JP5929628B2

JP5929628B2 - アクティブダンパー

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Publication number: JP5929628B2
Application number: JP2012182299A
Authority: JP
Inventors: 康弘荒田; 林　光昭; 林　　光昭
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: JP2014040129A

Description

本発明は、アクティブダンパーに関する。

周知の通り、アクティブダンパーは、アクチュエータを動的に制御することによって衝撃の緩和や振動の抑制（制振）を行うものであり、車両に用いられるサスペンションや、プレス機に用いられるダイクッション装置などの各種装置に応用されている。一般的なアクティブダンパーは、制振対象物と支持架台との間に介装された油圧シリンダと、油圧シリンダへ作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプを駆動するポンプモータと、ポンプモータを制御するコントローラとを備えている（下記特許文献１及び２参照）。

特開２０００−２６４０３３号公報特開２００９−１９６５９７号公報

上記特許文献１の技術は、油圧ポンプを介することによって、モータトルクを油圧シリンダ推力として発生させて、アクチュエータによる制御力を発生させる方式であるが、ポンプモータの応答が追従する比較的低周波領域に対しては有効に作用するが、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域に対しては有効な制御力が発生できない問題がある。

アクチュエータの機能としては、有効な制御力をバネ上質量に作用させる一方で、バネ下質量の振動を上部に伝達させない特性であることが理想的であるが、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域では、バネ下からバネ上への振動伝達要素として作用してしまい、バネ上質量側の振動を増大させてしまう可能性がある。この特許文献１の技術の欠点を補うものとして特許文献２の技術が挙げられるが、ポンプモータの回転制御に加えて可変絞りの制御が必要となり、また、可変絞りにより生じる制御力は全て損失となってしまう。

以上の問題点を解決する手法として、油圧シリンダと油圧ポンプとを結ぶ作動油流路にアキュムレータを接続する構成が挙げられる。この構成によると、ポンプモータの回転制御で追従可能な低周波領域の振動成分は、バネ上側（制振対象物）への制御力として作用させる一方、ポンプモータの回転制御で追従できない高周波領域の振動成分はアキュムレータで吸収できるので、従来のように余計な制御や無駄な損失を増やすことなく、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域においてバネ下（支持架台）からバネ上（制振対象物）への振動伝達を抑制することが可能となる。

油圧シリンダの制御手法としては、油圧シリンダの推力指令値と推力検出値との偏差に制御ゲインを乗算することにより、ポンプモータの回転速度指令値を算出する手法が挙げられるが、アキュムレータの圧力Ｐと油体積Ｖの特性（Ｐ−Ｖ特性）は、強い非線形性を有するため、上記の制御ゲインを一定とすると、圧力Ｐの変化に対してループゲインが変動してしまい、制御性（応答性）が低下してしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来のように余計な制御や無駄な損失を増やすことなく、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域においてバネ下（支持架台）からバネ上（制振対象物）への振動伝達を抑制しつつ、アキュムレータの圧力変化に対するループゲインの変動を抑制して制御性の向上を図ることの可能なアクティブダンパーを提供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、アクティブダンパーに係る第１の解決手段として、制振対象物と支持架台との間に介装された油圧シリンダと、前記油圧シリンダへ作動油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動するポンプモータと、前記油圧シリンダと前記油圧ポンプとを結ぶ作動油流路に接続されたアキュムレータと、前記油圧シリンダの推力指令値と推力現在値との偏差に制御ゲインを乗算して前記ポンプモータの回転速度指令値を算出する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記アキュムレータの圧力現在値が大きいほど、前記制御ゲインを小さな値に設定する、という手段を採用する。

また、本発明では、アクティブダンパーに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記制御装置は、前記油圧シリンダの推力指令値と推力現在値との偏差を算出する偏差算出部と、前記偏差に前記制御ゲインを乗算して前記ポンプモータの回転速度指令値を算出する制御ゲイン乗算部と、前記回転速度指令値を前記油圧ポンプの吐出流量に換算する流量換算部と、前記油圧ポンプの吐出流量と前記油圧シリンダの吐出流量とを加算する流量加算部と、前記流量加算部から得られる加算値を積分することで前記アキュムレータの油体積現在値を算出する油体積算出部と、予め求めておいた前記アキュムレータの圧力と油体積の特性に基づいて、前記油体積現在値に対応する前記圧力現在値を得る圧力演算部と、前記圧力現在値を前記推力現在値に換算して前記偏差算出部に出力する推力換算部と、前記圧力現在値が大きいほど、前記制御ゲイン乗算部にて使用される前記制御ゲインを小さな値に設定する制御ゲイン設定部とを備える、という手段を採用する。

また、本発明では、アクティブダンパーに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記制御装置は、上位制御装置から入力される減衰力指令値に対して自重支持負担分に相当する荷重を加算することで前記推力指令値を算出する、という手段を採用する。

本発明によれば、油圧シリンダと油圧ポンプとを結ぶ作動油流路にアキュムレータを接続する構成を採用すると共に、アキュムレータの圧力現在値が大きいほど、前記制御ゲインを小さな値に設定するので、従来のように余計な制御や無駄な損失を増やすことなく、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域においてバネ下（支持架台）からバネ上（制振対象物）への振動伝達を抑制しつつ、アキュムレータの圧力変化に対するループゲインの変動を抑制して制御性の向上を図ることが可能となる。

本実施形態に係るアクティブダンパー１の概略構成図である。コントローラ１８の機能ブロック図（ａ）と、アキュムレータ１５のＰ−Ｖ特性図（ｂ）と、制御ゲインＧとアキュムレータ１５の圧力Ｐとの対応関係を示す図（ｃ）である。本実施形態の第１の変形例を示す図である。本実施形態の第２の変形例を示す図である。本実施形態の第３の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るアクティブダンパー１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ティブダンパー１は、制振対象物２と支持架台３との間に介装された油圧シリンダ１１にて発生する推力を動的に制御することで制振対象物２の振動抑制（制振）を実現するものであり、油圧シリンダ１１、油圧ポンプ１２、貯油タンク１３、ポンプモータ１４、アキュムレータ１５、モータドライバ１６、パルスジェネレータ１７及びコントローラ１８から構成されている。

このアクティブダンパー１の用途を例えば車両用サスペンションと想定すると、制振対象物２は車体（バネ上質量Ｍ）であり、支持架台３はタイヤの支持アーム（バネ下質量ｍ）である。また、図中の振動源は路面であり、この路面と支持架台３との間に介在するバネ要素４はタイヤである。さらに、制振対象物２（車体）と支持架台３（支持アーム）との間に介装されたバネ要素５はスプリングコイルであり、減衰要素６は例えばガス封入式のダンパーである。

油圧シリンダ１１は、制振対象物２と支持架台３との間に介装され、油圧によって制振対象物２の制振制御に必要な推力を発生するものであり、シリンダ１１ａ、ピストン１１ｂ及びロッド１１ｃを備えている。シリンダ１１ａは、作動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。作動油は第２室Ｒ２に収容される。

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。このロッド１１ｃの他端は、シリンダ１１ａの第２室Ｒ２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制振対象物２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容量ポンプであり、入力軸がポンプモータ１４の回転軸に接続されていると共に、一方の吐出口が作動油流路Ｌ１を介して油圧シリンダ１１の第２室Ｒ２に接続され、他方の吐出口が排出流路Ｌ２を介して貯油タンク１３に接続されている。この油圧ポンプ１２は、入力軸の回転方向によって作動油の吐出方向（言い換えれば、どちらの吐出口から作動油が吐出されるか）が決定され、入力軸の回転速度（回転数）によって吐出流量が決定される。貯油タンク１３は、油圧ポンプ１２から排出される作動油を貯留するための容器である。

ポンプモータ１４は、例えばＡＣサーボモータであり、モータドライバ１６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、ポンプモータ１４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、ポンプモータ１４の回転方向及び回転速度を制御することにより、油圧ポンプ１２による作動油の吐出方向及び吐出流量を任意に制御できる。つまり、ポンプモータ１４の回転方向及び回転速度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にて発生する推力（制振対象物２に作用する力）を任意に制御できるようになる。

アキュムレータ１５は、油圧シリンダ１１と油圧ポンプ１２とを結ぶ作動油流路Ｌ１の途中（油圧シリンダ１１に近い位置が好ましい）に接続された蓄圧器である。このアキュムレータ１５は、窒素ガスが封入されたゴム膜を本体内部に備えており、作動油流路Ｌ１の圧力が窒素ガス封入圧力より高くなると、ゴム膜が圧縮されて作動油を内部に蓄積し、作動油流路Ｌ１の圧力が窒素ガス封入圧力より低くなると、ゴム膜の膨張によって作動油を放出するものである。

モータドライバ１６は、コントローラ１８から入力される回転速度指令値に応じてポンプモータ１４を駆動するためのモータ駆動信号（駆動電流）を生成してポンプモータ１４に出力する。パルスジェネレータ１７は、例えばロータリーエンコーダであり、ポンプモータ１４の回転に応じたパルス信号（具体的には、ポンプモータ１４が一定角度回転するのに要した時間を１周期とするパルス信号）を生成してモータドライバ１６に出力するパルス発生器である。

このように、モータドライバ１６には、パルスジェネレータ１７から出力されるパルス信号がフィードバックされており、回転速度指令値によって指示される回転速度と実際のポンプモータ１４の回転速度とが一致するようにフィードバック制御を行うことができるようになっている。

コントローラ１８は、上位制御装置１９から入力される減衰力指令値に基づいてポンプモータ１４の回転制御を行う制御装置であり、図２（ａ）に示すように、推力指令値算出部１８ａ、偏差算出部１８ｂ、制御ゲイン乗算部１８ｃ、流量換算部１８ｄ、流量加算部１８ｅ、油体積算出部１８ｆ、圧力演算部１８ｇ、推力換算部１８ｈ及び制御ゲイン設定部１８ｉを備えている。

ここで、上位制御装置１９から入力される減衰力指令値とは、例えば、制御対象物２と支持架台３との相対速度に基づいて算出された、その相対速度への抵抗力に相当する値（言い換えれば減衰係数）である。つまり、上位制御装置１９は、制御対象物２と支持架台３との相対速度を検出する相対速度検出部２０の出力信号に基づいて、相対速度への抵抗力に相当する減衰力指令値を算出してコントローラ１８に出力する。

推力指令値算出部１８ａは、上位制御装置１９から入力される減衰力指令値に対して油圧シリンダ１１の自重支持負担分に相当する一定荷重を加算することで推力指令値を算出する。制振対象物２の自重は、その質量Ｍと重力加速度ｇを用いてＭ×ｇで表され、例えば制振対象物２と支持架台３との間に介装されたバネ要素５及び減衰要素６の自重支持負担分を９割とすると、油圧シリンダ１１の自重支持負担分は、Ｍ×ｇ×（１−０．９）で表される。

偏差算出部１８ｂは、上記のように推力指令値算出部１８ａにて算出された推力指令値（＝減衰力指令値＋油圧シリンダ１１の自重支持負担分）と、後述の推力換算部１８ｈにて算出された推力現在値との偏差（以下、推力偏差と称す）を算出する。制御ゲイン乗算部１８ｃは、偏差算出部１８ｂにて算出された推力偏差に、後述の制御ゲイン設定部１８ｉにて設定された制御ゲインＧを乗算することで、推力偏差をゼロにするための、言い換えれば推力指令値と推力現在値とを一致させるためポンプモータ１４の回転速度指令値を算出する。

流量換算部１８ｄは、制御ゲイン乗算部１８ｃにて算出された回転速度指令値を、予め求めておいたポンプモータ１４の応答特性及び油圧ポンプ１２の流量特性に基づいて油圧ポンプ１２の吐出流量に換算する。流量加算部１８ｅは、流量換算部１８ｄから得られる油圧ポンプ１２の吐出流量と油圧シリンダ１１の吐出流量とを加算する。油体積算出部１８ｆは、流量加算部１８ｅから得られる流量加算値を積分することでアキュムレータ１５の油体積現在値Ｖｉを算出する。

圧力演算部１８ｇは、予め求めておいたアキュムレータ１５の圧力Ｐと油体積Ｖの特性（以下、Ｐ−Ｖ特性と称す）に基づいて、油体積算出部１８ｆにて算出された油体積現在値Ｖｉに対応する圧力現在値Ｐｉを得る。一般的に、アキュムレータ１５のＰ−Ｖ特性は、図２（ｂ）に示すように強い非線形性を有している。

推力換算部１８ｈは、圧力演算部１８ｇから得られた圧力現在値Ｐｉを推力現在値に換算して偏差算出部１８ｂに出力する。制御ゲイン設定部１８ｉは、圧力演算部１８ｇから得られた圧力現在値Ｐｉが大きいほど、制御ゲイン乗算部１８ｃにて使用される制御ゲインＧを小さな値に設定する。具体的には、制御ゲイン設定部１８ｉは、予め図２（ｃ）に示すような制御ゲインＧとアキュムレータ１５の圧力Ｐとの対応関係（反比例関係）を示すデータ（関数データでもテーブルデータでも良い）を記憶しており、このデータを基に圧力現在値Ｐｉに対応する制御ゲインＧｉを設定する。

以上のように、本実施形態に係るアクティブダンパー１は、制振対象物２（バネ上質量Ｍ）の自重を支持する力の一部を油圧シリンダ１１に分担させることにより、油圧シリンダ１１は一定方向のみの推力を発生させれば良い構成を採用している。油圧シリンダ１１は、制振対象物２の自重を支持する力の一部を定常的に発生させつつ、その自重支持の定常力を基準として、ポンプモータ１４の回転制御による作動油の流入出量を調整することにより、制振制御に必要な制御力（推力）を制振対象物２に作用させることができる。

油圧シリンダ１１における、支持架台３（バネ下質量ｍ）から制振対象物２（バネ上質量Ｍ）への振動伝達を考えると、アキュムレータ１５の封入ガスの圧縮性の作用により、バネ下側の振動がバネ上側に伝わりにくい特性を持つ。このため、ポンプモータ１４の回転制御により、アキュムレータ１５への作動油の流入出量を調整して制御力を作用することが可能であって、ポンプモータ１４の回転制御で追従できない高周波領域の応答については、アキュムレータ１５の封入ガスの圧縮性の作用により、バネ下側からバネ上側への振動が伝わりにくい構成となっている。

従って、本実施形態によれば、ポンプモータ１４の回転制御で追従可能な低周波領域の振動成分は、バネ上側（制振対象物２）への制御力として作用させる一方、ポンプモータ１４の回転制御で追従できない高周波領域の振動成分はアキュムレータ１５で吸収できるので、従来のように余計な制御や無駄な損失を増やすことなく、ポンプモータの応答が追従できない高周波領域においてバネ下（支持架台）からバネ上（制振対象物）への振動伝達を抑制することが可能となる。

また、アキュムレータ１５を使用するような場合、圧力がほぼゼロの状態からアキュムレータ１５の定常圧力Ｐ０に圧力を制御しようとすると、ガスの圧縮性により定常圧力Ｐ０になるまでに時間がかかるため、初期状態をＰ０近傍に制御した状態から目標制御圧力をアキュムレータ１５の伸縮（圧力変動）可能領域Ｐ０±ΔＰの範囲で制御することが好ましく、Ｐ０＋ΔＰの領域での制御ゲインＧ、Ｐ０−ΔＰの領域での制御ゲインＧをそれぞれ最適設定することが必要となる（図２（ｂ）参照）。

言い換えれば、図２（ｂ）に示したように、アキュムレータ１５のＰ−Ｖ特性は、強い非線形性を有するため、上記の制御ゲインＧを一定とすると、圧力Ｐの変化に対してループゲインが変動してしまい、制御性（応答性）が低下してしまう。そこで、本実施形態では、図２（ｃ）に示したようなデータを用いて、アキュムレータ１５の圧力現在値Ｐｉが大きいほど、制御ゲイン乗算部１８ｃにて使用される制御ゲインＧを小さな値Ｇｉに設定することにより、作動領域に拘らず圧力Ｐの変化に対するループゲインの変動を抑制することができ、その結果、制御性（応答性）の向上を図ることが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、油圧ポンプ１２から油圧シリンダ１１の第２室Ｒ２のみに作動油を供給する構成を採用する場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、図３に示すように、油圧ポンプ１２から油圧シリンダ１１の第１室Ｒ１及び第２室Ｒ２の両方に作動油を供給する構成を採用しても良い。

（２）上記実施形態では、アクティブダンパー１の用途として例えば車両用サスペンションと想定したが、本発明はこれに限定されず、プレス機に設けられるダイクッション装置など、制振対象物と支持架台との間に介装された油圧シリンダにて発生する推力を動的に制御することにより、制振対象物の制振制御を行う用途に広く利用することができる。

（３）上記実施形態では、アキュムレータ１５を作動油流路Ｌ１の途中（油圧シリンダ１１に近い位置）に接続する場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、アキュムレータ１５を作動油流路Ｌ１のどの位置に接続しても良い。例えば図４では、作動油流路Ｌ１の一端が油圧ホース２１を介して油圧シリンダ１１と接続され、作動油流路Ｌ１の他端が油圧ホース２２を介してアキュムレータ１５と接続されている場合を示している。

（４）例えば図５に示すように、モータドライバ１６に替えてトルク制御用のモータドライバ１６Ａを設けても良い。つまり、このモータドライバ１６Ａは、コントローラ１８から入力される回転速度指令値に応じてポンプモータ１４をトルク制御するためのモータ駆動信号を生成してポンプモータ１４に出力する。この場合、パルスジェネレータ１７は不要となる。

１…アクティブダンパー、２…制振対象物、３…支持架台、１１…油圧シリンダ、１２…油圧ポンプ、１３…貯油タンク、１４…ポンプモータ、１５…アキュムレータ、１６、１６Ａ…モータドライバ、１７…パルスジェネレータ、１８…コントローラ（制御装置）、１９…上位制御装置、２０…相対速度検出部

Claims

制振対象物と支持架台との間に介装された油圧シリンダと、
前記油圧シリンダへ作動油を吐出する油圧ポンプと、
前記油圧ポンプを駆動するポンプモータと、
前記油圧シリンダと前記油圧ポンプとを結ぶ作動油流路に接続されたアキュムレータと、
前記油圧シリンダの推力指令値と推力現在値との偏差に制御ゲインを乗算して前記ポンプモータの回転速度指令値を算出する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記アキュムレータの圧力現在値が大きいほど、前記制御ゲインを小さな値に設定することを特徴とするアクティブダンパー。
前記制御装置は、
前記油圧シリンダの推力指令値と推力現在値との偏差を算出する偏差算出部と、
前記偏差に前記制御ゲインを乗算して前記ポンプモータの回転速度指令値を算出する制御ゲイン乗算部と、
前記回転速度指令値を前記油圧ポンプの吐出流量に換算する流量換算部と、
前記油圧ポンプの吐出流量と前記油圧シリンダの吐出流量とを加算する流量加算部と、
前記流量加算部から得られる加算値を積分することで前記アキュムレータの油体積現在値を算出する油体積算出部と、
予め求めておいた前記アキュムレータの圧力と油体積の特性に基づいて、前記油体積現在値に対応する前記圧力現在値を得る圧力演算部と、
前記圧力現在値を前記推力現在値に換算して前記偏差算出部に出力する推力換算部と、
前記圧力現在値が大きいほど、前記制御ゲイン乗算部にて使用される前記制御ゲインを小さな値に設定する制御ゲイン設定部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクティブダンパー。
前記制御装置は、上位制御装置から入力される減衰力指令値に対して自重支持負担分に相当する荷重を加算することで前記推力指令値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のアクティブダンパー。