專利名稱：線性致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的致動器。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的解釋不局限于包括線性滑動管狀激活元件的類型的線性 致動器。 一種線性致動器，包括電動馬達，所述電動馬達通過傳動裝 置驅(qū)動主軸。在主軸上安裝有主軸螺母，管狀激活元件一端固定到所 述主軸螺母上。管狀部分的另一端利用前夾具固定到構(gòu)造中的可動元 件上，其中致動器是內(nèi)裝式的，而致動器利用后夾具固定于構(gòu)造的靜 止部分中，或者反之亦然。在主軸螺母緊固期間，主軸螺母在主軸上 或者向外移動，或者向內(nèi)移動，這取決于旋轉(zhuǎn)方向，管狀部分因而軸 向向外移動或者以對應(yīng)于伸縮式氣缸上的活塞桿的方式縮回。
管狀部分的位置通常是通過計算主軸的轉(zhuǎn)數(shù)來進行確定的。轉(zhuǎn)數(shù) 乘以主軸螺距確定管狀部分的位置。借助于旋轉(zhuǎn)電位計，可以進行位 置的絕對確定，所述旋轉(zhuǎn)電位計通過一齒輪由馬達驅(qū)動。如果傳動比 已知，則可以算出主軸的轉(zhuǎn)數(shù)。利用磁式編碼器確定位置的方法是更 為普遍的方法。磁式編碼器包括磁軛和若干電極，每當(dāng)電極中的一個 經(jīng)過簧片開關(guān)或霍耳傳感器時，所述電極就激活簧片開關(guān)或霍耳傳感 器，在簧片開關(guān)或霍耳傳感器上，發(fā)出電信號。
關(guān)于簧片開關(guān)的更詳細說明參見Ellwood的US 2264746。簡單地 說，簧片開關(guān)是一種電氣機械部件，其中由兩個彈性金屬端子構(gòu)成的 觸點組在磁場的影響下形成電接頭。如果它與可動部件在一起，則它 將限定外形尺寸、材料的選擇、壽命和運行速度。
US 7003828 B2顯示了 一種帶有位置檢測配置的致動器系統(tǒng)，所 述位置檢測配置由受磁軛影響的簧片開關(guān)形式的脈沖供應(yīng)器構(gòu)成。該系統(tǒng)受到第3欄第61行至第4欄第3行所述的限制。缺陷是機械系統(tǒng) 中的慣性產(chǎn)生未記錄的計算步驟。這種缺陷在計算系統(tǒng)取決于控制按 鈕的激活時出現(xiàn)。首先應(yīng)當(dāng)指示運動方向，接著，如果計數(shù)器正數(shù)或 倒數(shù)，以便使計數(shù)器主要記錄和計算簧片開關(guān)的激活次數(shù)。這種缺陷 隨著時間的推移而積累，計算周期的復(fù)位功能被引入一清晰的位置， 即當(dāng)致動器的活塞完全縮回時。
與簧片開關(guān)不同，霍耳傳感器是非機械部件，其輸出電壓的變化 取決于印制(printed)的磁場的強度?；舳兯推髋c霍耳開關(guān)是有區(qū) 別的，霍耳變送器以與印制磁場強度成比例的模擬電壓作為響應(yīng)，而 霍耳開關(guān)發(fā)出對應(yīng)于給定強度的磁場是否是印制的數(shù)字信號。這通常 表現(xiàn)為部件退出時的電壓電平，電壓電平在接近0伏的低電平和接近 部件供電電壓的高電平之間跳躍，在這兩個極端外沒有其它狀態(tài)。即 使這里退出的信號電平被說成是源系統(tǒng)，然而也不排除輸出可以是集 電極開路類型的，即是排放(drain)系統(tǒng)。這意味著不能供給輸出電 壓，但可以作為與供電電壓的負極相連的電觸點。通過配備外部部件， 輸出信號可以設(shè)計成適于與微處理器或另一計數(shù)機構(gòu)接口 。在內(nèi)部使 用霍耳開關(guān)機構(gòu)，其通過限定用于過渡狀態(tài)的合適的滯后來抵消跳躍。 這消除了校準的必要，因為錯誤計算脈沖數(shù)達到最小。同時，霍耳傳 感器是完全基于半導(dǎo)體的部件，因此在尺寸、價格和壽命方面占有優(yōu) 勢。有關(guān)霍耳傳感器的更加詳盡的資料可參考其制造商，例如 Micromagnetics公司。
所以，應(yīng)當(dāng)注意，每當(dāng)磁極被引導(dǎo)通過簧片開關(guān)或霍耳傳感器時， 就將釋放信號。如果使用磁式編碼器，則通過帶有四個極的磁環(huán)，主 軸每旋轉(zhuǎn)四分之一就確定位置?？梢允褂脙蓚€霍耳傳感器，每轉(zhuǎn)確定 8次位置。
也可以使用光編碼器來代替磁式編碼器，其工作方式相同，即利 用帶有透孔的轉(zhuǎn)盤和光源。當(dāng)透孔經(jīng)過光源時，光束暫時穿過到達光 電管上，光電管接著就釋放信號。根據(jù)信號，借助于控制單元中的微 處理器就可以算出位置。US 5,224,429公開了一種致動器系統(tǒng)，其中光傳感器用于根據(jù)馬 達的旋轉(zhuǎn)確定位置(圖6)。但是，它沒有描述控制單元如何確定主軸 的旋轉(zhuǎn)方向。這將導(dǎo)致潛在的手動調(diào)節(jié)可能會產(chǎn)生錯誤的位置指示。 但是，與磁傳感器相比，光傳感器的價格水平使這種解決方案沒有吸 引力，因為致動器的銷售服從于高價竟?fàn)帯?br> 優(yōu)選位置的絕對確定，但是當(dāng)使用霍耳傳感器和簧片開關(guān)時，部 分是由于成本，而部分是由于可靠性的緣故。電位計較昂貴，從純粹 機械的觀點來看，其遲早會磨損。這種磨損表現(xiàn)為電位計的導(dǎo)塊與電 位計上的電阻距離之間連接的完全中斷或部分中斷。隨著時間推移， 磨損會導(dǎo)致電位計的電阻線性在整個動態(tài)范圍內(nèi)發(fā)生變化，這會影響 位置確定的精度。此外，在終端也不能充分利用調(diào)整區(qū)域。另一個且 更不容易注意的因素是，在致動器中需要花費大約一年的時間來測試 電位計的可靠性，這意味著不可能剛好用另一種來更換電位計。如果 供應(yīng)商改變了電位計的構(gòu)造，就必須重新進行測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種解決如上所述問題的技術(shù)方案，即在沒 有旋轉(zhuǎn)電位計的缺點的情況下實現(xiàn)絕對定位。
依照本發(fā)明，這是通過設(shè)計如權(quán)利要求1所述的致動器來實現(xiàn)的， 其中，借助于位置傳感器，例如霍耳傳感器或簧片開關(guān)，可以實現(xiàn)絕 對位置確定。首先，執(zhí)行初始化工序，其中螺母/主軸從主軸/螺母上 的第 一期望點移動到主軸/螺母上的第二期望點。來自遞增 (incremental)的位置傳感器的信號數(shù)量被記錄為行程長度的測量值。 隨后基于此即基于一個分數(shù)(fraction)確定位置，其中分子是信號出 現(xiàn)的數(shù)量，分母是在整個行程長度中信號的總數(shù)量。對于信號記錄來 說，重要的是，在馬達運行之前、之后以及期間控制單元都是起作用 的。因而控制單元應(yīng)當(dāng)時刻有電壓，時刻配備備用電池，以確保在與 電力網(wǎng)連接中斷的情況下不會失去位置指示。由此也確保即使進行手 動調(diào)節(jié)，也不會失去位置。作為選擇，微處理器可以將數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，當(dāng)沒有供電電壓時，所述存儲器不會釋放數(shù)據(jù)。這里，可能 的手動調(diào)節(jié)會產(chǎn)生計算誤差。
顯然，通過用表示與轉(zhuǎn)數(shù)相比的主軸螺距的因數(shù)乘以脈沖數(shù)，用 計算脈沖來表示的致動器活塞桿的精確線性移動可以簡單地轉(zhuǎn)變?yōu)榫?br> 確測量值。
本發(fā)明旨在用使用電位計情況下的相同的方式來表示位置確定。 對電位計來說，其是電位計上的電壓與電位計導(dǎo)塊上的電壓電平之間 的比例，該比例是主軸螺母的位置在主軸行程長度上的比例表達。同 樣，從已知點、典型從機械終端止擋開始的脈沖計數(shù)表示主軸螺母的給 定位置。如果與兩個位置之間的、典型為兩個終端止擋之間的脈沖的 前述計數(shù)成比例，則可得到描述主軸螺母相對于行程長度的位置的表 達式，其表示激活元件的行進。根據(jù)與對應(yīng)于所期望的致動器行程長 度的脈沖數(shù)相比的脈沖計數(shù)，對激活元件的行進寫出的分數(shù)比較符合 致動器的行程長度。因而可以采用該分數(shù)形成輸出電壓，輸出電壓是
該分數(shù)的比例表達。利用D/A變換器可以直接建立該表達式，D/A變 換器將計算出的比率轉(zhuǎn)換成相對電壓電平。因為D/A變換器昂貴，所
以發(fā)明了一種比較便宜的解決方案，其作為本發(fā)明的一部分，將用一 個例子來描述。
在該例子中，行程長度表示為"S"，主軸螺母從實際終端止擋開 始的行進表示為，，L"，在微處理器中，其用在主軸螺母從實際終端止 擋開始的整個行進中脈沖的計數(shù)表示。微處理器最初較高地估計輸出， 利用內(nèi)部(intern)時鐘頻率作為計數(shù)器的觸發(fā)信號，每個觸發(fā)脈沖 都反映(incriminating)它本身。并總是與數(shù)字"L"進行比較。當(dāng)達 到數(shù)字"L"時，輸出低值，計數(shù)繼續(xù)，直到達到數(shù)字"S"，之后重復(fù)該 過程。作為主軸螺母在行程長度上的位置的表示，此刻可以得到脈沖 調(diào)制信號，其中頻寬比直接表示主軸螺母的位置與行程全長的比例。 該信號被引入低通濾波器，以便變成平均值，并作為DC電壓。根據(jù) 經(jīng)驗，外部單元將不能斷定這種解決方案或利用電位計的解決方案能 否用于致動器，但是在此所述的解決方案既低廉又牢靠。通過使用帶有本發(fā)明所述方案的新部分取代有缺陷的部分的電位計，可以獲得完 全的兼容。
該例子表明，精確對應(yīng)于使用電位計時可能發(fā)生的輸出，即DC 電壓，不排除可以不同地表示位置確定。對于多個微處理器之間的接 口來說，直接繼續(xù)表示位置與行程長度的比較的分數(shù)或者作為脈沖寬 度調(diào)制信號(PVM)是顯而易見的。在微處理器與其它裝置之間同樣 可以利用標(biāo)準接口，例如RS232，標(biāo)準接口還需要用于發(fā)送和接收數(shù) 據(jù)的預(yù)定協(xié)議?？梢韵氲?，也可以使用借助于光和光學(xué)連接的其它接 口。而且不排除在工業(yè)設(shè)備中經(jīng)常使用的、將電流或電壓轉(zhuǎn)換成頻率 調(diào)制信號的接口。(這里，指的是使用VF變換器。)
通過已知的致動器，確定位置和行程長度，其中，終端止擋開關(guān) 安裝在一條帶有一排孔的印刷電路板上，終端止擋開關(guān)在印刷電路板 上的安裝符合嚴格的規(guī)范。帶有可動終端止擋的致動器已知于Dewert 的DE 89 03 603和Cimosys的WO 02/102205 Al?？傊{(diào)節(jié)激活元 件的位置和行程長度是非常煞費苦心的。但是，通過本發(fā)明，重新限 定行程長度及其位置在任何時候都變得比較簡單，因為在新說明書里 面正好需要進行更新的初始化工序。


下面參照附圖將更充分地解釋依照本發(fā)明的線性致動器，其中:
圖1顯示了致動器的縱剖面，
圖2顯示了環(huán)繞蝸桿傳動裝置的區(qū)域的剖面，
圖3顯示了虛擬終端止擋，
圖4顯示了霍耳傳感器系統(tǒng)的簡圖，
圖5顯示了霍耳傳感器系統(tǒng)的脈沖序列，
圖6顯示了運動方向的Gray代碼，和
圖7顯示了傳感器系統(tǒng)的流程圖。
具體實施方式
正如附圖中的圖1所示的，致動器的主要部件由分成兩部分的外
殼1和可逆DC馬達2構(gòu)成，可逆DC馬達2經(jīng)由一蝸桿傳動裝置3 驅(qū)動帶有主軸螺母5的主軸4，由外管7環(huán)繞的管狀激活桿6 (內(nèi)管) 固定于主軸螺母5上。順便說一下，這種類型的致動器的基本構(gòu)造描 述在WO 02/29284中，并附帶作為參考。
從圖2中可以看到，蝸輪的耦合部分8配備有一磁軛9，磁輒9 帶有四個電極，用于確定激活桿6的位置。在這里，兩個霍耳傳感器 11安裝在小印制部(small print) 10上，其中只有一個可看得到，另 一個隱藏在耦合部分8的下面。隨著磁軛的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電極經(jīng)過霍耳傳 感器時，霍耳傳感器被激活，這樣一信號被發(fā)送至控制單元，控制單 元根據(jù)旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)方向和主軸螺距，經(jīng)由微處理器計算激活桿6的位 置。由于兩個霍耳元件成角度移位，所以可以檢測主軸的旋轉(zhuǎn)方向(正 交檢測)，從而根據(jù)主軸的旋轉(zhuǎn)方向和激活桿6是向外移動還是縮回， 確定信號是否將增加或消減。
如果需要例如從點A到點B的行程長度，則進行初始化工序，主 軸螺母進入位置A。之后，主軸螺母移動到位置B，同時，計算來自 霍耳傳感器的信號數(shù)量，并記錄在微處理器中。將位置A和位置B確 定作為終端止擋，確定主軸螺母的隨機位置，從而按與整個長度上所 記錄的信號總數(shù)的比例，確定這兩個終端止擋之間的激活桿的位置。 通常，校準后的末端是實際終端止擋，但是顯然，不排除它可能是主 軸螺母在主軸長度上的其它位置。
在圖3中，行程的虛擬長度S表示為相應(yīng)于所示的點VI和V2 的兩個虛擬終端止擋A和B之間的距離，其與主軸螺母在主軸上的位 置成比例。XI和X2是實際終端止擋，其與距離為K和L的虛擬終 端止擋有關(guān)。
如圖4所示，兩個霍耳傳感器(#1、 #2)在角度上偏移大約45 度，在這里釆用的是四極磁環(huán)。在給定的相互位置的霍耳傳感器的信 號傳輸?shù)奶卣髟谟?，它們滿足Gray代碼的要求，即一次只有一個信 號或一個字節(jié)變化。因而必須基于這個標(biāo)準，選擇相互成角度形式的傳感器的定位。來自傳感器系統(tǒng)的脈沖序列顯示在圖5中，其中兩個 霍耳傳感器分別表示為#1和#2。指針(C)指示隨機位置，該隨機位 置對應(yīng)于主軸螺母在主軸行程長度上的一個位置。如果指針沿A方向 移動，在運動上的脈沖圖形將對應(yīng)于A:所示的圖形。相應(yīng)地，B所 示的脈沖圖形對應(yīng)于指針沿B方向的運動。在圖6中顯示了與移動方 向有關(guān)的同樣的脈沖圖形，很明顯，兩個圖形是不同的，因而可以部 分地用于確定運動，以及檢測沿哪個方向運動。如圖7所示，來自霍 耳傳感器的信號供給至微處理器(uC)。據(jù)此建立與滿刻度相比的相 關(guān)數(shù)字形式的結(jié)果。該數(shù)字被轉(zhuǎn)換為PVM信號，其是平均值，表現(xiàn) 為相關(guān)的DC信號，精確對應(yīng)于電位計的功能。毫無疑問，如果需要， 可選擇所有的附屬信號，并送給外部單元。
上文描述了帶有管狀活塞桿的致動器，但是正如所述的，本發(fā)明 也適用于其中主軸螺母構(gòu)造成激活元件的致動器，參見Linak A/S的
DK 174 457,或者適用于其中主軸軸向位移的致動器，參見Cimosys 的W002/24034,圖l-4所示的實施例。
本發(fā)明因而提供了一種線性致動器，其中，利用遞增的傳感器， 可以實現(xiàn)絕對位置確定，同時，在任何時候都可以實現(xiàn)行程長度及其 位置的任意確定，并可以即刻更改可能性。這意味著，在實際致動器 的基礎(chǔ)上可以形成帶有用于動態(tài)區(qū)域的變化特征的虛擬致動器。這可 以由主軸螺母的縮回位置表示，事實上，主軸螺母可以自由地位于實 際致動器的行程長度上的任一位置。所以，這將表現(xiàn)為，終端止擋雖 然不是實際的，但卻借助于微處理器和軟件電子地提供。因此，主軸 螺母遠離終端止擋的最大期望運動，無論是實際的還是虛擬的，都作 為另一個虛擬終端止擋形成?？梢源鎯χ鬏S行程長度的其它部分，作 為預(yù)置。這意味著，可利用該實際致動器，用于若干用途，在預(yù)編程 序的初始化期間，以簡單的方式就可以很好地適應(yīng)應(yīng)用。對于致動器 的制造商來說邏輯上有利的是，具有較少的不同零件數(shù)量，因此能夠 實現(xiàn)標(biāo)準化零件的大規(guī)模和更有效生產(chǎn)。對于用戶來說，這意味著由 于更換了有缺陷的部分而具有更好的交付保證。當(dāng)用新的致動器更換有缺陷的致動器時，不管行程長度如何，只要其不短于虛擬致動器的 行程長度，或者其長得使構(gòu)造中的機構(gòu)防止致動器將主軸螺母靠著實 際終端止擋進入適當(dāng)位置，新的實際致動器都將起前一虛擬致動器的 作用，以此提供在快速勤務(wù)與保養(yǎng)時的補救。因為傳感器和微處理器 一直是起作用的，所以主軸螺母在運行期間的位置的校準不是必需的。 但是，通過與清楚限定的位置相比來測試準確性并在必要時執(zhí)行校準 將是切合實際的。如果使用機械終端止擋作用校準標(biāo)記，必須要考慮 的是，為了保護致動器的機械部件，這些機械終端止擋必須是柔性的。 根據(jù)主軸螺母移入終端止擋的速度，可以獲得不同的計算值。但是， 通過計數(shù)當(dāng)主軸在馬達由于過流保護而已經(jīng)被斷開之后反向移動時出 現(xiàn)的脈沖數(shù)，或者通過在主軸螺母已經(jīng)移動靠在終端止擋上之后執(zhí)行 額外的校準，這可以部分地被抵消。因為系統(tǒng)的慣性會導(dǎo)致系統(tǒng)在馬 達電流被斷開之后移動，所以實際終端止擋，例如端止動開關(guān)，還會 引起在主軸長度上的計算步驟數(shù)量上產(chǎn)生誤差。如果來自端止動開關(guān) 的信號也被傳送到微處理器并進入位置計算，則可能會計算出錯誤的 尺寸。因此，可修改控制，使得小誤差可以忽視，而較大的誤差可以 通過稍微向后驅(qū)動螺母來補償。
即使在不合適的環(huán)境下該解決方案出現(xiàn)計數(shù)誤差，在忽略這些誤 差的情況下，精度也比使用傳統(tǒng)電位計要好得多，因此，考慮該解決 方案的多個優(yōu)點，其表現(xiàn)為比較好的解決方案。
雖然在說明書中使用霍耳傳感器作為位置傳感器，但是，不排除 使用用于確定主軸旋轉(zhuǎn)的其它技術(shù)。在說明書中使用的術(shù)語"微處理 器"覆蓋了能夠滿足對由說明書中所述的微處理器執(zhí)行的所述工序進
行數(shù)據(jù)處理的要求的任何單元。即控制器、PIC、 AVR、 RISC、基于 HW的指令機械、ASIC等等。
權(quán)利要求
1. 一種線性致動器，其包括電動馬達；傳動裝置；主軸；主軸螺母，其中，依據(jù)主軸或主軸螺母是否被傳動裝置驅(qū)動，表示行程長度的第一點與第二點之間的主軸螺母和主軸彼此成比例地軸向移動；用于確定主軸螺母/主軸的旋轉(zhuǎn)方向和位置的遞增的位置傳感器，例如至少兩個霍耳傳感器或簧片開關(guān)；控制單元，其包括微處理器，用于從位置傳感器接收信號，并以此為基礎(chǔ)確定位置；電源；其特征在于，首先執(zhí)行初始化工序，其中螺母/主軸從主軸/螺母上的第一點移動到主軸/螺母上的第二點，來自遞增的位置傳感器的脈沖數(shù)記錄為行程長度的測量值，隨后基于此測量值確定位置，在馬達運行之前、期間以及之后所述控制單元都是起作用的。
2. 如權(quán)利要求1所述的線性致動器，其特征在于，至少所述第一 點或第二點是終端止擋。
3. 如權(quán)利要求2所述的線性致動器，其特征在于，終端止擋是終 端止擋開關(guān)。
4. 如權(quán)利要求2所述的線性致動器，其特征在于，終端止擋是機 械終端止擋。
5. 如權(quán)利要求l-4之一所述的線性致動器，其特征在于，主軸螺 母的位置檢測以電流信號的形式發(fā)出。
6. 如權(quán)利要求l-4之一所述的線性致動器，其特征在于，主軸螺 母的位置檢測以電壓信號的形式發(fā)出。
7. 如權(quán)利要求l-4之一所述的線性致動器，其特征在于，主軸螺母的位置檢測以光束信號的形式發(fā)出。
8. 如權(quán)利要求5-7之一所述的線性致動器，其特征在于，主軸螺 母的位置檢測以脈沖調(diào)制信號的形式發(fā)出。
9. 如權(quán)利要求5-7之一所述的線性致動器，其特征在于，主軸螺 母的位置檢測以頻率調(diào)制信號的形式發(fā)出。
全文摘要
一種包括主軸螺母的線性致動器，其中，根據(jù)主軸或主軸螺母是否被傳動裝置驅(qū)動，表示行程長度的第一點與第二點之間的主軸螺母和主軸彼此成比例地軸向移動，以及其中，該位置由遞增的位置傳感器、例如至少兩個霍耳傳感器或簧片開關(guān)確定。為了確定位置，首先執(zhí)行初始化工序，其中螺母/主軸從主軸/螺母上的第一點移動到主軸/螺母上的第二點，來自遞增的位置傳感器的脈沖數(shù)記錄為行程長度的測量值，并隨后據(jù)此測量值確定位置。應(yīng)當(dāng)指出，在馬達運行之前、期間以及之后都進行控制。由此，利用遞增的傳感器實現(xiàn)絕對位置檢測，而先前人們必須使用旋轉(zhuǎn)電位計。同時，在任何時候都可以實現(xiàn)行程長度及其位置的隨機確定，并可以即刻更改可能性。
文檔編號F16H25/24GK101443985SQ200780017437
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月13日
發(fā)明者J·巴斯特赫姆 申請人:利納克有限公司