多机电致动器控制系统的制作方法

本公开涉及机电致动器，更具体地，涉及一种多机电致动器控制系统。

背景技术：

载具以及其它设备或结构可包括通过诸如机电致动器的致动器来移动或定位的结构部件。例如，飞行器或航天载具包括通过致动器或机电致动器来移动或定位的飞行控制面。可使用多个致动器来移动和定位单个飞行控制面。致动器可包括一个以上电机，或者多个单独的致动器可被附接至同一表面。这些致动器或致动器内的电机可以不同的力或转矩作用于飞行控制面上。因此，致动器可能在移动或定位表面方面彼此阻挡或对抗，而非一致或一起工作。没有在极限或设计参数内操作或者发生故障的致动器可能阻碍或阻挡使表面移动的其它致动器的操作。

技术实现要素：

根据实施方式，一种用于控制附接至结构以用于移动和定位该结构的多个致动器的系统在各个致动器的电机中包括磁通量传感器。该磁通量传感器感测关联的电机中的磁通量并且生成与关联的电机中的磁通量对应的电信号。该系统还包括控制单元，控制单元从各个致动器的磁通量传感器接收电信号。该控制单元被配置为响应于在各个致动器的电机中所感测的磁通量生成到各个致动器的用于平衡由各个致动器施加于结构的转矩的驱动命令信号。

根据另一实施方式，一种用于控制附接至结构以用于移动和定位该结构的多个致动器的系统包括在各个致动器的电机中的磁通量传感器。该磁通量传感器感测关联的电机中的磁通量并且生成与关联的电机中的磁通量对应的电信号。该系统还包括控制单元，该控制单元从各个致动器的磁通量传感器接收电信号。该控制单元包括阈值窗口检测器，其被配置为执行包括以下操作的功能：基于与特定致动器的关联的电机中的磁通量对应的电信号检测在预设性能极限之外的特定致动器的磁通量密度。该控制单元还包括通量选择器，其被配置为执行包括以下操作的功能：响应于特定致动器的磁通量密度大于预设上限或低于预设下限而停用特定致动器。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，通量选择器还被配置为执行包括以下操作的功能：中和(neutralize)各个致动器的电机的磁通量密度之间的差异。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，中和各个致动器的电机的磁通量密度之间的差异包括：通过修改与各个致动器关联的致动器驱动电路的增益来均衡各个致动器的电机的磁通量密度。

根据另一实施方式，一种控制附接至结构以用于移动和定位该结构的多个致动器的方法包括：感测各个致动器的电机中的磁通量并生成与电机中的磁通量对应的电信号。该方法还包括：响应于在各个致动器的电机中所感测的磁通量生成到各个致动器的用于平衡由各个致动器施加于结构的转矩的驱动命令信号。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，各个致动器的电机包括三相电机，并且磁通量传感器包括用于三相电机的各相的通量传感器绕组。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，三相电机包括环形定子。该环形定子包括用于各相的多个定子柱(statorpost)。用于各相的定子柱分别围绕环形定子被连续地散布。环形定子还包括用于各相的相绕组。用于各相的相绕组缠绕在与各个相应相关联的多个定子柱上。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，用于各相的通量传感器绕组包括缠绕在关联的相的至少一个定子柱上的次级绕组。在特定相的相绕组中流动的电流在特定相的各个定子柱中生成磁通量，并且该磁通量在各个定子柱处生成磁场。该磁场横跨特定相的通量传感器绕组生成电压信号。该电压信号具有与缠绕有特定相的通量传感器绕组的定子柱中的磁通量的水平对应的幅度。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，用于各相的通量传感器绕组电连接至用于各相的磁通量水平检测器。各个磁通量水平检测器被配置为将来自关联的通量传感器绕组交流(ac)电压信号转换为与电机的关联的相中的磁通量水平对应的直流(dc)电压信号。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，该系统还包括被配置为从来自电机的三个相的dc电压信号确定电机的磁通量密度的电路。电机的磁通量密度对应于当电机被通电(energize)时电机所提供的转矩，并且该电路生成表示由电机或致动器提供给结构的转矩的输出信号。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，来自电机的三个相的dc电压信号被求和以提供电机的磁通量密度和表示由电机或关联的致动器提供给结构的转矩的输出信号。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，该系统还包括比较和平衡模块，比较和平衡模块从被配置为确定与各个致动器关联的电机的磁通量密度的电路接收多个输出信号。各个输出信号表示由各个致动器的电机提供给结构的转矩。比较和平衡模块被配置为比较各个输出信号，并生成到各个致动器的用于平衡由各个致动器施加于结构的转矩的命令信号。

根据另一实施方式或者前述任何实施方式，该结构是飞行器的飞行控制面。

所讨论的特征、功能和优点可在各种实施方式中独立地实现，或者可在其它实施方式中被组合，其进一步的细节可参见以下描述和附图。

附图说明

图1是根据本公开的实施方式的多致动器控制系统的示例的示意性框图。

图2是根据本公开的另一实施方式的用于包括磁通量传感器的致动器的电机的示例。

图3是根据本公开的实施方式的磁通量水平检测器的示例的示意图。

图4是根据本公开的实施方式的用于从所检测的磁通量水平确定电机转矩的电路的示例的示意图。

图5是根据本公开的实施方式的平衡由各个致动器施加于结构的转矩或力的比较和平衡转矩模块的示例的示意性框图。

图6是根据本公开的另一实施方式的多致动器控制系统的示例的示意性框图。

图7是根据本公开的实施方式的控制多个致动器的方法的示例的流程图。

具体实施方式

实施方式的以下详细描述参考了附图，附图示出本公开的特定实施方式。具有不同结构和操作的其它实施方式没有脱离本公开的范围。在不同的图中，相似的标号可表示相同的元件或部件。

图1是根据本公开的实施方式的用于控制附接至结构104以用于移动和定位结构104的多个致动器102a-102n或机电致动器(ema)的系统100的示例的示意性框图。结构104可以是装置或总成106的任何类型的结构或部件，其需要多个致动器102a-102n以相对于装置或总成106来移动和定位结构104。根据实施方式，结构104是飞行器的飞行控制面。在另一示例中，结构104是土木结构(例如，建筑物、桥或其它土木结构)的诸如门、穹顶、附属物等的活动部件，并且多个致动器102a-102n使活动部件相对于土木结构移动。本文所描述的系统100可被配置为使任何结构相对于另一结构移动，其需要多个致动器。多个单独的致动器102a-102n被锚定至装置或总成106并通过任何合适的布置附接至结构104。多个致动器102a-102n响应于电信号(例如，在装置或总成106为飞行器的示例性实施方式中，来自接口110或飞行控制系统的位置信号或角度信号108)相对于总成106来移动和定位结构104。

各个致动器102a-102n包括电机112。根据实施方式，电机112是三相电机。各个致动器102a-102n的电机112机械地联接至齿轮组114或齿轮总成。各个致动器102a-102n的齿轮组114通过任何合适的布置机械地联接或附接至结构104或飞行器控制面。如本文所述，在操作期间电机112可被控制以提供特定转矩116或力，所述转矩116或力通过齿轮组114被机械地传递给结构104以用于使结构104按照预定速度移动以及响应于位置或角度信号108使结构104相对于总成106或飞行器定位在预定位置或角度。

系统100在各个致动器102a-102n的电机112中包括磁通量传感器118。磁通量传感器118响应于为了电机112的操作而施加于关联的电机112的电流来感测关联的电机112中的磁通量120。磁通量生成与关联的电机112中的磁通量120所形成的磁场的强度对应或成比例的电压信号122。根据电机112为三相电机的实施方式，磁通量传感器118包括用于各相的磁通量传感器118a-118c(图2)。与各相关联的磁通量传感器118a-118c感测关联的相中的磁通量。磁通量传感器118或者用于三相电机112的各相的磁通量传感器118a-118c的示例将参照图2来描述。

系统100还包括控制单元124，控制单元124从磁通量传感器118或者各个致动器102a-102n的磁通量传感器118a-118c接收电压信号122。控制单元124被配置为响应于在各个致动器102a-102n的电机112中所感测的磁通量120生成到各个致动器102a-102n或者到与各个致动器102a-102n关联的机电驱动致动器(ema)驱动电路127的用于平衡由各个致动器102a-102n施加于结构104的转矩116的单独的驱动命令信号126。

根据实施方式，控制单元124包括与各个磁通量传感器118关联的磁通量水平检测器128。如本文中更详细描述的，磁通量传感器118与各个致动器102a-102n的三相电机112的各相关联。各个磁通量水平检测器128生成与电机112的关联的相中的磁通量水平对应的电信号。与特定电机112的各相的磁通量水平对应的电信号被发送至电路130以基于特定电机112的各相中的磁通量水平确定磁通量密度或转矩。用于确定磁通量密度或转矩的电路130与各个致动器102a-102n关联。磁通量水平检测器128的示例将参照图3来描述，并且用于确定由各个致动器102a-102n的电机112所提供的磁通量密度或转矩的电路130的示例将参照图4来描述。

根据实施方式，控制单元124还包括比较和平衡转矩模块132。比较和平衡转矩模块132从各个电路130接收表示由各个致动器102a-102n的电机112提供给结构104的转矩116的输出信号。比较和平衡转矩模块132被配置为比较来自电路130的各个输出信号并且生成到各个致动器102a-102n的用于平衡由各个致动器102a-102n施加于结构104的转矩116的命令信号126。平衡由各个致动器102a-102n施加的转矩116防止了力致动器102a-102n之间的对抗或任何阻力，以使得致动器102a-102n在移动和定位结构104时动作和谐。比较和平衡转矩模块132的示例将参照图5来描述。能够比较多个信号并生成输出信号以平衡由各个致动器102a-102n施加的转矩的任何装置或电路或者装置或电路的组合可用于比较和平衡转矩模块132。

根据图1中的示例性实施方式，系统100包括位置或角度传感器134以确定结构104或飞行控制面相对于总成106或飞行器的实际位置或角度。位置或角度传感器134将与结构104的实际位置或角度对应的实际位置信号136发送至控制单元124。控制单元124将结构104的实际位置或角度与来自接口110或飞行控制系统的位置信号或角度信号108进行比较以验证结构104的位置或角度正确。

还参照图2，图2是根据本公开的实施方式的包括磁通量传感器118a、118b和118c的致动器的三相电机112的示例。如先前所描述的，根据实施方式，图1中的各个致动器102a-102n的电机112是三相电机112，并且磁通量传感器118a、118b和118c包括用于三相电机112的各相206a、206b和206c的相应通量传感器绕组204a、204b和204c。

三相电机112包括环形定子208。环形定子208包括多个定子柱210a、210b和210c。各相206a、206b、206c包括关联的多个定子柱210a、210b和210c。用于各相206a、206b和206c的定子柱210a、210b和210c分别围绕环形定子208被连续地散布。

环形定子208还包括用于各相206a、206b和206c的相绕组212a、212b和212c。用于各相的相绕组212a、212b和212c缠绕在与各个相应相206a、206b和206c关联的多个定子柱210a、210b和210c上。相绕组212a、212b和212c绕各个定子柱210a、210b和210c缠绕一次或更多次。相绕组212a、212b和212c中的每一个电连接至三相电源214的相应相。

用于各相206a、206b和206c的通量传感器绕组204a、204b、204c是缠绕在关联的相206a、206b或206c的至少一个定子柱210a、210b和210c上的次级绕组。根据图2所示的实施方式，通量传感器绕组204a、204b和204c缠绕在用于各相206a、206b和206c的单个定子柱210a、210b和210c上。用于各相206a、206b和206c的通量传感器绕组204a、204b和204c绕用于各相206a、206b和206c的相应定子柱210a、210b和210c缠绕一次或更多次。在特定相206a、206b或206c的相绕组212a、212b或212c中流动的电流在特定相206a、206b或206c的各个定子柱210a、210b和210c中生成磁通量，该磁通量在通过所述电流通电的特定相的各个定子柱210a、210b或210c处生成磁场。该磁场横跨用于特定相通量传感器绕组204a、204b或204c生成电压信号。该电压信号的幅度与磁场的强度对应或成比例，磁场的强度与缠绕有用于特定相的通量传感器绕组204a、204b或204c的定子柱210a、210b或210c中的磁通量水平对应。

用于各相206a、206b和206c的通量传感器绕组204a、204b和204c电连接至用于各相的磁通量水平检测器128a、128b和128c。因此，各个致动器102a-102n(图1)与用于三相电机112的各相的磁通量水平检测器128a、128b和128c关联。随着三相电源214分别向各相施加电流以用于电机112的操作，通量传感器绕组204a、204b和204c对三相电机112的各相206a、206b和206c中产生的磁通量水平进行采样。根据实施方式并且如先前所描述的，用于各个致动器102a-102n的各相的磁通量水平检测器128a、128b和128c是控制单元124的部件。在另一实施方式中，用于各个致动器102a-102n的磁通量水平检测器128a、128b和128c与控制单元124分开或者位于系统100的不同部件中。

三相电机112还包括设置在环形定子208内的转子216。根据图2所示的示例性实施方式，转子216具有圆形或盘形形状。转子216包括接近转子216的外边缘围绕转子216轴向放置的多个磁体218或永久磁体。磁体218间隔开以与定子柱210a、210b、210c一致。因此，随着三相电源214顺序地将各相绕组212a、212b和212c通电，由于各个相应相206a、206b和206c被通电而导致转子216在环形定子208内旋转，所以磁体218被在各个定子柱210处所生成的磁场吸引。与先前所描述的相似，轮毂或驱动轴220机械链接至齿轮组114(图1)以将来自电机112的转矩116施加至结构104以用于移动和定位结构104。

参照图3，图3是根据本公开的实施方式的磁通量水平检测器300的示例的示意图。根据实施方式，磁通量水平检测器300用于图1和图2中的各个磁通量水平检测器128a-128c。磁通量水平检测器300被配置为将来自关联的磁通量传感器118a、118b或118c或者通量传感器绕组204a、204b或204c的交流(ac)电压信号转换为与电机112的关联的相中的磁通量水平对应的直流(dc)电压信号。示例性磁通量水平检测器300包括放大器302，放大器302具有连接至通量传感器绕组204的一端的正输入端子304以及电连接至通量传感器绕组204的另一端的负输入端子306。通量传感器绕组204的末端在放大器302的输入端处被短路电阻器308短路以向放大器302提供输入电压。短路电阻器308的值被选择以向放大器302提供期望的输入电压并且基于磁通量传感器118所感测的磁通量120的水平。

桥式整流器310从放大器302接收输出信号以将ac电压信号转换为dc电压信号。平滑电容器312平滑或去除来自桥式整流器310的dc输出电压信号中的任何纹波或噪声。分流电阻器314通过接地电阻器316连接至接地电位以对平滑电容器312进行放电。接收器318接收经平滑的dc电压信号320或输出dc电压信号。经平滑的dc电压信号320对应于与磁通量传感器118关联的电机112的特定相中的磁通量水平。根据另一实施方式，桥式整流器310被用于确定由磁通量传感器118所检测的磁通量120的变化率的电路或装置替换。磁通量120的变化率被转换为与磁通量120的变化率对应的dc电压信号320，其如本文所述用于控制由各个致动器102a-102n施加于结构104的转矩116。

参照图4，图4是根据本公开的实施方式的用于从所检测的磁通量水平确定电机转矩402的电路400的示例的示意图。根据实施方式，电路400是图1中的控制单元124的部件。在另一实施方式中，电路400是与控制单元124分离的部件。电路400被配置为从来自关联的电机112的三相中的各相的dc电压信号320确定关联的电机112的磁通量密度。电路400包括放大器404a-404c以用于从与关联的电机112的各相206a-206c关联的磁通量水平检测器128a-128c(图2)或300(图3)的接收器318a-318c接收输出dc电压信号322a-322c。各个输出dc电压信号322a-322c对应于电机112的三相中的一相的经平滑的dc电压信号320。由相应放大器404a-404c放大的dc电压信号322a-322c通过求和装置406求和。与关联的电机112的各相206a-206c关联的dc电压信号322a-322c的和提供关联的电机112的磁通量密度。关联的电机112的磁通量密度与当电机112被通电时由关联的电机112提供的转矩402对应。电路400生成表示由电机112提供给结构104的转矩402的输出信号408。

参照图5，图5是根据本公开的实施方式的平衡由各个致动器102a-102n施加于结构104的转矩或力的比较和平衡转矩模块132的示例的示意性框图。根据实施方式，比较和平衡转矩模块132用于图1中的比较和平衡转矩模块132并且是控制单元124的部件。在另一实施方式中，比较和平衡转矩模块132是与控制单元124分离的部件。比较和平衡转矩模块132接收多个输出信号408a-408n。各个输出信号408a-408n表示由各个致动器102a-102n的电机112提供给结构104的转矩402。比较和平衡转矩模块132被配置为监测和比较各个输出信号408a-408n。输出信号408a-408n之间的任何差异对应于由相应电机112施加的转矩402或者由关联的致动器102a-102n施加至结构104的转矩116的差异。由电机112提供的电机转矩402由齿轮组114传送并作为对应转矩116通过齿轮组114被施加至结构104。由比较和平衡转矩模块132抵消(null)或均衡输出信号408a-408n之间的差异以生成到各个致动器102a-102n的用于平衡由各个致动器102a-102n施加于结构104(图1)的转矩116或力的驱动命令信号410a-420n。

图6是根据本公开的另一实施方式的多致动器控制系统600的示例的示意性框图。多致动器控制系统600与图1中的致动器控制系统100相似，不同的是控制系统600包括不同的或经修改的控制单元124’。控制单元124’包括用于确定各个电机112的磁通量密度的模块604。根据图6所示的示例性实施方式，用于确定各个电机112的磁通量密度的模块604包括与各个电机112的各相关联的磁通量水平检测器128或300、以及与各个电机112关联的用于确定各个电机112的磁通量密度的电路130或400。

控制单元124’还包括阈值窗口检测器606和通量选择器608。阈值窗口检测器606被配置为执行包括检测特定致动器102a-102n的磁通量密度是否在预设性能极限内的功能。通量选择器608被配置为执行包括以下操作的功能：响应于特定致动器102a-102n的磁通量密度大于预设上限或低于预设下限，停用特定致动器102a-102n。根据实施方式，通量选择器608还被配置为执行包括中和各个致动器102a-102n的电机112的磁通量密度之间的差异的功能。中和各个致动器102a-102n的电机112的磁通量密度之间的差异包括：通过修改与各个致动器102a-102n关联的致动器(ema)驱动电路127的增益来均衡各个致动器102a-102n的电机112的磁通量密度。根据实施方式，通量选择器608或控制单元124’向各个ema驱动电路127发送命令信号，所述命令信号导致用于使各个电机112通电的驱动电压的增益或幅度使得各个致动器102a-102n向结构104提供相等的转矩116。

图7是根据本公开的实施方式的控制多个致动器的方法700的示例的流程图。根据实施方式，方法700由图1中的系统100或图6中的系统600来具体实现和执行。所述多个致动器与图1中的致动器102a-102n相似，并且与先前所描述的相似地被附接至结构104以用于移动和定位结构104。在方框702中，感测各个致动器的电机中的磁通量。根据实施方式，电机是三相电机，并且在各个致动器的三相电机的各相中感测磁通量。在方框704中，生成与电机的各相中的磁通量对应的电信号。针对各相生成具有与电机的关联的相中的磁通量水平对应的幅度的电压信号。

在方框706中，针对与各个致动器关联的电机通过对电机的三相的各相的电压信号求和来确定磁通量密度以提供使关联的电机的磁通量密度相等的输出信号。电机的磁通量密度与电机所提供的转矩对应。生成用于各个致动器的多个输出信号，各个输出信号表示各个致动器的关联的电机的磁通量密度，并且各个磁通量密度与关联的电机所提供的转矩对应。

在方框708中，比较所述多个输出信号。在方框710中，响应于各个致动器的电机中所感测的磁通量生成到各个致动器的驱动命令信号，其平衡由各个致动器施加于结构的转矩。与先前所描述的相似，在生成到各个致动器电机的驱动命令信号时抵消或均衡输出信号之间的任何差异，从而平衡由各个致动器施加于结构的转矩。

根据另一实施方式，检测特定致动器的磁通量密度是否在预设性能极限之外。确定各个致动器的电机的磁通量密度并与预设上限和预设下限进行比较。响应于特定致动器的磁通量密度大于预设上限或低于预设下限，停用特定致动器。

根据另外的实施方式，中和或均衡各个致动器的电机的磁通量密度之间的差异。响应于中和或均衡各个致动器的电机的磁通量密度，生成命令信号并发送至各个致动器以平衡由各个致动器施加于结构的转矩。

附图中的流程图和框图示出根据本公开的各种实施方式的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的各个方框可表示模块、段或指令部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或更多个可执行指令。在一些另选实现方式中，方框中标明的功能可不按图中所标明的次序发生。例如，根据所涉及的功能，连续示出的两个方框实际上可基本上同时执行，或者方框有时可按照相反的次序执行。还要注意的是，框图和/或流程图中的各个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合可由执行指定的功能或行为或者实现专用硬件和计算机指令的组合的基于专用硬件的系统来实现。

本文所使用的术语仅是为了描述特定实施方式，并非旨在限制本公开的实施方式。如本文所用，单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。还将理解，术语“包括”和/或“包含”当用在本说明书中时指明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

下面的权利要求中的对应结构、材料、行为以及所有手段或步骤加功能元件的等同物旨在包括用于与其它要求保护的元件组合来执行所述功能的任何结构、材料或行为，如具体地要求保护的。本发明实施方式的描述是为了例示和描述而呈现，并非旨在为穷尽性的或者将本发明实施方式限于所公开的形式。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离实施方式的范围和精神的情况下许多修改和变化将显而易见。

尽管本文示出并描述了特定实施方式，本领域普通技术人员将理解，为了实现相同目的而计算的任何布置方式可代替所示的特定实施方式，并且实施方式在其它环境中具有其它应用。本申请旨在涵盖任何适应或变化。以下权利要求绝非旨在将本公开的实施方式的范围限于本文所述的特定实施方式。