CN108216592B - 用于对飞行器的装置进行操纵的促动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操纵飞行器的装置，尤其飞机的装置的促动器，所述促动器具有至少一个无接触地进行工作的传感器，其中所述传感器设置在所述促动器的负载路径中，并且其中设有至少两个无接触地进行工作的传感器，所述传感器中的一个设置在所述促动器的所述负载路径之外。此外，本发明涉及一种具有相应的促动器的飞行器。

Description

用于对飞行器的装置进行操纵的促动器
技术领域
本发明涉及一种用于对飞行器的装置，尤其飞机的装置进行操纵的促动器，所述促动器具有至少一个无接触地进行工作的传感器。本发明还针对一种具有相应的促动器的飞行器，然而也可以应用在交通工程的领域中。
背景技术
从现有技术中已知飞行器的促动器，所述促动器用于对飞行器的装置进行移动或操纵。在此，已知的是，执行对促动器状态的监控，以对促动器进行位置、速度和/或力的调节，其中此外已知的是，在通过检测而预设的安全极限内，对于在例如飞行器的初级飞行控制或者在交通工程中的电动液压的伺服促动器(EHSA)、电-静液压的促动器(EHA/EBHA)和机电促动器(EMA)检测对应于位置或力矩和/或扭矩的数据。
已知的第一个用于测量转动部件处的扭矩的方法是简单的扭力杆。如果轴轴向地扭转，那么引起扭转角，所述扭转角与所施加的扭矩成比例。该角度能够通过感应式角测量系统来测量。测量系统的馈电电压和测量信号经由旋转变压器来传输。
然而，通过振幅调制的测量信号，该系统对于轴向和径向的移动、不均匀转动、磁性材料特性的改变以及磁分流非常敏感地作出反应。由此，可能出现显著的测量错误。干扰变量，例如温度拉伸，如果有的话，仅能在测量增强器中被补偿，使得总是应将测量信号的温度特性考虑在内。
使用应变计传感器或DMS扭矩传感器来测量扭矩同样是已知的。馈电电压和输出电压借助于滑环传输到安置在轴上的DMS测量条上。安置滑环需要一定程度的细心，因为所述滑环不仅必须与轴绝缘(isoliert)，也必须彼此绝缘。滑动接触部的按压压力也必须严格精确，以便防止过大的增温或被取下。
该测量技术的缺点主要是：在已有小绝缘错误的情况下的测量错误、滑环和碳刷的快速耗损和从而引起的受限的圆周速度。这些方法已经通过无滑环的测量信号传输来改进。通过DMS桥的交变电压馈送获得与扭矩成比例的振幅调制的交变电压作为输出信号。馈电电压和测量信号经由旋转变压器传输。通过DMS技术的进一步发展，现今能够将DMS传感器制造为是补偿温度并且补偿爬电的。
这实现了对干扰变量的直接补偿。变得越来越小的电子机构和与其关联的对测量精确性的改进使得DMS扭矩测量技术现今成为了标准测量技术。然而该技术也随之带来许多缺点。扭矩不能够在每个任意的部位上测量，测量条的粘接在负载突然改变时(例如在制动时)脱开并且反复引起因天线产生的传输问题。
在一些情况中，根据差动变压器的原理工作的扭矩传感器，与DMS传感器相比是更适合的。所述差动变压器由扭力轴构成，在所述扭力轴上设置有多个线圈。使电压从一个线圈出发感生到另一线圈中。感应产生的电压的大小与线圈彼此间的位置相关。线圈的位置又与所施加的扭矩相关并且代表如下角度(扭转角)，扭转体在一定长度上围绕所述角度(扭转角)扭转。一个线圈由于扭转从初始位置离开，从而改变感应/耦合。
在如下文中列举的初级飞行控制和应用之内，位置测量、力测量和/或扭矩测量大多仅能够受限地实现。
发明内容
因为现今已知的方法或设备具有所提到的技术上的或商业上的缺点，所以本发明的目的是，提供一种改进的设备，所述设备与已知的设备相比尤其是更不易受干扰的。
该目的根据本发明通过一种用于操纵飞行器的装置，尤其飞机的装置的促动器实现，所述促动器具有至少一个无接触地进行工作的传感器，所述传感器设置在所述促动器的负载路径中，并且设有至少两个无接触地进行工作的传感器，所述传感器中的一个设置在所述促动器的所述负载路径之外。有利的构成方案在下文中描述。据此，提出一种具有至少一个无接触地进行工作的传感器的促动器，所述传感器设置在促动器的负载路径中。术语“无接触地”当前能够涉及如下状态，在所述状态中，传感器和通过传感器以传感方式检测的部件对于以传感方式进行检测不必彼此直接物理接触。更确切地说，在传感器和部件之间能够存在气隙。本文也包括如下情况，在所述情况中，仅传感器的一部分设置在负载路径中而传感器的另一部分设置在负载路径之外。
借助于传感器和基于无接触的检测位置转矩、力矩和/或扭矩，可行的是，尤其对于电动液压的伺服促动器、电-静液压的促动器(elektro-hydrostatische Aktuatoren)和机电促动器，提供如下方法或者算法，所述方法或者算法实现可靠且无损地提供：
a.确定设备(监控)处的故障的出现，例如改变的摩擦、间隙或者刚性，
b.预测设备(HM)处故障的出现，
c.限制系统中出现的负载，或者
d.提供用于调节回路的信息，所述调节回路例如是力调节——尤其是补偿/减小“力冲突(Force Fights)”的力调节回路。
相对于在初级的飞行控制中常规使用的传统液压促动器，对于机电驱动器而言适用的是较高的夹紧可能性(情况a和b)。促动器的夹紧几乎必须被排除。对促动器状态的监控提供了避免夹紧情况的良好可行性。
在控制面处有多个有源地切换的促动器(例如方向舵、副翼、升降舵(Elevator))的情况下，由促动器以及在结构内部由对促动器力的主动调节而引起的力冲突能够得到补偿或减小(情况c)。
通过检测将促动器(当前电磁地)压入到结构中的力，对该力的主动监控/限制能够不仅在正常的运行情况中而且在特别的故障情况中用于保护结构(情况d)。
在本发明的一个优选的实施方案中可以考虑的是，设有传感器的至少两个尤其彼此平行设置的并且不同的线性部段，所述线性部段至少区别在于沿着纵向方向不同远的延伸部。借助于两个或多个线性部段可行的是，例如以限定的方式细分传感器的磁性部件。磁性部件的这种细分能够借助于传感器的另一部件，尤其读取部件来读取并且还用于确定上述参数或值。
提出：设有至少两个无接触地进行工作的传感器。其中一个设置在促动器的负载路径之外。设置在负载路径之外的传感器在此能够用于检测参考值，借助于所述参考值能够以校正的方式或者更精确地检测所检测到的促动器参数。
在另一优选的实施方式中可以考虑的是，设有控制/调节装置(Steuerungs-/Regelungseinrichtung)，所述控制/调节装置借助于至少一个传感器设计为：用于进行状态监控、力监控以保护结构，和/或用于避免/减小力冲突。因此，借助于控制/调节装置，能够实现如下功能：健康监控、磨损分析、负载分析、促动器的维护和/或对冗余构成的促动器的力冲突的控制。
在另一优选的实施方案中可以考虑的是，至少一个传感器设计用于执行磁阻性的测量。
在另一优选的实施方案中可以考虑的是，控制/调节装置设计用于，实现对促动器的物理变量，即负载、扭矩、位置和/或速度的测量和/或推导；和/或使用促动器的物理变量，即负载、扭矩、位置和/或速度的值。
在另一优选的实施方案中可以考虑的是，负载路径之外的传感器设计用于进行温度补偿。
在另一优选的实施方案中此外可以考虑的是，传感器至少部分地借助于尤其高精度的磁场压入
Figure BDA0001516753010000041
而加装到促动器中，和/或构成为至少一个收缩带(Striktionsband)。
通过将传感器或传感器的一部分例如线性部段加入或压入到促动器的部件中或者通过将传感器或者传感器的一部分构成为收缩带，可行的是，传感器的一部分设置在促动器处近似任意的位置中，进而必要时选择如下位置，所述位置例如通过其位于内部的装置而特别地保护。
在另一优选的构成方案中可以考虑的是，所压入的磁场和/或收缩带设置在如下区域中，所述区域伸出超过待测量的区域。术语所压入的磁场在此不理解为是限制性的并且包括以任意类型建立的磁场。促动器的待测量的区域涉及如下区域，在所述区域中能够借助于传感器执行测量。由此，传感器或所压入的磁场或者收缩带进而传感器的相应部件，与促动器的所测量的或由传感器检测或测量的区域相比，能够在更大的区域上延伸。由此能够尤其简单地保证在待测量的区域内精确地执行测量。
可以考虑的是，多个传感器要么设置在负载路径中要么设置在促动器的负载路径之外。
在设置在负载路径之外的情况下，产生如下优点：不需要对所测量的值进行补偿以补偿因负载传输而出现的变形。对促动器的控制(Steuerung)或调节(Regelung)能够与之相应地简化地实施。
在另一优选的实施方案中，此外可以考虑的是，所述装置至少是俯仰升降舵
Figure BDA0001516753010000051
副翼、方向舵、扰流板、主转子调节装置或者尾部转子调节装置。
在另一优选的实施方案中可以考虑的是，促动器是用于飞机起落架的操纵、使飞机起落架转向或者闭锁飞机起落架的促动器，和/或促动器是用于交通应用的促动器。
此外能够提出：传感器的初级部件设置在活塞杆和/或转轴上和/或设置在促动器的第一壳体部件上，和/或传感器的次级部件设置在促动器的第二壳体部件上；或者所述传感器的次级部件设置在活塞杆和/或转轴上和/或设置在所述促动器的第一壳体部件上，和/或所述传感器的初级部件设置在所述促动器的第二壳体部件上。初级部件例如能够是用电器(Abnehmer)或用于测量磁场的部件或用于确定磁场变化的部件，而次级部件是在上文中提到的磁场压入和/或收缩带。术语壳体部件此外可广义地解释并且能够包括促动器的任意的、相对于活塞杆或者转轴不运动的部件。在构成为活塞-缸-设备时，其中缸相对于飞行器至少部分地是固定的，所述设备的缸例如能够是相应的壳体部件。
在另一优选的实施方案中可以考虑的是，传感器包括多个、尤其平行设置的收缩带，和/或两个或多个传感器设置在促动器的不同的或相同的惯性系(Inertialsystemen)中。
本文中通过术语惯性系来指促动器的如下系统或部段，所述系统或部段尤其在促动器常规运行时是彼此可运动的。借助于更大数量的收缩带，可行的是，使传感器的分辨率更细化。关于此的详情从附图描述中得出。
在另一优选的实施方案中可以考虑的是，促动器是EHSA、EHA、EBHA或者EMA。
本发明此外针对一种飞行器，尤其飞机，其具有根据本发明的至少一个促动器。
本发明也针对一种用于操纵根据本发明的促动器的相应方法，所述促动器具有：至少一个无接触地进行工作的传感器，所述传感器设置在促动器的负载路径中；和至少一个设置在促动器的负载路径之外的传感器。所述方法包括下述步骤：
借助于设置在负载路径之外的传感器进行温度补偿。
附图说明
本发明的其它细节和优点从在附图中示例性地示出的实施方案中得出。在此示出：
图1示出EHSA中的处于用于位置测量的推杆中的收缩带；
图2示出转动的EMA中的收缩带；
图3示出用于进行温度补偿式的力测量的传感器装置；
图4示出在运动的条件下收缩调制的相移；
图5示出用于组合的位置测量和力测量的收缩带；
图6示出组合的扭转角测量和力矩测量；
图7示出在线性的EMA处的负载测量、间隙测量和/或刚性测量；
图8示出在转动的EMA中的间隙测量；
图9.1至9.3示出在液压的负载缸处的不同的压力测量或负载测量；
图10示出根据本发明的飞行器的部分视图。
具体实施方式
根据待实现的精确性，实现传感器测量的所期望的分辨率，其方式是：例如使用多个收缩带或磁性部件。这些带能够具有不同的调制方式(Modulationen)并且在促动器的整个行程上产生单义的位置信号。出于该目的，调制的开始和结束能够置于或定位在待测量的区域之外。
尤其在线性的位置测量中，初级传感器的长度能够在负载下改变，这能够使得负载补偿是必要的。这种负载补偿可选地经由三种不同方法进行：
1.利用多个收缩带的具有已知周期比的当前位置信号，逆运算收缩调制的周期改变。
2.在已知行程上进行快速运动时，按时间测量各个收缩周期。
3.如果可用，那么借助于材料的负载信号和弹性模量或剪切模量进行组合式的负载测量和位置测量，这将在下文中详细说明。
收缩带不仅随着负载而且随着承载件材料的温度拉伸。温度补偿的基础与DMS(扭矩传感器)原理的桥式接线类似，和/或能够经由在负载路径之外的参考测量进行(与在根据图3的力测量中的温度补偿对照)。这仅检测由于温度波动引起的构件拉伸。
如果初级传感器和次级传感器置于不同的惯性系中(例如一个传感器置于壳体上，另一传感器置于活塞杆或者转轴上)，那么在进行测量时、例如在运转速度高并且承载件频率低的情况下，附加地在检测信号时检测多普勒效应。根据运转速度、波长和频率可容易地计算必要的补偿：
Figure BDA0001516753010000081
其中，λB是次级传感器处所测量的波长，
λS是初级传感器处收缩调制的波长，
vS是推杆的运转速度，
fS是初级传感器处的有效的承载件频率。
如果使用参考传感器并且测量传感器和参考传感器的相应的初级和次级部件被放置在同一惯性系(参见图3)中，那么这种换算变得多余。
在经典的EHSA中，位置传感器能够与负载无关地放置在推杆或缸壳体处或其中。在此，能够存在初级传感器的线性编码。
此外能够执行运转速度的测量。在转动装置中，位置测量位于负载路径中并且必须被补偿。在此，能够存在初级传感器的转动编码。
在负载测量中，区分两种类型的负载：力和扭矩。
在尤其线性的促动器(EHSA、EHA、EBHA、线性的EMA)处进行力测量时，力传感器能够与位置无关地放置在缸壳体处或其中或者放置在推杆处或其中。优选的是实施方案1(参见图3)，因为传感器本身不运动，从而避免了可能的损伤(例如因疲劳引起的线缆断裂)引起的附加的危险或者避免由于传感器部件的运动而引起的干扰。在两个传感器在不同的惯性系中处于可运动的推杆上的实施方案中，在进行评估时，不仅
1.可选地通过使用一个位置信号或多个收缩带考虑可变的信号相位(参见图4)，而且
2.一起考虑在上文中所描述的对所检测的信号周期的多普勒效应。
在组合式的负载测量和位置测量或尤其力测量和行程测量中，能够利用负载评估灵活地设计位置测量。此外，一方面，所述位置能够在负载路径之外执行，而另一方面与负载测量组合地执行。在此，选择用于负载补偿的调制周期和/或可独立地执行温度补偿。
能够在通过将输入位置与输出位置比较而进行负载方向改变之后、在达到第二无负载状态的情况下执行间隙测量。如果未提供完全的无负载的状态，那么将由刚性和负载产生的拉伸从位置差中扣除，以便实现更好的精确性。
刚性测量能够与在间隙测量中类似地通过将输入部和输出位置进行比较来执行，然而在不同的负载中和保持相同的负载方向的情况下进行。替选地，刚性也能够在出现负载方向改变时在扣除间隙之后评估。
力测量能够通过形成各个室压力测量之间的差来执行。各个室压力测量根据两个不相关的磁性收缩场的弹性环周拉伸来进行，如从图9.1中所得出的那样。
替选地或者附加地，力测量能够通过确定室压力差来执行，其中根据磁性收缩场在缸长度上改变的弹性环周拉伸，以分布在整个缸长度上的方式检测室压力差。收缩场或磁性部件能够相应地在整个缸长度或促动器长度或缸纵向侧或促动器纵向侧的主要部段上延伸。这在图9.2中图解说明。
力测量此外能够通过确定室压力差来执行，其中根据磁性收缩场在压力室端壁上的弹性环周拉伸进行室压力测量。通过使用每个缸室处各一个次级传感器，能够确定室彼此间的相对拉伸差。这在图9.3中图解说明。
促动器的可能的使用领域能够延伸到物理的操纵系统上，所述操纵系统包括下述装置的伺服驱动器：
飞行控制装置，例如俯仰升降舵、副翼、方向舵、横滚扰流板、地面扰流板、主转子调节装置(等)或者尾部转子调节装置(等)。
通过借助于本发明能实现的、对位置、力矩和/或扭矩的无接触检测，能够以明显更精确的、更简单的并且无磨损的方式使用或产生如下相关信号，所述相关信号用于：
a.状态监控(健康监控)
b.用于结构保护(限制/切断)的力监控
c.使机电促动器在其周围环境(结构)中在特别用在初级飞行控制装置之内的情况下避免/减少力冲突(力冲突补偿)。
位置信息、力信息和/或扭矩信息是用于简单且冗余的状态监控的相关信号。特别地，磨损预计和疲劳应力的记录需要可靠的负载记录。
具体而言，力信息和/或扭矩信息用作为用于促动器的切断功能或者限制功能，如在所提到的使用领域中所使用的。由此，能够监控、识别和避免促动器和/或飞机结构处的可能的损伤。
在一个控制面处有多个有源的促动器的情况下(参见图10)，促动器处或所述结构处出现的力和力矩的精确信息是用于可靠且快速的力补偿的基本前提。由此，在理想情况下，促动器和结构部件由于更小的力流能够在重量和尺寸方面得到优化。
通过使用新的传感器原理以及必要时使用可靠的生产工艺(例如高精度的磁场压入)，能够产生、操作和/或使用新型的传感器和/或促动器部件或促动器。通过无接触地从而无磨损地传输信号，可能能够在中央在设备中避免传导系统(初级接线、次级接线)或与促动器集成地构成。此外，通过传感器在整套装备中的新的集成可行性，这些传感器能够被最佳地保护免受航空特有的、恶劣的环境影响(沙、尘、积冰、电磁干扰)。这些新的、无接触的、无磨损的从而低维护的传感器信号是基本前提，以便：
A)提高电磁促动器在初级的和/或次级的飞行控制中的使用寿命；
B)能够高度集成地构造新的传感器(不需要LRU、传感器通道和可更换性)；
C)能够提供高精确性的并且免受环境影响(沙、尘、积冰、电磁干扰)的传感器信号(力、扭矩和位置)、调节回路和算法并且能够通过它们进行评估；
D)实现2合1组合从而可能能够节省迄今为止附加的、独立的传感器(所述传感器能够构成用于：发出由力、力矩和/或位置信息构成的信号组合(2合1))；
E)确保可靠且鲁棒的促动器调节；
F)确保可靠且鲁棒的健康监控。
为了能够使用和提供鲁棒的健康监控(HM)，以已证实的算法和长时间稳定的传感器信号为前提。HM算法的精确性和鲁棒性与所使用的传感器和其装入位置直接相关。根据本发明以新型的方式无接触地、少磨损并且高精确性地检测调节方面相关的信号变量例如力、扭矩和位置，实现可靠且鲁棒的健康监控方案。
通过无接触的传输，实现新的传感器装入位置(高度集成)。新的装入可行性一方面提高精确性和传感器信号的质量(例如在力路径中的完全的定位和力检测)从而也实现新的技术应用可能。通过无接触的信号检测的高度集成，传感器尤其免受环境影响，如尘、污物、冰和电磁辐射。通过传感器的高度集成和由此引起的直接保护，能够很大程度将传感器的电子的保护电路最小化从而能够小型化。
另一革新在于传感器信号的组合。新的无接触的传感器尤其允许3合1组合(例如扭矩、位置和速度)。3合1组合的新的可行性有助于力求实现进一步改进促动器的可靠性和可用性。同样地，由此实现价格优化、重量优化和体积优化。
图1示出根据本发明的用于操纵飞行器的装置、尤其飞机的装置的促动器的一个实施例，其中示出如下实施方案，在所述实施方案中传感器设置在缸-活塞-设备的推杆中或推杆内部。传感器在此能够与负载无关地设置在推杆的区域中，所述区域不仅用于推杆和缸壳体之间的力传递。传感器的磁性部件或收缩带能够与推杆共同地以可行进的方式构成。磁性部件或收缩带此外在图1的实施例中包括五个线性部段，所述线性部段尤其能够彼此平行设置。线性部段具有分部段，所述分部段包括交替地并排设置的南极和北极。图2此外示出一个实施方案，在所述实施方案中，磁性部件或收缩带设置在转动的EMA上。图5示出本发明的如下实施方案，在所述实施方案中，用于组合地测量位置和测量力的收缩带尤其沿着例如构成为缸-活塞-设备的促动器的环周方向设置。图6示出一个实施方案，在所述实施方案中初级传感器沿着构成为转动促动器的促动器的环周方向设置。在此，传感器能够用于组合地确定扭转角和力矩。图7和8示出本发明的实施方案，所述实施方案设计用于进行在线性的或转动的EMA处的间隙测量。初级传感器在此同样能够沿着促动器的环周方向设置。
调整由传感器发出的信号所需要的电子机构能够设置在促动器处和/或设置在与所述促动器分开的计算器处。所述设备能够用于确定极限值和/或趋势曲线，由此能够推导出促动器关于使用状态或磨损状态的情况。在此，能够在促动器的负载路径中或之外测量位置或力影响和/或δ位置。负载测量优选能够经由扭矩测量并且尤其经由磁阻测量来实现。

Claims (19)

1.一种用于操纵飞行器的装置的促动器，所述促动器具有至少一个无接触地进行工作的传感器，其特征在于，所述传感器设置在所述促动器的负载路径中，并且设有至少两个无接触地进行工作的传感器，所述传感器中的一个设置在所述促动器的所述负载路径之外。
2.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，设有控制/调节装置，所述控制/调节装置借助于至少一个传感器设计为：用于进行状态监控、力监控以进行结构保护，和/或用于避免/减小力冲突。
3.根据上述权利要求中任一项所述的促动器，其特征在于，至少一个所述传感器设计用于执行磁阻测量。
4.根据权利要求2所述的促动器，其特征在于，所述控制/调节装置设计用于：实现对所述促动器的物理变量，即负载、扭矩、位置和/或速度的测量和/或推导；和/或使用所述促动器的物理变量的值，即负载、扭矩、位置和/或速度的值。
5.根据权利要求1、2和4中任一项所述的促动器，其特征在于，位于所述负载路径之外的所述传感器设计用于进行温度补偿。
6.根据权利要求1、2和4中任一项所述的促动器，其特征在于，所述传感器至少部分地借助于磁场压入而加装到所述促动器中，和/或所述传感器构成为至少一个收缩带。
7.根据权利要求6所述的促动器，其特征在于，所压入的磁场和/或所述收缩带设置在伸出超过待测量区域的区域中。
8.根据权利要求1、2和4中任一项所述的促动器，其特征在于，所述装置分别至少是俯仰升降舵、副翼、方向舵、横滚扰流板、近地扰流板、主转子调节装置或者尾部转子调节装置。
9.根据权利要求1、2和4中任一项所述的促动器，其特征在于，所述促动器是用于操纵起落架、使起落架转向或者锁止起落架的促动器。
10.根据权利要求1、2和4中任一项所述的促动器，其特征在于，所述促动器是用于交通工程应用的促动器。
11.根据权利要求1、2和4中任一项所述的促动器，其特征在于，
所述传感器的初级部件设置在活塞杆和/或转轴上和/或设置在所述促动器的第一壳体部件上，和/或所述传感器的次级部件设置在所述促动器的第二壳体部件上；或者相反。
12.根据权利要求1、2和4中任一项所述的促动器，其特征在于，所述传感器包括多个收缩带，和/或两个或多个传感器设置在所述促动器的不同的或者相同的惯性系中。
13.根据权利要求1、2和4中任一项所述的促动器，其特征在于，所述促动器是EHSA、EHA、EBHA或者EMA。
14.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述飞行器是飞机。
15.根据权利要求6所述的促动器，其特征在于，所述磁场压入是高精度的磁场压入。
16.根据权利要求12所述的促动器，其特征在于，所述收缩带平行地设置。
17.一种飞行器，所述飞行器具有根据权利要求1至16中任一项所述的至少一个促动器。
18.根据权利要求17所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器是飞机。
19.一种用于操纵根据权利要求1至16中任一项所述的促动器的方法，所述促动器具有：至少一个无接触地进行工作的传感器，所述传感器设置在所述促动器的负载路径中；和至少一个设置在所述促动器的所述负载路径之外的传感器，
所述方法包括下述步骤：
借助于设置在所述负载路径之外的传感器进行温度补偿。
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