BRPI0603039B1

BRPI0603039B1 - Método de gestão de um atuador de freio eletromecânico

Info

Publication number: BRPI0603039B1
Application number: BRPI0603039-4A
Authority: BR
Inventors: Thibault Julien; Nierlich Florent
Original assignee: Messier-Bugatti-Dowty
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2018-07-31
Also published as: JP4842740B2; BRPI0603039A; EP1759989B1; CA2557767A1; CA2557767C; FR2890374A1; ES2332192T3; EP1759989A1; CN100477482C; JP2007071387A; CN1925308A; DE602006009450D1; US7523812B2; FR2890374B1; US20070084677A1

Abstract

método de gestão de um atuador de freio eletromecânico. a invenção refere-se a um método de gestão de um atuador de freio eletromecânico (7) compreendendo um motor elétrico adaptado para mover um impulsor (8) contra uma pilha de discos para aplicar uma força de frenagem à pilha de discos, seletivamente, o método compreendendo a etapa de fazer com que o atuador opere em um dado domínio de operação (d<39>) no plano de corrente/velocidade de uma tal maneira que o domínio de operação é selecionado para apresentar um limite (15) tendo uma porção que se estende substancialmente ao longo de uma curva de energia constante (14) representada no plano de corrente/velocidade.

Description

(54) Título: MÉTODO DE GESTÃO DE UM ATUADOR DE FREIO ELETROMECÂNICO (51) Int.CI.: B60T 13/74; F16D 55/36 (30) Prioridade Unionista: 02/09/2005 FR 0508994 (73) Titular(es): MESSIER-BUGATTI-DOWTY (72) Inventor(es): JULIEN THIBAULT; FLORENT NIERLICH (85) Data do Início da Fase Nacional: 31/07/2006

1/10 “MÉTODO DE GESTÃO DE UM ATUADOR DE FREIO ELETROMECÂNICO” [0001] A presente invenção refere-se a um método de gestão de um atuador de freio eletromecânico, em particular para aeronave.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [0002] São conhecidos métodos para gerir um atuador de freio eletromecânico que compreende um motor elétrico adaptado para mover um impulsor voltado para uma pilha de discos a fim de aplicar uma força de frenagem seletivamente à pilha de discos.

[0003] Como um exemplo de um tal freio, a figura 1 é uma vista em seção de um freio eletromecânico 3 para uma aeronave, que é montado sobre um eixo 2 de um trem de aterragem da aeronave e que suporta um aro de roda 1 (para receber um pneumático, que não está mostrado). Um tal freio 3 compreende um tubo de torsão 4 seguro no eixo 2 e uma pilha de discos 5 estendendo-se entre o tubo de torsão 4 e o aro de roda 1. A pilha de discos 5 compreende primeiros discos (referidos como discos de “rotor”) compelidos para girar com o aro 1, e segundos discos (referidos como discos de “estator”) dispostos em alternação com os primeiros discos e compelidos em rotação com o tubo de torsão 4, de modo que eles não giram com o aro. Voltado para a pilha de discos está um anel 6 seguro no tubo de torsão 4 e suportando atuadores eletromecânicos 7, cada um compreendendo um motor elétrico (não mostrado) adaptado para mover um impulsor 8 voltado para a pilha de discos 5 a fim de aplicar uma força de frenagem à mesma de maneira seletiva.

[0004] Como mostrado na figura 2, a qual é um gráfico representando a faixa ou domínio de operação do motor elétrico de um dos atuadores 7 no plano corrente/velocidade, o referido domínio de operação D inclui de maneira convencional um limite definido, em primeiro lugar, por uma primeira linha reta 10 (inclinando-se para baixo) em um gradiente que depende das características e das dimensões do motor, e em uma altura que é determinada pela tensão de alimentação selecionada para o motor, e, em segundo lugar, por uma segunda linha reta 11 (uma linha vertical) definida por uma corrente máxima que não deve ser excedida enquanto o motor está em operação, em particular para a finalidade de

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 9/26

2/10 proteger os componentes de potência, associados ao motor.

[0005] Típicos pontos de operação para atuadores de freio situam-se, em primeiro lugar, nas proximidades da interseção do eixo geométrico de velocidade e a primeira linha reta 10, tal como o ponto de operação 12, correspondendo a um estágio durante o qual o impulsor 8 está se aproximando dos discos 5 a alta velocidade, e, em segundo lugar, nas proximidades da interseção entre o eixo geométrico de corrente e a segunda linha reta 11, tal como o ponto de operação 13, correspondendo a um estado no qual o impulsor 8 está aplicando uma força contra os discos 5.

[0006] Em geral, em aeronaves, a potência disponível é limitada e é importante assegurar que os atuadores não possam extrair potência mais alta que a máxima autorizada Pmax para evitar a ativação dos dispositivos de proteção elétrica da aeronave, do tipo de interruptor de circuito.

[0007] Esta restrição, desta maneira, conduz a que um domínio de operação D seja definido, o qual, no plano corrente/velocidade, estende-se inteiramente embaixo da curva de potência constante 14 correspondendo à potência máxima autorizada ^P max.

[0008] Esta limitação conduz a uma subutilização do desempenho do atuador. OBJETIVO DA INVENÇÃO [0009] Um objetivo da invenção é prover um método de gestão que permite que o desempenho de atuadores de freio mecânico seja elevado, enquanto assegura que a potência extraída não exceda a potência máxima autorizada.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0010] Para atingir este objetivo, a invenção provê um método de gestão de um atuador de freio eletromecânico que compreende um motor elétrico adaptado para mover um impulsor voltado para uma pilha de discos a fim de aplicar uma força de frenagem seletivamente contra a pilha de discos, o método compreendendo a etapa de fazer com que o motor elétrico opere em um dado domínio de operação no plano corrente/velocidade, o domínio de operação sendo selecionado, de acordo com a invenção, de modo a apresentar um limite tendo uma porção que se estende

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 10/26

3/10 substancialmente ao longo de uma curva de potência constante representada no plano corrente/velocidade.

[0011] Por meio da seleção como curva de potência constante uma curva que corresponde à potência máxima autorizada Pmax (ou a uma potência que é ligeiramente mais baixa), o domínio, como definido desta maneira, permite que o motor seja operado em pontos de operação correspondendo às velocidades ou correntes que são mais elevadas do que na técnica anterior, enquanto assegura que o motor não extraia potência mais alta que a potência máxima autorizada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0012] A invenção pode ser melhor entendida à luz da seguinte descrição dada com referência às figuras dos desenhos anexos, nos quais, em adição às figuras 1 e 2 acima descritas:

A Figura 3 é uma figura análoga à figura 2 mostrando uma implementação da invenção;

A Figura 4 é um diagrama de blocos mostrando o servo-controle do motor elétrico de um dos atuadores, em uma implementação particular da invenção incluindo saturação de posição, saturação de velocidade, e saturação de corrente;

A Figura 5 é uma vista mostrando um detalhe do diagrama de blocos da figura 4, mostrando saturação de velocidade;

A Figura 6 é uma vista mostrando um detalhe do diagrama de blocos da figura 4, mostrando saturação de corrente;

A Figura 7 é um gráfico mostrando variações em um limite envolvido nas saturações mostradas nas figuras 5 e 10;

A Figura 8 é um gráfico mostrando variações em um coeficiente envolvido nas saturações mostradas nas figuras 5, 6, e 10;

A Figura 9 é um gráfico mostrando variações em um coeficiente envolvido na saturação mostrada na figura 6; e

A Figura 10 é uma vista mostrando um detalhe do diagrama de blocos da figura 4, mostrando saturação de posição.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 11/26

4/10 [0013] Com referência à figura 3, a invenção consiste em fazer com que o atuador eletromecânico 7 opere em um domínio de operação D' que é maior do que o domínio D (representado em linhas de traços e pontos). O domínio D' é definido por meio de uma primeira linha reta 10' correspondendo ao motor sendo alimentado em uma tensão que é maior do que aquela definindo a primeira linha reta 10 da figura 2, e uma segunda linha reta 11 'correspondendo a uma corrente máxima que é maior do que aquela definida pela segunda linha reta 11 da figura 2. Além disto, e de acordo com a invenção, o domínio D' é também definido por uma porção de limite 15 que se estende ao longo de uma curva de potência constante 14 correspondendo à potência Pmax (também visível na figura 2).

[0014] O novo domínio de operação D' permite ao atuador 7 operar em pontos de operação que permitem que desempenho mais elevado seja obtido. Desta maneira, o atuador 7 pode operar no ponto de operação 12', isto é, em uma velocidade que é maior do que a velocidade associada ao ponto de operação 12, ou ele pode operar em um ponto de operação 13', isto é, no torque que é maior do que o torque associado ao ponto 13. Não obstante, o domínio D' permanece inteiramente embaixo da curva de potência constante 14 correspondendo a Pmax, de modo que a operação do atuador no domínio de operação D' restringe a potência extraída pelo atuador 7 para a potência que não é maior do que a potência máxima Pmax.

[0015] Com o princípio da invenção acima exposto, segue-se uma descrição detalhada de uma implementação particular da invenção.

[0016] Com referência à figura 4, o atuador eletromecânico 7 é acionado de maneira convencional por meio de um inversor 20 que gera três fases de corrente alternada (AC) para três fases do motor elétrico provido no atuador 7. O inversor 20 é acionado por meio de uma fonte de eletricidade 21 adaptada para fornecer corrente I em uma tensão V que é substancialmente constante, e o inversor é servocontrolado com base em uma referência de posição angular Θ para o motor (correspondendo a uma posição do impulsor voltado para a pilha de discos), por meio da geração de um sinal de controle c para o inversor de modo que o motor elétrico do atuador 7 é levado a atingir uma posição correspondendo à referência de

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 12/26

5/10 posição angular θ.

[0017] O servo-controle descrito aqui inclui um enlace de posição, um enlace de velocidade, e um enlace de corrente que são intercalados um com o outro.

[0018] A referência de posição angular θ gerada pelo computador de frenagem (não mostrado) é inicialmente aplicada em um circuito de saturação de posição 22 (descrito em maior detalhe abaixo com referência à figura 10) disposto para limitar a inclinação máxima da referência de posição angular Θ (isto é, a variação máxima na referência de posição angular Θ como uma função do tempo) para um determinado valor máximo. Esta saturação filtra súbitas elevações na referência de posição angular, as quais requereriam operação com alta potência.

[0019] A saída θ_ίΕί do circuito de saturação de posição 22 forma a entrada positiva de um circuito de soma 23 cuja entrada negativa é formada por uma medida θ da posição angular do motor do atuador 7, desta maneira formando o enlace de posição.

[0020] A saída do circuito de soma 23, isto é, o erro εθ = θ_3Εί - θ forma a entrada para um controlador 24 de derivada integral proporcional (PID) cuja saída fornece uma referência de velocidade de rotação Ω para o motor (que é também diretamente proporcional a uma referência de velocidade de deslocamento do impulsor). A referência de velocidade n é submetida a um circuito de saturação de velocidade 25 (descrito em detalhe abaixo com referência à figura 5) disposto para limitar a referência de velocidade Π de modo que o ponto de operação do atuador não deixa o domínio D'. A saída n_sní do circuito de saturação de velocidade 25 forma a entrada positiva de um circuito de soma 26 cuja entrada negativa é formada por uma medida Ω da velocidade de rotação do motor do atuador 7, desta maneira, formando o enlace de velocidade.

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 13/26

6/10 [0021] A saída do circuito de soma 26, isto é, o erro ε_Ω = Ω_3Εί - Ω forma a entrada para um segundo controlador de PID 27 cuja saída constitui uma referência de corrente i. A referência de corrente i é submetida a um circuito de saturação de corrente 28 (descrito em detalhe abaixo com referência à figura 6) que é disposto para limitar a referência de corrente i de modo que o ponto de operação do atuador não deixa o domínio D'. A saída !_3EÍ do circuito de saturação de corrente 28 forma a entrada positiva de um circuito de soma 29 cuja entrada negativa é formada por uma medida iq da corrente fornecida pelo inversor 20 ao motor do atuador 7, desta maneira, formando o enlace de corrente. O valor iq é estimado de maneira convencional a partir das amplitudes instantâneas das três fases de corrente geradas pelo inversor 20.

[0022] Finalmente, a saída do circuito de soma 29, isto é, o erro q = :_sní - iq, forma a entrada para um terceiro controlador de PID cuja saída é o sinal de controle c.

[0023] Com referência à figura 5, o circuito de saturação de velocidade 25 compreende primeiramente um primeiro limitador 40 que limita a referência de velocidade n de modo que o ponto de operação (Ω , i_q) correspondendo à referência de velocidade permanece dentro do domínio de operação D'. Um limite F é definido, o qual depende da corrente i_q, como segue: a potência consumida pelo motor do atuador 7 sujeito a uma corrente iq e girando com a velocidade Ω é expressa como:

P = k|. Ω. iq + k2.

onde o primeiro termo representa a potência mecânica desenvolvida pelo motor do atuador e o segundo termo representa perdas devidas ao efeito Joule. A curva de corrente de potência constante 14, desta maneira, tem a seguinte equação:

^Pmax = ^k1. ^Ω. ⁱq + ^k2.

onde P_max é um parâmetro que é ajustado a priori.

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 14/26

7/10 [0024] Para uma dada corrente i_q, é suficiente limitar a referência de velocidade Ω até o limite F que é selecionado como segue.

~ k,-i!

‘ i _l_ para i_q< /k₂, e, senão, 0.

[0025] O limite F é representado na figura 7. O limite F segue a curva de potência constante P_max até o ponto onde ele intercepta o eixo de abscissa, e então ele mantém o valor zero. Na figura 7, pode ser visto o efeito do primeiro limitador 40 que, para uma dada corrente i_q, leva a referência de velocidade Ω para o valor Ω' tomado na curva de limite F que coincide com o limite 15 do domínio D’ (representado em linhas tracejadas na figura 7), de modo que o ponto de operação é levado para dentro do domínio D’.

[0026] Todavia, na operação, ocorre que os parâmetros usados para determinar o limite F (essencialmente a constante de torque e o valor de resistência elétrica k₂) variam por diversas razões (desgaste, aquecimento,...). Como um resultado, embora o limitador 40 esteja operando corretamente, a potência pode acidentalmente exceder a potência P_max· [0027] Para prevenir tais excessos, o circuito de saturação de velocidade 25 inclui um limitador de segurança 41 que aplica um coeficiente G à saída íY a partir do primeiro limitador 40, coeficiente G este que depende da corrente de alimentação I do inversor 20, como segue: a potência consumida pelo inversor 20 é P = V I. Uma vez que a tensão de alimentação V é substancialmente constante, a potência consumida pelo inversor 20, desta maneira, varia substancialmente com a corrente de alimentação I. A potência P_max, desta maneira, corresponde a uma corrente l_max, de modo que P_max = V . I_max. Sob tais circunstâncias, o coeficiente G é então selecionado, como mostrado na figura 8, de uma tal maneira a ser igual a 1 enquanto a corrente de alimentação I for menor do que uma corrente-limite l_s (por exemplo, 90% da corrente l_max) e então diminui linearmente em direção a 0 quando a

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 15/26

8/10 corrente de alimentação I atingir a corrente Imax.

[0028] A saída do circuito de saturação de velocidade 25 é, desta maneira, igual a Ω_3Πί = G · Ω’. Desta maneira, se a corrente de alimentação I do inversor 20 se aproximar da corrente Imax, a referência de velocidade é sujeita a um coeficiente que tende para 0, de modo que o impulsor diminui a velocidade e a extração de potência diminui, desta maneira fazendo com que a corrente de alimentação I se afaste da corrente Imax. Desta maneira, a potência consumida nunca pode exceder a potência máxima Pmax.

[0029] Com referência à figura 6, o circuito de saturação de corrente 28 compreende um primeiro limitador 42 que limita a referência de corrente i para um limite F^-1 que depende da velocidade Ω e que está mostrado na figura 9, o referido limite sendo selecionado, neste exemplo, como sendo a recíproca do limite F usado para o primeiro limitador 40 do circuito de saturação de velocidade 25 (graficamente, o limite F^-1 pode ser visto como sendo o mesmo que o limite F da figura 7, por mentalmente intercambiar o eixo de abscissa e o eixo de ordenada).

[0030] A figura 9 mostra o efeito de saturação, o qual, para uma dada velocidade Ω, leva a referência de corrente i para o valor V, que se situa sobre a curva de limite

F^-1 e que coincide com o limite 15 do domínio de operação D' (representado como uma linha tracejada na figura 9), de modo que o ponto de operação Ω, i é levado para dentro do domínio D'.

[0031] O circuito de saturação 28 também inclui um limitador de segurança 43 que é inteiramente idêntico ao limitador de segurança 41 do circuito de saturação de velocidade 25.

[0032] Finalmente, com referência à figura 10, o circuito de saturação de posição 23 compreende primeiramente um diferenciador 44 que estima uma derivada de tempo τ da referência de posição Θ. A derivada de tempo ϊ (que tem as dimensões da velocidade angular) é então aplicada em um primeiro limitador 45 que é inteiramente idêntico ao primeiro limitador 60 do circuito de saturação 25, desta

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 16/26

9/10 maneira, fazendo uso do limite F e fornecendo um valor τ’. Este valor é sujeito a um limitador de segurança 46 que é inteiramente idêntico aos limitadores de segurança 41 e 43 de modo a obter uma derivada de tempo saturada τ_Μ(., que é processada por meio de um integrador de tempo 47 a fim de prover a referência de posição saturada com o ponto de operação (τ_3Εί , iq) então estando no domínio de operação D’.

[0033] A invenção não é limitada à descrição acima, mas, pelo contrário, cobre qualquer variante que entra no âmbito definido pelas reivindicações.

[0034] Em particular, embora a operação do atuador e a implementação da invenção estejam descritas no primeiro quadrante do plano corrente/velocidade, é claro que a invenção poderia ser estendida para os outros três quadrantes do referido plano. Desta maneira, cada quadrante então apresenta uma porção de limite que está situada substancialmente sobre uma curva de potência constante.

[0035] Embora o servo-controle ilustrado faça uso de saturação de posição, saturação de velocidade, e saturação de corrente, seria possível fazer isto com somente duas destas saturações, ou até mesmo com apenas uma. Todas elas servem para manter o ponto de operação do atuador dentro do domínio D’. Naturalmente, quanto maior o número de saturações que são implementadas, tanto menor é o risco de o ponto de operação cruzar o limite do D’. Não obstante, o aumento do número de saturações contribui para desestabilizar o servo-controle, uma vez que cada saturação introduz retardo no enlace de servo-controle. Desta maneira, o número de saturações usado depende de um compromisso entre a redução do risco de o ponto de operação deixar ou abandonar o domínio de operação D’ e a asseguração que o servo-controle é estável.

[0036] Embora os circuitos de saturação mostrados compreendam um respectivo primeiro limitador tendo seu limite determinado por meio de funções contínuas de corrente ou de velocidade medida, fornecendo ao domínio de operação uma função que se ajusta exatamente contra a forma de uma curva de potência constante no plano corrente/velocidade, é também possível construir um limite que não ajusta

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 17/26

10/10 exatamente a uma curva de potência constante, por exemplo, que apresenta uma forma de escadas.

[0037] Os circuitos de saturação não precisam ter limitadores de segurança, se não existir perigo de os transientes de potência irem para além da potência máxima autorizada. A este respeito, uma técnica para reduzir o risco de tais excessos consiste em prover o domínio de operação do atuador com um limite que não se estende ao longo da curva de potência constante que corresponde à potência máxima autorizada P_max, mas, em lugar disso, que se estende ao longo de uma curva de potência constante que corresponde a algum valor de potência ligeiramente menor a.P_max, onde α é menor do que 1 (por exemplo, 90%).

[0038] Embora a descrição se refira a um servo-controle de posição para o atuador, a invenção é igualmente aplicável a um servo-controle de força.

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 18/26

1/2

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de gestão de um atuador de freio eletromecânico (7) compreendendo um motor elétrico adaptado para mover um impulsor (8) voltado para uma pilha de discos para seletivamente aplicar uma força de frenagem à pilha de discos, o motor elétrico funcionando em uma velocidade de rotação (Ω) sob uma dada corrente (i_q), o método incluindo fazer com que o atuador opere em um ponto de operação definido pela velocidade de rotação (Ω) do motor e sua corrente (i_q), onde o ponto de operação é situado dentro de um dado domínio de operação (D') definido em um plano corrente/velocidade;

o método sendo caracterizado pelo fato de que o domínio de operação (D') é selecionado para apresentar um limite (15) que tem uma porção que se estende ao longo de uma curva de potência constante (14) representada no plano de corrente/velocidade.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que servo-controle é implementado, que inclui um enlace de corrente recebendo uma referência de corrente (í), o método incluindo a etapa de saturar a referência de corrente (i_Mt) de modo que o ponto de operação correspondendo à referência de corrente saturada (i_Mt) e à velocidade de rotação (Ω.) permanece dentro do referido domínio de operação (D').
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que servo-controle é implementado, incluindo um enlace de velocidade recebendo uma referência de velocidade (Ω), o método incluindo a etapa de saturar a referência de velocidade de modo que o ponto de operação correspondendo à referência de velocidade saturada (n_Mt) e à corrente (iq) permanece dentro do referido domínio de operação (D').
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 19/26

2/2 que servo-controle é implementado, incluindo um enlace de posição recebendo uma referência de posição (Θ), o método incluindo a etapa de saturar a referência de posição de modo que o ponto de operação correspondendo à derivada (τ_3Εί) da referência de posição saturada (θ_3Εί) e à corrente (iq) permanece dentro do referido domínio de operação (D').
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de que o atuador é alimentado por uma fonte elétrica (20), e em que a referência é multiplicada por um coeficiente G que é zero, se a potência for igual ou maior que a potência máxima autorizada (P_max).
6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a fonte de eletricidade (20) é disposta para fornecer uma corrente de alimentação (I) em tensão constante (V), e em que a corrente de alimentação (I) é medida e comparada com uma corrente máxima (I_max) correspondendo à potência máxima autorizada (Pmax).

Petição 870180024064, de 26/03/2018, pág. 20/26

1/3