CN111034008A - 具有端部停止开关的线性致动器 - Google Patents

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CN111034008A CN201880054268.XA CN201880054268A CN111034008A CN 111034008 A CN111034008 A CN 111034008A CN 201880054268 A CN201880054268 A CN 201880054268A CN 111034008 A CN111034008 A CN 111034008A
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J·C·巴斯霍尔姆
A·C·杰耐卢恩德
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Linak AS
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Abstract

线性致动器(1)包括主轴螺母，该主轴螺母被布置为在由DC电动机(2)驱动的主轴上在两个端部位置之间移动。端部停止开关(31)被布置为在主轴螺母处于端部位置时被激活。在其激活状态下，端部停止开关断开电动机电流，并将第一二极管(33)跨接在DC电动机两端，用于在电流被中断时使电动机短路。第二二极管(32)连接在端部停止开关上，用于使DC电动机能够将主轴螺母驱动出所述端部位置。与第一二极管串联的附加部件(43)减少了在主轴螺母通过经由来自控制箱的电缆的脉冲宽度调制电压被驱动出端部位置时在脉冲暂停期间由通过该二极管循环的电动机电流引起的噪声问题。

Description

具有端部停止开关的线性致动器
技术领域
本发明涉及具有被布置为在主轴螺母处于端部位置时被激活的至少一个端部停止开关的线性致动器，以及包括线性致动器的致动器系统。
背景技术
线性致动器是用于将典型地电动机的旋转移动转换成机械装备的线性移动的设备，并且线性致动器通常包括可逆电动机、通常具有若干级的变速器或减速齿轮、主轴、主轴螺母，以及在一些情况下具有激活元件。主轴螺母被固定以防旋转。当主轴通过电动机旋转时，主轴螺母沿着主轴移动，从而将旋转转换成主轴螺母和/或激活元件在两个端部位置之间的线性移动。虽然可以使用其它类型的电动机，但是可逆电动机通常是可逆DC电动机。
线性致动器系统用在许多不同的应用中，诸如卡车、农业机械、工业自动化装备、医院和护理床、休闲床和椅子、高度可调的桌子或其它家具，以及若干其它类似的应用。
在许多这些应用中，使用其中线性致动器经由电缆连接到至少包括驱动器电路和电源的控制箱的致动器系统。控制箱通常被放置在其上使用线性致动器的装备上。驱动器电路和线性致动器之间的电缆可以具有长达两米或更长的长度，并且通常出于经济原因而使用非屏蔽电缆类型。
驱动器电路通常是H桥驱动器电路，其包括四个电子开关，这些开关允许将每个电动机端子连接到正供电电压或接地端子或负供电电压，使得当这些开关中的两个开关闭合时，电动机在一个方向上旋转，而当另两个电子开关闭合时，电动机在另一个方向上旋转。
可以通过调节供应给驱动器电路的DC电压电平来控制电动机速度，或者可以使用脉冲宽度调制(PWM)，其中替代地通过调节脉冲宽度调制的占空比来控制电动机速度。本申请涉及使用脉冲宽度调制的情况。
如上所述，主轴螺母和/或激活元件可以在两个端部位置之间移动。典型地，当已到达端部位置时，通过主轴螺母或激活元件激活端部停止开关，以便断开驱动电流。否则，可能发生非期望的主轴螺母拧紧，这将需要很大的力才能松开，此外，会发生驱动电流大幅增加，并且通常会使驱动机构过载。
端部停止开关的示例例如从EP647 799、EP2 002 148、WO2009/155922和WO2012/083951中是已知的，均属于LinakA/S。
端部停止开关可以向控制箱中的驱动器电路提供信号，指示应该中断电动机电流，或者它可以直接用作电动机电流的断路器。在后一种情况下，端部停止开关与线性致动器中的电动机串联连接，使得当端部停止开关被激活时，电动机电流被中断。
在线性致动器的一些实现方式中，“重启”二极管可以并联连接到端部停止开关，以能够再次将主轴螺母驱动出端部位置。“重启”二极管被布置在允许驱动器电路以与被端部停止开关中断的电流相反的方向的电流驱动电动机的方向。
另外，为了确保当电动机电流被端部停止开关中断时，电动机尽可能快地停止，端部停止开关还可以被布置为在电动机两端连接“短路”二极管，使得由电动机产生的反电动势(反EMF)产生的电流可以被短路。
虽然该电路允许在端部停止开关中断电动机电流时使电动机快速停止，然后在相反方向再次启动以将主轴螺母再次驱动出端部位置，但是该电路可能会在将主轴螺母驱动出端部位置时通过脉冲宽度调制电压控制电动机的情况下产生电噪声。电噪声的产生与以下事实相关：在这种情况下，“短路”二极管仍通过端部停止开关跨接在电动机两端。在脉冲宽度调制电压的脉冲期间，二极管阻止电压，但是在脉冲之间的暂停期间，二极管可传导继续循环通过电动机的至少一部分电流。但是，在每个脉冲的开始处，需要花费短暂时间(即反向恢复时间)，然后二极管才能再次进入其阻断状态。在这短暂时间内，二极管或多或少地使电压短路，从而产生通过二极管的电流尖峰。
发明内容
因此，本发明的实施例的目的是提供一种线性致动器，当经由来自控制箱的电缆传递至驱动器的脉冲宽度调制电压将主轴螺母驱动出端部位置时，该线性致动器可以减少或避免上述电噪声的产生。
根据本发明的实施例，该目的是通过一种线性致动器来实现的，该线性致动器包括：可逆DC电动机；由所述可逆DC电动机驱动的主轴；安装在主轴上并且被固定以防旋转的主轴螺母，所述主轴螺母被布置为在两个端部位置之间移动；被布置为在主轴螺母处于端部位置时被激活的至少一个端部停止开关，其中端部停止开关在其激活状态下被配置为断开DC电动机的电流并且将第一二极管跨接在DC电动机两端，用于在电动机电流被中断时使由DC电动机产生的反电动势导致的电流短路；连接在所述端部停止开关上的第二二极管，用于使DC电动机能够将主轴螺母驱动出所述端部位置；以及至少一个附加部件，该附加部件与所述第一二极管串联连接，使得附加部件能够在与第一二极管相同的方向上传导电流，同时在其自身上提供电压降。
在主轴螺母通过经由来自控制箱的电缆传递至致动器的脉冲宽度调制电压被驱动出端部位置时，与第一二极管(即，当电动机电流被端部停止开关中断时用于使DC电动机短路的二极管)串联的附加部件减小甚至消除了在脉冲暂停期间循环通过该二极管的电动机电流的一部分。在脉冲暂停期间第一二极管中减小或消除的电流减小或消除了二极管的反向恢复时间的影响，使得由该影响引起的电流尖峰和相关的电噪声问题也被减小或消除。
在一个实施例中，附加部件是被配置为在传导至少对应于一个二极管电压降的电流时在其自身上提供电压降的部件。以这种方式，附加部件至少补偿替代路径中的用于通过电缆和控制箱的循环电动机电流的对应二极管电压降。当附加部件是二极管、齐纳二极管、其基极和集电极端子连接在一起的双极晶体管、或其栅极和源极端子连接在一起的场效应晶体管时，可以实现此目的。
在这种情况下，当电感器与所述第一二极管和所述附加部件串联连接时，可以进一步减小由第一二极管的反向恢复时间引起的电流尖峰的影响。电感器可以具有在1-100μH范围内(诸如10μH)的自感。
在一个实施例中，附加部件是电感器。这减少了电流尖峰的水平，从而减少了相关的电噪声问题。电感器可以具有在1-100μH范围内(诸如10μH)的自感。
在一个实施例中，附加部件是场效应晶体管，其漏极端子连接到所述第一二极管的第一端，并且其栅极端子连接到RC电路的中点，其中RC电路包括连接到场效应晶体管的源极端子的电容器和连接到所述第一二极管的另一端的电阻器。该电路防止在主轴螺母被驱动出端部位置时在脉冲暂停期间第一二极管传导任何电流，因此不会产生电流尖峰。RC电路可以被设计为具有100μs至1ms范围内的时间常数。
线性致动器可以包括：被布置为当主轴螺母处于两个端部位置之一时被激活的第一端部停止开关以及被布置为当主轴螺母处于另一个端部位置时被激活的第二端部停止开关，其中每个端部停止开关在其激活状态中被配置为断开DC电动机的电流，并且第一二极管跨接在DC电动机两端，用于在电动机电流被中断时使由DC电动机产生的反电动势导致的电流短路；连接在所述端部停止开关中的每个端部停止开关上的第二二极管，用于使DC电动机能够将主轴螺母驱动出所述端部位置，以及至少一个附加部件，该附加部件与所述第一二极管中的每一个串联连接，使得附加部件可以在与第一二极管相同的方向上传导电流，同时在其自身上提供电压降。以这种方式，可以在主轴螺母的两个端部位置中解决电噪声问题。
致动器系统可以包括：如上所述的线性致动器；至少包括电源和驱动器电路的控制箱，所述驱动器电路包括被布置为H桥的四个电子开关，所述驱动器电路被配置为以脉冲宽度调制电压驱动线性致动器的DC电动机；以及将线性致动器连接到控制箱中的驱动器电路的电缆。以这种方式，致动器系统受益于线性致动器的所描述的优点。致动器系统还可以包括连接到驱动器电路的遥控器。
附图说明
现在将在下面参考附图更全面地描述本发明的实施例，其中：
图1示意性地示出了线性致动器的示例，
图2示出了其中使用了线性致动器的致动器系统的示例，
图3示出了经由电缆连接到驱动器电路的线性致动器的电气图，
图4示出了图3的具有端部停止开关、短路二极管和用于将致动器驱动出端部位置的重启二极管的线性致动器，
图5示出了图4的线性致动器，其中端部停止开关被示出为处于其激活状态，
图6示出了图示当通过脉冲宽度调制电压将电动机驱动出端部位置时的情况的电气图，
图7示出了在电动机的重启期间在图6的电路中施加的脉冲宽度调制电压和对应电流的波形，其中在驱动器电路中连接到地的场效应晶体管在脉冲暂停期间处于关断状态，
图8示出了与图7的波形类似的波形，但是在驱动器电路中连接到地的场效应晶体管在脉冲暂停期间处于接通状态，
图9至图11示出了物理上位于两个端部位置的端部停止开关的不同布置，
图12示出了图9的布置，其中两个端部停止开关的位置互换，
图13示出了图4和图5的线性致动器，其中附加二极管被布置为与短路二极管串联，
图14示出了图示当通过脉冲宽度调制电压将图13的线性致动器的电动机驱动出端部位置时的情况的电气图，
图15示出了在电动机的重启期间在图14的电路中施加的脉冲宽度调制电压和对应电流的波形，
图16示出了图4和图5的线性致动器，其中齐纳二极管被布置为与短路二极管串联，
图17示出了图4和图5的线性致动器，其中双极晶体管被布置为与短路二极管串联，
图18示出了图4和图5的线性致动器，其中场效应晶体管被布置为与短路二极管串联，
图19示出了图4和图5的线性致动器，其中附加二极管和电感器被布置为与短路二极管串联，
图20示出了图示当通过脉冲宽度调制电压将图19的线性致动器的电动机驱动出端部位置时的情况的电气图，
图21示出了在电动机的重启期间在图20的电路中施加的脉冲宽度调制电压和对应电流的波形，
图22至图25示出了端部停止开关的不同布置，其中图19的电路被布置在两个端部位置，
图26示出了图4和图5的线性致动器，其中电感器被布置为与短路二极管串联，
图27示出了图示当通过脉冲宽度调制电压将图26的线性致动器的电动机驱动出端部位置时的情况的电气图，
图28示出了在电动机的重启期间在图27的电路中施加的脉冲宽度调制电压和对应电流的波形，
图29示出了图4和图5的线性致动器，其中由RC电路控制的场效应晶体管被布置为与短路二极管串联，
图30示出了图示当通过脉冲宽度调制电压将图29的线性致动器的电动机驱动出端部位置时的情况的电气图，
图31示出了在电动机的重启期间在图30的电路中施加的脉冲宽度调制电压和对应电流的波形，以及
图32示出了线性致动器，其中图29中的电路被布置在两个端部位置。
具体实施方式
图1示意性地示出了线性致动器1的示例。线性致动器1包括可逆电动机2、通常具有若干级的变速器或减速齿轮3、具有螺纹5的主轴4、与螺纹5接合的主轴螺母6以及管状的激活元件7。在激活元件7的端部处，放置用于将线性致动器1安装到例如承载元件的安装托架8。主轴螺母6被固定以防旋转。在一些线性致动器中，主轴螺母直接连接到例如承载元件而不使用激活元件。当主轴4通过电动机2旋转时，主轴螺母6沿着主轴4移动，从而将旋转转换成主轴螺母6和/或激活元件7在两个端部位置之间的线性移动。注意的是，在一些电动机类型中，可逆电动机2可以直接驱动主轴4，使得可以免去变速器3。虽然可以使用其它类型的电动机，但是可逆电动机2通常是可逆DC电动机。
在图2中图示了使用线性致动器1的致动器系统11的示例。线性致动器1经由电缆12连接到控制箱13，该控制箱13至少包括驱动器电路14和电源15。控制箱13通常放置在其上使用线性致动器1的装备上。该装备可以表示若干种不同应用中的任何一种，诸如卡车、农业机械、工业自动化装备、医院和护理床、休闲床和椅子、高度可调的桌子或其它家具，以及若干其它类似的应用。电源15通常通过电力电缆16连接到主干AC供电网，但是也可以单独地或者与连接到主干网的供电电源组合使用电池。最后，驱动器电路14连接到遥控器17，从而允许线性致动器1的操作由致动器1附近的人来控制。遥控器17和驱动器电路14之间的连接可以是如图2所示的有线连接，但是也可以使用无线通信系统，诸如无线电链路或红外链路。驱动器电路14和线性致动器1之间的电缆12可以具有长达两米或更长的长度，并且通常出于经济原因而使用非屏蔽电缆类型。
如图3所示，驱动可逆DC电动机2的驱动器电路14通常是包括四个电子开关22、23、24和25的H桥驱动器电路。驱动器电路14允许将每个电动机端子连接到正供电电压或接地端子(或负供电电压)，使得当电子开关22和25闭合时，电动机2在一个方向上旋转，并且当电子开关23和24闭合时，电动机2在另一个方向上旋转。开关22、23、24和25可以是任何类型的电子控制开关，诸如场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或双极型晶体管，并且它们通过控制器26接通和关断，如将在下面进一步详细描述的。在图3中，电子开关被示出为FET。
可以通过调节供应给驱动器电路14的DC电压电平来控制电动机速度，或者可以使用脉冲宽度调制(PWM)，其中替代地通过调节脉冲宽度调制的占空比来控制电动机速度。如下所述，本申请涉及使用脉冲宽度调制的情况。
如上所述，主轴螺母6和/或激活元件7可以在两个端部位置之间移动。期望确定何时到达端部位置以便断开驱动电流，因为否则可能发生非期望的主轴螺母拧紧，这将需要很大的力才能松开，此外，会发生驱动电流大幅增加，并且通常会使驱动机构过载。
主轴螺母6的完全伸出位置可以以各种方式确定。典型地，主轴螺母6或激活元件7在到达端部位置时激活端部停止开关，该端部位置确定主轴螺母6的内部或外部位置。端部停止开关可以向驱动器电路14提供指示应该中断电动机电流的信号，或者它可以直接用作电动机电流的断路器。后一种情况的示例如图4所示。
在图4中，线性致动器1中的端部停止开关31与电动机2串联连接。当主轴螺母6到达对应于端部停止开关31的端部位置时(如下所述，可以相对于另一个端部位置布置类似的端部停止开关)，该开关被激活，并且电动机电流被中断。在图4中，假设电动机电流在被中断时在图中从左到右流动。为了能够再次将主轴螺母6驱动出端部位置，“重启”二极管32在允许驱动器电路14以与被端部停止开关31中断的电流相反方向上的电流驱动电动机的方向上并联连接到端部停止开关31。为了确保当电动机电流被端部停止开关31中断时电动机2尽可能快地停止，在电动机2的两端同时跨接“短路”二极管33，使得由电动机2产生的反电动势(反EMF)产生的电流可以被短路。因此，在这种情况下，端部停止开关31不仅是断路器，而且在电动机2连接到驱动器电路14的第一状态和电动机2连接到“短路”二极管33的第二状态之间切换。在图4中，同一接触元件用于中断电动机电流以及用于将“短路”二极管33跨接在电动机2两端。但是，应该注意的是，端部停止开关31也可以包括多个接触元件，其中一个接触元件用于中断电动机电流，而另一个接触元件用于将“短路”二极管33跨接在电动机2两端。
图5示出了在电动机2已经停止在端部位置之后的情况。图5与图4类似，不同之处在于端部停止开关31处于其激活状态，其中电动机电流被中断并且“短路”二极管33替代地跨接在电动机2两端。
为了再次启动电动机2，FET24和23被接通(闭合)，使得电流可以从正电压通过FET24、“重启”二极管32、电动机2和FET23流到地。如果电动机2由正常的DC电压电平驱动，那么它将正常工作，只是高的启动电流可能会给供电电源带来麻烦。但是，如果电动机2由脉冲宽度调制电压驱动，那么往往出现噪声问题，这将在下面进行描述。
图6示出了图示当电动机2被驱动出端部位置时的情况的电气图。由于其电感特性，电动机2这里被图示为电感。由于在这种情况下FET23将始终被接通，因此在该图中未示出；它仅是到地面的返回路径的一部分。这里示出的FET24和FET25具有其内置的集成在FET中的所谓的体二极管。图7图示了在电动机重启期间所施加的脉冲宽度调制电压Upwm以及电路中的对应电流的波形。脉冲宽度调制电压Upwm被示出为具有60μs的周期T，其对应于16 2/3kHz的调制频率。
在时间t0，通过接通FET24来施加第一电压脉冲，并且电流Imotor开始通过电缆12、“重启”二极管32和电感器(电动机)2而建立。因此，由于脉冲期间的电流通过电缆12被供应给电动机，因此电动机电流Imotor等于电缆12中的电流Icable。在时间t1，即，在第一脉冲的结尾，FET 24被关断并且供电电流被中断。但是，由于电动机2的电感特性，在脉冲暂停期间，电动机电流Imotor将维持在相同的水平。该维持的电动机电流可以通过“短路”二极管33作为Idiode在内部(从电动机2看)环路中循环，或者通过FET25(或者如果FET处于关断状态，那么通过其体二极管)和“重启”二极管32作为Icable在外部环路中循环，或者在两个环路的组合中循环。
如果FET25处于关断状态，那么电流将主要作为Idiode在与外部环路中的两个二极管电压降相比仅具有一个二极管电压降的内部环路中循环。这是图7中所示的情况。
如果在脉冲暂停期间FET 25保持接通(通常是这种情况)，那么由于在每个环路中只有一个二极管电压降，因此在内部环路Idiode和外部环路Icable之间可以更平均地分配电流，但是由于电缆12中总会有一定的电阻和电感，因此电流往往倾向于通过“短路”二极管33的内部环路。在任何情况下，在时间t2下一个脉冲开始时FET 24再次接通之前，FET 25需要短时间(例如0.5-1μs)关闭。这意味着至少在紧挨着t2之前的这段短时间内，因为在外部环路中将会有两个二极管电压降，电动机电流将在内部环路中通过“短路”二极管33作为Idiode循环，因此该“短路”二极管33将是导通的。这在图8中示出。
当在时间t2的下一个脉冲开始时FET 24再次接通时，电动机电流Imotor将再次由该FET通过“重启”二极管32传递，并且将再次增加，就像它在第一脉冲期间那样。这意味着电流将停止通过“短路”二极管33作为Idiode循环。但是，该二极管具有一定的反向恢复时间，其中在二极管正向传导时累积在二极管中的电荷必须先被去除(耗尽)，然后它才能得到其阻断能力。在此反向恢复时间期间，二极管实际上将反向导通，并且或多或少表示电路的短路。结果产生来自FET 24的通过电缆12、“重启”二极管32和“短路”二极管33的短但高的电流尖峰。这在图7和图8中以Icable以及Idiode中的尖峰示出。该电流尖峰的幅度由电路的串联阻抗(例如电缆12)确定，并且其持续时间由二极管中累积的电荷确定，该电荷同样取决于紧挨着t2之前二极管中循环的电流的水平。
在随后的每个脉冲开始时都会重复这种现象，直到主轴螺母6被再次驱动出端部位置，并且端部停止开关31断开“短路”二极管33并改为将电动机2直接连接到由驱动器电路14供应的脉冲调制电压。典型地，这大约需要几百毫秒。
注意的是，在图7和图8中，作为示例，以50％的占空比示出了脉冲宽度调制电压Upwm。但是，当然可以绘制占空比为其它值的相似波形。
可能比电动机电流高得多的该电流尖峰的出现意味着除了电动机电流之外，驱动器电路14还必须能够传递该电流尖峰。更重要的是，由于电缆12通常是非屏蔽电缆，因此电缆中的电流尖峰会引起来自电缆的噪声辐射，这可能导致系统的电磁兼容性(EMC)出现问题。此外，如上所述，电缆12中总是存在一定的电感，并且在电流尖峰期间，因此将在电缆中累积一定量的能量。累积的能量可以被计算为1/2Li2，其中L是电缆的电感，并且i是电流。在尖峰之后，该能量必须被释放，并且由于现在已经进入其阻断状态的“短路”二极管33呈现一定的电容，因此由该电容和电缆12的电感形成谐振电路，因此会发生谐振振荡或振铃。这些振荡的幅度可能相当大，并且由于二极管33的电容是非线性的，因此它们将不具有单个振荡频率，而是它们将出现在更宽的频谱内。同样，这些振荡也可能引起来自电缆12的噪声辐射。
在上述图4和图5中，相对于主轴螺母6的端部位置之一布置了端部停止开关31。但是，如上所述，可以相对于另一个端部位置布置类似的端部停止开关。这在图9中示出，其中当主轴螺母6到达其端部位置之一时，端部停止开关31被激活，而当它到达另一个端部位置时，端部停止开关34被激活。
另外，端部停止开关34具有在允许驱动器电路14以与被端部停止开关34中断的电流相反方向上的电流驱动电动机的方向并联连接的“重启”二极管35，以能够再次将主轴螺母6驱动出端部位置。类似地，“短路”二极管36跨接在电动机2两端，使得由电动机2产生的反电动势(反EMF)产生的电流可以被短路。这确保了当端部停止开关34中断电动机电流时电动机2尽可能快地停止。端部停止开关34和二极管35和36的功能(包括与产生噪声尖峰相关的问题)与针对端部停止开关31和二极管32和33描述的完全相同。
在不改变其功能的情况下，“短路”二极管33和36也可以在电路中稍微不同地布置。图10和图11中示出了两个示例。
此外，在图9、图10和图11中，图中的两个端部停止开关31和34的位置也可以互换，使得当开关被激活时，流入到电动机2中的电动机电流被中断，而不是流出电动机2的电动机电流被中断。在这种情况下，还必须改变四个二极管32、33、35和36的方向。这样的一个示例在图12中示出，其与图9对应，只是两个端部停止开关的位置互换。可以对图10和图11的电路进行类似的修改。
图13示出了减少源自上述电流尖峰的噪声问题的电路修改的示例。图13对应于图4的致动器1，但是这里以附加二极管43形式的附加部件现在与“短路”二极管33串联布置。在图13中，附加二极管43的阴极连接到“短路”二极管33的阳极，但是附加二极管43也可以布置在“短路”二极管33的另一侧，使得它的阳极连接到“短路”二极管33的阴极。类似于图6，图14示出了简化的电气图，其图示了当图13的电动机2被驱动出端部位置时的情况。图15中图示了在电动机的重启期间施加的脉冲宽度调制电压Upwm的对应波形以及修改后的电路中的电流。图15示出了在脉冲暂停期间在驱动器电路14中的FET 25保持接通的情况下的波形，即，对应于图8的波形。
在时间t1，当FET 24关断并且供电电流被中断时，维持的电动机电流Imotor现在将主要通过FET 25和“重启”二极管32作为Icable在外部环路中循环，因为与内部环路中的两个二极管电压降相比，现在该环路仅具有一个二极管电压降。但是，同样，在时间t2的下一个脉冲的开始再次接通FET 24之前，需要短时间(例如，0.5-1μs)关断FET 25。这意味着在紧挨着t2之前的这段短时间内，电动机电流将在内部环路Idiode和外部环路Icable之间更均匀地分配，因为现在在每个环路中都有两个二极管电压降。因此，“短路”二极管33和附加二极管43将仅在紧挨着t2之前的这段短时间内导通，与图8的情况相比，电流水平将大大减少。这意味着，在“短路”二极管33正向导通时在其中累积的电荷也将相应地减少。
当FET 24在时间t2的下一个脉冲开始时再次接通，并且再次由该FET通过“重启”二极管32传递电动机电流Imotor时，与图8相比，现在由于二极管中累积的电荷减少，“短路”二极管33的反向恢复时间短得多。这意味着在电缆12、“重启”二极管32和“短路”二极管33中出现的电流尖峰也将短得多，并且尖峰中的能量因此大大减少。由于电缆12的电感，尖峰的幅度通常也会较低。这在图15中以Icable以及Idiode中较短的尖峰示出。尖峰中能量的减少还减少了从电缆12辐射的噪声和上述其它后果。
图13中的附加二极管43也可以被实现为其它部件类型或由其它部件类型代替。下面将举几个示例。在图16中，齐纳二极管44用作附加部件。由于齐纳二极管44与“短路”二极管33串联连接(这将防止阻断方向上的电流)，因此齐纳二极管44被用作二极管而不是齐纳二极管，并且齐纳二极管44的齐纳电压因此较不重要。在图17中，双极晶体管45用作附加部件。晶体管的基极和集电极端子连接在一起，使得基极-发射极二极管使晶体管像二极管一样工作。在图18中，场效应晶体管46(例如，MOSFET)被用作附加部件。在这种情况下，栅极和源极端子连接在一起，使得场效应晶体管将始终处于关断状态。但是，集成在FET中的内置体二极管将实现与图13中的附加二极管43相同的功能。
通过将电感器47与“短路”二极管33和附加二极管43也串联布置，可以进一步改善图13的电路，如图19所示。图20示出了对应的简化电气图，其图示了当电动机2被驱动出端部位置时的情况。图21中图示了在电动机的重启期间施加的脉冲宽度调制电压Upwm以及修改后的电路中的电流的对应波形。
直到在时间t2的下一个脉冲开始时FET 24再次接通之前不久FET 25关断为止，波形与对于图13和图14的电路的图15中所示的波形相同，其中电动机电流主要通过FET 25和“重启”二极管32作为Icable在外部环路中循环，因为与内部环路中的两个二极管电压降相比，该环路只有一个二极管电压降。在紧挨着t2之前的短时间内，由于现在每个环路中都有两个二极管电压降，因此电动机电流将仍倾向于在内部环路Idiode和外部环路Icable之间均匀地分配。但是，如图21所示，内部环路中的电流Idiode现在只能以由公式V＝LdI/dt确定的某个dI/dt增加，其中L是电感器47的自感，并且V是电感器上的电压。因此，外部环路中的电流Icable相应地减小。这意味着与图15中的情况相比，在“短路”二极管33正向导通时在其中累积的电荷将进一步减少。
当在时间t2的下一个脉冲开始时FET 24再次接通，并且该FET通过“重启”二极管32再次传递电动机电流Imotor时，“短路”二极管33仍将能够在其反向恢复时间期间在反向上导通。但是，由于电感器47的存在，该电流同样只能以由上述公式确定的某一dI/dt增加，并且通过适当选择电感器47的自感L，可以确保前面图中示出的电流尖峰被减小以使得它实际上不会发生。这在图21中示出。合适的值的示例是10μH的自感，但是可以使用1-100μH范围内的值。实际上不再出现尖峰，因此实际上也消除了从电缆12辐射的噪声和上述其它后果。电感器47的益处在于，电流的dI/dt现在由电感器47的明确定义的电感确定，该电感被设计为与电缆12和电路的其它导体的小得多或几乎未知的电感相比占主导地位。
注意的是，电感器47也可以与“短路”二极管33和图16至图18所示的其它部件类型串联使用。
还应该注意的是，图13和图16至图18的电路也可以通过布置与“短路”二极管33和附加二极管43(或图16至图18所示的其它部件类型)串联的另一种部件类型(例如，一个或多个其它二极管或图16至图18所示的其它部件类型)，而不是电感器47来改进。
图13、14、16、17、18、19和20中所示以及上面所述的电路具有相对于主轴螺母6的端部位置之一布置的端部停止开关31。但是，如上所述，通常如图9、10、11和12所示，相对于另一个端部位置布置类似的端部停止开关，其中当主轴螺母6到达其端部位置之一时，端部停止开关31被激活，并且当它到达另一个端部位置时，端部停止开关34被激活。图13、14、16、17、18、19和20中所示的解决方案当然也可以在图9、10、11和12的电路中实现。作为示例，图22至图25示出了如何在图9、10和11的电路中实现图19的附加二极管43和电感器47与“短路”二极管33串联布置的解决方案。
因此，图22对应于图9。附加二极管43和电感器47与“短路”二极管33串联布置，并且附加二极管48和电感器49与“短路”二极管36串联布置。该电路的功能与相对于图19描述的功能相同。
类似地，图23对应于图10。附加二极管43和电感器47与“短路”二极管33串联布置，并且附加二极管48和电感器49与“短路”二极管36串联布置。该电路的功能与相对于图19描述的功能相同。但是，在这种情况下，该电路也可以如图24所示实现，其中仅使用一个电感器47，其对于两个端部位置是共用的。当由于主轴螺母6处于其端部位置之一而激活端部停止开关31时，电感器47将与“短路”二极管33和附加二极管43串联，并且当由于主轴螺母6处于另一个端部位置而激活端部停止开关34时，电感器47将与“短路”二极管36和附加二极管48串联。
图25对应于图11。同样这里使用单个电感器47，其对于两个端部位置是共用的。同样，电路的功能与相对于图19描述的功能相同。
在图19中，电感器47与“短路”二极管33和附加二极管43串联布置。但是，电感器50也可以用作与“短路”二极管33串联的唯一附加部件。这在图26中示出，并且图27再次示出了对应的简化电气图，其图示了当电动机2被驱动出端部位置时的情况。图28中图示了在电动机的重启期间施加的脉冲宽度调制电压Upwm以及该电路中的电流的对应波形。
与图8相比，即，在脉冲暂停期间FET 25保持接通的情况下，当FET 24关断时在时间t1维持的电动机电流Imotor也将在这里在内部环路Idiode和外部环路Icable之间分配，因为每个环路中只有一个二极管电压降。但是，如图28所示，由于电感器50的存在，内部环路中的电流Idiode现在将更缓慢地增加。外部环路Icable中的电流相应地减小。
在紧挨着在时间t2的下一个脉冲开始时FET 24再次被接通之前FET 25关断的短时间期间，内部环路中的电流Idiode同样只能以某一dI/dt增加。因此，外部环路中的电流Icable相应地减小。
当在时间t2的下一个脉冲开始时FET 24再次接通，并且该FET通过“重启”二极管32再次传递电动机电流Imotor时，“短路”二极管33仍将能够在其反向恢复时间期间反向导通。但是，由于电感器50的存在，该电流同样只能以由上述公式确定的某一dI/dt增加，并且通过适当选择电感器50的自感L，可以确保图8中所示的电流尖峰被减小以使得它实际上不会发生。合适的值的示例是10μH的自感，但是可以使用1-100μH范围内的值。这在图28中示出。实际上不再出现尖峰，因此实际上也消除了从电缆12辐射的噪声和上述其它后果。
可以用作与“短路”二极管33串联的附加部件以减小或消除由该二极管的反向恢复时间引起的上述噪声问题的部件的另一个示例是场效应晶体管，例如MOSFET，其被耦合为在制动时段期间当端部停止开关31已中断电动机电流时接通，并且当再次以脉冲宽度调制电压将电动机2驱动出端部停止时关断。以这种方式，允许“短路”二极管33在中断之后按预期传导短路电流，同时当电动机2在相反方向上再次启动时，防止传导任何电流。这样的一个示例在图29中示出。
在图29中，MOSFET51与“短路”二极管33串联耦合，其漏极端子连接到二极管的阴极，并且其源极端子连接到端部停止开关31。MOSFET51的栅极端子连接到RC电路，该RC电路由连接到“短路”二极管33的阳极和电动机的电阻器52以及连接到MOSFET51的源极端子的电容器53组成。作为示例，RC电路可以被设计为具有100μs的时间常数RC，但是在100μs至1ms范围内的时间常数可以是合适的。
在电动机2被端部停止开关31中断之前，由“短路”二极管33、MOSFET 51、电阻器52和电容器53组成的电路与电路的其余部分断开，因为端部停止开关处于其上部位置。
当端部停止开关被激活时，到电动机2的供电电流被中断，替代地，具有“短路”二极管33的电路跨接在电动机2两端。在这种情况下，电容器53上没有电荷，因此其两端没有电压，因此MOSFET51将关断。但是，一旦反电动势在电动机2两端提供电压，电容器53就将开始通过电阻器52充电，并且当等于MOSFET 51的栅极-源极电压的电容器电压超过MOSFET的阈值电压时，MOSFET 51将被接通。当然，这将把跨RC电路两端的电压(即，电容器53被充电的电压)减小到“短路”二极管33上的二极管电压降加上MOSFET 51上的电压降。如果该电压不足以高于使MOSFET保持接通的MOSFET的阈值电压，那么可以与“短路”二极管33串联添加额外的二极管。当短路电流由于电动机2已停止旋转而停止时，电容器53将被放电并且MOSFET 51将被关断。
图30示出了电路的简化电气图，其图示了当电动机2被驱动出端部位置时的情况。在图31中图示了在电动机的重启期间施加的脉冲宽度调制电压Upwm以及该电路中的电流的对应波形，图31还示出了MOSFET 51的栅极-源极电压UGS，其等于电容器53的电压。所示的电容器电压的时间常数RC在100μs的范围内。
在时间t0，当通过接通FET 24施加第一电压脉冲并且电动机电流Imotor开始建立时，电容器53将开始通过电阻器52充电，从而产生MOSFET 51的负栅极-源极电压UGS。在时间t1，当FET 24关断并且供电电流被中断时，负栅极-源极电压将确保MOSFET 51保持在其关断状态。注意的是，MOSFET 51的内置体二极管的方向与“短路”二极管33的方向相反，使得没有电流将流过体二极管。因此，由于MOSFET 51阻止“短路”二极管33传导任何电流，因此维持的电动机电流Imotor现在将仅在外部环路中通过FET 25和“重启”二极管32作为Icable循环。在脉冲暂停期间，即，从t1到t2，电容器53将再次放电，但是如图31所示，MOSFET 51的栅极-源极电压UGS将保持为负。注意的是，在图31中，示出了占空比为50％的波形。对于其它占空比，波形当然将稍有不同，但是，即使对于低占空比值，MOSFET 51的栅极-源极电压UGS仍将保持为负，或至少低于阈值电压，使得MOSFET 51被保持在其关断状态，并且“短路”二极管33在脉冲暂停期间被防止接通。
当在时间t2的下一个脉冲开始时FET 24再次接通并且由该FET通过“重启”二极管32再次传递电动机电流Imotor时，“短路”二极管33尚未导通，因此不会有反向恢复。此外，MOSFET 51仍处于其关断状态，因此在内部环路中，即，通过“短路”二极管33和MOSFET 51，不会出现电流尖峰。因此，利用该电路，消除了上述电流尖峰，并且避免了相关的噪声问题。
图29中所示以及上面所述的电路具有相对于主轴螺母6的端部位置之一布置的端部停止开关31。但是，如上所述，如图9、10、11和12所示通常相对于另一个端部位置布置类似的端部停止开关，其中当主轴螺母6到达其端部位置之一时端部停止开关31被激活，并且当它到达另一个端部位置时端部停止开关34被激活。当然，图29中所示的电路也可以在图9、10、11和12的电路中实现。作为示例，图32示出了图9的电路中的实现。如上所述，在“短路”二极管33周围布置有MOSFET 51、电阻器52和电容器53，并且相应地，在“短路”二极管36周围布置有MOSFET54、电阻器55和电容器56。该电路的功能与相对于图29所描述的功能相同。
如图12所示，如果两个端部停止开关31和34的位置互换，使得四个二极管32、33、35和36的方向也已经改变，那么图32的电路可以用P-沟道MOSFET代替图32中使用的N-沟道MOSFET来实现。
换言之，公开了一种线性致动器1，该线性致动器1包括：可逆DC电动机2；由所述可逆DC电动机2驱动的主轴4；安装在主轴4上并且被固定以防止旋转的主轴螺母6，所述主轴螺母6被布置为在两个端部位置之间移动；被布置为当主轴螺母6处于端部位置时被激活的至少一个端部停止开关31、34，其中处于其激活状态的端部停止开关31、34被配置为断开DC电动机2的电流并将第一二极管33、36跨接在DC电动机2两端，用于在电动机电流被中断时使由DC电动机2产生的反电动势导致的电流短路；连接在所述端部停止开关31、34上，用于使DC电动机2能够将主轴螺母6驱动出所述端部位置的第二二极管32、35；以及至少一个附加部件43、44、45、46、48、50、51、54，其与所述第一二极管33、36串联连接，使得附加部件可以在与第一二极管33、36相同的方向上传导电流，同时在自身上提供电压降。
在主轴螺母通过经由来自控制箱的电缆传递至致动器的脉冲宽度调制电压被驱动出端部位置时，与第一二极管(即，当电动机电流被端部停止开关中断时用于使DC电动机2短路的二极管)串联的附加部件减少或甚至消除了在脉冲暂停期间循环通过该二极管的电动机电流的一部分。在脉冲暂停期间在第一二极管中减小或消除的电流减小或消除了二极管的反向恢复时间的影响，使得由该影响引起的电流尖峰和相关的电噪声问题也被减小或消除。
在一个实施例中，附加部件是被配置为在传导至少对应于一个二极管电压降的电流时在其自身上提供电压降的部件43、44、45、46、48。以这种方式，附加部件至少补偿通过电缆和控制箱的循环电动机电流的替代路径中的对应二极管电压降。当附加部件是二极管43、48、齐纳二极管44、其基极和集电极端子连接在一起的双极晶体管45、或其栅极和源极端子连接在一起的场效应晶体管46时，可以实现这一点。
在这种情况下，当电感器47、49与所述第一二极管33、36和所述附加部件串联连接时，可以进一步减小由第一二极管的反向恢复时间引起的电流尖峰的影响。电感器47、49可以具有在1-100μH范围内(诸如10μH)的自感。
在一个实施例中，附加部件是电感器50。这减少了电流尖峰的水平，从而减少了相关的电噪声问题。电感器50可以具有在1-100μH范围内(诸如10μH)的自感。
因此，公开了一种线性致动器1，该线性致动器1包括：可逆DC电动机2；由所述可逆DC电动机2驱动的主轴4；安装在主轴4上并且被固定以防旋转的主轴螺母6，所述主轴螺母6被布置为在两个端部位置之间移动；被布置为在主轴螺母6处于端部位置时被激活的至少一个端部停止开关31、34，其中端部停止开关31、34在其激活状态下被配置为断开DC电动机2的电流并且将第一二极管33、36跨接在DC电动机2两端，用于在电动机电流被中断时使由DC电动机2产生的反电动势导致的电流短路；连接在所述端部停止开关31、34上的第二二极管32、35，用于使DC电动机2能够将主轴螺母6驱动出所述端部位置；以及与所述第一二极管33、36串联连接的电感器50。
在一个实施例中，附加部件是其漏极端子连接到所述第一二极管33、36的第一端并且其栅极端子连接到RC电路的中点的场效应晶体管51、54，其中RC电路包括连接到场效应晶体管51、54的源极端子的电容器53、56和连接到所述第一二极管33、36的另一端的电阻器52、55。该电路防止在主轴螺母被驱动出端部位置时第一二极管33、36在脉冲暂停期间导通任何电流，因此不会产生电流尖峰。RC电路可以被设计为具有在100μs至1ms范围内的时间常数。
因此，公开了一种线性致动器1，该线性致动器1包括：可逆DC电动机2；由所述可逆DC电动机2驱动的主轴4；安装在主轴4上并且被固定以防旋转的主轴螺母6，所述主轴螺母6被布置为在两个端部位置之间移动；被布置为当主轴螺母6处于端部位置时被激活的至少一个端部停止开关31、34，其中端部停止开关31、34在其激活状态下被配置为断开DC电动机2的电流并将第一二极管33、36跨接在DC电动机2两端，用于在电动机电流被中断时使由DC电动机2产生的反电动势导致的电流短路；连接在所述端部停止开关31、34上的第二二极管32、35，用于使DC电动机2能够将主轴螺母6驱动出所述端部位置；以及与所述第一二极管33、36串联连接的场效应晶体管51、54，所述场效应晶体管51、54的漏极端子连接到所述第一二极管33、36的第一端并且其栅极端子连接到RC电路的中点，其中RC电路包括连接到场效应晶体管51、54的源极端子的电容器53、56和连接到所述第一二极管33、36的另一端的电阻器52、55。
线性致动器可以包括：被布置为当主轴螺母6处于两个端部位置之一时被激活的第一端部停止开关31；以及被布置为当主轴螺母6处于另一个端部位置时被激活的第二端部停止开关34，其中每个端部停止开关在其激活状态下被配置为断开DC电动机2的电流并将第一二极管33、36跨接在DC电动机2两端，用于在电动机电流被中断时使由DC电动机2产生的反电动势导致的电流短路；连接在每个所述端部停止开关上的第二二极管32、35，用于使DC电动机2能够将主轴螺母6驱动出所述端部位置；以及至少一个附加部件43、44、45、46、48、50、51、54，其与所述第一二极管33、36中的每一个串联连接，使得附加部件可以在与第一二极管相同的方向上传导电流，同时在其自身上提供电压降。以这种方式，可以在主轴螺母的两个端部位置中解决电子噪声问题。
致动器系统可以包括：如上所述的线性致动器；至少包括电源15和驱动器电路14的控制箱13，所述驱动器电路14包括被布置为H桥的四个电子开关22、23、24、25，所述驱动器电路14被配置为以脉冲宽度调制电压驱动线性致动器1的DC电动机2；以及将线性致动器1连接到控制箱13中的驱动器电路14的电缆12。以这种方式，致动器系统受益于线性致动器的上述优点。致动器系统还可以包括连接到驱动器电路14的遥控器17。
虽然已经描述和示出了本发明的各种实施例，但是本发明不限于此，而是还可以在所附权利要求所限定的主题的范围内以其它方式实施。

Claims (11)

1.一种线性致动器(1)，包括：
·可逆DC电动机(2)；
·由所述可逆DC电动机(2)驱动的主轴(4)；
·安装在主轴(4)上并且被固定以防旋转的主轴螺母(6)，所述主轴螺母(6)被布置为在两个端部位置之间移动；
·至少一个端部停止开关(31；34)，被布置为在主轴螺母(6)处于端部位置时被激活，其中端部停止开关(31；34)在其激活状态下被配置为断开DC电动机(2)的电流，并且将第一二极管(33；36)跨接在DC电动机(2)两端，用于在电动机电流被中断时使由DC电动机(2)产生的反电动势导致的电流短路；
·第二二极管(32；35)，连接在所述端部停止开关(31；34)上，用于使DC电动机(2)能够将主轴螺母(6)驱动出所述端部位置；以及
·至少一个附加部件(43；44；45；46；48；50；51；54)，与所述第一二极管(33；36)串联连接，使得附加部件能够在与第一二极管(33；36)相同的方向上传导电流，同时在其自身上提供电压降。
2.根据权利要求1所述的线性致动器，其中所述附加部件是被配置为在传导至少对应于一个二极管电压降的电流时在其自身上提供电压降的部件(43；44；45；46；48)。
3.根据权利要求2所述的线性致动器，其中所述附加部件是二极管(43；48)。
4.根据权利要求2所述的线性致动器，其中所述附加部件是齐纳二极管(44)。
5.根据权利要求2所述的线性致动器，其中所述附加部件是其基极端子和集电极端子连接在一起的双极晶体管(45)。
6.根据权利要求2所述的线性致动器，其中所述附加部件是其栅极端子和源极端子连接在一起的场效应晶体管(46)。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的线性致动器，其中电感器(47；49)与所述第一二极管(33；36)和所述附加部件串联连接。
8.根据权利要求1所述的线性致动器，其中所述附加部件是电感器(50)。
9.根据权利要求1所述的线性致动器，其中所述附加部件是场效应晶体管(51；54)，其漏极端子连接到所述第一二极管(33；36)的第一端并且其栅极端子连接到RC电路的中点，其中RC电路包括连接到场效应晶体管(51；54)的源极端子的电容器(53；56)和连接到所述第一二极管(33；36)的另一端的电阻器(52；55)。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的线性致动器，其中所述线性致动器包括：
·被布置为当主轴螺母(6)处于两个端部位置之一时被激活的第一端部停止开关(31)，以及被布置为当主轴螺母(6)处于另一个端部位置时被激活的第二端部停止开关(34)，其中每个端部停止开关在其激活状态下被配置为断开DC电动机(2)的电流，并且将第一二极管(33；36)跨接在DC电动机(2)两端，用于在电动机电流被中断时使由DC电动机(2)产生的反电动势导致的电流短路；
·连接在每个所述端部停止开关上的第二二极管(32；35)，用于使DC电动机(2)能够将主轴螺母(6)驱动出所述端部位置；以及
·至少一个附加部件(43；44；45；46；48；50；51；54)，其与所述第一二极管(33，36)中的每一个串联连接，使得附加部件能够在与第一二极管相同的方向上传导电流，同时在其自身上提供电压降。
11.一种致动器系统(11)，包括；
·根据权利要求1至10中的任一项所述的线性致动器(1)；
·控制箱(13)，至少包括电源(15)和驱动器电路(14)，驱动器电路(14)包括四个被配置为H桥的电子开关(22，23，24，25)，所述驱动器电路(14)被配置为以脉冲宽度调制电压驱动线性致动器(1)的DC电动机(2)；以及
·将线性致动器(1)连接到控制箱(13)中的驱动器电路(14)的电缆(12)。
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