CN101523540B - 用于驱动工业控制设备的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种过程控制装置，包括被构造为实现工业过程中的变化的致动器(110)、电源(108)、耦合在致动器和电源之间的多个电流开关(104)、以及耦合至多个电流开关的控制器(102)。控制器被构造为选择性地闭合多个电流开关中的一个或多个，以便于从电源向致动器提供可选择大小的电流。在变形中，将多个放电开关(106)耦合至致动器，并且控制器被构造为选择性地闭合放电开关，以便于从致动器处释放可选择数量的电荷。

Description

用于驱动工业控制设备的系统和方法

相关申请

本申请涉及共同拥有和受让的发明名称为“REACTIVE LOADRESONANT DRIVE CIRCUIT”的申请No.10/985775，将其并入此处作为参考。

技术领域

本发明涉及控制系统，并且本发明特别涉及用于驱动致动器的系统和方法，但不限于此。

背景技术

在各种各样的应用中，使用致动器来控制工业过程的一个或多个方面。例如，使用致动器来操作机械阀，机械阀用于对例如汽车燃料喷射器、液压伺服阀以及喷墨打印机喷嘴等多种应用中的材料的流量进行调节。一种特殊类型的致动器是压电致动器，其是响应于电荷的激励而变形的精密定位设备。

在气体传送的应用中，特别是那些包括高速过程的气体传送的应用中，使控制阀致动所需的时间可能直接影响质量流量控制器的性能。典型的质量流量控制器产品通过从电源向致动器负载传送电荷来激励压电致动器。通过增大峰值电流，可以增大电荷传送速率。然而，电荷传送速度受限于施加在内部接合线(用于连接驱动电路到压电致动器)上的峰值电流应力以及受限于高电流开关和其它部件的成本、尺寸和电绝缘等实际因素。

结果，当前的质量流量控制器设备往往具有较慢的致动时间(几百毫秒的数量级)。对于许多过程应用而言，这些致动时间给打开时间强加了不想要的下限，或者给操作控制器的重复速率强加了上限。

作为在线(in-line)质量流量控制器的替换，可以在需要对细微原料气体量进行更高速度控制的应用中采用质量流量换向器。在该方法中，空气致动阀位于连续连通到源头的气体流管道上。为了向过程中注入一些气体，快速将阀驱动至使流换向到过程环境中的位置，然后快速将阀返回至排出位置。使用高速气动装置来驱动换向阀能够允许短的致动时间(几十毫秒的数量级)，并因此允许对传送的气体量进行更大的控制。该方法除了增大成本以及复杂性之外，出于对污染的考虑，另一重大的缺陷是不能重新利用所排出的材料。对于许多过程，特别是对于半导体器件制造中的许多过程而言，这可能导致昂贵原料气体材料的严重浪费以及用于净化或消除该过程的下游中的更大气体量所需的所有伴随物的严重浪费。

虽然当前设备在一定程度上是实用的，但是它们不能充分响应或者不能令人满意。因此，需要一种能够解决当前技术的缺点并且具有其它新颖性和创造性特征的系统和方法。

发明内容

下面概括了附图中所示的本发明的示例性实施例。在具体实施方式部分，更加全面地描述了这些和其它实施例。然而，应该理解的是，这不是要将本发明限制在发明内容或具体实施方式中所述的形式。本领域技术人员可以意识到，还存在许多落入由权利要求表示的本发明的精神和保护范围内的修改、等价物以及替换结构。

在一个示例性实施例中，本发明的特征在于一种过程控制装置，该过程控制装置包括被构造为实现工业过程中的变化的致动器、电源、耦合在致动器和电源之间的多个电流开关、以及耦合至多个电流开关的控制器。该实施例中的控制器被构造为选择性地闭合所述多个电流开关中的一个或多个，从而从电源向致动器提供可选择大小的电流。

在另一实施例中，本发明的特征在于一种用于将致动器驱动到期望位置的方法，该方法包括：接收用于指示所期望位置的控制信号；从多个可能的电流值中选择特定的电流值，其中该特定的电流值与将致动器从实际位置驱动到期望位置所需的时间有关；以及将具有所述特定的电流值的驱动电流提供给致动器。

在另一实施例中，本发明的特征在于一种过程控制装置，该过程控制装置包括被构造为能够改变工业过程的致动器。该实施例中的装置包括用于接收指示致动器的期望位置的控制信号的单元和用于从多个可能的电流值中选择一个特定的电流值以将致动器从实际位置驱动到期望位置的单元。

如前所述，上述实施例和实现形式仅用于示意的目的。通过下面的描述和权利要求，本领域技术人员将容易理解本发明的多种其它实施例、实现方式以及细节。

附图说明

通过在结合附图时参照下面的具体实施方式和所附权利要求，本发明的各种目的和优点以及更完整的理解将变得显而易见和更加容易理解。

图1是示出根据本发明示例性实施例的控制设备的方框图；

图2是示出由根据本发明几个实施例的图1的控制设备所执行的步骤的流程图；以及

图3是图1的控制设备的一个实施例。

具体实施方式

现在参照附图，特别是参照图1，其举例说明了根据本发明示例性实施例的控制设备100，其中在全部几幅图中，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。

如图所示，本实施例中的控制设备100包括控制器102，其耦合至N个充电开关104和M个放电开关106。N个充电开关104中的每一个耦合在电源108和致动器110之间，使得N个充电开关104中的每一个都能够在电源108和致动器110之间形成N条电流通路中的一条。如图所示，该实施例中的M个放电开关106中的每一个耦合在地和致动器110之间，使得M个放电开关106中的每一个都能够在地和致动器110之间形成M条电流通路中的一条。

如图所示，耦合至控制器102的是反馈线路112和控制线路114。该反馈线路112耦合在致动器110和控制器102之间，以便于向控制器102提供用于指示致动器110的状态的信号。虽然本实施例中的反馈线路112如所示出的那样被耦合至致动器110，但是应该意识到：其它实施例中的反馈线路112可以被耦合至传感器(例如，质量流量传感器)，以用于监视致动器运动的效果。该示例性实施例的控制线路114耦合至控制器102，以允许将用于指示期望的致动器位置的控制信号发送至控制器102。

可以以多种方式操作图1所述的控制设备100，以向致动器100提供一个电流值，其中选择该电流值以向致动器提供改进的响应时间和/或改进的控制。例如，充电开关104中的任意一个可以在某一时间闭合，或者两个或多个充电开关104的任意组合可以同时操作，以便于根据致动器110的位置向致动器110提供动态的电流值。

例如，如果致动器110为了到达期望的控制位置需要移动很大距离，那么可以闭合一些或所有充电开关104，以向致动器110提供较高值的电流。类似地，如果致动器110比较接近期望的控制位置，那么可以仅闭合一个充电开关104，以利用较低值的电流来驱动致动器110。根据几个实施例，充电开关104被激活的数量在持续进行的基础上动态地改变，以提供良好的控制和改进的响应时间。

在几个实施例中，同时闭合的开关104的数量与将致动器110从实际位置移动到期望位置所需的时间量有关。例如在一些实施例中，最初被激活的(例如闭合的)充电开关104的数量是致动器的最初位置和致动器的期望位置之间的差的函数。在这些实施例中，可以采用查找表来确定在最初应当闭合多少个开关104，或者可以利用计算来确定开关的数量。在其它实施例中，最初闭合一个或较少数量的充电开关104，并且监视致动器110的状态，使得如果致动器在一段时间后还没有到达所期望的位置，那么采用一个或多个附加的电流开关104来增大致动器110的移动速率。

利用类似的方式，当致动器110是一种必须被放电以执行全范围的定向移动的致动器110(例如压电致动器)时，那么根据上述针对充电开关104的实施例来操作放电开关106。例如，放电开关106中的任意一个可以在某一时间被激活(闭合)，或者可以同时激活两个或多个放电开关106的任意组合，以便于以动态水平从致动器110移除电荷。

虽然这里针对几个实施例将致动器110描述为压电致动器，但是致动器110可以由各种各样的致动器实现，包括线性致动器、管式致动器、盘式致动器或双压电晶片/多压电晶片致动器、以及超声波微电机或尺蠖致动器、电磁致动器、聚合物致动器、或磁致伸缩致动器、微泵或径向场隔膜(radial field diaphragm)；螺线管或音圈致动器；或者步进电机。类似地，本领域普通技术人员应该意识到，控制设备100可以由各种控制设备实现，这些控制设备包括，但不限于质量流量控制器、流切断设备或流动压力调整器设备。

控制器102可以由外围接口控制器(PIC)、处理器控制装置、专用集成电路(ASIC)或模拟和/或数字设备的组合实现。

在本实施例中，可以将N个充电开关104中的每一个实现为与常开开关相串联的阻抗。如这里进一步所述，充电开关104中的每一个可以具有不同的阻抗或者一个或多个充电开关104可以具有相同的阻抗。在一些实施例中，充电开关104中的每一个所利用的开关是晶体管(例如，双极或场效应晶体管)，而阻抗是电阻器。

类似地，可以将M个放电开关106中的每一个实现为与常开开关相串联的阻抗。如这里进一步所述，放电开关106中的每一个可以具有不同的阻抗，或者一个或多个放电开关106可以具有相同的阻抗。放电开关106中的每一个所利用的开关是晶体管(例如，双极或场效应晶体管)，而阻抗是电阻器。虽然本实施例中的放电开关106将致动器110耦合至地，但是在该实施例的变形中，放电开关106将致动器耦合至负电压。

本领域普通技术人员应该意识到，电源108的特定实现方式可以根据用作致动器110的设备的类型而改变。例如在致动器110是压电致动器的一个实施例中，电源108由公知的部件实现，以提供0和150伏之间的电压。然而，在其它实施例中，将电源108设计为提供实质上更高的电压(例如，170伏或更高)。

接下来，参照图2，图2示出的是流程图，用于描述在驱动致动器110时图1的控制设备100所执行的步骤。如图所示，控制器102最初经由控制线路114接收控制信号(方框202，204)，该控制信号指示致动器110的期望位置。例如，在致动器110控制质量流量控制器的控制阀的一个实施例中，该控制信号对应于提供特定质量流量的致动器110的位置。

如图2所示，响应于控制信号，激活(例如闭合)N个充电开关104中的至少一个，以便于允许从电源108经由激活的充电开关向致动器110发送电荷(方框206，208)。在示例性实施例中，反馈线路112提供被供应给致动器110的电荷的效果的指示(方框210)。在一个实施例中，例如，反馈线路112耦合至在致动器110上的电压传感器，以提供致动器110已经接收的电荷量的指示，其指示致动器的位置。

如果需要向致动器110传送附加的电荷(例如，因为致动器110的电压不足以将致动器驱动到期望的位置)(方框212)，那么激活(例如，闭合)其它的充电开关104，以便于将附加的电荷发送至致动器110(方框214)，以及确定致动器110上的附加电荷的效果(方框210)。

如果需要向致动器110发送较少的电荷(例如，因为预期致动器110在其上具有较少电荷时就会位于所期望的位置上)(方框216)，那么激活(例如，闭合)至少一个放电开关106，以便于从致动器110处排出电荷(方框218)。

如图2所示，执行方框210-218，直到致动器110到达期望的位置(方框220)。然后，保持该电荷，直到接收到另一个控制信号(方框204)。

接下来，参照图3，其示出的是图1的控制设备的一个实施例，该控制设备由两个充电开关304A，304B和两个放电开关306A，306B实现。如图3所示，控制器302、电源308、两个充电开关304A，304B和两个放电开关306A，306B分别是图1中所描述的控制器102、电源108、N个充电开关104和M个放电开关106的示例性实施例。

该实施例中的充电开关304A，304B包括低充电开关304A和高充电开关304B。将低充电开关304A构造为向致动器(在图3中，未示出)提供较低值的电流，以便于允许能够精确调节提供至致动器(例如，致动器110)的电荷量。这样，利用低的功率值来精确驱动致动器。将高电流开关304B构造为向致动器提供较高值的电流，以便于提供改进的致动器的响应(例如，更快的响应)。

如图所示，低电流开关304A包括双极晶体管324，对该双极晶体管324进行配置，以便于建立与10K欧姆的阻抗串联的常开发射极-集电极电流通路。在高电流开关304B中，配置双极晶体管326，以便于建立与2K欧姆的阻抗(两个1K欧姆的电阻器)串联的常开发射极-集电极电流通路。因此，与低电流开关304A相比，具有较低电阻通路的高电流开关304B流过更高值的来自电源308的电流。

该实施例中的放电开关306A，306B包括低放电开关306A和高放电开关306B。如图3所示，这些开关利用与低充电开关304A和高充电开关304B大体相同的方式构造，除了当放电开关306A，306B被激活时，放电开关306A，306B将致动器耦合至地，而不是将致动器耦合至电源。

如图3所述的实施例所示，控制器302由模拟和数字部件的组合所实现。具体而言，比较器将反馈信号312与控制信号314进行比较，以提供模拟信号316，其指示致动器上的电荷的实际值和致动器上的电荷的期望值之间的差值。然后，将该模拟差值信号通过比较器318转换为数字信号320。

在图3所示的示例性实施例中，利用时钟322实现对致动器上的电荷量的周期性监视。具体而言，如图3所示，开关304A、304B、306A、306B中的每一个都耦合至相对应的D触发器，并且每个D触发器耦合至该时钟322。

在操作中，当控制信号314指示致动器的位置改变以便于要求向致动器提供电流时，最初仅激活低电流开关304A(即，晶体管324的发射极-集电极通路导通)。如果致动器中的电荷在时钟信号的半个周期之后还没有处于期望水平(如由反馈信号312的电压指示)，那么也激活高电流开关304B，以使得开关304A，304B两者都向致动器提供电流。

这样，如果该致动器充分接近所期望的充电水平，那么低充电开关304A将向致动器提供足够的电流，以将致动器的充电水平提高至所期望的水平而无需使用高充电开关304B。然而，如果致动器上的电荷在利用低充电开关304A向致动器充电半个时钟周期后还不足以接近所期望的水平，那么在低充电开关304A被激活的同时，激活高充电开关304B，以便于增大供应给致动器的电流量。在一个实施例中，将时钟322构造为用于产生10KHz的时钟信号，但是这不是必需的。

利用类似的方式，当致动器的期望位置变化需要从致动器处移除电荷时，最初激活低放电开关306A，以便于从致动器处排放电流。如果致动器上的电荷在半个时钟周期之后仍然很高，那么激活高放电开关306B，使得经由高放电开关306B和低放电开关306A两者从致动器处移除电荷，以便于快速地从致动器处移除电荷，并且改进响应时间。

虽然图3所示的控制设备在其它实施例中包括两个充电开关304A、304B和两个放电开关306A、306B，但是在图3所示的相同结构框架内可以包括附加的充电开关和放电开关。在这些实施例中，如果在时钟信号的每个连续的半个周期处还没有达到致动器上的电荷，那么闭合附加的充电开关以便于向致动器提供幅度增大的电流。

在一个采用多个充电开关的实施例中，当致动器上的电荷越来越接近所期望的充电水平时，随着致动器上的电荷接近所期望的充电水平顺次闭合一个或多个开关。利用这种方式，以精确和稳定的方式向致动器提供电荷。

总而言之，本发明尤其提供了一种利用可选择大小的电流来驱动致动器的系统、装置和方法。本领域技术人员能够容易意识到：可以针对本发明、它的用途和它的结构作出许多变形和替换，以基本实现与此处所述实施例所实现的结果相同的结果。相应地，这不是要将本发明限制在所公开的示例性形式。多种变形、修改和替换结构都落入权利要求所表示的本发明公开的范围和精神内。

Claims (17)

1.一种过程控制装置，包括：

致动器，其被构造为实现工业过程中的变化；

电源；

耦合在所述致动器和所述电源之间的多个电流开关；以及

耦合至所述多个电流开关的控制器，其中所述控制器被构造为选择性地闭合所述多个电流开关中的一个或多个，以便于从所述电源向所述致动器提供可选择大小的电流，

所述控制器被构造为最初闭合所述多个电流开关中的至少两个中的第一个，并打开所述多个电流开关中的所述至少两个中的第二个，以便于最初经由所述多个电流开关中的所述至少两个中的第一个向所述致动器提供电流，并且

所述控制器被构造为响应于所述致动器中的电荷增长速率低于期望量而闭合所述多个电流开关中的所述至少两个中的第二个。

2.如权利要求1所述的装置，包括：

耦合至所述致动器的多个放电开关，其中所述控制器被构造为选择性地闭合所述放电开关，以便于从所述致动器处排放可选择数量的电荷。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述致动器是压电致动器。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述多个电流开关中的至少一个被构造为向所述致动器提供电流值比所述多个电流开关中的至少其它一个所提供的电流值低的电流。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述多个电流开关中的至少一个包括晶体管和电阻器，其中所述电阻器与所述晶体管的可开关的电流通路串联，其中从包括双极晶体管和场效应晶体管的组中选择所述晶体管。

6.一种用于将致动器驱动至期望位置的方法，包括：

接收控制信号，其中所述控制信号指示所述期望位置；

从多个可能的电流值中选择特定的电流值，其中所述特定的电流值与将所述致动器从实际位置驱动到期望位置所需的时间量有关；以及

将具有所述特定的电流值的驱动电流提供给所述致动器，

其中，所述选择包括：

最初闭合多个电流开关中的至少两个中的第一个，并打开所述多个电流开关中的所述至少两个中的第二个，以便于最初经由所述多个电流开关中的所述至少两个中的第一个向所述致动器提供电流，以及

响应于所述致动器中的电荷增长速率低于期望量而闭合所述多个电流开关中的所述至少两个中的第二个。

7.如权利要求6所述的方法，包括：

周期性监视所述致动器上的电荷量；以及

将所述致动器上的电荷量与当所述致动器处于所述期望位置时所述致动器上的预期电荷量进行比较；

其中所述选择包括当所述致动器上的电荷量小于所述致动器上的所述预期电荷量时选择更高的电流值。

8.如权利要求7所述的方法，包括：

最初将所述特定的电流值设定为较低的电流值；

其中所述选择包括响应于所述致动器上的电荷量在一段时间后还小于所述预期电荷量而选择所述更高的电流值。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述监视包括测量所述致动器的电压值。

10.如权利要求6所述的方法，包括：

确定所述期望位置和所述实际位置之间的差值；

其中所述选择包括基于所述期望位置和所述实际位置之间的差值来选择所述特定的电流值。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述选择包括从查找表中选择所述特定的电流值。

12.一种过程控制装置，包括：

致动器，其被构造为能够改变工业过程；

用于接收控制信号的单元，其中所述控制信号指示所述致动器的期望位置；

用于从多个可能的电流值中选择特定的电流值的单元，其中所述特定的电流值与将所述致动器从实际位置驱动到期望位置所需的时间量有关；以及

用于向所述致动器提供具有所述特定的电流值的驱动电流的单元，

其中，用于选择的所述单元包括：

用于最初闭合多个电流开关中的至少两个中的第一个，并打开所述多个电流开关中的所述至少两个中的第二个，以便于最初经由所述多个电流开关中的所述至少两个中的第一个向所述致动器提供电流的单元，以及

用于响应于所述致动器中的电荷增长速率低于期望量而闭合所述多个电流开关中的所述至少两个中的第二个的单元。

13.如权利要求12所述的装置，包括：

用于周期性监视所述致动器上的电荷量的单元；以及

用于将所述致动器上的电荷量与当所述致动器处于所述期望位置时所述致动器上的预期电荷量进行比较的单元；

其中用于选择的所述单元包括用于当所述致动器上的电荷量小于所述致动器上的所述预期电荷量时而选择更高电流值的单元。

14.如权利要求13所述的装置，包括：

用于最初将所述特定的电流值设定为较低的电流值的单元；

其中用于选择的所述单元包括响应于所述致动器上的电荷量在一段时间后还小于所述预期电荷量而选择所述更高电流值的单元。

15.如权利要求13所述的装置，其中用于监视的所述单元包括用于测量所述致动器的电压值的单元。

16.如权利要求12所述的装置，包括：

用于确定所述期望位置和所述实际位置之间的差值的单元；

其中用于选择的所述单元包括基于所述期望位置和所述实际位置之间的差值来选择所述特定的电流值的单元。

17.如权利要求16所述的装置，其中用于选择的所述单元包括从查找表中选择所述特定的电流值的单元。

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