JPH06200973A - アクチュエータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アクチュエータの力出力を制動側で制御する
ことにより、アクチュエータの制御特性を飛躍的に向上
させる高精度で安定した位置制御を実現することができ
る。 【構成】 複動型空気圧シリンダ２は、空気圧バルブ１
８によりシリンダ内圧が調整され、左右のシリンダ内圧
のバランスにより重り４の位置を決定する。そして、こ
の空気圧シリンダ２には、電気粘性流体（ＥＲ流体）を
用いたダンパ１１が直結されている。このダンパ１１
は、内部の円筒電極板２１に電圧を印加することにより
該電極板２１間を流れるＥＲ流体２２に粘性制御力を発
生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクチュエータの出力
を粘性制動力により抑制しながら制御するアクチュエー
タの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアクチュエータの位置を制御する
装置は、目標位置まで正確にアクチュエータを運動させ
るためフィードバック制御系を構成し、図８は斯る従来
における前記フィードバック制御系１のアクチュエータ
の制御装置を示すブロック図である。

【０００３】即ち、アクチュエータ２の出力３は、制御
対称４を介して位置５を調節する。そして、前記位置５
は位置検出器６を介して電気信号に変換され、目標位置
指令（電気信号として与えられる）７と比較されて、偏
差８を生ずる。この偏差８は、増幅器９で増幅された
後、前記アクチュエータ２に入力され、したがって、該
アクチュエータ２は、この偏差８に応じて出力３を発生
するようになっている。

【０００４】このようなフィードバック制御系１におい
て、前記位置５が前記目標位置指令７まで到達していな
いときは、アクチュエータ２の出力３は減少し、逆に位
置５が目標位置指令７を行き過ぎると、アクチュエータ
２は逆方向に出力３を発生して再び位置５を目標位置指
令７に近づける。すなわち、アクチュエータ２の運動制
御系は加速側と減速側が対称系となっており、アクチュ
エータ２の出力３を制御するための力は、アクチュエー
タ２自体により発生するものとなっていた。

【０００５】一方、アクチュエータの別の制御装置とし
ては、ブレーキがある。図９はアクチュエータをモータ
３２とした場合の２種類のブレーキを示しており、一つ
は回生ブレーキ３１であり、他の一つは摩擦ブレーキ３
３である。

【０００６】前記回生ブレーキ３１は、モータ３２のサ
ーボドライバー３４への通電遮断時にリレー接点３０が
閉成して、前記モータ３２の運動エネルギーを抵抗器３
５で熱に変えて消散することで制動をかけるものであっ
た。

【０００７】また、摩擦ブレーキ３３は、前記サーボド
ライバー３４への通電遮断時、リレー接点３６が開成し
て電源４１から電磁コイル３７への通電が遮断されるこ
とによって、バネ３８が伸張して摩擦板３９がモータ側
の摩擦板４０に圧接するものであり、モータ３２の運動
エネルギーを摩擦熱に変えて消散することで制動をかけ
るものであった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術にあっては、アクチュエータが減速して
目標位置に静定するために、アクチュエータの持つ運動
エネルギーを確実に消散することが困難となる。

【０００９】すなわち、従来のフィードバック制御系の
みでは、減速するための制動力が逆方向の能動的な力と
なり、アクチュエータ２のもつ運動エネルギーは直接消
散されず、制御系の異常（例えば、フィードバックルー
プの開放）によりアクチュエータに過大な出力が発生し
て運動エネルギーを蓄積したままとなる不具合があっ
た。

【００１０】また、ブレーキにあっては、アクチュエー
タの運動エネルギーが熱として消散される際、回生ブレ
ーキは電気エネルギーに一度変換されるため、応答が悪
く、大きな運動エネルギーは消散しきれないという不具
合があった。一方、摩擦ブレーキは、別の運動エネルギ
ー（バネの機械的なエネルギー）を必要とするため、こ
の場合も応答が悪化する。また、機械構造であるため摩
擦板の摩耗等の劣化が避けられないという不具合があっ
た。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来の問
題点に鑑みて案出されたもので、モータ，シリンダ等の
アクチュエータの位置制御系において、アクチュエータ
運動状態（位置，速度）に応じて粘性抵抗による制動力
を発生する可変粘性手段を、前記アクチュエータに直接
付加し、アクチュエータの位置制御特性を制動力で変化
させるようにしたことを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明は、アクチュエータの位置制御系におい
て、アクチュエータ位置を目標位置に制御するためのア
クチュエータの制動を、粘性抵抗力を利用して行うた
め、アクチュエータの運動エネルギーを不可逆な熱エネ
ルギーに直接変換し、確実にアクチュエータを減速制御
することができる。また、粘性負荷が直接且つ機械的に
付加されることにより、仮に制御系が異常となってもア
クチュエータ運動を安定に作動させることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１４】図１は本発明に係るアクチュエータの制御
装置を概略的に示すブロック図である。即ち、アクチュ
エータ２は、目標位置指令（電気信号として与えられ
る）７と実際のアクチュエータ位置５を位置検出器６か
ら出力した電気信号との偏差８を増幅器９で増幅した信
号に応じて出力３を発生する。この出力３は、制御対象
４に加えられて位置５を出力するフィードバック系とな
っているが、制御対象４には、アクチュエータ２の出力
３以外に制動力１５も加えられる。この制動力１５の発
生は、可変粘性手段１１によるものであり、一般に液体
ダンパによる液体自体の粘性力１６と、位置５に応じた
制御による粘性制御力１７の２種類よりなる。

【００１５】前記粘性力１６は、位置５の微分（すなわ
ち速度）に比例する液体要素１３により生成される。他
方、前記粘性制御力１７は、位置５を微分演算要素１２
による抽出される速度成分の信号に応じた力を発生する
力発生機構１４による生成される。

【００１６】図２は本発明の第１実施例を示し、前記可
変粘性手段１１として、電気粘性流体（Ｅｌｅｃｔｒｏ
−Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｌｕｉｄｓ、以下ＥＲ流
体と呼ぶ）１３を用いたダンパ１１に適用した。ここ
で、ＥＲ流体とは、電圧印加によりその粘性が瞬間的に
大きく変化し、且つその変化が可逆なものであり、例え
ば含水系粒子を絶縁油に分散させたＷｉｎｓｌｏｗ流体
（米国特許第２４１７８５０号明細書）がある。また、
ＥＲ流体は、図１における一定の粘性力１６と可変な粘
性制御力１７（流体の剪断力に相当）を発生し、この粘
性制御力１７は、印加電圧のほぼ２乗に比例する力が発
生機構１４で発生する。

【００１７】また、アクチュエータ２として複動型空気
圧シリンダを利用し、位置検出器６としてポテンショメ
ータを夫々利用すると共に、制御対象４としてスライド
ベアリング２３上に載せた重りを利用している。前記空
気圧シリンダ２は、空気圧バルブ１８によりシリンダ内
圧を調節され、左右のシリンダ内圧のバランスにより重
り４の位置を決定できる。

【００１８】また、ダンパ１１は、シリンダ型に形成さ
れて、前記空気圧シリンダ２に直結されており、内部に
円筒電極板２１を有している。そして、この円筒電極板
２１の隙間をＥＲ流体２２が重り４の位置に応じて流れ
るが、高電圧源２０より円筒電極板２１に電圧が印加さ
れると、該ＥＲ流体２２は流れにくくなり、粘性制御力
１７を生じることになる。

【００１９】前記空気圧バルブ１８と高電圧源２０の制
御は、コントロールユニット１９により行われ、空気圧
シリンダ２には、位置制御に必要な空気圧が空気圧バル
ブ１８を介して導入される。また、ダンパ１１には、空
気圧シリンダ２の加速時のみに高電圧源２０から高電圧
が印加されるようになっており、これは、重り４の位置
微分信号の正成分に比例する高電圧が印加されるように
なっている。

【００２０】尚、空気圧シリンダ２，ダンパ１１は、と
もにピストン径が５０mmであり、ストロークは５０mm，
供給空気圧は６kgf/ cm²に設定した。また、使用したＥ
Ｒ流体２２は、セルロース粉体とシリコン油の懸濁液で
あり、高電圧源２０より最大５ｋｖを印加した。

【００２１】そして、１３.９mm／ｓの速度指令（傾き
一定の位置指令増加）を与えた場合は、図３に示すよう
に、図１における電気的な微分補償１０のみでは、補償
無しの場合（ハ）に顕著に現れる段階状の動作を十分に
抑えられていないことが明らかになった（（ロ）参
照）。しかし、図１におけるダンパ１１を付加して制御
した結果、速度変化に応じて細かく調整される印加電圧
に、ダンパ１１が追従して滑らかな定速度動作をするこ
とが確認された（（イ）参照）。

【００２２】また、図４は速度指令を変えた場合の動作
を示しており、ａ：１０mm／ｓ，ｂ：２.２mm／ｓ，
ｄ：０.４mm／ｓの各々の速度指令でも滑らかで安定し
た微速運動を実現した。

【００２３】さらに、前記実施例では、ＥＲ流体２２の
粘性変化が大きいため、空気圧シリンダ２の特性を粘度
可変領域として大きく設定することが可能となり、しか
も無段階に調整することができる。非線形な静摩擦力の
ため緻密な制御が困難とされている空気圧シリンダであ
っても、この静摩擦力を線形化（一次粘性化）すること
により、制御の不感帯がなくなり、高精度な位置決めが
可能となる。

【００２４】また、機械的可動部がないため、信頼性が
高い。さらに、粘性変化が高速でアナログ的であるた
め、アクチュエータの発生力変動に制御力が追随し、低
速度でも力一定の安定したアクチュエータ運動が実現で
きる。

【００２５】図５は本発明の第２実施例を示し、円筒電
極板２１の代わりに外部にＥＲ流体２２用のバルブ（Ｅ
Ｒバルブ２４）を設けた。前記ＥＲバルブ２４内には、
平行電極板２５が多層に置かれ、空気圧シリンダ２と連
動するピストン２６に応じて、ＥＲ流体２２の流れを調
節する。ＥＲバルブ２４と空気圧シリンダ２の制御は、
図２におけるコントロールユニット１９，高電圧源２０
及び空気圧バルブ１８を利用した。この実施例によれ
ば、図２における円筒電極板２１がコンパクトに構成で
きるのに対し、前記ＥＲバルブ２４は設計自由度が大き
く、大きな制動力を得るために電極長を長くすることが
可能になる。

【００２６】図６は第３実施例を示し、図５におけるＥ
Ｒバルブ２４を用いて、回転運動機構を構成した。前記
ＥＲバルブ２４内を流れるＥＲ流体２２は、ベロクラム
シリンダ２７内で機械油２８から圧力が伝達される。そ
して、空気圧シリンダ２の動作が機械油２８を介してＥ
Ｒ流体２２に流れを発生させ、この流れがＥＲバルブ２
４で調節される。空気圧シリンダ２は、単動型を２本拮
抗形に駆動することにより、チェーン２９を介してスプ
ロケット３０を回転させて、重り４を回転運動すること
ができる。尚、コントロールユニット１９は図２と同様
の制御方法でよい。

【００２７】図７は、図６における重り４の動作を位置
検出器６で記録したものであり、高電圧源２０への印加
電圧ゲインを適切に（図７におけるｃの場合）与えるこ
とにより、オーバーシュートがなく安定した回転運動に
規制されている。このように、前記ＥＲバルブ２４を適
正に制御することにより、不安定な空気圧駆動系を安定
化することが可能となった。

【００２８】

【発明の効果】本発明に係るアクチュエータの制御装置
によれば、最終的なアクチュエータの出力の調整を、制
動側の逆向きの力で行っているため、特に空気圧アクチ
ュエータのような高精度な制御が困難なアクチュエータ
であっても、精度の高い位置制御が実現できる。

【００２９】また、可変粘性機構が直接アクチュエータ
に付加されているため、通常，負荷（制御対象）挙動の
安定化を図るためのダンパと違い、アクチュエータ出力
に直接粘性力を干渉させるので、アクチュエータ出力の
安定化が図れる。

【００３０】さらに、粘性による制動力を利用するた
め、アクティブダンパのように制御異常で加振力を発生
せず、常にアクチュエータ出力を越えないような減衰側
の力となるので安全性が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアクチュエータの制御系のブロック
図。

【図２】本発明の第１実施例を示すシステム構成図。

【図３】前記第１実施例の定速度制御における抑制効果
を示すグラフ。

【図４】前記第１実施例の低速度制御能力を示すグラ
フ。

【図５】本発明の第２実施例のシステム構成図。

【図６】本発明の第３実施例のシステム構成図。

【図７】前記第３実施例の動特性（安定性）を示すグラ
フ。

【図８】従来のアクチュエータのフィードバック位置制
御系を示すブロック図。

【図９】従来のアクチュエータ制動手段である回生ブレ
ーキと摩擦ブレーキの構成を示す説明図。

【符号の説明】

１…フィードバック制御系 ２…アクチュエータ ４…制御対象 ５…位置（出力） ６…位置検出器 ７…目標位置指令 １１…可変粘性手段 １５…制動力 １７…粘性制御力 １８…空気圧バルブ １９…コントロールユニット ２０…高電圧源 ２２…電気粘性流体（ＥＲ流体） ２４…ＥＲバルブ ２７…べロフラムシリンダ ３１…回生ブレーキ ３３…摩擦ブレーキ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アクチュエータの位置制御系において、
   アクチュエータ運動状態に応じた粘性制動力を発生する
   可変粘性手段を、前記アクチュエータの位置制御系に付
   加することを特徴とするアクチュエータの制御装置。