KR20200018930A - 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법 - Google Patents

항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항공기 액추에이터의 구동을 제어하기 위해 스위칭 되는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치는 항공기 액추에이터에 구동력을 제공하는 모터, 항공기에 제공되는 전압의 직류 전원을 모터에 제공되는 전압의 직류 전원으로 변환하며 전류 불연속 모드로 동작되는 DC-DC 컨버터(converter) 및 DC-DC 컨버터로부터 제공된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터에 제공하며 전류 불연속 모드로 작동될 때 모터의 작동을 제어하도록 스위칭 되는 DC-AC 인버터(inverter)를 포함한다.

Description

항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법{SWITCHING APPARATUS FOR DRIVING AIRCRAFT ACTUATOR AND SWITCHING METHOD THEREOF}
본 발명은 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 항공기 액추에이터의 구동을 제어하기 위해 스위칭 되는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법에 관한 것이다.
일반적으로 항공기는 다양한 비행 조작을 위해 다양한 기계적인 구조들을 포함한다. 예를 들어, 항공기는 피치(pitch), 롤(roll) 및 요(yaw)의 3개의 축을 기준으로 선회 등과 같은 다양한 방향 전환 비행 운동된다. 이러한 항공기의 다양한 비행 운동을 위해서 날개에는 승강타 및 방향타 등과 같은 다양한 방향 전환기구가 배치된다.
여기서, 항공기의 방향 전환을 위해 사용되는 승강타 및 방향타 등과 같은 다양한 방향 전환 기구는 항공기 액추에이터에 의해서 작동된다. 항공기 액추에이터는 전기적인 신호에 따라 작동되는 전기식(전동식) 액추에이터가 주로 사용된다. 전기식 액추에이터로 사용되는 항공기 액추에이터는 구동용 스위칭 장치의 스위칭 작동에 의해 제어된다.
한편, 도 1은 의 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 개략 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치(1000)는 모터(1100), DC-DC 컨버터(converter)(1300), DC-AC 인버터(inverter)(1500) 및 커패시터(capacitor)(1600)를 포함한다.
모터(1100)는 항공기 액추에이터(미도시)에 구동력을 제공한다. DC-DC 컨버터(1300)는 항공기에 제공되는 전압의 직류 전원을 모터(1100)에 제공되는 전압의 직류 전원으로 변환한다. DC-AC 인버터(1500)는 DC-DC 컨버터(1300)로부터 변환된 직류 전원을 모터(1100)에 사용되는 교류 전원으로 변환한다. DC-AC 인버터(1500)는 복수 개의 스위칭 소자(1520)를 포함하며, 복수 개의 스위칭 소자(1520)는 모터(1100)의 작동을 제어하기 위해 선택적으로 스위칭 된다. 커패시터(1600)는 DC-DC 컨버터(1300)와 DC-AC 인버터(1500) 사이에 배치되어 DC-DC 컨버터(1300)로부터 DC-AC 인버터(1500)로 제공되는 직류 전원의 에너지를 버퍼링 하는 역할을 한다.
그런데, 도 1에 도시된 종래의 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치(1000)는 커패시터(1600)를 사이에 두고 DC-DC 컨버터(1300)와 DC-AC 인버터(1500)가 상호 별도로 제어된다. 이러한 종래의 DC-DC 컨버터(1300)와 DC-AC 인버터(1500)가 별도로 제어되어 스위칭 손실이 발생되고, 스위칭 손실이 발생됨에 따라 전력 변환 효율의 저감될 뿐만 아니라 발열량이 증가함으로써 발열을 해소하기 위해 필수적으로 방열 장치가 필요하여 항공기의 중량을 증가시키는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1313676호; 전자기 릴레이 조립체
본 발명의 목적은 DC-DC 컨버터와 DC-AC 인버터로 구성되어 모터를 작동을 제어하기 위해 스위칭 소자를 스위칭 하는 방식을 개선하여 스위칭 손실을 최소화 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 C-DC 컨버터와 DC-AC 인버터로 구성되어 모터를 작동을 제어하기 위해 스위칭 소자를 스위칭 하는 방식을 개선하여 스위칭 시의 발열량을 최소화 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법도 제공하는 것이다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라 항공기 액추에이터에 구동력을 제공하는 모터와, 상기 항공기에 제공되는 전압의 직류 전원을 상기 모터에 제공되는 전압의 직류 전원으로 변환하며 전류 불연속 모드로 동작되는 DC-DC 컨버터(converter)와, 상기 DC-DC 컨버터로부터 제공된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 모터에 제공하며 상기 전류 불연속 모드로 작동될 때 상기 모터의 작동을 제어하도록 스위칭 되는 DC-AC 인버터(inverter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치에 의해 이루어진다.
여기서, 상기 모터는 3상의 교류 전동기이며, 상기 DC-AC 인버터는 상기 3상의 교류 전동기를 스위칭 하기 위해 복수 개의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 DC-AC 인버터는 상기 DC-DC 컨버터가 상기 전류 불연속 모드로 작동 중 전류가 0이 되는 시점과 동시에 스위칭 작동될 수 있다.
한편, 상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라 (a) 전류 불연속 모드로 동작되며 항공기에 제공되는 전압의 직류 전원을 3상의 교류 전동기에 제공되는 전압의 직류 전원으로 변환하는 DC-DC 컨버팅(converting) 단계와, (b) 상기 (a) 단계에서 제공된 직류 전원을 상기 3상의 교류 전동기에 제공되는 교류 전원으로 DC-AC 인버팅(inverting) 하는 단계와, (c) 상기 (b) 단계에서 상기 (a) 단계의 상기 전류 불연속 모드 동작 시 상기 3상의 교류 전동기를 제어하도록 스위칭 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 스위칭 방법에 의해 이루어진다.
여기서, 상기 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치는 상기 3상의 교류 전동기에 대응되는 복수 개의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 (c) 단계는 상기 (a) 단계의 상기 전류 불연속 모드 동작 중 전류가 O인 시점에 상기 3상의 교류 전동기에 대응되어 동시에 상기 3상의 교류 전동기의 작동을 제어하는 복수 개의 상기 스위칭 소자를 선택적으로 스위칭 할 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법의 효과는 DC-DC 컨버터와 DC-AC 컨버터 사이에 커패시터와 같은 버퍼 수단을 배치하지 않고 DC-DC 컨버터와 DC-AC 컨버터를 통합 제어, 특히 DC-DC 컨버터가 전류 불연속 모드로 동작 시 전류 값이 O이 되는 시점과 동시에 DC-AC 인버터가 스위칭 작동되어 스위칭 손실을 저감할 수 있으므로, 전력 변환 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 발열량을 저감하여 방열 장치의 사용을 줄여서 항공기의 중량도 저감시킬 수 있다.
도 1은 종래의 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 개략 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 개략 구성도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 DC-DC 컨버터(converter)의 전류 불연속 모드의 시간-전류의 관계를 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 전류 불연속 모드에 따른 DC-AC 인버터(inverter)의 복수 개의 스위칭 소자의 스위칭 그래프,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 스위칭 방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
설명하기에 앞서, 본 발명의 사상은 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치 및 이의 스위칭 방법에 대해 한정하여 이하에서 기재되어 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 전기식(전동식) 액추에이터 구동용 스위칭 장치에도 적용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 개략 구성도, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 DC-DC 컨버터(converter)의 전류 불연속 모드의 시간-전류의 관계를 도시한 그래프, 그리고 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 전류 불연속 모드에 따른 DC-AC 인버터(inverter)의 복수 개의 스위칭 소자의 스위칭 그래프이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치(10)는 모터(100), DC-DC 컨버터(converter)(1300) 및 DC-AC 인버터(inverter)(1500)를 포함한다.
모터(100)는 항공기 액추에이터(미도시)에 구동력을 제공하도록 마련된다. 본 발명의 일 실시 예로서, 모터(100)는 3상의 교류 전동기로 마련된다. 모터(100)는 DC-AC 인버터(500)의 후술할 복수 개의 스위칭 소자(520)의 스위칭에 따라 작동이 제어된다.
DC-DC 컨버터(300)는 항공기에 제공되는 전압의 직류 전원을 모터(100)에 제공되는 전압의 직류 전원으로 변환, 즉 컨버팅 한다. DC-DC 컨버터(300)는 항공기 내의 일정한 전압의 직류 전원을 모터(100)가 작동될 수 있는 전압의 직류 전원으로 컨버팅 한다. 본 발명의 DC-DC 컨버터(300)는 직류 불연속 모드로 전압의 직류 전원을 컨버팅 한다. 도 3의 시간-전류의 그래프에 도시된 바와 같이, DC-DC 컨버터(300)는 t1의 구간에서 i1의 전류 값을 가지며, t2의 구간에서 i1의 전류 값 대비 하강된 i2의 전류 값을 갖는다. 그리고, DC-DC 컨버터(300)는 t3의 구간에서 전류 값이 0이 되는 i0의 전류 값을 갖는다. 즉, DC-DC 컨버터(300)는 t1부터 t3의 시간의 흐름에 따른 구간에서 전류 값이 i1, i2, i0로의 상승, 하강 및 0이 되는 전류 불연속 모드로 작동된다.
다음으로 DC-AC 인버터(500)는 DC-DC 컨버터(300)로부터 제공된 직류 전원을 모터(100)에 제공될 수 있는 교류 전원으로 변환, 즉 인버팅 한다. 또한, DC-AC 인버터(500)는 DC-DC 컨버터(300)가 전류 불연속 모드로 작동될 때 모터(100)의 작동을 제어하도록 스위칭 된다. DC-AC 인버터(500)는 모터(100)의 작동을 제어하기 위해 복수 개의 스위칭 소자(520)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, DC-AC 인버터(500)는 a, b, c로 표현된 3상의 교류 전동기인 모터(100)의 작동을 제어하기 위해 6개의 스위칭 소자(520)가 사용된다. 스위칭 소자(520)는 1, 0의 스위칭 신호로 구분되어 작동된다.
상세하게 DC-AC 인버터(500)는 DC-DC 컨버터(300)가 전류 불연속 모드 중 전류 값이 0이 되시는 시점, 즉 도 3을 참고하면 t3의 구간에서 스위칭 소자(520)가 스위칭 된다. 보다 상세하게 도 4를 참조하면 설명하면, DC-AC 인버터(500)는 전류의 그래프에 따라 전류 값이 0이 되는 시점에 스위칭 된다. 예를 들면 전류 불연속 모드에서 전류 값이 0이 되는 시점 마다 a의 On 제어 신호를 제공하기 위해 스위칭, b의 On 제어 신호를 위해 스위칭 및 c의 On 제어 신호를 위해 스위칭이 이루어지고, 또한, c의 Off 제어 신호를 제공하기 위해 스위칭, b의 Off 제어 신호를 위해 스위칭 및 c의 Off 제어 신호를 위해 스위칭이 이루어진다. 즉, DC-AC 인버터(500)는 전류 값이 O이 되는 시점과 동시에 스위칭 된다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치(10)는 도 1에 도시된 종래의 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치(1000)와 달리, DC-DC 컨버터(300)와 DC-AC 인버터(500) 사이에 커패시터(1600)를 배치하지 않은 기술적 특징을 갖는다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치(10)는 DC-DC 컨버터(300)와 DC-AC 인버터(500) 사이에 전류의 에너지 버퍼링 역할을 하는 커패시터(미도시)가 배치되어 있지 않음에 따라 DC-DC 컨버터(300)와 DC-AC 인버터(500)의 작동을 동시에 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 스위칭 방법의 흐름도이다.
이러한 구성에 의해 본 발명의 실시 예에 따른 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치(10)의 스위칭 방법은 다음과 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, DC-DC 컨버터(300)는 전류 불연속 모드로 작동하여 항공기에 제공되는 전압의 직류 전원을 모터(100)에 제공될 수 있는 전압의 직류 전원으로 변환한다(S100). DC-DC 컨버터(300)로부터 제공된 직류 전원을 모터(100)에서 작동될 수 있는 교류 전원으로 변환한다(S300).
여기서, S300 단계에서 전류 불연속 모드 동작 시 전류 값이 O인지 판단한다(S500). S500 단계에서 전류 값이 0으로 판단되면 3상의 교류 전동기인 모터(100)를 제어하도록 DC-AC 인버터(500)는 스위칭 한다(S700). 이때, S300 단계와 S500 단계는 동시에 이루어진다. 즉, 전류 불연속 모드 동작 시 전류 값이 0이 되는 시점에 DC-AC 인버터(500)의 복수 개의 스위칭 소자(520)는 선택적으로 스위칭 된다.
이에, DC-DC 컨버터와 DC-AC 컨버터 사이에 커패시터와 같은 버퍼 수단을 배치하지 않고 DC-DC 컨버터와 DC-AC 컨버터를 통합 제어, 특히 DC-DC 컨버터가 전류 불연속 모드로 동작 시 전류 값이 O이 되는 시점과 동시에 DC-AC 인버터가 스위칭 작동되어 스위칭 손실을 저감할 수 있으므로, 전력 변환 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 발열량을 저감하여 방열 장치의 사용을 줄여서 항공기의 중량도 저감시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치
100: 모터 300: DC-DC 컨버터(converter)
500: DC-AC 인버터(inverter) 520: 스위칭 소자

Claims (5)

  1. 항공기 액추에이터에 구동력을 제공하는 모터와;
    상기 항공기에 제공되는 전압의 직류 전원을 상기 모터에 제공되는 전압의 직류 전원으로 변환하며, 전류 불연속 모드로 동작되는 DC-DC 컨버터(converter)와;
    상기 DC-DC 컨버터로부터 제공된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 모터에 제공하며, 상기 전류 불연속 모드로 작동될 때 상기 모터의 작동을 제어하도록 스위칭 되는 DC-AC 인버터(inverter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모터는 3상의 교류 전동기이며, 상기 DC-AC 인버터는 상기 3상의 교류 전동기를 스위칭 하기 위해 복수 개의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 DC-AC 인버터는 상기 DC-DC 컨버터가 상기 전류 불연속 모드로 작동 중 전류가 0이 되는 시점과 동시에 스위칭 작동되는 것을 특징으로 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치.
  4. (a) 전류 불연속 모드로 동작되며, 항공기에 제공되는 전압의 직류 전원을 3상의 교류 전동기에 제공되는 전압의 직류 전원으로 변환하는 DC-DC 컨버팅(converting) 단계와;
    (b) 상기 (a) 단계에서 제공된 직류 전원을 상기 3상의 교류 전동기에 제공되는 교류 전원으로 DC-AC 인버팅(inverting) 하는 단계와;
    (c) 상기 (b) 단계에서 상기 (a) 단계의 상기 전류 불연속 모드 동작 시, 상기 3상의 교류 전동기를 제어하도록 스위칭 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 스위칭 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치는 상기 3상의 교류 전동기에 대응되는 복수 개의 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 (c) 단계는 상기 (a) 단계의 상기 전류 불연속 모드 동작 중 전류가 O인 시점에 상기 3상의 교류 전동기에 대응되어 동시에 상기 3상의 교류 전동기의 작동을 제어하는 복수 개의 상기 스위칭 소자를 선택적으로 스위칭 하는 것을 특징으로 하는 항공기 액추에이터 구동용 스위칭 장치의 스위칭 방법.
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