(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
舵面を駆動する駆動モータに発生する逆起電力を回生電力として利用可能とした航空機の電動式アクチュエータシステムにおいて、
航空機エンジンにより駆動される発電機からの電力を電力負荷に供給する主電力ラインに配置され、
航空機内の前記電力負荷を検知して該電力負荷の状態により該電力負荷の主電力ラインへの前記回生電力の受入れの可否を判定する回生可否フラグを出力する電源コントローラと、
前記発電機側の主電力ラインから分岐された、舵面コントローラ電力ラインを介して前記舵面を駆動する駆動モータの運転を制御するモータドライバとスイッチドライバとを具えた舵面コントローラと、
前記駆動モータで発生する逆起電力を伝達する逆起電力ラインから分岐されて主電力ラインを介して電力負荷に接続される回生電力ラインと、
前記舵面コントローラに組み込まれ、電源コントローラよりの回生可否フラグが入力され、該回生可否フラグが回生可能のときは前記駆動モータからの逆起電力を前記主電力ラインに送り、該回生可否フラグが回生不可のときは前記逆起電力を内部抵抗に送る回生電力コントローラとを備えるとともに、
舵面コントローラのスイッチドライバは、上記電源コントローラからの回生可否フラグを受けて、回生可否フラグが回生可能のときは、駆動モータからの逆起電力を回生電力ラインを通して回生電力として電力負荷へ送り出さしめるとともに、前記回生可否フラグに基づいて、駆動モータの加速度の大きさを切り換える加速度切り換え手段を有することを特徴とする航空機の電動式アクチュエータシステム。
【請求項２】
前記電源コントローラは、前記電力負荷が前記回生電力を受入れ可能な一定電力を超えるときは、回生可能の前記回生可否フラグを出力し、前記電力負荷が前記一定電力以下のときは回生不可の前記回生可否フラグを出力するように構成されてなる請求項１記載の航空機の電動式アクチュエータシステム。
【請求項３】
前記回生電力コントローラは、前記駆動モータからの逆起電力が通電される逆起電力ラインと前記主電力ラインとの接断を切り換える回生スイッチと、
前記逆起電力ラインと、前記主電力ライン又は内部抵抗との接断を切り換える負荷スイッチと、
前記回生可否フラグを受けて前記負荷スイッチの接断を司どるスイッチドライバとを備えてなる請求項１ないし２の何れか１つに記載の航空機の電動式アクチュエータシステム。
【請求項４】
前記駆動モータの運転を制御するモータドライバと、
前記回生可否フラグにより、駆動モータの加速度の大きさを調整する加速度調整手段とを備えてなる請求項３記載の航空機の電動式アクチュエータシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は航空機内の電力システム等、限られた電力システム内に設けられた駆動モータから生ずる逆起電力を回生電力として利用した航空機の電動式アクチュエータシステムとその処理方法に関する。具体的には上記電力システム内で駆動モータの回転を急激に減少させる際に、不可避的に生ずる逆起電力を効率良く消費させる航空機の電動式アクチュエータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示す航空機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、かつ高い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、高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、前記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化されるに従い、多くの小型かつ高出力の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】
従来、大型の電動式アクチュエータで、例えば操縦舵面を駆動させるために高応答性を有した大型駆動モータを使用する場合、該駆動モータの回転エネルギーを逆起電力に変換して駆動モータの回転速度を減少させている。この場合、減速度を大きくするに従い、不可避的に大きな逆起電力が発生する。これは一般の電車でも同様であるが、電車においては、ブレーキをかけた際生ずる逆起電力は、回生電力として送電線を通して他の電車等に供給利用することが出来る。
しかしながら航空機等のように有限な空間内では上記のように回生電力を逃がす先が無く、かつ航空機の場合には電車に比べて比較的小さな電力負荷の集合体であるため電力回生には不向きな電力系である。そのため航空機においては、従来、大容量の大型内部抵抗器を機内に設置して、その回生電力即ち前記逆起電力を熱エネルギーとして消費し、放出している。
【０００６】
一般に電動モータにおいて、回転の減速時に発生する逆起電圧Ｖｅはモータの回転数Ｎに比例し、減速度Ｎ’は逆起電力Ｖｅによる電流Ｉｅに比例する。つまり、上記電流Ｉｅ＝Ｖｅ／ＲであるからＩｅを大きくする、即ち減速速度Ｎ’を大きくして高応答性を得るには抵抗値Ｒを小さくする必要がある。この場合、上記抵抗値Ｒを小さくすると、逆起電力はＷｅ＝Ｉｅ２ ×Ｒである故、Ｉｅは極大になり高い応答性が得られる。上記抵抗値を小さくするには抵抗器の物理的サイズは大きくする必要があることから、大型の抵抗器を使用することを要する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、航空機に使用される電動式アクチュエータは、出力が数ＫＷから数十ＫＷ級の駆動モータを備えたものであり、その逆起電力も前記駆動モータの出力レベルと同レベルであるため、これをコントローラ内の内部抵抗で消費するには、それに比例して大型の抵抗器を必要とし、その外形寸法及び重量が増加し、放熱手段も大掛かりとなる。
【０００８】
さらに航空機においては、有限空間内のシステムであるため、上記回生電力に比して十分な電力負荷が常時存在し得ず、このため、不十分な電力負荷へ大きな回生電力を供給すれば、負荷変動により駆動モータのコイルでサージ電圧が発生するという不具合を生ずる。
【０００９】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、航空機等の限られた電力システム内で駆動モータの回転を急激に減少させる際に、不可避的に生ずる逆起電力を効率よく回生電力として機内で消費させる手段、及びそれを利用した航空機の電動式アクチュエータシステムを提供することを目的とする。
【００１０】
【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、  舵面を駆動する駆動モータに発生する逆起電力を回生電力として利用可能とした航空機の電動式アクチュエータシステムにおいて、
航空機エンジンにより駆動される発電機からの電力を電力負荷に供給する主電力ラインに配置され、
航空機内の前記電力負荷を検知して該電力負荷の状態により該電力負荷の主電力ラインへの前記回生電力の受入れの可否を判定する回生可否フラグを出力する電源コントローラと、
前記発電機側の主電力ラインから分岐された、舵面コントローラ電力ラインを介して前記舵面を駆動する駆動モータの運転を制御するモータドライバとスイッチドライバとを具えた舵面コントローラと、
前記駆動モータで発生する逆起電力を伝達する逆起電力ラインから分岐されて主電力ラインを介して電力負荷に接続される回生電力ラインと、
前記舵面コントローラに組み込まれ、電源コントローラよりの回生可否フラグが入力され、該回生可否フラグが回生可能のときは前記駆動モータからの逆起電力を前記主電力ラインに送り、該回生フラグが回生不可のときは前記逆起電力を内部抵抗に送る回生電力コントローラとを備えるとともに、
舵面コントローラのスイッチドライバは、上記電源コントローラからの回生可否フラグを受けて、回生可否フラグが回生可能のときは、駆動モータからの逆起電力を回生電力ラインを通して回生電力として電力負荷へ送り出さしめるとともに、前記回生可否フラグに基づいて、駆動モータの加速度の大きさを切り換える加速度切り換え手段を有することを特徴とする航空機の電動式アクチュエータシステムを提案する。
【００１１】
【００１２】
また請求項２記載の発明は請求項１において、前記電源コントローラは、前記電力負荷が前記回生電力を受入れ可能な一定電力を超えるときは、回生可能の前記回生可否フラグを出力し、前記電力負荷が前記一定電力以下のときは回生不可の前記回生可否フラグを出力するように構成されてなる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に加えて、前記回生電力コントローラは、前記駆動モータからの逆起電力が通電される逆起電力ラインと前記主電力ラインとの接断を切り換える回生スイッチと、
前記逆起電力ラインと、前記主電力ライン又は内部抵抗との接断を切り換える負荷スイッチと、
前記回生可否フラグを受けて前記負荷スイッチの接断を司どるスイッチドライバとを備えてなる。
【００１４】
かかる発明によれば、電源コントローラは電力負荷の状態を監視し、該電力負荷が駆動モータからの逆起電力による回生電力以上の負荷状態にあるか否かを判断し、その判断結果、つまり回生可否フラグを回生電力コントローラに送る。
該回生電力コントローラは、駆動モータの負荷遮断と同時に回生スイッチを接とするとともに、上記回生可否フラグが回生可能即ち電力負荷が回生電力以上の負荷状態にあるときは、負荷スイッチを主電力ライン側へ接続するとともに、内部抵抗への接続を断として、駆動モータからの回生電力ラインと電力負荷への主電力ラインとを接続する。これによって、逆起電力を主電力ラインへ回生させることができる。
【００１５】
また、上記回生可否フラグが回生不可のときは、前記回生電力コントローラは、負荷スイッチを内部抵抗側に接に切り換える。これにより、電力負荷が不十分であるときは、内部抵抗によって逆起電力を消費することができる。
以上により、回生電力の全てを消費する大容量の内部抵抗は不要となり、比較的小型の内部抵抗で以て電力回生が可能となる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項３の発明に加えて、前記駆動モータの運転を制御するモータドライバと、
前記回生可否フラグにより、駆動モータの加速度の大きさを調整する加速度調整手段とを備えてなる。
【００１７】
かかる発明によれば、回生電力を電力負荷へ回生させるときには、駆動モータの加速度を大きくして高い応答性を得ることができ、回生電力を内部抵抗で消費するときは駆動モータの加速度に制限を加えて制御レベルを下げて逆起電力を完全に消費することが可能となる。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１は本発明の実施形態に係る電動式アクチュエータシステムを示すブロック図、図２は電源コントローラ内の処理フローチャートであり、図３は舵面コントローラ内の処理フローチャートである。
【００２０】
図１において、１は航空機のエンジン、３は該エンジン１によりギヤボックス２内のギヤを介して駆動される発電機、５は機内の電力負荷である。１００は上記発電機３からの電力が供給されるとともに上記電力負荷５に接続され、後述する制御を行なう電源コントローラであり、負荷演算装置４を備えている。
１５は航空機の舵面、１７は駆動モータであり、該駆動モータ１７の動力はギヤボックス１６内のギヤを介して舵面１５に伝達され、これを駆動する。
【００２１】
２００は舵面コントローラで、位置コマンド１１ａが入力される位置サーボコントローラ３００及びモータコントローラ４００とからなる。
該モータコントローラ４００は、前記駆動モータ１７の運転を制御するとともに、後述する回生スイッチＳＷ２を切り換えるモータドライバ１３及び後述する加速度切換スイッチＳＷ１、及び負荷スイッチＳＷ３の接断を司どるスイッチドライバ９を備えている。
【００２２】
前記モータドライバ１３は、モータ駆動電力１４を前記駆動モータ１７に送るとともに、後述する回生スイッチＳＷ２を切り換えるもので、該駆動モータ１７で発生する逆起電力１８を伝達する電力ライン１８ａを介して前記駆動モータ１７に接続されている。
８は該電力ライン１８ａから分岐されて電力負荷５に接続される回生電力ライン、７は前記発電機３側の主電力ライン３ａから分岐されて、前記舵面コントローラ２００に接続される舵面コントローラ電力ラインである。
【００２３】
１２は加速度リミッタで、最大加速度（リミッタ（大））と最小加速度（リミッタ（小））が設定され、前記位置サーボコントローラ３００から加速度コマンド１１ｂが入力される。
該加速度コマンド１１ｂは、前記位置サーボコントローラ３００からの速度コマンド１１に基づき算出される。
ＳＷ１は前記加速度リミッタ１２を切り換える加速度切換スイッチである。
ＳＷ２は前記回生電力ライン８と電力ライン１８ａとの接脱を切り換える回生スイッチ、ＳＷ３は前記回生電力ライン８と内部抵抗１０との接脱を切り換える負荷スイッチである。
【００２４】
次に図１に示す制御ブロック図及び図２〜図３に示すフローチャートにより、本実施形態の動作を説明する。
図１において、エンジン１の回転力はギアボックス２を通り発電機３に伝達されてこれを駆動する。該発電機３からの主電力は主電力ライン３ａを通して電源コントローラ１００へ供給され、電力負荷５に供給されるとともに、舵面コントローラ電力ライン７を通して舵面コントローラ２００に供給される。前記電源コントローラ１００においては、これに設けられている負荷演算装置４が常時、電力負荷５から伝送される負荷電流を受けて該電力負荷５の状態を監視しており、該負荷演算装置４は前記舵面コントローラ２００に対して回生電力受け入れ可否の信号を回生可否フラグ６として出力している。
【００２５】
前記舵面コントローラ２００は、前記のように位置サーボコントローラ３００とモータコントローラ４００から構成されており、該位置サーボコントローラ３００へは位置コマンド１１ａが入力されている。そして該位置コマンド１１ａに基づく速度コマンド１１が前記モータコントローラ４００に入力され、該速度コマンド１１に基づき算出された加速度コマンド１１ｂは後述する加速度リミッタ１２、加速度切換スイッチＳＷ１を経て、モータドライバ１３に入力される。そして該モータドライバ１３から出力され、電力ライン１８ａを経たモータ駆動電力１４により駆動モータ１７が回転せしめられ、該駆動モータ１７の回転力はギアボックス１６を介して舵面１５を操作せしめる。
かかる駆動モータ１７による舵面１５の操作時には電力回生は行なわれないので、モータドライバ１３は、回生スイッチＳＷ２をＯＦＦとしておく。
【００２６】
次に本実施形態における電力回生の動作を図１、および図２に示す電源コントローラ１００内の処理フローチャートと、図３に示す舵面コントローラ２００内の処理フローチャートを参照して説明する。
上述の舵面１５の操作が完了すると、該舵面１５と駆動モータ１７とは切り離される。かかる切り離しと同時に、モータドライバ１３は回生スイッチＳＷ２をＯＮとして電力ライン１８ａからの逆起電力１８を回生電力ライン８あるいは内部抵抗１０に供給可能な態勢を作る。上記駆動モータ１７は高応答性を実現するために大型のものが使用され、大きな慣性モーメントを有するため、その減速時に逆起電力１８を生じさせる。
【００２７】
一方、前記電源コントローラ１００は電力負荷５から負荷電流値を取り込み（ＳＴ２１）、該負荷電流値即ち電力負荷が回生電力以上の負荷状態、つまり回生可能レベルにあるか否かを判断し（ＳＴ２２）、回生可能（ＳＴ２３）、あるいは回生不可（ＳＴ２４）の回生可否フラグ６をモータコントローラ４００のスイッチドライバ９へ送り続ける（ＳＴ２５）。
【００２８】
次に、前記舵面コントローラ２００のスイッチドライバ９は、上記電源コントローラ１００からの回生可否フラグ６を受けて、次の動作を行なう。
即ち、図３において、前記スイッチドライバ９は、前記電源コントローラ１００からの回生可否フラグ６を取り込み（ＳＴ３１）、該回生可否フラグが回生可能か回生不可かを判断する（ＳＴ３２）。
【００２９】
上記回生可否フラグ６が回生可能のときは、電力負荷５に十分な回生電力吸収の余地があるため、スイッチドライバ９は負荷スイッチＳＷ３を回生電力ライン８側に接として、駆動モータ１７からの逆起電力１８を回生電力ライン８を通して回生電力として電力負荷５へ送り出さしめる。これと同時に、スイッチドライバ９は、加速度切換スイッチＳＷ１を、加速度リミッタ１２のリミッタ大へ切換える。これにより、モータドライバ１３は駆動モータ１７を介して舵面１５を高い応答性で以て制御できる（ＳＴ３３）。
【００３０】
一方、前記回生可否フラグ６が回生不可のとき、即ち回生電力以上の電力を電力負荷５で吸収できないと判断したときは、モータドライバ１３は回生スイッチＳＷ２をＯＮとし、さらに電力負荷５に十分な回生電力吸収の余地が無いため、スイッチドライバ９は負荷スイッチＳＷ３を内部抵抗１０側に切り換え、逆起電力１８を電力負荷５に回生せず内部抵抗１０で消費させる。これと同時に、前記スイッチドライバ９は加速度切換スイッチＳＷ１で、加速度リミッタ１２のリミッタ小側へ切換える（ＳＴ３４）。これにより、モータドライバ１３は舵面１５の応答性を、内部抵抗１０で逆起電力１８が十分消費できるだけのレベルにダウンする。換言すれば、この内部抵抗１０の容量は、電力負荷５での電力回生処理がされない時に舵面１５の必要最小限の応答性が確保でき、かつ制御レベルがダウンした状態での逆起電力１８の全てを消費できるように設定されることとなる。
【００３１】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば従来必要とされていた全ての逆起電力を消費するための大型抵抗器が不要となり、該逆起電力は電力負荷で回生電力として消費することができ、また該逆起電力が電力負荷で十分に回生できない時には、比較的小型の内部抵抗で逆起電力を消費することができる。また、小型の内部抵抗で生ずる比較的小さな発熱の処理も容易に行なうことが出来る。さらに、装置の重量も軽量化できる。
【００３２】
さらに請求項４記載の発明によれば、加速度リミッタを切換えることにより内部抵抗の消費電力に見合う最低限の応答性を確保できるようにモータ駆動電力を調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る航空機の電動式アクチュエータシステムを示すブロック図である。
【図２】  上記実施形態における電源コントローラの制御フローチャートである。
【図３】  上記実施形態における舵面コントローラの制御フローチャートである。
【図４】  航空機の機体の概略平面配置図である。
【符号の説明】
３ａ      主電力ライン
４        負荷演算装置
５        電力負荷
６        回生可否フラグ
８        回生電力ライン
９        スイッチドライバ
１０      内部抵抗
１２      加速度リミッタ
１３      モータドライバ
１４      モータ駆動電力
１５      舵面
１７      駆動モータ
１８      逆起電力
１８ａ    電力ライン
１００    電源コントローラ
２００    舵面コントローラ
３００    位置サーボコントローラ
４００    モータコントローラ
５００    航空機
ＳＷ１    加速度切換スイッチ
ＳＷ２    回生スイッチ
ＳＷ３    負荷スイッチ
【図１】
0004301653.tif 000002
【図２】
0004301653.tif 000003
【図３】
0004301653.tif 000004
【図４】
0004301653.tif 000005