JP5249691B2

JP5249691B2 - 電動ブレーキ

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Publication number: JP5249691B2
Application number: JP2008242297A
Authority: JP
Inventors: 大輔松本
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-09-22
Also published as: JP2010070144A

Description

本発明は、車輪の制動部材を電動モータで駆動する電動ブレーキに関するものである。

近年、航空機に搭載される油圧源を縮小、廃止するために、車輪を制動するブレーキを油圧ブレーキから電動ブレーキにかえる傾向がある。

特許文献１には、電動モータの回転運動をピストンの往復運動に変換して制動力を発生させる電動ブレーキが開示されている。
特開２００５−０６９３９８号公報

しかしながら、このような従来の電動ブレーキにあっては、電動モータの発生トルクをピストンに伝達する過程で摩擦トルク損失が生じるため、この摩擦トルク損失に起因してブレーキディスクに対するピストン押付力を的確に制御できないという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ブレーキディスクに対するピストン押付力を的確に制御できる電動ブレーキを提供することを目的とする。

本発明は、車輪と共に回転する回転ブレーキディスクと、この回転ブレーキディスクに向けて変位可能かつ回転不能に支持される非回転ブレーキディスクと、モータ電流によって回転作動する電動モータと、この電動モータの回転作動によって非回転ブレーキディスクに対して押付けられるピストンと、ピストン押付力を目標指令値に近づけるようにモータ回転角から推定した制御出力とモータ電流の制御指令値をフィードバック制御するコントローラとを備える電動ブレーキであって、コントローラは、制御指令値と制御出力の差分に応じて外乱の推定量を算出し、外乱の推定量を制御ゲインで乗じた分に応じて外乱フィードバック量を設定する外乱応答補償部を備え、制御ゲインは制御指令値に対する目標指令値の比率に応じて設定されるとともに、外乱フィードバック量に応じて制御指令値をフィードバック制御する構成とした。

本発明によると、外乱として例えば制動時にピストン押付力が大きくなるのに伴って電動ブレーキの構造部に歪みが生じる場合、この外乱の大きさに対応して制御ゲインが調節され、実際のピストン押付力が目標指令値から外れて過大になることが抑えられ、ピストン押付力を的確に制御することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示す航空機用電動ブレーキは、車輪のホイールの内側に設けられる多板ディスク式のものである。

この電動ブレーキは、車輪と共に回転する円盤状の回転ブレーキディスク６と、機体シャフト（車軸）に取り付けられる円盤状の非回転ブレーキディスク９と、非回転ブレーキディスク９に対峙するピストン１と、ピストン１を非回転ブレーキディスク９に対して進退させるように駆動する電動アクチュエータ５とを備える。

複数枚の非回転ブレーキディスク９の間に複数枚の回転ブレーキディスク６が挟まれるように配置されている。非回転ブレーキディスク９は図示しない機体シャフトに対してトルクチューブ等を介して車軸方向に変位可能に支持される。回転ブレーキディスク６は図示しないホイールと一体回転するものであり、ホイールに対して車軸方向に変位可能に支持される。

電動アクチュエータ５が収縮作動した状態では、非回転ブレーキディスク９と回転ブレーキディスク６が互いに離れ、制動トルクが生じない。この制動解除状態から、電動アクチュエータ５が伸張作動すると、各ピストン１の押圧力によって非回転ブレーキディスク９と回転ブレーキディスク６が互いに押付けられ、この摺動部分で摩擦力が発生し、制動トルクが得られる。

ピストン１はハウジング７に摺動可能に支持され、その内側にボールスクリュ・ナット機構２が介装される。このボールスクリュ・ナット機構２は、ピストン１の基端部から突出したボールスクリュ１５と、各ボールスクリュ１５に多数のボールを介して螺合するボールナット（図示せず）とを備え、ボールスクリュ１５の回転をピストン１の直線運動に変換し、ピストン１を非回転ブレーキディスク９に対して進退させるように構成されている。

ハウジング７には２つの電動モータ１１と、４つのピストン１と、１つの電動モータ１１の回転を２つのボールスクリュ１５に伝達する２つの減速機構１０とを備える。４つのピストン１は車輪の回転周方向にある間隔を持って配置される。なお、これに限らず、減速機構１０は１つの電動モータ１１の回転を１つのボールスクリュ１５に伝達する構成としてもよい。

また、ピストン１の個数Ｎｐ、電動モータ１１の個数Ｎｍはこれに限らず、電動ブレーキに要求される制動力等に応じて任意に設定される。

減速機構１０は１つの電動モータ１１の回転を２つのボールスクリュ１５に伝達するように構成されている。電動モータ１１のモータシャフト１３にはドライブギヤ１４が連結され、ボールスクリュ１５の基端部にはドリブンギヤ１６が連結され、１つのドライブギヤ１４の回転が２つのドリブンギヤ１６に伝達される。

電動モータ１１が正方向に回転することにより、各ピストン１が非回転ブレーキディスク９に当接して各非回転ブレーキディスク９を各回転ブレーキディスク６に押付け、制動トルクが得られる。一方、駆動電流により電動モータ１１が戻し方向に回転することにより、各ピストン１が非回転ブレーキディスク９から離れ、各非回転ブレーキディスク９を各回転ブレーキディスク６に押付けることがなくなり、制動が解除される。

航空機の制御系は、パイロットに操作されるブレーキペダルの操作量等に応じてピストン押付力指令値信号を出力する。

ピストン押付力指令値信号に基づいて電動モータ１１を駆動するモータ制御手段として、図２に示すように、電動ブレーキのコントローラ２０が設けられる。

原理的に各ピストン１の押付力は電動モータ１１のモータ電流に比例するため、コントローラ２０はモータ電流を制御することにより各ピストン１の押付力を調節できる。しかし、実際には電動モータ１１の発生トルクを各ピストン１に伝達する過程で電動モータ３、減速機構１０、ボールスクリュ・ナット機構２等を作動させるのに摩擦トルク損失が生じるため、この摩擦トルク損失に起因したヒステリシスがピストン押付力指令値と実際のピストン押付力の間に発生する。

図４はピストン押付力の目標指令値に基づく従来のオープン制御によるピストン押付力が変化する様子を示しており、目標指令値が周期的に変化する場合、実際のピストン押付力には減速機構１０、ボールスクリュ・ナット機構２の摩擦トルク損失に起因するヒステリシスが発生する。このため、従来のオープン制御方法では、ピストン押付力を的確に制御することができない。

これに対処して本発明は、電動モータ１１のモータ回転角θ_mに応じてピストン１の押付力ｆｐの推定値を算出し、このピストン押付力ｆｐの推定値を目標指令値に近づけるように電動モータ１１に対する制御指令値をフィードバック制御する。

図２は、電動モータ１１の駆動電流を制御してピストン押付力を発生する構成を示すブロック線図である。

コントローラ２０は電動モータ１１のモータ回転角θ_mの検出信号を入力してピストン１の押付力ｆｐの推定値を算出するピストン押付力推定器２１と、このピストン押付力ｆｐの推定値を目標指令値に近づけるように制御指令値を演算するピストン押付力制御器２２と、この制御指令値に応じて電動モータ１１に対する電流指令値を出力する押付力電流変換ゲイン２３と、この電流指令値と電動モータ１１のモータ回転角θ_mの検出信号と電動モータ１１のモータ電流の検出信号とを入力して電動モータ１１の駆動電力をフィードバック制御するモータドライバ２４とを備える。

駆動電力は例えば駆動電圧をＰＷＭ（ＰｌｕｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することにより、そのＯＮ・ＯＦＦ時間に応じた平均電流が流れて制御される。

図１はＮｍ個の電動モータ１１とＮｐ個のピストン１で構成される電動ブレーキのモデル図を示す。電動モータ１１のロータや減速機構１０の慣性モーメントや回転ブレーキディスク６の質量からなる等価慣性質量Ｍｅの運動方程式は次式で表される。

ただし、
Ｍ_c：等価慣性質量
Ｃ_e：等価粘性抵抗係数
Ｋ_e：ブレーキ構造部のバネ定数
Ｒ_g：減速機構１０の減速比
Ｌ_b：ボールスクリュ・ナット機構２のリード
Ｋ_T：電動モータ１１のトルク定数
ｙ_p：ピストン１のストローク
θ_m：電動モータ１１の回転角
ｆ_a：ピストン１の１個あたりの理論推力
ｆ_f：ピストン１の１個あたりの摩擦力
ｉ_m：電動モータ１１の１個あたりの電流
τ_f：減速機構１０の１個あたりの摩擦トルク
（１）式の粘性項とバネ項の和がピストン１の総押付力ｆｐであり、この総押付力ｆｐは次式で表される。

以上のように、電動モータ１１の回転角θ_mを検出し、回転数ｄθ_m／ｄｔを計算すれば、（５）式からピストン１の総押付力ｆｐを推定できる。

こうしてピストン押付力ｆｐの推定値を目標指令値に近づけるように電動モータ１１に対する制御指令値とピストン押付力ｆｐの推定値をフィードバック制御することにより、システムの固有振動数を大きくし、電動ブレーキが発生する制動力の制御応答性を高められる。

ピストン押付力制御器２２は、図３において破線で囲まれた要素によって構成される。ピストン押付力制御器２２の制御対象３１は、図２において押付力電流変換ゲイン２３とモータドライバ２４と電動モータ１１とピストン押付力推定器２１とによって構成される。

制御対象３１は、伝達関数としてＰ（ｓ）＝Ｎｐ（ｓ）／Ｄｐ（ｓ）によって表され、ピストン押付力制御器２２から制御指令値ｕが入力され、その出力に外乱ｄが加わったものが制御出力ｙとしてピストン押付力制御器２２に出力される。制御出力ｙは、ピストン押付力推定器２１から出力されるピストン押付力ｆｐの推定値である。

外乱ｄは、例えば図１に示す電動ブレーキの構造部（ハウジング７）の歪みに起因して生じるものや、ボールスクリュ・ナット機構２等の摩擦トルク損失に起因して生じるものである。

ピストン押付力制御器２２は、制御指令値ｕと制御出力ｙに基づいて外乱ｄの推定量ｅを算出し、この外乱ｄの推定量ｅに制御ゲインｇを乗じて外乱フィードバック量Ｌを算出する外乱応答補償部４１と、制御指令値ｕと制御出力ｙと外乱フィードバック量Ｌとに基づいてフィードバック補正量ｆを算出するフィードバック補正量算出部４２と、目標指令値ｒとフィードバック補正量ｆとに基づいて制御指令値ｕを算出する制御指令算出部４３とを備える。

外乱応答補償部４１は、制御指令値ｕを伝達関数Ｎｐ（ｓ）によるフィルタを通すことにより外乱が作用しない場合の理想状態における中間状態変数ｈを算出する手段４４と、制御出力ｙを伝達関数Ｄｐ（ｓ）によるフィルタを通すことにより外乱を含む中間状態変数ｉを算出する手段４５とを備え、外乱が作用しない場合の理想状態における中間状態変数ｈと外乱を含む中間状態変数ｉとの差から外乱推定量ｅを算出する手段４６と、外乱推定量ｅに予め設定されたテーブルに基づいて出力される制御ゲインｇを乗じて外乱フィードバック量Ｌを算出する手段４７とを備える。つまり、制御指令値ｕと制御出力ｙの差分に応じて外乱の推定量ｅを算出している。また、外乱の推定量ｅを制御ゲインｇで乗じた分に応じて外乱フィードバック量Ｌを設定している。制御ゲインｇのテーブルには、例えば制御周波数または時間をパラメータとして制御ゲインｇが設定されている。

フィードバック補正量算出部４２は、制御指令値ｕから伝達関数Ｙｃ２（ｓ）−１によって信号ｊを算出する手段４８と、制御出力ｙから伝達関数Ｘｃ２によって信号ｋを算出する手段４９と、これら信号ｊ、ｋとフィードバック量Ｌを足し合わせたフィードバック補正量ｆを算出する手段３９とを備える。なお、信号ｊと信号ｋの和は、状態オブザーバによって推定された制御対象の状態量（電流、回転速度）に、適度な制御ゲインを乗じた状態フィードバック信号に相当し、電動ブレーキが発生する制動力の制御応答性を高めることを目的としている。

制御指令算出部４３は、目標指令値ｒから伝達関数Ｎｃ１（ｓ）によって指令値ｖを算出する前置補償器５５と、この指令値ｖからフィードバック補正量ｆを減じて制御指令値ｕを算出する手段５６とを備える。

こうしてピストン押付力制御器２２は、制御出力（ピストン押付力ｆｐの推定値）ｙの推定値を目標指令値ｒに近づけるように制御指令値ｕを演算し、制御出力ｙに対する制御応答性と外乱ｄに対する制御応答性とを独立して制御できる２自由度制御システムを構成する。

ところで、外乱応答補償部４１にて外乱ｄの推定量ｅに応じて制御ゲインｇが一義的に設定された場合、外乱ｄの種類によっては制御応答性が過剰となり、実際のピストン押付力ｆｐが目標指令値ｒから外れる可能性がある。これは、外乱ｄとして例えば制動時にピストン押付力ｆｐが大きくなるのに伴って電動ブレーキの構造部（ハウジング７）に歪みが生じると、この外乱ｄに対応して制御ゲインｇが高められることによって実際のピストン押付力ｆｐが目標指令値ｒから外れて過大になる可能性がある。

これに対処して、ピストン押付力制御器２２は、制御指令値ｕと目標指令値ｒの比率ｕ／ｒに応じて制御ゲインｇを調節するゲイン調節部５０を備える。

ゲイン調節部５０は、制御指令値ｕからローパスフィルタ５１を介して取り出された低周波成分と、目標指令値ｒからローパスフィルタ５２を介して取り出された低周波成分との比率ｕ／ｒを算出する手段５３と、算出された比率ｕ／ｒが大きくなるのに応じて制御ゲインｇが小さくなるように変更するゲイン変更手段５４とを備える。なお、これに限らず、ローパスフィルタ５１、５２を無くしてもよい。

このゲイン変更手段５４は、外乱推定量ｅに対する制御ゲインｇと制御周波数のテーブルを複数持ち、算出された比率ｕ／ｒに応じて実際に用いられるテーブルを切換える構成する。

なお、ゲイン変更手段５４は、これに限らず、算出された比率ｕ／ｒに対する補正係数のテーブルを持ち、この補正係数に応じて制御ゲインｇを補正しても良い。

また、ゲイン変更手段５４は、外乱推定量ｅに対する制御ゲインｇを算出する伝達関数を複数持ち、算出された比率ｕ／ｒに応じて伝達関数を切換える構成してもよい。

こうしてゲイン調節部５０は、制御指令値ｕに対する目標指令値ｒの比率ｕ／ｒが大きくなるのに応じて制御ゲインｇを小さくする。これにより、外乱ｄとして例えば制動時にピストン押付力ｆｐが大きくなるのに伴って電動ブレーキの構造部（ハウジング７）に歪みが生じる場合、この外乱ｄに対応して制御ゲインｇが小さく調節され、実際のピストン押付力ｆｐが目標指令値ｒから外れて過大になることが抑えられる。

以上のように本実施の形態は、車輪と共に回転する回転ブレーキディスク６と、この回転ブレーキディスク６に向けて変位可能かつ回転不能に支持される非回転ブレーキディスク９と、モータ電流によって回転作動する電動モータ１１と、この電動モータ１１の回転作動によって非回転ブレーキディスク９に対して押付けられるピストン１と、ピストン押付力ｆｐを目標指令値ｒに近づけるようにモータ回転角θｍから推定した制御出力ｙとモータ電流の制御指令値ｕをフィードバック制御するコントローラ２０とを備える電動ブレーキであって、コントローラ２０は、制御指令値ｕと制御出力ｙに応じて算出される外乱ｄの推定量ｅと制御ゲインｇに応じて外乱フィードバック量Ｌを設定する外乱応答補償部４１を備え、制御ゲインｇは制御指令値ｕに対する目標指令値ｒの比率ｕ／ｒに応じて設定される構成とした。

上記構成に基づき、外乱ｄとして例えば制動時にピストン押付力ｆｐが大きくなるのに伴って電動ブレーキの構造部（ハウジング７）に歪みが生じる場合、この外乱ｄに対応して制御ゲインｇが調節され、実際のピストン押付力ｆｐが目標指令値ｒから外れて過大になることが抑えられ、ピストン１の押付力ｆｐを的確に制御することができる。

本実施の形態においては、制御指令値ｕに対する目標指令値ｒの比率ｕ／ｒが大きくなるのに応じて制御ゲインｇを小さく調整するゲイン調節部５０とを備える構成とした。

上記構成に基づき、外乱ｄとして例えば制動時にピストン押付力ｆｐが大きくなるのに伴って電動ブレーキの構造部（ハウジング７）に歪みが生じる場合、この外乱ｄに対応して制御ゲインｇが小さく調節され、実際のピストン押付力ｆｐが目標指令値ｒから外れて過大になることが抑えられ、ピストン１の押付力ｆｐを的確に制御することができる。

本実施の形態においては、電動モータ１１のモータ回転角θ_mに応じてピストン押付力ｆｐを推定し、このピストン押付力ｆｐの推定値から制御出力ｙを求める構成とした。

上記構成に基づき、ピストン１の押付力ｆｐを測定するロードセンサを設ける必要がなく、製品のコストアップを回避できる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明の電動ブレーキは、航空機用の車輪を制動するものに限らず、他の車両等に設けられるものにも利用できる。

本発明の実施の形態を示す電動ブレーキの構成図。同じくコントローラのブロック線図。同じくピストン押付力制御器のブロック線図。従来の制御によるピストン押付力指令値と実際のピストン押付力が変化する様子を示す線図。

符号の説明

１ピストン
６回転ブレーキディスク
７ハウジング
９非回転ブレーキディスク
１０減速機構
１１電動モータ
１５ボールスクリュ
２１ピストン押付力推定器
２２ピストン押付力制御器
２３押付力電流変換ゲイン
２４モータドライバ
３１制御対象
４１外乱応答補償部
４２フィードバック補正量算出部
４３制御指令算出部
５０ゲイン調節部
５４ゲイン変更手段

Claims

車輪と共に回転する回転ブレーキディスクと、
この回転ブレーキディスクに向けて変位可能かつ回転不能に支持される非回転ブレーキディスクと、
モータ電流によって回転作動する電動モータと、
この電動モータの回転作動によって前記非回転ブレーキディスクに対して押付けられるピストンと、
ピストン押付力を目標指令値に近づけるようにモータ回転角から推定した制御出力とモータ電流の制御指令値をフィードバック制御するコントローラとを備える電動ブレーキであって、
前記コントローラは、
前記制御指令値と前記制御出力の差分に応じて外乱の推定量を算出し、前記外乱の推定量を制御ゲインで乗じた分に応じて外乱フィードバック量を設定する外乱応答補償部を備え、
前記制御ゲインは前記制御指令値に対する前記目標指令値の比率に応じて設定されるとともに、前記外乱フィードバック量に応じて前記制御指令値をフィードバック制御することを特徴とする電動ブレーキ。
前記制御指令値に対する前記目標指令値の比率が大きくなるのに応じて前記制御ゲインを小さく調整するゲイン調節部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電動ブレーキ。
前記コントローラは、
前記電動モータのモータ回転角に応じてピストン押付力を推定し、
このピストン押付力の推定値から前記制御出力を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の電動ブレーキ。