development and control of a single rod electro hydrostatic actuator a thesis submitted to the ...

304 Pages·2015·9.63 MB·English

DEVELOPMENT AND CONTROL OF A SINGLE ROD ELECTRO
HYDROSTATIC ACTUATOR

A THESIS SUBMITTED TO
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
OF
MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY

BY

HAKAN ÇALIŞKAN

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR
THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY
IN
MECHANICAL ENGINEERING

SEPTEMBER 2015

Approval of the thesis:

DEVELOPMENT AND CONTROL OF A SINGLE ROD ELECTRO
HYDROSTATIC ACTUATOR

submitted by HAKAN ÇALIŞKAN in partial fulfillment of the requirements for the
degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering Department, Middle
East Technical University by,

Prof. Dr. Gülbin Dural Ünver ________________
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences

Prof. Dr. Tuna Balkan ________________
Head of Department, Mechanical Engineering

Prof. Dr. Tuna Balkan ________________
Supervisor, Mechanical Engineering Dept., METU

Prof. Dr. Bülent E. Platin ________________
Co-Supervisor, Mechanical Engineering Dept., METU

Examining Committee Members:

Prof. Dr. Samim Ünlüsoy _____________________
Mechanical Engineering Dept., METU

Prof. Dr. Tuna Balkan _____________________
Mechanical Engineering Dept., METU

Prof. Dr. Yücel Ercan _____________________
Mechanical Engineering Dept., TOBB ETU

Assoc. Prof. Dr. Yiğit Yazıcıoğlu _____________________
Mechanical Engineering Dept., METU

Assist. Prof. Dr. S. Çağlar Başlamışlı _____________________
Mechanical Engineering Dept., Hacettepe University

Date: 11.09.2015
I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare
that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced
all material and results that are not original to this work.

Name, Last name : Hakan ÇALIŞKAN

Signature :

iv
ABSTRACT

DEVELOPMENT AND CONTROL OF A SINGLE ROD ELECTRO
HYDROSTATIC ACTUATOR

Çalışkan, Hakan
Ph.D., Department of Mechanical Engineering
Supervisor: Prof. Dr. Tuna Balkan
Co-Supervisor: Prof. Dr. Bülent E. Platin

September 2015, 276 pages

In this thesis a variable speed pump controlled electro hydrostatic drive system for a
single rod actuator is developed. The problem of the single rod actuator in
hydrostatic applications is the differential flow rate which is formed due to the
asymmetric structure of the piston rod assembly. The hydraulic circuit solutions
proposed in the literature commonly suffer from undesired pressure oscillations,
which are named as system internal instability. This thesis, addresses the stability
problem of the pump controlled asymmetric hydraulic actuators, proposes a physical
to solution to this problem and introduces a novel single rod electro hydrostatic
actuator (EHA) which demonstrates a high dynamic performance and efficiency.
The system under consideration utilizes a shuttle valve to compensate for the
differential flow rate. For the stability analysis a simple linear model of the system,
which constitutes of load pressure and actuator velocity states, is derived. It is shown
that there exists a critical load pressure region in which any equilibrium point
requiring a partially opened spool position is unstable during the retraction of the
actuator. It is proposed that an underlapped shuttle valve provides a stable operation
region up to certain retraction speed. Theoretical findings are validated by both
numerical simulations and experimental tests.
v
The deficiency of the underlapped shuttle valve solution, which is the circulating
leakage flow over the spool pre-openings, is investigated. An inverse kinematic
model of the system is developed to compensate the effects of flow losses and
verified with numerical simulations. The circulating leakage losses are physically
eliminated by a novel shuttle valve spool structure, which provides asymmetric
orifice pre-opening. The theoretical stability analysis is extended and a numerical
program is developed, which is suitable to investigate all possible spool structures.
The effects of several valve parameters on system stability are investigated and
second novel valve solution is proposed, which provides symmetric pre-opening,
removes the spring pre-loading and increases its stiffness. The first valve solution,
with asymmetric orifice pre-opening, is manufactured and implemented on the
electro hydrostatic actuator (EHA). A combined feedback and feedforward position
control system is designed, based on a linearized model that includes the servo motor
and hydraulic actuator dynamics. The developed single rod EHA is tested
experimentally on a previously developed load simulator test set up and its
performance is evaluated in terms of positioning, set point tracking and disturbance
rejection.

Keywords: Fluid Power Control, Electro Hydrostatic Actuator, EHA, Stability,
Variable Speed Pump, Energy Efficiency, Shuttle Valve, Combined Feedforward and
Feedback Control

vi
ÖZ

TEK MİLLİ ELEKTRO HİDROSTATİK EYLEYİCİ GELİŞTİRİLMESİ VE
DENETİMİ

Çalışkan, Hakan
Doktora, Makina Mühendisliği Bölümü
Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Tuna Balkan
Yardımcı Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Bülent E. Platin

Eylül 2015, 276 sayfa

Bu tez çalışmasında tek milli eyleyiciler için, değişken devirli pompa denetimli
elektro hidrostatik bir sürücü sistemi geliştirilmiştir. Tek milli eyleyicilerin
hidrostatik sistemlerde kullanımında karşılaşılan sorun, piston mil bütününün
asimetrik yapısı nedeni ile oluşan fark debisidir. Mevcut durumda fark debisinin
giderilmesi için önerilen hidrolik devre çözümlerinde sistem kararsızlığı olarak
adlandırılan istenmeyen basınç salınımları oluşmaktadır. Bu tez çalışmasında, pompa
denetimli asimetrik hidrolik eyleyicilerin kararsızlık sorunu konu edilmekte, bu
soruna fiziksel çözüm önerilmekte ve yüksek dinamik başarım gösteren yeni bir tek
milli elektro hidrostatik eyleyici tanıtılmaktadır.
Çalışmaya konu olan sistemde fark debisinin giderilmesi için mekik valfi
kullanılmıştır. İlk aşamada, kararsızlık analizi yük basıncı ve eyleyici hızı
durumlarından oluşan basitleştirilmiş doğrusal model kullanılarak yapılmıştır.
Hidrolik eyleyicinin geri çekilmesi sırasında, valf makarasının kısmi açık konumda
olmasını gerektiren bir denge noktasının kararsız olduğu bir kritik yük basıncı
bölgesinin varlığı gösterilmiştir. Kısmi orifisi açıklıklarına sahip bir valf
kullanıldığında kararlı bir çalışma bölgesi elde edilebileceği önerilmiştir. Teorik
bulgular, numerik benzetim ve deneysel testler ile doğrulanmıştır. Önerilen çözümde,
vii
valf makarasının ön açıklıkları üzerinden oluşan valf sızıntı debisi sorunu
incelenmiştir. Sızıntı kayıplarının etkilerini gidermek için sistemin ters kinematik
modeli oluşturulmuş ve numerik benzetimlerle doğrulanmıştır.
Valf sızıntı kayıplarını fiziksel olarak gidermek için, asimetrik orifisi açıklıkları olan,
yeni bir mekik valfi makara yapısı önerilmiştir. Teorik kararsızlık analizi geliştirilmiş
ve bütün olası makara yapılarını incelemeye uygun bir numerik program
oluşturulmuştur. Mekik valfi parametrelerinin sistem kararlılığına olan etkileri
incelenmiş ve ikinci valf çözümü önerilmiştir, bu çözümde simetrik orifis ön açıklığı
sağlanmakta, yayın ön yüklemesi kaldırılmakta ve sertliği arttırmaktadır. Elektro
hidrostatik eyleyici (EHA) üzerinde asimetrik orifisi ön açıklığına sahip olan ilk valf
çözümü üretilerek uygulanmıştır. Servo motor ve hidrolik eyleyici dinamiğini
yansıtan doğrusallaştırılmış bir model kullanılarak, birleşik yapıda ileri ve geri
besleme bir konum denetleyicisi tasarlanmıştır. Geliştirilen tek milli EHA önceden
tasarlanmış olan bir kuvvet simülatörü test düzeneğinde test edilmiş ve başarımı
konumlama, istek sinyali takip ve bozucu etkileri giderme açılarından
değerlendirilmiştir.

Anahtar kelimeler: Akışkan Gücü Kontrolü, Elektro Hidrostatik Eyleyici, EHA,
Kararsızlık, Değişken Devirli Pompa, Enerji Verimliliği, Mekik Valfi, Birleşik İleri
ve Geri Beslemeli Kontrol
viii
ACKNOWLEDGEMENTS

I would, first of all, like to thank to Prof. Dr. Tuna Balkan and Prof. Dr. Bülent E.
Platin for their guidance, suggestion and support throughout the thesis study.
I would specially like to thank to Suat Demirer for his financial support and
suggestions. He financed the construction of the load simulator test rig for the
development of the EHA. Furthermore, he financed all the required electronic and
hydraulic components.
I would specially like to thank to Gökalp Ecin, for his great support during the
manufacturing of the hydraulic manifolds, and modification of the shuttle valve
spools.
I would like to thank to my colleague Ulas Akova, who worked for the development
of the load simulator test set up as his M.Sc. thesis. I would also like to thank to my
colleague Salih Alan.
I would like to thank to Scientific and Technological Research Council of Turkey
(TÜBİTAK) for the scholarship with the code BİDEB 2211.
And my dear family,
I would like to thank to my father and mother, brothers, and my wife Nagihan for
their endless support and patience.
At last I would like to thank to my dear daughter Bilge ÇALIŞKAN. This year she is
starting pre-school. This is a relay race and now it is time to hand off the baton.
Good luck Bilge.

ix
BİLGE

x