며, 그런 다음에 제어 컨버터는 제어 인터페이스들의 제어(39)를 산출한다. 부하력의 보상은, 예를 들면, 도5에 도시한 바와 같이, 별도의 제어 블록에서 또는 보상 블록 (48)에서 수행된다. 보상 블록 (48)의 입력들은 액추에이터의 이동부의 가속도뿐만 아니라, HP 및 LP회로들의 압력들, 작동 챔버들의 압력들이다. 또한, 액추에이터들의 마찰 및 선단력은 액추에이터에 의해 생산되는 힘을 추정하기 위한 모듈에 포함되는 경우, 액추에이터의 위치 및 속도 또한 입력들로서 요구된다. 제어기의 입력들은, 예를 들면, 시스템에 배치된 적합한 센서들로부터 획득된다. 보상 블록 (48)로부터의 출력으로 획득한 가속도 제어 포인트 추정치는 제어기 컨버터 (32)로 입력된다.
제어 인터페이스에서의 고장 제어 및 최적화
다음으로, 본 발명의 시스템에서 적용될 시스템 및 방법, 특히 시스템의 제어기에 대해 설명할 것이다. 밸브에 결함이 생기면, 제어 인터페이스의 작동이 방해받으며, 이것은 시스템 제어를 위해 사용되는 제어기의 작동에 있어서 참작되어야 할 사항이다.
상기 언급한 방법의 원리들은, 고장 상황에서 제어 인터페이스의 하나 이상의 밸브들이 영원히 폐쇄되거나 개방되는, 하나 이상의 작동 챔버들을 구비한 액추에이터를 제어회로를 이용하여 제어하는 경우, 둘 이상의 압력 레벨들을 가진 시스템에 적용될 수 있다. 일 예의 상황에서, 이중 가압 시스템에서의 4-챔버 실린더 액추에이터에 대해 설명한다.
밸브들이 영원히 폐쇄된 경우, 액추에이터의 작동 챔버는 액추에이터가 잠금된 기간 또는 작동 챔버의 선 압축 또는 선 확장 기간 이외에는 반드시 폐쇄된 상태에서 유지되어야 한다. 또한, 잼(jamming) 상황에서는, 액추에이터의 최대 속도를 제한하여, HP및 LP 회로들에 연결된 작동 챔버들의 공동화(cavitation)를 방지하거나 피스톤의 운동중 작동 챔버들의 과압력을 방지한다. 작동 챔버가 폐쇄된 위치에 있음은, 상기 작동 챔버에 연관된 모든 제어 인터페이스들이 폐쇄되었음을 의미한다.
밸브들이 영원히 개방된 경우, 상기 밸브들을 이용하여 생성된 힘의 합들이 크기 순서대로 배열되므로 제어기의 제어 벡터에서의 제어들도 반드시 그 순서대로 배열되어야 한다. 또한, 잠금 동안에는, 액추에이터의 유지력은 반드시 충분해야 한다. 즉, 반드시 액추에이터가 그 챔버 압력 한도에 대항하여 "크리프(creep)" 할 수 없도록 해야한다. 이것은, 제어 인터페이스의 밸브들이 잼되어 개방되고 비잠금되도록 작동 챔버를 유지함으로써 가능하다.
다음으로, 밸브 고장으로 인해 제어 인터페이스가 개방되는 잠금 상태를 제외하고, 제어 인터페이스 또는 그 밸브들이 개방 (on 위치) 또는 폐쇄 (off 위치)되는 고장 관리에 대해 설명한다.
액추에이터의 단일 작동 챔버에 대해 우선 검토해 볼것이다. 도1은 디지털 유압 액추에이터의 단일 작동 챔버 (19) (A-챔버)의 일 예와, 그것을 제어하는 제어 인터페이스들 (9 (HP-A), 10(LP-A))을 도시한다. 제어 인터페이스 HP-A가 완전 개방되고 제어 인터페이스 LP-A가 완전 폐쇄되도록 제어되면, HP라인 (3)의 압력은 챔버 (19)에서 유효하다. 이에 대응되는 방식으로, 제어 인터페이스 HP-A가 완전 폐쇄되고 제어 인터페이스 LP-A가 완전 개방되도록 제어되면, HP라인 (4)의 압력은 챔버 (19)에서 유효하다. 제어 인터페이스들의 최대 처리 용량은 작동 챔버의 체적과 연관되어 크게 설정되기 때문에, 정상 작동 상태에서는 압력들은 작동 챔버 (19)의 체적 변경 속도와 전혀 무관하게, 상기에 제시한 방법대로 변경된다.
제어 인터페이스 각각에 대해 하나의 밸브만이 사용가능하고 어느 하나의 제어 인터페이스의 밸브가 폐쇄 위치에서 잼되면, 그에 따라 전체 제어 인터페이스는 폐쇄 위치에서 잼된다. 이렇게 하여, 예를 들면, 제어 인터페이스 HP-A가 완전 폐쇄 위치에서 잼 되면, 액추에이터의 운동중에 제어 인터페이스 LP-A는 개방된 위치에 계속 유지되도록 하여, 압력의 과도한 증가 또는 작동 챔버내의 공동화를 방지한다. 이와 같이, 상기 제어들은 제어기의 제어 벡터로부터 차단되어야 하며, 이때 A-챔버는 HP라인의 압력으로 제어된다. 즉, 상기 제어들에서 A-챔버의 상태는 일(1) 이다. 도2에는 제어 벡터의 일 예가 도시되어 있으며, 여기에서는 단일 행 또는 열에 대해 언급한다. 상기 제어 벡터는 상기 제어 조합들사이의 사용 순서뿐만 아니라, 가용 밸브들의 상이한 제어 조합들에 대한 정보를 포함한다. 사용 순서는 제어 조합들로 생성되는 힘의 합들이 크기 순서대로 배열되도록 결정된다.
이에 대응되는 방식으로, 제어 인터페이스 LP-A가 완전 폐쇄 위치에서 잼되면, 제어 인터페이스 HP-A는 액추에이터의 운동중에 계속하여 개방 위치에 유지되어야 한다. 이와 같이, 상기 제어들은 제어기의 제어 벡터로부터 차단되어야 하며, 이때 A-챔버는 LP라인의 압력으로 제어된다. 즉, 상기 제어들에서 작동 챔버 A의 상태는 제로(0) 이다.
제어 인터페이스 LP-A가 완전 개방 위치에서 잼 되면, 제어 인터페이스 HP-A가 폐쇄되도록 제어하여LP라인의 압력은 A-챔버로 생성된다. 또는, 제어 인터페이스 HP-A는 개방되도록 제어되며, 여기에서 가압 매체의 단락 유량은 제어 인터페이스들 HP-A를 통하여 HP 라인으로부터 LP 라인으로 직접 흐른다. A-챔버의 압력은 HP라인의 압력과 LP라인의 압력사이의 대략 중간 쯤에 설정되며, 이 압력은 중간 압력이라고 한다. 이렇게 하여, 제어 벡터들에서 제어 조합 각각에 의해 생성된 힘의 합은 유효 영역들과 HP및 LP라인들의 압력들을 기초로 재산출되며, 동시에, A-챔버의 상태가 일(1)인 경우, 상기 중간 압력은 A-챔버에서 항상 유효하다고 가정된다. 상기 제어 벡터는, 대응하는 생성 힘의 합이 크기 순서로 정렬되도록, 재정렬된다.
또는, 제어 인터페이스 HP-A가 완전 개방 위치에서 잼되는 경우, 제어 인터페이스 LP-A를 폐쇄하도록 제어하여 HP 라인의 압력을, 또는 제어 인터페이스 LP-A를 개방하도록 제어하여 상기 중간 압력을, A-챔버에서 생성할 수 있으며, 이때 대응하는 단락 유량이 다시 발생한다. 제어 벡터를 재 정렬하고, 생성된 힘의 합을 재 산출함에 있어서, A-챔버의 상태가 제로(0)이면, 상기 중간 압력은 A-챔버에서 항상 유효하다고 가정된다.
LP회로에 연결된 제어 인터페이스, 또는 그 밸브가 폐쇄 위치에서 잼 되면, 상기 제어 인터페이스에 연결된 작동 챔버의 능력에만 영향을 끼쳐, 액추에이터의 운동중 LP회로의 압력 레벨을 달성한다. 이에 대응되는 방식으로, HP회로에 연결된 제어 인터페이스, 또는 그 밸브가 폐쇄 위치에서 잼 되면, 상기 제어 인터페이스에 연결된 작동 챔버의 능력에만 영향을 끼쳐, HP회로의 압력 레벨을 달성한다.
다음으로, 하나 이상의 제어 인터페이스가, 병렬 결합된 둘 이상의 밸브들을 구비한 일 예를 검토할 것이며, 이들은 협력하여 각 밸브의 처리 용량에 따라 원하는 전체 체적 유량을 처리한다. 각각의 밸브에서, 압력 손실은 가능한 한 적도록 유지된다. 밸브들은 상이하거나, 예를 들면, 동일한 온/오프 밸브들이다. 기능적 밸브들이 상기 제어 인터페이스에 있도록 어느 제어 인터페이스의 어느 밸브가 폐쇄 위치에서 잼 되면, 액추에이터의 정적인 상태에서의 결함은, 상기 작동 챔버에 의해 생성된 힘의 요소에 별로 영향을 주지 않으며, 그로 인해, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합에도 영향을 주지 않는다. 정적인 상태란 액추에이터가 움직이지 않으며, 액추에이터의 제어가 시간의 면에서 일정하게 유지되지만, 액추에이터의 제어가 액추에이터의 개별 제어들 중 어느 하나인 상태를 나타낸다.
상기 설명한 상황에서, HP 또는 LP라인의 압력은 의도된 방식으로 작동 챔버에서 생성된다. 이제, 폐쇄 위치에서 밸브가 잼된 제어 인터페이스는 다른 제어 인터페이스들보다 좁아졌으며, 그 처리 용량은 결함 발생전의 상황과 비교하여 감소되었다. 즉, 동일한 압력차에서 체적 유량은 감소되었다. 이로 인해, 다른 작동 챔버들의 상태 변경들과 비교하여 상기 챔버의 상태 변화에서 관성이 발생하며, 이 관성은 참작되어야 한다. 결함으로 인해, 압력 레벨은 원하는 값으로 보다 완만하게 설정되며, 게다가, 작동 챔버가 확장될 때, 작동 챔버의 압력은 목표 압력 레벨의 정상 이하 보다 더 낮게 유지되고, 작동 챔버가 축소될 때, 압력 챔버의 압력은 목표 압력 레벨의 정상 이상 보다 더 높게 증가한다. 목표 압력으로부터의 압력 이탈은 작동 챔버의 체적 변경 속도와, 전체 제어 인터페이스의 처리 용량에 관련한 결함 밸브의 처리 용량의 비율에 좌우된다. 이로 인해, 액추에이터의 최대 속도는, 운동중 발생한 작동 챔버의 압력 이탈이, 제어에 의해 발생한 힘의 합이 더 이상 크기 순서로 정렬되지 않을 정도로, 높지 않도록 제한되어야 한다.
LP회로에 연결된 제어 인터페이스가 개방 위치에서 잼 되어도, 각각의 작동 챔버들의 능력에 영향을 끼치지 않으므로 LP회로의 압력 레벨을 얻을 수 있다. 이와 대응되는 방식으로, HP회로에 연결된 제어 인터페이스가 개방 위치에서 잼 되어도, 작동 챔버들의 능력에 영향을 끼치지 않으므로 HP회로의 압력 레벨을 얻을 수 있다.
제어 인터페이스의 어느 밸브가 개방 위치에서 잼 되어 제어 인터페이스가 폐쇄되어야 하는 경우는 작동 챔버에 의해 생성되는 힘의 요소와 액추에이터에 의해 생성되는 힘의 합에 명확히 영향을 끼친다. 작동 챔버가 LP회로의 압력을 가져야 하고, 예를 들면, 제어 인터페이스 HP-A의 하나의 밸브가 개방 위치에서 잼 되면, 단락 유량이 HP라인으로부터 LP라인으로 제어 인터페이스들 HP-A와 LO-A 사이에 발생한다. 이렇게 하여, 작동 챔버에 잔류하는 중간 압력은 LP회로의 압력보다 뚜렷하게 높아진다. 이와 대응하는 방식으로, 작동 챔버가 HP회로의 압력을 가져야 하고, 예를 들면, 제어 인터페이스 LP-A의 하나의 밸브가 폐쇄 위치에서 잼 되면, HP압력보다 뚜렷하게 낮은 중간 압력이 작동 챔버에 잔류하게 된다.
액추에이터의 정적인 상태에서, 작동 챔버의 압력은 아래의 방정식을 따른다.
Figure 112011033188717-pct00007
여기에서, AHP = HP라인의 제어 인터페이스에서 개방 밸브들의 처리 영역들의 합, ALP = LP라인의 제어 인터페이스에서 개방 밸브들의 처리 영역들의 합.
밸브의 처리 용량은 밸브의 처리 영역과 비례한다. 4-챔버 액추에이터의 경우, 제어 인터페이스의 밸브들의 처리 영역들의 합의 1/3이하가, 개방 또는 폐쇄 위치에서 잼 되었다면, 목표 압력 (HP/LP)으로부터의 중간 압력의 이탈은 상대적으로 작다는 것이 산출을 통해 발견되었다. 이렇게 하여, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합들의 크기 순서는 정적인 상태에서는 변경되지 않으며, 이 때, 제어기의 제어 벡터에서의 제어들의 순서는 변경될 필요가 없으며, 고장이 발생한 경우, 원래의 제어 벡터를 사용할 수 있다.
상기 설명에서, 몇 개의 밸브가 동시에 고장나는 것은 매우 드문 일이므로 한번에 하나의 밸브가 고장한 것으로 가정하였다. 몇 개의 밸브가 동시에 고장나는 경우, 가능하다면, 액추에이터와 그에 의해 제어되는 메커니즘이 그 자리에서 잠금되도록 시도한다. 또한, 실현된 밸브들의 위치들이, 예를 들면, 센서들을 통해 확인될 수 있다고 가정하였고, 실현된 위치가 제어기에 의해 주어진 제어값에 따른 위치에 대응하는지를 비교할 수 있다고 가정하였다. 상기 위치는 밸브의 상태에 좌우된다. 비교를 근거로, 어느 밸브가 결함이 있으며 어느 위치에서 잼이 발생했는지를 판단할 수 있다. 이를 근거로, 제어기에서 필요한 변경을 실행하여 고장을 보상하고 제어기를 사용하여 여전히 작업상 유효한 밸브들을 제어한다.
아래에서, 일 례를 통하여 고장에 관련된 알고리즘의 작동을 설명할 것이다. 동일한 원리가, 챔버 수가 4개가 아니며 그리고/또는 몇 개의 압력 레벨들이 작동 챔버 각각에 대해 가용한 액추에이터의 경우에, 적용된다. 제어 인터페이스에서, 다양한 수의 밸브들이 적용될 수 있으며, 밸브들의 상대적인 처리 용량은 가변된다.
본 예에서, 상기 제시된 4-챔버 실린더 액추에이터는, 제시된 디지털 유압 이중 가압 시스템에서 사용된다. 작동 챔버 각각의 제어 인터페이스들 둘다, 예를 들면, 서로 다른 처리 용량을 가진 두개의 밸브들을 구비한다. 제어 인터페이스 내에서, 밸브의 처리 용량들 사이에 또는 처리 영역들 사이에, 예를 들면, 1:1 또는 20:1과 같이 상대적인 분할이 적용될 수 있다. 따라서, 제어 인터페이스들내에는 총 16개의 밸브가 있으며, 액추에이터를 제어하는 밸브들의 상태와 위치는 명확하게 16-수 또는 16-비트 2진수로 주어질 수 있으며, 예를 들면, HP-A, LP-A, HP-B, LP-B, HP-C, LP-C, HP-D, LP-D 순서로 주어지며, 이때 2진수는 00 00 00 00 00 00 00 00 or 11 11 11 11 11 11 11 11이 되며, 이들 사이의 모든 2진수이다.
2진수의 비트들 사이의 중요도는, 그 중요도가, 제어 인터페이스 각각에 대응되는 작동 챔버의 크기에 비례하는 방식으로, 즉, 가장 큰 유효 영역을 가지는 작동 챔버의 제어 인터페이스들을 나타내는 비트들이 가장 큰 중요도를 가지는 방식으로 처리하는 것이 합리적이다. 처리 용량이 참작되어야 하는, 동일한 제어 인터페이스의 밸브들에게도 동일하게 적용된다. 동일한 작동 챔버에 연결된 HP및 LP라인들의 제어 인터페이스들의 비트들간의 중요도는 합의되어야 할 문제이다.
설정된 응답 시간들내에 모든 밸브들이 각각의 제어값들 (개방/폐쇄, 온/오프, 1/0)을 따른다면, 응답 시간의 지연 후에 실제값은 제어값에 대응하도록 할 수 있다. 따라서, 실제값과 제어값에 대응하는 2진수들간의 차이는 제로가 된다.
제어 인터페이스의 실제값, 즉, 밸브 상태가 제어값으로부터 충분히 뚜렷하게 이탈되면, 고장 상황이라고 할 수 있다. 결함 밸브와 고장의 유형 (개방 또는 폐쇄된 위치에서 잼 발생)은 제어값과 실제값에 대응하는 2진수들 사이의 차이값으로부터 판단되며, 이것은 밸브를 제어하는 비트의 중요도가 상기 차이의 크기를 결정하기 때문이다. 16-비트 시스템에서, 최하위 비트, 즉, 제어 인터페이스 LP-D의 가장 작은 밸브는, 고장 상황에서 고장의 유형에 따라 차이 +1/-1 (+/- 20) 를 산출한다. 이에 대응되는 방식으로, 최상위 비트는 고장의 유형에 따라 차이 +/- 32768 (+/-215) 를 산출한다.
2진수의 비트들이 제어 인터페이스 순서 HP-A, LP-A, HP-B, LP-B, HP-C, LP-C, HP-D, LP-D를 나타내며, 제어값과 실제값 사이의 차이가, 예를 들어, +8192 (213) 인 경우, 제어 인터페이스 LP-A의 가장 큰 밸브가 개방 위치에서 잼 되었음을 알 수 있다. 차이의 지수를 보면, 인덱싱은 제로로부터 시작하므로, 13번째 비트가 문제의 비트라고 판단될 수 있다. 다시 말하면, 우측으로부터 카운트하여, 2진수의 14번째 비트이며, 제어 인터페이스 LP-A의 보다 상위 비트이다. 차이의 표시를 보면, 밸브가 개방 위치에서 잼된것으로 판단할 수 있으며, 이것은 기준값의 2진수를 뺄셈할, 상기 밸브들의 실제값의 2진수가, 기준값의 2진수보다 크기 때문이다.
이제, 제어 인터페이스 LP-A의 밸브들의 비율이, 예를 들면, 20:1이고, 더 큰 밸브가 개방 위치에서 잼되었음을 알 수 있다. 또한, 제어 인터페이스 HP-A의 처리 용량들은, 정상 상태에서, 예를 들면, 제어 인터페이스 LP-A와 동일하여, 제어 인터페이스 HP-A의 최대 처리 용량은 지수 21 (20+1) 로 나타낼 수 있다. 이렇게 하여, 작동 챔버의 상태가 0의 상태일 때 LP회로의 압력은 항상 작동 챔버에서 생성되지만, 작동 챔버의 상태가 1로 변화되면, 작동 챔버는 HP회로의 압력을 이루지 못하고 중간 압력은 작동 챔버에 잔류하게 되는데, 이것은 제어 인터페이스 LP-A에 잼된 밸브가 존재하기 때문이다.
액추에이터의 정적인 상태에서의 상기 중간 압력은 상기 제시된 방정식으로부터 산출되며, 이 때, 비율 AHP/ALP 은 비율 21/20에 대응된다. 중간 압력을 이용하여, 모든 힘의 요소들과, 개방 위치에서 밸브가 잼된 고장 상황에 대해 생성될 힘의 합을 산출할 수 있다.
표 1은 액추에이터들의 작동 챔버들의 상태들과, 시스템 장애가 없는 경우의 힘의 합 (No_err) 의 크기를 보여준다. 산출된 힘의 합 (LP-A 개방)을 보면, 정적인 상태에서, 힘의 총합들이 더 이상 크기의 순서로 정렬되지 않음을 알 수 있고, 그러므로, 제어들 (dec(0...15)) 을 나타내는 제어 벡터는, 제어기에 의해 사용될 수 있도록 힘의 합들이 크기 순서로 정렬되도록, 표 2에서 보여준 바와 같이 재정렬 되어야한다.
　 　 챔버들의 2진 제어 　 　 　
u% dec
(0...15)		 A B C D No_err LP-A open
0 5 0 1 0 1 -38,46 -38,45859
1 4 0 1 0 0 -30,13 -30,12709
2 7 0 1 1 1 -22,12 -22,12231
3 6 0 1 1 0 -13,79 -13,79081
4 1 0 0 0 1 -5,21 -5,214258
5 0 0 0 0 0 3,12 3,117245
6 3 0 0 1 1 11,12 11,12202
7 2 0 0 1 0 19,45 19,45353
8 13 1 1 0 1 27,31 -3,97368
9 12 1 1 0 0 35,64 4,357824
10 15 1 1 1 1 43,64 12,36260
11 14 1 1 1 0 51,97 20,69411
12 9 1 0 0 1 60,55 29,27065
13 8 1 0 0 0 68,88 37,60216
14 11 1 0 1 1 76,89 45,60694
15 10 1 0 1 0 85,22 53,93844
　 　 챔버들의 2진 제어 　 　 　
u% dec
(0...15)		 A B C D No_err LP-A open
0 5 0 1 0 1 -38,46 -38,45859
1 4 0 1 0 0 -30,13 -30,12709
2 7 0 1 1 1 -22,12 -22,12231
3 6 0 1 1 0 -13,79 -13,79081
4 1 0 0 0 1 -5,21 -5,214258
5 13 1 1 0 1 27,31 -3,97368
6 0 0 0 0 0 3,12 3,117245
7 12 1 1 0 0 35,64 4,357824
8 3 0 0 1 1 11,12 11,12202
9 15 1 1 1 1 43,64 12,36260
10 2 0 0 1 0 19,45 19,45353
11 14 1 1 1 0 51,97 20,69411
12 9 1 0 0 1 60,55 29,27065
13 8 1 0 0 0 68,88 37,60216
14 11 1 0 1 1 76,89 45,60694
15 10 1 0 1 0 85,22 53,93844
상기 제시된 알고리즘은, 상이한 압력 레벨들을 가진 몇 개의 충전 회로들이 단일 작동 챔버에 결합될 때 적용될 수 있다. 이렇게 하여, 특히 상기 제어의 방법으로 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합에 밸브 결함이 중대한 영향을 끼치는 경우, 상기 제어들을 차단하며, 차단 상태에서는, 결함 밸브들로 인하여, 제어 인터페이스들의 실제 상태들은 원하는 상태들에 부합되지 않는다.
디지털 유압 액추에이터 적용
이제, 디지털 유압 시스템에서 디지털 유압 액추에이터의 용도에 대해 설명한다. 액추에이터는 특히 디지털 실린더이며, 다양한 펌프, 모터, 에너지 충전, 압력 컨버터, 에너지 컨버터, 선회 드라이브 및 회전 드라이브에 적용될 수 있다.
도1의 예는 그 작동이 상기 설명된 디지털 실린더를 구비한다. 선회 드라이브의 도9의 예는, 상기 제시된 시스템이 적용된, 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 선회 장치를 구비한다. 선회 장치의 구조와 구성요소들에서, 알려진 선회 장치의 대응 부재들을 사용할 수 있다. 회전 드라이브에 대한 도10의 예는 디지털 유압 펌프 모터를 구비하며, 여기에는 몇 개의 실린더 액추에이터가 적용되며, 디지털 유압 모터 및 디지털 유압 시스템에서의 펌프로서 적용될 수 있다. 도11의 예는 디지털 유압 컨버터 (112) (DPCU)를 구비하며, 여기에는 몇 개의 디지털 실린더들이 적용되며, 또 다른 예들은 도 15와 16에 도시된다. 도12의 예는 디지털 유압 펌프 압력 컨버터 (122) (DPCPU)를 구비하며, 여기에는 몇 개의 디지털 실린더들이 적용되며, 이 컨버터는 이동부 (123)에 의해 외부 에너지의 소스로 연결되며, 또 다른 예들은 도 14와 17에 도시된다. 도14와 17
디지털 유압 선회 장치
도9의 예에서, 선회 장치 (41)는, 예를 들면, 선회 기어 휠(47)을 회전시키는 기어랙들 (45, 46)을 구비한다. 상기 선회 장치는, 예를 들면, 이동가능한 작업 기계의 프레임상에 장착되며, 선회 기어 휠은 작업 기계의 선실 (캐빈) 또는 크레인을 회전시키기 위해 사용된다. 일반적으로, 선회 장치는 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 수단을 구비한다. 직선 운동은 실린더를 사용하여 실행되고, 회전 운동은 회전 샤프트를 사용하여 실행된다.
모멘트 조정된 선회 장치는 일반적으로 병렬 결합된 두개의 액추에이터들 (42, 43)을 이용하여 실행되며, 액추에이터들의 피스톤 로드들이 동일한 방향을 가리키도록 각각의 기어 랙 (45, 46)에 각각의 액추에이터가 장착되며, 여기에서, 하나의 액추에이터가 길어지면, 다른 하나는 짧아진다. 기어 랙들은 액추에이터들의 측면에 평행하게 장착되어 양측에서 선회 기어 휠 (47)을 구동한다. 이 경우에, 액추에이터의 프레임들은 움직이며, 피스톤 로드는 선회 장치상에 움직이지 않도록 장착되어, 예를 들면, 작업 기계의 프레임상에 장착된다. 선회 기어 휠 (47)상에서 액추에이터들에 의해 발생한 액추에이터들의 힘의 최대 총합은, 이 경우, 하나의 액추에이터의 최대 총 견인력과 다른 액추에이터의 최대 총 추진력의 합이다. 이렇게 하여, 회전 방향 각각에서의 선회 장치의 총 모멘트 Mtot는 최대가 되며, 각각의 액추에이터의 힘의 최대 총합과 선회 기어 휠 (47)의 반경 R의 산출된 곱의 합으로서 형성된다.
선회 장치 (41)는 제어 회로에 의해 제어되며, 여기에서, 제어 인터페이스는, 선회 장치의 액추에이터의 각각의 작동 챔버에 제공되며, 이러한 제어 인터페이스를 이용하여, 상기 작동 챔버는 저압 LP 또는 고압 HP에 연결된다. 상기 제어 회로는 기능에 있어서 도1의 제어 회로 (40)에 대응되며, 가압 매체를 위한 필요한 연결을 수행한다.
선회 장치의 상태들의 수는 액추에이터들 (45, 46)의 구조에 좌우된다. 액추에이터들을 제어하는 몇 개의 대체안들이 있다. 몇 개의 액추에이터들의 경우, 선회 장치 (41)의 상태들의 수는 멱함수 ab 로 형성되어, 밑수 a는 액추에이터의 제어들의 상태들의 수이며, 예를 들어 a=2n 인 경우, n은 작동 챔버들의 수이며, 지수 b는 액추에이터들의 수이다. 두개의 작동 챔버를 가진 두개의 액추에이터의 경우, 각각의 상태의 수는 16이며, 네개의 작동 챔버를 가진 두개의 액추에이터의 경우, 각각의 상태의 수는 256이다. 각각의 상태는 모멘트 값 Mtot에 대응된다. 각 액추에이터는 도1에 따른 제어 회로로 제어된다. 액추에이터 들(45, 46)이 동일하거나, 또는 동일한 유효 영역들을 가진 작동 챔버들을 구비한 경우, 상이한 상태들의 수는 중복 상태들로 인해 더 작으며, 둘 이상의 상태들에서 동일한 총 모멘트 Mtot 가 획득된다. 도9의 예에서, 액추에이터들은 동일하며, 각각의 액추에이터는 도1의 액추에이터 (23)과 동일한 방식으로 네개의 작동 챔버들을 구비하며, 각 액추에이터는 균등 등급화를 이용하여 16개의 상이한 힘들을 생산하기 위해 사용된다. 이렇게 하여, 중복되는 상태들은 계산에서 제외하면, 상태들의 총 수는 31이다. 제로 모멘트를 생산하는 상태는 두개의 액추에이터에 공통적이므로, 상태들의 수는 두개의 액추에이터들의 상태들의 총 수보다 하나가 적다. 선회 장치는, 액추에이터들의 힘의 총 합들이 서로 압도할 때 제로 모멘트를 생산하며, 회전의 일방향에서 15-단계의 모멘트 조정과 회전의 반대 방향에서 15-단계의 모멘트 조정을 생산하는 적어도 하나의 상태를 가진다. 액추에이터들의 작동 챔버들의 유효 영역들은 바람직하게는 2진 가중 계수로 부호화하여 균등 등급화된 모멘트 제어를 제공한다. 또한, 실린더들은 바람직하게는 동일하다.
제로 모멘트를 생산하기 위해 선택된 상태들은 액추에이터들의 어느 상태일 수 있으며, 예를 들면, 양 또는 음의 극도의 힘들의 상태들, 또는 그들 사이의 어느 상태, 예를 들면 중간 영역으로부터의 상태이다. 액추에이터들의 크기가 동일한 경우, 선회 장치는 액추에이터들의 제어들이 서로 동일한 각각의 경우에 대해 제로 모멘트를 생성한다. 다시 말하면, 제로 제어에 의해 생성된 최초 장력(tension)이 액추에이터의 어느 상태에서 생성될 수 있다 (4개의 챔버를 가진 액추에이터의 경우, 힘의 레벨 0 내지 15에 의해) 이렇게 하여, 모멘트 단계들이 여러 방법으로 생성될 수 있으며, 예를 들면, 모멘트 조정이 회전의 일방으로 이루어 질 때, 하나의 액추에이터가, 포화된 범위에서 작동하고 다른 하나는 선형 범위에서 작동하는 방식으로 생성되며, 모멘트 조정이 회전의 또다른 제1방향으로 이루어질 때, 이에 대응하는 방식으로, 역으로 생성된다 (표 3의 방법 1과 2를 참조)
　 선택 1 　 선택 2 　 선택 3 　 선택 4, 등.
시스템 제어 Cyl1
제어		 Cyl2
제어		 Cyl1
제어		 Cyl2
제어		 Cyl1
제어		 Cyl2
제어		 Cyl1
제어		 Cyl2
제어
u% u1% u2% u1% u2% u1% u2% u1% u2%
0 0 15 0 15 0 15 0 15
1 0 14 1 15 0 14 1 15
2 0 13 2 15 1 14 2 15
3 0 12 3 15 1 13 2 14
4 0 11 4 15 2 13 2 13
5 0 10 5 15 2 12 2 12
6 0 9 6 15 3 12 3 12
7 0 8 7 15 3 11 4 12
8 0 7 8 15 4 11 5 12
9 0 6 9 15 4 10 5 11
10 0 5 10 15 5 10 5 10
11 0 4 11 15 5 9 5 9
12 0 3 12 15 6 9 6 9
13 0 2 13 15 6 8 7 9
14 0 1 14 15 7 8 8 9
15 0 0 15 15 7 7 8 8
16 1 0 15 14 8 7 8 7
17 2 0 15 13 8 6 8 6
18 3 0 15 12 9 6 9 6
19 4 0 15 11 9 5 10 6
20 5 0 15 10 10 5 11 6
21 6 0 15 9 10 4 11 5
22 7 0 15 8 11 4 11 4
23 8 0 15 7 11 3 11 3
24 9 0 15 6 12 3 12 3
25 10 0 15 5 12 2 13 3
26 11 0 15 4 13 2 14 3
27 12 0 15 3 13 1 14 2
28 13 0 15 2 14 1 14 1
29 14 0 15 1 14 0 14 0
30 15 0 15 0 15 0 15 0
제로 모멘트를 생성하는 상태들이 액추에이터의 상태들의 중간 범위로부터 선택되면, 액추에이터들의 상태들을 교호하는 방법으로 변경함으로써 모멘트 단계들을 생성할 수 있으며, 두개의 액추에이터들은 모두 전체 모멘트 범위내에서 선형 범위로 작동할 수 있다 (표3의 방법 3 참조). 액추에이터들의 선형 범위에서 작동한다는 것은 액추에이터의 포화되지 않은 개별 값이, 액추에이터들의 상태들의 인덱싱 범위내에서, 포화된 개별 제어값 (u%)의 최대치를 초과하지 않는다는 것이다. 상태 변경은 둘 또는 세개의 단계들을 통해 (표3의 방법 4 참조), 또는 다른 순열 알고리즘을 이용하여 수행된다. 이에 대한 예들은 첨부된 표3 참조한다.
선회 장치의 제어를 위해, 도 5, 6 또는 7에 도시된 제어기 (24)를 사용할 수 있다. 여기에서 제어 컨버터 (32)는, 액추에이터들의 상태들을 결정하는 충분한 수의 제어 인터페이스들을 제어하기위해 사용되는 방식으로 확장된다. 도2에 도시된 표는, 지수들의 수가 다양한 제어값에 대응하며, 시스템의 상이한 상태들을 나타내기 위해 컬럼의 값들이 추가되며, 챔버들의 2진 상태를 나타내는 2진수가 증가하며 (즉, 액추에이터들의 2진 제어를 나타내는 2진수들의 수가 액추에이터들의 수에 따라 증가하며), 제어 인터페이스들의 증가로 인해 제어 인터페이스들의 2진 상태들을 나타내는 컬럼들이 증가하는 방식으로 확장된다. 또한, 생성될 모멘트와 선회 장치의 회전 방향에 비례하는 설정값 (31)을 이용할 수 있다. 생성될 모멘트가, 액추에이터에 의해 생성된 힘의 합에 직접적으로 비례하므로 (계수는 선회 기어 휠 (47)의 반경 R이다), 제어를 위해서, 도5에 연관하여 설명되는 유효한 힘의 제어값 (31)을 사용할 수 있으며, 이것은 도8과 연관하여 제시된 바와 같이 처리될 것이다. 상기 제시된 바와 같이, 가속 제어된 시스템은 속도 제어될 수 있다.
선회 장치의 제어기는 도 5, 6 또는 7에 도시된 두개의 병렬 제어기에 의해 구현되며, 여기에서 각각의 제어기는 단일 액추에이터 (42, 43)를 제어한다. 이것은 액추에이터들 (45, 56)에 의해 생성된 힘의 효과 또한 분리되기 때문에 가능하다. 유효한 힘 (가속)을 위한 상대적 제어값 (31), 속도를 위한 제어값 (28), 또는 위치를 위한 제어값 (26)은, 부하 상황에 따라 각 액추에이터의 제어 밸브들에 대해 원하는 가속에 대응하는 위치들을 계산할 양쪽의 컨버터들에 입력될 수 있다.
상기와 같이, 에너지는 상태 변경과 연관하여 소모된다. 액추에이터들의 제어의 특징은, 대부분의 상태 변경이 발생하는 각각의 면에서 가속 제로 포인트에 대응하는 제어값과, 그 포인트에 가장 가까운 제어값들 사이에서 제어된다는 것이다. 실린더 액추에이터들의 최초 장력이 선회 장치의 본 시스템에서 자유롭게 선택가능하므로, 제로 모멘트에 대한 제어값은 시스템의 상태표에서 선택가능하며, 이 제어값으로부터, 양 방향으로의 가장 가까운 상태 변경은 에너지를 되도록 적게 소모한다. 이러한 제어들은, 예를 들면, 4개의 챔버를 가진 액추에이터의 경우, 제어값 10과 5를 포함한다. 선회 장치의 시스템에서, 상기 제시한 선 압축과 선 확장을, 특히 제어기에 의해 제어되는 지연을 통하여 적용할 수 있다.
디지털 유압 펌프 모터 및 회전 장치
다음으로, 디지털 유압 펌프와, 디지털 유압 시스템에서의 모터 양쪽 모두로서 적용가능한 디지털 유압 펌프 모터를 설명한다. 상기 설명된 시스템이 펌프 모터에도 적용될 수 있다.
도10의 예에서, 디지털 유압 펌프 모터 (49)는, 예를 들면, 4개의 액추에어터 (50, 51, 52, 53)를 구비하며, 이 액추에이터들은 실린더들이며 회전축 X를 가지는 회전 부재 (54)를 회전시키며, 액추에이터들은 회전축으로부터 떨어진 곳에서 이 전환 부재에 연결되어 있으며, 여기에서 액추에이터 조합은 회전 부재 (54) (또는 워블러 (54))에 유효한 총 모멘트 Mtot를 생성할 수 있으며 부하를 구동한다. 바람직하게는, 모든 액추에이터들이 공동 연결 포인트 (55)를 가진다. 장치 (49)는, 예를 들면, 선회 모터 사용에 있어서, 움직일 수 있는 작업 기계의 프레임상에 장착되며, 작업 기계의 선실 (캐빈) 또는 크레인을 회전하기 위해 사용된다. 이에 대응되는 방식으로, 펌프 사용에 있어서, 회전 부재는, 예를 들면, 구동 샤프트에 연결된다. 일반적으로, 상기 장치는 펌프, 모터 또는 펌프 모터 회전 드라이브들에 적용되며, 이때 회전 부재 (54)는 직선 운동을 회전 운동으로 변환한다.
두개의 힘 제어된 액추에이터들을 90도의 위상 시프트로 편심적으로 회전 부재 (54)에 연결함으로써 가장 간단한 방법으로, 연속 회전 경로를 가진 펌프 모터 드라이브를 획득할 수 있다. 특히, 상기 설명되고 도1에 도시된 액추에이터는 액추에이터로 사용된다. 그러나, 액추에이터가 그 최대 힘에 대하여 비대칭이므로, 즉, 최대 힘이 음 (견인)의 방향에서 보다 양 (추진)의 방향에서 더욱 강력하므로, 최대 총 모멘트 Mtot는 상대적으로 비대칭이 된다. 즉, 회전의 일 방향에서 획득한 최대 모멘트는 회전의 다른 방향에서 획득한 최대 모멘트와는 상이하다. 이러한 이유로, 최소한 3개의 실린더 액추에이터들을 120도의 위상 시프트로 편심적으로 회전 부재 (54)에 연결하여 최대 총 모멘트를 보다 대칭적으로 만드는 것이 정당하다. 또한, 도10에 도시한 바와 같이, 4개의 실린더들을 90도의 위상 시프트로 회전 부재 (54)에 결합함으로써, 양쪽 방향에서, 보다 대칭적인 최대 모멘트가 생성된다.
디지털 펌프 모터 (49)와, 제어기를 포함하여 이 모터를 제어하는 시스템에서, 최초 장력의 에너지 절약 최적화는, 도 9를 참조하여 상기 설명한 선회 장치와 동일한 원리를 적용함으로써 수행된다.
액추에이터들의 연결 포인트들은 연접 연결 포인트들 (56, 57, 58, 59) (각각 J1, J2, J3, J4)이며, 이들을 통해 액추에이터들은 장치의 프레임 (60)에 연결된다. 도면에 도시한 대로, 각각의 액추에이터는 공동 편심 연접 유효 포인트 P (연결 포인트 (55))와, 선회 원(circle)에 대해 규칙적으로 배치된 상기 언급한 연접 연결 포인트들 사이에 연결된다 (30). 연결 포인트들과 회전 중심 O (회전 축 X) 사이의 거리들은 서로 동일하며, 선회 원을 가로질러 보여지는 위상 쉬프트 각도들도 서로 동일하다. 일 예에서, 4개의 실린더 액추에이터들은 90도의 위상 시프트 각도로 사용된다.
워블러의 반경 벡터는 워블러의 회전 중심 O로부터 액추에이터들의 공동 편심 연결 포인트 P까지 연결한 벡터 R을 지칭한다. 액추에이터들의 유효 레버 벡터들 r1, r2, r3, r4 (벡터 rn)은 워블러의 회전중심 (5)로부터 액추에이터의 유효한 힘의 직선까지 연결한 가장 짧은 벡터를 지칭하며, 이 벡터는 액추에이터에 의해 생성된 유효한 힘의 직선에 대해 직각이 된다. 도10에서, 액추에이터들 (50, 52)은 행정의 하단 및 상단에 있으며, 이로 인해 그들의 유효 레버 벡터들은 제로 벡터들이다.
액추에이터에 의해 생성된 추진력 또는 양의 힘이 워블러에 양의 모멘트 (반시계 방향)를 생성할 때, 액추에이터의 유효한 레버 벡터의 길이는 양의 길이로 한다. 이렇게 하여, 액추에이터의 연결 포인트에서 볼 때, 연결 포인트 P는 회전 원의 우측 절반에 위지해 있다. 이에 대응하는 방식으로, 대응 액추에이터에 의해 생성된 양의 (추진) 힘이 워블러 (시계 방향)에 음의 모멘트를 생성할 때, 유효 레버 벡터의 길이는 음의 길이로 한다. 이렇게 하여, 액추에이터의 연결 포인트에서 볼 때, 연결 포인트 P는 회전 원의 좌측 절반에 위치해 있다. 본 명세서에서, 액추에이터의 유효 레버는 유효 레버 벡터의 길이를 지칭한다. 액추에이터들 (50, 51, 52, 53)은 단일 힘의 벡터들인 F1, F2, F3, F4 를 각각 생성한다. 힘의 벡터들의 방향은 워블러의 유효 포인트 P의 각 액추에이터의 연결 포인트로부터 연결된 라인 세그먼트에 평행하며, 유효 힘의 방향이 추진 방향 이거나 견인 방향이 되도록, 즉, 양 또는 음이 되도록한다. 힘 결과 벡터 Ftot 는 단일 액추에이터에 의해 생성된 힘의 벡터들의 합의 벡터를 지칭한다.
액추에이터의 상대적 유효 레버는 유효 레버 벡터의 길이와 유효 레버 벡터의 길이의 최대값 사이의 비율을 지칭한다. 그러므로, 각 액추에이터의 상대적 유효 레버에 대해서는 아래의 식이 적용된다.
Figure 112011033188717-pct00008

양 또는 음의 방향에서 레버가 최대 길이일 때, 액추에이터가 사점 (dead centres)에 위치하고 +1 또는 -1의 값을 수신할 때 마다 변수의 수치는 제로가 된다. 레버의 최대 길이는 액추에이터의 힘의 동작의 직선이 워블러의 유효 포인트 P의 회전 원의 접선에 닿는 점들에서 발생한다.
다음으로, 디지털 펌프 모터의 제어 시스템과 그 작동 원리에 대해 설명한다.
단일 액추에이터 각각의 상대적 제어는 선회 드라이브의 모멘트의 상대적 제어를 상기 액추에이터의 상대적 유효 레버의 길이와 곱셈하여 생성된다. 예를 든 경우에서는 양의 모멘트를 생성하는 것이 목적이다. 다시 말하면, 모멘트의 방향은 반 시계 방향이다. 서로 마주보고있는 두개의 액추에이터들 (50, 52)가 사점에 있는 경우, 워블러의 반경 벡터 R에 대한 상호 미러 이미지로 인해, 다른 두개의 액추에이터들 (51, 53)은 대칭적으로 배치된다. 이렇게 하여, 액추에이터들 (50, 52)의 유효 레버들 r1, r3 은 반경 벡터 R에 대하여 반사된다. 즉, 길이는 동일하나 반대의 부호를 가지며, 여기에서 힘의 벡터들 F1, F3 은 서로에 대하여 동일한 길이로 조정되고 포인트 P를 통해 연결된 수직 라인 세그먼트에 대해서는 대칭적으로 배치된다. 이렇게 하여, 결과 힘 벡터 Ftot 는 수직이 되어, 즉, 워블러의 반경 벡터 R에 대해 직각으로 배치된다. 액추에이터들 (51, 53)의 사점들에서, 상기 액추에이터들의 힘의 벡터들은 제로 벡터들이며, 이것은 유효 레버들 r2 , r4 이 제로 벡터이기 때문이며, 이에 따라 힘의 벡터들이 조정된다.
사점들 사이의 중간에서, 액추에이터들 (50, 53)은, 액추에이터들 (51, 52)뿐만 아니라, 반경 벡터 R에 대해서도 서로 대칭적으로 배치된다. 이렇게 하여, 유효 레버들 r2, r3 은 레버 벡터들 r1, r4 뿐만 아니라 반경 벡터 R에 대해서도 또한 반사된다. 이렇게 하여, 힘 F2j, F3 의 합 벡터는, 힘 F1, F4. 의 합 벡터뿐만 아니라 워블러 (35)의 유효 포인트의 회전 원의 접선에도 평행하도록 배치된다. 이렇게 하여, 총 결과 벡터 또한 포인트 P의 회전 원의 접선에 평행하며, 즉, 워블러의 반경 벡터에 직각으로 배치된다.
힘 결과 벡터 Ftot 는, 다른 회전 값을 가진 워블러의 반경 벡터 R에 대해 직각임을 알수 있다. 이로부터, 이러한 조정 방법에서, 액추에이터들이 선형 범위에서 작동하는 한, 힘 결과 벡터 Ftot 는 항상 반경 벡터 R에 거의 직각이라고 판단할 수 있다.
상기 디지털 유압 펌프 모터는, 제한적으로 종래 유압 시스템에서 뿐만 아니라 디지털 유압 시스템에서도, 모멘트 또는 필요한 경우, 메커니즘에 결합된 운동 에너지를 유압 시스템으로 귀환시키는 제어된 모터 드라이브로서 사용된다.
상기 디지털 유압 펌프 모터는 필요한 경우 pQ 제어된 유압 펌프 (p=압력, Q=체적 유량)로서 사용될 수 있다. 이렇게 하여, 실린더들에 의해 생성된 모멘트는 외부로부터 메커니즘상에 유도된 모멘트로서, 반대 방향으로 설정된다. 실린더들의 유효 영역들을 이용하면 압력, 체적 유량, 구동 모멘트, 출력 제어를 제어할 수 있다. 펌프 용도에서, 장치에 의해 생성된 체적 유량과 최대 압력은 유효 표면에 비례하며, 구동 모멘트도 그에 따라 비례한다. 이러한 방법으로, 예를 들면, 펌프를 구동하는 연소 엔진의 작동 범위를 최적화하여 최선의 가능한 효율을 얻을 수 있다.
디지털 유압 시스템에서 펌프 모터가 유압 모터로 사용되면, 펌프 모터는 별도의 제어 인터페이스들을 통해 탱크로 연결되어야 한다. 도 13a와 13b는, 예를 들면, 도11의 시스템으로 디지털 펌프 모터를 연결함을 도시한다. 상기 연결은 충전 회로들 또는 서브 회로들에 이루어 진다.
최초 장력의 에너지 절약 최적화는 상기 제시한 선회 장치에서와 동일한 방법으로 수행된다. 디지털 펌프 모터를 제어할 때, 제로 모멘트를 생성하기 위한 액추에이터의 제어 조합은, 각 액추에이터에 대해 산출한 모멘트들의 합이 제로가 될 수 있는 제어값에 의해 선택된다. 이러한 방법으로, 액추에이터가 가장 큰 수의 상태 변경을 실행하는, 각 액추에이터의 제어 범위를 원하는 방식으로 선택할 수 있다. 디지털 펌프에서 4개의 액추에이터를 제어하는 것은, 여러가지 중에서도, 액추에이터의 행정의 상단 및 하단에서 제어의 부호가 변경되는 방식으로, 모멘트의 상대적 제어를 액추에이터들의 제어로 직접 변환함으로써 실행된다. 이런 방법으로, 모멘트의 양의 상대적 제어가 단일 액추에이터로 힘을 생성하게 하고, 양의 모멘트를 메커니즘으로 생산하도록 주의를 기울인다. 액추에이터의 유효 상대 레버에 비례하여, 모멘트의 상대적 제어가 액추에이터의 제어로 조정되는 방식으로, 상기 4개의 액추에이터를 제어한다. 또한, 단일 액추에이터의 제어를 조정하기 위한 변수는, 회전을 기초로 산출한 다른 변수일 수 있으며, 이 변수를 이용하여, 실린더들에 의해 생성된 힘들의 합 벡터가 워블러의 반경 벡터에 직각으로 유지되도록 하는 것이 목적이다.
디지털 유압 컨버터 및 펌프 압력 컨버터
도11은 디지털 유압 컨버터 (112)를 도시한다. 압력 컨버터의 간단한 구현이 도 15에 도시되어 있으며, 여기에서, 압력 컨버터는 서로 반대로 연결되어 있는 두개의 이중 작동 및 이중 챔버 실린더 액추에이터들을 구비하며, 여기에서, 피스톤 로드들은 상호 연결된다. 연결된 피스톤 로드들이 이동부를 구성한다. 바람직하게는, 실린더 액추에이터들의 외부 덮개들 또한 상호 연결된다. 작동 챔버들의 유효 영역들의 비율은 아래와 같이 선택된다. A1:B1:A2:B2 = 2:1:2:1. 도 16의 압력 컨버터는 두개의 이중 작동 및 이중 챔버 실린더 액추에이터들을 구비하며, 여기에서, 작동 챔버들의 유효 영역들의 비율은 아래와 같이 선택된다. A1:B1:C1:D1 = A2:B2:C2:D2 = 8:4:2:1. 도 14의 예에 따르면, 실린더 액추에이터들은 상이하며, 여기에서, 작동 챔버들의 유효 영역들의 비율은 아래와 같이 선택된다. A1:B1:A2:B2 = 8:4:2:1. 압력 컨버터의 각 실린더 액추에이터는 단일 또는 멀티 챔버 유니트로 구성되며, 이동부들은 기계적으로 병렬 또는 네스티드 (nested) 방식으로 상호 연결되어, 원하는 유효 영역들과 그들간의 상호 비율이 실현되도록한다. 바람직하게는, 생성된 힘의 단계들은 사이즈가 동일하다.
압력 컨버터의 작동 방식은, 제1 액추에이터를 사용하여, 액추에이터에 결합된 충전 회로들의 압력 범위내에서 적절한 힘의 합을 선택하고, 상기 힘의 합을 이용하여, 제2 액추에이터에 결합된 충전 회로들간의 필요한 에너지 전달이, 에너지 손실이 적은 방법으로 가능하도록 작동한다. 제1 액추에이터는 상기 액추에이터의 이동부에 상기 힘의 합을 인가하며, 제2 액추에이터는 상기 액추에이터의 이동부에 약간 다른 크기의 힘을 반대 방향으로 생성함으로써 피스톤을움직인다. 액추에이터의 이동부가 액추에이터의 말단에 접근하면, 충전 회로들의 커플링은 다른 커플링으로 교환되어 움직임의 방향은 변경되지만 충전 회로들간의 변환 비율은 유지되도록 한다. 도 16의 예에서, 충전 회로 HP1은 충전 회로 HP1a를 대신하여 결합되며, 충전 회로 LP1은 충전 회로 LP1a를 대신하여 결합된다. 상기 교환은 별도의 제어 인터페이스와 그 제어 밸브 또는 밸브들에 의해 수행된다. 도 15에서, 참조 부호 P1은 HP1 회로에 대응되고, 참조 부호 P2는 HP2 회로에 대응되고, 참조 부호 P1a는 HP1a 회로에 대응되고, 참조 부호 P2a는 HP2a 회로에 대응된다.
다음으로, 제어 상황의 예에 대해 설명할 것이며, 여기에서, 압력 컨버터는 압력을 5배로 만드는 변환을 수행한다. 압력 컨버터가, 서로 반대로 결합되고 4개의 실린더들을 가진 제시된 두개의 실린더 액추에이터들을 적용한다고 가정한다. 제1 액추에이터에 결합된 LP1회로의 압력은 약 0MPa이고 HP1회로의 압력은 약 10MPa로 가정한다. 제2 액추에이터에 결합된 LP1a회로의 압력은 약 0MPa이고 HP1a회로의 압력은 약 50Mpa 보다 약간 아래로 가정한다. 아래와 같이, 저압의 환경에서 충전 회로들로부터 에너지를 HP1a 회로로 전달할 수 있다. 제1 액추에이터를 확장하기 위한 피스톤 운동은, 제1 액추에이터가 u%=15가 되도록 하는 제어와 제2 액추에이터가 u%=7이 되도록 하는 제어를 결합함으로써 생성되며, 여기에서, 두개의 가장 높은 압력들에 결합된 작동 챔버들의 유효 영역들 사이의 비율은 5:1이 된다. 이에 대응하는 방식으로, 반대쪽 피스톤 운동은, 제1 액추에이터가 u%=0이 되도록 하는 제어와 제2 액추에이터가 u%=4가 되도록 하는 제어를 결합함으로써 생성되며, 여기에서, 상기 영역들 사이의 비율은 -5/-1 (=5/1)이 된다. 이에 대응되는 방식으로, 압력 변환은, 1:5 내지 5:1의 범위에 해당하는, 상기 액추에이터에 의해 이루어진 변환 비율로, 움직임의 양쪽 방향 모두로 수행된다.
더 높은 변환 비율은 비 연속적인 방법으로, 즉, 두개의 방향중에 하나의 방향으로만 움직일 경우에 이루어질 수 있다. 움직임의 양쪽 방향에서 이루어 질수 있는 최대 변환 비율은, 액추에이터를 짧게하는 유효 영역들의 합과 액추에이터를 짧게 하는 가장 작은 유효 영역사이의 차이의 비율에 의해 결정되며, 이 경우는 (4+1)/1 = 5/1 이다.
상기 액추에이터들의 힘의 생산 범위들은 최소한 부분적으로 동일하여, 이동부에 작용하는 힘의 합이 충분히 작게 유지되어, 가압 매체의 스로틀링을 피할수 있고 에너지는 불필요하게 소모되지 않는다.
어떤 충전 회로들, 예를 들면, HP1와 LP1은 압력 컨버터의 제1 액추에이터에 항상 단독으로 결합되며, 또다른 어떤 충전 회로들, 예를 들면, HP1a 와 LP1a는 압력 컨버터의 제2 액추에이터에 단독으로 결합된다는 전제라면, 상기 액추에이터들에 공동으로 적용되는 힘의 생산 범위내에서 에너지 효율적인 변환을 수행할 수 있으며, 여기에서, 액추에이터들의 힘들은 대략적으로 서로 보상가능하다.
압력 컨버터가 움직임의 양쪽 방향에서 대칭적으로 큰 범위의 변환을 할 수 있기를 원하는 경우, 액추에이터를 확장하는 힘들만 압력 컨버터에서 사용될 수 있도록 허용하는 커플링으로 실현가능하다 이러한 유형의 커플링은 액추에이터로 연결된 충전 회로들을 서로 교환하기 위해 사용된다. 도 17과 18에 도시된 예에서, 이것은, 충전 회로 HP1은 충전 회로 HP1a를 대신하여 결합되며, 충전 회로 LP1은 충전 회로 LP1a를 대신하여 결합됨을 의미한다. 이에 대응되는 방법으로, 충전 회로 HP1a은 충전 회로 HP1를 대신하여 결합되며, 충전 회로 LP1a은 충전 회로 LP1를 대신하여 결합된다. 상기 교환은 별도의 제어 밸브 또는 밸브 시스템, 예를 들면, 도 18의 제어 회로 (125)에 따른 2-위치 4방밸브, 또는 도 17의 제어 회로 (126)에 따른 온/오프 밸브와의 교차 연결을 이용하여 수행된다. 교환을 통해, 이동부의 이동 방향에 상관없이, 압력 컨버터의 변환 비율이 유지된다. 그러므로, 에너지 효율적인 압력 변환을 수행하기 위해 액추에이터들의 힘의 생산 범위들을 서로 차단할 필요가 없다.
또한, 커플링을 통하여, 압력 컨버터의 추가적인 변환 비율과 충전 회로들의 커플링 조합을 얻을 수 있으며, 여기에서, 커플링 가능성, 즉, 별도의 제어 인터페이스는 각 챔버들과 각 충전 회로들 사이에 제공된다. 이러한 제어 회로를 이용하여, 시스템에 구비된 어느 가압 매체는 어느 액추에이터의 어느 작동 챔버에 결합될 수 있으며, 여기에서, 하나의 압력 회로로부터 다른 하나의 압력 회로로의 단일 변환 비율 (1;1)을 이용하여, 그리고, 둘 이상의 압력 회로들로부터 하나 이상의 다른 압력 회로들로의, 또는 하나 이상의 압력 회로들로부터 둘 이상의 다른 압력 회로들로의, 또는 둘이상의 압력 회로들로부터 둘 이상의 다른 압력 회로들로의, 몇 개의 상이한 대체안적인 변환 비율들을 이용하여 에너지가 전달될 수 있다.
압력 컨버터를 에너지의 외부 소스에 결합하면, 유압 에너지 형태로 외부의 기계적 에너지를 충전 회로들로 전달할 수 있다. 예를 들면, 운동 에너지는 직접적으로 또는 이동부에 연결된 부분을 통해서 이동부에 유효하며, 바람직하게 왕복하는 펌핑 움직임을 생성하며, 이것은 실린더 액추에이터의 피스톤을 이용하여, 작동 챔버에서 가압 매체의 압력을 생성한다. 유압 에너지는 이후에 에너지 저장 유니트에 저장되거나 다른 방법으로 이용되거나 다른 액추에이터들에서 이용된다.
본 발명은 상기 제시한 예들에 제한되지 않으며, 첨부한 청구항들의 범위내에서 적용된다.

Claims (45)

  1. 부하에 유효한 힘의 합 (Fcyl)을 생성할 수 있는, 적어도 하나의 액추에이터 (23) 또는 액추에이터 유니트;
    변위 원리에 의해 작동하고 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트에 위치되는 적어도 두 개의 작동 챔버들을 구비하며,
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 고압력의 적어도 하나의 충전 회로 (HPi, HPia);
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 저압력의 적어도 하나의 충전 회로 (LPi, LPia);
    상기 작동 챔버에 속하는 적어도 두개의 소정 작동 챔버들 (19, 20, 21, 22);
    상기 고압력의 충전 회로들(HPi, HPia) 중 적어도 하나와 상기 저압력의 충전 회로들(LPi, LPia) 중 적어도 하나를 소정의 각 작동 챔버들(19, 20, 21, 22)에 차례로 결합할 수 있으며,
    상기 고압력의 충전 회로 (HPi, HPia) 로의 연결을 개방 또는 폐쇄할 수 있는, 소정의 각 작동 챔버를 위한 제1 제어가능한 제어 인터페이스 (9); 및
    상기 제1 제어가능한 제어 인터페이스(9)에 독립되고, 상기 저압력의 충전 회로 (HPi, HPia) 로의 연결을 개방 또는 폐쇄할 수 있는, 소정의 각 작동 챔버를 위한 제2 제어가능한 제어 인터페이스 (10);
    상기 소정의 각 작동 챔버들 (19, 20, 21, 22) 각각은 상기 소정의 작동 챔버에 결합될 충전 회로들 (HPi, HPia, LPi, LPia)의 소정 압력 레벨에 대응하는 힘의 요소들 (FA, FB, FC, FD)을 생성할 수 있으며,
    여기에서, 각 힘의 요소는 다른 소정의 작동 챔버들에 의해 생성된 힘의 요소들과 합동으로 상기 힘의 합들중 적어도 하나를 생산하는 것을 특징으로 하는 가압 매체 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로들(HPi, HPia, LPi, LPia)의 적어도 둘은 힘의 요소를 생성하기 위해 충전회로가 결합한 소정의 작동 챔버로부터 체적 유량을 수신할 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트는, 가변적인 상기 힘의 합을 이용하여 부하 (L)를 제어하도록 구성되며, 상기 제어를 위해, 그리고 각각의 순간에, 상기 힘 요소들중 하나가 소정의 각 작동 챔버에 사용되기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어가능한 제어 인터페이스(9)와 상기 제2 제어가능한 제어 인터페이스(10)는 각각 온/오프 제어되는 하나의 차단 밸브 또는 온/오프 제어되며 병렬로 연결되는 다수의 차단 밸브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 제어 회로 (40)는 실질적으로 손실 없이, 충전 회로들의 유압력을 소정의 작동 챔버들에게 공급할 수 있도록 구성된 일련의 제어 인터페이스들을 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 제어회로 (40)는 유압력 공급을 위해 충전 회로들중 하나를 상기 소정의 작동 챔버들중 하나에 결합하고, 동시에, 다른 하나의 충전 회로를 상기 소정의 작동 챔버들 중 다른 하나에 결합하여 체적 유량을 상기 다른 하나의 충전 회로로 귀환시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트는 에너지 충전 유니트로서 구성되어 있으며, 어느 충전 회로의 유압력은 저장될 위치 에너지로 변환될 수 있으며, 이로부터, 필요한 경우, 상기 저장된 위치 에너지는 다시 충전 회로의 유압력으로 변환될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 충전 회로는 축압기 (17, 18)를 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 또한,
    가압 매체를 이용하고 유압력을 생산하는 적어도 하나의 펌프 유니트 (111); 및
    하나 이상의 충전 회로들로 유압력을 제공하거나, 하나 이상의 충전 회로들로부터 가압 매체를 수신하거나, 또는 이러한 두 개의 동작을 동시에 수행하기 위해, 상기 펌프 유니트를 상기 충전 회로들로 동시에 하나 이상 결합시킬 수 있는 제어 및 안전 밸브 시스템 (124)를 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펌프 유니트 (111)는 흡입 라인 (119) 및 압력 라인 (118)을 구비하며;
    상기 제어 및 안전 밸브 시스템 (124)은 압력 라인 (118)을 충전 회로들중 하나에 결합하고, 상기 압력 라인(118)에 결합되는 상기 충전회로의 압력 레벨을 상승시켜 소정 압력 레벨에 유지하도록 구성되며;
    상기 제어 및 안전 밸브 시스템은 흡입 라인 (119)을 충전 회로들중 하나에 결합하여 상기 흡입 라인(119)에 결합되는 상기 충전 회로의 압력 레벨을 하강시키고, 소정 압력 레벨에 유지하도록 추가로 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 작동 챔버들의 유효 영역들의 비율들은 수열 NM에 따라 정해지며, 여기에서 N은 상기 충전 회로들의 수이고, M은 상기 작동 챔버들의 수이고, N 과 M은 모두 정수들임을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    고압력의 상기 충전 회로들 중 적어도 하나의 충전 회로와 저압력의 상기 충전 회로들 중 적어도 하나의 충전 회로의 압력 레벨은 조정 가능하며, 상기 생성된 힘의 합들 사이의 상대적 차이 또한 조정 가능하며, 여기에서, 상기 충전 회로들의 압력 레벨들은 부하 (L)를 제어하기 위해 필요한 힘의 합들에 대응하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트는, 부하의 제어를 위해서, 하나 이상의 힘의 합들을 이용하여 상기 부하를 가속하고 하나 이상의 힘의 합들을 이용하여 상기 부하를 감속하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 부하의 감속중에, 상기 소정의 작동 챔버들중 적어도 하나가 부하의 운동 에너지를 유압력으로 변환하여 변환된 유압력을 상기 충전 회로들중 하나에 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트는, 충전 회로의 유압력을 다른 충전 회로의 유압력으로 변환할 수 있는, 압력 변환기 (112)의 일부로서 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 충전 회로로부터 적어도 하나의 다른 충전회로로 유압력을 전달할 수 있는 압력 변환기 (112)를 구비하며,
    적어도 하나의 고압력의 서브 충전 회로 (HPia);
    유압력의 소스인, 적어도 하나의 저압력의 서브 충전 회로 (LPi, LPia);
    부하를 구성하는 적어도 하나의 보조 액추에이터 또는 보조 액추에이터 유니트;
    변위 원리에 의해 작동하고 상기 보조 액추에이터 또는 보조 액추에이터 유니트에 위치되는 적어도 하나의 보조 작동 챔버들;
    상기 서브 충전 회로들 (HP1a, LP1a)을 작동 챔버 각각에 결합할 수 있으며, 각 보조 작동 챔버는 압력과 체적 유량, 상기 보조 작동 챔버가 결합된 서브 충전 회로들 (HP1a, LP1a)로 생성할 수 있으며, 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트는 유압력 전달을 위해 상기 보조 액추에이터 또는 보조 액추에이터 유니트를 움직이도록 구성된, 제어 회로 (40)를 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 액추에이터 (23)는 제1 이동부를 구비하고, 보조 액추에이터는 제2 이동부를 구비하며, 상기 이동부들은 서로 연결되어 상기 액추에이터와 상기 보조 액추에이터 사이의 움직임을 전달하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 소정의 압력 레벨들이 서로 상이한 적어도 3개의 충전 회로들이 차례로 각 소정의 작동 챔버와 각 보조 작동 챔버에 결합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제16항에 있어서, 장치는, 상기 고압력의 충전 회로들중 적어도 하나 (HPi)를, 액추에이터 (23) 대신에 보조 액추에이터로 결합하고, 동시에 상기 저압력의 충전 회로들중 적어도 하나 (LPia)를, 보조 액추에이터 대신에 상기 액추에이터 (23)로 결합하고, 상기 저압력의 충전 회로들중 적어도 하나 (LPi)를, 액추에이터 (23) 대신에 보조 액추에이터로 결합하고, 동시에 상기 고압력의 서브 충전 회로들중 적어도 하나 (HPia)를, 보조 액추에이터 대신에 상기 액추에이터로 결합하는 제어회로 (125, 126)를 구비하며, 왕복 운동이 압력 컨버터에서 생성되어 이 왕복 운동을 통해 압력 및 체적 유량이 중단없이 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제16항 또는 제17항에 있어서, 액추에이터 (23) 와 보조 액추에이터의 이동부들은, 상기 이동부들을 이동시키고 상기 소정의 작동 챔버들과 그에 결합된 충전 회로에 유압력을 생성하는 운동 에너지의 외부 소스에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제16항에 있어서, 장치는, 어느 충전 회로를 소정의 작동 챔버들중 어느 하나에 결합하는 제어 회로 (126)를 구비하며, 몇 가지 대체안의 변환 비율을 이용하여, 에너지는 둘 이상의 충전 회로들로부터 하나 이상의 다른 충전 회로들로, 또는 하나 이상의 충전 회로들로부터 둘 이상의 다른 충전 회로들로, 또는 둘 이상의 충전 회로들로부터 둘 이상의 다른 충전 회로들로 에너지가 전달되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 또한,
    상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트에 의해 생성된 힘의 합을 제어하고, 제어회로 (40)를 제어하도록 배치되며, 생성될 힘의 합에 대한 기준값 (31), 부하의 가속도, 부하의 속도 또는 부하의 위치를 입력으로서 가지는 적어도 하나의 제어기 (24)를 구비하며;
    상기 제어기는, 생성된 힘의 요소들이 상기 기준값 (31)에 부합 또는 밀접히 관련된 힘의 합을 생성하도록, 매 순간마다, 제어회로 (40)에 의해 만들어진 커플링을 제어하도록 추가 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제어 회로 (40)의 상태들은 상기 제어기에 저장되며, 각 상태는 하나의 힘의 합을 생성하도록 상기 제어 회로의 커플링을 나타내며, 상기 제어기는, 생성될 힘의 합들의 엇갈리는 (staggered) 순서에 비례적으로 대응하는 순서로 제어 회로의 상태를 설정하도록 구성되어 있고, 상기 제어기의 출력은, 각 부하 상황에서 상기 기준값 (31)에 대응하는 상태로 상기 제어 회로를 설정하기 위해 상기 제어 회로에 주어지는 제어값들 (37, 39)임을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 제어 회로 (40)는 상기 고압력의 어느 충전 회로 (HPi, HPia, LPi, LPia) 로의 연결을 개방 또는 폐쇄할 수 있는, 적어도 하나의 제어가능한 제어 인터페이스 (9)를 구비하며, 상기 제어 회로의 그러한 상태들은 상기 제어기에서 사용되기 위해 선택되지 않으며, 이로써 고장 제어 인터페이스의 생성될 힘의 합에 대한 영향은 큰 것임을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 제어 회로 (40)는 상기 고압력의 어느 충전 회로 (HPi, HPia, LPi, LPia) 로의 연결을 개방 또는 폐쇄할 수 있는, 적어도 하나의 제어가능한 제어 인터페이스 (9)를 구비하며, 제어 인터페이스의 고장의 결과, 상기 제어기는, 상황에서 생성될 힘 합들의 점진적인 순서에 비례적으로 대응하는 새로운 순서로 제어 회로의 상태들을 설정하도록 구성되며, 여기에서 고장 제어 인터페이스는 여전히 사용중임을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 제어기는 상기 제어 인터페이스의 상태를 모니터링하고, 상기 제어 인터페이스의 상태가 제어값에 따른 상태에 부합하는지 점검하고, 상기 제어 인터페이스의 고장 상황인지를 판단하도록 배치된 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제1항, 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 챔버의 상태들은 제어기에 저장되며, 각 상태는 하나의 힘의 합을 생성하도록 소정의 작동 챔버들의 커플링을 나타내며, 그에 대응하는 제어값들은 생성될 힘의 합들의 점진적인 순서에 비례적으로 대응하는 순서로 조정되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제22항에 있어서, 시스템은 소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스이며 압력 레벨이 상기 고압력과 상기 저압력의 사이에 있는 중간 압력 (MPi, MPia)의 적어도 하나의 충전 회로를 추가로 구비하며; 에너지 손실을 최소화하기 위해, 상기 제어기는 소정 작동 챔버를 중간압력의 충전 회로에 스로틀링없이 결합하도록 구성되며;
    상기 중간압력으로의 결합은 상기 소정 작동 챔버내 압력이 저압인 경우 상기 소정 작동 챔버의 압력이 고압으로 전환되기 전에 이루어지고, 상기 소정 작동 챔버내 압력이 고압인 경우 상기 소정 작동 챔버의 압력이 저압으로 전환되기 전에 이루어지며, 고압력 또는 저압력의 충전 회로 (HPi, LPi)로 작동 챔버를 최종 결합하기 전에 이루어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는, 선회 장치 (41)에 결합된 부하 (L)의 피봇 운동을 제어하는, 선회 장치 (41)의 액추에이터 (45)이며, 적어도 두개의 액추에이터들 (45, 46) 있으며 이들은 부하에 유효한 가변적인 총 모멘트 (Mtot)를 생성하며, 선회 장치는 상기 액추에이터들에 의해 생성된 직선 운동을 부하의 피봇 운동으로 변환하는 부재들 (47)을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제1항에 있어서, 상기 엑추에이터는 펌프 모터의 액추에이터 (50, 51, 52, 53)이고, 스로틀링없는 제어 방법에 의해 구현되는 힘 제어된 또는 힘 조정된 것이며, 회전 방향과 반대 방향의 부하 모멘트가 드라이브 모터와 같은 외부 에너지 소스에 결합된 드라이브 샤프트상에 생성되며, 상기 액추에이터는 동일한 워블러에 결합된 다른 액추에이터들과 합동으로 펌프로서 작동함을 특징으로 하는 시스템.
  31. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는, 회전 장치에 결합된 부하를 회전시키는 움직임을 제어하는, 회전 장치의 액추에이터 (50, 51, 52, 53)이며, 상기 시스템은 적어도 2개의 상기 엑추에이터들을 구비하고, 상기 회전 장치는 상기 액추에이터들에 의해 생성된 직선 운동을 부하를 회전시키는 운동으로 변환하는 부재들 (54, 55)을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  32. 부하 (L)의 피봇 운동을 제어하기 위해 부하 (L)에 유효한 힘의 합들을 생성하는 적어도 두개의 액추에이터들 (45, 46) 또는 액추에이터 유니트들;
    변위 원리에 의해 작동하고 상기 액추에이터들 또는 액추에이터 유니트들에 위치되는 적어도 두개의 작동 챔버들;
    상기 액추에이터들 또는 액추에이터 유니트들에 의해 생성된 운동을 부하의 피봇 운동으로 변환하고, 생성된 힘의 합들을 부하에 유효한 총 모멘트 (Mtot)로 변환하는 부재들 (45, 46, 47)을 구비하며,
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 고압력의 적어도 하나의 충전 회로 (HPi, HPia);
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 저압력의 적어도 하나의 충전 회로 (LPi, LPia);
    상기 작동 챔버들에 속하는 적어도 두개의 소정의 작동 챔버들;
    상기 고압력의 충전 회로들(HPi, HPia) 중 적어도 하나와 상기 저압력의 충전 회로들(LPi, LPia) 중 적어도 하나를 소정의 각 작동 챔버에 차례로 결합할 수 있으며, 소정의 각 작동 챔버는 상기 소정의 작동 챔버에 결합될 충전 회로들 (HPi, HPia, LPi, LPia)의 소정의 압력 레벨에 대응하는 힘의 요소들 을 생성할 수 있으며,
    여기에서, 각 힘의 요소는 다른 작동 챔버들에 의해 생성된 힘의 요소들과 합동으로 상기 힘의 합들중 적어도 하나를 생산하는, 제어 회로 (40)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 부하의 피봇 운동을 제어하는 선회 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 선회 장치는 상기 작동 챔버들에 속하는, 적어도 4개의 소정의 작동 챔버들을 구비하며, 상기 적어도 4개의 소정 작동 챔버들의 유효 영역들의 비율들은 수열 NM에 따라 정해지며, 여기에서 N은 상기 충전 회로들의 수이고, M은 상기 소정의 작동 챔버들의 수이고, N 과 M은 모두 정수들임을 특징으로 하는 선회 장치.
  34. 제 32항 또는 제 33항에 있어서, 상기 액추에이터들 또는 액추에이터 유니트들은 동일한 방향에 배치되어 반대 방향으로 힘의 합을 생성하는 병렬 실린더 액추에이터들이며, 여기에서, 상기 선회 장치는 상기 힘의 합들을 대응하는 총 모멘트 (Mtot)로 변환하는 선회 기어 휠을 구비하며, 상기 액추에이터들 또는 액추에이터 유니트들은 상기 선회 기어 휠의 반대측에 위치되는 것을 특징으로 하는 선회 장치.
  35. 제32항에 있어서, 상기 선회 장치는, 선회 장치의 힘을 제어하도록 제공되고, 상기 제어 회로 (40)를 제어하도록 구성되며, 생성될 힘의 합에 대한 기준값 (31)을 입력으로서 가지는 적어도 하나의 제어기 (24)를 구비하며; 상기 제어기는, 생성된 힘의 요소들이 상기 기준값 (31)에 부합 또는 밀접히 관련된 힘의 합을 생성하도록, 매 순간마다, 상기 제어 회로 (40)에 의해 만들어진 커플링을 제어하도록 추가 구성된 것을 특징으로 하는 선회 장치.
  36. 부하 (L)의 피봇 운동을 제어하기 위해 부하 (L)에 유효한 총 모멘트들 (Mtot)을 생성하는 적어도 두개의 액추에이터들 (50, 51, 52, 53) 또는 액추에이터 유니트들;
    변위 원리에 의해 작동하고 상기 액추에이터들 또는 액추에이터 유니트들에 위치되는 적어도 두개의 작동 챔버들;
    상기 액추에이터들 또는 액추에이터 유니트들에 의해 생성된 운동을 부하를 회전시키는 운동으로 변환하는 부재들 (54, 55)을 구비하며,
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 고압력의 적어도 하나의 충전 회로 (HPi, HPia);
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 저압력의 적어도 하나의 충전 회로 (LPi, LPia);
    상기 작동 챔버들에 속하는 적어도 두개의 소정의 작동 챔버들;
    상기 고압력의 충전 회로들(HPi, HPia) 중 적어도 하나와 상기 저압력의 충전 회로들(LPi, LPia) 중 적어도 하나를 소정의 작동 챔버에 차례로 결합할 수 있으며,
    상기 소정의 각 작동 챔버는 상기 작동 챔버에 결합될 충전 회로들 (HPi, HPia, LPi, LPia)의 소정의 압력 레벨에 대응하는 힘의 요소들 (FA, FB, FC, FD)을 생성할 수 있으며, - 각 힘의 요소는 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트의 다른 작동 챔버들에 의해 생성된 힘의 요소들과 합동으로 상기 총 모멘트들중 적어도 하나를 생산하는, 제어 회로 (40)를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 회전 장치는 적어도 4개의 상기 액추에이터들 또는 액추에이터 유니트들과 적어도 4개의 상기 소정의 작동 챔버들을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 장치.
  38. 제 36항 또는 제 37항에 있어서, 상기 소정의 작동 챔버들의 유효 영역들의 비율들은 수열 NM에 따라 정해지며, 여기에서 N은 상기 충전 회로들의 수이고, M은 상기 소정의 작동 챔버들의 수이고, N 과 M은 모두 정수들임을 특징으로 하는 회전 장치.
  39. 제36항에 있어서, 상기 회전 장치는, 회전 장치의 힘을 제어하도록 제공되고, 상기 제어 회로 (40)를 제어하도록 구성되며, 생성될 총 모멘트에 대한 기준값 (31)을 입력으로서 가지는 적어도 하나의 제어기 (24)를 구비하며; 상기 제어기는, 생성된 힘의 요소들이 상기 기준값 (31)에 부합 또는 밀접히 관련된 총 모멘트를 생성하도록, 매 순간마다, 상기 제어 회로 (40)에 의해 만들어진 커플링을 제어하도록 추가 구성된 것을 특징으로 하는 회전 장치.
  40. 제36항에 있어서, 상기 소정의 작동 챔버들중 적어도 하나는, 부하의 피봇 운동중에, 유압력을 생성하여 상기 충전 회로들중 하나에 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 회전 장치.
  41. 부하에 유효한 힘의 합 (Fcyl)을 생성할 수 있는, 적어도 하나의 액추에이터 (23) 또는 액추에이터 유니트; 및
    변위 원리에 의해 작동하고 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트에 위치되는 적어도 두개의 작동 챔버들 을 구비하며,
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 고압력의 적어도 하나의 충전 회로 (HPi, HPia);
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 저압력의 적어도 하나의 충전 회로 (LPi, LPia);
    상기 작동 챔버들에 속하는 적어도 두개의 소정의 작동 챔버들(19, 20, 21, 22);
    상기 고압력의 충전 회로들(HPi, HPia) 중 적어도 하나와 상기 저압력의 충전 회로들(LPi, LPia) 중 적어도 하나를, 소정의 각 작동 챔버 (19, 20, 21, 22)에 차례로 결합하는 제어 회로 (40);
    상기 고압력의 충전 회로 (HPi, HPia) 로의 연결을 개방 또는 폐쇄할 수 있는, 소정의 각 작동 챔버를 위한 제1 제어가능한 제어 인터페이스 (9); 및
    상기 제1 제어가능한 제어 인터페이스(9)에 독립되고, 상기 저압력의 충전 회로 (HPi, HPia) 로의 연결을 개방 또는 폐쇄할 수 있는, 소정의 각 작동 챔버를 위한 제2 제어가능한 제어 인터페이스 (10);를 구비하는 가압 매체 시스템에서,
    소정의 각 작동 챔버 (19, 20, 21, 22)에, 상기 소정의 작동 챔버에 결합될 충전 회로들 (HPi, HPia, LPi, LPia)의 소정 압력 레벨들에 대응하는 힘의 요소들 (FA, FB, FC, FD)을 생성하는 단계; 및
    각 힘의 요소로, 다른 작동 챔버들에 의해 생성된 힘의 요소들과 합동으로 상기 힘의 합들중 적어도 하나를 생산하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 가압 매체 시스템에서의 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 시스템은 또한,
    상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트에 의해 생성된 힘의 합을 제어하고, 상기 제어 회로 (40)를 제어하도록 배치되며, 생성될 힘의 합에 대한 기준값 (31), 부하의 가속도, 부하의 속도 또는 부하의 위치를 입력으로서 가지는 적어도 하나의 제어기 (24)를 구비하며;
    상기 방법은
    상기 제어기를 사용하여, 생성된 힘의 요소들이 상기 기준값 (31)에 부합 또는 밀접히 관련된 힘의 합을 생성하도록, 매 순간마다, 상기 제어 회로 (40)에 의해 만들어진 커플링을 제어하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 부하에 유효한 힘의 합 (Fcyl)을 생성할 수 있는, 적어도 하나의 액추에이터 (23) 또는 액추에이터 유니트; 및
    변위 원리에 의해 작동하고 상기 액추에이터 또는 액추에이터 유니트에 위치되는 적어도 두개의 작동 챔버들 을 구비하며,
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 고압력의 적어도 하나의 충전 회로 (HPi, HPia);
    소정의 압력 레벨에서 체적 유량을 생산하고 수신할 수 있는, 유압력의 소스인, 저압력의 적어도 하나의 충전 회로 (LPi, LPia);
    상기 작동 챔버들에 속하는 적어도 두개의 소정의 작동 챔버들(19, 20, 21, 22);
    상기 고압력의 충전 회로들(HPi, HPia) 중 적어도 하나와 상기 저압력의 충전 회로들(LPi, LPia) 중 적어도 하나를, 소정의 각 작동 챔버 (19, 20, 21, 22)에 차례로 결합하는 제어 회로 (40)를 구비하며, 대응 하는 힘의 요소들은 소정의 각 작동 챔버에서 생성되는 것을 특징으로 하는 가압 매체 시스템의 제어를 위한 제어기에서,
    상기 제어기는,
    생성될 힘의 합에 대한 기준값 (31), 부하의 가속도, 부하의 속도 또는 부하의 위치인 입력를 기초로 상기 제어 회로 (40)를 제어하고;
    상기 소정의 작동 챔버들이 상기 기준값 (31)에 부합 또는 밀접히 관련된 힘의 합을 생성하도록, 매 순간마다, 상기 제어 회로 (40)에 의해 만들어진 커플링을 제어하여, 몇 개의 생성된 힘의 요소들의 조합으로 상기 힘의 합을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가압 매체 시스템의 제어를 위한 제어기.
  44. 제43항에 있어서, 상기 제어 회로 (40)의 상태들은 상기 제어기에 저장되며, 각 상태는 하나의 힘의 합을 생성하는 상기 제어 회로의 커플링을 나타내며, 상기 제어기는, 생성될 힘의 합들의 점진적인 순서에 비례적으로 대응하는 순서로 제어 회로의 상태를 설정하도록 구성되어 있고, 상기 제어기의 출력은, 각 부하 상황에서 상기 기준값 (31)에 대응하는 상태로 상기 제어 회로를 설정하기 위해 상기 제어 회로에 주어지는 제어값들 (37, 39)임을 특징으로 하는 제어기.
  45. 제 43항 또는 제 44항에 있어서, 상기 소정의 작동 챔버들의 상태들은 상기 제어기에 저장되며, 각 상태는 하나의 힘의 합을 생성하는 액추에이터의 작동 챔버들의 커플링들과, 생성될 힘 합들의 점진적인 순서에 비례적으로 대응하는 순서로 조정된, 그들에 대응하는 제어값들을 나타내는 것을 특징으로 하는 제어기.
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