KR101530181B1 - 가상 제어 구조를 갖는 다중화 구동 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

이중화된 전기 유압 작동기(Electro-Hydrostatic Actuator: EHA)를 효율적으로 구동하기 위한 가상 제어 구조를 갖는 다중화 구동 제어시스템으로, 구동 명령에 따라 실제 제어 채널을 통해 상기 이중화된 유압 작동기의 구동을 제어하는 제1,제2제어기; 및 구동 명령에 따라 제1,제2제어기에 의한 유압 작동기의 구동결과를 근거로 제1,제2제어기의 제어채널의 고장을 판단하여, 가상 제어채널을 통해 제1,제2제어기의 구동 제어권을 제어하는 제3제어기;를 포함하여, 유압 작동기의 단일 채널 고장과 유압 작동기를 구동하는 제어기 내부의 단일 채널 고장에 의해 전체 유압 작동기 시스템의 기능 상실을 방지한다.

Description

가상 제어 구조를 갖는 다중화 구동 제어시스템{REDUNDANT DRIVING CONTROL SYSTEM HAVING VIRTUAL CONTROL STRUCTURE}
본 발명은 이중화된 전기 유압 작동기(Electro-Hydrostatic Actuator: EHA)를 효율적으로 구동하기 위한 가상 제어 구조를 갖는 다중화 구동 제어시스템에 관한 것이다.
작동기(Autuator)는 항공기 날개의 조종면인 에일러론, 러더 및 플랩퍼론 등을 동작시키기 위해 사용되고 있으며, 대형 민간항공기와 전투기 등에는 주로 유압식 작동기가 사용된다. 유압식 작동기를 제어하기 위해서는 구동제어기가 필요한데, 기존에는 비행조종컴퓨터에서 유압식 작동기의 솔레노이드나 서보밸브를 제어할 수 있도록 되어 있다.
유압식 작동기는 항공기의 유압펌프, 배관 등의 중량을 줄이기 위해 상기 유압펌프와 유압 관련 기기를 통합하여 전기식 모터가 내장되어 동작되도록 발전하고 있다. 이와 같이 모터, 펌프와 실린더 및 각종 센서류가 일체형으로 구성된 유압식 작동기는 항공기에서의 높은 신뢰도를 요구하게 되고 이에 따라 작동기 자체가 다중화되고 있다.
따라서, 다중화되어 있는 작동기를 제어하기 위해서는 다중화 제어기가 필요하며 하나의 고장이 발생하더라도 다른 제어기로 동작 가능한 복잡한 구조의 제어기 회로 구조 및 고장 회피 기술이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 이중화되어 있는 유압 작동기의 단일 채널 고장과 유압 작동기를 구동하는 다중화 구동 제어기 내부의 단일 채널 고장에 의해 전체 유압 작동기 시스템의 기능 상실을 방지할 수 있는 가상 제어 구조를 갖는 다중화 구동 제어시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 가상 제어 구조를 갖는 다중화 구동 제어시스템은, 구동 명령에 따라 실제 제어 채널을 통해 이중화된 유압 작동기의 구동을 제어하는 제1,제2제어기; 및 구동 명령에 따라 제1,제2제어기에 의한 유압 작동기의 구동결과를 근거로 제1,제2제어기의 제어채널의 고장을 판단하여, 가상 제어채널을 통해 제1,제2제어기의 구동 제어권을 제어하는 제3제어기;를 포함할 수 있다.
상기 제3제어기는 유압 작동기를 실제로 제어하지 않고 제1,제2제어기와 정보를 공유한다.
상기 제1 내지 제3제어기는 유압 작동기에 있는 삼중화된 위치센서에서 측정된 위치값을 자신의 위치측정로직의 위치값과 비교하여 고장 유무를 확인하여, 정상인 경우에 이중화된 유압 작동기를 구동하거나 가상제어를 수행할 수 있다.
상기 제3제어기는 구동명령에 대하여 제1,제2제어기의 구동결과와 자체 위치 측정 로직의 정보를 바탕으로 가상 응답을 추출한 후 가상 응답과 고장 기준을 비교하여, 가상 응답 특성이 고장기준 이내이면 정상으로 판단하고 벗어나면 고장으로 판단한다.
상기 제3제어기는 이중화된 유압 작동기의 어느 한쪽 채널이나 제1제어기의 구동채널이 고장난 경우 고장난 채널의 유압 작동기는 차단시킴과 함께 제2제어기로 구동 제어권을 이양시켜 유압 작동기를 구동하도록 제어할 수 있다.
상기 제1,제2제어기는 CPU의 고장을 진단하는 CPU헬스점검 회로를 별도로 구비하여, CPU의 고장 여부에 따라 유압 작동기를 구동하기 위한 신호를 차단한다.
상기 제1,제2제어기는 CPU가 정상인 경우에는 소프트웨어에 의한 고장 진단 및 처리를 수행하여, 구동부 연결 커넥터의 파손과 유압 작동기의 구성품의 단선인 경우 유압 작동기로의 출력을 차단한다.
상기 제1,제2제어기는 CPU가 고장인 경우에는 CPU헬스점검 회로가 유압 작동기로의 출력을 차단한다.
본 발명에 의한 다중화 구동제어기는 이중화 유압 작동기의 구성품의 고장이나 구동제어기의 단일 채널 고장에 의한 EHA 시스템 전체의 고장을 방지하여 시스템 안전성과 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 소프트웨어적인 방식으로 고장 진단이 어려운 치명적인 제어채널의 고장을 회로적인 방식으로 전환하게 됨으로써 제어 안전성과 시스템 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다중화 구동 제어시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중화 구동 제어시스템의 다중화 제어방법의 개략도.
도 3은 가상제어 기법을 적용하여 고장을 판단하는 방법을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에서 단일 채널 고장에 대한 시스템 고장의 차단 방법을 설명하는 개략도.
도 5는 도 4의 CPU 헬스 점검회로의 상세 구성을 나타낸 도면.
본 발명에 의한 전기 유압 작동기(Electro-Hydrostatic Actuator : EHA)의 다중화 구동제어기는 삼중화 제어채널과 이중화 구동채널로 구성된다.
삼중화 제어채널은 효과적으로 고장 판단이 용이하나 이중화된 EHA의 특성상 단일 채널의 고장을 판단할 수가 없다. 즉 두 채널 중 하나의 채널이 고장이 날 경우 어떤 채널이 고장인지 판단할 수가 없다.
이를 보완하는 방법으로 본 발명은 가상 제어 구조의 제어채널을 구성하여 실제로 EHA를 제어할 수는 없지만 EHA를 제어할 수 있는 2개의 제어채널과 정보를 공유하면서 EHA의 위치신호는 입력받을 수 있도록 하면 온전한 3개의 제어채널을 가질 수 있다. 이를 통해 3개의 입력을 가진 제어채널로 고장판단이 용이하게 되며, 이중화된 유압 작동기의 한쪽 채널이나 관련 제어기의 구동채널이 고장날 경우,가상 제어 구조의 제어채널은 고장난 채널의 EHA를 차단시키고, 다른 제어채널로 이관하여 EHA를 계속 동작시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 삼중화되어 있는 제어채널 중에서 CPU 고장이나 내부 커넥터 이탈 등과 같이 소프트웨어적인 고장 진단이 어려운 치명적인 단일 채널 고장이 발생되는 경우에는 하드웨어 차원의 회로적인 방식의 제어권 이양을 통해 EHA 시스템의 전체 고장을 방지한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중화 구동 제어시스템의 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다중화 구동 제어시스템은 크게 3중화된 제어채널을 갖는 구동 제어기(100)와 이중화된 유압 작동기인 EHA(Electro-Hydrostatic Actuator)(120)로 구성된다.
구동 제어기(100)는, CPU가 탑재되고 비행조종컴퓨터(101, 102, 103)와 통신인터페이스를 통해 연결되는 제어기(100a~100c)로 구성된 삼중화 제어기와, 제어기(100a, 100c)의 제어에 따라 이중화된 EHA(120)를 각각 구동하는 구동부(100d, 100e)로 구성된 이중화 구동부를 포함한다. 이때, 제어기(100a~100c)는 각각 제어채널을 형성한다.
상기 EHA(120)는 단일 구조의 유압 실린더(134)를 중심으로 이중화된 전동기(121), 전동기 온도센서(122), 상센서(123), 리졸버(Resolver)(124), 전동기(121)에 의해 속도가 조절되는 펌프(127), 펌프 레벨센서(125), 레저부아(Reservoir)(126), 솔레노이드 밸브(130), 바이패스 밸브(131), 유압 실린더(134)의 내부구조에 장착되는 온도센서(128), 압력센서(129)를 포함한다. 또한, EHA(120)는 유압 작동기(120)의 고장시 대처하기 위한 블로킹(Blocking) 밸브(133) 및 유압 실린더(134)의 직선 거리를 측정할 수 있는 삼중화된 위치센서(132)를 포함하고 있다.
상기 구동 제어기(100)의 제어기(100a~100c)는 제어기 전원(104)으로부터 전원을 공급받으며, 구동부(100d,100d)는 구동 전원(104)으로부터 전원을 공급 받는다.
이와같이 삼중화된 구동제어기(100)와 이중화된 EHA(120)를 일반적인 방식을 통해 전기적으로 연결할 경우에는 제어회로의 복잡도를 상승시키며, 이러한 복잡도는 다중화 제어장치의 신뢰도를 떨어트릴 위험이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 EHA를 삼중화하는 방법이 있으나 이 방법 또한 효율성이나 EHA의 응용분야에서 고려하기 어려운 실정이다.
따라서, 본 발명은 항공기용 전자장비에서 일반적으로 적용하는 방식으로 삼중화되어 있는 구동제어기(100)의 각 제어기(100a~100c)는 각각 비행조종컴퓨터(101~103)로부터 EHA(120)를 동작시키기 위한 구동 명령을 전송받고 구동 결과를 다시 각 비행조종컴퓨터(101~103)로 전송하도록 한다. 이때 제어기(100a~100c)는 내부 통신을 통해 서로 정보를 교환한다. 즉, 삼중화 제어기(100a~100c)는 상호 통신신호(110~112)를 통하여 정보를 교환하여 서로의 정보를 공유하게 된다.
본 발명에서 고장 판단은 위치센서의 위치값에 의한 고장, 위치 센서가 정상일 때 이중화 유압 작동기의 구성품의 고장 및 구동 제어기의 단일 채널 고장(CPU 및 커넥터)등을 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중화 구동 제어시스템의 다중화 제어방법의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와같이, 제어기(100a~100c)는 삼중화된 위치센서(132)로부터 위치값을 제공받아 상호 통신신호(110, 111, 112)를 통해 공유함으로써 유압 작동기(120)의 삼중화 되어있는 위치센서(132)의 위치값을 모두 얻을 수 있다. 이때 각 제어기((100a~100c)는 동일한 위치측정 로직(203)을 가동하여, 각각이 측정한 고유의 위치값과 비교하여 고장 유무를 확인한다. 확인결과 고장이 발생한 경우 각 제어기((100a~100c)는 고장처리 로직(202)을 작동하고, 정상일 경우에는 계속하여 제어알고리즘(201)을 수행하여 그 결과 신호(205, 207)를 타 채널로 전송한다.
즉, 제어기(100a)의 경우 측정된 위치값이 정상적인 위치값으로 확인되면 제어알고리즘(201)을 가동하여 구동부(100d)로 구동제어신호(205)를 전송하고, 자체 상태 점검 및 EHA(120)의 해당 채널의 구성품 상태 점검 결과 고장으로 판별될 경우에는 구동부(100d)와 제어기(100a)의 구동 제어권을 타 채널(100b, 100c)에 이양할 수 있도록 조치한다.
동일한 방식으로 제어기(100c)는 정상적인 위치값이 확인되면 제어알고리즘(201)을 가동하여 구동부(100e)로 구동제어신호(207)를 전송하고, 자체 상태 점검 및 EHA(120)의 해당 채널의 구성품 상태 점검 결과 고장으로 판별될 경우에는 구동부(100e)와 제어기(100c)의 구동 제어권을 타 채널(100a, 100b)로 이양할 수 있도록 조치한다.
도 3은 가상제어 기법을 적용하여 고장을 판단하는 방법을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 제어기(100b)는 구동명령(301)에 대하여 제어기(100a, 100c)의 구동결과와 위치 측정 로직(203)의 정보를 바탕으로 가상 응답(302)을 추출하여 고장 기준과 비교한다.
비교결과, 가상 응답(302) 특성이 고장기준(303) 이내로 정상이면, 제어기(100b)는 제어기(100a, 100c)와 정보를 공유하고, 제어기(100a)와 구동부(100d)의 실제 응답(304) 특성이 역시 고장기준 이내로 정상인 경우에는 계속 제어를 수행할 수 있도록 하고, 제어기(100c)와 구동부(100e)의 실제 응답(305) 특성이 고장기준 (303)을 벗어나면 고장 검출(306) 상황으로 판단한다.
고장 검출(306) 상황이 발생되면 제어기(100b)는 고장 차단(307) 로직을 수행하여, 제어기(100c)와 구동부(100e)를 차단하기 위한 신호(309)를 발생시켜서 관련 채널의 유압 작동기(120)에 있는 바이패스 밸브(131)을 열어 정상인 채널(100a, 100b)로 EHA시스템이 정상적으로 동작할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명에서 단일 채널 고장에 대한 시스템 고장의 차단 방법을 설명하는 개략도이고, 도 5는 CPU 헬스 점검회로의 상세 구성을 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, CPU 헬스 점검(Health Check) 회로(402)는 제어기(100a, 100c)의 CPU(401)의 상태를 점검한다.
제어기(100a, 100c)의 CPU(401)가 정상인 경우에는 소프트웨어에 의한 고장 진단 및 처리를 수행할 수 있다. 그 결과 커넥터(408)의 파손과 EHA(120)의 구성품이 단선인 경우 EHA(120)로의 출력(406, 407)을 안전한 상태로 전환하기 위하여 전동기 구동 신호부(403)에 의한 구동신호(407)와 솔레노이드 밸브 연결회로(405)에 의한 신호(406)를 모두 차단한다.
반면에 CPU(401)가 고장난 경우 CPU 헬스 점검 회로(402)는 구동 차단신호(404)를 출력하여, 전동기 구동신호부(403)와 솔레노이드 밸브 연결회로(405)로부터 구동신호(407)와 신호(406)가 출력되지 않도록 함으로써, 구동부(100d, 100e)의 구동 드라이브(409)는 전동기(121)로 전기신호를 전송하지 못한다.
이때 CPU(401)와 CPU 헬스 점검 회로(402)는 도 5에 도시한 바와 같이, CPU(401)가 정상일 경우(출력 연결 : 1)와 CPU 헬스 점검 회로(402)에 의한 CPU(401) 점검이 정상(출력 1)일 경우에만 AND 게이트(501)의 출력이 1로 출력되어, 정상적으로 해당 제어채널이 동작하게 된다. 반면에, CPU(401) 출력이 0이거나 CPU 헬스 점검 회로(402)가 CPU(401) 고장으로 인식하는 경우에는 EHA(120)의 해당 채널의 솔레노이드 밸브 신호(406)와 전동기 구동신호(407)를 차단함으로써 EHA 시스템의 고장을 회피할 수 있다.
따라서, 이중화되어 있는 유압 작동기의 단일 채널 고장과 유압 작동기를 구동하는 다중화 구동 제어기 내부의 단일 채널 고장이 발생되면 각 채널의 제어기는 해당 고장 정보를 서로 공유하며, 가상 구조의 제어채널은 상기 고장 정보를 근거로 제어권 이양을 제어함으로써 전체 유압 작동기 시스템의 기능 상실을 방지할 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명과 관련된 가상 제어 구조를 포함한 다중화 구동 제어 회로 및 제어 방법, 고장 시 채널 전환 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
100 : 구동제어기 101~103 : 비행 조종 컴퓨터
200 : 유압작동기(EHA) 100a~100c : 제어기
100d, 100e : 구동부 111, 112, 113 : 상호통신 신호
121 : 전동기 122, 128 : 온도센서
123 : 상센서 124 리졸버(Resolver)
125 : 레벨센서 126 : 레저부아(Reservoir)
127 : 펌프(127) 129 : 압력센서
130 : 솔레노이드 밸브 131 : 바이패스 밸브
132 : 삼중화된 위치센서 133 : 블로킹 밸브
134 : 유압 실린더 401 : CPU
402 : CPU 헬스 점검 회로 403 : 전동기 구동신호부
405 : 솔레노이드 밸드 연결회로
408 : 커넥터 409 : 구동드라이브

Claims (8)

  1. 전투기 날개의 조종면을 동작시키기 위한 이중화된 유압 작동기를 구비한 다중화 구동 제어시스템에 있어서,
    구동 명령에 따라 실제 제어 채널을 통해 상기 이중화된 유압 작동기의 구동을 제어하는 제1,제2제어기; 및
    구동 명령에 따라 제1,제2제어기에 의한 유압 작동기의 구동결과를 근거로 제1,제2제어기의 제어채널의 고장을 판단하여, 가상 제어채널을 통해 제1,제2제어기의 구동 제어권을 제어하는 제3제어기;를 포함하며,
    상기 제1,제2제어기는 내부 CPU가 정상인 경우 소프트웨어에 의한 고장 진단 및 처리를 수행하여, 유압 작동기를 구동하는 구동부의 연결 커넥터가 파손되거나 상기 유압 작동기의 구성품이 단선인 경우 유압 작동기로의 출력을 차단하는 것을 특징으로 하는 다중화 구동 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3제어기는
    유압 작동기를 실제로 제어하지 않고 제1,제2제어기와 정보를 공유하는 것을 특징으로 하는 다중화 구동 제어시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3제어기는
    유압 작동기에 있는 삼중화된 위치센서에서 측정된 위치값을 자신의 위치측정로직의 위치값과 비교하여 고장 유무를 확인하여, 정상인 경우에 이중화된 유압 작동기를 구동하거나 가상제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중화 구동 제어시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3제어기는
    구동명령에 대하여 제1,제2제어기의 구동결과와 자체 위치 측정 로직의 정보를 바탕으로 가상 응답을 추출한 후 가상 응답과 고장 기준을 비교하여, 가상 응답 특성이 고장기준 이내이면 정상으로 판단하고 벗어나면 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 다중화 구동 제어시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제3제어기는
    이중화된 유압 작동기의 어느 한쪽 채널이나 제1제어기의 구동채널이 고장난 경우 해당 채널의 유압 작동기는 차단시킴과 함께 제2제어기로 구동 제어권을 이양시켜 유압 작동기를 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중화 구동 제어시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1,제2제어기는
    CPU의 고장을 진단하는 CPU헬스점검 회로를 별도로 구비하여, CPU의 고장여부에 따라 유압 작동기를 구동하기 위한 신호를 차단하는 것을 특징으로 하는 다중화 구동 제어시스템.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1,제2제어기는
    CPU가 고장인 경우에는 CPU헬스점검 회로가 유압 작동기로의 출력을 차단하는 것을 특징으로 하는 다중화 구동 제어시스템.
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