DE102010024557B4

DE102010024557B4 - Aktuatorsystem mit Formgedächtnislegierungsmaterial und Überlastschutzschema

Info

Publication number: DE102010024557B4
Application number: DE102010024557.7A
Authority: DE
Inventors: Lei Hao; Chandra S. Namuduri; Kenneth J. Shoemaker; Suresh Gopalakrishnan; Sanjeev M. Naik; Xiujie Gao; Paul W. Alexander; Richard J. Skurkis; Tony J. Deschutter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: US8436571B2; CN101936275B; US20100326070A1; CN101936275A; DE102010024557A1

Abstract

Aktuatorsystem, umfassend: eine Vorrichtung, die ein bewegbares Element umfasst, das ausgestaltet ist, die Lage des bewegbaren Elements in Ansprechen auf eine lineare Verschiebung eines festen Punktes an dem bewegbaren Element relativ zu einem festen Punkt an der Vorrichtung zu ändern; einen Linearaktuator, der ein Drahtkabel umfasst, das aus einem Formgedächtnislegierungsmaterial gefertigt ist und ein erstes Ende, das mechanisch mit dem festen Punkt an der Vorrichtung gekoppelt ist, und ein zweites Ende umfasst, das mechanisch mit dem festen Punkt an dem bewegbaren Element gekoppelt ist, wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal eine Dehnung in dem Linearaktuator induziert, und der Linearaktuator ausgestaltet ist, um den festen Punkt an dem bewegbaren Element in Ansprechen auf die induzierte Dehnung relativ zu dem festen Punkt an der Vorrichtung linear zu verschieben; einen Lagerückkopplungssensor, der ausgestaltet ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Ist-Lage des bewegbaren Elements angibt, und signaltechnisch mit einem Aktivierungs-Controller verbunden ist; und wobei der Aktivierungs-Controller elektrisch mit dem Linearaktuator verbunden und ausgestaltet ist, um das Aktivierungssignal zu erzeugen und somit das bewegbare Element in eine Vorzugslage zu bewegen, wobei der Aktivierungs-Controller ferner ein Überlastschutzschema umfasst, das ausgestaltet ist, um das Aktivierungssignal zu deaktivieren, wenn das bewegbare Element die Vorzugslage nicht erreicht, wobei eine Ableitung der Ist-Lage des bewegbaren Elements nach der Zeit berechnet wird, um zu ermitteln, ob eine Änderung der Lage des bewegbaren Elements stattgefunden hat, wobei ein Zeitzähler inkrementiert wird und der Zeitzähler mit einem Schwellenwert verglichen wird, wenn keine Änderung der Lage des bewegbaren Elements stattgefunden hat, und ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Aktuatorsystem mit einem Formgedächtnislegierungsmaterial und einem Überlastschutzschema.
HINTERGRUND
Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungsmaterialien (SMA-Materialien) umfassen, sind Zusammensetzungen, die eine Änderung in den Materialeigenschaften, z. B. Steifigkeit, Form und/oder Abmessung in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zeigen. Ein Aktivierungssignal kann eines oder mehrere von elektrischen, magnetischen, thermischen und anderen Signalen umfassen und kann passiv oder aktiv zu einem aktiven Material übermittelt werden, um eine Änderung in der Materialeigenschaft zu bewirken.
Formgedächtnislegierungsmaterialien (SMA-Materialien) beziehen sich auf eine Gruppe von Metallmaterialien, die eine reversible Änderung in einer charakteristischen Eigenschaft erfahren, wenn sie durch einen externen Stimulus aktiviert werden, was die Fähigkeit einschließt, in eine zuvor definierte Form oder Abmessung zurückzukehren, wenn sie einem Aktivierungssignal, z. B. einem thermischen Aktivierungssignal ausgesetzt werden.
SMA-Materialien erfahren Phasenübergänge, die zu Änderungen der Fließgrenze, Steifigkeit, Abmessung und Form in Ansprechen auf die Temperatur führen. SMA-Materialien können in mehreren unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen, die Martensit- und Austenitphasen einschließen, existieren. Die Martensitphase bezieht sich auf eine stärker verformbare und weniger steife Phase, die bei niedrigeren Materialtemperaturen auftritt. Die Austenitphase bezieht sich auf eine steifere und starrere Phase, die bei höheren Materialtemperaturen auftritt. Es gibt Umwandlungstemperaturbereiche, die Anfangstemperaturen und Endtemperaturen umfassen, über die sich die Formgedächtnislegierung zwischen den Martensit- und Austenitphasen umwandelt. Ein SMA-Material in der Martensitphase wechselt mit zunehmender Materialtemperatur über einen Austenitumwandlungstemperaturbereich in die Austenitphase. Ein SMA-Material in der Austenitphase wechselt mit abnehmender Temperatur über einen Martensitumwandlungstemperaturbereich in die Austenitphase. Eine Formgedächtnislegierung weist in der Martensitphase einen niedrigeren Elastizitätsmodul und in der Austenitphase einen höheren Elastizitätsmodul auf.
SMA-Materialien können Metalllegierungen, die Metalle der Platin-Gruppe einschließen, umfassen. Bekannte SMA-Materialien umfassen auch bestimmte Kupferlegierungen (CuAlZn) und Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, wie etwa nahezu gleichatomiges NiTi, das als Nitinol bekannt ist, und einige ternäre Legierungen, wie etwa NiTiCu und NiTiNb. SMA-Materialien, die NiTi umfassen, können großen Spannungen standhalten und können Dehnungen nahe bei 8% für eine Verwendung mit wenig Zyklen oder bis zu etwa 2,5% für eine Verwendung mit vielen Zyklen wiederherstellen.
SMA-Materialeigenschaften umfassen große wiederherstellbare Dehnungen aufgrund kristallografischer Umwandlungen zwischen den Martensit- und Austenitphasen. Infolgedessen können SMA-Materialien große reversible Formänderungen oder eine große Krafterzeugung liefern. Das SMA-Materialverhalten liegt aufgrund einer reversiblen thermoelastischen kristallinen Phasenumwandlung zwischen einer stark symmetrischen Elternphase, d. h. der Austenitphase, und einer schwach symmetrischen Produktphase, d. h. der Martensitphase vor. Die Phasenwechsel zwischen den Austenit- und Martensitphasen treten infolge von Änderungen in entweder der Spannung oder der Temperatur auf.
Bekannte Verfahren zum Steuern der Aktivierung von SMA-Materialien umfassen Vorrichtungen auf mechanischer Basis, einschließlich einen Mikroschalter. Zu bekannten Mikroschaltern gehört eine schlechte Steuerung mit Ein-/Aus-Strategien, die auf der Endlage des Aktuators beruhen. Ein Überlastschutzmechanismus wird häufig angewandt, um die schlechte Steuerbarkeit eines Mikroschalters zu bekämpfen, was die Kosten, Größe und Komplexität erhöht.
Herkömmliche Aktuatorsysteme mit Formgedächtnislegierungsmaterialien sind aus den Druckschriften DE 10 2004 018 110 A1 und DE 10 2006 039 532 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aktuatorsystem umfasst eine Vorrichtung mit einem bewegbaren Element, das ausgestaltet ist, die Lage des bewegbaren Elements in Ansprechen auf eine lineare Verschiebung eines festen Punktes an dem bewegbaren Element relativ zu einem festen Punkt an der Vorrichtung zu ändern. Ein Linearaktuator umfasst ein Drahtkabel, das aus einem Formgedächtnislegierungsmaterial gefertigt ist und ein erstes Ende aufweist, das mechanisch mit dem festen Punkt an der Vorrichtung gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das mechanisch mit dem festen Punkt an dem bewegbaren Element gekoppelt ist. Das Formgedächtnislegierungsmaterial induziert in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal eine Dehnung in dem Linearaktuator, und der Linearaktuator ist ausgestaltet, um den festen Punkt an dem bewegbaren Element in Ansprechen auf die induzierte Dehnung relativ zu dem festen Punkt an der Vorrichtung linear zu verschieben. Ein Lagerückkopplungssensor ist ausgestaltet, um ein Signal zu erzeugen, das eine Ist-Lage des bewegbaren Elements angibt, und ist signaltechnisch mit einem Aktivierungs-Controller verbunden. Der Aktivierungs-Controller ist elektrisch mit dem Linearaktuator verbunden und ist ausgestaltet, um das Aktivierungssignal zu erzeugen und somit das bewegbare Element in eine Vorzugslage zu bewegen.
Der Aktivierungs-Controller umfasst ferner ein Überlastschutzschema, das ausgestaltet ist, um das Aktivierungssignal zu deaktivieren, wenn das bewegbare Element die Vorzugslage nicht erreicht. Dazu wird eine Ableitung der Ist-Lage des bewegbaren Elements nach der Zeit berechnet, um zu ermitteln, ob eine Änderung der Lage des bewegbaren Elements stattgefunden hat. Ein Zeitzähler wird inkrementiert und mit einem Schwellenwert verglichen, wenn keine Änderung der Lage des bewegbaren Elements stattgefunden hat. Ein Überlastereignis wird detektiert und das Überlastschutzschema deaktiviert das Aktivierungssignal, wenn keine Änderung der Lage des bewegbaren Elements stattgefunden hat und der Zeitzähler den Schwellenwert übersteigt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine dreidimensionale graphische Darstellung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die Spannung (σ), Dehnung (ε) und Temperatur (T(°C)) für ein Drahtkabel angibt, das aus einem beispielhaften SMA-Material gefertigt ist, das sowohl einen Formgedächtniseffekt als auch einen superelastischen Effekt unter unterschiedlichen Bedingungen von Last und Temperatur zeigt;
2 ein Aktuatorsystem für eine Vorrichtung, die ein Gehäuse mit einem drehbaren Element umfasst, das mit einem SMA-Linearaktuator verbunden ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 und 4 jeweils ein ausführliches schematisches Diagramm eines Steuerkreises gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen, der einen Aktivierungs-Controller umfasst, um eine Lage einer Vorrichtung unter Verwendung eines SMA-Linearaktuators zu steuern; und
5 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Überlastschutzschemas gemäß der vorliegenden Offenbarung ist, wobei ein Aktivierungs-Controller betrieben wird, um einen Einschaltstrom, der auf den SMA-Linearaktuator übertragen wird, zu steuern.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen das gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen, ist 1 eine dreidimensionale graphische Darstellung, die Spannung (σ), Dehnung (ε) und Temperatur (T(°C)) für einen Drahtkabel angibt, das aus einem beispielhaften SMA-Material gefertigt ist, das sowohl einen Formgedächtniseffekt als auch einen superelastischen Effekt unter unterschiedlichen Bedingungen von Last und Temperatur zeigt. Zwischen Bezugspunkten a und f wird eine zuvor induzierte Dehnung bei niedrigerer Temperatur mit einer Temperaturzunahme wiederhergestellt. Zwischen Bezugspunkten f und g wird eine Zuglast auf das SMA-Kabel in seiner Austenitphase aufgebracht, was eine Dehnung zwischen Bezugspunkten f und h ergibt. Während es bei einer konstanten Temperatur verbleibt, wird das SMA-Kabel zwischen Bezugspunkten h und f teilweise entlastet, wobei ein Großteil der induzierten Dehnung zwischen den Bezugspunkten i und j wiederhergestellt wird. Während es noch bei der konstanten Temperatur bleibt, wird das SMA-Kabel zwischen Bezugspunkten j und f vollständig entlastet, wobei die Dehnung in der Austenitphase vollständig wiederhergestellt wird. Zwischen Bezugspunkten f und a wird das SMA-Kabel auf eine materialspezifische Temperatur abgekühlt, wobei das Material die Phase von der Austenitphase in die Martensitphase ändert. Somit kann das SMA-Material angewandt werden, um eine Formänderung zu bewirken, die in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal, z. B. einen elektrischen Einschaltstrom, induziert wird, welcher eine Wärmezunahme oder eine Wärmeabnahme in dem SMA-Material bewirkt. Wie es nachstehend beschrieben wird, kann ein SMA-Material in einer physikalischen Einspannanwendung angewandt werden, um eine Spannung zwischen verbundenen Konstruktionselementen in Ansprechen auf das Aktivierungssignal zu induzieren.
2 zeigt ein Aktuatorsystem für eine Vorrichtung 10, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ausgestaltet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 32, das ein drehbares Element 34 umfasst, das in dem Gehäuse 32 an einer Achse 39 schwenkbar montiert ist. Das Gehäuse 32 umfasst Innen- bzw. Außenflächen 33 bzw. 31. Das drehbare Element 34 ist bevorzugt in der Innenfläche 33 des Gehäuses 32 eingeschlossen. Das Aktuatorsystem umfasst einen SMA-Linearaktuator 30, der elektrisch mit einem Aktivierungs-Controller 40 verbunden ist. Der SMA-Linearaktuator 30 ist mit einer Seite des drehbaren Elements 34 verbunden, und ein mechanisches Vorspannelement 44 ist mechanisch mit dem drehbaren Element 34 auf einer entgegengesetzten Seite relativ zu der Achse 39 gekoppelt. Der SMA-Linearaktuator 30 und das Vorspannelement 44 bringen entgegengesetzte Zugkräfte über einen Drehpunkt entsprechend der Achse 39 auf, was zu entgegengesetzten Drehmomentarmen führt. Ein Lagerückkopplungssensor 50 ist ausgestaltet, um die Lage der drehbaren Vorrichtung 34, z. B. eine Drehlage, zu überwachen. Der Aktivierungs-Controller 40 überwacht einen Signaleingang von dem Lagerückkopplungssensor 50 und erzeugt ein Aktivierungssignal V_CMD, das einen Einschaltstrom steuert, um den SMA-Linearaktuator 30 zu aktivieren.
Der SMA-Linearaktuator 30 umfasst ein Drahtkabel, das aus einer einzigen Litze oder mehreren Litzen aus aktivem Material, das bevorzugt ein SMA-Material umfasst, gefertigt ist. Ein erstes Ende 30A des SMA-Linearaktuators 30 ist mechanisch mit einem festen Ankerpunkt 37 an der Vorrichtung 10 gekoppelt. Ein zweites Ende 30B des SMA-Linearaktuators 30 ist mechanisch mit einem festen Ankerpunkt 35 an der drehbaren Vorrichtung 34 gekoppelt. Der SMA-Linearaktuator 30 induziert ein Drehmoment an der drehbaren Vorrichtung 34 relativ zu der Achse 39, wenn er aktiviert ist, was bewirkt, dass ein Element 34A der drehbaren Vorrichtung 34 rotiert. Alternative Ausführungsformen von aktiven Materialien umfassen elektroaktive Polymere (EAPs), piezoelektrische, magnetostriktive und elektrorestriktive Materialien. Es ist festzustellen, dass Elemente mit aktivem Material in einer breiten Vielfalt von Formen abhängig von der gewünschten Funktion der Vorrichtung und der von dem Element erforderlichen Aktivierungskraft genutzt werden können.
Der Aktivierungs-Controller 40 ist elektrisch mit dem SMA-Linearaktuator 30 an dem ersten Ende 30A und an dem zweiten Ende 30B angeschlossen und erzeugt das Aktivierungssignal V_CMD, das den Einschaltstrom steuert, um den SMA-Linearaktuator 30 zu aktivieren. In einer Ausführungsform fließt der Einschaltstrom, der durch das Aktivierungssignal V_CMD gesteuert wird, durch den SMA-Linearaktuator 30 und bewirkt eine Temperaturänderung darin, um in dem SMA-Linearaktuator 30 eine Dehnung zu induzieren, was bewirkt, dass er das Ende 30B relativ zu dem ersten Ende 30A entweder physikalisch ausdehnt oder zurückzieht, wodurch das Drehmoment an der drehbaren Vorrichtung 34 induziert wird, um den festen Ankerpunkt 35 relativ zu dem festen Ankerpunkt 37 an der Vorrichtung 10 linear zu verschieben. Das Aktivierungssignal V_CMD kann z. B. dazu verwendet werden, einen Gesamtbetrag eines elektrischen Stromes, der dem Einschaltstrom zugeordnet ist, zu steuern, oder einen durchschnittlichen oder RMS-Betrag des elektrischen Stromes, der dem Einschaltstrom zugeordnet ist, zu steuern, wenn der elektrische Strom pulsweitenmoduliert ist oder auf andere Weise alterniert. Es ist festzustellen, dass es andere Ausführungsformen gibt, um das Aktivierungssignal V_CMD bereitzustellen und somit den Einschaltstrom zu steuern.
In einer Ausführungsform ist der Aktivierungs-Controller 40 elektrisch mit einer Schaltvorrichtung 41 verbunden, um den Einschaltstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 in Ansprechen auf das Aktivierungssignal V_CMD zu steuern. Die Schaltvorrichtung 41 steuert den Einschaltstrom durch Steuern des elektrischen Stromflusses von einer Energiespeichervorrichtung 42, z. B. einer Batterie, zu dem ersten Ende 30A des SMA-Linearaktuators 30 an dem festen Ankerpunkt 37 über einen Kabelbaum. Wie es dargestellt ist, befindet sich die Schaltvorrichtung 41 in einem aktivierten Zustand. Die Schaltvorrichtung 41 kann irgendeine geeignete Form annehmen, einschließlich eine mechanische, elektromechanische, Leistungsschaltvorrichtung oder Festkörpervorrichtung, z. B. IGBT- und MOSFET-Vorrichtungen. Alternativ kann die Schaltvorrichtung 41 ein Spannungsregler sein.
Das Vorspannelement 44 ist mit der drehbaren Vorrichtung 34 verbunden und umfasst in einer Ausführungsform eine mechanische Federvorrichtung mit einem ersten und zweiten Ende 43 bzw. 45. Das erste Ende 43 ist mechanisch mit der drehbaren Vorrichtung 34 gekoppelt, und das zweite Ende 45 ist mechanisch an der Innenfläche 33 des Gehäuses 32 verankert.
Der Lagerückkopplungssensor 50 wird dazu verwendet, eine Lage der drehbaren Vorrichtung 34 zu überwachen, aus welcher eine Ist-Lage (PM), die dem Element 34A zugeordnet ist, ermittelt werden kann. Der Lagerückkopplungssensor 50 ist bevorzugt signaltechnisch mit dem Aktivierungs-Controller 40 verbunden. Der Lagerückkopplungssensor 50 ist in einer Ausführungsform ein Drehlagesensor, der an der Achse 39 angebracht ist, und ist ausgestaltet, um einen Drehwinkel der drehbaren Vorrichtung 34 zu messen. In einer Ausführungsform ist der Drehlagesensor 50 ein Potentiometer, das ausgestaltet ist, eine Rückkopplungslage zu liefern, und ist in das Gehäuse 32 der Vorrichtung 10 integriert. Alternativ können andere Rückkopplungssensoren einen Drehwinkel oder eine lineare Bewegung oder einen Betrag einer durch das Element 34A der drehbaren Vorrichtung 34 aufgebrachten oder ausgeübten Kraft oder ein elektrischer Strom und/oder Widerstand durch den SMA-Linearaktuator 30 überwachen, um die Lage der drehbaren Vorrichtung 34 zu erhalten. Andere Sensoren, die Signaleingänge in den Aktivierungs-Controller 40 liefern, umfassen einen Spannungsüberwachungssensor, um die Ausgangsspannung (V_B) der Energiespeichervorrichtung 42 zu überwachen, und einen Temperaturüberwachungssensor, um die Umgebungstemperatur (T_A) bei oder in der Nähe des SMA-Linearaktuators 30 zu überwachen.
Die drehbare Vorrichtung 34 rotiert um die Achse 39, wenn der SMA-Linearaktuator 30 das zweite Ende 30B relativ zu dem ersten Ende 30A in Ansprechen auf das Aktivierungssignal V_CMD von dem Aktivierungs-Controller 40 linear verschiebt, wobei die Lage des Elements 34A verändert wird.
In der gezeigten Ausführungsform verschiebt der SMA-Linearaktuator 30 die drehbare Vorrichtung 34 an dem festen Ankerpunkt 35 linear. Die lineare Verschiebung an dem festen Ankerpunkt 35 bewirkt, dass die drehbare Vorrichtung 34 um die Achse 39 rotiert, wodurch eine Rotation des Elements 34A hervorgerufen wird. Es ist festzustellen, dass alternative Ausführungsformen eine lineare Verschiebung von Vorrichtungen, die mit dem SMA-Linearaktuator 30 verbunden sind, und zugehörige Rotationen und Verschiebungen umfassen können.
Wenn der SMA-Linearaktuator 30 deaktiviert ist, übt das Vorspannelement 44 eine Vorspannkraft 94 auf die drehbare Vorrichtung 34 aus, wobei eine Spannung erzeugt wird, die dem SMA-Linearaktuator 30 eine Dehnung auferlegt und dadurch den SMA-Linearaktuator 30 streckt. Wenn der SMA-Linearaktuator 30 aktiviert ist, stellt der SMA-Linearaktuator 30 die aufgebrachte Dehnung, die dem Vorspannelement zugeordnet ist, wieder her und übt eine entgegengesetzte Kraft 96 auf das Vorspannelement 44 aus, wobei die Vorspannkraft 94 überwunden und die drehbare Vorrichtung 34 um die Achse 39 gedreht und das Element 34A gedreht oder geradlinig verschoben wird. Der Aktivierungs-Controller 40 ist ausgestaltet, um ein Bezugssignal oder ein Befehlssignal (P_C) zu empfangen, und erzeugt das Aktivierungssignal V_CMD in Ansprechen auf das Bezugssignal und das Rückkopplungssignal, das die Ist-Lage (P_M), die dem Element 34A zugeordnet ist, angibt. Das Befehlssignal (P_C) kann eine vorbestimmte diskrete Lage, die dem Element 34A zugeordnet ist, z. B. geöffnet oder geschlossen, umfassen. Alternativ kann das Befehlssignal (P_C) eine lineare Lage, die dem Element 34A zugeordnet ist, z. B. eine prozentual geöffnete oder prozentual geschlossene Lage, umfassen. Das Befehlssignal (P_C) kann durch ein anderes Steuerschema erzeugt werden oder kann durch einen Bediener über eine Benutzerschnittstelle erzeugt werden. Das Befehlssignal (P_C) kann die Vorrichtung 10 in Ansprechen auf Fahrzeugbedingungen aktivieren oder deaktivieren. Nicht einschränkende Beispiele von Fahrzeugbedingungen, die das Befehlssignal (P_C) erzeugen, umfassen ein Türöffnungs- oder Türschließereignis und ein Heckklappenöffnungs- oder Heckklappenschließereignis.
Der Aktivierungs-Controller 40 vergleicht das Rückkopplungssignal, das die Ist-Lage (P_M), die dem Element 34A zugeordnet ist, angibt, und das Befehlssignal (P_C) und erzeugt dementsprechend das Aktivierungssignal V_CMD. Das Aktivierungssignal V_CMD wird dazu verwendet, einen Einschaltstrom über den SMA-Linearaktuator 30 hinweg zu erzeugen, indem elektrische Leistung unter Verwendung von Pulsweitenmodulation (PWM) oder Spannungsregelung gesteuert wird. Der Aktivierungs-Controller 40 umfasst bevorzugt einen Mikrocontroller, um einen Steueralgorithmus auszuführen, und einen elektrischen Schaltkreis, um das Aktivierungssignal V_CMD zu erzeugen, das an eine Leistungsstufe, z. B. einen PWM-Controller, übermittelt wird, um den Einschaltstrom, der durch den SMA-Linearaktuator 30 fließt, freizugeben und zu sperren. Eine Ableitung des Lagesignals der Ist-Lage (PM) nach der Zeit kann für einen Überlastschutz und eine genaue Steuerung verwendet werden.
3 zeigt ein ausführliches schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Steuerkreises für den Aktivierungs-Controller 40, um die Lage einer Vorrichtung zu steuern, z. B. um die Lage des Elements 34A der drehbaren Vorrichtung 34 zu steuern. Der Aktivierungs-Controller 40 umfasst einen Steuerkreis, um das Aktivierungssignal V_CMD zu erzeugen und somit einen PWM-Generator 58 zu steuern, der den Einschaltstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 über eine Schaltvorrichtung 41 steuert. Alternativ umfasst der Aktivierungs-Controller 40 einen Steuerkreis, um das Aktivierungssignal V_CMD zu erzeugen, welcher eine Spannungsreglervorrichtung umfassen kann, die den Einschaltstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 steuert.
Es wird ein Befehlssignal (P_C) erzeugt, das eine Vorzugslage einer Vorrichtung, z. B. eine Vorzugslage des Elements 34A der drehbaren Vorrichtung 34, sein kann. Der Lagerückkopplungssensor 50 misst ein Eingangssignal, das in einen Signalverarbeitungsschaltkreis 93 eingegeben wird, aus welchem eine Ist-Lage (P_M) eines interessierenden Elements, z. B. die Lage des Elements 34A der drehbaren Vorrichtung 34, ermittelt wird. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 93 überwacht auch Signaleingänge von einem Versorgungsspannungssignal 52 und einem Umgebungstemperatursensor 54, um ein Spannungspotential (V_B) und eine Umgebungstemperatur (T) zu ermitteln.
Die Ist-Lage (P_M) und die Vorzugslage (P_C) werden unter Verwendung einer Differenzeinheit 51 verglichen, die eine Lagedifferenz (Fehler) ermittelt, die in einen Fehlerverstärker 72 eingegeben wird. Der Fehlerverstärker 72 umfasst bevorzugt einen PI-Regler oder Controller und erzeugt ein Steuersignal, das an einen Signalbegrenzer 74 übermittelt wird. Der Signalbegrenzer 74 legt dem Steuersignal Grenzen auf, die maximale und minimale Steuersignalwerte umfassen, die dem Spannungspotential (V_B) und der Umgebungstemperatur (T) zugeordnet sind. Ein Überlastschutzschema 91 überwacht das Steuersignal im Kontext des Spannungspotentials (V_B), das von der Energiespeichervorrichtung 42 ausgegeben wird, der Umgebungstemperatur (T) und der Ist-Lage (P_M) des Elements 34A der drehbaren Vorrichtung 34, um eine mechanische Überlastbedingung zu detektieren und einen Überlastschutz auszuführen und somit zu verhindern, dass ein Steuersignal befohlen wird, das den SMA-Linearaktuator 30 mechanisch überlasten kann. Ein abschließendes Steuersignal, d. h. das Aktivierungssignal V_CMD, umfasst ein Tastverhältnis-Steuersignal zum Steuern des SMA-Linearaktuators 30, das an einen Aktuator, z. B. den PWM-Generator 58 oder die zugeordnete Schaltvorrichtung 41, ausgegeben wird. Ein beispielhaftes Überlastschutzschema wird anhand von 5 beschrieben.
4 ist ein schematisches Diagramm, das Details einer Ausführungsform eines Steuerkreises 38 zeigt, der von dem Aktivierungs-Controller 40 verwendet wird, um den Einschaltstrom zu steuern, der zu dem SMA-Linearaktuator 30 einschließlich dem Lagesensor 50 übertragen wird. Der Lagesensor 50 ist eine Potentiometervorrichtung, die ausgestaltet ist, um als eine Drehlage erfassende Vorrichtung zu arbeiten, wie es gezeigt ist. Der Steuerkreis 38 umfasst eine Linearkomparatorvorrichtung 102, die in einer Ausführungsform ein Operationsverstärker sein kann. Die Energiespeichervorrichtung 42 führt eine Ausgangsspannung (V_C) zu, um dem Lagesensor 50 und der Linearkomparatorvorrichtung 102 elektrische Leistung zu liefern. Die Ausgangsspannung (V_C) kann 0 V DC sein, welche den Steuerkreis 38 deaktiviert, um den SMA-Linearaktuator 30 in einen ausgedehnten Zustand (A) mit einer entsprechenden Rotation des drehbaren Elements 34 zu steuern. Die steuerbare Ausgangsspannung (V_C) kann 5 V DC oder ein anderer geeigneter Spannungspegel sein, um den Steuerkreis 38 zu aktivieren und somit den SMA-Linearaktuator 30 in einen zusammengezogenen Zustand (B) mit einer entsprechenden Drehung des drehbaren Elements 34 zu steuern.
Wenn die Energiespeichervorrichtung 42 die Ausgangsspannung (V_C) steuert, um den Steuerkreis 38 zu aktivieren, wird elektrische Leistung an den SMA-Linearaktuator 30 geliefert, was bewirkt, dass er sich zusammenzieht. Der Lagesensor 50 erzeugt einen Signaleingang in den positiven (+) Eingang der Linearkomparatorvorrichtung 102. Ein Signaleingang in den negativen (–) Eingang der Linearkomparatorvorrichtung 102 ist eine kalibrierbare Bezugsspannung, die unter Verwendung einer Vorrichtung mit variablem Widerstand 108 eingestellt werden kann, die einen Spannungsteiler bildet. Es ist festzustellen, dass der Bezugsspannungseingang in den negativen (–) Eingang der Linearkomparatorvorrichtung 102 unter Verwendung anderer Vorrichtungen und Verfahren erzeugt werden kann. Die Bezugsspannung in den negativen (–) Eingang der Linearkomparatorvorrichtung 102 steuert den SMA-Linearaktuator 30 auf eine vorbestimmte Länge, die dem zurückgezogenen Zustand (B) zugeordnet ist, und rotiert das drehbare Element 34 entsprechend, wenn der Steuerkreis 38 aktiviert ist, indem elektrische Leistung über die Energiespeichervorrichtung 42 geliefert wird. Der Komparator 102 erzeugt eine Ausgangsspannung, die dem Aktivierungssignal V_CMD entspricht, die in einer Ausführungsform in einen optionalen Schaltkreistreiber eingegeben werden kann. Der Spannungsbegrenzer 74, der in einer Ausführungsform in der Form einer Widerstandsvorrichtung vorliegt, ist elektrisch zwischen das zweite Ende 30B des SMA-Linearaktuators 30 und die Energiespeichervorrichtung 42 geschaltet. Es gibt einen Pull-Up-Widerstand 76, der elektrisch zwischen die Energiespeichervorrichtung 42 und den Ausgangs-Pin des Komparators 102 geschaltet ist.
Der SMA-Linearaktuator 30 umfasst ein erstes und zweites Ende 30A bzw. 30B, wobei das zweite Ende 30B mechanisch mit dem festen Ankerpunkt 35 an der drehbaren Vorrichtung 34 gekoppelt ist und das erste Ende 30A mechanisch an dem festen Ankerpunkt 37 an der Innenfläche des Gehäuses 32 verankert ist. Die Rückkopplungsspannung von dem Lagesensor 50 wird in den Komparator 102 eingegeben, wobei die Rückkopplungsspannung mit der Bezugsspannung verglichen wird. Die Komparatorvorrichtung 102 erzeugt das Aktivierungssignal V_CMD und ist signaltechnisch mit einem Schaltkreistreiber (Treiber) 59 verbunden, um die Schaltvorrichtung 41 zu steuern und somit elektrische Leistung für den SMA-Linearaktuator 30 in Ansprechen auf das Aktivierungssignal V_CMD zu steuern. Alternativ können der Schaltkreistreiber (Treiber) 59 und der Schalter 41 durch eine Spannungsreglervorrichtung ersetzt sein, um den Einschaltstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 zu steuern. Der Komparator 102 ist ausgestaltet, um den Einschaltstrom und die zugeordnete Materialtemperatur und somit die Länge des SMA-Linearaktuators 30 zu steuern. Da die Rückkopplungsspannung von dem Lagesensor 50 dazu verwendet wird, die Länge des SMA-Linearaktuators 30 zu steuern, werden jegliche äußere Kräfte, wie Temperatur oder Luftströme, intern kompensiert. Solange im Betrieb die Rückkopplungsspannung von dem Lagesensor 50 kleiner als die Bezugsspannung ist, steuert das Aktivierungssignal V_CMD die Schaltvorrichtung 41, um den Einschaltstrom über den SMA-Linearaktuator 30 hinweg zu übertragen. Wenn die Rückkopplungsspannung von dem Lagesensor 50 größer als die Bezugsspannung ist, fällt das Aktivierungssignal V_CMD, das von dem Komparator 102 ausgegeben wird, auf Null, was dazu dient, die Schaltvorrichtung 41 zu deaktivieren und somit den Einschaltstrom über den SMA-Linearaktuator 30 hinweg zu unterbrechen und zu beenden. Das drehbare Element 34 ist in der ersten Lage (A), die dem deaktivierten Zustand zugeordnet ist, und der zweiten Lage (B), die dem aktivierten Zustand zugeordnet ist, gezeigt, die in einer Ausführungsform der Bezugsspannung des Spannungsteilers 108 bei 0 V DC bzw. 5 V DC entsprechen.
5 zeigt schematisch ein Flussdiagramm 800, das ein beispielhaftes Überlastschutzschema umfasst. Das Flussdiagramm 800 beschreibt den Betrieb des Aktivierungs-Controllers 40, um den Einschaltstrom zu steuern, der zu dem SMA-Linearaktuator 30 übertragen wird, einschließlich die Überwachung einer Lage der drehbaren Vorrichtung 34, die mechanisch mit dem SMA-Linearaktuator 30 gekoppelt ist, unter Verwendung des Lagesensors 50. Der Lagesensor 50 liefert eine Rückkopplung für den Aktivierungs-Controller 40, die eine Ist-Lage der drehbaren Vorrichtung 34 beschreibt. Während des andauernden Systembetriebs (810) kann es eine von einem Benutzer eingeleitete Aktivierung (812) geben, die eine Bewegung der drehbaren Vorrichtung 34 in eine Vorzugslage anfordert. Es ist festzustellen, dass die von einem Benutzer eingeleitete Aktivierung (812) von einer Bedienereingabe in eine Mensch-Maschinen-Schnittstellenvorrichtung ausgehen kann, oder alternativ die von einem Benutzer eingeleitete Aktivierung (812) von einer anderen Vorrichtung ausgehen kann. Die Vorzugslage kann eine feste Lage sein, oder alternativ kann die Vorzugslage einem Lageprofil zugeordnet sein, das auf einer verstrichenen Aktivierungszeit beruht.
Der Aktivierungs-Controller 40 berechnet ein Steuersignal zum Steuern der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 und steuert den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (814). Ein Signalausgang (Rückkopplung) von dem Lagesensor 50 wird mit einem Bezugssignal (Bezug), das der drehbaren Vorrichtung 34 an der Vorzugslage entspricht, verglichen (816).
Während der Aktivierung wird der Signalausgang des Lagesensors 50 überwacht, um zu ermitteln, ob es eine Lageänderung der drehbaren Vorrichtung 34 gegeben hat (Rückkopplung Änderung) (818). Der Signalausgang des Lagesensors 50 kann überwacht werden, um zu ermitteln, ob es eine unterscheidbare Lageänderung der drehbaren Vorrichtung 34 seit einer vorherigen Iteration gegeben hat. Erfindungsgemäß wird der Signalausgang des Lagesensors 50 über die Zeit überwacht, und eine Ableitung der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 nach der Zeit wird berechnet, um zu ermitteln, ob es eine unterscheidbare Änderung der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 gegeben hat.
Solange es eine unterscheidbare Änderung der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 gibt, berechnet der Aktivierungs-Controller 40 ein Steuersignal zum Steuern der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 und steuert den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (814). Wenn es keine unterscheidbare Änderung der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 gibt, wird ein Zeitzähler inkrementiert (819), und der Zeitzähler wird mit einem Schwellenwert verglichen (821). Wenn es keine unterscheidbare Änderung der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 gibt und der Zeitzähler den Schwellenwert übersteigt, detektiert der Aktivierungs-Controller 40 ein Überlastereignis und unterbricht den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (822). Wenn der Signalausgang (Rückkopplung) von dem Lagesensor 50 gleich dem Bezugssignal (Bezug) ist, wird ermittelt, ob der Benutzer ein Ende der Betätigung eingeleitet hat (822). Wenn es kein von einem Benutzer eingeleitetes Ende der Betätigung gibt, berechnet der Aktivierungs-Controller 40 ein Steuersignal zum Steuern der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 und steuert den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (814). Wenn der Benutzer ein Ende der Betätigung eingeleitet hat, was angibt, dass die drehbare Vorrichtung 34 in der Vorzugslage positioniert ist, unterbricht der Aktivierungs-Controller 40 den Aktivierungsstrom zu dem SMA-Linearaktuator 30 (824).
In einer alternativen Ausführungsform wird der Signalausgang (Rückkopplung) von dem Lagesensor 50 mit dem Bezugssignal (Bezug) verglichen, das der drehbaren Vorrichtung 34 an der Vorzugslage entspricht, wobei die Vorzugslage dem vorstehend erwähnten Lageprofil auf der Basis einer verstrichenen Aktivierungszeit des Aktivierungssignals zugeordnet ist (816). In einer Ausführungsform umfasst das Lageprofil die Vorzugslage, die sich monoton über die verstrichene Aktivierungszeit des Aktivierungssignals ändert. Eine unterscheidbare Änderung der Lage der drehbaren Vorrichtung 34 ist als eine Änderung der Lage der drehbaren Vorrichtung definiert, die dem Lageprofil entspricht.

Claims

Aktuatorsystem, umfassend: eine Vorrichtung, die ein bewegbares Element umfasst, das ausgestaltet ist, die Lage des bewegbaren Elements in Ansprechen auf eine lineare Verschiebung eines festen Punktes an dem bewegbaren Element relativ zu einem festen Punkt an der Vorrichtung zu ändern; einen Linearaktuator, der ein Drahtkabel umfasst, das aus einem Formgedächtnislegierungsmaterial gefertigt ist und ein erstes Ende, das mechanisch mit dem festen Punkt an der Vorrichtung gekoppelt ist, und ein zweites Ende umfasst, das mechanisch mit dem festen Punkt an dem bewegbaren Element gekoppelt ist, wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal eine Dehnung in dem Linearaktuator induziert, und der Linearaktuator ausgestaltet ist, um den festen Punkt an dem bewegbaren Element in Ansprechen auf die induzierte Dehnung relativ zu dem festen Punkt an der Vorrichtung linear zu verschieben; einen Lagerückkopplungssensor, der ausgestaltet ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Ist-Lage des bewegbaren Elements angibt, und signaltechnisch mit einem Aktivierungs-Controller verbunden ist; und wobei der Aktivierungs-Controller elektrisch mit dem Linearaktuator verbunden und ausgestaltet ist, um das Aktivierungssignal zu erzeugen und somit das bewegbare Element in eine Vorzugslage zu bewegen, wobei der Aktivierungs-Controller ferner ein Überlastschutzschema umfasst, das ausgestaltet ist, um das Aktivierungssignal zu deaktivieren, wenn das bewegbare Element die Vorzugslage nicht erreicht, wobei eine Ableitung der Ist-Lage des bewegbaren Elements nach der Zeit berechnet wird, um zu ermitteln, ob eine Änderung der Lage des bewegbaren Elements stattgefunden hat, wobei ein Zeitzähler inkrementiert wird und der Zeitzähler mit einem Schwellenwert verglichen wird, wenn keine Änderung der Lage des bewegbaren Elements stattgefunden hat, und wobei ein Überlastereignis detektiert wird und das Überlastschutzschema das Aktivierungssignal deaktiviert, wenn keine Änderung der Lage des bewegbaren Elements stattgefunden hat und der Zeitzähler den Schwellenwert übersteigt.
Aktuatorsystem nach Anspruch 1, wobei der Aktivierungs-Controller das Aktivierungssignal in Ansprechen auf die Vorzugslage des bewegbaren Elements und die Ist-Lage des bewegbaren Elements erzeugt.
Aktuatorsystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass der Aktivierungs-Controller elektrisch mit dem Linearaktuator verbunden und ausgestaltet ist, um das Aktivierungssignal in Ansprechen auf einen Befehl zu erzeugen und somit das bewegbare Element in eine Vorzugslage zu bewegen.
Aktuatorsystem nach Anspruch 1, das umfasst, dass der Aktivierungs-Controller signaltechnisch mit dem Lagerückkopplungssensor verbunden und elektrisch mit dem Linearaktuator verbunden ist, um das Aktivierungssignal in Ansprechen auf eine Vorzugslage des bewegbaren Elements und die Ist-Lage des bewegbaren Elements zu erzeugen.
Aktuatorsystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass der Aktivierungs-Controller elektrisch mit dem Linearaktuator verbunden ist, um einen Einschaltstrom durch den Linearaktuator zu steuern, wobei der Betrag des Einschaltstroms auf das Aktivierungssignal reagiert.
Aktuatorsystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: das bewegbare Element drehbar an einer Achse montiert ist; das zweite Ende des Linearaktuators mechanisch mit dem festen Punkt an dem bewegbaren Element auf einer ersten Seite der Achse gekoppelt ist; und ein mechanisches Vorspannelement mechanisch mit dem bewegbaren Element auf einer Seite der Achse entgegengesetzt zu der ersten Seite gekoppelt ist.