JP6912892B2

JP6912892B2 - 改善されたゼロ近傍の毎分回転数（ｒｐｍ）の感知

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Publication number: JP6912892B2
Application number: JP2017012836A
Authority: JP
Inventors: トム・クライダー
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2021-08-04
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Description

[0001]本発明は、概して、リアクションホイール組立体およびコントロールモーメントジャイロスコープなどの、運動量制御デバイスに関し、より詳細には、運動量制御デバイス内に配備するための、ゼロ近傍の毎分回転数（ＲＰＭ）の感知（ｎｅａｒ−ｚｅｒｏｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓｐｅｒｍｉｎｕｔｅｓｅｎｓｉｎｇ）が改善されるロータ組立体に関する。

[0002]最もよく知られているのはコントロールモーメントジャイロスコープおよびリアクションホイールである、運動量制御デバイスは、一般に、宇宙船などの輸送手段に搭載される姿勢制御システム内に配備される。汎用の運動量制御デバイスは、ロータ組立体ハウジング内に回転可能に設置されるロータ組立体を有する。ロータ組立体が、通常は回転質量または外側リムである慣性要素（ｉｎｅｒｔｉａｌｅｌｅｍｅｎｔ）を有し、この慣性要素がロータシャフトに固定的に結合される。ロータシャフトの第１の端部（しばしば、ロータシャフトの「固定端部」と称される）が、ロータ組立体ハウジング内に設けられる第１の孔の中に設置され、その結果、第１の端部がロータ組立体の回転部分を形成するが、第１の端部はそれ以外に関してはロータ組立体ハウジングを基準として拘束される。ロータシャフトの第２の端部（ロータシャフトの「浮動端部（ｆｌｏａｔｉｎｇｅｎｄ）」）がロータ組立体内に設けられる第２の孔の中で懸吊され、ここでは、第２の端部が、ロータ組立体ハウジングを基準として、特定の範囲内で軸方向および径方向に移動することができ、さらには、回転することができる。軸受（例えば、デュプレックスペアボールベアリング（ｄｕｐｌｅｘ−ｐａｉｒｂａｌｌｂｅａｒｉｎｇ））が、ロータ組立体の回転を促進するために各シャフト端部の上に配置される。運動量制御デバイスの動作中、スピンモータがロータ組立体をスピン軸を中心として回転させる。運動量制御デバイスがリアクションホイールの形態をとる場合、ロータ組立体ハウジングが宇宙船などの輸送手段に対して直接に設置され得る。運動量制御デバイスがコントロールモーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ：ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｍｅｎｔｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）の形態をとる場合、ロータ組立体ハウジングが、輸送手段に対して設置され得る外側ステータハウジング（例えば、ベースリング構造）内に回転可能に配置され得る。

[0003]リアクションホイール組立体（ＲＷＡ：ＲｅａｃｔｉｏｎＷｈｅｅｌＡｓｓｅｍｂｌｙ）に関しては、ホスト輸送手段（ｈｏｓｔｖｅｈｉｃｌｅ）の姿勢を調整することが必要である場合、スピンモータがロータシャフトの回転速度および／または回転方向を促進し、それにより運動量を変化させる。運動量の変化、および、ＲＷＡから得られる出力トルクが、ホスト輸送手段に伝達され、それにより姿勢の調整が行われる。１つのＲＷＡは、通常、２つ以上の追加のＲＷＡに組み合わされ、リアクションホイール組立体アレイ（ＲＷＡＡ：ＲｅａｃｔｉｏｎＷｈｅｅｌＡｓｓｅｍｂｌｙＡｒｒａｙ）を形成する。少なくとも３つのＲＷＡを含むＲＷＡＡは、ホスト輸送手段の３つの直交軸を中心とした高度に制御される姿勢の調整を実施することができる。

[0004]ＲＷＡの動作中、スピンモータが、広い範囲の回転速度（例えば、−６０００から＋６０００の毎分回転数（ＲＰＭ））で、スピン軸を中心としたロータシャフトの回転を駆動し、それにより運動量を確立する。ＲＷＡのモータホール効果センサは粗い低分解能のエンコーダを形成し、これは通常、（ｉ）ロータシャフトの回転数、および、（ｉｉ）ロータシャフト速度の符号、を測定することに依存する。現在のＲＷＡのデザインは、一般に、コストを最小にすることおよび信頼性を向上させることを目的としてこのような測定を利用する低分解能の回転速度計を実装するが、このような回転速度計は、一般に、回転速度がゼロ近傍である場合には、デジタルエンコーダの分解能が制限されることを理由として、好適な性能仕様を満たさない。

[0005]従来の回転速度計の不十分なゼロ近傍ＲＰＭ性能を補償するために、ＲＷＡは、通常、小さい運動量交換時にゼロＲＰＭを生じさせるのを回避するために、「速度バイアス（ｓｐｅｅｄｂｉａｓｉｎｇ）」と称されるユースケース技法を使用する。速度バイアスのかかる（ｓｐｅｅｄｂｉａｓｅｄ）ＲＷＡは、真のゼロのＲＰＭから離れた所定の回転速度で任意に設定されるその「ゼロ」の運動量の原点（ｍｏｍｅｎｔｕｍｏｒｉｇｉｎ）を有する。これは、ＲＷＡＡのゼロ運動量状態がゼロより大きいＲＷＡロータの低速度となるまで輸送手段の運動量を減衰することにより達成される。これにより、ＲＷＡロータのスピン方向を頻繁に逆にすることなく輸送手段を操縦することが可能となる。しかし、真のゼロのＲＰＭを回避することで、速度バイアスによりＲＷＡのスピン速度が一定量だけ上昇することになり、その各々が構成要素の劣化を加速させ、ＲＷＡの全体の寿命を短縮させる。多くのＲＷＡ用途では寿命が長いことが必要となることから、これは欠点である。

[0006]したがって、運動量制御デバイス内に配備するための、ゼロ近傍の毎分回転数（ＲＰＭ）の感知を可能にするロータ組立体およびこれを作るための方法が所望される。所望されるロータ組立体は、ロータシャフトに結合される磁石と、磁石からの磁束を検出してそこから高い信頼性のゼロ近傍のＲＰＭデータを得るためのセンサ要素とを利用する。

[0007]本概要は、「発明を実施するための形態」のセクションにおいて後でさらに説明される単純な形態で概念の１つの選択肢を紹介するために設けられるものである。本概要は、特許請求される主題の重要な特徴または不可欠な特徴を特定することを意図されず、また、特許請求される主題の範囲を決定するのを補助するものとして使用されることを意図されない。

[0008]運動量制御デバイス内に配備するためのロータ組立体が提供される。ロータ組立体が、ロータと、ロータに結合されるロータシャフトと、ロータシャフトに結合される第１のセンサ組立体であって、（ｉ）第１のロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ：ｒｏｔｏｒｓｈａｆｔｒｏｔａｔｉｏｎａｌｐｏｓｉｔｉｏｎ）データおよび（ｉｉ）関連する回転周波数を提供する、第１のセンサ組立体と、ロータシャフトに結合される磁石と、ロータシャフトに結合され、磁石の磁束出力を感知してそこから第２のＲＳＲＰデータを提供するように構成される第２のセンサ組立体と、ＲＳＲＰデータの第１のソースおよびＲＳＲＰデータの第２のソースに結合され、（ｉ）第１のＲＳＲＰデータおよび第２のＲＳＲＰデータを受け取り、（ｉｉ）そこから最終的なＲＳＲＰデータを生成する、ように構成される制御装置と、を備える。

[0009]運動量制御デバイス内に配備するためのロータ組立体のためのロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）データを提供するための、制御装置によって実行可能である方法であって、ロータ組立体が、ロータに結合されるロータシャフトと、磁石とを有する、方法が提供される。この方法が、ロータシャフトに結合される磁石の磁束出力を固定センサ組立体によって感知するステップと、ロータシャフトに関連する角度位置データを固定センサ組立体によって決定するステップと、センサ組立体によって決定される角度位置データに基づいて最終的なロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）データを生成するステップとを含む。

[0010]運動量制御デバイス内に配備するための別のロータ組立体が提供される。ロータ組立体が、第１のセンサ組立体に結合され、第１のロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）データおよびそれからの関連する周波数を受け取るように構成される制御装置と、磁石から所定の距離のところに配置されるセンサ要素を備える、制御装置に結合されるセンサ組立体とを備え、センサ要素が磁石の磁束出力を感知してそこから第２のＲＳＲＰデータを得るように構成され、制御装置が、第２のＲＳＲＰデータを受け取って第１のＲＳＲＰデータおよび第２のＲＳＲＰデータに基づいて最終的なＲＳＲＰデータを生成するように構成される。

[0011]添付図面およびこの背景技術と併せて、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から他の所望の特徴が明らかとなる。
[0012]同様の参照符号が同様の要素を示している添付図面と併せた以下の詳細な説明により、本主題をより完全に理解することができる。

[0013]従来技術の教示によるリアクションホイールを示す断面図である。 [0014]例示の実施形態による、ゼロ近傍の感知が改善されるロータ組立体を示すブロック図である。 [0015]別の例示の実施形態による、ゼロ近傍の感知が改善されるロータ組立体を示すブロック図である。 [0016]ゼロ近傍のＲＰＭの範囲の、従来の回転速度計の通常のパルス出力を示すタイミング図である。

[0017]以下の「発明を実施するための形態」は本質的に単に例示であり、主題の実施形態またはそのような実施形態の用途および使用を限定することを意図されない。本明細書で使用される「例示」という単語は、「例、事例または説明として働く」ことを意味する。例示として本明細書で説明される任意の実装形態は、好適であるかまたは任意の他の実装形態に対して有利であると必ずしも解釈されない。さらに、上の「技術分野」、「背景技術」、「発明の概要」、または、以下の「発明を実施するための形態」に提示される明確に示されるかまたは暗に示されるいかなる理論によっても限定されることを意図されない。

[0018]種々の計算構成要素または計算デバイスによって実施され得る動作、処理タスクおよび機能の象徴的な表現を参照しながら、機能ブロックおよび／または論理ブロックの構成要素に関連させて技法およびテクノロジが本明細書で説明され得る。動作、タスクおよび機能は場合によっては「命令」のセットと称されるが、これらの命令は、メモリまたはデータベース内に記憶されてコンピュータによって実行され得るか、コンピュータ処理され得るか、ソフトウェアとして実装され得るか、または、コンピュータとして実装され得る。これらの命令は論理ゲートおよび／またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ）を使用してハードウェアに変換されてもよい。

[0019]実際には、１つまたは複数のプロセッサデバイスが、システムメモリ（例えば、メモリ２０４）内の記憶域のところにあるデータビットを表す電気信号を操作することにより、さらには、信号を他の形で処理することにより、説明される動作、タスクおよび機能を実行することができる。データビットを保持するところの記憶域（例えば、データベース）は、データビットに対応する特定の電気的特性、磁気的特性、光学的特性または有機的特性を有する物理的なロケーションである。図に示される種々のブロックの構成要素が、指定の機能を実行するように構成される任意の数のハードウェアコンポーネント、ソフトウェアコンポーネントおよび／またはファームウェアコンポーネントによって実現され得ることを認識されたい。例えば、システムまたは構成要素の実施形態が、例えば、記憶素子、デジタル信号処理要素、論理素子または参照テーブルなどの、種々の集積回路コンポーネントを採用することができ、これらは、１つまたは複数のマイクロプロセッサまたは他の制御デバイスの制御下で多様な機能を実行することができる。

[0020]以下の記述は、一体に「結合」される要素またはノードあるいは特徴を参照することができる。本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、「結合される」は、１つの要素／ノード／特徴が、必ずしも機械的ではなく、別の要素／ノード／特徴に直接にまたは間接的に接合される（あるいは、直接にまたは間接的に通信する）、ことを意味する。したがって、図面が要素の１つの例示の構成を描いている可能性があるが、追加の介在する要素、デバイス、特徴または構成要素が描かれる主題の実施形態中に存在してもよい。

[0021]以下で、状況を提示するために、最初に、従来技術によるリアクションホイールを詳細に説明する。次いで、本発明の特徴を強調するためにロータ組立体の例示の実施形態を紹介する。図４が、本発明によって提供される利点をさらに強調するために、従来の回転速度計のゼロ近傍のＲＰＭのブラインドネス（ｂｌｉｎｄｎｅｓｓ）を描いている。

[0022]図１は、従来技術の教示によるリアクションホイール２０の断面図である。リアクションホイール２０が、ロータ組立体ハウジング２２と、ロータ組立体ハウジング２２内に回転可能に設置されるロータ組立体２４とを有する。図１の向きを参照すると、ロータ組立体ハウジング２２が、上側カバー２６と、複数のねじ部品３０を利用して上側カバー２６に固定的に接合される下側ケーシング２８とを有する。上側カバー２６および下側ケーシング２８が、一体に、内部キャビティ３２を画定し、内部キャビティ３２が、ロータ組立体２４、および、既に知られておりしたがって簡潔にするために本明細書では説明されないリアクションホイール２０の種々の他の構成要素（例えば、スピンモータ、リゾルバまたは他の回転センサ、など）を収容する。ロータ組立体２４が、ロータシャフト３４と、サスペンションウェブ（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｗｅｂ）３８を介してロータシャフト３４に接合されるロータリム３６とを有する。

[0023]ロータシャフト３４が、固定端部分４０（示される向きでは、シャフト３４の上側固定端部分）と、浮動端部分４２（示される向きでは、シャフト３４の下側端部分）とを有する。固定端部分４０および浮動端部分４２が、ロータ組立体ハウジング２２内に設けられる第１のアニュラス４４および第２のアニュラス４６内でそれぞれ受けられる。固定される軸受カートリッジ４８がロータシャフト３４の固定端部分４０の周りに配置され、複数のねじ部品５０（図１では１つのみ示される）により上側カバー２６に固定的に取り付けられる。

[0024]固定される軸受カートリッジ４８が、ロータシャフト３４の回転を促進するために固定端部分４０の周りに配置されるスピン軸受５２（例えば、デュプレックスペアボールベアリング）を有する。第１のナット５４が固定端部分４０に螺合され、概してその上でスピン軸受５２を保持する。同様に、浮動軸受カートリッジ５６がロータシャフト３４の浮動端部分４２の周りに配置され、スピン軸受５８（例えば、デュプレックスペアボールベアリング）を有し、スピン軸受５８が第２のナット６０により浮動端部分４２上で保持される。浮動カートリッジスリーブ６２が浮動軸受カートリッジ５６の周りに配置され、アニュラス４６を画定する下側ケーシング２８の内部構造に装着される。特には、浮動カートリッジスリーブ６２が小さい環状の隙間により浮動軸受カートリッジ５６から空間的にオフセットされ、それにより、リアクションホイール２０の動作中に、浮動軸受カートリッジ５６およびひいてはロータシャフト３４の浮動端部分４２が径方向および軸方向に移動することが可能となる。このような移動の自由度は、リアクションホイール２０の動作温度および真空範囲において構成要素（例えば、浮動軸受カートリッジ５６および浮動カートリッジスリーブ６２）間で起こり得る膨張および収縮を受け入れるのを補助する。

[0025]リアクションホイール２０の動作中、スピンモータ（図示せず）が、スピン軸（図１に破線６６で示される）を中心としてロータ組立体２４を回転させる。第１のセンサ組立体（図２の第１のセンサ組立体２５０）内で、エンコーダ（図示せず）が、通常、ロータ組立体ハウジング２２およびロータシャフト３４の固定部分に結合され、（ｉ）第１のロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）データ、および、（ｉｉ）ロータシャフト３４の回転の速さ（速度）および回転方向に対応するデジタルパルスを発生させるのに使用され得る関連する回転周波数、を提供するのに採用される。

[0026]上で言及したように、従来のエンコーダは、高いＲＰＭでは、低コストで満足できる性能を提供する。エンコーダは、通常、回転位置に基づいてデジタルパルス列を出力し、このデジタルパルス列がロータシャフトの毎分回転数（ＲＰＭ）を計算するのに使用される。高い回転速度（図４の領域４０２）では、パルス列が非常に高速に更新され、低い速度ではパルス列がよりゆっくり更新される。ゼロ近傍の速度では、回転位置は、宇宙船の制御ループによって使用されるにはあまりにもゆっくりと更新されることになる。従来のエンコーダは回転方向も決定するが、対応する方向ビットを有効とする前の段階でパルス列上に複数の「チック（ｔｉｃｋ）」を必要とする。したがって、ＲＰＭがゼロ近傍である場合（図４の領域４０４）、従来のエンコーダは回転速度および回転方向の両方の情報を提供するには不十分であり、それにより宇宙船の制御が失われることになる。第１のセンサ組立体２５０は従来のデジタルエンコーダであってよいことから、第１のセンサ組立体２５０は場合によってはエンコーダと称される。本明細書の実施形態では、第１のセンサ組立体２５０が、所定の下限周波数閾値（ｌｏｗｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）および所定の上限周波数閾値（ｕｐｐｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）を有し、これらの下限周波数閾値および上限周波数閾値が、後でより詳細に説明される混合プロセスで使用される。

[0027]図２および３が、ゼロ近傍のＲＰＭの感知が改善されるロータ組立体の実施形態を説明する。以下で提供される実施形態に依存するＲＷＡのデザインは、従来のエンコーダのデザインで一般に必要となるような速度バイアスを実施することを回避することができ、有利には、個別の構成要素の摩耗および損傷を低減することができ、ＲＷＡのデザインの寿命を延ばすことができる。

[0028]図２は、例示の実施形態による、ゼロ近傍の感知が改善されるロータ組立体のブロック図である。図２は正確な縮尺ではない。ロータ組立体の回転部分が、第１の端部２１０の側でロータ２０６に結合されるロータシャフト２０８を備える。本明細書で使用される場合、ロータ２０６は、回転質量またはホイール（図示せず）などの慣性要素を備える。ロータ２０６および回転質量の反対側で、磁石２１２がロータシャフト２０８の第２の端部上に結合される。ロータシャフト２０８がスピンすると、磁石２１２がスピンする。磁石２１２は、ロータシャフト２０８の角度位置（およびひいては、対応する回転質量またはホイールの角度位置）を一意的に特定する出力磁束２１６を発生させるような向きおよび強さを有するように選択される。図２のロータ組立体の固定部分では、第２のセンサ組立体が磁石２１２の磁束出力を感知し、そこから第２のロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）データを得る。

[0029]第２のセンサ組立体が、磁石２１２を部分的に囲む固定円筒形ハウジング（この円筒形ハウジングは第１の側部２１８および壁２２０によって画定される）を備える。三次元では、固定円筒形ハウジングが、磁石２１２を包み込んでロータ２０６に向かって第１の所定の長さ２１７だけ一様に延在するカップのように実質的に見える。磁石２１２が磁束２１６を出力する。磁束２１６が離れた線として二次元的に描かれているが、実際には、磁束が磁石２１２から放射されて再び磁石２１２に戻るような三次元的なボリュームを有する（したがって、磁束ループと称される）こと、加えて、磁束２１６のボリュームの縁部が離散的に終わるのではなく次第に弱くなっていくこと、が容易に理解されよう。第２のセンサ組立体が、磁石２１２から所定の距離２１５のところに配置されるセンサ要素２１４をさらに備える。固定ハウジングは、磁石２１２によって生じる閉じた磁束ループを実質的に閉じ込めるような、形状、寸法および材料を有するように設計される。

[0030]センサ要素２１４が、固定ハウジング内の、第１の側部２１８の内側表面上に配置され、磁石２１２に戻ってくるところで磁束２１６で実質的に完全に飽和状態となるように磁石２１２を基準として位置決めされる。センサ要素２１４は、ＲＷＡ組立体の残りの部分に見合う耐放射線性を有するように選択される、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）ホイートストンブリッジセンサ（本明細書では簡単にＡＭＲセンサと称される）などの、磁気抵抗センサであってよい。巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）デバイス、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）デバイスおよび異常磁気抵抗（ＥＭＲ：ＥｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）デバイスを含めた他の磁気抵抗デバイスが同様の形で使用されてもよい。

[0031]ＡＭＲセンサのデータ出力は、通常、ＡＭＲセンサの周りの磁場方位に釣り合う直交アナログ電圧（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅａｎａｌｏｇｖｏｌｔａｇｅ）である。温度変化、磁石の劣化などを原因として磁場が失われることによりコモンモードノイズが生じるかまたは振幅変化が起こる場合でも、センサからの直交出力（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅｏｕｔｐｕｔ）が制御装置２０２によって処理されて正確に復号され得る。直交アナログ出力電圧（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅａｎａｌｏｇｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ）がバッファーリングされてデジタル処理でサンプリングされ（従来のアナログ・デジタル（ＡＤＣ）技法を使用する）、そこから、アナログの回転速度計またはリゾルバと同様のやはり既知の計算技法を使用して、固有のロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）およびロータシャフト２０８の固有の角速度が決定され得る。現代のＡＭＲホイートストンブリッジセンサは、約４２，０００ＲＰＭで０．０５度の角度分解能を維持することができ、したがって、多くの運動量制御デバイスの用途の要求に対応することができる。将来のバージョンのＡＭＲセンサが高速デジタルシリアル出力を出力してＡＭＲセンサによるＲＳＲＰの決定をさらに単純化する可能性があることも企図される。実施形態では、ＡＤＣ変換およびＲＳＲＰの導出が制御装置２０２内で行われてよい。別の実施形態では、ＡＤＣ変換およびＲＳＲＰの導出のために必要な回路が第２のセンサ組立体内にある。

[0032]いくつかの実施形態では、制御装置２０２およびメモリ２０４が、固定円筒形ハウジングに結合され、さらには第１のセンサ組立体２５０に結合される。制御装置２０２はまた、第２のセンサ組立体に結合され得る。実際には、制御装置２０２が、任意適切な数の個別のマイクロプロセッサ、ミッションコントロールコンピュータ（ｍｉｓｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｃｏｍｐｕｔｅｒ）、ナビゲーション機器、メモリ（メモリ２０４など）、電源、記憶デバイス、インタフェースカード、および、当技術分野で既知の他の標準的な構成要素を備えることができるか、またはそれらに関連付けられ得る。この点に関して、制御装置２０２が、本明細書で説明される多様な方法、プロセスタスク、計算、および、制御機能を実行するように設計される、任意の数のソフトウェアモデル、ソフトウェアプログラムまたは命令を有することができるかまたはそれらと協働することができる。

[0033]制御装置２０２が、第１のセンサ組立体２５０からのＲＳＲＰデータ、および、第２のセンサ組立体から得られるＲＳＲＰデータを受け取り、それらから最終的なＲＳＲＰデータを生成する。制御装置２０２が、デジタル交換方式でＲＳＲＰデータの１つのソースから別のソースへ切り換えることができるか、または、混合技法を採用することもできる。デジタル交換の実施形態では、第１のセンサ組立体２５０の所定の下限周波数閾値（所定のロータシャフトの回転速度、ＲＰＭに対応する）未満では、最終的なＲＳＲＰデータが第２のセンサ組立体によって決定されるＲＳＲＰデータに等しく、所定の下限速度閾値を超える場合、最終的なＲＳＲＰデータが、ＲＳＲＰデータの第１のソースからのＲＳＲＰデータである。さらに、ＲＳＲＰデータの第１のソースが除外され得ることも企図され、この場合、混合する必要がなく、最終的なＲＳＲＰデータは、第２のセンサ組立体を介して得られるＲＳＲＰデータのみであってよい。

[0034]言及したように、最終的なＲＳＲＰデータを生成することには、高速エンコーダ（第１のセンサ組立体２５０）から得られるＲＳＲＰデータから、ＡＭＲ（第２のセンサ組立体）から得られるＲＳＲＰデータへと確実に円滑に移行するための混合が伴われる可能性がある。いくつかの実施形態では、所定の上限周波数閾値が採用されてもよく、制御装置２０２により、所定の下限周波数閾値と所定の上限周波数閾値との間の領域において、混合（混合アルゴリズムを介する）が実施され得る。混合は、メモリ２０４内に記憶される混合アルゴリズムを介して達成され得るか、または、制御装置２０２が、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ）を使用して２つのＲＳＲＰデータ入力をデジタル処理で混合してもよい。混合アルゴリズムは、例えば連続カルマンフィルタまたは離散的手法を含めた、複数の手法を利用することができる。

[0035]伝統的なカルマンフィルタは、カルマンフィルタのデザインのための既知の技法を使用して１つの速度推定値を得るために２つのセンサソースを使用することができる。離散的手法は以下の形をとる：ロータシャフトの速度がＭＲセンサのアナログ帯域幅より高いかまたは位相マージンにより正確な読み取りが可能となる場合にデジタルエンコーダが使用される。この形態では、ロータシャフトの速度データの１００％がエンコーダ（第１のセンサ組立体２５０）から得られる。ゼロのＲＰＭおよびゼロ近傍のＲＰＭでは、混合アルゴリズムが、ＭＲセンサ（第２のセンサ組立体）からロータシャフトの速度を直接に導出し、エンコーダがモータとの正確な通信のために使わずに残され得る。ＭＲセンサを使用するためのＲＰＭのカットオフは、排他的に、アナログシグナルチェーンの性能、アナログ・デジタル変換器の性能、モータポールの数、および、シャフトの速度データを消費する制御ループの周波数、のうちの１つまたは複数に依存してよい。宇宙船の制御ループに適合するそれぞれのエンコーダ更新速度においてカットオフが行われるかまたはそれを上回ってカットオフが行われることを認識されたい。ＭＲベースの速度推定からエンコーダベースの速度推定への移行中、２つのセンサの推定値の加重平均または比例平均（ｌｉｎｅａｒｌｙｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌａｖｅｒａｇｅ）が導出され得る。

[0036]図３は、別の例示の実施形態による、ゼロ近傍の感知が改善されるロータ組立体のブロック図である。図３は正確な縮尺ではない。図３では、固定円筒形ハウジングが、第１の所定の長さ２１７より小さい第２の所定の長さ３０５だけ回転質量に向かって延在し、また、センサ組立体が、磁石２１２の側で、ロータ２０６上のロータシャフト２０８に対して同軸に結合される円形ディスク３０４をさらに備え、この円形ディスクが、センサ組立体の円筒形ハウジングに向かって延在する一様な所定の高さ３０３の一体の外側リップ３０７を有する。一体の外側リップ３０７および円筒形ハウジングは実質的に等しい直径を有し、第１の隙間距離３０１だけ分離される。図２の円筒形ハウジングと同様に、円筒形ハウジング（３０２および３０５）、円形ディスク３０４、第１の隙間距離３０１、および、一体の外側リップ３０７は、磁石２１２を包み込んでそれにより磁束２１６を実質的に包含するように協働するようなカップを本質的に形成するように設計される。図２と同様に、センサ要素２１４が、磁束２１６で実質的に完全に飽和状態となるように位置決めされる。

[0037]図４は、ゼロ近傍のＲＰＭの範囲の、従来の回転速度計の通常のパルス列出力４００を示すタイミング図である。パルス列が４０１の高い回転速度のところから始まり、スピンしながら４０３のゼロのＲＰＭまで低下し、４０５の高い回転速度のところまで反対方向に再びスピンし始める。高い回転速度（第１の方向の領域４０２、および、反対方向の領域４０８）では、パルス列が非常に高速に更新され、低い速度ではパルス列がよりゆっくり更新される。上で言及したように、従来の回転速度計は回転の方向を決定するが、これを行うには、対応する方向ビットを有効とする前の段階において、ゼロのＲＰＭを通過する後で、パルス列上に複数の「チック」を必要とする。したがって、ＲＰＭがゼロ近傍である場合（領域４０４）、従来の回転速度計は本質的にブラインドスポットを有することになり、ここでは、従来の回転速度計では回転速度および回転方向の両方の情報を提供するには不十分である。

[0038]本発明は、本明細書において上で説明した第２のセンサ組立体（ＭＲから得られるＲＳＲＰデータ）と第１のセンサ組立体（エンコーダから得られるＲＳＲＰデータ）との組み合わせを用いることでこのブラインドスポットに対処する。本発明で提示されるように磁束を発生させてそれを感知することにより、ゼロ近傍の範囲で高い信頼性でＲＰＭを導出することが可能となり、それにより、バイアスのかかる速度でホイールを作動させる場合と比較して、構成要素の摩耗および損傷が低減され、軸受組立体の寿命が延びる。上で言及した所定の速度閾値は、例えば、「正」の所定の速度閾値４０７および「負」の所定の速度閾値４０９として、実装され得、ここでは、「正」および「負」は、第１の方向のスピンおよび第２の方向のスピンを示すのに使用される。所定の速度閾値（４０７，４０９）では、実施形態が、従来のエンコーダによって決定されるＲＳＲＰデータと、例えばＡＭＲセンサからのＲＳＲＰデータとを混合する。

[0039]このように、ゼロ近傍の毎分回転数（ＲＰＭ）の感知を可能にする運動量制御デバイス内に配備するためのロータ組立体と、そのようなロータ組立体を作るための方法とを提示してきた。提示されるロータ組立体は、磁石からの磁束を検出してそこから高い信頼性のゼロ近傍のＲＰＭを導出するために、ロータシャフトに結合される磁石、および、センサ要素を利用する。提示されるロータ組立体は、用途特有の耐放射線性を有するように選択される異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ホイートストンブリッジセンサを採用することができる。

[0040]上の「発明を実施するための形態」では少なくとも１つの例示の実施形態を提示してきたが、多数の変形形態が存在することを認識されたい。また、例示の実施形態が単に例であり、本発明の範囲、利用可能性または構成を限定することを一切意図されないことを認識されたい。むしろ、上の「発明を実施するための形態」は、本発明の例示の実施形態を実施するための好都合なロードマップを当業者に提供する。添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、例示の実施形態で説明される要素の機能および構成において種々の変更がなされ得ることを理解されたい。

２０リアクションホイール
２２ロータ組立体ハウジング
２４ロータ組立体
２６上側カバー
２８下側ケーシング
３０ねじ部品
３２内部キャビティ
３４ロータシャフト
３６ロータリム
３８サスペンションウェブ
４０固定端部分
４２浮動端部分
４４第１のアニュラス
４６第２のアニュラス
４８固定される軸受カートリッジ
５０ねじ部品
５２スピン軸受
５４第１のナット
５６浮動軸受カートリッジ
５８スピン軸受
６０第２のナット
６２浮動カートリッジスリーブ
６６破線
２０２制御装置
２０４メモリ
２０６ロータ
２０８ロータシャフト
２１０第１の端部
２１２磁石
２１４センサ要素
２１５距離
２１６出力磁束
２１８第１の側部
２５０第１のセンサ組立体
３０１第１の隙間距離
３０２円筒形ハウジング
３０３高さ
３０４円形ディスク
３０５円筒形ハウジング
３０７外側リップ
４０１高い回転速度
４０２領域
４０３ゼロのＲＰＭ
４０４領域
４０５高い回転速度
４０７正の所定の速度閾値
４０８反対方向の領域
４０９負の所定の速度閾値

Claims

運動量制御デバイス内に配備するためのロータ組立体であって、
ロータと、
前記ロータに結合されるロータシャフトと、
前記ロータシャフトに結合される第１のセンサ組立体であって、（ｉ）第１のロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）データおよび（ｉｉ）関連する回転周波数を提供する、第１のセンサ組立体と、
前記ロータシャフトに結合される磁石と、
前記ロータシャフトに結合され、前記磁石の磁束出力を感知してそこから第２のＲＳＲＰデータを提供するように構成される第２のセンサ組立体と、
ＲＳＲＰデータの第１のソースおよびＲＳＲＰデータの第２のソースに結合され、（ｉ）前記第１のＲＳＲＰデータおよび前記第２のＲＳＲＰデータを受け取り、（ｉｉ）そこから最終的なＲＳＲＰデータを生成する、ように構成される制御装置と
を備え、
前記第２のセンサ組立体が、
センサ要素と、
前記磁石を部分的に囲む固定ハウジングと
をさらに備え、前記ハウジングが第１の側で閉じられて第２の側で開いており、前記センサ要素が、前記ハウジング内の、前記第１の側の内側表面上に配置され、前記固定ハウジングが、前記第２の側で、回転質量に向かって第１の所定の長さだけ一様に延在し、それにより、前記磁石によって発生される閉じた磁束ループを閉じ込める、ロータ組立体。
前記固定ハウジングが、前記第２の側で、前記第１の所定の長さより小さい第２の所定の長さだけ前記ロータに向かって一様に延在し、前記ロータ組立体が、前記磁石のロータ側で前記ロータシャフトに同軸に結合される円形ディスクをさらに備え、前記円形ディスクが、前記センサ組立体の前記ハウジングに向かって延在する一様な所定の高さの一体の外側リップを有し、
（ｉ）前記外側リップの直径および前記ハウジングの直径が実質的に等しく、（ｉｉ）前記外側リップおよび前記ハウジングが第１の隙間距離だけ分離され、（ｉｉｉ）前記ハウジング、前記円形ディスクおよび前記外側リップが、前記磁石によって発生される閉じた磁束ループを閉じ込めるように協働する、請求項１に記載のロータ組立体。
運動量制御デバイス内に配備するためのロータ組立体のためのロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）データを提供するための、制御装置によって実行可能である方法であって、前記ロータ組立体が、ロータに結合されるロータシャフトと、磁石とを有し、前記方法が、
磁束で実質的に完全に飽和状態となるように方向付けられる固定磁気抵抗センサにより、前記ロータシャフトに結合される前記磁石の磁束出力を感知するステップと、
固定センサ組立体により、前記ロータシャフトに関連する角度位置データを決定するステップと、
前記センサ組立体によって決定される角度位置データに基づいて、最終的なロータシャフト回転位置（ＲＳＲＰ）データを生成するステップと
を含む、方法。