CN103959639A - 阀致动器 - Google Patents

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Abstract

一种阀致动器(100)，包括：驱动轴(102)，其用于在使用中在打开位置和关闭位置之间调节阀(104)；AC感应电机(106)，其用于驱动所述驱动轴；非接触式位置传感器(110)，其被配置为在使用中输出表示所述驱动轴或阀的角位置的信号，以及控制器(108)，其被配置为根据位置传感器输出的信号来控制AC电机。

Description

阀致动器
技术领域
本发明涉及阀致动器。
背景技术
常规的阀致动器，例如用在飞行器中的如用于控制机翼上的部件的阀致动器，由通过齿轮减速组件来驱动90°阀的有刷直流(DC)电机构成。阀的位置简单地通过指令信号和由凸轮致动的可调板上的机械致动的微型开关的组合来控制。阀打开和关闭的速率未被控制并且随所提供的负载和电压而变化。这有时意味着速率可能超过期望速率十倍地变化。
这种常规致动器的另一缺点是其仅能使阀在两个状态之间运动：打开和关闭，并没有提供中间状态。一些电流致动器的控制器使用分立位置传感器来确定阀的位置。这种致动器需要在初次使用之前手动校准并且常规的设计是非模块化的。微型开关需要在组装时手动调节并且难以精确且保持一贯地设置。这种致动器还易于发生滞后和由于反冲/水击效应引起的问题，其会在运动中的流体被迫突然停止或改变方向(动量变化)而出现压力骤增或波动时发生。此外，现有的致动器技术还可能具有错误指示和磨损方面的问题，例如电刷磨损和由碳尘引起的精度损耗。
发明内容
本发明的实施例旨在解决上述问题中的至少一些问题。在一些实施例中，微型开关用非接触式(例如霍尔效应)位置传感器替代，而有刷DC电机用正弦波逆变器驱动的AC感应电机替代。这可以提供通过调节逆变器的电压和频率输出来控制致动器的阀调节速度从而控制AC电机速度的能力。这种能力还可以通过非接触式传感器提供阀的绝对位置来进一步增强，其允许控制相对于阀打开角度和阀关闭角度的速度，从而能够提供通过以受控的方式来打开和关闭阀从而消除水击效应和涌动的能力。
因此，在一个方面，本发明提供了一种阀致动器，包含或包括：
驱动轴，其用于在使用中在打开位置和关闭位置之间调节阀；
AC感应电机，其用于驱动所述驱动轴；
非接触式位置传感器，其被配置为在使用中输出表示所述驱动轴或阀的(绝对)角位置的信号，以及
控制器，其被配置为根据位置传感器输出的信号来控制AC电机。
所述控制器可以设置AC电机根据所述驱动轴的位置来驱动所述驱动轴的速率。所述控制器可以存储表示至少一个驱动轴角位置的数据。例如，所述数据可以表示“阀完全关闭”位置、“阀完全打开”位置和/或中间位置。所述控制器可以被配置为改变AC电机在存储的所述驱动轴角位置之间驱动所述驱动轴的速率。所述控制器可以被配置为改变AC电机根据外部信号/测量值(例如基于压力的信号)来驱动所述驱动轴的速率。
所述控制器可以被配置为实施多个不同的阀致动器应用。对于每个所述阀致动器应用，所述控制器可以存储用于在所述阀或所述驱动轴的特定角位置之间改变驱动轴调节速率的数据。
所述控制器可以通过在读数之间周期性地对所述位置传感器施加电能来验证所述位置传感器输出的位置。
所述致动器还可以包括至少一个(单极磁性)闭锁继电器以在使用中提供表示阀的打开/关闭位置的逻辑信号。
所述位置传感器包括可动部件，例如磁体，所述可动部件可以固定至用于驱动轴的传动系/齿轮箱中的齿轮。所述非接触式位置传感器可以包括霍尔效应传感器。
所述致动器可以被配置为利用致动器位置选择接口操作。所述致动器可以包括控制电路，所述控制电路在致动器位置选择接口中被配置为周期性地使飞行器方向接口短暂导通以有助于消除固态断路器中的高泄漏电流的效应。
在另一个方面，本发明提供了一种阀致动器控制器，其包括：
被配置为接收来自非接触式位置传感器的信号的装置，该非接触式位置传感器被配置为在使用中输出表示所述驱动轴或阀的角位置的信号，以及
被配置为控制AC感应电机的装置，该AC感应电机在使用中根据位置传感器输出的信号来驱动所述驱动轴。
在又一个方面，本发明提供了一种操作驱动轴的方法，所述驱动轴用于在使用中在打开位置和关闭位置之间调节阀，所述方法包括：
接收来自非接触式位置传感器的信号，该非接触式位置传感器被配置为在使用中输出表示所述驱动轴或阀的(绝对)角位置的信号，以及
控制AC感应电机，该AC感应电机在使用中根据位置传感器输出的信号来驱动所述驱动轴。
虽然本发明已经如上文描述，但其可以扩展至本文独自或与其它结合所公开的任意特征的任意创造性组合或子组合。
附图说明
下面将参照附图，仅通过示例的方式对本发明的两个具体实施例进行描述，其中：
图1是示例性阀致动器的示意图，以及
图2是用于阀致动器的构造的框图。
具体实施方式
参照图1，示出了示例性致动器100的示意图。该致动器包括主驱动轴102，主驱动轴102可以被旋转以使阀104在关闭位置和打开位置之间运动。该驱动轴通过连接至控制器108的AC感应电机106而运动，该控制器108通常会包括现场可编程门阵列，例如由Microsemi公司生产的AGL125V2-QN132I。非接触式位置传感器110也连接至控制器。在示例性装置中，位置传感器基于霍尔效应并且包括连接至使主驱动轴运动的传动系中的齿轮112的磁性部件111；然而，可以理解，这是可以改变的，例如，位置感应部件被直接连接至主轴、阀、或包括多个不同齿轮的传动系中的一个或多个齿轮。还可以理解，可以使用其它类型的非接触式位置感应装置，例如永磁线性非接触式位移(PLCD)传感器技术。考虑位置传感器110的进一步细节，除可动磁感应部件外，其通常还包括集成电路(具有例如6mmⅹ6mmⅹ1mm的尺寸)。合适的霍尔效应传感器的示例为RLS/Renishaw的AM256Q，与RMM44A2C00磁性部件结合(例如，具有如4mm直径、4mm高度的柱体，以及605高斯的磁体，但应意识到，这是可以改变的)。所述电路固定至致动器外壳(未示出)而磁性部件固定至传动系中的齿轮112。在轴旋转时，施加于电路的磁场也旋转。所述电路包括霍尔效应片阵列并且每个片生成依赖于施加于其的磁场的电压。来自片的差动电压限定了磁性部件相对于电路的绝对位置。
霍尔效应位置传感器的使用具有以下方面的优点：无需微型开关所需的手动校准/调节，以及反冲效应的减小。其还提供了作为标准的能够指示多个位置的信号，如下所述，这可以使驱动轴的速度变化以使其与角位置相关。此外，位置传感器是非接触式的，抗污染并且还对磁场不敏感。这样的传感器还具有低功率的需求(例如在连续模式下为23mW，在采样模式下<1mW)。传感器110向控制器108输出的信号可以通过由控制器在读数之间周期性地对传感器施加电能来验证。
因此，霍尔效应位置传感器是绝对位置装置，并且如果对致动器的电力供应发生中断则通常会在电力恢复时使其位置重新生效。然而，如果系统需求使得致动器具有提供高/低逻辑水平信号(对于飞行器系统会是如此)的独立闭合/断开的信号线，则这可以通过增加密封的单极磁性闭锁继电器来实现，这些继电器较小并且是可靠的，并且即使在对继电器的电力终止时也可以保持继电器闭合。关注AC感应电机106的进一步的细节，其通常会包括模套(die case)铝制转子和封装的三相定子。其可以通过具有可变频率/电压、可调致动器速度能力以及动态制动的电子正弦驱动器来驱动。速度可以与供应电压无关。本发明人已经意识到，感应电机相比于常规的无刷PM电机具有低成本、简单以及可靠性更高的优点。
图2示出了用于利用上述原理的阀致动器的示例性构造。位置传感器110与接收来自电力供应单元202的电力的控制器108连通。控制器还连接至飞行员指示器接口204，该飞行员指示器接口204链接至用于瞬态保护的连接器206。在某些情况下，瞬态保护可以在印刷电路板上而非连接器上。连接器还链接至二极管-或与反极性保护单元208和方向接口210。控制器可以接收来自方向接口的数据并且向极性保护单元传送信号。控制器还可以向限流限压单元212以及也与限流限压单元212连通的晶体管桥和门驱动器214传送信号。晶体管桥/门驱动器可以控制AC感应电机106并且连接至包括其位置由位置传感器110监控的至少一个齿轮的齿轮箱216。在某些实施例中，致动器可以接收所需的致动器位置信号，并且利用串行数据总线来传送致动器位置。
致动器的实施例可以用于位置选择接口。在飞行器使用固态断路器来选择所需的致动器位置时，固态断路器通常会在关闭(OFF)状态下具有高泄漏电流。该高泄漏电流会使致动器错误地将OFF状态识别为打开(ON)状态。控制电路可以校正该错误同时还将功耗保持为最低。其可以通过周期性地使方向接口短暂导通来实现。接口电路可以是消除高泄漏电流的效应的低阻抗电路。
这里描述的实施例可以至少部分地消除在说明书背景技术中讨论的问题。致动器的设计是灵活的并且可以允许单个致动器用于多个应用。这可以通过对致动器的打开/关闭速度进行编程以适应特定的应用/不同的阀来实现。例如，控制器可以被配置为设置AC电机根据驱动轴的位置来驱动所述驱动轴的速率。控制器可以存储表示至少一个驱动轴角位置的数据。例如，该数据可以表示“阀完全关闭”位置、“阀完全打开”位置和/或中间位置。控制器可以被配置为改变AC电机在存储的所述驱动轴角位置之间驱动所述驱动轴的速率。控制器可以具有存储包括阀位置和合适的致动器速度/速率的数据的查询表等以用于多个应用。还可以意识到，进一步的变型是可行的，例如，致动器速率可以根据外部信号/测量值(例如压力计读数)而变化。此外，致动器感测装置可以用于控制具有不同数量的位置的致动器，例如四个位置的致动器。

Claims (19)

1.一种阀致动器(100)，包括：
驱动轴(102)，其用于在使用中在打开位置和关闭位置之间调节阀(104)；
AC感应电机(106)，其用于驱动所述驱动轴；
非接触式位置传感器(110)，其被配置为在使用中输出表示所述驱动轴或阀的角位置的信号，以及
控制器(108)，其被配置为根据位置传感器输出的信号来控制AC电机。
2.根据权利要求1所述的阀致动器，其中，控制器(108)设置AC电机(106)根据所述驱动轴的位置来驱动所述驱动轴(102)的速率。
3.根据权利要求2所述的阀致动器，其中，控制器(108)存储表示多个驱动轴角位置的数据。
4.根据权利要求3所述的阀致动器，其中，所述数据表示“阀完全关闭”位置、“阀完全打开”位置和/或中间位置。
5.根据权利要求3或4所述的阀致动器，其中，控制器(108)被配置为改变AC电机(106)在存储的所述驱动轴角位置之间驱动所述驱动轴(102)的速率。
6.根据权利要求5所述的阀致动器，其中，控制器(108)被配置为改变AC电机(106)根据至少一个外部信号/测量值来驱动所述驱动轴(102)的速率。
7.根据权利要求6所述的阀致动器，其中，所述外部信号/测量值表示压力读数。
8.根据前述任一项权利要求所述的阀致动器，其中，控制器(108)被配置为实施多个不同的阀致动器应用。
9.根据权利要求8所述的阀致动器，其中，对于每个所述阀致动器应用，控制器(108)存储用于在所述阀(104)或所述驱动轴(102)的特定角位置之间改变驱动轴调节速率的数据。
10.根据前述任一项权利要求所述的阀致动器，其中，控制器(108)通过在读数之间周期性地对所述位置传感器施加电能来验证所述位置传感器(110)输出的位置。
11.根据前述任一项权利要求所述的阀致动器，还包括至少一个闭锁继电器以在使用中提供表示阀(104)的打开/关闭位置的逻辑信号。
12.根据前述任一项权利要求所述的阀致动器，其中，位置传感器(110)包括可动部件，例如磁体，所述可动部件固定至用于驱动轴(102)的传动系/齿轮箱中的齿轮(112)。
13.根据前述任一项权利要求所述的阀致动器，其中，非接触式位置传感器(110)包括霍尔效应非接触式传感器。
14.根据前述任一项权利要求所述的阀致动器，其中，致动器(103)被配置为利用致动器位置选择接口操作。
15.根据权利要求14所述的阀致动器，其中，致动器(103)包括控制电路，所述控制电路在致动器位置选择接口中被配置为周期性地使飞行器方向接口(210)短暂导通以有助于消除固态断路器中的高泄漏电流的效应。
16.一种阀致动器控制器(108)，包括：
被配置为接收来自非接触式位置传感器(110)的信号的装置(108)，所述非接触式位置传感器(110)被配置为在使用中输出表示驱动轴(102)或阀(104)的角位置的信号，以及
被配置为控制AC感应电机(106)的装置(110)，所述AC感应电机(106)在使用中根据位置传感器输出的信号来驱动所述驱动轴。
17.一种操作驱动轴(102)的方法，所述驱动轴(102)用于在使用中在打开位置和关闭位置之间调节阀(104)，所述方法包括：
接收来自非接触式位置传感器(110)的信号，所述非接触式位置传感器(110)被配置为在使用中输出表示所述驱动轴或阀的角位置的信号，以及
控制AC感应电机(106)，所述AC感应电机(106)在使用中根据位置传感器输出的信号来驱动所述驱动轴。
18.一种基本上如本文和/或参照附图所述的阀致动器或阀致动器控制器。
19.一种基本上如本文和/或参照附图所述的操作驱动轴的方法，所述驱动轴用于在使用中在打开位置和关闭位置之间调节阀。
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