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Die
vorliegende Erfindung betrifft Steuerflächenaktuatoren für die Flugsteuerung
von Luftfahrzeugen.
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Wie
bekannt ist, existieren an Bord von Luftfahrzeugen zwei Arten von
Flugsteuerungen:
- – Die primären Steuerungen, die zum Steuern
der unmittelbaren Bewegungen dienen; in einem Flugzeug sind das
im allgemeinen die an den Hinterkanten von Flügeln gelegenen Klappen,
- – Die
sekundären
Flugsteuerungen, die zum Steuern der aerodynamischen Form des Luftfahrzeuges
in Übereinstimmung
mit den Flugphasen dienen; man findet in dieser Kategorie die Auftriebsnasen
und -klappen und die Schwanzflosse.
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Die
primären
und sekundären
Flugsteuerungen sind im allgemeinen durch hydraulische Einrichtungen
realisiert.
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Aus
diversen Gründen
(Wartung, Verschmutzung, Feuergefahr, etc.) versuchen die Flugzeugkonstrukteure
jedoch, den Anteil der Hydraulik in der Steuerung zugunsten elektrischer
Steuerungen zu reduzieren.
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Ein
Ziel der Erfindung liegt darin, eine primäre Flugsteuerung vom elektrischen
Typ vorzuschlagen.
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Es
ist bereits für
die sekundären
Flugsteuerungen vorgeschlagen worden, Aktuatoren mittels sogenannter
Vibrationsmotoren zu realisieren, bei denen auf einem Stator erzeugte
Tangential- und Normalvibrationen in eine kontinuierliche Bewegung übertragen
werden, durch die Reibung des mechanischen Kontaktes zwischen dem
Stator und dem Rotor.
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Für eine allgemeine
Darstellung der Verwendung dieses Motortyps für sekundäre Flugsteuerungen kann sich
beispielsweise bezogen werden auf:
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"Actionneurs – Des matériaux
piézoélectriques
pour les commandes du futur" – Usine
nouvelle – 31
Oktober 1996 – Nr.
2568.
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"Des commandes de
vol piézoélectriques" – Air et Cosmos/Aviation International – Nr. 1602 – 28. Februar
1997.
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Es
ist bekannt, daß die
primären
Motoren ihrerseits zwei Bewegungsarten sicherstellen müssen:
- – Permanentbewegungen
mit geringer Amplitude, die für
die kurzfristige Fluglagenregelung des Flugzeugs (Stabilisierung)
erforderlich sind; diese Bewegungen haben ein Frequenzspektrum,
das sich jenseits des Spektrums der Bewegungen des Flugzeuges erstreckt;
- – Bewegungen
mit großer
Amplitude, die sehr viel weniger häufig als die Permanentbewegungen sind
und stark verminderte Spektralbreiten haben; diese Bewegungen entsprechen
der Einleitung großer
Bewegungen des Luftfahrzeuges, wie bei einem Flugzeug das für eine Kurve
erforderliche Schlingern.
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Die
Vibrationsmotoren können
interessante Kandidaten für
die primären
Steuerungen bilden, da sie geeignet sind, erhöhte Energiedichten aufzuweisen,
und in der Lage sind, starke Belastungen auszuhalten, und Bewegungen
mit großer
Amplitude ermöglichen.
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Bei
diesem Motortyp führen
jedoch die Permanentbewegungen mit geringer Amplitude zu einem sehr
schnellen Verschleiß der
Grenzfläche,
so daß diese
Motoren eine beschränkte
Anwendungsdauer haben.
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Es
sind für
die sekundären
Steuerungen auch bereits Aktuatoren vorgeschlagen worden, die direkt
die Bewegung piezoelektrischer, elektrostriktiver oder magnetostriktiver
Materialien anwenden, ggf. verstärkt,
um den beschränkten
Verstellweg der Steuerfläche
zu realisieren.
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Bauweisen
von Direktaktuatoren dieser Art sind beispielsweise beschrieben
in:
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"A new amplifier piezoelectric
actuator for precise positioning and semi-passive damping" – R. Le Letty, F. Claeyssen,
G. Thomin – 2nd space microdynamics and accurate control
symposium – 13.–16. Mai
1997 – Toulouse.
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Diese
Aktuatoren erlauben jedoch, selbst verstärkt, keine ausreichenden Amplituden
für die primären Flugsteuerungen.
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Die
Erfindung schlägt
ihrerseits einen Aktuator einer Steuerfläche der primären Steuerung
eines Luftfahrzeuges vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er wenigstens
einen Motor umfaßt,
der vom Vibrationstyp ist und der in Reihe mit wenigstens einem zweiten
Motor angeordnet ist, der ein piezoelektrischer, elektrostriktiver
oder magnetostriktiver Aktuator vom Direkttyp ist, und daß er außerdem Steuermittel
umfaßt,
die den einen und den anderen dieser Motoren steuern, derart, daß der zweite
die Bewegungen der Steuerfläche
sicherstellt, die von der Art sind, wie sie für die Stabilisierung des Luftfahrzeuges angewendet
werden, während
der Vibrationsmotor die Bewegungen mit größerer Amplitude sicherstellt.
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Mit
einem solchen Aktuator verfügt
man gleichzeitig über
die Vorteile von Vibrationsmotoren, die eine große Amplitude der Verstellwege
erlauben, und über
die Vorteile von Direktaktuatoren, mit denen eine beträchtliche
Anwendungsdauer sichergestellt werden kann.
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Übrigens
wird dieser Aktuator bevorzugt mit den folgenden verschiedenen Merkmalen
ergänzt, die
allein oder in all ihren technisch möglichen Kombinationen herangezogen
werden:
- – Die
Steuermittel umfassen eine Elektronik, die den einen und den anderen
dieser beiden Motoren abhängig
einerseits von einem externen Vorgabesignal und andererseits von
Signalen am Ausgang zweier Detektoren steuert, von denen der eine
eine Information über
die Position der Steuerfläche
liefert, und der andere eine Information über die relative Winkelposition
zwischen den Ausgängen
des einen und des anderen der beiden in Serie angeordneten Motoren.
- – Der
Motor, der ein Aktuator vom Direkttyp ist, wird durch eine Regelungsschleife
gesteuert, die dazu bestimmt ist, die Position der Steuerfläche auf
der Flugvorgabe zu halten.
- – Die
Steuermittel steuern den Vibrationsmotor in der Geschwindigkeit
abhängig
vom relativen Winkel zwischen den Ausgängen des einen und des anderen
der beiden Motoren gemäß einem nicht-linearen
Steuergesetz.
- – Das
Steuergesetz ist derart, daß
- – die
Rotation des Vibrationsmotors nicht angesteuert wird, solange der
relative Winkel kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist,
- – die
Rotation des Motors angesteuert wird, damit er mit einer vorgegebenen
Geschwindigkeit rotiert, wenn der relative Winkel im Absolutwert
größer als
dieser Schwellwert wird,
- – die
Rotation des Motors erneut unterbrochen wird, wenn der relative
Winkel auf Null zurückkehrt.
- – Der
Aktuator umfaßt
außerdem
Filtermittel am Ausgang der nicht-linearen Steuerung.
- – Der
Aktuator umfaßt
in Serie mehrere Vibrationsmotoren und mehrere Motoren vom Direkttyp.
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Weitere
Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung
deutlich. Diese Beschreibung ist rein beispielhaft und nicht einschränkend. Sie
soll mit Bezug auf die beigefügte
Zeichnung gelesen werden, in der:
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1 eine
schematische Darstellung eines Aktuators gemäß einem für die Erfindung möglichen Ausführungsbeispiel
ist;
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2 eine
schematische Darstellung ist, die den Aufbau der Steuermittel des
Aktuators aus 1 darstellt;
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3 eine
synoptische Darstellung dieser Steuermittel ist;
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4 ein
Diagramm ist, in dem das Steuergesetz des Vibrationsmotors des Aktuators
aus 1 aufgetragen ist;
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5a bis 5d Zeitdiagramme
sind, die eine Steuerabfolge des Aktuators darstellen;
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6 eine
schematische Darstellung ist, ähnlich
der aus 1, die ein weiteres für die Erfindung
mögliches
Ausführungsbeispiel
darstellt.
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Der
in 1 dargestellte Aktuator umfaßt einerseits einen Motor 1,
der vom Vibrationstyp ist und Bewegungen mit großer Amplitude ermöglicht,
und andererseits einen Motor 2, der ein piezoelektrischer, elektrostriktiver
oder magnetostriktiver Aktuator vom Direkttyp ist und die Bewegungen
mit geringer Amplitude sicherstellt.
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Diese
beiden Motoren 1 und 2 sind in Serie angeordnet.
Insbesondere ist der Motor 2 auf einer vom Motor 1 angetriebenen
Welle 3 montiert. Dieser Motor 2 treibt seinerseits
eine Halterungsstruktur 4 an, auf der die von den Motoren 1 und 2 betätigte Steuerfläche montiert
ist.
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Der
Vibrationsmotor 1 ist beispielsweise von der Art, wie er
in der französischen
Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben ist, die unter der Nummer
2.742.011 veröffentlicht
ist, oder in deren französischer
Patentanmeldung, die unter der Nummer 9710948 hinterlegt ist.
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Der
Motor 2 ist beispielsweise ein verstärkter Aktuator von der Art,
wie er beschrieben ist in:
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"A new amplifier piezoelectric
actuator for precise positioning and semi-passive damping" – R. Le Letty., F. Claeyssen,
G. Thomin – 2nd space microdynamics and accurate control
symposium – 13.–16. Mai
1997 – Toulouse.
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Als
Variante kann er auch vorteilhaft von der Art sein, wie er in den
Patentanmeldungen der Anmelderin beschrieben ist, die unter den
Nummern 9712774 und 9712775 hinterlegt sind.
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Wie
in der 2 dargestellt, werden die beiden Motoren 1 und 2 über eine
Elektronik 5 gesteuert, die die Steuerung der Motoren 1 und 2 abhängig einerseits
von einer Flugvorgabe und andererseits von über zwei Detektoren 6 und 7 gelieferten
Daten leitet.
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Der
Detektor 6 ist ein Winkeldetektor, der der Steuerelektronik 5 eine
Information über
die Absolutposition der Steuerfläche
oder der Halterungsstruktur 4 liefert.
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Der
Detektor 7 ist auch ein Winkeldetektor und überträgt der Steuerelektronik 5 eine
Information über
die relative Drehung zwischen der Welle 3 und der Struktur 4.
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Eine
schematische Darstellung einer für
die Motoren 1 und 2 möglichen Steuerung ist in 3 gegeben.
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Der
verstärkte
Aktuator, den der Motor 2 bildet, wird von einer Regelungsschleife 8 gesteuert, die
dazu bestimmt ist, die Position der Steuerfläche auf der externen Vorgabe
zu halten.
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Diese
Schleife 8 umfaßt
nämlich
den Detektor 6, Subtraktionsmittel 9 zum Erzeugen
eines Fehlersignals ausgehend vom Vorgabesignal und vom Signal am
Ausgang des Detektors 6, Mittel 10 zum Erzeugen
eines Korrektursignals ausgehend von diesem Fehlersignal, sowie
ein Interface 11, das den Motor 2 abhängig von
diesem Korrektursignal steuert.
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Der
Motor 11 wird seinerseits in der Geschwindigkeit gemäß einem
nicht-linearen Steuergesetz gesteuert.
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Die
Steuerelektronik 5 umfaßt hierzu, wie auch in 3 dargestellt,
Bearbeitungsmittel 12, die entsprechend dem Steuergesetz
ein Motorsteuersignal abhängig
von der Ausgabe des Detektors 7 erzeugen. Die Elektronik 5 umfaßt auch
ein Interface 13 für
die Steuerung des Motors 1 abhängig von diesem Signal.
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Das
nicht-lineare Steuergesetz ist beispielsweise von der Art, wie es
in 4 dargestellt ist.
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Solange
der Meßwinkel,
den der Detektor 7 erfaßt, kleiner als ein vorgegebener
Schwellwert S ist, wird die Rotation des Motors 2 nicht
angesteuert.
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Wenn
jedoch diese Winkelmessung größer im Absolutwert
als dieser Schwellwert S wird, wird die Rotation des Motors 1 angesteuert,
damit sich dieser mit einer Geschwindigkeit ± V in der gleichen Richtung
dreht, wie der vom Detektor 7 gemessene relative Winkel.
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Die
Rotation des Motors 1 wird erneut unterbrochen, wenn dieser
relative Winkel auf Null zurückkehrt.
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Ein
Beispiel für
die Funktionsabfolge ist in 5a und 5d dargestellt.
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Die 5a und 5d stellen
das Vorgabesignal bzw. das Positionsmeßsignal der Steuerfläche dar.
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Die 5b stellt
das Meßsignal
der relativen Verstellung zwischen der Steuerfläche und dem Detektor 7 dar.
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Die 5c stellt
das Steuersignal des Motors am Ausgang der nicht-linearen Steuermittel
dar.
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Vorteilhaft
ist am Ausgang der Mittel 12, die die nichtlineare Bearbeitung
durchführen,
ein Filter (nicht dargestellt) vorgesehen, der dazu bestimmt ist, den
Frequenzgehalt der Steuerung des Motors 1 zu begrenzen.
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Ein
solcher Filter erlaubt, die Hauptschleife nicht zu stören, die
den verstärkten
Aktuator steuert.
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Um
die Verzögerungen
der Steuerung zu kompensieren, die durch einen solchen Filter eingeführt werden
könnten,
können
stromauf Mittel 12 vorgesehen werden, die dazu bestimmt
sind, eine vorgezogene Steuerung des Motors 1 einzuführen.
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Die
gerade beschriebene Steuerelektronik 5 kann mittels analoger
Schaltungen realisiert werden; sie kann auch mittels eines Rechners
gebildet werden, der eine numerische Bearbeitung durchführt.
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Im
letzteren Fall kann diese Steuerelektronik 5 nämlich in
den Flugsteuerrechner des Luftfahrzeuges integriert sein.
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Die
Regelungsschleifen können
auch bekannte, herkömmliche
automatische Optimierungstechniken integrieren, um die Leistungsfähigkeit
der Vorrichtung zu verbessern.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
sind selbstverständlich
innerhalb des Bereichs der nachfolgenden Ansprüche möglich.
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Wie
in 6 dargestellt, ist es insbesondere möglich, mehrere
Vibrationsmotoren 1 und mehrere Motoren 2 vom
Direktaktuatortyp in Serie zu schalten.