JP6123027B2 - モーターのパルス幅変調制御のための装置 - Google Patents

Description

本開示は一般に駆動メカニズム及びアクチュエータに関連し、特に、熱に敏感なデバイス(例えば、2つ以上の位置で駆動部材を設定するように構成される双安定モーターを含むが、これに限定されない)に使用されるモーター、ドライブアーム及びアクチュエータに関連する。

アクチュエータを含む駆動メカニズムは、従来、システムの1つ以上の部材の選択的な位置を制御するために使用される。システム設計条件は、アプリケーションに相応しい具体的な設計を決定付け、しばしばそれを制限する。状況によっては、制御及び/又は操作されるシステム部材は、可動シャッターを有する赤外線(IR)画像システムのように非常に熱に敏感であり、赤外線画像システムは低い温度で動作する真赤外線デュワー環境(true IR Dewar environment)で動作するものを含む。従来の駆動メカニズムはそのような熱に敏感なシステムには適しておらず、そのような場所では、ストレス、結合(binding)、摩耗(wear)及びシステムの食い違った動作を最小化又は回避するために、駆動するアクチュエータと駆動されるデバイスとの間に熱障壁が維持される必要がある。他の従来の駆動メカニズムは、信頼性に欠ける一貫していない駆動経路を有し、設計トレランスの範囲内で適合又は安定することが困難である。

従来技術の上記の欠点の内の1つ以上に対処するため、本開示において説明される一実施形態は、2つの位置の間で熱的に分離されるアクチュエータを制御可能に駆動する駆動メカニズムを有する。駆動メカニズムは、モーター部材を回転可能に駆動するように構成される回転作動モーターと、モーター部材に結合され、モーター部材の回転により第1位置から第2位置へ応答可能に運動するように構成される駆動アームを有する駆動部材とを含む。アクチュエータは、第1位置から第2位置へ動かされる駆動アームの運動に応答する。駆動回路は、モーターを制御可能に駆動するように形成されるパルス幅変調(PWM)駆動信号を生成するように構成され、PWM駆動信号は、第1位置から駆動アームを進めるように形成される第1デューティサイクルと、駆動アームが第2位置に近付く場合の第1デューティサイクルとは異なる第2デューティサイクルとを有する。駆動メカニズムは、駆動アームが第1位置に接近している及び第2位置に接近している場合に駆動部材の位置を判定するように構成される少なくとも1つのセンサを有し、駆動回路は、第1デューティサイクル及び第2デューティサイクルをセンサに応じて設定するように構成される。駆動回路は、第1位置から第2位置の方へ進む駆動アームの速度を加速するために第1デューティサイクルを増やすように構成されてもよく、駆動アームが第1位置及び第2位置の間にある場合に、PWM駆動信号を第2デューティサイクルに設定するように構成される。駆動回路は、駆動アームが第2位置に近接する場合に駆動信号を除去するように構成される。駆動アームが第2位置に到達した後に駆動部材に対するハードストップをもたらすように、ハードストップが構成されてもよい。アクチュエータは、第1位置及び第2位置の双方において駆動アームから熱的に分離される。

具体的な利点が上記に列挙されているが、様々な実施形態は列挙された利点のうちの全部又は一部を含んでもよく、全く含まなくてもよい。更に、他の技術的利点は、以下の説明及び図面を参照した当業者にとって十分に明らかになる。

本開示及びその利点の更なる理解を促すため、添付図面に関連してなされる以下の詳細な説明が参照される。図中、同様な参照番号は同様な部分を表す。

図1は、シャッターとシャッターを位置決めするように構成される熱分離駆動システムとを含む本開示の一形態によるサーマルイメージングデバイスを示す。

図2はシャッターが取り外された図1の熱分離駆動システムを示す。

図3は1つの駆動メカニズムの斜視図を示す。

図4は駆動システムの部分分解図を示し、シャッタースライダ部材の駆動ピン及びローラーを受ける開口として構成される細長い陥凹部(elongated recess)を有する駆動アームを示す。

図5は、シャッタースライダ部材が対応する第1位置にある場合において第1の「フルオープン」位置にある駆動アームを示す。

図6は、シャッタースライダ部材が対応する第2位置にある場合において第2の「フルクローズ」位置にある駆動アームを示す。

図7は、第1及び第2位置におけるスライダーピン及びローラーを受ける(ただし、物理的及び熱的に分離されている)アーム及び細長い開口の平面図を示す。

図8は、スライダーピン及びローラーからのアームの非対称なクリアランスを示す第1位置のアームの平面図を示し、アームはこのクリアランスに匹敵するアクチュエータの半径方向の遊びを含む。

図9は、アームを含む駆動クランクの斜視図を示す。

図10は、駆動アセンブリを制御するように構成されるコントローラ回路を示す。

図11は、速度制御を行うモーターコントローラ回路の詳細な電気ブロック図を示す。

図12は、モーター速度とモーター角度との公称応答を示す。

図13は、25％の検出された抵抗増加の場合の応答を示す。

図14は、25％の検出された抵抗増加、及び、10％の非検出のインダクタンス増加の場合の応答を示す。

図15は、25％の検出された抵抗増加、及び、10％の非検出のインダクタンス減少の場合の応答を示す。

図16は、非制御応答を示す5％の非検出の抵抗増加を示す。

図17は、3％の非検出の増加を示す。

図18は、1％の非検出の減少を示す。

図19は、時間の関数として駆動クランクのクランク角を示し、各方向におけるポジション1及びポジション2の間の遷移時間を示す。

図20は、本発明による速度制御をしない場合のクランクストップ衝撃トルクを示す。

図21は、本発明による速度制御をする場合のクランクストップ衝撃トルクを示す。

図22は、駆動クランクのそれぞれの遷移に対するクランクの速度を示す。

図23は、第1位置から第2位置への駆動アームの遷移中にソレノイドモーターの速度を変えるように設定されるモーターPWM駆動信号の波形を示す。

実施例が以下に説明されるが、本発明は、現在知られているか否かによらず任意の様々な技術を用いて実現されてよいことが、先ず理解されるべきである。本発明は、例示的な手段、図面、及び、以下に説明される技術に決して限定されるべきでない。更に、図面は必ずしも寸法を描いているわけではない。

図1は、IRサーマルイメージングシャッター装置10の上方斜視図であり、装置10は、超高真空の低温(環境)で動作する可変開口機構(variable aperture mechanism：VAM)を含む。装置10は、全体的に12で示されるシャッターアセンブリを含み、シャッターアセンブリは一対のスライディング開口ブレード14を有する。スライディング開口ブレード14(一対)は共にシャッター開口15を規定し、各々のブレード14は、16A及び16Bで大まかに示される個々の駆動機構により、開口15の形状を選択的に設定するために駆動されるように構成される。開口ブレード14は、それぞれ、スリーブ(sleeve)を規定する一対の熱伝導部材の間に規定される隙間(空洞)の中に包囲され、各々の開口ブレード14は2つの位置を有し、閉位置(closed position)は図1に示されるようなより小さな形状を有する開口15を規定し、後退した位置(retracted position)はより大きな形状の開口15(図示せず)を規定し、開口15は、図4に関連して間もなく更に詳細に説明されるように、2つの異なる視野を有するイメージングデバイス(図示せず)とともに連携するように構成される。シャッターアセンブリ12は、有利なことに、高真空環境において低温で動作するように構成され、これにより、ブレードは、位置の遷移の最中及び静止時の双方で熱的に安定な温度を維持し、ブレード14は、駆動機構16A及び16Bのような冷却されない装置10の要素及び周囲から熱的に分離され、これは、図4に関連して間もなく詳細に説明されるように、長い待ち時間無しに、開口形状及び直径が変わった後、速やかに、イメージングデバイスが使用可能になる点で重要である。

各々の駆動機構16A及び16Bは、バランスのとれた回転可能な駆動クランク22に結合され及び駆動する回転可能なアクチュエータピン20を有する回転モーター18(図3)を有する。各々の駆動クランク22は、半径方向に長く伸びるアーム24(図2)を有し、間もなく説明されるように、図5及び図6に示されるような第1の「フルオープン」位置及び第2の「フルクローズ」位置の間でアーム24を選択的に回転させるように構成される。各々のアーム24は図2に示されるように凹部(リセス)26を有する遠方端を有し、凹部26は、好ましくは、図示されるような好適な実施形態では引き延ばされた開口を有する。凹部26は、必要ならばスロット又はその他の開放端構造を有することが可能であり、開口に対する限定は考えるべきではない。

各々のアームの凹部26は、各自のポジショニング部材30とその周りに回転可能に配置されるローター34(図4)とを受け入れるように(ただし、離間して受けるように)構成される。各々の部材30は、好ましくは、開口ブレード14の各自の一方端に堅固にかつ熱的に結合されるシャッターピンを有し、その開口ブレード14の各自の一方端は、図4に示されるように開口15を規定するブレード端部と反対側で三角形状に形成される。各自の部材30に近接する開口ブレードの当該三角形状、及び、反対側のブレード端部からの各部材30の分離は、開口のポジショニングの際に、部材30で発生する如何なる熱も、イメージングデバイスに近接するブレード開口端部から孤立させ、そのような熱に起因する画像劣化を減らすことを支援する。各々の部材30は、下方に伸び、磁石31に接続され、磁石31は各自の磁性戻り止めラッチ(magnetic detent latch)32から物理的かつ熱的に分離されたままである。各々の戻り止めラッチ32は、フレーム36内で規定される各自のスロット(図3)内で堅固にかつ滑動可能に受け入れられる。各々の戻り止めラッチ32は、好ましくは、フレーム36内の対応するスロット35の内側で直線的にスライドするように構成されるプラグにより構成され、スロット35内でプラグを上方に押圧する設定ネジ37によって、最終的な所望の位置に配置される場合にその位置にロックされ、アクセス可能な固定特性を提供する一方、最小の追加的な線形運動をもたらす。アーム24が回転する場合に、各自の開口26は、各自のシャッターピン30を包囲する各自のローター34にかみ合い、第1フルオープンポジション及び第2クローズドポジションの間で開口ブレード14を直線的に動かし、この場合において、ローター34は、遷移の最中に開口26の中で回転し、遷移の終了の際にそこから離間される。

図2は、シャッター装置12が取り外された装置10を示し、開口26を有する個々のアーム24と、シャッターピン30が無い状態の磁性戻り止めラッチ32と、各自のアーム24各々の最終的な位置を示す2対の近接センサ40(図3)(好ましくは、ホール効果センサにより形成される)とを含む駆動機構16A及び16Bを示す。各々の駆動クランク22は近接指示アーム42を有し、近接指示アーム42は、その遠方端に配置される磁石44を含み、アーム24の位置に応じて、何れかの近接センサ40の上方に選択的に伸びる。アーム24が図5に示されるように第1フルオープンポジションにある場合、第1近接センサ40は、駆動クランク22がオープンポジションの位置にあることを示し、アーム24が図6に示されるように第2フルクローズドポジションにある場合、第2近接センサ40は、駆動クランク22がクローズドポジションの位置にあることを示す。アクチュエータ18に対して及び磁性戻り止めラッチ32において内的に生じる磁性コギングは、ストップ部50及び52の設定ネジ54に対してアーム42及び46を強制し、運動の終わりに如何なる遊びも防止する。

図3は、アーム24が第2ポジションに位置する場合の一方の駆動機構16の斜視図を示し、例えば24度の範囲内のようなアームの運動経路を示すが、この経路に対する限定は考えられるべきでない。磁性戻り止めラッチ32は、例えばステンレス鋼のような非磁性金属により構成され、凹部55及び一対の停止端部56を有するように図示され、1つの停止端部56が凹部55の各々の端部に規定されている。停止端部56の対向する側には又はその内部には磁石57が取り付けられる。磁石57は、それぞれ、磁石31がアーム24によってそこに接近するように進められる場合に、個々の磁石31そしてピン30及び関連するローター34(図4)を磁気的に引っ張るように構成される。アーム24が第1ポジション(図5)から第2ポジション(図6)に進行する場合、停止部50は、アーム24の更なる運動を防止するが、図14Aに示されるように及び間もなく詳細に説明されるように、ブレード14がシャッターアセンブリ12の一対の絞り部材86を完全に閉じて係合するまで、ピン30、磁石31、ローター34及び関連するシャッターブレード14の、推進力(momentum)は運動を継続することを許容する。しかしながら、磁石31は個々の磁石57と物理的には接触させず、磁石31に非常に接近してそこに磁気的に引き付けられたままになり、磁性ラッチ(magnetic latch)を提供する。基本的には、アーム24は手前で留まり(アンダーシュート)し、ピン30、磁石31及びローター34は、開口26から分離し、アーム24から熱的に分離されたままであるように進行し、ストップ部材86は、ピン30の進行が、開口26の他方端まで行き過ぎて(オーバーシュートして)関わり合ってしまうことから防止する。同様に、アーム24が第2ポジションから第1ポジションへ進行する場合に、停止部52は、アーム24の更なる運動を防止するが、ピン30、磁石31、ローター34及び関連するブレード14の推進力は、ブレード14が完全に開いて一対の側壁78に係合するまで、運動を継続するように許容される。しかしながら、磁石31は個々の磁石57と物理的には接触させず、磁石31に非常に接近してそこに磁気的に引き付けられたままになり、磁性ラッチを提供する。

図4は、駆動メカニズムの位置に応じて配置されるように構成される1つのシャッターブレード14の一方端と1つの駆動メカニズム16の分解図を示す。各々のシャッターブレード14は非常に薄く軽量であり、抵抗(friction)を減らすことを支援する。シャッターピン30は、端部スロット26に沿ってスライドすることを防止する軸受筒(ブッシング)(bushing)を有するローラー34を捕らえる円柱状ポストにより構成され、ローラー34は抵抗及び摩耗を防ぐようにスロット26の端部に対して回転する。磁石31は、シャッターピン30の下側に設けられ、戻り止め磁性ラッチ32のアームに近接する場合に(ただし、接触せず熱的に分離されている)、磁気的な戻り止めの引力を提供する。各々のシャッターブレード14は、クローズドポジションにおいて開口15のより小さな直径を規定するように形成される半円状の切り欠き(ノッチ)38 を有する。各々のノッチ38は、図示されるように丸い開口を規定するように形成されるが、六角形、四角形、楕円形及びその他の形状を規定するように他の形状を有していてもよい。

各々の駆動クランク22は半径方向に伸びるアーム46を更に有し、各々のアーム42及び46は、図5及び6並びに図9に示されるように、長く伸びるアーム24よりも短い。各々のアーム24、42及び46は、駆動クランク22の中心に対して釣り合っており(バランスが保たれており)、個々のアクチュエータピン20に結合される場合に、駆動クランク22の重心が釣り合うようにする。これは、非常に大きな衝撃条件に対してシステム10を非常に鈍感にする。各々のアーム42及び46は、ストップ部材50及び52を有する進行停止制限部をそれぞれ有し、ストップ部材50及び52の各々は、調整可能な進行制限設定ネジ54を含む。ストップ部材制限ネジ54は、正確な進行経路及びアーム24の限界を設定し、ひいては駆動シャッタープレート14の正確な抑止位置を設定する。更に、近接センサ40は、駆動クランク22そしてひいてはアーム24及びシャッタープレート14が、2つのポジションの内の何れにあるかを示す。

シャッタープレート14がフルオープンポジションにある場合、駆動メカニズム16Aのアーム24はフルオープンポジションにあり、駆動メカニズム16Aのシャッターピン30は、図5に示されるように、プレート12の一方端に規定されるスロット60の遠方端に位置付けられる。これに対応して、駆動メカニズム16Bのアーム24はフルオープンポジションにあり、駆動メカニズム16Bのシャッターピン30は、プレート12の反対側の端部に規定される反対側のスロット60の中で外方に進められる。シャッタープレート14がクローズドポジションにある場合、図1及び図6に見受けられるように逆の事柄が成り立つ。

有利なことに、図7及び図8に示されるように、第1ポジション及び第2ポジションにある場合に、双方のポジションにおける部材間に形成されるスペース(隙間)(spacing)に起因して、各々のシャッターピン30及び対応するローラー34は個々のアーム24から物理的かつ熱的に分離されたままであり、熱障壁(サーマルアイソレーションとも言及される)を形成する。アーム24は、一方のポジションから他方へのシャッタープレート14の運動/作用の間の非常に短い時間期間の間に、シャッターピン30の周りに配置されるローラー34に関わり合うのみである。従って、操作可能なフルオープン又はフルクローズドポジションにある場合に、駆動メカニズム16A及び16B並びにそれらの全てのパーツは駆動シャッタープレート14から熱的に分離される。プレート12及びシャッタープレート14を含むシャッターメカニズムは、好ましくは、真赤外デュワー低温環境(true IR Dewar cryogenic environment)を有する真空内で構成される。

更に、ローラー34からのアーム24の隙間は、各自の第1静止位置又は第2静止位置から加速するための時間を、モーター18及び個々のアーム24に提供し、そのような時間の提供は、有利なことに、個々のローラー34に系合して駆動する前にアーム24に運動量(又は推進力)を築き上げ、作動する仕組みを、エネルギのトルク転送からモーメント転送に変換する。この追加的な運動量は、シャッターピン30に対して作用し、停止ポスト50又は52に対してアーム42又は46を保持する磁気的な戻り止めラッチ32の磁気的な戻り止め力を克服することを支援する。回転の最中にローラー34に関与するアーム24の衝撃(impact)は、存在し得る何らかの摩擦力(stiction)を克服することを支援する。この隙間(スペース)は、必要な力マージンを25％ないし900％増やす。隙間は、比較的多くの量の遊びを有し従ってアーム24を直接的に駆動するには比較的相応しくない高精度でないソレノイドモーター18を、利用することを許容する。各々のアーム開口26は個々のシャッターピン30及びローラー34に関してルーズな(緩い)適合性を提供し、モーターのルーズな遊びがシャッター開口の動作を損なわないようにする。逆に、アーム開口26のルーズなトレランス(許容耐性)は、不慮のリバウンドによるリスクを緩和する。開口ブレード14は、保持アーム42又は46が各自のストップ部に接触する前に係合する内的なストップ部を有する。シャッターピン30は端部スロット26の中で堅固には系合されないので、開口ブレードは、アーム42又は46が停止設定ネジ54に接触して跳ね返る前に、跳ね返る(リバウンドする)ことが可能である。アームは開口ブレードよりも非常に大きな慣性を有しそれに応じてゆっくりと跳ね返る事実により、更なるマージンが提供される。18内のアクチュエータベアリングによる高いレベルの減衰は、アームのリバウンドの大きさを縮小する。これらの特徴は、リバウンドするアーム24がシャッターピン30及びローラー34に衝突して反対方向に進行してしまう状況を防ぐ。そのような衝突は、アームの非常に大きな慣性に起因して、シャッターピン30に非常に大きな力を及ぼす可能性がある。

図8に示されるように、個々のローラー34とアーム開口26との間のクリアランス(隙間)は僅かに非対称であるが、必要であれば対称的であってもよい。好ましい一実施形態では、デッドゾーンと言及されてもよい約1.4度のクリアランスが存在し、これは約.011インチのクリアランスと等価であるが、この角度間隔又はクリアランスに関する限定は考えられるべきでない。ネジ54により設定されるアーム進行制限設定ストップ部は、好ましくは、デッドゾーンの1/5(約.28度)の範囲内で戻り止めがなされるように設定される。

好ましい一実施形態では、一貫した信頼性及び調整可能なストロークを提供するように、モーター18として回転ソレノイドが使用され、これは例えばコネチカット州リッジフィールドのブランドストームインスツルメンツ(Brandstrom Instruments)により製造されるようなものである。固定モーター搭載式のストップ制限部材50及び52において進行制限ネジ54を用いる駆動クランク22の微調整機能は、そのストロークを設定する。この設計は、機能的には許容可能であるが本質的に信頼性に欠けるピエゾ駆動モーターよりも、優れている。代替的な回転モーターは、DCステッパモーターを有することが可能であるが、特定の回転モーターに限定することは考えられるべきでない。本発明は、モーターが過剰に動いて駆動部分に過度の負担をかけるおそれがあるリンク及びモーターを上回る利点を有する。

図9は、4つの均衡したアームを含む駆動クランク22の斜視図を示す。

図10は、各々のモーター18を選択的に駆動し、アーム24の位置を制御し、従って、第1及び第2ポジションの間でシャッタープレート14を駆動するように構成される制御回路60を示す。制御回路は、駆動メカニズム16A及び16Bのモーター18とのインタフェースをなす駆動エレクトロニクス64を制御するように構成されるプロセッサを有するコントローラ62を含む。

図11に関し、各々の双安定モーター18及び各自の駆動クランク22が、ある運動範囲の中で動く場合に、大きな開始トルク(ただし、低速である)及び規制された速度を有するように、各々の駆動メカニズム16A及び16Bの各々の双安定モーター18をシミュレーション及び制御するように構成される詳細なシミュレーションシステム60が図示されている。それに応じて、各々の固定アームは、それぞれ、第1戻り止め位置を設定する各自のホール効果センサ40から解放されるために、運動の開始時に大きな駆動力を有する。更に、各々の制限アーム46は、終端速度を制限することにより運動の終了時に小さな運動エネルギを持たせ、各自の停止制限部50、52と係合する場合に穏やかな停止をもたらす。アクチュエータの運動経路の終端部で運動エネルギを下げることにより、リバウンドが大幅に削減される。

各々のモーター18は、モーターの回転がモーターの速度に比例する逆起電力(back-emf)を生成する場合、タコメーターとして動作する。駆動モーターにおいて、逆起電力は、モーターコイルインピーダンスにかかる電圧降下によりマスクされる。しかしながら、モーター18の速度は、逆起電力定数Ke、モーターコイル抵抗Rm、モーター入力電圧Vd及びモーター電流Imの知識から、以下の数式に従って算出されることが可能である：
Wm=1/Ke(Vd-ImRm)

逆起電力制御ループの利点は、モーターコイルの抵抗が使用される場合にトランスデューサを要しないことを含む。更に、モーターの開始トルクの減少がない。このアプローチは、エネルギ散逸部(energy dissipators)よりも効率的である。一形態において、制限アーム46の衝突速度は、143rad/secから20rad/secまで低減され、この低減は衝突エネルギを大幅に98％も減らす。

不安定なシステムにおけるモーターの制御を適切に維持するために、コントローラ60は、モーターを駆動する直前の測定により、双安定モーター18のパラメータの値を取得する。例えば、個々のモーターコイルの抵抗Rm及びインダクタンスImが測定される。一形態において、各々のアクチュエーターモーター18は、モーター制御回路62により提供される例えば5ないし10msの短い0.1Vパルスのような小さなキャリブレーション電圧Vdにより、アーム46を制限停止部50内に駆動する。コイル抵抗Rmは、キャリブレーション電圧Vdに関連する検出電流Imの相関をとる抵抗推定回路64により算出される。推定部64は、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)であってもよい。インダクタンスImは、低レベルAC電流をモーターに提供する制御回路60により同様に測定されてもよい。有利なことに、モーターの逆起電力はコイル抵抗により検出され、モーター速度推定回路66は逆起電力の関数としてモーター速度を判定し、所望のモーター速度を維持するように、フィードバックループ接点68に、モーター速度を示すフィードバック信号を送信する。

マトラボ(Matlab)でモデル化されるように示されるシステムは、逆起電力の動作に関する基礎を提供する。初期化の際に、先ず、システムは何れの停止部に関連しているかを識別する必要があり、これは2つのホール効果近接センサからの応答を観測することにより達成される。システムは、指示された動きが適切な方向におけるものであるか否かを判断しなければならない。動かすためのコマンドがアーム位置とつじつまが合っている場合、システムは抵抗測定シーケンスを開始する。このシーケンスの間に、アームは、低電圧コマンドレベルで、直接的に停止部の方に、反対向きに動くように指示される。検出抵抗器又はその他の手段を用いて、電流が測定される。検出抵抗器が、モーター内の銅巻き線よりもかなり優れた抵抗安定性を示す条件の下で、モーターの抵抗は、システムの全体的な抵抗を判定し、その後に検出抵抗を減算することにより、推測されることが可能である。望まれるならば、検出抵抗の熱変化を補償するために、ルックアップテーブルが使用されてもよい。理論的には、システムは温度センサ及びルックアップテーブルのみを用いて動作することが可能であるが、モーターの温度は動作中に変化する可能性があり、公称温度における以後の動きは、モーターの抵抗と大きく異なって振る舞う可能性がある。

抵抗が測定されると、測定値は利得を設定するために速度推定部に送られ、適切な方向に動かすためのコマンドが発行される。モーターのコマンドは補償部に送られる。この実施形態では、補償部は伝達関数により記述される：

そして、補償されるコマンドは、本実施形態では次の伝達関数により記述されるプラントモデルに送られる：

正の領域に位置する極(s-507.2)は、システムの本来的な不安定性の直接的な結果である。正の領域にゼロを付加することにより不安定極をキャンセルしようとしていないことは、言及に値する(不安定極キャンセル)。システムのクローズドループ伝達関数は、次のように記述される：

不安定極キャンセルは試みられないので、閉ループ極の1つ(s-0.048)は不安定なままである。しかしながら、不安定な極は、原点付近まで引っ張り込まれ、その極の時定数は今の例では近似的に21秒である。運動が100ミリ秒より短い間に終了する条件の下では、この極の応答は、運動が終わる前に不安定な挙動が出現するほど十分な時間を有しない程度に十分に遅い。他のアクチュエータ及びシステムは、異なる補償を必要としてもよい。当業者は、不安定極が有害な仕方で登場しないように十分遅くなるように、所与のプラント及びアクチュエータの組み合わせについて補償器を適合させることが予想可能である。補償されたコマンドがモーターに送られると、検出抵抗器から取り出される電圧を測定することにより、モーター速度(motor rate)が推定される。モーターコマンド及び検出された速度は、モーターのインダクタンスにより生成される位相シフトを考慮するようにリードラグ及びラグ補償(lead-lag and lag compensation)により供給される。推定速度が生成されると、それはモーターコマンドを調整するためにフィードバックされる。

シミュレーションでは、トルク外乱をアクチュエータアームに印加した。これらの外乱は、開口における磁性ラッチによるアームに作用する戻り止めトルクや、モーターの内的なコギングを表現する。これらのトルクは、運動距離の両端においてアームに最も強く作用した。外乱は、アクチュエータの不安定な挙動を捕らえている。他のプラントシミュレーション形態では、摩擦、粘性減衰、及び、空気抵抗などのような他のトルク外乱が包含されてもよい。

この実施形態では、アームが、運動距離の端部に最も近いホール効果近接センサを通過する場合に、動かすコマンドは終了する。ストップ部(停止部)に当たる前に、駆動電流がアクチュエータから取り除かれる場合、整定時間(沈静時間)が削減されることを、シミュレーションの反復は示している。別の形態では、停止部と最初に接触するまで又はその後にアクチュエータに電力を印加することが好ましい。

ソレノイドの速度制御は、一般的にはそれらが安定のためにポジションフィードバックを必要とするので、共通していない。逆起電力の推定を利用する速度制御は、タコメーター、回転角センサ(resolver)又は角度ポテンシオメーターを利用することにより得られるものと同程度には正確でない。しかしながら、本願では、正確な速度制御は必須でない。更に、不安定極の影響は非常に遅いので問題化しない。追加的な速度又は位置の測定装置は、利用可能なスペースの中に取り付けられないであろうし、それらは存在するならばコストを増やしてしまうであろう。本方法は追加的なハードウェア無しに適切な速度制御を達成する。モーターコイル抵抗の正確な測定は、制御を維持するためには極めて重要であり、モーターの信頼できる安定な制御のためには、+3％/-1％の範囲内にあるように正確であるべきである。これらのレベルよりも大きなモーターコイル抵抗のエラー(誤差)は、停止部同士の間で振動を引き起こし、及び/又は、停止位置で沈静化する。約20％の非検出インダクタンス変化は許容範囲内にあり、10％であることが好ましい。有利なことに、これらのモーター値の計算は、温度から独立しており、例えば銅の巻き線のようなモーターコイルの抵抗は動作温度に関して非常に変化し得るので、温度からの独立性は重要である。例えば、軍用規格の温度範囲に関し、銅の抵抗は25％以上変化し得る。

図12は、Rm=7.3及びLm=0.0036である場合におけるモーター速度とモーター角度との公称応答(nominal response)を示す。

図13は、Rm=9.125及びLm=0.0036である場合における25％の検出された抵抗増加の場合の応答を示す。

図14は、Rm=9.125及びLm=0.00396である場合における25％の検出された抵抗増加、及び、10％の非検出(unsensed)のインダクタンス増加の場合の応答を示す。

図15は、Rm=9.125及びLm=0.00324である場合における25％の検出された抵抗増加、及び、10％の非検出のインダクタンス減少の場合の応答を示す。

図16は、Rm=7.3、Lm=0.0036及びRm hat=7.665である場合における非制御応答を示す5％の非検出の抵抗増加を示す。

図17は、Rm=7.3、Lm=0.0036及びRm hat=7.519である場合における3％の非検出の抵抗増加を示す。

図18は、Rm=7.3、Lm=0.0036及びRm hat=7.227である場合における1％の非検出の抵抗減少を示す。

図19は、時間の関数として駆動クランク22のクランク角を示し、各方向におけるポジション1及びポジション2の間の遷移時間を示す。

図20は、本発明による速度制御をしない場合のクランク停止衝撃トルクを示す。

図21は、本発明によるV=20rad/secの速度制御をする場合のクランク停止衝撃トルクを示す。

図22は、駆動クランクのそれぞれの遷移に対するクランク22の速度を示す。

図23に関し、各々の駆動メカニズム16A及び16Bの回転モーター、及び、各自の駆動クランク22のアーム24、42及び46の各々の位置を、各自の第1ポジションから第2ポジションへ駆動するように構成されるコントローラ62及び駆動エレクトロニクス64により生成される駆動信号70の波形が示される。駆動信号70は、駆動アーム42の位置の関数である制御可能なデューティサイクルを有するパルス幅変調(PWM)信号を含む。各々のアーム42、24及びアーム46は同じ駆動クランク22から半径方向に伸びるので、アーム42の位置は駆動アーム24の位置に直接的に関連付けられる。駆動アーム24は上述したようにシャッターブレード14の位置を制御する。従って、駆動クランクアーム42の位置を検出することは、駆動アーム24の位置を検出することをもたらし、アーム42の第1及び第2位置を検出することは、コントローラ62が、駆動アーム24の第1及び第2位置を検出することを可能にする。

本開示の一実施形態では、PWM信号のデューティサイクルは、駆動アーム42の位置の関数として設定され、アーム42は、駆動メカニズム16A及び16Bの各アーム42に関連する各自のホール効果センサ対40により検出されるように各自の磁石44を有する。第1ホール効果センサ40は、アーム42の磁石44を検出した場合にアーム42が第1位置にあることを判定し、第2ホール効果センサ40は、アーム42の磁石44を検出した場合にアーム42が第2位置にあることを判定する。何れのホール効果センサ40も駆動アーム42の磁石44を検出しない場合、コントローラ62は、駆動アーム42が第1及び第2位置の間で遷移中であると判定する。ホール効果センサ40は、小さな角度を有すること、及び、図23の距離D1及びD2に示されるように、たとえアームが各自のハードストップ(急停止部)54から短い距離であったとしても、アーム42を検出できることに留意すべきである。

図23に示される実施形態では、駆動信号70の波形は、個々のホール効果センサ40に関連する駆動アーム42の位置に応じて(位置の関数として)生成される複数の位相を有する。駆動信号70のデューティサイクルは、位相1の期間内で第1デューティサイクルを有し、これは、駆動クランク22の各自の駆動アーム42が図3に示されるような制限部材50のハードストップ(急停止部)/制限ネジ54に接近する場合であり、アーム42の磁石44がもはや第1ポジションにはなく第2ポジションの方に距離D1だけ移動するまでである。第1デューティサイクルは、先ず、シャッターピン30に対して作用する磁性戻り止めラッチ32の維持をもたらす磁性戻り止め力を押し返してオフにする程度に十分なエネルギを生成するのに必要な閾デューティサイクル未満にある。第1位相の第1デューティサイクルは、例えば上昇傾斜(又は一定の増加率)により、各自の行き戻りラッチ32からシャッターピン30を解放し始め、アーム24の速度を加速及び増加させるように、増やされる。例えば、限定ではないが、初期PWM信号は50％のデューティサイクルを有し、第1デューティサイクルは、4ミリ秒毎に5％増やされ、モーターのピークトルク領域内でDCソレノイド回転モーター18をスタートさせる程度に十分なエネルギを運ぶ。ホール効果センサ40は、フィードバック信号をコントローラ62に提供し、アーム42が、個々のホール効果センサ40から遠ざかり、第1ポジションから第2ポジションに向かって進められることを示す。代替的に、第1位相の第1デューティサイクルは、上述したような磁性戻り止め力を克服する程度に十分大きなエネルギを提供する固定デューティサイクルの大きさであってもよい。

駆動信号70の波形は、位相2の期間において第2デューティサイクルを有し、位相2は、アーム42が第1ポジションから離れ、距離D1を進行した後にコントローラ62により設定され、距離D1はアーム42の磁石44をもはや検出しないアーム近辺のホール効果センサ40により設定される。波形70の第2デューティサイクルは、モーター18に運ばれるエネルギ量を減らし、従って、アーム42の第2ポジションへの速度を減らし、クランクシャフト22の対応するアーム42の制限部材52のハードストップ54に対する最終的な系合をなすように、減らされる。例えば、位相2のデューティサイクルは、コントローラ62により設定されるように20％であってもよい。位相2のデューティサイクルは、例えばアーム46が第2ポジションに接近する場合に、徐々に(一定の比率で)減少してもよい。位相2は、他のホール効果センサ40がアーム42の磁石44を検出した場合に、アーム42が第2ポジションにあり、駆動クランク22の対応するアーム46が制限部材52のハードストップ54から距離D2にある場合に終了し、アーム46が制限部材52のハードストップ54に丁度系合する前に、その衝撃を減らし、メカニズムの動作寿命を延ばし、跳ね返りを減らす。

アーム42が第2ポジションにあり、駆動クランク22の対応するアーム46が制限部材52のハードストップ54からD2の距離にあり、制限部材52のハードストップ54と丁度係合する場合に、駆動波形の位相3は始まる。位相3は、アーム46が制限部材52のハードストップ54に係合する場合に終了する。波形70の位相3は、0％のデューティサイクル、又は、20％未満である最小デューティサイクルを有してよい。位相3は、アームがハードストップ54に係合する(運動距離の端部に到着する)場合に、モーター18への電力供給が運動距離の全長にわたって維持される場合よりも穏やかな着地又は惰性による進行をアーム46にもたらす。一実施形態において、波形は、対応するアーム46がハードストップ54に係合する場合、又は、第3位相が排除される場合に、モーターを減速させる又は衝撃力を減らすためにモーターを反転駆動するように構成される。

上記の駆動信号波形は、第1ポジションから第2ポジションへ駆動アーム42を戻す遷移に使用されてもよい。各方向への遷移のための合計時間は、使用される駆動波形及び様々な部材の物理的関係などのような幾つもの要因に依存して、同一であってもよいし或いは同一でなくてもよい。好ましい一形態では、第1ポジションから第2ポジションへの遷移に各アーム42が要する時間は13ミリ秒であり、第2ポジションから第1ポジションへ戻る遷移にアーム42が要する時間は25ミリ秒であってもよいが、これらの時間に対する限定は考えられるべきでない。これらの遷移時間の各々は、コントローラ62により決定される駆動波形のデューティサイクルを変化させることにより、選択的に設定されてよい。例えば、第1ポジションから第2ポジションへの遷移時間は、位相2の間の波形70のデューティサイクルが40％に増加されると、2ミリ秒だけ短縮される。しかしながら、これは、アーム46が制限部材52の各ストップ部材54に係合する場合の衝撃力を増やすことになる。好ましい一形態では、駆動波形の振幅は、4ボルトであってもよいが、それより高くても低くてもよく、また、PWM周波数は100kHzであってもよいが、この周波数はそれより高くても低くてもよく、その周波数に対する限定は考えられるべきでない。

例えば定常的な又は可変のデューティサイクルのような広範囲に及ぶ様々な位相及び位相における様々なタイプの動作が使用されてよい。PWMアプローチは、本質的には、例えば双安定ソレノイドモーターのような簡易な回転モーターに対する無限可変制御法を提供する。その結果は、部材の運動距離の端部である停止部における衝撃エネルギ及び速度を管理するディジタル制御DCソレノイドをもたらす。本開示は、シャッターアセンブリ以外の装置の部材を制御可能に駆動する他の駆動メカニズムに適用可能であり、本開示の特定の実施形態に対する限定は考えられるべきでない。

本発明の範囲から逸脱することなく、本願に記述されるシステム、装置及び方法に対して、変形、追加又は省略がなされてよい。システム及び装置のコンポーネントは統合されてもよいし、或いは、分離されてもよい。更に、システム及び装置の動作は、より多い、より少ない又は他のコンポーネントにより実行されてもよい。本方法は、より多い、より少ない又は他のステップを含んでもよい。更に、ステップは適切な任意の順序で実行されてよい。この文書で使用されるように、「各々」は、ある集合のメンバの各々、又は、ある集合の部分集合のメンバの各々を指す。

添付の特許請求の範囲を解釈する際に本願により生じる任意の特許についての任意の読者及び特許庁の理解を促す観点から言及すると、「〜する手段(means for)」又は「〜するステップ(step for)」という言葉が特定の請求項で明示的に使用されない限り、本願の出願日に存在するものに関し、任意の請求項又は請求項の要素に35U.S.C.セクション112のパラグラフ6を係わらせるように出願人は意図してはいない。

Claims (24)

1. モーター部材を回転可能に駆動するように構成される回転作動モーター；
   前記モーター部材に結合され、前記モーター部材の回転により第１位置から第２位置へ応答可能に運動するように構成される駆動アームを有する駆動部材；
   前記第１位置に近接して配置される第１センサ；
   前記第２位置に近接して配置される第２センサ；及び
   前記回転作動モーターを制御可能に駆動するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を生成するように構成される駆動回路であって、前記ＰＷＭ駆動信号は、（ｉ）前記第１位置から、前記第１位置及び第２位置の間の第１中間位置へ、前記駆動アームを進めるように形成される第１デューティサイクルであって、前記第１中間位置は前記第１センサの検出範囲の外端部に対応する、第１デューティサイクルと、（ｉｉ）前記第１中間位置から、前記第１中間位置及び第２位置の間の第２中間位置へ、前記駆動アームを進めるように形成される第２デューティサイクルであって、前記第１デューティサイクルとは異なり、前記第２中間位置は前記第２センサの検出範囲の外端部に対応する、第２デューティサイクルと、（ｉｉｉ）前記駆動アームが前記第２中間位置から前記第２位置に近付く場合に使用されるように形成される第３デューティサイクルとを有する、駆動回路；
   を有し、前記駆動回路は、前記駆動部材に作用する力を徐々に増やすために、複数の増量により前記第１デューティサイクルを徐々に増やすように構成され；
   前記駆動回路は、前記第１、第２及び第３デューティサイクルを、前記第１及び第２センサからの少なくとも１つの出力の関数として形成するように構成される、装置。
2. 前記第１センサは、前記駆動アームが前記第１位置に接近している場合に前記駆動部材の位置を判定するように構成される、
   前記第２センサは、前記駆動アームが前記第２位置に接近している場合に前記駆動部材の位置を判定するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１デューティサイクルは前記第２デューティサイクルより大きい、請求項１に記載の装置。
4. 前記駆動回路は、前記駆動部材に作用する力を徐々に減らすために複数の増量により前記第２デューティサイクルを徐々に減らすように構成される、請求項３に記載の装置。
5. 前記駆動回路は、前記駆動アームが前記第２中間位置に到達した場合に、前記ＰＷＭ駆動信号を前記第３デューティサイクルに設定するように構成される、請求項４に記載の装置。
6. 前記駆動回路は、前記駆動アームが前記第２位置に到達した場合に前記ＰＷＭ駆動信号を除去するように構成される、請求項１に記載の装置。
7. 前記駆動アームが前記第２位置に到達した後に前記駆動部材の動きを止めるように構成されるハードストップを更に有する、請求項１に記載の装置。
8. 前記駆動回路は、前記第１位置及び前記第２位置に関する前記駆動アームの位置に応じて、前記駆動アームの速度を変化させるように構成される、請求項１に記載の装置。
9. 前記第１及び第２センサは磁性センサを含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記第３デューティサイクルは２０％未満である、請求項１に記載の装置。
11. 前記駆動回路は、ゼロより大きいデューティサイクルであって、磁性戻り力を克服するのに必要な閾デューティサイクルよりも小さなデューティサイクルで、前記ＰＷＭ駆動信号を当初は生成し、前記第１位置から前記駆動アームを進めるように構成される、請求項１に記載の装置。
12. 前記回転作動モーターをディジタル的に制御するように構成されるコントローラを有し、前記コントローラは、前記第１デューティサイクル、前記第２デューティサイクル及び第３デューティサイクルを選択的に設定するようにプログラム可能である、請求項１に記載の装置。
13. 前記駆動アームの動きに応じて動くように構成されるアクチュエータを更に有し、前記アクチュエータは、前記第１位置及び前記第２位置の双方において、前記駆動アームから熱的に分離される、請求項１に記載の装置。
14. 前記駆動アームは、前記駆動アームが前記第１位置及び前記第２位置の間にある場合には前記アクチュエータに系合して進行させ、前記駆動アームが前記第１位置及び前記第２位置にある場合には前記アクチュエータから物理的に隔てられたままであるように構成される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記アクチュエータに結合されるシャッターを更に有し、前記シャッターは、前記駆動アームが前記第１位置にある場合には一方の位置、及び、前記駆動アームが前記第２位置にある場合には他方の位置にあるように構成され、前記シャッターは前記駆動アームから熱的に分離される、請求項１４に記載の装置。
16. モーター部材を回転可能に駆動するように構成される回転作動モーター；
    前記モーター部材に結合され、前記モーター部材の回転により第１位置から第２位置へ応答可能に運動するように構成される駆動アームを有する駆動部材；
    前記駆動部材の位置を決定するように構成される第１及び第２センサであって、前記第１センサは前記第１位置に近接し、前記第２センサは前記第２位置に近接している、第１及び第２センサ；及び
    前記回転作動モーターを制御可能に駆動するためのパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を生成するように構成される駆動回路であって、前記ＰＷＭ駆動信号は、（ｉ）前記第１位置から、前記第１位置及び第２位置の間の第１中間位置へ、前記駆動アームを進めるように形成される第１デューティサイクルであって、前記第１中間位置は前記第１センサの検出範囲の外端部に対応する、第１デューティサイクルと、（ｉｉ）前記第１中間位置から、前記第１中間位置及び第２位置の間の第２中間位置へ、前記駆動アームを進めるように形成される第２デューティサイクルであって、前記第１デューティサイクルとは異なり、前記第２中間位置は前記第２センサの検出範囲の外端部に対応する、第２デューティサイクルと、（ｉｉｉ）前記駆動アームが前記第２中間位置から前記第２位置に近付く場合に使用されるように形成される第３デューティサイクルとを有し、前記第１、第２及び第３デューティサイクルを、前記第１及び第２センサからの少なくとも１つの出力の関数として形成するように構成される駆動回路；
    前記駆動回路は、前記駆動部材に作用する力を徐々に増やすために、複数の増量により前記第１デューティサイクルを徐々に増やすように構成され；及び
    前記第１センサは、前記駆動アームが前記第１中間位置へ移動したことを検出すると、ターンオフするように構成されている、装置。
17. 前記駆動回路は、前記第１位置及び前記第２位置に関する前記駆動アームの位置に応じて、前記駆動アームの速度を選択的に変化させるように構成される、請求項１６に記載の装置。
18. 前記駆動回路は、前記駆動部材に作用する力を徐々に減らすために複数の増量により前記第２デューティサイクルを徐々に減らすように構成される、請求項１６に記載の装置。
19. 前記第３デューティサイクルは２０％未満である、請求項１６に記載の装置。
20. 前記駆動回路は、前記駆動アームが前記第２位置に到達した場合に、前記ＰＷＭ駆動信号を除去するように構成される、請求項１６に記載の装置。
21. 前記駆動アームが前記第２位置に到達した後に前記駆動部材の動きを止めるように構成されるハードストップを更に有する、請求項１６に記載の装置。
22. 前記第１デューティサイクルは前記第２デューティサイクルより大きい、請求項１６に記載の装置。
23. 前記駆動回路は、前記駆動アームが前記第２中間位置に到達した場合に、前記ＰＷＭ駆動信号を前記第３デューティサイクルに設定するように構成される、請求項１６に記載の装置。
24. 前記第１及び第２センサは磁性センサを含む、請求項１６に記載の装置。

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