SE515704C2 - Metod för drivning och positionsmätning av en aktuator - Google Patents

Description

20 25 30 35 515 704 2 Genom den uppfinningsenliga metoden erhålles ett verktyg som möjliggör användandet av talspoleprincipen i nya applikationer. Talspoleprincipen kännetecknas i sig av att erbjuda en snabb dubbelverkande krafikälla med stor dynamik. När denna princip kompletteras med en enkel och exakt metod for positionsmätning skapas nya applikationsområden.

Positionsinfomiationen är avsedd att användas i ett antal olika sammanhang.

Ett exempel är äterföring av läge i ett positionsreglerat system. Ytterligare ett exempel är att eliminera behovet av ändlägesbrytare. Ytterligare ett exempel är diagnostiska funtioner för analys och kontroll av aktuatoms funktion.

Talspolen drivs av en strömkälla som kan dels kontrollera medelströmen genom talspolen dels skapa en växelströmskomponent. Medelströmmen ger kontroll över den kraft talspolen skall utveckla och växelströmskomponenten ger möjlighet att analysera talspolens induktans. Talspolens induktans kan fås att variera krafiigt med läget genom att låta del av talspolen lämna innerkäman då talspolen befinner sig i sitt yttersta läge.

Enligt ytterligare aspekter på uppfinningen gäller att: -strömkällan består av ett eller flera switchande element (l7) som anbringar spänning till talspolen (3) på ett sådant sätt att det momentana strömvärdet genom talspolen (3) fås att svänga mellan två kontrollerbara gränsvärden vilket leder till att frekvensen av sagda svängning är ett mått på positionen av talspolen. - positionsvärdet från talspolens (3) läge kopplas till en positionsregulator (1 l) som i sin tur styr medelströmmen genom talspolen(3) och därigenom bildar en återkopplad positionsregulator. -genom mätning av talspolens temperatur bilda en kompensationfaktor för kompensering av mätfel som skapas av temperaturtörändringar i talspolen (3). Övriga fördelar uppfinningen framgår av den efterföljande beskrivningen av utföringsexempel.

FIGURFÖRTECKNNG Beskrivningen av utforingsexempel sker med hänvisning till figurer. i vilka: Figur l, visar i en genomskäming av en cirkulär aktuator.

Figur 2 visar ett principiellt elschema av ett exempel av utforandeform av drivelektronik.

Figur 3 visar ström/tid och position/tid diagram for en aktuator under rörelse från sitt innersta till sitt yttersta läge 10 15 20 25 30 35 515 704 3 » . . . . .

BESKRIVNING AV [TTFÖRTNGSEXEMPEL I figur l visas en genomskäming av en cylindrisk linjär aktuator med permanentmagnet (2), järnkärna (1), ytterring (5) och talspole (3) där talspolen drivs av strörnkällan (7) . Då talspolen (3) rör sig utåt i riktning från jämkäman (l) kommer dess induktans att minska i motsvarande mån eftersom den del av jämkäman (1) som omsluts av spolen minskar. Om längdförhållandena mellan längd av luftgap (6) och slaglängd och spollängd är 1: 1:2 kommer induktansvariationen att närma sig 50%, vilket ger goda förutsättningar att mäta induktansvariationer och därmed läge av spolen med god noggrannhet. Det råder en kompromisssituation mellan slaglängd och effektivitet efiersom ökad slaglängd leder till ökad andel av spolen som inte befinner sig i luftgapet (6) och därmed inte utvecklar kraft i samma utsträckning. En viss krafi kommer att genereras efiersom den magnetiska flödestätheten avtar gradvis med ökande avstånd från luftgapet (6).

Figur 2 visar en analog lösning av den uppfiriingsenliga metoden där talspolen (3) drivs av antingen en positiv eller negativ spänning via två switchtransistörer (17) försedda med frihjulsdioder (8).

Krafireglering sker genom att konstruktionen självsvänger mellan två strömnivåer, återgivna i fig. 3, som bestämms av komparatom (14) och dess hysteres, här skapad med hjälp av två dioder (13).

Drivning av switchtransistorer sker genom inverteraren (18) som tillser att antingen den ena eller den andra switchtransistom (17) leder samt transistordrivstegen (16). När den momentana strömmen, representerad av spänningen från förstärkaren (15), överstiger nivån som är satt av positionsregulatom (1 1) plus komparatoms hysteres slås den postiva drivtransistom av och den negativa på. När den momentana strömmen understiger nivån från positionsregulatom minus komparatoms hysteres slås den negativa transistom av och den positiva på. Frekvensen med vilken detta sker beror dels på komparatoms (14) hysteres, som är konstant, dels på strömderivatan för strömmen genom talspolen (3) som är en funktion av aktuell induktans som i sin tur beror av läget.

Detta medför att den frekvens till spänningskonverter (12) som förbinder komparatoms (14) utgång med positionsregulatorns (1 l) minus ingång ger ärvärdet av positionen (10). Medelströmmen som bildas är således lika med nivån som levereras av positionsregulatom (1 l) till komparatom (14).

Frekvensen som här mäts och representerar position kommer dock även att påverkas av andra oönskade faktorer. Då pulskvoten för drivning av talspolen närmar sig 1 kommer talspolens resistiva egenskaper att dominera vilket försvårar mätning. Viss kompensation för detta kan givetvis implementeras men i de flesta fall kan problemet lösas genom att dimensionera drivspänning och DC- resistans hos talspolen så att pulskvoten aldrig behöver nå kritiska nivåer.

Talspolens hastighet kommer att inducera mot-emk vilket i sin tur momentant kan störa kretsens frekvens. Även detta problem kan lösas i de allra flesta applikationer, inom ramen för den uppfinningsenliga metoden genom anpassning av förhållanden mellan t.ex. drivspämiing, tråddiarneter och antal trådvarv i talspolen. 10 15 20 515 4 :'.:'*,',: - - - - -- Ovanstående utföringsexempel baserar sig på en induktansberoende självsvänging där induktansen ändras av talspolens läge. Man kan inom ramen för den uppfinningsenliga metoden tänka sig andra lösningar såsom exempelvis att låta aktuatoms krafi styras av en l-l-brygga där pulskvoten styr avlämnad krañ men med konstant frekvens samt att vid varje tillfälle H-bryggan stängs av och talspolens lagrade energi laddas ur, sarnplas strömderivatan vilket är ett mått på talspolens induktans.

Ytterligare ett utfötrandeexempel är att låta talspolens ström styras av en likspänning som kontrollerar aktuatoms krafiuttag med en överlagrad sinusforrnad växelspämiing av konstant amplitud där fasvridnjng mellan sagda växelspänning och växelströmmen som därigenom bildas genom talspolen kan mätas och positionen avläsas.

Om viss applikation har stora krav på absolut positionsmätning kan variationer i talspolens resistivitet orskade av temperaturändringar i talspolens påverka mätresultatet negativt. Det finns då möjlighet att mäta resistansen genom att beräkna kvoten av medelvärdet av ström och spänning genom talspolen vilket i sin tur kan användas för kompensation av positionsärvärdet. Ytterligare en metod är att förse talspolen med en temperaturgivare för samma ändamål.

Uppfinningen är inte begränsad av det ovan beskrivna utan kan varieras inom ramarna för de efterföljande patentkraven. Således inses exempelvis att den magnetiska kretsen kan åstadkommas på många olika sätt där ingånde permanentmagneter och kämdetaljer kan varieras både i antal, form och placering. Även utföranden där en och samma permanentmagriet används att driva flera olika lufigap med tillhörande talspole är möjligt inom ramen för den uppfinningsenliga metoden. Vidare kan den elektronik som används för avläsning av fasvridning implementeras på valfritt sätt utan att frångå den uppñnningsenliga metoden. Ej heller är det nödvändigt att aktuatoms tvärsnitt är cirkulärt, såsom det angetts i exempen ovan.

Claims (4)

10 15 20 25 515 704 5 i » - ; H PATENTKRAV

1. Metod for drivning och positionsmätning av en aktuator, omfattande ett av en eller flera permanentmagneter (2) magnetiserat gap (6) i vilket en talspole (3) är anordnad att röra sig mellan två ändlägen där mängden känimaterial (1) som omsluts av talspolen varierar med läget , varvid talspolen (3) är ansluten till en kontrollerbar strömkälla (7) kä n n e te c k n a d a v att talspolens medelström (Ispole) kan styras vilket kontrollerar aktuatoms krafi samt att en växelströmskomponent kan genereras genom vilken kretsens fasvridning kan mätas vilket ger ett mått på talspolens läge i förhållande till kämmaterialet (l).

2. Metod för drivning och positionsmätning av aktuator enligt patentkrav 1 k a' n n e t e c k n a d a v att strömkällan består av ett eller flera switchande element (17) som anbringar spärming till talspolen (3) på ett sådant sätt att det momentana strömvärdet genom talspolen (3) fås att svänga mellan två kontrollerbara gränsvärden vilket leder till att frekvensen av sagda svängníng är ett mått på positionen av talspolen.

3. Metod for drivning och positionsmätning av aktuator enligt patentkrav 1 eller 2 k á n n e t e c k n a d a v att positionsvärdet från talspolens (3) läge kopplas till en positionsregulator (11) som i sin tur styr medelströmmen genom talspolen(3) och därigenom bildar en återkopplad positionsregulator.

4. Metod for drivning och positionsmätning av aktuator enligt patentkrav l k a n n e te c k n a d a v att genom mätning av talspolens temperatur bilda en kompensationfaktor för kompensering av mätfel som skapas av temperaturforändringar i talspolen (s).