JPH04506693A - ディジタルサーボ弁機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ディジタルサーボ弁機構 技術分野 本発明は、サーボ弁、そしてより詳しくは、圧縮性または非圧縮性流体を用いる 機構で使用されるディジタルサーボ弁に関するものである。

発明の背景 サーボ弁は、当該技術においてよく知られている。これらの弁は、典型的に、ポ ンプの様な力供給源が流体回路により負荷へ力を供給する液圧装置で使用される 。サーボ弁は、液圧装置と電気的、機械的、流体または他の外部形式の制御器と の間のインターフェースである。単段のサーボ弁は、操作スプールを存し、通路 のついた弁体中における該スプールの相対位置が流体の流れの速度、圧力及び方 向を制御する。アナログサーボ弁は、形式が電気的または機械的であり得る内部 帰還を有する。

アナログサーボ弁は当該技術においてよく知られているが、ディジタルサーボ弁 機構は、より最近の開発に係わるものである。ディジタルサーボ弁の１例は、共 有の米国特許４２３５１５６号に見ることができる。そこで開示されているもの は、ＤＣステッパモータで制御される単段、スプール形式の４方弁である。サー ボ弁は、複数の流体チャネルを有する内腔のついた弁体を有する。スプールを含 む弁操作部材は、内腔の長手方向軸線に沿って滑り自在である。各流体チャネル は、液圧回路中のそれぞれの構成素子へ開口している。圧力源（ポンプ）は、第 １のチャネルへ連通している。スプールが軸線に沿って動かされると、加圧流体 は、当該技術でよく知られている様に、液圧回路の残りの個所と流体を通じて連 通している。ディジタル制御器が用いられて、弁の動作部材へ連結されているデ ィジタル式ステッパモータへ制御信号を送り、斯くして、ステッパモータ回転軸 の回転がスプールの線形運動に変換される。

通常のサーボ弁とは異なり、４２３５１５６号特許に開示されたサーボ弁には、 機械的、電気的及び／またはフォース帰還がない。機械的なサーボ弁は、液圧負 荷と操作的に連結されている帰還軸のための設備を有する。帰還軸は、スプール をコマンドされた操作が完了した時に弁の閉位置またはゼロ位置に戻す。４２３ ５１５６号特許に開示されたサーボ弁は、真のディジタル式閉ループ操作を可能 にし、そして、アナログまたは機械的帰還素子を有していない。むしろ、必要な 帰還は、専ら、液圧負荷に直接連結されているディジタルエンコーダまたは変換 器によって行われる。エンコーダは、ディジタル制御器によってコマンド信号と 比較される位置帰還信号を出力する。制御器は、コマンドと帰還信号との差に依 存してステッパモータへパルスを与える。

よく知られている様に、ステッパモータは、電力がステッパモータから除去され ても出力軸が現在位置から回転することに反対する複数の磁気係止装置を特徴と している。従って、若しも　サーボ弁への最後のコマンドが弁開位置のためであ っても、弁は、再付勢された時にその開位置にあるであろう。ディジタルサー・ ボ弁のこの特性は、電力が回復される時に弁が判らない位置にあるであろうから 、人間及び機械の両方に対して危険を生じる。他方、アナログサーボ弁は、殆ど の弁ではフォース帰還を用いられているから、若しサーボ機構が電力を失うなら ば、本質的に完全閉位置に戻るであろう。

既知ディジタルサーボ弁における他の問題は、ステッパモータがその回転方向を 変えてスプールを反対方向に変位する時に生じる、機械的バックラッシュの存在 である。必要な回転−線形変換を達成するために、溝付きのへりカルカム及びビ ン機構がスプールの一端に形成されている。バックラッシュを回避するために、 スプールに操作的に連結されたばね装置が、スプールに対してパイアスカを働か す。その結果、ピンは、スプールの回転方向に拘わらず、カム溝の側面の一方に 接して保持される。然しなから、ある状態下では、この力が負けて望ましくない バックラッシュを生ずる可能性がある。

従来技術の更に他の不利点は、より大きなサーボ弁について明らかである。一般 に、弁の内部で生じた流れの力は、スプール及び弁体のサイズと共に増加する。

この流体の力、即ちベルヌーイの力は、ゼロ位置からの弁の動作に反対する。ス プールを制御自在に変位させるためにステッパモータに必要とされるトルクは、 弁内で生じた流れの力がステッパモータのトルク能力よりも大になる状況を回避 する様に、対応して増加しなければならない。従来技術のより大きなサーボ弁は 、より大きな２段の液圧増幅またはより高価なステッパモータを必要とする。或 いは、流れの力が減少されることができる。然しなから、流れの力を減少するた め、従来技術は、弁体の有意の部分を変化させることによって形成された極めて 複雑な“タービンパケット“状のスプール及び弁体構造を開示している。この弁 体の形は、極めて複雑で実用化するには多過ぎる機械加工費用を伴う。弁内の流 れの力を実質的に減少して普通に可能なよりも更に小さなステッパモータが使用 できる様に且つ、スプール及び室の形状が簡単で製作費用が高価でないディジタ ルサーボ弁を構成することは音別である。

発明の要約 本発明の一つの目的は、開ループでも閉ループでも操作可能なディジタルサーボ 弁機構を提供することである。

本発明の他の目的は、複数の他のサーボ弁機構と同時に外部の制御装置によって アドレス指定可能なディジタルサーボ弁機構を提供することである。

本発明の他の目的は、加えられる力と独立している機械的なバックラッシュを除 去するための機構を有するサーボ弁を提供することである。

本発明の他の目的は、弁体に関してスプールのラジアル及びアンギュラコンプラ イアンスが増大したことを特徴とするサーボ弁を提供することである。

本発明の他の目的は、電力がなくなると閉位置に戻るディジタルサーボ弁を提供 することである。

本発明の更に他の目的は、ベルヌーイの流れの力が減少したサーボ弁を提供する ことである。

本発明によれば、変位自在なアクチュエータを制御するためのディジタルサーボ 弁装置は、複数のチャネルがそれに沿って隔設されている長手方向の内腔を有す る弁体を有する。各チャネルは、それぞれ流体圧源、流体圧戻り管及びアクチュ エータと連通している。内腔内に配置されたスプールは、長手方向軸線に沿って 変位自在であり、且つ複数のくぼみ領域で交互に隔てられた複数の実質的に円筒 状のランドを特徴としている。スプールは、チャネル内の流体の流れをスプール の軸方向変位に従って規制する様に、弁体と協働的に形成されている。ディジタ ルサーボ弁機構はまた、受けた回転変位を線形軸方向変位に変換するため弁体及 びスプールに付属された回転−線形変換器を有する。アクチュエータには、アク チュエータの変位を示す信号を出す帰還装置がついている。位置コマンド信号に 応答して回転変位を与えるためのモータが含まれている。制御器は、帰還装置か らの変位信号とアクチュエータ制御信号とを受け、そして、現在のアクチュエー タのパラメータ値を計算する。制御器は、計算された値を予め選択されたアクチ ュエータのパラメータ値と比較し、そして、そこから位置コマンド信号を繰り返 し決定する。

本発明の他の態様によれば、サーボ弁に用いるための変換装置は、長手方向軸線 に沿って回転自在且つ移動自在であるスプールを有し、及び、スプールを受ける 内腔をもつ弁体を有する。スプールの反対側第二端で受けた回転を軸方向変位に 変換するために、ボールスクリュー機構が、スプールの第一端に取り付けられて いる。

本発明の更に他の態様によれば、サーボ弁は、複数の流体チャネルを有し、且つ スプールを受ける内腔のある弁体を有し、該スプールは、弁体の長手方向軸線の まわりを回転自在且つ移動自在である。スプールは、ハウジングの内腔に受けら れている。スプールを軸線まわりで回転させるために、スプールの第一端に回転 手段が置かれている。回転−線形変換器がスプールの対向第二端に置かれており 、そして、回転−線形変換を与える。トーションバーが、スプールの内腔の長手 方向軸線に沿って置かれており、そして、その対向した両端が、それぞれスプー ルの第一端と回転−線形変換器の端部とに取り付けられている。トーションバー は、長手方向軸線に関して、回転−線形変換器とスプールとの間のラジアル変位 を与える。

本発明の更に他の態様によれば、回転出力軸にトルクを働かせ及び複数の位置係 止装置を有するステッパモータと共に用いられるセンタリング装置は、トルクを 出力軸に働かせるためのばねを有している。ばねのトルクは、ステッパモータの 付勢されていない出力軸磁気係止トルクよりも大で且つステッパモータの付勢さ れたトルクよりも小である大きさをもつ様に選ばれる。ステッパモータのトルク の不存在時に、ばねが出力軸をゼロ位置に回転させる様に、ゼロ位置を画定する ために、ばねを出力軸のまわりに位置決めするための手段も設けられている。

本発明のなお別の態様によれば、実質的に円筒形の内腔を有するサーボ弁中で用 いるためのスプールは、複数の長手方向の円筒形のランドとランドに隣接した複 数のくぼみ領域とを存している。中央の窪み領域は、少なくとも１つの実質的に カーブして隣接するランドと接する端部を有し、それによって、弁が開閉すると きに生じる流れの力を減少している。

第１図は、本発明により提供されるディジタル式サーボ弁機構の概略図である。

第２図は、第１図の制御器の詳細図である。

第３図は、第２図の制御器と共に用いられる閉ループ制御アルゴリズムの詳細図 である。

第４図は、アクチュエータの計算された速度と測定された速度との間の関係を示 す線図である。

第５図は、第４図のアクチュエータの速度に対応するディジタル式位置コマンド 信号の線図である。

第６図は、第２図の制御器と共に用いられる開ループ制御アルゴリズムの詳細図 である。

第７図は、第１図のディジタル式サーボ弁機構の圧力ゲイン関係を示す線図であ る。

第８図は、第１図のディジタル式サーボ弁の断面図である。

第９図は、第８図のディジタル式サーボ弁の弁センタリング装置の一部の斜視図 である。

第１０図は、本発明により提供される他のサーボ弁の一部の断面図である。

第１１図は、従来技術によるサーボ弁の一部断面概略図である。

第１２図は、従来技術の非補正サーボ弁と本発明により提供されるサーボ弁との 力／変位関係を示す線図である。

第１図を参黒すると、ディジタル式のサーボ弁機構１０が概略図で示されている 。該機構は、単段、スプール型、４方弁であるディジタル式のサーボ弁１２を有 しており、それは、後に詳述する様に、変位自在な内部スプールをもつ開口弁体 を有している。サーボ弁は、ＤＣステッパモータ１４により作動される。ステッ パモータは、制御器１８からライン１６で位置指令信号を受ける。以下に詳述さ れる様に、制御器は、油圧アクチュエータ２２の様な線形または回転アクチュエ ータを作動するために外部の制御装置２０からアクチュエータ制御信号を受ける 。例えば限定的ではなしに、アクチュエータは、回転エンコーダ、線形変位変換 器またはソニック帰還装置であり得る。装置の閉ループ操作を可能にするのに必 要な位置帰還信号は、エンコーダ２６からライン２４で供給される。普通通りに 、サーボ弁には、高圧の作動液を作り出すポンプ２８と作動液が戻るための貯油 槽３０とが配置されている。サーボ弁は、油圧アクチュエータ２２を制御するた めに高圧の作動油を選択的に供給する。

油圧アクチュエータの正確な位置は、エンコーダ２６によって決定される。通常 のアナログ式サーボ弁と異なり、サーボ弁の中には機械的または電気的な帰還は ない。第３図について以下詳述する様に、制御器は、通常のマイクロコンピュー タを用いており、それは、位置、速度及び加速度の様な油圧アクチュエータのパ ラメータに依存して選択された制御アルゴリズムに従って弁の位置指令信号を計 算する。

本発明により提供されるディジタル式サーボ弁機構は、通常のアナログ式サーボ 弁機構がする、油圧アクチュエータのパラメータの測定及び概算はしない。むし ろ、アクチュエータの正確な位置、アクチュエータの速度及び加速度は、制御器 によって測定され及び決定され、そして、制御器が、装置の機械的不足が補正さ れた所望の位置へ所望の速度でアクチュエータを制御する。

若干の例外はあるが、大抵の閉ループサーボ弁機構は、アナログ式サーボ弁を制 御するために精密なディタル計算機構及び帰還装置を用いている。サーボ弁を有 する機構を制御するためにディジタル技術を応用する試みの一例が、イケベヨウ の米国特許第３６２１７６２号に見られる。該従来技術による制御方法論は、デ ィジタル式制御機構によって作られた本来的にディジタルなデータを変換して所 望のサーボ弁のスプール位置のアナログにすることを必要とする。アナログ式の サーボ弁は、非線形信号成分を補正するために余分な努力がなされない限りずれ 易い所望の制御信号の概算を与える。

第１図のディジタル式サーボ弁機構は、ＤＣステッパモータにより制御される単 段スプール型４方弁を特徴とする。３方弁の様な他のタイプの弁を同様に用いる ことができる。当該技術に熟達した者は、単段サーボ弁を用いる主たる利点が、 通常の２段アナログ式弁の初段と第２段との間で生じる遅れがなく、従ってこれ らサーボ弁機構の応答性に課される潜在的な不安定性を除去することであること に気付くであろう。

当該技術に精通した者は、帰還が弁によってではなくサーボ弁機構によって行わ れるので、本発明に係わるディジタル式サーボ弁機構は、ディジタル式弁が通常 の“案内”段として働いている第１図のディジタル式弁との組合せで１以上の通 常のサーボ弁を有し得ることに気付（であろう。

本発明においては、ステッパモータは、サーボ弁のスプール部分に直接連結され ており、それによって、作動液の方向及び流れの真のディジタル制御力呵詣であ る。弁の各開口の大きさ及び形状に依存して、ステッパモータが作動する様に指 令される各ステップが、弁を通る新しい流れをセットするであろう。各スプール 位置に対する流れの変化を予測することができるということは、弁の設計及び装 置全般の特徴描写を簡単にした。本ディジタルサーボ弁では、制御の責任は、特 定の用途の必要に適合することができる制御器のソフトウェアに割り当たられて いる。

真のディジタルアクチュエータとして、］）Ｃステップモータは、如何なるコン ピュータ方式の機構にも容易に接続されるという自明の利点を有している。ステ ッパモータを用いる他の理由は、典型的に０．００１８〜１５°の分解能をもつ 固有のディジタル出力、精密な磁気係止装置　及びアナログアクチュエータより も大であり、且つ経済的により実現可能な繰り返し可変の速度及び加速領域、及 び追加のマイナー制御閉ループなしにこれらの機能の全てを果たすことができる ことである。

ステッパモータは、外部電源からの電流のレベルに応じて出力軸から増分的な回 転運動を供給する無ブラシＤＣ２相モータである。このタイプのモータは、固有 の磁気係止作用を有しており、そして、ディジタル式のサーボ弁においては、帰 還変換器またはアナログ式サーボ弁の場合における様な何らの機械的帰還装置の 必要なしに安定な弁スプール位置を与える。電気的には、典型的なステッパモー タは、フルステップ（回転当たり２００の位置、ハフステップ（回転当たり４０ ０の位置）及びマイクロステップ（フルステップの部分増分）の３つのモードの １つで運転されることができる。

このタイプの駆動回路（ｄｒｉｖｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）は、制御器がステ ッパモータの両方の巻線中の電流のレベル及び極性を直接選択することを可能に する。もしも制御器が、指令信号の極性を切り換えながら一定の電流レベルを維 持するならば、モータは、それぞれのシーケンス（ｓｅｑｕｅｎｃｅ）のために フルステップまたはノーーフステップをつくるであろう。シーケンスを反転する と、ステッパモータを逆方向に回転させる。モータ巻線中の電流が互いに関して 制御されているときには、制御器は、部分またはマイクロステップをつくるため にステッパモータを使用することができる。マイクロステップの間、モータ巻線 の電流は、概ね正弦と余弦との関係を育し、その関係は、通常の方法で調整して ステッパモータのトルク対変位のカーブの調和のとれた歪みのために補正される 。

典型的に、２極チョッパ駆動回路は、電流が各巻線中で反転できる２つの通常の Ｈブリッジ回路として構成されている。各巻線中を流れる電流は、モータ出力軸 を１以上のマイクロステップだけ回転させる様に指令電流レベルを維持すべく感 知されチョップされる。分割されない単巻線の電流レベルはゼロに降下するかも 知れないが、他方の巻線は、尚十分なトルクを発生して少な（とも７０％の平均 出力を維持する。好適な実施例では、ステッパモータは、フルステップ当たり最 高１２８マイクロステツプを与えて回転当たり２５６００の位置が生じる様に構 成されている。大部分の用途に対して、３２マイクロステツプの分解能は、サー ボ弁を通る全部の０．０６％制御を与える。

第２図を参照すると、第１図の制御器１８が概略図の形で図示されている。該制 御器は、用途の要求に特有な予め設計されたソフトウェアモジュールで構成され ている。制御器は、斯くしてアクチュエータの速度、位置または力の開または閉 ループ制御を行う。制御器は、独立型モードでまたはホストコンピュータ若しく は他の外部制御装置への直接インターフェイスとして用いられることができる。

制御器１８は、典型的に型式８０５１のマイクロプロセッサに基づいたマイクロ コンピュータ３２を有し、そして、本明細書中に記述される機能を果たすために 必要な通常のコンピュータハードウェア及びソフトウェアを有している。該マイ クロコンピュータは、好ましくは型式Ｒ５２３２またはＲ５４８５インターフエ ースである直列インターフェース３４で、外部制御装置からコマンド信号を受け る。

マイクロコンピュータはまた、エンコーダ２６からディジタルまたはアナログの 帰還信号を受ける。用いられる帰還装置に依存して、エンコーダインターフェー ス３６及びカウンタバッファが、それぞれ受けた帰還信号をディジタル化し及び バッファリングする。典型的に、帰還信号は、アナログ源、増分光学エンコーダ の様な２チヤネルのエンコーダ、線形ソニックプローブまたは通常のレゾルバ− であることができる。例えば、回転または線形光学エンコーダは、油圧アクチュ エータの位置の変化を表す方形状パルスの連続した流れをつくり出すであろう。

帰還信号は、その時、制御器が位置と方向との両方を決定する様に９０’位相の ずれた２つの別々のチャネルを有している。第３のチャネルは、軸の各回転を指 示しまたは本撚位置を決定する信号を供給する。このタイプの信号を供給するエ ンコーダは、９０°の直交位置標識（ｍａｒｋｅｒ）をもつツウチャネル増分エ ンコーダである。或いは、アナログエンコーダを代わりに用いることができる。

アナログエンコーダの出力信号のためには、エンコーダインターフェース３６は 、適当なアナログディジタル（Ａ／Ｄ）コネクタを有するであろう。前述した好 適なツウチャネルのディジタルエンコーダのためには、制御器は、エンコーダの 出力信号を監視し、及び現在の速度または受けたエンコーダのパルスの無名数を 表す値を記憶装置に貯える。

好適な実施例にあっては、それぞれ制御器をもつ１５までの個々のサーボ弁が、 単一のＲ５２３２のシリアルボート（ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ）に連結されるこ とができる。

もしもディジタル式サーボ弁機構が複数の他のサーボ弁で構成されるならば、通 信プロトロールは、特定のコマンドなしにはどの制御器も外部ホストへ信号を帰 還させない、即ち、各制御器がそのシリアルボートで通信を開始しない様になっ ていることが望ましい。マイクロコンピュータは、受けた信号における如何なる 誤りもないことを確実にするために、メツセージの構成（シンタックス）のため 各コマンドをチェックする。もしもエラーが検出されれば、そのメツセージは捨 てられ、エラーメツセージがマイクロコンピュータによって出力される。

制御器１８はまた、ライン４２でマイクロコンピュータからパルス信号及び方位 信号を受ける弁駆動器４０を有している。弁駆動器は通常のものであり、そして 、マイクロコンピュータとステッパとの間のインターフェースとして働く。

受けた信号に応答して、弁駆動器は、ステッパモータのための対応する位置コマ ンド信号をつくり出す。

第３図は、第２図の制御器によって用いられる制御アルゴリズム４３の概略図で ある。マイクロコンピュータをディジタル式サーボ弁と結合させることにより、 アナログサーボ弁制御機構ではできなかったと考えられる制御能力が本ディジタ ルサーボ弁機構では利用できる。最も有力な能力は、特殊なアクチュエータ制御 の課題を解決するために異なった制御戦略をリアルタイムで選択することである 。

第３図のアルゴリズムは、単一の繰り返しの中で３つの測定されたアクチュエー タパラメータに基づ（４つの可能な制御ブランチを示している。

単に説明の目的で、第３図の制御アルゴリズムは、次のパラメータ、即ち、直線 形アクチュエータ、１インチの変位当たり１０００パルスの分解能を有する帰還 装置、予めセットされた目標をもつ位置装置及び速度と比較される一定の加速値 をもつ用途に構成されているものと仮定される。

先ず（ブロック４４で）、制御器は、マイクロコンピュータが受けたエンコーダ 信号の値で示されるアクチュエータの現在位置を読み取る。ブロック４６では、 マイクロコンピュータは、アクチュエータの位置エラーとアクチュエータの現在 速度の値を計算して制御サブルーチンを選択する。アクチュエータの位置エラー の計算された値は、現在の油圧アクチュエータ（負荷）位置とアクチュエータ制 御信号の値で示される所望の最終位置との差である。アルゴリズムは一定の速度 で処理するから、アクチュエータ速度は、現在位置と前の位置との間の差をとる ことによって導かれる。加速のための値は、同様に速度変化の割合を計算するこ とによって得られる。

これらの計算されたパラメータに対して、制御器は、減速位置及び速度設定値の 双方を確証する（ブロック４Ｂ及び５０）。アルゴリズムは、計算された現在位 置をコマンドされた位置と比較して、アクチュエータが最終のコマンドされた位 置に近づいているか（ブロック５２）、または、減速位置または設定値速度に到 達したかを決定する。ひとたび、アクチュエータ位置がコマンドされた位置から 選ばれた距離内にあると、制御器は、最終位置決めルーチン（５４）を選択する 。制御器はまた、それぞれのパラメータの大きさに依存して、同時に減速制御ル ーチン（ブロック５６）、速度制御ルーチン（ブロック５８）または加速制御ル ーチン（ブロック６０）を実行することができる。

好適な実施例において、制御器は、特定の用途にしたがって修正される通常の比 例／積分／微分（ＰＩＤ）ループ制御の変形を用いる。通例の様に、マイクロコ ンピュータは、出力信号の３成分（比例−積分−微分）を別々に計算する。これ らは合計され、及びアクチュエータコマンド信号と合計されて弁駆動器へのコマ ンド信号出力をつくり出す（ブロック６１）。

出力帰還または古典的制御（ｃｌａｓｓｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ）を与える制 御器は、帰還源としての装置の出力信号の測定値を用いる。この単一測定値は、 制御されている装置パラメータである。帰還信号は、所望のコマンド入力信号と 比較され、そしてエラー信号がつくられる。エラー信号は、出力信号が所望の弁 位置である制御アルゴリズムにより処理される。

古典的制御を与える多くの異なった制御アルゴリズムがある。最も普遍的なもの は、比例−積分一徹分（ＰＩＤ）制御器である。用いることのできる他のアルゴ リズムは、通常の進み角波術（ｐｈａｓｅ−１ｅａｃｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ） を用いる。両方のアルゴリズムは、エラー信号を用いて、所望の装置状態を達成 する弁位置を決定する。

或いは、この制御器は、出力信号だけよりも多くの装置パラメータが測定に利用 できると想定する状態空間理論即ち近代制御理論に従って構成されることができ る。各パラメータ即ち状態変数は、測定された所望の値と比較され、そして、エ ラー信号が各状態変数に対してつくられる。各状態変数に対して特に選ばれたゲ イン値には、エラー信号が掛算される。弁位置は、各状態変数からのゲイン信号 とエラー信号との積の合計である。

ゲイン値の選択によって、装置の応答の仕方が決まる。状態変数においてエラー を大いに不利にする成る状態変数を強調することができるこれらのゲインを計算 する方法は、複雑であり、そして解決のために通常はコンピュータアルゴリズム 及びルーチンを必要とする。その様な方法の２つの既知の例は、線形２次レギュ レータ（ＬＱＲ）及びボールプレースメント（ｐｏｌｅ　ｐｌａｃｅｍｅｎｔ） である。

状態空間アルゴリズムは、すべての状態変数が測定のために利用できることを必 要とする。もしも、状態変数が測定のために全部は利用できないならば、その時 には、変数を見積ることが必要となるかも知れない。見積器または観測器の変数 は、装置内の他の変数から該変数を計算することにより、アルゴリズムによって 作成することができる。見積られた変数は、次いで、現実に測定されたものとし て取り扱われる。種々のタイプの通常の変数見積器としては、Ｌｌｕｅｎ　ｂｅ ｒｇｅｒ観測器及びＫａ　１　ｍａｎフィルターがある。

第３図の好適な装置については、加速制御サブルーチン６０は、アルゴリズムの 繰り返し当たりに許される速度増加の最高値に相当する入力値と現在の速度変化 率を示す値とを受ける。制御器は、装置が最高速度に近づくときにアクチュエー タが最高加速度を通り超すという傾向を減少する様に、アクチュエータの加速を 修正する位置コマンド信号をつくり出す。同様な能力が、アクチュエータの減速 値を計算するためのサブルーチンに組み込まれる。

典型的な該速度サブルーチンは、エンコーダ帰還パルスの速度を現在の速度セッ ト値に等しく維持する様にサーボ弁を形成する。現在の速度エラーの値は、アク チュエータの速度を受入可能な帯域内に維持する入力値（速度ゲイン）で掛算さ れる。負荷に依存して、このルーチンは、上記詳述した通常の積分または微分制 御機能の様な追加の制御機能を組み入れる。

簡単な最終位置サブルーチンは、位置エラーの量にアクチュエータコマンド信号 に相当する位置の値（位置ゲイン）を掛算したものと比例する信号をステッパモ ータへ供給する。大抵の機械的装置は、極端に低い速度で高度に非線形なスティ ックスリップ（ｓｔｉｃｋ　５ｉｐ）をもつから、アクチュエータをその最終の コマンドされた位置へ動かす時には、特別な考慮が、サブルーチンに組み入れら れなければならない。例えば、もし単に位置エラーと比例した成る力がアクチュ エータに加えられるならば、ディジタルサーボ弁機構は、このスティックスリッ プのせいでアクチュエータを動かさないかも知れない。もしも、制御アルゴリズ ムが、連続繰り返しでこのエラーを計算（積分）するものであるとしたら、弁は 、結局アクチュエータを変位させる様に十分に開くであろう。また、機械的装置 （アクチュエータ）の全体の応答時間は、サーボ弁が多過ぎる力を加え、従って コマンドされた位置を通り越すことを可能にする十分な遅れを生じるであろうと いうこともあり得る。然しなから、本発明により提供されるディジタル式サーボ 弁機構では、マイクロコンピュータは、許容し得るエラーの大きさを制限するこ とにより装置がアクチュエータの生き過ぎに対応し、受は入れ及び補償すること 、及び／または、装置のコンポーネントが応答する十分な大きさのタイムディレ ーを取り入れることを可能にする。

アクチュエータを変位させるために必要な位置コマンド信号とアクチュエータの 速度との間の関係は、第４図及び第５図を同時に参照することによって理解する ことができる。第４図は、コマンドされた動作の間の計算されたアクチュエータ の速度と実際の速度との間の関係を示す概略図である。第４図では、軸６２は、 アクチュエータの速度に相当し、一方、軸６４は、時間に相当する。曲線６６は 、コマンドされたアクチュエータの速度に相当する信号を示し、一方、曲線６８ は、変位されている時のアクチュエータの測定された速度に相当する。

第５図は、第４図のアクチュエータ速度のプロフィール（ｐｒｏｆｉｌｅ）に相 当する位置コマンド信号の概略図である。先ず、ステッパモータは、所望のアク チュエータ速度に相当する選択された数のステップだけ回転させられる（帯域７ ０）。

実際の測定された速度がコマンドされた速度を超えると、ステッパモータは、反 対方向に回転させられる（帯域７２）。これは、続いて、計算された時間の終わ りまで（このときステッパモータは、帯域８２で示される様にサーボ弁を閉じる 様に回転させられる。）、コマンドされた速度にアクチュエータを維持するため にステッパモータが進められる（パルス７６．７８及び８０゜）ことを必要とす る小さな不足（帯域７４）を生じる。アルゴリズムは、エンコーダ帰還信号を用 いて、弁閉じプロセス（帯域８４）での行き過ぎまたは不足を補償する。

本発明により提供されるディジタル式サーボ弁機構は、第６図で、開ループ制御 アルゴリズムで示されている様に、アクチュエータの速度または位置を制御する ため“開ループモードで運動させることもできる。制御器は、適当な帰還センサ を監視し、それに応じてアクチュエータ制御信号を調整し、斯くしてループを閉 じる能力をもつ他のディジタルサーボ弁機構と結合して用いることもできる。

開ループ弁位置では、アクチュエータ制御信号は、ゼロから１０ボルトの間の大 きさの典型的な電圧または４から２０ミリアンペアの間の電流の大きさをもつア ナログ信号であることができる。ディジタルコマンドも、直列の通信ボー）　（ ｃａｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｏｒｔ）により入力することができる。制御器 上にＤＩＰスイ・ソチとジャンパとの組合せで特殊な電圧及び電流領域を好適な 実施においてセットすることができる。アナログアクチュエータ制御信号（チャ ネルＡ）は、ディファレンシャルまたはシングルエンデツド（ｄｉｆｆｅｒｅｎ ｔｉａｌ　ｏｒ　ｓｉｎｇｌｅ−ｅｎｄ）であることができる。好適な実施例に おいて、入力は、約２０マイクロ秒の変換時間をもつ１０ビット逐次近似アナロ グディジタル変換器で読み取られる。見本更新時間（ｓａｍｐｉｅ　ｕｐ−ｄａ ｔｅ　Ｈｍｅ）は、２ミリ秒台以上である。アナログアクチュエータ制御信号は 、通常のタコメータ、線形また回転電位差計、ロードセル圧力変換器、または他 の制御器からのアナログ出力を用いることによって、速度、位置または力を検知 するのに用いられる。アナログアクチュエータコマンド信号は、アナログ出力を もつ簡単なジョイスティック、プロセス制御器、数値制御器、またはプログラマ ブルロジック制御器により供給されることができる。何れの場合でも、制御器は 、アクチュエータコマンド信号を処理して、弁スプールを所望の流量及び方向に 位置決めする。

概括的にブロック８８で示されているアナログアクチュエータコマンド信号を受 けると、該データは、ディジタルフォーマットに変換され（ブロック９０）、そ の出力は、５から２５０Ｈｚの間のプログラマブル遮断周波数を有する単極低域 フィルターへ送られる（ブロック９２）。ブロック９４では、フィルタ出力信号 は、マイクロコンピュータの中の通常のオフセットレジスタの内容と合計される 。

フィルタとオフセットとの合計は、次いで選択自在なチャネルゲインと掛算され る（ブロック９６）。若し、極性反転コマンドが肯定されたときには、信号の現 在の値の符号は反転される。この信号値は、次に装置ゲインによって分割される （ブロック１００）。制御器は、ゼロから１０ボルトプラス／マイナス５ボルト 及びプラス／マイナス１０％の間の電圧を有するアナログ信号を読み取る様書こ 構成されている。単極信号は、１０ビツトの正確さで変換される（１部１０２４ ）。

２極言号は、９ビツトの正確さで変換される（１部５１２）。

制御器はまた、４〜２０ミリアンペアの間の電流信号を受ける様に構成されるこ とができる。制御器は、これらの信号を１０ビツトプラス／マイナス１ビツトの 正確さで変換するであろう（１部８２０）。装置ゲインによって分割された信号 値は１、合計された信号の変化の割合を制限する様にマイクロコンピュータによ って処理される（ブロク１０２）。この割合が制限された値は、次いでブロック １０４でステッパモータ位置コマンド信号を育する２相電流に変換される。その 結果、ステッパモータはスプールをアナログコマンド信号（ブロック８８）入力 に加えられた信号に比例する位置へ動かす（ブロック１０６）。

制御器が開ループで操作される時には、次の考慮が払われなければならない。

（１）入力低域フィルターの装置応答に及ぼす効果、（２）装置ゲインのアクチ ュエータ安定性に及ぼす効果、及び（３）　弁流量のアクチュエータ（負荷）加 速度に及ぼす効果。先ず、入力フィルター周波数が５〜２５０Ｈｚの間にあるこ とが望ましい。入力アクチュエータ制御信号が正確に再生されることを確実にす るために可能な最も高い周波数で操作することが最善である。若しも、直接の環 境が沢山の電気的ノイズ源を存するならば、周波数は、これらの効果を減少また は除去する様に下げられるべきである。アナログチャネルゲインと装置ゲインと の双方が、アナログアクチュエータ制御信号の大きさに応じてサーボ弁のが与え るであろう比例的反応に影響するであろう。チャネルゲインのより高い値に対し て、弁は、同じレベルのアクチュエータコマンド信号に対して多くの流れを供給 するであろう。逆に、より低いゲイン値は、同じ入力信号レベルに対して少ない 流れを供給する。装置ゲインは、反対の形で働く：より高い値はより低いサーボ 弁の流れを生じ、そして、より低い値はより高い流れを生じる。何れの場合でも 、同じレベルのアクチュエータコマンド信号入力で流れの量を増すと、アクチュ エータを不安定にさせる。満足すべき操作は、操作が近似的に近い点に双方のゲ インが調整され、そして、次いでこれらのゲイン設定の５％〜１０％の間に減少 されることによって得られる。

サーボ弁速度調整は、弁がアナログコマンド信号入力に応答する速度を制御する ことによって、効果的に負荷（アクチュエータ）加速度を制御する。円滑な負荷 の始動及び停止を与える値が望ましい。

第７図は、本発明によるディジタルサーボ弁機構の圧力ゲイン関係特性を示す。

曲線１０８は、従来技術のアナログサーボ弁機構の圧力ゲイン関係に相当し、一 方、曲線１１０は、本発明による圧力ゲイン関係問題を示している。典型的に、 従来技術の機構は、サーボ弁が、得られる圧力増加（即ち入力電圧。）ができる だけ小さくて、ゲインの最高値に達する様に構成されている。その結果、圧力ゲ イン関係は、閉じた弁位置の近くで非常に急速に変化する。従来技術のアナログ サーボ弁機構は、アナログサーボ弁の設計に固有な分解能の不正確なまたは欠如 のためにできるだけ短いスプールストロークでゼロと最高圧力ゲインとの間の移 行をしようとしている。しかしながら、第１図のディジタルサーボ弁機構では、 ステップモータは、圧力の関数としてゲインの正確且つ繰返可能な値を与える。

従来は、ステッパモータは、ステッパモータ出力軸の多重または連続の回転を必 要とする用途のために用いられた。しかしながら、本発明においては、ステッパ モータは、所望の弁変位を成し遂げるため１回転の何分の１だけ回転することが 必要である。本発明の制御器は、ステッパモータのマイクロステップ能により提 供されるより大なる精密度を利用する様に構成されている。従って、圧力ゲイン 領域は、正確度における対応ロスなしに所望するだけ多くのゲインが含まれる様 に拡大することができる。これは、１０００分の１が平均であるとしての分解能 の関数である。好適なマイクロステッパモータ及び制御器の分解能、１２８．０ ００分の１を超える。

第８図は、第１図のディジタルサーボ弁機構の一部の断面図である。サーボ弁１ ２のついたステッパモータ１４が図示されている。戻し装置１１２が、通常のス プール１１４の一端に配置されている。スプールは、通常の態様で弁体１１６の 内腔内に滑り自在に配置されている。該内腔は、第１図の流体の流れ中の他のそ れぞれの要素へ開口されている複数の流体チャネルを有している。中央の室１１ ８は、圧油または空気式用途における空気の様な加圧流体を受ける様に構成され ている。チャネル１２０及び１２２は、アクチュエータに開口しており、一方、 チャネル１２４及び１２６は、戻り流体容器へ開口している。

以下に詳述する様に、スプールには、ステッパモータ出力軸の回転を軸１３２に 沿った線形スプール位に変換するため、ステッパモータから遠い一端にボール・ スクリュー回転−線形変換器１２８が設けられている。ステッパモータの出力軸 は、スプール及び回転−線形変換器を一緒に組立体として回転させる。スプール は、弁体中のいくつかの流体チャネルを覆わずに同時に軸１３２に沿って変位さ れる。

従来のディジタルサーボ弁機構では、機構的帰還がないと、もしも電力がディジ タルサーボ弁機構から除かれると、サーボ弁は最後のコマンドされた位置に留ま ることになる。第１図のディジタルサーボ弁機構は、好適な実施例において２方 向回転ナルスプリング機構を有する戻し装置１１２を取り入れることによって、 従来技術のディジタルサーボ弁の不利点を克服する。この機構は、カルビン１３ ６がそこから延びる密封板１３４を存している。回転コイルばね１３８が、ステ ッパモータ出力軸のまわりに配置され、且つ、ビン１４１を存する連結装置１４ ０へ固定されている。ばね（第９図参照。）は、ナルビンと接する様に外側へ延 びるタブ１４２及び１４４が特徴である。この機構は、ばねがステッパモータ出 力軸の時計または反時計回転方向への回転に抗する力を生じる様に構成されてい る。ナルピンは、好適には、サーボ弁の十分に閉じた位置に対応する様に配置さ れる。

ばねの戻る力によって出力軸のまわりに作用されるはねトルクの大きさは、磁気 係止の力よりも大きく且つステッパモータで供給されるトルクよりは小である様 に選択される。その結果、ステッパモータ出力軸は、ばねの側の如何なる干渉か らも自白に動作するであろう。しかしながら、もしも、電力故障または制御器電 子機器の故障があると、ステッパモータ出力軸は、常に機械的にナル位置に戻さ れ、それによって、弁を閉じ、そして、電力が戻った時に装置や人員に損害を与 えないことを確保するであろう。

第９図において、ばねの好適な実施例が、直径約０．０４フインチのピアノ線か ら成り、モして９０’で約８オンスイッチの予荷重がつけられている。

第９図に示されている様に、ばねのタブ１４２及び１４４は、ナルピンの反対側 にある。ばねは、外径的０．８インチ及び内径約０．６インチを有する約４巻か ら成る。弁閉じ位置は、ビン１３６及び１４１が係合する位置に相当する。

連結装置１４０は、ばねをスプールと連結するために設けられており、そして、 １対の対向した連結ジャーナル１４６及び１４８を有している。ジャーナル１４ ８は、スプールに固定されており、そして、ジャーナル１４６中の受け機構１５ ２内で長手方向に滑り自在であるオフセットクランクビン１５０を有している。

スプールは、受は機構とジンバル取り付けされており、軸方向運動のみならず、 半径方向または角方向運動を可能にする。

第１図のサーボ弁はまた、回転−線形変換を可能にするボール／スクリュー機構 を有している。このポール／スクリュー機構は、スプールの様な変位自在な弁素 子に取り付けられた内側部材１５４を特徴とする。この内側部材は、その外面に 形成されたつる巻溝１５６を有している。ポール／スクリュー機構は、内腔を有 する外側ハウジング１５８を有し、該内腔は、内側部材の外面と連係的に形成さ れた溝付面があり、複数個のボール（例えばボール１６０゜）が２つの連係する 面によって形成されたつる巻状のチャネル内に、しっかりと嵌り込む様になって いる。よく知られている様に、内側部材が回転すると、同時に長手方向の変位か 生じる。その結果、ボールは、内部素子／スプール組立体が反時計方向に回転さ れると１つの方向に、及び該組立体が時計方向に回転されると反対方向に、つる 巻状チャネルのまわりを移動する。この変形は多（の点で有利である。多重のタ ーンがないことは、通常の外部再循環チューブの必要性を除去する。ボールは、 機械的止め具１６４及び１６６によってつる巻チャネル内に保持される。

通常のボール／スクリューは多くの巻きから成り、従って、ボールが再循環する ことを可能にする外側の戻しチューブを必要とする。しかしながら、本発明によ り提供されるボールスクリュー機構は、つる巻チャネルの概ね１回の完全な回転 を特徴としている。好適な実施例のディジタルサーボは完全な弁操作のため何れ かの方向での約１回の全回転だけ回転するから、１回よりも多い巻きは必要でな い。ボール／スクリューの回転を１回だけに制限することにより、ディジタルサ ーボ弁は、変位軸線から全（離れた高められたコンプライアンス（ｅｎｈａｎｃ ｅｄｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）を特徴とする。即ち、ボール／スクリューの内側部 材は、外側のボール／スクリューハウジングに関して変位軸線から若干変位させ ることができ（ラジアルコンプライアンス）、及びボール／スクリュ一端に関し て僅かに変位可能なスプールの遠位の端をもっことができる（アンギュラコンプ ライアンス）。

既知の多重巻きボール／スクリューは、実質的に、ラジアルコンプライアンスま たはアンギュラコンプライアンスを有しない。従って、若しも多重巻の通常のボ ール／スクリューがこの用途で用いられたら、ラジアルコンプライアンスがない ことは、ディジタルサーボ弁の円滑な操作を失敗させるであろう。

最も重要なことは、本発明により提供されるポール／スクリュー機構が、従来の サーボ弁に固有なバックラッシュをな（すことである。前述した様に、従来技術 のサーボ弁は、回転が反転される時のバックラッシュを回避するため弁の操作部 材に予荷重する回転及び軸方向のパイアスカを与えるばねを使用した。然しなが ら、サーボ弁中の流体チャネルが更に大きい成る用途では、ばねにより作用され るトルクは負かされることができる。本発明により提供されるポール／スクリュ ー機構では、存在するバックラッシュの量は、スプールに加えられる力と独立し ており、そして、つる巻溝及びボールの物理的パラメータの関数に過ぎない。

バックラッシュの量は、機構により厳密な公差を与えることにより除去すること ができる。重要なことは、機械的なバックラッシュの除去がラジアルまたはアン ギュラコンプライアンスを損することなしに達成できることである。

本発明により提供されるディジタルサーボ弁の機素のラジアル及びアンギュラコ ンプライアンスは、内側トーションバー１６８により大いに増大されている。

該トーションバーは、スプール１１４の内側中央腔内に配置されており、そして 、それが緊締されている連結ジャーナル１４８から長手方向に延びている。スプ ールの他端では、トーションバーはスプールの中央腔から外に出て、好適な実施 例のボール／スクリュー機構である回転−線形変換器へ固定されている。スプー ルの中央腔の直径は、隙間ができる様にトーションバーの直径により大きく選定 されている。更に、本発明により提供されるディジタルサーボ弁中のスプールは 、トーションバーのみによって、回転−線形変換器（ボール／スクリュー機構） へ締着されている。その結果、弁の長手方向変位における何らの機械的バックラ ッシュまたはその他の不正確さなしに、著しい量のコンプライアンスがスプール 組立体に導入されることができる。好適な実施例では、スプールは、連結ジャー ナル１４８で固定されたトーションバーがついているが、当該技術に精通した者 は、ラジアルコンプライアンスがスプール／連結ジャーナルインターフェースに おいて導入されて、スプールが代わりに回転−線形変換器へ固定的に取り付ける ことができることに気付くであろう。

第１０図は、減少された流体反作用またはベルヌーイの力を特徴とする本発明に より提供される別のディジタルサーボ弁１７０の一部の断面図である。当該技術 で知られている様に、弁体とスプールとに作用する流量誘導力即ちベルヌーイの 力は、流体室中を及び弁オリフィスを通って流体が流れる結果として生じる。

流体の流れによって生じる定常的な流れの力は、オリフィス領域の傾斜圧力降下 及びスプール変位に正比例することが判っており、そして、常にオリフィスを閉 じる様に作用する。ベルヌーイの力は、その力が弁位置に依存するので、弁のセ ンタリングばね（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ　ｓｐｒｉｎｇ）と相似である。定常的な 流れの力はまた、サーボ弁スプールの直径の関数である。通常の流体力学的サー ボ弁は、一般的に、定常的な流れの力の大きさが、比較して有意でない様に、十 分な力をもつ機械的供給源によって動かされまたは変位させられる。然しなから 、ディジタルサーボ弁にあっては、ステッパモータは明確な力の制限を有してお り、そして、定常的な流れの力は、より大きな直径のスプール弁ではより重要に なる。従来この問題と取り組むための努力は、（１）、２段階、２本のスプール 弁構成を用いることにより、定常的な流れの力を減少すること、または（２）、 スプール及び弁体の構造を流れの力の補償を与える様に構成することに集中され た。余分のスプールを加えることは、明らかにサーボ弁製作コストを実質的に増 大し、また、より複雑なパッケージとより大きな力が必要であるという様な他の 理由からも望ましくない。

流れの力の補償を有する既知のサーボ弁の１例が第１１図に示されている。そこ に示されているのは、弁体１７４と、通常の４方態様で形成された弁体の中央腔 １７８に配置されたスプール１７６とを有するサーボ弁１７２の一部である。

スプールは、１つおきのくぼみ領域１８４，１８６，１８８のついている複数の 円筒形の山部１８０，１８２を有し、そして、該くぼみ領域は、スプールが変位 される時に供給流体チャネル１９０から流体をチャネル１９２，１９４を通って アクチュエータへ送る。また、流体は、チャネル１９６を通って容器へ戻され斯 くして回路が完成される。

流れの力を補償するために、従来技術のサーボ弁は、ベルヌーイの力に抗する力 を加えた。例えば、サーボ弁１７２は、力の補償のために弁体中に追加の再循環 山部または負の力の通路１９８，２００を有している。

スプールが変位されると、流体は中央の室に入り、そして、動く流体の面に垂直 なジェット力を生じる。ジェット力は、２つの直交とちする成分に分解すること のできるニュートンの第３法則により与えられる、等しく且つ反対の反動力を持 つ；一つの成分は、スプールの変位軸線に平行に働き、そして他の成分は垂直に 働く。反動力の横またはラジアル成分は、弁体に対して弁を横方向に押してステ ィッキングを生じる傾向がある。然しながら、この力成分は、スプールのまわり に対称に弁通路を配することによって補償される。軸方向の反動力は補償されず にスプールを閉じる方向に働く。

この軸方向の反動力成分に反対向きの力を生じさせるために、弁スプール及び弁 の山部は、図示された様な若干の流体の再循環を生じる様に構成されている。

スプール１７６は、流れの力における隣接した山部１８０及び１８２との連結部 ２０２．２０４で実質的に矩形の側面をもつ中央のくぼみ領域を特徴としている 。

第１１図に示されている様に、連結部２０２．２０４は、僅かな工作カーブを有 するが、それにも拘わからず実質的には矩形である。工作カーブは、軸方向の力 の大きさを変えない。外側のくぼみ領域１８４及び１８８は、負の力の通路１９ ８及び２００と相補的であるカーブした形状になっている。チャネル２０６へ入 る流体は、流入する流体によって生じる軸方向の力と反対向の軸方向の力を存す る流れの力を生じながら再循環する。この追加的な力は流れに誘導された力を補 償するのを助けるが、山部の表面の広汎且つ精密な機械仕上げを必要とする。

第１０図に断面で示されている様に、本発明により提供されるサーボ弁１７０は 、弁体２０７と、実質的に円筒形のランド２１０，２１２及び通常のスプールで 可能であるよりも低い正味の流れの力を与える相補的な形状を有する１つおきの （ぼみ領域２１４，２１８を有するスプール２０８とを特徴としている。より低 い正味の流れの力では、補償の力は必要でない。中央のくぼみ領域２１６は、通 常の実質的に矩形側面のランドで生じるよりも変位軸線から実質的により大きな 角度で流れのジェットを指向させる様に選ばれた曲率半径を有する端部２２０゜ ２２２を特徴とする。外側のくぼみ領域２１４及び２１８は、互いに対称な鏡像 の様な形であり、そして内側端部に特徴があり、それは、中央の（ぼみ領域の端 部の曲率半径と実質的に同じな曲率半径を有している。中央のくぼみ領域の端部 の曲率は、弁体の内腔２２４が簡単な円筒形チャネルをもつことを許す減少され た流れの力を与える。得られるサーボ弁は、精巧で高価な負の力の通路または再 循環流体室が必要でないから、全体のコストが実質的に減少される。

本発明の弁スプールにより与えられる流れの力の減少は、第１２図を参照するこ とによって確かめられる様に重要である。よく知られている様に、補償されてい ない弁は、弁のストローク（カーブ２２６）が増大するにつれて増大する流れの 力をもつ。然しなから、本願の弁スプールが、実質的に円筒形の流体チャネルを 有する簡単な弁体と組合わせ用いられる場合には、所要の力（カーブ２２８）は 、最早や弁のストロークの関数てはなく、補償されていないサーボ弁が必要な最 大の力の典型的に２０％である最大の力に達する。

同様に、本発明は、上述した様に好適な実施例に関して開示されたが、当該技術 に精通した者は、あるそれらへの追加、置換及び削除が、本発明の精神及び範囲 から離脱することなしに為され得ることに気付くであろう。特に、本発明は、圧 油を利用する一実施例に関して説明されたが、当該技術に精通した者は、本発明 が、ハードウェア及びソフトウェアの適当な置換で空気式用途における使用に容 易に適合されることに気付くであろう。

ＦＩＧ、ｌ○ 国際調査報告 ｉ＾言ｅ＋＊ａｍｍ−＾、畦。＝−Ｎ−、ＦＯ／ＵＳ８９１０５７７７

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. １．長手方向の内腔を有し、その内腔に沿って複数のチャネルが隔設され、且つ 各チャネルが、それぞれ流体圧源、流体圧戻り骨及びアクチュエータに連通して いる弁体； 長手方向軸線に沿って該内腔内を変位自在であり、複数のくぼみ領域で交互に隔 てられた複数の実質的に円筒形のランドを有し、チャネルを通る流体の流れを軸 方向変位に従属して制御する様に弁体と協同的に構成された弁スプール； 受けた回転変位をスプールの線形変位に変換するために該弁体及びスプールに取 付けられた回転−線形変換器； アクチュエータの変位を示す信号を与えるための帰還手段；位置コマンド信号に 応答して不連続の回転変位を与えるモータ手段；及び該帰還信号及びアクチュエ ータ制御信号を受けてアクチュエータのパラメータ値を計算し、計算された値を 通常のアクチュエータのパラメータ値と比較し、及び該受け且つ計算された信号 から該位置コマンド信号を繰り返し決定する制御器； とから成ることを特徴とする変位自在なアクチュエータを制御するためのディジ タルサーボ弁機構。
2. ２．前記制御器が、該通常のアクチュエータパラメータを該帰還信号と比較し、 それから変更された位置コマンド信号をつくり、それによって適応する弁制御を 可能にすることを特徴とする請求の範囲１に記載の機構。
3. ３．長手方向の内腔を有し、内腔に沿って複数のチャネルが陥没され、各チャネ ルは、それぞれ流体圧源、流体圧戻り管及びアクチュエータに流通している弁体 ； 長手方向軸線に沿って、該内腔内を変位自在であり、複数のくぼみ領域で交互に 隔てられて複数の実質的円筒形のランドを有し、チャネルを通る流体の流れを軸 方向変位に従属して制御する様に弁体と協同的に構成された弁スプール； 受けた回転変位をスプールの線形変位に変換するために該弁体及びスプールに取 付けられた回転−線形変換器； 位置コマンド信号に応答して不連続の回転変位を与えるモータ手段；及びアクチ ュエータ制御信号を受けて現在のアクチュエータのパラメータ値を計算し、計算 された値を予め選択されたアクチュエータのパラメータ値と比較し、及び該受け 且つ計算された信号から該位置コマンド信号を繰り返し決定する制御器； とから成ることを特徴とする変位自在なアクチュエータを制御するための開ルー プのディジタルサーボ弁機構。
4. ４．前記制御器が、比例／積分／微分（ＰＩＤ）閉ループ制御アルゴリズムを用 いて該位置コマンド信号を決定することを特徴とする、請求の範囲１記載の機構 。
5. ５．前記制御器が、該アクチュエータのパラメータ値を計算し、該計算された値 を該予め選択された値とリアルタイムで比較することを特徴とする、請求の範囲 １記載の機構。
6. ６．前記制御アルゴリズムが、位置エラーの現在値を確定し及び該位置エラー値 を連続繰り返しにおける位置エラー値で積分することを特徴とする、請求の範囲 ４記載の機構。
7. ７．前記制御器が、出力−帰還理論から誘導された閉ループ制御アルゴリズムを 用いて該位置コマンド信号を決定することを特徴とする、請求の範囲１記載の機 構。
8. ８．前記制御器が、状態空間理論から誘導された閉ループ制御アルゴリズムを用 いて該位置コマンド信号を決定することを特徴とする、請求の範囲１記載の機構 。
9. ９．前記状態−空間アルゴリズムが、機構内の他の変数から該アルゴリズムによ ってつくられたエスティメータ変数を有することを特徴とする、請求の範囲８記 載の機構。
10. １０．前記エスティメータ変数がロイエンベルガータイプの変数から成ることを 特徴とする、請求の範囲９記載の機構。
11. １１．前記エスティメータ変数がカルマンフィルターを有することを特徴とする 、請求の範囲９記載の機構。
12. １２．前記状態空間アルゴリズムが線形２次レギュレータを有することを特徴と する、請求の範囲８記載の機構。
13. １３．前記状態空間アルゴリズムがポールプレースメント技術（ｐｏｌｅ　ｐｌ ａｃｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を有することを特徴とする、請求の範囲８ 記載の機構。
14. １４．前記計算されたパラメータが、アクチュエータ速度及び加速度であること を特徴とする、請求の範囲１記載の機構。
15. １５．前記制御器が、計算された値を予め選択された値と比較し、若し計算され た値が予め選択された値を超えるときにはタイムディレイを生じさせ、斯くして 、アクチュエータの時間応答（ｔｅｎｐｏｒａｌ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を与える ことを特徴とする、請求の範囲１記載の機構。
16. １６．調整された流体の流れを受け及び液圧の適用を与える様に弁体、流体圧源 、流体圧戻り管及びアクチュエータと共に構成された１以上のアナログサーボ弁 を更に有することを特徴とする、請求の範囲１記載の機構。
17. １７．前記制御器が、弁のスプールの位置及び速度を決定し及びアクチュエータ の計算された位置をアクチュエータの測定された位置と比較して更に該弁スプー ルが減速位置及びスプール速度に達したかどうかを決定するアルゴリズムを有し 、最終弁スプールを送るための該制御器は、弁スプール位置がコマンドされた位 置から予め選ばれた距離内にある時にアルゴリズムの位置を決めることを特徴と する、請求の範囲１記載の機構。
18. １８．前記制御器が、減速制御サブアルゴリズム、速度制御サブアルゴリズム及 び加速制御サブアルゴリズムからアクチュエータのパラメータ値に従属して最終 位置決めアルゴリズムを形成することを特徴とする、請求の範囲１７記載の機構 。
19. １９．長手方向軸線のまわりで回転自在且つ移動自在であるスプール；該スプー ルを受けるための内腔を有する弁体；及び対向スプール第２端で受けた回転を軸 方向のスプール変位に変換するためにスプールの第１端でスプールに取り付けら れたボール／スクリュー手段、を有することを特徴とするサーボ弁における使用 のための変換装置。
20. ２０．前記ボール／スクリュー手段が、スプールの第２端でスプールに取り付け られた内側部材と、弁体に取り付けられ内側部材を受ける様に構成された外側の 中空部材とから成り、該内側部材は外側表面を有し、該中空部材は対向した内側 表面を有して両表面が前記軸線に沿ってまわりを約３６０°延びるつる巻状チャ ネルを形成しており、及び複数の変位自在なボールが該チャネル内に配置されて おり、且つ該ボールが該チャネルに実質的に適合する様に形成されていることを 特徴とする、請求の範囲１９記載の変換装置。
21. ２１．長手方向軸線のまわりを回転自在且つ移動自在であるスプールと、該スプ ールを受けるための内腔を有する弁体と、該軸線のまわりでの回転を与えるため 該スプールの第１端に配された回転手段と、該回転を該軸線に沿った変位に変換 するために該スプールの対向した第２端で該スプールに取り付けられたボール／ スクリュー手段とを有することを特徴とするサーボ弁。
22. ２２．前記ボール／スクリュー手段が、スプールの第２端でスプールに取り付け られた内側部材と、弁体に取り付けられ内側部材を受ける様に構成された外側の 中空部材とから成り、該内側部材は外側表面を有し、該中空部材は対向した内側 表面を有して両表面が前記軸線に沿ってまわりを約３６０°延びるつる巻状チャ ネルを形成しており、及び複数の変位自在なボールが該チャネル内に配置されて おり、且つ該ボールが該チャネルに実質的に適合する様に形成されていることを 特徴とする、請求の範囲２１記載のサーボ弁。
23. ２３．前記つる管状チャネル及びボールが、その間に約０．０００１インチの隙 間を有することを特徴とする、請求の範囲２２記載のサーボ弁。
24. ２４．前記軸線に沿ってスプールの内腔に配され対向する両端がそれぞれスプー ルの第１端とボール／スクリュー手段とに取り付けられたトーションバー手段を 更に有し、該トーションバー手段が、前記軸線に関してボール／スクリュー手段 とスプールとの間でラジアル変位を与えることを特徴とする、請求の範囲２１記 載のサーボ弁。
25. ２５．前記軸線に沿ってスプールの内腔に配され対向する両端がそれぞれスプー ルの第１端とボール／スクリュー手段とに取り付けられたトーションバー手段を 更に有し、該トーションバー手段が、前記軸線に関してボール／スクリュー手段 とスプールとの間でアンギュラ変位を与えることを特徴とする、請求の範囲２１ 記載のサーボ弁。
26. ２６．前記スプールの内腔が、トーションバー手段の直径を超える直径を有する ことを特徴とする、請求の範囲２５記載の装置。
27. ２７．ステッパモータに用いられ、複数の位置係止装置で出力軸にトルクを働か す戻り装置であって、出力軸トルクより大で且つステッパモータのトルクよりも 小であるばねトルクを出力軸に与えるばね手段と、ステッパモータのトルクの不 存在下に該ゼロ位置へ出力軸を回転する様にばねトルクを加えるために、該ばね 手段を出力軸のまわりに位置決めしゼロ位置を画定する手段とを有することを特 徴とする、戻り装置。
28. ２８．前記センタリング装置が、軸を１回転以下に回転させることを特徴とする 、請求の範囲２７記載の装置。
29. ２９．前記スプリングトルクが、時計方向及び反時計方向の両方に加えられるこ とを特徴とする、請求の範囲２７記載の装置。
30. ３０．実質的に円筒形の内腔を有するサーボ弁と共に用いられるスプールであっ て、複数の長手方向に隔てられた実質的に円筒形のランドと、該ランドに接した 複数のくぼみ領域とを有し、該くぼみ領域は隣接するランドと接する少なくとも １つの実質的にカーブした端部を有することを特徴とするスプール。
31. ３１．前記複数のくぼみ領域が、中央の領域と対向する側方領域とを有し、該中 央領域は、その両端に前記カーブした領域を有し、該側方領域は、該中央のくぼ み領域から離れて延びる直径が増大する円錐形部分を有することを特徴とする、 請求の範囲３０記載の弁スプール。
32. ３２．長手方向の内腔を有し及び複数の実質的に円筒形のチャネルがそれに沿っ て隔設されている弁体と、長手方向軸線に沿って該内腔内を変位自在の弁スプー ルとを有し、該弁スプールは、複数の実質的に円筒形のランドが複数のくぼみ領 域で交互に隔てられており、該くぼみ領域は、少なくとも１つのカーブした端部 を有することを特徴とするサーボ弁。
33. ３３．各くぼみ領域が中央部分と側方部分とを有し、該中央部分は対向したカー ブした両端部を有し、該側方領域は、該中央くぼみ領域から離れて延びる直径の 増大する円錐形部分を有することを特徴とする、請求の範囲３２記載のサーボ弁 。