DE102011114222A1

DE102011114222A1 - Elektronische Lastlimitierungsfunktion für einen elektromechanischen Aktuator der Flugsteuerung

Info

Publication number: DE102011114222A1
Application number: DE102011114222A
Authority: DE
Inventors: Torben Pielburg; Frank Thielecke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-05-02

Abstract

Elektromechanische Aktuatoren, bestehend aus Elektromotor und hochuntersetzendem Getriebe, können zum einen auslegungsbedingt und zum anderen durch eine auf die Ausgangsstellbewegung bezogene sehr hohe Trägheitsmasse aufgrund der hohen internen Übersetzung bei exzessiver äußerer Last oder im Klemmfall der Steuerflächenkinematik übermäßige Stell- und Massekräfte erzeugen, die in der Auslegung berücksichtigt werden müssen und zu gewichtsintensiver Strukturausführung oder Strukturschäden führen können. Andererseits sind mechanische Lösungen zur Lastbegrenzung von elektromechanischen Aktuatoren komplex und führen zu erhöhtem Systemgewicht. Die Stellkraft des Aktuators kann durch eine direkte Messung mit einem im Lastpfad integrierten Sensor gemessen werden. Überschreitet die ermittelte Stellkraft einen Grenzwert, wird durch die vorgesehene elektronische Lastlimitierungsfunktion eine Führungsgröße der Regelung des elektromechanischen Aktuators lastbabhängig begrenzt, sodass eine Lastreduktion und Lastbegrenzung resultiert. Durch die Auslegung der Lastlimitierungsfunktion wird ein stabiles Systemverhalten sichergestellt. Die elektronische Lastlimitierungsfunktion erlaubt, die maximale Stellkraft elektromechanischer Aktuatoren der Flugsteuerung zu begrenzen und Strukturschäden zu vermeiden bzw. eine gewichtsoptimierte Struktur zu ermöglichen.

Description

In der Luftfahrt besteht das Bestreben konventionelle elektrohydraulische Stellaktuatoren zur Betätigung der Steuerflächen der Flugsteuerung durch elektromechanische Aktuatoren zu ersetzen, um durch den Verzicht auf hydraulische Leistungsversorgungssysteme Installations- und Wartungskosten zu reduzieren. Ein elektrohydraulischer Aktuator setzt sich im Allgemeinen zusammen aus einem hydraulischen Gleichgangszylinder und einem elektrohydraulischen Servoventil. Elektromechanische Aktuatoren setzen sich zusammen aus einem Elektromotor und einem hochuntersetzenden Getriebe, dass die hohe Drehzahl und das geringe Antriebsmoment des Motors in eine langsame Stellbewegung mit hoher Stellkraft zur Betätigung der Steuerfläche wandeln. Häufig kommen als Getriebekomponente Linearspindelantriebe zum Einsatz, um die Rotationsbewegung des antreibenden Motors in eine lineare Stellbewegung zur Betätigung der Steuerfläche zu wandeln. Die Steuerflächen, die Aktuatoren und zughörige Struktur müssen mit Berücksichtigung eines bestimmten Sicherheitsfaktors auf zu erwartende maximal operative Luftlasten hin ausgelegt werden. Systembedingt können durch die Aktuatoren ggf. aber höherer Stellkräfte erzeugt werden als durch den Sicherheitsfaktor und die maximale operative Last definiert. Des Weiteren können Unsicherheiten in der Bestimmung der maximalen Luftlasten bestehen, sodass durch böeninduzierte exzessive Luftlasten der zulässige Auslegungswert überschritten wird. Um Struktur und Steuerfläche nicht auf eine vom Aktuator maximal erzeugbare Stellkraft ausgelegen zu müssen, die Stellkraft des Aktuators hingegen zu begrenzen und eine optimale Auslegung zu realisieren, ist es möglich, den Aktuator mit einem System zur Lastlimitierung auszustatten.
Für elektrohydraulische Aktuatoren kann eine Limitierung der maximalen Stellkraft durch eine Begrenzung der Kammerdrücke über Druckbegrenzungsventile vergleichsweise einfach realisiert werden. Steigt die Luftlast der Steuerfläche und damit die Stellkraft des Aktuators übermäßig an, so nimmt auch der Druck in einer Zylinderkammer zu. Wird dieser über ein Druckbegrenzungsventil limitiert, das heißt öffnet das Druckbegrenzungsventil ab einem Grenzdruck entsprechend der maximal zulässigen Stellkraft und lässt das Fluid aus der Kammer in die Rücklaufleitung entweichen, gibt der Aktuator unter der Überlast nach. Die Steuerfläche verfährt dadurch in Richtung geringer Luftlast und die Last wird reduziert.
Prinzipbedingt besitzen elektromechanische Aktuatoren durch die inhärente hohe Übersetzung eine auf die Ausgangsstellbewegung bezogene sehr hohe Trägheitsmasse, die als reduzierte Masse bezeichnet wird. Die hohe reduzierte Masse führt dazu, dass Massenkräfte entstehen können, die zu einer Überschreitung der spezifizierten maximalen Stellkraft des Aktuators führen. Dies stellt eine weitere Motivation für eine Lastlimitierungsfunktion dar. So wird der elektromechanische Aktuator zum einen durch eine anliegende Überlast entgegen der Stellkraft und der hohen reduzierten Masse nicht ausreichend schnell zurückbewegt, um eine Lastreduktion zu erreichen. Zum anderen führt die reduzierte Masse beim Verfahren des Aktuators gegen einen angenommenen Klemmfall der Klappenkinematik zu übermäßigen Massenkräften. Unter beiden Gegebenheiten ist ein Wegschalten des Antriebsmoments des Motors und der Trägheitsmasse des Aktuators erforderlich, um eine Lastreduktion zu erreichen. Dies kann rein mechanisch durch Integration einer mechanischen Überlastkupplung realisiert werden. Die Integration einer antriebsseitigen, rotatorischen Überlastkupplung, nah am Motor, besitzt den Vorteil niedriger Auslegungsmomente. Nachteil besteht jedoch darin, dass möglich Unsicherheiten im Ansprechverhalten über die nachfolgende Übersetzung multipliziert werden. Zudem wird nicht die gesamte Trägheitsmasse des Aktuators im Überlastfall abgekuppelt und die reduzierte Masse des Gesamtaktuators durch die Integration im schnelldrehenden Antriebsteil erhöht. Ebenfalls bestehen für die translatorische Abtriebsbewegung eines Aktuators linear wirkende mechanische Überlastkupplungen (z. B. DE 135 03 051 ), welche die Stellbewegung bei Überschreiten einer Grenzlast freischalten. Aufgrund der abtriebsseitig wirkenden hohen Kräfte, und der erforderlichen Aufrechterhaltung der Grenzlast nach dem Ansprechen werden diese Lösungen aber mechanisch komplex und schwergewichtig. Eine weitere Herausforderung stellt das Wiedereinrasten bzw. Synchronisieren des Antriebsteils und des abgekuppelten Abtriebs nach dem Ansprechen der Kupplung dar.
Da die in der Regel für elektromechanische Aktuatoren eingesetzten Motortypen, permanentmagneterregter Synchronmotor oder bürstenloser Gleichstrommotor, eine sehr hohe Dynamik besitzen und eine gute Regelbarkeit aufweisen, besteht die Möglichkeit, regelungstechnisch bzw. elektronisch auf eine Überlast zu reagieren.
Der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lastlimitierung eines elektromechanischen Aktuators elektronisch zu erreichen, um die mechanische Komplexität und das Gewicht des Aktuators niedrig zu halten und eine höhere Genauigkeit im An- und Absprecheigenschaften einer elektronischen gegenüber einer mechanischen Lastlimitierungsfunktion zu realisieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die Stelllast des Aktuators wird durch eine direkte Messung mit einem im Lastpfad integrierten Sensor nach Anspruch 4 oder durch eine Lastschätzung auf Grundlage für die Regelung gemessener Zustandssignale wie Motorstrom, Motorwinkelposition, Motordrehzahl und Ausgangsstellposition durch z. B. Einsatz des bekannten Verfahrens eines Störgrößenbeobachters nach Anspruch 5 bestimmt. Überschreitet die ermittelte Stelllast einen Grenzwert, wird eine Führungsgröße der Regelung nach Anspruch 2 des elektromechanischen Aktuators lastbabhängig begrenzt. Ein elektromechanischer Aktuator wird in der Regel, wie in 1 dargestellt, mit einer Kaskadenregelung aus innerem Stromregelkreis 1 zur Regelung des Motorstroms 2, einem darum geschlossenen Drehzahlregelkreis 3 zur Regelung der Motordrehzahl 4 und einem äußeren Positionsregelkreis 5 zur Regelung der Abtriebsstellposition 6 des Aktuators betrieben. Damit bieten sich drei Führungsgrößen der Kaskadenregelung an, die für die Lastlimitierung genutzt werden können. Das sind der Motorsollstrom 7, die Motorsolldrehzahl 8 oder die Sollposition 9 des Aktuators. In 1 ist beispielhaft die Begrenzung der Motordrehzahl 10 in Abhängigkeit der Last 11 dargestellt.
Die Limitierung einer Führungsgröße erfolgt gemäß 2 in Abhängigkeit der Last 12, dargestellt im Verhältnis zur maximalen operativen Luftlast 13. Im zulässigen Lastbereich 14 besteht für die Führungsgröße eine jeweilige nominelle Begrenzung 15: maximaler Motorstrom, maximale Motordrehzahl, maximale Stellposition. Zwischen zulässigem Lastbereich 14 und maximal zulässiger Last 16, im Überlastbereich 17 erfolgt eine lastbabhängige Begrenzung der Führungsgröße 18 von maximalem nominellen positiven Wert 19 auf maximalen negativen Wert 20. Auf diese Weise wird ein aktives Verfahren in lastreduzierende Richtung erreicht. Die Abregelung ist für Lasten in die Gegenrichtung entsprechend ausgeführt.
Die Stärke der Lastlimitierung ist durch die Steigung der Abregelung 18 im Überlastbereich charakterisiert. Da sich im Überlastbereich während der Abregelung ein geschlossener Regelkreis aus Abregelung, Regelung, EMA und Last ergibt, ist eine Stabilitätsüberprüfung der lastabhängigen Führungsgrößenbegrenzung erforderlich. Die Stabilitätsüberprüfung und die Auslegung mit einer gewünschten Stabilitätsreserve, z. B. nach dem Phasenrandkriterium, bestimmt die maximal wählbare Steigung der Abregelung 18 nach Anspruch 3. Für die Stabilitätsüberprüfung wird ein lineares mathematisches Modell des Stellsystems einschließlich elektromechanischem Aktuator und Steuerfläche verwendet. Des Weiteren wird für die lineare Beschreibung der Lasten ein maximaler Wert zur proportionalen Beschreibung des Zusammenhangs zwischen der Stellposition des Aktuators und der Luftlast abgeschätzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 13503051 [0003]

Claims

Elektronische Lastlimitierungsfunktion für einen elektromechanischen Aktuator der Flugsteuerung dadurch gekennzeichnet, dass die Stelllast des Aktuators elektronische erfasst wird und bei Verlassen eines zulässigen Lastbereichs eine Manipulation von Signalen der Regelung des Aktuators erfolgt, sodass ein Verfahren des Aktuators und der anhängenden Steuerfläche in Richtung geringer Stelllast erfolgt, die Last somit reduziert und die nominelle Regelung nach Abklingen der Überlast wieder aufgenommen wird.
Elektronische Lastlimitierungsfunktion nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Führungsgrößensignal der Regelung des elektromechanischen Aktuators nach Verlassen des zulässigen Lastbereichs lastabhängig limitiert wird.
Elektronische Lastlimitierungsfunktion nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulation der Signale der Reglung derart erfolgt, dass bei bekannten Eigenschaften der Last ein stabiles Verhalten der Lastlimitierung resultiert.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Stelllast durch einen Sensor gemessen wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Stelllast durch mathematische Verfahren aus anderen Messgrößen geschätzt wird.