CN1869489A - 用于可无线致动的伺服驱动机构供电的装置 - Google Patents

Abstract

可以通过电池(6)供电的用于执行机构(5)的伺服驱动机构(60)，包括用于操作执行机构(5)的驱动机构单元(61)和能够与外部站(70)进行无线通信的用于控制和调节驱动机构单元(61)的控制和调节单元(62)。所述控制和调节单元(62)可以通过与电池(6)连接的电压调节机构(64)供给，而所述驱动机构单元(61)直接连接到电池(6)的输出电压(U_B)。为了实现电池长的使用寿命可以优化伺服驱动机构(60)的能耗。

Description

用于可无线致动的伺服驱动机构供电的装置

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于可无线致动的伺服驱动机构供电的装置。

背景技术

这种装置有利地用于电池操作的可无线致动的阀门驱动机构，例如用于可通过无线电控制的散热器阀中。

可无线致动的伺服驱动机构有利地作为单机设备运行，这就意味着这种伺服驱动机构也可以在现场配备电能源，电能源一般是电池。

已知给装置进行无线供能。例如在DE 28 00 704 A中提出为阀门伺服驱动机构配备超声接收器，并为阀门伺服驱动机构通过管道网络由超声输入用于电池充电的能量。

在一种驱动机构中，运动必要的能量需求一般远大于用于与系统环境进行无线数据通信的能量。特别是对于这样一种驱动机构，其中代替通过能源供应网或者通过数据总线进行线连接的电能供应使用电池，这就有必要考虑节省储存在电池中的能量，这样就尽可能少地进行电池更换。

发明内容

本发明的任务在于提供一种可无线控制的用电池供电的伺服驱动机构，对其能量消耗进行了最优化。

所述任务根据本发明通过权利要求1所述特征解决。

优选的设计方案由从属权利要求获得。

附图说明

附图示出：

图1示出了伺服驱动机构的调节和控制机构的方框图；

图2示出了马达驱动模块的工作原理的方框图；

图3示出了执行机构的状态；

图4示出了调整力变化曲线的图表；

图5示出了用于计算调整力的计算模块；

图6示出了用于在电池供电的伺服驱动机构中优化能量供给的另一方框图。

具体实施方式

在图1中用1表示电动机，该电动机通过变速器2与转换元件3耦联。由电动机1产生的扭矩M_M通过变速器2转换成传递到转换元件3上的驱动力矩M_A。转换元件3将由电动机1产生的旋转运动转换成具有升程H的纵向运动。推杆4通过纵向运动以调整力F作用在执行机构5上。执行机构5这里是具有关闭体的阀，推杆4作用在该关闭体上。阀一般是热水循环或者冷却水循环中的可无级调节的阀，例如散热器阀。

电动机1通过与电压源6连接的马达驱动模块7供给。

在变速器2上设置了传感器机构8用于测定旋转运动。由传感器机构8产生的信号s例如传送到计算模块9。有利的是在计算模块9中借助于信号s产生速度信号ω和位置信号p。

伺服驱动机构的用于执行机构5的调节机构具有内部的闭合的调节回路，并且有利的是还有外部的闭合的调节回路。内部调节回路从传感器机构8通过由计算模块9转换的速度信号ω并且第一比较机构10通过第一调节模块11通到马达驱动模块7。外部调节回路从传感器机构8通过由计算模块9转换的位置信号p以及第二比较机构12通过第二调节模块13通到第一比较机构10，并从第一比较机构10通过第一调节模块11通到马达驱动模块7。在第二比较机构12上作为参考变量最好储存调节元件的额定位置信号p_s。

在伺服驱动机构的一种优选的实施例中，电动机1是直流电动机，并且马达驱动模块7具有驱动单元20(图2)和电池电压为U_B的电桥电路21用于致动电动机1。电桥电路21的四个电子开关22、23、24和25由驱动单元20致动。通过四个开关22、23、24和25的对应状态可以控制从驱动单元20流过电动机1的电流I_M的持续时间和极性。有利的是驱动单元20可以通过控制信号m致动。

控制信号m例如是一种其脉冲宽度通过第一调节模块11调制的信号。

驱动单元20例如是集成模块，而电子开关22、23、24和25例如通过MOS场效应晶体管实现。

马达驱动模块7在其结构上基本上与所选择的马达类型相匹配，其中根据对伺服驱动机构的要求选择合适的马达类型，并且例如在电桥电路21的位置上使用与马达类型匹配的电子整流电路。

在图3a、3b和3c中简化示出的执行机构5例如是具有作为调节元件使用的关闭体30的阀，关闭体可以通过推杆4克服弹簧31的力向着阀座32移动。推杆4可以根据电动机1的驱动主轴33的旋转方向在关闭体30的纵轴线34上来回运动。转换元件3这里是在推杆4上构成的与在传动齿轮36上构成的内螺纹连接的外螺纹35。

在图3a中示出了打开状态下的阀，也就是关闭体30位于第一终端位置，流体可能的流量q为100％。推杆4也处于一个终端位置上，其中在推杆4和关闭体30之间构成了气隙37。特别是当阀门驱动机构是可以安装到不同类型阀门上的通用驱动机构时，关闭体和阀门驱动机构的各个可以达到的终端位置并不精确一致。有利的是阀门驱动机构和关闭体的共同的终端位置在安装后用定标方法确定，并且最好保存在伺服驱动机构中的提升模块中。

在图3b中推杆4以调整力F_B作用在关闭体30上，该关闭体30在所示状态下支承在阀座32上。在该状态下流量q大约为0％，阀实际上关闭。

在阀的在图3c中所示的状态下，推杆4以-相对于图3b中所示状态下-较大的调整力F_c作用在关闭体30上，从而关闭体30压紧在阀座32中。阀座32这里例如由弹性材料制成，弹性材料在关闭体30的相应大的调整力F_c的作用下变形。在这个状态下流量q为0％，阀密封地关闭。

在图4中以原理性曲线H(F)示出了阀的提升模块。曲线H(F)示出了关闭体30的升程H和施加在关闭体30上的调整力F之间的关系。在小于最小值F_A的情况下关闭体30保持在图3a中所示的第一终端位置上。为了使关闭体30可以向着阀座32移动，克服弹簧31工作的推杆4必须克服大致线性增加的调整力F。在调整力达到某个值F_B时在图表中示出了所属的升程基值H₀。该基值H₀对应于调整机构的一种状态，其中作为调整元件作用的关闭体30到达阀座32。超出基值H₀向着关闭值H_0F的附加的升程要求强烈不成比例地增加调整力F使得向着值F_C超过值F_B。但是所述不成比例的增加调整力F还要求大大增加电动机1的当前功率，并由此要求相应高的能耗。

在一种有利的调节方法中，其中流量q用执行机构5来控制，如果伺服驱动机构的能耗要最小，尽可能不要超出基值H₀，这在借助于电池进行能量供应时最好力求实现。

在用于调整机构的一种有利的定标方法中，该调整机构具有至少一个机械锁定的终端位置，有利地将由伺服驱动机构施加的力或者由伺服调整机构施加的扭矩测得，并且在达到力或者扭矩的预定值时测得调整元件的当前位置，并且作为调整机构或者调整元件的机械终端位置进行保存，并在调节方法中进行考虑。

定标方法例如通过输入第二调节模块13(图1)的起动信号k起动。有利的是电动机1的旋转频率在定标方法期间通过将由第二调节模块13产生的速度额定值ω_s进行相应匹配恒定保持在相对于正常运行较低的值上。

如果调整机构例如是在静止状态下打开的调温阀，其升程H根据调整力F原则上如图4中所示变化，那么关闭体有利地只在定标方法中超出升程的基值H₀运动。

在伺服驱动机构的提升模块中保存的调节区域R(图4)有利地根据测定的基值H₀确定。用于例如调温阀的调节区域R包括为此可用于调节的在H₀处-也就是关闭或者流量q≌0％-和H₁₀₀处-也就是打开或者流量q＝100％-的终端位置。

由传感器机构8(图1)提供的信号s的信息实现了电动机1的当前旋转频率和推杆4的运动的计算。有利地在计算模块9中存储提升模块，其中可供使用重要的参数如关闭体的当前位置、关闭体30的终端位置和当前的速度、最好是电动机1的当前旋转频率或者在需要时关闭体30的当前速度。

传感器机构8最好包括光源和与光源的频谱一致的探测单元，其中光源对准由电动机1驱动的光学模块，从而在电动机1运动时光脉冲到达探测单元。光学模块例如时是布置在变速器2上的具有光学反射区或者具有孔或者齿的盘，其构造使得光源的信号通过运动的光学模块进行调制。

但是原则上传感器机构8也可以是不同的，例如借助于感应工作的机构进行实施。

在第二比较机构12中，由额定位置信号p_s和由计算模块9计算获得的位置信号p形成调节差值(p_s-p)，并传送到第二调节模块13。在第二调节模块13中产生用于第一比较机构10的参考变量。参考变量有利地是速度额定值ω_s。在第一比较机构10中由速度额定值ω_s和由计算模块9计算获得的速度信号ω形成调节差值(ω_s-ω)，并传送到第一调节模块11。在第一调节模块11中借助于调节差值(ω_s-ω)产生用于马达驱动模块7的控制信号m。

通过具有第一调节模块11的内调节回路使电动机1的转速保持恒定。由此为了使惯性矩中性化将与电动机1机械耦合的变速器2和转换元件3的旋转元件分别调节到恒定的旋转频率上。将电动机1调节到恒定的旋转频率上的优点是伺服驱动机构的与转速相关的噪声水平也是恒定的，并且可以通过选择合适的速度额定值ω_s进行优化。另外所述速度调节的优点是，电动机1的自感和伺服驱动机构的旋转元件的惯性矩在计算调整力F的当前近似值F_E时不必考虑。

当调整元件向着终端位置运动并且在此通过伺服驱动机构的计算模块40(图5)反复计算调整力F的当前近似值F_E并与预定的极限值进行比较时，可以可靠确定调整元件的终端位置。

借助于接通在马达驱动模块7上的控制信号m和电池电压U_B，近似值F_E在第一变型方案中只能近似地用线性公式A计算。由控制信号m、电池电压的当前值U_B和第一常数k_U构成的积减去第二常数k_F：

F_E＝U_B×k_U×m-k_F                         {公式A}

通过在计算近似值F_E时除了控制信号m还使用反馈到第一比较机构10上的速度信号ω，使用公式B得到了一种改进的变型方案，其中可以更精确地计算近似值F_E。速度信号ω与第三常数k_ω相乘，并且将获得的积从F_E减去。驱动模块的数学描述以及用于改善近似值F_E的计算的公式B如下所示：

F_E＝U_B×k_U×m-k_ω×ω-k_F                        {公式B}

用于计算近似值F_E的公式B用三个适于微型处理器实施的常数进行优化构成。不言而喻，公式B通过数学变换，例如与用于提高数值的常数相关联可以计算调整力的合适的近似值。

三个常数k_U、k_ω和k_F可以用较少费力地如下确定，使得用于确定调整元件的终端位置的近似值F_s可以足够精确地计算。

通过三个常数k_U、k_ω和k_F可以考虑到电动机1、马达驱动模块7、变速器8和转换元件3的特性值或者性能。

计算模块40包括有利地存储在伺服驱动机构的微型计算机中的数据结构和至少一个可由微型计算机执行的用于计算近似值F_E的程序。当前的电池电压U_B例如分别通过微型计算机的模拟输入端读取用于计算近似值F_E。

在计算模块40的一种示例性的实施方式中，马达驱动模块7的性能特别是用第一常数k_U考虑，而用第二常数k_ω主要考虑电动机1的特性值，例如马达常数和直流电阻。变速器8用第三常数k_F考虑。另外在计算近似值F_E时通过使效率引入这三个常数k_U、k_ω和k_F中的每一个中考虑伺服驱动机构的效率。

在图6中用60表示执行机构5(图1)的伺服驱动机构。伺服驱动机构60具有驱动机构单元61、变速器单元63、控制和调节单元62、实施为电池的电压源6(图1)、电压调节器64和传感器机构8(图1)。

为控制和调节单元62配设发送-接收单元65和微型计算机单元66。

驱动机构单元61包括马达驱动模块7(图1)和电动机1(图1)。变速器单元63可以由电动机1驱动。以调整力F作用在执行机构5上的变速器单元63包括变速器2(图1)、转换元件3(图1)和推杆4(图1)。

发送-接收单元65和微型计算机单元66通过通信信道68相互连接。

用于致动马达驱动模块7的控制信号m(图1)由微型计算机单元66产生。由传感器机构8提供的信号s传送到微型计算机单元66的输入端上。

为了能量供应，驱动机构单元61并且有利地还有传感器机构8直接连接在电池6的电池电压U_B上，而控制和调节单元62可以通过与电池6连接的电压调节器64供给。

伺服驱动机构60具有最佳的能量管理，能量管理由微型计算机单元66控制。在此有利的是驱动单元61、传感器单元8和发送-接收单元65由微型计算机单元66顺序致动，从而与单元61、8和65相关的电能时间上错开并衔接且不会不断地累加。另外有利的是驱动机构单元61的最大电流消耗是受限制的。通过所述顺序致动和电流限制避免了电流峰值，由电池6的内阻R_i决定的电流峰值会导致电池电压U_B不允许地降低。特别是通过电流限制限制了驱动机构单元61的所谓的起动电流峰值。

在发送-接收单元66和外部站70之间可以建立双向无线数据通信连接。外部站70例如是操作设备、中央控制机构或者上级控制机构。由外部站70通过数据通信连接一般可以向伺服驱动机构60传送温度额定值、位置额定值或者工作状态。另外伺服驱动机构60的当前的状态信息可以通过数据通信连接传递到外部站70上。在一种典型的变型方案中，外部站70是绑定在计算机网络71中的节点。

为了使伺服驱动机构60能够对外进行可靠的通信，控制和调节单元62通过与电池电压U_B连接的电压调节器64供给。电压调节器64为控制和调节单元62保证了恒定的工作电压U_s，而不依赖于驱动机构单元61和传感器单元8的相应的电流需求。

传感器机构8包括例如由变速器单元63驱动的光学模块72、光源73和探测单元74。由传感器机构8传递到微型计算机单元66上的信号s通过探测单元74从光学模块72获得光源73的受变速器单元63的运动影响的光信号。

有利的是光源73可以通过由微型计算机单元66产生的节拍信号c控制使得能耗最小。在传感器机构8的一种优选的实施方式中，传感器机构具有调制机构75，通过该调制机构可以调制由光源73产生的光线。有利的是通过调制机构75影响的信号转换在微型计算机单元66中通过由传感器机构8提供的信号s的相应的解调来考虑。

通过由控制和调节单元62产生的控制信号m在每个工作阶段将电动机1调节到恒定的转速上。由此电动机1在其特性曲线方面不依赖于由电池实现的电压源6的状态总是在最佳的工作点上运行。

通过将控制和调节单元62通过电压调节器64进行供给，在高电池电压U_B以及也在由驱动机构单元61和传感器单元8引起的电压源6高负荷的情况下保证了控制和调节单元62的可靠的能量供应。

在伺服驱动机构60的一种有利的变型方案中，该伺服驱动机构具有用于搭接电压调节器64的开关装置76。开关装置76借助于激活信号a可以通过微型计算机单元66操作。在极其低的电池电压U_B的情况下-也就是在电池使用寿命的终点-使用开关装置76得到了这样的优点，即电压调节器64可以由微型计算机单元66自动搭接，从而通过使控制和调节单元62为了供给通过开关装置76直接接通电池电压U_B避免由电压调节器64引起的电压降。

                    附图标记列表

1     电动机

2     变速器

3     转换元件

4     推杆

5     执行机构

6     电压源

7     马达驱动模块

8     传感器机构

9     计算模块

10    第一比较机构

11    第一调节模块

12    第二比较机构

13    第二调节模块

20    驱动单元

21    电桥电路

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    驱动主轴

34    纵轴线

35    外螺纹

36    传递齿轮

37    气隙

40    计算模块

60    伺服驱动机构

61    驱动机构单元

62    控制和调节单元

63    变速器单元

64    电压调节器

65    发送-接收单元

66    微型计算机单元

67

68    通信信道

70    外部站

71    计算机网络

72    光学模块

73    光源

74    探测单元

75    调制机构

76    开关装置

M_M    扭矩

M_A    驱动力矩

H     升程

F     调整力

F_A    调整力的值(阀接触点力)

F_B    调整力的值(关闭点力)

F_C    调整力的值(阀关断力)

s     传感器机构的信号

ω    速度信号

ω_s   速度额定值

p     位置信号

p_s    额定位置信号

I_M    流过电动机的电流

m     控制信号

H_O    基值

H_OF   关断值

q     流量

F_E    调整力的近似值

K     起动信号

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    马达电压

R_i    内阻

U_s    工作电压

C     节拍信号

a     激活信号

Claims (12)

1.可以通过电池(6)供给的用于执行机构(5)的驱动装置(60)，具有用于操作执行机构(5)的驱动机构单元(61)和能够与外部站(70)进行无线通信的用于控制和调节驱动机构单元(61)的控制和调节单元(62)，其中驱动机构单元(61)具有可以通过控制和调节单元(62)控制的电动机(1)和用于电动机(1)的驱动单元(7)，其特征在于：所述控制和调节单元(62)可以通过与电池(6)连接的电压调节机构(64)供给，并且所述驱动机构单元(61)直接连接到电池(6)的输出电压(U_B)。

2.按权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：通过所述控制和调节单元(62)可以产生用于驱动单元(7)的控制信号(m)，使得电动机(1)的转速可以调节到恒定值(ω_s)。

3.按前述权利要求任一项所述的驱动装置，其特征在于：所述控制和调节单元(62)具有用于与外部站(70)无线通信的发送-接收单元(65)。

4.按权利要求3所述的驱动装置，其特征在于：所述控制和调节单元(62)具有可以通过数据接口(68)与发送-接收单元(65)通信的微型计算机单元(66)。

5.按权利要求4所述的驱动装置，其特征在于：无线传输到发送-接收单元(62)的位置额定值可以由发送-接收单元(65)传送到微型计算机单元(66)。

6.按权利要求4所述的驱动装置，其特征在于：无线传输到发送-接收单元(62)的温度额定值可以由发送-接收单元(62)传送到微型计算机单元(66)。

7.按权利要求4所述的驱动装置，其特征在于：所述电压调节机构(64)通过由控制和调节单元(62)产生的去激活信号搭接。

8.按权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动机构单元(61)具有用于测定电动机(1)的旋转频率的传感器单元(8)。

9.按权利要求8所述的驱动装置，其特征在于：所述传感器单元(8)具有脉冲控制的光源。

10.按权利要求4所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动单元(7)为优化能耗可以通过由微型计算机单元(66)产生的控制信号(m)致动。

11.按权利要求4所述的驱动装置，其特征在于：所述传感器机构(8)的光源(73)为优化能耗可以通过由微型计算机单元(66)产生的节拍信号(c)控制。

12.按权利要求4所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动单元(61)和传感器单元(8)由微型计算机单元(66)顺序致动，从而通过驱动机构单元(61)和传感器单元(8)与电池(6)相关的电能在时间上错开并且不会不断地累加。

Images