CN1279303C - 降低能耗的致动器 - Google Patents

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Abstract

栓闭阀门***(10)包括安装在外壳(16)上的压电换能器(44)。为了改变阀门的状态，微控制器(54)使得阀门驱动器(58)把电流驱动通过致动器的线圈(12)。其继续驱动该电流通过线圈(12)，直到换能器的输出达到干扰当该致动器的电枢(22)到达其行程末端时的典型结果时的一个幅值特性。在该点，微控制器(54)停止驱动电流通过此线圈。如果在一个预定持续时间之内不出现这种特性声音，则该微控制器(54)使得一个电压倍增器电路(Q1，L1，D1)增加该阀门驱动器(58)加到该线圈的电压。

Description

降低能耗的致动器
发明领域
本发明涉及栓闭致动器，尤其涉及控制栓闭致动器的***。
发明背景
对于多数自动流量控制设备，例如自动的卫生间和小便池冲水器来说，一个特别严格的设计要求是该***消耗尽可能少的功率，虽然其原因随情况而不同，但一般来说，为实现冲水器自动操作所需要的电路和其它装置经常是在更新的基础上提供的。即手动冲水器正被转换成自动操作的冲水器。除非该新型单元能够由电池操作或以其它自含的电池操作，否则其安装过程很昂贵，通常要求开启墙壁以便提供必要的布线。如果该自动***是电池操作的，则能够省却该费用，但电池操作***的可接受性在很大程度上取决于电池寿命。
决定电池寿命的一个重要因素是阀门启动所消耗的能量。所以，新型***倾向于采用栓闭变化的阀门，即阀门的致动器所需要的是开启或关闭该阀门的功率而不是保持其开启或关闭的功率。使用的阀门采用这种致动器将大大延长采用电池操作***的可行性。而且，如果电池寿命能够被进一步延长，则这种***将更具吸引力。
发明内容
本发明通过降低在驱动该致动器电枢的过程中出现的能耗来实现这一结果。本发明采用的方案包括对该电枢已经达到其行程末端的时间的确定。
根据本发明的一个方面，提供一种致动器***，包括：A)包括一个电枢和一个线圈的一个栓闭致动器，该线圈可通过其上施加的线圈驱动而在第一驱动方向上操作，以便在第一电流方向传导电流，并从而趋向把该电枢驱动到一个第一末端位置；B)一个终点检测器，检测达到该第一末端位置的电枢并且通过由此产生一个检测器输出指示来响应该电枢到达该第一末端位置；及C)一个控制电路，可操作以一个正常的第一方向驱动电平在第一方向上开始把线圈驱动加到该线圈，如果在该电枢已经达到该第一末端位置之后的一个预定第一驱动持续期中该检测器输出尚未指示，则以比该正常第一方向驱动电平更高的一个提高的第一方向驱动电平把线圈驱动在该第一方向向上加到该线圈。
其中：该线圈可在一个第二驱动方向上由其上施加的一个线圈驱动操作，以便在第二电流方向传导电流，并从而趋向把该电枢驱动到一个第二末端位置；终点检测器，通过由此产生一个检测器输出指示来响应该电枢达到该第二末端位置；及该控制电路可以一个正常第二方向驱动电平操作以便开始在第二方向上把线圈驱动加到该线圈上，且如果在该电枢已经达到第二末端位置之后的一个预定第二驱动持续时间中该检测器输出尚未指示，则以比该正常第二方向驱动电平更高的一个提高的第二方向驱动电平在该第二方向上把线圈驱动加到该线圈。
在该***中，当具有致动器线圈驱动时该线圈驱动即结束。这将能够大大减小能量消耗，因为线圈驱动持续期因此不总是需要足够长到满足最坏情况的要求，这将能够导致电池寿命的显著增加。
在该***中，当具有致动器线圈驱动时该线圈驱动即结束。这将能够大大减小能量消耗，因为线圈驱动持续期因此不总是需要足够长到满足最坏情况的要求。这将能够导致电池寿命的显著增加。
根据本发明的另一方面，提供一种用于控制栓闭致动器的方法，该栓闭致动器包括一个电枢和一个线圈，该线圈可通过其上施加的线圈驱动而在第一驱动方向上操作，以便在第一电流方向传导电流，并从而趋向把该电枢驱动到一个第一末端位置；该方法包括下列步骤：A)在第一驱动方向上把线圈驱动加到该线圈上；B)确定该电枢是否已经到达该第一末端位置；并且如果该电枢没有达到该第一末端位置，则之后在第一方向以比正常第一方向驱动电平更高的一个提高的第一方向驱动电平把线圈驱动加到该线圈上。
所述用于控制栓闭致动器的方法还包括下列步骤：在一个第二驱动方向施加线圈驱动，以便在第二电流方向传导电流，并从而把该电枢驱动到一个第二末端位置；由一个终点检测器检测该电枢达到该第二末端位置，并产生一个指示它的检测器输出；及以一个正常第二方向驱动电平在第二方向上把线圈驱动加到该线圈上，且如果在该电枢已经达到第二末端位置之后的一个预定第二驱动持续时间中该检测器输出尚未指示，则以比该正常第二方向驱动电平更高的一个提高的第二方向驱动电平在该第二方向上把线圈驱动加到该线圈上。
在该方法中，如果在一个预定持续时间之内该电枢没有到达其行程末端，则增加加到该致动器线圈的驱动。这将实现通常使用较小的线圈驱动，因为线圈驱动并不总是需要大到足以克服可能由于例如外界因素的增加所产生的阻力，这种线圈驱动的降低也能够有助于延长电池使用期限。
附图说明
下面参考附图描述本发明，其中：
图1是已经安装了压电换能器的栓闭阀门的截面图；和
图2是阀门致动器的控制***的方框图。
说明性实施例的详细的描述
图1示出包括栓闭致动器的阀门***10的横截面。该致动器包括缠绕在线轴124上的一个线圈12，线轴14安装在致动器外壳16中。在示出的定位关系中，安装在线轴14上的栓闭磁铁18通过一个后部磁极片20起作用，以便抵抗恢复弹簧24施加在该电枢低端附近形成的台肩26上的力，把电枢22保持在靠上的位置。在图1的定位中，在电枢底部的弹性阀门部件28与阀座30间隔而形成一个阀门入口32。液体能因此流经入口32和环形腔34，到达阀门的出口36。
为了关闭阀门，通过终端37和38施加的驱动电压驱动电流通过线圈12。终端38与导电外壳16电阻接触，接触弹簧39又连接到线圈12的一端。导线40把线圈12的另一端连接到终端37，并且一个非导电套管把终端37与外壳16绝缘。
该驱动电压的极性使得产生的主要通过铁磁体外壳16、后部磁极片20和正面磁极片42的磁通量与永久磁铁18的磁通量反向。这将中断磁铁对于电枢22的控制并且使得恢复弹簧24把阀门部件向阀座30驱动。一旦该阀门已经因此关闭，则该恢复弹簧则保持其关闭而不需来自线圈的任何进一步的帮助；电枢22距该磁铁的增加的距离使得在该电枢22上的磁力小于该返回弹簧24的弹力。
为了开启阀门，线圈驱动以相反的方向加到导线37和38，使得产生的磁通量增强永久磁铁18的磁力，并且克服该恢复弹簧的力。电枢22因此返回到图1的位置，其中该永久磁铁18的力量大到足以保持该电枢22抵消该返回弹簧24的力量而不需要来自该线圈的帮助。
由于该栓闭阀门的双稳态的特性，操作该阀门的控制电路通常在该阀门已经达到该期望的状态之后即中断电流的流动。因为该阀门达到该期望状态所需要的时间可能在很大范围上变化，所以该传统的控制电路将使得电流流动的持续期相对较长，使之形成针对最糟情况的充分条件。由于大多数的启动不是在最糟情况环境下执行，因此在阀门达到其稳定位置之后其线圈驱动通常会延续一段时间。这将是电池能量的一种浪费。为了减小这种浪费，采用本发明的一个***将监视该电枢，以便确定该电枢是否已经达到其终点，并且当其达到终点时停止施加线圈驱动。为此目的，示出的实施例利用了当其达到其行程的一末端时该电枢产生的声音。
在此使用的术语“声音”是压力或应力波的广义解释。而且在大多数实施例中，该“声音”的主要频率成分通常高于可听范围。示出的实施例的传感器是一个压电换能器44，响应外壳壁中振动。所选择的压电体单元44的大小和形状通常要使得对于主要频率成分的响应最大，并且通常安装在要检测的声音为最大幅度或最可从噪音区别的一个位置中。
终端46通过接触弹簧48提供对于换能器44的电极之一的电连接，固定到外壳的塑料盖49把弹簧48保持到在适当位置。换能器44的另一电极能够与该线圈共用终端38，因为该换能器通过在外壳和电极之间的导电连接而被固定到外壳16。
如图2所示，用于该阀门的控制电路包括一个传感放大器和包络检测器50，其接收该换能器的输出。放大器和包络检测器50包括调谐到预期声音主要(通常超声波范围)频率成分的一个放大器，检测该产生的滤波信号并且低通滤波该结果，以便产生表示该调谐放大器输出包络的一个输出信号。当电枢22达到一个终点并且使得外壳振动时，产生的包络值超出一个比较器52施加的一个阈值。由于在该示出的实施例中当阀门开启时的声波幅度高于其关闭时的声波幅度，所以一个微控制器54设置一个比较器阈值，当该阀门被开启时的阈值不同于当该阀门被关闭时的阈值。
微控制器54可以响应一个目标传感器56的触发而操作该阀门。例如，当传感器检测到使用者离开该冲水器的附近时开则启该阀门，并且一旦该阀门已经开启了一个预定持续时间后则关闭该阀门。为了开启该阀门，微控制器设置一个加到阀门驱动电路58的开启(OPEN)信号。这将使得该电路在使得阀门开启的方向上驱动该电流通过致动器60的线圈。
当电流开始流动时，比较器52的输出最初指示该放大器50的输出小于此阈值，所以该放大器不接收与该电枢达到其行程末端一致的一个幅值的声音。该微控制器54因此保持该维持的OPEN信号。但是比较器52的输出将响应在电枢的行程末端产生的声音而改变。当电枢22已经达到该点时，阀门将停在开启状态而没有电流流动，所以该微控制器解除维护其OPEN输出，并且从而使得阀门驱动器58停止把驱动电流施加到致动器60的线圈。该结果通常是，该电流流动持续时间要比在最糟的情况条件下开启该阀门所需要的时间小得多，所以该***节省了可观的能量。
为了关闭该阀门，微控制器54维持其关闭(CLOSE)输出并且因此使得阀门驱动器58以相反的方向驱动该致动器60。同样，直到比较器52通知这电枢已经达到其行程的末端，该微控制器才将提供电流流动。
本发明不仅可用于控制该驱动信号的持续时间而且可用于控制其幅值。一个高到足以用于常规操作的线圈驱动电平有时可能会是不充分的电平，并且如果该电枢未能达到该终点，则能够增加该线圈驱动电平。增加该线圈驱动电平的一种方法是增加通过该致动器线圈放电的电容器上的电压。
图2示出了由电池62供电的阀门驱动器58的情况。阀门驱动器58通常包括能量存储电容器，电池62通过电感器L1和肖特基二极管D1在启动之间充电。当该微控制器54维持其OPEN或CLOSE信号时，该驱动器通过致动器60的线圈放电该电容器。通常，是电池62电压的本身确定该电容器将被充电的电压情况，并且该电容器的充电又确定该线圈电流而因此确定电枢的力量。
此时，例如外部情况的添加的因素可能使得难于象通常那样开启或关闭该阀门。但是如果该电池电压被设置成高到足以对付这种更困难的情况，则将导致通常使用的能量属于是不必要地高的情况。因此，示出的实施例使用的电池电压对于正常状态是足够的高但是对于更困难情形则属不足。
相反，如果在一个电流流动预定最大持续时间之内该电枢没有到达其行程的末端，则该电池增加该电容器电压。具体地说，当电流流动达到预定的最大持续时间时，微控制器54暂时截止该阀门驱动器，并且开始通过一个限流电阻R1而脉冲激励一个晶体管Q1。在每一个脉冲期间，晶体管通过电感器L1从电池获取电流。但是由于二极管D1的作用，该晶体管并不放电该阀门驱动器的电容器。在每一脉冲的结束，晶体管Q1关断，并且电感器L1中产生的电动势使得电流继续流动并且因此通过二极管D2而充电该驱动电路的电容器，那些电动势电压甚至超出电池62的电压。所以那些电容器能够被充电到超过电池电压的电压值。
为了实现正确的电容器电压，比较器64把电容器电压与微控制器54设置的一个电平比较。响应该比较器的结果输出，如果该电容器电压小于该阈值，则该微控制器增加该脉冲的占空因数，并且如果该电容器电压超出该阈值，则该微控制器降低该脉冲的占空因数。该阈值被设置成高于该电池电压，因此当微控制器随即再次开启该阀门驱动器时，在该电枢上的力更大并且更可能开启或关闭该阀门。
示出的实施例仅是能够采用本发明指教的许多实施例的之一例如，虽然是优选使用一个声波传感器，具体地说是使用一个超声换能器，但是能够使用其它检测该电枢行程末端的方法。而且，尽管该示出的实施例在阀门开启时和关闭时都控制线圈驱动持续期，但是某些实施例可以仅控制在开启过程中的持续时间或仅控制在关闭过程中的持续时间。并且操作不同于阀门的机械结构的栓闭致动器***也可以受益于本发明的指教。
而且，虽然采用了一个简单的幅度判据来确定该电枢是否已经到达其行程的末端，但是可以找到其它判据更适于某些应用。例如，可以对音频信号取样并且通过信号处理与已知是该电枢达到其终点之一的特性的一个存***形比较。该存储信号可以针对不同终点而不同，并且可以有这样的情况，其中认为有必要使用一个比较来区别致动器的两个状态。
本发明能够在实施例的大范围内使用，并且构成本技术中的一个重要进步。

Claims (24)

1.一种致动器***，包括：
A)包括一个电枢和一个线圈的一个栓闭致动器，该线圈可通过其上施加的线圈驱动而在第一驱动方向上操作，以便在第一电流方向传导电流，并从而趋向把该电枢驱动到一个第一末端位置；
B)一个终点检测器，检测达到该第一末端位置的电枢并且通过由此产生一个检测器输出指示来响应该电枢到达该第一末端位置；及
C)一个控制电路，可操作以一个正常的第一方向驱动电平在第一方向上开始把线圈驱动加到该线圈，如果在该电枢已经达到该第一末端位置之后的一个预定第一驱动持续期中该检测器输出尚未指示，则以比该正常第一方向驱动电平更高的一个提高的第一方向驱动电平把线圈驱动在该第一方向向上加到该线圈。
2.如权利要求1所述的致动器***，其中：
该线圈可在一个第二驱动方向上由其上施加的一个线圈驱动操作，以便在第二电流方向传导电流，并从而趋向把该电枢驱动到一个第二末端位置；
终点检测器，通过由此产生一个检测器输出指示来响应该电枢达到该第二末端位置；及
该控制电路可以一个正常第二方向驱动电平操作以便开始在第二方向上把线圈驱动加到该线圈上，且如果在该电枢已经达到第二末端位置之后的一个预定第二驱动持续时间中该检测器输出尚未指示，则以比该正常第二方向驱动电平更高的一个提高的第二方向驱动电平在该第二方向上把线圈驱动加到该线圈。
3.如权利要求2所述的致动器***，其中该第一和第二驱动持续时间相同。
4.如权利要求2所述的致动器***，其中该第一和第二驱动持续时间不同。
5.如权利要求1所述的致动器***，其中该控制电路构造成在该预定正常第一方向驱动持续期之后，在以该更高的第一方向驱动电平驱动该线圈之前，该控制电路停止在该第一方向施加该线圈驱动。
6.如权利要求5所述的致动器***，其中：
A)该线圈可在一个第二驱动方向上由其上施加的一个线圈驱动操作，以便在第二电流方向传导电流，并从而趋向把该电枢驱动到一个第二末端位置；
B)该终点检测器通过由此产生一个检测器输出指示来响应该电枢达到该第二末端位置；且
C)该控制电路可以一个正常第二方向驱动电平操作以便开始在第二方向上把线圈驱动加到该线圈上，且如果在该电枢已经达到第二末端位置之后的一个预定第二驱动持续时间中该检测器输出尚未指示，则以比该正常第二方向驱动电平更高的一个提高的第二方向驱动电平在该第二方向上把线圈驱动加到该线圈上。
7.如权利要求6所述的致动器***，其中在该预定正常第二方向驱动持续期之后，在以该更高的电平驱动该线圈之前，该控制电路停止在该第二方向施加该线圈驱动。
8.如权利要求1所述的致动器***，其中检测器包括一个声音传感器。
9.如权利要求8所述的致动器***，其中该声音传感器包括一个压电换能器。
10.如权利要求1、2、3或4所述的致动器***，其中该致动器是一个包括一个栓闭磁铁的栓闭致动器。
11.如权利要求1、2、3或4所述的致动器***，其设置成控制一个阀门在流量控制***中的一个开启状态和一个关闭状态之间的操作。
12.如权利要求11所述的致动器***，其与一个目标传感器耦接，该目标传感器产生目标传感器输出；该控制电路构造成根据该目标传感器输出而向线圈施加线圈驱动。
13.如权利要求1、2、3或4所述的致动器***，其中所述控制电路包括一个微控制器。
14.如权利要求13所述的致动器***，还包括一个阀门驱动器，该阀门驱动器被限定为在从上述微控制器接收信号之后提供上述线圈驱动。
15.如权利要求14所述的致动器***，其中所述阀门驱动器包括：
一个能量储存电容器，该电容器构造成向上述阀门驱动器提供一个电压信号；及
一个比较器，该比较器构造成将上述电压信号的一个水平与由上述微控制器设定的一个信号水平进行比较。
16.一种用于控制栓闭致动器的方法，该栓闭致动器包括一个电枢和一个线圈，该线圈可通过其上施加的线圈驱动而在第一驱动方向上操作，以便在第一电流方向传导电流，并从而趋向把该电枢驱动到一个第一末端位置；该方法包括下列步骤：
A)在第一驱动方向上把线圈驱动加到该线圈上；
B)由一个检测器确定该电枢是否已经到达该第一末端位置；并且
如果该电枢没有达到该第一末端位置，则之后在第一方向以比正常第一方向驱动电平更高的一个提高的第一方向驱动电平把线圈驱动加到该线圈上。
17.如权利要求16所述的方法，包括下列步骤：
在一个第二驱动方向施加线圈驱动，以便在第二电流方向传导电流，并从而把该电枢驱动到一个第二末端位置；
由一个终点检测器检测该电枢达到该第二末端位置，并产生一个指示它的检测器输出；及
以一个正常第二方向驱动电平在第二方向上把线圈驱动加到该线圈上，且如果在该电枢已经达到第二末端位置之后的一个预定第二驱动持续时间中该检测器输出尚未指示，则以比该正常第二方向驱动电平更高的一个提高的第二方向驱动电平在该第二方向上把线圈驱动加到该线圈上。
18.如权利要求17所述的方法，其中该第一和第二驱动持续时间不同。
19.如权利要求17所述的方法，其中该第一和第二驱动持续时间相同。
20.如权利要求17所述的方法，包括在该预定正常第二方向驱动持续期之后，在以该提高的第二方向驱动电平驱动该线圈之前，停止在该第二方向施加该线圈驱动。
21.如权利要求17所述的方法，其中该检测包括检测声波。
22.如权利要求21所述的方法，包括用压电换能器检测声波。
23.如权利要求17、18、19或20所述的方法，用于控制一个阀门在流量控制***中的一个开启状态和一个关闭状态之间的操作。
24.如权利要求23所述的方法，包括从一个目标传感器接收目标传感器输出；并根据该目标传感器输出而向线圈施加线圈驱动。
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