本公開涉及包括用于致動器的控制器的電子系統(tǒng)。更具體地，本公開涉及使用脈沖寬度調(diào)制（“pwm”）頻率功率控制的用于控制致動器的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

在軌道發(fā)射飛行器中，為乘員艙提供了分離系統(tǒng)。分離系統(tǒng)通常是固體火箭系統(tǒng)，其將乘員艙拉離發(fā)射飛行器。在操作期間，功率從一個或多個功率源流動到軌道發(fā)射飛行器的功率管理和分配（“pmd”）系統(tǒng)。從那里，功率被分配到所有負(fù)載。負(fù)載包括但是不限于總線負(fù)載、有效負(fù)載以及服務(wù)艙推進(jìn)（“smp”）系統(tǒng)。pmd系統(tǒng)可以包括一群電路，其包括濾波器、蓄電池、轉(zhuǎn)換器、隔離電路以及調(diào)節(jié)器（regulator）。在操作期間，pmd系統(tǒng)輸出經(jīng)調(diào)節(jié)的總線電壓，經(jīng)調(diào)節(jié)的總線電壓遍及整個總線被分配到smp系統(tǒng)、總線負(fù)載、有效負(fù)載以及蓄電池充電器。smp系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)動機(jī)功率供應(yīng)裝置以及（一個或多個）推進(jìn)劑箱。一般而言，發(fā)動機(jī)被構(gòu)造成在軌道發(fā)射飛行器上使用以在飛行時幫助調(diào)整其位置。各種閥可以控制從一個或多個推進(jìn)劑箱到發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑的供給。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開涉及用于控制機(jī)電閥元件的系統(tǒng)和方法。所述方法包括：通過以平均pwm電流水平將pwm信號供應(yīng)到機(jī)電閥元件的機(jī)電感應(yīng)線圈來形成穿過閥的磁通，平均pwm電流水平低于使閥致動所需的電流水平。當(dāng)需要將閥打開時，將pwm信號的振幅增大成使得提供到機(jī)電感應(yīng)線圈的電流升高到足以使閥致動的水平。值得一提的是，當(dāng)pwm信號的功率周期時間增大到超過將閥打開所需要的最小功率時，閥打開。

閥一經(jīng)打開，則降低pwm信號的振幅。將振幅降低成使得施加到閥的磁場仍舊具有足以使閥保持在打開位置中的強(qiáng)度。通過將pwm信號的振幅進(jìn)一步降低成使得施加到閥的磁場下降到不足以使閥保持在其打開位置的強(qiáng)度來將閥關(guān)閉。當(dāng)對于給定的時間段不需要使閥致動時，完全去除pwm信號到機(jī)電感應(yīng)線圈的供應(yīng)。

本公開還涉及一種致動器控制器，所述致動器控制器包括致動器以及pwm電路，pwm電路與致動器相聯(lián)系。致動器具有接入（pull-in）平均電流，接入平均電流當(dāng)被供應(yīng)到致動器時導(dǎo)致致動器的致動。在操作期間，pwm電路可以是可操作的，以使預(yù)接入平均電流保持穩(wěn)定，預(yù)接入平均電流具有低于接入平均電流的正的非零值。如本文中所使用的，術(shù)語“保持穩(wěn)定”意味著所施加的pwm信號在給定的時間段期間具有特定值的平均電流。

附圖說明

將參考下面的附圖來描述實(shí)施例，其中，同樣的附圖標(biāo)記在所有附圖中代表同樣的項目，并且在附圖中：

圖1是用于空間飛行器的示例性功率系統(tǒng)的示意圖；

圖2是用于閥元件的示意性構(gòu)架的示意圖；

圖3是用于控制圖1所示閥元件的閥的打開和關(guān)閉的示例性方法的流程圖；

圖4是示出了有助于理解本公開的兩個信號的曲線圖；

圖5是用于控制致動器的另一示例性方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

本公開涉及實(shí)施用于控制致動器的系統(tǒng)和方法。致動器（例如，線圈）與另一機(jī)械元件（例如，閥）接合的速度相比常規(guī)系統(tǒng)的速度可以是更快的。如本文中所使用的，術(shù)語“致動器”指的是使機(jī)構(gòu)移動的機(jī)電裝置。在一些情形中，致動器的元件可以是基于線圈的螺線管，螺線管的線圈可以經(jīng)由電磁感應(yīng)力而被移動。在需要快速反應(yīng)的機(jī)械部件的任何應(yīng)用中，可以采用致動器控制器系統(tǒng)。例如，本公開還可被用于醫(yī)療應(yīng)用、燃燒系統(tǒng)（例如，汽車、工業(yè)裝備或類似行業(yè)）、食品加工應(yīng)用和/或藥品制造應(yīng)用。該概念可被用作如下技術(shù)：用于通過使閥加速到其打開位置來改善氣體或液體介質(zhì)的精確質(zhì)量傳輸（流動受控的）。

現(xiàn)在參考圖1，這里提供了用于空間飛行器的smp系統(tǒng)100的示意圖，其有助于空間環(huán)境中的活動，例如空間站維護(hù)、現(xiàn)存衛(wèi)星的保養(yǎng)、在軌裝備的放置以及其他活動。就這點(diǎn)而言，smp系統(tǒng)被構(gòu)造成產(chǎn)生足夠的推力以使得能夠操控空間飛行器遠(yuǎn)離或接近其他物體。

如圖1所示，smp系統(tǒng)100包括功率管理和分配（“pmd”）系統(tǒng)102、發(fā)動機(jī)和推進(jìn)劑（“e/p”）系統(tǒng)104、軌道操縱和姿態(tài)控制器（“omac”）106、反應(yīng)控制系統(tǒng)（“rcs”）108、受壓物系統(tǒng)132以及控制模塊134。所列出的部件106、108、132和134在本領(lǐng)域中是廣泛已知的，并且因此將不在本文中進(jìn)行討論。

在操作期間，功率從一個或多個功率源（未示出）流動到pmd系統(tǒng)102。功率源可包括但不限于蓄電池、燃料電池和/或太陽能電池。pmd系統(tǒng)102將功率分配到smp系統(tǒng)100的所有負(fù)載104、106、108、132、134。就這點(diǎn)而言，pmd系統(tǒng)102包括一群電路，其包括濾波器、蓄電池、轉(zhuǎn)換器、隔離電路和/或調(diào)節(jié)器。所述電路被布置成輸出經(jīng)調(diào)節(jié)的總線電壓，經(jīng)調(diào)節(jié)的總線電壓遍及整個總線被分配到負(fù)載104、106、108、132、134以及蓄電池充電器。

e/p系統(tǒng)104可以包括一個或多個發(fā)動機(jī)120以及發(fā)動機(jī)功率供應(yīng)裝置122。發(fā)動機(jī)功率供應(yīng)裝置122通常被構(gòu)造成將功率供應(yīng)到（一個或多個）發(fā)動機(jī)120以將它（它們）轉(zhuǎn)換成“打開”和“關(guān)閉”。就這點(diǎn)而言，從pmd系統(tǒng)102輸出的經(jīng)調(diào)節(jié)的總線電壓被分配到發(fā)動機(jī)功率供應(yīng)裝置122，如附圖標(biāo)記114所示。發(fā)動機(jī)功率供應(yīng)裝置122使用經(jīng)調(diào)節(jié)的總線電壓來啟動（一個或多個）發(fā)動機(jī)120。在啟動時間，將儲存在一個或多個箱110中的推進(jìn)劑供應(yīng)到（一個或多個）發(fā)動機(jī)120。至少一個閥元件116被設(shè)置成用于控制從（一個或多個）箱到（一個或多個）發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑的供給。

閥元件116包括但不限于機(jī)電閥（例如，螺線管閥）。機(jī)電和螺線管閥在本領(lǐng)域中是廣泛已知的，并且因此將不在本文中進(jìn)行詳細(xì)描述。圖2中提供了用于閥元件116的示例性構(gòu)架的示意圖。閥元件116在本文中被描述為包括常閉閥。然而，閥元件116可以替代地包括常開閥。

如圖2所示，閥元件116包括電磁感應(yīng)線圈202、導(dǎo)電桿204以及閥206。閥元件216、感應(yīng)線圈202和/或?qū)щ姉U204在本文中也被稱為（一個或多個）致動器。閥206通常處于關(guān)閉位置。閥206響應(yīng)于從閥控制裝置（“vcd”）124接收的電信號而轉(zhuǎn)變到打開位置。在該情形中，允許推進(jìn)劑從箱110經(jīng)由推進(jìn)劑供應(yīng)管112和118流動到發(fā)動機(jī)120。其后，閥206的打開和關(guān)閉也由vcd124控制以在發(fā)動機(jī)120的整個操作過程中調(diào)節(jié)推進(jìn)劑到發(fā)動機(jī)120的流動。

值得一提的是，vcd124實(shí)施了用于控制閥元件116的閥的打開和關(guān)閉的新穎方法。圖3中提供了該新穎方法300的示意圖。關(guān)于常閉螺線管閥的情形來描述方法300。如應(yīng)被理解的，本文中所采用的致動器控制技術(shù)也可以與常開閥一起使用。在這種情況中，可以相應(yīng)地修改方法300。

方法300一般地包括以周期性通/斷速率將功率提供到閥元件116的電磁感應(yīng)線圈202，該周期性通/斷速率比閥206打開的速度更快。如應(yīng)被理解的，電磁感應(yīng)線圈202圍繞導(dǎo)電桿204纏繞，導(dǎo)電桿204如箭頭214所示移動入并移動出線圈202，從而改變線圈的電感，并且由此提供電磁體。當(dāng)由該電磁體將特定強(qiáng)度的磁場施加到閥206時，導(dǎo)致閥沿箭頭208所示的方向移動，由此閥從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變到打開狀態(tài)。當(dāng)磁場的強(qiáng)度減少某一量時，導(dǎo)致閥206沿箭頭210所示的方向移動，由此閥從打開狀態(tài)轉(zhuǎn)變到關(guān)閉狀態(tài)。

如圖3所示，方法300以步驟302開始并且以步驟304繼續(xù)，在步驟304中，以pwm平均電流水平將電pwm信號（例如，圖4的電pwm信號406）供應(yīng)到電磁感應(yīng)線圈202，pwm平均電流水平低于使閥元件116的閥206致動所需要的實(shí)際pwm電流水平。這允許形成穿過閥206的磁通，如步驟306所示。

當(dāng)在給定時間段內(nèi)不需要使閥206致動或打開[308：否]時，執(zhí)行步驟314，在步驟314中，去除供應(yīng)到閥元件116的功率。相反，當(dāng)在給定時間段內(nèi)需要使閥206致動或打開[308：是]時，方法300以步驟312-320繼續(xù)，在步驟312-320中，在適當(dāng)?shù)臅r刻將閥打開以及將閥關(guān)閉。

就這點(diǎn)而言，步驟312包括決定何時需要將閥206打開。在需要將閥206打開的時刻[312：是]，執(zhí)行步驟314。步驟314包括將電pwm信號的電流（或振幅）增大成使得提供到電磁感應(yīng)線圈202的功率升高到使閥致動所需要的實(shí)際功率水平（例如，如圖4的尖峰402所示）。如步驟316所示，當(dāng)供應(yīng)功率的周期時間（cyclingtime）增大到超過閥所需要的打開時間時，閥206打開。閥一經(jīng)打開，則閥被保持在其打開位置。就這點(diǎn)而言，出于節(jié)約功率和減少熱量的原因，減小電pwm信號的振幅，如步驟318所示。將振幅減小成使得：提供到電磁感應(yīng)線圈202的功率下降到低于使閥206致動所需要的功率水平，但磁場仍舊具有使閥保持在其打開位置的強(qiáng)度?？赏ㄟ^使pwm信號的電壓和/或電流下降來實(shí)現(xiàn)振幅的降低。

當(dāng)需要將閥關(guān)閉[320：是]時，則執(zhí)行步驟322，在步驟322中，進(jìn)一步減小pwm信號的振幅。更具體地，將pwm信號的振幅減小到如下值：在pwm信號的振幅為該值的情況下，施加到閥206的磁場所具有的強(qiáng)度未強(qiáng)到足以使閥保持在其打開位置。其后，方法300返回到步驟308。

作為實(shí)施該方法的結(jié)果，閥206的致動速度（或打開速度）相比常規(guī)閥的致動速度（或打開速度）得到極大的提高（例如，如圖4的時間段404所示）。例如，常規(guī)閥通常以100毫秒打開，而使用該方法的閥可以以74至84毫秒打開。該示例反映出在閥的打開時間方面改進(jìn)了16-26%。閥的提高的致動速度有助于使推進(jìn)劑更精確地流動到發(fā)動機(jī)120，由此提高推進(jìn)劑使用的效率。另外地，此類低成本的閥可以被用于推進(jìn)或發(fā)動機(jī)應(yīng)用中。此外，相比常規(guī)閥電路中所經(jīng)受的電功率浪涌，閥元件116中所經(jīng)受的電功率浪涌得以減小。

再次參考圖1，vcd124的pwm閥驅(qū)動器（或pwm電路）產(chǎn)生電pwm信號。pwm閥驅(qū)動器126包括實(shí)施調(diào)制技術(shù)的硬件和/或軟件。硬件可包括但是不限于電子電路。調(diào)制技術(shù)在本領(lǐng)域中是廣泛已知的，并且因此將不在本文中進(jìn)行描述。任何已知的或?qū)⒁@知的調(diào)制技術(shù)可沒有限制地使用在本文中。在所有情況中，調(diào)制技術(shù)基于調(diào)制器信號信息來控制電信號的脈沖的寬度。從此類調(diào)制得到的pwm信號一般包括具有固定的脈沖寬度和頻率（例如，約16千赫茲）的經(jīng)斬切的方波。值得一提的是，對于兩個不同的閥控制應(yīng)用，pwm信號的頻率可以不是相同的。

調(diào)制技術(shù)允許對供應(yīng)到閥元件116的功率進(jìn)行控制。在一些情形中，使用設(shè)置在發(fā)動機(jī)功率供應(yīng)裝置122和閥元件116之間的開關(guān)130來控制所供應(yīng)的功率。開關(guān)130可包括但是不限于半導(dǎo)體開關(guān)。半導(dǎo)體開關(guān)在本領(lǐng)域中是廣泛已知的，并且因此將不在本文中進(jìn)行描述。任何已知的或?qū)⒁@知的半導(dǎo)體開關(guān)可沒有限制地使用在本文中。開關(guān)130以相對快的節(jié)奏被轉(zhuǎn)換成“打開”和“關(guān)閉”。開關(guān)130相比“關(guān)閉”段處于“打開”越長，則供應(yīng)到閥元件116的功率越高。開關(guān)頻率被選擇為比閥206所能打開的速率更快。提供時序電路128以有助于在適當(dāng)?shù)臅r刻將開關(guān)330轉(zhuǎn)換成“打開”和“關(guān)閉”。時序電路128被設(shè)計成以比閥206的打開/關(guān)閉速度更快的速度振蕩。

現(xiàn)在參考圖5，這里提供了用于控制致動器（例如，閥元件116的閥的打開和關(guān)閉）的另一新穎方法500的流程圖。方法500以步驟502開始并且以步驟504繼續(xù)，在步驟504中，pwm電路（例如，圖1的pwm閥驅(qū)動器126）與致動器（例如，圖1的閥元件116）相聯(lián)系。致動器具有接入平均電流（例如，圖4的接入平均電流408），接入平均電流當(dāng)被供應(yīng)到致動器時具有足以導(dǎo)致致動器發(fā)生致動的值。

在操作期間，pwm電路使預(yù)接入平均電流（例如，圖4的預(yù)接入平均電流410）保持穩(wěn)定，預(yù)接入平均電流具有低于接入平均電流的正的非零值，如步驟506所示。如本文中所使用的，術(shù)語“保持”指的是維持或限制變量的量。如本文中所使用的，術(shù)語“穩(wěn)定”指的是沒有大范圍地波動或改變。預(yù)接入平均電流導(dǎo)致形成穿過致動器的磁通。該磁通不具有足以使致動器致動的量，但具有足以增大致動器的致動時間（例如，閥的打開/關(guān)閉時間）的量。通過以低于使致動器致動所需的功率水平的功率水平將pwm信號（例如，圖4的信號406）供應(yīng)到致動器來形成穿過致動器的磁通。如上面所描述的以及如步驟507所示，當(dāng)pwm信號的功率周期時間增大到超過閥打開所需要的功率水平時，閥打開。

在一些時間之后，執(zhí)行步驟508，在步驟508中，pwm電路將pwm信號的振幅降低成使得施加到致動器的磁場仍舊具有足以使致動器保持在經(jīng)致動的位置（例如，打開位置）的強(qiáng)度。在步驟510中，可進(jìn)一步將振幅降低成使得施加到致動器的磁場不具有足以使致動器保持在經(jīng)致動的位置中的強(qiáng)度，由此導(dǎo)致致動器從經(jīng)致動的位置（例如，打開位置）轉(zhuǎn)變到未致動的位置（例如，關(guān)閉位置）。當(dāng)作出在給定時間段內(nèi)致動器不需要處于經(jīng)致動的位置的決定時，可去除pwm信號到致動器的供應(yīng)，如步驟512所示。當(dāng)完成步驟512時，執(zhí)行步驟514，在步驟514中，方法500結(jié)束或執(zhí)行其他處理。