JP5927879B2

JP5927879B2 - アクチュエータ制御装置

Info

Publication number: JP5927879B2
Application number: JP2011267936A
Authority: JP
Inventors: 康弘荒田; 真裕谷田; 林　光昭; 林　　光昭; 裕二志賀
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: JP2013121244A

Description

本発明は、アクチュエータ制御装置及び方法に関する。

近年では、次世代のアクチュエータとして、大推力を得られながら消費電力が小さく、且つ高精度な制御が可能な油圧式と電動式を組み合わせたハイブリッド方式のアクチュエータ（ハイブリッドアクチュエータ）が注目されている。例えば、下記特許文献１には、制御の安定性等の既存利点を損なうことなく、迅速な応答を実現するハイブリッドアクチュエータの制御手法が開示されている。また、下記特許文献２には、高周波領域での慣性抵抗の低減、省エネルギー化及びエネルギー回生を実現するハイブリッドアクチュエータの構成が開示されている。

特開２００１−２４１３８１号公報特開２００９−２５５７８５号公報

ハイブリッドアクチュエータを推力制御状態で作動させる場合、アクチュエータ推力を作用させるべき対象物の特性（弾性、粘性等）によって、アクチュエータ変位がその発生推力状態に応じて任意に変化する。従来では、このようなアクチュエータ変位が任意に変化する状態において、その推力制御を安定的に実現する手法が確立されていなかった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、ハイブリッド方式のアクチュエータを制御するに当たって、アクチュエータ変位の変化に影響されずに安定的な推力制御を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、アクチュエータ制御装置に係る第１の解決手段として、ハイブリッド方式のアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置であって、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを組み合わせて前記アクチュエータの推力を制御すると共に、前記アクチュエータの変位、速度或いは加速度の少なくとも１つに基づいてフィードバックゲインを設定する、という手段を採用する。

また、本発明では、アクチュエータ制御装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記アクチュエータが油圧シリンダ、油圧ポンプ及びサーボモータを備える場合、前記油圧シリンダの圧力検出結果に基づいて前記油圧シリンダの発生推力を算出し、前記油圧シリンダの発生推力と推力指令値との偏差に前記フィードバックゲインを乗算することでフィードバック指令値を算出し、前記油圧シリンダの速度に基づいてフィードフォワード指令値を算出し、前記フィードバック指令値と前記フィードフォワード指令値とを加算した値を最終的な要求指令値として算出し、前記要求指令値を前記油圧シリンダに発生させるためのモータ指令信号を前記サーボモータのドライバに出力する、という手段を採用する。

一方、本発明では、アクチュエータ制御方法に係る第１の解決手段として、ハイブリッド方式のアクチュエータを制御するアクチュエータ制御方法であって、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを組み合わせて前記アクチュエータの推力を制御すると共に、前記アクチュエータの変位、速度或いは加速度の少なくとも１つに基づいてフィードバックゲインを設定する、という手段を採用する。

本発明によれば、ハイブリッド方式のアクチュエータを制御するに当たって、アクチュエータ変位の変化に影響されずに安定的な推力制御を実現することができる。

本実施形態に係るアクチュエータ制御システムの概略構成図である。アクチュエータ制御装置４の推力制御動作を表すフローチャートである。アクチュエータ制御装置４の推力制御動作に関する補足説明図である。

図１は、本実施形態に係るアクチュエータ制御システムの概略構成図である。この図１に示すように、本実施形態に係るアクチュエータ制御システムは、油圧式と電動式を組み合わせたハイブリッド方式のアクチュエータ（以下、ハイブリッドアクチュエータと称す）１と、モータドライバ２と、信号変換・増幅器３と、アクチュエータ制御装置４とから構成されている。

ハイブリッドアクチュエータ１は、油圧シリンダ１１と、油圧ポンプ１２と、サーボモータ１３と、シャトル弁１４と、貯油タンク１５と、第１圧力センサ１６と、第２圧力センサ１７と、直線型センサ１８とから構成されている。さらに、上記の油圧シリンダ１１は、シリンダ１１ａ、ピストン１１ｂ及びロッド１１ｃから構成されている。

シリンダ１１ａは、作動流体として油を内部に収容する円筒状の部品である。ピストン１１ｂは、シリンダ１１ａの内部空間を２つの部屋（第１室Ｒ１、第２室Ｒ２）に分割すると共にシリンダ１１ａの内壁に沿って往復移動自在に収容された円盤状の部品である。ロッド１１ｃは、自身の中心軸線とピストン１１ｂの中心軸線とが一致するように一端がピストン１１ｂに固定された棒状の部品である。なお、ロッド１１ｃの他端は、シリンダ１１ａの第１室Ｒ１側から外側に貫通して、油圧シリンダ１１で発生する推力を作用させるべき対象物（図示省略）と連結されている。

油圧ポンプ１２は、例えば二方向吐出型の可変容量ポンプであり、入力軸がサーボモータ１３の回転軸に接続されていると共に、一方の吐出口が第１流路Ｌ１を介して油圧シリンダ１１の第１室Ｒ１に接続され、他方の吐出口が第２流路Ｌ２を介して油圧シリンダ１１の第２室Ｒ２に接続されている。なお、このような二方向吐出型の油圧ポンプ１２においては、入力軸の回転方向によって油の吐出方向（言い換えれば、どちらの吐出口から油が吐出されるか）が決定され、入力軸の回転数によって吐出流量が決定される。

サーボモータ１３は、例えばＡＣサーボモータであり、モータドライバ２から供給されるモータ駆動信号に応じて回転する回転軸を有している。前述のように、サーボモータ１３の回転軸は油圧ポンプ１２の入力軸に接続されているので、サーボモータ１３の回転方向及び回転数（回転速度）を制御することにより、油圧ポンプ１２による油の吐出方向及び吐出流量を任意に制御できる。

つまり、サーボモータ１３の回転方向及び回転数を制御することにより、油圧シリンダ１１の第１室Ｒ１と第２室Ｒ２の間に任意の圧力差を生じさせることができ、その結果、油圧シリンダ１１の推力を任意に制御できるようになる。なお、周知のように、サーボモータ１３にはエンコーダが内蔵されており、そのエンコーダの出力パルス信号はモータドライバ２にフィードバックされている。

シャトル弁１４は、一方が第１流路Ｌ１に接続され、他方が第２流路Ｌ２に接続された２つの入力ポートと、貯油タンク１５に連通する１つの出力ポートと、２つの入力ポートの圧力差に応じて入力ポート間を移動する弁体とを有しており、２つの入力ポートの圧力差が規定値以上となった場合に上記の弁体が低圧側に移動することで、高圧側の入力ポートと出力ポートとが連通し、高圧側の入力ポートに導入された油が出力ポートから貯油タンク１５へ排出される構成となっている。貯油タンク１５は、シャトル弁１４から排出される油を貯留するための容器である。

第１圧力センサ１６は、油圧シリンダ１１の第１室Ｒ１の内部圧力Ｐｒを検出し、その検出結果に応じた信号を信号変換・増幅器３に出力する。第２圧力センサ１７は、油圧シリンダ１１の第２室Ｒ２の内部圧力Ｐｈを検出し、その検出結果に応じた信号を信号変換・増幅器３に出力する。直線型センサ１８は、油圧シリンダ１１のピストン１１ｂの変位ｘを検出し、その検出結果に応じた信号を信号変換・増幅器３に出力する。

モータドライバ２は、アクチュエータ制御装置４から入力されるモータ指令信号（ＰＷＭ変調されたパルス信号）に応じてサーボモータ１３を駆動するためのモータ駆動信号（駆動電流）を生成してサーボモータ１３に出力する。なお、前述のように、モータドライバ２には、サーボモータ１３のエンコーダ出力がフィードバックされており、モータドライバ２において、モータ指令信号とエンコーダ出力との偏差がゼロとなるようにフィードバック制御が行われる。

信号変換・増幅器３は、第１圧力センサ１６、第２圧力センサ１７及び直線型センサ１８から入力される信号の変換及び増幅を行った後、それらの信号をアクチュエータ制御装置４に出力する。

アクチュエータ制御装置４は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やメモリ、入出力インターフェイス等が一体的に組み込まれたマイクロコントローラであり、第１圧力センサ１６、第２圧力センサ１７及び直線型センサ１８から信号変換・増幅器３を介して入力される信号に基づいて、ハイブリッドアクチュエータ１の推力（油圧シリンダ１１の推力）を推力指令値と一致させるためのモータ指令信号を生成してモータドライバ２に出力する。

次に、上記のように構成されたアクチュエータ制御システムの動作について、図２及び図３を参照しながら詳細に説明する。
アクチュエータ制御装置４は、図２（ａ）に示すメインルーチンに従ってハイブリッドアクチュエータ１の推力制御を実施する。この図２（ａ）に示すように、アクチュエータ制御装置４は、まず、ステップＳ１の処理として、第１圧力センサ１６、第２圧力センサ１７及び直線型センサ１８から信号変換・増幅器３を介して入力される信号を基に、油圧シリンダ１１（ピストン１１ｂ）の変位ｘ、油圧シリンダ１１の第１室Ｒ１の内部圧力Ｐｒ及び第２室Ｒ２の内部圧力Ｐｈの各検出値を取得する。

そして、アクチュエータ制御装置４は、ステップＳ２の処理であるフィードバック演算処理と、ステップＳ３の処理であるフィードフォワード演算処理とを並列的に実施する。具体的には、アクチュエータ制御装置４は、図２（ｂ）に示すサブルーチンに従ってフィードバック演算処理を実施し、図２（ｃ）に示すサブルーチンに従ってフィードフォワード演算処理を実施する。

図２（ｂ）に示すように、アクチュエータ制御装置４は、フィードバック演算処理におけるステップＳ２１の処理として、油圧シリンダ１１の変位ｘに基づいてフィードバックゲインＧを設定する。ここで、フィードバックゲインＧは、図３（ａ）に示すように、油圧シリンダ１１の変位ｘに比例する値で設定しても良い。

なお、図３（ｂ）に示すように、油圧シリンダ１１の変位ｘがｘ１からｘ２に変化する時、油圧シリンダ１１の第２室Ｒ２の圧力変化量ΔＰは、下記（１）式で表される。
ΔＰ＝Ｋ・ΔＶ／Ｖｐ＝Ｋ・Ｑ／Ｖｐ・・・（１）
上記（１）式において、Ｋは体積弾性係数、ΔＶは第２室Ｒ２の体積変化量、Ｖｐは油圧ポンプ１２の押し退け容積、Ｑは油圧ポンプ１２の吐出流量（Ｑ＝Ｖｐ・ｎ＝ΔＶ；ｎはサーボモータ１３の回転数）である。ここで、圧力Ｐ１＝Ｐ２＝一定とすると、Ｖ→Ｑの場合、Ｐ１＝Ｋ・Ｑ／Ｖｐとなり、２Ｖ→２Ｑの場合、Ｐ２＝Ｋ・２Ｑ／Ｖｐ＝２Ｐ１となる。

そして、アクチュエータ制御装置４は、フィードバック演算処理におけるステップＳ２２の処理として、油圧シリンダ１１の変位ｘ、油圧シリンダ１１の第１室Ｒ１の内部圧力Ｐｒ及び第２室Ｒ２の内部圧力Ｐｈ、ピストン１１ｂの第１室Ｒ１側の受圧面積Ａｒ及び第２室Ｒ２側の受圧面積Ａｈに基づいて、現在、油圧シリンダ１１に発生している推力（シリンダ発生推力）ｆａを算出する（図３（ｃ）参照）。

具体的には、アクチュエータ制御装置４は、例えば変位ｘ＞０の場合、ピストン１１ｂの第１室Ｒ１側の受圧面積Ａｒ（ｍ^２）及び第１室Ｒ１の内部圧力Ｐｒ（ＭＰａ）を含む下記（２）式に基づいて、シリンダ発生推力ｆａ（ｋＮ）を算出する。
ｆａ＝−Ａｒ・Ｐｒ・１０^６／１０００・・・（２）
また、アクチュエータ制御装置４は、例えば変位ｘ＜０の場合、ピストン１１ｂの第２室Ｒ２側の受圧面積Ａｈ（ｍ^２）及び第２室Ｒ２の内部圧力Ｐｈ（ＭＰａ）を含む下記（３）式に基づいて、シリンダ発生推力ｆａ（ｋＮ）を算出する。
ｆａ＝Ａｈ・Ｐｈ・１０^６／１０００・・・（３）

そして、アクチュエータ制御装置４は、フィードバック演算処理におけるステップＳ２３の処理として、推力指令値ｆｃ（ｋＮ）と上記ステップＳ２２にて算出したシリンダ発生推力ｆａとの偏差Δｆ（＝ｆｃ−ｆａ）を算出する。なお、推力指令値ｆｃは、予めアクチュエータ制御装置４に設定されている値でも良いし、或いは外部の上位制御装置から指示される値でも良い。

そして、アクチュエータ制御装置４は、フィードバック演算処理におけるステップＳ２４の処理として、上記ステップＳ２１にて設定したフィードバックゲインＧと、上記ステップＳ２３にて算出した推力偏差Δｆとからフィードバック指令値Ｆｂを算出する。例えば、変位ｘ＞０の場合に設定したフィードバックゲインＧをＧ１とすると、Ｆｂ＝Ｇ１・Δｆとなり、変位ｘ＜０の場合に設定したフィードバックゲインＧをＧ２とすると、Ｆｂ＝Ｇ２・Δｆとなる。

一方、図２（ｃ）に示すように、アクチュエータ制御装置４は、フィードフォワード演算処理におけるステップＳ３１の処理として、油圧シリンダ１１の変位ｘを微分することにより、油圧シリンダ１１の速度（ピストン１１ｂの移動速度）を算出する。

そして、アクチュエータ制御装置４は、フィードフォワード演算処理におけるステップＳ３２の処理として、油圧シリンダ１１の変位ｘ、上記ステップＳ３１にて算出したシリンダ速度（ｄｘ／ｄｔ）、ピストン１１ｂの第１室Ｒ１側の受圧面積Ａｒ及び第２室Ｒ２側の受圧面積Ａｈ、油圧ポンプ１２の押し退け容積Ｖｐ、サーボモータ１３の最大回転数Ｎｍａｘに基づいて、フィードフォワード指令値（速度偏差）Ｆｆを算出する（図３（ｃ）参照）。

具体的には、アクチュエータ制御装置４は、例えば変位ｘ＞０の場合、ピストン１１ｂの第１室Ｒ１側の受圧面積Ａｒ（ｍ^２）、シリンダ速度ｄｘ／ｄｔ、油圧ポンプ１２の押し退け容積Ｖｐ（ｍ^３／ｒｅｖ）及びサーボモータ１３の最大回転数Ｎｍａｘ（ｒｐｍ）を含む下記（４）式に基づいて、フィードフォワード指令値Ｆｆを算出する。
Ｆｆ＝Ａｒ・（ｄｘ／ｄｔ）／Ｖｐ・６０／Ｎｍａｘ・・・（４）
また、アクチュエータ制御装置４は、例えば変位ｘ＜０の場合、ピストン１１ｂの第２室Ｒ２側の受圧面積Ａｈ（ｍ^２）、シリンダ速度ｄｘ／ｄｔ、油圧ポンプ１２の押し退け容積Ｖｐ（ｍ^３／ｒｅｖ）及びサーボモータ１３の最大回転数Ｎｍａｘ（ｒｐｍ）を含む下記（５）式に基づいて、フィードフォワード指令値Ｆｆを算出する。
Ｆｆ＝Ａｈ・（ｄｘ／ｄｔ）／Ｖｐ・６０／Ｎｍａｘ・・・（５）

アクチュエータ制御装置４は、上記のようなサブルーチンの実施によってフィードバック指令値Ｆｂとフィードフォワード指令値Ｆｆを算出すると、図２（ａ）のメインルーチンに戻り、メインルーチンにおけるステップＳ４の処理として、フィードバック指令値Ｆｂとフィードフォワード指令値Ｆｆとを加算することにより、最終的な要求指令値Ｆ（＝Ｆｂ＋Ｆｆ）を算出する。なお、要求指令値Ｆを算出するには、フィードフォワード指令値Ｆｆが無次元であるので、フィードバック指令値Ｆｂも無次元とする必要がある。フィードバック指令値Ｆｂの推力偏差Δｆの単位は「ｋＮ」であるので、この単位を無次元化するようにフィードバックゲインＧの単位を設定すれば良い。

そして、アクチュエータ制御装置４は、メインルーチンにおけるステップＳ５の処理として、上記ステップＳ４にて算出した要求指令値Ｆを油圧シリンダ１１に発生させるためのモータ指令信号（つまり、油圧シリンダ１１の発生推力を推力指令値と一致させるためのモータ指令信号）を生成してモータドライバ２に出力する。以上のようなメインルーチンの各処理をアクチュエータ制御装置４が一定周期で繰り返し実施することにより、油圧シリンダ１１の発生推力は推力指令値に維持されることになる。

油圧シリンダ１１の発生推力（圧力）の変化は、油圧シリンダ１１の動作（速度）に相当する油圧シリンダ１１の吐出流量（シリンダ吐出流量）と、サーボモータ１３の回転状態から決定される油圧ポンプ１２の吐出流量（ポンプ吐出流量）とのバランスにより決定される。すなわち、シリンダ吐出流量＞ポンプ吐出流量の場合にはシリンダ発生推力（圧力）が上昇し、シリンダ吐出流量＜ポンプ吐出流量の場合にはシリンダ発生推力（圧力）が低下し、シリンダ吐出流量＝ポンプ吐出流量の場合にはシリンダ発生推力（圧力）が現状に維持される、という動作となるため、シリンダ発生推力のフィードバック制御の演算出力は、シリンダ吐出流量と同等のポンプ吐出流量を発生させるモータ回転速度を基準とするのが望ましい。

従って、制御演算出力であるモータ回転速度指令値は、シリンダ推力偏差に基づくフィードバック制御演算出力に、シリンダ速度からシリンダ吐出流量を推定して、その流量と同等のポンプ吐出流量を発生させるモータ回転速度を加えた値とする。また、フィードバックゲインＧの最適値は、油圧シリンダ１１の変位ｘに応じて異なるため、その値を油圧シリンダ１１の変位ｘに応じて設定する機能を持たせることにより、アクチュエータ変位の変化に影響されずに安定的な推力制御を実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
例えば、上記実施形態では、油圧シリンダ１１、油圧ポンプ１２及びサーボモータ１３を備えるハイブリッドアクチュエータ１を例示したが、作動流体として油以外の流体の圧力にて作動する液圧或いは気圧シリンダとサーボモータ１３とのハイブリッド方式としても良い。また、サーボモータ１３の代わりに他方式のモータを使用しても良い。
また、上記実施形態では、油圧シリンダ１１の変位に基づいてフィードバックゲインを設定する場合を例示したが、システムに要求される性能に応じて、油圧シリンダ１１の変位、速度或いは加速度のどの値に基づいてフィードバックゲインを設定すれば最適なのかが変化するため、システムに要求される性能に応じて、油圧シリンダ１１の変位、速度或いは加速度の少なくとも１つに基づいてフィードバックゲインを設定することが望ましい。

１…ハイブリッドアクチュエータ、２…モータドライバ、３…信号変換・増幅器、４…アクチュエータ制御装置、１１…油圧シリンダ、１２…油圧ポンプ、１３…サーボモータ、１４…シャトル弁、１５…貯油タンク、１６…第１圧力センサ、１７…第２圧力センサ、１８…直線型センサ、１１ａ…シリンダ、１１ｂ…ピストン、１１ｃ…ロッド

Claims

ハイブリッド方式のアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置であって、
フィードバック制御とフィードフォワード制御とを組み合わせて前記アクチュエータの推力を制御すると共に、前記アクチュエータの変位、速度或いは加速度の少なくとも１つに基づいてフィードバックゲインを設定し、
前記アクチュエータが油圧シリンダ、油圧ポンプ及びサーボモータを備える場合には、
前記油圧シリンダの圧力検出結果に基づいて前記油圧シリンダの発生推力を算出し、
前記油圧シリンダの発生推力と推力指令値との偏差に前記フィードバックゲインを乗算することでフィードバック指令値を算出し、
前記油圧シリンダの速度に基づいてフィードフォワード指令値を算出し、
前記フィードバック指令値と前記フィードフォワード指令値とを加算した値を最終的な要求指令値として算出し、
前記要求指令値を前記油圧シリンダに発生させるためのモータ指令信号を前記サーボモータのドライバに出力することを特徴とするアクチュエータ制御装置。