CN1076304A - 用于机械控制的能量传输装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的装置至少包括一个装有回复弹簧 的旋转激励器和一个连接在旋转激励器上用于向机 械部分传递线性运动的连接棒。此旋转激励器由一 个旋转电磁体来驱动，其角位置由一个同期脉冲电流 控制。此装置还包含消除电磁体中的剩磁的装置。

Description

本发明涉及一种用于机械控制的能量传输装置，尤其是用于控制制动器的制动压力。

它尤其适用于要求响应时间很短和制造成本低的液压激励器。这样的装置用于如移动机械或车辆的制动系统、动力辅助驾驶或自动导向。

有好几种方法可以解决机械控制的能量传输问题，特别是基于气体、液体和电气的装置。对于某些应用来说，气压装置的响应时间太长，电气装置需要大量的电能而这不适于船（车）载系统。此外，这两种装置相对来说比较昂贵。现代车辆中的控制系统，尤其是如制动和自动导向系统，要求很短的响应时间，例如相当于约10赫兹的通带。此外，降低车辆或机械的总成本总味着它们的部件包括那些所述的控制系统的成本必须进一步地降低。目前，只有液压装置看来最适用于在移动设备或车辆中运输工具上的机械控制的能量传输，它相当便宜和快捷，可以满足新的技术和经济条件的要求。

通常，在液压控制领域的装置都利用如伺服机械那样的完整的系统，这些伺服机械的基础在于如流量或压力阀。液压装置具有形成同一流向的特性和结构，并且其对于流量或压力的控制功能是通过由滑阀和弹簧构成的许多级来实现的。

一般来说，这些伺服机械有两级。第一级是一个线性激励器，它有一个桨，桨上有一个由磁力来驱动的柱或棒，磁力是由在一个靠近棒的单螺线管中的电流作用产生的。第二级是液压放大级，由如一个滑阀和回复弹簧组成。机械惯性、谐振和时间常数使得动作复杂化并限制了零件的运动速度。然而改进这种系统的性能是可能的，尤其是有关响应时间或通带的性能的改进，但带来的缺点是更加复杂，因而其制造成本或许对于航空应用来说尚可接受但对如陆地车辆却不能接受，因为车辆是大批量制造的并且其成本必须低廉。

一个可以克服这些缺点的方法，特别是通过限制谐振和不稳定现象来简化伺服作用的已知的方法是用旋转激励器替代从前的线性激励器，通过例如一个连接棒把移动传递到液体滑阀，并且用作用于旋转激励器上的回复弹簧来替换第二级的弹簧。虽然，这种不甚复杂并且便宜的方法，特别是通过避免谐振现象可以改进性能，但迄今为止的试验均尚不能达到所需的响应时间，如0.1秒的量级，相当于约10赫兹的通带。

本发明的目的是克服这些缺点，特别是通过采取一些用于指令和旋转激励器控制的措施。

为此，本发明的目标是一个用于机械控制的能量传输装置，其至少包括一个带有弹簧的旋转激励器和一个连接此旋转激励器以将线性运动传递到机械部分的装置，旋转激励器由一个旋转电磁体来驱动，其角位置由一个脉冲电流的平均值来决定，其中还包括一个消除储存在所述电磁体中的磁能的装置。

本发明的主要优点在于，这种装置可以经济地实现并有非常短的响应时间，可以适合于为自动导向和制动系统，此外，这种装置小巧且易于操作。

本发明的其他特性和优点可以通过参照附图阅读下面的说明来了解这些附图表示：

图1a：根据已有技术的一个用于机械控制的能量传输系统的框图;

图1b：已有系统对于位置指令改变的响应曲线;

图2a：根据本发明的一种可用于机械控制的能量传输装置的框图;

图2b：已有装置对于位置指令变化的响应曲线;

图3：根据本发明的用于装置中的旋转激励器的控制电流的可能的形式;

图4a和图4b：所述激励器电磁体中的剩磁作为其控制电流的频率的函数的形式;

图5：激励器内部电路中的一种可消磁电路的原理图;

图6和图7：根据本发明的装置一个典型的应用例，用于控制一个制动器的制动压力。

图1a表示根据已有技术的用于机械控制的能量传输系统的框图。机械部分1，如控制若干液流线路的滑阀，其位置受控于一个线性激励器，一个由如一个由螺线管3缠绕的磁棒2组成的电磁体。磁棒2的一端通过一个弹簧5固定在支柱4上。它的另一端连到机械部分1上。后者和磁棒2之间，插入一个关于机械部分1的线位置的读数器6。这个读数器6可以是如连接于电磁体2、3的控制器7的电位计，由电位计提供一个指示机械部分1的位置的电压或电流。此外，控制器7给出一个电流I_λ，该电流决定磁棒2的位置。这个位置信息使得机械部分1的位置得以受控。弹簧5的功能是使磁棒2返回其初始位置。

所述的这个系统实际上是在振荡，由一个二阶方程来描述。因此，控制器7关于机械部分的位置指令的每一个变化都伴随一个过渡性的振荡，如图1b中的曲线C1所示，该振荡表示机械部分1的线位置x作为时间的函数对于位置指令变化的响应。在图1a的系统中，弹簧5的回复弹力值、磁棒2的重量和机械部分1的重量，导致了类似于曲线C1所示的振荡，这将延迟建立稳定的位置，也就是说，它们增加了系统的响应时间。除了这些寄生振荡的负作用之外，固定在机械部分1上的读数器6的振荡运动使得对于机械部分1的位置的读数变得更复杂。

一个消除此种过滤振荡动作的方法是用如图2a中框图所示的旋转激励器11代替由电磁体2、3组成的线性激励器。在这个图所表示的装置中，机械部分1，如一个液压阀（其动作总是线性的），通过传递器12连接到旋转激励器11上。传递器12，如一个轴，把旋转激励器的旋转运动与机械部分1的线性运动相连。旋转激励器11由固定在其上的旋转电磁体来驱动。后者的角位置，也即旋转激励器11的角位置由如电子组件13提供的一个电流I来确定的。同心弹簧14产生了一个力偶，该力与旋转电磁体中电流I所产生的力相反并力图将旋转激励器拉回初始的位置。旋转激励器11的角位置读数器15给出一个指示该位置的电响应，比如说一个电压或电流，到电子组件13以控制旋转激励器11的角位置。

描述激励器11的角运动的方程依然是二阶的。不过，激励器本身的惯性矩，以及弹簧14和机械部分1所施加在激励器上的力矩可能引起的过渡形态的曲线低于临界态，因此不能引起振荡，如图2b所示。我们注意到曲线C2，代表了激励器11的角位置θ作为时间t的函数对于角位置控制的变化的响应，其中不存在任何振荡。

旋转激励器11的角位置的变化是由提供给固定在其上的电磁体的电流I的平均值控制的。改变电流I的平均值的一个简单的方法是选择一个比如说是周期性的脉冲电流，其峰值基本不变而改变其周期。

图3示出了提供给旋转激励器11的电磁体的电流I作为时间t的函数的一种可能的形式。这个电流I是脉冲的和周期性的。比如说，对每一个周期T，在时间间隔τ中它不为零且等于I，然后在周期中的其它时间里等于零。此电流I的平均值，由I_A表示，可以表示为：

I_A＝ (τ)/(T) （1）

电流I的频率，比如说数百赫兹，是这样选取的，它使得电流为零的时间不直接影响激励器电磁体的位置也不会造成不稳定，因为后者的时间常数比起电流I为零的时间要大得多。电流I被建立的时间τ与电流周期T的比例被称为电流I的负载因数或占空比。

当电流I的频率相对较低时，旋转激励器11的角位置的响应时间仍然太长，也就是说它仍然超过某些应用所需的0.1秒的量级。旋转激励器11的角位置由周期电流的占空比所确定，一个可以提高此装置的通带即减少其响应时间的办法是提高电流I的频率。可是，以前的试验并没有表明提高频率可以使通带增加，旋转激励器11的响应时间滞留于一个值，此值很高，因而使得此种控制能量传输装置的旋转激励器的性能不能适于现代应用如自动导向或制动系统。这种响应时间不顾电流I频率的提高而停滞的原因似乎是由于机械力，特别是摩擦力。

申请人所做观察和实验证明了存储在旋转激励器11的电磁体中的磁能Em的作用。

为此，图4a和4b示出了磁能Em的速度作为时间t的函数。图4a中的曲线C₃表示磁能Em，其中，在每一周期T₁中，电磁体由磁能充磁的时间为τ₁即，当电流I不为零时，此磁能在周期中其余时间内被完全的退磁。这个完全的退磁仅当周期T₁是够长时才是可能的，也就是说，电流I的频率要足够的低。一旦为了提高装置的通带而提高频率时，电流的周期被缩短到这样一个值，它使得存储在旋转激励器11的电磁体中的磁能不可能被完全消退，如图4b中的曲线C₄所示。在此图中，电磁体被充磁至一个能量的最大值但其后却不能被完全消退。磁能Em在一个最大值和非零的最小值之间变动。因此，当旋转激励器11的角位置由电流I的平均值指定后，它首先是存储在激励器11的电磁体中的磁能的平均值的函数，此磁能又是电流I的函数。当电流的频率使得磁能Em如曲线C₄所示时，为改变激励器的角位置，电流I的平均值的变化，即其占空比的变化，产生一个平均电流的变化，其周期不是如曲线C₃所示的那样，而是有一个响应时间，此响应时间是电磁体内部电路的时间常数的函数。在后一种情况下，磁能Em总是具有与曲线C₄相类似的曲线形状，只不过其所建立的平均值不同。如果电流I的频率太高，激励器对于电流I的占空比变化的响应不再是电流频率的函数而是电磁体内部电路主要是线圈的时间常数的函数。此线圈的自感值导致了对于电磁体的因而也是对于固定于其上的激励器的过长的响应时间。

这一问题被提出后，按照本发明的机械控制的能量传输装置保留了图2a中框图所示的基本结构，特别是采用一个旋转激励器11，并在如电子组件13中加入一个电路为激励器11的电磁体消磁，以使磁能Em可以在一个电流周期中被去除。

图5表示激励器11的电磁体中的消磁电路的一个可能的例子。比如说，28V的电压源21提供电流I。电压源21主要由激励器11的电磁体中的转子线圈22和晶体管23充电，该晶体管例如为场效应管。线圈22的一端连接电压源21的正极和晶体管23的漏极。电压源21的负极和晶体管23的源极连接到地电位24上。此晶体管由如接成推挽型的晶体管25、26来驱动。晶体管25的发射极和晶体管26的发射极连接到晶体管23的栅极，晶体管26的集电极连到地电位24。接在电压源21的正极和晶体管25的集电极之间的电阻27限制晶体管25、26中的驱动电流。一个限幅二极管28限制这两个晶体管两端的电压。晶体管25、26的基极被连接到同一个逻辑控制信号。当这个信号存在时，通过另两个晶体管25、26允许电流流入晶体管23，因此在流入线圈中建立起比如说约2安培的电流。当此信号不存在时，晶体管23被截止，因此取消了线圈22中的电流。这个信号可以由如一个模拟电路或数字微处理器来提供。当线圈22中的电流被取消时，二极管29和电阻30为它消磁。为此目的，电阻30被接在线圈22和晶体管23漏极的公共端与二极管29的阴极之间，后者的阳极连接到线圈22的另一端，线圈该端本身连到电压源21的正极。一个图中未给出的滤波器，主要包括一个被置于线圈22和电压源21之间的电容，使电压源与电路其它部分之间（尤其是通过避免输出端电流的突变）去耦。

因此，旋转激励器的电磁体中的磁能在其线圈中的电流被中断后迅速地被取消。于是，可以提高频率以减小本发明的装置的响应时间，可以容易地获得10赫兹的通带或约0.1秒的响应时间。

图6和图7示出，作为一个例子，按照本发明的机械控制的能量传输装置在控制制动器的制动压力方面的可行性。

图6表示一个旋转激励器11，其上配有一个回复弹簧（图中未示出），通过连接轴12和棒41把直线运动传输到包含在箱体49中的液体滑阀1。这个滑阀引导油或制动液通过几个液路42、43、44的循环方向。液体滑阀1向箭头A所示方向运动时，使第一液路42中的液流出口连到第二液路43上，由此把液压源连到液体激励器，该激励器是一个作用在制动踏板46上的活塞45。当滑阀向箭头B所示方向运动时，制动激励器液路43被连到第三液路44。这第三液路保证把蓄贮器47连到负载活塞45上。第一液路42借助于一个泵48被连到蓄贮器47上，此泵调节到一个给定的压力，比如150bar。箱体49在其每一端上有个罩（gaiter）用于油或液流的回收，这些油或液流然后再通过液路50传送到蓄贮器47。

比如说，旋转激励器11的电磁体可以由一个频率约为500赫兹的脉冲电流来控制。

图6所示的装置提供了改变轴12和液体滑阀1之间的位移的性质的可能性，即在轴12和液体滑阀1之间插入凸轮。此外，轴12可以延伸到由棒41代表的液体滑阀1的平动轴之外。这将可以允许直接手动操纵滑阀的位置而不依赖于位置控制或在此种控制发生误操作时施加手动控制。所述的位置控制是由电子组件13来执行的（图6中未示出）。

图7所示的是适于图6中装置的位置控制的一种可能的框图。

一个压力指令被施加到差动单元71的正向输入端。差动单元71送出一个误差信号给电子组件13。此组件内部的一个运算器借助于装载在如存储器中的变换表把这一压力误差转换为一个位置误差。电子组件提供一个为获得所需角位置而计算好的电流I通给旋转激励器11的电磁体。旋转激励器11的角位置传感器15传送一个代表激励器位置的电压或电流给电子组件13。电子组件13将此信号与以由差动单元71提供的误差信号为函数的指令相比并使误差信号在当所需的位置与位置传感器15所指示的位置一致时为零。旋转激励器11的角位置与液体滑阀1的线性位置相对应。根据液体滑阀1的位置，压力被施于激励器即制动器45的活塞或导向蓄贮器47。当压力被送给制动器的时候，制动器中的压力增加。压力传感器72与差动单元71的负输入端相接以指示制动器中所获得的真实压力。当压力指令与制动器中的真实压力相符合时，旋转激励器11将为此定位以使液体滑阀处于一个不允许将所提供的压力传递到制动器的位置上，以此方式维持制动压力不变。

图7显示了两个控制回路，第一个调节旋转激励器11的角位置，第二个调节制动器中的压力。根据所需的性能，可以不控制旋转激励器的位置而仅保留第二控制回路。不过，在所有场合下，特别是归功于旋转激励器中的电磁体线圈的消磁电路，如图6和图7所示的用于机械控制的能量传输装置的性能，就其所获得的通带和响应时间来说是非常令人满意的。

Claims (10)

1、用于机械控制的能量传输的装置，至少包括一个装有回复弹簧的旋转激励器和连接于此旋转激励器以将线性运动传递给机械部分的装置，其中旋转激励器由一个旋转电磁体来驱动，其角位置由一个脉冲电流的平均值来确定，并且其中还包括一个消除存储在所述电磁体中的磁能的装置。

2、根据权利要求1能量传输的装置，其中所述电流为周期性的，旋转电激励器的角位置是该电流占空比的函数，占空比等于电流被建立的时间与整个周期的比值。

3、根据权利要求1能量传输的装置，其中将一个线性运动传递给机械部分的装置由一个连接棒构成。

4、根据权利要求1能量传输的装置，包括传感旋转激励器的角位置的装置，该传感装置将一个代表此角位置的电信号输送到一个电子组件，该组件提供旋转激励器的电磁体的控制电流，以控制电磁体的角位置。

5、根据权利要求4能量传输的装置，其中消除磁能的装置包含在电子组件之中。

6、根据权利要求1能量传输的装置，其中消除磁能的装置至少包括串接的一个电阻和二极管，该电阻被连接于旋转激励器的电磁体的线圈的一端，该二极管的阴极接在线圈的另一端。

7、根据权利要求1能量传输的装置，其中所述的机械部分是一个导引液流通过若干液路的液体滑阀。

8、根据权利要求7能量传输的装置，其液路中的液流馈送给一个制动器。

9、根据权利要求8能量传输的装置，其中旋转激励器的角位置的控制由一个控制制动器中的液压的控制回路来补充。

10、根据权利要求9能量传输的装置，其中制动器中液压的控制至少包括：

一个差动单元，其输出端连接于电子组件，一个压力指令施加于此差动单元的输入端;

一个压力传感器，它接在差动单元的反向输入端，向后者指示制动器中所获得的真实压力，电子组件完成以由差动单元输出的误差信息为函数的所需压力同由指示旋转激励器的角位置的传感器所传送的电量值的比较。

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