JP2022097864A - ドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のドッキング装置は、宇宙機の電源容量が小さい場合、リニアアクチュエータに充分な電力供給ができず、電源容量を増すための改修が必要であった。【解決手段】６軸のパラレルリンク機構５を備えたドッキング装置１におけるリニアアクチュエータ１０の電力制御装置であって、リンク４に生じた荷重に基づいてリニアアクチュエータ１０のモータＭの回転速度を制御するモータドライバ１１が、電流指令を出力する速度制御部３１と、電流指令を電圧指令に変換する電流制御部３２と、リニアアクチュエータ１０の１本あたりの消費電力がモータ動力用の電源容量の１／６以下となるように速度制御部３１の電流指令を制限する電流指令制限器３３とを備え、電源容量が小さい宇宙機に対しても、電源容量の改修を必要とせずにドッキング装置１を搭載可能にした。【選択図】図３

Description

本発明は、パラレルリンク機構を備えた宇宙機のドッキング装置において、パラレルリンク機構のリニアアクチュエータに供給する電力を制御するのに用いられる電力制御装置に関するものである。

従来において、ドッキング装置としては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。特許文献１に記載のドッキング装置は、宇宙機に搭載され、６軸のパラレルリンク機構を構成する６本のリニアアクチュエータの伸縮速度を制御することにより、他の宇宙機とのドッキング時において、宇宙機同士のミスアライメントの補正と慣性力の減衰を実現する。各リニアアクチュエータには、ナット及びリードねじで構成されたボールねじをモータで駆動する方式が用いられ、宇宙機に搭載した電源からドライバを介してモータに電力を供給する。

ＵＳ６３５４５４０Ｂ１

しかしながら、上記したような従来のドッキング装置は、宇宙機の電源容量が小さい場合、各リニアアクチュエータのモータに充分な電力を供給できないので、宇宙機への搭載が不可になる。このため、ドッキング装置は、宇宙機への搭載を可能にするには、電源容量を増すための改修が不可欠になり、その結果、宇宙機の製造コストが嵩むという問題点があった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、電源容量が小さい宇宙機に対しても、電源容量を増すための改修を必要とせずにドッキング装置を搭載することができるドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置を提供することを目的としている。

本発明に係わるドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置は、リニアアクチュエータにより伸縮駆動される６本のリンクを構成要素とする６軸のパラレルリンク機構を備えたドッキング装置において、各リンクのリニアアクチュエータに供給する電力を制御する装置である。この電力制御装置は、ドッキング時にリンクの軸線方向に生じた荷重に基づいてリニアアクチュエータの駆動源であるモータの回転速度を制御するモータドライバを有し、モータドライバが、モータの速度指令に基づいてモータに電流指令を出力する速度制御部と、速度制御部からの電流指令を電圧指令に変換する電流制御部とを備えると共に、速度制御部と電流制御部との間に、電流指令制限器を備え、電流指令制限器が、リニアアクチュエータ１本あたりの消費電力がモータ動力用の電源容量の１／６以下となるように電流指令を制限することを特徴としている。

本発明に係わるドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置は、上記構成を採用したことにより、電源容量が小さい宇宙機に対しても、電源容量を増すための改修を必要とせずにドッキング装置を搭載することができる。

ドッキング装置の一例を説明する斜視図である。 制御系全体を示すブロック図である。 モータドライバを説明するブロック図である。 電流指令制限器の特性テーブルを説明するグラフである。

図１は、本発明に係わるリニアアクチュエータの電力制御装置が適用可能なドッキング装置の一例を説明する図である。図示のドッキング装置１は、宇宙空間を慣性飛行する一方の宇宙機Ａに搭載され、同じく宇宙空間を慣性飛行する他方の宇宙機Ｂとの結合に用いられる。

上記のドッキング装置１は、一方の宇宙機Ａの結合部に配置したベースリング２と、他方の宇宙機Ｂに対してドッキング時に接触する捕獲リング３と、リニアアクチュエータ１０により伸縮する６本のリンク４により構成されて６自由度をもってベースリング２及び捕獲リング３を連結するパラレルリンク機構５と、各リンク４のリニアアクチュエータ１０を制御するための制御部６とを備えている。本発明に係わる電力制御装置は、制御部６の少なくとも一部である。

また、ドッキング装置１は、捕獲リング３上に、１２０度間隔で配置したガイド２０を備えている。これに対して、他方の宇宙機Ｂの結合部には、一方の宇宙機Ａと同様の捕獲リング３及びガイド２０が配置してある。

リニアアクチュエータ１０は、図示を省略するが、ナット及びリードねじで構成されたボールねじをモータで駆動する方式が用いられ、リンク４の軸線方向に生じた荷重を測定するためのロードセルや、モータの回転速度を測定するためのパルスエンコーダなどのセンサ類を備えている。

上記のドッキング装置１は、宇宙機同士の結合過程において、他方の宇宙機Ｂに捕獲リング３が接触した時点で、パラレルリンク機構５の各リンク４における荷重データ及び軸方向データを測定し、これらのデータに基づいて捕獲リング３の中心における荷重ベクトル及びトルクベクトルを算出し、これらのベクトルに基づいて各リニアアクチュエータ１０による各リンク４の伸縮動作を制御する。これにより、ドッキング装置１は、宇宙機間のミスアライメントを補正するように捕獲リング３の挙動をコントロールすると共に、各リンク４に生じる荷重が徐々に減少するようにリニアアクチュエータ１０の伸縮速度を調整して、他方の宇宙機Ｂが有する慣性力を減衰させる。

上記のドッキング装置におけるリニアアクチュエータ１０の電力制御装置は、各リンク４のリニアアクチュエータ１０に供給する電力を制御する装置であって、リニアアクチュエータ１０の制御系を、仮想コンプライアンス制御で構成する。仮想コンプライアンス制御は、周知のコンプライアンス制御と同様に、パラレルリンク機構５に作用する力・モーメントをロードセル等から検出して、仮想のばねマスダンパ系になるように、各リニアアクチュエータの動作速度を制御するものであり、衝撃がほとんど無いドッキングを実現し得る。

上記のリニアアクチュエータ１０の電力制御装置は、図２に示すように、各リンク４毎に設けたモータドライバ１１、モータＭ及びエンコーダ１２に対して、電源Ｅ、逆流防止用ダイオード１３、回生電力吸収回路１４、及び仮想コンプライアンス制御を行うための上位コントローラ１５を備えている。上位コントローラ１５は、ドッキング時にリンク４の軸線方向に生じた荷重を入力し、その荷重に基づいてモータドライバ１１に速度指令を出力する。そして、各リンク４におけるモータＭの回転速度を制御することにより、先述したミスアライメントの補正及び慣性力の減衰を実施するべく、リンク４の伸縮動作並びに捕獲リング３の挙動をコントロールする。

上記のモータドライバ１１は、図３に示すように、仮想コンプライアンス制御により得られたモータＭの速度指令に基づいて電流指令を出力する速度制御部３１と、速度制御部３１からの電流指令を電圧指令に変換する電流制御部３２とを備えると共に、速度制御部３１と電流制御部３２との間に、リニアアクチュエータ１０の１本あたりの消費電力が、モータＭの動力用に分配される電源容量の１／６以下となるように電流指令を制限する電流指令制限器３３を備えている。

なお、モータドライバ１１の上流電源は、モータＭの動力以外に、上位コントローラ１５や各モータドライバ１１の制御電源にも使用する。このため、電流指令制限器３３で制限の対象とする電源容量とは、上流電源からモータＭの動力用に分配される電源容量のことであり、宇宙機に搭載する主電源の総容量（宇宙機の電源容量）ではない。

速度制御部３１は、比例制御器３１Ａと、積分制御器３１Ｂと、入力側の第１及び第２の加減算器３１Ｃ，３１Ｄと、出力側の第３加減算器３１Ｅとを備えている。電流制御部３２は、電流制御器３２Ａと、入力側加減算器３２Ｂとを備えている。電流指令制限器３３は、速度制御部３１の第３加減算器３１Ｅから制限前電流指令を入力し、電流制御部３２の入力側加減算器３２Ｂに制限後電流指令を出力する。

また、モータドライバ１１は、電流制御部３２からモータＭに至る間に、電圧指令が入力されるＰＷＭ制御器３４、及びＨブリッジ回路３５を直列に備えている。さらに、モータドライバ１１は、モータＭの電流を検出するための電流検出器３６、モータＭの回転を検出するためのエンコーダ１２、エンコーダ１２の検出値からモータＭの回転速度を算出する速度演算器３７、及びアンチワインドアップ制御器３８を備えている。

電流検出器３６は、Ｈブリッジ回路３５とモータＭとの間に配置され、検出した電流値を電流制御部３２の入力側加減算器３２Ｂに入力する。速度演算器３７が算出したモータＭの回転速度は、速度制御部３１の第１加減算器３１Ｃ、及び電流指令制限器３３に入力される。

上記構成により、モータドライバ１１は、電流制御部３２の電流制御器３２Ａにおいて、制限後電流指令とモータＭの電流の差分をＰＩ演算等することで操作量を生成する。ＰＷＭ制御器３４は、電流制御器３２Ａから入力した操作量に基づいて、Ｈブリッジ回路３５に与える制御用ＰＷＭ 信号のデューティ比を決定し、モータＭに印加する電圧を制御する。

アンチワインドアップ制御器３８は、加減算器３８Ａを介して、上述した制限前電流指令及び制限後電流指令を入力し、制限前電流指令と制限後電流指令との差分値に比例ゲインを乗じて積分制御器３１Ｂの入力から減算する。これにより、アンチワインドアップ制御器３８は、積分制御器３１Ｂの積分値を適切に制限して、速度制御部３１の出力飽和によるアンチワインドアップ現象を抑制する。

ここで、電流指令制限器３３における電流指令の制限の仕方は、「電源Ｅの供給先であるモータドライバ１１の１個あたりの消費電力は、モータドライバ１１により駆動されるモータＭの動力（回転速度ω×トルクτ）と、損失（モータ抵抗とドライバ抵抗の和Ｒ×モータ電流ｉ^２）の和である」という関係に基づいている。

ここで、力行時のモータドライバ１１の１個の入力電圧をＰｄとし、モータＭの回転速度をω、トルクをτ、電流をｉ、トルク定数をｋｔとし、ドライバＦＥＴのオン抵抗とモータＭの巻線抵抗との合成抵抗をＲとすると、力行時には、以下の式１の関係がある。
Ｐｄ＝τ×ω＋Ｒ×ｉ^２ …式１
また、トルクτと電流ｉとの間には、τ＝ｋｔ×ｉの関係があるので、式１は以下の式２のように表すことができる。
Ｐｄ＝ω×ｋｔ×ｉ＋Ｒ×ｉ^２ …式２
そこで、電流指令制限器３３では、モータドライバ１１の入力電圧Ｐｄを電源Ｅの供給可能電力（電源容量）の１／６に設定し、実際にはモータＭの動力用に分配される電源容量の１／６以下になるように設定する。

上記の式２において、トルク定数ｋｔ及び合成抵抗Ｒは定数であり、上記入力電圧Ｐｄも一定値に設定されるので、回転速度ωが与えられると力行時の電流ｉが以下の式３により求められる。
ｉ＝{－ω×ｋｔ＋√（（ω×ｋｔ）^２＋４×Ｒ×Ｐｄ）}／（２×Ｒ） …式３

よって、電流指令制限器３３では、図４に特性を示すテーブル、すなわちモータＭの回転速度ωに対する電流ｉの制限値のテーブルを予め用意しておき、そのテーブルから現在のモータＭの回転速度ωに対する電流ｉの制限値を参照して電流制限をする。

図４において、力行は、リニアアクチュエータ１０が伸展又は収縮する方向にモータＭが回転駆動されている状態である。また、回生は、リニアアクチュエータ１０の伸展方向又は収縮方向に生じた荷重によりモータＭに回転が付与されている状態である。図４中の第一象限は、リニアアクチュエータ１０が伸展状態で力行の領域、第二象限は、リニアアクチュエータ１０が収縮状態で回生の領域である。また、図４中の第三象限は、リニアアクチュエータ１０が収縮状態で力行の領域、第四象限は、リニアアクチュエータ１０が伸展状態で回生の領域である。

上記の電流指令制限器３３において、力行領域の制限値は、モータドライバ１１の入力電力を一定とする制限値を示し、回生領域の制限値は、モータドライバ１１の保護又は荷重制限を目的とした制限値である。つまり、この実施形態の電流指令制限器３３は、モータＭを回転駆動する力行領域と、外部荷重によりモータＭが回転する回生領域とで、電流制限を変えている。なお、回生時は、宇宙機の電源からの電力供給が行われないので、電流制限を実施しなくて構わない。また、回生時の電流については、電源Ｅへの逆流を防止すると共に、図２に示す回生電力吸収回路１４に吸収させることが可能である。

上記の電流指令制限器３３は、モータＭの回転速度と速度制御部３１の出力である制限前電流指令とを入力し、その制限前電流指令が、モータＭの回転数において図４に示すテーブルで定めた制限後電流指令よりも大きいときに、制限前電流指令を制限後電流指令に制限して出力する。また、制限前電流指令が制限後電流指令よりも小さいときは、制限前電流指令をそのまま制限後電流指令として出力する。

また、電流指令制限器３３は、モータＭ及びモータドライバ１１の保護を目的とした制限値、又は荷重制限を目的とした制限値が、ω＝０であるときの式３により求められる制限値よりも大きい場合には、図４中に点線で示すように、力行領域の制限曲線を力行動作とは逆向きの回生領域まで延長して電流ｉの制限値を設定する。

より具体的には、リニアアクチュエータ１０が伸展方向に力行している場合（第一象限）には、その制限曲線を力行動作（伸展動作）とは逆向きである収縮方向の回生領域（第二象限）まで延長する。また、リニアアクチュエータ１０が収縮方向に力行している場合（第三象限）には、その制限曲線を力行動作（収縮動作）とは逆向きである伸展方向の回生領域（第四象限）まで延長する。これにより、電流ｉの制限値が段階的に大きく変化することによるトルク変動を防止することができる。

上記のドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置は、電流指令制限器３３において、リニアアクチュエータ１０の１本あたりの消費電力が、モータＭの動力用に分配される電源容量の１／６以下となるように電流指令を制限することにより、全てのリンク４のリニアアクチュエータ１０が力行動作をしても、それらの消費電力がモータ動力用の電源容量を超えることがない。

これにより、上記の電力制御装置は、電源容量が小さい宇宙機に対しても、電源容量を増すための改修を必要とせずにドッキング装置１を搭載することができ、宇宙機の製造コストの低減にも貢献することができる。

また、上記の電力制御装置は、アンチワインドアップ制御器３９を備えているので、速度制御部３１の出力飽和により発生するワインドアップ現象を防止することができ、さらに、電流指令制限器３３において、力行領域でのみ消費電力制限に基づいた電流制限を行い、回生領域では消費電力制限に基づいた電流制限を行わない場合には、回生領域では電流制限前におけるリニアアクチュエータ１０の特性を維持することができ、ドッキング装置として電流制限前と同等のミスアライメントの補正と慣性力の減衰を行うことができる。

本発明に係わるドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置は、その構成の細部が上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更することが可能である。

１ ドッキング装置
４ リンク
５ パラレルリンク機構
１０ リニアアクチュエータ
１１ モータドライバ
３１ 速度制御部
３２ 電流制御部
３３ 電流指令制限器
３８ アンチワインドアップ制御器
Ｅ 電源
Ｍ モータ

Claims (5)

1. リニアアクチュエータにより伸縮駆動される６本のリンクを構成要素とする６軸のパラレルリンク機構を備えたドッキング装置において、
   各リンクのリニアアクチュエータに供給する電力を制御する装置であって、
   ドッキング時にリンクの軸線方向に生じた荷重に基づいてリニアアクチュエータの駆動源であるモータの回転速度を制御するモータドライバを有し、
   モータドライバが、モータの速度指令に基づいてモータに電流指令を出力する速度制御部と、速度制御部からの電流指令を電圧指令に変換する電流制御部とを備えると共に、速度制御部と電流制御部との間に、電流指令制限器を備え、
   電流指令制限器が、リニアアクチュエータ１本あたりの消費電力がモータ動力用の電源容量の１／６以下となるように電流指令を制限することを特徴とするドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置。
2. モータドライバが、速度制御部における出力飽和を防止するアンチワインドアップ制御器を備えていることを特徴とする請求項１に記載のドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置。
3. 電流指令制限器が、モータの回転速度をω、モータのトルク定数をｋｔ、モータ抵抗とドライバ抵抗の和をＲ、及びモータの力行時のドライバ１個の入力電圧をＰｄとしたときに、モータの力行時の電流ｉを次式、
   ｉ＝{－ω×ｋｔ＋√（（ω×ｋｔ）^２＋４×Ｒ×Ｐｄ）}／（２×Ｒ）、
   で算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置。
4. 電流指令制限器が、モータの回転速度に対する電流の制限値のテーブルを有し、モータを回転駆動する力行領域と、外部荷重によりモータが回転する回生領域とで、電流の制限値を変えていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置。
5. 電流指令制限器は、モータ及びモータドライバの保護を目的とした制限値、又は荷重制限を目的とした制限値が、モータの回転速度が０であるときのテーブルにより求められる制限値よりも大きい場合、力行領域の制限曲線を力行動作とは逆向きの回生領域まで延長して電流の制限値を設定することを特徴とする請求項４に記載のドッキング装置におけるリニアアクチュエータの電力制御装置。

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