CN1997845A

CN1997845A - 具有遮断式限位开关的致动器

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Publication number: CN1997845A
Application number: CNA2005800176243A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·丹尼尔·坎帕尼; 布赖恩·约翰·罗思; 戴维·布赖恩·韦尔奇
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: US20050218311A1; EP1756455B1; EP1756455A1; US7105801B2; JP2007531490A; DE602005024801D1; AU2005262936A1; JP4786641B2; CN100464102C; KR101162788B1; ATE488724T1; KR20070009663A; WO2006006959A1; AU2005262936B2

Abstract

一种致动器(30)包括：电机，用于旋转通过传动机构而与输出装置连接的输入轴；与输出装置相连并适于沿对应于输出装置的运动路径移动的遮断叶片；以及至少两个遮断式开关(34，36)，例如光遮断式开关，在对应于输出装置的行程极限的位置沿遮断叶片的路径被相互隔开。控制器响应于指令信号向电机提供电压，和响应从其中一个遮断式开关(32，34)发出的输出装置位于或接近其中一个行程极限的指示而将电机断电。致动器可以是旋转或线性致动器，并可以被特别适用于航空电子设备。

Description

具有遮断式限位开关的致动器

技术领域

本发明涉及致动器，尤其是旋转致动器，例如用于致动阀的旋转致动器，以及用于航空应用中的线性致动器。

背景技术

由电动机驱动的致动器在工业界被普遍应用于各种部件的操作。例如，与本发明的受让人有关的公司ITT Aerospace Controls制造了如图1A和1B中描述的被确定为商业零件号S343T003-39或MA20A1001-1的旋转致动器。这些致动器被典型地应用于航空器中的提供例如水、液压机液体和/或燃料的线路上的球阀、蝶形阀和/或闸阀。

致动器10利用直流电机12和行星齿轮传动机构14为输出轴16提供90度旋转致动。典型地，壳体24内连接到输出轴16上的凸轮(未示出)启动一个或多个电子-机械微开关18，以限制致动器的行程和指示致动器的位置。典型地，四个微开关被提供：两个(每端一个)用以限制行程，另外两个用以指示位置。继电器(未示出)典型地控制直流电机的方向。电机12被安装于电机板20上，而微开关18被安装于开关板22上，所有这些都被包围在具有底盖25的壳体24内。手动阀柄26在开关板下面被安装在输出轴16上，以允许手动致动阀和视觉显示阀位置，即使没有动力。为手动阀柄26在行程的每个末端配备的手动止动件23对输出轴的运动提供机械限制。

然而，在本领域，需要简化机械设计，改进可靠性，改进可制造性，和增强这些致动器的控制，同时，仍需要维持在恶劣操作环境下的长时间使用寿命，并且用最小的增加成本达到所需的改进和提高。

发明内容

本发明的一个方面包括致动器，致动器包括：电机，用于旋转通过传动机构与输出装置相连的输入轴；遮断叶片，与输出装置相连并适于沿着对应于输出装置运动的路径运行；和至少两个遮断式开关，它们在对应于输出装置的行程极限的位置沿遮断叶片的路径被相互隔开。每个遮断式开关包括发射源，与发射源隔开的检测器，和对准遮断叶片的运行路径并位于发射源和检测器之间的遮断通道。当轴被定位于对应的行程极限时，遮断叶片被定位在遮断通道内。每个遮断式开关提示检测器是否检测到从发射源发射来的射线，而且还可以提示所检测到的一定比例的量的发射源射线。控制器与电源和遮断式开关相连，以响应于指令信号为电机提供电压，和响应于从其中一个遮断式开关发出的遮断叶片位于或接近于行程极限的指示而为电机断电。

致动器可以包括旋转致动器，其中输出装置包括旋转输出轴，或线性(直线)致动器，其中输出装置具有线性(直线)路径。在旋转致动器实施例中，遮断叶片被可旋转地固定于输出轴上并由输出轴径向向外延伸，遮断式开关由输出轴径向隔开，且彼此之间被旋转隔开，以使每个遮断通道径向对准遮断叶片的旋转路径。

在一个实施例中，遮断式开关为光遮断式开关，其中发射源包括光源，例如红外线发光二极管(LED)，而检测器包括光电检测器。致动器还可以包括位置指示器，例如MOSFET开关，对应于每个遮断式开关。

控制器可以包括H桥电路，并可以被构造成，当轴被定位于第一极限位置时以第一电压提供给电机和当轴被定位于第二极限位置时以与第一电压极性相反、大小相等的第二电压向电机供电。控制器还可以被构造成为电机提供动态制动，例如通过将电机终端短接在一起。特别地，控制器还可以被构造成响应于下述指示来启动动态制动，即从遮断式开关发出的关于所检测到的发射源射线预定量小于全发射源射线量，更特殊地，与全发射源射线量相比，预定量更接近于零发射源射线量的指示。本发明的致动器可以具有上面介绍的任一或所有特征。

本发明的另一方面包括具有一个或多个此处介绍的致动器的飞机。

本发明的另一方面包括旋转致动器实施例，用以启动阀并具有上面介绍的光遮断式开关。在本实施例中，控制器与电源和光遮断式开关相连接，用以响应于指令信号向电机提供电压和响应于没有从任一光遮断式开关接收到电流而将电机断电和动态制动。控制器被构造成，当在没有临界电压来自第一个所述遮断式开关的情况下接收到指令信号时，向电机提供第一电压，当在没有临界电压来自第二个所述遮断式开关的情况下接收到指令信号时，供应与第一电压极性相反、大小相等的第二电压。控制器还被构造成响应于下述指示而启动动态制动，即从遮断式开关发出的关于所检测到的发射源射线预定量小于全发射源射线量，而且与全发射源射线量相比更接近于零发射源射线量的指示。

附图说明

图1A为根据现有技术的致动器的局部剖切透视图。

图1B为图1A中的致动器的底侧透视图。

图2为本发明的示例致动器的分解透视图。

图3A为用于图2中示出的致动器的电机板和一些附件的透视图。

图3B为用于图2中示出的致动器的开关板和一些附件的透视图。

图4为示例光遮断式开关的插图。

图5为示例控制器的输入和输出的示意图。

图6为在稳态行程期间、在动态制动期间、以及停止后的制动器行程、电机电流和光电晶体管信号的示例示波器图示。

图7A为示例线性致动器实施例的俯视图。

图7B为图7A中的示例线性致动器实施例被如图7C中示出的剖面线7B-7B剖开的剖面图。

图7C为图7A中的示例线性致动器实施例被剖面线7C-7C剖开的剖面图。

具体实施方式

本发明将在下面参照附图进行介绍。图2为本发明的示例致动器30的分解图示。图3A示出了电机板20和安装于其上的部件，而图3B示出了开关板32和安装于其上的部件。如图2所示，开关板32被安装于电机板20的下面并包括两个光遮断式开关(opto-interrupter switch)34和36。遮断叶片(interrupter vane)38被可旋转地固定在输出轴16上并径向向外伸出。每个光遮断式开关34、36，如图4中所示意，都包括光源40，例如发光二极管(LED)，如红外线发光二极管，能够检测发出的光44的光电晶体管(检测器)42，和位于光源和检测器之间的遮断通道46。开关34和36由输出轴16径向隔开，并且彼此之间“旋转隔开”，也就意味着每个开关的遮断通道46都被定位于遮断叶片38的旋转路径上。

典型地，光电晶体管42将检测到的光转换为与检测到的光量呈比例的电压。当光源40与光电晶体管42之间的光44不被阻挡时，遮断式开关传送全电压。当驱动轴16转动至遮断叶片38进入遮断通道46从而部分挡住光源与光电晶体管之间的光的位置时，开关传送的电压为全电压的一部分。当遮断叶片完全进入遮断通道46时，光电晶体管42被完全阻挡了从光源发来的光，则开关不传送电压。

图5示出了形成用以在所需位置启动和停止致动器电机的控制器50的一部分的输入和输出的框图。控制器50包括本领域已知的“H桥”电路52，用以基于电路的输入选择供给致动器电机12的电压55的极性。电路52接收用以启动致动器的外部指令信号54。如果是在没有来自开关34的临界电压(表示遮断叶片38被置于开关34的信道46中)存在的情况下接收到指令信号54，则具有第一值的电压55被提供给电机12，使电机沿着将遮断叶片38朝向开关36的方向转动。而在没有电信号从开关36上接收到的情况下接收到指令信号54时，供给电机的电压55为与第一电压大小相等但极性相反的第二值，以使电机反向转动。

当预期行程的末端被光遮断式开关检测到时，施加到电机的电压被取消，而电机供电终端被短接在一起，以产生“动态制动”而迅速停止电机的动作。在控制器内将电机终端短接在一起实质上将电机变成一个发电机，将旋转系统质量储存的角动量转换为电能，以供给到电机而产生对抗转矩。

控制系统和动态制动的操作在图6中的示例示波器图形中进行了描述。正弦线60描述了在一段时间内的致动器旋转情况，其中每个周期代表输出轴旋转的度数。线62描述了在一段时间内的电机电流情况。线64描述了在一段时间内遮断式开关光电晶体管上的电压情况。在图示中的第一区域66，线60、62和64表示致动器在稳态下旋转，同时电机电流以第一极性被提供，而光电晶体管检测到的是发光二极管光源的全部发射光。在图示的第二区域68，光电晶体管的电压处于过渡区域，其中电压正在线性递减，遮断叶片开始阻挡从发光二极管光源射向光电晶体管的发射光。在预定的临界位置69，光电晶体管的电压到达与全值比较其更接近于最小值的预定临界值，控制器通过将电机终端短接在一起而启动动态制动，因此当旋转的质量的角动量被转换为供给到电机使之反向的电流时，电机电流立即改变极性并衰减。如正弦曲线60所示，从动态制动启动位置69至致动器停止位置70，输出轴行程为1.5度。应注意，动态制动启动后的致动器旋转可能会大于或小于1.5度，这取决于致动器的大小和施加于其上的载荷。

动态制动开始后致动器的连续动作是指最好能优化致动器和遮断叶片的定位以使制动在正确的时间被启动。致动器可以被定位(对准)在适合正确的停止区域，例如，首先通过全光检测来测量光遮断式开关光电晶体管的电压(V1)，再通过无光检测来测量光电晶体管的电压(V2)。“叶片设定电压”(V2+K*(V1-V2))就可以被计算出来，其中K为一个百分数，其在0至100％之间更接近0，例如20％。此为由程序计算得到的用以启动动态制动的控制器的电压值。被优化的制动位置(大约对应图6中的点69)可以被定义为正常停止位置(点70)减去必需的超前偏差(leadoffset)，以保证致动器在正常的操作环境下具有最好的停止动作。例如，对于特殊实施例(MA20A1001-1型致动器被转换为使用光遮断式开关)来说，停止区域的特点是，对于载荷(0-50磅)的电机在正常电机供给电压28伏特时的所有操作区域，为1.5-2度。停止区域的特点还在于较低电压(18V)和较高电压(36V)，以在所有合理操作范围内为电机提供电压。基于这些结论，最佳超前偏差被选择为1.75度。因而，对于该系统，优化的制动位置被定义为正常的停止位置减1.75度。为了定位致动器和遮断叶片，致动器可以被设定于最优制动位置而移动遮断叶片直到叶片设定电压被观察到。遮断叶片被相对于输出轴锁定在该位置。例如使用固定螺丝39，如图2中所示。

应了解，上面的程序是定位致动器和遮断器以得到正确阀关闭位置的一个示例方法，但是其它的程序也可以被采用以定位致动器行程某一末端或两个末端的部件。本发明不局限于包括带有光遮断式开关的致动器的任一特殊实施例，应了解，停止距离、电压、负载、超前偏差等是取决于系统的，并不仅限于某一特殊量值。

每个光遮断式开关34和36，也可以启动各自相关联的位置开关56和58，例如进入低阻抗状态的MOSFET开关，以提供远程电路反馈或致动器位置(例如所附的阀是开还是关)的视觉指示。控制器50也可以具有另外的特征(未示出)，例如微型控制器具有监视电机电流和电路保护的特征，以箝制(抑制)致动器控制电压中的电压尖峰并封锁不适宜控制信号，如本领域中公知的那样。包括控制器50在内的电路和其它部件可以被安装在一个或几个印制线路板(PWB)60a、60b和/或60c上，如图3A和3B中所示。

上面的装置提供了相对于现有技术的优势，即由于遮断叶片、光源和检测器之间的空气间隙，使光遮断器开关消除了从开关布线到输出轴之间的潜在的直接电流路径。而且，遮断叶片可以包括非导电材料，例如塑料。另外，不像机电开关，光遮断式开关不产生火花。除了取消机械开关，如上介绍的本发明的控制电子学也消除了现有技术系统中存在的电子-机械继电器。避免产生电火花和其它电子故障是航空使用中最重要的考虑，其中致动器可以工作在存在燃料蒸发，或至少染料蒸发危险的周围环境中，这些问题都可能会带料灾难性的后果。上面介绍的本发明的部件可以被设计用于航空应用的恶劣环境中，其典型地要求操作环境为低达-55℃的温度。虽然本发明的致动器可以很好的适用于航空应用，且特别应用于阀致动器，致动器并不仅限于某一特定应用或用途。使用两个光遮断式开关而不是一个凸轮和4个微型开关也减少需要用来定位致动器正确位置的径向轴上部件的数目，因此使公差“累积”最小化，否则将对所有部件有非常严格的公差要求，从而可以增加致动器的整体加工成本。

尽管图1-6描述了旋转致动器的实施例，应了解，本发明也可延伸至线性致动器实施例。使用光遮断式开关的线性致动器，尤其应用于航空，具有如上面讨论的旋转致动器相同的优势。图7A-7C示出了示例线性致动器。与该线性致动器相关的整体系统和根本控制都与旋转致动器本质上相同，除了驱动传动机构以输出旋转运动的电机，此处电机驱动传动机构具有线性输出。被用于此处的术语“传动机构”涉及将电机轴的旋转输入转换为某一输出运动的任何系统，不管系统中是否包含字面上显示的传统意义上的齿轮。在旋转致动器实施例中，传动机构包括行星齿轮传动机构14。在线性致动器实施例中，传动机构可以包括，例如推动齿条沿预定路线运动的小齿轮或蜗轮，或如图7A-7C所示的，螺钉加衬套装置。因此，尽管旋转致动器的输出装置具有旋转路径，线性继电器的输出装置沿线性路径移动。

现在转向图7A-7C，图中示出了包括多个光遮断式限位开关102a和102b的示例线性致动器100。在图7A-7C中示出的特殊设计中，电机104在输入轴108的端部转动小齿轮106。小齿轮106驱动复合齿轮109，复合齿轮109驱动惰轮110，以此类推，惰轮110再驱动输出轮112，输出轮112转动输出螺杆114。环绕螺杆114的衬套116包括内螺纹部分117，与输出螺杆的外螺纹啮合。具有轴端120的轴杆118与衬套116的端部连接。因此，可以与任何线性操作装置例如通风风闸相连接的杆端120，例如，为被致动器驱动的输出装置。叶片定位螺杆122被轴向固定在可以反向转动输出齿轮112的惰轮110上。滑环124包括下部延伸125以配合于水平槽126中，滑环124沿平行于输出螺钉114的方向运动，行程至少为两个遮断式开关102之间的距离。滑环124还包括遮断叶片130垂直于输出螺钉向外延伸。每个开关102都被连接到通过隔板136固定在螺旋支架134上的托架132上。

这样，在操作中，滑环124沿箭头A向移动而衬套116沿箭头B向移动。叶片定位螺杆122直径小于输出螺杆114的直径，并且螺杆114与122的尺寸差实际大于齿轮110与112之间的尺寸差，因此滑环124的线性行程的综合距离小于衬套116的内螺纹部分117。但是，遮断叶片130的运行路径“对应于”输出装置(杆端120)的运行路径，即使路径方向相反，因为两条路径是成比例的。类似的，在图2中所示的旋转致动器实施例中，叶片38的旋转路径扫略的半径宽于输出轴16的路径，但是两个路径也是成比例的。在其它实施例中，遮断叶片和输出装置的运行路径可以基本相同。同样在其它实施例中，遮断叶片可以具有旋转路径而输出装置包括线性路径，或者相反。然而，在所有实施例中，可以说，遮断叶片行程的路径对应于输出装置的运动。

应注意，图1-6中示出的特殊旋转致动器的实施例和图7A-7C中示出的线性致动器实施例仅仅作为示例，而且无限多个其它实施例可以被提供。还应进一步了解，本领域的技术人员还可以设计无限多个传动机构，用以将电机的旋转输出转换为输出装置沿所需路径的所需运动，而且本发明不仅仅局限于任何特殊构件的应用。

尽管此处介绍的优选实施例中遮断式开关包括光遮断式开关，其它类型的遮断式开关也可以被应用。例如霍尔效应传感器遮断式开关可以包括发射磁场的磁场源，检测磁场的检测器和吸收磁场的遮断叶片。在所有其它方面，包括霍尔效应遮断式开关的本发明可以与此处介绍的和示出的光遮断式开关的实施例相同。

此处已经示出并介绍了本发明的实施例，应了解，这些实施例仅仅被用作示例。对本领域的技术人员来说，不偏离本发明精神的众多变更、变化和替代都可能会发生。因此，应当认为权利要求包含了在本发明精神和范围内的这些变更。

Claims

1.一种致动器，包括：

电机，用于旋转通过传动机构而与输出装置连接的输入轴；

遮断叶片，与输出装置连接并被构造成沿着对应于输出装置运动的路径运行；

至少两个遮断式开关，它们在对应于输出装置的行程极限的位置沿遮断叶片的路径相互隔开，每个遮断式开关包括：发射源，与发射源隔开的检测器，和对准遮断叶片的运行路径并位于发射源和检测器之间的遮断通道，当输出装置被置于相应的行程极限时，遮断叶片被置于遮断通道内，每个遮断式开关适于指示检测器是否检测到从发射源发出的射线；以及

控制器，与电源和遮断式开关连接，用于响应于指令信号向电机提供电压，以及响应于从所述遮断式开关之一发出的遮断叶片位于或接近于某个行程极限的指示而将电机断电。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中致动器包括旋转致动器，并且输出装置包括旋转输出轴，遮断叶片被固定于输出轴上并由输出轴径向向外延伸，以使遮断叶片沿旋转路径运行，而且遮断式开关由输出轴径向隔开，并且彼此之间旋转隔开，以使每个遮断通道径向对准遮断叶片的旋转路径。

3.根据权利要求1所述的致动器，其中致动器包括线性致动器，并且输出装置具有线性路径。

4.根据权利要求1所述的致动器，其中遮断式开关为光遮断式开关，发射源包括光源，并且检测器包括光电检测器。

5.根据权利要求1所述的致动器，其中发射源为发光二极管。

6.根据权利要求5所述的致动器，其中发光二极管被构造成主要发射红外线。

7.根据权利要求1所述的致动器，其中遮断式开关信号发射器被构造成指示所检测到的一定比例的量的发射源射线。

8.根据权利要求1所述的致动器，其中控制器被构造成响应于从遮断式开关发出的关于小于全发射源射线量的预定量发射源射线被检测到的指示而将电机断电。

9.根据权利要求8所述的致动器，其中控制器被构造成响应于遮断式开关发出的、与全发射源射线量相比所检测到的预定量发射源射线更接近于零发射源射线量的指示而将电机断电。

10.根据权利要求1所述的致动器，其中控制器被构造成，当输出装置被置于第一极限位置时，以第一电压向电机供电，当输出装置被置于第二极限位置时，以第二电压向电机供电。

11.根据权利要求10所述的致动器，其中第二电压与第一电压极性相反、量值相等。

12.根据权利要求10所述的致动器，其中控制器包括H桥电路。

13.根据权利要求12所述的致动器，其中控制器还包括一个或多个电路，用以实现监视电机电流、箝制致动器控制电压的电压尖锋、封锁不合适的控制信号或这些功能的组合。

14.根据权利要求1所述的致动器，其还包括对应于每个遮断式开关的位置指示器。

15.根据权利要求14所述的继电器，其中指示器包括MOSFET开关。

16.根据权利要求2所述的致动器，其中遮断式开关彼此之间旋转间隔90度。

17.根据权利要求2所述的致动器，其中输出装置与阀相连。

18.根据权利要求1所述的致动器，其中致动器被构造成适用于航空领域。

19.根据权利要求1所述的致动器，其中电机包括直流电机。

20.根据权利要求2所述的致动器，其中传动机构包括一组行星齿轮。

21.根据权利要求3所述的致动器，其中输出装置具有被第一螺杆驱动的线性运动，而遮断叶片具有被第二螺杆驱动的线性运动。

22.根据权利要求21所述的致动器，其中输出装置沿着在第一方向具有第一长度的第一路径移动，而遮断叶片沿着在第二方向具有第二长度的第二路径移动，其中，具有下面三个特征中的一个：(a)第一长度不等于第二长度；(b)第一方向不同于第二方向；(c)上述(a)与(b)之间的组合。

23.根据权利要求1所述的致动器，其中控制器除了将电机断电外，还被构造成提供电机的动态制动。

24.根据权利要求23所述的致动器，其中控制器被构造成通过将电机终端短接在一起而启动动态制动。

25.根据权利要求23所述的致动器，其中遮断式开关信号发射器被构造成指示检测到的一定比例的量的发射源射线，而控制器被构造成响应于下述指示而启动动态制动，即从遮断式开关发出的有关所检测到的预定量发射源射线小于全发射源射线量、且与全发射源射线量相比更接近于零发射源射线量的指示。

26.一种包括一个或多个致动器的飞机，每个致动器包括：

电机，用于旋转通过传动机构而与输出装置连接的输入轴；

27.一种用于操作阀的旋转致动器，致动器包括：

电机，用于旋转与阀相连的驱动轴；

遮断叶片，被固定于驱动轴上并径向向外延伸，遮断叶片被构造成沿旋转路径运行；

一对光遮断式开关，它们由所述轴径向隔开，并在对应于所述轴的行程极限位置上沿遮断叶片的旋转路径被相互隔开，每个光遮断式开关包括：光源，与光源隔开并适于传送与被光电晶体管检测到的光量呈比例的电压的光电晶体管，以及径向对准遮断叶片的旋转路径并位于光源和光电晶体管之间的遮断通道，当所述轴被置于相应的行程极限时，遮断叶片被置于遮断通道内；以及

控制器，与电源和光遮断式开关相连，用于响应于指令信号向电机提供电压，和响应于没有从其中任何一个光遮断式开关接收到电流而将电机断电和启动动态制动，该控制器被构造成，当在没有临界电压来自第一个所述遮断式开关的情况下接收到指令信号时，以第一电压向电机供电，当在没有临界电压来自第二个所述遮断式开关的情况下接收指令信号时，供应与第一电压极性相反、量值相等的第二电压，该控制器还适于响应于下述指示而启动动态制动，即从遮断式开关发出的关于所检测到的预定量的发射源射线小于全发射源射线量、且与全发射源射线量相比更接近于零发射源射线量的指示。