JP2024047991A - シリンダ装置 - Google Patents

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同士Ｒ１，Ｒ２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の目標推力と実推力とモータ８の回転速度とに基づいてモータ８のトルクを制御するスライディングモード制御部２１を備えている。【選択図】図７

Description

本発明は、シリンダ装置に関する。

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）。

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。

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。

特開２００９－１９６５９７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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、スライディングモード制御を用いて液圧シリンダの目標推力と実推力とモータの回転速度とに基づいてモータのトルクを制御するスライディングモード制御部を備えている。このように構成されたシリンダ装置によれば、第１可変絞り弁および第２可変絞り弁の絞り係数の変化が液圧シリンダの推力に与える影響を小さくするようにスライディングモード制御部の制御仕様を予め設計することができる。よって、シリンダ装置によれば、第１可変絞り弁および第２可変絞り弁の絞り係数を変化させてシリンダ装置の特性が変化しても液圧シリンダの推力変動を低減できるとともに制御安定性を高めることができる。

また、シリンダ装置におけるコントローラは、モータが制動状態の場合に、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のいずれか一方または両方をモータの回生電力を高くするように制御する回生制御部を備えてもよい。このように構成されたシリンダ装置によれば、第１可変絞り弁或いは第２可変絞り弁の絞り係数を変化させてもスライディングモード制御部による制御によって液圧シリンダの推力変動を抑制できるので、回生電力の向上と液圧シリンダの推力変動の抑制とを両立できる。

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スライディングモード制御部が求めた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、スライディングモード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、スライディングモード制御部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。

また、シリンダ装置におけるコントローラが液圧シリンダの実推力とモータの回転速度の一方または両方を推定する状態推定部を備えている場合には、液圧シリンダの状態量やその他の情報から実推力と回転速度の一方または両方を推定できるので、液圧シリンダに実推力とモータの回転速度の一方または両方を直接的に検知するためのセンサ類の設置が不要となって、シリンダ装置の製造コストを低減できる。

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。

図１は、一実施の形態におけるシリンダ装置の概念図である。 図２は、一実施の形態におけるシリンダ装置の流量と差圧の関係を示したモデル図である。 図３は、モータの回転速度をポンプの通過流量に対応させるとともに、モータのトルクを液体がポンプを通過する際の差圧（圧力損失）に対応させたグラフである。 図４は、モータの回転速度と出力可能なトルクの範囲を示す図である。 図５は、コントローラの構成を示した図である。 図６は、回生制御部の構成を示した図である。 図７は、推力制御部の構成を示した図である。 図８は、本実施の形態のシリンダ装置における目標推力に対する液圧シリンダの実推力との誤差と、一般的な比例積分制御による場合の目標推力に対する液圧シリンダの実推力との誤差とを比較した図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｐ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）Ｐ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）ｐ２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）ｐｍで除した比である絞り係数をＣｍとすると、下記式１が得られる。

ここで、Ｃ＝Ｃ２×Ｃｍ／（Ｃ２＋Ｃｍ）とおくと、式１は下記式２と書くことができる。

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Ｐ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、以下の式３が成立する。

式３を式２に代入してまとめると、以下の式４を得る。

そして、上記式４から理解できるように、流量Ｑおよび差圧Ｐ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。

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。

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Ｐであり、可変絞り弁Ｍにおける差圧（圧力損失）はｐｍ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×Ｃｍ／（Ｃ２＋Ｃｍ）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、下記式５を得る。

そして、上記式５から理解できるように、流量ｑ２および差圧Ｐ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ｐｍを変更することができる。

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ｐｍ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ｐｍ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。

以上のことを、流量Ｑおよび差圧Ｐ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る。

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。

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。

なお、図３の説明において流量Ｑおよび差圧Ｐ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。

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、各象限にて横軸に平行な直線と、直線に連なる曲線とで囲まれたハッチングで示した領域となる。なお、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。曲線もまた、その時の回転速度において発生可能な負担トルク領域と発生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。

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。

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。

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。

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回生制御部３０を備えている。

まず、回生制御部３０について説明すると、回生制御部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２０ｂが備えているので、モータ制御部２０ｂ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。

なお、回生制御部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。回生制御部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。回生制御部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。回生制御部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、回生制御部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。

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の動作点が発生不可能な負荷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可変絞り係数７の絞り係数を求める際に、液圧シリンダ１の推力の情報が必要となるので、回生制御部３０は、実推力検知部２５から推力を得て、回転速度とトルクに加えて推力に基づいて前記絞り係数を求めてもよい。

第１可変絞り弁制御部３１は、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。

以上のように、回生制御部３０は、モータ８の回転速度とトルクとを監視し、モータ８の動作点が発生不能な負荷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、回生制御部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。

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求めるスライディングモード制御部２１およびフィードフォワード制御部２２と、スライディングモード制御部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、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２４とを備えている。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。

スライディングモード制御部２１は、液圧シリンダ１の実推力とモータ８の回転速度を監視して、上位の制御装置から入力される推力指令と液圧シリンダ１の実推力との制御偏差を求め、スライディングモード制御によって、当該制御偏差から液圧シリンダ１に目標推力通りに推力を発生させるためにモータ８に与えるべき電流を求める。なお、液圧シリンダ１の実推力は、作動室Ｒ１の圧力を検知する圧力センサ２５ａと、作動室Ｒ２の圧力を検知する圧力センサ２５ｂ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２５ｃとを備えた実推力検知部２５からスライディングモード制御部２１に入力される。また、液圧シリンダ１が発生する実推力は、ロッド１０に設けられる荷重の検知によって把握できるので、実推力検知部２５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、モータ８の回転速度については、前述した通り、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。

また、推力制御部２０は、図示はしないが、実推力検知部２５やレゾルバ等のセンサに代えて、実際に液圧シリンダ１が出力している推力やモータ８の回転速度を検知するのではなく、液圧シリンダ１の実推力やモータ８の回転速度を推定する状態推定部を備えていてもよい。状態推定部は、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、また、サスペンションのストローク変位の情報からモータ８の回転速度を推定してもよい。このように状態推定部は、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や回転速度を推定してもよい。さらに、状態推定部は、液圧シリンダ１の実推力とモータ８の回転速度との双方を推定してもよい。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の実推力やモータ８の回転速度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の実推力やモータ８の回転速度を推定するオブザーバとされてもよい。

そして、電流指令生成部２０ａは実推力推定部が推定した実推力をフィードバックして目標電流を求めてもよい。モータ制御部２０ｂ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、電流指令に従ってモータ８の電流を制御可能であればよい。

本実施の形態のシリンダ装置Ａは、第１可変絞り弁６と第２可変絞り弁７の２つの弁の絞り係数を変更可能であって、回生制御部３０による回生電力を向上する制御が行われると、第１可変絞り弁６および第２可変絞り弁７のパラメータが変動してシリンダ装置Ａの特性が変化するシステムとなっている。スライディングモード制御理論は、非線形入力を用いて希望する動特性を制御系に与えるような超平面にシステムの状態量を拘束することでシステムに所望の動作をさせる非線形制御理論である。スライディングモード制御理論によって設計された制御器は、マッチング条件を満たす外乱やパラメータ変動を打ち消すような制御入力を出力するため、これらの影響を除去できる。また、マッチング条件を満たさないようなパラメータ変動に対しても、その上界値が限定される場合に適切な超平面を設計することで安定化できる。これらのことから、スライディングモード制御理論はパラメータ変動に対してロバスト性を向上させ得る制御理論と言え、前述したように回生制御によってパラメータが変動するシリンダ装置Ａの推力制御部２０の設計に適している。

推力制御部２０を設計する際は、希望する動特性を制御系に与えるような超平面にシリンダ装置Ａの状態量を拘束可能なスライディングモード制御部２１を設計すればよい。希望する動特性を制御系に与えるような超平面は、たとえば評価関数を用いて最適制御問題を解くことで設計すればよいが、他の方法を利用してもよい。

ここで、回生制御部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が、液圧シリンダ１の実推力をフィードバックして比例積分制御を行う一般的な制御器を用いてモータ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。これに対して、本実施の形態のシリンダ装置Ａでは、モータ８の制御にスライディングモード制御を行うスライディングモード制御部２１を備えており、スライディングモード制御を用いてモータ８を制御する。本実施の形態のシリンダ装置Ａでは、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もスライディングモード制御を行うことで、図８に示すように、一般的な液圧シリンダ１の推力をフィードバックする比例積分制御（ＰＩ制御）を行う場合に比較して、目標推力と液圧シリンダ１の実推力との最大誤差（図８中実線）が凡そ４分の１程度低減されるとともに、目標推力と液圧シリンダ１の実推力との誤差（図８中破線）の二乗平均平方根の値も３分の１程度に低減されることが判った。このように本実施の形態のシリンダ装置Ａでは、スライディングモード制御を行うことで、第１可変絞り弁６および第２可変絞り弁７の絞り係数が変化してもロバスト性の向上とともに目標推力に対する液圧シリンダ１の実推力の追従性能の悪化を抑制できる。

以上の通り、本実施の形態のシリンダ装置Ａでは、スライディングモード制御によってコントローラ１１が目標推力と実推力とモータ８の回転速度と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スライディングモード制御部２１を備えているので、回生制御部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の推力変動を低減できるとともに制御安定性を高めることができる。

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、スライディングモード制御部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。

加算部２３は、スライディングモード制御部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２４へ電流指令を入力する。

モータ制御部２４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２４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２４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。

なお、コントローラ１１は、実推力検知部２５における圧力センサ２５ａ，２５ｂ、モータ制御部２４における駆動回路および回生制御部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および回生制御部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。

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同士Ｒ１，Ｒ２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、スライディング制御を用いて液圧シリンダ１の目標推力と実推力とモータ８の回転速度とに基づいてモータ８のトルクを制御するスライディングモード制御部２１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および第２可変絞り弁７の絞り係数の変化が液圧シリンダ１の推力に与える影響を小さくするようにスライディングモード制御部２１の制御仕様を予め設計することができる。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および第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の特性が変化しても液圧シリンダ１の推力変動を低減できるとともに制御安定性を高めることができ、目標推力に対する追従性能の悪化を抑制できる。

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回生制御部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スライディングモード制御部２１による制御によって液圧シリンダ１の推力変動を抑制できるので、回生電力の向上と液圧シリンダ１の推力変動の抑制とを両立できる。

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スライディングモード制御部２１が求めた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、スライディングモード制御部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、スライディングモード制御部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。

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が液圧シリンダ１の実推力とモータ８の回転速度の一方または両方を推定する状態推定部を備えている場合には、液圧シリンダ１の状態量やその他の情報から実推力と回転速度の一方または両方を推定できるので、液圧シリンダ１に実推力とモータ８の回転速度の一方または両方を直接的に検知するためのセンサ類の設置が不要となって、シリンダ装置Ａの製造コストを低減できる。

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。

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・・・スライディングモード制御部、２２・・・フィードフォワード制御部、３０・・・回生制御部、Ｃ・・・シリンダ装置、Ｒ１，Ｒ２・・・作動室

Claims (4)

1. シリンダと、前記シリンダ内に移動自在に挿入されて前記シリンダ内を二つの作動室に区画するピストンと、互いに並列して前記作動室同士を連通する第１流路と第２流路と、前記第１流路の途中に設けられた第１可変絞り弁と、前記第２流路の途中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、
   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、スライディングモード制御を用いて前記液圧シリンダの目標推力と実推力と前記モータの回転速度とに基づいて前記モータのトルクを制御するスライディングモード制御部を有する
   ことを特徴とするシリンダ装置。
2. 前記コントローラは、
   前記モータが制動状態の場合に、前記第１可変絞り弁の絞り係数および前記第２可変絞り弁の絞り係数のいずれか一方または両方を前記モータの回生電力を高くするように制御する回生制御部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリンダ装置。
3. 前記コントローラは、前記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スライディングモード制御部が求めた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有し、前記スライディングモード制御部が求めた電流指令と前記フィードフォワード制御部が求めた前記加算電流指令とを加算して前記モータに供給すべき目標電流を指示する最終電流指令を生成する
   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。
4. 前記コントローラは、前記液圧シリンダの実推力と前記モータの回転速度の一方または両方を推定する状態推定部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリンダ装置。

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