(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
舵面を駆動する電動式のモータと、
該モータに制御信号を付与してこれを運転操作するモータコントローラと、
前記舵面の角度を検出する角度検出器と、
位置コマンドと前記角度検出器からフィードバックされる位置フィードバック信号との偏差としての偏差コマンドを算出する偏差演算手段と、
前記偏差コマンドに所定のゲインを与えて増幅し、前記モータコントローラに出力する増幅手段とを備えた航空機の電動式アクチュエータにおいて、
前記偏差演算手段とモータコントローラとを接続する偏差コマンドのラインであって前記増幅手段の前、または前記角度検出器からの位置フィードバック信号ラインであって前記偏差演算手段の前の何れか一方に、前記舵面の角度を検出する角度検出器から入力される位置フィードバック信号に含まれるホワイトノイズのノイズ幅より大きい不感帯幅を有して、前記偏差コマンド中の前記ノイズを除去する不感帯を設けてなることを特徴とする電動式アクチュエータ。
【請求項２】
前記不感帯は、入力信号に含まれるノイズ幅よりも大きくかつアクチュエータに要求されるスレショルドの要求幅より小さいように構成されてなる請求項１電動式アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は航空機の舵面操作等に使用される電動式アクチュエータに関し、特にその制御信号に含まれるノイズ成分を除去する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に概略を示す航空機５００において、航空機の舵面を動かすアクチュエータには、油圧式と電動式とがある。油圧式アクチュエータは大出力でかつ高い応答性が要求されるエルロン１０１、エレベータ１０５等の主舵面を駆動するために使用される。一方、比較的小出力で、かつ高応答性を要求されない前縁フラップ（スラット）１０２、後縁フラップ１０３、ラダー１０４等の補助舵面の駆動用としては、電動式アクチュエータが使用されている。しかしながら近年は、大出力かつ高い応答性を要求される場合にも、上記油圧アクチュエータとともに電動式アクチュエータも使用されてきている。
【０００３】
これは、前記電動式アクチュエータが、油圧式アクチュエータに比べて次のような長所を有することによる。
１）機体への艤装が容易であり、かつ油圧管の配管を必要とせずケーブルの使用が可能となる。
２）油圧システムを必要としないため、メンテナンスが容易である。
３）アクチュエータのスレッショルドやヒステリシスを低減できる。
４）機体の軽量化が可能となる。
【０００４】
然るに、近年の電動式アクチュエータの要素技術として、多くの強磁性体が開発されて汎用されるに従い、多くの小型かつ高出力の電動モータが開発されるに加えて、電子制御素子の発達により大電力用の制御回路の小型化が可能となった。
上記のような電動式アクチュエータを取り巻く新しい技術要素の提供により、航空機でも次第に電動式アクチュエータがより広く採用されつつある。
【０００５】
図３は従来技術に係る航空機用電動式アクチュエータ１００Ｂのブロック図を示す。
図３において、２００Ｂは位置サーボコントローラ、１２はモータコントローラであり、該位置サーボコントローラ２００Ｂから出力されるモータ速度コマンド１１はモータコントローラ１２へ入力され、舵面１６の操作上の所要のモータ回転が指示される。即ち、前記モータコントローラ１２には、モータ速度コマンド１１に対応したモータ駆動電力１３をモータ１４に出力する。そしてモータ１４の回転力はギアボックス１５を経て舵面１６に伝達され、該舵面１６を回転移動させる。
前記モータ１４の回転制御は、該モータ１４に取付けられたレゾルバ即ち速度センサ１８により監視され、その回転速度はモータ速度信号１９として、前記モータコントローラ１２へフィードバックされることにより、速度制御がなされている。
【０００６】
一方、前記位置サーボコントローラ２００Ｂでは、前記ギアボックス１５の角度を検出するための角度センサ（ＲＶＤＴ）１７で検出され、ＲＶＤＴ変換器１０、及びＡ／Ｄ変換器９を通って送られる舵面の位置フィードバック信号８と、外部から指示されＡ／Ｄ変換器２を通った位置コマンド１の両者が、差分回路３に入力される。該差分回路３においては、前記位置コマンド１と位置フィードバック信号８との差から位置偏差コマンド７が算出される。該位置偏差コマンド７は増幅回路５に入力され、必要な大きさの位置補償ゲイン５ａに増幅される。
この位置補償ゲイン５ａはＤ／Ａ変換器６でアナログ信号に変換され、位置偏差に比例したモータ速度コマンド１１となる。そして、このモータ速度コマンド１１は前記モータコントローラ１２に入力され、該モータコントローラ１２は、外部からの位置コマンド１に従った舵面１６の回転移動制御を行なう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記航空機用アクチュエータは、一般に位置制御が行なわれている。例えば舵面制御の場合には、アクチュエータにより操縦舵面の位置制御が行なわれる。かかる位置制御では、信号に対する高い応答性が要求される。この高い応答性を実現するには、位置コマンドと位置フィードバック信号の差分に対するゲイン、すなわちサーボの前向きのゲインを大きくとることが要求される。しかしながらゲインを大きくすると、ノイズも同時に増幅してしまうという不具合を生ずる。
【０００８】
特に位置サーボ系では、位置フィードバック信号や位置コマンドにノイズがある場合、アクチュエータをある位置に停止させる、すなわち位置フィードバック信号と位置信号が等しくなった状態では、両信号に含まれるノイズ成分のみが結果として増幅され、このノイズにより、アクチュエータが停止位置で微震動したような状態になってしまう。すなわちノイズによる舵面の“ビビリ”が現れ、アクチュエータの質の低下、最悪事には機体の安定性不良となる不具合が生ずる。
【０００９】
図４は、図３に示す電動式アクチュエータにおける位置フィードバック信号及び位置偏差コマンド信号の一例を示し、図４（Ａ）は舵面１６からの位置フィードバック信号８の信号波形、（Ｂ）は外部からの外部コマンド信号１である。
同図の（Ａ）では位置フィードバック信号８の信号幅１０ｍＶに対して、約３ｍＶ程度のノイズが乗っている状態を示している。なお（Ｂ）に示す位置コマンド１にはかかるノイズは乗っていない。
【００１０】
図５は、前記電動式アクチュエータにおける位置偏差コマンド７及びアクチュエータ位置の一例を示し、図５（Ｃ）は、差分回路３の出力である位置偏差コマンド７（前向きゲイン入力）を示す。この場合、アクチュエータの位置偏差コマンド７には±約１０ｍＶ（０．０３５ｄｅｇ．）のノイズがそのまま現れている。図５（Ｄ）は前記位置偏差コマンド７から低ゲイン時のアクチュエータ位置即ち電動式アクチュエータ１００Ａの出力を示す。該アクチュエータ位置にはアクチュエータの“ビビリ”が発生しているが、このビビリは後述する高ゲイン時に比較すれば小さなビビリである。
【００１１】
また、図６に示すように、図５と同一の位置偏差コマンド７（図６（Ｃ））に高ゲインで増幅した時のアクチュエータ位置は同図（Ｅ）に示されるように、ノイズが大きく増幅されて乗る。このため、アクチュエータ位置に大きなビビリが発生する。このビビリは舵面に入って、舵面の制御が不安定となる。
【００１２】
一方、従来の油圧式アクチュエータにあっては、該アクチュエータのスレショルド（すなわち、どこまで小さな入力に応答するか）、あるいはヒステリシス（信号のガタの様なもの）がその構造上、ある程度の大きさにあり、これがノイズに対してバッファーないし鈍感に作用しているため、電動式アクチュエータに比較して、上記ビビリ等の不具合の発生が少ない。
【００１３】
すなわち電動式アクチュエータにおいては、油圧式アクチュエータに比べて、上記スレショルドやヒステリシスが低いため（実測では１／１０程度）、外部ノイズに対する感受性が過度に強くなる。さらに電動式アクチュエータでは、大電力を使用するためにノイズ源となる電気部品が多くなり、位置フィードバック信号中に上記ノイズが乗りやすく、結果として滑らかな舵面作動が困難となる。
このため、上記電動式アクチュエータを搭載する航空機５００では、飛行中に常に舵面１６が上記ノイズに対応して微少振動し、機体の安定度が悪くなるという問題点を有する。
【００１４】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、航空機の操縦舵面を操作するための電動式アクチュエータにおいて、大出力、かつコマンドに対して高応答性を有し、、耐ノイズ性の高い安定した舵角制御を行なうことのできる電動式アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、
舵面を駆動する電動式のモータと、
該モータに制御信号を付与してこれを運転操作するモータコントローラと、
前記舵面の角度を検出する角度検出器と、
位置コマンドと前記角度検出器からフィードバックされる位置フィードバック信号との偏差としての偏差コマンドを算出する偏差演算手段と、
前記偏差コマンドに所定のゲインを与えて増幅し、前記モータコントローラに出力する増幅手段とを備えた航空機の電動式アクチュエータにおいて、
前記偏差演算手段とモータコントローラとを接続する偏差コマンドのラインであって前記増幅手段の前、または前記角度検出器からの位置フィードバック信号ラインであって前記偏差演算手段の前の何れか一方に、前記舵面の角度を検出する角度検出器から入力される位置フィードバック信号に含まれるホワイトノイズのノイズ幅より大きい不感帯幅を有して、前記偏差コマンド中の前記ノイズを除去する不感帯を設けてなることを特徴とする電動式アクチュエータを提案する。
【００１６】
【００１７】
また請求項１において、好ましくは、前記不感帯は、その不感帯幅が該不感帯に入力される入力信号に含まれるノイズよりも大きくかつアクチュエータに要求されるスレショルドの要求幅より小さいように構成する。
【００１８】
かかる発明によれば、ノイズ分を含む位置偏差コマンドあるいは位置検出器からの位置フィードバック信号は、不感帯幅が前記ノイズ成分の幅よりも大きく設定された不感帯を通過することによって、ノイズ成分が除去される。
【００１９】
従って、偏差演算手段から増幅手段に入力される位置偏差コマンドにはノイズ成分を含むことがなく、モータコントローラからの制御信号に前記ノイズ成分に起因するビビリの発生が回避され、耐ノイズ性の高い、安定した制御を行なうことが可能となる。
また、増幅手段にてゲインから付与される位置偏差コマンドにノイズ成分を含まないので、該増幅手段にて大きなゲインを付与することができる。これによって高い応答性を有するとともに大出力の電動式アクチュエータが得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２１】
図１は本発明の実施形態に係る航空機の舵面操作用電動式アクチュエータの構成を示すブロック図である。
図１において、１００Ａは電動式アクチュエータ、１６は該アクチュエータ１００Ａによって操作される航空機の舵面である。
２００Ａは位置サーボコントローラであり、これのＡ／Ｄ変換器２には外部から制御用の位置コマンド１が入力されるようになっている。
１４はモータで、該モータ１４の回転力はギアボックス１５を介して前記舵面１６に伝達され、これを操作するようになっている。
【００２２】
１２はモータコントローラで、これによって制御されたモータ駆動電力１３を前記モータ１４に出力する。
１８は前記モータ１４の速度を検出し、そのモータ速度信号１９を前記モータコントローラ１２に出力する速度センサ（レゾルバ）である。
１７は前記ギアボックス１５の角度、即ち前記舵面１６の角度を検出する角度センサ（ＲＶＤＴ）である。
【００２３】
３は差分回路で、前記Ａ／Ｄ変換器２でデジタル信号に変換された位置コマンド１と、前記角度センサ１７で検知され、ＲＶＤＴ変換器１０を経てＡ／Ｄ変換器９でデジタル信号に変換された位置フィードバック信号８との偏差、即ち位置偏差コマンド７を算出するものである。
【００２４】
５は後述する不感帯４を経た位置偏差コマンド７を増幅して、必要な位置補償ゲイン５ａに増幅する増幅回路、６は上記位置補償ゲイン５ａをアナログ信号に変換し、モータ速度コマンド１１として前記モータコントローラ１２に出力するＤ／Ａ変換器である。
以上の構成は、図３に示す従来技術と同様である。
【００２５】
本発明においては、前記差分回路３と増幅回路５との間に不感帯４を設け、差分回路３から出力された位置偏差コマンド７に、次の不感帯幅を付与するものである。
即ち、該不感帯４の不感帯幅は、前記角度センサ１７で検出された位置フィードバック信号８のノイズ幅より大きく、かつアクチュエータに要求されるスレショルド（どこまで小さな入力に応答するか）の要求幅よりも小さな値に設定されている。
【００２６】
次に、この実施形態に係る電動式アクチュエータの動作について説明する。
図２は、図１に示す、この実施形態に係る電動式アクチュエータにおける位置偏差コマンド信号７及び舵面１６に出力されるアクチュエータ位置の変化を示す。
図２において、（Ｃ）はノイズ分を含む位置偏差コマンド（前向きゲイン入力）７を示し、（Ｅ）はこの実施形態におけるアクチュエータ位置を示す。
【００２７】
図１において、前記角度センサ１７にて検出された位置フィードバック信号８には上記のようにノイズ成分が乗っており、この位置フィードバック信号８と、ノイズ無しの位置コマンド１とが差分回路３へ入力される。そして、該差分回路３にて位置コマンド１と位置フィードバック信号８との偏差即ち位置偏差コマンド７が算出される。該位置偏差コマンド７は最大幅±１０ｍＶ程の振幅を持ったノイズ成分を有する。
【００２８】
さらに、この位置偏差コマンド（前向きゲイン入力）７は、このノイズ成分を取り除くために不感帯４に入力される。この不感帯４は、前記のように想定されるノイズ幅（この例では図２に示すように１０ｍＶ）よりも大きく、かつ電動式アクチュエータに要求されるスレショルドの要求よりは小さな値に採られており、該位置偏差コマンド７に含まれるノイズは、該不感帯４でカットされる。即ち、上記不感帯４はノイズ成分だけをカット出来るようにその不感帯幅が設定されているので、ここでノイズが完全に除去される。
【００２９】
前記のようにして、不感帯４にてノイズがカットされた位置偏差コマンド７は、さらにゲインを高めるために増幅回路５へ入力される。該増幅回路５にて該位置偏差コマンド７は、必要な位置補償ゲイン５ａに増幅される。該偏差コマンド７は、前記のようにして、増幅される前にすでにノイズ分がカットされているため、結果として位置サーボコントローラ２００Ａから出力されてモータコントローラ１２に入力されるモータ速度コマンド１１は安定したノイズを含まないコマンドとなる。
【００３０】
以後は図３の従来技術と同様に、位置サーボコントローラ２００Ａから出力されるモータ速度コマンド１１がモータコントローラ１２へ出され、該モータコントローラ１２から舵面１６操作上の必要なモータ回転が出力される。すなわち前記モータコントローラ１２からモータ速度コマンド１１に対応したモータ駆動電力１３がモータ１４へ出力され、該駆動電力１３によるモータ回転力はギアボックス１５に伝達され、舵面１６を回転移動させる。
【００３１】
ここで、一般にノイズを除去するためにはローパスフィルタで高周波部分を除去するが、この実施形態では不感帯４を用いている。これは、いわゆるノイズの周波数成分が予め判明している場合にはローパスフィルタでそれらのノイズを除去することが出来るが、航空機の場合には、いわゆるホワイトノイズと呼ばれる周波数成分が未知なノイズが多く、これに対処するためである。
さらに、この実施形態では前記不感帯４を位置フィードバック信号８と位置コマンド１とが釣り合った状態となっている位置偏差コマンド７のラインを設けているので、ビビリの発生が回避される。
【００３２】
なお上記実施形態では、不感帯４は差分回路３の後に設けられているが、これに限ることなく、位置フィードバック信号８が検出される角度センサ（ＲＶＤＴ）１７と差分回路３との間に設置してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、ノイズ成分を含んだ位置偏差コマンドは不感帯を通ることによってノイズ分が除去された後に、モータ速度コマンドとしてモータコントローラに入力されるため、該ノイズ成分に起因するビビリの発生が無く、安定した被駆動体の操作が可能となる。
また、上記のように位置偏差コマンドにノイズ成分を含まないため、増幅手段において大きなゲインを付与することが可能となり、高い応答性が得られるとともに、油圧式アクチュエータと同等の大出力の電動式アクチュエータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る航空機用電動式アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【図２】  上記実施形態における制御信号の応答線図である。
【図３】  従来技術を示す図１応答図である。
【図４】  従来技術における制御信号の応答線図（その１）である。
【図５】  従来技術における制御信号の応答線図（その２）である。
【図６】  従来技術における制御信号の応答線図（その３）である。
【図７】  本発明が適用される航空機の概略平面図である。
【符号の説明】
１００Ａ    電動式アクチュエータ
２００Ａ    位置サーボコントローラ
１          位置コマンド
２、９      Ａ／Ｄ変換器
３          差分回路
４          不感帯
５          増幅回路
６          Ｄ／Ａ変換器
７          位置偏差コマンド
８          位置フィードバック信号
１０        ＲＶＤＴ変換器
１１        モータ速度コマンド
１２        モータコントローラ
１３        モータ駆動電力
１４        モータ
１５        ギアボックス
１６        舵面
１７        角度センサ
１８        速度センサ
１９        モータ速度信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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