JP2001095273A - 電動式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 航空機の操縦舵面操作用等の電気式アクチュ
エータにおいて、大出力かつコマンドに対して高応答性
を有し、耐ノイズ性の高い、安定した舵角等の制御を行
なうことのできる電動式アクチュエータを提供する。 【解決手段】 被駆動体を駆動する電動式のモータと、
該モータを運転操作するモータコントローラと、前記被
駆動体の位置を検出する位置検出器と、位置コマンドと
前記位置検出器からフィードバックされる位置フィード
バック信号との偏差コマンドを算出する偏差演算手段
と、前記位置偏差コマンドに所定のゲインを与えて増幅
する増幅手段とを備えた電動式アクチュエータにおい
て、前記偏差演算手段とモータコントローラとを接続す
る偏差コマンドのラインまたは前記位置検出器からの位
置フィードバックラインの何れか一方に所定の不感帯幅
を有して、該偏差コマンド中のノイズを除去する不感帯
を設けてノイズ成分を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は航空機の舵面操作等
に使用される電動式アクチュエータに関し、特にその制
御信号に含まれるノイズ成分を除去する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７に概略を示す航空機５００におい
て、航空機の舵面を動かすアクチュエータには、油圧式
と電動式とがある。油圧式アクチュエータは大出力でか
つ高い応答性が要求されるエルロン１０１、エレベータ
１０５等の主舵面を駆動するために使用される。一方、
比較的小出力で、かつ高応答性を要求されない前縁フラ
ップ（スラット）１０２、後縁フラップ１０３、ラダー
１０４等の補助舵面の駆動用としては、電動式アクチュ
エータが使用されている。しかしながら近年は、大出力
かつ高い応答性を要求される場合にも、上記油圧アクチ
ュエータとともに電動式アクチュエータも使用されてき
ている。

【０００３】これは、前記電動式アクチュエータが、油
圧式アクチュエータに比べて次のような長所を有するこ
とによる。 １）機体への艤装が容易であり、かつ油圧管の配管を必
要とせずケーブルの使用が可能となる。 ２）油圧システムを必要としないため、メンテナンスが
容易である。 ３）アクチュエータのスレッショルドやヒステリシスを
低減できる。 ４）機体の軽量化が可能となる。

【０００４】然るに、近年の電動式アクチュエータの要
素技術として、多くの強磁性体が開発されて汎用される
に従い、多くの小型かつ高出力の電動モータが開発され
るに加えて、電子制御素子の発達により大電力用の制御
回路の小型化が可能となった。上記のような電動式アク
チュエータを取り巻く新しい技術要素の提供により、航
空機でも次第に電動式アクチュエータがより広く採用さ
れつつある。

【０００５】図３は従来技術に係る航空機用電動式アク
チュエータ１００Ｂのブロック図を示す。図３におい
て、２００Ｂは位置サーボコントローラ、１２はモータ
コントローラであり、該位置サーボコントローラ２００
Ｂから出力されるモータ速度コマンド１１はモータコン
トローラ１２へ入力され、舵面１６の操作上の所要のモ
ータ回転が指示される。即ち、前記モータコントローラ
１２には、モータ速度コマンド１１に対応したモータ駆
動電力１３をモータ１４に出力する。そしてモータ１４
の回転力はギアボックス１５を経て舵面１６に伝達さ
れ、該舵面１６を回転移動させる。前記モータ１４の回
転制御は、該モータ１４に取付けられたレゾルバ即ち速
度センサ１８により監視され、その回転速度はモータ速
度信号１９として、前記モータコントローラ１２へフィ
ードバックされることにより、速度制御がなされてい
る。

【０００６】一方、前記位置サーボコントローラ２００
Ｂでは、前記ギアボックス１５の角度を検出するための
角度センサ（ＲＶＤＴ）１７で検出され、ＲＶＤＴ変換
器１０、及びＡ／Ｄ変換器９を通って送られる舵面の位
置フィードバック信号８と、外部から指示されＡ／Ｄ変
換器２を通った位置コマンド１の両者が、差分回路３に
入力される。該差分回路３においては、前記位置コマン
ド１と位置フィードバック信号８との差から位置偏差コ
マンド７が算出される。該位置偏差コマンド７は増幅回
路５に入力され、必要な大きさの位置補償ゲイン５ａに
増幅される。この位置補償ゲイン５ａはＤ／Ａ変換器６
でアナログ信号に変換され、位置偏差に比例したモータ
速度コマンド１１となる。そして、このモータ速度コマ
ンド１１は前記モータコントローラ１２に入力され、該
モータコントローラ１２は、外部からの位置コマンド１
に従った舵面１６の回転移動制御を行なう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記航空機用アクチュ
エータは、一般に位置制御が行なわれている。例えば舵
面制御の場合には、アクチュエータにより操縦舵面の位
置制御が行なわれる。かかる位置制御では、信号に対す
る高い応答性が要求される。この高い応答性を実現する
には、位置コマンドと位置フィードバック信号の差分に
対するゲイン、すなわちサーボの前向きのゲインを大き
くとることが要求される。しかしながらゲインを大きく
すると、ノイズも同時に増幅してしまうという不具合を
生ずる。

【０００８】特に位置サーボ系では、位置フィードバッ
ク信号や位置コマンドにノイズがある場合、アクチュエ
ータをある位置に停止させる、すなわち位置フィードバ
ック信号と位置信号が等しくなった状態では、両信号に
含まれるノイズ成分のみが結果として増幅され、このノ
イズにより、アクチュエータが停止位置で微震動したよ
うな状態になってしまう。すなわちノイズによる舵面の
“ビビリ”が現れ、アクチュエータの質の低下、最悪事
には機体の安定性不良となる不具合が生ずる。

【０００９】図４は、図３に示す電動式アクチュエータ
における位置フィードバック信号及び位置偏差コマンド
信号の一例を示し、図４（Ａ）は舵面１６からの位置フ
ィードバック信号８の信号波形、（Ｂ）は外部からの外
部コマンド信号１である。同図の（Ａ）では位置フィー
ドバック信号８の信号幅１０ｍＶに対して、約３ｍＶ程
度のノイズが乗っている状態を示している。なお（Ｂ）
に示す位置コマンド１にはかかるノイズは乗っていな
い。

【００１０】図５は、前記電動式アクチュエータにおけ
る位置偏差コマンド７及びアクチュエータ位置の一例を
示し、図５（Ａ）は、差分回路３の出力である位置偏差
コマンド７（前向きゲイン入力）を示す。この場合、ア
クチュエータの位置偏差コマンド７には±約１０ｍＶ
（０．０３５ｄｅｇ．）のノイズがそのまま現れてい
る。図５（Ｄ）は前記位置偏差コマンド７から低ゲイン
時のアクチュエータ位置即ち電動式アクチュエータ１０
０Ａの出力を示す。該アクチュエータ位置にはアクチュ
エータの“ビビリ”が発生しているが、このビビリは後
述する高ゲイン時に比較すれば小さなビビリである。

【００１１】また、図６に示すように、図５と同一の位
置偏差コマンド７（図６（Ｃ））に高ゲインで増幅した
時のアクチュエータ位置は同図（Ｅ）に示されるよう
に、ノイズが大きく増幅されて乗る。このため、アクチ
ュエータ位置に大きなビビリが発生する。このビビリは
舵面に入って、舵面の制御が不安定となる。

【００１２】一方、従来の油圧式アクチュエータにあっ
ては、該アクチュエータのスレショルド（すなわち、ど
こまで小さな入力に応答するか）、あるいはヒステリシ
ス（信号のガタの様なもの）がその構造上、ある程度の
大きさにあり、これがノイズに対してバッファーないし
鈍感に作用しているため、電動式アクチュエータに比較
して、上記ビビリ等の不具合の発生が少ない。

【００１３】すなわち電動式アクチュエータにおいて
は、油圧式アクチュエータに比べて、上記スレショルド
やヒステリシスが低いため（実測では１／１０程度）、
外部ノイズに対する感受性が過度に強くなる。さらに電
動式アクチュエータでは、大電力を使用するためにノイ
ズ源となる電気部品が多くなり、位置フィードバック信
号中に上記ノイズが乗りやすく、結果として滑らかな舵
面作動が困難となる。このため、上記電動式アクチュエ
ータを搭載する航空機５００では、飛行中に常に舵面１
６が上記ノイズに対応して微少振動し、機体の安定度が
悪くなるという問題点を有する。

【００１４】本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、航
空機の操縦舵面を操作するための電動式アクチュエータ
において、大出力、かつコマンドに対して高応答性を有
し、、耐ノイズ性の高い安定した舵角制御を行なうこと
のできる電動式アクチュエータを提供することを目的と
する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するため、請求項１記載の発明として、被駆動体を駆
動する電動式のモータと、該モータに制御信号を付与し
てこれを運転操作するモータコントローラと、前記被駆
動体の変位、角度等の位置を検出する位置検出器と、位
置コマンドと前記位置検出器からフィードバックされる
位置フィードバック信号との偏差としての偏差コマンド
を算出する偏差演算手段と、前記位置偏差コマンドに所
定のゲインを与えて増幅し、前記モータコントローラに
出力する増幅手段とを備えた電動式アクチュエータであ
って、前記偏差演算手段とモータコントローラとを接続
する偏差コマンドのラインまたは前記位置検出器からの
位置フィードバックラインの何れか一方に所定の不感帯
幅を有して、該偏差コマンド中のノイズを除去する不感
帯を設けてなることを特徴とする電動式アクチュエータ
を提案する。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１の発明を
航空機用電動式アクチュエータに適用したもので、舵面
を駆動する電動式のモータと、該モータに制御信号を付
与してこれを運転操作するモータコントローラと、前記
舵面の角度を検出する角度検出器と、位置コマンドと前
記角度検出器からフィードバックされる位置フィードバ
ック信号との偏差としての偏差コマンドを算出する偏差
演算手段と、前記偏差コマンドに所定のゲインを与えて
増幅し、前記モータコントローラに出力する増幅手段と
を備えた航空機の電動式アクチュエータにおいて、前記
偏差演算手段とモータコントローラとを接続する偏差コ
マンドのラインまたは前記角度検出器からの位置フィー
ドバック信号ラインの何れか一方に所定の不感帯幅を有
して、該偏差コマンド中のノイズを除去する不感帯を設
けてなることを特徴とする。

【００１７】また請求項１及び２において、好ましく
は、前記不感帯は、その不感帯幅が該不感帯に入力され
る入力信号に含まれるノイズよりも大きくなるように構
成する。

【００１８】かかる発明によれば、ノイズ分を含む位置
偏差コマンドあるいは位置検出器からの位置フィードバ
ック信号は、不感帯幅が前記ノイズ成分の幅よりも大き
く設定された不感帯を通過することによって、ノイズ成
分が除去される。

【００１９】従って、偏差演算手段から増幅手段に入力
される位置偏差コマンドにはノイズ成分を含むことがな
く、モータコントローラからの制御信号に前記ノイズ成
分に起因するビビリの発生が回避され、耐ノイズ性の高
い、安定した制御を行なうことが可能となる。また、増
幅手段にてゲインから付与される位置偏差コマンドにノ
イズ成分を含まないので、該増幅手段にて大きなゲイン
を付与することができる。これによって高い応答性を有
するとともに大出力の電動式アクチュエータが得られ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施
形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、そ
の相対的位置等は特に特定的な記載がないかぎりは、こ
の発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説
明例にすぎない。

【００２１】図１は本発明の実施形態に係る航空機の舵
面操作用電動式アクチュエータの構成を示すブロック図
である。図１において、１００Ａは電動式アクチュエー
タ、１６は該アクチュエータ１００Ａによって操作され
る航空機の舵面である。２００Ａは位置サーボコントロ
ーラであり、これのＡ／Ｄ変換器２には外部から制御用
の位置コマンド１が入力されるようになっている。１４
はモータで、該モータ１４の回転力はギアボックス１５
を介して前記舵面１６に伝達され、これを操作するよう
になっている。

【００２２】１２はモータコントローラで、これによっ
て制御されたモータ駆動電力１３を前記モータ１４に出
力する。１８は前記モータ１４の速度を検出し、そのモ
ータ速度信号１９を前記モータコントローラ１２に出力
する速度センサ（レゾルバ）である。１７は前記ギアボ
ックス１５の角度、即ち前記舵面１６の角度を検出する
角度センサ（ＲＶＤＴ）である。

【００２３】３は差分回路で、前記Ａ／Ｄ変換器２でデ
ジタル信号に変換された位置コマンド１と、前記角度セ
ンサ１７で検知され、ＲＶＤＴ変換器１０を経てＡ／Ｄ
変換器９でデジタル信号に変換された位置フィードバッ
ク信号８との偏差、即ち位置偏差コマンド７を算出する
ものである。

【００２４】５は後述する不感帯４を経た位置偏差コマ
ンド７を増幅して、必要な位置補償ゲイン５ａに増幅す
る増幅回路、６は上記位置補償ゲイン５ａをアナログ信
号に変換し、モータ速度コマンド１１として前記モータ
コントローラ１２に出力するＤ／Ａ変換器である。以上
の構成は、図３に示す従来技術と同様である。

【００２５】本発明においては、前記差分回路３と増幅
回路５との間に不感帯４を設け、差分回路３から出力さ
れた位置偏差コマンド７に、次の不感帯幅を付与するも
のである。即ち、該不感帯４の不感帯幅は、前記角度セ
ンサ１７で検出された位置フィードバック信号８のノイ
ズ幅より大きく、かつアクチュエータに要求されるスレ
ショルド（どこまで小さな入力に応答するか）の要求幅
よりも小さな値に設定されている。

【００２６】次に、この実施形態に係る電動式アクチュ
エータの動作について説明する。図２は、図１に示す、
この実施形態に係る電動式アクチュエータにおける位置
偏差コマンド信号７及び舵面１６に出力されるアクチュ
エータ位置の変化を示す。図２において、（Ｃ）はノイ
ズ分を含む位置偏差コマンド（前向きゲイン入力）７を
示し、（Ｅ）はこの実施形態におけるアクチュエータ位
置を示す。

【００２７】図１において、前記角度センサ１７にて検
出された位置フィードバック信号８には上記のようにノ
イズ成分が乗っており、この位置フィードバック信号８
と、ノイズ無しの位置コマンド１とが差分回路３へ入力
される。そして、該差分回路３にて位置コマンド１と位
置フィードバック信号８との偏差即ち位置偏差コマンド
７が算出される。該位置偏差コマンド７は最大幅±１０
ｍＶ程の振幅を持ったノイズ成分を有する。

【００２８】さらに、この位置偏差コマンド（前向きゲ
イン入力）７は、このノイズ成分を取り除くために不感
帯４に入力される。この不感帯４は、前記のように想定
されるノイズ幅（この例では図２に示すように１０ｍ
Ｖ）よりも大きく、かつ電動式アクチュエータに要求さ
れるスレショルドの要求よりは小さな値に採られてお
り、該位置偏差コマンド７に含まれるノイズは、該不感
帯４でカットされる。即ち、上記不感帯４はノイズ成分
だけをカット出来るようにその不感帯幅が設定されてい
るので、ここでノイズが完全に除去される。

【００２９】前記のようにして、不感帯４にてノイズが
カットされた位置偏差コマンド７は、さらにゲインを高
めるために増幅回路５へ入力される。該増幅回路５にて
該位置偏差コマンド７は、必要な位置補償ゲイン５ａに
増幅される。該偏差コマンド７は、前記のようにして、
増幅される前にすでにノイズ分がカットされているた
め、結果として位置サーボコントローラ２００Ａから出
力されてモータコントローラ１２に入力されるモータ速
度コマンド１１は安定したノイズを含まないコマンドと
なる。

【００３０】以後は図３の従来技術と同様に、位置サー
ボコントローラ２００Ａから出力されるモータ速度コマ
ンド１１がモータコントローラ１２へ出され、該モータ
コントローラ１２から舵面１６操作上の必要なモータ回
転が出力される。すなわち前記モータコントローラ１２
からモータ速度コマンド１１に対応したモータ駆動電力
１３がモータ１４へ出力され、該駆動電力１３によるモ
ータ回転力はギアボックス１５に伝達され、舵面１６を
回転移動させる。

【００３１】ここで、一般にノイズを除去するためには
ローパスフィルタで高周波部分を除去するが、この実施
形態では不感帯４を用いている。これは、いわゆるノイ
ズの周波数成分が予め判明している場合にはローパスフ
ィルタでそれらのノイズを除去することが出来るが、航
空機の場合には、いわゆるホワイトノイズと呼ばれる周
波数成分が未知なノイズが多く、これに対処するためで
ある。さらに、この実施形態では前記不感帯４を位置フ
ィードバック信号８と位置コマンド１とが釣り合った状
態となっている位置偏差コマンド７のラインを設けてい
るので、ビビリの発生が回避される。

【００３２】なお上記実施形態では、不感帯４は差分回
路３の後に設けられているが、これに限ることなく、位
置フィードバック信号８が検出される角度センサ（ＲＶ
ＤＴ）１７と差分回路３との間に設置してもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上記載のごとく、本発明によれば、ノ
イズ成分を含んだ位置偏差コマンドは不感帯を通ること
によってノイズ分が除去された後に、モータ速度コマン
ドとしてモータコントローラに入力されるため、該ノイ
ズ成分に起因するビビリの発生が無く、安定した被駆動
体の操作が可能となる。また、上記のように位置偏差コ
マンドにノイズ成分を含まないため、増幅手段において
大きなゲインを付与することが可能となり、高い応答性
が得られるとともに、油圧式アクチュエータと同等の大
出力の電動式アクチュエータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係る航空機用電動式アク
チュエータの構成を示すブロック図である。

【図２】 上記実施形態における制御信号の応答線図で
ある。

【図３】 従来技術を示す図１応答図である。

【図４】 従来技術における制御信号の応答線図（その
１）である。

【図５】 従来技術における制御信号の応答線図（その
２）である。

【図６】 従来技術における制御信号の応答線図（その
３）である。

【図７】 本発明が適用される航空機の概略平面図であ
る。

【符号の説明】

１００Ａ 電動式アクチュエータ ２００Ａ 位置サーボコントローラ １ 位置コマンド ２、９ Ａ／Ｄ変換器 ３ 差分回路 ４ 不感帯 ５ 増幅回路 ６ Ｄ／Ａ変換器 ７ 位置偏差コマンド ８ 位置フィードバック信号 １０ ＲＶＤＴ変換器 １１ モータ速度コマンド １２ モータコントローラ １３ モータ駆動電力 １４ モータ １５ ギアボックス １６ 舵面 １７ 角度センサ １８ 速度センサ １９ モータ速度信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H303 AA30 CC03 DD01 GG08 KK10 LL02 5H550 AA20 BB05 BB06 DD01 GG01 GG03 JJ02 JJ08 JJ16 LL01 LL36 PP02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被駆動体を駆動する電動式のモータと、 該モータに制御信号を付与してこれを運転操作するモー
   タコントローラと、 前記被駆動体の変位、角度等の位置を検出する位置検出
   器と、 位置コマンドと前記位置検出器からフィードバックされ
   る位置フィードバック信号との偏差としての偏差コマン
   ドを算出する偏差演算手段と、 前記位置偏差コマンドに所定のゲインを与えて増幅し、
   前記モータコントローラに出力する増幅手段とを備えた
   電動式アクチュエータにおいて、 前記偏差演算手段とモータコントローラとを接続する偏
   差コマンドのラインまたは前記位置検出器からの位置フ
   ィードバックラインの何れか一方に所定の不感帯幅を有
   して、該偏差コマンド中のノイズを除去する不感帯を設
   けてなることを特徴とする電動式アクチュエータ。
2. 【請求項２】 舵面を駆動する電動式のモータと、 該モータに制御信号を付与してこれを運転操作するモー
   タコントローラと、 前記舵面の角度を検出する角度検出器と、 位置コマンドと前記角度検出器からフィードバックされ
   る位置フィードバック信号との偏差としての偏差コマン
   ドを算出する偏差演算手段と、 前記偏差コマンドに所定のゲインを与えて増幅し、前記
   モータコントローラに出力する増幅手段とを備えた航空
   機の電動式アクチュエータにおいて、 前記偏差演算手段とモータコントローラとを接続する偏
   差コマンドのラインまたは前記角度検出器からの位置フ
   ィードバック信号ラインの何れか一方に所定の不感帯幅
   を有して、該偏差コマンド中のノイズを除去する不感帯
   を設けてなることを特徴とする電動式アクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記不感帯は、その不感帯が該不感帯に
   入力される入力信号に含まれるノイズよりも大きくなる
   ように構成されてなる請求項１または２記載の電動式ア
   クチュエータ。