Pneumatic drives are becoming increasingly popular as they offer an attractive alternative to hydraulic and electromechanical actuation for low to medium power requirements. Because of low cost and ease of maintenance electropneumatic servo systems are used in new applications such as small robots and manipulators. They are also clean, reliable, and lightweight. In such systems, servovalves are essential components, as they serve as amplifiers of the fluid power. Spool-sleeve type valves have been traditionally used as servovalves for pneumatic power control. The spool-sleeve type valves must have a close matching tolerance for small air leakages. Therefore, the machining cost for such valves rises, and air contamination becomes a sensitive problem. There is also large leakage of the air flowing through the radial clearance between the spool and the sleeve at null.
In this study, A new poppet type electropneumatic servovalve is proposed, which utilizes a poppet in the metering stage, and is controlled by a digital controller. The valve actuator is of a moving-coil type, and a capacitance-type position sensor is developed to sense the position of the poppet. Compared to the existing spool-sleeve type valves, the proposed valve can be fabricated at low cost; it is also insensitive to air contamination, and does not have the problem of air leakage at null. However, the proposed valve has relatively larger friction than spool-sleeve type valves because O-rings are installed in the peripheral grooves of the balance pistons of the poppet to prevent external leakage. This friction is a dominant factor that limits the performance of the poppet position control. Since flow control in the valve is achieved by positioning the poppet, valve performance can be improved by friction compensation control. As the valve is controlled by a digital controller, if the friction is precisely modeled the friction force can be compensated in the controller by inputting the signal corresponding to a force whose magnitude is equal and whose direction is opposite to the friction force estimated during the position control of the poppet. For such friction compensation control, two friction models are used; a static friction model that enables the simulation of the stick-slip phenomena and a dynamic model that captures the friction behaviors such as presliding displacement and varying break-away force. The parameters for the friction models are identified by utilizing an Evolution Strategy, one of Evolutionary Algorithms which are probabilistic global search algorithms based on the model of natural evolution. These identified friction models are then used in designing a non-linear friction compensation controller. For model-based friction compensation, a sliding mode controller is designed, which is robust to the uncertainty of model parameters and external disturbances such as flow force.
It is found in the experiment that the electropneumatic servovalve has almost no hysteresis, and that the friction compensation control significantly improves valve performance. The experimental results of the open loop test on poppet positioning agree well with simulation results of the valve model with identified friction parameters. It is also shown that the experimental results of friction compensation control using a static friction model show a small steady-state error but those using a dynamic friction model show almost no such error. In order to evaluate the performance of the developed valve system, frequency response and sinusoidal response experiments are performed under various pressure drop conditions, and it is shown that the valve shows very small tracking errors even at a sinusoidal input of 200 Hz.
공기압 구동기는 전기식과 유압식의 중간 정도의 파워를 제공하여, 산업계에서 꾸준히 사용되어지고 있다. 공기압 서보시스템은 가격면에서 경쟁력이 있고, 유지 보수가 간편하며, 작업환경이 깨끗하고, 신뢰성이 높아 작은 로봇이나 매니퓰레이터등의 새로운 분야에 응용되어져 왔다. 이와 같은 시스템에서 서보밸브는 동력을 제어하는 매우 중요한 요소이다. 유압용 서보밸브의 영향으로 그 동안 스풀-슬리브 형의 밸브가 개발되어져 왔다. 그러나 공기의 누출을 방지하기 위해서는 매우 작은 공차의 가공이 필요하기 때문에, 가격이 고가이고 또한 오염에 민감한 단점이 있다. 이 연구에서는 새로운 포핏형 공기압 서보밸브를 제안한다. 밸브의 메인 미터 링단에는 포핏이 사용되었고, 이것은 디지탈 제어기에 의해서 제어가 이루어진다. 밸브의 구동기에는 빠른 동특성을 얻을 수 있는 무빙코일 구동기가 사용되었고, 포핏의 위치를 측정하기위해서 비접촉식 센서인 정전용량형 갭 센서가 개발되어졌다. 무빙코일 구동기의 설계를 위해 자기회로 개념을 이용하여 모델링하고, 상용 자기장 해석 프로그램을 이용하여 모델링이 타당함을 검증 하였으며, 같은 부피에서 더 높은 출력을 낼 수 있는 구동기의 형상을 제안하고 해석을 통해 검증하였다. 또한 공압 서보구동기의 수학적 모델링과 시뮬레이션을 통한 서보구동기의 정특성 해석을 수행하여 서보시스템 구성 시 실린더 사이즈와 밸브를 선정하는 기준을 제시 하였다. 제안된 서보밸브는 기존의 스풀-슬리브 형 서보밸브에 비해 저가에 구성이 가능하고, 사용 공기의 오염에 강인하고, 밸브의 널에서 공기의 누출이 없는 장점이 있다. 그러나, 밸브에서 외부로의 공기의 누출의 방지하기위한 경제적인 방법으로 포핏의 밸런스 피스톤에 O-ring을 설치하였기 때문에 적지않은 마찰이 존재한다. 이 마찰은 밸브 포핏의 위치제어성능에 중요한 영향을 미친다. 밸브에서의 유량제어는 포핏의 위치제어에 의해서 이루어지기 때문에, 마찰 보상제어를 통해 밸브의 성능을 향상 시킬 수 있다. 마찰을 정확히 모델하여 마찰력을 추정할 수 있으면, 밸브의 제어기에서 추정된 마찰력과 크기가 같고 방향이 반대인 힘에 해당하는 입력을 제어기에 추가함으로써 보상이 가능하다. 이와 같은 마찰 보상을 위해서, 기존의 여러 마찰 모델중 스틱-슬립 현상의 시뮬레이션이 가능한 정적 모델과 presliding displacement와 크기가 변하는 break-away 마찰력 현상 등의 실험을 통해 알려진 많은 마찰 특성을 기술할 수 있는 동적 모델이 비교 사용되었다. 이 마찰 모델의 파라메터는, 자연계의 진화이론에 기본을 둔 확률적 전역탐색 알고리즘중의 하나인 진화전략(Evolution Strategies)을 이용하여 식별 하였다. 이렇게 식별된 모델은 비선형 마찰 보상제어기의 설계에 사용된다. 제어기로는 모델의 파라메터의 불확실성과 외란에 강인한 슬라이딩 모드 제어기를 사용하여 모델기반 마찰 보상 제어기를 설계 하였다. 실험을 통해, 개발되어진 밸브는 히스테리시스가 거의 없음을 보였고, 마찰 보상 제어가 밸브의 성능을 상당히 향상 시킬 수 있음을 보였다. 또한 식별된 파라메터를 사용한 밸브의 개루프 시뮬레이션과 실험 결과가 매우 잘일치함을 보임으로서 식별된 마찰파라메터의 타당성을 확인 했다. 제안 개발된 밸브의 성능을 평가하기위해 주파수 응답 및 사인파 추종 제어를 여러 압력 조건하에서 수행 하였다. 이 실험에서 밸브는 200 Hz의 높은 주파수의 입력에도 매우 적은 추종 오차를 보이는 만족할 만한 성능이 얻어졌다.
