JP5444934B2

JP5444934B2 - 電磁アクチュエータシステムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP5444934B2
Application number: JP2009190730A
Authority: JP
Inventors: 康山本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: JP2011044526A

Description

本発明は、電磁アクチュエータシステムおよびその制御方法に関し、更に詳しくは、非線形な推力特性を持つ電磁アクチュエータであっても、ほぼ線形な推力特性を持つ電磁アクチュエータとして制御することが可能な電磁アクチュエータシステムおよびその制御方法に関するものである。

電磁石やリニアモータ等のような電磁アクチュエータは、電気エネルギーを機械的な運動に変換させる電磁機能部品であり、その可動部に結合された外部機構（負荷）を駆動するものである。

図９は電磁石アクチュエータ５０ａの断面図を示し、図１０はその推力特性を示している。また、図１１は可動磁石型電磁アクチュエータ５０ｂの断面図を示し、図１２はその推力特性を示している。いずれのアクチュエータもその基本構成は、図９および図１１に示すように、プランジャ（可動部）５１の周囲にソレノイドコイル５２を配置するというものであり、図１０および図１２に示すように、ストロークに対する推力Ｔの変動が大きいという問題がある。このため、このような電磁アクチュエータを使い、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御等のような位置制御や力制御を行うと、推力が高いストローク位置ではオーバーシュートが生じ易く、逆に推力が低いストローク位置では推力不足で動きが遅くなる等の問題がある。

そこで、例えば電空比例弁のような厳密な位置制御性が要求される装置では、電磁石の形状を工夫するなどの対策がとられている。図１３は比例ソレノイド５０ｃの断面図を示し、図１４はその推力特性を示している。図１４の符号Ａは比例ソレノイドの測定結果、Ｂは普通の電磁石の測定結果を示している。この比例ソレノイド５０ｃでは、図１３に示すように、使用するストロークの範囲内で電磁石の推力Ｔがほぼ一定となるように電磁石の形状を工夫している。しかし、この場合でも、図１４に示すように、推力を一定に保持できるストロークの範囲Ｃは、ストローク可能な範囲の一部（一般に３〜４割程度）であり、アクチュエータとしての効率が充分とは言えない。また、推力特性のばらつきを抑えるために高い加工精度が要求されるためアクチュエータが高価となるという問題もある。

また、推力の変動に対する他の対策として、可動体の移動量をセンサにより検出し、その検出結果と、予め設定された推力または変位の目標値とを比較することにより、補償された制御信号を生成して可動体の動作を制御する差動式電磁ソレノイドもある（例えば特許文献１参照）。

特開平６−８４６３５号公報

本発明の目的は、非線形な推力特性を持つ電磁アクチュエータであっても、ほぼ線形な電磁アクチュエータとして制御することが可能な電磁アクチュエータシステムおよびその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の電磁アクチュエータシステムは、可動体の周囲に配置されたソレノイドコイルに電力を供給することにより前記可動体を駆動する電磁アクチュエータシステムであって、前記可動体のストロークを検出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号に基づいて前記ソレノイドコイルへの供給電力を調整して前記可動体の推力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記制御手段に予め記憶された、前記可動体の各ストローク位置それぞれでの最大推力を示す特性線図または前記最大推力の近似関数を用いて前記検出手段により検出された現在の可動体のストローク位置からこのストローク位置における前記最大推力を算出し、その算出されたこのストローク位置における前記最大推力と、前記可動体の要求推力との比にこのストローク位置における最大推力発生時の電流値を乗じた値を制御出力とし、使用ストローク範囲全域で一定の推力の線形の電磁アクチュエータとして制御するように構成される。

また、上記の目的を達成するための本発明の電磁アクチュエータシステムの制御方法は、可動体の周囲に配置されたソレノイドコイルに電力を供給することにより前記可動体を駆動し、前記可動体のストロークを検出する検出手段と、該検出手段からの検出信号に基づいて前記ソレノイドコイルへの供給電力を調整して前記可動体の推力を制御する制御手段とを備えた電磁アクチュエータシステムの制御方法であって、前記可動体の要求推力を設定するステップと、前記制御手段に予め記憶された、前記可動体の各ストローク位置それぞれでの最大推力を示す特性線図または前記最大推力の近似関数を用いて前記検出手段により検出された現在の可動体のストローク位置からこのストローク位置における前記最大推力を算出するステップと、この算出されたこのストローク位置における前記最大推力と、前記可動体の要求推力との比を計算し、その比にこのストローク位置における最大推力発生時の電流値を乗じた値を制御出力とし、使用ストローク範囲全域で一定の推力の線形の電磁アクチュエータとして制御するステップとを有するものである。

本発明の電磁アクチュエータシステムによれば、非線形な推力特性を持つ電磁アクチュエータであっても、ほぼ線形な電磁アクチュエータとして制御することができる。このため、位置制御性を向上させることができる。また、力制御を行うことができる。また、比例制御可能なストロークを長くすることができる。

本発明の一実施の形態の電磁アクチュエータシステムの構成図である。図１の電磁アクチュエータの最大推力特性線図の一例を示すグラフ図である。制御手段の制御出力の計算手順を示した図である。制御手段に予め記憶された電磁アクチュエータの最大推力特性線図である。図３のステップ１０２で作成された推力比のグラフ図である。図３のステップ１０２で作成された制御電流のグラフ図である。電磁アクチュエータの実際のストロークと推力との関係を示したグラフ図である。図１の電磁アクチュエータシステムを用いた電磁アクチュエータの上下限カットされた推力特性と、従来の比例ソレノイドの推力特性とを比較して示したグラフ図である。従来の電磁石アクチュエータの断面図である。図９の電磁石アクチュエータの推力特性を示すグラフ図である。従来の可動磁石型電磁アクチュエータの断面図である。図１１の可動磁石型電磁アクチュエータの推力特性を示すグラフ図である。従来の比例ソレノイドの断面図である。図１３の比例ソレノイドの推力特性を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態の電磁アクチュエータシステムおよびその制御方法について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本実施の形態の電磁アクチュエータシステムの構成図である。

本実施の形態の電磁アクチュエータシステム１は、電磁アクチュエータ２の可動体３の周囲に配置されたソレノイドコイル４に電力を供給することで発生した磁界（磁束）により可動体３を駆動する電磁機能システムである。

電磁アクチュエータ２は、ソレノイドコイル４に供給される電力（電流、電圧）に比例して可動体３を図１の左右方向に直線運動させる比例ソレノイドであり、例えば流量制御や圧力制御を行う比例制御弁またはＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御を行う電空比例弁のアクチュエータとして使用される。可動体３の位置は、ソレノイドコイル４に供給される電力（電流、電圧）の大きさにより任意に制御される。

電磁アクチュエータ２の可動体３は、プランジャ３ａと、シャフト３ｂとを有している。プランジャ３ａは、可動磁極を構成する部材であり、ソレノイドコイル４への通電により発生した磁界（磁束）によりベース部（固定磁極）５との間に作用する吸引力によって、ベース部５に向かって軸方向に沿って移動する。

また、シャフト３ｂは、変位伝達部材であり、ソレノイドコイル４の中心軸上であってプランジャ３ａの軸方向一端面に接続されていてプランジャ３ａの移動に伴い図１の推力Ｔの方向に移動する。このシャフト３ｂの一端は電磁アクチュエータ２のケースの外部に突出しており、その突出端には外部機構（負荷）が結合される。

ソレノイドコイル４への通電を継続するとプランジャ３ａはベース部５に吸着した状態を保つが、ソレノイドコイル４への通電を遮断すると、シャフト３ｂに結合している外部機構または復旧バネの力で元の位置に引き戻される。

また、シャフト３ｂの突出端には接続部材８を介してストローク検出器（検出手段）９が機械的に接続されている。ストローク検出器９は、可動体３のストローク位置を検出するセンサである。本実施の形態では、ストローク検出器９として接触型が使用されているが、無接触型を使用しても良い。接触型を用いた場合は構造が簡単で組み立ても容易である。無接触型を用いた場合は、無接触なので摩耗の問題がなく耐久性が高く、ノイズの発生もほとんどない。ストローク検出器９はコントローラ（制御手段）１０に電気的に接続されており、ストローク検出器９で検出されたストローク位置は電気信号に変換されてコントローラ１０に伝送される。

コントローラ１０は、電磁アクチュエータシステム１の全体の動作を制御する部分であり、マイクロプロセッサのような制御および演算を行う回路部と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のような情報を記憶する回路部とを有している。

コントローラ１０は、ストローク検出器９で検出されたストローク位置の情報に基づいて、後述のようにして制御電流（制御出力、制御信号）を生成し、その制御電流によって駆動回路１１を制御することにより、ソレノイドコイル４への供給電力を調整して可動体３の推力を制御する。これにより、非線形な推力特性を持つ電磁アクチュエータ２であっても、ほぼ線形な電磁アクチュエータ２として制御することができる。したがって、電磁アクチュエータ２の効率を向上させることができる。また、推力特性のばらつきを抑えるための高精度な加工を要しないので電磁アクチュエータ２が高価となることもない。

図２は、図１の電磁アクチュエータ２の最大推力特性線図の一例を示すグラフ図である。横軸はプランジャギャップ距離（ストローク位置）、縦軸はソレノイド推力を示している。このような電磁アクチュエータ２の可動体３の各ストローク位置での最大推力の特性線図はコントローラ１０のＲＯＭに記憶されている。

次に、本実施の形態の電磁アクチュエータシステム１の制御方法について図３に沿って図４〜図７を参照しながら説明する。

図３はコントローラ１０の制御電流（制御出力、制御信号）の計算手順（フロー）を示した図である。まず、コントローラ１０は、電磁アクチュエータ２に要求される推力を設定する（図３のステップ１００）。設定は、コントローラ１０が計算によって行っても良いし、入力装置を通じてコントローラ１０に要求推力を入力しても良い。図４はコントローラ１０のＲＯＭに記憶された電磁アクチュエータ２の最大推力特性線図である。この電磁アクチュエータ２の最大推力特性線図は可動体３の各ストローク位置における最大推力を示したものである。図４においては、要求推力を、全ストローク域において一定の推力（値Ｔｎ）としたい場合を例示している。

続いて、コントローラ１０は、ＲＯＭに予め記憶された電磁アクチュエータ２の最大推力特性線図を用いて、ストローク検出器９により検出された可動体３の現在（実際）のストローク位置から可動体３の最大推力を逆算する（図３のステップ１０１）。図４には、ストロークが位置Ｘ１のときの最大推力の値Ｔ１が例示されている。電磁アクチュエータ２の最大推力特性線図に代えて、電磁アクチュエータ２の最大推力の近似関数を用いても良い。

続いて、コントローラ１０は、ステップ１０１で算出された可動体３の最大推力と、上記した可動体３の要求推力との比を計算する。図５は作成された推力比のグラフ図である。可動体３のストロークが位置Ｘ１のときの推力比の値Ｔｎ／Ｔ１が例示されている。

続いて、コントローラ１０は、その推力比に最大推力発生時の電流値（＝Ｉmax）を乗じた値を制御電流（制御出力、制御信号）とする（図３のステップ１０２）。図６は作成された制御電流のグラフ図である。可動体３のストロークが位置Ｘ１のときの制御電流Ｉ１が例示されている。制御電流Ｉ１＝（Ｔｎ×Ｉmax）／Ｔ１である。

続いて、コントローラ１０は、上述のようにして生成された制御電流により駆動回路１１を制御する。これにより、駆動回路１１はその時々で適切な電力をソレノイドコイル４に供給する。図７は電磁アクチュエータ２の実際のストロークと推力との関係を示したグラフ図である。実際の電磁アクチュエータ２において可動体３の推力を一定にすることができる。

このように、本実施の形態の電磁アクチュエータシステム１によれば、非線形な推力特性を持つ電磁アクチュエータ２であっても、使用ストローク範囲全域で一定の推力の電磁アクチュエータ２として制御することができる。すなわち、非線形な推力特性を持つ電磁アクチュエータ２であっても、ほぼ線形な電磁アクチュエータ２として制御することができる。

また、必要な場合は、比例性は失われるものの電磁アクチュエータ２の最大推力を発生させることも可能である。その場合、最大推力と要求推力との比を０〜１の範囲（正逆駆動可能な電磁アクチュエータの場合は、−１〜１の範囲）で上下限カットするだけで良い。

図８は本実施の形態の電磁アクチュエータシステム１を用いた電磁アクチュエータ２の上下限カットされた推力特性と、従来の比例ソレノイドの推力特性とを比較して示したグラフ図である。破線は比例ソレノイドの推力特性を示している。

本実施の形態の電磁アクチュエータシステム１を用いた電磁アクチュエータ２においては、比例制御可能な範囲Ｌ１を、同サイズの比例ソレノイドの比例制御範囲Ｌ０に比べて長くすることができる。すなわち、例えば同じ推力を得た場合は、ストローク範囲を広くすることができる。また、同じストローク（比例制御範囲Ｌ２）を得た場合は、高い推力を得ることができる。

また、非線形な推力特性を持つ電磁アクチュエータ２であっても、ほぼ線形な電磁アクチュエータ２として制御できるので、電磁アクチュエータ２の位置制御性を向上させることができる。また、力制御を行うことができる。

本発明の電磁アクチュエータシステムおよびその制御方法は、非線形の推力特性を持つ電磁アクチュエータであっても、ほぼ線形の推力特性を持つ電磁アクチュエータとして制御することができるので、例えば自動車の機構部における電磁アクチュエータシステムおよび自動車の機構部における電磁アクチュエータシステムの制御方法に利用できる。

１電磁アクチュエータシステム
２電磁アクチュエータ
３可動体
３ａプランジャ
３ｂシャフト
４ソレノイドコイル
９ストローク検出器（検出手段）
１０コントローラ（制御手段）

Claims

可動体の周囲に配置されたソレノイドコイルに電力を供給することにより前記可動体を駆動する電磁アクチュエータシステムであって、
前記可動体のストロークを検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号に基づいて前記ソレノイドコイルへの供給電力を調整して前記可動体の推力を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記制御手段に予め記憶された、前記可動体の各ストローク位置それぞれでの最大推力を示す特性線図または前記最大推力の近似関数を用いて前記検出手段により検出された現在の可動体のストローク位置からこのストローク位置における前記最大推力を算出し、その算出されたこのストローク位置における前記最大推力と、前記可動体の要求推力との比にこのストローク位置における最大推力発生時の電流値を乗じた値を制御出力とし、
使用ストローク範囲全域で一定の推力の線形の電磁アクチュエータとして制御するように構成された電磁アクチュエータシステム。
可動体の周囲に配置されたソレノイドコイルに電力を供給することにより前記可動体を駆動し、前記可動体のストロークを検出する検出手段と、該検出手段からの検出信号に基づいて前記ソレノイドコイルへの供給電力を調整して前記可動体の推力を制御する制御手段とを備えた電磁アクチュエータシステムの制御方法であって、
前記可動体の要求推力を設定するステップと、
前記制御手段に予め記憶された、前記可動体の各ストローク位置それぞれでの最大推力を示す特性線図または前記最大推力の近似関数を用いて前記検出手段により検出された現在の可動体のストローク位置からこのストローク位置における前記最大推力を算出するステップと、
この算出されたこのストローク位置における前記最大推力と、前記可動体の要求推力との比を計算し、その比にこのストローク位置における最大推力発生時の電流値を乗じた値を制御出力とし、使用ストローク範囲全域で一定の推力の線形の電磁アクチュエータとして制御するステップとを有する電磁アクチュエータシステムの制御方法。