JP6660448B2 - アクチュエータ限界コントローラ - Google Patents
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Description
本出願は、2014年9月18日に出願された「Actuator Limit Controller」という名称の米国特許出願第14/489,778号、および2014年7月24日に出願された「Position−Force Control of an Actuator」という名称の米国特許仮出願第62/028,546号の優先権を主張するものである。これらの出願は、その全体が、参照によって本明細書に組み込まれている。
本発明は、DARPAによって与えられた契約第HR00011−10−C−0025号の下、米国政府の支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に関して一定の権利を有することができる。
液圧弁は、作動流体が液圧アクチュエータにどのように運ばれるのかを制御する電動式の弁であることがある。そのような弁は、変化するアナログまたはディジタル入力信号を、液圧アクチュエータ内での滑らかな一組の運動に変換することによって動作させることができる。
図2は、一実施形態に基づく例示的な液圧アクチュエータ制御システム200のブロック図を示す。システム200は監視コントローラ201を含む。監視コントローラ201は、位置−力制御モジュール202、位置−力制御モジュール202と通信する速度フィードフォワードモジュール204、速度フィードフォワードモジュール204と通信するアクチュエータ限界制御モジュール206、アクチュエータ限界制御モジュール206と通信する圧力解放モジュール208を含む。いくつかの例では、全てのモジュール202、204、206および208が互いに通信することができる。例えば、速度フィードフォワードモジュール204、アクチュエータ限界制御モジュール206および圧力解放モジュール208は、位置−力制御モジュール202と通信することができる。
上式で、Qは、所与の開口(すなわち開口118または開口120)を通過する流れ、Kは、所与の開口のサイズによって決まる変数、ΔPは、所与の開口の前後の圧力差(すなわち、所与の開口を通過する前の作動流体の圧力から、その所与の開口を通過した後の作動流体の圧力を引いた値)である。弁100に提供されるこの信号は、スプール102の位置を規定し、それに従って、開口118および120のサイズ、ならびにそれぞれの開口に対する変数Kを規定する。すなわち、弁100に提供されるこの信号と変数Kとの間には直接的な関係がある。したがって、弁100への信号は、開口118および120を横切る流れの量を決定する。一例では、圧力が補償された弁において、所与の開口の前後のΔPを一定に保つことができ、このようにすると、弁100に提供される信号(すなわち変数K)と所与の開口を横切る流れの量との間の関係が直線関係または比例関係になる。したがって、監視コントローラ201は、ピストン108を所与のスピードで所与の方向に移動させる指令を受け取り、それに従って、開口118および120のサイズを規定するために弁100に提供する信号を決定する。
図3は、例示的な実施形態に基づく位置−力制御システム300を示す。位置−力制御システム300は例えば、図2に記載された位置−力制御モジュール202によって実現することができる。図3が示すように、位置−力制御システム300は、3つの制御ループ、すなわち位置制御ループ302、速度制御ループ304および力制御ループ306を含むことができる。
力=PR(AC−Arod)−PCAC (2)
上式で、AC−Arodは、チャンバ114内のピストン108の環形の面積を表す。ピストン108が突き出ている(すなわちチャンバ112が縮小しており、チャンバ114が拡大している)場合、ピストンが外部環境に加える力は、下式によって推定することができる。
力=PCAC−PR(AC−Arod) (3)
図5は、液圧アクチュエータを制御する、例示的な実施形態に基づく方法500の流れ図である。方法500は、ブロック502〜512のうちの1つまたは複数のブロックによって示された1つまたは複数の動作、機能または作用を含むことができる。これらのブロックは逐次的な順序で示されているが、いくつかの場合には、これらのブロックを、並行して実施することができ、かつ/または本明細書に記載された順序とは異なる順序で実施することができる。さらに、所望の実施態様に基づいて、これらのさまざまなブロックを組み合わせてより少数のブロックにすること、これらのさまざまなブロックを分割して追加のブロックを提供すること、および/またはこれらのさまざまなブロックを省くこともできる。
最大力=Ps(AC−Arod) (4)
式(2)および(3)に関して上で述べたとおり、ACは、チャンバ112内のピストンヘッド109Aの面積、Arodは、ロッド109Bの断面積である。
最大力=PsAC (5)
図1に示された例では、弁100がスプール弁を表し、このスプール弁では、スプール102の直線位置が、そこを通って圧力源110からチャンバ114に流体が流れる開口118と、そこを通ってチャンバ112からリザーバ116に流体が流れる開口120の両方を決定する。
Q=V(AC−Arod) (6)
として推定することができる。式(1)を再び参照し、チャンバ114の所望の圧力レベルがPRであると仮定すると、開口118の変数Kは、
Q=VAC (8)
として推定することができる。式(1)を再び参照し、チャンバ112の所望の圧力レベルがPCであると仮定すると、開口120の変数Kは、
本明細書に記載された配置は、例示だけが目的であることを理解すべきである。そのため、所望の結果に応じて、他の配置および他の要素(例えば機械、インタフェース、機能、順序および機能のグループ化など)を代わりに使用することができること、ならびにいくつかの要素を全体として省略することができることを当業者は理解するであろう。さらに、記載された要素の多くは、離散もしくは分散した構成要素として、または他の構成要素とともに、適当な任意の組合せで、適当な任意の場所に実現することができる機能エンティティである。
Claims (16)
- 第1のチャンバおよび第2のチャンバを備える液圧アクチュエータのピストンを指令されたスピードで指令された方向に移動させる指令を、コントローラにおいて受け取ること、
前記コントローラによって、前記指令に基づいて弁アセンブリに指令信号を送出することであって、前記弁アセンブリが、加圧された作動流体の源を、選択的に、前記第1のチャンバに結合するか、または前記第1のチャンバから分離し、前記第2のチャンバを、選択的に、戻り管路に結合するか、または前記戻り管路から分離するように構成され、前記信号が、加圧された作動流体の前記源を前記弁アセンブリに結合し、それによって前記加圧された作動流体を前記第1のチャンバに提供するように構成され、前記信号はまた、前記第2のチャンバを前記戻り管路に結合し、それによって前記第2のチャンバ内の作動流体が前記第2のチャンバから前記戻り管路に流れることを許して、前記ピストンを前記指令されたスピードで前記指令された方向に運動させるように構成されること、
前記コントローラにおいて、前記液圧アクチュエータのエンドストップに対する前記ピストンの位置を示す位置情報を受け取ること、
前記弁アセンブリに送出された前記指令信号を、前記コントローラによって前記位置情報に基づいて変更することであって、前記変更された指令信号が、前記ピストンの前記位置が前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに近づくように移動するにつれて、前記ピストンの実際のスピードを低減させるように構成されること
を含み、
前記変更された指令信号によって、前記弁アセンブリは、前記第2のチャンバ内の前記作動流体が前記ピストンに対して前記液圧アクチュエータの前記エンドストップから遠ざかる方向の力を加えるようにし、前記ピストンの前記位置が前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに近づくように移動するにつれて、前記ピストンに対する前記力が増大し、前記ピストンに対する前記力が、前記ピストンの前記実際のスピードに基づく、方法。 - 前記ピストンが第1の位置から前記液圧アクチュエータの前記エンドストップにより近い第2の位置に移動するにつれて、前記ピストンに対する前記力が増大する、請求項1に
記載の方法。 - 前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの前記位置がしきい距離を満たすかどうか決定すること、
前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの前記位置が前記しきい距離を満たすとき、前記ピストンに対する前記力をしきい力まで増大させること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記液圧アクチュエータの前記エンドストップまでの前記ピストンの前記距離が前記しきい距離を満たすとき、前記しきい距離を満たす、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップまでの前記ピストンの前記距離内における前記ピストンの一切の運動について、前記ピストンに対する最大力を維持することをさらに含む、請求項3に記載の方法。
- 前記弁アセンブリがスプールを備え、前記弁アセンブリに送出された前記指令信号によって、前記弁アセンブリが前記スプールを所与の位置に移動させ、前記スプールの前記所与の位置が、前記加圧された作動流体がそこを通って前記第1のチャンバに流れる第1の開口の第1のサイズと、前記第2のチャンバ内の前記作動流体がそこを通って前記第2のチャンバから押し出されて前記戻り管路に流れる第2の開口の第2のサイズとに関連する、請求項1に記載の方法。
- 前記弁アセンブリが、
前記第1のチャンバを加圧された作動流体の前記源に結合する第1の弁と、
前記第2のチャンバを前記戻り管路に結合する第2の弁であり、前記第1の弁から独立して制御される第2の弁と
を備え、前記弁アセンブリに送出される前記指令信号が、前記第1の弁に対する第1の弁信号と、前記第2の弁に対する第2の弁信号とを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記第1の弁信号が、前記加圧された作動流体の指令された量の流れを前記第1の弁を通して前記第1のチャンバに流入させるように構成され、前記ピストンの前記実際のスピードが、前記第1の弁を通って前記第1のチャンバに流入する前記加圧された作動流体の前記流れの量に基づく、請求項6に記載の方法。
- 前記第2の弁信号が、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップから遠ざかる力を前記ピストンに対して加える指令された圧力レベルを、前記第2のチャンバ内に生じさせるように構成される、請求項6に記載の方法。
- 加圧された作動流体の源と、
戻り管路と、
液圧アクチュエータと
を備えるシステムであって、前記液圧アクチュエータが、
シリンダキャビティおよび中心軸方向を規定するシリンダであって、エンドストップを有するシリンダと、
前記シリンダの前記シリンダキャビティ内に摺動可能に配置されたピストンであって、前記ピストンが、ピストンヘッド、および前記ピストンヘッドから前記シリンダの前記中心軸方向に沿って伸びるロッドを有し、前記ピストンヘッドが、前記シリンダキャビティを第1のチャンバと第2のチャンバとに分割する、ピストンと
を備え、前記システムがさらに、
加圧された作動流体の前記源を、選択的に、前記第1のチャンバに結合するか、または前記第1のチャンバから分離し、前記第2のチャンバを、選択的に、前記戻り管路に結合するか、または前記戻り管路から分離するように構成された弁アセンブリと、
前記弁アセンブリと通信するコントローラと
を備え、前記コントローラが、
前記液圧アクチュエータの前記ピストンを指令されたスピードで指令された方向に移動させる指令を受け取ること、
前記指令に基づいて前記弁アセンブリに指令信号を送出することであって、前記指令信号が、加圧された作動流体の前記源を前記弁アセンブリに結合し、それによって前記加圧された作動流体を前記第1のチャンバに提供するように構成され、前記指令信号はまた、前記第2のチャンバを前記戻り管路に結合し、それによって前記第2のチャンバ内の作動流体が前記第2のチャンバから前記戻り管路に流れることを許して、前記ピストンを前記指令されたスピードで前記指令された方向に運動させるように構成されること、
前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの位置を示す位置情報を受け取ること、
前記弁アセンブリに送出された前記指令信号を前記位置情報に基づいて変更することであって、前記変更された指令信号が、前記ピストンの前記位置が前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに近づくように移動するにつれて、前記ピストンの実際のスピードを低減させるように構成されること
を含む動作を実行するように構成され、
前記変更された指令信号によって、前記弁アセンブリは、前記第2のチャンバ内の前記作動流体が前記ピストンに対して前記液圧アクチュエータの前記エンドストップから遠ざかる方向の力を加えるようにし、前記ピストンの前記位置が前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに近づくように移動するにつれて、前記ピストンに対する前記力が増大し、前記ピストンに対する前記力が、前記ピストンの前記実際のスピードに基づく、システム。 - 前記ピストンが第1の位置から前記液圧アクチュエータの前記エンドストップにより近い第2の位置に移動するにつれて、前記ピストンに対する前記力が増大する、請求項9に記載のシステム。
- 前記コントローラの前記動作が、
前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの前記位置がしきい距離を満たすかどうか決定すること、
前記液圧アクチュエータの前記エンドストップに対する前記ピストンの前記位置が前記しきい距離を満たすとき、前記ピストンに対する前記力をしきい力まで増大させること
をさらに含む、請求項9に記載のシステム。 - 前記コントローラの前記動作が、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップまでの前記ピストンの前記距離が前記しきい距離を満たすとき、前記しきい距離を満たす、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップまでの前記ピストンの前記距離内における前記ピストンの一切の運動について、前記ピストンに対する最大力を維持することをさらに含む、請求項11に記載のシステム。
- 前記弁アセンブリがスプールを備え、前記弁アセンブリに送出された前記指令信号によって、前記弁アセンブリが前記スプールを所与の位置に移動させ、前記スプールの前記所与の位置が、前記加圧された作動流体がそこを通って前記第1のチャンバに流れる第1の開口の第1のサイズと、前記第2のチャンバ内の前記作動流体がそこを通って前記第2のチャンバから押し出されて前記戻り管路に流れる第2の開口の第2のサイズとに関連する、請求項9に記載のシステム。
- 前記弁アセンブリが、
前記第1のチャンバを加圧された作動流体の前記源に結合する第1の弁と、
前記第2のチャンバを前記戻り管路に結合する第2の弁であり、前記第1の弁から独立して制御される第2の弁と
を備え、前記弁アセンブリに送出される前記指令信号が、前記第1の弁に対する第1の弁信号と、前記第2の弁に対する第2の弁信号とを含む、請求項9に記載のシステム。 - 前記第1の弁信号が、前記加圧された作動流体の指令された量の流れを前記第1の弁を通して前記第1のチャンバに流入させるように構成され、前記ピストンの前記実際のスピードが、前記第1の弁を通って前記第1のチャンバに流入する前記加圧された作動流体の前記流れの量に基づく、請求項14に記載のシステム。
- 前記第2の弁信号が、前記液圧アクチュエータの前記エンドストップから遠ざかる力を前記ピストンに対して加える指令された圧力レベルを、前記第2のチャンバ内に生じさせるように構成される、請求項14に記載のシステム。
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