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