具有电机和用于调节电机转速的调节装置的伺服驱动装置

摘要

可无线遥控且由电池供电的伺服驱动装置，用于在两个终端位置间操纵一执行机构，该装置有一用于调节电机转速的调节装置。伺服驱动装置有一切换装置，通过它伺服驱动装置可选择地以第一运行方式或以第二运行方式驱动。第一运行方式中调节装置将转速调节到第一理论值并在第二运行方式中调节到第二理论值。这样确定第一理论值：在操纵执行机构时的能耗最小；这样确定第二理论值：一由伺服驱动装置在第二运行方式中产生的噪声级低于在第一运行方式中产生的噪声级。通过对一时间控制器的符合用途要求的编程，伺服驱动装置总可能量最佳地且以低噪声级工作。伺服驱动装置可节省电能地用于居住区。

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于操纵一执行机构的伺服驱动装置。

按照本发明的伺服驱动装置是能量高效和低噪声的并且有利地用于加热技术、通风技术、制冷技术和空调技术中操纵阀门。通过所述伺服驱动装置尤其可以无线遥控一个散热器阀门。

背景技术

例如由DE 2800704 A，DE 2952695 A和DE 4221094 A公开了可以遥控的热水阀门。

由W099/15822A1公开了一种用于恒温阀门的伺服驱动装置，其中可以调节一个电机的转速。

为居住区、尤其是卧室如此设计伺服驱动装置，使得它们在运行中尽可能轻地工作。无线遥控的伺服驱动装置通常通过一个电池工作，其更换涉及运行中断和成本。因此对于一个遥控伺服驱动装置要求能耗最小化。

发明内容

本发明的目的是，提供一种可以无线遥控的伺服驱动装置，它能量高效且轻声地运行并因此也可以用于居住区。

上述目的按照本发明通过权利要求1的特征得以实现。

有利的设计方案由从属权利要求给出。

附图说明

下面借助于附图详细描述本发明的实施例。附图中：

图1示出伺服驱动装置的调节和控制装置的方框图，

图2示出用于表示电机驱动模块工作方式的方框图，

图3示出执行机构的状态，

图4示出用于表示调节力的曲线图，

图5示出用于计算调节力的计算模块，

图6示出用于表示在电池供电的伺服驱动装置中一个最佳的能量分配的方框图，

图7示出用于表示伺服驱动装置工作方式的方框图，

图8示出伺服驱动装置的一种变型方案。

具体实施方式

在图1中以1表示一个电机，它通过一个传动装置2与一个变换元件3耦联。一个由电机1产生的转矩M_M通过传动装置2转换成一个传递到变换元件3上的传动力矩M_A。该变换元件3将一个由电机1产生的旋转运动变换成一个具有一个行程H的纵向运动。通过纵向运动使一个顶杆4以一个调节力F作用于一个执行机构5。该执行机构5在这里是一个具有一个关闭体的阀门，该顶杆4作用于这个关闭体上。该阀门典型地是一个在一个热水或冷水回路中的无级调节的阀门，例如一个散热器阀门。

所述电机1通过一个与一个电源6连接的电机驱动模块7供电。

在传动装置2上设置一个用于测得一个旋转运动的传感器装置8。一个由传感器装置8产生的信号s例如输送到一个计算模块9。在计算模块9中借助于信号s有利地产生一个速度信号ω和一个位置信号p。

一个用于执行机构5的伺服驱动装置的调节装置具有一个内部的闭环调节回路并且有利地也具有一个外部的闭环调节回路。该内部的调节回路从传感器装置8通过由计算模块9转换的速度信号ω和一个第一比较装置10通过一个第一调节模块11直到电机驱动模块7。所述外部的调节回路从传感器装置8通过由计算模块9转换的位置信号p和一个第二比较装置12通过一个第二调节模块13直到第一比较装置10，并且从那里通过第一调节模块11直到电机驱动模块7。在第二比较装置12上有利地馈入调整元件的一个理论位置信号p_s作为指定参数。

在伺服驱动装置的一个有利的实施例中，所述电机1是一个直流电机并且该电机驱动模块7具有一个驱动单元20(见图2)和一个位于电池电压U_B上的用于控制电机1的桥接电路21。该桥接电路21的四个电子开关22，23，24和25可以由驱动单元20控制。通过四个开关22，23，24和25的相应状态可以由驱动单元20控制通过电机1的电流I_M的持续时间和极性。该驱动单元20可以有利地通过一个控制信号m控制。

该控制信号m例如是一个信号，其脉冲宽度通过第一调节模块11调制。

所述驱动单元20例如是一个集成的功能块，而电子开关22，23，24和25例如通过MOS场效应晶体管来实现。

原则上电机驱动模块7在其结构上要适配于一种所选择的电机类型，其中根据对伺服驱动装置的要求选择一种适合的电机类型，并且例如使用一个适配于电机类型的电子换向电路来代替桥接电路21。

在图3a，3b和3c中简示出的执行机构5例如是一个阀门，它具有一个可作为调整元件使用的关闭体30，该关闭体可通过顶杆4克服弹簧31的作用力向着一个阀座32移动。该顶杆4根据电机1的一个驱动轴33的旋转方向可在关闭体30的一个纵轴线34上往复移动。所述变换元件3在这里是一个在顶杆4上构成的外螺纹35连同一个在一个传动轮36上构成的内螺纹。

在图3a中示出阀门的打开状态，即所述关闭体30在一个第一终端位置，一个用于一种流体的可能的流量q是100％。所述顶杆4也在一个终端位置，其中在顶杆4与关闭体30之间构成一个气隙37。尤其是当阀门驱动装置作为万能驱动装置可以装配在不同的阀门类型上的时候，单独可达到的终端位置对于关闭体与阀门驱动装置不必准确地一致。有利的是使阀门驱动装置和关闭体在装配后以一种校准方法定义共同的终端位置，并以有利的方式以一个行程模型存储在伺服驱动装置里面。

在图3b中所述顶杆4通过一个调节力F_B作用于关闭体30上，该关闭体在所示状态顶靠在阀座32上。流量q在这个状态约为0％，阀门几乎是关闭的。

在图3c所示的阀门状态中，所述顶杆4通过一个相对于在图3b所示状态更大的调节力F_C作用于关闭体30上，从而使关闭体30顶压进阀座32。该阀座32在这里例如由一种弹性材料制成，它在相应较大的调节力F_C作用下被关闭体30变形。流量q在这个状态为0％，阀门密封地关闭。

在图4中示出一个阀门行程模型的原理曲线H(F)。该曲线H(F)表示关闭体30的行程H与施加在关闭体30上的调节力F之间的关系。一直到最小值F_A，所述关闭体30停留在图3a所示的第一终端位置。为了使关闭体30可向着阀座32移动，克服弹簧31做功的顶杆4必须克服一个基本线性增加的调节力F。对于调节力的某个值F_B，在曲线图中示出行程的一个所属的参考值H₀。该参考值H₀对应于执行机构的一个状态，在该状态中，起到调整元件功能的关闭体30到达阀座32。一个超过参考值H₀接近于截止值H_0F的附加行程要求超过数值F_B接近于数值F_C的非常超比例地提高调节力F。但是所述的该调节力F的超比例提高也要求电机1的瞬时功率剧烈增加并由此要求一种相应高的能耗。

在一种有利的调节方法中，其中流量q通过执行机构5控制，只要使执行机构的能耗最小，就尽可能不超过比值H₀，这对于通过电池供电是有利的。

在一种有利的用于一个执行机构的校准方法中，该执行机构具有一个带有至少一个机械止锁的终端位置的调整元件，以有利的方式测得一个由伺服驱动装置施加的作用力或者一个由伺服驱动装置施加的转矩，并且在达到作用力或转矩的预定的数值时测得调整元件的实际位置，并且作为执行机构或调整元件的机械终端位置存储，并在一个调节方法中考虑。

所述校准方法例如通过一个输送到第二调节模块13(图1)的启动信号k启动。通过相应地适配由第二调节模块13产生的理论速度值ω_s，有利地使所述电机1的旋转频率在校准方法期间恒定地保持在一个比一种正常运行更低的数值上。

如果执行机构例如是一个在静止状态打开的恒热器阀门，其行程H与调节力F的关系原则上与图4所示一致，所述关闭体有利地只在校准方法中超过行程参考值H₀移动。

有利地与测得的参考值H₀相关地确定一个存储在伺服驱动装置的行程模型中的调节范围R(图4)。例如用于恒热器阀门的调节范围R因此包括可用于调节的在H₀-H₁₀₀的终端位置，所述H₀即关闭时的终端位置，也就是说流量 $>q>\cong >0>\%>;>$>所述H₁₀₀即打开时的终端位置，也就是说流量q＝100％。

由传感器装置8(图1)提供的信号s的信息能够计算电机1的实际旋转频率和顶杆4的运动。在计算模块9中有利地存储一个行程模型，在其中可以提供重要的参数如关闭体的一个实际位置、关闭体30的终端位置和一个实际速度、优选是电机1的实际旋转频率或者在需要时是关闭体30的实际速度。

所述传感器装置8优选包括一个光源和一个与光源光谱协调的检测单元，其中该光源对准一个由电机1移动的光学图形，由此在电机1回转时使光脉冲到达检测单元。光学图形例如是一个设置在传动装置2上的具有光反射区、或者具有孔或齿的盘，它们这样构成，使得一个光源信号通过移动的光学图形调制。

但是原则上该传感器装置8也可以不同地、例如通过感应工作的装置实现。

在第二比较装置12中，由理论位置信号p_s和由计算模块9测得的位置信号p构成一个调节差(p_s-p)并传导到第二调节模块13。在第二调节模块13中产生一个用于第一比较装置10的指定参数。该指定参数有利地是一个理论速度值ω_s。在第一比较装置10中，由理论速度值ω_s和由计算模块9测得的速度信号ω构成一个调节差(ω_s-ω)并传导到调节模块11。在第一调节模块11中，借助于调节差(ω_s-ω)产生用于电机驱动模块7的控制信号m。

通过具有第一调节模块11的内部的调节回路使电机1的转速保持恒定。由此也使与电机1机械耦联的传动装置2的和变换元件3的旋转元件为了中和其惯性矩分别调节到恒定的旋转频率。将电机1调节到一个恒定的旋转频率带来的优点是，也使一个伺服驱动装置的与转速相关的噪声级恒定，并且通过适当地选择理论速度值ω_s可将该噪声级优化。此外与所述速度调节相关的优点是，在计算一个用于调节力F的实际估计值F_E时不必考虑电机1的自感应和伺服驱动装置旋转元件的惯性矩。

如果调整元件向着终端位置移动、并同时通过伺服驱动装置的计算模块40(图5)重复计算用于调节力F的实际估计值F_E、并与一个给定的极限值进行比较，则可以可靠地确定该调整元件的终端位置。

在第一方案中，借助于施加在电机驱动模块7上的控制信号m和电池电压U_B，使用一个线性公式A只可以近似地计算估计值F_E。由控制信号m、实际的电池电压U_B值和一个第一常数k_U构成的乘积中减去一个第二常数k_F：

F_E＝U_B×k_U×m-k_F    (公式A)

通过在计算估计值F_E时除了控制信号m还使用回输到第一比较装置10的速度信号ω，通过公式B得到一个更好的方案，其中可以更准确地计算估计值F_E。使该速度信号ω与一个第三常数k_ω相乘并从估计值F_E中减去所得到的乘积。该驱动模型的数学描述和用于更好计算估计值F_E的公式B如下：

F_E＝U_B×k_U×m-k_ω×ω-k_F    (公式B)

用于计算估计值F_E的公式B通过三个常数为微处理器计算的实施最优化地构成。不言而喻，该公式B通过数学变形，例如与增加所使用常数的数量相结合，可以计算调节力的一个适当估计值。

可以省事地这样确定三个常数k_U，k_ω和k_F，使得可以足够准确地计算用于确定调整元件终端位置的估计值F_E。

通过三个常数k_U，k_ω和k_F考虑到电机1、电机驱动模块7、传动装置8和变换元件3的特性值或特性。

所述计算模块40包括一个以有利的方式存储在伺服驱动装置的一个微型计算机里面的数据结构和至少一个可以由微型计算机执行的用于计算估计值F_E的程序。为了计算估计值F_E，例如分别通过微型计算机的一个模拟输入端读入实际的电池电压U_B。

在计算模块40的一个示例性的实施方式中，尤其通过第一常数k_U考虑电机驱动模块7的特性，而通过第二常数k_ω主要考虑电机1的特性值，例如电机常数和直流电阻。通过第三常数k_F考虑传动装置8。此外在计算估计值F_E时，通过使效率加入到三个常数k_U，k_ω和k_F的每个常数里面，考虑伺服驱动装置的该效率。

在图6中以60表示用于执行机构5(图1)的伺服驱动装置。该伺服驱动装置60具有一个驱动单元61、一个传动单元63、一个控制和调节单元62、作为电池实施的电源6(图1)、一个电压调节器64和传感器装置8(图1)。

对控制弹簧调节单元62附设一个发射-接收单元65和一个微型计算机单元66。

所述驱动单元6 1包括电机驱动模块7(图1)和电机1(图1)。所述传动单元63可以由电机1驱动。通过调节力F作用于执行机构5上的传动单元63包括传动装置2(图1)、变换元件3(图1)和顶杆4(图1)。

所述发射-接收单元65和微型计算机单元66通过一个通讯通道68相互连接。

用于控制电机驱动模块7的控制信号m(图1)通过微型计算机单元66产生。由传感器装置8提供的信号s输送到微型计算机单元66的输入端上。

所述驱动单元61并有利地也包括传感器装置8为了供电直接连接到电池6的电池电压U_B上，而控制和调节单元62可以通过与电池6连接的电压调节器64供电。

所述伺服驱动装置60具有优化的能量管理，它由微型计算机单元66控制。在此有利的是，所述驱动单元61、传感器装置8和发射-接收单元65由微型计算机单元66顺序控制，由此使单元61、8和65获得的电能在时间上错开并衔接并不累积地发生。此外有利地限制驱动单元61的最大功率消耗。通过上述的顺序控制和限制电流避免电流尖峰，这种电流尖峰由于电池6的内阻R_i可能导致电池电压U_B的一个不允许的下降。尤其通过限制电流限制驱动单元61的上述启动电流尖峰。

在发射-接收单元66与一个外部的站点70之间建立一个双向的无线数据通讯连接。该外部的站点70例如是一个操纵设备、一个中央控制器或一个上级控制装置。一般由外部的站点70通过数据通讯连接对伺服驱动装置60传输一个温度理论值、一个位置理论值或一个运行方式。此外所述伺服驱动装置60的实际状态信息可通过数据通讯连接传递到外部的站点70。在一个典型的变型方案中该外部站点70是一个连接到一个计算机网络71里面的节点。

为了使伺服驱动装置60相对于外部可靠地通讯，所述控制和调节单元62通过与电池电压U_B连接的电压调节器64供电。该电压调节器64保证对控制和调节单元62提供一个恒定的电池电压U_S，而与驱动单元61和传感器装置8的电流需求无关。

所述传感器装置8包括例如一个可以由传动单元63移动的光学图形72、一个光源73和一个检测单元74。由传感器装置8传递到微型计算机单元66的信号s通过检测单元74由光学图形72被传动单元63移动影响的光源73的光信号获得。

有利的是，该光源73为了使能耗最小化通过一个由微型计算机单元66产生的时钟信号c进行控制。所述传感器装置8在该装置的一个有利的实施例中具有一个调制装置75，通过它可以对由光源73产生的光线调制。有利的是，在微型计算机单元66中通过相应地解调由传感器装置8产生的信号s考虑一个通过调制装置75引起的信号转换。

通过由控制和调节单元62产生的控制信号m使电机1在每个运行阶段都调节到一个恒定的转速。因此使电机1在其特性曲线方面与通过电池实现的电压源6无关地总是在一个最佳的正常工作点运行。

通过使控制和调节单元62通过电压调节器64供电，在高电池电压U_B并且也在一个由于驱动单元61和传感器装置8引起的电源6剧烈负荷时都保证对控制和调节单元62的可靠供电。

在伺服驱动装置60的一个有利的变型方案中，伺服驱动装置具有一个用于跨接电压调节器64的开关装置76。该开关装置76可以通过激活信号a由微型计算机单元66操纵。对于极低的电池电压U_B、即在电池寿命结束时，通过开关装置76得到的优点是，使电压调节器64可以被微型计算机单元66自动地跨接，通过使控制和调节单元62通过开关装置76为了供电直接置于电池电压U_B上，由此避免一个由电压调节器64引起的电压降。

图7示出伺服驱动装置60，它具有驱动单元61、传动单元63、传感器装置8、微型计算机单元66和发射-接收单元65。可由伺服驱动装置60通过调节力F操纵的执行机构5例如是一个散热器阀门。

这种伺服驱动装置的特性是，它在运行中产生一个与转速相关的噪声，其噪声级一般随着伺服电机或伺服传动装置转速的增加同样增加。该伺服驱动装置的效率并因此也使用于某种调整运动的能耗与转速相关。但是一个在能耗方面优化的伺服驱动装置对于某些应用会引起一个不允许的高噪声级。

所述微型计算机单元66具有一个驱动调节器80，通过它可以产生输送到驱动单元61的控制信号m，并且由传感器装置8产生的信号s可以回输到该驱动调节器80。由驱动调节器80为了产生控制信号m所使用的速度理论值ω_S通过一个切换装置81从第一速度值ω_SN与第二速度值ω_SL中选择。有利的是，具有两个可选择的速度值ω_SN和ω_SL的切换装置81通过微型计算机单元66的软件实施。该切换装置81可以通过可与微型计算机单元66通讯的发射-接收单元65操作。

所述驱动调节器80有利地至少包括在图1中所描述的计算模块9、第一调节模块11和第一比较装置10。

所述伺服驱动装置60可以通过外部站点70无线控制并且包括一个与伺服驱动装置60的发射-接收单元65相协调的另一发射-接收单元82、一个操纵装置83并有利地也包括一个时间控制器84。

所述操纵装置83是一个用于对时间控制器84编程的使用者接口。通过时间控制器84，为伺服驱动装置60根据时间轴86确定允许的噪声级85。该噪声级85有利地从两个值中选择，其中在这里由使用者通过操纵装置83将与日间时间t相关的允许的噪声85归为一个正常噪声级N或者一个低噪声级L。该时间控制器84有利地具有一个可编程的日结构和/或周结构。

一个按照本发明的伺服驱动装置60的实施例包括两种运行方式，即“正常”和“轻声”，它们有利地通过时间控制器84根据与时间相关的编程的噪声级进行控制。

允许的噪声级取决于应用场合。如果伺服驱动装置60例如在一个卧室中运行，如在时间控制器84的示例图中所表示的那样，允许的噪声级85一般在夜间低于日间。

两种运行方式通过允许的噪声级85确定。一个由伺服驱动装置60引起的噪声原则上取决于伺服驱动装置60的运动部件。因此被驱动调节器80使用的驱动理论值ω_S直接确定由伺服驱动装置60引起的噪声级。有利地这样确定第一速度值ω_SN，使得伺服驱动装置60在操纵执行机构5从第一终端位置到第二终端位置时的能耗最小。而针对使用场合并相应地低于第一速度值ω_SN地确定第二速度值ω_SL，使得由伺服驱动装置60引起的噪声不超过较低的值S。在确定第二速度值ω_SL时，有利地考虑到传动单元63的可能存在的自然谐振位置。

对于伺服驱动装置的一个实施例检测已经证实，在速度理论值ω_S每分钟降低100转时产生可听到的噪声级降低。在上述实施例中在每分钟1200转时得到最低的电池消耗，在运行方式“轻声”中将电机调节到每分钟800转。

在运行方式“正常”中驱动调节器80按照通过切换装置81给定的第一速度值ω_SN进行调节，而在运行方式“轻声”中按照第二速度值ω_SL进行调节。通过对时间控制器84进行符合用途的编程使伺服驱动装置60总是以可能实现的能量最佳化工作，并且如果确实需要时，以低噪声级L工作。因此所述伺服驱动装置60也可以节省电池能量地用于居住区。

在图8中示出伺服驱动装置60的另一实施例。所述微型计算机单元的一个变型方案66.1除了驱动调节器80和切换装置81以外还包括时间控制器84。外部站点的一个变型方案70.1具有发射-接收单元82和操纵装置83，通过它们可以对时间控制器84通过无线通讯编程。

附图标记列表

1     电机

2     传动装置

3     变换元件

4     顶杆

5     执行机构

6     电源

7     电机驱动模块

8     传感器装置

9     计算模块

10    第一比较装置

11    第一调节模块

12    第二比较装置

13    第二调节模块

20    驱动单元

21    桥接电路

22    电子开关

23    电子开关

24    电子开关

25    电子开关

30    关闭体

31    弹簧

32    阀座

33    驱动轴

34    纵轴线

35    外螺纹

36    传动轮

37    气隙

40    计算模块

60    伺服驱动装置

61    驱动单元

62    控制和调节单元

63    传动装置单元

64    电压调节器

65    发射-接收单元

66    微型计算机单元

66.1  微型计算机单元的变型方案

68    通讯通道

70    外部的站点

70.1  外部站点的变型方案

71    计算机网络

72    光学图形

73    光源

74    检测单元

75    调制装置

76    开关装置

80    驱动调节器

81    切换装置

82    另一发射-接收单元

83    操作装置

84    时间控制器

85    允许的噪声级

86    时间轴

M_M   转矩

M_A   传动力矩

H     行程

F     调节力

F_A   调节力值(阀门接触点作用力)

F_B   调节力值(关闭点作用力)

F_C   调节力值(阀门截止作用力)

s     传感器装置的信号

ω         速度信号

ω_s  理论速度值

p     位置信号

p_s   理论位置信号

I_M   通过电机的电流

m     控制信号

H₀   参考值

H_0F  截止值

q     流量

F_E   用于调节力的估计值

k     启动信号

k_U   第一常数

k_ω    第二常数

k_F   第三常数

U_B   电池电压

U_M   电机电压

R_i   内阻

U_S   运行电压

c     时钟信号

a     激活信号

ω_SN 第一速度值

ω_SL 第二速度值

L     低噪声级

N     一般噪声级。