Sensorless position control of direct driven hydraulic actuators
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-09-25
Department
Major/Subject
Koneensuunnittelu
Mcode
K3001
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
74 + 3
Series
Abstract
This thesis investigates sensorless position control of valveless pump-controlled hydraulic actuators for non-road mobile machinery (NRMM). The utilized hydraulic systems are direct driven hydraulics (DDH), a type of electrohydrostatic actuators (EHA), which uses an electric servomotor to drive hydraulic pumps of a single hydraulic cylinder or parallel cylinder group. The advantages of DDH over traditional valve-controlled hydraulics are increased energy efficiency due to elimination of the valve losses and improved controllability due to no need for servovalves. Advantages and disadvantages of various types of position sensors, which are available on the market were investigated for hydraulic cylinder application. These sensors, while accurate, have been noted to be rather expensive and not suitable for harsh environment applications. Virtual sensors can provide an alternative to physical position sensors. The servomotor driven pumps provides a possibility for sensorless position control of hydraulic cylinders without need for sensors. The sensorless position control was realized by simulating the interaction of DDH units and hydraulic cylinders of a testbed prototype hybrid mining loader. By utilizing only torque and speed data received from electric motor controller it is possible to simulate the position of a cylinder, provided that all relevant parameters such as pump and cylinder dimensions and efficiencies as well as oil properties are known. Simulation model of the DDH system of the mining loader was realized using Matlab/Simulink Simscape hydraulic and multibody blocks. Results within the simulation showed that the model can reach an accuracy within a few millimetres for a single cycle. The maximum error increased with increasing load and a cumulative error for repeated cycles was observed, which recommends simple cylinder end or middle point proximity sensors to be used as reference points. Measured data from a test work cycle with no load and with 1040 and 2205 kg loads were used to test the accuracy of the simulation. Results demonstrated that the maximum error increased with increasing load as in the simulation. The errors were reduced by utilizing the reference points, especially during successive cycles. Tests using the position calculation as sensors demonstrated slightly higher error. However it verified that it is possible to be utilized as a virtual position sensor for cylinder movement control with centimetre scale accuracy when assisted by error compensation methods.Tässä diplomityössä tutkitaan venttiilittömien, pumppuohjattujen hydraulisylinterien sensoritonta paikkasäätöä työkoneissa. Näitä tutkittuja hydraulijärjestelmiä kutsutaan suorakäyttöhydrauliikaksi (englanniksi direct driven hydraulics (DDH) tai electrohydrostatic actuator (EHA)), joissa yhtä sylinteriä tai rinnaikkaissylinteriryhmää ohjataan suoraan pumpuilla, joita ajetaan servomoottorilla. DDH:n etuja tavalliseen venttiiliohjattuun järjestelmään ovat parempi hyötysuhde, koska venttiilien virtaushäviöt saadaan vähennettyä sekä parempi ja yksinkertaisempi ohjattavuus, koska ohjauksessa ei ole tarvetta servoventtiileille. Tutkimuksessa käsiteltiin myös erilaisia kaupallisesti saatavilla olevia sylinterien paikkasensoreita sekä niiden hyötyjä ja haittoja. Vaikka paikkasensorit ovat tarkkoja, ne voivat olla yllättävän kalliita ja vikaherkkiä hankalissa ja likaisissa olosuhteissa. Virtuaaliset sensorit voivat olla vaihtoehto fyysisille sensoreille. Sylinterien sensoriton paikansäätö voidaan toteuttaa pumppuja käyttävillä servomoottoreilla, jolloin ei ole tarvetta tavallisille paikkasensoreille. Sensoriton paikansäätö toteutettiin simuloimalla testialustana käytetyn prototyyppi hybridikaivoslastarin DDH yksikköjen ja sylinterien keskeistä vuorovaikutusta. Servomoottorien ohjaimilta saaduilla vääntö- ja pyörimisnopeusdatalla voitiin simuloinnin avulla laskea sylinterien paikka, mikäli kaikki tarvittavat hydraulijärjestelmän parametrit, kuten pumppujen ja sylinterien mitat ja hyötysuhteet sekä öljyn tila tunnetaan. Kaivoslastarin DDH yksiköiden simulointimalli toteutettiin Matlab/Simulinkin Simscape hydrauliikka- ja monikappalemalleilla. Simuloinnin sisäisten tuloksien perusteella, malli kykeni muutaman millimetrin tarkkuuteen yhden liikesyklin aikana. Maksimivirhe kasvoi suuremmilla kuormilla sekä toistuvat syklit aiheuttivat virheen kumuloitumista, joita voidaan korjata käyttämällä yksinkertaisia ja halpoja läheisyysantureita referenssipisteinä sylinterin keskiosassa ja päädyissä. Simulaatiomallin tarkkuutta testattiin mittauksilla työsyklistä. Mittaustulosten perusteella maksimivirhe kasvoi suuremmilla kuormilla, kuten simulaatiossa. Referenssipisteitä käyttämällä virheet vähenivät erityisesti toistuvilla sykleillä. Testit, joissa sylinterien paikkalaskuria käytettiin virtuaalisena paikkasensorina, tuottivat hieman suurempaa virhettä, mutta tuloksien perusteella menetelmää on mahdollista käyttää paikkasensorina sylinterien liikeohjaukselle senttimetrin tarkkuudella, kun käytetään virheenkompensointimetodeja.Description
Supervisor
Pietola, MattiThesis advisor
Minav, TatianaHänninen, Henri
Keywords
sensorless, virtual sensor, direct driven hydraulics, electrohydrostatic actuator