KR102134058B1 - 유압 트랜스미션 - Google Patents

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KR102134058B1
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니얼 콜드웰
대니얼 에이브러햄스
다닐 덤노브
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아르테미스 인텔리전트 파워 리미티드
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Abstract

가변 배출량 펌프 및 모터를 포함하고, 가변 배출량 펌프 및 모터 중 적어도 하나는 실린더에 의한 작동 유체의 정미 배출량을 결정하기 위해 실린더 작동 체적의 각 사이클에서 제어 가능한 밸브를 갖는 실린더를 갖는, 유압 트랜스미션. 트랜스미션은 배출량 요구를 구체화하여 펌프 및 모터의 배출량을 결정하는 밸브 제어 모듈을 갖는다. 펌프 및/또는 모터 밸브 제어 모듈은 제1 과정을 사용하여 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 패턴의 주파수 스펙트럼에서의 강도 피크의 주파수를 결정하고, 이 주파수가 트랜스미션이 기계적으로 연결되는 부품의 공진 주파수를 포함하는 허용되지 않는 주파수 대역 내에 속하는 경우, 이러한 주파수의 발생을 억제하기 위해, 배출량 요구 또는 다른 입력이 주기적으로 수정된다. 유압 트랜스미션은, 예를 들면, 풍력 터빈 발전기 또는 차량에서 유용하다.

Description

유압 트랜스미션{HYDRAULIC TRANSMISSION}
본 발명은 실린더 작동 체적의 각 사이클에서 각 실린더가 활성 사이클 또는 비활성 사이클을 수행하는지 여부를 결정하도록 제어될 수 있는 전자 제어 밸브를 갖는 가변 배출량 유압 펌프 및 모터를 포함하는 유압 트랜스미션의 분야, 및 이러한 유압 트랜스미션을 포함하는 기계에 관한 것이다.
풍력 터빈 발전기 및 차량과 같은 장치에서 가변 배출량 유압 펌프 및 가변 배출량 유압 모터를 갖는 유압 트랜스미션을 사용하는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 풍력 터빈 발전기의 경우, 가변 배출량 유압 펌프는 풍력에 의해 구동되는 로터에 연결되는 구동 샤프트에 의해 구동될 수 있으며, 하나 이상의 가변 배출량 유압 모터는 하나 이상의 발전기에 연결되어 유압 펌프의 출력으로부터의 가압된 작동 유체에 의해 구동될 수 있다. 차량의 경우, 내부 구조 엔진 또는 배터리가 유압 펌프를 구동할 수 있고 유압 모터는 각각의 휠 또는 다른 액추에이터를 구동할 수 있다.
적합한 가변 배출량 유압 펌프 및 모터는 회전 샤프트 및 주기적으로 변하는 작동 체적을 갖는 복수의 실린더를 포함하며, 각 실린더를 통한 작동 유체의 배출량은, 기계에 의한 작동 유체의 정미(net) 처리량을 결정하기 위해, 실린더 작동 체적의 각 사이클에서, 실린더 작동 체적의 사이클에 대하여 동일한 위상 관계로, 전자 제어 밸브에 의해 조정된다. 예를 들면, EP 0361927은, 펌프의 개별 실린더 및 저압 작동 유체 라인 사이의 유체 연결을 조정하기 위해, 실린더 작동 체적의 사이클에 대한 동일한 위상 관계로, 전자 제어 밸브를 개방하고/하거나 폐쇄하는 것에 의해 다중 실린더 펌프를 통하여 작동 유체의 정미 처리량을 제어하는 방법을 개시하였다. 그 결과, 작동 유체의 미리 정해진 고정 체적을 배출하거나(활성 사이클) 또는 작동 유체의 정미 배출량이 없는 비활성 사이클(아이들 사이클이라고도 한다)을 수행하여, 펌프의 정미 처리량이 요구에 동적으로 일치될 수 있도록, 개별 실린더가, 실린더 작동 체적의 각 사이클에서, 밸브 제어 모듈에 의해 선택될 수 있다. EP 0494236는 이러한 원리를 개발하여 개별 실린더 및 고압 작동 유체 라인 사이의 유체 연결을 조정하는 전자 제어 포핏 밸브를 포함하여, 유압 모터(일부 실시예에서, 대안적인 작동 모드로 펌프 또는 모터로서 기능할 수 있음)를 제공하는 것을 용이하게 하였다. EP 1537333은 개별 실린더의 최대 배출량의 일부만이 선택되는 활성 사이클의 가능성을 도입하였다.
풍력 터빈 발전기, 차량 또는 유압 트랜스미션을 포함하는 다른 기계는 유압 트랜스미션의 작동에 의해 발생하는 공진 진동을 포함하는 기계의 작동에 의해 발생하는 공진 진동에 의해 손상될 수 있다. 예를 들면, EP 2146093은 동력 오프셋 신호를 제어하는 것에 의해 풍력 터빈 발전기의 타워에서의 진동을 감쇠하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. US 7309930은 터빈 타워의 진동이 발전기에 의해 생성된 토크를 제어하는 것에 의해 감쇠되는 진동 감쇠 시스템 및 방법을 개시한다. EP 1719910은 풍력 터빈 블레이드의 피치 각도가 제어되는 풍력 터빈 타워에서의 진동을 능동적으로 감쇠하는 방법을 개시한다.
그러나, 상술한 타입의 유압 펌프 및 모터를 채용하면 유압 펌프 또는 모터를 통과하는 유동의 박동성 특성으로 인해 진동이 발생하는데, 이러한 진동은 하나 이상의 부품의 공진 주파수와 일치하는 경우에 진동으로 이어질 수 있는 것이 발견되었다. 활성 사이클이 선택되는 주파수에 따라 결정되는 진동이 발생할 수 있다. 예를 들면, 초당 10개의 활성 사이클이 시간적으로 동등하게 이격되게 선택되면, 진동은 10 Hz로 발생할 수 있다. 마찬가지로, 실린더 작동 체적의 비활성 사이클의 주파수와 연관된 진동에 의해서도 문제가 발생할 수 있다. 예를 들면, 시간적으로 동등하게 이격되어, 실린더 중 90%가 활성 사이클을 수행하고 초당 하나의 실린더가 비활성 사이클을 수행하면, 그 결과, 10 Hz의 진동이 존재할 수 있다. 이러한 진동은, 단지 펌프 또는 모터가 최대 배출량의 높은 비율로 작동할 때 의미가 있게 되므로, 그리고, 이에 따라, 높은 동력 처리량이 존재하며 보다 큰 힘이 작용하는 상황에서, 더 해로울 수 있다.
풍력 터빈 발전기 및 다른 기계가 작동할 수 있는 광범위한 조건으로 인해, 그리고, 상술한 타입의 유압 펌프 또는 모터에 의해 발생될 수 있는 진동이 어떤 건지를 결정하는 복잡한 인자로 인하여, 이러한 진동으로부터 발생하는 공진을 방지하기 어렵다.
본 발명의 제1 양태에 따르면,
회전 샤프트,
상기 회전 샤프트의 위치 또는 회전 속도를 측정하는 샤프트 센서,
적어도 하나의 로브를 갖는 적어도 하나의 캠,
상기 회전 샤프트의 회전에 따라 주기적으로 변하는 작동 체적을 갖는 복수의 실린더,
저압 작동 유체 라인 및 고압 작동 유체 라인,
각 실린더 및 상기 저압 및 고압 작동 유체 라인 사이에서의 작동 유체의 유동을 조정하는 복수의 밸브로서, 각 실린더와 연관된 적어도 하나의 밸브는 전자 제어 밸브인 복수의 밸브를 포함하고,
유압 펌프 또는 모터는 실린더 작동 체적의 사이클에 대하여 동일 위상 관계로 상기 전자 제어 밸브를 능동적으로 제어하기 위해 명령 신호를 발생시켜, 실린더 체적의 각 사이클에 대해, 각 실린더가 작동 유체의 정미 배출량이 존재하는 활성 사이클 또는 작동 유체의 정미 배출량이 존재하지 않는 비활성 사이클을 수행하는지 여부를 결정하도록 구성되는 밸브 제어 모듈을 포함하고,
상기 밸브 제어 모듈은 상기 복수의 실린더에 의한 작동 유체의 목표 정미 배출량을 대표하는 배출량 요구 신호를 수신하는 요구 입력을 갖고,
상기 밸브 제어 모듈은, 상기 회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 상기 실린더에 의해 수행되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내에서 유지되지 않도록 명령 신호의 패턴을 선택하면서, 상기 복수의 실린더의 시간 평균 정미 배출량이 상기 배출량 요구 신호로 대표되는 배출량 요구를 충족하도록 명령 신호를 발생시키도록 구성되는, 유압 펌프 또는 모터가 제공된다.
통상적으로, 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위는 유압 트랜스미션의 일부이거나 유압 트랜스미션과 기계적으로 연결된(예를 들면, 기계적으로 결합된) 기계의 일부분의 하나 이상의 공진 주파수를 포함하며, 그 공진 주파수는 회전 샤프트의 회전 속도와 비례하여 변하지 않는다. (기계의 부분은 하나 이상의 부품으로 형성될 수 있다.)
유압 트랜스미션에 의한 여기의 결과로서 기계의 부분의 공진 현상이 이에 따라 방지된다. 이 부분은 유압 트랜스미션의 일부분(예를 들면, 하나 이상의 부품)일 수 있거나(예를 들면, 유압 펌프 또는 유압 모터에 연결된 구동 샤프트), 기계적으로 연결되는(예를 들면, 유압 트랜스미션에 기계적으로 연결되는) 하나 이상의 부품, 예를 들면, 블레이드 또는 유압 트랜스미션을 수용하는 풍력 터빈 발전기의 타워일 수 있다.
공진 주파수 중 하나 이상(그리고 이에 따른 바람직하지 않은 주파수의 범위)은 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변화하지 않을 수 있다. 그러나, 공진 주파수 중 하나 이상(그리고 이에 따른 바람직하지 않은 주파수의 범위)은 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변화할 수 있지만, 회전 샤프트의 회전 속도에 비례하지 않을 수 있다. 예를 들면, 풍력 터빈 발전기의 블레이드의 강성도 및 이에 따른 블레이드의 공진의 하나 이상의 모드의 주파수는, 이들이 결합되는 펌프의 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 증가하지만, 선형이 아니다. 공진 주파수 중 하나 이상(및 이에 따른 바람직하지 않은 주파수의 범위)은 회전 샤프트의 회전 속도와 무관할 수 있는 파라미터에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 공진 주파수는 램(ram) 또는 붐(boom)의 위치에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 램의 공진 주파수는 램의 위치에 따라 결정될 수 있다. 유압 라인에서 2개의 어큐뮬레이터 사이의 유체 진동이 유압 라인 내의 압력에 따라 달라질 수 있다. 일부의 경우, 하나 이상의 공진 주파수는 복수의 파라미터에 따라 결정될 수 있으며, 파라미터 중 일부 또는 모두는 회전 샤프트의 회전 속도와 무관할 수 있고, 예를 들면, 2개의 램을 갖는 기계는 각 램의 위치에 따라 결정되는 주파수의 공진의 모드를 가질 수 있다. 하나 이상의 파라미터는 하나 이상의 센서에 의해 측정된 파라미터에 의해 측정될 수 있다.
일부 실시예에서, (예를 들면, 주파수 분석에 의해) 하나 이상의 진동 및 하나 이상의 진동의 공진 주파수를 식별하기 위해, 신호(예를 들면, 고압 라인 내의 압력, 회전 샤프트의 회전 속도, 가속도계 또는 스트레인 게이지와 같은 기계의 잠재적으로 공진하는 부분에 부착되는 센서로부터의 신호)를 분석하는 것에 의해, 그런 다음, 결정된 하나 이상의 주파수를 포함하도록 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위를 설정하는 것에 의해, 하나 이상의 진동의 공진 주파수가 결정될 수 있다.
유압 펌프 또는 모터는 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정하도록 작동 가능한 공진 결정 모듈을 더 포함할 수 있다. 따라서, 밸브 제어 모듈은 공진 결정 모듈로부터 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상에 관한 데이터를 포함하거나 수신할 수 있다. 공진 결정 모듈은 하나 이상의 측정된 파라미터에 따라 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정할 수 있다. 공진 결정 모듈은 회전 샤프트의 회전 속도와 무관한 하나 이상의 측정된 파라미터에 따라 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정할 수 있다. 공진 결정 모듈은 (하나 이상의 측정된 파라미터를 측정할 수 있는) 하나 이상의 센서로부터의 데이터를 처리할 수 있다. 공진 결정 모듈은 입력으로서 회전 샤프트의 회전 속도를 수신할 수 있다. 공진 결정 모듈은 공진을 식별하기 위한 신호의 분석을 수행할 수 있다.
실린더 작동 체적의 사이클의 주기성으로 인해, 실린더에 의해 수행된 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴이 유압 펌프 또는 모터의 일부이거나 기계적으로 연결된(예를 들면, 기계적으로 결합된) 기계 부품에 공진 진동을 일으킬 수 있다. 실린더에 의해 수행된 활성 및 비활성 사이클의 패턴이 명령 신호의 패턴에 의해 결정되어, 밸브 제어 모듈이 제어 신호의 패턴을 결정하는 것에 의해 활성 및 비활성 사이클의 패턴을 결정하지만, 공진 진동을 발생시키는 것은 활성 및 비활성 사이클의 패턴으로부터 발생하는 맥동성 유동 또는 토크이다.
실린더에 의해 수행된 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴은 하나 이상의 강도 피크를 갖는 주파수 스펙트럼을 갖는다. 예를 들면, 실린더가 활성 및 비활성 사이클을 교대로 수행한 경우, 실린더 작동 체적의 사이클의 주파수의 절반과 동일한 주파수에서 강도 피크가 있을 수 있다. 보다 일반적으로, 실린더는 하나 이상의 강도 피크를 갖는 주파수 스펙트럼을 갖는 활성 및 비활성 사이클의 보다 복잡한 패턴을 수행할 것이다.
발명자는 이들 강도 피크의 주파수가 활성 및 비활성 사이클의 순서(즉, 활성 및 비활성 사이클이 수행되는 순서)뿐만 아니라 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변화한다는 것을 인식하였다. 예를 들면, 회전 샤프트 속도가 x%만큼 증가하면, 실린더 작동 체적의 사이클의 주파수가 x%만큼 증가할 것이고, 강도 피크의 일부 또는 모두의 주파수가 x%만큼 증가할 것이다. 따라서, 강도 피크의 일부 또는 전부의 주파수는 회전 샤프트의 회전 속도에 비례한다.
본 발명은 유압 펌프 또는 모터의 일부이거나 기계적으로 연결되는(예를 들면, 기계적으로 결합되는) 부품의 공진 주파수(예를 들면, 유압 트랜스미션이 풍력 터빈 발전기에 포함되는 실시예에서 터빈 블레이드 또는 터빈 타워의 공진 주파수)에서의 강도 피크로 바람직하지 않은 진동을 억제할 수 있다. 유리하게는, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴이 본 발명의 결과로서 수정되더라도, 패턴이 이와 달리 바람직하지 않은 공진을 발생시킬 수 있을 때, 시간 평균 정미 배출량이 수정되지 않아, 알려진 밸브 제어 모듈 대신에 밸브 제어 모듈이 사용될 수 있도록 한다. 따라서, 요구 신호의 적어도 일부 값에 대한 유압 펌프 또는 모터의 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼이 회전 샤프트의 회전 속도의 변동에도 불구하고 전반적으로 동일하게 유지되는 주파수 대역에서 감쇠된 성분을 갖는 것으로 보여질 것이다. 일부 실시예에서, 감쇠된 성분 중 하나 이상은 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변화하는 주파수 대역에 있을 것이지만, 회전 샤프트의 회전 속도에 비례하지 않는다.
하나 이상의 강도 피크의 주파수는, 활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수, 또는 그 고조파, 또는 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수, 또는 그 고조파일 수 있다.
활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수에 의해, 활성 사이클을 수행하는 실린더의 개수가 변화하는 시간 평균 주파수(초당 실린더)를 참조한다. 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수(초당 실린더)에 의해, 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 개수가 변화하는 시간 평균 주파수를 참조한다. 각 실린더가 실린더 작동 체적의 각 사이클에서 활성 사이클 또는 비활성 사이클을 수행하게 됨에 따라, 활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수와 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수가 상수로 합산된다.
각 실린더가 상이한 위상에서 작동하면, 상수는 통상적으로 실린더 작동 체적의 사이클의 주파수에 실린더의 개수를 곱한 것과 동일하다. 그러나, 그렇지 않고 다수의 실린더가 실린더 작동 체적의 사이클 전체에서 실질적으로 동일한 위상으로 작동하면, 상수는 줄어들게 될 것이다. 예를 들면, 실린더 작동 체적의 사이클 전체에서 실질적으로 동일한 위상을 갖는 C개의 실린더의 그룹에서 실린더가 작동하면, 상수는 실린더의 개수를 C로 나눈 것을 작동 챔버 체적의 사이클의 주파수에 곱한 것과 동일할 것이다.
중요한 것은 활성(또는 적절하게는 비활성) 사이클을 수행하는 실린더의 개수가 변화하는 주파수이다. 활성(또는 적절하게는 비활성) 사이클을 수행하는 실린더의 개수가 일정한 양만큼 변경되면, 기본 주파수에 영향을 미치지 않는다. 예를 들면, 하나 이상의 실린더가 활성 또는 비활성 사이클을 수행하여야 하는지 여부에 대한 연속적인 결정 지점에서, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1 실린더가 활성 사이클을 수행할 것으로 결정된다면, 기본 주파수는 1, 1, 1, 2, 1, 1, 1, 2 실린더가 활성 사이클을 수행할 것을 결정하는 것에 의해 영향을 받지 않는다.
활성 또는 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 주파수는 회전 샤프트의 회전 속도(초당 회전)에 비례한다. 이는 주어진 실린더가 활성 사이클 또는 비활성 사이클을 실시하는 경우 실린더 작동 체적의 각 사이클 도중 통상적으로 하나의 지점이 존재할 것이기 때문이다. 예를 들면, 실린더 및 저압 작동 유체 라인 사이의 작동 유체의 유동을 조정하는 전자 제어 밸브를 폐쇄할지 여부가 통상적으로 결정된다.
따라서, 본 발명은 유압 펌프 또는 모터가, 실린더에 의해 수행된 활성 및 비활성 사이클의 패턴에 따라 결정되고, 활성 및 비활성 사이클의 주어진 순서에 대해, 회전 샤프트의 회전 속도에 비례하는 주파수에서 강도 피크를 갖는 진동을 발생시킬 것이라는 것을 인식한다. 본 발명에 따르면, 시간에 따라 평균된, 유압 유체의 목표 정미 배출량을 전달하면서 원치 않은 진동을 줄이도록 밸브 명령 신호의 패턴이 제어된다. 밸브 명령 신호의 패턴은 통상적으로 각 실린더가 활성 또는 비활성 사이클을 수행하는지 여부를 결정하는 것에 의해 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수에 영향을 미치지만, 실린더에 의해 배출되는 유압 유체의 양이 사이클 사이로부터 변화하는 경우, 실린더 작동 체적의 각 사이클 도중 밸브 제어 신호의 패턴에 의해 결정된 정미 배출량도 하나 이상의 강도 피크의 주파수에 영향을 미친다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 제한된 기간 동안, 예를 들면, 회전 샤프트의 100 회전보다 적게 또는 회전 샤프트의 10 회전보다 적게, 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위에서 유지되는 것이 허용된다. 이는 바람직하지 않은 공진 진동은 통상적으로 증대하여 진폭이 증가하는 데에 시간이 어느 정도 걸리기 때문이다.
밸브 제어 모듈은, 실린더 작동 체적의 이전의 사이클 중 배출량 요구 및 작동 유체의 정미 배출량을 처리하기 위해 복수의 시간 단계의 각각에서 배출량 결정 알고리즘을 실행하고, 배출된 작동 유체의 총량과 요구된 작동 유체의 총량의 차이가 역치를 초과할 때, 적어도 하나의 실린더가 작동 유체의 정미 배출량을 만드는 활성 사이클을 수행하게 하도록 구성될 수 있다.
밸브 제어 모듈은, 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내에 있지 않을 때, 활성 사이클 또는 비활성 사이클을 각각 수행하기 위한 실린더의 선택과 비교하여 활성 또는 비활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택을 진각시키고/시키거나 지각시키는 것에 의해 배출량 요구를 충족시키면서 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 성분의 강도를 줄이도록 구성될 수 있다.
따라서, 밸브 제어 모듈은, 회전 샤프트의 회전 속도에 따라, 회전 샤프트의 회전 당 최대 배출량의 비율로서, 동일한 배출량에서 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 상이한 패턴을 선택하여, 하나 이상의 바람직하지 않은 주파수의 진동의 발생을 줄이도록 구성될 수 있다.
밸브 제어 모듈은 역치를 변화시켜, 하나 이상의 실린더의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 하나 이상의 바람직하지 않은 주파수 성분의 강도를 감소시키도록 구성될 수 있다.
통상적으로, 주파수 스펙트럼의 적어도 하나의 강도 피크가 이와 달리 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위에 속한다고 결정된 때에만, 역치가 변화된다.
바람직하지 않은 주파수의 범위는 각각 통상적으로 최대 공진의 주파수 위아래로 연장되는 주파수의 범위이다.
미리 정해진 기준(이 기준이 충족되면, 주파수 스펙트럼의 적어도 하나의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 적어도 하나에 속할 것으로 예측되도록 선택됨)에 일치하는 회전 샤프트의 회전 속도 및 배출량 요구 신호에 대응하여 역치가 변할 수 있다.
바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내의 주파수 스펙트럼의 강도를 줄이기 위해, 역치가 교대로 증감될 수 있다.
작동 유체의 정미 배출량을 만드는 활성 사이클을 실린더가 수행하여야 하는지 여부의 결정의 주파수의 1/2 및 1/10 사이의 주파수에서, 역치가 교대로 증감될 수 있다.
주파수 스펙트럼의 적어도 하나의 강도 피크가 이와 다른 경우 속하게 되는 바람직하지 않은 주파수의 범위 내에서 바람직하지 않은 주파수의 주파수의 1/2 및 1/10 사이의 주파수에서 역치가 교대로 증감될 수 있다. 주파수 스펙트럼의 적어도 하나의 강도 피크가 이와 다른 경우 속하게 되는 바람직하지 않은 주파수의 범위의 중간에서 주파수의 주파수의 1/2 및 1/10 사이의 주파수에서 역치가 교대로 증감될 수 있다.
주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내에 유지되지 않도록, 밸브 제어 모듈에 의해 수신된 배출량 요구 신호는 선택적으로 변조될 수 있다.
배출량 요구 신호는 주기적 변조 파형에 의해 선택적으로 변조될 수 있다.
주기적인 변조 파형은 통상적으로 구형파이다. 주기적인 변조 파형은 50%의 듀티 사이클을 가질 수 있다. 변조는 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상에 속하는 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수로 이어질 수 있는 값으로 유지되는 배출량 결정 알고리즘에 의해 처리되는 배출량 요구를 방지하는 효과를 갖는다. 통상적으로, 주기적인 변조 파형은 배출량 요구 신호와 합산된다. 통상적으로, 주기적인 변조 파형은 시간 평균 평균 배출량을 변경하지 않도록 0의 평균 진폭을 갖는다. 배출량 요구는 단위의 기하 평균을 갖는 주기적인 파형이 곱해질 수 있다.
배출량 요구 신호는 수신된(수정되지 않은) 배출량 요구 신호와 실질적으로 동일한 시간 평균(평균) 값을 계속 가지면서, (회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여) 바람직하지 않은 주파수의 범위 내에 있는 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수로 이어질 수 있는 배출량 요구 신호의 값의 범위 밖에 있도록 선택적으로 수정될 수 있다. 선택적으로 수정된 배출량 요구 신호는 평균 값이 수신된(수정되지 않은) 배출량 요구 신호와 실질적으로 동일하도록 선택된 듀티 사이클을 갖는 제1 및 제2 값 사이에서 교호할 수 있다. 제1 및 제2 값은 통상적으로 배출량 요구 신호의 값의 범위의 상단(또는 상단의 위), (또는 하단의 위) 및 하단(또는 하단의 아래)에서의 배출량 요구이다. 배출량 요구 신호의 값의 범위는 바람직하지 않은 주파수의 범위 및 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 결정된다.
선택적인 변조 없이는, 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위에 속할 것이라는 판단에 대응하여 선택적인 변조는 통상적으로 이루어진다. 미리 정해진 기준(이 기준이 충족되면, 주파수 스펙트럼의 적어도 하나의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 적어도 하나에 속할 것으로 예측되도록 선택됨)에 충족하는 회전 샤프트의 회전 속도 및 배출량 요구 신호에 대응하여 선택적인 변조가 이루어질 수 있다.
밸브 제어 모듈은, 축적된 배출량 오차 값을 저장하는 어큐뮬레이터와, 각 시간 단계에서 배출량 요구 신호로 대표되는 배출량 요구를 축적된 배출량 오차 값에 가산하는 가산기와, 동일한 시간 단계 또는 이전 시간 단계에서 밸브 제어 모듈의 능동 제어 하에서 배출된 작동 유체의 양을 나타내는 값을 감산하는 감산기를 포함할 수 있다.
동일한 또는 이전 시간 단계에서 배출된 작동 유체의 양이 감산되는지 여부는 시간 단계가 완료되었다고 판단되는 때에 따른 구현 옵션이다. 따라서, 축적된 배출량 오차 값은 배출된 작동 유체의 총량 및 요구된 작동 유체의 총량 간의 차이를 나타낸다.
대안적으로, 밸브 제어 모듈이 요구된 배출량 및 결정된 배출량의 값을 적산할 수 있으며 이 둘 사이의 차이가 역치를 초과하는지 여부를 고려할 수 있을 것이다.
밸브 제어 모듈은, 배출량 요구 및 회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 밸브 제어 모듈이 제1 과정을 이용하여 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴을 선택한 경우 발생되는 실린더에 의해 수행되는 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정하고, 결정된 하나 이상의 주파수를 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위와 비교하고, 적어도 하나의 결정된 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 적어도 하나의 범위에 속하는 경우, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴이 제1 과정 대신 제2 과정을 이용하여 정상적으로 선택되도록 하여, 주파수의 적어도 하나의 범위에서의 주파수 스펙트럼의 강도를 감소시키는 주파수 결정 모듈을 포함할 수 있다. 실린더에 의해 수행되는 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수는 활성 사이클의 주파수, 또는 비활성 사이클의 주파수, 또는 그 고조파를 산출하는 단계를 포함하는 방법에 의해 산출될 수 있다. (제2 과정은 통상적으로 주파수의 적어도 하나의 범위에서 주파수 스펙트럼의 성분의 강도가 감소된 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴을 발생시키는 것이다.)
제1 과정은, 실린더가 작동 유체를 배출시키는 데에 이용 가능한지 여부를 선택적으로 고려하여, 정미 배출량 또는 작동 유체를 배출량 요구에 가장 가깝게 충족시키도록 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴을 선택하는 알고리즘의 실행을 포함할 수 있다. 제1 과정은 선택되는 활성 사이클 모두가 동일한 양의 작동 유체(예를 들면, 작동 유체의 최대 배출 가능량)를 배출하는 과정일 수 있다. 제2 과정은 상이한 알고리즘의 실행을 포함할 수 있다. 제2 과정은 알고리즘으로의 입력, 알고리즘으로부터의 출력, 또는 알고리즘의 파라미터를 수정하는 것을 포함할 수 있다.
밸브 제어 모듈은, 배출량 요구 및 회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 실린더에 의해 수행되는 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정할 수 있다. 배출량 요구 및 회전 샤프트의 회전 속도는 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정하는 데에 고려되는 단지 2개의 연속적으로 변화하는 변수일 수 있다. 밸브 제어 모듈은 활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수, 및/또는 그 하나 이상의 고조파, 및/또는 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수, 또는 그 고조파 및/또는 그 하나 이상의 고조파를 산출하여, 실린더에 의해 수행되는 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정할 수 있다.
고려되는 회전 샤프트 속도는 통상적으로 (예를 들면, 샤프트 센서에 의해 측정될 수 있거나 샤프트 센서로부터 수신된 데이터를 처리하여 얻을 수 있는) 회전 샤프트의 측정된 회전 속도이다. 그러나, 회전 샤프트 속도는, 예를 들면, 산출될 수 있거나 특정 값을 갖도록 제어될 수 있다.
밸브 제어 모듈은 회전 샤프트 속도 신호를 수신하고, 역치가 변화되어야 하는지 여부를 결정할 때 회전 샤프트 속도 신호를 고려할 수 있다. 밸브 제어 모듈은 회전 샤프트 속도 신호를 수신할 수 있으며, 실린더가 활성 또는 비활성 사이클을 수행하여야 하는지 여부에 대한 결정의 현재의 주파수를 결정하여 역치가 변화되어야 하는지 결정하기 위해 회전 샤프트 속도 신호를 고려하도록 구성될 수 있다.
바람직하지 않은 주파수의 범위의 적어도 일부는 유압 트랜스미션의 하나 이상의 부품 또는 유압 트랜스미션을 포함하는 기계의 일부인 하나 이상의 부품의 최대 공진의 주파수에 대응하는 주파수를 포함할 수 있다.
예를 들면, 유체 작동 기계는 하나 이상의 블레이드 및 타워를 갖는 풍력 터빈 발전기의 일부일 수 있으며, 주파수의 범위의 적어도 일부는 블레이드 및/또는 타워의 최대 공진의 주파수를 포함할 수 있다(예를 들면, 최대 공진의 주파수를 중심으로 함).
바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위의 적어도 하나는 실린더가 결합되어 하나 이상의 실린더에 의한 작동 유체의 배출량을 구동하거나 이에 의해 구동되는 회전 샤프트의 최대 공진의 주파수에 대응할 수 있다.
기계적으로 결합되거나 연결되는 것뿐만 아니라 "기계적 연결"에 의해, 유압 회로를 통한 유압 펌프 또는 모터로의 연결을 포함한다(유압 회로 및 액추에이터를 통하여 결합된 것을 포함).
유압 펌프 및 유압 모터라는 용어에서, 유압 램(가압된 유압 유체의 소스 또는 싱크로서 각각 작용할 때)을 포함한다.
제2 양태에서, 본 발명은 유압 트랜스미션으로 연장되며, 유압 트랜스미션은,
가변 배출량 유압 펌프,
가변 배출량 유압 모터,
유압 펌프를 구동하기 위해 유압 펌프에 결합되는 구동 샤프트, 및
부하에 결합하도록 유압 모터에 결합되는 출력 샤프트를 포함하고,
유압 펌프 및 유압 모터 중 적어도 하나는 본 발명의 제1 양태에 따른 유압 펌프 또는 모터이다.
본 발명은 유압 트랜스미션을 포함하는 풍력 터빈 발전기로 연장된다. 풍력 터빈 발전기는, 유압 펌프에 결합되며 복수의 블레이드를 포함하는 터빈, 및 유압 모터에 결합되는 발전기를 포함할 수 있다.
바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위는, 블레이드의 공진 주파수, 터빈의 공진 주파수, 풍력 터빈 발전기의 타워의 공진 주파수, 및 터빈을 유압 펌프에 연결시키는 구동 샤프트의 공진 주파수 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
유압 트랜스미션은 트랜스미션 컨트롤러를 포함할 수 있다. 트랜스미션 컨트롤러는 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정하도록 작동 가능한 공진 주파수 결정 모듈을 포함하거나 이와 전자적으로 연결될 수 있다. 공진 주파수 결정 모듈의 추가적인 특징 및 본 발명의 제2 양태의 다른 선택적인 특징은 본 발명의 제1 양태에 관하여 상술한 특징에 대응한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 제2 양태에 따른 유압 트랜스미션을 포함하는 기계와, 유압 모터 또는 유압 펌프와의 종동 또는 구동 관계에서 이동 가능한 기계 구조로 연장되며, 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상은 기계 구조의 하나 이상의 공진 주파수를 포함한다. 기계 구조의 하나 이상의 공진 주파수(및 바람직하지 않은 주파수의 범위)는, 기계 구조의 구성에 따라, 예를 들면, 유압 모터 또는 유압 펌프와 종동 또는 구동 관계에 있는 기계 구조의 이동에 따라, 달라질 수 있다. 이 구성은 하나 이상의 센서로 측정될 수 있다. 기계 구조는 굴삭기의 붐, 지게차의 리프트 기구, 또는 에어리얼 리프트의 신축성 아암일 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명의 제2 양태에 따른 유압 트랜스미션을 포함하는 차량과, 유압 펌프에 결합되는 엔진, 유압 모터에 결합되는 액추에이터(휠과 같음)로 연장된다. 이 경우, 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상은 차량 구동 트레인, 차량 현가 장치, 조향 장치, 엔진, 차체, 차량의 섀시, 또는 붐, 굴삭기 아암 등과 같은 작동 장치 중 하나 이상의 공진 주파수를 포함할 수 있다.
유압 펌프 또는 모터는 모터가 아닌 펌프로서의 기능을 하는 유체 작동 기계일 수 있다. 유압 펌프 또는 모터는 펌프가 아닌 모터로서의 기능을 하는 유체 작동 기계일 수 있다. 유압 펌프 또는 모터는 대안적인 작동 모드에서 펌프 또는 모터로서 작동 가능한 유체 작동 기계일 수 있다.
제3 양태에서, 본 발명은 유압 펌프 또는 모터를 작동시키는 방법으로 연장되며, 유압 펌프 또는 모터는,
회전 샤프트,
상기 회전 샤프트의 위치 또는 회전 속도를 측정하는 샤프트 센서,
적어도 하나의 로브를 갖는 적어도 하나의 캠,
상기 회전 샤프트의 회전에 따라 주기적으로 변하는 작동 체적을 갖는 복수의 실린더,
저압 작동 유체 라인 및 고압 작동 유체 라인,
각 실린더 및 상기 저압 및 고압 작동 유체 라인 사이에서의 작동 유체의 유동을 조정하는 복수의 밸브로서, 각 실린더와 연관된 적어도 하나의 밸브는 전자 제어 밸브인 복수의 밸브를 포함하고,
상기 방법은
복수의 실린더에 의한 작동 유체의 목표 배출량을 대표하는 배출량 요구 신호를 수신하는 단계, 및
실린더 작동 체적의 사이클에 대하여 동일 위상 관계로 상기 전자 제어 밸브를 능동적으로 제어하여, 실린더 체적의 각 사이클에 대해, 각 실린더가 작동 유체의 정미 배출량이 존재하는 활성 사이클 또는 작동 유체의 정미 배출량이 존재하지 않는 비활성 사이클을 수행하는지 여부를 결정하도록 명령 신호를 발생시키는 단계를 포함하며,
회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 실린더에 의해 수행되는 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내에서 유지되지 않도록 명령 신호의 패턴이 선택되면서, 복수의 실린더의 시간 평균 정미 배출량이 배출량 요구 신호로 대표되는 배출량 요구를 충족하도록 명령 신호가 선택된다.
하나 이상의 강도 피크의 주파수가 제한된 기간 동안, 예를 들면, 회전 샤프트의 100 회전보다 적게 또는 회전 샤프트의 10 회전보다 적게, 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위에서 유지될 수 있다.
방법은 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 공진 주파수 중 하나 이상(그리고 이에 따른 바람직하지 않은 주파수의 범위)은 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변화하지 않을 수 있다. 공진 주파수 중 하나 이상(그리고 이에 따른 바람직하지 않은 주파수의 범위)은 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변화할 수 있지만, 회전 샤프트의 회전 속도에 비례하지 않을 수 있다.
방법은 공진 주파수(예를 들면, 하나 이상의 센서를 이용) 중 하나 이상을 결정하여 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정하는 하나 이상의 파라미터를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 파라미터의 하나 이상(또는 모두)는 회전 샤프트의 회전 속도와 무관할 수 있다.
방법은, (예를 들면, 주파수 분석에 의해) 하나 이상의 진동 및 하나 이상의 진동의 공진 주파수를 식별하기 위해, 신호(예를 들면, 고압 라인 내의 압력, 회전 샤프트의 회전 속도, 가속도계 또는 스트레인 게이지와 같은 기계의 잠재적으로 공진하는 부분에 부착되는 센서로부터의 신호)를 분석하는 단계와, 그런 다음, 결정된 하나 이상의 주파수를 포함하도록 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 실린더 작동 체적의 이전의 사이클 중 배출량 요구 및 작동 유체의 정미 배출량을 처리하기 위해 복수의 시간 단계의 각각에서 배출량 결정 알고리즘을 실행하는 단계와, 배출된 작동 유체의 총량과 요구된 작동 유체의 총량의 차이가 역치를 초과할 때, 적어도 하나의 실린더가 작동 유체의 정미 배출량을 만드는 활성 사이클을 수행하게 하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내에 있지 않을 때, 활성 사이클 또는 비활성 사이클을 각각 수행하기 위한 실린더의 선택과 비교하여 활성 또는 비활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택을 진각시키고/시키거나 지각시키는 것에 의해 배출량 요구를 맞추면서 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 성분의 강도를 줄일 수 있다.
따라서, 회전 샤프트의 회전 속도에 따라, 회전 샤프트의 회전 당 최대 배출량의 비율로서, 동일한 배출량에서 활성 및 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 패턴이 달라져, 하나 이상의 바람직하지 않은 주파수의 진동의 발생을 줄일 수 있다.
역치가 변화될 수 있어, 하나 이상의 실린더의 활성 사이클의 패턴의 하나 이상의 바람직하지 않은 주파수 성분의 강도를 감소시킬 수 있다. 역치의 변동의 추가적인 선택적인 특징은 상술한 바와 같다.
통상적으로, 주파수 스펙트럼의 적어도 하나의 강도 피크가 이와 달리 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위에 속한다고 결정한 때에만, 역치가 변화된다. 바람직하지 않은 주파수의 범위는 각각 통상적으로 최대 공진의 주파수 위와 아래로 연장되는 주파수의 범위이다.
방법은, 축적된 배출량 오차 값을 저장하는 단계와, 배출량 요구 신호로 대표되는 배출량 요구를 가산하고, 동일한 또는 이전의 시간 단계에서 밸브 제어 모듈의 활성 제어 하에서 배출된 작동 유체의 양을 대표하는 값을 감산하는 것에 의해 저장된 축적된 배출량 오차 값을 각 시간 단계에서 업데이트하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 방법은 배출된 작동 유체의 총량 및 요구된 작동 유체의 총량 간의 차이를 나타내는 축적된 배출량 오차 값을 저장하고 업데이트하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 방법은 요구된 배출량 및 결정된 배출량의 값을 적산하고 이 둘의 차이가 역치를 초과하는지 여부를 고려하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 배출량 요구 및 회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 밸브 제어 모듈이 제1 과정을 이용하여 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴을 선택한 경우 발생되는 실린더에 의해 수행되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정하는 단계와, 결정된 하나 이상의 주파수를 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위와 비교하는 단계와, 적어도 하나의 결정된 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 적어도 하나의 범위에 속하는 경우, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴이 제1 과정 대신 제2 과정을 이용하여 정상적으로 선택되도록 하여, 주파수의 적어도 하나의 범위에서의 주파수 스펙트럼의 강도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 실린더에 의해 수행되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수는 활성 사이클의 주파수, 또는 비활성 사이클의 주파수, 또는 그 고조파를 산출하는 단계를 포함하는 방법에 의해 산출될 수 있다. 제1 및 제2 과정의 추가적인 선택적인 특징은 상술한 바와 같다.
밸브 제어 모듈은, 배출량 요구 및 회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 실린더에 의해 수행되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정할 수 있다. 배출량 요구 및 회전 샤프트의 회전 속도는 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정하는 데에 고려되는 단지 2개의 연속적으로 변화하는 변수일 수 있다. 밸브 제어 모듈은 활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수, 및/또는 그 하나 이상의 고조파, 및/또는 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수, 또는 그 고조파 및/또는 그 하나 이상의 고조파를 산출하여, 실린더에 의해 수행되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정할 수 있다.
방법은, 회전 샤프트 속도 신호를 수신하는 단계와, 역치가 변화되어야 하는지 여부를 결정할 때 회전 샤프트 속도 신호를 고려하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 회전 샤프트 속도 신호를 수신하는 단계 및 실린더가 실린더 작동 체적의 활성 또는 비활성 사이클을 수행하여야 하는지 여부에 대한 결정의 현재의 주파수를 결정하여 역치가 변화되어야 하는지 결정하기 위해 회전 샤프트 속도 신호를 고려하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 및 제2 양태와 연관되어 상술한 본 발명의 제3 양태의 추가적인 선택적인 특징과 상술한 본 발명의 임의의 일 양태와 연관되어 설명되는 선택적인 특징은 본 발명의 각 양태의 선택적인 특징이다.
이제 본 발명의 예시적인 실시예가 아래의 도면을 참조로 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력 터빈 발전기의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유압 모터의 개략도이다.
도 3은 유압 모터의 밸브 제어 모듈의 개략도이다.
도 4는 트랜스미션 밸브 제어 모듈의 동작의 흐름도이다.
도 5는 정상 작동 모드에서 개별 실린더에 의해 배출량을 결정하기 위한 배출량 결정 알고리즘의 흐름도이다(제1 과정).
도 6은 제1 과정에 따른 배출량 결정 알고리즘의 반복 실행을 나타내는 표이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 배출량 결정 알고리즘용 제어 로직의 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 요청된 배출량으로 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 패턴의 주파수 스펙트럼의 강도 피크의 주파수의 변동의 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는, 예시적인 실시예에서, 1,000 rpm의 회전 샤프트의 고정된 회전 속도에서, 작동 유체의 배출량의 변화율이 최대 배출량의 0%로부터 100%까지 변함에 따라, 활성 및 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 패턴의 주파수 스펙트럼의 주파수 성분의 강도의 변동을 나타내는 주파수 스펙트럼(소노그램(sonogram))의 예이다.
도 10은 배출량 요구 신호에 따라 활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수 및 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수의 변동을 도시한다.
도 11a 내지 도 11d는 배출량 요구 신호의 4개의 상이한 값에서 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클을 수행하도록 선택되는 실린더의 패턴의 주파수 스펙트럼을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 결정 역치를 수정하기 위한 제어 로직의 개략도이다.
도 13은 본 발명에 따른 결정 역치를 수정하기 위한 제어 로직의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 방법에 의한 활성 사이클의 선택의 표이다.
도 15는 연속적인 결정 지점 이후의 어큐뮬레이터의 값을 나타내는 그래프이다.
도 16은 펌프 또는 모터의 실린더에 의해 수행되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼에 대한 역치 변조의 효과를 도시한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 수정된 배출량 요구 신호를 도시한다.
도 18은 유압 굴삭기의 개략도이다.
도 19는 차량 트랜스미션의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 풍력 터빈 발전기(1)는 타워(4)에 의해 지지되며 복수의 블레이드(8)가 장착된 터빈(6)을 갖는 타워 나셀(2)을 포함한다.
나셀은, 구동 샤프트(14)를 통하여 터빈에 결합되는 회전 샤프트를 갖는 유압 펌프(12)를 포함하는 전반적으로 10으로 나타낸 유압 트랜스미션을 수용한다. 또한, 트랜스미션은 발전기 구동 샤프트(20)를 통하여 발전기(18)에 결합되는 회전 샤프트를 갖는 유압 모터(16)를 포함한다. 발전기는 결국 접촉기(22)를 통하여 전기 그리드에 결합된다.
유압 트랜스미션 내에서, 작동 유체로서의 기능을 하는 오일이 저압 작동 유체 라인(26)을 통하여 탱크(24)로부터 유압 펌프의 입력측으로 공급된다. 올레오식 공압 어큐뮬레이터(30)와 연통되는 고압 작동 유체 라인(28)을 통하여, 가압된 오일이 유압 펌프의 출력측으로부터 유압 모터의 입력측으로 전달된다.
또한, 나셀은 유압 펌프 및 모터로 제어 신호를 송신하여 유압 트랜스미션을 제어하는 트랜스미션 컨트롤러(32)를 수용하여, 유압 펌프 및 유압 모터의 배출량을 조정한다. 제어 신호(배출량 요구 신호)는, 펌프 및 모터에 의해, 최대 배출량(배출량 요구)의 분율로 표현되는 배출량을 요구한다. 배출량의 절대 체적(초당 작동 유체의 체적)은 최대 배출량의 분율, 펌프 또는 모터의 회전 샤프트의 회전에 대하여 변위될 수 있는 최대 체적, 및 회전 샤프트 또는 모터의 회전율(초당 회전)의 곱일 수 있다. 이 방식에서, 트랜스미션 컨트롤러는 유압 펌프의 배출량(초당 체적) 및 고압 작동 유체 라인 내의 압력에 비례하는, 구동 샤프트(14)를 통해 가해지는 토크를 조정할 수 있다. 또한, 트랜스미션 컨트롤러는, 유압 모터의 배출량(초당 체적) 및 고압 작동 유체 라인 내의 압력에 따라 결정되는 발전율을 조정할 수 있다. 고압 작동 유체 라인 내의 압력은, 유압 펌프가 유압 모터에 비하여 보다 높은 배출량(초당 체적)으로 오일을 배출할 때 증가하며, 유압 모터가 유압 펌프에 비하여 낮은 배출량(초당 체적)으로 오일을 배출할 때 감소한다. 올레오식 공압 어큐뮬레이터는 고압측에서의 작동 유체의 총량이 변화되도록 한다. 대안적인 실시예에서, 복수의 유압 펌프 및/또는 복수의 유압 모터가 고압 유체 라인과 유체 연통되므로, 각각의 배출량이 고려되어야 한다.
트랜스미션 컨트롤러는, 입력으로서, 펌프 및 모터의 회전 샤프트의 회전 속도 및 고압 작동 유체 라인 내의 압력 측정치를 포함하는 신호를 수신한다. 또한, 트랜스미션 컨트롤러는, 풍속계(34)로부터의 풍속 신호, 전기 그리드로부터의 정보, (돌풍에 앞서 고압 작동 유체 라인 압력을 개시하거나, 정지시키거나, 증가시키거나 감소시키는 명령과 같은) 제어 신호, 또는 기타 필요에 따른 데이터를 수신할 수 있다.
또한, 트랜스미션 컨트롤러는, 타워 내에 위치된 가속도계(36)를 사용하여 측정될 수 있는 타워 내의 공진과 같은 풍력 터빈 발전기 내의 공진과, 블레이드 중 하나에 장착된 가속도계, 또는 스트레인 게이지(38)를 사용하여 측정될 수 있는 터빈 블레이드의 진동을 고려한다.
트랜스미션 컨트롤러(32)는, 작동 중 요구되는 프로그램 및 데이터를 저장하는 솔리드 스테이트 메모리와 같은 유형(tangible)의 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 데이터 저장 장치(42) 내에 이에 전자 연결된 단일 프로세서(40)를 포함한다. 적어도 일부가 밸브 제어 모듈로서 기능하는, 펌프 및 모터 내의 기계 컨트롤러(도 1에 도시되지 않음)가 트랜스미션 컨트롤러로부터 요청된 배출량에 대응하는 밸브 제어 신호를 발생시킨다. 그럼에도 불구하고, 당업자는, 트랜스미션의 제어가 각각 전체의 제어 기능성 중 일부를 구현할 수 있는 복수의 분산형 연산 장치로서 구현될 수 있거나 단일 장치로서 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 2는 실린더의 내면과, 편심 캠(110)에 의해 회전 샤프트(108)로부터 구동되며 실린더 내에서 왕복 운동하여 실린더의 작동 체적을 주기적으로 변화시키는 피스톤(106)에 의해 정의되는 작동 체적(102)을 갖는 복수의 실린더(100)를 포함하는 전자 전류형(electronically commutated) 유압 펌프/모터 형태의 유압 모터(16)를 도시한다. 회전 샤프트는 발전기 구동 샤프트(20)에 견고하게 연결되어 발전기 구동 샤프트(20)와 함께 회전한다. 샤프트 위치 및 속도 센서(112)는 샤프트의 순간적인 각도 위치 및 회전 속도를 결정하고, 신호 라인(114)을 통하여 모터의 기계 컨트롤러(116)에 이를 알려, 기계 컨트롤러가 각각의 실린더의 사이클의 순간적인 위상을 결정할 수 있도록 한다.
실린더는 각각, 연관된 실린더를 향하여 내측으로 대면하며, 실린더로부터, 하나 이상의 실린더를 연결할 수 있거나 실제로 모두 본원에 도시된 바와 같이 WTG의 저압 작동 유체 라인(26)에 연결될 수 있는 저압 작동 유체 라인(120)으로 연장되는 채널을 선택적으로 밀봉하도록 작동 가능한 전자 작동식 표면 밀봉 포핏 밸브(118)의 형태의 저압 밸브(LPV)와 연관된다. LPV는, 실린더 내의 압력이 저압 작동 유체 라인 내의 압력 이하일 때, 즉, 흡입 행정 중에, 수동적으로 개방되는 솔레노이드 폐쇄 밸브를 정상적으로 개방시켜, 실린더가 저압 작동 유체 라인과 유체 연통되도록 하지만, 실린더가 저압 작동 유체 라인과의 유체 연통으로부터 끊기도록 LPV 제어 라인(124)을 통한 컨트롤러의 활성 제어 하에서 선택적으로 폐쇄 가능하다. 정상 폐쇄 솔레노이드 개방 밸브와 같은 대안적인 전자 제어 밸브가 채용될 수 있다.
또한, 실린더는 각각 압력 작동식 전달 밸브의 형태인 고압 밸브(HPV)(126)와 연관된다. HPV는 실린더로부터 외측으로 개방되며, 실린더로부터, 하나 이상의 실린더를 연결할 수 있거나 실제로 모두 본원에 도시된 바와 같이 트랜스미션 고압 작동 유체 라인(28)에 연결될 수 있는 고압 작동 유체 라인(122)으로 연장되는 채널을 밀봉하도록 작동 가능하다. HPV는 실린더 내의 압력이 고압 작동 유체 라인 내의 압력을 초과할 때 수동적으로 개방되는 정상 폐쇄 압력 개방 체크 밸브로서 기능한다. 또한, HPV는 HPV가 연관된 실린더 내의 압력에 의해 개방될 때 컨트롤러가 HPV 제어 라인(132)을 통하여 선택적으로 개방을 유지할 수 있는 정상 폐쇄 솔레노이드 개방 체크 밸브로서의 기능을 한다. 통상적으로, HPV는 고압 작동 유체 라인 내의 압력에 대항하여 컨트롤러에 의해 개방 가능하지 않다. HPV는, 고압 작동 유체 라인 내에 압력이 존재하지만 실린더 내에는 존재하지 않을 때, 컨트롤러의 제어 하에서 추가적으로 개방 가능할 수 있거나, 예를 들면, 밸브가 WO 2008/029073 또는 WO 2010/029358에 개시된 방법의 타입이며 이에 따라 작동된다면, 부분적으로 개방 가능할 수 있다.
예를 들면, 본원에 그 내용이 참조로 포함되는 EP 0 361 927, EP 0 494 236, 및 EP 1 537 333에 설명된 작동의 정상 모드에서, 모터 컨트롤러는, 연관된 실린더의 사이클의 최소 체적의 지점 직전에 LPV 중 하나 이상을 능동적으로 폐쇄하는 것에 의해 유압 모터에 의한 고압 작동 유체 라인으로부터의 유체의 정미 배출율을 선택하여, 저압 작동 유체 라인으로의 경로를 폐쇄하여 실린더 내의 유체가 수축 행정의 나머지에 의해 압축되도록 한다. 연관된 HPV는 이를 횡단하는 압력이 균등해지고 소량의 유체가 연관된 HPV를 통하여 외측으로 향할 때 개방된다. 그런 다음, 모터 컨트롤러는, 통상적으로 연관된 실린더의 사이클의 최대 체적의 가까이까지, 연관된 HPV의 개방을 능동적으로 유지하여, 고압 작동 유체 라인으로부터의 유체를 허용하며 회전 샤프트에 토크를 인가한다. 선택적인 펌핑 모드에서, 컨트롤러는 연관된 실린더의 사이클의 최대 체적의 지점에 통상적으로 가까이에서 LPV 중 하나 이상을 능동적으로 폐쇄하는 것에 의해 유압 모터에 의한 고압 작동 유체 라인으로의 유체의 정미 배출율을 선택하여, 저압 작동 유체 라인으로의 경로를 폐쇄하고, 이에 따라, 후속하는 수축 행정에서 연관된 HPV를 통하여 유체가 나가게 한다(단, HPV의 개방을 능동적으로 유지하지는 않는다). 컨트롤러는 LPV 폐쇄 및 HPV 개방의 횟수 및 순서를 선택하여 선택된 정미 배출율을 만족하는 유동을 발생시키거나 샤프트 토크 또는 동력을 생성한다. 사이클 기준에 의해 사이클에서 LPV를 폐쇄할지 또는 개방을 유지할지 여부를 결정하는 것뿐만 아니라, 컨트롤러는 변화하는 실린더 체적에 대해 HPV의 폐쇄의 정밀한 위상 조정을 변화시켜, 이에 따라, 고압으로부터 저압 작동 유체 라인으로 또는 그 반대로의 유체의 정미 배출율을 선택하도록 작동 가능하다.
포트(122, 28)에서의 화살표는 운전 모드에서의 유체 유동을 나타내며, 펌핑 모드에서, 유동이 반전된다. 압력 릴리프 밸브(128)가 유압 모터를 손상으로부터 보호할 수 있다.
도 3은 모터의 기계 컨트롤러(116)의 개략도이다. 펌프 컨트롤러의 구조가 대응한다. 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러와 같은 프로세서(150)가 버스(152)를 통하여 메모리(154) 및 입력-출력 포트(156)에 전자적으로 연결된다. 메모리는, 축적된 배출량 오류 값을 저장하는 하나 이상의 변수(160)를 저장할 뿐만 아니라, 실린더 작동 체적의 각 사이클에서 각 실린더에 의해 배출되는 작동 유체의 정미 체적을 결정하기 위해 배출량 결정 알고리즘의 실행을 구현하는 프로그램(158)을 저장하며, 메모리는 또한 각 실린더(163)의 각도 위치 및 (예를 들면, 고장으로 인해) 작동 정지되었는지 여부(164)와 같은 각 실린더와 연관된 데이터를 저장하는 데이터베이스(162)를 저장한다. 일부 실시예에서, 데이터베이스는 각 실린더가 활성 사이클을 수행하는 횟수(165)를 저장한다. 일부 실시예에서, 프로그램은 바람직하지 않은 주파수 중 하나 이상의 범위를 산출하는 공진 결정 모듈로서의 기능을 하는 프로그램 코드(159)를 포함한다.
컨트롤러는 배출량 요구 신호(34), 샤프트 위치(즉, 배향) 신호(166) 및 통상적으로 고압 라인 내의 압력(168)의 측정치를 수신한다. 회전 샤프트의 회전 속도는 샤프트 위치의 변화율로부터 결정되며, 회전 샤프트의 회전 속도로서 기능한다. 컨트롤러로부터의 출력은, 고압 밸브 제어 라인(126)을 통과하는 고압 밸브 제어 신호와, 저압 밸브 제어 라인(118)을 통과하는 저압 밸브 제어 신호를 포함한다. 컨트롤러는 시간 흐름에 따른 실린더로부터의 총 배출량을 배출량 요구에 맞추는 것을 목표로 한다. 밸브 제어 신호가 실린더 작동 체적의 사이클과 동일 위상 관계로 발생될 수 있도록 하는 데에 샤프트 위치를 필요로 한다. 압력의 측정이 배출된 작동 유체의 정확한 양을 결정하는 데에 사용될 수 있거나 다른 계산에 사용될 수 있다. 컨트롤러는 또한 실린더가 고장인지 여부, 이에 따라 사용 불능인지 여부, 그리고 이에 따라 데이터베이스(162)가 업데이트될 수 있도록 하는지 여부를 나타내는 신호를 수신할 수 있다.
유압 펌프는 상술한 펌핑 모드에서 작동하며 통상적으로 보다 큰 규모를 갖는다는 점을 제외하고 전반적으로 유압 모터에 대응한다. 단일 로브(lobe) 편심 대신에, 다중 로브 링 캠의 경우가 많을 수 있다. 고압 밸브는 컨트롤러에 의해 능동적으로 제어될 필요는 없으며 체크 밸브를 포함할 수 있다.
도 4의 과정에 의한 유압 트랜스미션의 작동 중, 유압 트랜스미션 컨트롤러(30)는 터빈(2)의 회전 속도(유압 펌프와 터빈(2)이 결합함에 따라, 유압 펌프의 회전 샤프트의 회전 속도의 기어비이거나 이와 동일하다), 가압된 유체 작동 유체 라인(18) 내의 압력, 및 풍속을 포함하는 입력 신호를 수신한다(200). 그 다음, 트랜스미션 컨트롤러는, 복수의 상이한 풍속에서의 이상적인 목표 토크 및 샤프트 회전 속도를 요약한 룩업 테이블(204)을 참조하여, 유압 펌프에 의해 터빈에 인가될 목표 토크를 결정한다(202). 일단 목표 토크가 결정되면, 그 다음 트랜스미션 컨트롤러는 목표 토크를 획득하는 데에 요구되는 유압 펌프의 배출량을 계산한다(206). 이는 그런 다음 펌프에 의해 수신되는 배출량 요구 신호로서 유압 펌프로 전달된다. 작동 유체의 체적 및 배출율이 임의의 적합한 유닛에서 산출될 수 있다. 예를 들면, 이 배출량 요구는 유압 펌프가 회전 샤프트의 회전당 가능한 최대 배출량의 분율로서 표현될 수 있다. 이 예에서, 배출량은 회전 샤프트의 회전당 최대 출력의 평균 백분율로서 표현된다. 초당 유체의 체적으로서 표현되는 이것이 나타내는 실제 배출율은 배출량 요구, 실린더에 의해 배출될 수 있는 최대 체적, 실린더의 개수, 및 펌프 회전 샤프트의 회전 속도의 곱일 수 있다. 결과적인 토크는 배출량 및 고압 작동 유체 라인 내의 압력에 비례할 것이다.
일단 펌프 배출량이 산출되면, 모터 배출량도 산출될 수 있다. 통상적으로, 가압된 유체 라인 내에 목표로 하는 압력을 유지하기 위해 모터 배출량이 산출된다. 산출된 배출량은 모터로 전달되어 모터의 요구 배출량 신호로서 수신된다. 그러나, 다수의 다른 인자가 고려될 수 있다. 예를 들면, 모터 배출량이 유압 펌프에 의한 배출량(초당 체적)에 비하여 적을 때 증가하며 유압 모터의 배출량이 유압 펌프의 배출량(초당 체적)에 비하여 클 때 감소하는 고압 작동 유체 라인 내의 압력을 변화시키기 위해, 모터 배출량 요구가 달라질 수 있다. 다른 인자가 있을 수 있다. 예를 들면, 발전기 중 하나 또는 둘 다가 실질적으로 일정한 토크로 구동되는 것과 풍손(windage loss)을 최소화하고 발전 효율을 최대화하기 위해 꺼지는 것 사이에서 절환되는 것이 바람직할 수 있다.
이러한 예시적인 실시예에서, 유압 모터는, 피스톤을 구동하는 캠이 단일 로브를 가지며, 이에 따라, 유압 모터의 회전 샤프트의 회전 당 실린더 작동 체적의 단일 사이클이 존재하는, 도 2의 구성을 갖는다.
도 5는, 원치 않는 주파수가 발생될 것으로 판단되지 않을 때, 디폴트 작동 과정(제1 과정)에서, 각 실린더에 의한 정미 배출량을 순차적으로 결정하기 위해, 유압 모터에 의해 수행되는 과정을 도시한다. 이 과정이 시작하여(300), 이에 따라, 저장된 가변 어큐뮬레이터(160)가 0으로 설정된다(302). 가변 어큐뮬레이터는 배출량 요구로 나타내어지는 작동 유체 배출량 및 실제로 배출되는 양의 차이를 저장한다.
그런 다음, 유압 모터의 회전 샤프트가 개별 실린더의 결정 지점에 도달할(304) 때까지 회전한다. 도 2에 도시된 예에는, 8개의 실린더가 있어, 각 결정 지점은 회전 샤프트의 45도 회전에 의해 분리될 것이다. 따라서, 결정 지점 사이에서 발생하는 실제 기간은 회전 샤프트의 회전 속도에 반비례하여 회전 샤프트가 45도만큼 회전하는 데에 필요한 기간일 것이다.
각 결정 지점에서, 모터 컨트롤러는 트랜스미션 컨트롤러로부터 수신된 모터 배출량 요구를 판독한다(306). 그런 다음, 컨트롤러는 어큐뮬레이터와 요구 배출량을 합한 것과 동일한 가변 합계를 산출한다(308). 다음으로, 고려되고 있는 실린더의 상태가 확인된다(310). 이는 실린더 데이터의 데이터베이스(162, 164)를 참조로 수행된다. 실린더가 (예를 들면, 고장에 의해) 작동 정지된 것으로 판단되는 경우, 실린더에 대하여 더 이상의 작용이 이루어지지 않는다. 그 후, 일단 결정 지점이 다음의 실린더에 대하여 도달하면, 이 방법이 304 단계로부터 반복된다.
대안적으로, 실린더가 불능이 아닌 것으로 판단되면, 그 후 합계가 역치와 비교된다(312). 고려되는 옵션이 정미 배출량을 갖지 않는 비활성 사이클 또는 실린더에 의한 작동 유체의 최대 배출량이 선택되는 완전 배출량 활성 사이클만일 때, 이 값은 단순히 실린더에 의해 배출 가능한 작동 유체의 최대 체적일 수 있다. 그러나, 역치는 보다 높거나 보다 낮을 수 있다. 예를 들면, 예를 들면, 실린더의 최대 배출량의 일부분만이 배출되는 부분적인 사이클을 수행하는 것이 바람직한 경우, 이는 개별 실린더에 의한 최대 배출량에 비하여 적을 수 있다.
합계가 역치에 비하여 크거나 같을 경우, 실린더가 활성 사이클을 수행할 것으로 판단된다. 대안적으로, 합계가 역치에 비하여 크거나 같지 않을 경우, 실린더가 실린더 작동 체적의 다음의 사이클에서 비활성일 것이고 0의 정미 배출량을 가질 것으로 판단된다.
그런 다음, 실린더가 판단된 바와 같은 활성 또는 비활성 사이클을 수행하게 하는 것을 고려하여, 제어 신호가 실린더의 저압 및 고압 밸브로 송신된다. (펌핑의 경우, 고압 밸브가 전자적으로 제어되지 않고 제어 신호는 단지 저압 밸브와 관련이 있을 수 있다.)
이 단계는, 배출량 요구 신호로 나타내어지는 배출량 요구, 배출량 요구 신호로 나타내어지는 이전의 배출량과 컨트롤러에 의해 결정되는 이전의 정미 배출량 간의 차이(이 경우, 저장된 오차의 형태)를 효과적으로 고려한 다음, 합계가 역치와 동일하거나 이를 초과한 경우, 작동 유체의 정미 배출량을 만드는 활성 사이클을 실린더가 수행하게 하는 것에 의해, 배출량 요구 신호로 나타내어지는 시간 평균 배출량에 실린더에 의한 작동 유체의 시간 평균 정미 배출량을 일치시킨다. 이 경우, 오차 값은 합계에서 활성 실린더에 의한 배출량을 뺀 것으로 설정된다. 대안적으로, 합계가 역치와 동일하거나 초과하지 않으면, 실린더는 비활성이고 합계가 수정되지 않는다.
결정 지점이 다음의 실린더에 대하여 도달하면, 이 과정은 304 단계부터 다시 시작한다.
따라서, 어큐뮬레이터(160)는 요구된 배출량 및 실제로 발생한 배출량 간의 차이의 기록을 유지함을 알 수 있다. 각 사이클에서, 요구된 배출량이 배출량 오차 값에 더해지고, 실제 선택된 배출량이 빼진다. 어큐뮬레이터는 요구되고 제공되는 배출량의 차이를 효과적으로 기록하며, 축적된 차이가 역치를 초과할 때마다 활성 사이클이 이루어진다.
당업자는 이러한 배출량 결정 알고리즘의 효과를 여러 가지의 방식으로 얻을 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 어큐뮬레이터 변수로부터 선택된 배출량을 빼지 않고, 요구된 배출량과 일정 기간 동안 전달된 배출량을 합할 수 있고, 이 둘을 균등하게 일치된 상태로 유지하기 위해 개별 실린더의 배출량을 선택할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 실린더 작동 체적의 각 사이클 전체에서 동일 위상으로 작동되는 실린더 세트가 있을 수 있다. 예를 들면, 이는 캠이 다수의 로브를 갖는 경우 또는 실린더의 다수의 축방향으로 이격된 뱅크가 있는 경우에 발생할 수 있다. 이 경우, 각 결정 지점에서, 활성 사이클 또는 비활성 사이클의 선택이 실린더 세트 중 각 실린더에 대하여 일괄적으로 이루어질 수 있다.
도 6은, 배출량 요구가 기계(적절하게는, 펌프 또는 모터)의 최대 배출량의 25%일 때, 도 5의 배출량 결정 알고리즘의 작동의 예를 후속하는 시간 단계로 나타낸 표이다. 제1 열은 초로 표현된 시간 단계이다. 제2 열은 합계와 비교되는 역치이다. 이 예에서, 이는 일정하다. 제3 열은 백분율로 표현되는 가변 합계의 값이다. 제4 열은 활성 사이클을 수행하기 위해 선택되는 실린더의 개수이다. 이 예에서, 이는 단지 항상 0 또는 1일 것이다. 그러나, 다수의 실린더가 일치하는 결정 지점을 갖는 실시예에서는, 보다 큰 개수일 수 있다. 어큐뮬레이터의 값이 제5 열에 있으며, 마지막 열은 실린더가 활성 사이클을 수행하는지 여부를 나타낸다. 이 표에서, 활성 사이클의 각 선택은 정상으로 표시된다. 최대 배출량 요구의 1/4과 동일한 일정한 요구 배출량이 설명의 편의를 위해 선택되었으나, 현실적으로, 배출량 요구는 물론 달라질 것이다. 도 6의 예에서, 실린더가 0.4 초마다 각 제4 사이클에서 활성 사이클을 수행하도록 선택되는 것을 알 수 있다. 따라서, 활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 기본 주파수는 2.5 Hz이고, 비활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 기본 주파수는 7.5 Hz이다. 회전 샤프트의 회전 속도가 n의 인수로 증가한다면, 두 기본 주파수 모두도 n의 인수로 증가할 것으로 이해될 것이다.
일반적으로, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴은 하나 이상의 강도 피크를 갖는 주파수 스펙트럼을 갖는다. 이들 피크의 주파수는 활성 및 비활성 사이클의 순서 및 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변화할 것이다. 예를 들면, 도 6의 패턴의 경우, 주파수 스펙트럼은 2.5 및 7.5 Hz에서 강도 피크를 가질 것이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 배출량 결정 알고리즘의 개략도이다. 어큐뮬레이터의 값을 저장하는 소프트웨어 어큐뮬레이터(352)로부터의 출력과 요청된 배출량을 합산하는 시그마 블록(350)에 의해 요청된 배출량이 수신된다. 시그마 블록으로부터의 출력은 비교기(354)에 의해 역치와 비교되며, 이 역치에 도달하거나 초과할 때마다, 가능한 실린더(356) 출력이 촉발되어, 실린더가 활성 사이클을 수행하도록 한다. 이 출력은 또한, 시그마 블록의 출력이 배출량 결정 알고리즘의 나머지와 동일한 백분율 포맷이 아닌 0 과 1 사이에 있음에 따라, '게인(gain)'을 인가하는 증폭기(358)를 통하여, 소프트웨어 어큐뮬레이터의 감산 입력으로 공급된다.
도 8a는 펌프 또는 모터의 최대 배출량(회전 샤프트의 회전 당 체적)의 비율로서 표현되는 유압 펌프 또는 유압 모터의 요청된 배출량 요구 및 선택된 강도 피크 사이의 주파수 관계를 나타내는 개략도이다. 배출량 요구(x 축)가 증가함에 따라, 활성 사이클(기동의 기본 주파수)(400)를 수행하기 위한 실린더의 선택의 주파수(y axis)와, 이에 따른, 주파수 스펙트럼에서의 대응하는 강도 피크의 주파수가 선형으로 증가하며, 요청된 배출량이 그 최대에 도달할 때 실린더 선택 결정의 주파수에 도달한다. 또한, 도 8a는, 주파수 스펙트럼에서 대응하는 강도 피크의 주파수인, 비활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 주파수(402)를 도시한다. 요청된 배출량이 유압 펌프 또는 모터의 최대 배출량의 0에서 100%로 증가함에 따라, 실린더 선택 결정의 주파수로부터 0으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 비강도(specific intensity) 피크의 주파수 및 요청된 배출량 사이의 실제 관계는 보다 더 복잡할 수 있다. 예를 들면, 도 8은 모든 사이클이 임의의 개별 실린더의 최대 배출량의 100%가 배출되는 활성 사이클 또는 작동 유체의 정미 배출량이 만들어지지 않는 비활성 사이클 중 어느 하나인 것으로 가정한다. 현실적으로, 활성 사이클 사이에서 배출된 작동 유체의 양에 변동이 있었다면, 이 그래프는 상이하게 보일 것이다.
도 9a는, 2개의 뱅크가 22.5°만큼 오프셋되고 회전 샤프트의 회전 속도가 1,000 rpm인 경우, (45°만큼) 동등하게 이격된 8개의 실린더의 2개의 뱅크의 형태로서, 총 16개의 실린더를 갖는 기계에 대해 산출된 주파수 스펙트럼 데이터를 나타낸다. 실린더 작동 체적의 16개의 특유의 위상에 실린더가 존재한다. 주파수 스펙트럼의 주파수 성분의 강도가 음영을 변화시켜 도시되며, 강도 피크가 보여질 수 있다. 이 예에서, 실린더 선택 결정의 기본 주파수는 이에 따라 1000 x 16 / 60 = 266.7 Hz이며, 배출량 분율(즉, 통상적으로 배출량 요구 신호에 의해 좌우되는, 회전 샤프트의 회전 당 최대 배출량의 비율)(x 축)이 0에서 1로 증가함에 따라, 활성 사이클의 기본 주파수(여기(excitation) 주파수, y 축)를 나타내는 강도 피크가 0에서 266.7 Hz로 선형으로 선형으로 증가하였고, 비활성 사이클의 기본 주파수가 266.7 Hz에서 0으로 선형으로 감소하였음을 알 수 있다.
도 8a를 참조하면, 펌프 또는 모터 컨트롤러는 타워(404) 또는 블레이드(408)의 공진 주파수에서 강도 피크를 갖는 주파수 스펙트럼을 갖는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴을 이러한 공진 주파수의 양측에서 연장되는 대역(406, 410) 내에서 선택하는 것을 피하는 것을 모색한다. 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼에서의 강도 피크와 달리, 이들 공진 주파수는 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변하지 않는다. (일부 실시예에서, 공진 주파수 중 하나 이상이 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변할 수 있지만, 회전 샤프트의 회전 속도, 예를 들면, 풍력 터빈 발전기의 블레이드의 하나 이상의 공진 주파수에 비례하지 않는다.)
도 8b는, 실린더에서 일부 중복이 있는 경우, 각 실린더에 대하여 실질적으로 동일한 위상으로 작동되는 다른 하나의 실린더가 있도록, 활성 사이클을 수행하는 실린더의 주파수 및 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 주파수(그리고, 이에 따라, 주파수 스펙트럼에서의 대응하는 강도 피크의 주파수)의 대응하는 변동을 도시한다. 이는 캠이 2개의 로브(즉, 회전축으로부터의 2개의 최대 거리 및 2개의 최소 거리)를 갖는 경우이거나 동일한 위상 캠에 의해 구동되며 동일한 소스 및 싱크로부터 작동 유체를 수용하거나 동일한 소스 및 싱크로 작동 유체를 전달하는 실린더의 2개의 뱅크가 있는 경우에 발생할 수 있다. 이 경우, 실린더 기동의 주파수(활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 주파수)가 50%(100%를 동일한 위상을 갖는, 중복인 실린더의 개수로 나눈 것)의 배출량 요구에서 결정 주파수에 도달하며, 그 지점에서, 동일한 위상을 갖는 각 쌍의 실린더 중 하나가 각 결정 지점에서 선택되며, 배출량이 증가함에 따라, 제2 실린더의 기동의 주파수가 0으로부터 증가한다는 것을 알 수 있다. 비활성 사이클의 선택의 주파수가 이에 대응하여 변화하며, 활성 사이클의 선택의 주파수 및 비활성 사이클의 선택의 주파수의 합계는, 주어진 실린더 선택 주파수에 대하여, 항상 동일하다.
뱅크 간에 오프셋이 없고, 이에 따라, 다른 뱅크에서 대응하는 실린더를 갖는 실린더 작동 체적의 사이클 전체에서 각 실린더가 동일 위상에 있는 경우, 데이터가 8개의 동등하게 이격된 실린더 (45° 이격)의 2개의 뱅크에서 16개의 실린더를 갖는 기계와 연관되는 것을 제외하고, 도 9b는 도 9a에 대응한다. 따라서, 2개의 중복이 있으며, 이에 따라, 단지 8개의 특유의 위상에서 실린더가 존재한다. 다시, 회전 속도는 1,000 rpm이다. 실린더 선택 결정이 2개의 실린더에 대해 일괄적으로 이루어짐에 따라, 결정의 주파수가 도 9a의 절반, 즉, 133.3 Hz이다. 배출량 분율이 0에서 0.5로 증가함에 따라, 각 결정에서 활성 사이클을 수행하도록 선택된 실린더의 개수는 0 또는 1이며, 하나의 실린더가 활성 사이클을 수행하도록 선택되는 결정의 비율이 0에서 100%로 선형으로 증가한다. 따라서, 활성 사이클의 기본 주파수가 0에서 133.3 Hz로 선형으로 증가한다. 그런 다음, 배출량 분율이 0.5일 때, 활성 사이클의 기본 주파수가 0으로 떨어진다. 이는, 그 배출량 분율에서, 고려되는 2개의 실린더 중 얼마나 많은 실린더가 활성 사이클을 수행하여야 하는지가 결정될 때마다, 결정은 하나의 실린더이어서 공진을 발생시킬 수 있는 변동이 없기 때문이다. 배출량 분율이 0.5에서 1로 증가함에 따라, 2개의 실린더가 활성 사이클을 수행하도록 하는 결정의 비율이 0에서 100%로 선형으로 증가하며, 이에 따라, 활성 사이클의 기본 주파수가 다시 0에서 133.3 Hz로 선형으로 증가한다. 비활성 사이클의 기본 주파수는 133.3 Hz에서 활성 사이클의 기본 주파수를 뺀 것과 동일하다.
실린더가 활성 사이클을 수행하거나 비활성 사이클을 수행하도록 선택되는 주파수뿐만 아니라, 주파수 스펙트럼에서의 강도 피크가 이들 주파수 또는 (적어도 정의된 범위 내에서) 요청된 배출량 요구와 선형으로 연관된 다른 주파수의 고조파로부터 발생할 수 있으며, 이들 고조파를 도 9a 및 도 9b에서 볼 수 있다.
도 8 및 도 9에서, 고조파는 배출량에 대한 주파수의 구배가 기본적인 가능 또는 불가능 주파수의 라인의 기울기의 양의 배수 또는 음의 배수인 라인으로 식별될 수 있다. 또한, 결정 주파수를 초과하는 고조파는 통상적으로 존재하며, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 결정 주파수를 횡단하는 기본 주파수 및 고조파 주파수 반사에 대응한다.
도 10 및 도 11은 배출량 분율에 따라 작동하는 실린더의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼(450)의 강도 피크(452, 454, 456)의 주파수의 변동의 추가적인 도시를 제공한다. 도 11a 내지 도 11d는 도 10의 A, B, C 및 D의 배출량 분율에서의 주파수 스펙트럼을 도시한다. E1으로 도시된 활성 사이클의 기본 주파수 및 D1으로 도시된 비활성 사이클의 기본 주파수는 상보적이다.
본 발명에 따르면, 유압 펌프 및 모터 컨트롤러가, 실린더 작동 체적의 사이클에 대한 동일 위상 관계로, 각 실린더와 연관된 전자 제어 밸브를 제어하기 위한 밸브 명령 신호를 발생시키도록 프로그램되며, 유압 펌프 및 모터 컨트롤러는, 시간에 따라 평균된, 펌프 또는 모터에 의해 전달된 작동 유체의 총 정미 배출량이 트랜스미션 컨트롤러로부터 수신된 배출량 요구 신호로 표시되는 배출량 요구와 일치되는 방식으로, 실린더 체적의 각 사이클에 대하여, 각 실린더가 활성 사이클 또는 비활성 사이클을 수행하는지 여부를 결정한다. 그러나, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 결과적인 패턴이 바람직하지 않은 주파수 성분 중 하나 이상의 대역 내에서 주파수 스펙트럼의 강도 피크의 발생으로 이어질 수 있다고 판단되면, 도 5 및 도 6의 과정을 사용하는 대신, 대안적인 과정(제2 과정)이 채용된다. 대안적인 과정의 사용은, 시간에 따라 평균된, 동일한 총 정미 배출량이 획득될 수 있음에도 불구하고, 바람직하지 않은 주파수의 범위 내에서 주파수 스펙트럼의 성분의 강도를 줄이기 위해 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 정밀한 패턴이 변경된다.
하나의 접근법으로, 도 5의 과정의 312 단계에서 비교기(354)에 의해 사용된 역치가 주파수 스펙트럼의 바람직하지 않은 강도 피크를 제거하도록 변화된다.
도 12는 본 발명에 따른 펌프 및/또는 모터 컨트롤러에 의해 수행되는 과정을 도시한다. 펌프 또는 모터에 대한 배출량 요구가 트랜스미션 컨트롤러로부터 수신된다(500). 그런 다음, 펌프 또는 모터가, 적절하게는, 배출량 요구에 대하여 도 5 및 도 6의 배출량 결정 알고리즘을 구현한 경우 발생할 수 있는 주파수 스펙트럼에서의 다양한 강도 피크의 주파수가 산출된다(502). 이 단계는, 입력으로서, 적절하게는, 펌프 또는 모터의 회전 샤프트의 회전 속도를 필요로 한다. 산출되는 주파수는 활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 기본 주파수와, 비활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 기본 주파수를 포함한다. 통상적으로, 산출되는 다른 주파수는 그 선형 함수이다. 통상적으로 고조파(정수배)가 산출된다. 그러나, 일부의 경우, 기본 주파수의 정수배가 아닌 진동에 의해 또는 고정된 오프셋이 있는 경우에도 공진이 발생될 수 있다.
산출된 강도 피크의 주파수는 그 후 타워의 고유 공진 주파수의 양측으로 연장되는 대역(406)과 같은 허용되지 않는 주파수 대역과 비교된다(504, 506). 허용되지 않는 주파수 대역은 유압 펌프 및 모터에 대해 상이할 수 있다. 예를 들면, 펌프는 블레이드에 직접 결합되지만 모터는 그렇지 않으므로, 블레이드의 고유 공진 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 진동의 발생을 방지하는 것이 모터보다 펌프에 있어서 더 중요하다. 유압 펌프는 또한 구동 샤프트(14)의 비틀림 진동 모드와 같은 공진 주파수에서 강도 피크의 발생을 방지할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 명백하게 산출하고 이를 허용되지 않는 주파수 대역과 비교하는 것 대신에, 배출량 요구 및 회전 샤프트의 회전 속도의 룩업 테이블이 강도 피크의 주파수가 허용되지 않는 주파수 대역과 대응할 수 있는 상황을 결정하는 데에 채용될 수 있다.
하나 이상의 산출된 강도 피크의 주파수가 임의의 허용되지 않는 대역에 속하지 않는다고 판단되면, 도 5, 도 6a 및 도 6b의 배출량 결정 알고리즘을 사용하여 실린더 작동 체적의 각 사이클에서 배출량이 산출되며(508), 합계가 디폴트 역치(이 예에서, 개별 실린더에 의한 최대 배출량의 100%)와 비교된다.
대안적으로, 강도 피크의 하나 이상의 주파수가 허용되지 않는 대역에 속한다고 판단되면, 도 5의 과정의 312 단계에서 도 7의 비교기(354)에 의해 합계와 비교되는 역치를 수정하는(510) 것에 의해 허용되지 않는 주파수 대역 내의 주파수 성분의 강도를 감소시키기 위해, 대안적인 과정이 이어진다.
이 역치는 회피되는 공진 주파수의 0.1 및 0.5 사이의 주파수를 갖는 구형파 펄스의 부가에 의해 수정된다. 다시, 이는 일부 활성 사이클(또는 비활성 사이클)을 진각시키고 다른 사이클을 지각시켜, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼을 변경하지만, 작동 유체의 시간 평균 총 배출량을 수정하지 않는 효과를 갖는다. 도 5 내지 도 7의 배출량 결정 알고리즘의 구현이 허용되지 않는 주파수 대역 중 임의의 대역 내에서 강도 피크를 더 이상 발생시키지 않도록 펌프 배출량 요구가 변하면, 구형파 펄스가 더 이상 부가되지 않는다. 역치를 변조하는 파 형태의 주파수는 많아 봐야 원치 않는 주파수 성분의 주파수의 절반이며, 임의의 시스템에 대하여 최적이 산출될 수 있다. 원치 않는 주파수의 0.2 내지 0.3배의 범위가 특히 적합한 것을 발견하였다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 결정 역치를 수정하기 위한 제어 로직의 개략도이다. 회전 샤프트의 완전한 회전 당 결정 지점의 개수(이는 실린더의 개수 및 실린더 작동 체적의 사이클 전체에서 동일한 위상을 가지고 이에 따라 결정 지점을 공유하는 실린더가 존재하는 정도에 따라 결정된다)와 회전 샤프트의 회전 속도(분당 회전수를 60으로 나눈 것으로서 도 13에 도시됨)를 곱하는 것에 의해, 실린더를 가능 또는 불능으로 할 것인지 여부의 결정의 주파수가 산출된다(520). 활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 기본 주파수, 비활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 기본 주파수, 그리고 그 다음 관련된 고조파의 주파수가 산출된다(522). 이들 주파수는 강도 피크의 주파수에 대응한다. 결과적인 주파수는 그 후 복수의 룩업 테이블(524)을 검색하는 데에 사용되며, 복수의 룩업 테이블(524) 중 하나는 바람직하지 않은 주파수의 각각의 대역과 연관된다. 룩업 테이블은 관련된 바람직하지 않은 주파수와 대략적으로 동일한 중심 주파수를 갖는 윈도우 기능이다. 0에서 1의 범위를 갖는 룩업 테이블로부터의 출력은 배율기(528)에 의해 관련된 공진 주파수의 분율(0.5 미만)인 주파수를 갖는 구형파 펄스 시퀀스(526)와 곱해진다. 곱한 값은 가산기(530)에 의해 합산되어, 역치 오프셋(532)을 산출한다. 역치 오프셋은 도 5의 312 단계에서 사용되며, 합계는 디폴트 역치에 시간 변화 역치 오프셋을 더한 것과 비교된다. 합계가 디폴트 역치에 역치 오프셋을 더한 것에 비하여 크거나 같으면, 활성 사이클을 수행하기 위해 실린더가 선택된다. 그렇지 않으면, 실린더는 비활성 사이클(316)을 수행한다. 그런 다음, 도 5의 과정이 이전과 같이 계속된다.
도 13의 제어 로직의 정미 효과는, 산출된 주파수 중 하나가, 유압 트랜스미션이 맞춰지는 기계의 일부분(및/또는 유압 트랜스미션 자체의 일부분)의 바람직하지 않은 공진 주파수의 양측에서의 대역에 속할 때, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴이 공진 주파수에서의 강도 피크를 제거하기 위해 수정되지만(제2 과정), 산출된 주파수 중 어느 것도 바람직하지 않은 주파수 대역에 속하지 않을 때, 도 5 및 도 6의 배출량 결정 알고리즘이 채용된다는 것이다.
도 14는 도 6과 동일한 파라미터를 사용하여 결과적으로 수정된 실린더 선택 패턴을 도시한다. 활성 사이클의 일부 선택이 지각되며, 일부는 진각된다는 것을 알 수 있다. 활성 실린더의 표준 및 수정된 선택의 동일한 패턴이 도 15에 상이한 포맷으로 도시된다. 도 15에서, T1은 역치 수정이 없는 활성 사이클의 선택 사이의 기간이다. T2 및 T3는 역치 수정이 있는 활성 사이클의 선택 사이의 기간이다.
도 16은 도 6의 수정되지 않은 패턴(파선, 700) 및 도 14 및 도 15의 수정된 패턴(점선, 702)으로부터 발생하는 주파수 스펙트럼(700, 702)에서 발생하는 강도 피크(704)의 주파수를 더 도시한다. 수정되지 않은 패턴에서, 활성 실린더의 선택은 0.4 ms로 분리되어, 2.5 Hz에서 강도 피크(704)로 이어진다. 수정된 패턴으로부터 발생하는 주파수 스펙트럼(점선 라인)에서, 2 및 3.333 Hz에서 강도 피크(704)가 존재한다. 따라서, 펄스 파 형태의 부가는 주파수 스펙트럼에서 원치 않은 강도 피크를 제거하였다. 그러나, 시간에 따라 평균된 총 정미 배출량은 변경되지 않았다.
이러한 예에서, 결정 역치는 구형파 펄스의 적용에 의해 수정되었다. 그러나, 구형파 또는 심지어 반복하는 패턴에 의해 임의의 변조가 발생하는 것이 필수적인 것은 아니다. 뿐만 아니라, 대안적인 실시예에서, 결정 역치를 수정하는 것 대신에, 펌프 또는 모터로 수신된 입력 중 하나, 통상적으로, 배출량 요구는 그 대신에 주기적인 오프셋 파 형태의 부가에 의해 상술한 예에서 역치가 수정되는 것과 동일한 방식으로 수정된다. 이는 대응하는 효과를 갖는다.
도 17은 이것이 달성되는 방식을 도시한다. 이 예에서, 도 4의 과정에 의해 발생되는 펌프에 대한 수신된 배출량 요구 신호(600)가 0 시간으로부터 선형으로 증가한다. 펌프의 회전 샤프트의 주어진 회전 속도에 대해, 배출량 요구 신호가 0.31 및 0.35 사이일 때, 배출량 결정 알고리즘이 바람직하지 않은 주파수에서 강도 피크를 갖는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴을 발생시킬 수 있는 것으로 판단된다. 수신된 배출량 요구 신호가 0.31 및 0.35 사이일 때, 배출량 요구는 보다 낮은 값(602) 또는 0.31 및 0.35의 높은 값(604) 사이에서 교대로 나타난다. 따라서, 수정된 배출량 요구 신호는 배출량 요구 신호의 평균 값이 변경되지 않도록 선택된 듀티 사이클을 갖는 보다 낮은 값 및 보다 높은 값 사이에서 교호한다. 이는, 듀티, D = (수신된 배출량 요구 신호 - 낮은 값) / (높은 값 - 낮은 값)을 사용하여 달성될 수 있다.
일반적으로, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 선택의 순서는, 회전 샤프트의 회전 당 최대 배출량의 분율로서 표현되는, 주어진 배출량 요구에 대한 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 달라져, 유압 트랜스미션 또는 풍력 터빈 발전기의 하나 이상의 부품 또는 유압 트랜스미션을 포함하는 다른 기계의 하나 이상의 공진 주파수의 진동의 발생을 억제한다.
도 8 및 도 9의 예에서 바람직하지 않은 주파수의 범위가 일정하였고 회전 샤프트의 회전 속도와 무관하였지만, 일부 실시예에서, 바람직하지 않은 주파수의 범위의 하나 이상이 변화될 수 있을 것이다. 예를 들면, 굴삭기의 작동 아암을 구동하는 데에 사용되는 유압 모터의 경우, 공진 주파수(및 이에 따른 공진 주파수를 중심으로 하는 바람직하지 않은 주파수의 범위)는 아암의 위치에 따라 결정될 수 있다. 모터가 램(ram)을 구동하는 경우, 공진 주파수(및 이에 따른 공진 주파수를 중심으로 하는 바람직하지 않은 주파수의 범위)는 램이 연장되는 정도에 따라 결정될 것이다. 일부의 경우, 공진 주파수 중 하나 이상(및 이에 따른 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상)은 회전 샤프트의 회전 속도와 무관한 하나 이상의 측정된 파라미터에 따라 결정될 것이며, 예를 들면, 하나 이상의 위치 센서에 의하여 측정되는, 복수의 액추에이터의 위치에 따라 결정될 수 있다. 일부의 경우, 공진 주파수의 하나 이상(및 이에 따른 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상)은 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 결정되지만 이에 비례하지 않을 것이다. 예를 들면, 풍력 터빈 발전기에서, 회전 샤프트의 회전 속도가 증가함에 따라(이에 따라 블레이드가 보다 강성으로 됨에 따라), 블레이드의 하나 이상의 공진 주파수(및 이에 따른 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상)가 증가할 것이지만, 주파수의 변화는 회전 샤프트의 회전율에 비례하지 않는다.
일부의 경우, 바람직하지 않은 주파수의 범위 모두가 고정되고 메모리에 저장될 수 있다. 그러나, 하나 이상의 공진 주파수가 변화할 수 있을 때, 변화하는 공진 주파수를 포함하는 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정하는 데에 공진 결정 모듈(159)이 채용될 수 있다. 따라서, 공진 결정 모듈은 하나 이상의 센서(예를 들면, 하나 이상의 가속도계, 압력 센서, 스트레인 게이지, 액추에이터 위치 센서 등)로부터의 데이터를 처리할 수 있다. 상술한 바와 같이, 전부의 경우가 아닌 일부의 경우에서, 공진 결정 모듈은 회전 샤프트의 회전 속도를 고려할 것이다. 공진 결정 모듈은 센서로부터의 하나 이상의 측정치로부터 공진 주파수 및/또는 바람직하지 않은 주파수의 범위를 결정하는 데에 룩업 테이블 또는 알고리즘을 사용할 수 있다.
공진 결정 모듈은 신호(예를 들면, 회전 샤프트의 회전 속도, 고압 유체 라인 내의 압력, 가속도계 또는 스트레인 게이지로부터의 신호)를 분석하여 하나 이상의 공진 진동을 식별하기 위해 작동 가능할 수 있으며, 공진을 식별하기 위해 주파수 분석을 수행할 수 있다. 예를 들면, 공진 결정 모듈은 풍력 터빈 발전기의 일부에 (예를 들면, 타워, 허브 또는 블레이드에) 부착된 가속도계 또는 스트레인 게이지로부터의 신호에 대해 고속 푸리에 변환 분석을 수행할 수 있으며, 결과적인 주파수 스펙트럼에서 강도 피크를 식별할 수 있다. 일단 하나 이상의 주파수가 식별되면, 공진 결정 모듈은 식별된 공진 주위의 바람직하지 않은 주파수의 범위를 정의할 수 있다.
예를 들면, 도 18은, 접합된 제1 및 제2 아암부(804, 806)로부터 형성되는 2개의 위치(802A, 802B)로 도시된 유압 작동식 아암을 갖는 굴삭기(800)를 도시한다. 제1 및 제2 아암부의 각각은 본 발명에 따른 유압 트랜스미션의 일부인 유압 모터(예를 들면, 램)에 의해 독립적으로 작동될 수 있다. 굴삭기 아암은, 제1 아암의 위치 및 제2 아암의 위치 모두에 따라 결정되며 유압 트랜스미션의 펌프 및 모터의 회전 샤프트의 회전 속도와 무관한 주파수를 갖는 하나 이상의 공진 모드를 가질 수 있다. 이러한 주파수는 위치 센서에 의해 측정된 제1 및 제2 아암의 위치로부터 산출될 수 있다.
도 19는 유압 트랜스미션(902)을 갖는 차량(900)에 적용되는 본 발명의 예이다. 구동 샤프트(908)를 통하여 상술한 타입의 유압 가변 배출량 펌프(906)를 구동시키는 엔진(904), 구동 샤프트(914)(모터의 회전 샤프트에 결합됨)를 통하여 휠(912)을 구동시키는 상술한 타입의 유압 가변 배출량 모터(910), 및 차동 장치(916). 또한, 유압 트랜스미션은 저압 작동 유체 라인(918) 및 고압 작동 유체 라인(920)을 포함한다. 구동 샤프트, 특히, 유압 모터에 의해 구동되는 샤프트(914)는 인가된 토크가 특정 주파수에서 진동하는 경우 공진 진동을 겪을 수 있다. 이들 공진 모드 중 일부는, 일정한 주파수에서, 모터의 회전 샤프트의 회전 속도와 관계 없을 것이며, 일부는 회전 샤프트의 회전 속도에 따라 변할 수 있다. 다시, 이들 공진의 주파수가 산출될 수 있으며, 이들 공진 주파수의 양측으로 연장되는 바람직하지 않은 주파수의 범위 내에서 강도 피크를 갖는 주파수 스펙트럼을 갖는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 발생이 방지될 수 있다.
추가적인 변형 및 수정이 본원에 개시된 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다.
1: 풍력 터빈 발전기
2: 나셀
4: 타워
6: 터빈
8: 블레이드
10: 유압 트랜스미션
12: 유압 가변 배출량 펌프
14: 구동 샤프트
16: 유압 가변 배출량 모터
18: 발전기
20: 발전기 구동 샤프트
22: 접촉기
24: 탱크
26: 저압 작동 유체 라인
28: 고압 작동 유체 라인
30: 올레오식 공압 어큐뮬레이터
32: 트랜스미션 컨트롤러
34: 풍속계
36: 가속도계
38: 가속도계
40: 프로세서
42: 데이터 저장 장치
100: 실린더
102: 실린더 작동 체적
106: 피스톤
108: 회전 샤프트
110: 편심 캠
112: 샤프트 위치 및 속도 센서
114: 신호 라인
116: 기계 컨트롤러
118: 저압 밸브(전자 제어 밸브)
120: 저압 매니폴드
122: 고압 매니폴드
124: 저압 밸브 제어 라인
126: 고압 밸브(전자 제어 밸브)
128: 압력 릴리프 밸브
132: 고압 밸브 제어 라인
150: 프로세서
152: 버스
154: 메모리
156: 입력-출력 포트
158: 프로그램
159: 공진 결정 모듈
160: 변수(오차 포함)
162: 각 실린더에 관한 데이터의 데이터베이스
163: 각 실린더의 각도 위치에 관한 데이터
164: 각 실린더가 불능인지 여부에 관한 데이터
165: 각 실린더가 활성 사이클을 수행한 횟수 데이터
166: 샤프트 위치 신호
168: 압력의 측정
200: 입력 신호를 수신하는 단계
202: 목표 토크를 결정하는 단계
204: 펌프 배출량을 산출하는 단계
206: 모터 배출량을 산출하는 단계
300: 과정 개시 단계
302: 어큐뮬레이터를 0으로 설정하는 단계
304: 결정 지점에 도달하는 단계
306: 요청 모터 배출량을 판독하는 단계
308: 합계를 산출하는 단계
310: 상태를 확인하는 단계
312: 비교 단계
314: 배출량을 설정하는 단계
316: 배출량을 0으로 설정하는 단계
318: 어큐뮬레이터를 업데이트하는 단계
350: 시그마 블록(여름)
352: 소프트웨어 어큐뮬레이터
354: 비교기
356: 가능 실린더 신호
358: 증폭기
400: 활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 기본 주파수
401: 활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 고조파 주파수
402: 비활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 주파수
403: 비활성 사이클을 수행하기 위한 실린더의 선택의 고조파 주파수
404: 타워의 공진 주파수
406: 주파수 대역
408: 블레이드의 공진 주파수
410: 주파수 대역
450: 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼
452: 활성 사이클의 기본 주파수로 인한 강도 피크(또한, E1)
454: 비활성 사이클의 기본 주파수로 인한 강도 피크(또한, D1)
456: 고조파로 인한 강도 피크
500: 배출량 요구를 수신하는 단계
502: 부품의 주파수를 산출하는 단계
504: 비교 단계
506: 결정 단계
508: 수정되지 않은 역치를 사용하는 비교
510: 수정된 역치를 사용하는 비교
520: 결정 주파수 계산
522: 주파수 계산
524: 룩업 테이블
526: 펄스 발생기
528: 배율기
530: 가산기
532: 역치 오프셋
T1: 제1 과정에 의한 활성 사이클 사이의 기간
T2, T3: 제2 과정에 의한 연속적인 활성 사이클 사이의 기간
600: 수신된 배출량 요구 신호
602: 보다 낮은 값
604: 보다 높은 값
700: 주파수 스펙트럼(수정되지 않은 패턴)
702: 주파수 스펙트럼(수정된 패턴)
704: 주파수 스펙트럼의 강도 피크
800: 굴삭기
802A, 802B: 2개의 위치에 있는 유압 작동식 아암
804: 제1 아암부
806: 제2 아암부
900: 차량
902: 유압 트랜스미션
904: 엔진
906: 가변 배출량 유압 펌프
908: 펌프 구동 샤프트
910: 가변 배출량 유압 모터
912: 휠
914: 모터 구동 샤프트
916: 차동 장치
918: 저압 작동 유체 라인
920: 고압 작동 유체 라인

Claims (18)

  1. 회전 샤프트,
    상기 회전 샤프트의 위치 또는 회전 속도를 측정하는 샤프트 센서,
    적어도 하나의 로브를 갖는 적어도 하나의 캠,
    상기 회전 샤프트의 회전에 따라 주기적으로 변하는 작동 체적을 갖는 복수의 실린더,
    저압 작동 유체 라인 및 고압 작동 유체 라인,
    각 실린더 및 상기 저압 및 고압 작동 유체 라인 사이에서의 작동 유체의 유동을 조정하는 복수의 밸브로서, 각 실린더와 연관된 적어도 하나의 밸브는 전자 제어 밸브인 복수의 밸브를 포함하고,
    유압 펌프 또는 모터는 실린더 작동 체적의 사이클에 대하여 동일 위상 관계로 상기 전자 제어 밸브를 능동적으로 제어하기 위해 명령 신호를 발생시켜, 실린더 체적의 각 사이클에 대해, 각 실린더가 작동 유체의 정미 배출량이 존재하는 활성 사이클 또는 작동 유체의 정미 배출량이 존재하지 않는 비활성 사이클을 수행하는지 여부를 결정하도록 구성되는 밸브 제어 모듈을 포함하고,
    상기 밸브 제어 모듈은 상기 복수의 실린더에 의한 작동 유체의 목표 정미 배출량을 대표하는 배출량 요구 신호를 수신하는 요구 입력을 갖고,
    상기 밸브 제어 모듈은, 상기 회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 상기 실린더에 의해 수행되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내에 유지되지 않도록 명령 신호의 패턴을 선택하면서, 상기 복수의 실린더의 시간 평균 정미 배출량이 상기 배출량 요구 신호로 대표되는 배출량 요구와 일치하도록 명령 신호를 발생시키도록 구성되는, 유압 펌프 또는 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 강도 피크의 상기 주파수는, 활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수, 또는 그 고조파, 또는 비활성 사이클을 수행하는 실린더의 기본 주파수, 또는 그 고조파를 포함하는, 유압 펌프 또는 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 제어 모듈은, 실린더 작동 체적의 이전의 사이클 중 상기 배출량 요구 신호 및 상기 작동 유체의 정미 배출량을 처리하기 위해 복수의 시간 단계의 각각에서 배출량 결정 알고리즘을 실행하고, 배출된 작동 유체의 총량과 요구된 작동 유체의 총량의 차이가 역치를 초과할 때, 적어도 하나의 실린더가 작동 유체의 정미 배출량을 만드는 활성 사이클을 수행하게 하도록 구성되는, 유압 펌프 또는 모터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밸브 제어 모듈은 상기 역치를 변화시켜, 하나 이상의 실린더의 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 하나 이상의 바람직하지 않은 주파수 성분의 강도를 감소시키도록 구성되는, 유압 펌프 또는 모터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 역치는 하나 이상의 바람직하지 않은 주파수 성분의 강도를 감소시키기 위해 교대로 증감하는, 유압 펌프 또는 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    주파수 스펙트럼의 적어도 하나의 강도 피크가 이와 다른 경우 속하게 되는 바람직하지 않은 주파수의 범위 내에서 바람직하지 않은 주파수의 주파수의 1/2 및 1/10 사이의 주파수에서 상기 역치가 교대로 증감하는, 유압 펌프 또는 모터.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 제어 모듈은 회전 샤프트 속도 신호를 수신하고, 상기 역치가 변화되어야 하는지 여부를 결정할 때 상기 회전 샤프트 속도 신호를 고려하도록 구성되는, 유압 펌프 또는 모터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내에서 유지되지 않도록, 상기 밸브 제어 모듈에 의해 수신된 상기 배출량 요구 신호는 선택적으로 변조되는, 유압 펌프 또는 모터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배출량 요구 신호는 주기적 변조 파형에 의해 선택적으로 변조되는, 유압 펌프 또는 모터.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 밸브 제어 모듈은, 축적된 배출량 오차 값을 저장하는 어큐뮬레이터와, 각 시간 단계에서 상기 배출량 요구 신호로 대표되는 배출량 요구를 상기 축적된 배출량 오차 값에 가산하는 가산기와, 동일한 시간 단계 또는 이전 시간 단계에서 상기 밸브 제어 모듈의 능동 제어 하에서 배출된 작동 유체의 양을 나타내는 값을 감산하는 감산기를 포함하는, 유압 펌프 또는 모터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 밸브 제어 모듈은, 상기 배출량 요구 및 상기 회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 상기 밸브 제어 모듈이 제1 과정을 이용하여 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴을 선택한 경우 발생되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수를 결정하고, 상기 결정된 하나 이상의 주파수를 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위와 비교하고, 적어도 하나의 결정된 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 적어도 하나의 범위에 속하는 경우, 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴이 상기 제1 과정 대신 제2 과정을 이용하여 정상적으로 선택되도록 하여, 주파수의 적어도 하나의 범위에서의 주파수 스펙트럼의 강도를 감소시키는 주파수 결정 모듈을 포함하는, 유압 펌프 또는 모터.
  12. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 측정된 파라미터에 따라 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정하는 공진 결정 모듈을 포함하는 유압 펌프 또는 모터.
  13. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 진동을 식별하고 상기 하나 이상의 진동의 공진 주파수를 식별하기 위해 신호를 분석하여 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정하고 상기 결정된 하나 이상의 주파수를 포함하도록 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위를 설정하도록 작동 가능한 공진 결정 모듈을 포함하는 유압 펌프 또는 모터.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 공진 결정 모듈은 상기 회전 샤프트의 회전 속도와 무관한 하나 이상의 측정된 파라미터에 따라 바람직하지 않은 주파수의 범위 중 하나 이상을 결정하는, 유압 펌프 또는 모터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 바람직하지 않은 주파수 성분 중 적어도 일부는 유압 트랜스미션 또는 상기 유압 트랜스미션을 포함하는 기계의 적어도 하나의 부품의 공진 주파수를 포함하는, 유압 펌프 또는 모터.
  16. 가변 배출량 유압 펌프,
    가변 배출량 유압 모터,
    상기 유압 펌프를 구동하기 위해 상기 유압 펌프에 결합되는 구동 샤프트, 및
    부하에 결합하도록 상기 유압 모터에 결합되는 출력 샤프트를 포함하고,
    상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터 중 적어도 하나는 제1항에 따른 유압 펌프 또는 모터인, 유압 트랜스미션.
  17. 제16항에 따른 유압 트랜스미션,
    상기 유압 펌프에 결합되며 복수의 블레이드를 포함하는 터빈, 및
    상기 유압 모터에 결합되는 발전기를 포함하는 풍력 터빈 발전기.
  18. 유압 펌프 또는 모터를 작동시키는 방법에 있어서, 상기 유압 펌프 또는 모터는,
    회전 샤프트,
    상기 회전 샤프트의 위치 또는 회전 속도를 측정하는 샤프트 센서,
    적어도 하나의 로브를 갖는 적어도 하나의 캠,
    상기 회전 샤프트의 회전에 따라 주기적으로 변하는 작동 체적을 갖는 복수의 실린더,
    저압 작동 유체 라인 및 고압 작동 유체 라인,
    각 실린더 및 상기 저압 및 고압 작동 유체 라인 사이에서의 작동 유체의 유동을 조정하는 복수의 밸브로서, 각 실린더와 연관된 적어도 하나의 밸브는 전자 제어 밸브인 복수의 밸브를 포함하고,
    상기 방법은
    상기 복수의 실린더에 의한 작동 유체의 목표 배출량을 대표하는 배출량 요구 신호를 수신하는 단계, 및
    실린더 작동 체적의 사이클에 대하여 동일 위상 관계로 상기 전자 제어 밸브를 능동적으로 제어하여, 실린더 체적의 각 사이클에 대해, 각 실린더가 작동 유체의 정미 배출량이 존재하는 활성 사이클 또는 작동 유체의 정미 배출량이 존재하지 않는 비활성 사이클을 수행하는지 여부를 결정하도록 명령 신호를 발생시키는 단계를 포함하며,
    상기 회전 샤프트의 회전 속도를 고려하여, 상기 실린더에 의해 수행되는 실린더 작동 체적의 활성 및 비활성 사이클의 패턴의 주파수 스펙트럼의 하나 이상의 강도 피크의 주파수가 바람직하지 않은 주파수의 하나 이상의 범위 내에서 유지되지 않도록 명령 신호의 패턴이 선택되면서, 상기 복수의 실린더의 시간 평균 정미 배출량이 상기 배출량 요구 신호로 대표되는 배출량 요구와 일치하도록 상기 명령 신호가 선택되는, 방법.
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