JP2016089961A - 電気静油圧アクチュエータおよび電気静油圧アクチュエータにおけるパラメータ推定方法 - Google Patents
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Description
本発明はこれらの問題を解決するアクチュエータを提供することを目的とするものである。
入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系と、
前記第1油圧装置を駆動し、当該第1油圧装置の第1速度を制御可能な駆動手段と、
前記第2油圧装置の第2速度を検出する手段と、
出力制御部と、
を備え、
前記出力制御部は、前記第2油圧装置の第2速度を入力として、前記第2油圧装置から出力される力の目標値を達成するように、前記駆動手段を介して前記第1油圧装置の第1速度を制御する、
電気静油圧アクチュエータ、である。
静油圧伝達系の出力側の動作は、典型的には、回転運動、直進運動であるが、これ以外の動作であってもよい。
1つの態様では、前記第1油圧装置は、油圧ポンプである。この場合、静油圧伝達系の入力は回転である。
1つの態様では、前記第2油圧装置は、油圧シリンダである。この場合、静油圧伝達系の出力として推力が得られる。
1つの態様では、前記第2油圧装置は、油圧モータである。この場合、静油圧伝達系の出力として出力トルクが得られる。
1つの態様では、前記駆動手段は、電動モータである。なお、駆動手段には、エンジン、その他の原動機が含まれる。
に基づいて、出力制御を行う、請求項1に記載の電気静油圧アクチュエータ。
ここで、
は、第1油圧装置の第1速度の目標値であり、
は、第2油圧装置の第2速度であり、
は、第2油圧装置から出力される力の目標値であり、
A、Bは、それぞれ既知の定数である。
K21は、第2油圧装置の差圧に対する第1油圧装置の第1速度の影響を示す定数、
K22は、第2油圧装置の差圧に対する第2油圧装置の第2速度の影響を示す定数、
である。
定数A(k22/k21)、B(1/k21)には、設計値や、同定実験を行うことで取得される値を用いることができる。
同定実験としては、後述するように代表例として最小二乗法を用いることができるが、取得方法は限定されず、最小二乗法以外の数値計算法や、機械学習、これらの組み合わせ等により推定することができる。
1つの態様では、前記駆動手段は、電動モータであり、
前記第1油圧装置の第1速度の速度制御は、前記電動モータの回転速度の制御によって行われる。
1つの態様では、前記出力制御部は、電圧制御により前記電動モータの回転速度を制御する。
1つの態様では、前記出力制御部は、電流制御により前記電動モータの回転速度を制御する。電流制御では直接には速度は制御できないが、フィードバックにより可能であり、このような速度制御も本発明の範囲に含まれる。
1つの態様では、前記電動モータの回転速度を検出する手段を備え、検出された電動モータの回転速度が前記出力制御部にフィードバックされる。
1つの態様では、前記第2油圧装置の差圧を検出する手段を備え、検出された差圧が前記出力制御部にフィードバックされる。
1つの態様では、前記第2油圧装置から出力される力を検出する手段を備え、検出された力が前記出力制御部にフィードバックされる。
1つの態様では、前記第2油圧装置の第2速度を検出する手段は、第2油圧装置の位置情報を検出する手段(エンコーダ)と、位置情報を微分して速度情報(及び加速度情報)を取得する手段(コントローラ)と、から構成されている。
入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系を備えた電気静油圧アクチュエータにおいて、
第1油圧装置の第1速度と、第2油圧装置の第2速度と、第2油圧装置から出力される力の関係を以下の式で規定し、
第2油圧装置の出力軸を固定し、第1油圧装置を駆動させて、第2油圧装置の第2速度=0の時に、第1油圧装置の第1速度と第2油圧装置から出力される力を記録し、記録された測定データと、以下の式
を用いて、第2油圧装置から出力される力に対する第1油圧装置の第1速度の影響を示すパラメータk21を推定する、パラメータ推定方法、及び、
入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系を備えた電気静油圧アクチュエータにおいて、
第1油圧装置の第1速度と、第2油圧装置の第2速度と、第2油圧装置から出力される力の関係を以下の式で規定し、
第1油圧装置の出力軸を固定し、第2油圧装置を外力で駆動させて、第1油圧装置の第1速度=0の時に、第2油圧装置の第2速度と第2油圧装置から出力される力を記録し、記録された測定データと、以下の式
を用いて、第2油圧装置から出力される力に対する第2油圧装置の第2速度の影響を示すパラメータk22を推定する、パラメータ推定方法、である。
1つの態様では、前記パラメータは、最小二乗法によって推定される。
電気静油圧アクチュエータ(EHA)はハイドロ・スタティック・トランスミッションを、サーボモータを駆動することで油圧モータやピストンを駆動する閉回路型油圧システムである。サーボ弁を用いた抵抗制御型の油圧システムに対してEHAは容積制御型油圧システムと呼ばれ、効率やバックドライバビリティが高い特徴がある。
図2〜図5は本実施形態の概念図である。図2に示すように、本実施形態に係る電気静油圧アクチュエータは、バックドラバブルなハイドロ・スタティック・トランスミッション(HST)1を備え、ハイドロ・スタティック・トランスミッション1は、入力側に第1油圧装置としての油圧モータ2を備え、出力側に第2油圧装置としての油圧シリンダ3(油圧モータであってもよい)を備えている。電気静油圧アクチュエータは、さらに、油圧モータ2を駆動するポンプ駆動モータ4、トランスミッション出力軸(油圧シリンダの出力軸30)の位置もしくは速度を検出するセンサ(エンコーダ)5と、出力軸30の速度信号を計算し、ポンプ駆動モータ4への印加電圧を制御するコントローラ(出力制御部)6を備えており、制御された力がリンクに伝達されるようになっている。言い換えると、図2に示す電気静油圧アクチュエータは、入力側の油圧ポンプ2の第1速度の入力を、出力側の油圧シリンダ3の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系と、油圧ポンプ2を駆動し、油圧ポンプ2の第1速度を制御可能なポンプ駆動モータ4と、油圧シリンダ3の第2速度を検出するセンサ5と、出力制御部6と、を備え、出力制御部6は、油圧シリンダ3の第2速度を入力として、油圧シリンダ3から出力される力の目標値を達成するように、ポンプ駆動モータ4を介して油圧ポンプ2の第1速度を制御する。すなわち、出力制御部は、第2油圧装置の速度を入力として、第2油圧装置から出力される力(出力トルクや推力)の目標値を達成するように、駆動手段(ポンプ駆動モータ)を介して第1油圧装置の速度を制御する。
本明細書における説明ないし図6〜図11に用いられる記号は以下の通りである。
油圧回路には必ず高圧側から低圧側に至る内部漏れが存在する。この内部漏れを許容したEHAは粘性を結合項として次式により与えられる運動方程式で表現される(非特許文献3参照)。
ただし、θiは位置、Jiは質量、τiは外力、kijは定数であり、添字i=1はポンプ、i=2は油圧アクチュエータ部を表すものとする。また、ここでは摩擦項は省略して考える。
EHAにおける力の制御は、τ2を希望の値にするようにτ1を制御することである。いま、
の場合を考えると、
となるため、
の関係が成立する。ポンプとシリンダを結ぶ管路の抵抗が無視できる場合はp1=p2であるので、k23/k13は減速比に相当する量である。さらに、この場合τi=ki3piであるので、(7)の第一項は0になる。(7)の関係を用いるとτ1の制御によりτ2を操作できる。実際にはτ1はモータの電流制御により実現される。
前述の力制御は、モータの電流制御を必要とするほか、実際にはトルク定数の誤差や油の粘度の変化などの要因によりτ2を(7)のみで制御することは難しい。本実施形態では、(2)の関係を陽に用いて力制御を行うことを考える。
いま、ある速度
で出力軸が移動しているとき、希望の圧力pd 2を実現する速度
は
で与えられる。
の制御則を次式で定義する。
ただし、C(s)はフィードバックゲインを表す演算子であり、C(s)=Kpならば比例制御、C(s)=Kp+Ki1/sならばPI制御である。
に追従するものとする。制御系のブロック線図を図11に示す。図11において、*は、パラメータの推定値である。
力制御を行う対象として小型直動EHAを用いた。本実施形態で扱う小型直動EHAの仕様を以下に示す。
の時の
と、p2を記録する。
の時の
と、p2を記録し、
の部分を抽出する。
の形になるため、最小二乗法を用いることでk2iを求めることができる。
(ア)電気静油圧アクチュエータの複雑な振る舞いを考慮せずに単純な制御側で安定した力制御を実現するために、電気静油圧アクチュエータの力制御をモータの速度制御により実現する制御則を提案した。本実験では力制御の根幹となる圧力制御を実装した。
(イ)電気静油圧アクチュエータのパラメータを推定する方法を提案し、k21、k22パラメータを最小二乗法により推定した。使用した小型直動電気静油圧アクチュエータではk12=442.2Pa・s/rad、k22=64.39×106Pa・s/mである。
(ウ)0MPaに追従するPI制御を行うことにより非制御時に比べ圧力変動が7.5%に改善した。このとき、出力軸に印加した速度外乱は非制御時には0.007495m/sであったのに比べ、制御時には0.012485m/sであったことを考えても高い圧力追従能力であることがわかる。
(エ)0.6MPaの一定値に追従する制御により、速度外乱0.009919m/sのときに追従誤差は0.051916MPaであった。
2 油圧モータ(第1油圧装置)
3 油圧シリンダ(第2油圧装置)
30 出力軸
4 ポンプ駆動モータ(駆動手段)
5 位置/速度検出センサ(エンコーダ)
6 コントローラ(出力制御部)
7 位置/速度検出センサ(エンコーダ)
8 圧力センサ
9 力センサ(ロードセル)
Claims (16)
- 入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系と、
前記第1油圧装置を駆動し、当該第1油圧装置の第1速度を制御可能な駆動手段と、
前記第2油圧装置の第2速度を検出する手段と、
出力制御部と、
を備え、
前記出力制御部は、前記第2油圧装置の第2速度を入力として、前記第2油圧装置から出力される力の目標値を達成するように、前記駆動手段を介して前記第1油圧装置の第1速度を制御する、
電気静油圧アクチュエータ。 - 前記出力制御部は、下記式
に基づいて、出力制御を行う、請求項1に記載の電気静油圧アクチュエータ。
ここで、
は、第1油圧装置の第1速度の目標値であり、
は、第2油圧装置の第2速度であり、
は、第2油圧装置から出力される力の目標値であり、
A、Bは、それぞれ既知の定数である。 - 前記駆動手段は、電動モータであり、
前記第1油圧装置の第1速度の速度制御は、前記電動モータの回転速度の制御によって行われる、
請求項1、2いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記出力制御部は、電圧制御により前記電動モータの回転速度を制御する、
請求項3に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記出力制御部は、電流制御により前記電動モータの回転速度を制御する、
請求項3に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記電動モータの回転速度を検出する手段を備え、
検出された電動モータの回転速度が前記出力制御部にフィードバックされる、
請求項3〜5いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記第2油圧装置から出力される力の目標値は、前記第2油圧装置の差圧の目標値である、
請求項1〜6いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記第2油圧装置の差圧を検出する手段を備え、
検出された差圧が前記出力制御部にフィードバックされる、
請求項7に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記第2油圧装置から出力される力を検出する手段を備え、
検出された力が前記出力制御部にフィードバックされる、
請求項1〜8いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記第2油圧装置の加速度を検出する手段を備え、
検出された加速度が前記出力制御部にフィードバックされる、
請求項1〜9いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記第1油圧装置は、油圧ポンプである、
請求項1〜10いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記第2油圧装置は、油圧シリンダである、
請求項1〜11いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 前記第2油圧装置は、油圧モータである、
請求項1〜11いずれか1項に記載の電気静油圧アクチュエータ。 - 入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系を備えた電気静油圧アクチュエータにおいて、
第1油圧装置の第1速度と、第2油圧装置の第2速度と、第2油圧装置から出力される力の関係を以下の式で規定し、
第2油圧装置の出力軸を固定し、第1油圧装置を駆動させて、第2油圧装置の第2速度=0の時に、第1油圧装置の第1速度と第2油圧装置から出力される力を記録し、記録された測定データと、以下の式
を用いて、第2油圧装置から出力される力に対する第1油圧装置の第1速度の影響を示すパラメータk21を推定する、パラメータ推定方法。 - 入力側の第1油圧装置の第1速度の入力を、出力側の第2油圧装置の第2速度の出力に変換する静油圧伝達系を備えた電気静油圧アクチュエータにおいて、
第1油圧装置の第1速度と、第2油圧装置の第2速度と、第2油圧装置から出力される力の関係を以下の式で規定し、
第1油圧装置の出力軸を固定し、第2油圧装置を外力で駆動させて、第1油圧装置の第1速度=0の時に、第2油圧装置の第2速度と第2油圧装置から出力される力を記録し、記録された測定データと、以下の式
を用いて、第2油圧装置から出力される力に対する第2油圧装置の第2速度の影響を示すパラメータk22を推定する、パラメータ推定方法。 - 前記パラメータは、最小二乗法によって推定される、請求項14、15いずれか1項に記載のパラメータ推定方法。
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