計測自動制御学会東北支部第177阿研究集会tl明乱10．3り 資料番王」一177−コ0 PWM：制御ERバルブによる ミニチュアベローズアクチュエータのサーボ特性 CoI］（roICharaCtCristicsofMiniiIturCl王eJlowsActuatordrivenby apairofPWMCoIltrO］1cdEJlVa］vcs ○萩野 克也（山形大院）， 岩手 直喜， 中野 政身（山形大工） 助指呼〟几4G爪rO，鮎〃揖r〔諷〟7甘，」l血T〟l扇几4＆i〃口 DcptLOfMechani亡a］System「ngineering，YamagataUniversi吋 キーワード：ERアクチエェ一夕〔ERActuator）．分散素ER流体（ERSuspensjon），3ポートER バルブ（ThreePortsERVa］ve）rPWM制糾PWMCoTltrO］），PID制御即（PTD Contro］Strategy），サ←一ボ特什（ServuTCharacteristics） 連絡先：〒舛2一台510 米沢市城南4−3−】6山形人草工′、Jr＝部機械システム工学科中野研究室 中野政軌 丁巳1：（0238）26・324g，Fax：（02瑚26−3248．仁一I11ai］：nakano＠mnaka．yz．yamagata−u．aC，jp l．緒言 であると考えられた閉鎖から全開までの連続 流量制御が可青巨であることを示Lている†4）．こ ER流体は，電場の印加によって粘性を数ミ こでは，3ポートのERバルブによって駆動さ リ秒のオーダーで可逆的に変化できる機能性 れる小型のベローズアクチュエータの位置フ 流体であり，その特徴によりER流体を作動流 ィードバック制御を行い，このときの制御特性 体とする流体回路では，全く可動部を持たない について検討している． 電極部だけからなるERバルブを用いて流量や 圧力を制御することが可能となる川．このよう ユ．実験装置及び実験方法 なERバルブを用いた小型アクチュエレク〃〕制 ユ．1 アクチュエータ 御など流体制御機器への応用が試みられてき 本研究で使用したベローズアクチュエータ ている（三川） （ベローズ有効直径19，7mm）とフィン型ER 本研究では，すでにERバルブのPWM波電 バルブ（電極間隔0．8mm，電極長さヨ01¶m，通 圧に上る流量制御を提案し，分散系ER流体の 路断面積25．日mm2）を園＝及び図2に示す． 場合には通常の可動弁と同様な静的流量制御 ニグ〕アクチュエータは，供給用・排出用の二つ 特性をDu甘比を可変することにより実現でき， のERバ／レプと，上部に一つのベロ叫ズを有す Du丹比が1で全閉状態を，0で全開状態を圧力 る単一ベロ 差に依存せず実現でき，DC電圧印加では幽購 ーズを採用することにより，アクチュエータ駆 −1− ーズ型アクチュエータである．ベロ 動時の摩擦抵抗をなくすことが可能となろ．各 Hz〕に変換し，二台の高電圧増幅器を介して印 ERバルブをPWM制御することにより，ベロ 加されろ．ベローズ変位は，高精度レーーザ一変 ーズ内への流入流出流量を変化させ，ベローズ 位計によっ■r検出され，コンピュータヘフィー の変位を制御するというものである． ドバックすることに上り，ペロー▼→ズアクチュエ ータを制御する．また，制御電圧及びベロ巾ズ Bell（IWS 変位はアナライジングレコーダによって記録 される．なお，使用したER流体は，スルホン 化重合体の分散粒子（含水率2．2％，平均粒子 撞5J上m）を10cStのシリコーンオイルに体積 分率ユO vol％で分散させた粒子分散系ER流体 （TX−ERユ057二 目本触媒製）である． Fig・lStructureofthreeportstypeERvalve †叩H削HT ■ll醜nk f：ig▲3「叩erimentatapparatusfbractuatorcontrol ヱ．駐RパルプのPWM流量制御 El亡亡trl※l鴨 PWM制御は周期的なON−OFF制御であるた Fig・2ConfigurationofERvalveconsistlngOffi−1 b′Pee】ectrodes め適用する系の最大圧力差におけるERバルブ の全閉時の電場強度を振幅にとれば，ERパル ユ．エ アクチュェ一夕フィードバック実験装置 プの全閉と全開状態を周期的に実現でき，その アクチュエータフィードバック実験装置及 時甘卜一周期あたりの開閉率はD叫比によって び測定系を図3に示す．アクチュエータヘの 変化できるため圧力差の変化に依存せず仇吋 ER流体の供給は，圧縮空気を用い−rER流体タ 比がnで全開，1の時に全閉状態を実現でき， ンクを一定圧に加圧して定圧力源で行われる． D叫比によって連続流量制御が可能となる、図 各ERパルプへは，目標値との偏差に応じた制 4には，試作LたERバルブを一定差圧のもと 御電圧がコンピュータより出力され，PWM回 で DC電圧制御及びPWM制御（電圧振幅 路によってPWM波電圧（キャリア周波数100 3月kv／mm〕を行ったときの静的な怖量制御特性 −2− を示す・いずれの制御方法でもバルブの一つの 3．アクチュエータの 機能である全閉状態を実現できるが，DC電圧 オープンループ制御特性 印加時には差圧によって全閉時の電場強度が 各ERバルブヘのDub′比を制御電圧』Fに比 異なるU・）に対して，PWM制御の場合にはDuty 例して制御しアクチュエータを駆動するオー 比が＝朋寺にいずれの圧力差においても全閉が プンループ制御方法を図5に示す．制御電圧OV 可能であり，高精度の連続流量制御が可能にな において，各ERバルブのm叫比を1として全 ると考えられる州． 閉を実現する方法と，オーーバラップ量仇⊥′を導 入して制御電圧0V時のDuty比が1一旦wとなる ∠介kPa 制御方法について検討Lている桝． ●．サイコ 0，・プj．朗 ▲．・イブ．7占■ A．・Jタ．アイ ■．・β0．βJ 的 Clo血gl 仇吋R且血 ■−■・・■ ■巾 吉川 缶I ■ A ■ A A ■ ■ ■ ▲ △ム △A ▲ ■■ ㌔ A ■ △ ㌔ ■−■ ■■ AA 』「 tO 5 威kVコ／mmZ Fig・5RelationshipbetweeneontroIvoltageand dutyratiosoftwopalrSOfERvaTvesin （a）DCvD】tagecontro］ PWMcontro】 ∠節kPa アクチュエータへのER流体の供給圧力を ●、・Jさ．ご 0．・j丘p 50kPaとし，このときにERバルブが全閉を実 ▲ □ ▲ □ ■ ■．・ヰ且ヰ ロ．・占ユ古 ▲．−βプ．∫ 現できるPWM電圧振幅とLて2．5kV／mmと設 ▲ D ○ 口 ■ ■ 定して実験を行った．囲6には制御電圧範囲 ▲ ■︵＝● ■0● 0● ○ ● ▲ ロ ■ ∩● ■ □ □ ■ 0 ● 0 ● ● 』F⊆±2．5V と一定にした時のオーソ1ラップ量 上h−′を0％から］0％まで変化させた時のアクチ ニ・ェエータ変位J〔り応答波形を示す．拓ノ′＝0％で は，応答波形は完全な正弦波とはならず最大及 仇5 び最小変位近傍で平坦な領域が存在し非線形 Duけ且atjo 性が強いことが分かる．最大及び最小変位領域 （b）PWMcontroI は両ERバ′レプが全閉状態から開放へ，逆に開 Fig・4 Staticflowratecontro）characteristicsor ERva】ve 放状態から全閉へ切り替わる領域に対応して −］＿ おり，全閉状態で電極間に停留したクラスター 分かる．図7には，オーバーラップ量30％のと によって流量変化に遅れが生じたことに起因 き〝〕アクチュエー しているものと考えられる．そこで制御電圧 ら分かるように周波数が高くなるにつれてゲ 』「＝OVにおいてオーバーラップ量月俳・を設け イン及び位相共に減少していることが分かる， て早めにERバルブを開放してやることによる タの周波数特性を示す．固か 4．PWM制御されたERバルブによる 効果を示す．オーバーラップ量が大きくなるに アクチュエータの位置サーボ制御系 つれて応答波形が正弦波に近くなるとともに ベローズアクチュエータの位置サーボ系の 変位振幅も増大し，線形性が確保されることが ブロック棉図を図呂に示す．補償要素として ユ ∈︻亡−、 lJ− P】D制御即を適用する．そのコントローラから l 爪U U）操作量とERバルブヘのPWM電圧のDuty比 rJ との関係は図りに示すように出力される．PWM H つ▲ ∈∈ 回路からのPWM電圧は，二台の高電圧増幅 1几U 器を介して各ERバルブに印加される．PID制 †J 御即を含めたコントローラとしてコンピュー †−一− 已−︻亡一仁︻ タを用いて実現している．そのサンプリングタ 爪V イムはImsecである．すでに，前項のオープン て︼ ループ制御系において特に制御電圧が0Vにお ■7−1 ∧U ∈一巳 h エ コ 4 5 Tim七Ilゴ代l Fig・6Changesof−wavefbrmsofactuatordisplacernent XWithoverlapdutyratioD（Nr Fig・呂BIockdiagramofposition］ngSerVOrSyStem ofminiaturebe］Iowsactuator Closimgl mけR且血 100 ControIJerOⅦtPut 】01 Frequency fHzz Fig・9RelationshipbetweencontroL］eroutputand dutyratiooflPWMvoltagetoapairofER valves in PWM control Fig・7ChangesofgainandphaseofactL．atOr responsewith仁OntrO‖†equency 一4− いて両ERパルプのDu年比のオーバーラップ量 の良いPIDパラメータを求めている． をコ0％と設定することにより，系の線形性が確 図10には，PIDパラメータを‡K＝1，Tl＝0．0】5， 保されると同時に制御特性も改善されること TD＝0，000005l，（K＝3，Tl＝0．O15，TD＝0．0005‡ が得られているためオーバラップ量はq仰・＝ 及び†K＝5，rr戸0．05，Tu＝0．0005）としたとき 30％と設定して制御実験を行う． のアクチュエータの変位特性を示Lている． 5．アクチュエータのサーボ特性 K＝】及びK＝3の時には，振幅が大きく応答が 遅くなっていることが分かるが，K＝5では振幅 アクチュエータヘのER流体の供給圧力を70 が小さく，整定時間は0．2sECとなっているため， kPaとし，このときERバルブで全閉が実現で 2 きる電場強度としてPWM電圧（キャリア周波 1 ∈仁︼ 数川OHヱ）振幅をコ．5kV／mmとして実験を行っ 叛 た． 爪U 〕 4 0．6 0．呂 2 ∈∈ ベローズアクチュエータの位置フィードバッ 5 つ﹂ ステップ応答及び周波数応答の実験を行い， H l ク制御系の制御特性について検討している． 几U 5．1ステップ応答特性 巨 nU る．二のときPIDパラメータ（比例ゲインK， 0．1 0．2 仇ヨ l l ︻ヒ∈ 0．5mmから1mmにステップ状に変化させてい 0．4 つ﹂ ステップ応答実験でi・もベローズ目標変位を 0．ユ 0．4 0．5 77甜ビ Se：C 積分時間T−，微分時間TD）を変化させて応答 （a）Wavefbms 2 F−F︼ 1 H ハU 0．2 0．4 0．占 0．8 1 l ︻亡F︻ 叫 0．4 つ］ 0．2 nU 0．6 0．＄ 1 2 1 已︼∈︼ 巧 100 nU 0．2 0．ヰ 0．6 仇召 101 Frequency fHz 1 7了椚ピSeC （b）Frequencycharacteristics Fig．11Frequencyresponsesofbet］owsactuator Fig，10Stepres匹■1SeOfbeJ［owsact−uatOrSerVO−SyStern SerVO−SySt亡＝m −5一 この系での適切なPIDパラメータであると考 クチュエータの出力波形を示す．100Hzの波形 えられる． では高い周波数の微小振幅の振動が顕著に見 5．三 周政教特性 受けられるが，キャリア周波数がコ00Hz，500Hヱ 周波数特性実験でほ，入力に一定周波数の振 と高くなるに一〕れて応答波形がかなり改善さ 幅0−5mmの正弦波状信号を加えて，出力との れていることが分かる．供給圧力の増大や，よ 振幅比及び位相のずれと周波数の関係につい り適切なP旧パラメータやキャリア周波数を て実験を行っている．このとき，PIDパラメー 設定することにより，周波数特性を改善できる タとLてステップ応答実験において最も応答 可能性がある． 性のよかった（K＝5，T．＝0．0㍉ TD＝軋0005）を 6．緒言 採用している． 小型のベローズアクチュエータの位置フィ 図11（a）には，周波数l，5，10Hzのベローズ ードバック制御系を構成することによって， アクチュエータの入力波形及び出力波形を示 PWM制御された2つのERバルブからなる3 している．周波数1Hz田ときには，ほぼ目標 ポートERバルブによって駆動されるベローズ 値に追従していることがわかるが，5Hz一亡は位 アクチニ1エータの制御を適切に行えることを 相が遅れ始め，】OHヱになると振幅が小さくな 示し，ベローズアクチュエータのフィードバッ っていることが分かる．図11（b）に示す周波数 ク制御を行う際には，制御則としてP旧制御則 特惟によれば，バンド幅が約呂lTzとなる． が有効であることを示した．また，供給圧力の ﹁⊥ l ∈∈ H 増大や，より適切なPIDパラメータやキャリア 周波数を設定することにより，系の応答速度を 几U 更に速める可能性がある．またバルブの流量特 2 3 4 5 ﹁﹂ 性の改善，小型ベローズの選定などにより糸の ＝200Hz C〟rr∫即爪■g ■・− ﹁uE︼．H 応答速度を更に速められる可能性がある． 1 ヨ 2 2 C（irrferFre 参考文献 4 王把〝亡V＝500Hヱ 一・− ︻トH︻亡 巨 （り中野，JSME第7コ期全国大会講演資料集 No．940−30〔Ⅳ）（l卵4），251 0 2 ユ 4 （2）C．Wal托Proc．of5thlnt．ConflOnERF．MRS 5 77〝7ビ SeC andAT，WorldScientinc，（1996），37 Figl12Dependenceofbel］owsactuatorservo− （j〕横田，近藤，機論（C編〕，且ト60l，（199恥 SySternOnCarrierfrequencyofPWMwaves （4）中晩皆川，JSME第73期通常総会講演論文集 No96−1（ⅢXl閑職20ウ 図1コには，入力としてIHzの正弦波状信号 （5）中野，皆川JSME茄74期通常総会講演論文集 を加えたときのPWM波のキャリア周波数を No97−1（Ⅳ賞Ⅰ明7），封0 100Hz，200Hz及び5001lzと変化したときのア ー6−
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