采用pwm控制来控制双向伺服致动器的系统、方法和设备的制作方法

专利名称：采用pwm控制来控制双向伺服致动器的系统、方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及伺服控制器，并且更具体地涉及控制双向伺服致动器。
背景技术：
燃气和蒸汽涡轮机利用伺服系统用于控制与涡轮机的各种部件关联的致动器。 该致动器典型地移动燃料阀门、速比阀门、压缩机叶片和其他机构以控制在涡轮机系统中空气和燃料流。为了控制伺服致动器的位置，精确并且可控数量的DC电流(典型地高达 +/-200mA)通过致动器线圈，并且该电流可部分基于来自耦合于该机构或致动器的换能器的反馈。常规的伺服控制器可使用线性缓冲器或线性放大器提供致动器的驱动电流，该线性缓冲器或线性放大器典型地要求庞大的散热器以散逸从驱动电子设备产生的过多热量。在许多涡轮机中，各种阀门和叶片可使用液压致动器控制。液压致动器、阀门或叶片的位置可使用例如解算器、线性可变差分变压器(LVDT)或线性可变差分磁阻(LVDR)装置等换能器监测并且反馈给控制器。这样的装置在严酷的涡轮机环境中是高度可靠的，但它们通常需要AC激励电流用于正确操作。该AC激励电流典型地由具有线性输出放大器的激励驱动电路提供，该线性输出放大器也可要求庞大的散热器以散逸由驱动电子设备产生的过多热量。当涡轮机具有大量阀门，每个阀门具有关联的致动器和LVDT时，涡轮机的伺服控制器可由于用于驱动电路的散热器的所需数量和大小而变得过于庞大。此外，当驱动能量通过线性驱动电路转换成热量时，电路的能量效率减小，并且散逸的热增加到控制面板的总体温度。

发明内容
上文需求中的一些或所有可通过本发明的某些实施例解决。本发明的某些实施例可包括用于控制双向伺服致动器的系统、方法和设备。根据本发明的示例实施例，提供用于控制通过致动器的双向驱动电流的方法。该方法可包括接收方向控制信号，至少部分基于该方向控制信号操作一个或多个装置以建立通过致动器的至少一个可开关正电流路径和至少一个可开关负电流路径，至少基于与该致动器关联的电流提供反馈，以及至少部分基于该反馈控制该电流。根据本发明的示例实施例，控制该电流可基于该反馈和脉冲宽度调制信号的比较。在某些示例实施例中，该方法可包括凭借脉冲宽度调制控制来操作一个或多个装置以建立通过致动器的至少一个正电流路径和至少一个负电流路径。根据另一个示例实施例，提供用于控制双向驱动电流的系统。该系统可包括致动器、至少一个电源、通过该致动器的至少一个正电流路径和至少一个负电流路径和配置成至少部分基于与该致动器关联的反馈来操作该电流路径并且控制电流的控制器。根据本发明的示例实施例，该控制器进一步配置成基于该反馈和脉冲宽度调制信号的比较来操作该电流路径并且控制电流。根据另一个示例实施例，提供用于控制通过致动器的双向电流的电路。该电路可包括通过该致动器的至少一个正电流路径和至少一个负电流路径。该电路可包括配置成至少部分基于与该致动器关联的反馈来操作该电流路径并且控制电流的控制器。根据本发明的示例实施例，该控制器进一步配置成至少基于该反馈和脉冲宽度调制信号的比较来操作该电流路径并且控制电流。本发明的其他实施例和方面在本文中详细描述并且认为是要求权利的发明的一部分。其他实施例和方面可以参照下列详细说明、附图和权利要求理解。


现在将参照附表和图，其不是必须按比例绘制，并且其中图1是根据本发明的示例实施例的说明性控制器系统的框图。图2是根据本发明的示例实施例的说明性致动器驱动和位置传感器激励电路的框图。图3是根据本发明的示例实施例的说明性定位控制系统的框图。图4是根据本发明的示例实施例的具有滞后控制的说明性开关伺服致动器电路的电路图。图5是根据本发明的示例实施例的说明性双向电流开关电路的电路图。图6是根据本发明的示例实施例的说明性H桥的电路图。图7是根据本发明的示例实施例的正电流开关状态的图表。图8是根据本发明的示例实施例的负电流开关状态的图表。图9是根据本发明的示例实施例的示例方法的流程图。图10是根据本发明的示例实施例的另一个示例方法的流程图。图11是根据本发明的示例实施例的另一个示例方法的流程图。图12是根据本发明的示例实施例的另一个示例方法的流程图。图13是根据本发明的示例实施例的另一个示例方法的流程图。图14是根据本发明的示例实施例的另一个示例方法的流程图。
具体实施例方式本发明的实施例将在下文参照其中示出本发明的实施例的附图更充分地描述。然而，本发明可采用许多不同的形式体现并且不应该解释为限制于本文阐述的实施例；相反， 这些实施例提供为使得本公开将是全面和完整的，并且将充分地传达本发明的范围给本领域内技术人员。相似的号码始终指相似的元件。本发明的某些实施例可通过用开关放大器替换线性输出装置实现散热器的完全或部分排除。根据本发明的示例实施例，开关装置可提供为用于驱动与涡轮机关联的致动器。在某些示例实施例中，开关装置可提供为用于驱动与致动器关联的位置传感器的激励信号。根据示例实施例，提高的效率和减少的热散逸可在开关致动器或激励驱动中实现，因为驱动电路可以代替处于半导通状态而处于“导通”或“关断”状态。与在线性放大器驱动器中的那些相比，热散逸中的减少可排除散热器或实现散热器的尺寸减小。根据本发明的某些示例实施例，开关输出放大器提供为用作伺服致动器。在本发明的某个实施例中，该开关放大器可提供高达并且高于200mA的平均电流用于控制伺服致动器。在本发明的某些实施例中，该致动器电流可被反向以使致动器的方向反向。根据本发明的某些示例实施例，开关输出放大器提供为用作位置传感器激励驱动器。在某些实施例中，多个位置传感器可从公用激励驱动器来驱动。在某些实施例中，超过 12个传感器可以使用单个开关式激励驱动器来提供。根据某些示例实施例，位置传感器可包括解算器、线性可变差分变压器(LVDT)、线性可变差分磁阻(LVDR)装置。在其他示例实施例中，位置传感器可包括旋转可变差分变压器(RVDT)或旋转可变差分磁阻(RVDR)装置。这样的装置已经证明是可靠的，甚至在与燃气和蒸汽涡轮机关联的严酷环境条件中是可靠的(主要是由于经由可移动芯(其可耦合 (直接或间接)于致动器)从激励线圈到一个或多个感测线圈的电磁耦合)。应该理解术语LVDT可限定为指任何相似的位置检测器(线性或旋转的)。根据本发明的示例实施例，开关放大器可用于驱动伺服致动器和位置传感器激励线圈。因此，开关放大器的使用可排除关联的散热器、减小成本、减小在电路和面板中散逸的热量，并且减小在面板中和在印刷电路板上占用的空间。根据本发明的某些实施例，一个或多个致动器可通过产生参考信号来控制。基于该参考信号，可产生开关式信号用于操作致动器。在某些示例实施例中，产生该参考信号可包括产生脉冲宽度调制(PWM)信号。在某些实施例中，可感测耦合于致动器的该开关式信号的至少一部分并且作为用于进一步控制该参考信号或该开关式信号的反馈而被利用。在某些实施例中，致动器、阀门的位置或叶片位置可通过产生开关式激励信号并且将该激励信号施加于附连或耦合于致动器的LVDT或相似装置的激励绕组而确定。激励绕组可将开关式激励信号耦合于LVDT装置上的二次(或感测)绕组，其中耦合强度与致动器、阀门的位置或叶片位置成比例。耦合的开关式激励信号可用作凭借伺服系统的致动器的位置控制的第二反馈。根据本发明的示例实施例，参考信号可至少部分基于与开关式激励信号关联的该第二反馈来控制。根据本发明的示例实施例，用开关式驱动信号操作致动器可进一步基于极性信号。在示例实施例中，产生开关式激励信号可包括产生脉冲宽度调制信号。在示例实施例中，控制参考信号可进一步基于与开关式驱动信号关联的第二反馈。现在将参照附图描述根据本发明的示例实施例的用于高效控制和监测致动器、叶片或阀门位置的各种系统部件。图1图示根据本发明的示例实施例的控制器系统100。该控制器系统100可包括控制器102、至少一个存储器104和一个或多个处理器106。根据示例实施例，该控制器102 还可包括一个或多个输入/输出接口 108和一个或多个网络接口 110。与该控制器102关联的该存储器104可包括操作系统112和数据114。该存储器还可包括一个或多个模块，其被配置、编程或可操作成实行与该控制器102关联的过程。在某些示例实施例中，该存储器可包括致动器命令和感测模块118。在某些示例实施例中，存储器可包括激励驱动和致动器、阀门或叶片位置感测模块120。根据本发明的示例实施例，图1还图示致动器驱动和感测电路121与激励驱动和致动器、阀门或叶片位置感测电路123。根据本发明的示例实施例，该致动器驱动和感测电路121可包括开关放大器124、滤波部件126、致动器128、感测和反馈调节电路130。根据示例实施例，还可包括模数转换器132。该模数转换器可采用电压控制振荡器(VCO)、逐步近似寄存器转换器(SAR)、Delta-Sigma转换器或闪速转换器的形式。在其他示例实施例中， 反馈可转换成数字信号。根据本发明的示例实施例，并且如在图1中示出的，位置感测电路123可包括开关放大器124、位置传感器136(其可包括LVDT)、感测和反馈调节电路140。根据示例实施例， 模数转换器142也可包括在位置感测电路123中。该模数转换器142可采用电压控制振荡器(VCO)、逐步近似寄存器转换器(SAR)、Delta-Sigma转换器、闪速转换器等的形式。根据本发明的示例实施例，致动器1 可控制用于填充或排空缸体的液压流体或油的流量。该缸体可包括连接到阀门的活塞，并且该阀门可由该缸体中的液压流体的量来控制。位置传感器136可包括可机械链接到该阀门的电枢。该电枢可将来自激励线圈的激励信号作为该阀门的位置的函数耦合到感测线圈以指示阀门位置。图2是根据本发明的示例实施例的说明性致动器驱动和位置传感器激励电路200 的框图。在示例实施例中，该电路200可包括控制器/处理器202。该控制器/处理器202 可提供致动器参考204给开关功率放大器208。根据示例实施例，该致动器参考204可以是 DC命令，或它可以是用以控制该开关功率放大器208的脉冲宽度调制信号。在某些示例实施例中，致动器216可具有要求双向或单向电流的类型，因此根据本发明的示例实施例，控制器/处理器202还可提供极性信号206给开关功率放大器208 以控制致动器216的方向。根据本发明的示例实施例，开关功率放大器208可提供开关式驱动信号207，其可采用脉冲宽度调制(PWM)信号的形式。该PWM驱动信号的一个优势是开关功率放大器可产生更少的热量，因为输出开关装置(例如，晶体管或场效应装置)处于导通或关断状态。装置的操作(导通或关断)趋于最小化装置中电阻类型的发热(特别当与其中输出装置可在半导通状态操作的线性功率放大器比较时)。根据本发明的示例实施例，开关功率放大器可产生开关式驱动信号207，其中该信号的“on持续时间”与如由致动器参考信号204提供的命令的电流成比例。在本发明的某些示例实施例中，开关功率放大器208驱动信号207的频率可大约近似100kHz。在本发明的其他示例实施例中，开关功率放大器208可按开关拓扑要求的那样以更高或更低的频率开关。根据示例实施例，开关式驱动信号207可由低通滤波器209滤波以产生致动器电流
215。在某些示例实施例中，该低通滤波器209可包括一个或多个滤波电感器210、212和一个或多个滤波电容器214。可包括其他滤波器部件以保持致动器电流的谐波失真在规定的容差内。例如，该滤波器209可要求小于的总谐波失真，并且如此可要求另外的滤波电容器214或电感器212。根据示例实施例，致动器电流215可供应给致动器216，并且驱动电流215可凭借电流感测电阻器218或相似的电流感测装置被感测以用于反馈到控制器/处理器。其他的示例电流感测装置包括霍耳效应电流传感器或相似的技术。在本发明的示例实施例中，致动器电流215中的所有或部分可通过感测电阻器218并且可产生该电阻器218两端的电压降，其可由反馈电路220进一步处理。该反馈电路220可包括进一步滤波以去除尖峰或其他高频信息(其对于电路的剩余部分去解释可能是成问题的)。该反馈电路220可提供电流反馈信号221 (为了本发明的目的而指示为第二反馈)给模数转换器222，其可提供数字信号223给控制器/处理器202。同样在图2中示出的是对应于如在图1中示出的激励驱动和位置感测电路123的部件框图。根据本发明的示例实施例，控制器/处理器202可提供激励参考信号232用于控制开关功率放大器230。在示例实施例中，该激励参考信号232可以是正弦加权PWM信号。在其他示例实施例中，该激励参考信号232可以是模拟正弦波信号，其取决于开关功率放大器230的配置。根据本发明的示例实施例，开关功率放大器230可产生开关式激励信号228，其可用于驱动在一个或多个位置传感器2 上的一个或多个激励线圈。该开关式激励信号2 可耦合于位置传感器2 中的一个或多个感测线圈并且该耦合的信号的强度可取决于可移动芯2 在位置传感器226内的位置，位置传感器2 进而可耦合于致动器
216。根据本发明的示例实施例，耦合通过位置传感器226的激励信号2 可进一步由反馈电路234处理以产生激励信号反馈236。根据本发明的示例实施例，该激励信号反馈 236可由模数转换器240转换成用于控制器/处理器202的数字信号Ml在某些示例实施例中，包括开关功率放大器230的位置传感器激励电路可提供近似7伏特均方根(冊幻和近似3. 2千赫兹频率的交流激励信号228。其他振幅和频率可根据本发明的示例实施例产生。在本发明的某些实施例中，多个位置传感器2 可例如经由激励总线利用相同的激励信号228，使得单个开关功率放大器230电路可提供该激励信号 2 给多个LVDT激励线圈，由此提高电路200的空间和功率效率。在示例实施例中，由开关功率放大器230驱动的位置传感器2 的最大数目可基于从该特定开关功率放大器230可获得的最大额定功率输出确定，而不必在电路上安装散热器用于热散逸。图3描绘根据本发明的另一个示例实施例的定位伺服控制系统300。该定位伺服控制系统300可包括伺服位置控制器302。根据本发明的示例实施例，该伺服位置控制器 302可包括下列中的一个或多个数字伺服位置调整器304、一个或多个模数转换器306、位置传感器信号调节模块308、电流调整器310、电流驱动器312、激励控制器314和/或激励驱动器316。该伺服位置控制器302可提供致动器开关式驱动信号用于控制耦合于阀门组件324的致动器318。该致动器318还可与一个或多个位置传感器320、322耦合。根据本发明的示例实施例，该伺服位置控制器302还可提供开关式激励驱动信号给该位置传感器 320、322。根据本发明的示例实施例，该位置传感器320、322可响应于该致动器318的位置提供位置反馈给该伺服位置控制器302。图4描绘根据本发明的示例实施例的具有滞后控制的说明性开关伺服致动器电路400的示例电路图。不像脉冲宽度调制开关电路(其中开关频率是恒定的但调节“on” 持续时间以供应期望的平均电流)，该电路400可凭借输出驱动器410提供“on”和“off” 切换，但可调节与命令参考电压402成比例的平均输出驱动电流401，而不必须维持恒定开关频率。根据本发明的示例实施例，该电路400可响应于模拟命令参考电压402操作，并且输出电流401的调整可由模拟反馈环路提供，但输出驱动器410部件可被开关(“on”和 “off”)以最小化热散逸并且提高效率。根据示例实施例，参考电压402可在第一运算放大器404的非反相引线上接收，第一运算放大器404可经由栅极电阻器406提供开关驱动信号给输出驱动器410的栅极。根据示例实施例，该输出驱动器410可以是金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，或另一个相似的开关装置。当该开关装置410激活(或导通)时，输出驱动电流401可从电源408流过该输出驱动器410通过感测电阻器412并且通过致动器418或负载。根据示例实施例， 在第二运算放大器似6周围建立的反馈电路可监测该感测电阻器412两端的电压。根据本发明的示例实施例，并且继续参照图4，反馈环路还可包括滤波电容器 420。第二运算放大器似6上用于倍增传感电阻器412两端的电压的增益可由增益电阻器 414、416、422和/或似4设置。根据示例实施例，开关伺服致动器电路400还可包括反馈延迟电阻器4 和反馈延迟电容器440，其可提供调节的反馈信号403用于输入到第一运算放大器404的反相端子。根据本发明的示例实施例，第一运算放大器404可将该调节的反馈信号403电压对照参考电压402进行比较，并且基于该差异采用将减小该差异到零的方式调节第一运算放大器404的占空比。反馈延迟电阻器4 和反馈延迟电容器440可延迟反馈413，从而引入滞后。所得的输出驱动电流401可以是具有叠加在它上面的小三角波形的直流(DC)。该三角波形可以是输出驱动器410的开关性质的结果。根据本发明的示例实施例，叠加的三角波的振幅可通过增加滤波电容器420的值来减小。在某些实施例中，滤波电容器420可以是近似1微法或更大以提供平滑输出驱动电流401给负载418(其可以是致动器)。根据本发明的示例实施例，感测电阻器412两端的电压降可基于通过测量感测电阻器412两端的电压降的通过致动器418的感测驱动电流401。根据示例实施例，反馈信号 413可放大并且滤波以产生调节的反馈信号403。在某些实施例中，驱动电流并且进而反馈信号413可通过引入与致动器418并联的另外的并联电容420来滤波。根据本发明的示例实施例，调节的反馈信号403可包括将反馈信号403延迟和将反馈信号403滤波。在某些实施例中，调节的反馈信号403可包括修改反馈信号413的时间常数。在某些实施例中，修改时间常数可至少部分基于调节与反馈环路关联的电阻和/或电容。在某些实施例中，调节的反馈信号413至少部分基于确定通过致动器418的驱动电流401来确定。在某些实施例中，开关伺服致动器电路400可修改为具有双(正和负)供应以提供对输出驱动电流401的双向控制。图5描绘根据本发明的示例实施例的双向电流开关电路500。该示例电路500可响应于第一开关控制信号502和/或第二开关控制信号520提供双向电流给负载512。在示例实施例中，该第一开关控制信号502和/或第二开关控制信号520可包括脉冲宽度调制信号。在示例实施例中，该负载512可以是致动器，例如在图3中的318等。在本发明的示例实施例中，该第一开关控制信号502和第二开关控制信号520将被协调使得第一开关装置508和第二开关装置5 将不会同时闭合。在示例实施例中，当第一开关控制信号502电压大于第一电流反馈信号504电压时正电流538可经由正电流路径534供应给负载512。在某些实施例中，第一运算放大器 506 (或比较器，例如)可用于提供开关逻辑或电流用于控制第一开关装置508 (取决于到第一运算放大器506的输入电压502、504)。根据示例实施例，当第一开关装置508处于闭合状态时，来自正电压电源509的电流538可流过正电流路径534，并且经由感测电阻器510 通过负载512。在示例实施例中，流过该感测电阻器510的电流可引起该感测电阻器510两端的电压降，并且该电压降可被测量和用于反馈。例如，在本发明的实施例中，第一电流反馈信号504可基于提供给第一差分运算放大器514的差分输入端子的电压降。在本发明的示例实施例中，第一差分运算放大器514的输出可由例如第一滤波电阻器516和第一滤波电容器518滤波以产生第一电流反馈信号504用于输入到第一运算放大器506。采用相似设置并且根据本发明的示例实施例，当第二开关控制信号520电压大于第二电流反馈信号522电压时，负电流540可经由负电流路径536供应给负载512。在某些实施例中，第二运算放大器524(或比较器，例如)可用于提供开关逻辑或电流用于控制第二开关装置5 (取决于到第二运算放大器524的输入电压520、522)。根据示例实施例， 当第二开关装置5 处于闭合状态时，来自负电压电源527的电流540可流过负电流路径 536，并且经由负载512通过感测电阻器510。在示例实施例中，流过感测电阻器510的电流可引起感测电阻器510两端的电压降，并且该电压降可被测量和用于反馈。例如，在本发明的实施例中，第二电流反馈信号522可基于提供给第二差分运算放大器528的差分输入端子的电压降。在本发明的示例实施例中，第二差分运算放大器528的输出可由例如第二滤波电阻器530和第二滤波电容器532滤波以产生第二电流反馈信号522用于输入到第二运算放大器524。在某些实施例中，负载512可包括另外的滤波部件，其包括例如电容器、电感器、 电阻器等无源部件。在某些实施例中，负载512可包括有源滤波部件。根据本发明的示例实施例，双向电流开关电路500可用于控制致动器中致动的极性(或方向)。在本发明的示例实施例中，第一开关控制信号502和/或第二开关控制信号可包括脉冲宽度调制(PWM) 信号，其可用于控制致动器的速度或力量。根据示例实施例，正电流路径534和负电流路径 536可设置为互斥的以避免使正电压电源509与负电压电源527短接。在本发明的某个实施例中并且参照图5的双电源配置，操作一个或多个开关装置 508,526以建立至少一个正电流路径534和/或至少一个负电流路径536包括协调至少两个开关508、526，其中开关508、526中的至少一个处于开路状态以避免使电源509、527短路。根据本发明的示例实施例，两个或更多开关装置508、5沈可用于控制通过致动器负载 512的电流，并且在该致动器的操作期间，开关508、526中的至少一个可处于开路状态以避免使电源509、527短路。本发明的某些实施例可包括控制器，其可配置成通过协调至少第一开关装置508和第二开关装置5 可开关地控制电流538540。根据示例实施例，开关
9装置508、526中的至少一个处于开路状态，并且装置508、526中的至少一个可操作以至少部分基于脉冲宽度调制控制驱动电流538540。在某些实施例中，控制器可配置成通过协调至少第一开关装置508和第二开关装置5 可开关地控制电流538540。在示例实施例中，开关装置508、5沈中的至少一个处于开路状态，并且其中装置508、5沈中的至少一个可操作以至少部分基于脉冲宽度调制控制驱动电流538540。根据本发明的某些实施例，并且参照图5或图6，电流538、540、617、619可由与至少一个正电流路径534、620或至少一个负电流路径536、622关联的至少一个开关508、 526、610、612、614、616控制。在某些实施例中，电流538、540、617、619可使用脉冲宽度调制来控制。在示例实施例中，一个或多个装置508、526、610、612、614、616可操作成建立至少一个正电流路径534、620和至少一个负电流路径536、622，使得电流路径互斥。在某些实施例中，互斥的电流路径534、536 :620、622可由致动器512、618完成。根据示例实施例， 两个或更多开关装置508、526、610、612、614、616，这样的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)可用于控制双向电流。根据本发明的其他示例实施例，其他各种半导体和/或固态开关装置可用作开关装置508、526、610、612、614、616。在某些实施例中，可包括续流二极管、电容器、电感器和其他部件并且其可与开关装置关联。根据本发明的示例实施例，并且参照图6，正和/或负电流617、619可通过协调采用H桥配置的至少四个开关610、612、614、616来控制使得该四个开关中的至少两个处于开路状态，并且另外两个开关中的至少一个至少部分基于脉冲宽度调制来控制电流。根据本发明的某些实施例，正电流路径620可包括第一开关装置610和第四开关装置616，并且负电流路径622可包括第二开关装置614和第三开关装置612。在某些实施例中，控制器102 可配置成通过控制第一开关装置610或第四开关装置616控制正驱动电流619。在某些实施例中，该控制器可进一步配置成通过控制第二开关装置614或第三开关装置612控制负驱动电流617。在某些实施例中，第一开关装置610和第三开关装置612的导通状态是互斥的，并且第二开关装置614和第四开关装置616的导通状态是互斥的。本发明的某些实施例可包括可配置成通过协调至少第一开关装置610、第二开关装置614、第三开关装置612和第四开关装置616可开关地控制电流617、619的控制器。 在本发明的示例实施例中，该四个开关装置610、612、614、616中的至少两个可以是开路状态，并且剩下的两个开关装置中的至少一个可操作成至少部分基于脉冲宽度调制来控制驱动电流617、619。在某些实施例中，电流可流过正电流路径620，其可包括第一开关装置610 和第四开关装置616。在某些实施例中，电流可流过负电流路径622，其可包括第二开关装置614和第三开关装置612。发明的实施例提供正电流路径620，其可包括第一开关装置610和第四开关装置 616。本发明的实施例可包括负电流路径622，其可包括第二开关装置614和第三开关装置 612。根据示例实施例，控制器可配置成通过控制第一开关装置610或第四开关装置616来控制正驱动电流619。根据示例实施例，控制器可配置成通过控制第二开关装置614或第三开关装置612来控制负驱动电流617。根据本发明的示例实施例，第一开关装置610和第三开关装置612的导通状态是互斥的，并且第二开关装置614和第四开关装置616的导通状态是互斥的。图6描绘根据本发明的示例实施例的说明性H桥的电路图。根据本发明的示例实施例，电压源602可用于凭借第一开关装置610、第二开关装置612、第三开关装置614和/ 或第四开关装置616的组合供应电流通过负载618(其可以是致动器，例如如在图3的318 中)。根据本发明的示例实施例，第一开关装置610的状态可由第一开关驱动信号604控制并且第三开关装置614的状态可由第二开关驱动信号606控制。根据本发明的示例实施例，第三开关装置612和第四开关装置616的状态可由方向/极性信号608和反相器609 控制。该极性控制信号608和反相器609可施加于第一和第二开关装置(610、614)，而驱动信号(604、606)可施加于第三和第四开关装置(612、616)，这应该是显而易见的。从而， 根据本发明的另一个示例实施例，第一开关装置610和第二开关装置612的状态可由方向 /极性信号(例如608等)和反相器(例如609等)控制。因此，在相关示例实施例中，第三开关装置612可由驱动信号(例如604等)控制。同样地，开关装置616可反而由驱动信号(例如606等)控制。在本发明的其他示例实施例中，单独的个体开关驱动信号可用于控制开关装置(610、612、614、616)中的每个。在本发明的某些示例实施例中，开关装置对(610和616)或(614和612)的导通状态可用于控制通过负载618的电流的方向。在某些实施例中，可进行测量以保证第三开关装置612决不与第一开关装置610同时导通，并且相似地，第二开关装置614和第四开关装置616不应该同时处于导通状态。图6描绘H桥电路拓扑，其在某些实施例中可利用PWM开关概念(如上文参照图 5论述的)以实现致动器的双向控制。该PWM控制实施例的另外说明将在下文参照图7和 8论述。根据示例实施例，图6的H桥电路拓扑还可利用滞后开关概念，如上文参照图4论述的。例如，在图6中第一开关装置610和第二开关装置614可包括图4的部件中的所有中的一些，其中图6的开关装置610、614对应于图4的输出驱动器410。将该概念联系到图 2，图2的方向/极性控制206可对应于图6的方向/极性信号608，这应该是显而易见的。 该H桥电路拓扑还可应用于其他滞后控制和脉冲宽度调制开关装置和电路，如之前根据本发明的实施例参照图2和3论述的。根据示例实施例，仅Q的脉冲宽度调制(PWM)控制可用于控制用于驱动致动器618 的电流，如在图6中。根据示例实施例，正电流619可通过闭合第四开关装置616以指示电流极性而被控制通过致动器618。正电流619的大小可凭借第一开关装置610来控制。在示例实施例中，正电流619可通过作为如在图7中示出的仅Q的PWM的函数导通和关断第一开关装置610来控制。在本发明的示例实施例中，当正命令正电流619时第二开关装置 614和第三开关装置612可一直保持在开路状态。相似的方式可用于控制通过致动器618的负电流617。例如，并且根据示例实施例，第三开关装置612可保持闭合以指示电流极性同时第二开关装置614凭借仅nQ的 PWM(如在图8中示出)导通和关断以控制负电流617的大小。在本发明的示例实施例中， 当正命令负电流617时第一开关装置610和第四开关装置616可一直保持在开路状态。参照图5并且根据示例实施例，仅Q的PWM控制(如在图7中描绘的)可用于导通和关断开关装置508以控制正电流538通过致动器512。在该实施例中，在建立正电流路径534情况下，开关装置540可保持在开路状态。同样地在图5中，对于负电流路径536并且根据示例实施例，仅nQ的PWM (如在图 8中描绘的)可用于导通和关断开关装置526以控制负电流M0。对于该示例实施例，开关装置508可保持在开路状态。根据本发明的示例实施例，通过致动器618的双向驱动电流617、619可包括操作和/或协调一个或多个装置610、612、614、616以建立通过致动器618的至少一个正电流路径620和至少一个负电流路径622。根据示例实施例，可提供至少基于与致动器618关联的电流617、619的反馈(例如在图4中的403等)，并且通过致动器618的电流617、619可至少部分基于反馈(例如在图4中的403等)控制。根据本发明的示例实施例，致动器电流 617、619可基于反馈(例如在图4中的403等)和参考信号(例如在图4中的402等)的比较来控制。在某些实施例中，控制电流617、619可进一步包括协调至少四个开关装置610、 612、614、616，其中该四个开关装置中的至少两个处于开路状态，并且其他两个开关中的至少一个至少部分基于处于闭合状态的时间的百分比来控制电流。在某些示例实施例中，电流617、619可通过控制与至少一个正电流路径620或至少一个负电流路径622关联的至少一个开关来控制。在本发明的某些实施例中，一个或多个装置610、612、614、616可被操作成建立至少一个正电流路径620和至少一个负电流路径622。在示例实施例中，两个互斥的电流路径可与致动器618桥接。根据本发明的某些示例实施例，控制电流617、619可通过使用滞后控制(例如在图4中描绘的等)实现。本发明的某些示例实施例可包括用于控制双向驱动电流617、619的系统。该系统可包括致动器618、电压源602、通过该致动器618的至少一个正电流路径620和至少一个负电流路径622，和控制器(例如在图1中的102等)，其配置成至少部分基于与该致动器 618关联的反馈(例如在图4中的403等)操作电流路径620、622并且控制电流617、619。 在某些实施例中，该控制器(例如在图1中的102等)进一步配置成基于反馈(例如在图 4中的403等)和参考信号(例如在图4中的402等)的比较来操作电流路径620、622并且控制电流617、619。在某些示例实施例中，正电流路径620包括第一开关装置610和第四开关装置616，并且负电流路径622包括第二开关装置614和第三开关装置612。在某些示例实施例中，该控制器(例如在图1中的102等)进一步配置成通过控制第一开关装置 610或第四开关装置616来控制正驱动电流619，并且该控制器(例如在图1中的102等) 进一步配置成通过控制第二开关装置614或第三开关装置612来控制负驱动电流617。根据某些示例实施例，该控制器(例如在图1中的102等)进一步配置成控制开关装置610、612、614、616的导通状态。在某些示例实施例中，第一开关装置610和第三开关装置612的导通状态是互斥的，并且第二开关装置614和第四开关装置616的导通状态是互斥的。在某些示例实施例中，该控制器(例如在图1中的102等)进一步配置成通过协调至少第一开关装置610、第二开关装置614、第三开关装置612和第四开关装置616可开关地控制电流617、619。根据示例实施例，该四个开关装置610、612、614、616中的至少两个处于开路状态，并且剩下的两个开关装置中的至少一个可操作成至少部分基于处于闭合状态的时间的百分比来控制驱动电流617、619。在某些示例实施例中，该控制器102进一步配置成至少部分基于滞后控制(例如在图4中描绘的等)控制电流617、619。根据示例实施例，如上文参照图4论述的滞后控制可用于控制用于驱动致动器 618的电流。例如正电流619可通过闭合第四开关装置616以指示电流极性来控制。正电流619的大小可凭借第一开关装置610来控制。在示例实施例中，正电流619可通过作为滞后控制环路动作的函数导通和关断第一开关装置610来控制，如上文参照图4论述的。在本发明的示例实施例中，当正电流619正由滞后控制环路命令时第二开关装置614和第三开关装置612可一直保持在开路状态。相似的方式可用于控制通过致动器618的负电流617。例如，并且根据示例实施例，第三开关装置612可保持闭合以指示电流极性同时第二开关装置614凭借滞后控制环路动作导通和关断以控制负电流617的大小。在本发明的示例实施例中，当正命令负电流 617时第一开关装置610和第四开关装置616可一直保持在开路状态。根据某些示例实施例，并且继续参照图6，提供用于控制通过致动器618的双向驱动电流617、619的电路。该电路可包括通过该致动器618的至少一个正电流路径620和至少一个负电流路径622，和控制器(例如在图1中的102等)，其配置成至少部分基于与该致动器618关联的反馈(例如在图4中的403等)操作电流路径620、622并且控制电流617、 619。根据示例实施例，该控制器(例如在图1中的102等)可进一步配置成基于反馈和参考信号的比较来操作电流路径620、622并且控制电流617、619。在某些示例实施例中，正电流路径620可包括第一开关装置610和第四开关装置616，并且负电流路径622可包括第二开关装置614和第三开关装置612。根据某些示例实施例，控制器(例如在图1中的102等)可进一步配置成通过控制第一开关装置610或第四开关装置616来控制正驱动电流619，并且该控制器可进一步配置成通过控制第二开关装置614或第三开关装置612来控制负驱动电流617。在某些示例实施例中，控制器(例如在图1中的102等)可进一步配置成控制开关装置610、612、614、 616的导通状态。在本发明的某些实施例中，第一开关装置610和第三开关装置612的导通状态是互斥的，并且第二开关装置614和第四开关装置616的导通状态是互斥的。根据本发明的某些实施例，控制器102可进一步配置成通过协调开关装置610、612、614、616控制驱动电流617、619，四个开关装置610、612、614、616中的至少两个处于开路状态，并且其他两个开关装置中的至少一个可操作成至少部分基于处于闭合状态的时间的百分比来控制电流 617、619。图7和图8分别描绘根据本发明的示例实施例的正电流开关控制700和负电流开关控制800的示例时序图。这些时序图的示例实施例可应用于本发明的仅Q的脉冲宽度调制(PWM)控制实施例。根据本发明的实施例，这些示例时序图可应用于上文关于图5的致动器双向电流开关电路500和/或图6的H桥电路600论述的实施例。这些图代表作为时间的函数的串联的两个开关装置的开关状态(ON或OFF)。指示的开关状态可提供可配置的导通路径给致动器(例如在图3中的318等)以控制极性和平均驱动电流，其可进而用于控制相应致动方向，并且控制致动器的速度或力量。根据示例实施例并且如在图7中指示的，开关装置可根据仅Q的PWM开关装置状态来控制。例如，第一开关装置(例如在如图6中的620等的H桥的一个分支中的610等， 或在图5的第一开关508中)可根据作为时间的函数的第一开关状态702来控制。图7还指示第二开关装置(例如在如图6中的620等的H桥的相同臂中的616等)的开关装置状态704。根据示例实施例，当在一个方向上驱动致动器时该第二开关装置状态704可以是稳定的“0N”，并且因此，该特征区别开本发明与常规PWM开关，其中第二开关装置采用典型 PWM来开关。根据本发明的示例实施例，第一开关装置状态702的占空比可按需要调节以提供通过致动器的期望平均电流。根据本发明的示例实施例，当开关装置配置成路由正电流 (例如在图6中的619等)通过致动器(例如图6中经由例如610和616等开关装置的618 等)时，在H桥的另一个分支中的开关装置(例如，图6中的614和612等)可处于开路状态以避免短接电源。图8指示仅nQ的PWM负电流开关状态800的相似示例时序图。根据示例实施例， 第一(负电流)开关装置(例如在如图6中的622等的H桥的一个分支中的614等，或在图5的第二开关装置526中)可根据作为时间的函数的第一负开关状态804来控制。图8 还指示第二(负电流)开关装置(例如在如图6中的622等的H桥的相同臂中的612等) 的第二负开关装置状态802。根据示例实施例，当在一个方向上驱动致动器时该第二开关装置状态802可以是稳定的“0N”，并且因此，该特征区别开本发明与常规PffM开关，其中第二开关装置采用典型PWM来开关。根据本发明的示例实施例，第一负开关装置状态804的占空比可按需要调节以提供通过致动器的期望平均电流。根据本发明的示例实施例，当开关装置配置成路由负电流 (例如在图6中的617等)通过致动器(例如图6中经由例如612和614等开关装置的618 等)时，在H桥的另一个分支中的开关装置(例如，图6中的610和616等)可处于开路状态以避免短接电源。用于控制致动器的示例方法900现在将参照图9的流程图描述。该方法在框902 中开始，其中根据本发明的示例实施例，产生参考信号。在框904中并且根据本发明的示例实施例，致动器至少部分基于该参考信号用开关式驱动信号来操作。在框906中并且根据示例实施例，产生开关式激励信号。在框908中并且根据示例实施例，该参考至少部分基于与该开关式激励信号关联的反馈来控制。该方法900在框908后结束。用于控制致动器驱动电流的示例方法1000现在将参照图10的流程图描述。该方法在框1002中开始，其中根据本发明的示例实施例，该方法可包括接收参考信号。在框 1004中，该方法可包括至少部分基于驱动电流确定反馈信号。在框1006中，该方法可包括至少部分基于该反馈信号确定调节的反馈信号。在框1008中，该方法可包括比较该参考信号与该调节的反馈信号。在框1010中，该方法可包括基于该参考信号和该调节的反馈信号的比较来控制驱动电流。该方法1000在框1010后结束。用于控制通过致动器的双向驱动电流的示例方法1100现在将参照图11的流程图描述。该方法在框1101中开始，其中根据本发明的示例实施例，该方法可包括接收方向控制信号。在框1102中，该方法可包括至少部分基于该方向控制来操作一个或多个装置以建立通过致动器的至少一个可开关的正电流路径和至少一个可开关的负电流路径。在框1104 中，该方法可包括至少基于与该致动器关联的电流来提供反馈。并且在框1106中，该方法可包括至少部分基于该反馈来控制该电流。该方法1100在框1106后结束。用于控制致动器驱动电流的示例方法1200现在将参照图12的流程图描述。该方法在框1201中开始，其中根据本发明的示例实施例，该方法可包括接收方向控制信号。 在框1202中，该方法可包括至少部分基于该方向控制信号来操作一个或多个装置以建立通过致动器的至少一个可开关的正电流路径和至少一个可开关的负电流路径。在框1204 中并且根据本发明的示例实施例，该方法可包括至少基于与该致动器关联的电流来提供反馈。并且在框1206中，该方法可包括至少部分基于该反馈或基于该反馈与脉冲宽度调制信号的比较来控制该电流。该方法1200在框1206后结束。用于控制通过致动器的双向驱动电流的示例方法1300现在将参照图13的流程图描述。该方法在框1302中开始，其中根据本发明的示例实施例，该方法可包括接收参考信号。在框1304中，该方法可包括至少基于与该致动器关联的电流确定反馈信号。在框1306 中，该方法可包括基于该参考信号和调节的反馈信号的比较控制驱动电流。在框1308中， 该方法可包括凭借滞后控制操作一个或多个装置以建立通过致动器的至少一个正电流路径和至少一个负电流路径。该方法1300在框1308后结束。用于控制通过致动器的双向驱动电流的示例方法1400现在将参照图14的流程图描述。该方法在框1402中开始，其中根据本发明的示例实施例，该方法可包括接收参考信号。在框1404中，该方法可包括至少基于与该致动器关联的电流确定反馈信号。在框1406 中，该方法可包括基于该参考信号和调节的反馈信号的比较控制驱动电流。在框1408中， 该方法可包括凭借脉冲宽度调制控制操作一个或多个装置以建立通过致动器的至少一个正电流路径和至少一个负电流路径。该方法1400在框1408后结束。因此，本发明的示例实施例可以提供形成提供具有增加的效率的伺服致动器控制的某些系统、方法和设备的技术效果。本发明的示例实施例可以提供进一步的技术效果提供用于减少由伺服致动器驱动器或激励信号驱动器产生的热量的系统、方法和设备。本发明的示例实施例可以提供进一步的技术效果提供用于排除散热器或减小在常规伺服致动器驱动器中要求的散热器的大小的系统、方法和设备。本发明的示例实施例可以提供进一步的技术效果提供用于减小与伺服致动器和它们的驱动电子设备关联的电路、电路板和 /或面板的大小或占用空间的系统、方法和设备。在本发明的示例实施例中，控制器系统100、致动器驱动和位置传感器激励电路 200和/或定位控制系统300可包括任何数量的软件应用程序，其被执行以便于操作中的任何操作。在示例实施例中，一个或多个I/O接口可便于控制器系统100、致动器驱动和位置传感器激励电路200和/或定位控制系统300与一个或多个输入/输出装置之间的通信。 例如，通用串行总线端口、串行端口、盘驱动器、⑶-ROM驱动器和/或一个或多个用户界面装置(例如显示器、键盘、小键盘、鼠标、控制面板、触摸屏显示器、麦克风等)可便于与控制器系统100、致动器驱动和位置传感器激励电路200和/或定位控制系统300的用户交互。 该一个或多个I/O接口可用于从许多种输入装置接收或收集数据和/或用户指令。接收的数据可如在本发明的各种实施例中期望的那样由一个或多个计算机处理器处理和/或存储在一个或多个存储器装置中。一个或多个网络接口可便于控制器系统100、致动器驱动和位置传感器激励电路 200和/或定位控制系统300输入和输出到一个或多个适合的网络的连接和/或多个连接； 这样的连接例如是便于与关联于系统的任何数量的传感器通信的连接。该一个或多个网络接口可进一步便于到一个或多个适合的网络的连接；这样的网络例如是局域网、广域网、互联网、蜂窝网络、射频网络、支持Bluetooth 的网络、支持Wi-Fi 的网络、基于卫星的网络、 任何有线网络、任何无线网络等，以用于与外部装置和/或系统通信。如期望的，本发明的实施例可包括控制器系统100、致动器驱动和位置传感器激励电路200和/或定位控制系统300，其具有在图1、2和3中图示的差不多的部件。
本发明在上文中参照根据本发明的示例实施例的系统、方法、设备和/或计算机程序产品的框图和流程图描述。将理解框图和流程图中的一个或多个框以及在框图和流程图中的框的组合分别可以由计算机可执行程序指令实现。同样，根据本发明的一些实施例， 框图和流程图的一些框可能不一定需要采用提供的顺序执行，或可能根本不必需要执行。这些计算机可执行程序指令可装载到通用计算机、专用计算机、处理器或其他可编程数据处理设备上以产生特定的机器，使得在计算机、处理器或其他可编程的数据处理设备上执行的指令形成用于实现在流程图框或多个框中规定的一个或多个功能的装置。这些计算机程序指令还可存储在计算机可读存储器中，其可以指导计算机或其他可编程数据处理设备采用特定的方式工作，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生一种制品，其包括实现流程图框或多个框中规定的一个或多个功能的指令装置。作为示例，本发明的实施例可提供计算机程序产品，其包括具有计算机可读程序代码或包含于其中的程序指令的计算机可用介质，所述计算机可读程序代码适应于被执行以实现流程图框或多个框中规定的一个或多个功能。计算机程序指令还可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上以使将在计算机或其他可编程设备上执行的一系列操作单元或步骤以产生计算机实现的过程， 使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现流程图框或多个框中规定的功能的单元或步骤。因此，框图和流程图的框支持用于执行规定功能的装置的组合、用于执行规定功能的单元或步骤和用于执行规定功能的程序指令装置的组合。还将理解框图和流程图的每个框以及在框图和流程图中的框的组合可以由执行规定功能、单元或步骤的专用的基于硬件的计算机系统或专用硬件和计算机指令的组合实现。尽管本发明已经连同目前认为是最实用的和各种实施例描述，要理解本发明不限于公开的实施例，而相反，本发明意在涵盖包括在附上的权利要求的范围内的各种修改和等同设置。尽管本文采用特定术语，它们仅在一般和说明意义上使用并且不是为了限制的目的。该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的专利范围在权利要求中限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。部件列表
权利要求
1.一种用于控制通过致动器的双向驱动电流的方法，所述方法包括接收方向控制信号(502、520、608)；至少部分基于接收所述方向控制信号(502、520、608)操作一个或多个装置(508、526、 610、612、614、616)以建立通过致动器(512、618)的至少一个可开关正电流路径(534、620) 和至少一个可开关负(536、622)电流路径；至少基于与所述致动器(512、618)关联的电流(538、M0、617、619)提供反馈(504、 522)；以及至少部分基于所述反馈(504、522)控制所述电流(538、540、617、619)。
2.如权利要求1所述的方法，其中控制所述电流(538540、617、619)进一步基于所述反馈(504,522)和脉冲宽度调制信号(502,520)的比较。
3.如权利要求1所述的方法，其中控制所述电流(617、619)进一步包括协调至少四个开关(610、612、614、616)，其中所述四个开关中的至少两个处于开路状态，并且另外两个开关中的至少一个至少部分基于脉冲宽度调制来控制所述电流。
4.如权利要求1所述的方法，其中操作一个或多个装置(508、5沈)以建立至少一个正电流路径(534)或至少一个负电流路径(536)包括协调至少两个开关(508、5沈)，其中所述开关(508、5沈)中的至少一个处于开路状态。
5.如权利要求1所述的方法，其中控制所述电流(538、540、617、619)包括控制与至少一个正电流路径(534、620)或至少一个负电流路径(536、622)关联的至少一个开关(508、 526、610、612、614、616)。
6.如权利要求1所述的方法，其中控制所述电流(538、540、617、619)包括使用脉冲宽度调制控制所述电流。
7.如权利要求1所述的方法，其中操作一个或多个装置(508、526、610、612、614、616) 以建立至少一个正电流路径(534、620)或至少一个负电流路径(536、62幻包括将两个互斥的电流路径(534,536 =620,622)与所述致动器(512,618)连接。
8.一种用于控制双向驱动电流(538、540、617、619)的系统，其包括致动器(618)；至少一个电源(509,527,602)；通过所述致动器(618)的至少一个正电流路径(534、620)和至少一个负电流路径 (536、622)，以及控制器(102)，其配置成至少部分基于与所述致动器(512、618)关联的反馈(504、522) 操作所述电流路径(534、536、620、622)并且控制电流(538、540、617、619)。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器(102)进一步配置成基于所述反馈 (504,522)和脉冲宽度调制信号(502,520)的比较来操作所述电流路径(534、536、620、 622)并且控制电流(617,619) 0
10.如权利要求8所述的系统，其中所述正电流路径(620)包括第一开关装置(610)和第四开关装置(616)，并且其中所述负电流路径(622)包括第二开关装置(614)和第三开关装置(612)。
全文摘要
本发明名称为采用PWM控制来控制双向伺服致动器的系统、方法和设备。本发明的某些实施例可包括用于控制通过致动器的双向驱动电流的系统、方法和设备。该方法可包括接收方向控制信号(502、520、608)，至少部分基于该方向控制信号(502、520、608)操作一个或多个装置(508、526、610、612、614、616)以建立通过致动器(512、618)的至少一个可开关正电流路径(534、620)或至少一个可开关负(536、622)电流路径，至少基于与该致动器(512、618)关联的电流(538、540、617、619)提供反馈(504、522)，以及至少部分基于该反馈(504、522)控制该电流(538、540、617、619)。该方法可包括凭借脉冲宽度调制控制来操作一个或多个装置以建立通过致动器的至少一个正电流路径和至少一个负电流路径。
文档编号F01D21/00GK102352781SQ20111014904
公开日2012年2月15日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年5月21日
发明者R·A·卡特, R·M·德賽 申请人:通用电气公司