CN1869488B - 用于操纵一调整元件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于操纵一调整元件(30)的方法包括下列方法步骤：使用闭环的调节回路将一电机(1)的旋转频率调节到一恒定的数值；计算用于作用于调整元件上的调节力(F)的一估计值(F_E)；将该估计值(F_E)与一给定的极限值进行比较，并且测得调整元件(30)在该给定的极限值时的实际位置，并将所测得的位置归为一存储在一行程模块中的终端位置。一种按照这种方法工作的力控制的伺服驱动装置是低噪声且能量高效的，并因此尤其也可以用于操纵一电池供电的、无线控制的散热器阀门。

Description

用于操纵一调整元件的方法和装置 

技术领域

本发明涉及一种用于操纵一调整元件的方法以及一种用于执行该方法的伺服驱动装置。 

按照本发明的方法是低噪声和能量高效的并且有利地用于阀门驱动装置中以测得一个阀门关闭点。但是这种方法也可一般性地用于伺服驱动装置以测得一个调整元件的机械止挡或者检测执行机构阻塞。如果要对一个执行机构力控制的、低噪声且能量高效操纵的按照本发明的方法尤其可用于一个伺服驱动装置；本发明也有利地用于加热技术、通风技术、制冷技术和空调技术，例如用于一个无线遥控的散热器阀门。 

背景技术

DE 41 07 860 A1公开了一种用于测得一个阀门关闭位置的方法，在该方法中检测一个电驱动马达的电流增加。此外例如由EP 0 050 960A或者由EP 1 015 800 A已知，为了检测一个阀门的关闭位置评价一个电驱动马达的转速下降。 

在EP 1 015 800 A中建议，使一个阀门在恒定的电机电压下在关闭方向上移动并且在一个一定的转速下降时使电机停止并且计算关闭点。为此所需的电机供电调节对于电池供电可能导致电池寿命的极度缩短。 

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于操纵一调整元件的替代性方法，通过该方法可以检测调整元件的一个最终位置或者伺服驱动装置的一个阻塞，该方法的执行需要微少的能量并因此尤其也可以良好地用于电池驱动的伺服驱动装置。此外提供一种用于操纵执行机构的伺服驱动装置，通过它可以执行本方法。 

上述目的按照本发明通过用于操纵一设置在一执行机构上的调整元件的方法得以实现，该调整元件的位置能够由一电机通过一机械传动装置利用一作用于调整元件上的调节力向着一机械止挡移动，其中所述电机能够通过一电子的电机驱动模块被供电。所述方法具有如下方法步骤：

-使用闭环的调节回路，将电机的旋转频率调节到一恒定的数值， 

-计算用于所述调节力的一估计值， 

-将用于所述调节力的估计值与一给定的极限值进行比较， 

-测得调整元件在该给定的极限值时的实际位置，并将所测得的位置归为一存储在一行程模块中的终端位置。 

上述目的按照本发明还通过一种伺服驱动装置得以实现。该伺服驱动装置具有一微型计算机、一能够通过一电机驱动模块控制的电机和一能够由电机驱动的机械传动装置，用于操纵一设置在一执行机构上的调整元件，该调整元件的位置能够由电机通过机械传动装置利用一作用于调整元件上的调节力向着一机械止挡移动，其中所述电机能够通过电子的电机驱动模块供电，伺服驱动装置能够操作，以便： 

-利用闭环的调节回路，将电机的旋转频率调节到一恒定的数值， 

-利用计算模块计算作用于一执行机构上的调节力的估计值，所述计算模块存储在伺服驱动装置中， 

-将估计值与一给定的极限值进行比较， 

-测得调整元件在该给定的极限值时的实际位置，并将所测得的位置归为一存储在一行程模块中的终端位置。 

本发明还涉及其它有利的设计方案。 

根据一种涉及所述方法的优选方案，产生一输送到电机驱动模块的控制信号，将电机的旋转频率调节到所述的恒定的数值，并且使用该控制信号用于计算所述估计值。 

根据另一种涉及所述方法的优选方案，附加地测得电机的旋转频率并且用于计算所述估计值。 

根据另一种涉及所述方法的优选方案，测得电池电压的实际值并用于计算所述估计值。 

根据另一种涉及所述方法的优选方案，通过一闭环的调节回路调节电机的旋转频率。 

根据另一种涉及所述方法的优选方案，所述控制信号是一种脉冲宽度调制的信号。 

根据另一种涉及所述方法的优选方案，对控制信号附设一个从0％至100％的数值区间。 

根据一种涉及所述装置的优选方案，在传动装置上设置一的传感器装置，通过该传感器装置能够产生一传感器信号，由该传感器信号能够计算电机的转速或旋转频率。 

根据另一种涉及所述装置的优选方案，设置一第一比较装置，它用于产生在一个理论速度值与一个用一计算模块由传感器信号产生的速度信号之间的调节差，其中在一第一调节模块中能够借助于该调节差产生所述控制信号。 

根据另一种涉及所述装置的优选方案，设置一第二比较装置，它用于产生在一个理论位置信号与一个用计算模块由传感器信号产生的位置信号之间的调节差，其中在一第二调节模块中能够借助于该调节差产生所述理论速度值。 

根据另一种涉及所述装置的优选方案，设置一存储在所述伺服驱动装置里面的能够变化的执行机构行程模型。 

附图说明

下面借助于附图详细描述本发明的实施例。附图中： 

图1示出伺服驱动装置的调节和控制装置的方框图； 

图2示出用于表示电机驱动模块工作方式的方框图； 

图3示出执行机构的状态； 

图4示出用于表示调节力的曲线图； 

图5示出用于计算调节力的计算模块。 

具体实施方式

在图1中以1表示一个电机，它通过一个传动装置2与一个变换元件3耦联。一个由电机1产生的转矩M_M通过传动装置2转换成一个传递到变换元件3上的传动力矩M_A。该变换元件3将一个由电机1产生的旋转运动变换成一个具有一个行程H的纵向运动。通过纵向运动使一个顶杆4以一个调节力F作用于一个执行机构5。该执行机构5在这里是一个具有一个关闭体的阀门，该顶杆4作用于这个关闭体上。该阀门典型地是一个在一个热水或冷水回路中的无级调节的阀门，例如一个散热器阀门。 

所述电机1通过一个与一个电源6连接的电机驱动模块7供电。 

在传动装置2上设置一个用于测得一个旋转运动的传感器装置8。一个由传感器装置8产生的信号s例如输送到一个计算模块9。在计算模块9中借助于信号s有利地产生一个速度信号ω和一个位置信号p。 

一个用于执行机构5的伺服驱动装置的调节装置具有一个内部的闭环调节回路并且有利地也具有一个外部的闭环调节回路。该内部的 调节回路从传感器装置8通过由计算模块9转换的速度信号ω和一个第一比较装置10通过一个第一调节模块11直到电机驱动模块7。所述外部的调节回路从传感器装置8通过由计算模块9转换的位置信号p和一个第二比较装置12通过一个第二调节模块13直到第一比较装置10，并且从那里通过第一调节模块11直到电机驱动模块7。在第二比较装置12上有利地馈入调整元件的一个理论位置信号p_s作为指定参数。 

在伺服驱动装置的一个有利的实施例中，所述电机1是一个直流电机并且该电机驱动模块7具有一个驱动单元20(见图2)和一个位于电池电压U_B上的用于控制电机1的桥接电路21。该桥接电路21的四个电子开关22，23，24和25可以由驱动单元20控制。通过四个开关22，23，24和25的相应状态可以由驱动单元20控制通过电机1的电流I_M的持续时间和极性。该驱动单元20可以有利地通过一个控制信号m控制。 

该控制信号m例如是一个信号，其脉冲宽度通过第一调节模块11调制。 

所述驱动单元20例如是一个集成的功能块，而电子开关22，23，24和25例如通过MOS场效应晶体管来实现。 

原则上电机驱动模块7在其结构上要适配于一种所选择的电机类型，其中根据对伺服驱动装置的要求选择一种适合的电机类型，并且例如使用一个适配于电机类型的电子换向电路来代替桥接电路21。 

在图3a，3b和3c中简示出的执行机构5例如是一个阀门，它具有一个可作为调整元件使用的关闭体30，该关闭体可通过顶杆4克服弹簧31的作用力向着一个阀座32移动。该顶杆4根据电机1的一个驱动轴33的旋转方向可在关闭体30的一个纵轴线34上往复移动。所述变换元件3在这里是一个在顶杆4上构成的外螺纹35连同一个在一个传动轮36上构成的内螺纹。 

在图3a中示出阀门的打开状态，即所述关闭体30在一个第一终端位置，一个用于一种流体的可能的流量q是100％。所述顶杆4也在一个终端位置，其中在顶杆4与关闭体30之间构成一个气隙37。尤其是当阀门驱动装置作为万能驱动装置可以装配在不同的阀门类型上的时候，单独可达到的终端位置对于关闭体与阀门驱动装置不必准确地 一致。有利的是使阀门驱动装置和关闭体在装配后以一种校准方法定义共同的终端位置，并以有利的方式以一个行程模型存储在伺服驱动装置里面。 

在图3b中所述顶杆4通过一个调节力F_B作用于关闭体30上，该关闭体在所示状态顶靠在阀座32上。流量q在这个状态约为0％，阀门几乎是关闭的。 

在图3c所示的阀门状态中，所述顶杆4通过一个相对于在图3b所示状态更大的调节力F_C作用于关闭体30上，从而使关闭体30项压进阀座32。该阀座32在这里例如由一种弹性材料制成，它在相应较大的调节力F_C作用下被关闭体30变形。流量q在这个状态为0％，阀门密封地关闭。 

在图4中示出一个阀门行程模型的原理曲线H(F)。该曲线H(F)表示关闭体30的行程H与施加在关闭体30上的调节力F之间的关系。一直到最小值F_A，所述关闭体30停留在图3a所示的第一终端位置。为了使关闭体30可向着阀座32移动，克服弹簧31做功的顶杆4必须克服一个基本线性增加的调节力F。对于调节力的某个值F_B，在曲线图中示出行程的一个所属的参考值H₀。该参考值H₀对应于执行机构的一个状态，在该状态中，起到调整元件功能的关闭体30到达阀座32。一个超过参考值H₀接近于截止值H_0F的附加行程要求超过数值F_B接近于数值F_C的非常超比例地提高调节力F。但是所述的该调节力F的超比例提高也要求电机1的瞬时功率剧烈增加并由此要求一种相应高的能耗。 

在一种有利的调节方法中，其中流量q通过执行机构5控制，只要使执行机构的能耗最小，就尽可能不超过比值H₀，这对于通过电池供电是有利的。 

在一种有利的用于一个执行机构的校准方法中，该执行机构具有一个带有至少一个机械止锁的终端位置的调整元件，以有利的方式测得一个由伺服驱动装置施加的作用力或者一个由伺服驱动装置施加的转矩，并且在达到作用力或转矩的预定的数值时测得调整元件的实际位置，并且作为执行机构或调整元件的机械终端位置存储，并在一个调节方法中考虑。 

所述校准方法例如通过一个输送到第二调节模块13(图1)的启动信号k启动。通过相应地适配由第二调节模块13产生的理论速度值 ω_s，有利地使所述电机1的旋转频率在校准方法期间恒定地保持在一个比一种正常运行更低的数值上。 

如果执行机构例如是一个在静止状态打开的恒热器阀门，其行程H与调节力F的关系原则上与图4所示一致，所述关闭体有利地只在校准方法中超过行程参考值H₀移动。 

有利地与测得的参考值H₀相关地确定一个存储在伺服驱动装置的行程模型中的调节范围R(图4)。例如用于恒热器阀门的调节范围R因此包括可用于调节的在H₀-H₁₀₀的终端位置，所述H₀即关闭时的终端位置，也就是说流量 $q\≅0\%;$ 所述H₁₀₀即打开时的终端位置，也就是说流量q＝100％。 

由传感器装置8(图1)提供的信号s的信息能够计算电机1的实际旋转频率和顶杆4的运动。在计算模块9中有利地存储一个行程模型，在其中可以提供重要的参数如关闭体的一个实际位置、关闭体30的终端位置和一个实际速度、优选是电机1的实际旋转频率或者在需要时是关闭体30的实际速度。 

所述传感器装置8优选包括一个光源和一个与光源光谱协调的检测单元，其中该光源对准一个由电机1移动的光学图形，由此在电机1回转时使光脉冲到达检测单元。光学图形例如是一个设置在传动装置2上的具有光反射区、或者具有孔或齿的盘，它们这样构成，使得一个光源信号通过移动的光学图形调制。 

但是原则上该传感器装置8也可以不同地、例如通过感应工作的装置实现。 

在第二比较装置12中，由理论位置信号p_s和由计算模块9测得的位置信号p构成一个调节差(p_s-p)并传导到第二调节模块13。在第二调节模块13中产生一个用于第一比较装置10的指定参数。该指定参数有利地是一个理论速度值ω_s。在第一比较装置10中，由理论速度值ω_s和由计算模块9测得的速度信号ω构成一个调节差(ω_s-ω)并传导到调节模块11。在第一调节模块11中，借助于调节差(ω_s-ω)产生用于电机驱动模块7的控制信号m。 

通过具有第一调节模块11的内部的调节回路使电机1的转速保持恒定。由此也使与电机1机械耦联的传动装置2的和变换元件3的旋转元件为了中和其惯性矩分别调节到恒定的旋转频率。将电机1调节 到一个恒定的旋转频率带来的优点是，也使一个伺服驱动装置的与转速相关的噪声级恒定，并且通过适当地选择理论速度值ω_s可将该噪声级优化。此外与所述速度调节相关的优点是，在计算一个用于调节力F的实际估计值F_E时不必考虑电机1的自感应和伺服驱动装置旋转元件的惯性矩。 

如果调整元件向着终端位置移动、并同时通过伺服驱动装置的计算模块40(图5)重复计算用于调节力F的实际估计值F_E、并与一个给定的极限值进行比较，则可以可靠地确定该调整元件的终端位置。 

在第一方案中，借助于施加在电机驱动模块7上的控制信号m和电池电压U_B，使用一个线性公式A只可以近似地计算估计值F_E。由控制信号m、实际的电池电压U_B值和一个第一常数k_U构成的乘积中减去一个第二常数k_F： 

F_E＝U_B×k_U×m-k_F    (公式A) 

通过在计算估计值F_E时除了控制信号m还使用回输到第一比较装置10的速度信号ω，通过公式B得到一个更好的方案，其中可以更准确地计算估计值F_E。使该速度信号ω与一个第三常数k_ω相乘并从估计值F_E中减去所得到的乘积。该驱动模型的数学描述和用于更好计算估计值F_E的公式B如下： 

F_E＝U_B×k_U×m-k_ω×ω-k_F    (公式B) 

用于计算估计值F_E的公式B通过三个常数为微处理器计算的实施最优化地构成。不言而喻，该公式B通过数学变形，例如与增加所使用常数的数量相结合，可以计算调节力的一个适当估计值。 

可以省事地这样确定三个常数k_U，k_ω和k_F，使得可以足够准确地计算用于确定调整元件终端位置的估计值F_E。 

通过三个常数k_U，k_ω和k_F考虑到电机1、电机驱动模块7、传动装置8和变换元件3的特性值或特性。 

所述计算模块40包括一个以有利的方式存储在伺服驱动装置的一个微型计算机里面的数据结构和至少一个可以由微型计算机执行的用于计算估计值F_E的程序。为了计算估计值F_E，例如分别通过微型计算机的一个模拟输入端读入实际的电池电压U_B。 

在计算模块40的一个示例性的实施方式中，尤其通过第一常数k_U考虑电机驱动模块7的特性，而通过第二常数k_ω主要考虑电机1的特 性值，例如电机常数和直流电阻。通过第三常数k_F考虑传动装置8。此外在计算估计值F_E时，通过使效率加入到三个常数k_U，k_ω和k_F的每个常数里面，考虑伺服驱动装置的该效率。 

附图标记列表 

1    电机 

2    传动装置 

3    变换元件 

4    顶杆 

5    执行机构 

6    电源 

7    电机驱动模块 

8    传感器装置 

9    计算模块 

10   第一比较装置 

11   第一调节模块 

12   第二比较装置 

13   第二调节模块 

20   驱动单元 

21   桥接电路 

22   电子开关 

23   电子开关 

24   电子开关 

25   电子开关 

30   关闭体 

31   弹簧 

32   阀座 

33   驱动轴 

34   纵轴线 

35   外螺纹 

36   传动轮 

37   气隙 

40   计算模块 

M_M   转矩 

M_A   传动力矩 

H    行程 

F    调节力 

F_A   调节力值(阀门接触点作用力) 

F_B   调节力值(关闭点作用力) 

F_C   调节力值(阀门截止作用力) 

s    传感器装置的信号 

ω   速度信号 

ω_s  理论速度值 

p    位置信号 

p_s   理论位置信号 

I_M   通过电机的电流 

m    控制信号 

H₀   参考值 

H_0F  截止值 

q    流量 

F_E   用于调节力的估计值 

k    启动信号 

k_U   第一常数 

k_ω  第二常数 

k_F   第三常数 

U_B   电池电压 

U_M   电机电压 

Claims (12)

1.用于操纵一设置在一执行机构上的调整元件(30)的方法，该调整元件的位置能够由一电机(1)通过一机械传动装置(2，3，4)利用一作用于调整元件(30)上的调节力(F)向着一机械止挡移动，其中所述电机(1)能够通过一电子的电机驱动模块(7)供电，本方法具有如下方法步骤：

-使用闭环的调节回路，将电机(1)的旋转频率调节到一恒定的数值，

-计算用于所述调节力(F)的一估计值(F_E)，

-将用于所述调节力(F)的估计值(F_E)与一给定的极限值进行比较，

-测得调整元件在该给定的极限值时的实际位置，并将所测得的位置归为一存储在一行程模块中的终端位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，产生一输送到电机驱动模块(7)的控制信号(m)，将电机(1)的旋转频率调节到所述的恒定的数值，并且使用该控制信号(m)用于计算所述估计值(F_E)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，附加地测得电机(1)的旋转频率(ω)并且用于计算所述估计值(F_E)。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，执行机构(5)的伺服驱动装置由一电池驱动，其中测得该电池的电压(U_B)的实际值并用于计算所述估计值(F_E)。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过一闭环的调节回路调节电机(1)的旋转频率(ω)。

6.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述控制信号(m)是一种脉冲宽度调制的信号。

7.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，对控制信号(m)附设一个从0％至100％的数值区间。

8.伺服驱动装置，用于操纵一设置在一执行机构上的调整元件(30)，该伺服驱动装置具有一微型计算机、一能够通过一电机驱动模块(7)控制的电机(1)和一能够由电机(1)驱动的机械传动装置(2，3，4)，其中该调整元件的位置能够由电机(1)通过机械传动装置(2，3，4)利用一作用于调整元件(30)上的调节力(F)向 着一机械止挡移动，其中所述电机(1)能够通过电子的电机驱动模块(7)供电，所述伺服驱动装置能够操作，以便：

-利用闭环的调节回路，将电机(1)的旋转频率调节到一恒定的数值，

-利用计算模块(40)计算作用于一执行机构上的调节力(F)的估计值(F_E)，所述计算模块(40)存储在伺服驱动装置中，

-将估计值(F_E)与一给定的极限值进行比较，

-测得调整元件在该给定的极限值时的实际位置，并将所测得的位置归为一存储在一行程模块中的终端位置。

9.如权利要求8所述的伺服驱动装置，其特征在于一设置在机械传动装置(2，3，4)上的传感器装置(8)，通过该传感器装置能够产生一传感器信号(s)，由该传感器信号能够计算电机(1)的转速或旋转频率。

10.如权利要求9所述的伺服驱动装置，其特征在于一第一比较装置(10)，它用于产生在一个理论速度值(ω_s)与一个用一计算模块(9)由传感器信号(s)产生的速度信号(ω)之间的调节差，其中在一第一调节模块(11)中能够借助于该调节差产生一控制信号(m)。

11.如权利要求10所述的伺服驱动装置，其特征在于一第二比较装置(12)，它用于产生在一个理论位置信号(p_s)与一个用计算模块(9)由传感器信号(s)产生的位置信号(p)之间的调节差(p_s-p)，其中在一第二调节模块(13)中能够借助于在理论位置信号(p_s)与用计算模块(9)由传感器信号(s)产生的位置信号(p)之间的所述调节差(p_s-p)产生所述理论速度值(ω_s)。

12.如权利要求8至11中任一项所述的伺服驱动装置，其特征在于一存储在所述伺服驱动装置里面的能够变化的执行机构行程模型。 

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