JP4147183B2 - 電気機械式システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械式アクチュエータ、より詳細には、例えば電気駆動航空機制動システムに見られる制動車両用アクチュエータの応答の一致性の改善に関する。

米国特許第４，８６５，１６２号に、電気駆動航空機制動システムの実例が示されており、航空機の移動速度を減速させるべく、車輪の圧力板と制動機アセンブリを選択的に係合させ、かつ、円板制動機スタックを圧縮するための、環状に配置された複数の電気起動可能トルク・モータおよびローラねじ駆動機構が教示されている。このような電気駆動制動システムには、所与の車輪と結合した、車輪に制動を加える毎に駆動される複数の電気機械式アクチュエータが存在している。

制動機駆動電動機を備えた電気機械式アクチュエータには、高トルク出力を提供するための歯車減速された低トルク成分が必要である。摩擦およびスティクションが、前進位置と後退位置の間のヒステリシスすなわちトルクの原因になり、繰返し精度に悪影響を及ぼしている。スティクション（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）とは、静止摩擦によって運動が妨げられるスティック−スリップ効果のことであり、アクチュエータが所望の位置に到達する前に「スティック」したようになり、再び運動を開始する前に付加的な力を必要とし、運動を開始するとまたスティックすることである。この単語は、「スティッキー（ｓｔｉｃｋｙ）摩擦」を短縮したものであり、「スティックション（ｓｔｉｃｋｔｉｏｎ）」と呼ばれることもある。

ある制動システムに対する試験によれば、所与の力要求に対して力が大きく変動し、また、その力は要求に対して線形ではない。また、大きなヒステリシスが存在し、したがって力要求が減少対増加である場合、力の減少と増加は必ずしも整合していない。また、電気機械式アクチュエータの要求−力曲線には、高い要求レベルおよび低い要求レベルで平坦化する傾向がある。

この性質の問題を解決するべく、しばしばディザーが印加されている。ディザーを加えるためには、要求信号を制御ポイントを中心にして発振させる必要があり、アクチュエータが完全には応答することができない高い周波数でアクチュエータに前後運動を試行させている。ディザーは、位置制御システムの精度を向上させるためにしばしば使用されているが、そのためにはシステム（ハードウェアおよびソフトウェア）は、ディザーが印加されない場合に要求される周波数より高い周波数で応答することができなければならない。この追加設計要求には、費用、重量および電力消費の増加が伴っている。ディザーによる解決法のもう１つの欠点は、電動機が先ず一方の方向の運動を要求され、次に逆方向の運動が要求されるため、歯車のバックラッシュによるヒステリシスが存在していることである。

したがって、電気機械式アクチュエータをより高い信頼性で、かつ、繰返し可能に要求された位置へ移動させることが大いに望ましく、また、アクチュエータを逆方向へ移動させる際のヒステリシスが除去されることが大いに望ましい。

本発明により、上記問題に対する解決法が、力を印加するための測定されたデューティ・サイクルを提供するべく、力の印加を電気的に遮断することによって提供される。このデューティ・サイクルは、繰返し周期および繰返し周期内におけるオフ時間を較正することができる。力の印加および除去を反復することにより、アクチュエータ内の摩擦およびスティックションが克服され、繰返し性に優れた性能が提供される。電子アクチュエータドライバ回路により、力に対する電気要求およびアクチュエータのイネーブルが個別に提供される。ある位置を取るべくアクチュエータが要求されると、力要求は一定を維持し、ディセーブル要求が周期的にオフおよびオンされ、それにより必要なデューティ・サイクルが提供される。このイネーブル／ディセーブル・パルス列は、電動機を微小運動させるべく作用し、それにより減速歯車装置の摩擦およびスティクションが克服される。

本発明は、その一形態では、制動力を回転車輪に印加するべく、制動円板が介在する圧縮性スタックに圧縮力を印加する方法からなっており、所望する制動力を表すオペレータ起動ディジタル制動要求を提供するステップ、およびそのディジタル要求を所望する制動力を表す大きさ有するアナログ信号に変換するステップが含まれている。アナログ信号は周期的に遮断され、その遮断されたアナログ信号が電動機に供給される。電動機の運動は、例えば、減速トルク増加歯車列およびボールねじアセンブリによって回転運動から直線運動へ機械的に変換され、その直線運動が制動円板を圧縮するべく印加される。各アナログ信号の遮断の時間間隔は、電動機をディセーブルし、すべての制動力を車輪から除去するために必要な時間より短くなっており、また、歯車列内に何らかの自由遊び運動が生じる以前であることが好ましい。

本発明の利点は、力が常に同じ方向に印加され、それにより歯車のバックラッシュによるヒステリシスが除去されていることである。力を除去することにより、作用しているアイテムによる、係合した歯車列に対する「押戻し」が可能になり、それにより係合が維持され、かつ、バックラッシュが阻止される。

もう１つの利点は、要求レベルが変化しないため、また、独立した機構によって力が除去されるため、ディザーが加えられた信号に影響を及ぼす要求レベルの変化による遅延がないことである。

添付のいくつかの図面において、対応する参照文字は、対応する部品を表している。

図面、特に図１および２を参照すると、多重巻線直流ブラシなし電動機１３、減速トルク増加歯車列１５、およびボールねじ１７などの回転運動−直線運動変換器を有する電気機械式アクチュエータ１１を備えた電気機械式システムが示されている。歯車列および変換器は、一括して１９で示されている。整流子回路は、電動機巻線の各々に反復遮断アナログ信号を連続的に供給するための電動機駆動電子エレクトロニクス２１内に含まれている。

図２に示すアクチュエータおよび制動アセンブリの例示的環境では、実例電気機械式アクチュエータ１１は、ハウジングに固定されており、車輪は、軸の周りに回転するべくジャーナルされている。電動機の回転速度は、歯車の回転運動をピストン３３の直線運動に変換しているボールねじ配列を駆動している歯車列によって歯車減速されている。制動円板スタック２３は、車輪に固定され、かつ、車輪と共に回転可能な２５および２７などの交番円板を有しており、一方、２９および３１などの介在円板は静止型であり、ハウジングに固定されている。アクチュエータ１１（環状に配置された複数の同様のアクチュエータと共に）が起動されると、従来の多板制動アセンブリの場合と同様、ピストン３３などのアクチュエータ部分が延びて制動圧力板３５を強制し、それにより円板スタックを圧縮して車両を減速させる。

アクチュエータ電動機１３への電流およびアクチュエータ電動機１３の整流は、電気機械式アクチュエータコントローラ３６によって提供されている。３つの電動機相へ電力を供給するべく、コントローラ３３から３本の高電圧線３７、３９および４１が接続されている。３つの位置基準信号は、線路４３、４５および４７によって戻され、また、位置基準励起信号は、コントローラによって線路４９および５１上に提供されている。

力信号は、線路５３上のディジタル要求から展開される。力信号は、例えば航空電子エレクトロニクスからのデータ・リンクを介して入力される。所望するこの力要求は、オンボード・プロセッサによって処理され、かつ、ディジタル−アナログ変換器５５によってアナログ要求に変換される。アナログ要求は、電動機を所望する力で駆動するべく、電動機駆動電子エレクトロニクス２１内の電力回路によって整流され、かつ、増幅される。電動機からの線路４３、４５および４７上の位置帰還は、アクチュエータを後退させる要求が提供された場合の整流および移動した距離の測値を提供するべく、電力回路によって使用される。

アナログ信号を反復遮断するための回路は、アクチュエータの性能を改善し、ヒステリシスおよび力の不確実性を小さくし、かつ、アクチュエータによって印加される最大力を大きくするべく、特定の周波数で実際にディセーブル信号をパルス出力している。この回路には、パルス列すなわちディセーブル要求を生成するためのディセーブル要求発生器５７、およびアナログ信号の通過および阻止をパルス列に同期して反復するための、すなわちアナログ信号を周期的に遮断するための、パルス列に応答する電子スイッチング回路５９が含まれている。線路６１上の実例信号が図３に示されている。回路２１は、電動機１３内に回転磁界を生成するべく、電動機巻線の各々に周期遮断アナログ信号を連続的に供給している。整流により、巻線が順次、急激にスイッチされるが、より一般的には、整流は、回転磁界を生成するための、漸大し、かつ、漸減する連続信号を生成している。

図４に示す試験データでは、曲線６３は制動力要求を示し、曲線６５は、制動力要求の結果として制動アクチュエータが出力する力を示している。曲線６５の最大レベルは、約５２２キログラム（１１５０ポンド）のアクチュエータ力の印加に相当し、２８．５秒と３１秒の間、持続している。要求波形は比較的滑らかであり、かつ、この時間間隔の間、一定であるが、得られた力は、この制動力レベルが印加されている間、多数回に渡って上下に揺動している。揺動の各々は、ディセーブル要求パルスに対応している。ディセーブル要求波形の周期は、このレベルにおける制動印加持続期間のごく僅かな部分に過ぎないことに留意されたい。

本発明は、要求信号にディザーを加える代わりに、ディセーブル信号を循環させている。電動機に印加される電圧は、要求されたレベルの電圧であるか、あるいはゼロのいずれかである。デューティ・サイクルおよびパルス反復率は、図３に示すように、所望する通りに構成することができるが、この技法は、パルス幅変調ではない。パルス幅は構成可能であるが、動作中に変化することはない。制御情報は、パルス幅ではなく、振幅中に含まれている。この技法により、最大力が全非パルス要求を使用して利用することができる力未満に低減されるように思われるが、最大要求レベルにおけるスティクションが克服されているため、実際には、この技法は最大力を大きくしている。本発明は、要求レベルを変化させることによるパルス効果を達成していないため、アナログ電力論理に対するディザーの動的効果が回避されている。ディセーブルが表明されると、すべての力が直ちに除去され、それにより制動機が応答してアクチュエータが「押し戻される」。それにより歯車は、歯車に力が印加された際の係合をそのまま維持し、したがって、従来であれば電動機が後退を要求された場合に生じることになる歯車のバックラッシュによる損失が防止される。

以上、本発明について、航空機制動システムの好ましい実施形態の形で説明したが、本発明は、広範囲に渡る様々な電気機械式駆動装置と共に使用することができる。これらの装置のいくつかはばねであり、あるいは駆動信号が除去された場合に、静止位置すなわち初期位置に復帰するべくバイアスされた装置であり、また、アクチュエータに対する逆方向信号すなわち復帰信号を必要とする装置であってもよい。固有の復帰、例えばばね仕掛け復帰を有するアクチュエータの場合、遮断の持続期間（図３のオフ時間）を、アクチュエータがその初期位置に復帰するために必要な時間より著しく短くすることが重要であり、そうでない場合、アクチュエータが初期位置と最終位置の間を単純に周期運動することになる。いずれのタイプのアクチュエータも、要求によって決定された力を対象に対して発揮するべく、初期位置すなわちリセット位置からイネーブルされた位置へ向かって移動する際の決定可能な応答時間を有しており、各遮断の持続期間は、アクチュエータの応答時間未満でなければならない。つまり、アナログ信号は、展開位置と後退位置の間をアクチュエータがいずれかの方向へ移動するために必要な時間より短い時間間隔で遮断される。力の印加におけるこの一瞬のためらいが、繰返し性を向上させている。制動システムの個々のアプリケーションにおいては、アナログ信号は、電動機をディセーブルし、すべての制動力を車輪から除去するために必要な時間より短い時間間隔で遮断される。

電気機械式アクチュエータおよび制御回路の略図である。 電気機械式円板制動アクチュエータ機構の横断面図である。 図１に示す電動機駆動電子エレクトロニクスに印加される信号を示す図である。 要求された力とその結果としてアクチュエータが出力する力を比較したグラフである。

Claims (6)

1. 電気機械式アクチュエータを初期位置からイネーブルされた位置へ向かって移動させる信号に応答するための決定可能な応答時間を有し、起動信号の受信に応答して、要求によって決定された力を対象に対して発揮するべく、ディセーブル位置からイネーブル位置へ向かって移動するように動作することができる電気機械式アクチュエータ（１１）と、
   要求によって決定された力を表すディジタル信号を供給するためのディジタル信号源（５３）と、
   前記ディジタル信号を受け取り、かつ、力を表す大きさを有するアナログ信号を供給するためのディジタル−アナログ変換器（５５）と、
   前記アナログ信号を反復して遮断するための回路（５７、５９）であって、各遮断の持続期間が前記アクチュエータの決定可能な応答時間より短い回路と、
   を備えた電気機械式システム。
2. 前記アクチュエータが、多重巻線直流ブラシなし電動機（１３）を備え、前記システムが、電動機巻線の各々に前記反復遮断アナログ信号を連続的に供給するための整流子回路（２１）をさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
3. 前記アクチュエータが電動機（１３）を備え、前記システムが減速トルク増加歯車列（１５）および回転運動−直線運動変換器（１７）をさらに備えた、請求項１に記載のシステム。
4. 前記アナログ信号を反復して遮断するための前記回路が、パルス列を生成するためのディセーブル要求発生器（５７）、および前記パルス列に応答して前記アナログ信号の通過および阻止を反復するための電子スイッチング回路（５９）を備えた、請求項１に記載のシステム。
5. 所望の制動力（６５）を表すオペレータ起動ディジタル制動要求（５３）を提供するステップと、
   前記ディジタル要求を前記所望の制動力を表す大きさを有するアナログ信号（６３）に変換する（５５）ステップと、
   前記アナログ信号を周期的に遮断する（５９）ステップと、
   前記遮断アナログ信号を電動機に供給するステップと、
   電動機の運動を回転運動から直線運動に機械的に変換する（１９）ステップと、
   前記制動円板（２５、２７、２９、３１）を圧縮するべく、前記直線運動を加えるステップと、
   を含む回転車輪に制動力を加えるべく、制動円板（２５、２７、２９、３１）が介在する圧縮性スタック（２３）に圧縮力を加える方法。
6. 機械的に変換する前記ステップが、減速トルク増加歯車列（１５、１７）によって実行される、請求項５に記載の方法。

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