JP2024047362A - Cylinder Unit - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、第1可変絞り弁或いは第2可変絞り弁の絞り係数が変化しても目標推力に対する追従性能の悪化を抑制できるシリンダ装置の提供を目的とする。【解決手段】本発明のシリンダ装置Aは、シリンダ2と、シリンダ2内に移動自在に挿入されてシリンダ2内を二つの作動室R1,R2に区画するピストン3と、互いに並列して作動室R1,R2同士を連通する第1流路4と第2流路5と、第1流路4に設けられた第1可変絞り弁6と、第2流路5に直列に設けられる第2可変絞り弁7およびモータ8によって駆動される双方向吐出型のポンプ9とを有する液圧シリンダ1と、第1可変絞り弁6、第2可変絞り弁7およびモータ8を制御するコントローラ11とを備え、PID制御部21と、比例ゲインを補正する比例ゲイン補正部24と、微分ゲインを補正する微分ゲイン補正部25とを備える。【選択図】図7[Problem] The present invention aims to provide a cylinder device that can suppress deterioration of the tracking performance for a target thrust even if the throttle coefficient of the first variable throttle valve or the second variable throttle valve changes. [Solution] The cylinder device A of the present invention includes a hydraulic cylinder 1 having a cylinder 2, a piston 3 that is movably inserted into the cylinder 2 and divides the inside of the cylinder 2 into two working chambers R1 and R2, a first flow path 4 and a second flow path 5 that are parallel to each other and communicate the working chambers R1 and R2, a first variable throttle valve 6 provided in the first flow path 4, a second variable throttle valve 7 provided in series in the second flow path 5, and a bidirectional discharge type pump 9 driven by a motor 8, a controller 11 that controls the first variable throttle valve 6, the second variable throttle valve 7, and the motor 8, a PID control unit 21, a proportional gain correction unit 24 that corrects the proportional gain, and a differential gain correction unit 25 that corrects the differential gain. [Selected Figure] Figure 7
Description
本発明は、シリンダ装置に関する。 The present invention relates to a cylinder device.
従来のシリンダ装置としては、たとえば、車両の車体と車軸との間に介装されるアクティブサスペンション等に適用され、具体的には、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの作動室に区画するピストンと、ピストンに連結されるロッドと、並列して二つの作動室を連通する第1流路および第2流路と、第1流路に設けられた第1可変絞り弁と、第2流路に直列に設けられた第2可変絞り弁および双方向吐出型のポンプと、ポンプを駆動するモータとを有する油圧シリンダと、第1可変絞り弁、第2可変絞り弁およびモータを制御する制御装置とを備えて構成されている(たとえば、特許文献1参照)。 A conventional cylinder device is, for example, applied to an active suspension interposed between the body and axle of a vehicle, and is specifically configured to include a cylinder, a piston movably inserted into the cylinder to divide the inside of the cylinder into two working chambers, a rod connected to the piston, a first flow path and a second flow path that communicate the two working chambers in parallel, a first variable throttle valve provided in the first flow path, a second variable throttle valve and a bidirectional discharge pump provided in series in the second flow path, a hydraulic cylinder having a motor that drives the pump, and a control device that controls the first variable throttle valve, the second variable throttle valve, and the motor (for example, see Patent Document 1).
そして、従来のシリンダ装置は、アクティブサスペンションとして使用される場合、シリンダが車体と車軸の一方に連結されるとともに、ロッドが車体と車軸の他方に連結され、ポンプをモータによって駆動することによって推力を発生して、車体の振動を抑制できる。 When a conventional cylinder device is used as an active suspension, the cylinder is connected to one of the vehicle body and the axle, and the rod is connected to the other of the vehicle body and the axle. The pump is driven by a motor to generate thrust, thereby suppressing vibration of the vehicle body.
さらに、従来のシリンダ装置では、油圧シリンダが外力によって強制的に伸縮させられる場合、第2流路を流れる作動油によってポンプが回転させられるため、モータが制動領域で使用されて発電して回生電力が発生する。このようにモータが制動領域で使用される場合、モータが発生するトルクによってポンプが作動油の流れに抵抗を与える。そのため、油圧シリンダは、外力による油圧シリンダの伸縮を妨げる推力が発生する。 Furthermore, in conventional cylinder devices, when the hydraulic cylinder is forcibly extended or retracted by an external force, the hydraulic oil flowing through the second flow path rotates the pump, and the motor is used in the braking range to generate electricity and generate regenerative power. When the motor is used in the braking range in this way, the torque generated by the motor causes the pump to provide resistance to the flow of hydraulic oil. As a result, the hydraulic cylinder generates thrust that prevents the hydraulic cylinder from being extended or retracted by external forces.
従来のシリンダ装置では、第1可変絞り弁の絞り係数と第2可変絞り弁の絞り係数の調整によって、ポンプを通過する作動油量の調整とモータが負担するトルクを調整できる。なお、絞り係数は、単位時間当たり流量を圧力で割った値であり、絞り係数を小さくすれば可変絞り弁における抵抗が大きくなることを示している。 In conventional cylinder devices, the amount of hydraulic oil passing through the pump and the torque borne by the motor can be adjusted by adjusting the throttling coefficient of the first variable throttle valve and the throttling coefficient of the second variable throttle valve. Note that the throttling coefficient is the flow rate per unit time divided by the pressure, and a smaller throttling coefficient indicates that the resistance in the variable throttle valve increases.
モータが制動状態にある場合、モータのトルクを縦軸に採り、モータの回転速度を横軸に採ったグラフ上で、原点を通ってモータを短絡した際のトルクと回転速度との関係を示す短絡曲線に接する直線の傾きの2分の1の傾きを持つ直線(回生効率最大直線)上に、モータが出力しているトルクとモータの回転速度との交点(モータの動作点)があると回生効率が最大となる。 When the motor is in a braking state, on a graph with motor torque on the vertical axis and motor rotation speed on the horizontal axis, the regenerative efficiency is maximized when the intersection of the torque output by the motor and the motor rotation speed (motor operating point) falls on a line (maximum regenerative efficiency line) that passes through the origin and has a slope half that of the line tangent to the short-circuit curve that shows the relationship between torque and rotation speed when the motor is short-circuited.
よって、従来のシリンダ装置では、モータが制動状態にある場合、モータが出力しているトルクとモータの回転速度との交点が回生効率最大直線上に配置されるように、第1可変絞り弁における絞り係数と第2可変絞り弁における絞り係数とを調整している。 Therefore, in conventional cylinder devices, when the motor is in a braking state, the throttling coefficient of the first variable throttle valve and the throttling coefficient of the second variable throttle valve are adjusted so that the intersection of the torque output by the motor and the rotational speed of the motor is located on the line that maximizes regenerative efficiency.
このように従来のシリンダ装置では、モータが制動状態にある場合にモータの回生効率を最大とすることを狙ってモータの動作点を回生効率最大直線上に配置するように第1可変絞り弁と第2可変絞り弁との絞り係数を制御するが、第1可変絞り弁と第2可変絞り弁との絞り係数を変化させると、シリンダ装置の特性が変化するためにシリンダ装置の目標推力に対するシリンダ装置の実推力の追従性能が悪化してしまう。 In this way, in conventional cylinder devices, the throttling coefficients of the first and second variable throttle valves are controlled to position the motor's operating point on the line of maximum regenerative efficiency when the motor is in a braking state, aiming to maximize the regenerative efficiency of the motor. However, changing the throttling coefficients of the first and second variable throttle valves changes the characteristics of the cylinder device, resulting in a deterioration in the ability of the cylinder device's actual thrust to track the target thrust of the cylinder device.
そこで、本発明は、第1可変絞り弁或いは第2可変絞り弁の絞り係数が変化しても目標推力に対する追従性能の悪化を抑制できるシリンダ装置の提供を目的とする。 The present invention aims to provide a cylinder device that can suppress deterioration of the tracking performance for the target thrust even if the throttling coefficient of the first variable throttle valve or the second variable throttle valve changes.
上記目的を達成するために、本発明の課題解決手段におけるシリンダ装置は、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内を二つの作動室に区画するピストンと、互いに並列して作動室同士を連通する第1流路と第2流路と、第1流路に設けられた第1可変絞り弁と、第2流路に直列に設けられる第2可変絞り弁およびモータによって駆動される双方向吐出型のポンプとを有する液圧シリンダと、第1可変絞り弁、第2可変絞り弁およびモータを制御するコントローラとを備え、コントローラは、液圧シリンダの目標推力をPID補償してモータへ与える電流指令を生成するPID制御部と、PID制御部の比例ゲインを補正する比例ゲイン補正部と、PID制御部の微分ゲインを補正する微分ゲイン補正部とを有し、比例ゲイン補正部と微分ゲイン補正部は、第1可変絞り弁の絞り係数と第2可変絞り弁の絞り係数とに基づいてそれぞれ比例ゲインと微分ゲインを補正する。 In order to achieve the above object, the cylinder device in the problem-solving means of the present invention includes a hydraulic cylinder having a cylinder, a piston movably inserted into the cylinder to divide the inside of the cylinder into two working chambers, a first flow path and a second flow path that are parallel to each other and communicate the working chambers, a first variable throttle valve provided in the first flow path, a second variable throttle valve provided in series in the second flow path, and a bidirectional discharge pump driven by a motor, and a controller that controls the first variable throttle valve, the second variable throttle valve, and the motor, and the controller has a PID control unit that performs PID compensation on the target thrust of the hydraulic cylinder to generate a current command to be applied to the motor, a proportional gain correction unit that corrects the proportional gain of the PID control unit, and a differential gain correction unit that corrects the differential gain of the PID control unit, and the proportional gain correction unit and the differential gain correction unit correct the proportional gain and the differential gain based on the throttle coefficient of the first variable throttle valve and the throttle coefficient of the second variable throttle valve, respectively.
このように構成されたシリンダ装置よれば、第1可変絞り弁の絞り係数および第2可変絞り弁の絞り係数が変化しても、PID制御部で使用する比例ゲインと微分ゲインとがその時の第1可変絞り弁の絞り係数および第2可変絞り弁の絞り係数に最適化される。 With a cylinder device configured in this manner, even if the throttling coefficient of the first variable throttle valve and the throttling coefficient of the second variable throttle valve change, the proportional gain and differential gain used in the PID control unit are optimized to the throttling coefficient of the first variable throttle valve and the throttling coefficient of the second variable throttle valve at that time.
また、シリンダ装置におけるコントローラは、PID制御部の積分ゲインを液圧シリンダ内の液体の体積弾性係数に基づいて補正する積分ゲイン補正部を備えてもよい。このように構成されたシリンダ装置によれば、液体の体積弾性係数が変化してシリンダ装置の特性が変化しても、目標推力に対する液圧シリンダの実推力の追従性の悪化を抑制できる。 The controller in the cylinder device may also include an integral gain correction unit that corrects the integral gain of the PID control unit based on the bulk modulus of the liquid in the hydraulic cylinder. With a cylinder device configured in this way, even if the bulk modulus of the liquid changes and the characteristics of the cylinder device change, it is possible to suppress deterioration in the ability of the actual thrust of the hydraulic cylinder to follow the target thrust.
さらに、シリンダ装置におけるコントローラは、比例ゲイン補正部が補正した比例ゲインの変化を緩和する比例ゲイン処理部と、微分ゲイン補正部が補正した微分ゲインの変化を緩和する微分ゲイン処理部とを有し、PID制御部は、比例ゲイン処理部で処理した比例ゲインと、微分ゲイン処理部で処理した微分ゲインとを用いて電流指令を生成してもよい。このように構成されたシリンダ装置によれば、第1可変絞り弁の絞り係数と第2可変絞り弁の絞り係数とが変化して比例ゲインと微分ゲインとが補正されても、PID制御部で使用する比例ゲインの値と微分ゲインの値とが急変するのが緩和されて、PID制御部が出力する電流指令の急変も緩和されるので、液圧シリンダの推力の急変も緩和できる。 Furthermore, the controller in the cylinder device may have a proportional gain processing section that mitigates the change in the proportional gain corrected by the proportional gain correction section, and a differential gain processing section that mitigates the change in the differential gain corrected by the differential gain correction section, and the PID control section may generate a current command using the proportional gain processed by the proportional gain processing section and the differential gain processed by the differential gain processing section. According to the cylinder device configured in this manner, even if the throttling coefficient of the first variable throttle valve and the throttling coefficient of the second variable throttle valve change and the proportional gain and the differential gain are corrected, the sudden change in the proportional gain value and the differential gain value used in the PID control section is mitigated, and the sudden change in the current command output by the PID control section is also mitigated, so that the sudden change in the thrust of the hydraulic cylinder can also be mitigated.
さらに、シリンダ装置におけるコントローラは、目標推力の入力を受けてフィードフォワード制御によってPID制御部が求める電流指令に加算する加算電流指令を求めるフィードフォワード制御部を備え、PID制御部が求めた電流指令とフィードフォワード制御部が求めた加算電流指令とを加算してモータに供給するべき目標電流を指示する最終電流指令を生成してもよい。このように構成されたシリンダ装置によれば、液圧シリンダの実推力をフィードバックしないフィードフォワード制御部が推力指令に対して液圧シリンダの応答遅れを考慮していち早く液圧シリンダの推力が推力指令に追従するような加算電流指令を求め、PID制御部の電流指令に加算電流指令を加算して最終電流指令を生成するので、目標推力に対する液圧シリンダの追従性に影響を与えずに目標推力に対する応答性を向上させ得る。 Furthermore, the controller in the cylinder device may include a feedforward control unit that receives the input of the target thrust and determines an additional current command to be added to the current command determined by the PID control unit through feedforward control, and may generate a final current command that indicates the target current to be supplied to the motor by adding the current command determined by the PID control unit and the additional current command determined by the feedforward control unit. With a cylinder device configured in this way, the feedforward control unit, which does not feed back the actual thrust of the hydraulic cylinder, determines an additional current command that allows the thrust of the hydraulic cylinder to quickly follow the thrust command, taking into account the response delay of the hydraulic cylinder to the thrust command, and adds the additional current command to the current command of the PID control unit to generate the final current command, thereby improving the responsiveness to the target thrust without affecting the ability of the hydraulic cylinder to follow the target thrust.
以上より、本発明のシリンダ装置によれば、第1可変絞り弁或いは第2可変絞り弁の絞り係数が変化しても目標推力に対する追従性能の悪化を抑制できる。 As described above, the cylinder device of the present invention can suppress deterioration of the tracking performance for the target thrust even if the throttling coefficient of the first variable throttle valve or the second variable throttle valve changes.
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態におけるシリンダ装置Aは、図1に示すように、液圧シリンダ1と、コントローラ11とを備えて構成されている。
The present invention will be described below based on the embodiment shown in the figures. As shown in FIG. 1, the cylinder device A in one embodiment is configured with a
以下、シリンダ装置Aの各部について詳細に説明する。液圧シリンダ1は、図1に示すように、シリンダ2と、シリンダ2内に移動自在に挿入されてシリンダ2内を二つの作動室R1,R2に区画するピストン3と、互いに並列して作動室R1,R2同士を連通する第1流路4と第2流路5と、第1流路4の途中に設けられた第1可変絞り弁6と、第2流路5の途中に直列に設けられる第2可変絞り弁7およびモータ8によって駆動される双方向吐出型のポンプ9とを備えて構成され、シリンダ2内には液体が充填され密閉されている。また、ピストン3はシリンダ2内に移動自在に挿通されるロッド10に連結されており、この液圧シリンダ1の場合、シリンダ2の両端からロッド10が突出する、いわゆる、両ロッド型のシリンダ装置とされている。
Each part of the cylinder device A will be described in detail below. As shown in FIG. 1, the
そして、液圧シリンダ1を車両に適用する場合、シリンダ2を車両のばね上部材およびばね下部材のうち一方に連結し、ロッド10をばね上部材およびばね下部材のうち他方に連結して、ばね上部材とばね下部材との間に介装すればよい。液圧シリンダ1は、車両に適用されて使用される場合、発揮する推力によってばね上部材である車両の車体とばね下部材である車両の車輪の振動を抑制する。
なお、本書では、ロッド10がピストン3とともにシリンダ2に対して図1中上方へ移動する場合に液圧シリンダ1が伸長作動すると言い、反対に、ロッド10がピストン3とともにシリンダ2に対して図1中下方へ移動する場合に液圧シリンダ1が収縮作動すると言う。なお、液圧シリンダ1は、図示したところでは、両ロッド型に設定されているが、片ロッド型に設定されてもよい。
When the
In this specification, the
シリンダ2内は、前述したようにピストン3によって図1中上方の伸側の作動室R1と図1中下方の圧側の作動室R2とに区画されており、各作動室R1,R2内には作動油等の液体が充填されている。液体は、作動油の他にも水や水溶液といった他の液体であってもよい。なお、液圧シリンダ1は、前述したように両ロッド型の液圧シリンダとされており、シリンダ2に対してロッド10がピストン3とともに図1中上下方向に移動してもシリンダ2内でロッド10が押し退ける容積が変化しないため、ロッド10がシリンダ2内に出入りする体積の補償をするリザーバを備えていないが、液体の温度変化による体積変化を補償するためにシリンダ2内に連通されるアキュムレータを備えていてもよい。
As described above, the
ポンプ9は、双方向吐出型に設定され、たとえば、ベーンポンプ、ギアポンプやアキシャルポンプ等、図示しない回転軸を備えて当該回転軸の回転によって流体を吸込んで吐出することができるとともに、逆に流体の流れによって回転軸を強制的に駆動することができるものであればよい。さらに、ポンプ9の回転軸は、モータ8に接続されており、モータ8は、通電によって駆動することができるとともに、ポンプ9側からの入力によって強制的に回転駆動させられると発電してポンプ9の回転を抑制するトルクを発生するモータであればよく、直流、交流を問わず、種々の形式のモータ、たとえば、ブラシレスモータ、誘導モータ、同期モータ等を採用することができる。
The
液圧シリンダ1は、モータ8によってポンプ9を回転駆動して液体を伸側の作動室R1から圧側の作動室R2へ、あるいは、圧側の作動室R2から伸側の作動室R1へ第2流路5を介して送り込むことで、自発的に伸縮できるとともに、望む方向へ推力を発生することができる。また、液圧シリンダ1は、液圧シリンダ1が外部入力によって強制的に伸縮させられる場合、伸側の作動室R1から圧側の作動室R2へ、あるいは、圧側の作動室R2から伸側の作動室R1へ、第2流路5を介して移動する液体の流れにモータ8のトルクが伝達されるポンプ9で抵抗を与えて伸縮を妨げる方向に推力を発生することができる。
The
さらに、液圧シリンダ1が強制的に伸縮させられる場合、第2流路5を行き来する液体の流れによってポンプ9を介してモータ8が強制的に駆動されるため、モータ8によって液体の運動エネルギが電気エネルギに変換されて電力回生できる。なお、モータ8によって回生した電力は、外部機器へ送電してもよいし、蓄電器に蓄電するようにしてもよい。
When the
転じて、第1可変絞り弁6は、ポンプ9を迂回して作動室R1,R2同士を連通する第1流路4に設けられており、第2可変絞り弁7は、ポンプ9とともに第2流路5に設けられている。よって、第1可変絞り弁6は、第2可変絞り弁7およびポンプ9に対して並列に配置されている。これら第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7は、開度や弁通路長を変更することで、圧力損失に対する通過流量の比である絞り係数を変更することができるようになっており、具体的にはたとえば、可変チョークや可変オリフィスといった種々の弁を使用することができ、また、図示しない弁体をソレノイドやモータ等の駆動源で駆動することによって絞り係数を変更できるようになっている。これら第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7における絞り係数を変更する駆動源はコントローラ11によって制御される。
In other words, the first
なお、ポンプ9と第2可変絞り弁7の配置関係であるが、ポンプ9は作動室R1と作動室R2のいずれに側に配置してもよい。また、シリンダ2内に充填される流体は、たとえば、油、水、水溶液、気体等、どのような流体を使用しても良い。
Regarding the relative positioning of the
さて、このように構成された液圧シリンダ1は、モータ8にコントローラ11側から電力供給してポンプ9を駆動させる場合には、自ら伸縮するアクチュエータとして機能することができるが、反対に、外力を受けて液圧シリンダ1が伸縮させられる場合、モータ8のトルクでポンプ9の回転を抑制する、すなわち、モータ8を制動領域で使用してモータ8にポンプ9の回転方向とは逆のトルクを発生させるようにし、モータ8、第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7とで協働して減衰力を発生できる。そして、モータ8を制動領域で使用する際、これら第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7の絞り係数を調節することによってモータ8の回転速度とトルクをコントロールすることが可能である。
Now, the
なお、モータ8に電流を与えてポンプ9を駆動する、つまり、モータ8を力行領域で使用して、液圧シリンダ1をアクチュエータとして機能させる場合、第1可変絞り弁6を全閉として第1流路4を介しての作動室R1,R2同士が連通されないようにしつつ、第2可変絞り弁7を全開として第2可変絞り弁7によって液体の流れに無用な抵抗を与えてエネルギ損失を生じないようにする。
When the
ここで、液圧シリンダ1が外力で伸縮させられる場合におけるモータ8の負荷(回転速度とトルク)のコントロールについて、図2に示すモデル図を使用して説明する。なお、ポンプ9は、モータ8から伝達されるトルクによって液体の流れに抵抗を与え、液体通過時に圧力損失を生じさせることから、可変絞り弁と同等に取り扱うことができるため、図2中では、モータ8およびポンプ9を一つの可変絞り弁Mとして記載している。
Here, we will use the model diagram shown in Figure 2 to explain how to control the load (rotational speed and torque) of the
そして、液圧シリンダ1の伸縮時における一方の作動室R1と他方の作動室R2との差圧をΔPとし、一方の作動室R1から流出する流体の単位時間当たりの流量(以下、単に流量という)をQとし、第1可変絞り弁6を通過する流体の流量q1を第1可変絞り弁6で生じる差圧(圧力損失)ΔPで除した比である絞り係数をC1とし、第2可変絞り弁7を通過する流体の流量q2を第2可変絞り弁7で生じる差圧(圧力損失)Δp2で除した比である絞り係数をC2とし、モータ8とポンプ9でなる可変絞り弁Mを通過する流体の流量q2を可変絞り弁Mで生じる差圧(圧力損失)Δpmで除した比である絞り係数をC3とすると、下記(1)式が得られる。
Then, let ΔP be the pressure difference between one working chamber R1 and the other working chamber R2 when the
ここで、C=C2×C3/(C2+C3)とおくと、(1)式は下記(2)式と書くことができる。 Here, if we set C = C2 x C3/(C2 + C3), equation (1) can be written as equation (2) below.
さらに、全体の流量Q=q1+q2が成り立ち、第1可変絞り弁6で生じる差圧ΔPは、第2可変絞り弁7とモータ8とポンプ9でなる可変絞り弁Mの全体で生じる差圧に等しいので、以下の(3)式が成立する。
Furthermore, since the total flow rate Q = q1 + q2 holds, and the pressure difference ΔP generated at the first
(3)式を(2)式に代入してまとめると、以下の(4)式を得る。 Substituting equation (3) into equation (2) and summarizing, we get the following equation (4).
そして、上記(4)式から理解できるように、流量Qおよび差圧ΔPを変化させない場合、絞り係数C1を変更することで、流量q2を変更することができる。 And, as can be seen from the above equation (4), if the flow rate Q and the differential pressure ΔP are not changed, the flow rate q2 can be changed by changing the restriction coefficient C1.
つまり、絞り係数C1を変更することによってポンプ9を迂回する第1可変絞り弁6における流量q1を調整することで、可変絞り弁Mを通過する流量q2を変更することができ、たとえば、第1可変絞り弁6を全閉状態から全開状態に移行する場合、流量q2を増減させて、モータ8の回転速度を増減させることができる。
In other words, by adjusting the flow rate q1 in the first
また、第2可変絞り弁7と可変絞り弁Mにおける流量はq2であり、全体の差圧はΔPであり、可変絞り弁Mにおける差圧(圧力損失)はΔpmであり、第2可変絞り弁7と可変絞り弁Mの合成絞り係数Cは、上述のようにC=C2×C3/(C2+C3)となるため、第2可変絞り弁7と可変絞り弁Mにのみ着目して整理すると、下記(5)式を得る。
Furthermore, the flow rate at the second
そして、上記(5)式から理解できるように、流量q2および差圧ΔPを変化させない場合、絞り係数C2を変更することで、可変絞り弁Mにおける差圧Δpmを変更することができる。 And, as can be seen from the above equation (5), if the flow rate q2 and the differential pressure ΔP are not changed, the differential pressure Δpm in the variable throttle valve M can be changed by changing the throttling coefficient C2.
つまり、絞り係数C2を変更することによってポンプ9を流体が通過する際に生じる差圧Δpmを変更することができ、たとえば、第2可変絞り弁7を全閉状態から全開状態に移行する場合、差圧Δpmを増減させて、モータ8で負担すべきトルクを増減させることができる。
In other words, by changing the throttling coefficient C2, it is possible to change the differential pressure Δpm that occurs when the fluid passes through the
以上のことを、流量Qおよび差圧ΔPを一定にした状態において、モータ8の回転速度をポンプ9の通過流量に対応させるとともに、モータ8のトルクを流体がポンプ9を通過する際の差圧(圧力損失)に対応させた図3に示すグラフを参照して説明すると、第2可変絞り弁7の絞り係数C2を変更することでモータ8の負担すべきトルク(負担トルク)を縦軸に沿って調節でき、第1可変絞り弁6の絞り係数C1を変更することでモータ8の回転速度を横軸に沿って調節することができるということになる。モータ8の負担トルクは、モータ8とポンプ9との間で作用するトルクであり、シリンダ装置Aが所望の推力を出力するためにモータ8からポンプ9に加える必要があるトルクと看做すことができる。なお、本書では、液圧シリンダ1が自発的に伸縮している場合であっても負担トルクという名称を用いる。
The above will be explained with reference to the graph shown in FIG. 3, in which the rotation speed of the
詳しくは、図3中の点aは、第2可変絞り弁7を全開にして絞り係数C2を最大にし、第1可変絞り弁6を全閉にして絞り係数C1を最小にした状態におけるモータ8の回転速度と負担トルクとの関係を示し、点bは、第2可変絞り弁7を全開にして絞り係数C2を最大にし、第1可変絞り弁6を全開にして絞り係数C1を最大にした状態におけるモータ8の回転速度と負担トルクとの関係を示し、点cは、第2可変絞り弁7を全閉にして絞り係数C2を最小にし、第1可変絞り弁6を全閉にして絞り係数C1を最小にした状態におけるモータ8の回転速度と負担トルクとの関係を示し、点dは、第2可変絞り弁7を全閉にして絞り係数C2を最小にし、第1可変絞り弁6を全開にして絞り係数C1を最大にした状態におけるモータ8の回転速度と負担トルクとの関係を示している。すなわち、第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7における絞り係数C1,C2を変更することで点a,b,c,dで囲まれる範囲でモータ8の回転速度と負担トルクを調節することができる。
In detail, point a in FIG. 3 shows the relationship between the rotation speed and the load torque of the
具体的には、モータ8の回転速度と負担トルクの交点(モータの動作点)が点aにあるときに、第1可変絞り弁6における絞り係数C1を大きくしていくと、点b側へシフトさせることができ、第2可変絞り弁7における絞り係数C2を小さくしていくと、点c側へシフトさせることができ、第1可変絞り弁6における絞り係数C1を大きくし第2可変絞り弁7における絞り係数C2を小さくしていくと点d側へシフトさせることができるのである。つまり、第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7の絞り係数を制御することで、モータ8の回転速度と負担トルクをコントロールすることができるのである。
Specifically, when the intersection of the rotation speed and the load torque of the motor 8 (the operating point of the motor) is at point a, increasing the throttling coefficient C1 of the first
なお、図3の説明において流量Qおよび差圧ΔPを一定にした状態を仮定しているため、モータ8の負担トルクが0であるのに回転している状態や回転速度が0であるのに負担トルクがある状態は生じないので、点bと点dを結ぶ線および点dと点cを結ぶ線は、モータ8の動作点が採りえる範囲の境界を示しており、モータ8の動作点は、上記線上の値を採ることは無い。
In the explanation of Figure 3, we assume that the flow rate Q and the differential pressure ΔP are constant, so there is no state in which the
ところで、モータ8の任意の回転速度に対して出力することが可能な負担トルク範囲は、図4に示すように、負担トルクを縦軸に採り回転速度を横軸に採った回転速度トルク座標系のグラフにおいて、第1象限および第2象限中で横軸に平行な直線とこの直線の両端に連なる曲線とでなる出力限界線z1と、第3象限および第4象限中で横軸に平行な直線とこの直線の両端に連なる曲線とでなる出力限界線z2とで囲まれたハッチングで示した領域となる。なお、出力限界線中の直線は、モータ8の負担トルクの上限を示しており、コントローラ11内に設けられる図示しない電流リミッタによって電流が制限されることに起因して生じる境界である。出力限界線中の曲線もまた、その時の回転速度において出力可能な負担トルク領域と出力不可能な負担トルク領域とを仕切る線であり、図示しない電源電圧、モータ8の誘起電力等の特性によって決せられる境界線である。モータ8が正転方向のトルクの符号を正とするとともに逆転方向のトルクの符号を負とし、モータ8が正転方向に回転する場合の回転速度の符号を正とするとともに逆転方向のトルクの符号を負としている。
The range of the burden torque that can be output for any rotation speed of the
この図4から理解できるように、モータ8は、各象限にて回転速度が高くなればなるほど出力可能な負担トルクの上限が小さくなる。すなわち、第1可変絞り弁6を閉弁して第1流路4を遮断して作動室R1,R2を行き交う液体の全流量をポンプ9に流す場合、液圧シリンダ1の伸縮速度が高くなればなるほど、モータ8の回転速度も高くなりモータ8の出力可能な負担トルクが小さくなることになる。なお、図4中に示した破線は、回生効率が最大となる回転速度と負担トルクとの関係を示す回生効率最大直線であり、当該回生効率最大直線上にモータ8の動作点がある場合に回生効率が最大となる。
As can be seen from FIG. 4, the higher the rotational speed of the
また、第2象限の回転速度が負で負担トルクが正である領域および第4象限の回転速度が正で負担トルクが負である領域では、モータ8は電力回生を行うことができる制動領域で動作しており、第1象限の回転速度が正で負担トルクが正である領域および第3象限の回転速度が負で負担トルクが負である領域では、モータ8は、電力を消費して力行する力行領域で動作していることを示している。よって、モータ8は、制動領域で動作している場合に制動状態にあり、力行領域で動作している場合に力行状態にある。
In addition, in the second quadrant, where the rotation speed is negative and the burden torque is positive, and in the fourth quadrant, where the rotation speed is positive and the burden torque is negative, the
そして、モータ8が制動領域で動作している場合であって、図4中であって回生効率最大直線よりも横軸側にある点gと点hとを比較すると、回転速度が高い点hの方がモータ8の回生電力が大きくなる。回生効率最大直線は、モータ8の回転速度と回生効率を最大とするトルクとの関係を示す直線であり、モータ8の動作点が回生効率最大直線上にあると、その時の回転速度において回生効率が最大となる。また、モータ8の回転速度をより高速にすれば回生電力をより大きくできる余地がある。
When
よって、本実施の形態のコントローラ11は、図5に示すように、モータ8のトルクを制御して液圧シリンダ1の実推力を目標推力に追従させるための推力制御部20の他に、推力制御部20とは独立してモータ8の回生電力を高める絞り弁制御部30を備えている。
Therefore, as shown in FIG. 5, the
まず、絞り弁制御部30について説明すると、絞り弁制御部30は、図6に示すように、モータ8の回転速度とトルクとを監視して、第1可変絞り弁6を制御する第1可変絞り弁制御部31と、第2可変絞り弁7を制御する第2可変絞り弁制御部32とを備えている。モータ8の回転速度については、モータ8が図示しないロータの回転位置を検知可能なレゾルバ等のセンサを備えている場合には、当該センサが検知するロータの回転位置情報から得ればよい。モータ8のトルクについてはモータ8をDCモータ或いはDCモータと等価なモータとする場合にはモータ8に流れる電流に比例するから電流をそのままトルクと看做すことができ、モータ8の電流を検知するセンサをモータ制御部40が備えているので、モータ制御部40から電流値を入手してモータ8のトルクとして利用すればよい。
First, the throttle
なお、絞り弁制御部30は、モータ8の回転速度を検知するセンサと、モータ8のトルクを検知するセンサ或いはモータ8の電流を検知するセンサを個別に備えていてもよい。絞り弁制御部30は、モータ8の回転速度とトルクとを所定の演算周期で順次取り込み、取り込んだ回転速度とトルクとを第1可変絞り弁制御部31と第2可変絞り弁制御部32とによって処理する。絞り弁制御部30は、モータ8のトルクを処理するが、前述したように、モータ8に流れる電流をトルクと看做すことができるので、モータ8に流れる電流をトルクとして取り扱って処理すればよい。絞り弁制御部30は、モータ8の回転速度とトルクとを監視して、モータ8の動作点が回転速度とトルクのグラフ上のどの位置にあるか把握する。そして、絞り弁制御部30は、モータ8の動作状態に応じて、第1可変絞り弁6と第2可変絞り弁7の絞り係数を制御する。
The throttle
第1可変絞り弁制御部31は、第1可変絞り弁6の駆動源へ通電するための駆動回路を含み、モータ8が制動状態で動作している場合、モータ8の回転速度を高くするように第1可変絞り弁6の絞り係数を小さくする回生制御を行うとともに、モータ8が力行状態で動作している場合には、第1可変絞り弁6の絞り係数を予め設定される初期値にするように制御する。初期値は、モータ8が力行状態で動作している際に、液圧シリンダ1の推力制御に適する値に設定されている。モータ8が力行状態で動作している場合、第1可変絞り弁6が流路を大きくしているとポンプ9から作動室R1或いは作動室R2へ供給される液体が第1流路4を通過して逃げてしまうので、初期値は、第1可変絞り弁6を閉弁或いは開度が極小さくするように最小値に設定されるとよい。
The first variable throttle
第2可変絞り弁制御部32は、第2可変絞り弁7の駆動源へ通電するための駆動回路を含み、基本的には、第2可変絞り弁7の絞り係数を最大として第2可変絞り弁7の流路面積を制御上最大とする。第2可変絞り弁7は、ポンプ9が吐出する液体の通過を妨げ、液圧シリンダ1がアクチュエータとして動作する際には抵抗となってしまうので、第2可変絞り弁制御部32は、モータ8の動作点が力行領域にあってモータ8が力行状態で動作中は、第2可変絞り弁7の絞り係数を最大とする。なお、第2可変絞り弁7は、第2流路5を通過する液体の流れに抵抗を与えるため、絞り係数の増減によってモータ8が負担するトルクを増減させ得る。第2可変絞り弁制御部32は、モータ8の動作点が制動領域にあってモータ8の動作状態が制動状態である場合も基本的には第2可変絞り弁7の絞り係数を最大として第2可変絞り弁7の流路面積を制御上最大とするが、モータ8の動作点が出力不可能な負担トルク領域にならないように、第2可変絞り弁7の絞り係数を増加させてモータ8の動作点で負担するトルクを減少させる。簡単には、モータ8を駆動する電源電圧によってモータ8の回転速度において出力可能なトルクの上限(トルク上限)が一義的に決まるので、第2可変絞り弁制御部32は、モータ8のトルクがその時の回転速度におけるトルク上限から所定値を差し引いた値以上になると、第2可変絞り弁7の絞り係数を小さくして、モータ8が負担するトルクを減少させるようにすればよい。なお、第2可変絞り弁7の絞り係数を前述の回生効率最大直線上に乗せて回生効率を最大化したい場合、第2可変絞り弁7の絞り係数を求める際に、液圧シリンダ1の実推力の情報が必要となるので、絞り弁制御部30は、実推力検知部41から実推力を得て、回転速度とトルクに加えて実推力に基づいて前記絞り係数を求めてもよい。
The second variable throttle
以上のように、絞り弁制御部30は、モータ8の回転速度とトルクとを監視し、モータ8の動作点が出力不可能な負担トルク領域にならないように、第2可変絞り弁7の絞り係数を制御するとともに、モータ8の動作状態が制動状態である場合には、回生電力を高めるために、第1可変絞り弁6の絞り係数を小さくして、第1流路4を通過する液体の流量を小さくてポンプ9が設置される第2流路5を流れる液体の流量を多くして、モータ8の回転速度を高める。なお、絞り弁制御部30は、前述したところでは、モータ8が制動状態にある場合に、モータ8の回転速度を高めて、モータ8の回生電力を向上させる回生制御を行っているが、モータ8の動作点が回生効率最大直線に配置されるように、第1可変絞り弁制御部31および第2可変絞り弁制御部32で第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7の絞り係数を制御するようにして、回生効率を高める回生制御を行ってもよい。
As described above, the throttle
つづいて、推力制御部20は、図7に示すように、上位の制御装置からの液圧シリンダ1の目標推力を指示する推力指令を受けてモータ8に供給すべき目標電流をPID制御に基づいて求めるPID制御部21およびフィードフォワード制御部22と、PID制御部21とフィードフォワード制御部22とが出力する各電流指令を加算してモータ8の目標電流を指示する最終電流指令を生成する加算部23と、PID制御部21がPID補償(比例積分微分補償)時に使用する比例ゲイン、微分ゲインおよび積分ゲインをそれぞれ補正する比例ゲイン補正部24、微分ゲイン補正部25および積分ゲイン補正部26と、比例ゲイン補正部24が補正した比例ゲインを処理する比例ゲイン処理部27と、微分ゲイン補正部25が補正した微分ゲインを処理する微分ゲイン処理部28と、積分ゲイン補正部26が補正した積分ゲインを処理する積分ゲイン処理部29と、加算部23が生成した最終電流指令を受け取るとモータ8に流れる電流をフィードバックしてモータ8に流れる電流を目標電流通りに制御するモータ制御部40とを備えている。 Next, as shown in FIG. 7, the thrust control unit 20 includes a PID control unit 21 and a feedforward control unit 22 that receive a thrust command indicating the target thrust of the hydraulic cylinder 1 from a higher-level control device and obtain a target current to be supplied to the motor 8 based on PID control, an adder unit 23 that adds the current commands output by the PID control unit 21 and the feedforward control unit 22 to generate a final current command indicating the target current of the motor 8, a proportional gain correction unit 24, a differential gain correction unit 25, and an integral gain correction unit 26 that respectively correct the proportional gain, differential gain, and integral gain used by the PID control unit 21 during PID compensation (proportional, integral, and differential compensation), a proportional gain processing unit 27 that processes the proportional gain corrected by the proportional gain correction unit 24, a differential gain processing unit 28 that processes the differential gain corrected by the differential gain correction unit 25, an integral gain processing unit 29 that processes the integral gain corrected by the integral gain correction unit 26, and a motor control unit 40 that receives the final current command generated by the adder unit 23, and feeds back the current flowing through the motor 8 to control the current flowing through the motor 8 to the target current.
なお、推力指令は、本実施の形態では、液圧シリンダ1を車両に適用して、上位の制御装置は、主としてばね上部材としての車体の振動の抑制を目的して液圧シリンダ1に発生するべき推力を求める。推力指令は、車体の振動の低減のみならずばね下部材としての車輪の振動の抑制の低減も可能となるように求められてもよい。また、推力制御部20は、上位の制御装置から推力指令を入手するのではなく、車両における車体、或いは車体および車輪の振動情報を検知するか、或いはこれらの振動情報を車両から受け取って、自ら推力指令を求めてもよい。
In this embodiment, the
PID制御部21は、詳しくは図示しないが、目標推力と液圧シリンダ1の実推力との制御偏差を求めて、当該制御偏差に比例ゲインを乗じて比例補償する比例パスと、当該制御偏差を微分するとともに微分ゲインを乗じて微分補償する比例パスと、当該制御偏差を積分するとともに積分ゲインを乗じて積分補償する比例パスとを備えて、3つの各パスで処理した値を加算した値を電流指令として出力する。なお、コントローラ11は、液圧シリンダ1の実推力を検知する実推力検知部41を備えており、実推力検知部41が検知する液圧シリンダ1の実推力が推力制御部20に目標推力とともに入力される。実推力検知部41は、図7に示すように、たとえば、作動室R1の圧力を検知する圧力センサ41aと、作動室R2の圧力を検知する圧力センサ41bと、作動室R1の圧力と作動室R2の圧力との差にピストン3の受圧面積を乗じて液圧シリンダ1が発生している実推力を求める演算部41cとを備えて構成される。また、液圧シリンダ1が発生する実推力は、ロッド10に設けられれる荷重の検知によって把握できるので、実推力検知部41はロッド10に作用する荷重を検知するセンサとされてもよい。また、推力制御部20は、図示はしないが、実推力検知部41に代えて、実際に液圧シリンダ1が出力している推力を検知するのではなく液圧シリンダ1の実推力を推定する実推力推定部を備えていてもよい。実推力推定部は、前述の圧力や荷重の検知に代えて、たとえば、第1可変絞り弁6、第2可変絞り弁7における絞り係数、モータ8の回転速度、トルクといった液圧シリンダ1の状態量を検知して、当該状態量から液圧シリンダ1の実推力を推定するオブザーバ、或いは、車体の変位と速度といったシリンダ装置Aが搭載されたシステムの状態量を検知して当該状態量から液圧シリンダ1の実推力を推定するオブザーバとされてもよい。また、実推力推定部は、車体と車軸とに取り付けられた加速度センサの情報から液圧シリンダ1の実推力を推定してもよく、このように実推力推定部は、シリンダ装置Aの制御以外の用途に使用されているセンサ情報から実推力を推定してもよい。
Although not shown in detail, the
ここで、絞り弁制御部30によって第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7の絞り係数が変化して、液圧シリンダ1の目標推力から液圧シリンダ1の推力までの特性が変化してしまう。よって、液圧シリンダ1の実推力をフィードバックして単にPID制御部21がPID補償して電流指令を生成してモータ8を制御する場合、第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7の前後で圧力変動が生じて液圧シリンダ1の推力が急変し、液圧シリンダ1の実推力の推力指令に対する追従性能が悪化してしまう。
The throttle
そこで、本実施の形態のコントローラ11では、絞り弁制御部30によって第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7の絞り係数が変化すると、当該変化に応じて、比例ゲインを補正する比例ゲイン補正部24と、微分ゲインを補正する微分ゲイン補正部25とを備えている。
The
ここで、液圧シリンダ1のピストン3の受圧面積をA0とし、モータ8の粘性抵抗をCmとし、モータ8のロータにおける慣性モーメントをImとし、モータ8のトルク定数をKtとし、第1可変絞り弁6の絞り係数をfv1とし、第2可変絞り弁7の絞り係数をfv2とし、液圧シリンダ1内の液体の体積弾性係数をK0とし、ポンプ9の押し退け容積をVpとし、液圧シリンダ1の作動室R1,R2の初期容積をV0とし、ラプラス演算子sとすると、液圧シリンダ1のモータ8に与える電流imから液圧シリンダ1が発生する実推力faまでの伝達関数G(s)は、以下の式6で表すことができる。
Here, assuming that the pressure receiving area of the
また、PID制御部21における比例ゲインをKpとし、PID制御部21における微分ゲインをKdとし、PID制御部21における積分ゲインをKiとすると、PID制御部21の伝達関数C(s)は、以下の式7で表すことができる。
Furthermore, if the proportional gain in the
モータ制御部40によって制御されるモータ8の電流が電流指令に対して遅れ無く追従すると仮定すれば、目標推力fa,cmdから液圧シリンダ1の実推力faまでの伝達関数は、以下の式8で表される。
Assuming that the current of the
式8から分母のs2とsの係数が第1可変絞り弁6の絞り係数fv1と第2可変絞り弁7の絞り係数fv2をパラメータとして変化することが理解できる。よって、式8から、絞り弁制御部30の制御によって、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数が変化すると、シリンダ装置Aにおけるシステムの伝達関数が変化し、目標推力に対する液圧シリンダ1の推力の応答性が変化するのを確認できる。
It can be seen from
他方、式8の分母におけるs2の係数には、微分ゲインKdが含まれており、sの係数には比例ゲインKpが含まれている。よって、第1可変絞り弁6の絞り係数および第2可変絞り弁7の絞り係数の変化に応じて、比例ゲインKpと微分ゲインKdの値を変更すれば、第1可変絞り弁6の絞り係数および第2可変絞り弁7の絞り係数の変化による液圧シリンダ1の推力の目標推力に対する追従性能の悪化を抑制できる。
On the other hand, the coefficient of s2 in the denominator of
そこで、比例ゲイン補正部24は、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数の情報を得て、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数との値からPID制御部21がその時の第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数との値に最適な比例ゲインを求め、PID制御部21の比例ゲインを求めた値に補正する。また、微分ゲイン補正部25は、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数の情報を得て、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数との値からPID制御部21がその時の第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数との値に最適な微分ゲインを求め、PID制御部21の微分ゲインを求めた値に補正する。
The proportional
このように、PID制御部21で使用する比例ゲインと微分ゲインとが、その時の第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数とに適した比例ゲインと微分ゲインとに補正されるので、PID制御部21が目標推力と実推力とから電流指令を求めると、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数とが変化しても、目標推力に対する液圧シリンダ1の実推力の追従性の悪化を抑制できる。なお、絞り弁制御部30は、第1可変絞り弁6と第2可変絞り弁7を制御しており、第1可変絞り弁6と第2可変絞り弁7の各絞り係数を調整するための指令を生成して第1可変絞り弁6と第2可変絞り弁7の駆動源へ与えるので、第1可変絞り弁6と第2可変絞り弁7の各絞り係数を把握できる。よって、比例ゲイン補正部24および微分ゲイン補正部25は、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数の情報を絞り弁制御部30から得ればよい。また、比例ゲイン補正部24および微分ゲイン補正部25は、第1可変絞り弁6の駆動源と第2可変絞り弁の駆動源へ供給される電流を検知して各絞り係数の情報を得てもよい。
In this way, the proportional gain and differential gain used by the
比例ゲイン補正部24は、具体的には、たとえば、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数から比例ゲインを求めるマップを利用してその時の、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数に最適となる比例ゲインを求める。また、微分ゲイン補正部25は、具体的には、たとえば、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数から微分ゲインを求めるマップを利用してその時の、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数に最適となる微分ゲインを求める。
The proportional
詳細には、まず、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数を予め定めた所定値に設定しておき、液圧シリンダ1に対してPID制御部21の比例ゲイン、微分ゲインおよび積分ゲインを目標推力に対して液圧シリンダ1の実推力が追従するように調整して、基準となる比例ゲイン、微分ゲインおよび積分ゲインを求める。
In detail, first, the throttling coefficient of the first
このようにして基準となる比例ゲイン、微分ゲインおよび積分ゲインに設定されたPID制御部21で液圧シリンダ1を制御するようにし、種々の周波数の目標推力と、徐々に周波数が変化する目標推力をPID制御部21に与えて液圧シリンダ1を制御させて、実推力の出力を計測して、シリンダ装置Aの目標推力から実推力までの伝達関数を求め、当該伝達関数の分母のs2とsの係数の値を算出する。
In this manner, the
そして、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数を変化させてシリンダ装置Aの伝達関数の変化を把握して、第1可変絞り弁6の絞り係数および第2可変絞り弁7の絞り係数に対して最適となる比例ゲインを得るための比例ゲインマップと、第1可変絞り弁6の絞り係数および第2可変絞り弁7の絞り係数に対して最適となる微分ゲインを得るための微分ゲインマップを得る。
Then, the throttling coefficient of the first
このようにして得られた比例ゲインマップを利用して、比例ゲイン補正部24は、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数とからPID制御部21に最適となる比例ゲインを求める。また、微分ゲイン補正部25も微分ゲインマップを利用して、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数とからPID制御部21に最適となる微分ゲインを求める。
Using the proportional gain map obtained in this manner, the proportional
そして、PID制御部21における比例ゲインと微分ゲインは、比例ゲイン補正部24が求めた比例ゲインと微分ゲイン補正部25が求めた微分ゲインとに補正されるので、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数が変化しても、比例ゲインと微分ゲインが各絞り係数の変化に応じて最適化されるので、液圧シリンダ1の実推力が応答性よく目標推力に追従するようになる。
The proportional gain and differential gain in the
比例ゲイン補正部24が求めた比例ゲインと微分ゲイン補正部25が求めた微分ゲインを直ちにPID制御部21で利用してもよいが、比例ゲインと微分ゲインとの値が急変すると、PID制御部21が生成する電流指令も急変する可能性がある。そこで、推力制御部20は、比例ゲイン補正部24が求めた比例ゲインをローパスフィルタ処理して比例ゲインの変化を緩和する比例ゲイン処理部27と、微分ゲイン補正部25が求めた微分ゲインをローパスフィルタ処理して微分ゲインの変化を緩和する微分ゲイン処理部28とを備えている。
The proportional gain calculated by the proportional
このように、推力制御部20は、比例ゲイン補正部24が求めた比例ゲインの変化を緩和する比例ゲイン処理部27と、微分ゲイン補正部25が求めた微分ゲインの変化を緩和する微分ゲイン処理部28とを備えており、PID制御部21における比例ゲインの値と微分ゲインの値とが比例ゲイン処理部27で処理した比例ゲインの値と微分ゲイン処理部28で処理した微分ゲインの値とに変更される。よって、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数とが変化して比例ゲインと微分ゲインとが補正されても、PID制御部21で使用する比例ゲインの値と微分ゲインの値とが急変するのが緩和されて、PID制御部21が出力する電流指令の急変も緩和されるので、液圧シリンダ1の推力の急変も緩和できる。
Thus, the
なお、本実施の形態の推力制御部20は、積分ゲイン補正部26を備えている。前述した式8中で積分ゲインKfの係数eのパラメータとして液圧シリンダ1の液体の体積弾性係数K0が含まれている。液体の体積弾性係数K0は、液体の圧力によって変化する。よって、積分ゲイン補正部26は、実推力検知部41からシリンダ2内の圧力の情報を得て体積弾性係数K0を推定して、推定した体積弾性係数K0に最適となる積分ゲインを求めて、PID制御部21における積分ゲインを求めた積分ゲインに補正する。積分ゲイン補正部26は、たとえば、シリンダ装置Aを使用した際における温度の平均値において、圧力から体積弾性係数K0を求める数式を用いて体積弾性係数K0を求めればよい。また、液体の温度と圧力と体積弾性係数K0との関係をマップ化しておき、積分ゲイン補正部26は、シリンダ2内の液体の温度を検知する温度センサを用いて液体の温度を検知し、検知した温度と圧力とからマップ演算によって体積弾性係数K0を求めてもよい。
The
そして、PID制御部21における積分ゲインは、積分ゲイン補正部26が求めた積分ゲインに補正されるので、液体の体積弾性係数K0が変化してシリンダ装置Aの特性が変化しても、積分ゲインと微分ゲインが体積弾性係数K0の変化に応じて最適化されるので、液圧シリンダ1の実推力が応答性よく目標推力に追従するようになる。
Then, the integral gain in the
積分ゲイン補正部26が求めた積分ゲインを直ちにPID制御部21で利用してもよいが、比例ゲインと微分ゲインとの値が急変すると、PID制御部21が生成する電流指令も急変する可能性がある。そこで、推力制御部20は、積分ゲイン補正部26が求めた積分ゲインをローパスフィルタ処理して積分ゲインの変化を緩和する積分ゲイン処理部29を備えている。
The integral gain calculated by the integral
このように、推力制御部20は、積分ゲイン補正部26が求めた積分ゲインの変化を緩和する積分ゲイン処理部29を備えており、PID制御部21における積分ゲインの値が積分ゲイン処理部29で処理した積分ゲインの値に変更される。よって、液体の体積弾性係数K0が変化して積分ゲインが補正されても、PID制御部21で使用する積分ゲインの値が急変するのが緩和されて、PID制御部21が出力する電流指令の急変も緩和されるので、液圧シリンダ1の推力の急変も緩和できる。
In this way, the
なお、体積弾性係数K0は、式8における分母のs2とsの係数のパラメータとして含まれている。よって、比例ゲイン補正部24と微分ゲイン補正部25においても、第1可変絞り弁6の絞り係数および第2可変絞り弁7の絞り係数のみならず体積弾性係数K0の変化にも対応して最適な比例ゲインと微分ゲインを求めて比例ゲインと微分ゲインとを補正してもよい。体積弾性係数K0の変化に対してどのように比例ゲインと微分ゲインとを求めるかについては、体積弾性係数K0の値を変化させた際の伝達関数の変化を計測して比例ゲインと微分ゲインを最適に設定できるマップを作成すればよい。
The bulk modulus K0 is included as a parameter of the coefficients s2 and s in the denominator in
以上の通り、本実施の形態のシリンダ装置Aでは、PID制御によってコントローラ11が目標推力の入力を受けてモータ8に出力させるべき電流指令を求めるPID制御部21を備える他に、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数とに基づいて比例ゲインを補正する比例ゲイン補正部24と微分ゲインを補正する微分ゲイン補正部25とを備えているので、絞り弁制御部30によって第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7の絞り係数が変更されても、液圧シリンダ1の目標推力に対する追従性の悪化を抑制できる。
As described above, in the cylinder device A of this embodiment, in addition to the
フィードフォワード制御部22は、上位の制御装置から入力される推力指令から液圧シリンダ1の応答性を向上させるために、PID制御部21が求めた電流指令に加算すべき加算電流を求める。フィードフォワード制御部22は、推力指令に対して液圧シリンダ1の応答遅れを考慮していち早く液圧シリンダ1の推力が推力指令に追従するような加算電流を求める。フィードフォワード制御部22は、液圧シリンダ1の実推力をフィードバックしないので、目標推力に対する追従性に影響を与えずに液圧シリンダ1の目標推力に対する応答性を向上させる。
The
加算部23は、PID制御部21が目標推力から求めた電流指令とフィードフォワード制御部22が目標推力から求めた加算電流指令とを加算して、モータ8に供給すべき目標電流を指示する最終電流指令を生成して、モータ制御部40へ電流指令を入力する。
The
モータ制御部40は、詳しくは図示しないが、モータ8を駆動する駆動回路と、モータ8の実電流をフィードバックして加算部23から入力される電流指令が指示する目標電流とモータ8に流れる実電流との制御偏差に基づいて駆動回路を駆動してモータ8をPWM制御する制御器とを備えている。モータ制御部40は、加算部23から入力される電流指令にしたがって、電流指令が指示する目標電流にモータ8の電流が追従するように制御する。なお、モータ制御部40は、モータ8の形式によってモータ8の電流制御に適した駆動回路を備えて、電流指令にしたがってモータ8の電流を制御可能であればよい。
The
なお、コントローラ11は、実推力検知部41における圧力センサ41a,41b、モータ制御部40における駆動回路および絞り弁制御部30における駆動回路を除き、ハードウェア資源としては、図示はしないが具体的にはたとえば、推力指令、モータ8の回転速度およびトルク(電流)およびシリンダ2内の圧力の信号を取り込むためのインターフェースと、モータ8、第1可変絞り弁6および第2可変絞り弁7を制御するのに必要な処理に使用されるプログラムが格納されるROM(Read Only Memory)等の記憶装置と、前記プログラムに基づいた処理を実行するCPU(Central Processing Unit)等の演算装置と、前記CPUに記憶領域を提供するRAM(Random Access Memory)等の記憶装置とを備えて構成されればよく、コントローラ11における推力制御部20および絞り弁制御部30の各部は、CPUの前記プログラムの実行により実現できる。また、コントローラ11は、CPUの前記プログラムの実行による実現にかえて、アナログの電子回路によって実現されてもよい。
In addition, except for the
以上、本実施の形態のシリンダ装置Aは、シリンダ2と、シリンダ2内に移動自在に挿入されてシリンダ2内を二つの作動室R1,R2に区画するピストン3と、互いに並列して作動室R1,R2同士を連通する第1流路4と第2流路5と、第1流路4に設けられた第1可変絞り弁6と、第2流路5に直列に設けられる第2可変絞り弁7およびモータ8によって駆動される双方向吐出型のポンプ9とを有する液圧シリンダ1と、第1可変絞り弁6、第2可変絞り弁7およびモータ8を制御するコントローラ11とを備え、コントローラ11は、液圧シリンダ1の目標推力をPID補償してモータ8へ与える電流指令を生成するPID制御部21と、PID制御部21の比例ゲインを補正する比例ゲイン補正部24と、PID制御部21の微分ゲインを補正する微分ゲイン補正部25とを有し、比例ゲイン補正部24と微分ゲイン補正部25は、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数とに基づいてそれぞれ比例ゲインと微分ゲインを補正する。このように構成されたシリンダ装置Aによれば、第1可変絞り弁6の絞り係数および第2可変絞り弁7の絞り係数が変化しても、PID制御部21で使用する比例ゲインと微分ゲインとがその時の第1可変絞り弁6の絞り係数および第2可変絞り弁7の絞り係数に最適化される。よって、本実施の形態のシリンダ装置Aによれば、第1可変絞り弁6或いは第2可変絞り弁7の絞り係数が変化しても目標推力に対する追従性能の悪化を抑制できる。
As described above, the cylinder device A of this embodiment includes a
また、本実施の形態のシリンダ装置Aにおけるコントローラ11は、PID制御部21の積分ゲインを液圧シリンダ1内の液体の体積弾性係数K0に基づいて補正する積分ゲイン補正部26を備えている。このように構成されたシリンダ装置Aによれば、液体の体積弾性係数K0が変化してシリンダ装置Aの特性が変化しても、目標推力に対する液圧シリンダ1の実推力の追従性の悪化を抑制できる。
Furthermore, the
さらに、本実施の形態のシリンダ装置Aにおけるコントローラ11は、比例ゲイン補正部24が補正した比例ゲインの変化を緩和する比例ゲイン処理部27と、微分ゲイン補正部25が補正した微分ゲインの変化を緩和する微分ゲイン処理部28とを有し、PID制御部21は、比例ゲイン処理部27で処理した比例ゲインと、微分ゲイン処理部28で処理した微分ゲインとを用いて電流指令を生成する。このように構成されたシリンダ装置Aによれば、第1可変絞り弁6の絞り係数と第2可変絞り弁7の絞り係数とが変化して比例ゲインと微分ゲインとが補正されても、PID制御部21で使用する比例ゲインの値と微分ゲインの値とが急変するのが緩和されて、PID制御部21が出力する電流指令の急変も緩和されるので、液圧シリンダ1の推力の急変も緩和できる。
Furthermore, the
また、本実施の形態のシリンダ装置Aにおけるコントローラ11は、モータ8が制動状態の場合に、第1可変絞り弁6の絞り係数および第2可変絞り弁7の絞り係数のいずれか一方または両方をモータ8の回生電力を高くするように制御する絞り弁制御部30を備えている。このように構成されたシリンダ装置Aによれば、第1可変絞り弁6或いは第2可変絞り弁7の絞り係数を変化させてもPID制御部21による制御によって目標推力に対する液圧シリンダ1の応答性の悪化を抑制できるので、液圧シリンダ1の追従性の抑制と、絞り弁制御部30により回生電力の向上とを両立できる。
The
さらに、本実施の形態のシリンダ装置Aにおけるコントローラ11は、目標推力の入力を受けてフィードフォワード制御によってPID制御部21が求める電流指令に加算する加算電流指令を求めるフィードフォワード制御部22を備え、PID制御部21が求めた電流指令とフィードフォワード制御部22が求めた加算電流指令とを加算してモータ8に供給するべき目標電流を指示する最終電流指令を生成する。このように構成されたシリンダ装置Aによれば、液圧シリンダ1の実推力をフィードバックしないフィードフォワード制御部22が推力指令に対して液圧シリンダ1の応答遅れを考慮していち早く液圧シリンダ1の推力が推力指令に追従するような加算電流指令を求め、PID制御部21の電流指令に加算電流指令を加算して最終電流指令を生成するので、目標推力に対する液圧シリンダ1の追従性に影響を与えずに目標推力に対する応答性を向上させ得る。
Furthermore, the
以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, modifications, variations, and changes are possible without departing from the scope of the claims.
1・・・液圧シリンダ、2・・・シリンダ、3・・・ピストン、4・・・第1流路、5・・・第2流路、6・・・第1可変絞り弁、7・・・第2可変絞り弁、8・・・モータ、9・・・ポンプ、11・・・コントローラ、21・・・PID制御部、22・・・フィードフォワード制御部、24・・・比例ゲイン補正部、25・・・微分ゲイン補正部、26・・・積分ゲイン補正部、27・・・比例ゲイン処理部、28・・・微分ゲイン処理部、30・・・絞り弁制御部、A・・・シリンダ装置、R1,R2・・・作動室 1: hydraulic cylinder, 2: cylinder, 3: piston, 4: first flow path, 5: second flow path, 6: first variable throttle valve, 7: second variable throttle valve, 8: motor, 9: pump, 11: controller, 21: PID control section, 22: feedforward control section, 24: proportional gain correction section, 25: differential gain correction section, 26: integral gain correction section, 27: proportional gain processing section, 28: differential gain processing section, 30: throttle valve control section, A: cylinder device, R1, R2: working chamber
Claims (4)
前記第1可変絞り弁、前記第2可変絞り弁および前記モータを制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記液圧シリンダの目標推力をPID補償して前記モータへ与える電流指令を生成するPID制御部と、前記PID制御部の比例ゲインを補正する比例ゲイン補正部と、前記PID制御部の微分ゲインを補正する微分ゲイン補正部とを有し、
前記比例ゲイン補正部と前記微分ゲイン補正部は、前記第1可変絞り弁の絞り係数と前記第2可変絞り弁の絞り係数とに基づいて、それぞれ前記比例ゲインと前記微分ゲインを補正する
ことを特徴とするシリンダ装置。 a hydraulic cylinder having a cylinder, a piston movably inserted into the cylinder to divide the inside of the cylinder into two working chambers, a first flow passage and a second flow passage arranged in parallel with each other and communicating the working chambers with each other, a first variable throttle valve provided in the first flow passage, a second variable throttle valve provided in series in the second flow passage, and a two-way discharge pump driven by a motor;
a controller for controlling the first variable throttle valve, the second variable throttle valve, and the motor,
the controller has a PID control unit that performs PID compensation on a target thrust of the hydraulic cylinder to generate a current command to be applied to the motor, a proportional gain correction unit that corrects a proportional gain of the PID control unit, and a differential gain correction unit that corrects a differential gain of the PID control unit,
the proportional gain correction unit and the differential gain correction unit respectively correct the proportional gain and the differential gain based on a throttle coefficient of the first variable throttle valve and a throttle coefficient of the second variable throttle valve.
前記PID制御部の積分ゲインを前記液圧シリンダ内の液体の体積弾性係数に基づいて補正する積分ゲイン補正部を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のシリンダ装置。 The controller:
2. The cylinder device according to claim 1, further comprising an integral gain correction unit that corrects an integral gain of the PID control unit based on a bulk modulus of the liquid in the hydraulic cylinder.
前記比例ゲイン補正部が補正した前記比例ゲインの変化を緩和する比例ゲイン処理部と、
前記微分ゲイン補正部が補正した前記微分ゲインの変化を緩和する微分ゲイン処理部とを有し、
前記PID制御部は、前記比例ゲイン処理部で処理した比例ゲインと、前記微分ゲイン処理部で処理した微分ゲインとを用いて前記電流指令を生成する
ことを特徴とする請求項1に記載のシリンダ装置。 The controller:
a proportional gain processing unit that reduces a change in the proportional gain corrected by the proportional gain correction unit;
a differential gain processing unit that reduces a change in the differential gain corrected by the differential gain correction unit,
The cylinder device according to claim 1 , wherein the PID control unit generates the current command by using a proportional gain processed by the proportional gain processing unit and a differential gain processed by the differential gain processing unit.
ことを特徴とする請求項1または2に記載のシリンダ装置。 3. The cylinder device according to claim 1, wherein the controller has a feedforward control unit that receives an input of the target thrust and determines an additional current command to be added to a current command determined by the PID control unit through feedforward control, and generates a final current command that indicates a target current to be supplied to the motor by adding the current command determined by the thrust control unit and the additional current command determined by the feedforward control unit.
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