KR100885761B1 - 전기기계식 액추에이터를 구비하는 전기기계식 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기기계식 액추에이터의 반응의 지속을 가능하게 하는 전기기계식 시스템을 제공한다. 상기 전기기계식 시스템은 결정 가능한 반응 시간 가지며, 명령에 의해 결정된 힘을 목적물에 인가하기 위해 정지 위치에서 동작 위치로 이동하도록 에너지 신호를 수신할 때 동작하는 전기기계식 액추에이터(11); 명령에 의해 결정된 힘을 표시하는 디지털 신호를 제공하는 디지털 신호원(53); 상기 디지털 신호를 수신하고, 힘을 표시하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 출력하는 디지털-아날로그 변환기(55); 및 상기 액추에이터의 반응 시간보다 짧은 간격으로, 상기 아날로그 신호를 반복적으로 중지시키기 위한 회로(57, 59)를 포함한다.

액추에이터, 제동, 제동력, 디지털-아날로그 변환기, 모터, 기어

Description

전기기계식 액추에이터를 구비하는 전기기계식 시스템{ELECTROMECHANICAL SYSTEM HAVING ELECTROMECHANICAL ACTUATOR}

본 발명은 전기기계식(electromechanical) 액추에이터(actuator)의 반응의 지속을 가능하게 하는 전기기계식 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기적으로 동작하는 항공기 제동(braking) 시스템에서 사용되는 것과 같은 운송수단의 제동을 위한 액추에이터를 구비하는 전기기계식 시스템에 관한 것이다.

전기적으로 동작하는 항공기 제동 시스템의 일례로 미국 특허번호 4,865,162호는, 항공기의 진행을 늦추기 위해 휠 및 제동 어셈블리의 압력판을 선택적으로 사용하고, 디스크 제동 스택에 압력을 가하는, 복수개의 환형으로 배치된 전기 구동 토크 모터 및 롤러 스크류 구동 메커니즘을 개시한다. 이와 같은 전기적으로 동작되는 제동 시스템에서는, 휠에 연결되며 휠에 적용된 제동을 동작시키는 전기기계식 액추에이터가 있다.

전기기계식 액추에이터는 높은 토크 출력을 제공하기 위해 감소되는 낮은 토크 부품들을 포함한다. 마찰(friction)과 압착(striction)이 전진부 및 후진부 또는 전진 토크 및 후진 토크 사이에 히스테리시스(hysteresis)를 유발하고, 반복성에 악영향을 미칠 수 있다. 상기 압착은, 액추에이터가 원하는 위치에 못미쳐 점착이 발생하고, 동작하기 이전에 추가적인 힘을 필요로 하며, 이어 다시 점착되는 것과 같은, 정적 마찰이 움직임을 방해하는 점착-미끌림(stick-slip) 효과를 말하는 것이다. 이러한 것을 일컫는 용어로 "점착성 마찰(sticky friction)"이라 하고, 종종 "점착(sticktion)"이라고도 한다.

소정의 제동 시스템의 테스트는, 주어진 힘 명령에 대해 힘이 폭넓게 변동하고 명령에 선형적이지 않음을 나타내었다. 또한, 현저한 히스테리시스, 즉 감소가 항상 증가에 상응하지 않는, 힘 명령이 감소-증가되는 현상이 나타났다. 또한, 전기기계식 액추에이터의 명령-힘 곡선은 높고 낮은 명령 레벨에서 평평해지는 경향이 나타났다.

떨림(dither)은 상기 특성의 문제점을 해결하기 위해 자주 적용되는 해결책이다. 떨림은 액추에이터가 고주파수에서 전후로 동작하게 하는 제어 지점 주변에서 명령 신호의 진동을 포함한다. 상기 주파수는 액추에이터가 완전하게 반응할 수 없는 주파수이다. 떨림은 종종 위치 제어 시스템에서 정확도를 향상시키기 위해 사용될 수 있으나, 시스템(하드웨어 및 소프트웨어)이 필요로 하는 주파수보다 더 높은 주파수에서 반응할 수 있을 것을 요구한다. 이러한 부가적인 디자인의 필요성은 비용, 중량 및 전력 소모를 증가시킨다. 떨림에 대한 다른 단점은, 모터가 한 방향으로 동작하는 명령을 받은 이후 다른 방향으로 동작하는 명령을 받는다는 것이다. 그로 인해 기어 역회전으로 인해 히스테리시스가 발생할 수 있다.

전기기계식 액추에이터가 명령된 위치에서 보다 신뢰성 있고 반복적으로 동작해야 하고, 반대 방향으로 액추에이터를 동작시킬 때 히스테리시스를 제거해야하는 것이 바람직하다.

본 발명은 힘의 적용을 위한 측정된 임무 주기(duty cycle)를 전기적으로 제공하도록 힘의 적용을 중단함으로써, 상기 문제점에 대한 해결책을 제공한다. 상기 임무 주기는 반복 주기 내에서, 반복 주기 및 동작하지 않는 시간 동안 조정될 수 있다. 반복적인 적용 및 힘의 제거는, 액추에이터에서 마찰 및 점착을 극복하며, 높은 반복 성능을 제공한다. 전자식 액추에이터 구동 회로는 힘 및 액추에이터의 동작에 대한 분리된 전기적 명령을 제공한다. 액추에이터가 위치에 대한 명령을 받을 때, 힘 명령은 일정하게 유지되며, 중지 명령(disable command)이 필요한 임무 주기를 지속하기 위해 반복적으로 오프 및 온된다. 이러한, 실행/중지 펄스 트레인은 기어를 낮추는데 마찰과 점착을 극복하는 작은 모터의 동작을 제공한다.

본 발명의 일실시형태는 회전하는 휠에 정지력을 제공하기 위해 삽입된 제동 디스크의 압축 스택(stack)에 압력을 가하는 단계를 포함하며, 원하는 정지력을 나타내는 운전 초기 디지털 제동 명령을 제공하는 단계와, 상기 디지털 명령을 원하는 정지력을 나타내는 크기를 갖는 아날로그 신호로 변환하는 단계를 포함한다. 상기 아날로그 신호는 주기적으로 중단되며, 상기 중단된 아날로그 신호가 모터에 제공된다. 모터의 작동은 회전에서 선형적인 동작으로 기계적 변환된다. 예를 들면, 속도 감속에 의해 토크는 기어와 볼스크류(ballscrew) 어셈블리에서 증가되고, 직선적인 동작이 제동 디스크를 압축하게 된다. 각 아날로그 신호 중단은 모터를 중지시키고 휠으로부터 모든 제동력을 제거하는데 필요한 시간보다 짧은 시간 간격동안 이루어지며, 바람직하게는 기어 트레인 내에 임의의 자유 활동성 동작(free-play motion)이 발생하기 이전의 시간 간격동안 이루어진다.

본 발명의 효과는 힘이 항상 동일한 방향으로 인가되어 기어 역회전에 의한 히스테리시스를 제거할 수 있다는 것이다. 힘의 제거는 동작을 유지하고 역회전을 방지하도록 작용하는 아이템이 사용되는 기어 트레인 상으로 "되돌려 밀어넣음(push back)"을 이루어지게 한다.

본 발명의 다른 효과는, 독립적인 메커니즘에 의해 명령 레벨이 변경되지 않으며 힘이 제거되기 때문에 떨리는 신호에 영향을 미치는 변경된 명령 레벨에 의한 지연이 발생하지 않는다는 것이다.

도 1은 전기기계식 액추에이터 및 제어 회로의 구성도이다.

도 2는 전기기계식 디스크 제동 액추에이터 메커니즘의 단면도이다.

도 3은 도 1의 모터 구동 전기회로에 적용된 신호를 도시한 도면이다.

도 4는 명령된 힘과 그 결과에 따른 액추에이터 출력힘의 비교 그래프이다.

해당 참조 부호는 일부 도면에 해당되는 부분을 나타낸다.

도 1 및 도 2를 특히 참조하면, 다중 권선 직류 블러시리스(blushless) 전기 모터(13), 일반적으로 도면부호 19가 지시하는 기어 트레인 및 변환기와 같은, 속도를 감소시키고, 토크를 증가시키는 기어 트레인(15) 및 볼스크류(ballscrew)와 같은 직선 운동 변환기로서의 로터리(rotary)(17)를 포함하는 전기기계식 액추에이터(11)가 도시된다. 모터 권선 각각에 중지된 아날로그 신호를 연속해서 반복적으로 제공하기 위해 모터구동 정류자 회로가 전자회로(21)에 포함된다.

도 2의 액추에이터와 제동 어셈블리에 있어서, 일례로 전기기계식 액추에이터(11)가 하우징에 고정되고 휠이 축 주위에서 회전을 위해 저널(journal)된다. 모터 속도는 기어의 회전 동작을 피스톤(33)의 직선 운동으로 변환하는 볼스크류 배열을 구동시키는 기어 트레인에 의해 감소된다. 제동 디스크 스택(stack)(23)은 휠에 고정되고 휠과 함께 회전하는 교차 디스크(alternate disks)(25, 27)를 갖는다. 그에 반해 그 사이의 디스크(29, 31)가 정지하고 하우징에 고정된다. 액추에이터(11)(예를 들어, 복수개의 유사 환형으로 배치된 액추에이터)가 에너지를 공급받을 때, 다중 디스크 제동 어셈블리에서 일반적으로 디스크 스택이 운송수단의 속도를 늦추도록 피스톤(33)과 같은 액추에이터 부분은 제동 압력판(35)으로 힘을 확산시킨다.

액추에이터 모터(13)로 공급되는 전류 및 액추에이터 모터(13)의 정류는 전기기계식 액추에이터 제어기(36)에 의해 제공된다. 상기 제어기(36)로부터 3개의 모터 위상에 전력을 공급하는 3개의 고전압 와이어(37, 39, 41)가 있다. 3개의 위치 기준 신호가 라인(43, 45, 47)에 의해 회귀하고, 위치 기준 여자 신호가 라인(49, 51) 상으로 상기 제어기에 의해 제공된다.

힘 신호는 라인(53) 상에서 디지털 명령으로 제공된다. 예를 들어, 상기 힘 신호는 항공전자공학에서의 데이터 링크를 통과한다. 이러한 힘 명령은 보드 상의 처리기에 의해 처리되며, 디지털-아날로그 변환기(55)에 의해 아날로그 명령으로 변환된다. 상기 아날로그 명령은, 원하는 힘으로 모터를 구동하기 위한 모터 구동 전자회로(21) 내의 전력 회로에 의해 정류되고 증폭된다. 상기 명령이 액추에이터를 이전 단계로 되돌리기 위해 제공될 때, 정류 및 이동 거리측정을 제공하기 위해 라인(43, 45, 47)상에서 모터로부터의 위치 피드백(feedback)은 전력 회로에 의해 사용된다.

반복적으로 상기 아날로그 신호를 중지하기 위한 회로는 히스테리시스 및 힘의 불안정을 감소시키고 액추에이터에 의해 제공되는 최대 힘을 증가시키는 등의 액추에이터의 성능 향상을 위해 소정의 주파수로 중지 신호를 실제로 펄스화한다. 상기 회로는, 펄스 트레인 또는 중지 명령을 생성하기 위한 중지 명령 생성기(57)와, 상기 펄스 트레인을 반복적으로 통과 차단시키거나 상기 펄스 트레인과 동기화되어 아날로그 신호를 주기적으로 중지하는 응답을 하는 전자 스위칭 회로(59)를 포함한다. 라인(61) 상에서의 신호의 일례가 도 3에 도시된다. 회로(21)는, 모터(13)에서 회전 자기장을 형성하기 위해 주기적으로 중지되는 아날로그 신호를 연속적으로 각각의 모터 권선에 제공한다. 정류는 하나의 권선에서 다음 권선으로 갑자기 전환하지만, 보다 일반적으로는, 회전 자기장을 형성하기 위해 증감되는 연속적인 신호를 생성한다.

도 4의 실험 데이터에서, 제동력 명령이 곡선(63)으로 나타나며, 그 결과로서 제동 액추에이터 출력 힘이 곡선(65)으로 나타난다. 곡선(65)의 최고 레벨은 28.5초에서 31초까지 지속되는 약 1150 파운드의 액추에이터 힘의 적용에 해당된다. 명령 파형은 시간 간격동안 비교적 부드럽고 일정하다, 그러나, 결과 힘은 제동력이 인가되는 동안 상하로 많이 흔들린다. 각각의 흔들림은 정지 신호에 해당한다. 중지 명령의 파형에서 주기는, 이 레벨에서 브레이크가 인가되는 동안의 작은 단편에 불과하다.

본 발명은 명령 신호의 떨림보다 더 중지 신호를 반복한다. 모터에 인가된 전압은 명령된 레벨 또는 영이다. 도 3과 같이, 임무 주기 및 펄스 반복비는 원하는 대로 설정될 수 있다. 그러나, 이러한 기술은 펄스 폭 변조가 아니다. 펄스 폭은 설정될 수 있으나, 동작하는 동안 변경될 수 없다. 제어 정보는 펄스 폭보다는 그 크기에 있다. 이러한 기술이 전체의 펄스화 되지 않은 명령을 이용하는 것보다 낮게 최대 힘을 감소시킬 수 있다고 하더라도, 최대 명령 레벨에서 점착을 극복하기 때문에 최대 힘을 실제로 증가시킨 것이다. 본 발명은, 명령 레벨의 변경에 의해 펄스화 효과를 얻는 것이 아니므로, 아날로그 전력 로직 상의 떨림(dither)의 동적 효과를 제거한다. 중지가 나타날 때, 모든 힘이 즉시 제거된다. 이것은 반응에서 브레이크가 액추에이터로 "되돌려 밀어 넣어지도록(push back)" 한다. 이것은 기어가 힘이 인가될 때와 같은 상태를 유지하게 하며, 모터가 오프로 되돌아가도록 명령을 받는 경우 발생하는 기어 역회전으로 인한 손실을 방지한다.

본 발명은 항공기 제동 시스템에 바람직한 환경에서 설명되었으나, 매우 다양한 전기기계식 액추에이팅 장치에 결합되어 사용될 수 있다. 이러한 장치의 일부는 스프링일 수 있으며, 다른 장치들이 액추에이터로의 역행 또는 회귀 신호를 필요로 하는 동안, 본 발명의 장치는 구동신호가 제거될 때 정지 또는 최초 위치로 돌아가기 위한 바이어스가 될 수 있다. 스프링 바이어스와 같이 고유한 회귀를 갖는 액추에이터에 대해, 중지 시간(도 3의 오프 시간)이 최초 위치로 돌아오기 위해 액추에이터에 의해 필요한 시간보다 상당히 작아야 한다는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 액추에이터는 단순히 최초 위치와 최종 위치를 단순히 반복한다. 각 형태의 액추에이터는 초기 또는 정지 위치로부터 가능한 위치를 향해 동작할 때, 목적물에 대해 명령 힘이 결정된 명령을 사용하기 위해 결정 가능한 반응 시간을 갖는다. 그리고, 각 중지 시간은 액추에이터의 반응 시간보다 짧아야 한다. 즉, 아날로그 신호는, 수축 위치에서 연장위치로 이동하는 동안 각 방향으로 움직이는 액추에이터에 대해 필요한 시간보다 짧은 시간 간격 동안 정지한다. 이러한 일시적인 힘의 적용 중지는 개선된 반복성을 제공한다. 제동 시스템이라는 특정한 적용에서는, 모터를 정지시키고 휠으로부터 모든 제동력을 제거하는데 필요한 시간보다 짧은 시간 간격동안 아날로그 신호가 중지된다.

Claims (20)

1. 결정 가능한 반응 시간 가지며, 명령에 의해 결정된 힘을 목적물에 인가하기 위해 정지 위치에서 동작 위치로 이동하도록 에너지 신호를 수신할 때 동작하는 전기기계식 액추에이터(11);

   명령에 의해 결정된 힘을 표시하는 디지털 신호를 제공하는 디지털 신호원(53);

   상기 디지털 신호를 수신하고, 힘을 표시하는 크기를 갖는 아날로그 신호를 출력하는 디지털-아날로그 변환기(55); 및

   상기 액추에이터의 반응 시간보다 짧은 간격으로, 상기 아날로그 신호를 반복적으로 중지시키기 위한 회로(57, 59)를 포함하는 전기기계식 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 아날로그 신호를 반복적으로 중지시키기 위한 상기 회로는,

   펄스 트레인을 생성하기 위한 중지 명령 생성기(57)와, 상기 아날로그 신호를 반복적으로 통과 차단시키기 위해 상기 펄스 트레인에 반응하는 전기 스위치 회로(59)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계식 시스템.
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