Control System Design and Simulation of Seamless Shift Gearbox in Electromechanical Actuator

Abstract

Electromechanical actuators (EMA) have become more common in heavy-duty machines and industrial applications. Many manufacturers replace hydraulic cylinders with EMAs to electrify powertrains. EMAs are actuators which utilize an electric motor, and a screw mechanism to generate linear motion from electric power. The characteristics of the motor is a limiting factor for the available velocity and force of the EMA. Electric motors come in various sizes and power ratings, so it is a common practice in high-velocity and high-force applications to select a large enough motor to provide such velocities and forces. The cost of electric motors and their controllers increase with the size of the motor. Motors could however be downsized with a gearbox that has multiple gear ratios available, such as a seamless shift gearbox (SSG). The SSG utilizes a gear arrangement and two electromagnetic clutches to change its gear ratio. In EMA one gear ratio could provide a higher force, and another a higher velocity.

The use of an SSG in an EMA introduces additional challenges on controlling the actuator. Therefore, the main purpose of this thesis was to develop a control system for prototype SSG. The control system should be able to shift its gear ratio depending on whether a high force or a high velocity is required, and the shifting should be executed seamlessly while the actuator moves. To help the design and tuning process of the control system, a simulation model of the SSG-EMA was constructed. The dynamics of the SSG gear shift were tried to be modeled to match the behavior of the real SSG. Many model parameters were determined by measuring them from the real actuator. Nonetheless, due to some modeling errors, the gear shift was occurring significantly faster in the model than it does in the real SSG, which introduced difficulties while testing the control system in simulation. Two separate shifting modes were developed to control system. Both modes were tested, and the shifting action was tuned to be as seamless as possible.

The final tuned control system was able to shift to a higher gear ratio when the actuator load increased, and to a lower gear ratio when a higher velocity was required. However, with the other shifting mode, the shift to the higher gear ratio could not be executed without the actuator stopping. The stopping is caused by mechanical and magnetic disadvantages in the SSG. During the gear shifts, momentary velocity control errors did occur, but they did not cause significant errors to the actuator position. The torque output of the SSG and the force of the actuator also changed very smoothly during the gear shifts.

Sähkömekaaniset toimilaitteet (engl. Electromechanical actuator, EMA) ovat yleistyneet työkoneissa ja teollisissa sovelluksissa. Useat valmistajat korvaavat EMA-toimilaitteilla hydraulisylintereitä sähköistääkseen voimansiirtojärjestelmiä. EMA:t ovat toimilaitteita, jotka hyödyntävät sähkömoottoria ja ruuvimekanismia lineaariliikkeen tuottamiseen sähköisestä tehosta. Moottorin karakteristiikka on rajoittava tekijä EMA-toimilaitteesta saatavalle nopeudelle ja voimalle. Sähkömoottoreita on saatavilla useita kokoja ja teholuokkia, joten suuria nopeuksia ja voimia vaativissa sovelluksissa tavallisesti valitaan riittävän suuri moottori näiden nopeuksien ja voimien tuottamiseen. Sähkömoottorin ja sen ohjaimen hinta kasvaa moottorin koon mukana. Moottorin kokoa voitaisiin kuitenkin pienentää käyttämällä vaihteistoa, jossa on saatavilla useita välityssuhteita, kuten SSG-vaihde (engl. Seamless shift Gearbox). SSG-vaihde hyödyntää hammaspyöriä sekä kahta sähkömagneettista kytkintä välityssuhteen vaihtamiseen. EMA:ssa yksi välityssuhde voisi tuottaa suurempaa voimaa ja toinen suurempaa nopeutta.

SSG-vaihteen käyttäminen EMA:ssa tuottaa lisähaasteita toimilaitteen ohjaukseen. Siitä syystä tämän työn tarkoituksena oli kehittää ohjausjärjestelmä SSG-prototyypille. Ohjausjärjestelmän pitäisi kyetä vaihtamaan välityssuhde riippuen siitä, tarvitaanko suurta voimaa vai suurta nopeutta, ja vaihtotapahtuma pitäisi toteuttaa saumattomasti toimilaitteen liikkuessa. Ohjausjärjestelmän suunnittelun ja viritysprosessin helpottamiseksi SSG-EMA-toimilaitteesta luotiin simulointimalli. SSG-vaihteen välityssuhteen vaihdon dynamiikka yritettiin mallintaa vastaamaan oikean SSG-vaihteen käyttäytymistä. Useita malliparametreja määritettiin mittaamalla ne oikeasta toimilaitteesta. Siitä huolimatta, johtuen joistakin mallinnusvirheistä, välityssuhteen muutos tapahtui mallissa huomattavasti nopeammin kuin se tapahtuu oikeassa SSG-vaihteessa. Tämä aiheutti haasteita, kun ohjausjärjestelmää testattiin simuloimalla. Ohjausjärjestelmään kehitettiin kaksi erillistä vaihtotilaa. Molemmat tilat testattiin, ja vaihtotapahtuma viritettiin mahdollisimman sulavaksi.

Lopullinen viritetty ohjausjärjestelmä pystyi vaihtamaan isommalle välityssuhteelle, kun toimilaitteen voima kasvoi, ja pienemmälle välityssuhteelle, kun tarvittiin suurempaa nopeutta. Toisella vaihtotilalla vaihtoa isommalle välityssuhteelle ei kuitenkaan pystytty toteuttamaan ilman toimilaitteen pysähtymistä. Toimilaitteen pysähtyminen johtuu SSG-vaihteen mekaanisista ja magneettisista puutteista. Välityssuhteen vaihtojen aikana esiintyi hetkellisiä nopeuden säätövirheitä, mutta nämä eivät aiheuttaneet merkittäviä virheitä toimilaitteen asemaan. SSG-vaihteen ulostuloakselin vääntömomentti sekä toimilaitteen voima muuttuivat myös erittäin sulavasti vaihtojen aikana.