JP4991164B2 - 電気ブレーキを備えたブレーキシステムにおけるサーボコントロールの方法 - Google Patents

Description

本発明は電気ブレーキを備えたブレーキシステムにおけるサーボコントロールの方法に関する。

現代の航空機は電気機械式アクチュエーターを備えた電気ブレーキを含むブレーキシステムを有している。

各アクチュエーターはプッシャーを備え、プッシャーは多層ディスクに面し、電動モーターで駆動され、選択的に多層ディスクにブレーキ力を加える。

このようなブレーキは普通ブレーキの設定値に基づいた力の制御をされている。
本発明は特に、プッシャー位置を感知する位置センサーを備えているがプッシャーによって多層ディスクに加えられる力を測定する力センサーを備えていないアクチュエーターに適用される。

このような条件のもとで、これらのアクチュエーターから加えられた力をサーボコントロールできるようにするためには、プッシャーから加えられた力を、測定できるパラメーターすなわちプッシャーの位置や、電動モーターに供給される電源電流などのようなパラメーターの関数として推定する必要がある。

あるいは、前記ブレーキ力の設定値は位置の設定値に変換でき、この場合、位置のサーボコントロールを実施することができる。

普通実施されるサーボコントロールは、演繹的に推定されたパラメーターや、関係関数や、モデルに基づいている。しかし、ブレーキが作動する条件はブレーキの寿命期間の間に変わりうるので、サーボコントロールを不正確にする。

ブレーキの運転条件、特にブレーキの温度又はディスクの磨耗度合いを考慮するために前記ブレーキ力の設定値と前記位置の設定値との間の関係を調整することが知られており、特に米国特許文献１により知られている。

U.S. Patent No.6178369

この目的のために、前記ブレーキは、前記プッシャーから前記摩擦要素に加えられる力が電動モーターに供給される電流に特に依存するような条件下で操作され、１以上の運転点について、プッシャーの位置とプッシャーが発生する力が観測される。この方法で測定された位置と力の数値の組は、前記関係を調整するのに使用され、例えば伝統的な回帰方法によって調整される。

本発明の課題は、上述した一般理論の特定の実施例を提供することである。

この課題を達成するために、本発明は、
航空機のブレーキシステムにおけるサーボコントロールの方法を提供し、
前記プッシャーによって前記摩擦要素に加えられるブレーキの力の設定値を、前記プッシャーの位置の設定値に変換する関係を利用する方法を提供し、
前記プッシャーの位置の設定値と前記ブレーキの力の設定値の間の関係を調整する工程からなる方法を提供するものであり、
前記ブレーキシステムは少なくとも１つの電気ブレーキを有し、電気ブレーキは少なくとも１つの電気機械式アクチュエーターを有し、電気機械式アクチュエーターは、摩擦要素に対面し、電動モーターによって駆動され、ブレーキ設定値に応答して前記摩擦要素に選択的に力を加えるプッシャーを備え、
前記工程は、前記プッシャーから前記摩擦要素に加えられた力が前記電動モーターを流れる電源電流に特に依存するという作動条件のもとでブレーキを操作し、
少なくとも１つの与えられた作動点に対し、プッシャーの位置と、対応する電流を特定し、対応するブレーキの力をこのように測定した電流から導き出し、
このように決められた前記プッシャーの位置と前記ブレーキの力を使用して前記プッシャーの位置の設定値と前記ブレーキの力の設定値の間の関係を調整することからなる。
本発明によれば、前記ブレーキの運転条件は前記プッシャーの位置に１以上の停止部を与えることを含む。

本発明の方法は図１に示すようなブレーキ付き車輪をいくつか有する航空機への適用においてここに詳述される。各ブレーキ付き車輪はタイヤ（図示せず）を受けるのに適したリム５を備え、航空機の車台によって支持される車軸６上を回転するように取付けられている。車軸６にはアクチュエーター８を保持するリング７が取り付けられている。トーションチューブ９がリング７にしっかり固定されており、リム５の中に延設されていて、バックストップ１０まで延びている。リング７、及びトーションチューブ９は、車軸６に関して回転しないようにキー（図示せず）止めされている。

静止体１０とアクチュエーター８の間には、多層ディスク１１が延設されていて、ディスクはリム５とともに回転するようにされているローターディスクと、トーションチューブ９とともに回転しないようにされている静止ディスクとから構成されている。

各アクチュエーター８はプッシャー１３が多層ディスク１１に面して電動モーターからの駆動により線形に動くように取り付けられている本体１２を備え、電動モーターは本体１２の内部に保持されていて多層ディスク１１に選択的に力を伝え、この力は多層ディスクの中のローターとステーターの間に摩擦力を発生させ、リム５の回転を減速させ、これによって航空機にブレーキをかける。
各アクチュエーター８は位置センサー１４を有し、位置センサーはプッシャー１３の線形変位を測定する。

アクチュエーター８は制御されたモードで作動することが可能なコントロールモジュール５０と接続されており、アクチュエーター８の中では各プッシャー１３がブレーキ設定値に対する応答として電動モーターによって多層ディスク１１に対して動かされ、当該ブレーキ設定値はパイロットによって操作されるブレーキペダル５１から来る信号に特に基づいて発生される。

このようなアクチュエーターにおいては、モーターの回転運動をプッシャーの線形運動に変換するモーターとギアボックスのユニットの上のモーターにより発生したトルクは、モーターに供給される電流の大きさに直接比例する。このことは Ｃｅｍ＝Ｋ・ｉ と書くことができ、ここでＣｅｍは電磁トルク、Ｋは比例定数、ｉは電動モーターへ流れる電源電流である。

しかし、電磁トルクＣｅｍの全てが多層ディスクに対してプッシャー１３が加える動作に消費されるわけではない。電磁トルクＣｅｍの一部は慣性効果（プッシャーの加速又は減速とそれに関する質量）に打ち勝つために消費される。電磁トルクＣｅｍの他の一部はプッシャー１３の変位に対する静止摩擦と粘性摩擦（すなわち速度に依存する摩擦）を補償するために消費される。このことは次のように書くことができる。
Ｃｅｍ＝Ｃｉ＋Ｃｆｓ＋Ｃｆｖ＋Ｃｕ
ここで、Ｃｉは慣性トルク
Ｃｆｓは静止摩擦トルク
Ｃｆｖは粘性摩擦トルク
Ｃｕは利用できるトルク
利用できるトルクは力 Ｆ に対して Ｃｕ＝ａ・η・Ｆ で発生し、ここで ａ は変換定数で、モーターとギアボックスのユニットの構成に直接関係し、ηは前記変換の効率である。

コントロールモジュール５０は図２に示す態様でアクチュエーターのサーボコントロールをするために採用される。

ブレーキの力の設定値 Ｆ₁ は初めにプッシャーの位置の設定値 ｘ₁ に変換される。この目的のため、プッシャー１３の位置と多層ディスク１１上にプッシャー１３から加えられたブレーキの力との間の関係 Ｒ が利用される。

この設定値 ｘ₁ は位置フィードバックループへのインプットとなる。この設定値は位置センサー１４で測定されたプッシャー１３の位置 ｘ から差し引かれる。

上記により算出された制御偏差 ε_x はＰＩＤ（比例、積分、微分）タイプの第１伝達関数 Ｇ によって処理され、電流設定値 ｉ₁ に変換される。この設定値は電流センサー１５で測定された電流 ｉ から差し引かれる。電流センサー１５はこのケースではコントロールモジュール５０に組み込まれている。

制御偏差 ε_i は次に伝達関数 Ｈ （ＰＩＤ）によって処理され、更にアクチュエーターの電動モーターに伝達される。

プッシャーの位置とプッシャーが発生するブレーキの力との間の関係 Ｒ は特にディスクの磨耗に敏感であることがわかった。本発明の特定の課題は、この関係 Ｒ を、このような磨耗を考慮するように調整することである。

この目的のため、そして上述した特定の実施例のために、プッシャーの複数の位置 ｘ_p に対応するブレーキの力 Ｆ_p が推定され、得られた推定値の組（ｘ_p、Ｆ_p）がプッシャーの位置とブレーキの力の間の関係 Ｒ を、例えば伝統的な回帰法を用いて調整するのに、使用される。

本発明によれば、そして図３Ａ及び図３Ｂに示すように、プッシャー１３は初めは一定速度で前進させられる。

速度は一定に保たれているので、慣性の効果はゼロであり、トルクＣｉはゼロである。
また、粘性摩擦力 Ｃｆｖ が常に無視できるように速度を十分小さい値に保つよう注意が払われる。

図３Ａでは、２本のグラフのうち、プッシャー１３によって得られた位置を表わす太線グラフは、時間の原点をプッシャー１３が多層ディスク１１と接触するときに取ると、直線となる。

プッシャー１３が多層ディスクに接触していない第１段階の間は、利用できるトルク Ｃｕ はゼロであり、全電磁トルクは静止摩擦に打ち勝つために使用される。この場合には、細線グラフに示すように、電源電流 ｉ₀ を測定することによって、静止摩擦の測定ができる。
Ｃｆ＝Ｋ・ｉ₀

電流 ｉ₀ は電流についての細線グラフ上に見ることができる。これはプッシャー１３が多層ディスク１１と接触する前にモーターに流れる一定電流である。

プッシャー１３が多層ディスク１１と接触している第２段階の間は、利用できるトルクはゼロではなく、測定した電流 ｉ から直接導き出すことができる。
Ｃｕ＝Ｋ・（ｉ−ｉ₀）

本発明の一般理論によれば、変位はプッシャー１３にある数の停止部を有して伝達され、停止部ではプッシャー１３は静止している。図３Ａのグラフでは、この停止部の1つの
間に取られた時間 ｔ_p に対して、対応するプッシャーの位置 ｘ_p と電流 ｉ_p が示されている。

いったんプッシャーの位置が安定すると、プッシャーの位置 ｘ_p と対応する電源電流 ｉ_p が測定される。このような条件のもとでは、慣性トルク Ｃｉ と粘性摩擦トルク Ｃｆｖ はゼロであり、加えられたブレーキの力は次の関係を使って電流から直接導き出すことができる。
Ｆ_p＝Ｋ・（ｉ_p−ｉ₀）/ａη

これらの測定を何回か繰り返すことによって、また、上述の関係を使って各測定電流 ｉ_p をブレーキの力Ｆ_p と関係付けることにより、一連の数値の組 （ｘ_p、Ｆ_p） が図３Ｂのグラフ中の×印で示すように得られる。これらの数値の組は本発明によって、前記プッシャーの位置の設定値と前記ブレーキの力の設定値との間の関係 Ｒ をサーボコントロールの実施時に使われるように調整するために使用され、この調整は伝統的な回帰法を用いて行われる。

ブレーキの力は電流から色々な異なった方法で推定することができる。
第１の変形では、位置を使用するに当って、利用できるトルク Ｃｕ が静止摩擦トルク Ｃｆ よりずっと大きい位置、すなわち電源電流 ｉ_p が電流 ｉ₀ よりずっと大きい位置では、ｉ₀ は無視できることに注意すべきである。そこで、測定された電源電流 ｉ_p から次の関係式を使って、対応するブレーキの力 Ｆ_p を推定することが可能である。
Ｆ_p＝Ｋ・ｉ_p/ａ・η

他の変形では、前記プッシャーは一定速度で前進するようにされているが、しかし時間の節約のため、高速である。そのような条件下では、粘性摩擦はもはや省略できず、電流ｉ₀ に含まれている。

上述で説明した本発明の一般理論を用いて、本発明の特別な実施例を以下に記述する。

図４に示す第１の実施例では、プッシャーの位置の停止部は停止部を含むプッシャーの位置の設定値 ｘ₁ を使用することによって得られる。

このようにして得られた各停止部において、プッシャーの位置、電流、及びプッシャーによって加えられたブレーキの力は安定している。この安定はアクチュエーターの位置センサーからの信号の変動を監視することにより容易に識別できる。そこで、数値の組 （ｘ_p、ｉ_p） を得るためには対応する位置と電流を識別すれば十分である。上述のように測定した電流からブレーキの力を導き出すことにより、数値の組（ｘ_p、Ｆ_p） が最終的に得られる。

プッシャーの位置の設定値 ｘ₁ がプッシャーが一定速度で変位する初期部分を含み、それにより電流 ｉ₀ を測定することが可能であることが理解できよう。

実際においては、もしアクチュエーター位置が直接サーボコントロールができるならば、図４に示すプッシャーの位置の設定値 ｘ₁ を使用すれば十分である。あるいは、関係 Ｒ の逆の関係を使って位置の設定値 ｘ₁ を対応するブレーキの力の設定値に変換すれば十分である。

図５Ａに示す本発明の第２の実施例においては、プッシャーの位置の設定値は一定速度で増加し続けるプッシャーの位置の設定値 ｘ₁ を使用することによって得られる。

図５Ｂに示すように、プッシャーの位置の設定値 ｘ₁ を追跡するのに必要な電源電流は接触の瞬間（グラフ上に時間の原点として取れば）から始まって、おおむね線形で増加し、最大利用可能電流 Ｉ_max の閾値に到達した瞬間の ｔ^* に最大となる。

この点から先は、電流 ｉ は電流値 Ｉ_max で安定し、図５Ａに示すようにプッシャーが停止したことを示し、プッシャーに位置の停止部を与える。

プッシャーの停止位置が安定したときには、対応するプッシャーの位置 ｘ_p が測定される。電流ｉ_p はもちろん Ｉ_max である。電流からブレーキの力を導き出すことにより、組（ｘ_p、Ｆ_p）が最終的に得られる。

実施においては、最大利用可能電流の閾値は、電源の構造的な限界に依存するか、
又はソフトウェアの限界に依存し、
電源の構造的な限界とは、前記最大利用可能電流が電源が供給できる最大電流であるような場合であり、
ソフトウェアの限界とは、ある設定レベルでアクチュエーターが使用できる電流の限界（もちろん供給できる最大電流以下）を設定し、最大利用可能電流に対して複数のレベルを選択して複数の停止部を実施することを可能とするようにした限界である。

もちろん、プッシャーの位置には、関係 Ｒ を調整するのに十分な数値の組を入手するために必要に応じてしばしば停止部が設けられる。そこで、もし関係 Ｒ が１つのパラメーターにのみ依存し、パラメーターが１つの停止部を実施することにより測定されるトルクの閾値（ｘ_p、Ｆ_p）によって決定できるならば、１つの停止部で十分である。しかし、好ましくは、複数の停止部が実施されるのが好ましい。

このような条件の下で、前記調整は第１に、ブレーキを疲労させディスクの磨耗を早める不適切な過剰圧力を多層ディスクにかけることを防止し、第２に、不適切なブレーキ操作につながる不適切な力をかけることを防止する。

本発明は上述に限定されず、請求項で定義した範囲内の変形を全て含む。

特に、本発明の調整は車台が下げられ、航空機が着地する前に実施されるのが好ましい。こうして、プッシャーの位置の設定値とブレーキの力の設定値の間の関係 Ｒ は各着地の前に再調整され、ディスクの磨耗状態が考慮される。また、前記調整工程は他の状況下、例えば摩擦要素が磨耗限界を超えたときの応答時に、又は、定期的に１０又は１００フライトに1回磨耗要素を交換する時に、又は、工場でメインテナンスを行う時に、実施することができる。

また、ここに記述したブレーキ設定値はブレーキの力の設定値であるが、本発明を最大力のパーセンテージで表現した設定値に適用することも可能である。

電気・機械式アクチュエーターを備えた電気ブレーキの断面図。 前記アクチュエーターの制御に使用するサーボコントロールのブロック線図。 プッシャーの位置（太線）と電源電流（細線）が本発明の方法における時間の関数としてどのように変化するかを示すグラフ。 ブレーキの力とプッシャーの位置の関係が本発明の方法においてどのように調整されているかを示すグラフ。 本発明の方法の第１実施例で使用されたプッシャーの位置の設定値について時間の関数としての変化を示すグラフ。 本発明の方法の第２実施例で使用されたプッシャーの位置の設定値について時間の関数としての変化を示すグラフ。 図５Aのプッシャーの位置の設定値と関係づけられたアクチュエーターの電源電流について時間の関数としての変化を示すグラフ。

符号の説明

５ リム
６ 車軸
７ リング
８ アクチュエーター
９ トーションチューブ
１０ バックストップ
１１ 多層ディスク
１２ アクチュエーター本体
１３ プッシャー
１４ 位置センサー
１５ 電流センサー
５０ コントロールモジュール
５１ ブレーキペダル

Claims (2)

1. 航空機のブレーキシステムをサーボコントロールする方法であって、
   当該ブレーキシステムは、アクチュエーター（８）を有する少なくとも１つの電気ブレーキを備え、当該アクチュエーターはプッシャー（１３）を備え、当該プッシャーは摩擦要素（１１）に面し、かつ電動モーターによって駆動されて前記摩擦要素に対しブレーキ設定値に応答して選択的に力を加えるものであり、
   前記方法が、前記プッシャーによって加えられるブレーキの力の設定値を前記プッシャーの位置の設定値に変換する関係（Ｒ）を利用する方法であって、
   前記方法が、前記プッシャーの位置の設定値とブレーキの力の設定値の間の関係（Ｒ）を調整する工程を備え、
   前記調整が、車台が下げられ、航空機が着地する前に実施されるか、又は、摩擦要素が磨耗限界を超えたときの応答時に、又は、定期的に磨耗要素を交換する時に、又は、工場でメインテナンスを行う時に、実施される調整であって、
   当該工程が、前記プッシャーから前記摩擦要素に加えられた力が電動モーターを流れる電源電流に特に依存するという条件のもとでブレーキを操作し、
   少なくとも１つの運転点に対し、前記プッシャーの位置（ｘ_p）とこれに対応する電源電流（ｉ_p）を特定し、測定した電流から対応する力（Ｆ_p）を導き出し、
   前記プッシャーの位置の設定値と前記ブレーキの力の設定値の間の関係（Ｒ）をこの方法で決められたように位置と力の関数として調整する工程であり、
   前記方法において、
   前記ブレーキの操作の条件は、前記プッシャーに前記プッシャーが静止している１以上の位置の停止部を与えるものであり、
   前記プッシャーの位置の停止部は、１以上の停止部を含む位置の設定値に基づくものであり、
   前記プッシャーの位置の停止部が、前記プッシャーを、前記プッシャーが停止部にあるときに前記電動モーターの電源電流が最大利用可能電流レベルに達するように動かした結果得られる位置の設定値に基づいている、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記プッシャーの位置の設定値とブレーキの力の設定値の間の関係の調整の工程が、航空機の利用サイクル当り少なくとも１回実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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