CN101884165A - 分析用于屏障的电动操作的机电致动器的运行的方法以及用于实施该方法的致动器 - Google Patents

Abstract

一种操纵可动部件(52)的致动器(1)的运行方法，包括一个异步类型或无刷类型电动机或者包括与差动制动器关联的电动机，并包括部分不可逆减速器，其特征在于包括建立致动器运行参数的测量结果的步骤和利用所述测量结果以确定是致动器驱动可动部件还是致动器由可动部件驱动的步骤，然后是根据是致动器驱动可动部件还是致动器由可动部件驱动，实施确定行程结束或障碍的第一逻辑操作步骤或实施确定行程结束或障碍的第二逻辑操作步骤。

Description

分析用于屏障的电动操作的机电致动器的运行的方法以及用于实施该方法的致动器

技术领域

本发明涉及包括用于操纵建筑物中的闭锁、遮光、防晒或屏蔽可动部件的电动机的致动器。当希望基于电动机性能来测量受重力影响的可动部件的动作时本发明尤其有用，该动作例如表现为由电动机旋转运动引起的在低端位置和高端位置之间的移动。

背景技术

某些专门被安装在建筑物内并专用于闭锁、遮光、防晒或屏蔽的部件(例如卷动百叶窗、门、正门或遮帘)的操作的致动器包括永久电容器单相感应电动机(或异步电动机)。本发明同样适用于包括三相类型的感应电动机的致动器，或包括换向器直流电机或无刷直流电机(BLDC)的致动器。

减速器与致动器中的电动机相关联。这一减速器部分不可逆；换而言之它根据是输入轴驱动输出轴或是输出轴驱动输入轴而具有不同的效率，当是输出轴驱动输入轴时该效率通常较低。

这些由交流电网，例如230V 50Hz或一个直流电源供电。

致动器配备有当电动机未被供电时保证制动致动器的固定制动器。制动器的作用是必需的，尤其是在安全方面。它应被默认为是激活的，并且与施加于可动部件上的重力造成的传动力矩相反，这一力矩自身可根据可动部件的位置，尤其是如果该可动部件是可卷曲的，例如一个卷动百叶窗，而变化。

当涉及感应电动机时，制动器经常由于电动机定子磁通量而不被激活，但已知的是使用其他类型的制动器：电制动器，滞后制动器，离心制动器，斜坡制动器……。这样一种同样被称为，“差动制动器”或“力矩传输制动器”的斜坡制动器的使用被用于替代电制动器、定子磁通量激活制动器或滞后制动器，尤有意义。这些差动制动器尤其被申请人仔细研究过以便当实际测量电动机提供的力矩时避免制动器动作极大掩盖对致动器上负载表现出的力矩的非直接测量。

然而，不管所用制动器是何类型，存在由减速器部分不可逆所带来的问题：对于致动器输出处负载力矩产生的变化，电动机力矩的变化根据致动器以被驱动负载或驱动负载的方式运行而不同。

然而，如在现有技术中显现出的，被驱动负载或驱动负载方式的运行不是简单地取决于电机的旋转方向。在卷动百叶窗等从完全卷起的位置被要求关闭的情况下，电机首先应该产生一个电动机力矩以在卷动的开始推动叶片，随后当被卷动的质量足以使其重量超过机械摩擦作用力时电机操作一个阻尼力矩(电机则充当发电机)。在首先应当在运行轨迹的基本水平部分推动，随后在这一运行轨迹的基本垂直部分上保持住的摆动车库门的情况下同样如此。

在使用差动制动器的情况下，情况还更糟，由于电动机总是作为电动机运行，而负载或者是驱动或者是被驱动：那么怎样识别负载的状态呢？

即便没有使用差动制动器，一旦不涉及仅使用允许通过简单地测定电流方向来识别的磁铁和换向器直流电动机，驱动负载或被驱动负载状况的识别就产生问题。

在存在减速器的情况下，并且其效率较低(例如低于80％)，减速器中的损耗足以阻止这样一种精细的检测：事实上应该是负载不仅是驱动的而且它提供高于减速器中为引起电流方向反向的损耗的能量。减速器越具有不可逆特征，这一效果越明显，换而言之是在它被负载驱动时效率更差。

在使用电子换向电机(MCE)的情况下，例如无刷型电机(BLDC)，供电设备中的损耗同样是远超过过渡到驱动负载状态，这通过能量反向传输以及在电动机处将这一能量释放的需要而表现出来。

现有技术的众多设备考虑到改变电动机提供的力矩或根据可动部件在其轨迹上的位置改变障碍检测设备的检测敏感度，如专利US6,741,052中所述。这迫使安装者进行调整，其中时间损耗，然而并不保证这一调整是优化的。其他的文件考虑到根据两种不同的技术的应力检测以验证检测结果，如专利US6,940,240中所述。记录在专利US6,870,334中的另一种解决方案允许永久更新检测阈值，但需要在可动部件上具有一个真实的应力传感器。

本发明预计克服这些缺陷。它可被应用到所有所述设备上，并且主要是在制动器是差动类型的情况下。

文件EP 1 530 284描述了一种调整非感应电路短路的无制动器直流电机的速度的方法。在此方法中，通过测量在其端子上的电压不断检测电机速度并根据电机端子间测定的电压和发电机端子间电压之间的比较使电机加速或制动。电机的制动通过将电机电枢短路则电机不再被供电来获得。电机电枢端子电压与发电机端子电压的比较因此允许根据电机作为电动机运行或是作为发电机运行而以两种电机供电模式操作。但电机作为发电机的真实运行只有在尤其是减速器中不存在能量损耗的理想情况下才对应于驱动负载而运行。换而言之，这一速度调整方法导致调解后的速度明显高于空载速度。

文件FR2 898 994描述了一种考虑到障碍特性的障碍检测方法。在此方法中，不可超过的力矩极限值可取决于挡板的位置。

文件FR2 849 300描述了一种测量基于移相电容器的电压的异步电动机的力矩的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分析致动器运行状态的方法，消除前述缺陷并改善现有技术中的已知运行方法。特别是，本发明提供一种用于确定连接到致动器的负载是被驱动的或是驱动的的简单方法。本发明此外提供实施这样一种分析方法的致动器的运行方法。

本发明还提供一种实施本分析方法的致动器学习方法，以及一种实施其中一种方法的致动器。

根据本发明的运行方法由权利要求1限定。

根据本发明的运行方法的不同执行方式由权利要求2至9限定。

根据本发明，学习方法由权利要求10限定。

根据本发明，机电致动器由权利要求11限定。

附图说明

附图，作为例子，表示根据本发明的分析方法的一种实施方式以及一种允许施行这一分析方法的致动器设备。

图1是允许执行根据本发明的分析方法的致动器的一种实施方式的示意图。

图2是表示致动器中不同力矩根据该致动器减速器的输入力矩的演变示意图。

图3是根据本发明的致动器的运行方法的流程图。

图4是图3运行方法中步骤E2的一个实现例子的一个细化流程图。

图5是确定根据本发明的分析方法中所用数据的原理图。

图6是使用根据本发明的分析方法的致动器运行方法的一个变型的示意图。

具体实施方式

图1以示意图形式表示包括根据本发明的致动器的安装设备1。

致动器40标记为ACT。它包括电动机10，尤其是感应电动机或无刷型电动机，标记为MOT，机械连接到标记为BRK的差动制动器20和标记为GER的减速器30。

GER减速器输出轴构成致动器的机械输出并驱动设备50中标记为LD的可动部件。在图1的安装设备中，这一可动部件可在由致动器机械输出32旋转驱动的筒51卷动，并包括一个挡板52其第一端连接在筒上而第二端53由未表示出的导向装置装填并引导。

电动机的第一旋转方向引起挡板在第一方向DIR1上的垂直运动：负载相对于致动器主要是“驱动的”。电动机的第二旋转方向引起挡板在第二方向DIR2上的垂直运动：负载相对于致动器则是“被驱动的”。驱动负载的运动可由于到达第一机械限位器54而中断。被驱动负载的运动可由于到达第二机械限位器55而中断。

参考“被驱动负载”定义惯例，将电动机提供的电动机输出轴11上的力矩标记为TMOT，将与电动机力矩相反由制动器执行的制动力矩标记为TBRK，这一力矩在旋转活动的转台21上被测量，将提供在减速器输入轴31上的力矩标记为TGER，这一力矩来自于电动机和制动器的反作用，并且将提供在减速器输出轴32上的力矩标记为TACT，它构成驱动负载LD的力矩。

致动器ACT还在控制块60中包括标记为CPU的运动指令接收装置，作用于电动机供电61的控制装置。电动机的电参数62被传输至力矩评估或测量装置63，标号为TMES，它允许分析力矩变化并作用于电动机的控制。另外一种情况，测量装置分析速度变化。控制块尤其包括软件装置以支配致动器的运行。它尤其包括允许致动器根据本发明的目标方法运行的软件装置。特别是，这些软件装置包括计算机程序。

软件装置尤其允许致动器根据一个或多个参数的值起不同的作用：例如，致动器当其所连接的负载是被驱动的时可表现由第一软件模块作用的第一运行情况，并且当其所连接的负载是驱动的时可表现由第二软件模块作用的第二运行情况。这两种运行情况特别涉及行程结束或障碍P1的第一检测过程P1(或第一确定逻辑操作)或者行程结束或障碍的第二检测过程P2(或第二确定逻辑操作)。第一或第二运行情况也可涉及致动器的其他运行参数，例如一旦负载被测出是驱动时的致动器的能量的电限制。致动器因此包括能够施行本发明目标方法的不同步骤特别是权利要求1至10定义的不同步骤的硬件和软件装置。两个确定逻辑操作可简单地由一个参数值，例如一个检测阈值作区别。

图2的两个上部象限，用同样的比例，根据提供在减速器输入轴上的力矩TGER由制动器TBRK实施的力矩和电动机力矩TMOT。这张图对应于一种优化的尺寸确定，它为了用虚线矩形界定出的、致动器正常运行区域ZR中的电动机力矩，允许具有尽可能高的斜率(当未考虑到安全余地时)。

右边象限对应于被驱动负载的运行情况，而左边象限对应于驱动负载的运行情况。

图2的下部象限上，用同样的比例(包括缩减比率)，同样根据减速器力矩表示致动器力矩的特征。已经选取了0.65和0.55分别作为减速器的正效率值EGERd和减速器的负效率值EGERi。

直线D3，粗线体，当负载驱动减速器时，由此推断出关系式：

TGER＝EGERi×TACT，

而直线D4，粗线体，当减速器驱动负载时，推断出关系式：

TACT＝EGERd×TGER。

致动器的规范以简单的方式显示在图上：首先参考致动器的标称力矩TAR并且，基于与直线D3和D4的交点，从中推断出被驱动负载标称减速器力矩值TG2或驱动负载标称减速器力矩值TG1，以及被驱动负载电动机力矩标称值TMR。正常运行区域ZR位于由这些数值定义的矩形内。

显然，致动器输出力矩的同一变化量在减速器输入中可看到：

—在驱动负载的状况下，被乘以负效率EGERi，

—在被驱动负载的状况下，被正效率EGERd除，

并且因此分别产生两个电动机力矩变化量值，它们自身以等于EGERdx EGERi乘积的系数(在的例子中等于0.65x 0.55＝0.36)，这是在制动器由于定子磁通量处于未激活或电制动器的情况下。在差动制动器的情况下，力矩TG2在力矩TG1前越小，则更接近这一数值。

对于致动器输出力矩的同一变化量，电动机因此具有驱动负载时以大约3倍小于被驱动负载时的力矩变化量。其结果是若负载状态未被分析则不可能精确检测出障碍。

图3表示根据本发明的检测方法。

在第一步骤E1中，测量可变运行参数EV，其受致动器输出力矩TACT即时值影响。这一参数EV是电动机力矩或最好是与该力矩成比例的量(例如若涉及直流电动机时为定子电流强度)或随力矩连续变化的量(例如若涉及一个单相感应电动机时为相移电容的端子电压)。

另一种情况是，运行参数EV是转子速度。

另一种情况是，若电动机属电子换向器类型(MCE)的，例如无刷式(BLDC)的，运行参数EV是电动机供电电路消耗的平均电流(例如三相逆变器)，或者是这一电路的一个可变量，例如与使该电路中所含晶体管的导通有关的相角。

在任何情况下，运行参数EV以电参数62的形式被传输到CPU控制块。

处理过程随着时间以不仅测量运行参数EV也计算其变化ΔEV的方式被重复进行。

在第二步骤E2中，根据下文细述的方法，获得一个关于负载状态的信息：负载是被驱动的(状态S1)，或者负载是驱动的(状态S2)。

最佳情况是，运行参数EV被用于获得这一信息。

若该负载是被驱动的，则第一检测过程P1被激活。若该负载是驱动的，则第二检测过程P2被激活。

第一检测过程将运行参数的测得变化ΔEV与第一阈值TH1作比较，并且若这一阈值被超过则得出存在障碍的结论。

第二检测过程将运行参数的测得变化ΔEV与第二阈值TH2作比较，并且若这一阈值被超过则得出存在障碍的结论。第二阈值比第一阈值更小，最好乘以减速器正和负效率的乘积。

例如，第二阈值是第一阈值小三分之一(或至少是二分之一)。

另一种情况是，两个过程使用同一阈值TH，但测量设备包括放大装置，该放大装置具有一个当负载为被驱动的时的测量信号的第一放大(A1)和当负载为被驱动的时的测量信号的第二放大(A2)，第二放大大于第一放大，并且最好是按先前的比例。例如，第二放大是第一个的3倍(或至少2倍)。根据所激活的检测过程，若：A1×ΔEV＞TH，或者若：A2×ΔEV＞TH则会进行检测。

另一种情况是，这些过程由不同的子程序构成以便同样考虑到其它关于可动部件和/或致动器特性的特殊情况。

另一种情况是，例如在关于负载为被驱动的或驱动的状态的信息通过测量与受输出力矩的即时数值影响的运行参数不同的另一个量而获得的情况下，第二步骤E2先于第一步骤E1。

在现有技术中，关于负载状态的信息在带有电制动器的直流电动机的情况下轻易地从定子电流符号中推断出：若电流是正向的，则负载是被驱动的，若电流是负向的，则负载是驱动的。该信息可被直接获得而无需求助本发明。

此外，由于电动机电流总是同样的符号(没有电动机力矩的逆转)，配备了一个力矩传输制动器(或差动制动器)的同一DC电动机存在问题。

在异步电动机(或感应电动机)的情况下，关于负载状态的信息从定子速度与空载速度值(接近同步速度)比较中推断出。另一种情况是，使用与速度有关的相移电容器的端子电压。

在差动制动器、部分不可逆减速器、以及甚至使用单相感应电动机或无刷电动机的情况下，因此求助于基于将运行参数EV(电流、速度、电容器电压)与尽可能对应于如图4所示的零负载运行的参考量ET(或阈值)的比较的负载状态评估是必不可少的。当致动器上的负载为0时ET例如是电动机转子速度。

得到：

EV＜ET：被驱动负载，状态S1

EV＞ET：驱动负载，状态S2。

理想方式下，一次测试适合将参考量值存储在致动器存储器中，该存储值用ET0标记。

然而，参考量ET明显取决于制动器温度、制动摩擦片的磨损、作用于盘上的弹力、供电电压、减速器损耗等。参考量ET因此应该作至少周期性地更新，并且若可能的话在每个新操作开始时，或者应该至少基于存储的数值ET0被重新计算。

运行参数EV自身依靠所有这些参数。它因此应该不与存储数值ET0作比较，而是与根据和存储温度T0相比较的当前温度T以及根据与存储电压U0作比较的当前电压U的更新数值ET作比较。这一更新至少用一个线性近似来计算：

ET＝ET0×F1(T/T0)×F2(U/U0)×K        (1)

F1和F2是分析或制表函数，由实验推导出来。

K是一个混合磨损系数，例如包括弹簧磨损，以及制动器摩擦片磨损)。

但是，最好的情况是，接近真正空载测试的一次测试允许就在操作前再次更新用作参考的量ET。

第一类型测试可在于稍稍离开行程高终端位置FCH(1至2秒的运动)并且在两个方向(下降EVDN和上升EVUP)上测量EV，随后取平均值以得到ET。事实上，对于大部分可动部件而言，所提供的应力在高位置的附近是非常弱的。若行程高终端其特征表现为一个机械限位器，首先在实现测试之前离开这个限位器以便确保在返回运动中不会碰到它。

这第一类型测试也可以在一个中间位置执行：取简短的往返运动的平均值这一事实允许获得接近于在一个真实的空载测试中的运行参数的一个数值。在运行参数至少基本上与力矩成比例的情况下通过用效率为EVUP和EVDN测量加权，还能获得一个更好的精度。

图5给出了当简短的往返运动从一个中间位置被执行时确定参考量ET的一个例子。在下降运动中，驱动负载时，测量一个等于EVDN的运行参数(例如转子速度)。在上升运动中，被驱动负载时，测量一个等于EVUP的运行参数。然而所有都如负载按照效率乘积比例(如系数3)变化而发生。若给EVUP测量值赋予等于1的第一加权系数KUP，而给EVDN测量值赋予等于EGERd x EGERi乘积倒数的第二加权系数KDN，并且参考量值是加权测量值的平均值。

另一种情况是，测试仅朝一个方向实现：例如下降至行程高终端附近。

第二类型测试在于利用存在于低位置FCB的游隙(例如当镂空簧片脱落时)(甚至创造一个有意的游隙)并且在上升初期测量EV：在消除该游隙时，负载为0或几乎为0。

每次将参考量ET的最后值记录为存储值ET0。

因此，在任意一个运行周期期间，若出发位置不允许确定ET，例如因为没有游隙而且可动部件在中程停止而禁止简短的往返运动，那么只需应用等式(1)，其中认为K＝1(自上次记录以来没有明显磨损)，并且其中F1和F2值在表格中读取。电压U以同样方法被测量。

若温度T未被测量出，然而它可在电动机被施加电压的精确时刻从EV，或从专业人士所了解的其他非直接方式获得的值中推导出。

为了进行更好的执行，根据本发明的方法，如图6所示，预计了带有滞后的重叠区。

第二过程仅当运行参数EV超出参考量值ET一个等于滞后量HYS的数量值时才被激活，但只要没有再次下降至这一参考量以下等于滞后量的一个数量值它仍保持激活。对于第一过程则相反。

另一种情况是，且最佳的方式下，两个过程永远被激活，但这是根据关于负载状态的信息被考虑的其中一个的结果。

应该注意的是在已经清楚地识别驱动负载状况的情况下，施行比第一过程P1更灵敏的第二过程P2。由此，一旦负载从驱动过渡到被驱动(超过真实阈值)，减速器的效率的简单改变足以得出检测到障碍的结论。

重叠区因此在此情况下不会造成损耗。

利用本发明中的双重过程：

—并不有损对被驱动负载条件的当前检测，

—使得驱动—被驱动过渡的检测非常有效率，

—允许在驱动负载的条件下进行更为精确的检测。

评估越为精确，滞后区越小。

本发明的一个额外优势是方便对致动器驱动的可动部件的类型的自动检测，由于从被驱动负载向驱动负载的过渡点是一个能够区别两个卷动百叶窗或还有一个卷动百叶窗、一个建筑物正面百叶帘、一个平台百叶帘等的重要特征。本发明最终可与现有技术中的教育相结合以便使检测阈值随位置，以连续的方式或按区域地变化。

本发明也可以在学习或维护循环中以周期性的方式被使用，以便标识并记录负载状态的变化位置，或沿着轨迹的多个负载状态变化位置，并且周期性地更新这些状态变化位置。

本发明同样可被用于第一学习循环，以标识可动部件的移动方向，由此区分上升运动与下降运动，并且因此允许将电动机旋转的一个方向(方向1或方向2)与发往致动器的运动控制命令(上升或下降)自动对应。

在此情况下，不同的检测过程将根据位置感应器的指示，相对于记录的状态变化位置而被激活。其中负载是驱动的位置以及其中负载是被驱动的位置的记录在CPU控制块的存储器POS中被实现。

通过“差动制动器”了解了一种一旦负载有驱动电动机的倾向则自动作用的制动器。因此，存在一个电动机在负载力矩由于可动部件而朝着与电动机力矩同一方向施加时而应该提供的力矩。换而言之，即便当可动部件由于重力而生成的力矩倾向于向电动机控制的运动方向驱动可动部件时，电动机的运行仍是“电动机”类型而非“发电机”类型的。在某些状况下，由电动机提供的这一力矩在可动部件创造的力矩倾向于在电动机控制的移动方向上驱动可动部件时明显是稳定的。差动制动器的一个例子是一个包括被相互接触的磨擦盘并且能够通过输入轴在其中一个盘的螺旋坡道上的一个动作而磨擦盘相互离开的斜坡制动器。差动制动器的另一个例子是如专利EP 0 976 909中所述的一个弹簧制动器。

Claims (11)

1.一种操纵可动部件(52)的致动器(1)的运行方法，包括异步类型或无刷类型电动机或者包括与差动制动器关联的电动机，并包括部分不可逆减速器，其特征在于包括建立致动器运行参数的测量结果的步骤和利用所述测量结果以确定是致动器驱动可动部件还是致动器由可动部件驱动的步骤，然后是根据是致动器驱动可动部件还是致动器由可动部件驱动，实施确定行程结束或障碍的第一逻辑操作的步骤或实施确定行程结束或障碍的第二逻辑操作的步骤。

2.根据权利要求1所述的运行方法，其特征在于它包括确定参数的第一阈值的预备步骤，并且所述利用所述测量结果的步骤包括将测量结果与第一阈值进行比较。

3.根据权利要求2所述的运行方法，其特征在于第一阈值是当致动器空载运行时的参数值。

4.根据权利要求2或3所述的运行方法，其特征在于所述确定的预备步骤包括连贯的可动部件向两个相反方向的两个操作运动、分别在每一个操作方向上的运行参数的两个测量结果，以及基于这两个测量结果建立第一阈值。

5.根据权利要求4所述的运行方法，其特征在于建立第一阈值的步骤包括计算运行参数的两个测量结果的平均值的操作。

6.根据上述权利要求中任一项所述的运行方法，其特征在于所述参数是电动机转动速度或电动机供电电流、或在感应电动机的情况下的电动机相移电容器的电压、或在电子换向电动机的情况下的电动机供电电路消耗的平均电流。

7.根据上述权利要求中任一项所述的运行方法，其特征在于包括分析致动器的运行的步骤，包括：

确定致动器的运行参数的第二阈值的预备阶段，和

确定所述参数的大于第二阈值的第三阈值的预备阶段，

并且其中确定行程结束或障碍的第一逻辑操作一旦参数值变得高于第三阈值并且只要它保持比第二阈值高就被施行，并且确定行程结束或障碍的第二逻辑操作一旦参数值变得低于第二阈值并且只要它保持比第三阈值低就被施行。

8.根据上述权利要求中任一项所述的运行方法，其特征在于，在确定行程结束或障碍的第一逻辑操作中，行程结束或障碍通过超过第四阈值而被检测出，以及在确定行程结束或障碍的第二逻辑操作中，行程结束或障碍通过超过第五阈值而被检测出。

9.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于第四和第五阈值的比率至少基本上等于致动器的减速器的正和负效率的乘积。

10.一种操控可动部件的致动器的学习方法，其特征在于包括施行根据权利要求1至9中任一项所述的运行方法，其中：

记录致动器驱动可动部件到达的位置以及致动器被可动部件驱动到达的位置的步骤，和/或

基于被驱动负载向驱动负载的过渡点，自动检测可动部件的类型的步骤，和/或

确定可动部件的移动方向的步骤。

11.一种用于操纵可动部件的机电致动器(1)，包括用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法的硬件装置(60)和软件装置。

Images