KR101911000B1 - 공진 관성형 액추에이터를 구비한 회전익 항공기 진동 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

공진 관성형 액추에이터용 제어 시스템은 전압 및 전류 피드백에 기초하여 공진 관성형 액추에이터의 작동 파라미터를 추산하고, 공진 관성형 액추에이터의 안전하고, 효과적이며, 비용 효율적인 작동을 유지하기 위해, 선택된 파라미터를 동역학적으로 제한한다. 공진 관성형 액추에이터용 전기 드라이브 내 저항은 전압 및 전류 피드백으로부터 추산되고, 공진 관성형 액추에이터의 모델링과 함께, 다른 작동 파라미터가 계산되거나 달리 추산된다. 명령 신호의 변화에 대한 공진 관성형 액추에이터의 반응성을 고려하여, 명령 신호는 추산된 파라미터를 동역학적으로 제한하도록 조정된다.

Description

공진 관성형 액추에이터를 구비한 회전익 항공기 진동 제어 시스템 {ROTARY WING AIRCRAFT VIBRATION CONTROL SYSTEM WITH RESONANT INERTIAL ACTUATORS}

본 출원은 2011년 2월 4일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/439,710호의 이익을 주장하고, 이는 인용에 의해 포함된다.

본 발명은 항공기 진동 제어 시스템 및 리니어 모터 제어에 관한 것으로, 특히 전기적 및 기계적 출력의 조절과 같은 목적을 위한 진동-상쇄력 발생기의 공진 관성형 액추에이터에 대한 전자 제어에 관한 것이다.

원치 않는 회전익 항공기 진동을 적어도 부분적으로 상쇄시키는데 사용되는 것과 같은 진동 상쇄력 발생기의 공진 관성형 액추에이터는 대략 고유 공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터를 구동시키기 위해 전기 구동 전류를 조절하는 전자 제어 시스템을 포함한다. 회전익 항공기 진동 상쇄 전자 제어 시스템은, 명령 신호를 수신하기 위한 명령 입력부 및 공진 관성형 액추에이터에 전기 구동 전류를 제공하기 위한 전력 증폭기를 포함한다. 공진 관성형 액추에이터로부터 전자 제어 시스템으로의 피드백 시스템은 공진 관성형 액추에이터의 출력에 기초하여 전기 구동 전류를 조정한다.

진동-상쇄력 발생기는 원치 않는 진동을 받는 항공기 기계 구조체에 부착된다. 공진 관성형 액추에이터는 기계 구조체로의 부착을 위한 프레임 및 프레임에 의해 지지되는 전자기적으로 구동되는 용수철 상질량(sprung mass)을 갖는다. 탄성 커플링을 통해 기부 프레임에 연결되는 관성 질량을 포함하는 변형 플레이트(flexure plate)와 같은 용수철 상질량은, 용수철 상질량이 고유 공진 주파수에서 요동되도록 배향된 전자기장을 조절함으로써 전자기적으로 구동된다. 용수철 상질량의 공진 주파수는 기계 구조체가 원치 않는 진동을 받게 될 때의 주파수에 대응하고, 용수철 상질량 요동의 위상은 상쇄 간섭을 생성하기 위해 원치 않는 진동의 위상에 대해 오프셋된다.

명령 신호는 크기 변경된 전기 구동 전류를 공진 관성형 액추에이터에 제공하기 위한 지시로서 입력된 명령에 의해 수용된 가변적인 아날로그 입력 전압일 수 있다. 또한, 전자 제어 시스템에 공진 관성형 액추에이터를 또한 연결하는 피드백 시스템은, 공진 관성형 액추에이터를 통과하는 피드백 전류 및 관성형 액추에이터에 걸친 피드백 전압 양자 모두를 모니터링할 수 있다. 2개의 피드백에 기초하여, 전자 제어 시스템은 관성형 액추에이터 전류 및 전압을 각각의 최대 값으로 제한할 수 있다.

구동 전류로 공진 관성형 액추에이터를 구동할 때, 관성형 액추에이터의 힘 응답에 있어서의 현저한 변경은 관성형 액추에이터의 고유 공진의 주파수를 통한 주파수 스위프(frequency sweep)를 동반하는 것으로 알려져 있다. 한편, 전압 제어는 고유 공진 주파수를 통해 크기 및 위상 양자 모두에 있어서, 훨씬 고른 응답을 갖는 것으로 알려져 있다. 공진 근처에서, 약 전류 루프가 사용되었는데, 이는 공진 근처에서 일부 전압형 성능을 갖는다.

공지된 공진 관성형 액추에이터는 전압, 전류, 힘, 스트로크, 전력 및 온도와 같은 파라미터에 대한 엄격한 설계 제한을 갖는다. 이들 설계 제한 내에서 안전하고 효과적인 작동을 보장하기 위해, 공진 관성형 액추에이터는 일반적으로, 기계 및 전기적 설계에 있어서, 상당한 "오버헤드"로 설계된다. 추가적인 설계 특징부 또는 보다 큰 사이즈 또는 용량으로의 크기 변경을 수반하는 오버헤드는 일반적으로, 보다 무겁고 보다 값비싼 관성형 액추에이터 및 액추에이터 제어부를 초래한다.

실시예에서, 본 발명은 회전익 항공기 기계의 진동 기계 구조체 내에서의 진동의 관리 및 제한을 포함하고, 바람직한 실시예들 중에서, 공진 관성형 액추에이터의 안전하고, 효율적이며, 비용 효율적인 작동을 유지하기 위해, 진동 구조체 내에서의 회전익 항공기 진동 제어 시스템 공진 관성형 액추에이터 작동의 하나 또는 둘 이상의 작동 파라미터를 동역학적으로 제한하기 위한 방법을 포함한다. 또한, 공진 관성형 액추에이터의 작동에 대해 원하는 제어를 달성하기 위해, 명령 신호에 대한 공진 관성형 액추에이터의 반응성이 다루어지거나, 그렇지 않으면 수용된다. 전압, 전류, 전력, 스트로크, 힘 및 온도와 같은 공진 관성형 액추에이터 파라미터는 모니터링되고 동역학적으로 제한된다. 이들 파라미터에 의해 설정되는 것과 같은 설계 제한 내에 공진 관성형 액추에이터의 작동을 유지함으로써, 관성형 액추에이터는 설계 제한에 더욱 근접하게 크기설정 및 그렇지 않으면 설계될 수 있으며, 개선된 효율 및 신뢰성을 갖고 작동될 수 있다.

공진 관성형 액추에이터에 대한 전기 구동 내의 저항은 공진 관성형 액추에이터로부터의 전압 및 전류 피드백으로부터 추산될 수 있으며, 공진 관성형 액추에이터의 모델링과 관련하여, 다른 작동 파라미터가 계산되거나 그렇지 않으면 추산될 수 있다. 명령 신호의 변경에 대한 공진 관성형 액추에이터의 반응은, 관성형 액추에이터의 원하는 출력 달성 및 관성형 액추에이터의 모니터링된 파라미터의 동역학적 제한 양자 모두를 위해 최적화될 수 있다.

전류 제한에 의한 전압 제어는 힘 반응의 평탄도를 개선하는데 사용될 수 있다. 결정된 제한을 초과하여 감지된 전류 값과 관련된 오차 값을 생성하는데, 불감대 전류 루프가 사용될 수 있다. 관성형 액추에이터에 대한 명령 신호는 오차 값의 축적에 응답하여 점진적으로 감소될 수 있다. 응답의 평탄도를 추가적으로 개선하기 위해, 추가적인 필터링이 또한 사용될 수 있다.

디지털 신호 처리(DSR)는 형상 필터링, 저항 및 온도의 온라인 추산, 및 변위 및 힘 계산을 제공한다. 직교 진폭 복조(Quadrature amplitude demodulation)는 관성형 액추에이터의 전압, 전류, 변위, 온도, 힘 및 전력의 크기를 측정하는데 사용될 수 있다.

실시예에서, 본 발명은 진동 구조체 및 진동 구조체 내에서의 공진 관성형 액추에이터 작동의 작동 파라미터를 동역학적으로 제한하기 위한 진동 제어 시스템을 갖는 회전익 항공기에서의 진동 제한 방법을 특징으로 한다. 공진 관성형 액추에이터는 회전익 항공기의 진동 구조체에서 진동에 대응하기 위한 공진 관성형 액추에이터의 근사 공진 주파수(near resonant frequency)에서 구동된다. 또한, 공진 관성형 액추에이터는 별도의 시간 간격 동안 비-공진 주파수에서 간헐적으로 구동된다. 공진 관성형 액추에이터에 전력을 공급하기 위한 전기 회로의 성능은 별도의 시간 간격의 적어도 일부에 걸쳐 모니터링된다. 공진 관성형 액추에이터의 작동 파라미터의 값은 별도의 시간 간격 내에서 전기 회로의 모니터링된 성능에 기초하여 계산된다. 공진 관성형 액추에이터의 요구되는 힘은 임계값과 교차하는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터의 계산된 값에 응답하여 감소된다.

예를 들어, 전류의 저항 값은 모니터링된 성능으로부터 추산될 수 있으며, 이들 저항 값은 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터의 값의 계산에 통합될 수 있다. 작동 파라미터는 액추에이터 변위일 수 있으며, 요구되는 힘은 공진 관성형 액추에이터 임계값과 교차하는 계산된 액추에이터 변위의 값에 응답하여 감소될 수 있다. 액추에이터 힘 파라미터의 형태의 제2 작동 파라미터의 값은 변위 파라미터의 값으로부터 계산될 수 있다. 공진 관성형 액추에이터의 요구되는 힘은 공진 관성형 액추에이터 임계값과 교차하는 힘 파라미터의 계산된 값에 응답하여 감소될 수 있다. 모니터링될 수 있는 다른 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터는, 요구되는 힘의 감소에 의해 제한될 수 있는 관성형 액추에이터의 온도, 및 요구되는 힘을 감소시키기 위한 다른 임계값으로서 사용될 수 있는 액추에이터 전력을 포함한다.

실시예에서, 본 발명은 항공기의 진동 구조체의 진동에 대응하기 위한 회전익 항공기의 진동 제어 시스템을 작동시키는 방법을 특징으로 한다. 공진 관성형 액추에이터를 통한 전류 및 전압은 시간 간격의 적어도 일부에 걸쳐 모니터링된다. 회전익 항공기의 진동 구조체의 진동 주파수 역시 모니터링된다. 시간 영역에 있어서 모니터링된 전류 및 전압은 시간 간격의 적어도 일부에 걸쳐, 수직 방향의 진동 주파수에 대해, 주파수 영역의 복소 전류 및 전압의 값으로 변형된다. 전류 및 전압의 복소수 값은 공진 관성형 액추에이터의 작동 파라미터의 값의 계산에 통합된다. 작동 파라미터의 계산된 값은 공진 관성형 액추에이터에 대해 원하는 작동 범위에 관한 임계와 비교된다. 공진 관성형 액추에이터의 명령 출력은 원하는 범위 내 작동 파라미터의 값을 유지하기 위해 제한된다.

실시예에서, 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터는 바람직하게는, 액추에이터 온도, 액추에이터 변위, 액추에이터 힘 및 액추에이터 전력 중 하나 이상이며, 적어도 부분적으로 전류 및 전압에 대한 평균 복소수 값에 기초하여 계산된 값을 갖는다.

실시예에서, 시간 간격은 복수의 별도의 시간 간격 중 하나일 수 있다. 공진 관성형 액추에이터는 별도의 시간 간격에 대해 모니터링된 주파수로부터 벗어난 비-공진 주파수에서 간헐적으로 구동될 수 있다. 전류 및 전압에 대한 복소수 값은 임피던스의 실수부로서 공진 관성형 액추에이터를 통한 저항 값 추산을 포함하는 계산에 통합될 수 있다. 추산된 저항 값들은 작동 파라미터의 계산에 차례로 통합될 수 있다. 명령 출력은 관성형 액추에이터를 구동시키는 전류 및 전압 중 하나 이상을 제한함으로써 제한될 수 있다.

실시예에서, 본 발명은 공진 관성형 액추에이터 제어기 및 공진 관성형 액추에이터를 포함하는 기계를 포함하고, 공진 관성형 액추에이터는 공진 주파수를 가지며, 공진 관성형 액추에이터 제어기는 근사 공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터를 전자기적으로 구동시키며, 근사 공진 주파수는 공진 주파수에 근접하며, 공진 관성형 액추에이터 제어기는 별도의 시간 간격 동안 비-공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터를 간헐적으로 구동하며, 비-공진 주파수는 공진 주파수로부터 멀리 떨어져 있고, 공진 관성형 액추에이터 제어기는 별도의 시간 간격의 적어도 일부에 걸쳐 공진 관성형 액추에이터를 통한 전류 및 전압을 모니터링하고, 제어기는 별도의 시간 간격 내에서 모니터링된 전류 및 모니터링된 전압에 기초하여 공진 관성형 액추에이터의 작동 파라미터 값을 계산하고, 제어기는 임계값과 교차하는 계산된 작동 파라미터 값에 응답하여 공진 관성형 액추에이터의 요구되는 힘을 감소시킨다.

전술한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 양자 모두는 본 발명의 예시이며, 본 발명의 특징 및 특성을 청구된 바대로 이해하기 위한 뼈대 또는 개요를 제공하고자 하는 것임을 이해해야 한다. 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위해, 첨부 도면이 포함되어 있으며, 첨부 도면은 본 명세서의 일부에 통합되어 그 일부를 구성한다. 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 예시하고, 설명과 함께 본 발명의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다.

도 1은 전자기적 관성형 액추에이터의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 전자기적 관성형 액추에이터의 바닥 절반부의 사시도.
도 3은 평판 보이스 코일 모터의 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 평판 보이스 코일 모터의 배면도.
도 5는 도 3에 도시된 평판 보이스 코일 모터의 좌측 절반부의 사시도.
도 6은 평탄 보이스 코일 모터가 하방 위치에 배치되어 있는 전자기적 관성형 액추에이터를 도시하는 도면.
도 7은 평탄 보이스 코일 모터가 상방 위치에 배치되어 있는 전자기적 관성형 액추에이터를 도시하는 도면.
도 8은 평탄 보이스 코일 모터에서의 자속을 도시하는 도면.
도 9는 평탄 보이스 코일 모터에 의해 생성되는 힘 대 모터의 스트로크를 보여주는 플롯을 도시하는 도면.
도 10은 변형 스택의 사시도.
도 11a 내지 도 11n은 전자기적 관성형 액추에이터의 보이스 코일 모터에 대한 보이스 코일/자석 배열을 도시하는 도면.
도 12는 진동 제어 시스템을 포함하는 항공기를 도시하는 도면.
도 13은 도 1에 도시된 전자기적 관성형 액추에이터의 변형예의 사시도.
도 14는 도 1에 도시된 전자기적 관성형 액추에이터의 변형예의 사시도.
도 15a 및 도 15b는 공통 주파수 영역에 걸쳐 크기 및 위상의 측정에 있어서, 전류 제어와 전압 제어를 비교하는 플롯을 포함하는 도면.
도 16은 전압 제어에 있어서, 힘 응답의 평탄도를 개선하고자 하는 기준 이득 기능의 플롯을 포함하는 도면.
도 17a 및 도 17b는 기준 이득 형상화를 이룬 경우와 그렇지 않은 경우에 있어서 전압 제어를 비교하는 플롯을 포함하는 도면.
도 18a 및 도 18b는 저항을 평가하기 위해 액추에이터의 비-공진 요동과 관련된 전압 신호 및 수반하는 액추에이터 힘의 플롯을 포함하는 도면.
도 19는 피드백 전류 및 전압으로부터 액추에이터의 저항을 추산하기 위한 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 20은 직교 진폭 복조 및 블록 평균화를 실행하기 위한 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 21은 저항에 대한 추산에 기초하여 변위 및 힘을 추산하기 위한 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 22는 RMS 전력 계산과 함께, 전류, 전압, 변위 및 힘을 추산하기 위해 직교 진폭 복조를 실행하기 위한 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 23a 내지 도 23c는 공통 시간 간격에 걸쳐 동적 출력 제한의 효과를 보여주는 전력, 중량 및 힘의 플롯을 포함하는 도면.
도 24는 FPGA 모터 제어 구성의 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 25는 모터 제어 구성 내 보간 필터의 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 26a 내지 도 26c는 공통 시간 간격에 걸친, 제로 스터프된 샘플링(zero stuffed sampling) 및 보간 전압과 함께 전압 명령에 기초한 보간 필터의 효과를 보여주는 플롯을 포함하는 도면.
도 27a 내지 도 27c는 보간 전압 및 감지 전류에 관하여 상당한 임펄스를 받는 전압 명령에 기초한 보간 필터의 효과를 보여주는 플롯을 도시하는 도면.
도 28은 전압 레일 보상기의 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 29는 보상기에 대한 정규화 인자를 모델링한 도면.
도 30a 내지 도 30c는 공통 시간 간격에 걸쳐, 전압 레일의 전압, 정규화 인자 및 감지된 전압에 관하여 전압 레일 보상기의 결과를 시뮬레이션한 플롯을 도시하는 도면.
도 31a 및 도 31b는 전압 레일 보상을 수반하는 액추에이터의 힘 출력 상의 외란의 제한된 효과를 보여주는 플롯을 포함하는 도면.
도 32는 불감대 전류 루프의 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 33은 불감대 전류 루프와의 사용을 위한 PI 보상기의 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 34a 내지 도 34c는 불감대 전류 루프가 무시할 수 있는 전류 오차 및 미변경 정규화 듀티 명령 및 전류 제한을 초과하는 감지된 전류에 의해 반영되는 것과 같이 비활성화 상태인 잠재적인 과전류 상태에 대응하는 플롯을 포함하는 도면.
도 35a 내지 도 35c는 불감대 전류 루프가 측정된 전류 오차 및 제한 전류 내 잔류하는 감지된 전류를 초래하는 변경된 정규화 듀티 명령에 의해 반영되는 것과 같이 활성화 상태인 동일한 잠재적인 과전류 상태에 대응하는 플롯을 포함하는 도면.
도 36은 잠재적인 과전류 상태와 동일한 시간 간격에 걸쳐 대응하는 힘 출력의 플롯을 포함하는 도면.
도 37은 관성형 액추에이터를 구동하기 위한 H 브리지 모터 구동기의 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 38은 관성형 액추에이터의 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 39는 액추에이터의 전기 제어 부분의 개략적인 모델을 도시하는 도면.
도 40은 액추에이터의 기계 제어 부분의 개략적인 모델을 도시하는 도면.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 후속하는 상세한 설명에 개시될 것이며, 부분적으로는 상기 상세한 설명으로부터 당업자에게 분명히 명백할 것이며 또는 첨부된 도면뿐만 아니라, 특허청구범위를 따르는 상세한 설명을 포함하여, 본 명세서에 설명된 것과 같이 본 발명을 구현함으로써 인식될 것이다. 이제, 첨부 도면에 그 예가 예시되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 참조될 것이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 리니어 모터, 특히 바드레-알람(Badre-Alam) 등의 미국 특허 제7,686,246호 및 바드레-알람 등의 국제특허 출원 공개 WO 2010/053933호(이들 2건의 특허 문헌은 본 명세서에 참고로 포함됨)에 개시된 것과 같은 공진 관성형 액추에이터의 제어에 대한 개선을 제공한다.

도 1은 당해 제어가 본 발명의 이점을 취하는 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)를 도시한다. 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)는 부착 플레이트(2) 및 장착 기부(4)를 갖는 지지 기부(3)를 포함한다. 부착 플레이트(2)는 장착 기부(4)에 일체로 형성되거나 그렇지 않으면 부착될 수 있다. 장착 기부(4)의 바닥은 예를 들어, 볼트 또는 다른 적합한 부착 수단에 의해 항공기 구조체와 같은 기계 구조체에 부착될 수 있다. 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)는 또한, 제1 변형부(7), 보이스 코일 모터부(9) 및 제2 변형부(11)의 평행 배열체(5)를 포함한다. "보이스 코일 모터"는 영구적 자기장에서 와이어의 코일을 사용하는 포지셔닝 장치이다. 평행 배열체(5)에서 제1 변형부(7)는 제2 변형부(11)로부터 이격되고, 보이스 코일 모터부(9)는 변형부(7)와 변형부(11) 사이의 공간에 배치된다.

평행 배열체(5)는 변형부(7, 11) 및 보이스 코일 모터부(9)가 외팔보 방식으로 지지 기부(3)로부터 외측으로 연장하는 상태로, 지지 기부(3)로부터 외팔보 구조를 취한다. 각각 지지 기부(3)에 결합되는 변형부(7, 11)의 단부(8,12)는 변형부(7, 11)의 고정 또는 지지 단부이다. 지지 기부(3)에 부착되지 않는 변형부(7, 11)의 단부(10, 14) 각각은 변형부(7, 11)의 이동 또는 미지지 단부이다. 변형부(7, 11)의 각각의 미지지 단부(10, 14)는 보이스 코일 모터부(9)의 자석부(13)에 결합된다.

자석부(13)에 추가하여, 보이스 코일 모터(9)는 또한, 상호작용 구동 코일부(도 2 및 도 3의 "15")를 포함한다. 상호작용 구동 코일부(도 2 및 도 3의 "15")는 바람직하게는, 상호작용 구동 코일부(도 2 및 도 3의 "15")가 자석부(13) 및 그와 관련된 외팔보식 변형-지지 부재로부터 바람직하게는 공기 공간 간극을 두고 물리적으로 이격된 상태로, 지지 기부(3)에 물리적으로 접지된다.

스프링-질량 액추에이터 시스템에서, 외팔보식 변형-지지 자석부(13) 및 그 관련 외팔보식 변형-지지 이동 질량 부재는 용수철 이동 상질량을 나타내고, 변형부(7, 11)는 스프링을 나타낸다. 자석부(13)는 자기장을 생성한다. 물리적으로 접지된 비-용수철, 비-이동 코일부(15)에 교류가 공급되는 경우, 코일부(15)는 외팔보식 변형-지지 용수철 이동 상질량 자석부(13)를 진동시키는 전자기적 구동력을 생성하기 위해, 용수철 이동 상질량 자석부(13)에 의해 생성되는 자기장과 상호작용한다. 용수철 이동 상질량 자석부(13)는 상기 자석부가 전자기적으로 구동될 때, 포물선을 그리며 이동한다(즉, 지지 기부(3)(및 접지 코일(15))에 대해 수직 방향을 따라 상하로 이동하고, 그리고 포물선을 따르는 동시에, 지지 기부(3)에 대해 그리고 지지 기부와 상관 없이 이동함). 코일부(도 2 및 도 3의 "15")에 공급되는 교류의 주파수가 스프링-질량 시스템의 고유 주파수와 동일하다면, 자석부(13)의 편위(excursion)는 매우 커질 수 있다. 편위가 커질수록, 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)의 출력 힘은 커진다.

도 2는 보이스 코일 모터부(9)의 내부도를 보여주는 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)의 절단도를 도시한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 보이스 코일 모터부(9)는 직사각형 보이스 코일 모터이다. 자석부(13)는 영구 자석(17, 19, 21, 23)을 포함한다. 영구 자석(17, 19, 21, 23)은 평탄(평면)이고, 직사각형의 횡단면을 갖는다. 도 2의 실시예에서, 자석부(13)는 4개의 영구 자석을 갖는다. 대안적인 실시예에서, 자석부(13)는 (도 11a 내지 도 11n을 참고하여 이하에서 보여지는 바와 같이) 보다 많은 수 또는 보다 적은 수의 영구 자석을 가질 수 있다. 일반적으로, 4개의 자석은 가우스 자기장과 중량 사이의 우수한 균형을 제공한다. 영구 자석(17, 19, 21, 23)은 서로 평행한 배열을 형성하고 이격되어 있다.

도 3을 참조하면, 인접한 영구 자석(17, 19) 사이에 간극(25)이 형성되고, 인접한 영구 자석(21, 23) 사이에 간극(27)이 형성된다. 저탄소강과 같은 강자성 재료로 제조되는 수직 플레이트(31)가 영구 자석(19, 21) 사이에 배치된다. 강자성 재료로 제조되는 수직 플레이트(33, 35)는 또한 영구 자석(17, 23)에 인접하여 배치된다. 도 3에서, 강자성 재료로 제조되는 수평 플레이트(37, 39)는 영구 자석(17, 19, 21, 23)의 상단 및 바닥에 인접하여 배치된다. 또한, 도 3에서, 강자성 플레이트(31, 33, 35, 37, 39)는 영구 자석(17, 19, 21, 23) 주위에 인클로저를 형성하여 자속 경로를 안내하기 위해, 예를 들어 볼트에 의해 함께 고정된다. 대안적인 실시예에서, 강자성 플레이트(31, 33, 35, 37, 39)는 별도의 피스로서 제공되는 대신, 단일 하우징으로 함께 통합될 수 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 영구 자석(17, 19, 21, 23)은 마찰에 의해 강자성 플레이트(31, 33, 35, 37, 39)에 인접하여 제 위치에 확고하게 유지된다. 대안적인 실시예에서, 영구 자석은 강자성 플레이트에 접합되어 영구 자석을 제 위치에 고정할 수 있다.

계속하여 도 3을 참조하면, 보이스 코일 모터부(9)의 코일부(15)는 간극(25, 27)에 위치되는 코일(41)을 포함한다. 도 3에 도시된 것과 같은 코일(41)은 보빈(43) 상에 권취된다. 코일(41)은 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 타원형 또는 직사각형 형상으로 권취된다. 코일(41)은 구리 와이어 또는 다른 적합한 전도성 와이어 재료로 제조될 수 있다.

도 4에서, 보빈(43)은 구멍이 형성되어 있는 플랜지(45)를 갖는다. 플랜지(45)는 보빈(43)을 지지체(도 1 및 도 2의 "3")에 부착하는데 사용된다. 도 2에서, 볼트(46)는 보빈(43)이 지지 기부(3)에 부착되는 곳을 가리킨다. 볼트 및 플랜지 외에, 보빈(43)을 지지 기부(3)에 부착하기 위한 다른 기술이 사용될 수 있다. 일반적으로, 보빈(43)은 상기 보빈이 지지 기부(3)로부터 외팔보식으로 구성되고, 변형부(7, 11)와 평행 배열로 구성되도록, 지지 기부(3)에 부착되어야 한다. 대안적인 실시예에서, 보빈(43)은 생략될 수 있으며, 코일(41)은 보빈의 조력 없이도 원하는 형상으로 권취될 수 있다. 이 경우에, 코일(41)은 간극(25, 27)에서의 이동이 자유로울 것이다.

도 2에서, 자석부(13)와 코일(43)의 말단부들 사이에 조정 가능한 간극(47)이 존재한다는 것에 또한 주목해야 한다. 간극(47)은 자석부(13)가 지지 기부(3)에 대해 곡선으로 이동할 수 있도록, 바람직하게는 수직 이동 및 둘쭉날쭉한 축선 방향 이동의 조합으로부터 원호를 그릴 수 있도록 한다. 바람직하게는, 전자기적 공진 관성형 액추에이터 곡선 궁형 이동 질량은 원호를 그리도록 곡선으로 이동하게끔 전자기적으로 구동된다.

또한, 도 2에서, 요크(즉, 함께 결합되는 프레임)(49)가 자석부(13)에 결합된다. 예를 들어, 이러한 결합은 요크(49)를 강자성 플레이트(33, 35)에 볼트결합시키는 것을 포함할 수 있다. 자석부(13)가 이동할 때, 커플링의 온전함이 온전한 상태로 유지된다면, 요크(49)를 자석부(13)에 결합시키는 다른 수단이 사용될 수 있다.

도 5는 보이스 코일 모터부(9)에 대한 절단도를 도시한다. 도 5에서, B는 자석(17, 19, 21, 23)에 의해 생성되는 간극(25, 27) 내 자기장을 가리킨다. 교류(i)가 코일(41)에 공급되면, 코일(41)의 권선은 자석부(13)를 구동(이동)시키는 힘(f)을 이행하도록 간극 내 자기장(B)과 상호작용한다.

도 1을 참조하면, 자석부(13)에 결합된 변형부(7, 9)는 수직 방향을 따른 자석부(13)의 이동을 허용한다. 변형부(7, 9)의 외팔보식 배열로 인해, 자석부(13)는 자석부가 수직 방향을 따라 상하로 이동할 때, 축선 방향을 따라 내부 및 외부로 이동하여, 이에 의해 바람직하게는 원호를 그리는 곡선 이동 질량 트레이스를 제공한다. 도 6은 변형부(7, 11)가 하방으로 편향되어 있는 하방 위치에서의 자석부(13)를 도시한다. 도 7은 변형부(7, 11)가 상방으로 편향되어 있는 상방 위치에서의 자석부(13)를 도시한다. 자석부(13)는 자석부가 수직 방향을 따라 상하로 이동할 때, 축선 방향을 따라 내부 및 외부로 이동한다. 앞서 설명한 바와 같이, 지지 기부(3)에 대한 자석부(13)의 축선방향 이동을 수용하기 위해, 자석부(13)와 코일(도 2의 "41") 사이에 간극(도 2의 "47")이 존재한다. 도 8은 코일(41)의 권선이 영구 자석(17, 19, 21, 23)에 의해 간극(25, 27)에 생성되는 자기장과 상호작용할 때, 강자성 플레이트(31, 33, 35, 37, 39) 내 자속 경로를 도시한다. 도 9는 모터의 스트로크의 함수로서 모터에 의해 생성되는 힘의 예시적 플롯을 도시한다. 도 9는 전술한 바와 같은 보이스 코일 모터에 의해 생성된 힘은 초소량의 힘 감소가 스트로크의 단부에서 일어나지만 본질적으로는 선형인 것을 보여준다. 사용 시, 보이스 코일 모터에 의해 생성되는 힘은 지지체(도 1의 "3")에 전달된다. 지지체가 구조체에 부착되면, 지지체에 전달되는 힘은 구조체의 진동에 대응하기 위해 사용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 변형부(7, 11)는 2개의 변형 스택(50)으로 구성된다. 대안적인 실시예에서, 보다 많거나 보다 적은 수의 변형 스택이 변형부(7, 11) 각각에 포함될 수 있다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 스택(50)을 도시한다. 도 10의 실시예에서, 변형 스택(50)은 쐐기부(54)가 삽입되어 있는 변형체(52)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 쐐기부(54)는 변형체(52)의 단부에 근접하여 있고, 변형체 길이를 따라 연장하지 않아 스택(50)의 중앙에는 쐐기부(54)가 존재하지 않는다(상대적으로 짧은 쐐기부가 바람직하게는 변형체와 클램프(58)의 단부 근처에 접합되고, 변형체의 중앙 구역을 통과하여 변형체의 전체 길이로 연장되지는 않는다).

각각의 변형체(52)는 빔 플레이트의 형태이다. 변형체(52)는, 금속성, 비-금속성, 또는 복합물일 수 있는 비-탄성중합체성 재료로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 변형체(52)는 복합물 또는 비-금속성 재료로 제조된다. 일 실시예에서, 변형체에 적합한 복합 재료는 중합체 수지 내 보강 섬유로 구성된다. 다른 실시예에서, 변형체에 적합한 복합 재료는 탄소-섬유 보강 복합물로 구성된다. 다른 실시예에서, 탄소-섬유 보강 복합물은 경화 중합체 매트릭스 내 탄소 섬유로 구성된다. 다른 실시예에서, 탄소-보강 섬유 복합물은 경화 에폭시 매트릭스 내 탄소 섬유로 구성된다. 쐐기부(54)는 금속 또는 탄성중합체로 제조될 수 있으며, 탄성중합체가 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 쐐기부에 대한 탄성중합체성 재료는 포스트-가황 고무(post-vulcanized rubber)이다. 바람직한 실시예의 쐐기부(54)는 쐐기부의 단부 및 클램프(58) 근처에서 변형체(54)에 접합되고, 쐐기부는 이들이 보이스 코일 모터의 스트로크에 의해 이동할 때, 변형체의 프레팅(fretting)을 억제한다. 바람직하게는, 접합된 탄성중합체성 쐐기부(54)는 변형체(54)의 프레팅을 억제하기 위해 제공된다.

변형 스택(50)의 말단부는 변형 클램프(58) 내 개구(56)에 삽입되어 예를 들어, 마찰에 의해 개구(56)에 보유된다. 변형 클램프(58)는 이중 열 볼트 배열체(60)(즉, 열들이 클램프의 양 측면 상에 위치되는 2열의 볼트)를 가지며, 이 배열체에 의해, 변형 스택(50)은 브라킷(도 1의 "49") 및 수직 지지체(도 1의 "3")에 확실하게 부착될 수 있다. 이중 열 볼트 배열체(도 10의 "60")는 클램프(58)가 브라킷 또는 수직 지지체에 고정될 때, 클램프 강도를 개선하고, (이중 열 볼트 배열체의) 볼트 상의 모멘트 하중을 감소시킨다.

도 1을 참조하면, 변형 스택(50)은 공진 관성형 액추에이터(1)의 전체 길이에 걸쳐 연장하며, 이로써 보이스 코일 모터부(9)의 큰 스트로크가 가능하게 된다. 큰 스트로크는 공진 관성형 액추에이터(1)의 큰 출력 힘을 도출한다. 변형 스택(50)은 5개의 방향(측방, 길이방향 및 3개의 회전 방향)으로는 매우 뻣뻣하지만, 수직 방향으로는 신축적이기 때문에, 보이스 코일 모터부(9)의 자석부(13)의 곡선 운동이 가능하다. 변형부(7, 11) 및 보이스 코일 모터부(9)의 컨틸레버식 배열은 보이스 코일 모터부(9)의 스트로크 전반에 걸쳐, 변형부(7, 11)에 대한 보이스 코일 모터부(9)의 평행 배향을 유지한다.

도 11a 내지 도 11n은 전자기적 공진 관성형 액추에이터(도 1의 "1")의 보이스 코일 모터부(도 1의 "9")에 유용한 보이스 코일/자석 배열체의 다양한 예를 도시한다. 이들 배열체는 간극이나 복수의 평행 간극을 형성하는, 강자성 하우징(34) 또는 복수의 강자성 플레이트(34)를 포함한다. 이들 배열체는 간극(들)에 배치되는 하나 또는 둘 이상의 영구 자석(36) 및 영구 자석(들)(36)에 인접하여 배치되는 하나 또는 둘 이상의 코일(38)을 더 포함한다. 코일(38)은 전술한 것과 같이 전형적으로 환형 또는 직사각형이다. 도 11k 내지 도 11n에 도시된 바와 같이, 다수의 코일(38)이 적층형 배열체에 사용될 수 있다. 도 11a에 도시된 배열체는 도 5 및 도 8을 참조하여 전술한 배열체와 유사하다.

도 12는 회전축을 중심으로 회전하는 하나 이상의 회전 블레이드를 구비한 회전익 시스템을 갖는 항공기 기계(61)를 도시한다. 사용 시, 회전익 시스템은 고질적인 구조적 진동을 발생시킨다. 항공기(61)에 대한 진동 제어 시스템은 고질적인 구조적 진동을 감지하기 위해, 항공기 상에 장착되는 하나 이상의 센서(63)(예를 들어, 가속도계)를 포함한다. 진동 제어 시스템은 항공기(61) 상에 외팔보식으로 장착되는 하나 이상의 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)를 또한 포함한다. 진동 제어 시스템은 제어기(65)를 또한 포함한다. 제어기(65)는 단지 예시의 목적으로, 항공기 기계의 외부에 도시한다. 실제로, 제어기(65)는 항공기의 기내에 있을 것이다. 제어기(65)는 고질적인 구조적 진동을 나타내는 진동 센서(들)(63)로부터의 신호를 수신한다. 이어서, 제어기(65)는 신호를 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)에 보내어, 고질적인 구조적 진동에 대응하는 힘을 생성시킬 것을 전자기적 공진 관성형 액추에이터(들)(1)에 지시한다. 바람직하게는, 제어기는 액추에이터의 용수철 이동 상질량 자석부(13)가 지지 기부에 대해 곡선 원호를 따르고 지지 기부가 항공기 기계 구조체에 물리적으로 접지된 상태로, 복수의 전자기적 공진 관성형 액추에이터를 구동시킨다. 바람직하게는, 공진 관성형 액추에이터의 용수철 이동 상질량 자석부(13)는 접합된 탄성중합체 단부 프렛 억제 쐐기부를 구비한 복합 변형체에 의해 외팔보 지지 및 스프링 지지된다.

일 실시예에서, 본 발명은 항공기 기계(61)를 포함하고, 상기 기계는 공진 관성형 액추에이터 제어기(65) 및 공진 관성형 액추에이터(1)를 포함하며, 공진 관성형 액추에이터는 공진 주파수를 갖고, 공진 관성형 액추에이터 제어기는 근사 공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터를 전자기적으로 구동하며, 상기 근사 공진 주파수는 공진 주파수에 인접하고, 공진 관성형 액추에이터 제어기는 별도의 시간 간격 동안 비-공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터를 간헐적으로 구동시키며, 비-공진 주파수는 공진 주파수로부터 멀리 떨어져 있고, 공진 관성형 액추에이터 제어기는 별도의 시간 간격의 적어도 일부에 걸쳐 공진 관성형 액추에이터를 통한 전류 및 전압을 모니터링하며, 제어기는 별도의 시간 간격 내에서 모니터링된 전류 및 모니터링된 전압에 기초하여 공진 관성형 액추에이터의 작동 파라미터 값을 계산하며, 제어기는 임계값과 교차하는 계산된 작동 파라미터 값에 응답하여 공진 관성형 액추에이터의 요구되는 힘을 감소시킨다. 바람직하게는, 공진 관성형 액추에이터(1)는 바람직하게는, 포물선을 그리며 이동하는 용수철 이동 상질량 자석부를 갖는 외팔보식 공진 관성형 액추에이터이다. 바람직하게는, 외팔보식 공진 관성형 액추에이터는, 포물선을 그리며 이동하는 용수철 이동 상질량 자석부를 제공하는 복합 변형체를 구비한 상태로, 인접한 복합 변형체들 사이에 접합된 탄성중합체 단부 프렛 억제 쐐기부(54)를 구비한 인접한 복합 변형체(52)를 갖는다. 바람직하게는, 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터는 액추에이터 온도, 액추에이터 변위, 액추에이터 힘 및 액추에이터 전력을 포함하는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터 군으로부터 선택된 하나 이상의 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터이다. 바람직하게는, 제어기는 요구되는 힘 전력으로 근사 공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터를 전자기적으로 구동하고, 제어기는 요구되는 힘 전력보다 작은 비-공진 주파수 전력으로 비-공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터를 구동한다.

도 13은 도 1의 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)의 변형예(1A)를 도시한다. 도 13에서, 예를 들어 철과 같은 금속으로 제조된 중량(70)은 보이스 코일 모터부(9)에 결합된다. 중량(70)은 용수철 이동 상질량에 질량을 추가한다. 도 13에 도시된 지지 기부(3A)의 장착 기부(4A)는 도 1에 도시된 장착 기부(4)와 상이하다. 도 13의 기부(4A)는 기부(4A)의 일 측부를 통해 기부(4A)를 구조체에 장착할 수 있는 귀형상부 또는 플랜지(72)를 갖는다(비교로, 도 1의 기부(4)는 기부의 바닥을 통해 구조체에 장착될 수 있다). 도 13에서, 지지 기부(3A)에서의 변형 클램프(58A)는 도 1에 도시된 지지 기부(3)에서의 변형 클램프(58)와는 상이하다. 도 13에 도시된 변형 클램프(58A)의 각각은 다수의 변형 스택의 단부를 수용할 수 있다. 도 1에 도시된 변형 클램프(58)는 단일 변형 스택의 하나의 단부만을 수용할 수 있다.

도 14는 도 1의 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1)의 변형예(1B)를 도시한다. 변형예(1B)는 주로 지지 기부에 관하여 도 1에 도시된 실시예와는 상이하다. 도 14에서, 지지 기부(3B)는 평행 플레이트(74, 76)를 포함한다. 일 단부에서의 변형 스택(50)은 평행 플레이트(76)에 대한 변형 클램프(58)의 부착을 통해, 평행 플레이트(76)에 결합된다. 타단부에서의 변형 스택(50)은 자유롭게 이동하며, 평행 플레이트(74)에 결합되지 않는다. 평행 플레이트(74, 76)는 프레임(78)에 부착되어, 지지 기부(3B)의 강성을 보장한다. 평행 플레이트(74, 76)는 구조체에 연결될 수 있는 귀형상부 또는 플랜지(74A, 76A)를 포함한다. 지지 기부(3B)는 전자기적 공진 관성형 액추에이터(1B)가 측면으로 구조체에 장착될 수 있게 한다. 변형 스택(50) 및 보이스 코일 모터(9)의 외팔보식 평행 배열체는 상기 배열체를 평행 플레이트 중 하나, 즉 평행 플레이트(76)에만 고정함으로써 유지된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 예를 들어, 전류 제한을 갖는 전압 제어 시스템에 의한 공진 관성형 액추에이터의 제어 및 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 크기 및 위상 응답 양자의 개선된 평탄성을 갖는 제어 시스템을 포함하며, 이는 기부 입력 거부를 개선하고, 주어진 임계를 초과하는 전류를 제한하는데 불감대 전류 루프를 사용하게 된다. 바람직하게는, 제어 시스템은 전압, 전류, 전력, 스트로크, 힘 및 온도를 포함하는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터 군으로부터 선택되는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터와 같은 공진 관성형 액추에이터의 작동 파라미터의 동역학적 제한 및 모니터링을 제공한다.

바람직하게, 이러한 개선은 디지털 신호 처리(DSP), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA) 모터 제어, 및 필터링을 통해 구현된다. 디지털 신호 처리(DSP)에 대한 개선은 바람직하게는, (a) 주파수 의존 이득을 제공하기 위한 형상 필터링, (b) 저항 및 온도의 온라인 추산, (c) 변위 및 힘의 계산, (d) 계산된 실효값(rms) 전력에 따른, 전압, 전류, 전력, 변위 및 힘을 모니터링하기 위한 직교 진폭 복조, 및 (e) 전압, 전류, 전력, 변위, 힘 및 온도의 동역학적 제한을 포함한다.

공진 관성형 액추에이터의 앞선 예에 있어서의 제어 시스템과는 달리, 본 발명의 실시예는 바람직하게는, 전류 제어 보다는 전압 제어에 기초한다. 비록, 전압 제어는 공진 관성형 액추에이터의 고유 공진 주파수 근처에서 힘 응답에 있어서 현저한 변화를 겪지는 않지만, 도 15a 및 도 15b의 크기 대 주파수 및 위상 대 주파수에 의해 예시되는 것과 같은 요동 주파수의 의도된 작동 범위에 걸친 힘 응답의 일부의 추가적인 평탄화가 여전히 가능하다. 예를 들어, 요동 주파수의 작동 범위를 통한 액추에이터 힘 응답은 이하의 관계에 따라 변형되는 이득 대 주파수 프로파일에 의해 공진 관성형 액추에이터를 구동시키기 위한 반응성 증폭기를 제공함으로써 추가로 평탄화될 수 있다.

21

여기서, ω_nom은 공칭 주파수이고, ω는 구동 주파수이다.

도 16은 작동 주파수 범위에 걸친 기준 이득 함수를 도시하고, 도 17a 및 도 17b는 각각, 이득 프로파일을 재형성하기 위한 기준 이득 함수를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우에 있어서의 전압 제어 반응을 대조하는, 작동 범위에 걸친 공진 관성형 액추에이터의 크기 및 위상 반응을 도시하고 있다.

비-공진에서 공진 관성형 액추에이터를 작동시키고, 공진 관성형 액추에이터를 통한 피드백 전류(i) 및 전압(v)의 값을 처리함으로써, 저항의 실시간 최신 온라인 추산을 얻을 수 있다. 공진 관성형 액추에이터의 스트로크, 힘 및 온도의 표시는 공진 관성형 액추에이터의 구동 회로(주로, 코일) 내의 저항의 추산으로부터 기인할 수 있다. 공진 관성형 액추에이터의 구동 회로 내 저항은 전자기 코일의 가열을 수반하는 온도 상승에 의해 영향을 받을 것으로 예상되므로, 온라인으로 가장 잘 추산된다. 저항은 임피던스의 실수부로부터 기인할 수 있다.

저항의 추산은 임피던스의 역(반대) 기전력(bemf) 부분이 무시될 수 있도록, 비-공진 주파수에서 무시할 수 있는 스트로크를 통해 공진 관성형 액추에이터를 구동시킴으로써 실행될 수 있다. 예를 들어, 도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같이, 공진 관성형 액추에이터는 5 Hz에서 5초 동안, 5 볼트 신호로 요동(버즈음 발산)될 수 있다. 구동 신호는 바람직하게는, 구조체 상에 임의의 급작스런 힘의 생성을 방지하기 위해 슬루 레이트(slew-rate)된다(이러한 버즈는 바람직하게는 2 와트 미만의 전력을 사용함).

도 19는 저항이 추산될 수 있는 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 전류(i) 및 전압(v)에 대한 피드백 값은 2.5 내지 10 Hz에서 4차 IIR 버터워스 대역 패스 필터에 의해 필터링된다. 전류(i) 및 전압(v)의 필터링된 시간 영역 신호는 2차 2 Hz 로 패스 필터에 의한 직교 진폭 복조를 사용하여 복소 전류(I) 및 복소 전압(V)의 복소수(즉, 주파수) 영역 신호로 변환된다. 공진 관성형 액추에이터의 5초 요동(버즈) 중 1초를 대기한 후에, 복소 전류(I) 및 복소 전압(V)의 4초 블록 평균이 취득된다. 평균 복소 전압(V)은 평균 복소 전류(I)로 나누어지고, 임피던스의 실수부는 아래에서 볼 수 있는 바와 같이 저항(R)으로서 추산된다.

22

복소 전류(I) 및 복소 전압(V)의 직교 진폭 복조 및 블록 평균화가 도 20의 개략적인 도면에 의해 설명된다.

코일(즉, 구동 회로의 주요 부분)의 온도(T)는 코일 저항의 변화로부터 추산될 수 있다. 저항과 온도 사이의 관계가 이하에 제시된다.

23

여기서, T_ref는 주위(실내) 온도이고, R_ref는 주위 온도(T_ref)에서 측정된 저항이며, R은 보다 최근(예를 들어, 최신)의 저항 추산이고, λ는 코일 내 구리 와이어에 대해 λ=0.00393과 같은, 저항 온도 계수이다.

바람직하게는, 저항 "R"은 추산된 온도(T)의 변경을 모니터링하기 위해 주기적으로(예를 들어, 30초 마다) 추산된다. 온도 제한 방식은 액추에이터 코일을 보호하기 위해 구현되며, 여기서 요구되는 힘은 온도가 제한 미만으로 감소될 때까지 제한된다. 액추에이터의 힘 출력에 있어서의 임의의 감소는 바람직하게는 힘과 전력에 있어서의 감소에 응답하도록 온도(T)에 대해 충분히 느린 속도로 실행된다.

저항(R) 추산은 또한, 개회로 및 단락 검출을 가능하게 한다. 저항 추산(R)가 연장된 시간 기간 동안 정상 저항 범위를 벗어나면, 영향을 받은 채널을 오프시킴으로써, 액추에이터 고장 보호가 촉발될 수 있다.

변위 및 힘의 계산을 위해, 모터의 전기적 표현은 다음과 같이 키르히호프의 전압 법칙으로부터 도출될 수 있다.

24

25

여기서, R은 저항이고, L은 인덕턴스이며, V_bemf는 모터의 역기전력이다.

방정식 25는 다음과 같이 역 emf에 대한 구성 규칙을 통해 공진 액추에이터의 속도와 연관될 수 있다.

26

방정식 26을 25 내에 대치하고, 라플라스 영역에서 이 방정식을 표현하면, 다음과 같은 방정식이 도출된다.

27

여기서, "s"는 수치적 유도 부호이다.

변위(X)에 대해 풀기 위해, 상기 방정식은 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.

28

여기서 "1/s"는 수치 적분 함수이고, "α"는 측정 가능한 모터 상수이며, "L"은 인덕턴스이다.

계산된 변위(X)에 기초하고, 뉴튼의 제2 법칙을 사용하여, 액추에이터 힘(F_a)에 대한 관계가 이하에서와 같이 계산될 수 있다.

29

공진 관성형 액추에이터의 단현 운동을 상정하면, 방정식 29는 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.

210

방정식 28 및 210은 액추에이터 변위(X) 및 힘(F_a)을 추산하는데 사용될 수 있다. 이들 방정식은 강도 및 기계적 댐핑과 같은 비-선형 파라미터는 상기 방정식에 일치하지 않기 때문에 유리하다. 나머지 파라미터는 전술한 바와 같이 온라인으로 추산될 수 있는 저항(R)을 제외하고 상대적으로 일정한 경향이 있다. 도 21에서 나타낸 개략도는 디지털 신호 처리(DSP)에 의한 방정식 28 및 210의 구현을 나타낸다. 도 21의 다이어프램에서 볼 수 있는 바와 같이, 신호를 충분히 클린업(clean up)하기 위해, 추가적인 대역 통과, 로 패스 및 하이 패스 필터링이 추가된다.

전압의 크기(V_mag), 전류의 크기(I_mag), 실효값 전력의 크기(P_rms), 변위의 크기(X _mag ), 및 힘의 크기(F_mag)를 얻기 위해, 도 22의 개략도에 도시된 바와 같이 직교 진폭 복조가 사용될 수 있다. 예를 들어, rms 전력(P_rms)은 다음의 방정식에 따라 계산될 수 있다.

211

이들의 온라인 값을 얻으면, 전압(V), 전류(I), 전력(P_rms), 변위(X), 힘(F_a) 및 온도(T)의 작동 파라미터에 대한 제한이 설정되거나 그렇지 않으면 제어될 수 있다. 도 23a 내지 도 23c의 플롯은 전력 제한이 70 와트에서 50 와트로 변하고, 2.5초에서 전력 제한을 변경하는 일 예를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 그렇게-지정된 "중량"을 대응하는 힘 감소로 적절하게 포화시키기 위해, 구현 알고리즘에 대해 약 1/2초가 요구된다. 측정 및 추산된 파라미터를 제한하기 위한 알고리즘은 상세한 설명의 말단에 제시된다.

필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA) 모터 제어의 바람직한 구현예가 도 24에 개략적으로 도시된다. 모터 제어의 전체 구성은 (1) 보간 필터, (2) 전압 레일 정규화, (3) 전류 불감대 루프, (4) 펄스 폭 변조(PWM) 발생기, 및 (5) 필터링 약화(decimation)를 포함하는 부분들로 나뉘어질 수 있다.

도 25에서 볼 수 있는 바와 같이, 보간 필터의 구현은 1 kHz로부터 96 kHz의 업 샘플링을 제공한다. 이는 96 kHz에서 디지털 신호 처리(DSP) 명령 신호를 샘플링하고, 샘플들 사이에 제로를 채워넣음으로써 실행된다. 결과적인 신호는 컷오프 주파수가 200 Hz인 6차 3-섹션 IIR 버터워스 필터에 의해 로-패스 필터링된다. 제로 스터핑(stuffing)을 보상하기 위해, 96의 추가 이득이 사용된다.

도 26a 내지 도 26c는 업 샘플링된 데이터의 플롯으로서, 도 26a는 DSP 입력 전압 명령을 도시하고, 도 26b는 제로 스터프된 데이터를 도시하며, 도 26c는 보간 필터로부터의 출력으로서 보간 전압 명령 신호를 도시한다. 보간 필터의 분명한 평활화 특징은 또한, 전류의 관련 스파이크 제한에 대한 전압 내 급작스런 변화를 감소시킨다. 도 27a 내지 도 27c는 전압 명령 신호의 임펄스에 따른 보간 필터의 평활화 효과를 예시하는 플롯을 포함한다. 도 27a는 대략 20 ms 후의 임펄스를 갖는 전압 명령 신호를 도시한다. 도 27b는 보간 필터로부터 출력된 전압 명령 신호를 도시하고, 도 27c는 상당히 감소된 전류 스파이크를 갖는 명령 신호로부터 기인한 감지된 전류를 도시한다.

듀티 사이클 명령은 일반적으로 전원장치로부터의 전압 레일이 일정한 경우, 전압 명령 신호에 직접 비례한다. 그러나, 일부 부하 상태하에서, 전압 레일은 N/rev 구동 주파수에서 대략 리플 전압을 가질 수 있다. 설명되어 있지 않은 경우, 이러한 리플은 원하는 구동 전압을 왜곡할 것이다. 이러한 왜곡을 방지하기 위해, 듀티 사이클 명령은 측정된 고전압 레일에 의해 정규화될 수 있다.

도 28에 도시된 바와 같은 전압 레일 보상 회로는 전압 레일의 전압 값을 필터링하기 위해 1 kHz에서의 컷오프 주파수 및 96 kHz의 샘플 레이트를 갖는 IIR 로 패스 버터워스 필터를 포함한다. 그 후, 공칭 전압이 필터링된 전압 레일로 나누어진다. 이는 직접적으로 또는 검색표에 의해 달성될 수 있다. 도 29에 도시된 바와 같이, 그 후 전압 레일 정규화 인자는 명령 신호를 정규화하기 위해, 전압 명령(또는 듀티 사이클 명령)으로 직접 곱해진다.

도 30a 내지 도 30c는, 0.1초 간격에 걸쳐 대략 ±5 볼트 리플을 보이는 전압 레일의 전압의 플롯을 갖는 도 30a에서 개시되는 전압 레일 정규화의 일 예를 도시한다. 도 30b는 동일한 간격에 걸쳐 계산된 정규화 인자를 도시하며, 도 30c는 전압 레일의 전압 변조로부터 거의 또는 전혀 영향을 보이지 않는 감지된 전압(V)을 도시한다.

전압 레일 정규화는 일반적으로, 기부 입력 외란을 거부할 능력을 제공한다. 도 31a 및 도 31b는 이러한 능력을 예시한다. 이들 도면에서 보여지는 바와 같이, 0.75 g 기부 입력 외란에 의한 힘 출력에 대한 영향은 최소화된다. 기부 입력 외란에도 불구하고, 힘 출력은 거의 변경되지 않는다.

도 32에 도시된 바와 같은 불감대 전류 루프는 측정된 전류가 제한을 초과할 때에만 활성화된다. 비례-적분 제어기(PI 제어기)는 감지된 전류와 전류 제한 사이의 오차를 최소화하기 위해 듀티 사이클 명령을 조절한다. 도시된 전류 루프 내에서, 감지된 전류는 500 Hz의 컷오프를 갖는 2차 IIR 버터워스 로-패스 필터에 의해 필터링된다. 이 필터는 전류 센서 펄스 폭 변조(PWM) 출력의 변화로 인해 다양한 샘플 레이트를 가질 수 있지만, 공칭 샘플 시간은 바람직하게는 130 kHz이다.

필터링된 신호는 "불감대"로 언급된 특정 구역 내에서 제로 출력을 생성하는 불감대 함수를 거친다. 입력 필터링 신호가 불감대 내에 있는 경우(하한을 초과하고 상한 미만인 경우), 출력은 제로이다. 입력 필터링 신호가 상한을 초과하거나 상한과 동일한 경우, 출력은 입력 빼기 상한이다. 입력 필터링 신호가 하한 미만이거나 하한과 동일한 경우, 출력은 입력 빼기 하한이다.

불감대 함수의 출력은 PI 보상기에 입력되는 오차로 간주될 수 있다. 도 33에 도시된 PI 루프는 전류가 소정의 임계를 초과한 경우에만 이용 가능하게 된다. 그렇지 않으면, 오차가 제로가 되고, 적분기가 제로가 된다. 구동에 대한 수치적 범람 또는 손상을 방지하기 위해, 듀티 사이클은 ±95%로 포화된다.

도 34a 내지 도 34c는 불감대 전류 루프가 이용 불가능한 바람직하지 않은 과-전류 상태(즉, 도 34a의 플롯에서 전류 오차가 전혀 검출되지 않으며, 도 34b에서 정규화된 듀티 명령의 플롯에서 어떠한 영향도 분명하지 않음)를 도시한다. 약 ±5.5 암페어의 임계를 벗어난 임의의 전류로 간주되는 과-전류 상태는 도 34c에서 도시되는 0 내지 0.1초 시간 간격 내의 0.018초에서 초과된다.

도 35a 내지 도 35c는 불감대 전류 루프가 4.5 암페어에서 이용 가능한, 동일한 0 내지 0.1초 시간 간격을 도시한다. 여기서, 전류 오차는 도 35a에 도시된 바와 같이 축적되고, 4.5 암페어 미만으로 전류를 유지하도록 하기 위해, 도 35b에 도시된 바와 같이 듀티 사이클 명령을 감소시킨다. 도 35c에 도시된 바와 같이, 일부 전류 오버슈트가 발생하지만, 불감대 루프는 전류가 과-전류 제한값을 초과하지 않도록 한다. 요구되는 경우, 불감대 제한값은 과-전류 발생에 대하여 추가로 방지하기 위해 4 암페어까지 감소될 수 있다. 동일한 0 내지 0.1초 시간 간격에 걸친 대응하는 힘 출력이 도 36에 도시된다.

FPGA 구성(도 34 참조) 내에 도시되어 있지는 않지만, 피드백 전류 센서로부터 과-전류 비트를 생성(예를 들어, ±5.5 암페어에서 트립을 설정)하여 FPGA 모터 제어에 의해 구동을 오프시킴으로써, 과-전류 비트를 DSP로 보냄으로써, 그리고 DSP가 구동을 다시 온시킬 때까지 구동을 오프 상태로 유지시킴으로써, 추가적 과부하 보호가 제공될 수 있다.

펄스 폭 변조는 원하는 로 측 필드 효과 트랜지스터(FET)가 폐쇄되어 있는 동안 전환되는 하이 측 필드 효과 트랜지스터(FET)에 의해 실행될 수 있다.

약화 필터는 바람직하게는, 전압 레일뿐만 아니라, 감지된 전압 및 전류 신호를 필터링한다. 에일리어싱(aliasing)을 방지하기 위해, 4차 약화 필터가 사용될 수 있다. 이들 필터는 컷오프 주파수가 250 Hz이고 샘플 레이트가 96 kHz인 2 개의 2차 섹션 IIR 버터워스 필터이다.

공진 관성형 액추에이터에 적합한 본 발명에 따른 모터 드라이버의 개략적인 레이아웃이 H 브리지 모터 드라이버로서 도 37에 도시되어 있다. 공진 관성형 액추에이터에 대한 전기적 레이아웃이 도 38에 제시되어 있으며, 전기적 및 기계적 부분들은 도 39 및 도 40에 보다 상세하게 도시되어 있다.

일 실시예에서, 본 발명은 기계(61')를 포함한다. 기계(61')는 공진 관성형 액추에이터 제어기(65) 및 공진 관성형 액추에이터(1)를 포함한다. 공진 관성형 액추에이터(1)는 공진 주파수를 갖는다. 공진 관성형 액추에이터 제어기(65)는 공진 주파수에 인접한 근사 공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터(1)를 전자기적으로 구동한다. 공진 관성형 액추에이터 제어기(65)는 별도의 시간 간격 동안 비-공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터(1)를 간헐적으로 구동한다. 비-공진 주파수는 공진 주파수로부터 멀리 떨어져 있으며, 공진 관성형 액추에이터 제어기(65)는 별도의 시간 간격의 적어도 일부에 걸쳐 공진 관성형 액추에이터(1)를 통한 전류 및 전압을 모니터링한다. 공진 관성형 액추에이터 제어기(65)는 별도의 시간 간격 내에서 모니터링된 전류 및 모니터링된 전압에 기초하여 공진 관성형 액추에이터(1)의 작동 파라미터 값을 계산하며, 제어기는 임계값과 교차하는 계산된 작동 파라미터 값에 응답하여 공진 관성형 액추에이터(1)의 요구되는 힘을 감소시킨다. 바람직하게는, 공진 관성형 액추에이터(1)는 바람직하게는, 포물선을 그리며 이동하는 용수철 이동 상질량 자석부를 갖는 외팔보식 공진 관성형 액추에이터이다. 바람직하게는, 외팔보식 공진 관성형 액추에이터는 인접한 복합 변형체들 사이에 쐐기부(54)를 억제하는 접합된 탄성중합체 단부 프렛을 갖는 인접한 복합 변형체(52)를 갖는다. 바람직하게는, 복합 변형체의 경우, 포물선을 그리며 이동하는 용수철 이동 상질량 자석부를 제공한다. 바람직하게, 공진 관성형 액추에이터(1) 작동 파라미터는 액추에이터 온도, 액추에이터 변위, 액추에이터 힘 및 액추에이터 전력을 포함하는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터 군으로부터 선택된 하나 이상의 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터이다. 바람직하게는, 공진 관성형 액추에이터 제어기(65)는 요구되는 힘 전력으로 근사 공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터(1)를 전자기적으로 구동하며, 제어기는 요구되는 힘 전력 미만의 비-공진 주파수 전력으로 비-공진 주파수에서 공진 관성형 액추에이터를 구동한다.

본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이, 본 발명에 대한 다양한 변경 및 변형예가 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 이들 변경 및 변형예가 첨부된 특허청구범위 및 이의 등가물의 범주 내에 해당되는 한, 본 발명의 변경 및 변형예를 포함하는 것이 의도된다. 특허청구범위에서의 상이한 용어 및 구절의 범주는 동일하거나 상이한 구조(들) 또는 단계(들)에 의해 실행될 수 있는 것이 의도된다.

Claims (39)

1. 구조체 내 진동들에 대응하기 위한 공진 관성형 액추에이터의 명령 출력 제한 방법으로서,
   시간 간격의 적어도 일부에 걸쳐 공진 관성형 액추에이터를 통한 전류 및 전압을 모니터링하는 단계;
   상기 구조체의 진동 주파수를 모니터링하는 단계;
   수직 방향의 진동 주파수에 대해 시간 영역의 모니터링된 전류 및 전압을 상기 시간 간격의 적어도 일부에 걸쳐 주파수 영역의 복소 전류 및 전압 값들로 변환하는 단계;
   전류 및 전압에 대한 복소수 값들을 공진 관성형 액추에이터의 작동 파라미터의 값의 계산에 통합하는 단계;
   상기 공진 관성형 액추에이터에 대해 원하는 작동 범위에 관한 임계값에 대해 상기 작동 파라미터의 계산된 값을 비교하는 단계; 및
   상기 작동 파라미터의 값을 상기 원하는 범위 내로 유지하기 위해 상기 공진 관성형 액추에이터의 명령 출력을 제한하는 단계를 포함하는,
   명령 출력 제한 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터는 액추에이터 온도, 액추에이터 변위, 액추에이터 힘 및 액추에이터 전력을 포함하는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터 군으로부터 선택되는,
   명령 출력 제한 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 작동 파라미터는 전류 및 전압에 대한 복소수 값들의 평균에 기초하여 계산된 값을 갖는 하나 이상의 작동 파라미터인,
   명령 출력 제한 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터는 액추에이터 온도, 액추에이터 변위, 액추에이터 힘 및 액추에이터 전력을 포함하는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터 군으로부터 선택되는,
   명령 출력 제한 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 시간 간격은 복수의 별도의 시간 간격들 중 하나이고, 상기 별도의 시간 간격들에 대해 모니터링된 주파수로부터 벗어난 비-공진 주파수에서 상기 공진 관성형 액추에이터를 간헐적으로 구동시키는 단계를 포함하는,
   명령 출력 제한 방법.
6. 제5항에 있어서,
   전류 및 전압에 대한 복소수 값들을 계산에 통합하는 상기 단계는 임피던스의 실수부로서 상기 공진 관성형 액추에이터를 통한 저항 값들을 추산하는 중간 단계를 포함하는,
   명령 출력 제한 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터는 액추에이터 온도, 액추에이터 변위, 액추에이터 힘 및 액추에이터 전력을 포함하는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터 군으로부터 선택되고, 상기 추산된 저항 값들은 상기 작동 파라미터의 계산에 통합되는,
   명령 출력 제한 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터는 액추에이터 온도, 액추에이터 변위, 액추에이터 힘 및 액추에이터 전력을 포함하는 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터 군으로부터 선택되는 2개 이상의 공진 관성형 액추에이터 작동 파라미터들인,
   명령 출력 제한 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 명령 출력은 상기 관성형 액추에이터를 구동시키기 위한 전류 및 전압 중 하나 이상을 제한함으로써 제한되는,
   명령 출력 제한 방법.
   
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
31. 삭제
32. 삭제
33. 삭제
34. 삭제
35. 삭제
36. 삭제
37. 삭제
38. 삭제
39. 삭제

Images