CN101443985B - 线性致动器 - Google Patents

Abstract

一种包括主轴螺母的线性致动器，其中，根据主轴或主轴螺母是否被传动装置驱动，表示行程长度的第一点与第二点之间的主轴螺母和主轴彼此成比例地轴向移动，以及其中，该位置由递增的位置传感器、例如至少两个霍耳传感器或簧片开关确定。为了确定位置，首先执行初始化工序，其中螺母/主轴从主轴/螺母上的第一点移动到主轴/螺母上的第二点，来自递增的位置传感器的脉冲数记录为行程长度的测量值，并随后据此测量值确定位置。应当指出，在马达运行之前、期间以及之后都进行控制。由此，利用递增的传感器实现绝对位置检测，而先前人们必须使用旋转电位计。同时，在任何时候都可以实现行程长度及其位置的随机确定，并可以即刻更改可能性。

Description

线性致动器

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的致动器。

背景技术

本发明的解释不局限于包括线性滑动管状激活元件的类型的线性致动器。一种线性致动器，包括电动马达，所述电动马达通过传动装置驱动主轴。在主轴上安装有主轴螺母，管状激活元件一端固定到所述主轴螺母上。管状部分的另一端利用前夹具固定到构造中的可动元件上，其中致动器是内装式的，而致动器利用后夹具固定于构造的静止部分中，或者反之亦然。在主轴螺母紧固期间，主轴螺母在主轴上或者向外移动，或者向内移动，这取决于旋转方向，管状部分因而轴向向外移动或者以对应于伸缩式气缸上的活塞杆的方式缩回。

管状部分的位置通常是通过计算主轴的转数来进行确定的。转数乘以主轴螺距确定管状部分的位置。借助于旋转电位计，可以进行位置的绝对确定，所述旋转电位计通过一齿轮由马达驱动。如果传动比已知，则可以算出主轴的转数。利用磁式编码器确定位置的方法是更为普遍的方法。磁式编码器包括磁轭和若干电极，每当电极中的一个经过簧片开关或霍耳传感器时，所述电极就激活簧片开关或霍耳传感器，在簧片开关或霍耳传感器上，发出电信号。

关于簧片开关的更详细说明参见Ellwood的US 2264746。简单地说，簧片开关是一种电气机械部件，其中由两个弹性金属端子构成的触点组在磁场的影响下形成电接头。如果它与可动部件在一起，则它将限定外形尺寸、材料的选择、寿命和运行速度。

US 7003828B2显示了一种带有位置检测配置的致动器系统，所述位置检测配置由受磁轭影响的簧片开关形式的脉冲供应器构成。该系统受到第3栏第61行至第4栏第3行所述的限制。缺陷是机械系统中的惯性产生未记录的计算步骤。这种缺陷在计算系统取决于控制按钮的激活时出现。首先应当指示运动方向，接着，如果计数器正数或倒数，以便使计数器主要记录和计算簧片开关的激活次数。这种缺陷随着时间的推移而积累，计算周期的复位功能被引入一清晰的位置，即当致动器的活塞完全缩回时。

与簧片开关不同，霍耳传感器是非机械部件，其输出电压的变化取决于印制(printed)的磁场的强度。霍耳变送器与霍耳开关是有区别的，霍耳变送器以与印制磁场强度成比例的模拟电压作为响应，而霍耳开关发出对应于给定强度的磁场是否是印制的数字信号。这通常表现为部件退出时的电压电平，电压电平在接近0伏的低电平和接近部件供电电压的高电平之间跳跃，在这两个极端外没有其它状态。即使这里退出的信号电平被说成是源系统，然而也不排除输出可以是集电极开路类型的，即是排放(drain)系统。这意味着不能供给输出电压，但可以作为与供电电压的负极相连的电触点。通过配备外部部件，输出信号可以设计成适于与微处理器或另一计数机构接口。在内部使用霍耳开关机构，其通过限定用于过渡状态的合适的滞后来抵消跳跃。这消除了校准的必要，因为错误计算脉冲数达到最小。同时，霍耳传感器是完全基于半导体的部件，因此在尺寸、价格和寿命方面占有优势。有关霍耳传感器的更加详尽的资料可参考其制造商，例如Micromagnetics公司。

所以，应当注意，每当磁极被引导通过簧片开关或霍耳传感器时，就将释放信号。如果使用磁式编码器，则通过带有四个极的磁环，主轴每旋转四分之一就确定位置。可以使用两个霍耳传感器，每转确定8次位置。

也可以使用光编码器来代替磁式编码器，其工作方式相同，即利用带有透孔的转盘和光源。当透孔经过光源时，光束暂时穿过到达光电管上，光电管接着就释放信号。根据信号，借助于控制单元中的微处理器就可以算出位置。

US 5,224,429公开了一种致动器系统，其中光传感器用于根据马达的旋转确定位置(图6)。但是，它没有描述控制单元如何确定主轴的旋转方向。这将导致潜在的手动调节可能会产生错误的位置指示。但是，与磁传感器相比，光传感器的价格水平使这种解决方案没有吸引力，因为致动器的销售服从于高价竞争。

优选位置的绝对确定，但是当使用霍耳传感器和簧片开关时，部分是由于成本，而部分是由于可靠性的缘故。电位计较昂贵，从纯粹机械的观点来看，其迟早会磨损。这种磨损表现为电位计的导块与电位计上的电阻距离之间连接的完全中断或部分中断。随着时间推移，磨损会导致电位计的电阻线性在整个动态范围内发生变化，这会影响位置确定的精度。此外，在终端也不能充分利用调整区域。另一个且更不容易注意的因素是，在致动器中需要花费大约一年的时间来测试电位计的可靠性，这意味着不可能刚好用另一种来更换电位计。如果供应商改变了电位计的构造，就必须重新进行测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决如上所述问题的技术方案，即在没有旋转电位计的缺点的情况下实现绝对定位。

依照本发明，这是通过设计如权利要求1所述的致动器来实现的，其中，借助于位置传感器，例如霍耳传感器或簧片开关，可以实现绝对位置确定。首先，执行初始化工序，其中螺母/主轴从主轴/螺母上的第一期望点移动到主轴/螺母上的第二期望点。来自递增(incremental)的位置传感器的信号数量被记录为行程长度的测量值。随后基于此即基于一个分数(fraction)确定位置，其中分子是信号出现的数量，分母是在整个行程长度中信号的总数量。对于信号记录来说，重要的是，在马达运行之前、之后以及期间控制单元都是起作用的。因而控制单元应当时刻有电压，时刻配备备用电池，以确保在与电力网连接中断的情况下不会失去位置指示。由此也确保即使进行手动调节，也不会失去位置。作为选择，微处理器可以将数据存储在存储器中，当没有供电电压时，所述存储器不会释放数据。这里，可能的手动调节会产生计算误差。

显然，通过用表示与转数相比的主轴螺距的因数乘以脉冲数，用计算脉冲来表示的致动器活塞杆的精确线性移动可以简单地转变为精确测量值。

本发明旨在用使用电位计情况下的相同的方式来表示位置确定。对电位计来说，其是电位计上的电压与电位计导块上的电压电平之间的比例，该比例是主轴螺母的位置在主轴行程长度上的比例表达。同样，从已知点、典型从机械终端止挡开始的脉冲计数表示主轴螺母的给定位置。如果与两个位置之间的、典型为两个终端止挡之间的脉冲的前述计数成比例，则可得到描述主轴螺母相对于行程长度的位置的表达式，其表示激活元件的行进。根据与对应于所期望的致动器行程长度的脉冲数相比的脉冲计数，对激活元件的行进写出的分数比较符合致动器的行程长度。因而可以采用该分数形成输出电压，输出电压是该分数的比例表达。利用D/A变换器可以直接建立该表达式，D/A变换器将计算出的比率转换成相对电压电平。因为D/A变换器昂贵，所以发明了一种比较便宜的解决方案，其作为本发明的一部分，将用一个例子来描述。

在该例子中，行程长度表示为＂S＂，主轴螺母从实际终端止挡开始的行进表示为＂L＂，在微处理器中，其用在主轴螺母从实际终端止挡开始的整个行进中脉冲的计数表示。微处理器最初较高地估计输出，利用内部(intern)时钟频率作为计数器的触发信号，每个触发脉冲都反映(incriminating)它本身。并总是与数字＂L＂进行比较。当达到数字＂L＂时，输出低值，计数继续，直到达到数字＂S＂，之后重复该过程。作为主轴螺母在行程长度上的位置的表示，此刻可以得到脉冲调制信号，其中频宽比直接表示主轴螺母的位置与行程全长的比例。该信号被引入低通滤波器，以便变成平均值，并作为DC电压。根据经验，外部单元将不能断定这种解决方案或利用电位计的解决方案能否用于致动器，但是在此所述的解决方案既低廉又牢靠。通过使用带有本发明所述方案的新部分取代有缺陷的部分的电位计，可以获得完全的兼容。

该例子表明，精确对应于使用电位计时可能发生的输出，即DC电压，不排除可以不同地表示位置确定。对于多个微处理器之间的接口来说，直接继续表示位置与行程长度的比较的分数或者作为脉冲宽度调制信号(PVM)是显而易见的。在微处理器与其它装置之间同样可以利用标准接口，例如RS232，标准接口还需要用于发送和接收数据的预定协议。可以想到，也可以使用借助于光和光学连接的其它接口。而且不排除在工业设备中经常使用的、将电流或电压转换成频率调制信号的接口。(这里，指的是使用VF变换器。)

通过已知的致动器，确定位置和行程长度，其中，终端止挡开关安装在一条带有一排孔的印刷电路板上，终端止挡开关在印刷电路板上的安装符合严格的规范。带有可动终端止挡的致动器已知于Dewert的DE8903603和Cimosys的WO02/102205A1。总之，调节激活元件的位置和行程长度是非常煞费苦心的。但是，通过本发明，重新限定行程长度及其位置在任何时候都变得比较简单，因为在新说明书里面正好需要进行更新的初始化工序。

附图说明

下面参照附图将更充分地解释依照本发明的线性致动器，其中：

图1显示了致动器的纵剖面，

图2显示了环绕蜗杆传动装置的区域的剖面，

图3显示了虚拟终端止挡，

图4显示了霍耳传感器系统的简图，

图5显示了霍耳传感器系统的脉冲序列，

图6显示了运动方向的Gray代码，和

图7显示了传感器系统的流程图。

具体实施方式

正如附图中的图1所示的，致动器的主要部件由分成两部分的外壳1和可逆DC马达2构成，可逆DC马达2经由一蜗杆传动装置3驱动带有主轴螺母5的主轴4，由外管7环绕的管状激活杆6(内管)固定于主轴螺母5上。顺便说一下，这种类型的致动器的基本构造描述在WO02/29284中，并附带作为参考。

从图2中可以看到，蜗轮的耦合部分8配备有一磁轭9，磁轭9带有四个电极，用于确定激活杆6的位置。在这里，两个霍耳传感器11安装在小印制部(small print)10上，其中只有一个可看得到，另一个隐藏在耦合部分8的下面。随着磁轭的旋转，当电极经过霍耳传感器时，霍耳传感器被激活，这样一信号被发送至控制单元，控制单元根据旋转、旋转方向和主轴螺距，经由微处理器计算激活杆6的位置。由于两个霍耳元件成角度移位，所以可以检测主轴的旋转方向(正交检测)，从而根据主轴的旋转方向和激活杆6是向外移动还是缩回，确定信号是否将增加或消减。

如果需要例如从点A到点B的行程长度，则进行初始化工序，主轴螺母进入位置A。之后，主轴螺母移动到位置B，同时，计算来自霍耳传感器的信号数量，并记录在微处理器中。将位置A和位置B确定作为终端止挡，确定主轴螺母的随机位置，从而按与整个长度上所记录的信号总数的比例，确定这两个终端止挡之间的激活杆的位置。通常，校准后的末端是实际终端止挡，但是显然，不排除它可能是主轴螺母在主轴长度上的其它位置。

在图3中，行程的虚拟长度S表示为相应于所示的点V1和V2的两个虚拟终端止挡A和B之间的距离，其与主轴螺母在主轴上的位置成比例。X1和X2是实际终端止挡，其与距离为K和L的虚拟终端止挡有关。

如图4所示，两个霍耳传感器(#1、#2)在角度上偏移大约45度，在这里采用的是四极磁环。在给定的相互位置的霍耳传感器的信号传输的特征在于，它们满足Gray代码的要求，即一次只有一个信号或一个字节变化。因而必须基于这个标准，选择相互成角度形式的传感器的定位。来自传感器系统的脉冲序列显示在图5中，其中两个霍耳传感器分别表示为#1和#2。指针(C)指示随机位置，该随机位置对应于主轴螺母在主轴行程长度上的一个位置。如果指针沿A方向移动，在运动上的脉冲图形将对应于A：所示的图形。相应地，B所示的脉冲图形对应于指针沿B方向的运动。在图6中显示了与移动方向有关的同样的脉冲图形，很明显，两个图形是不同的，因而可以部分地用于确定运动，以及检测沿哪个方向运动。如图7所示，来自霍耳传感器的信号供给至微处理器(uC)。据此建立与满刻度相比的相关数字形式的结果。该数字被转换为PVM信号，其是平均值，表现为相关的DC信号，精确对应于电位计的功能。毫无疑问，如果需要，可选择所有的附属信号，并送给外部单元。

上文描述了带有管状活塞杆的致动器，但是正如所述的，本发明也适用于其中主轴螺母构造成激活元件的致动器，参见Linak A/S的DK 174 457，或者适用于其中主轴轴向位移的致动器，参见Cimosys的WO 02/24034，图1-4所示的实施例。

本发明因而提供了一种线性致动器，其中，利用递增的传感器，可以实现绝对位置确定，同时，在任何时候都可以实现行程长度及其位置的任意确定，并可以即刻更改可能性。这意味着，在实际致动器的基础上可以形成带有用于动态区域的变化特征的虚拟致动器。这可以由主轴螺母的缩回位置表示，事实上，主轴螺母可以自由地位于实际致动器的行程长度上的任一位置。所以，这将表现为，终端止挡虽然不是实际的，但却借助于微处理器和软件电子地提供。因此，主轴螺母远离终端止挡的最大期望运动，无论是实际的还是虚拟的，都作为另一个虚拟终端止挡形成。可以存储主轴行程长度的其它部分，作为预置。这意味着，可利用该实际致动器，用于若干用途，在预编程序的初始化期间，以简单的方式就可以很好地适应应用。对于致动器的制造商来说逻辑上有利的是，具有较少的不同零件数量，因此能够实现标准化零件的大规模和更有效生产。对于用户来说，这意味着由于更换了有缺陷的部分而具有更好的交付保证。当用新的致动器更换有缺陷的致动器时，不管行程长度如何，只要其不短于虚拟致动器的行程长度，或者其长得使构造中的机构防止致动器将主轴螺母靠着实际终端止挡进入适当位置，新的实际致动器都将起前一虚拟致动器的作用，以此提供在快速勤务与保养时的补救。因为传感器和微处理器一直是起作用的，所以主轴螺母在运行期间的位置的校准不是必需的。但是，通过与清楚限定的位置相比来测试准确性并在必要时执行校准将是切合实际的。如果使用机械终端止挡作用校准标记，必须要考虑的是，为了保护致动器的机械部件，这些机械终端止挡必须是柔性的。根据主轴螺母移入终端止挡的速度，可以获得不同的计算值。但是，通过计数当主轴在马达由于过流保护而已经被断开之后反向移动时出现的脉冲数，或者通过在主轴螺母已经移动靠在终端止挡上之后执行额外的校准，这可以部分地被抵消。因为系统的惯性会导致系统在马达电流被断开之后移动，所以实际终端止挡，例如端止动开关，还会引起在主轴长度上的计算步骤数量上产生误差。如果来自端止动开关的信号也被传送到微处理器并进入位置计算，则可能会计算出错误的尺寸。因此，可修改控制，使得小误差可以忽视，而较大的误差可以通过稍微向后驱动螺母来补偿。

即使在不合适的环境下该解决方案出现计数误差，在忽略这些误差的情况下，精度也比使用传统电位计要好得多，因此，考虑该解决方案的多个优点，其表现为比较好的解决方案。

虽然在说明书中使用霍耳传感器作为位置传感器，但是，不排除使用用于确定主轴旋转的其它技术。在说明书中使用的术语＂微处理器＂覆盖了能够满足对由说明书中所述的微处理器执行的所述工序进行数据处理的要求的任何单元。即控制器、PIC、AVR、RISC、基于HW的指令机械、ASIC等等。

Claims (10)

1.一种线性致动器，其包括：

电动马达；

传动装置；

主轴；

主轴螺母，其中，依据主轴或主轴螺母是否被传动装置驱动，表示行程长度的第一点与第二点之间的主轴螺母和主轴彼此成比例地轴向移动；

用于确定主轴螺母/主轴的旋转方向和位置的递增的位置传感器；

控制单元，其包括微处理器，用于从位置传感器接收信号，并以此为基础确定位置；

电源；

其特征在于，首先执行初始化工序，其中螺母/主轴从主轴/螺母上的第一点移动到主轴/螺母上的第二点，来自递增的位置传感器的脉冲数记录为行程长度的测量值，随后基于此测量值确定位置，在马达运行之前、期间以及之后所述控制单元都是起作用的。

2.如权利要求1所述的线性致动器，其特征在于，至少所述第一点或第二点是终端止挡。

3.如权利要求2所述的线性致动器，其特征在于，终端止挡是终端止挡开关。

4.如权利要求2所述的线性致动器，其特征在于，终端止挡是机械终端止挡。

5.如权利要求1-4之一所述的线性致动器，其特征在于，主轴螺母的位置检测以电流信号的形式发出。

6.如权利要求1-4之一所述的线性致动器，其特征在于，主轴螺母的位置检测以电压信号的形式发出。

7.如权利要求1-4之一所述的线性致动器，其特征在于，主轴螺母的位置检测以光束信号的形式发出。

8.如权利要求1-4之一所述的线性致动器，其特征在于，主轴螺母的位置检测以脉冲调制信号的形式发出。

9.如权利要求1-4之一所述的线性致动器，其特征在于，主轴螺母的位置检测以频率调制信号的形式发出。

10.如权利要求1所述的线性致动器，其特征在于，所述递增的位置传感器为至少两个霍耳传感器或簧片开关。

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