KR102377497B1 - 항공기의 비행 조종 면을 제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 N개의 다중 채널로 중복구성된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면을 제어하기 위한 시스템은, 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 액츄에이터 명령을 아날로그 신호로 출력하는 비행 운용 프로그램 운용 모듈, 상기 아날로그 신호를 디코딩하여 샘플링 및 홀드하여 출력하는 샘플 및 홀드부, 상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백 신호를 이용하여 제1 연산을 수행하고, 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들을 이용하여 제2 연산을 수행하고, 상기 제1 연산 결과와 상기 제2 연산 결과를 이용하여 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 디지털 신호로 출력하는 프로세서, 상기 디지털 신호로 출력된 액츄에이터 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부, 상기 아날로그 신호로 변환된 제어 신호를 펄스 폭 변조(PWM) 방식의 PWM 제어 신호로 출력하는 PWM 드라이버(Driver), 상기 PWM 제어 신호에 따라 상기 액츄에이터를 구동시키기 위한 전압을 생성하는 액츄에이터 구동부를 포함한다.

Description

항공기의 비행 조종 면을 제어하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING FLIGHT CONTROL SURFACE OF AIRCRAFT}

본 발명은 항공기의 비행 조종 면을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 항공기에 필수적으로 장착되는 비행 제어 컴퓨터(Flight Control Computer) 뿐만 아니라 경량화가 요구되는 무인기 및 유도무기 등 항공 전자 장비의 비행 조종 면을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

기술의 발전과 더불어 비행기 사고가 발생할 때마다 사고 원인을 분석하면서 비행기의 안전을 위하여 여러 가지 비행 제어 장치가 필요하게 되었다. 센서나 제어 장치에는 많은 전자 부품들이 사용되는데 기계 장치보다 고장률이 3배나 높고, 전자파 장애가 발생하는 등 신뢰성을 확보하지 못하여 1960년대까지 조종간에서부터 실제 공기력을 변화시키는 비행 조종 면(Flight Control Surface)까지 모든 경로를 기계 장치로만 구성하는 조종 계통을 채택하여 왔다.

비행기의 비행 경로(flight path)는 비행 조종 면의 변위(deflection)에 의해 제어된다. 많은 현대 비행기에서, 비행 조종 면은 액츄에이터(actuator)들에 의해 편향된다. 이러한 비행 조종 면들은 피치(Pitch) 제어를 위한 엘리베이터들(elevators), 롤(Roll) 제어를 위한 플래퍼론들(flaperons), 요(Yaw) 제어를 위한 러더(rudder)를 포함한다. 많은 경우에서 전류(electric current)는 액츄에이터의 출력을 제어한다. 전류는 코일(들)(coil)을 통해 흐르고, 액츄에이터를 구동시키기 위해 자기장을 유도하도록 변환된다.

상술한 바와 같이 항공기에 적용되는 비행 제어 컴퓨터(Flight Control Computer)는 항공기 상의 각종 센서 및 주변 장치로부터 제어 법칙(Control Law) 구현을 위한 데이터를 입력 받아 조종사의 제어 명령을 위해 요구되는 비행 조종 면 변위에 대한 적절한 액츄에이터 명령(Actuator command)을 전달하는 기능을 수행한다.

종래의 비행 제어 컴퓨터는 제어를 위한 회로가 아날로그 회로로 구현 되어있기 때문에 회로 구성이 복잡하고 많은 부품을 사용하게 된다. 이로 인해 비행 제어 컴퓨터의 고장률이 증가되며 부피가 커지고 무게 증가 또한 불가피 했다.

종래의 비행 제어 컴퓨터는 항공기의 수평꼬리날개(Horizontal Tail), 플래퍼론(Flaperon), 러더(Rudder) 등 비행 조종 면의 액츄에이터 제어를 위한 비교/연산 회로, 피드백 회로 등을 아날로그 소자로 구성하여 조합된다. 뿐만 아니라 일반적으로 비행 제어 컴퓨터는 운용 신뢰성 확보를 위한 다중화 구조로 되어있어 비행 조종면의 n배수에 해당하는 아날로그 회로들의 중복구성(Redundancy)이 필요하며, 아날로그 회로는 회로 보드 제작에서부터 체계 통합(System integration)까지 끊임 없이 튜닝을 수행 해야하는 문제가 있다.

이와 같이 비행 조종 면의 n배수에 해당하는 아날로그 회로들을 이용하여 구성된 종래의 비행 조종 면 제어 시스템은 그 구성이 복잡하고 구성 부품이 많아 소자 선정 및 구현에 어려움이 많으며, 개발 기간과 비용 또한 증가한다. 이런 부품들의 증가는 고장률의 증가로 이어질 뿐 아니라 조종 면 제어 시스템의 전체 부피가 커지고 무게의 증가 또한 불가피하다.

또한 아날로그 회로로 구성된 종래의 비행 조종 면은 그 제작 시 튜닝에 소요되는 시간이 필수적으로 필요하며, 튜닝이 완료된 후에도 운용 중 발생하는 다양한 변수에 대해 대응하기 어렵다.

본 발명은 상술한 필요성에 따라 안출 된 것으로, 본 발명의 목적은 N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면을 제어하기 위한 시스템 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면(Flight Control Surface)를 제어하기 위한 시스템은, 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 액츄에이터 명령을 아날로그 신호로 출력하는 비행 운용 프로그램 운용 모듈, 상기 아날로그 신호를 디코딩하여 샘플링 및 홀드하여 출력하는 샘플 및 홀드부, 상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호를 이용하여 제1 연산을 수행하고, 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들을 이용하여 제2 연산을 수행하고, 상기 제1 연산 결과와 상기 제2 연산 결과를 이용하여 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 디지털 신호로 출력하는 프로세서, 상기 디지털 신호로 출력된 액츄에이터 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부, 상기 아날로그 신호로 변환된 제어 신호를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식의 PWM 제어 신호로 출력하는 PWM 드라이버(Driver), 상기 PWM 제어 신호에 따라 상기 액츄에이터를 구동시키기 위한 전압을 생성하는 액츄에이터 구동부;를 포함한다.

그리고, 상기 액츄에이터의 램 위치 피드백 신호와 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 신호를 디지털로 변환하여 출력하는 제1 아날로그 디지털 변환부를 더 포함한다.

또한, 상기 프로세서는, 상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호를 이용하여 상기 제1 연산을 수행하고, 상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호의 차를 상기 제1 연산 결과로 출력하는 램 위치 피드백 연산부, 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들의 평균 값을 이용하여 상기 제2 연산을 수행하고, 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들의 평균 값의 차를 상기 제2 연산 결과로 출력하는 밸브 위치 피드백 연산부, 상기 N개의 다중 채널을 통해 입력된 구동 전류들을 비교하여 자기 채널의 구동 전류가 미리 정해진 정상 범위에 포함된다면, 상기 다중 채널을 통해 입력된 구동 전류들의 평균 값을 상기 제2 연산을 위한 값으로 출력하는 다중 채널 비교부, 상기 제1 연산 결과와 상기 제2 연산 결과에 대한 디지털 튜닝을 통해 이득을 제어하고, 상기 이득이 제어된 상기 제2 연산 결과와 상기 액츄에이터 명령이 일치하도록 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함한다.

그리고, 상기 다중 채널 비교부는, 상기 N개의 다중 채널을 통해 입력된 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들을 비교하고, 상기 자기 채널의 구동 전류가 상기 정상 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 자기 채널의 구동 전류는 상기 제2 연산을 위한 값에서 제외하고, 나머지 채널의 구동 전류들의 평균 값을 상기 제2 연산을 위한 값으로 출력함을 특징으로 한다.

또한, 상기 액츄에이터의 구동 전류는, 상기 엑츄에이터를 구동 시키기 위한 구동 코일에 흐르는 구동 신호에 대응하는 전류임을 특징으로 한다.

그리고, 상기 액츄에이터의 구동 코일에 흐르는 구동 신호의 전류를 센싱하여 센싱된 전류를 출력하는 전류 센서를 더 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 액츄에이터 구동부에서 생성된 상기 전압에 따라 상기 액츄에이터의 구동 코일에 과전류가 인가되는지를 판단하고, 그 결과를 출력하는 과전류 보호기를 더 포함함을 특징으로 한다.

그리고, 자기 채널(Local channel)을 포함하는 상기 N개의 다중 채널을 통해 입력되는 구동 전류들을 디지털 신호로 변환하여 상기 프로세서로 출력하는 제2 아날로그 디지털 변환부를 더 포함함을 특징으로 한다.

또한, 전류 피드백 버퍼를 더 포함하고, 상기 전류 피드백 버퍼는, 상기 전류 센서가 센싱한 상기 자기 채널의 구동 전류를 입력받고, 상기 입력된 자기 채널의 구동 전류를 상기 자기 채널의 구동 전류 피드백 신호로써 상기 제2 아날로그 디지털 변환부로 출력함을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제어부는, 상기 액츄에이터의 위치가 상기 명령에 따른 위치에 도달하기 위한 시정수를 설정하기 위해 상기 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정함을 특징으로 한다.

또한, 상기 펄스 폭 변조 드라이버는, 상기 전류 센서로부터 출력된 센싱된 전류와 과전류 보호부로부터 출력된 신호에 의해 제어됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기 프로세서가 상기 디지털 튜닝을 통해 획득된 상기 액츄에이터의 RAM 위치 피드백이 상기 입력받은 액츄에이터 명령과 동일하다면, 상기 액츄에이터가 상기 액츄에이터 명령에 따라 제어되고 있음을 판단함을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면(flight control surface)을 제어하기 위한 프로세서의 동작 방법은, 비행운용프로그램(Operational Flight Program)에서 제어 대상인 로컬 액츄에이터를 제어하기 위해 생성된 액츄에이터 명령의 샘플링 및 홀드된 신호를 입력받는 단계, 상기 로컬 액츄에이터로부터 상기 로컬 액츄에이터의 RAM 위치 피드백 신호를 수신하는 단계, 상기 RAM 위치 피드백 신호와 상기 액츄에이터 명령의 샘플링 및 홀드된신호를 감산하는 제1 연산을 수행하는 단계, 상기 제1 연산을 통해 상기 로컬 액츄에이터의 RAM 위치 피드백 결과를 확인하고, 상기 제1 연산 결과에 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정하는 단계, 상기 로컬 액츄에이터로부터 밸브 위치 피드백 신호를 입력받는 단계, 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류를 수신하는 단계, 상기 로컬 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류를 감산하는 제2 연산을 수행하는 단계, 상기 로컬 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 결과를 확인하고, 상기 제2 연산 결과에 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정하는 단계, 상기 이득이 조정된 신호를 이용하여 상기 로컬 액츄에이터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 출력하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 실시 예에 따르면 본 발명의 실시 예에 따라 항공기 비행 조종 면을 제어하는 액츄에이터(Actuator)를 디지털 방식으로 제어할 경우, 기존 아날로그 회로 대비 절반 정도 회로를 소형화 할 수 있으며, 튜닝 시간의 단축, 고장률 감소 등의 효과를 얻을 수 있다.

또한 상술한 본 발명의 실시 예에 따라 항공기 비행 조종 면을 제어하는 액츄에이터(Actuator)를 디지털 방식으로 제어할 경우, 기존 제작된 항공기 중 유압 서보(servo)를 채용한 항공기에도 용이하게 적용 가능 하기에 기존 항공기의 성능 개량 사업에도 이용 할 수 있다.

또한 상술한 본 발명의 실시 예에 따르면, 종래 기술 대비 다음의 효과들이 있다.

첫째, 종래의 시스템을 구성하는 다수의 아날로그 회로들을 디지털 회로들로 변경함으로써 회로의 복잡도를 감소시킬 수 있다.

둘째, 종래의 시스템 대비 구성하는 부품들 개수가 감소하게 되고, 이는 고장률의 감소로 이어지고, 종래 대비 부피와 무게 또한 감소된다.

셋째, 튜닝을 디지털화 함으로써 개발 및 정비 소요 시간과 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.

넷째, 디지털 제어를 통해 종래 기술 대비 빠른 반응 속도와 고속 제어가 가능하다.

다섯째, 종래 기술에서 볼 수 없었던 고장 감지 및 검출, 분리 제어가 제어 시스템 자체로도 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 항공기의 비행 조종 면을 제어하기 위한 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면(Flight Control Surface)를 제어하기 위한 시스템의 상세 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 프로세서의 상세 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면(flight control surface)을 제어하기 위한 프로세서의 동작 방법의 흐름도이다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들 뿐만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.

프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.

또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.

본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

이하 본 발명의 실시 예에서는 항공기의 비행 조종 면을 제어하는 액츄에이터 제어 시스템을 디지털 방식으로 제어하는 방법을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 항공기의 비행 조종 면을 제어하기 위한 시스템의 개략적인 도면이다.

샘플링 및 홀드부(110)는 항공기의 비행 조종 면을 제어하는 액츄에이터(140)를 제어하기 위한 아날로그 액츄에이터 명령(105)이 입력되면, 디코딩한 후 샘플링 및 홀드하여 디지털 처리 장치(120)로 출력한다.

디지털 처리 장치(120)는 상기 샘플링 및 홀드부(110)로부터 출력된 신호, 상기 액츄에이터(140)의 RAM 위치 피드백 신호(145), 밸브 위치 피드백 신호(150), 전류 센서(130)가 센싱한 전류 정보를 이용하여 상기 액츄에이터(140)를 제어하기 위한 액츄에이터 제어 신호를 엑츄에이터 구동 장치(125)로 출력한다. 액츄에이터 구동 장치(125)는 상기 액츄에이터 제어 신호를 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 액츄에이터(140)로 출력한다.

도 1에서 RAM 위치 피드백(145)는 항공기의 비행 조종 면을 구동하는 액츄에이터(140)의 위치 피드백을 나타내고, 밸브 위치 피드백(150)는 액츄에이터(140)의 유압 조절을 위한 DDV(Direct Drive Valve)의 위치 피드백을 나타낸다.

디지털 처리 장치(120)는 상기 샘플링 및 홀드부(110)에 의해 샘플링 및 홀드되어 출력된 액츄에이터 명령 신호와 RAM 위치 피드백 신호(145)를 연산하여 액츄에이터(140)의 위치가 제어하고자 하는 비행 조종 면을 제어하기 위한 적절한 위치에 위치하는지 판단하고, 밸브 위치 피드백 신호(150)와 상기 전류 센서(130)에서 센싱된 상기 액츄에이터(140)의 구동 코일에 흐르는 구동 신호의 전류를 연산하여 상기 액츄에이터(140)의 유압 조절을 위한 유압 밸브가 적절한 위치에 위치하는지 판단한다. 도 1에 도시된 디지털 처리 장치(120)와 액츄에이터 구동 장치(125)의 상세 구성은 도 2에서 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터(205)들을 통해 항공기의 비행 조종 면(Flight Control Surface)를 제어하기 위한 시스템의 상세 블록 구성도이다.

비행 운용 프로그램 운용 모듈(Operation Flight Program module)(210)은 액츄에이터(205)를 제어하기 위한 액츄에이터 명령(212)을 아날로그 신호로 출력하고, 샘플 및 홀드부(Sample and Hold unit)(215)는 상기 아날로그 신호를 디코딩하여 샘플링 및 홀드하여 프로세서(220)로 출력한다.

프로세서(220)는 상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터(205)의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호(205a)를 이용하여 제1 연산을 수행하고, 상기 액츄에이터(205)의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호(205b)와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들을 이용하여 제2 연산을 수행하고, 상기 제1 연산 결과와 상기 제2 연산 결과를 이용하여 상기 액츄에이터(205)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 디지털 신호로 출력한다. 상기 액츄에이터의 구동 전류는 상기 엑츄에이터(205)를 구동 시키기 위한 구동 코일에 흐르는 구동 신호에 대응하는 전류이다.

디지털 아날로그 변환부(225)는 상기 디지털 신호로 출력된 액츄에이터 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력하고, PWM 드라이버(Driver)(230)는 상기 아날로그 신호로 변환된 제어 신호를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식의 PWM 제어 신호로 출력한다. 액츄에이터 구동부(235)는 상기 PWM 제어 신호에 따라 상기 액츄에이터(205)를 구동시키기 위한 전압을 생성하여 출력한다. 본 발명의 실시 예에서 상기 액츄에이터 구동부(235)는 H-Bridge회로를 통해 구현할 수 있다. PWM 드라이버(230)는 액츄에이터 구동부(235)인 H-BRIDGE 내부의 스위칭 디바이스(Switching Device)를 구동시키기 위한 제어 신호를 생성한다. 액츄에이터 구동부(235)는 상기 액츄에이터(205)를 구동시키기 위한 전압을 생성하고 PWM 드라이버(230)의 Switching Time에 맞춰 상기 액츄에이터(205)를 조정한다.

그리고, 제1 아날로그 디지털 변환부(Analog-Digital Converter)(240)는 상기 액츄에이터(205)의 램 위치 피드백 신호와 상기 액츄에이터(205)의 밸브 위치 피드백 신호를 디지털로 변환하여 상기 프로세서(220)로 출력한다.

전류 센서(Current Sensor)(245)는 상기 액츄에이터(205)의 구동 코일에 흐르는 구동 신호의 전류를 센싱하여 센싱된 전류를 상기 PWM 드라이버(230)로 출력하고, 과전류 보호기(250)는 상기 액츄에이터 구동부(235)에서 생성된 상기 전압에 따라 상기 액츄에이터의 구동 코일에 과전류가 인가되는지를 판단하고, 그 결과를 출력한다. 상기 펄스 폭 변조 드라이버(230)는 상기 전류 센서(245)로부터 출력된 센싱된 전류와 과전류 보호부(250)로부터 출력된 신호에 의해 제어된다.

제2 아날로그 디지털 변환부(255)는 자기 채널(Local channel)을 포함하는 상기 N개의 다중 채널을 통해 입력되는 구동 전류들을 디지털 신호로 변환하여 상기 프로세서(220)로 출력한다. 이때 상기 도 2에서 상기 N개의 다중 채널을 통해 입력되는 구동 전류들은 자기 채널(Local channel) 전류 피드백(260a)외에 다른 채널들의 전류 피드백들(257)을 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 프로세서(220)는 상기 N개의 다중 채널들의 피드백 전류들의 불균형을 보상하기 위해 중간 값을 계산하고, 이 계산 값을 비행 조종 면의 제어를 위한 상기 액츄에이터(205)의 밸브 위치를 제어하기 위한 적절한 구동 전류가 인가 되었는지를 판단하기 위한 값으로 사용한다.

그리고, 전류 피드백 버퍼(Current Feedback Buffer)(260)는 상기 전류 센서(245)가 센싱한 자기 채널의 구동 전류를 입력받고, 상기 입력된 자기 채널의 구동 전류를 상기 자기 채널의 구동 전류 피드백 신호로써 상기 제2 아날로그 디지털 변환부(255)로 출력한다. 프로세서(220)는전류 피드백 버퍼(260)을 통해 입력된 자기 채널의 전류 정보는 내부에서 타 채널 정보와 비교하여 다중 채널 연산에 사용된다.

상기 프로세서(220)는 상기 디지털 튜닝을 통해 획득된 상기 액츄에이터(205)의 RAM 위치 피드백이 상기 입력받은 액츄에이터 명령과 동일하다면, 상기 액츄에이터가 상기 액츄에이터 명령에 따라 제어되고 있음을 판단하고, 동일하지 않다면, 상기 액츄에이터(205)의 RAM 위치 피드백 신호(205a)와 밸브 위치 피드백 신호(205b)에 따라 상기 액츄에이터(205)를 상기 액츄에이터 제어 명령에 따라 제어되도록 상기 액츄에이터 제어 신호를 출력한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 프로세서(220)의 상세 블록 구성도이다.

램 위치 피드백 연산부(305)는 상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호(355)를 이용하여 상기 제1 연산을 수행하고, 상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호(355)의 차를 상기 제1 연산 결과로 출력한다.

밸브 위치 피드백 연산부(310)는 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호(360)와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들의 평균 값을 이용하여 상기 제2 연산을 수행하고, 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호(360)와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들의 평균 값의 차를 상기 제2 연산 결과로 출력한다.

다중 채널 비교부(315)는 상기 N개의 다중 채널을 통해 입력된 구동 전류들을 비교하여 자기 채널의 구동 전류가 미리 정해진 정상 범위에 포함된다면, 상기 다중 채널을 통해 입력된 구동 전류들의 평균 값을 상기 제2 연산을 위한 값으로 출력한다. 그리고, 상기 다중 채널 비교부(315)는 상기 N개의 다중 채널을 통해 입력된 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들을 비교하고, 상기 자기채널의 구동 전류가 상기 정상 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 자기 채널의 구동 전류는 상기 제2 연산을 위한 값에서 제외하고, 나머지 채널의 구동 전류들의 평균 값을 상기 제2 연산을 위한 값으로 출력한다.

제어부(320)는 상기 제1 연산 결과와 상기 제2 연산 결과에 대한 디지털 튜닝을 통해 이득을 제어하고, 상기 이득이 제어된 상기 제2 연산 결과와 상기 액츄에이터 명령이 일치하도록 상기 제어 신호를 생성하여 DAC(225)로 출력한다. 그리고, 제어부(320)는 상기 액츄에이터(205)의 위치가 상기 명령에 따른 위치에 도달하기 위한 시정수를 설정하기 위해 상기 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정한다.

프로세서(220)에서 액츄에이터(205)를 제어하기 위한 클로즈 루프(Close Loop)는 내부 루프(Inner Loop)(385)에 밸브 위치를 제어하기 위한 연산 결과를 출력하는 밸브 위치 피드백 연산부(310), 다중 채널 비교부(315)를 포함하고, 외부 루프(Outer Loop)(380)에는 RAM 위치를 제어하기 위한 연산 결과를 출력하는 RAM 위치 피드백 연산부(305)를 포함한다.

액츄에이터(205)를 제어하기 위한 내부 루프(385)에 위치한 밸브 위치 피드백 연산부(310)는 밸브 위치 피드백 신호(360)를 입력받아 밸브 위치 피드백을 계산하고, 상기 계산된 밸브 위치 피드백과 다중 채널 비교부(310)에서 제어부(320)를 통해 입력된 다중 채널들의 평균 구동 전류들을을 비교하여 제어부(320)로 출력한다. 제어부(320)는 상기 램 위치 피드백 연산부(305)의 연산 결과와 상기 밸브 위치 피드백 연산부(310)의 연산 결과에 각각 디지털 튜닝을 수행하여 이득(Gain)을 조절한 후, 액츄에이터 제어 신호(370)를 생성하여 DAC(225)를 통해 PWM 드라이버(230)로 출력한다.

상술한 바와 같이 여러 채널이 하나의 액츄에이터(205)를 제어하는 다중화 구조에서 다중 채널 비교부(315)는 타 채널에서 제어하고 있는 액츄에이터(205)의 전류 신호를 입력받아 제어부(320)로 출력한다. 그리고, 제어부(320)는 타 채널들의 액츄에이터 구동을 위한 구동 전류들의 정상 여부를 판단하고 정상으로 판단되는 경우 타 채널들의 액츙에이터 구동을 위한 구동 전류들의 평균 값을 계산하고, 그 계산 결과를 밸브 위치 피드백 연산부(310)로 출력함으로써, 밸브 위치 피드백 연산부(310)는 비정상인 경우의 값은 연산에서 제외하게 된다.

또한 액츄에이터(205) 구동을 위한 외부 루프(Outer Loop)(380)에 위치한 램 위치 피드백 연산부(380)는 입력 받은 액유에이터 명령 신호(2350)와 램 위치 피드백 신호(355)를 연산하여 내부 루프(Inner Loop)(385)의 제어부(320)를 통해 밸브 위치 피드백 연산부(310)로 출력한다.

제어부(320)는 RAM 위치 피드백 연산부(305), 밸브 위치 피드백 연산부(310)에서 각각 연산된 결과 마다 각각 디지털 튜닝을 수행하고, 액츄에이터(205)로부터 획득된 피드백이 비행 조종 면의 제어를 위해 입력된 액츄에이터 명령과 동일하다면 액츄에이터(205)가 비행 조종 면 제어를 위한 원하는 위치로 제어가 된 것을 판단한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면(flight control surface)을 제어하기 위한 프로세서(220)의 동작 방법의 흐름도이다.

S105단계에서 프로세서(220)는 비행운용프로그램(Operational Flight Program)에서 제어 대상인 로컬 액츄에이터를 제어하기 위해 생성된 액츄에이터 명령의 샘플링 및 홀드된 신호를 입력받는다. S110단계에서 프로세서(220)는 상기 로컬 액츄에이터로부터 상기 로컬 액츄에이터의 RAM 위치 피드백 신호를 수신하고, S115단계에서 상기 RAM 위치 피드백 신호와 상기 액츄에이터 명령의 샘플링 및 홀드된신호를 감산하는 제1 연산을 수행한다.

S120단계에서 프로세서(220)는 상기 제1 연산을 통해 상기 로컬 액츄에이터의 RAM 위치 피드백 결과를 확인하고, S125단계에서 상기 제1 연산 결과에 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정한다.

S130단계에서 프로세서(220)는 상기 로컬 액츄에이터로부터 밸브 위치 피드백 신호를 입력받고, S135단계에서 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류를 수신하고, S140단계에서 상기 로컬 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류를 감산하는 제2 연산을 수행한다.

S145단계에서 프로세서(220)는 상기 로컬 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 결과를 확인하고, S150단계에서 상기 제2 연산 결과에 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정하고, S155단계에서 상기 이득이 조정된 신호를 이용하여 상기 로컬 액츄에이터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 출력한다.

본 발명의 실시 예에서 상기 S120단계, S150단계에서 디지털 튜닝(Digital Tuning)을 통해 이득(Gain)을 조정하는 궁극적인 목적은 액츄에이터 위피(Position) 제어의 목표량에 도달하는 시정수를 설정함으로써 원하는 주파수 응답특성을 만족하도록 하는 것이다. 아날로그 회로에서는 시정수 설정을 수동 소자를 변경함으로써 튜닝(Tuning)을 진행하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 튜닝(Digital Tuning)은 FW의 변수 값만 조정하여 이득(Gain)을 조정할 수 있다는 장점이 있다.

디지털 제어를 구현함으로써 많은 기능들을 Processor 내부에 FW 모듈로 구현하였다. 특히 수동 소자를 이용한 Gain 튜닝은 Close Loop 회로를 설계하는데 있어 많은 시간이 필요하지만 디지털 튜닝을 통해 그 시간을 대폭 감소시킬 수 있다. 또한 회로의 복잡도를 감소시키며 항공기 설계의 중요한 요소인 무게 감소 효과도 얻을 수 있게 된다.

또한, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 동작 방법은 프로그램으로 구현되어 다양한 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다. 비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한

다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (13)

1. N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면(Flight Control Surface)를 제어하기 위한 시스템에 있어서,
   상기 액츄에이터를 제어하기 위한 액츄에이터 명령을 아날로그 신호로 출력하는 비행 운용 프로그램 운용 모듈;
   상기 아날로그 신호를 디코딩하여 샘플링 및 홀드하여 출력하는 샘플 및 홀드부;
   상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호를 이용하여 제1 연산을 수행하고, 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들을 이용하여 제2 연산을 수행하고, 상기 제1 연산 결과와 상기 제2 연산 결과를 이용하여 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 디지털 신호로 출력하는 프로세서;
   상기 디지털 신호로 출력된 액츄에이터 제어 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환부;
   상기 아날로그 신호로 변환된 제어 신호를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식의 PWM 제어 신호로 출력하는 PWM 드라이버(Driver); 및
   상기 PWM 제어 신호에 따라 상기 액츄에이터를 구동시키기 위한 전압을 생성하는 액츄에이터 구동부;를 포함하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 액츄에이터의 램 위치 피드백 신호와 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 신호를 디지털로 변환하여 출력하는 제1 아날로그 디지털 변환부를 더 포함함을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 프로세서는,
   상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호를 이용하여 상기 제1 연산을 수행하고, 상기 샘플링 및 홀드된 신호와 상기 액츄에이터의 램(RAM) 위치 피드백(RAM Positon Feedback) 신호의 차를 상기 제1 연산 결과로 출력하는 램 위치 피드백 연산부;
   상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들의 평균 값을 이용하여 상기 제2 연산을 수행하고, 상기 액츄에이터의 밸브 위치 피드백(Valve Position Feedback) 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들의 평균 값의 차를 상기 제2 연산 결과로 출력하는 밸브 위치 피드백 연산부;
   상기 N개의 다중 채널을 통해 입력된 구동 전류들을 비교하여 자기 채널의 구동 전류가 미리 정해진 정상 범위에 포함된다면, 상기 다중 채널을 통해 입력된 구동 전류들의 평균 값을 상기 제2 연산을 위한 값으로 출력하는 다중 채널 비교부;
   상기 제1 연산 결과와 상기 제2 연산 결과에 대한 디지털 튜닝을 통해 이득을 제어하고, 상기 이득이 제어된 상기 제2 연산 결과와 상기 액츄에이터 명령이 일치하도록 상기 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 다중 채널 비교부는,
   상기 N개의 다중 채널을 통해 입력된 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류들을 비교하고, 상기 자기 채널의 구동 전류가 상기 정상 범위에 포함되지 않는 경우, 상기 자기 채널의 구동 전류는 상기 제2 연산을 위한 값에서 제외하고, 나머지 채널의 구동 전류들의 평균 값을 상기 제2 연산을 위한 값으로 출력함을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 액츄에이터의 구동 전류는,
   상기 엑츄에이터를 구동 시키기 위한 구동 코일에 흐르는 구동 신호에 대응하는 전류임을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 액츄에이터의 구동 코일에 흐르는 구동 신호의 전류를 센싱하여 센싱된 전류를 출력하는 전류 센서를 더 포함함을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 액츄에이터 구동부에서 생성된 상기 전압에 따라 상기 액츄에이터의 구동 코일에 과전류가 인가되는지를 판단하고, 그 결과를 출력하는 과전류 보호기를 더 포함함을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   자기 채널(Local channel)을 포함하는 상기 N개의 다중 채널을 통해 입력되는 구동 전류들을 디지털 신호로 변환하여 상기 프로세서로 출력하는 제2 아날로그 디지털 변환부를 더 포함함을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   전류 피드백 버퍼를 더 포함하고,
   상기 전류 피드백 버퍼는,
   상기 전류 센서가 센싱한 상기 자기 채널의 구동 전류를 입력받고, 상기 입력된 자기 채널의 구동 전류를 상기 자기 채널의 구동 전류 피드백 신호로써 상기 제2 아날로그 디지털 변환부로 출력함을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
10. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 액츄에이터의 위치가 상기 명령에 따른 위치에 도달하기 위한 시정수를 설정하기 위해 상기 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정함을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
11. 제7항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 드라이버는,
    상기 전류 센서로부터 출력된 센싱된 전류와 과전류 보호부로부터 출력된 신호에 의해 제어됨을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
12. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 디지털 튜닝을 통해 획득된 상기 액츄에이터의 RAM 위치 피드백이 상기 입력받은 액츄에이터 명령과 동일하다면, 상기 액츄에이터가 상기 액츄에이터 명령에 따라 제어되고 있음을 판단함을 특징으로 하는 비행 조종 면(Flight Control Surface) 제어 시스템.
13. N개의 다중 채널로 중복구성(Redundancy)된 액츄에이터들을 통해 항공기의 비행 조종 면(flight control surface)을 제어하기 위한 프로세서의 동작 방법에 있어서,
    비행운용프로그램(Operational Flight Program)에서 제어 대상인 로컬 액츄에이터를 제어하기 위해 생성된 액츄에이터 명령의 샘플링 및 홀드된 신호를 입력받는 단계;
    상기 로컬 액츄에이터로부터 상기 로컬 액츄에이터의 RAM 위치 피드백 신호를 수신하는 단계;
    상기 RAM 위치 피드백 신호와 상기 액츄에이터 명령의 샘플링 및 홀드된신호를 감산하는 제1 연산을 수행하는 단계;
    상기 제1 연산을 통해 상기 로컬 액츄에이터의 RAM 위치 피드백 결과를 확인하고, 상기 제1 연산 결과에 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정하는 단계;
    상기 로컬 액츄에이터로부터 밸브 위치 피드백 신호를 입력받는 단계;
    상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류를 수신하는 단계;
    상기 로컬 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 신호와 상기 N개의 액츄에이터들의 구동 전류를 감산하는 제2 연산을 수행하는 단계;
    상기 로컬 액츄에이터의 밸브 위치 피드백 결과를 확인하고, 상기 제2 연산 결과에 디지털 튜닝을 통해 이득을 조정하는 단계; 및
    상기 이득이 조정된 신호를 이용하여 상기 로컬 액츄에이터를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 출력하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 항공기의 비행 조종 면(flight control surface)을 제어하기 위한 프로세서의 동작 방법.
    

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