用於機械控制的能量傳輸裝置的製作方法
2023-07-17 23:56:26 3
專利名稱：用於機械控制的能量傳輸裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於機械控制的能量傳輸裝置，尤其是用於控制制動器的制動壓力。
它尤其適用於要求響應時間很短和製造成本低的液壓激勵器。這樣的裝置用於如移動機械或車輛的制動系統、動力輔助駕駛或自動導向。
有好幾種方法可以解決機械控制的能量傳輸問題，特別是基於氣體、液體和電氣的裝置。對於某些應用來說，氣壓裝置的響應時間太長，電氣裝置需要大量的電能而這不適於船(車)載系統。此外，這兩種裝置相對來說比較昂貴。現代車輛中的控制系統，尤其是如制動和自動導向系統，要求很短的響應時間，例如相當於約10赫茲的通帶。此外，降低車輛或機械的總成本總味著它們的部件包括那些所述的控制系統的成本必須進一步地降低。目前，只有液壓裝置看來最適用於在行動裝置或車輛中運輸工具上的機械控制的能量傳輸，它相當便宜和快捷，可以滿足新的技術和經濟條件的要求。
通常，在液壓控制領域的裝置都利用如伺服機械那樣的完整的系統，這些伺服機械的基礎在於如流量或壓力閥。液壓裝置具有形成同一流向的特性和結構，並且其對於流量或壓力的控制功能是通過由滑閥和彈簧構成的許多級來實現的。
一般來說，這些伺服機械有兩級。第一級是一個線性激勵器，它有一個槳，槳上有一個由磁力來驅動的柱或棒，磁力是由在一個靠近棒的單螺線管中的電流作用產生的。第二級是液壓放大級，由如一個滑閥和回復彈簧組成。機械慣性、諧振和時間常數使得動作複雜化並限制了零件的運動速度。然而改進這種系統的性能是可能的，尤其是有關響應時間或通帶的性能的改進，但帶來的缺點是更加複雜，因而其製造成本或許對於航空應用來說尚可接受但對如陸地車輛卻不能接受，因為車輛是大批量製造的並且其成本必須低廉。
一個可以克服這些缺點的方法，特別是通過限制諧振和不穩定現象來簡化伺服作用的已知的方法是用旋轉激勵器替代從前的線性激勵器，通過例如一個連接棒把移動傳遞到液體滑閥，並且用作用於旋轉激勵器上的回覆彈簧來替換第二級的彈簧。雖然，這種不甚複雜並且便宜的方法，特別是通過避免諧振現象可以改進性能，但迄今為止的試驗均尚不能達到所需的響應時間，如0.1秒的量級，相當於約10赫茲的通帶。
本發明的目的是克服這些缺點，特別是通過採取一些用於指令和旋轉激勵器控制的措施。
為此，本發明的目標是一個用於機械控制的能量傳輸裝置，其至少包括一個帶有彈簧的旋轉激勵器和一個連接此旋轉激勵器以將線性運動傳遞到機械部分的裝置，旋轉激勵器由一個旋轉電磁體來驅動，其角位置由一個脈衝電流的平均值來決定，其中還包括一個消除儲存在所述電磁體中的磁能的裝置。
本發明的主要優點在於，這種裝置可以經濟地實現並有非常短的響應時間，可以適合於為自動導向和制動系統，此外，這種裝置小巧且易於操作。
本發明的其他特性和優點可以通過參照附圖閱讀下面的說明來了解這些附圖表示
圖1a根據已有技術的一個用於機械控制的能量傳輸系統的框圖;
圖1b已有系統對於位置指令改變的響應曲線;
圖2a根據本發明的一種可用於機械控制的能量傳輸裝置的框圖;
圖2b已有裝置對於位置指令變化的響應曲線;
圖3根據本發明的用於裝置中的旋轉激勵器的控制電流的可能的形式;
圖4a和圖4b所述激勵器電磁體中的剩磁作為其控制電流的頻率的函數的形式;
圖5激勵器內部電路中的一種可消磁電路的原理圖;
圖6和圖7根據本發明的裝置一個典型的應用例，用於控制一個制動器的制動壓力。
圖1a表示根據已有技術的用於機械控制的能量傳輸系統的框圖。機械部分1，如控制若干液流線路的滑閥，其位置受控於一個線性激勵器，一個由如一個由螺線管3纏繞的磁棒2組成的電磁體。磁棒2的一端通過一個彈簧5固定在支柱4上。它的另一端連到機械部分1上。後者和磁棒2之間，插入一個關於機械部分1的線位置的讀數器6。這個讀數器6可以是如連接於電磁體2、3的控制器7的電位計，由電位計提供一個指示機械部分1的位置的電壓或電流。此外，控制器7給出一個電流Iλ，該電流決定磁棒2的位置。這個位置信息使得機械部分1的位置得以受控。彈簧5的功能是使磁棒2返回其初始位置。
所述的這個系統實際上是在振蕩，由一個二階方程來描述。因此，控制器7關於機械部分的位置指令的每一個變化都伴隨一個過渡性的振蕩，如圖1b中的曲線C1所示，該振蕩表示機械部分1的線位置x作為時間的函數對於位置指令變化的響應。在圖1a的系統中，彈簧5的回覆彈力值、磁棒2的重量和機械部分1的重量，導致了類似於曲線C1所示的振蕩，這將延遲建立穩定的位置，也就是說，它們增加了系統的響應時間。除了這些寄生振蕩的負作用之外，固定在機械部分1上的讀數器6的振蕩運動使得對於機械部分1的位置的讀數變得更複雜。
一個消除此種過濾振蕩動作的方法是用如圖2a中框圖所示的旋轉激勵器11代替由電磁體2、3組成的線性激勵器。在這個圖所表示的裝置中，機械部分1，如一個液壓閥(其動作總是線性的)，通過傳遞器12連接到旋轉激勵器11上。傳遞器12，如一個軸，把旋轉激勵器的旋轉運動與機械部分1的線性運動相連。旋轉激勵器11由固定在其上的旋轉電磁體來驅動。後者的角位置，也即旋轉激勵器11的角位置由如電子組件13提供的一個電流I來確定的。同心彈簧14產生了一個力偶，該力與旋轉電磁體中電流I所產生的力相反併力圖將旋轉激勵器拉回初始的位置。旋轉激勵器11的角位置讀數器15給出一個指示該位置的電響應，比如說一個電壓或電流，到電子組件13以控制旋轉激勵器11的角位置。
描述激勵器11的角運動的方程依然是二階的。不過，激勵器本身的慣性矩，以及彈簧14和機械部分1所施加在激勵器上的力矩可能引起的過渡形態的曲線低於臨界態，因此不能引起振蕩，如圖2b所示。我們注意到曲線C2，代表了激勵器11的角位置θ作為時間t的函數對於角位置控制的變化的響應，其中不存在任何振蕩。
旋轉激勵器11的角位置的變化是由提供給固定在其上的電磁體的電流I的平均值控制的。改變電流I的平均值的一個簡單的方法是選擇一個比如說是周期性的脈衝電流，其峰值基本不變而改變其周期。
圖3示出了提供給旋轉激勵器11的電磁體的電流I作為時間t的函數的一種可能的形式。這個電流I是脈衝的和周期性的。比如說，對每一個周期T，在時間間隔τ中它不為零且等於I，然後在周期中的其它時間裡等於零。此電流I的平均值，由IA表示，可以表示為IA＝ (τ)/(T) (1)
電流I的頻率，比如說數百赫茲，是這樣選取的，它使得電流為零的時間不直接影響激勵器電磁體的位置也不會造成不穩定，因為後者的時間常數比起電流I為零的時間要大得多。電流I被建立的時間τ與電流周期T的比例被稱為電流I的負載因數或佔空比。
當電流I的頻率相對較低時，旋轉激勵器11的角位置的響應時間仍然太長，也就是說它仍然超過某些應用所需的0.1秒的量級。旋轉激勵器11的角位置由周期電流的佔空比所確定，一個可以提高此裝置的通帶即減少其響應時間的辦法是提高電流I的頻率。可是，以前的試驗並沒有表明提高頻率可以使通帶增加，旋轉激勵器11的響應時間滯留於一個值，此值很高，因而使得此種控制能量傳輸裝置的旋轉激勵器的性能不能適於現代應用如自動導向或制動系統。這種響應時間不顧電流I頻率的提高而停滯的原因似乎是由於機械力，特別是摩擦力。
申請人所做觀察和實驗證明了存儲在旋轉激勵器11的電磁體中的磁能Em的作用。
為此，圖4a和4b示出了磁能Em的速度作為時間t的函數。圖4a中的曲線C3表示磁能Em，其中，在每一周期T1中，電磁體由磁能充磁的時間為τ1即，當電流I不為零時，此磁能在周期中其餘時間內被完全的退磁。這個完全的退磁僅當周期T1是夠長時才是可能的，也就是說，電流I的頻率要足夠的低。一旦為了提高裝置的通帶而提高頻率時，電流的周期被縮短到這樣一個值，它使得存儲在旋轉激勵器11的電磁體中的磁能不可能被完全消退，如圖4b中的曲線C4所示。在此圖中，電磁體被充磁至一個能量的最大值但其後卻不能被完全消退。磁能Em在一個最大值和非零的最小值之間變動。因此，當旋轉激勵器11的角位置由電流I的平均值指定後，它首先是存儲在激勵器11的電磁體中的磁能的平均值的函數，此磁能又是電流I的函數。當電流的頻率使得磁能Em如曲線C4所示時，為改變激勵器的角位置，電流I的平均值的變化，即其佔空比的變化，產生一個平均電流的變化，其周期不是如曲線C3所示的那樣，而是有一個響應時間，此響應時間是電磁體內部電路的時間常數的函數。在後一種情況下，磁能Em總是具有與曲線C4相類似的曲線形狀，只不過其所建立的平均值不同。如果電流I的頻率太高，激勵器對於電流I的佔空比變化的響應不再是電流頻率的函數而是電磁體內部電路主要是線圈的時間常數的函數。此線圈的自感值導致了對於電磁體的因而也是對於固定於其上的激勵器的過長的響應時間。
這一問題被提出後，按照本發明的機械控制的能量傳輸裝置保留了圖2a中框圖所示的基本結構，特別是採用一個旋轉激勵器11，並在如電子組件13中加入一個電路為激勵器11的電磁體消磁，以使磁能Em可以在一個電流周期中被去除。
圖5表示激勵器11的電磁體中的消磁電路的一個可能的例子。比如說，28V的電壓源21提供電流I。電壓源21主要由激勵器11的電磁體中的轉子線圈22和電晶體23充電，該電晶體例如為場效應管。線圈22的一端連接電壓源21的正極和電晶體23的漏極。電壓源21的負極和電晶體23的源極連接到地電位24上。此電晶體由如接成推挽型的電晶體25、26來驅動。電晶體25的發射極和電晶體26的發射極連接到電晶體23的柵極，電晶體26的集電極連到地電位24。接在電壓源21的正極和電晶體25的集電極之間的電阻27限制電晶體25、26中的驅動電流。一個限幅二極體28限制這兩個電晶體兩端的電壓。電晶體25、26的基極被連接到同一個邏輯控制信號。當這個信號存在時，通過另兩個電晶體25、26允許電流流入電晶體23，因此在流入線圈中建立起比如說約2安培的電流。當此信號不存在時，電晶體23被截止，因此取消了線圈22中的電流。這個信號可以由如一個模擬電路或數字微處理器來提供。當線圈22中的電流被取消時，二極體29和電阻30為它消磁。為此目的，電阻30被接在線圈22和電晶體23漏極的公共端與二極體29的陰極之間，後者的陽極連接到線圈22的另一端，線圈該端本身連到電壓源21的正極。一個圖中未給出的濾波器，主要包括一個被置於線圈22和電壓源21之間的電容，使電壓源與電路其它部分之間(尤其是通過避免輸出端電流的突變)去耦。
因此，旋轉激勵器的電磁體中的磁能在其線圈中的電流被中斷後迅速地被取消。於是，可以提高頻率以減小本發明的裝置的響應時間，可以容易地獲得10赫茲的通帶或約0.1秒的響應時間。
圖6和圖7示出，作為一個例子，按照本發明的機械控制的能量傳輸裝置在控制制動器的制動壓力方面的可行性。
圖6表示一個旋轉激勵器11，其上配有一個回復彈簧(圖中未示出)，通過連接軸12和棒41把直線運動傳輸到包含在箱體49中的液體滑閥1。這個滑閥引導油或制動液通過幾個液路42、43、44的循環方向。液體滑閥1向箭頭A所示方向運動時，使第一液路42中的液流出口連到第二液路43上，由此把液壓源連到液體激勵器，該激勵器是一個作用在制動踏板46上的活塞45。當滑閥向箭頭B所示方向運動時，制動激勵器液路43被連到第三液路44。這第三液路保證把蓄貯器47連到負載活塞45上。第一液路42藉助於一個泵48被連到蓄貯器47上，此泵調節到一個給定的壓力，比如150bar。箱體49在其每一端上有個罩(gaiter)用於油或液流的回收，這些油或液流然後再通過液路50傳送到蓄貯器47。
比如說，旋轉激勵器11的電磁體可以由一個頻率約為500赫茲的脈衝電流來控制。
圖6所示的裝置提供了改變軸12和液體滑閥1之間的位移的性質的可能性，即在軸12和液體滑閥1之間插入凸輪。此外，軸12可以延伸到由棒41代表的液體滑閥1的平動軸之外。這將可以允許直接手動操縱滑閥的位置而不依賴於位置控制或在此種控制發生誤操作時施加手動控制。所述的位置控制是由電子組件13來執行的(圖6中未示出)。
圖7所示的是適於圖6中裝置的位置控制的一種可能的框圖。
一個壓力指令被施加到差動單元71的正向輸入端。差動單元71送出一個誤差信號給電子組件13。此組件內部的一個運算器藉助於裝載在如存儲器中的變換表把這一壓力誤差轉換為一個位置誤差。電子組件提供一個為獲得所需角位置而計算好的電流I通給旋轉激勵器11的電磁體。旋轉激勵器11的角位置傳感器15傳送一個代表激勵器位置的電壓或電流給電子組件13。電子組件13將此信號與以由差動單元71提供的誤差信號為函數的指令相比並使誤差信號在當所需的位置與位置傳感器15所指示的位置一致時為零。旋轉激勵器11的角位置與液體滑閥1的線性位置相對應。根據液體滑閥1的位置，壓力被施於激勵器即制動器45的活塞或導向蓄貯器47。當壓力被送給制動器的時候，制動器中的壓力增加。壓力傳感器72與差動單元71的負輸入端相接以指示制動器中所獲得的真實壓力。當壓力指令與制動器中的真實壓力相符合時，旋轉激勵器11將為此定位以使液體滑閥處於一個不允許將所提供的壓力傳遞到制動器的位置上，以此方式維持制動壓力不變。
圖7顯示了兩個控制迴路，第一個調節旋轉激勵器11的角位置，第二個調節制動器中的壓力。根據所需的性能，可以不控制旋轉激勵器的位置而僅保留第二控制迴路。不過，在所有場合下，特別是歸功於旋轉激勵器中的電磁體線圈的消磁電路，如圖6和圖7所示的用於機械控制的能量傳輸裝置的性能，就其所獲得的通帶和響應時間來說是非常令人滿意的。
權利要求
1.用於機械控制的能量傳輸的裝置，至少包括一個裝有回覆彈簧的旋轉激勵器和連接於此旋轉激勵器以將線性運動傳遞給機械部分的裝置，其中旋轉激勵器由一個旋轉電磁體來驅動，其角位置由一個脈衝電流的平均值來確定，並且其中還包括一個消除存儲在所述電磁體中的磁能的裝置。
2.根據權利要求1能量傳輸的裝置，其中所述電流為周期性的，旋轉電激勵器的角位置是該電流佔空比的函數，佔空比等於電流被建立的時間與整個周期的比值。
3.根據權利要求1能量傳輸的裝置，其中將一個線性運動傳遞給機械部分的裝置由一個連接棒構成。
4.根據權利要求1能量傳輸的裝置，包括傳感旋轉激勵器的角位置的裝置，該傳感裝置將一個代表此角位置的電信號輸送到一個電子組件，該組件提供旋轉激勵器的電磁體的控制電流，以控制電磁體的角位置。
5.根據權利要求4能量傳輸的裝置，其中消除磁能的裝置包含在電子組件之中。
6.根據權利要求1能量傳輸的裝置，其中消除磁能的裝置至少包括串接的一個電阻和二極體，該電阻被連接於旋轉激勵器的電磁體的線圈的一端，該二極體的陰極接在線圈的另一端。
7.根據權利要求1能量傳輸的裝置，其中所述的機械部分是一個導引液流通過若干液路的液體滑閥。
8.根據權利要求7能量傳輸的裝置，其液路中的液流饋送給一個制動器。
9.根據權利要求8能量傳輸的裝置，其中旋轉激勵器的角位置的控制由一個控制制動器中的液壓的控制迴路來補充。
10.根據權利要求9能量傳輸的裝置，其中制動器中液壓的控制至少包括一個差動單元，其輸出端連接於電子組件，一個壓力指令施加於此差動單元的輸入端;一個壓力傳感器，它接在差動單元的反向輸入端，向後者指示制動器中所獲得的真實壓力，電子組件完成以由差動單元輸出的誤差信息為函數的所需壓力同由指示旋轉激勵器的角位置的傳感器所傳送的電量值的比較。
全文摘要
根據本發明的裝置至少包括一個裝有回覆彈簧的旋轉激勵器和一個連接在旋轉激勵器上用於向機械部分傳遞線性運動的連接棒。此旋轉激勵器由一個旋轉電磁體來驅動，其角位置由一個同期脈衝電流控制。此裝置還包含消除電磁體中的剩磁的裝置。
文檔編號B60T13/00GK1076304SQ9310229
公開日1993年9月15日 申請日期1993年3月9日 優先權日1992年3月10日
發明者梅納德·克裡斯琴 申請人:湯姆森-無線電報總公司