2015 Fiscal Year Research-status Report
油圧回路内でのエネルギー回生が可能な次世代油圧制御技術の研究
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15K13900
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| Research Institution | Kochi University of Technology |
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Principal Investigator |
井上 喜雄 高知工科大学, 総合研究所, 教授 (50299369)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
立花 邦彦 高知工科大学, 総合研究所, 助教 (10747794)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 機械力学・制御 / 省エネルギ― / 油圧システム / エネルギー回生 / PWM制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
油圧システムにおいて運動する負荷を油圧シリンダのメータアウト側の圧力でブレーキをかける場合に，これまでよく用いられている弁の圧損によりブレーキ圧を発生させる方法では負荷の運動エネルギーはすべて消散してしまうのに対して，弁の圧損のかわりに高圧源と低圧源を高速で切り替えるPWM制御によりブレーキ圧を発生させ，高圧源側にエネルギーを回生する制御方法を提案し，システムの基本的な構成を設定するとともに，それを多自由度系としての動的解析モデルに置き換え，その圧力と流量の時刻歴応答を計算する数値シミュレーションプログラムを開発した．
開発した数値シミュレーションプログラムを用いて，典型的な油圧駆動システムについて圧力および流量の時刻歴応答計算を実施した結果，デューティー比を変化させることによって圧力を制御できること，条件をうまく設定すればエネルギーが回生できることを確認した．次に，エネルギー回生メカニズムを把握するために，パラメータ変更を行いながら検討を行った．その結果，高圧源からシリンダ側への逆流が発生するかどうかによってエネルギー回生性能が決まり，逆流量が増加するにしたがって，エネルギー回生性能が低下することがわかった．パラメータの影響については，全体的には切換え周波数が小さくなるほど，また，油圧管路の等価質量が小さくなるほど，逆流が増加しエネルギー回生性能が低下する傾向があることがわかった．ただし，現象が複雑で直感的に理解しにくい部分もあった．
PWM制御は，その性質上，圧力脈動が発生するので，その低減方法を検討するために，前述のシステムに，脈動低減用のサイドブランチを付加したシステムの圧力脈動を計算する数値シミュレーションプログラムを開発し計算を行った結果，サイドブランチにより大幅に脈動を低減できることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画していたPWM制御を用いてブレーキ圧を発生させる油圧システムの圧力および流量の時刻歴応答シミュレーションプログラム開発は順調に進み，開発したプログラムを用いた計算により，デューティー比を変更することにより圧力制御が可能であること，条件をうまく設定すれば，エネルギー回生が可能であることが確認できた．また，エネルギー回生性能を支配する現象として高圧源への逆流に注目すればよいことも示すことができた．それらの結果は，今後の計画の障害になるものではなく順調に推移しているといえる．
PWM制御では圧力脈動が発生するというデメリットがあるが，それを抑制するためにサイドブランチを付加することを考え，その効果を確認するための脈動解析プログラムの開発は計画通り順調に進んだ．そのプログラムを用いた計算では，サイドブランチを用いることにより，大幅に圧力脈動を低減できることがわかり，考えていた脈動対策も有効であることを確認した．したがって，脈動対策についても順調に進んだといえる．
基礎実験のための準備については，次年度にまとめて実施することにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
27年度に実施した数値シミュレーションプログラムによる計算結果で，提案する方法によりうまく条件設定すればエネルギーが回生できることはわかったが，条件によっては直感的に理解できない複雑な現象もあったので，そのような現象も理解し，パラメータの影響を的確に把握して油圧システムの設計の見通しを得るための方法として，本質的な部分のみを取り出した低次元化したモデルでの応答計算方法の開発を行い，数値シミュレーションでの複雑な現象の理由が説明できるかどうかを確認する．
モデル化および数値シミュレーション手法の妥当性を検証するために，基礎実験装置を設計・製作し実験値と計算値の比較を行い，モデル化や計算手法の修正を行う．
建設機械などで用いられている典型的な油圧駆動システムを念頭に，数値シミュレーションプログラムおよび低次元化法を用いて，実行可能なPWM制御システムの圧力制御性能ならびにエネルギー回生性能の検討を行う．その中では，油圧系の特有の非線形性も考慮する．PWM制御に通常の切換え弁を用いるとすれば切換え周波数が電気系のように速くないため，シンプルなPWM制御だけでは，高いエネルギー回生効率が達成できない可能性があるので，システム構成の最適な条件の設定やエネルギー回生効率を向上させるための方法について検討する．
ブレーキ時にメータアウト側での圧力が大きく変化すれば，管路の圧縮性も変化しサイドブランチの固有振動数と切換え周波数がずれサイドブランチの脈動低減性能が低下する可能性がある．そこで，サイドブランチの固有振動数が変化しても脈動低減性能が低下しない方法を開発する．
以上のような検討を実施し，良好な，圧力制御性能，エネルギー回生性能，圧力脈動低減性能を持つ，次世代の油圧システムが実現可能であることを示す．
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| Causes of Carryover |
基礎実験装置の準備の大半を次年度以降にのばしたため，そのための費用を次年度にまわした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
申請時の計画では，28年度は，実験装置の製作もあり多くの予算を投入する計画であったが，採択時に削減された予算額に合わせるため，実験方法の見直しや，優先順位の低いものの省略が可能かどうかの検討を行う予定である．その作業を次年度に繰り越す予算と次年度の予算を合わせた合計額を制約条件として，最も成果が出るような合理的な実験システムを構築していく．
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