技术领域

本发明总的涉及致动器。另外，本发明涉及一种用于控制由致动 器产生的转矩的电流控制环。

背景

致动器通常用在各种各样的场合下来控制装置。例如，致动器用 于暖通空调(HVAC)系统中驱动各种各样的负荷，比如打开和关闭阻尼 器和阀门。

典型地，致动器被设计带有规定最大转矩的额定值，致动器能够 以该转矩驱动负荷。优选地，致动器能够生成额定的最大转矩，但它 也被配置成不超过额定的最大转矩。如果额定的最大转矩被超过，则 致动器有可能损坏负荷和/或齿轮组或在致动器轴与负荷之间连接的 链路。

也希望在致动器把负荷从第一位置驱动到第二位置时精确地控制 致动器的定位和速度。致动器可以使用一个或多个反馈环在驱动期间 控制致动器。例如，一些致动器使用位置反馈环，它监视致动器的电 动机相对于想要的终点位置的位置。在致动器的现在位置与想要的终 点位置之间的误差由控制器计算，该控制器使用这个误差来把致动器 的电动机引导到想要的终点位置。

其它致动器采用速度反馈环，它监视致动器的电动机当前运行的 速度。在致动器的当前的速度与想要的速度之间的误差由控制器计 算，该控制器然后使用这个误差按照需要来加速或减慢致动器的速 度。

在HVAC系统中使用的典型的致动器包括一个弹簧复位(spring return)，用来把诸如被耦合到致动器的阻尼器或阀门之类的负荷驱动 回初始或闭合的位置。弹簧复位包括一个弹簧，它在致动器打开阻尼 器时被致动器的电动机缠绕，以及在这个弹簧中存储的能量被用来在 失去功率时使阻尼器返回到初始位置。

而且，一些HVAC致动器(典型地被称为调制致动器)被配置成在完 全闭合的与完全打开的挡板(stop)之间的位置处停止。因此这样的 致动器必须产生足够的转矩，以便例如在打开或保持在不到完全打开 的挡板的中间位置的同时克服被引入到致动器中的弹簧复位。

致动器的额定最大转矩和定位以及速度的控制可以由于致动器之 间的公差的变化以及对于克服弹簧复位的需要而复杂化。另外，控制 可以由于调制致动器必须停止在完全打开与完全闭合的挡板之间的中 间位置而复杂化。

虽然用于致动器的反馈控制环的定位与速度类型对于一些应用是 足够的，但是现有技术用于致动器的控制设计不总是提供想要的效率 和所需要的精确控制。所以，希望提供用于控制致动器的驱动的新的 系统和方法。

概要

本发明总的涉及致动器。另外，本发明涉及一种用于控制由致动 器产生的转矩的电流控制环。

一方面，本发明涉及用于提供用于致动器的电流控制环的系统和 方法。

另一方面，本发明涉及用于校准、采样和/或调整由致动器产生的 转矩(比如最大转矩)的系统和方法。

在这里公开的优选实施例中，致动器被用作暖通空调(HVAC)系统 的一部分。

以上的本发明概要不打算描述每个公开的实施例或本发明的每个 实施方案。在后面的详细说明中的附图更具体地举例说明本发明的实 施例。虽然将说明和描述某些实施例，但是本发明不限于用在这样的

实施例中。

附图简述

当结合附图考虑本发明的各种实施例的以下的详细说明时，将更 全面地理解本发明，其中：

图1是说明按照本发明作出的包括被耦合到电源和负荷的致动器 的实施例的示例性系统的框图；

图2是按照本发明作出的包括示例性电流采样电路的示例性致动 器的示意图；

图3是按照本发明作出的并引入图2所示的示例性电流采样电路 的示例性电流控制环的示意图；

图4是说明按照本发明用于设置致动器的最大命令电流的示例性 方法的流程图；

图5是说明按照本发明用于设置致动器的最大命令电流的另一个 示例性方法的流程图；以及

图6是说明按照本发明用于提供被限幅在最大命令电流的电流控 制环的示例性方法的流程图。

虽然本发明适合于各种修正和替换的形式，但是本发明的细节通 过例子和附图进行显示，并且将被详细描述。然而，应当理解，不打 算把本发明限于所描述的特定实施例。相反，打算覆盖处于本发明的 精神和范围内的所有的修正、等同物和替换例。

详细说明

本发明总的涉及致动器。另外，本发明涉及一种用于控制由致动 器产生的转矩的电流控制环。虽然本发明不限于此，但通过考察以下 的说明书和附图将更好地理解本发明。

I.致动器

参考图1，说明了弹簧复位致动器100的实施例。示例性弹簧复位 致动器100包括由驱动电路125驱动的电动机120，该驱动电路又由 电源110供电。示例性致动器100还包括弹簧140，该弹簧把通过齿 轮组127耦合到电动机120的负荷150偏置在第一位置。示例性致动 器100还包括被耦合到驱动电路125和电动机120以使得电动机换向 的微控制器130。当从电源110到致动器100的供电出故障时，弹簧 140把负荷返回到第一位置。

在显示的例子中，致动器100和负荷150是暖通空调(HVAC)系统 (诸如在建筑物或房子内的HVAC系统)的一部分。负荷150例如可以 是用来控制空气流通过一个或多个通风管道的阻尼器，或者是诸如循 环加热阀门之类用来控制液体或气体通过管子的流动的阀门。致动器 100可用来驱动负荷150到一个或多个想要的位置，比如以便打开和关 闭阻尼器或阀门。

II.微控制器，驱动电路和电流采样电路

现在参考图2，详细显示了致动器100的各种部件。总的说明了驱 动电路125、微控制器130和电流采样电路230。

驱动电路125被耦合在微控制器130与致动器的电动机120之 间。所说明的驱动电路125被耦合到电动机120的线圈A、B和C。驱 动电路125使流过线圈A、B和C的电流的方向进行交替从而使得电动 机120旋转和由此产生转矩。

驱动电路125包括高侧开关272、274和276以及低侧开关282、 284和286。通过交替这些开关中每个的状态(即接通或关断)，流过线 圈A、B和C的电流被切换。在所说明的实施例中，高侧开关272、274 和276是p沟道MOSFET，以及低侧开关282、284和286是n沟道 MOSFET，然而也可以使用其它开关器件。

微控制器130优选地控制每个开关的状态。例如，微控制器130 可以接通高侧开关272和低侧开关284，而同时关断低侧开关282和 高侧开关274，由此使得电流沿第一方向流过电动机的线圈。微控制器 130然后可以关断高侧开关272和低侧开关284，而同时接通低侧开关 282和高侧开关274，由此使得电流沿第二方向流过电动机的线圈。

在优选实施例中，微控制器130包括脉冲宽度调制器(PWM)，它 使用脉冲宽度调制来驱动电动机120。

致动器100还包括电流采样电路230，它被配置成采样电动机电流 或流过电动机120的线圈A、B和C的电流。电动机的转矩正比于电动 机电流(参见下面的公式3)。所以，采样的电动机电流可用来计算电 动机120的转矩。

具体而言，电路230包括开关252以及被并联耦合的电阻254和 电容器256。开关252被微控制器130的PWM控制，以及在脉冲宽度 调制的工作周期期间被接通而在脉冲宽度调制的关断周期期间被关 断。当开关252被接通时，流过低侧开关282、284和286的电动机电 流被电阻254上的电压降耗散。在电阻254上的电压降正比于电动机 电流。微控制器130的模拟-数字(A/D)转换器采样在电容器256上的 电荷。

在下面提供的以下公式(1)-(3)中表示的关系被微控制器130使 用来把电容器256上充电的采样电压转换成电动机转矩。

在电容器256上的电荷≈在电阻254上的电压降   (1)

在电阻254上的电压降≈电动机电流            (2)

电动机电流≈电动机转矩                     (3)

这样，在电容器256上由微控制器130测量的电荷可用来计算由 电动机产生的转矩。

测量电容器256上的电荷而不直接测量在电阻254上的电压降可 能是有利的，这样可以使用相对较慢的和便宜的A/D转换器。另外， 电路230的有利之处还在于，不必与PWM同步地采样电动机电流，因 为电荷甚至在PWM的工作周期的关断周期期间也被保持在电容器256 上。

优选地，微控制器130的AD转换器以5ms或更少的间隔(更优选 地在1与2ms之间)采样电动机电流。

虽然这里公开了电路230，但也可以使用其它电路来采样电动机电 流。例如，可以使用与PWM同步的更快的A/D转换器来直接测量在电 阻254上的电压降。

III.电流控制环

现在参考图3，显示了用于致动器100的电流控制环300。电流控 制环300总的包括微控制器130的求和模块310、比例积分滤波器 320、驱动电路125和PWM、以及电流采样电路230。

通常，电流控制环300如下地工作。典型地由微控制器130的电 流命令控制器305生成的命令电流被提供给求和模块310。求和模块 310把命令电流传送到比例积分滤波器320，它把命令电流转换成比例 电压命令。该电压命令被提供来控制PWM的占空比，后者又进而去调 制驱动电路125以便以想要的转矩来驱动电动机120。

在电动机120被驱动的同时，采样电路230通过与在电阻254上 的电压降成比例地对电容器256充电来采样电动机的电动机电流。微 控制器130的A/D转换器用来采样电容器256上的电荷，由此微控制 器计算实际的电动机电流。通过从命令电流中减去电动机电流而计算 电流误差。这个电流误差然后与命令电流由求和模块310进行负相加， 其输出然后被馈送到比例积分滤波器320以便如上所述地驱动电动 机。

这样，电流控制环300起校正由致动器产生的转矩的误差的作用。

IV.设置和利用最大命令电流的方法

现在参考图4和5，显示了用于设置用于致动器的最大命令电流的 示例性方法。在每种方法中，计算的最大命令电流可用来控制由致动 器产生的最大转矩。

在图4上，用于设置最大命令电流的第一种方法在操作410开始， 通过提供命令电流来驱动致动器以产生大于想要的最大转矩的转矩。 随着电动机以这个转矩被驱动，在操作420，最大负荷被施加到该致动 器。接着，在操作430，命令电流被减小到致动器失速的一个点。然后， 在操作440，记录在致动器失速点时的命令电流。最后，在操作450， 命令电流被设置为致动器的最大命令电流，以及在操作460，最大命令 电流可被存储在非易失性存储器中，以便所述设置在关断致动器电源 时不丢失。

现在参考图5，说明了用于设置最大命令电流的另一种方法。在操 作510中驱动致动器。接着，在操作520把想要的最大负荷施加到致 动器。在操作530，使用例如上述的电流采样电路230测量在施加最大 负荷时的致动器的电动机电流。接着，在操作540，采样的电动机电流 被设置为致动器的最大命令电流。最后，在操作550，最大命令电流可 被存储在致动器的非易失性存储器中。

有利的是，按照图4和5所示的方法之一设置最大命令电流，以 使得可以逐个单位地提供精确控制的最大转矩，而不管随不同的致动 器而不同的电的和机械的差别。例如，由致动器产生的转矩的50％以上 可用来刚好克服由弹簧复位产生的力。所以，不同的致动器的公差的 小的差别会导致由致动器产生的转矩的大的变化。图4和5的方法提 供一种有效的方法，由此每个致动器可以在工厂以有效的方式被校 准，以减小机械和电的公差的变化，这样，可以逐个单位地提供控制 的最大转矩。

现在参考图6，说明了一种示例性方法，其中最大命令电流是结合 电流控制环一起被使用的，以便在命令电流超过最大命令电流(以及 由此的想要的最大转矩)时对命令电流限幅。在操作610，微控制器设 置用于致动器的命令电流。接着，在判决操作615，微控制器确定命令 电流是否大于最大命令电流。如果命令电流没有超过最大命令电流， 则控制被传递到操作620。替换地，如果命令电流超过最大命令电流， 则控制被传递到操作618，在其中命令电流被限幅在最大命令电流，以 及控制然后被传递到操作620。

在操作620，例如使用电路230来采样电动机电流。在操作630， 计算误差电流(例如通过从命令电流中减去电动机电流)。接着，在 操作640，把电流误差施加到比例积分滤波器来控制系统响应。接着， 在操作650，把比例积分滤波器的输出施加到脉冲宽度调制器以作为占 空比。接着，在操作660，把脉冲宽度调制器应用到电动机驱动电路， 以控制加到电动机的电压。这个过程以规则的时间间隔进行重复。

这样，提供了一个电流控制环，其中电动机电流绝不超过最大命 令电流，因为命令电流被限幅在最大命令电流。所以，由于命令电流 不超过最大命令电流，所以由电动机产生的转矩由此达到但不超过与 最大命令电流有关的最大的想要的转矩。

通过简单地控制电流命令，最大致动器转矩被容易地控制。当在 位置控制环内使用时，致动器将只提供足够的电流来保持相对于内部 弹簧负荷和/或外部负荷的负荷。电动机电流将保持为等于命令电流， 而不管加到电动机的电源电压的改变。

图6所示的方法由此提供一种用于调整由致动器提供的最大转矩 的有效而精确的过程。

虽然这里显示的示例性致动器是结合HVAC系统的阻尼器的控制而 被描述的，但是致动器可以用在各种各样的其它场合来控制各种不同 的其它装置。

本发明不应当限于上述的特定的例子或材料，而是应当被理解为 覆盖如完全在所附权利要求书中阐述的本发明的所有的方面。各种修 正、等同的过程以及本发明适用的多种结构对于本发明针对的领域的 技术人员来说在即刻考察本说明书后将是显而易见的。