JP2010132222A - 電磁アクチュエータ装置および電磁アクチュエータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁アクチュエータの動作方向が切り替わる近傍でのフィードバック制御の発散を抑制し、遅れのない内部慣性力の補償を行う電磁アクチュエータ装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】
電磁アクチュエータ装置は、電磁アクチュエータ４の電気モータ８と、電磁アクチュエータの動作加速度を検出する動作加速度検出手段２１と、動作加速度に基づき電磁アクチュエータ４の内部慣性力を演算する内部慣性力演算手段２４とを有する。電気モータ８は、アクチュエータ出力指令値から内部慣性力を減じた合力を発生するようにモータ制御手段２７で制御する。また、電磁アクチュエータ４のストローク方向の切り替え近傍を検出するストローク方向切り替え検出手段２１と、ストローク方向の切り替え近傍を検出したとき内部慣性力の演算値を内部慣性力の変化率が所定値未満となるように抑制する内部慣性力変化率抑制手段２１とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、構成部品の内部慣性力を考慮した制御可能な電磁アクチュエータ装置、およびその制御方法に関する。

従来の電磁アクチュエータ装置としては、自動車用サスペンションに適用されて、スプリングと油圧可変式ショック・アブソーバとに代え、ボールねじを用いて電気モータの回転運動をボールねじの直線運動へと電気的に変換制御するものが知られている。この場合、電磁アクチュエータの構成部品である電気モータのロータ慣性モーメントやボールねじの慣性モーメントなどが、アクチュエータの推力特性に影響を及ぼす（特に、電磁アクチュエータ装置を制振に利用する場合には被制振体の質量を見かけ上増加させるので制振性を悪化する）（たとえば、特許文献１を参照）。
特開２００８−２７９９１３号公報

しかしながら、上記従来のような電磁アクチュエータ装置にあっては、アクチュエータの内部慣性力を補償するためには、一般的に、電磁アクチュエータの動作加速度を計測し、これに電磁アクチュエータの内部慣性を乗じて内部慣性力を演算し、この内部慣性力分を補償するようにフィードバック制御をする必要がある。

ここで、電磁アクチュエータを構成するボールねじ部分やセンサ取付け部分にはわずかながらガタ(バックラッシュ)が生じることは避けることができない。この結果、電磁アクチュエータの動作加速度の計測結果にはガタ分だけ信号の変動が生じてしまう。

具体的には、電磁アクチュエータが往復運動をする場合に、電磁アクチュエータの作動方向が切り替わるときにガタの影響が現れて動作加速度の測定値が大きく変動する可能性がある。このように動作加速度の測定値が大きく変動した場合、フィードバック制御を行うと制御系が発散してしまう虞がある。
本発明は、上記不具合に鑑みなされたもので、その目的とするところは、電磁アクチュエータの動作方向が切り替わる近傍でもフィードバック制御が発散することなく、遅れのない内部慣性力の補償を行うことができる電磁アクチュエータ装置およびその制御方法を提供することにある。

本発明の電磁アクチュエータ装置は、電磁アクチュエータの動作加速度を検出する動作加速度検出手段と、動作加速度を使って電磁アクチュエータの内部慣性力を演算する内部慣性力演算手段と、アクチュエータ出力指令値から内部慣性力を減じた合力を発生させるように電磁アクチュエータを作動させる電気モータを制御するモータ制御手段と、電磁アクチュエータのストローク方向の切り替え近傍を検出するストローク方向切り替え検出手段と、ストローク方向切り替え検出手段がストローク方向の切り替え近傍を検出したとき、内部慣性力演算手段で演算した内部慣性力の演算値を、この内部慣性力の変化率が所定値未満となるように抑制する内部慣性力変化率抑制手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の電磁アクチュエータ装置にあっては、電磁アクチュエータの動作方向が切り替わる近傍でもフィードバック制御が発散することなく、遅れのない内部慣性力の補償を行うことができる。

以下、本発明の電磁アクチュエータ装置およびその制御方法を図面とともに説明する。

図１に示すように、本発明の実施例１の電磁アクチュエータ装置は、自動車用サスペンション装置に適用する。

車体１の上方部分には、アッパ・アーム２を上下方向に揺動可能に設けて車幅外方向へ延ばし、その先端部分に車輪支持部材５の上端部分をボール・ジョイントで結合する。また、車体１の下方部分には、ロア・アーム３を上下方向に揺動可能に設けて車幅外方向へ延ばし、その先端部分に車輪支持部材５の下端部分をボール・ジョイントで結合する。車輪支持部材５の中間部分には、車輪６を回転自在支持にする。
また、車体１の上方部分とロア・アームの中間部分との間には、伸縮可能な実施例１の電磁アクチュエータ４を配設するとともに、図示しないばねを電磁アクチュエータ４と並列に配設する。

図２に、上記電磁アクチュエータ４の構造とその制御装置ＣＭとを示す。ここで、制御装置ＣＭは、本発明のモータ制御手段に相当する。
電磁アクチュエータ４は、電気モータ８、減速機８ａ、ボールねじシャフト９、ボールねじナット１０、アウタ・チューブ１１、インナ・チューブ１２を有する。

アウタ・チューブ１１は、その上端部分にアクチュエータ取付けボルト１３を設けて、図外のアッパ・インシュレータを介して車体１１に固定する。そのアウタ・チューブ１１の上方内部には、減速機８ａ付き電気モータ８を内蔵させプラグ１１ａでその下方からふさぐ。また、アウタ・チューブ１１の外周壁部分は、下方へ延ばしてインナ・チューブの上方部分を相対変位可能に収納する。

電気モータ８は、内蔵したロータに固定したシャフトが歯車組からなる減速機８ａの入力歯車に連結し、電気モータ８からの入力回転数を減速して出力する減速機８ａの出力歯車から鉛直下方へ突出させた減速軸８ｂをボールねじシャフト９の上端部に連結する。なお、電気モータ８のロータには、モータ回転角センサとしてのロータリ・エンコーダ１８を儲け、ロータの回転角度を検出し、制御装置ＣＭに回転角信号を入力するようにしている。

ボールねじシャフト９の外周に設けたねじ溝と、ボールねじシャフト９の外周に取り付けたボールねじナット１０内部に形成したねじ溝との間には、複数の鋼球のボール（図示せず）を入れる。これにより、ボールの回転を利用して、ボールねじシャフト９を回転させることによりボールねじナット１０をスムーズに軸方向に動かすようにしたり、逆にボールねじナット１０を軸方向に動かすことでボールねじシャフト９をスムーズに回転させたりすることができる。

ボールねじナット１０には、インナ・チューブ１２が固定されて下方へ延び、この内部にボールねじシャフト９のボールねじナット１０より下の部分を収納する。アウタ・チューブ１１の下端部分から突出したインナ・チューブ１２の下端部分にはアクチュエータ取付けアイ１４を設けて図外のブッシュを解してロア・リンク３に連結する。

一方、制御装置ＣＭは、補償演算部２３、サスペンション減衰力目標値生成部２５、モータ制御部１７、電源１６を備えており、ロータリ・エンコーダ１８から回転角信号を受け取るとともに、駆動電流を電気モータ８へ供給する。ここで、アクチュエータ制御を実行するのに必要な車両の各種状態量、もしくは、それらを算出可能な状態量を各種センサにより検出し、制御装置ＣＭに入力する。このセンサの中には、後述のロータリ・エンコーダ１８も含まれる。

補償演算部２３は、回転角−ストローク量変換部２２と、速度―加速度検出部２１と、内部慣性力演算部２４と、を有し、アクチュエータ内部慣性力を補償するための演算を行う。なお、内部慣性力演算部２４は、本発明の内部慣性力演算手段に相当する。

回転角−ストローク量変換部２２は、ロータリ・エンコーダ１８から入力された回転角信号に基づき、その検出されたロータの回転角θに相当するボールねじシャフト９のストローク量ｘを次式に基づき、算出する。
ｘ＝（Ｌ／２π）・θ
ここで、Ｌはボールねじシャフト９のリード（ねじピッチ）を示す。
この演算で得たストローク量ｘは、ストローク信号として速度―加速度検出部２１へ出力する。

速度―加速度検出部２１は、入力されたストローク量ｘを時間で１階微分して速度ｄｘ／ｄｔを得て、この速度を速度信号として内部慣性力演算部２４へ出力する。また、速度―加速度検出部２１では、ストローク量ｘを時間で２階微分して加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２を得て、この加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２を加速度信号として内部慣性力演算部２４へ出力する。なお、これら速度―加速度検出部２１の詳細については、後述する。また、図中では、ｄｘ／ｄｔは、ｘドットで、またｄ^２ｘ／ｄｔ^２はｘツー・ドットで表している。なお、速度―加速度検出部２１は、本発明の動作速度検出手段および動作加速度検出手段に相当する。

内部慣性力演算部２４は、速度―加速度検出部２１から入力された速度ｄｘ／ｄｔと加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２とに基づき、次式にて内部慣性力Ｆｉを演算する。
Ｆｉ＝（２π／Ｌ）^２・（α^２・ＪＭ＋ＪＢ）
ここで、αは減速機８ａの減速比を、ＪＭは電気モータ８のロータの慣性モーメントを、またＪＢはボールねじシャフト９の慣性モーメントをそれぞれ示す。なお、ここでは式として明示するため、主な慣性モーメントであるＪＭおよびＪＢのみを考慮したが、影響する他の慣性モーメントも含めてもよい。また、これらの慣性モーメントの値は、あらかじめ測定しておくようにしてもよい。内部慣性力演算部２４は、上記で算出した内部慣性力Ｆｉを内部慣性力信号としてモータ制御部１７へ出力する。

また、速度―加速度検出部２１で検出されたアクチュエータの動作速度ｄｘ／ｄｔは、速度信号として減衰力目標値生成部２０にも出力される。
減衰力目標値生成部２０は、速度と減衰力との関係を決めるための速度−減衰力マップ２５を有しており、上記検出した動作速度ｄｘ／ｄｔに対するアクチュエータ４の発生目標となる減衰力Ｆｄを決定し、減衰力信号としてモータ制御部１７へ出力する。ここで、減衰力マップ２５は、図２に示すように、動作速度の絶対値 |ｄｘ／ｄｔ| が小さい範囲では動作速度の絶対値 |ｄｘ／ｄｔ| が大きくなるほど発生目標減衰力|Ｆｄ|が急激に大きくなり、その後、動作速度の絶対値 |ｄｘ／ｄｔ| が小さい範囲では動作速度|ｄｘ／ｄｔ|が大きくなるにつれて発生目標減衰力の絶対値 |Ｆｄ| がより緩やかになって増大していく。ここでは、アクチュエータ４のストローク動作速度ｄｘ／ｄｔに応じて単純に発生目標減衰力Ｆｄを算出するようにしているが、サスペンション技術で用いられるスカイフック制御などを適用するようにしてもよい。なお、スカイフック制御とは、車体を空中からつり下げた状態で移動させ、車輪に入力される路面の凹凸をスプリングで、また車体と空中の支持点との間の動きをショック・アブソーバで吸収しようとする制御である。

モータ制御部１７は、電流制御回路２７と、加算器２８とを有する。加算器２７には、減衰力目標値生成部２０から発生目標減衰力Ｆｄを減衰力信号として、また内部慣性力演算部２４から内部慣性力Ｆｉを内部慣性力信号として、それぞれ入力し、発生目標減衰力Ｆｄから内部慣性力Ｆｉ差し引き、電気モータ８に実際に指令すべき目標発生力Ｆを算出し、目標発生力信号として電流制御回路２７に出力する。

電流制御回路２７は、電源１６に接続されここから電力の供給が可能である。また、電流制御回路２７は、加算器２８から目標発生力Ｆを目標発生力信号として入力され、目標発生力Ｆを得るための電流サーボを行って、制御電流を電気モータ８に供給し、アクチュエータ４の伸縮長さや伸縮速度を制御する。

図３に、上記速度―加速度検出部２１で実行処理される離散時間処理につき、フローチャートに基づき説明する。ここでは、回転角−ストローク量変換部２２には、現在の計算ステップｎにおけるアクチュエータ４のストローク量としてｘ（ｎ）が入力されて、その演算結果としてｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２が出力されるものとする。

回転角−ストローク量変換部２２から速度―加速度検出部２１に入力されたアクチュエータ４のストローク量ｘ（ｎ）は、ステップＳ１にて、ストローク量ｘ（ｎ）とこの一計算ステップ前のストローク量ｘ（ｎ−１）を用いて、単純に微分により求めた開く中エーア４の動作速度ｄｘ（ｎ）／ｄｔと動作加速度ｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２を一旦算出しておく。この場合の算出式は、以下のようになる。
ｄｘ（ｎ）／ｄｔ＝｛ｘ（ｎ）−ｘ（ｎ−１）｝／Δｔ
ｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２＝｛ｄｘ（ｎ）／ｄｔ−ｄｘ（ｎ−１）／ｄｔ｝／Δｔ
ここで、Δｔは、計算ステップの時間刻みである。
さらに、ステップＳ１においては、一計算ステップ前での回転角−ストローク量変換部２２の出力値ｄ^２ｘ（ｎ−１）／ｄｔ^２＝を記憶しておく。次いで、ステップＳ２へ移行する。

ステップＳ２では、上記ステップＳ１で算出したアクチュエータ４の動作速度の絶対値 |ｄｘ（ｎ）／ｄｔ| が所定値以上であるか否かの判定を行う。この判定結果が所定値以上であった場合にはステップＳ３に移行し、所定値未満であった場合にはステップＳ４に移行する。ここで、アクチュエータ４の動作速度の絶対値|ｄｘ（ｎ）／ｄｔ|が所定値であることは、アクチュエータ４のストローク方向が切り替わる可能性があることを意味している。ここで言う所定値が、第１切り替え状態予想値に該当する。

判定結果が所定値以上であると判定した場合には、ステップＳ３で、アクチュエータ４がこのガタの影響を受けない状態であるとして、上記ステップＳ１で算出した時間微分ｄｘ（ｎ）／ｄｔをそのままとして、次式により速度―加速度検出部２１の出力値として決定する。
ｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２＝ｄ^２Ｘ（ｎ）／ｄｔ^２

一方、定結果が所定値未満であると判定した場合には、ステップ４で、動作速度の絶対値 |ｄＸ（ｎ）／ｄｔ| が所定値未満である状態が、所定時間以上継続したか否かを判定する。この所定値が、第２切り替え状態予想値に該当する。この条件が満たされている（ＹＥＳ）と判定した場合には、アクチュエータ４のストローク方向が切り替わるような状態ではなく、ほぼ停止している状態にあると判断されるので、ステップＳ５に移行する。一方、条件が満たされていない（ＮＯ）と判定した場合には、アクチュエータ４のストローク方向が切り替わる可能性が高いと判断されるので、ステップＳ６へ移行する。

上記条件が満たされたと判定した場合には、ステップＳ５で、次式により速度―加速度検出部２１の出力値を決定する。
ｄ^２Ｘ（ｎ）／ｄｔ^２＝０

一方、上記条件が満たされないと判定した場合には、アクチュエータ４のストローク方向が切り替わることでアクチュエータ４のガタの影響を受ける可能性が高いと判断されるので、加速度の急変を防止するために、ステップ６で、次式によりステップＳ１にて算出・記憶していた加速度の値を用いて速度―加速度検出部２１の出力値を決定する。
ｄ^２Ｘ（ｎ）／ｄｔ^２＝ｄ^２Ｘ（ｎ−１）／ｄｔ^２
この式は、一つ前の計算ステップでの速度―加速度検出部２１の出力値をホールドすることを表す。

上記ステップＳ２〜Ｓ６の処理により、内部慣性力演算部２４で演算した内部慣性力の演算値を、内部慣性力の変化率が所定値未満となるように抑制することになる。
なお、速度―加速度検出部２１およびそこで実行されるステップＳ２〜Ｓ６の処理は、本発明のストローク方向切り替え検出手段および内部慣性力変化率抑制手段に相当する。

ここで、一般にサスペンション装置においては、路面の状況によりアクチュエータ４のストロークの状態が時々刻々と変化する。たとえば、良路上を走行する場合には、ほとんど電磁アクチュエータのストロークが生じないことがある。しかしながら、特殊な条件として、悪路を自動走行するような特殊車両のサスペンション装置のように、電磁アクチュエータ４が絶えずストロークするものに使用する場合には、システム簡易化の目的でステップＳ４を省略することも可能である。

上記ステップＳ４は，一般的なサスペンション装置の場合のように、電磁アクチュエータ４がほぼ停止したときに、ステップＳ２の作用により加速度の値がホールドされ続けるのを防止する役割を果たしている。本実施例にあっては、上記ステップＳにおいて加速度の値を０としているが、これ以外にもアクチュエータ４を適用するサスペンション装置の動作条件によっては加速度の値を規定した所定値以下とする処理を行う方法をとるようにしてもよい。

上記のように構成した電磁アクチュエータ４は、以下のように作用する。
良路を走行中は、ばね上である車体１は、ばね下である車輪６に対し変わらない高さを保って支持される。この状態では、車体１とロア・リンク３との位置関係も変わらないので、電磁アクチュエータ４の長さも不変である。したがって、ロータリ・エンコーダ１８で検知した回転角が変わらないので、回転角−ストローク量変換部２２で得たストロークｘも変わらず、速度―加速度検出部２１から出力される速度ｄｘ／ｄｔも加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２もいずれも０を保つ。この結果、内部慣性力演算部２４から出力される値も０であるので、電流制御回路２７から電気モータ１８に供給される電流は０となる。この状態では、電気モータ１８は停止してボールねじシャフト９を回転させないので、ボールねじシャフト９に螺合するボールねじナット１０は相対移動せず、電磁アクチュエータ４はその長さをそのまま保つ。

良路走行中から悪路へ移ると、路面の凹凸に起因した車輪６の上下動により、アッパ・アーム２とロア・アーム３とは車体１に対し上下方向に揺動する。これに伴い、車輪６のばねが押し伸縮するとともに、電磁アクチュエータ４にもこの長さを伸縮しようとする力が作用する結果、ボールねじナット１０が上下方向に移動する。このボールねじナット１０の上下方向の移動によりボールねじシャフト９はそれぞれの方向へ回転させられる。

このボールねじシャフト９の回転は、ロータリ・エンコーダ１８で回転角として検出されて回転角−ストローク量変換部２２に入力され、ここでストローク量ｘに変換される。速度―加速度検出部２１では、それぞれ速度ｄｘ／ｄｔと加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２とを演算し、その出力を内部慣性力演算部２４に入力する。内部慣性力演算部２４では、速度と加速度を用いて内部慣性力Ｆｉを計算し、加算器２８に入力する。一方、速度ｄｘ／ｄｔは、サスペンション減衰力目標値生成部２０にも入力して減衰力マップ２５を用いて目標減衰力Ｆｄを決定し、加算器２８に入力する。

加算器２８では、目標減衰力Ｆｄから内部慣性力Ｆｉを差し引いた結果を電流制御回路２７に入力し、ここから電流を電気モータ８に供給することでボールねじシャフト９を回転させ、必要な減衰力を付与する。なお、この上下動にあっては、ストロークが変化するところでは、すなわち速度の絶対値が所定値未満である状態が所定時間以上継続する場合には加速度＝０とし、所定時間内では一つ前の計算ステップで得た加速度を用いて、それぞれ内部慣性力Ｆｉを演算して、ガタの影響を受けないようにする。

一方、上記ステップＳ２で速度の絶対値 |ｄｘ（ｎ）／ｄｔ| が所定値未満の状態から所定値以上になると、ステップＳ３へ移行してｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２＝ｄ^２Ｘ（ｎ）／ｄｔ^２として、ガタを考慮しない通常の内部慣性力補償に戻り、電磁アクチュエータ４の制御を行う。

また、速度の絶対値が所定値以上のときは、ストローク中であるとして最新の計算ステップで得た加速度を用いる。

図４に、本実施例と同様の構成を有する電磁アクチュエータ装置の試作品を用いて実験を行った結果を示す。この実験では、電磁アクチュエータの一端を固定した状態で、他端へサイン波の変位入力を与えて測定している。ストローク量ｘは、モータ軸と同軸に配置したロータリ・エンコーダにより測定したモータ回転角から求めている。同図中、右側に向かって計測時間が流れている。まず、４０１は、電磁アクチュエータのストローク量ｘを測定した結果を表しており、４０２はそのストローク量ｘを１回微分して得た動作速度ｄｘ／ｄｔを表しており、４０３はストローク量ｘを２階微分して動作加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２を表している。

このとき、たとえば電気モータの回転速度がほぼ０で電磁アクチュエータのストローク方向が変わる時刻Ａにおける４０１でのストローク量ｘの波形はほぼ滑らかであるようにみえるが、４０３での動作加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２は大きく乱れていることが分かる。これは、電磁アクチュエータのガタの影響が原因である。これをそのまま電磁アクチュエータの内部慣性力補償制御に用いると、制御系が発散してしまうことがある。

図５に、図４の場合と同様に、電磁アクチュエータの一端を固定した状態で、他端へサイン波の変位入力を与えて測定している。図５では、横軸に電磁アクチュエータのストローク量ｘを、また縦軸に電磁アクチュエータの発生力をプロットしている。なお、電磁アクチュエータの発生力は、ロード・セルを用いて測定している。

まず、電磁アクチュエータの電気モータに通電しに状態における測定結果を５０１に示す。この計測結果は、一見、ストローク量ｘに比例して発生力が発生しているようにみえるが、本実験ではサイン波変位入力を作用させているので、その２階微分である加速度も同じくサイン波となるためであり、この発生力は電磁アクチュエータの内部慣性力によるものである。

５０２は、単純にストローク量ｘを２階微分し、その結果にロー・パス・フィルタを挿入して電磁アクチュエータの内部慣性力の補償を行った場合の結果を示す。このとき、電磁アクチュエータに与える目標は０であるが、実際には内部慣性力補償分だけ電気モータに電流を流している。ここでは、指令値制御系の発散を防止するためのロー・パス・フィルタの影響により、フィードバック信号に位相遅れが生じ、ストローク量に対する発生力の特性にヒステリシスが生じていることが測定結果から分かる。

５０３は、図１〜３に示した実施例１の電磁アクチュエータの内部慣性力補償を行った測定結果を示す。これによれば、ロー・パス・フィルタを使用した場合のヒステリシスを生じることなく、内部慣性力の影響をキャンセルできていることが分かる。

以上、説明したように、本実施例１の電磁アクチュエータ装置にあっては、電磁アクチュエータ４の動作方向が切り替わる近傍でも電磁アクチュエータ４のガタに起因してフィードバック制御が発散することなく、かつロー・パス・フィルタを使用した場合のような遅れを排除した内部慣性力の補償を行うことができる。また、このような電磁アクチュエータ装置を用いたサスペンション装置にあっては、油圧式ショック・アブソーバを用いたサスペンション装置に比べて、絶対的な発生力は小さくなるものの、応答性は向上し、対応できる路面も後者が路面のうねり程度にすぎないのに対し、不整路や突起レベルまで対応することができ、過度的な運動を含め、細やかなコントロールが可能となる。また、サスペンション装置への入力を利用したエネルギ回生（発電）も可能となる。

次に、本発明の実施例２の電磁アクチュエータ装置につき、図面に基づき説明する。実施例２の電磁アクチュエータ装置も、実施例１と同様に車両用サスペンション装置の油圧式ショック・アブソーバに代わりに用いる。

実施例２の電磁アクチュエータ装置では、モータ回転角を検出する実施例１のロータリ・エンコーダ１８に代えて、電気モータのロータおよびボールねじシャフト９の回転角速度を検知するタコジェネレータ１８ａを電気モータ１８に取り付ける。タコジェネレータ１８ａで検出した回転角速度は、回転角速度信号として補償演算部２３ａに出力する。また、補償演算部２３ａは、実施例１の速度−加速度検出部２１に代えて、加速度検出部２１ａを設ける。他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ部分には同じ番号を付してそれらの説明は省略する。なお、加速度検出部２１ａは、本発明の動作加速度検出手段に相当する。

図７に、加速度検出部２１ａで実行処理する動作加速度算出のプログラムを示す。
ステップＳ１'では、タコジェネレータ１８ａから入力された電磁アクチュエータ４の動作速度ｄｘ（ｎ）／ｄｔを用いて以下の式から電磁アクチュエータ４の動作加速度を求める。
ｄ^２Ｘ（ｎ）／ｄｔ^２＝｛ｄＸ（ｎ）／ｄｔ−ｄＸ（ｎ−１）／ｄｔ｝／Δｔ
また、一サンプリング前の出力値ｄ^２ｘ（ｎ−１）／ｄｔ^２を一旦記憶しておく。
次いで、ステップＳ２へ移行するが、ステップＳ２からステップＳ５までの各ステップは図３に示した実施例１のステップＳ２〜Ｓ５と同じであるので、それらの説明は省略する。

速度の絶対値|ｄｘ（ｎ）／ｄｔ|が所定値未満の状態が所定時間以上継続すると、ステップＳ６'に移行し、出力値をｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２＝ｄ^２Ｘ（ｎ）／ｄｔ^２で規定し、ステップＳ７に移行する。

ステップＳ７では、ｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２の変化率にリミッタを設けて最終的な補償演算部２３ａの出力値を決定する。なお、出力値ｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２は、ステップＳ１'で次の計算ステップで一サンプリング前の出力値として記憶される。

なお、ここで、実施例１の図３中でのステップＳ６と、実施例２の図７中のステップＳ６'およびＳ７とは、それぞれ置き換えてもよく、適用する装置の実態に応じていずれかの処理方法を採用すればよい。

上記ステップＳ２〜Ｓ７の処理により、内部慣性力演算部２４で演算した内部慣性力の演算値を、内部慣性力の変化率が所定値未満となるように抑制することになる。
なお、加速度算出部２１ａおよびそこで実行されるステップＳ２〜Ｓ７の処理は、本発明のストローク方向切り替え検出手段および内部慣性力変化率抑制手段に相当する。

以上、説明したように実施例２の電磁アクチュエータ装置にあっても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例３の電磁アクチュエータ装置につき、図面とともに説明する。実施例３の電磁アクチュエータ装置は、実施例１の図２において、速度−加速度検出部２１と内部慣性力演算部２４とが異なるだけなので、その他の構成は図面および説明を省略する。なお、内部慣性力演算部２４は、本発明の内部慣性力演算手段に相当する。

実施例３の電磁アクチュエータ４の速度−加速度検出部２１は、図３のステップＳ１だけであり、電磁アクチュエータ４のストローク量ｘを単純にそれぞれ１階微分、２階微分して電磁アクチュエータ４の動作速度ｄｘ（ｎ）／ｄｔと動作加速度ｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２を得、これらを内部慣性力演算部２４へ出力する。なお、速度−加速度検出部２１は、本発明の動作速度検出手段および動作加速度検出手段に相当する。

内部慣性力演算部２４での内部処理を、図８を用いて説明する。ここでは、実際にプログラムとして実装することを想定して、離散時間処理としての例を示している。
内部慣性力演算部２４では、ステップ２１で、速度−加速度検出部２１から入力された動作加速度ｄ^２ｘ（ｎ）／ｄｔ^２を用いて、次式により仮の内部慣性力ｆｉ（ｎ）を演算する。
ｆｉ（ｎ）＝（２π／Ｌ）^２・（α^２・ＪＭ＋ＪＢ）
ここで、Ｌはボールねじシャフト９のリード（ねじピッチ）を、αは減速機８ａの減速比を、ＪＭは電気モータ８のロータの慣性モーメントを、ＪＢはボールねじシャフト９の慣性モーメントを、それぞれ表す。
なお、このステップＳ２１では、一計算ステップ前の内部慣性力演算部２４からの出力値Ｆｉ（ｎ−１）を記憶しておく。続いて、ステップＳ２２へ移行する。

ステップＳ２２では、内部慣性力演算部２４に入力された電磁アクチュエータ４の動作速度の絶対値|ｄｘ（ｎ）／ｄｔ|が所定値以上であるか否かの判定を行う。判定結果が、所定値以上であった場合にはステップＳ２３へ移行し、所定値未満であった場合にはステップＳ２４へ移行する。実施例１と同様に、電磁アクチュエータ４の動作速度の絶対値|ｄｘ（ｎ）／ｄｔ|が所定値未満であるということは、電磁アクチュエータ４のストローク方向が切り替わる可能性があるということを意味する。

電磁アクチュエータ４の動作速度の絶対値 |ｄｘ（ｎ）／ｄｔ| が所定値以上であると判定されると、ステップＳ２３で、電磁アクチュエータ４がガタの影響を受けない状態にあるとして、内部慣性力演算部２４の出力を、ステップＳ２１で求めた仮の内部慣性力の値ｆｉ（ｎ）そのままとし、次式により内部慣性力演算部２４の出力値を決定する。
Ｆｉ（ｎ）＝ｆｉ（ｎ）

一方、電磁アクチュエータ４の動作速度の絶対値 |ｄｘ（ｎ）／ｄｔ| が所定値未満であると判定されると、ステップＳ２４で、この未満状態が所定時間以上継続したか否かを判定する。この条件が満たされている（ＹＥＳ）と判定された場合は、電磁アクチュエータ４がストローク方向に切り替わる状態ではなく、ほぼ停止している状態であると判断されるので、ステップＳ２５へ移行する。上記条件が満たされていない（ＮＯ）と判定された場合は、電磁アクチュエータ４がストローク方向に切り替わる状態にあり、電磁アクチュエータ４のガタの影響を受ける可能性が高いと判断されるので、ステップＳ２６へ移行する。

上記条件が満たされている（ＹＥＳ）と判定された場合は、ステップＳ２５で、次式により内部慣性力演算部２４の出力値を決定する。
Ｆｉ（ｎ）＝０

上記条件が満たされていない（ＮＯ）と判定された場合は、ステップＳ２６で、次式により内部慣性力演算部２４の出力値を決定する。
Ｆｉ（ｎ）＝Ｆｉ（ｎ−１）
すなわち、一つ前の計算ステップにおける次式により内部慣性力演算部２４の出力値をホールドすることを表す。

上記ステップＳ２２〜Ｓ２６の処理により、内部慣性力演算部２４で演算した内部慣性力の演算値を、内部慣性力の変化率が所定値未満となるように抑制することになる。
なお、内部慣性力演算部２４およびそこで実行されるステップＳ２２〜ステップＳ２６の処理は、本発明のストローク方向切り替え検出手段および内部慣性力変化率抑制手段に相当する。

上記実施例３の電磁アクチュエータ装置では、慣性力を算出した後の値の急変を防ぐ処理を行うことで、実施例１と同様に、電磁アクチュエータ４の制御系の発散を防ぎつつ、かつ遅れのない発生力の補償が可能となる。

以上、本発明を上記実施例１〜実施例３に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られることはなく、本発明から逸脱することなく当業者がこれらの実施例を変更してもそれらは本発明に含まれる。

以上の実施例１〜実施例３では、電気モータ８のロータに、ロータリ・エンコーダ１８やタコジェネレータ１８ａを同軸上に取り付けて、電磁アクチュエータ４の動作速度や動作加速度を得る例を示してきたが、これ以外の構成を使用することが可能である。
たとえば、図９（ａ）に示すように、電気モータ８のボールねじシャフト９の円周上に加速度センサ９０１を設けて電磁アクチュエータ４の動作加速度を直接検出して、これを１階積分することで電磁アクチュエータ４の動作速度を得るようにしてもよい。この場合も、電磁アクチュエータ４の動作速度が所定値未満の状態が所定時間以上継続する場合に、内部慣性力の変化率が所定値未満となるように抑制することでガタの影響を防ぐようにする。

さらに、図９（ｂ）に示すように、車体１とロア・リンク３との間を直接結び、その間のストローク量を直接検出する、ポテンショメータのようなストローク・センサ９０２を設けるように構成してもよい。この場合、ボールねじ部分のガタの影響は排除できるものの、ストローク・センサ９０２取付け部分におけるガタが電磁アクチュエータ４の制御に影響を及ぼす。この場合、実施例１〜実施例３で示したのと同様の方法を用いることで、電磁アクチュエータ４の制御系の発散、遅れのない発生力の補償が可能となる。

また、図３、図７のフローチャートでは、加速度を求めた後に値をホールドしたり変化率リミッタを挿入したりしているが、これら以外にも速度地あるいは変位値の段階で値をホールドしたり変化率リミッタを設けたりしても、結果的には加速度の急変を抑制することができるので、そのような構成をとってもよい。

さらに、実施例１〜実施例３では、本発明の電磁アクチュエータ装置を車両用サスペンション装置に適用した例のみにつき説明してきたが、本発明の電磁アクチュエータ装置はこれに限られることなく、他の装置にも適用できる。たとえば、その中の一つとして、図１０に示すように、ロボット装置のアッパ・ロボット・アーム１０１とロア・ロボット・アーム１０２との間に電磁アクチュエータ４を取り付けてロボット・アームの駆動アクチュエータとしても利用できる。特に、壊れやすい物品を搬送するようなロボット装置にあっては、発生力をコントロールする際、本発明の内部慣性力補償方法が有効に働く。

本発明の実施例１の電磁アクチュエータ装置が適用された車両用サスペンション装置の正面図である。 実施例１での電磁アクチュエータの断面とこの電磁アクチュエータを制御する制御装置とを示す図である。 実施例１での電磁アクチュエータの制御装置を構成する速度−加速度検出部で実行するフローチャートを示す図である。 実施例１の電磁アクチュエータ装置を実験した際のそのストローク量、動作速度、動作加速度の測定結果を示す図である。 、実施例１の電磁アクチュエータ装置の制御装置をそれぞれ実験した際のストローク量に対する発生力との関係の測定結果を、アクチェータの電気モータに通電しない状態でその一端にサイン波の変位入力を付与した場合、ロー・パス・フィルタを用いて内部慣性力の補償を行った場合、実施例１での内部慣性力の補償を行った場合につき、それぞれ示す図である。 本発明の実施例２での電磁アクチュエータの断面とこの電磁アクチュエータを制御する制御装置とを示す図である。 実施例２の電磁アクチュエータ装置の制御装置を構成する加速度検出部で実行するフローチャートを示す図である。 実施例２の電磁アクチュエータ装置の制御装置を構成する内部慣性力演算部で実行するフローチャートを示す図である。 異なるセンサを用いた本発明の電磁アクチュエータ装置の変形例を示す図である。 本発明の電磁アクチュエータ装置をロボット装置に適用した場合を示す図である。

符号の説明

ＣＭ 制御装置（モータ制御手段）
１ 車体
２ アッパ・アーム
３ ロア・アーム
４ 電磁アクチェータ
６ 車輪
８ 電気モータ
８ａ 減速機
９ ボールねじシャフト
１０ ボールねじナット
１７ モータ制御部
２０ サスペンション減衰力目標生成部
２１ 速度−加速度検出部（速度−加速度検出手段）
２１ａ（加速度検出手段）
２２ 回転角−ストローク量変換部
２３ 補償演算部
２４ 内部慣性力演算部（内部慣性力演算手段）
２５ 減衰力マップ
２７ 電流制御回路
２８加算器
１０１ アッパ・ロボット・アーム
１０２ ロア・ロボット・アーム
９０１ 加速度センサ
９０２ ストローク・センサ

Claims (11)

1. 電気モータと、
   該電気モータを制御するモータ制御手段と、
   前記電気モータで動作する電磁アクチュエータと、
   前記電磁アクチュエータの動作加速度を検出する動作加速度検出手段と、
   該動作加速度検出手段により検出した動作加速度に基づき前記電磁アクチュエータの内部慣性力を演算する内部慣性力演算手段と、を備え、前記モータ制御手段が、外部から与えられるアクチュエータ出力指令値を前記内部慣性力に応じて補正した出力指令値に基づいて前記電気モータを制御する電磁アクチュエータ装置において、
   前記電磁アクチュエータのストローク方向の切り替え状態を検出するストローク方向切り替え検出手段と、
   該ストローク方向切り替え検出手段がストローク方向の切り替え状態を検出したとき、前記内部慣性力演算手段で演算した内部慣性力の演算値を、該演算値と過去の演算値との偏差を小さくするように補正する内部慣性力変化率抑制手段と、
   を備えたことを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
2. 請求項１に記載の電磁アクチュエータ装置において、
   前記電磁アクチュエータの動作速度を検出する動作速度検出手段を備え、
   前記ストローク方向切り替え検出手段は、前記動作速度検出手段により検出した動作速度が第1切り替え状態予想値未満である状態であると検出したとき、ストローク方向の切り替え状態であると判定することを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
3. 請求項１に記載の電磁アクチュエータ装置において、
   前記電磁アクチュエータの動作速度を検出する動作速度検出手段を備え、
   前記ストローク方向切り替え検出手段は、前記動作速度検出手段により検出した動作速度が第２切り替え状態予想値未満である状態を所定時間以上継続して検出したとき、前記ストローク方向の切り替え状態であると判定することを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ装置において、
   前記内部慣性力変化率抑制手段は、前記電磁アクチュエータの変位量、前記動作速度、前記動作加速度、前記内部慣性力演算手段で演算した内部慣性力のうちの一つを低減することを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
5. 電気モータと、
   該電気モータを制御するモータ制御手段と、
   前記電気モータで動作する電磁アクチュエータと、
   前記電磁アクチュエータの動作加速度を検出する動作加速度検出手段と、
   該動作加速度検出手段により検出した動作加速度に基づき前記電磁アクチュエータの内部慣性力を演算する内部慣性力演算手段と、を備え、前記モータ制御手段が、外部から与えられるアクチュエータ出力指令値を前記内部慣性力に応じて出力指令値に基づいて前記電気モータを制御する電磁アクチュエータ装置の制御方法において、
   前記電磁アクチュエータのストローク方向の切り替え状態を検出し、ストローク方向の切り替え状態を検出したとき、前記内部慣性力演算手段で演算した内部慣性力の演算値を、該演算値と過去の演算値との偏差を小さくするように補正することを特徴とする電磁アクチュエータ装置の制御方法。
6. 請求項５に記載の電磁アクチュエータ装置の制御方法において、
   前記電磁アクチュエータの動作速度を検出する動作速度検出手段を備え、
   前記動作速度検出手段により検出した動作速度が第１切り替え状態予想値未満である状態であると検出したとき、ストローク方向の切り替え状態であると判定することを特徴とする電磁アクチュエータ装置の制御方法。
7. 請求項５に記載の電磁アクチュエータ装置の制御方法において、
   前記電磁アクチュエータの動作速度を検出する動作速度検出手段を備え、
   前記動作速度検出手段により検出した動作速度が第２切り替え予想値未満である状態を所定時間以上継続して検出したとき、前記ストローク方向の切り替え状態であると判定することを特徴とする電磁アクチュエータ装置の制御方法。
8. 請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ装置において、
   前記電磁アクチュエータの変位量、前記動作速度、前記動作加速度、前記内部慣性力演算手段で演算した内部慣性力のうちの一つを低減することを特徴とする電磁アクチュエータ装置の制御方法。
9. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ装置において、
   前記内部慣性力変化率抑制手段は、前記ストローク方向切り替え検出手段がストローク方向の切り替え状態を検出したとき、前記内部慣性力演算手段で演算した内部慣性力の演算値を、該演算値と過去の演算値との偏差が零になるように補正することを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
10. 請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ装置の制御方法において、
    前記内部慣性力変化率抑制手段は、前記ストローク方向切り替え検出手段がストローク方向の切り替え状態を検出したとき、前記内部慣性力演算手段で演算した内部慣性力の演算値を、該演算値と過去の演算値との偏差が零になるように補正することを特徴とする電磁アクチュエータ装置の制御方法。
11. 請求項１ないし請求項４、または請求項９のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ装置を、ばね上とばね下との間に介裝したことを特徴とするサスペンション装置。

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