JP2016051401A

JP2016051401A - サーボアクチュエータの制御システム

Info

Publication number: JP2016051401A
Application number: JP2014177477A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　浩介; Kosuke Sato; 浩介佐藤; 真吾矢野; Shingo Yano; 基靖竹内; Motoyasu Takeuchi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; KYB Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; KYB Corp
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-04-11

Abstract

【課題】制御対象が低剛性負荷の場合であっても、サーボアクチュエータを高応答化できるサーボアクチュエータの制御システムを提供すること。
【解決手段】低剛性負荷１を駆動するアクチュエータ５と、アクチュエータ５を駆動する駆動部７と、駆動部７にアクチュエータ５を駆動するための制御信号を出力するコントローラ１０と、を備え、コントローラ１０は、指令信号と位置検出器５６からの出力信号との偏差を演算する減算器３１と、低剛性負荷１の共振周波数付近でゲインが低下する特性を有する動的補償器３４と、を備え、駆動部７は、減算器３１によって減算された偏差を前記特性にて処理した動的補償器３４の出力に基づいて演算される制御信号にて駆動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、サーボアクチュエータの制御システムに関するものである。

特許文献１には、バルブスプールを有した直接駆動型の電油圧サーボバルブと、バルブスプールの変位に応じて変位するピストンを有した油圧アクチュエータと、を備えるサーボ制御システムが開示されている。

特開２０００−１９４４２０号公報

特許文献１に記載のサーボ制御システムにおいて、制御対象が低剛性負荷の場合には、共振周波数付近でゲイン余裕が小さくなるため、油圧アクチュエータを高応答化できないという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、制御対象が低剛性負荷の場合であっても、サーボアクチュエータを高応答化できるサーボアクチュエータの制御システムを提供することを目的とする。

本発明は、ピストンロッドを有し、前記ピストンロッドで低剛性負荷を駆動する、又は、低剛性の基体に取り付けられて前記ピストンロッドで負荷を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動する駆動部と、前記駆動部に前記アクチュエータを駆動するための制御信号を出力するコントローラと、を備えるサーボアクチュエータの制御システムであって、前記コントローラは、前記ピストンロッドを変位させるための指令信号と前記ピストンロッドの変位に対応するフィードバック信号との偏差を演算する減算器と、前記低剛性負荷又は前記基体の共振周波数付近でゲインが低下する特性を有する動的補償器と、を備え、前記駆動部は、前記減算器によって減算された前記偏差を前記特性にて処理した前記動的補償器の出力に基づいて演算される前記制御信号にて駆動することを特徴とする。

本発明によれば、指令信号とアクチュエータのピストンロッドの変位に対応するフィードバック信号との偏差を処理する動的補償器を備え、その動的補償器は低剛性負荷の共振周波数付近でゲインが低下する特性を有するため、共振周波数付近でゲイン余裕を大きくすることができる。したがって、制御対象が低剛性負荷の場合であっても、サーボアクチュエータを高応答化できる。

本発明の実施形態に係るサーボアクチュエータの制御システムを示す構成図である。本発明の実施形態に係るサーボアクチュエータの制御システムを示すブロック図である。（Ａ）は本発明の実施形態に係るサーボアクチュエータの一巡伝達特性を示すボード線図（ゲイン線図）であり、実線が本実施形態の伝達特性、点線が比較例の伝達特性である。（Ｂ）は本発明の実施形態に係るサーボアクチュエータの一巡伝達特性を示すボード線図（位相線図）であり、実線が本実施形態の伝達特性、点線が比較例の伝達特性である。（Ａ）は動的補償器Ｈ_a（Ｓ）のゲイン特性図であり、（Ｂ）は動的補償器Ｈ_a（Ｓ）の位相特性図である。本発明の実施形態の変形例に係るサーボアクチュエータの制御システムを示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るサーボアクチュエータ１００の制御システムについて説明する。

まず、図１を参照して、サーボアクチュエータ１００の構成について説明する。

サーボアクチュエータ１００は、低剛性負荷の駆動を制御するものである。本実施形態では、低剛性負荷が航空機の舵面１である場合について説明する。舵面１は、機体２の姿勢を変化させるための可動部である。

サーボアクチュエータ１００は、基体としての機体２に取り付けられ舵面１を駆動するアクチュエータとしての油圧アクチュエータ５と、油圧アクチュエータ５に作動油（作動流体）を供給する流体圧供給源としての油圧ポンプ６と、油圧ポンプ６から油圧アクチュエータ５に対する作動油の給排を制御して油圧アクチュエータ５を駆動する駆動部としてのサーボバルブ７と、サーボバルブ７のスプール８を駆動するフォースモータ９と、サーボバルブ７のフォースモータ９に油圧アクチュエータ５を駆動するための制御信号を出力するコントローラ１０と、を備える。

油圧アクチュエータ５は、シリンダ５１と、シリンダ５１内に進退自在に挿入されたピストンロッド５２と、を備える両ロッドタイプのものである。シリンダ５１は、シリンダヘッド５３を介して機体２に固定される。ピストンロッド５２の一端は、シリンダヘッド５３に摺動自在に支持され、他端はシリンダ５１の外部へと延在し舵面１に連結される。シリンダ５１は、内部にピストンロッド５２によって区画された２つの油室５４，５５を有する。

サーボバルブ７のスプール８は、一端にフォースモータ９が設けられ、他端にスプリング１２が設けられる。スプール８は、コントローラ１０からフォースモータ９の電磁コイル１１に制御信号としての駆動電流ｉ_vが供給されることによって駆動力が付与され、スプリング１２の付勢力に抗して移動する。

サーボバルブ７は、油圧ポンプ６に連通するポンプポート７１と、タンク４に連通するタンクポート７２ａ，７２ｂと、を有する。スプール８の変位に応じて、ポンプポート７１と油室５４が連通すると共に、タンクポート７２ａと油室５５が連通した場合には（図１に示す状態）、油圧ポンプ６から油室５４に流量ｑ₁の作動油が供給され、油圧アクチュエータ５のピストンロッド５２は油室５４が拡張する方向（図１中右方向）に変位する。一方、スプール８を図１に示す状態からさらに右方向に移動させることで、ポンプポート７１と油室５５が連通すると共に、タンクポート７２ｂと油室５４が連通する。これにより、油圧ポンプ６から油室５５に流量ｑ₂の作動油が供給され、油圧アクチュエータ５のピストンロッド５２は油室５５が拡張する方向（図１中左方向）に変位する。このように、油圧アクチュエータ５は、前記サーボバルブ７のスプール８の変位に応じて２つの油室５４，５５の一方に作動油が供給されることによって変位する。

サーボバルブ７には、スプール８の変位を検出する位置検出器７３が設けられる。位置検出器７３によって検出されたスプール８の変位Ｘ_vはコントローラ１０に入力される。また、油圧アクチュエータ５には、ピストンロッド５２の変位を検出する位置検出器５６が設けられる。位置検出器５６によって検出されたピストンロッド５２の変位Ｘ_aはコントローラ１０に入力される。

図１において、符号２１は舵面１の等価質量であり、符号２２は舵面１の等価剛性を示すバネである。舵面１は軽量化に伴い剛性が低く形成される。バネ２２は舵面の剛性を疑似的に示すものである。また、舵面１は連結部材としてのヒンジを介して機体２に連結されるため、駆動の際に摩擦が発生する。その摩擦を疑似的に示すものが符号２３で示すダンパである。

次に、図２を参照して、コントローラ１０について説明する。

コントローラ１０は、機体２の操縦系統用の上位コントローラから出力される指令信号ｒと油圧アクチュエータ５のピストンロッド５２の変位Ｘ_aに対応するフィードバック信号である位置検出器５６からの出力信号との偏差ｅを演算する第１減算器３１と、第１減算器３１から出力された出力信号に基づく信号とサーボバルブ７のスプール８の変位Ｘ_vに対応するフィードバック信号である位置検出器７３からの出力信号との偏差を演算する第２減算器３２と、を備える。コントローラ１０は、第１減算器３１にて演算された偏差ｅがゼロとなるように、サーボバルブ７に設けられる電磁コイル１１に出力する駆動電流ｉ_vを制御する。

第１減算器３１と第２減算器３２の間、つまり、第１減算器３１の後段には、乗算器３３と動的補償器３４が直列に設けられる。乗算器３３では、第１減算器３１にて演算された偏差ｅに予め設定された定数Ｋａが乗算される。このように、第２減算器３２は、動的補償器３４から出力された出力信号とサーボバルブ７のスプール８の変位に対応するフィードバック信号との偏差を演算するものである。動的補償器３４については後に詳述する。

第２減算器３２の後段には、乗算器３５、補償器３６、及び電流アンプ３７が直列に設けられる。乗算器３５では、第２減算器３２にて演算された偏差に予め設定された定数Ｋ_vが乗算される。補償器３６は、サーボバルブ７の制御性の改善を図るものである。電流アンプ３７は、補償器３６からの出力信号に基づき、電磁コイル１１に供給する駆動電流ｉ_vを調整する。

次に、図３〜４を参照して、動的補償器３４について説明する。

サーボアクチュエータ１００の一巡伝達特性は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すボード線図のように表わされる。図３（Ａ）はゲイン特性図であり、横軸が周波数、縦軸がゲインである。図３（Ｂ）は位相特性図であり、横軸が周波数、縦軸が位相である。また、図３（Ａ）及び（Ｂ）において、実線は本実施形態のサーボアクチュエータ１００のボード線図であり、点線は動的補償器３４を備えない比較例のボード線図である。

サーボアクチュエータ１００の高応答化のために、制御帯域を高い周波数まで上げたいという市場の要求がある。一方、近年、航空機の機体２の軽量化が進み、制御対象である舵面１が低剛性となっている。制御対象が低剛性負荷の場合には、共振周波数ｆｎが低下して制御帯域に近づくため、図３（Ａ）の比較例に示すように共振周波数ｆｎ付近でゲイン余裕ＧＭｅ（図３（Ｂ）の位相線図において位相−１８０°のときのゲイン）が小さくなり、サーボアクチュエータ１００の作動が振動的になって不安定になる傾向がある。このため、制御対象が低剛性負荷の場合には、制御帯域を高い周波数まで上げ難いという問題がある。なお、本実施形態の制御対象である低剛性負荷は、共振周波数ｆｎが制御帯域に近いものであり、例えば、制御帯域の上限周波数ｆｍと共振周波数ｆｎの比（ｆｎ／ｆｍ）が１０以内のものである。

本実施形態では、第１減算器３１の後段に、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように舵面１の共振周波数ｆｎ付近でゲインが低下する特性を有する動的補償器３４が設けられる。なお、図４（Ａ）の横軸は周波数、縦軸はゲインである。図４（Ｂ）の横軸は周波数、縦軸は位相である。このような特性を有する動的補償器３４によって第１減算器３１にて減算された偏差を処理することによって、図３（Ａ）に示すように共振周波数ｆｎ付近でゲイン余裕ＧＭを大きくすることができる。したがって、その分、制御帯域を高い周波数まで上げることが可能となる。つまり、制御帯域の上限周波数ｆｍを大きくすることが可能となる。これにより、サーボアクチュエータを高応答化できる。

例えば、動的補償器３４はノッチフィルタで構成され、その伝達関数Ｈ_a（ｓ）は次式（１）にて表わされる。

ｓ：ラプラス演算子
ω_n：固有周波数
ζ_n：減衰係数

動的補償器３４の特性は、ω_nによってゲイン極小点の周波数が低剛性負荷の共振周波数ｆｎ付近になるように設定され、ζ_nによってゲインの低下度合が設定される。つまり、ω_nとζ_nを設定することによって、動的補償器３４の特性は、舵面１の共振周波数ｆｎ付近でゲインが低下するように調整される。なお、ω_nの単位はｒａｄ／ｓであり、ω_n／２πの単位はＨｚとなる。

以上に示す実施形態によれば以下に示す効果を奏する。

第１減算器３１の後段に、舵面１の共振周波数ｆｎ付近でゲインが低下する特性を有する動的補償器３４が設けられるため、共振周波数ｆｎ付近でゲイン余裕ＧＭを大きくすることができる。したがって、制御対象が低剛性負荷の場合であっても、サーボアクチュエータ１００を高応答化できる。

次に、図５を参照して、本実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態では、油圧アクチュエータ５によって低剛性負荷である舵面１を駆動する場合について説明した。しかし、図５に示すように、低剛性の機体３に油圧アクチュエータ５が取り付けられ、その油圧アクチュエータ５によって舵面１を駆動する構成であってもよい。近年、航空機の機体３の軽量化が進んでいる結果として、機体３自体が低剛性となっている。図５に示すバネ２４は、機体３に対する油圧アクチュエータ５の取付剛性を疑似的に示すものである。低剛性の機体３に舵面１を駆動する油圧アクチュエータ５が取り付けられる場合であっても、上記実施形態と同様の問題点が発生し、その問題点は動的補償器３４を設けることによって解決される。本変形例の場合には、動的補償器３４は、基体３の共振周波数ｆｎ付近でゲインが低下する特性を有するように構成される。

なお、本変形例では、油圧アクチュエータ５によって駆動される舵面１は、図５に示すように低剛性負荷であってもよいし、低剛性負荷でなくてもよい。

本発明では、上記実施形態に示すように、油圧アクチュエータ５が低剛性負荷を駆動する構成か、又は、上記変形例に示すように、油圧アクチュエータ５が低剛性の基体に取り付けられて負荷を駆動する構成が前提となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、アクチュエータが油圧アクチュエータ５である場合について説明した。これに代わり、アクチュエータを電動アクチュエータにて構成するようにしてもよい。電動アクチュエータは、駆動部としての電動モータを有し、コントローラ１０から電動モータに出力される制御信号によって駆動する。

また、サーボバルブ７は、動的補償器３４の出力に基づいて演算される制御信号に応じて駆動するものであり、動的補償器３４と電流アンプ３７の間に設けられる第２減算器３２、乗算器３５、及び補償器３６は本発明の必須の構成ではない。

１００サーボアクチュエータ
１舵面（低剛性負荷）
２機体
３低剛性の機体（基体）
５油圧アクチュエータ（流体圧アクチュエータ）
７サーボバルブ
８スプール
９フォースモータ（駆動部）
１０コントローラ
３１第１減算器
３４動的補償器
５２ピストンロッド
５６ピストンロッド５２の位置検出器
７３スプール８の位置検出器

Claims

ピストンロッドを有し、前記ピストンロッドで低剛性負荷を駆動する、又は、低剛性の基体に取り付けられて前記ピストンロッドで負荷を駆動するアクチュエータと、
前記アクチュエータを駆動する駆動部と、
前記駆動部に前記アクチュエータを駆動するための制御信号を出力するコントローラと、
を備えるサーボアクチュエータの制御システムであって、
前記コントローラは、
前記ピストンロッドを変位させるための指令信号と前記ピストンロッドの変位に対応するフィードバック信号との偏差を演算する減算器と、
前記低剛性負荷又は前記基体の共振周波数付近でゲインが低下する特性を有する動的補償器と、を備え、
前記駆動部は、前記減算器によって減算された前記偏差を前記特性にて処理した前記動的補償器の出力に基づいて演算される前記制御信号にて駆動することを特徴とするサーボアクチュエータの制御システム。
前記動的補償器の伝達関数Ｈ_a（ｓ）は次式（１）にて表わされ、前記動的補償器の特性は、ω_nによってゲイン極小点の周波数が前記低剛性負荷又は前記基体の共振周波数付近になるように設定され、ζ_nによってゲインの低下度合が設定されることを特徴とする請求項１に記載のサーボアクチュエータの制御システム。

ｓ：ラプラス演算子
ω_n：固有周波数
ζ_n：減衰係数
前記駆動部は、前記制御信号に応じて駆動して前記アクチュエータに対する作動流体の給排を制御するサーボバルブであり、
前記アクチュエータは、前記ピストンロッドによって区画された２つの流体圧室を有し、前記サーボバルブのスプールの変位に応じて２つの前記流体圧室の一方に作動流体が供給されることによって変位する流体圧アクチュエータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のサーボアクチュエータの制御システム。
前記動的補償器から出力された出力信号と前記サーボバルブの前記スプールの変位に対応するフィードバック信号との偏差を演算する第２減算器をさらに備え、
前記サーボバルブは、前記第２減算器の出力に基づいて演算される前記制御信号にて駆動することを特徴とする請求項３に記載のサーボアクチュエータの制御システム。
前記アクチュエータは、前記駆動部としての電動モータを有する電動アクチュエータであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のサーボアクチュエータの制御システム。