Topology Optimisation of Hydraulic Cylinder Direct Drive Targeting Energy Effciency and Control Performance

Abstract

Dette speciale omhandler den videre udvikling af Speed-variable Switched Differential Pump (SvSDP) systemet som er et direkte hydraulisk drev, hvor en ikke-symmetrisk cylinder er styret på en energieffektiv måde ved brug af tre eksterne gear pumper drevet af den samme motor. Det direkte drev er et energieffektivt alternativ til et konventionelt ventil-styret hydraulisk cylinder drev, hvor det er vist muligt at opnå samme positionsstyrings performance. Effektforbruget i SvSDP systemet er modelleret og verificeret gennem udførte eksperimenter, hvor fordelingen af effekt er analyseret i forhold til højhastighedsoperation og lastholdsoperation. Det er vist, at SvSDP systemet bruger 600 W på at holde en last ved nul output effekt. Effekttabet er skyldes hovedsageligt ohmske tab i motoren grundet et stort holde moment fra pumperne. For at gøre SvSDP systemet mere brugbart og energivenligt er det nødvendigt at minimere effektforbruget ved lasthold. Gennem en topologi optimering, hvor funktionerne fra SvSDP systemet er bevaret, er der dannet to koncepter. Et koncept kaldet "Valve-drive System Concept" og et koncept kaldet "Pump Concept". Begge koncepter anvender princippet i at balancere akselmomentet. De to forslåede koncepter gennemgås i to separate dele. Del 1: Valve-drive System Concept Det er forslået at implementere to styrbare ventiler i hver hovedlinje, således det er muligt at omdanne den nedre del af systemet til et hastighedsvariabelt forsyningssystem, anvendt til at holde et fast tryk som altid er større end kamre trykkene i cylinder systemet. Denne modifikation gør at systemet kan konverteres til et ventil styret drev. Mængden af koblinger i systemet, før introduktionen af de virtuelle tilstande, er klarlagt ved hjælp af en lineær ”Relative Gain Array” (RGA) analyse hvor koblingen mellem systemets inputs og outputs er grafisk illustreret over et givent frekvensområde. Den forslåede output transformation er kombineret med en input transformation, som tilsammen danner et afkoblet virtuelt systemet hvor det er muligt at fremstille en lineær PI regulator til hver virtual del, uafhængigt af hinanden. Systemet har vist en reduktion i effektforbruget på op til 80 %. Del 2: Pump Implementation Concept Pumpe konceptet reducerer akselmomentet ved at tilføje to ekstra pumper som muliggøre genereringen af både positive og negativt moment. Systemet er afkoblet ved brug af samme metode som ved forsynings konceptet, således det er muligt at danne lineære regulatorer til hver virtuel tilstand. Der er udviklet en brugbar kontrol strategi til at bære en positiv last. Det udviklede koncept reducerer effektforbruget med omkring 30 %. Begge systemer har mindsket effektforbruget ved lasthold. Effektformindskelsen skal ses i lyset af antallet af tilføjede komponenter og kompleksiteten af kontrolopgaven.\newpage

The Speed-variable Switched Differential Pump (SvSDP) system is a direct hydraulic drive used for high-performance motion tracking of linear hydraulic actuators. The system shows improved energy efficiency at cylinder velocities different from zero compared to conventional valve controlled drives. To further increase efficiency of the SvSDP at zero cylinder velocity, it is proposed in this project through a topology optimisation, to employ two different concepts both capable of improving the energy efficiency related to load holding sequences. The two concepts may be separated into two categories, one which utilises a valve design and one with a pump design, both seeking to minimise the shaft torque associated with load holding situations for improved motor efficiency. The valve-based concept uses two main-line valves to precisely control the cylinder position while retaining a return side pressure thus obtaining the best functionalities of the SvSDP concept and a valve controlled drive. The pump proposal also aim to reduce the shaft torque by balancing the available chamber pressures over oppositely mounted pumps. Both proposals are modelled and linearised followed by a RGA number analysis. The RGA results indicate heavy input and output couplings for both systems throughout the frequency domain. A decoupling approach utilising both input- and output transformations is proposed in order to decouple the plant and allow for a linear control approach. Linear controllers are designed to give the system robustness towards disturbances. The two topologies both shows improved energy efficiency but at a cost of added components and complexity.

A master thesis from Aalborg University

Topology Optimisation of Hydraulic Cylinder Direct Drive Targeting Energy Effciency and Control Performance