致动器控制器的制作方法

本公开涉及包括用于致动器的控制器的电子系统。更具体地，本公开涉及使用脉冲宽度调制（“pwm”）频率功率控制的用于控制致动器的系统和方法。

背景技术：

在轨道发射飞行器中，为乘员舱提供了分离系统。分离系统通常是固体火箭系统，其将乘员舱拉离发射飞行器。在操作期间，功率从一个或多个功率源流动到轨道发射飞行器的功率管理和分配（“pmd”）系统。从那里，功率被分配到所有负载。负载包括但是不限于总线负载、有效负载以及服务舱推进（“smp”）系统。pmd系统可以包括一群电路，其包括滤波器、蓄电池、转换器、隔离电路以及调节器（regulator）。在操作期间，pmd系统输出经调节的总线电压，经调节的总线电压遍及整个总线被分配到smp系统、总线负载、有效负载以及蓄电池充电器。smp系统包括发动机、发动机功率供应装置以及（一个或多个）推进剂箱。一般而言，发动机被构造成在轨道发射飞行器上使用以在飞行时帮助调整其位置。各种阀可以控制从一个或多个推进剂箱到发动机的推进剂的供给。

技术实现要素：

本公开涉及用于控制机电阀元件的系统和方法。所述方法包括：通过以平均pwm电流水平将pwm信号供应到机电阀元件的机电感应线圈来形成穿过阀的磁通，平均pwm电流水平低于使阀致动所需的电流水平。当需要将阀打开时，将pwm信号的振幅增大成使得提供到机电感应线圈的电流升高到足以使阀致动的水平。值得一提的是，当pwm信号的功率周期时间增大到超过将阀打开所需要的最小功率时，阀打开。

阀一经打开，则降低pwm信号的振幅。将振幅降低成使得施加到阀的磁场仍旧具有足以使阀保持在打开位置中的强度。通过将pwm信号的振幅进一步降低成使得施加到阀的磁场下降到不足以使阀保持在其打开位置的强度来将阀关闭。当对于给定的时间段不需要使阀致动时，完全去除pwm信号到机电感应线圈的供应。

本公开还涉及一种致动器控制器，所述致动器控制器包括致动器以及pwm电路，pwm电路与致动器相联系。致动器具有接入（pull-in）平均电流，接入平均电流当被供应到致动器时导致致动器的致动。在操作期间，pwm电路可以是可操作的，以使预接入平均电流保持稳定，预接入平均电流具有低于接入平均电流的正的非零值。如本文中所使用的，术语“保持稳定”意味着所施加的pwm信号在给定的时间段期间具有特定值的平均电流。

附图说明

将参考下面的附图来描述实施例，其中，同样的附图标记在所有附图中代表同样的项目，并且在附图中：

图1是用于空间飞行器的示例性功率系统的示意图；

图2是用于阀元件的示意性构架的示意图；

图3是用于控制图1所示阀元件的阀的打开和关闭的示例性方法的流程图；

图4是示出了有助于理解本公开的两个信号的曲线图；

图5是用于控制致动器的另一示例性方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及实施用于控制致动器的系统和方法。致动器（例如，线圈）与另一机械元件（例如，阀）接合的速度相比常规系统的速度可以是更快的。如本文中所使用的，术语“致动器”指的是使机构移动的机电装置。在一些情形中，致动器的元件可以是基于线圈的螺线管，螺线管的线圈可以经由电磁感应力而被移动。在需要快速反应的机械部件的任何应用中，可以采用致动器控制器系统。例如，本公开还可被用于医疗应用、燃烧系统（例如，汽车、工业装备或类似行业）、食品加工应用和/或药品制造应用。该概念可被用作如下技术：用于通过使阀加速到其打开位置来改善气体或液体介质的精确质量传输（流动受控的）。

现在参考图1，这里提供了用于空间飞行器的smp系统100的示意图，其有助于空间环境中的活动，例如空间站维护、现存卫星的保养、在轨装备的放置以及其他活动。就这点而言，smp系统被构造成产生足够的推力以使得能够操控空间飞行器远离或接近其他物体。

如图1所示，smp系统100包括功率管理和分配（“pmd”）系统102、发动机和推进剂（“e/p”）系统104、轨道操纵和姿态控制器（“omac”）106、反应控制系统（“rcs”）108、受压物系统132以及控制模块134。所列出的部件106、108、132和134在本领域中是广泛已知的，并且因此将不在本文中进行讨论。

在操作期间，功率从一个或多个功率源（未示出）流动到pmd系统102。功率源可包括但不限于蓄电池、燃料电池和/或太阳能电池。pmd系统102将功率分配到smp系统100的所有负载104、106、108、132、134。就这点而言，pmd系统102包括一群电路，其包括滤波器、蓄电池、转换器、隔离电路和/或调节器。所述电路被布置成输出经调节的总线电压，经调节的总线电压遍及整个总线被分配到负载104、106、108、132、134以及蓄电池充电器。

e/p系统104可以包括一个或多个发动机120以及发动机功率供应装置122。发动机功率供应装置122通常被构造成将功率供应到（一个或多个）发动机120以将它（它们）转换成“打开”和“关闭”。就这点而言，从pmd系统102输出的经调节的总线电压被分配到发动机功率供应装置122，如附图标记114所示。发动机功率供应装置122使用经调节的总线电压来启动（一个或多个）发动机120。在启动时间，将储存在一个或多个箱110中的推进剂供应到（一个或多个）发动机120。至少一个阀元件116被设置成用于控制从（一个或多个）箱到（一个或多个）发动机的推进剂的供给。

阀元件116包括但不限于机电阀（例如，螺线管阀）。机电和螺线管阀在本领域中是广泛已知的，并且因此将不在本文中进行详细描述。图2中提供了用于阀元件116的示例性构架的示意图。阀元件116在本文中被描述为包括常闭阀。然而，阀元件116可以替代地包括常开阀。

如图2所示，阀元件116包括电磁感应线圈202、导电杆204以及阀206。阀元件216、感应线圈202和/或导电杆204在本文中也被称为（一个或多个）致动器。阀206通常处于关闭位置。阀206响应于从阀控制装置（“vcd”）124接收的电信号而转变到打开位置。在该情形中，允许推进剂从箱110经由推进剂供应管112和118流动到发动机120。其后，阀206的打开和关闭也由vcd124控制以在发动机120的整个操作过程中调节推进剂到发动机120的流动。

值得一提的是，vcd124实施了用于控制阀元件116的阀的打开和关闭的新颖方法。图3中提供了该新颖方法300的示意图。关于常闭螺线管阀的情形来描述方法300。如应被理解的，本文中所采用的致动器控制技术也可以与常开阀一起使用。在这种情况中，可以相应地修改方法300。

方法300一般地包括以周期性通/断速率将功率提供到阀元件116的电磁感应线圈202，该周期性通/断速率比阀206打开的速度更快。如应被理解的，电磁感应线圈202围绕导电杆204缠绕，导电杆204如箭头214所示移动入并移动出线圈202，从而改变线圈的电感，并且由此提供电磁体。当由该电磁体将特定强度的磁场施加到阀206时，导致阀沿箭头208所示的方向移动，由此阀从关闭状态转变到打开状态。当磁场的强度减少某一量时，导致阀206沿箭头210所示的方向移动，由此阀从打开状态转变到关闭状态。

如图3所示，方法300以步骤302开始并且以步骤304继续，在步骤304中，以pwm平均电流水平将电pwm信号（例如，图4的电pwm信号406）供应到电磁感应线圈202，pwm平均电流水平低于使阀元件116的阀206致动所需要的实际pwm电流水平。这允许形成穿过阀206的磁通，如步骤306所示。

当在给定时间段内不需要使阀206致动或打开[308：否]时，执行步骤314，在步骤314中，去除供应到阀元件116的功率。相反，当在给定时间段内需要使阀206致动或打开[308：是]时，方法300以步骤312-320继续，在步骤312-320中，在适当的时刻将阀打开以及将阀关闭。

就这点而言，步骤312包括决定何时需要将阀206打开。在需要将阀206打开的时刻[312：是]，执行步骤314。步骤314包括将电pwm信号的电流（或振幅）增大成使得提供到电磁感应线圈202的功率升高到使阀致动所需要的实际功率水平（例如，如图4的尖峰402所示）。如步骤316所示，当供应功率的周期时间（cyclingtime）增大到超过阀所需要的打开时间时，阀206打开。阀一经打开，则阀被保持在其打开位置。就这点而言，出于节约功率和减少热量的原因，减小电pwm信号的振幅，如步骤318所示。将振幅减小成使得：提供到电磁感应线圈202的功率下降到低于使阀206致动所需要的功率水平，但磁场仍旧具有使阀保持在其打开位置的强度。可通过使pwm信号的电压和/或电流下降来实现振幅的降低。

当需要将阀关闭[320：是]时，则执行步骤322，在步骤322中，进一步减小pwm信号的振幅。更具体地，将pwm信号的振幅减小到如下值：在pwm信号的振幅为该值的情况下，施加到阀206的磁场所具有的强度未强到足以使阀保持在其打开位置。其后，方法300返回到步骤308。

作为实施该方法的结果，阀206的致动速度（或打开速度）相比常规阀的致动速度（或打开速度）得到极大的提高（例如，如图4的时间段404所示）。例如，常规阀通常以100毫秒打开，而使用该方法的阀可以以74至84毫秒打开。该示例反映出在阀的打开时间方面改进了16-26%。阀的提高的致动速度有助于使推进剂更精确地流动到发动机120，由此提高推进剂使用的效率。另外地，此类低成本的阀可以被用于推进或发动机应用中。此外，相比常规阀电路中所经受的电功率浪涌，阀元件116中所经受的电功率浪涌得以减小。

再次参考图1，vcd124的pwm阀驱动器（或pwm电路）产生电pwm信号。pwm阀驱动器126包括实施调制技术的硬件和/或软件。硬件可包括但是不限于电子电路。调制技术在本领域中是广泛已知的，并且因此将不在本文中进行描述。任何已知的或将要获知的调制技术可没有限制地使用在本文中。在所有情况中，调制技术基于调制器信号信息来控制电信号的脉冲的宽度。从此类调制得到的pwm信号一般包括具有固定的脉冲宽度和频率（例如，约16千赫兹）的经斩切的方波。值得一提的是，对于两个不同的阀控制应用，pwm信号的频率可以不是相同的。

调制技术允许对供应到阀元件116的功率进行控制。在一些情形中，使用设置在发动机功率供应装置122和阀元件116之间的开关130来控制所供应的功率。开关130可包括但是不限于半导体开关。半导体开关在本领域中是广泛已知的，并且因此将不在本文中进行描述。任何已知的或将要获知的半导体开关可没有限制地使用在本文中。开关130以相对快的节奏被转换成“打开”和“关闭”。开关130相比“关闭”段处于“打开”越长，则供应到阀元件116的功率越高。开关频率被选择为比阀206所能打开的速率更快。提供时序电路128以有助于在适当的时刻将开关330转换成“打开”和“关闭”。时序电路128被设计成以比阀206的打开/关闭速度更快的速度振荡。

现在参考图5，这里提供了用于控制致动器（例如，阀元件116的阀的打开和关闭）的另一新颖方法500的流程图。方法500以步骤502开始并且以步骤504继续，在步骤504中，pwm电路（例如，图1的pwm阀驱动器126）与致动器（例如，图1的阀元件116）相联系。致动器具有接入平均电流（例如，图4的接入平均电流408），接入平均电流当被供应到致动器时具有足以导致致动器发生致动的值。

在操作期间，pwm电路使预接入平均电流（例如，图4的预接入平均电流410）保持稳定，预接入平均电流具有低于接入平均电流的正的非零值，如步骤506所示。如本文中所使用的，术语“保持”指的是维持或限制变量的量。如本文中所使用的，术语“稳定”指的是没有大范围地波动或改变。预接入平均电流导致形成穿过致动器的磁通。该磁通不具有足以使致动器致动的量，但具有足以增大致动器的致动时间（例如，阀的打开/关闭时间）的量。通过以低于使致动器致动所需的功率水平的功率水平将pwm信号（例如，图4的信号406）供应到致动器来形成穿过致动器的磁通。如上面所描述的以及如步骤507所示，当pwm信号的功率周期时间增大到超过阀打开所需要的功率水平时，阀打开。

在一些时间之后，执行步骤508，在步骤508中，pwm电路将pwm信号的振幅降低成使得施加到致动器的磁场仍旧具有足以使致动器保持在经致动的位置（例如，打开位置）的强度。在步骤510中，可进一步将振幅降低成使得施加到致动器的磁场不具有足以使致动器保持在经致动的位置中的强度，由此导致致动器从经致动的位置（例如，打开位置）转变到未致动的位置（例如，关闭位置）。当作出在给定时间段内致动器不需要处于经致动的位置的决定时，可去除pwm信号到致动器的供应，如步骤512所示。当完成步骤512时，执行步骤514，在步骤514中，方法500结束或执行其他处理。