CN1809712A - 用于风门的弹簧复位致动器 - Google Patents

Abstract

致动器(100)包括由电源(110)提供功率的驱动电路(125)驱动的电动机(120)，和耦合至电动机的负载。所述致动器还包括使负载偏置到第一位置的弹簧(140)，和耦合至电动机以使电动机整流换向的微控制器(130)。当电源出现故障时，弹簧使风板复位至第一位置，并且当弹簧使负载复位至第一位置时，电动机旋转进而产生电力，用于为微控制器提供功率。微控制器可以控制弹簧使负载复位至第一位置的速度。此外，可以使用电位器(155)用于指示什么时间负载接近第一位置，从而使得微控制器可以在负载到达第一位置以前减缓复位速度。

Description

用于风门的弹簧复位致动器

技术领域

本发明通常涉及致动器。此外，本发明还涉及包括有微控制器以控制弹簧复位(spring return)的复位速度的致动器。

背景技术

致动器通常用在多种设备场景中以控制设备。例如，致动器用于制热、通风以及空气调节(HVAC)系统中以打开和关闭风门(damper)进而调节通过通风管道的气流。

典型的致动器包括弹簧复位以驱动耦合至致动器的风板回到初始或关闭位置。弹簧复位包括当致动器打开风板时被致动器的电动机缠绕的弹簧。存储在该弹簧中的能量用于当出现功率损失(loss ofpower)时使风板复位至初始位置。

在低于峰值负载的条件下，致动器的弹簧能够在风板复位至初始位置时使得致动器加速至高速。由于过高的速度会引起对致动器或所控制装置的损坏，因此这一点通常不是所期望的。为此，需要一些控制复位速度的装置。

在电源出现故障期间控制由弹簧复位所引起的致动器加速度的现有致动器设计，已经给致动器添加了一些电学和机械部件的结合以限制弹簧复位的最大速度。参见例如美国专利No.4,572,333、No.4,771,643、No.5,182,498、No.6,249,100和No.6,369,540。

例如，在美国专利No.6,249,100和No.6,369,540中，将齐纳二极管与常规的二极管串联放置以调节穿过电动机绕组所感应的电压，从而当在弹簧复位力的作用下电动机反向旋转时，提高在非通电状态下电动机所提供的制动效果。

在美国专利No.4,572,333中公开的另一实例中，致动器的小齿轮组件包括一个推力瓦(shoe)，该推力瓦在电动机旋转速度增加时向外移动并摩擦啮合内部鼓轮(drum)表面以控制复位速度。

然而，这些设计增加了成本并且仅仅提供了对于最大复位速度的限制。当接近初始或关闭位置时(即止端(end stop))，这些设计不能使致动器复位速度进一步降低以当致动器接近止端时减小齿轮系的负载。因此，其它实施通常采用单向离合器(clutch)机构以当电动机接近止端时，使旋转电动机的惯性从齿轮系中去耦合。然而，这些离合器机构增加了费用，并且离合器机构是齿轮系中额外的损耗零件。

因此，期望能够提供用于在电源出现故障的情况下调整弹簧复位致动器复位速度的新的系统和方法。

发明内容

本发明通常涉及致动器。此外，本发明还涉及包括有微控制器以控制弹簧复位的复位速度的致动器。

一个方面，本发明涉及一种致动器，包括由电源提供功率的驱动电路所驱动的电动机，以及耦合至电动机的负载。该致动器还包括将负载偏置到第一位置的弹簧，以及耦合至电动机以对电动机整流换向的微控制器。一旦电源出现故障，弹簧将风板复位至第一位置，并且当弹簧将负载复位至第一位置时，电动机旋转从而产生为微控制器提供功率的电力。

另一方面，致动器的微控制器可以控制弹簧使负载复位至第一位置的速度。

再一方面，致动器可以包括一个电位器，用于指示什么时间负载接近第一位置，从而使得微控制器可以在负载到达第一位置之前减缓复位速度。

本发明的上述发明内容并不是要描述本发明的每个实施方式或每个公开的实施例。下面详细描述的附图特别举例说明了本发明的实施例。虽然示出并描述特定的实施例，但是本发明并不仅限于使用这样的实施例。

附图说明

结合附图，参考下面本发明各种实施例的详细描述，可以更加完整的理解本发明，其中：

图1示出了根据本发明制成的包括耦合至电源和风板的致动器的实施例的实例系统方框图；

图2示出了根据本发明制成的实例致动器的部件示意图；

虽然本发明具有各种变型和可替代形式，但是实例和附图已经示出了其特性细节，并将进行详细描述。然而，应当理解的是，其意图并非要将本发明限制在所描述的特定实施例。相反，其意图是为了覆盖在本发明的精神和范围之内的所有变型、等效表述以及替代物。

具体实施方式

本发明通常涉及致动器。此外，本发明涉及包括微控制器以控制弹簧复位的复位速度的致动器。虽然本发明并不限于此，但是通过回顾下面的说明以及附图，可以更好的理解本发明。

通常，此处示出的实施例包括弹簧复位致动器。实例弹簧复位致动器包括由电源提供功率的驱动电路所驱动的电动机。实例致动器还包括弹簧。弹簧或者其它用于存储势能的结构将耦合至电动机的负载偏置到第一位置。实例致动器还包括耦合至驱动电路和电动机以对电动机整流换向的微控制器。

当电源供给致动器的功率失效时，弹簧使负载复位至第一位置。当弹簧使负载复位至第一位置时，电动机旋转从而产生用于为微控制器提供功率的电力。由于微控制器由电动机产生的电力来供电，因此微控制器可以用于执行各种功能，诸如控制负载通过弹簧复位还原至第一位置的速率。

现在参考图1和图2，示出了实例工作环境中致动器100的一个实施例。致动器100通常包括电动机120、驱动电路125、齿轮系127、微控制器130以及弹簧复位140。可替代地，致动器100还可包括电位器155。

图1中还示出了电源110，优选是24伏交流电，尽管根据致动器的需要还可以采用其它电压。在所示出的实施例中，电源110由被转换为24伏交流电的标准110伏交流电源供电，然后用于向致动器100供电。二极管(例如参见附图2中二极管266)起到整流器的作用以将提供给致动器的电流从交流电转换为直流电。

此外，示出了风板150。在示出的实施例中，风板150是制热、通风和空气调节(HVAC)系统的一部分，诸如楼宇或者房子中的HVAC系统。风板150用于控制通过一个或者多个通风管道的气流。风板150通过在第一位置或关闭位置与第二位置或打开位置之间移动一系列风板叶片完成该操作。此外，风板150可以保持在第一和第二位置之间的中间位置。

通过致动器100打开和关闭风板150。下面将进一步介绍实例致动器100及其使用方法。

I.电动机、驱动电路、齿轮系和电位器

电动机120优选是无刷电动机。在示出的实施例中，电动机120为包括绕组121、122、123的三绕组无刷直流电动机(见图2)。在其它实施例中，可以使用任何具有永磁体的直流电动机。

在典型的无刷电动机中，永磁体在旋转的转子中是轴颈旋转的。固定的定子定位于转子周围，所述定子包括绕组。切换流经绕组的电流(称作整流切换)以对具有交替极性的绕组充电，从而使得转子(具有被吸引的永磁体)旋转。

驱动电路125耦合至电动机120并使流经绕组的电流交替。具体地，驱动电路125包括高端开关272、274、276以及低端开关282、284、286。通过使每一个这些开关的状态(即打开或关闭)交替，切换流经绕组121、122、123的电流。在示出的实施例中，高端开关272、274、276为p沟道MOSFET，低端开关282、284、286为n沟道MOSFET，尽管还可使用其它开关装置。

优选微控制器130控制每个开关的状态。例如，微控制器130可以打开高端开关272和低端开关284，同时关闭低端开关282和高端开关274，从而使电流以第一方向流经电动机120的线圈121和123。然后，微控制器130关闭高端开关272和低端开关284，同时打开低端开关282和高端开关274，从而使电流以第二、相反方向流经线圈121和123。

配置电平移动264以将微控制器130的输出(典型的大约5伏)转换至接通高端p沟道MOSFET272、274和276所需要的更高的电压。

电动机120优选包括三个霍尔传感器A、B和C。每个霍尔传感器定位于邻近转子的永磁体的位置，并当交替充电磁体经过传感器附近时可以测量极性改变。霍尔传感器A、B和C测得的这些状态改变传送给微控制器130，微控制器130使用这些信息对电动机120整流换向。

电动机120的输出耦合至齿轮系127。齿轮系127包括一系列齿轮，所述齿轮降低从齿轮系127耦合到风板150的致动器轴的旋转速度。在优选实施例中，电动机120的输出和齿轮系127的输出的比值接近6900∶1。应当理解的是，也可使用其它比值，并且如果希望使用1∶1的比值时可以删除齿轮系127。

齿轮系127的输出耦合至风板150。如上所述，在实例实施例中风板150是HVAC系统的一部分，并且用于控制流经一个或多个通风管道的气流。优选地，电动机120在第一或关闭位置与第二或打开位置之间驱动风板150。此外，风板150可以保持在第一位置和第二位置之间的中间位置。

优选地，在实例实施例中，电动机120以接近1200RPM驱动齿轮系127以关闭风板150。在可替代的实施例中，使用了弹簧复位140(下面进一步描述)来关闭风板150，而不是使用致动器的电动机。优选地使得致动器100花费大约90秒将风板150从完全打开位置驱动到完全关闭位置。

可替代地，电位器155可以耦合至齿轮系127以测量与风板150的打开和关闭状态相关的齿轮系的位置。参见图1，例如可以使用电位器155测量风板150距离关闭位置的接近程度，下面将进一步描述。

II.微控制器

微控制器130耦合至驱动电路125和电动机120的霍尔传感器A、B和C以对电动机进行整流换向，如上所述。此外，微控制器130用于在电源出现故障期间监测和调节风板150的关闭，下面将进一步进行描述。

此外，微控制器也可执行其它功能。例如，如果微控制器使用串行通信，则微控制器可以与诸如楼宇控制器的其它控制装置通信。

在优选实施例中，微控制器为NEC电子制造的产品号UPD78F9177GB的微控制器。然而，也可以使用来自诸如Motorola，Atmel以及Microchip的其它厂商的控制器。

III.弹簧复位

在所示实施例中，弹簧复位140包括提供沿给定方向偏置的弹簧。例如，参见美国专利No 4,572,333、5,182,498和6,249,100，所有这些专利包含在此作为完整性的参考，这些专利描述了用于以所需要的方向驱动致动器的弹簧复位。

弹簧复位140耦合至电动机120，并通过该电动机起到使风板150偏置到关闭位置的作用。例如，如果风板150位于打开或者中间位置并且对电动机的供电切断时，弹簧复位140就以相反的方向驱动电动机120以关闭风板150。

IV.使用方法

在正常操作中，实例致动器100如下起作用。当风板150位于关闭位置并且HVAC系统请求打开风板时，微控制器130使用来自电源110的功率使电动机120整流换向。电动机120驱动齿轮系127，该齿轮系127使得风板150打开至中间位置或全开位置。由于电动机120使得风板150打开，因此弹簧复位140存储了在打开风板期间产生的势能。

在所示出的实施例中，当在正常操作期间期望关闭风板150时，电动机120以相反的方向整流换向以使风板从打开位置或中间位置移动到关闭位置。如上所述，在可替代的实施例中，可以使用弹簧复位140代替电动机120的反向驱动以在正常操作期间使风板150复位至关闭位置。

如果电源110故障而风板150位于打开位置或者中间位置时，期望将风板150移动至关闭位置。如上所述，在电源出现故障期间，可以使用存储在弹簧复位140中的势能反向驱动电动机120从而使风板150移动至关闭位置。

当弹簧复位140反向驱动电动机120时，由于使得电动机转子的永磁体经过电动机的绕组因此产生电流。包括在内作为部分MOSFET开关272、274、276、282、284和286的二极管用作整流器，整流后的电流用于对电容器260充电(参见图2)。

电容器260中的电荷用于向微控制器130供电。通过这样的方式，弹簧复位140的势能可以转换为经过电动机120的电能，进而在电源110故障期间为微控制器130提供功率。通过弹簧复位140，电容器260可以充分充电使得以小于1000RPM来驱动电动机120。

在一个实施例中，当在电源110故障期间以上述方式由电容器260提供功率时，可以使用微控制器130控制弹簧复位140使风板150复位至关闭位置的速度。例如，微控制器130通过监测由电动机120的霍尔传感器A、B和C测得的状态改变进而监测风板150正在关闭时的速度。基于状态发生改变的速度情况，微控制器130可以确定风板150正在关闭时的速率。

微控制器130还可以用于控制风板150关闭的速度。例如，如果通过监测由霍尔传感器A、B和C测得的状态改变，微控制器130确定风板150的关闭速度太快，微控制器130就可以通过使电动机120减速从而使风板150的关闭减速。在一个实施例中，当速度过大时微控制器130通过“短路”电动机绕组使电动机120减速。例如，该短路可以通过同时打开开关282、284可以实现，或者优选地同时全部打开三个开关282、284、286。这使得通过弹簧复位140使电动机120旋转而产生的能量在电动机绕组中被耗散，因而使其旋转减速。当低于期望速度时，微控制器130可以打开短路。以这样的方式，用于电动机整流换向的开关在弹簧复位期间还用于制动电动机。

在一个优选的实施例中，微控制器130控制弹簧复位140以使电动机旋转的速度不超过大约5500RPM，因此风板150从全开位置到全闭位置需要将近20秒。

由于一些原因，在电源110出现故障期间以这样的方式监测和调整风板150关闭的速度是有利的。例如，如果弹簧复位140驱动的太快，齿轮系127和/或风板150可能会被损坏。因此，微控制器130可以控制驱动齿轮系127的速度以将对齿轮系127和风板150损坏的可能性降至最低。

此外，如果风板150以过大的旋转速度到达关闭位置或者止端时，齿轮系127可能会被损坏。因此，通过使用连接至齿轮系127的电位器155所提供的位置信息或者止端信息(即风板150接近关闭位置的程度)，当风板150接近止端时，微控制器130可以使电动机减速至较低的速度。这种方式可以减小当到达止端时由于旋转电动机的惯性引起的对于齿轮系127的冲击负载。有利地，这种方式使得无需使用其它致动器中使用的单向离合器。

在优选实施例中，当风板150接近止端时，电动机速度降低至接近1200RPM。

尽管优选微控制器130在电源出现故障时用于控制风板150的复位速度，但是由于微控制器130是由来自电容器260的电势提供功率，因此还可执行其它功能。例如，如果微控制器130使用串行通信形式，微控制器130可以使用来自电容器260的功率以发送信号通知控制装置或者楼宇控制器电源发生故障。

尽管此处示出的实例致动器结合了HVAC系统的风板控制进行描述，但是该致动器还可用于各种设备场景中以控制其它装置。例如，致动器100的致动器轴可以耦合至阀门以根据需要打开和关闭阀门。

本发明不应当理解为仅限于上述特殊的实例或者材料，而应当理解为覆盖了附属权利要求书中所设定的本发明的所有方面。对于本领域技术人员来讲，当阅读了本说明书时，将很容易明白本发明可以应用的各种变型、等效过程以及众多结构。

Claims (24)

1.一种致动器，包括：

由电源提供功率的驱动电路所驱动的电动机；

耦合至电动机的负载；

使负载偏置到第一位置的结构；和

耦合至电动机以对电动机整流换向的微控制器；

其中所述结构使负载复位至第一位置，并且其中当所述结构使负载复位至第一位置时，电动机旋转从而产生为微控制器提供功率的电力。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述负载为风板。

3.根据权利要求1所述的致动器，其中微控制器控制所述结构使负载复位至第一位置的速度。

4.根据权利要求3所述的致动器，还包括用于指示什么时间负载接近第一位置的电位器。

5.根据权利要求1所述的致动器，其中所述结构在电源出现故障时使负载复位至第一位置。

6.一种用于风板的弹簧复位致动器，包括

由电源提供功率的桥电路所驱动的电动机；

至少一个传感器，其放置成用于感应电动机的转子的旋转；

齿轮系，耦合至电动机的轴；

风板，通过致动器的轴耦合至所述电动机的齿轮系，所述风板在打开位置和关闭位置之间移动；

弹簧，使风板偏置到关闭位置；和

微控制器，耦合至电动机以对电动机整流换向；

其中当电源出现故障使得风板位于打开位置时，弹簧使风板复位至关闭位置，并且其中当弹簧使风板复位至关闭位置时，电动机旋转从而产生为微控制器提供功率的电力，其中微控制器通过测量传感器所测得的状态改变之间的时间间隔，监测风板复位至关闭位置的速度，并且其中如果微控制器确定复位速度超过给定阈值，则微控制器使桥电路短路从而使电动机减速并使风板复位至关闭位置。

7.根据权利要求6所述的弹簧复位致动器，还包括用于指示什么时间负载接近第一位置的电位器。

8.根据权利要求6所述的弹簧复位致动器，其中当风板接近关闭位置时，微控制器使电动机减速。

9.一种制热、通风及空气调节系统，包括：

由电源提供功率的电动机；

耦合至电动机的风板，所述风板在打开位置和关闭位置之间移动；

使风板偏置到第一位置的弹簧；和

耦合至电动机的微控制器；其中当电源出现故障使得风板位于打开位置时，弹簧使风板复位至关闭位置，从而电动机旋转产生为微控制器提供功率的电力，其中微控制器监测风板复位至关闭位置的速度，并且如果微控制器确定复位速度超过给定阈值，则微控制器就使电动机减速并使风板复位至关闭位置。

10.根据权利要求9所述的致动器，还包括用于指示什么时间负载接近第一位置的电位器。

11.一种使风板复位至关闭位置的方法，所述风板耦合至电动机，并且耦合至电动机的弹簧使得风板复位至关闭位置，所述方法包括：

在电源出现故障时，弹簧使风板复位至关闭位置；

通过监测电动机的传感器的状态改变来测量风板复位至关闭位置的速度；

如果所述速度超过给定阈值，则减缓电动机的复位速度。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括使用由弹簧旋转的电动机所产生的电力为微控制器提供功率，如果所述速度超过给定阈值，则所述微控制器使复位速度减缓。

13.根据权利要求11所述的方法，其中减缓步骤还包括使电动机短路以减缓复位速度。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括当风板接近关闭位置时，减缓电动机的复位速度。

15.一种致动器，包括：

由电源提供功率的电路所驱动的电动机；

耦合至电动机的负载；

使负载偏置到第一位置的部件；和

耦合至电动机以对电动机整流换向的控制器；

其中所述部件使负载偏置到第一位置，并且其中当所述部件使负载移至第一位置时，电动机旋转从而产生为控制器提供功率的电力。

16.根据权利要求15所述的致动器，其中所述部件为弹簧。

17.根据权利要求15所述的致动器，其中所述负载为风板。

18.根据权利要求15所述的致动器，其中控制器控制所述部件使负载移动至第一位置的速度。

19.根据权利要求15所述的致动器，还包括用于指示什么时间负载接近第一位置的电位器。

20.根据权利要求15所述的致动器，其中在电源出现故障时所述部件使负载移动至第一位置。

21.一种使风板复位至第一位置的方法，所述风板耦合至致动器的电动机，所述电动机用于在控制器的控制下驱动风板从第一位置至第二位置，所述方法包括：

机械驱动风板从第二位置至第一位置，其中当朝着第一位置驱动风板时，电动机旋转；

使用电动机旋转时由电动机产生的电力为控制器提供功率；和

使用控制器减缓朝着第一位置机械驱动风板的速度。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括如果所述速度超过给定阈值，则所述控制器减缓朝着第一位置机械驱动风板的速度。

23.根据权利要求21所述的方法，还包括当风板达到预定位置时，减缓朝着第一位置机械驱动风板的速度。

24.根据权利要求21所述的方法，其中通过弹簧朝着第一位置机械驱动风板。