KR102653359B1 - 이중화 작동기 및 그 제어 방법 - Google Patents

이중화 작동기 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작동기의 신뢰성을 향상시키면서, 구성을 최소화하여 중량 및 비용이 과도하게 증가하지 않는 이중화 작동기 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중화 작동기는, 주모터와 주감속기를 포함하여 주출력축으로 토크를 출력하는 주작동기; 보조모터와 보조감속기를 포함하여 보조출력축으로 토크를 출력하는 보조작동기; 및 상기 주출력축과 보조출력축을 연결하는 클러치; 를 포함하고, 상기 클러치는, 상기 주출력축에 연결되는 고정클러치 및 상기 고정클러치에 결합 또는 해제되며 상기 보조출력축에 연결되는 가동클러치를 포함하고, 상기 가동클러치에 연결되며, 상기 주작동기 또는 보조작동기로부터 출력을 전달하는 출력부; 를 더 포함한다.

Description

이중화 작동기 및 그 제어 방법 {Dual motor actuators and Control method thereof}
본 발명은 하나의 작동기에 고장이 발생하더라도, 다른 작동기를 구동시킴으로써 고장 여유를 확보하여 시스템의 신뢰성을 높이는 이중화 작동기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
작동기는 모터와 감속기어와 출력샤프트로 구동되는 시스템이다. 이중화 작동기는 작동기를 2중화하거나 모터만을 2중화하여 구성할 수 있다.
이중화 작동기는 하나의 작동기 또는 모터에 고장이 발생하더라도, 다른 작동기 또는 모터를 구동시킴으로써 고장 여유를 확보하여 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 사용되고 있다. 장시간 연속 작동하는 시스템의 신뢰도를 높이기 위해 모터를 세 대 이상 구비하는 다중화 작동기도 개발되고 있다.
특히 이중화 작동기는 항공기의 비행 안정성 및 높은 신뢰도를 확보하기 위하여 유인기에 적용하는 자동조종장치(Autopilot) 또는 무인 항공기에 적용되고 있다. 나아가 고장 진단을 수행하여 작동기 각각의 고장에 대한 고장 여유를 갖도록 설계된다. 특히 무인 항공기의 설계 신뢰도가 유인항공기 수준으로 높아짐에 따라 비행조종장치는 단일 시스템이 아닌 이중화 이상의 다중화로 설계되는 추세이다.
도 1은 종래 이중화 작동기의 개념도이다. 이를 참고하면 종래의 제1모터(1) 제1모터 고장 진단 시 보조적으로 구동되는 제2모터(2), 감속 기어(3), 출력샤프트(4)로 구성된다. 제1모터(1) 구동 시 제2모터(2)의 축은 공회전을 하고, 제1모터(1) 고장 시 제1모터(1)의 축은 공회전하며, 제2모터(2)가 구동되는 구조이다. 그러나 모터의 내부 기계적인 결함으로 모터축이 움직이지 않을 경우나, 감소기어에 결함이 발생할 경우 제2모터가 구동되지 않기 때문에 작동기는 기능을 상실하게 된다.
그 보완책으로 각 모터에 감속 기어 및 클러치를 연결하고, 두 클러치를 링크로 연결하여 출력시키는 구성이 제안될 수 있으나, 이 경우 도 1의 작동기에 비하여 토크 출력이 낮아지고, 무게가 증가하고, 클러치의 추가로 비용이 크게 증가하는 문제가 있다.
따라서 작동기의 신뢰성을 향상시키면서, 중량 및 비용이 과도하게 증가하지 않는 이중화 작동기의 개발이 필요한 실정이다.
전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구체적으로는 작동기의 신뢰성을 향상시키면서, 구성을 최소화하여 중량 및 비용이 과도하게 증가하지 않는 이중화 작동기 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 다음과 같은 이중화 작동기 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중화 작동기는, 주모터와 주감속기를 포함하여 주출력축으로 토크를 출력하는 주작동기; 보조모터와 보조감속기를 포함하여 보조출력축으로 토크를 출력하는 보조작동기; 및 상기 주출력축과 보조출력축을 연결하는 클러치; 를 포함하고, 상기 클러치는, 상기 주출력축에 연결되는 고정클러치 및 상기 고정클러치에 결합 또는 해제되며 상기 보조출력축에 연결되는 가동클러치를 포함하고, 상기 가동클러치에 연결되며, 상기 주작동기 또는 보조작동기로부터 출력을 전달하는 출력부; 를 더 포함한다.
또한 상기 주모터의 용량은 상기 보조모터의 용량보다 크게 형성될 수 있다.
또한 상기 고정클러치는 투스(Tooth) 클러치이며, 치형의 맞물림 구조로 상기 가동클러치에 결합될 수 있다.
또한 상기 주작동기 및 상기 보조작동기가 설치되는 베이스;를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 주작동기 고장 시, 상기 가동클러치는 상기 고정클러치로부터 해제되고, 상기 보조작동기가 구동될 수 있다.
또한 상기 출력부의 각변위를 측정하는 각변위게이지; 를 더 포함하고, 상기 보조작동기는 상기 각변위게이지에서 측정되는 상기 출력부의 각변위로 제어될 수 있다.
또한 상기 주작동기는, 상기 주모터에 입력된 각변위와 상기 각변위게이지로 측정된 각변위의 차이인 오차각 및 상기 오차각의 변화율이 설정된 값보다 큰 경우 고장인 것으로 판단될 수 있다.
또한 상기 주모터의 토크 출력과 상기 보조모터의 토크 출력은 다음과 같은 관계식에 따르도록 설정될 수 있다. (T1 : 주작동기 토크 출력, T2 : 보조작동기 토크 출력, JC : 클러치의 질량관성모멘트, J2 : 보조감속기의 질량관성모멘트)
또한 상기 주작동기 및 상기 보조작동기는, 상기 주출력축 및 상기 보조출력축이 마주보는 방향으로 설치될 수 있다.
또한 상기 주작동기 및 상기 보조작동기는, 상기 주출력축 및 상기 보조출력축이 나란한 방향으로 설치될 수 있다.
또한 상기 가동클러치는, 상기 주출력축으로부터 토크를 전달받아 출력하는 가이드샤프트를 포함하고, 상기 출력부는, 상기 가이드샤프트에 연결되는 주출력링크, 상기 보조출력축에 연결되는 보조출력링크, 및 상기 주출력링크와 상기 보조출력링크를 연결하는 연결링크를 포함할 수 있다.
또한 상기 가이드샤프트는 상기 베이스에 베어링으로 지지되도록 설치될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 이중화 작동기 제어 방법은, 클러치에 전원을 인가하고 주작동기를 입력된 각변위로 동작시키는 단계; 상기 클러치에 연결된 출력부의 각변위를 측정하여 상기 주작동기의 고장 여부를 판단하는 단계; 및 상기 주작동기가 고장인 것으로 판단되는 경우 상기 클러치에 전원을 차단하고, 상기 클러치에 연결된 보조작동기를 동작시키는 단계; 를 포함하고, 상기 보조작동기는 상기 출력부의 각변위로 제어될 수 있다.
또한 상기 주작동기에 입력된 각변위와 상기 출력부의 각변위의 차이인 오차각 및 상기 오차각의 변화율을 연산하고, 상기 오차각 및 상기 변화율이 설정값보다 큰 경우 상기 주작동기가 고장인 것으로 판단할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중화 작동기 및 그 제어 방법은, 하나의 클러치를 주작동기 고장 시 보조작동기에 연결되도록 함으로써, 이중화 작동기에서 작동불능이 되는 것을 회피할 수 있고, 최소한의 구조로 주작동기가 고장나는 문제상황에 효과적으로 대응할 수 있다.
또한 베이스 상에 주작동기 및 보조작동기가 고정되어, 클러치가 주작동기 및 보조작동기 사이에서 안정적으로 구동될 수 있다.
또한 각변위게이지를 포함하여, 보조작동기를 출력부의 각변위로 제어하며, 각변위게이지에서 측정되는 각변위를 이용해 주작동기의 고장 여부를 판단할 수 있다. 특히 오차각뿐만 아니라 오차각 변화율을 이용해 고장 여부를 판단함으로써 정확한 오차 진단이 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래 이중화 작동기의 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예인 제1이중화 작동기의 개념도,
도 3은 본 발명 제1이중화 작동기의 상세도,
도 4는 본 발명 이중화 작동기의 다른 실시예인 제2이중화 작동기의 개념도,
도 5는 본 발명 제2이중화 작동기의 상세도,
도 6은 도 5에서 제2출력부를 도시한 도면,
도 7은 본 발명 이중화 작동기 제어 방법의 일 실시예를 도시하는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서의 발명의 설명 및 청구범위에서 이중화 작동기란 두개의 모터를 사용하여 하나의 출력을 내는 작동기를 의미한다. 셋 이상의 모터를 포함하는 다중화 작동기도 두개의 모터를 포함하는 바, 본 명세서에서 기재하는 이중화 작동기의 범위에 포함될 수 있다.
또한 본 명세서에서 주작동기라 함은 제1실시예의 제1주작동기(110) 및 제2실시예의 제2주작동기(210)를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 마찬가지로 주출력축, 보조작동기, 보조출력축, 클러치, 고정클러치, 가동클러치, 클램핑부, 베이스, 각변위게이지 등도 각 실시예에서 '제1', '제2'로 칭하는 구성을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 제1이중화 작동기(100)의 개념도, 도 3은 본 발명 제1이중화 작동기(100)의 상세도이다. 이들 도면을 참고하면 본 발명 제1이중화 작동기(100)는, 제1주작동기(110), 제1보조작동기(120), 제1클러치(130), 제1출력부(140)를 포함한다. 제1주작동기(110)는 주모터 및 주감속기를 포함하여 제1주출력축(111)을 통해 토크를 전달하고, 제1보조작동기(120)는 보조모터 및 보조감속기를 포함하여 제1보조출력축(121)을 통해 토크를 전달한다. 제1클러치(130)는 일측이 제1주작동기(110)에 연결되어 있으며 타측이 제1보조작동기(120)에 연결되어 있다. 그리고 제1클러치(130)의 결합 및 해제에 따라 제1주작동기(110) 또는 제1보조작동기(120)에 선택적으로 연결될 수 있다. 한편 클러치는 제1주작동기(110)의 주감속기 및 제1보조작동기(120)의 보조감속기에 동시에 연결되어 있지만, 주모터 및 보조모터의 출력축은 구동되지 않는 상태에서 무부하 상태로 공회전이 가능하므로 모터가 동작하지 않는 경우에는 감속기만이 회전하게 된다.
도 2를 참고하면, 제1주작동기(110)는 토크 출력 T1 및 각속도 ω로 제어되며, 제1클러치(130)가 제1주작동기(110)의 제1출력축에 연결되어, 제1출력부(140)를 통해 토크를 전달하게 된다. 또한 제1보조작동기(120)는 제1주작동기(110)가 고장 등의 이유로 구동하지 않는 경우 구동되며, 토크 출력 T2 및 각속도 ω로 제어된다. 제1출력부(140)는 제1클러치(130)에 연결되므로, 제1주작동기(110) 및 제1보조작동기(120) 중 어떤 것으로 구동되더라도 동일한 각속도 ω로 제어되는 것이다.
이중화 작동기의 운동방정식은 다음과 같다.
T1 -(JC+JA+J2) = T1 out
T2 - JA = T2 out
T1 out T2 out
T1 = T2 + (JC+J2)
여기서 T1은 제1주작동기(110)의 출력 토크, T2는 제1보조작동기(120)의 출력 토크, T1 out은 제1주작동기(110)에 의한 이중화 작동기의 토크 출력, T2 out은 제1보조작동기(120)에 의한 이중화 작동기의 토크 출력, 은 각가속도, JC는 클러치의 질량관성모멘트, JA는 토크암, 즉 제1출력부(140)의 질량관성모멘트, J2는 보조감속기의 질량관성모멘트이다.
따라서 이중화 작동기의 정격 토크는 T1 out이며, T1 out T2 out 가 되려면 T1>T2 인 주모터 및 보조모터를 선정하는 것이 바람직하다.
도 3을 참고하여 본 발명 제1이중화 작동기(100)를 이어서 설명한다. 제1주작동기(110) 및 제1보조작동기(120)는 제1베이스(150) 상에 조인트브라켓(151)을 통해 주출력축과 보조출력축이 마주보도록 설치될 수 있다. 이 때 주출력축과 보조출력축이 회전가능하게 지지되도록 설치될 수 있다. 제1베이스(150)에 고정됨으로써 제1주작동기(110) 및 제1보조작동기(120) 사이의 거리가 고정되며, 그 사이에 제1클러치(130) 및 제1출력부(140)가 설치될 수 있다.
제1클러치(130)는 제1주작동기(110)의 제1주출력축(111)과 및 제1보조작동기(120)의 제1보조출력축(121)을 연결하도록 설치될 수 있다. 제1클러치(130)는 제1주출력축(111)에 연결되며 제1주작동기(110)에 설치되는 제1고정클러치(131) 및 상기 제1고정클러치(131)에 결합 또는 해제되며 제1보조출력축(121)에 연결되는 제1가동클러치(132)를 포함할 수 있다.
제1고정클러치(131) 및 제1가동클러치(132)는 여자방식으로 구동되어, 전원이 공급되면 제1가동클러치(132)의 접극자가 제1고정클러치(131)의 전자석에 흡인되어, 제1주작동기(110)의 동력을 전달하게 되며, 이 때 제1보조작동기(120)는 대기 상태로 공회전하게 된다. 또한 제1가동클러치(132)는 웨이브스프링을 포함하여 제1클러치(130)에 전원을 차단하면 제1고정클러치(131)로부터 해제되어, 제1보조작동기(120)의 동력을 전달하게 된다. 즉, 제1가동클러치(132)가 제1고정클러치(131)에 결합된 상태에서 제1주작동기(110) 구동 시 토크는 제1주출력축(111), 제1고정클러치(131), 제1가동클러치(132)를 통해 출력될 수 있다. 반대로 제1주작동기(110)가 고장 진단 등에 의해 정지되는 경우, 제1가동클러치(132)는 제1고정클러치(131)로부터 해제되고, 제1보조작동기(120)가 구동되며 토크는 제1보조출력축(121)에서 제1가동클러치(132)를 통해 출력될 수 있다.
또한 제1고정클러치(131)는 투스(Tooth) 클러치이며, 치형의 맞물림 구조로 제1가동클러치(132)에 결합될 수 있다. 투스 클러치의 경우 소형으로 고속에서도 토크 전달율이 큰 장점이 있다. 한편 제1가동클러치(132)는 서로 마주보는 제1주출력축(111)과 제1보조출력축(121) 사이에서 견고하게 지지되기 위해, 제1보조출력축(121)에 제1베어링(133)을 통해 지지될 수 있다. 또한 제1가동클러치(132) 및 제1보조작동기(120) 사이의 축방향 지지 및 가이드를 위해 제1클램핑부(134)가 사용될 수 있다.
제1출력부(140)는 제1가동클러치(132)에 연결되어 본 발명 이중화 작동기의 최종 출력단이 되는 구성이다. 제1출력부(140)는 링크로 형성될 수 있고, 일 예로 항공기 날개 등이 결합되어 날개 각을 조종하는 데에 이용될 수 있다.
또한 제1이중화 작동기(100)는 제1각변위게이지(160)를 포함할 수 있다. 제1각변위게이지(160)는 제1출력부(140)의 실제 각변위을 측정하기 위한 것으로 도면과 같이 제1가동클러치(132)에 설치되거나 제1출력부(140)에 설치될 수 있다.
나아가 본 발명은 상기 제1각변위게이지(160)를 통해 제1주작동기(110)의 고장을 진단하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 또한 제어부는 제1주작동기(110) 고장 진단 시 제1가동클러치(132)를 제1고정클러치(131)로부터 해제시키고 제1보조작동기(120)를 동작시킬 수 있다. 나아가 제어부는 제1보조작동기(120)를 동작시키는 경우 조기 귀환 절차를 명령할 수 있다.
제어부는 각변위 오차각과 오차각의 변화율을 이용하여 고장 진단을 할 수 있다. 먼저 오차각 ei은 주모터에 입력된 각변위 θc 1와, 제1출력부(140)의 실제 각변위 θf의 차이의 절대값으로 정의될 수 있다. 즉, ei = │θc 1-θf│ 이다. 오차각 변화율은 (ei+1)/ei 로 정의될 수 있다. 제어부는 오차각이 설정값(A)보다 큰 경우 오차각 변화율이 설정값(B)보다 큰지 판단하여, 오차각과 오차각 변화율 모두 설정값보다 큰 경우 제1주작동기(110)가 고장난 것으로 진단할 수 있다. 여기서 오차각 변화율의 설정값(B)은 1보다 큰 수인 것이 바람직하다. 오차각 변화율을 고장 진단에 이용하는 것은, 오차각이 이전 오차각보다 크게 나타나는 것으로 단순히 고장 진단을 하는 경우, 실제 정상적인 범위에서 토크가 증가하거나, 작동기 내부의 기어가 유격되거나, 토크 전달 부품의 마모에 의해 오차각이 증가하는 고장이 아닌 경우까지도 고장으로 진단할 수 있기 때문이다. 따라서 오차각이 증가하는 경우에만 고장으로 진단할 수 있다.
나아가 제어부는 제1보조작동기(120)를 피드백 값으로 제어할 수 있다. 즉 제1보조작동기(120)의 보조모터에 의해 출력되는 각변위 θc 2가 고장 진단 시의 제1출력부(140)의 실제 각변위 -θf i+1으로 제어될 수 있다. 여기서 θc 2가 음수(-)인 이유는 제1보조작동기(120)가 제1주작동기(110)와 마주보는 방향으로 설치됨에 따라 회전방향이 서로 반대이기 때문이다. 여기서 각변위 θc 또는 θc 2로 제어한다고 하는 것은 보조출력축에서 각변위를 형성하도록 보조모터를 제어하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명 이중화 작동기의 다른 실시예인 제2이중화 작동기(200)의 각 구성을 설명한다. 제2이중화 작동기(200)는 제1이중화 작동기(100)와 주작동기 및 보조작동기의 배치 및 이와 관련된 구성에 차이가 있으며, 동일한 부분에 대하여는 동일한 도면부호를 사용하고, 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명 이중화 작동기의 다른 실시예인 제2이중화 작동기(200)의 개념도, 도 5는 본 발명 제2이중화 작동기(200)의 상세도, 도 6은 도 5에서 제2출력부(240)를 도시한 도면이다. 이들 도면을 참고하면 본 발명 제2이중화 작동기(200)는 제1이중화 작동기(100)와 마찬가지로 제2주작동기(210), 제2주출력축(211), 제2보조작동기(220), 제2보조출력축(221), 제2클러치(230), 제2고정클러치(231), 제2가동클러치(232), 제2각변위게이지(260)를 포함할 수 있다.
본 발명 제2이중화 작동기(200)는, 제1이중화 작동기(100)와 달리, 제2주작동기(210)와 제2보조작동기(220)가 나란한 방향으로 배치 및 설치될 수 있다. 도 4를 참고하면, 제2주작동기(210)는 토크 출력 T1 및 각속도 ω로 제어되며, 제2클러치(230)가 제2주작동기(210)의 제2출력축에 연결되어, 제2출력부(240)를 통해 토크를 전달하게 된다. 또한 제2보조작동기(220)는 제1주작동기(110)가 고장 등의 이유로 구동하지 않는 경우 구동되며, 토크 출력 T2 및 각속도 ω로 제어된다. 제2출력부(240)는 제2주작동기(210) 및 제2보조작동기(220) 중 어떤 것으로 구동되더라도 동일한 각속도 ω로 제어되며, 이를 위해 제2주작동기(210)와 제2보조작동기(220)의 출력단이 링크를 포함하는 제2출력부(240)에 의해 연결될 수 있다.
제2이중화 작동기(200)의 운동방정식은 제1이중화 작동기(100)의 운동방정식과 동일하게 이해될 수 있으므로 생략한다.
도 5를 참고하여 본 발명 제2이중화 작동기(200)를 이어서 설명한다. 제2주작동기(210) 및 제2보조작동기(220)는 제2베이스(250) 상에 조인트브라켓(151)을 통해 주출력축과 보조출력축이 나란한 방향으로 설치될 수 있다. 따라서 제2베이스(250)는 도면과 같이 복층의 형상으로 형성되고, 각 층에 제2주작동기(210) 및 제2보조작동기(220)가 각각 설치 및 고정될 수 있다. 이 때 제2주출력축(211)과 제2보조출력축(221)이 회전가능하게 지지되도록 설치될 수 있다. 제2베이스(250)에 고정됨으로써 제2주작동기(210) 및 제2보조작동기(220) 사이의 거리가 고정되며, 제2클러치(230) 또한 가동 가능하게 설치 및 고정될 수 있다.
제2클러치(230)는 제2주작동기(210)의 제2주출력축(211)과 및 제2보조작동기(220)의 제2보조출력축(221)을 연결하도록 설치될 수 있다. 제1이중화 작동기(100)와의 차이점은, 제2클러치(230)는 제2가동클러치(232)가 제2보조출력축(221)에 직접 연결되지 않고 이격된 상태에서 링크에 의해 연결될 수 있다. 따라서 제2클러치(230)는 제2가동클러치(232)가 가동되는 범위 상에 이동을 가이드하고 동력을 전달하는 가이드샤프트(235)를 포함할 수 있다. 또한 가이드샤프트(235)는 제2가동클러치(232) 및 제2베이스(250)에 제2베어링(233)을 통해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 나아가 제2가동클러치(232)를 제2베이스(250)에 견고하게 지지하기 위해 제2클램핑부(234)를 포함할 수 있다. 제2클러치(230) 또한 여자방식으로 구동될 수 있으며, 따라서 제2가동클러치(232)가 제2고정클러치(231)에 결합된 상태에서 제2주작동기(210) 구동 시 토크는 제2주출력축(211), 제2고정클러치(231), 제2가동클러치(232)를 통해 출력될 수 있다. 반대로 제2주작동기(210)가 고장 진단 등에 의해 정지되는 경우, 제2가동클러치(232)는 제2고정클러치(231)로부터 해제되고, 제2보조작동기(220)가 구동되며 토크는 제1보조출력축(121)에서 연결링크(243), 제1가동클러치(132)를 통해 출력될 수 있다.
또한 도 6을 참조하면, 제2이중화 작동기(200)는 제1이중화 작동기(100)와 배치가 상이함에 따라 상이한 출력부 구조를 가질 수 있다. 제2출력부(240)는 제2주출력축(211)에 연동하는 주출력링크(241), 제2보조출력축(221)에 연동하는 보조출력링크(242), 및 상기 주출력링크(241)와 보조출력링크(242)를 연결하는 연결링크(243)를 포함할 수 있다. 이 중 모든 부분이 실제 출력 부위(P)가 될 수 있으며, 도면에는 주출력링크(241) 상에 실제 출력 부위(P)가 형성되는 것으로 표시하였다. 또한 도면에서는 주출력링크(241)과 보조출력링크(242)의 형상을 달리하였으나, 동일하게 형성될 수도 있다. 다만 도면과 같이 제2주출력축(211)과 연결링크(243) 연결지점의 거리 및 제2보조출력축(221)과 연결링크(243) 연결지점의 거리가 동일하게 형성될 수 있다. 이 경우 제2주출력축(211)과 제2보조출력축(221)의 각변위가 동일하게 연동될 수 있다.
또한 제2이중화 작동기(200)는 제2각변위게이지(260) 및 제어부를 포함할 수 있으며, 이는 제1이중화 작동기(100)와 동일하게 구성될 수 있다. 다만 제2주작동기(210)와 제2보조작동기(220)가 나란한 방향으로 설치됨에 따라 제2보조작동기(220)를 피드백 값으로 제어할 때, 제2보조작동기(220)의 보조모터에 의해 출력되는 각변위 θc 2가 고장 진단 시의 제1출력부(140)의 실제 각변위 θf i+1으로 제어될 수 있다. 즉, θc 2가 제1이중화 작동기(100)와 달리 양수로 형성된다. 주모터와 보조모터의 회전방향이 서로 동일하기 때문이다. 여기서 각변위 θc 또는 θc 2로 제어한다고 하는 것은 보조출력축에서 각변위를 형성하도록 보조모터를 제어하는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명 이중화 작동기의 제어 방법의 일 실시예를 설명한다. 도 7은 본 발명 이중화 작동기 제어 방법의 일 실시예를 도시하는 순서도이다. 도 7을 참고하면 본 발명 이중화 작동기의 제어 방법은, 주작동기 고장 진단 및 고장 진단 시 보조작동기를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는, 클러치에 전원을 인가하고 주작동기를 각변위 θc로 동작시키는 단계(S1), 클러치에 연결된 출력부의 각변위를 측정하여 주작동기의 고장 여부를 판단하는 단계(S2 내지 S4), 주작동기가 고장인 것으로 판단되는 경우 클러치에 전원을 차단하고 클러치에 연결된 보조작동기를 동작시키는 단계(S5)를 포함할 수 있다. 클러치에 전원을 차단하면 클러치가 주작동기로부터 분리되면서 보조작동기의 구동력을 출력부로 전달할 수 있다.
주작동기의 고장 여부를 판단하는 단계는, 출력부의 각변위 θf를 측정하여, 주모터에 입력된 각변위 θc와, 출력부의 실제 각변위 θf의 차이의 절대값을 오차각 ei으로 연산하는 단계(S2)를 포함할 수 있다. 즉, ei = │θc 1-θf│ 이다. 이 후 오차각 ei이 설정값(A)보다 큰 지를 판단하는 단계(S3)를 포함할 수 있다. ei>A 로 판단되지 않는 경우, 고장이 아닌 것으로 판단하고 계속하여 오차각을 연산할 수 있다. ei>A 로 판단되는 경우, 오차각 변화율 (ei+1)/ei 을 연산하여 오차각 변화율이 설정값(B)보다 큰 지를 판단하는 단계(S4)를 포함할 수 있다. 여기서 B는 1보다 큰 수일 수 있다. 따라서 오차각 변화율이 일정 비율 이상으로 증가하는지를 판단할 수 있다. (ei+1)/ei >B 로 판단되지 않는 경우, 고장이 아닌 것으로 판단하고 계속하여 오차각을 연산할 수 있다. (ei+1)/ei >B 로 판단되는 경우 고장으로 진단하고 클러치에 인가되는 전원을 차단시키며, 보조작동기를 동작시킬 수 있다(S5).
또한 보조작동기를 동작시키는 단계(S5)에서 보조작동기는 상기 출력부의 각변위 θf i+1로 제어될 수 있다. 즉, 보조작동기는 각변위 θf i+1를 출력하도록 제어될 수 있다. 여기서 각변위 θc 또는 θc 2로 제어한다고 하는 것은 보조출력축에서 각변위를 형성하도록 보조모터를 제어하는 것을 의미한다. 한편, 주작동기와 보조작동기의 배치 관계에 따라, 제1이중화 작동기(100)에서는 제1보조작동기(120)가 -θf i+1으로 제어되고, 제2이중화작동기에서는 제2보조작동기(220)가 θf i+1으로 제어되는 것은 상술하였다.
이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.
실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
100 제1이중화 작동기 110 제1주작동기
111 제1주출력축 120 제1보조작동기
121 제1보조출력축 130 제1클러치
131 제1고정클러치 132 제1가동클러치
133 제1베어링 134 제1클램핑부
140 제1출력부 150 제1베이스
151 조인트브라켓 160 제1각변위게이지
200 제2이중화 작동기 210 제2주작동기
211 제2주출력축 220 제2보조작동기
221 제2보조출력축 230 제2클러치
231 제2고정클러치 232 제2가동클러치
233 제2베어링 234 제2클램핑부
235 가이드샤프트 240 제2출력부
241 주출력링크 242 보조출력링크
243 연결링크 250 제2베이스
260 제2각변위게이지

Claims (14)

  1. 주모터와 주감속기를 포함하여 주출력축으로 토크를 출력하는 주작동기;
    보조모터와 보조감속기를 포함하여 보조출력축으로 토크를 출력하는 보조작동기; 및
    상기 주출력축과 보조출력축을 연결하는 클러치;
    를 포함하고,
    상기 클러치는, 상기 주출력축에 연결되는 고정클러치 및 상기 고정클러치에 결합 또는 해제되며 상기 보조출력축에 연결되는 가동클러치를 포함하고,
    상기 가동클러치에 연결되며, 상기 주작동기 또는 보조작동기로부터 출력을 전달하는 출력부;
    를 더 포함하는 이중화 작동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주모터의 용량은 상기 보조모터의 용량보다 크게 형성되는 이중화 작동기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고정클러치는 투스(Tooth) 클러치이며, 치형의 맞물림 구조로 상기 가동클러치에 결합되는 이중화 작동기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주작동기 및 상기 보조작동기가 설치되는 베이스;를 더 포함하는 이중화 작동기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주작동기 고장 시, 상기 가동클러치는 상기 고정클러치로부터 해제되고, 상기 보조작동기가 구동되는 이중화 작동기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 출력부의 각변위를 측정하는 각변위게이지; 를 더 포함하고,
    상기 보조작동기는 상기 각변위게이지에서 측정되는 상기 출력부의 각변위로 제어되는 이중화 작동기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 주작동기는, 상기 주모터에 입력된 각변위와 상기 각변위게이지로 측정된 각변위의 차이인 오차각 및 상기 오차각의 변화율이 설정된 값보다 큰 경우 고장인 것으로 판단되는 이중화 작동기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 주모터의 토크 출력과 상기 보조모터의 토크 출력은 다음과 같은 관계식에 따르는 이중화 작동기.

    T1 : 주작동기 토크 출력
    T2 : 보조작동기 토크 출력
    JC : 클러치의 질량관성모멘트
    J2 : 보조감속기의 질량관성모멘트
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주작동기 및 상기 보조작동기는, 상기 주출력축 및 상기 보조출력축이 마주보는 방향으로 설치되는 이중화 작동기.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주작동기 및 상기 보조작동기는, 상기 주출력축 및 상기 보조출력축이 나란한 방향으로 설치되는 이중화 작동기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가동클러치는, 상기 주출력축으로부터 토크를 전달받아 출력하는 가이드샤프트를 포함하고,
    상기 출력부는, 상기 가이드샤프트에 연결되는 주출력링크, 상기 보조출력축에 연결되는 보조출력링크, 및 상기 주출력링크와 상기 보조출력링크를 연결하는 연결링크를 포함하는 이중화 작동기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가이드샤프트는 상기 베이스에 베어링으로 지지되도록 설치되는 이중화 작동기.
  13. 클러치에 전원을 인가하고 주작동기를 입력된 각변위로 동작시키는 단계;
    상기 클러치에 연결된 출력부의 각변위을 측정하여 상기 주작동기의 고장 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 주작동기가 고장인 것으로 판단되는 경우 상기 클러치에 전원을 차단하고, 상기 클러치에 연결된 보조작동기를 동작시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 보조작동기는 상기 출력부의 각변위로 제어되는 이중화 작동기 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 주작동기에 입력된 각변위와 상기 출력부의 각변위의 차이인 오차각 및 상기 오차각의 변화율을 연산하고,
    상기 오차각 및 상기 변화율이 설정값보다 큰 경우 상기 주작동기가 고장인 것으로 판단하는 이중화 작동기 제어 방법.
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