專利名稱：：數(shù)字高分辨率控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電子定位器，具體來說，涉及電子定位器及其相關(guān)執(zhí)行器的動力控制。
背景技術(shù)：
：基于電子微處理器的單元可以用來控制多種自動化閥門應(yīng)用中所使用的執(zhí)行器。此類單元通常叫做電子定位器，也簡單地叫做“定位器”；或者叫做伺服卡，也簡單地叫做“伺服”。AC執(zhí)行器是一種機電設(shè)備，其使用諸如AC分相電機甚至三相電機之類的電機來旋轉(zhuǎn)能夠與閥門機械相連的輸出軸，從而允許執(zhí)行器開啟或關(guān)閉該閥門。DC執(zhí)行器使用DC電機。有些執(zhí)行器可以針對特殊類型的應(yīng)用，使用電機來前后移動線性棒。大多數(shù)用于控制通過管道輸送來的液體或氣體流動的閥門，經(jīng)常趨向于旋轉(zhuǎn)90°或四分之一圈。因此，名稱“垂直轉(zhuǎn)動執(zhí)行器”被廣泛地使用和認可。在大多數(shù)應(yīng)用中，0°被認為是關(guān)閉位置，而90°被認為是全打開位置。從控制的角度來看，通常以百分比打開來描述閥門，而不管打開和關(guān)閉位置之間的度數(shù)，其中0%對應(yīng)于關(guān)閉位置，100%對應(yīng)于全打開位置。垂直轉(zhuǎn)動執(zhí)行器通常以它們的速度來標定，其中額定值定義了執(zhí)行器從0°移動到90°所需要的秒數(shù)。大多數(shù)執(zhí)行器在2秒到90秒的范圍內(nèi)。參照圖1，圖示了示例性AC分相電機10。它包括電機繞組12和14。電機繞組12使電機10順時針運動，而電機繞組14使電機10逆時針運動。針對閥門(未示出)來說，電機繞組12使電機運動以打開閥門，而電機繞組14使電機運動以關(guān)閉閥門。每個繞組的第一端都連接到第一AC電源線16。如圖所示，第一AC電源線16為中性線，被稱為“電機中性線”或“電機公共端”。然后，控制開關(guān)18可以用來通過將第二AC電源線20與適當(dāng)?shù)睦@組相連來操作閥門。限位開關(guān)22和24通常用來在閥門已經(jīng)達到行程末端時將電機10與電源斷開，從而避免電機10處于連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。連續(xù)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)可能導(dǎo)致電機繞組12和14過熱，并永久性地損壞電機10。限位開關(guān)22和24通常由安裝在電機10的輸出軸上的凸輪來啟動。設(shè)置凸輪以在旋轉(zhuǎn)的期望點處關(guān)閉限位開關(guān)22和24。換言之，限位開關(guān)22和24在閥門完全關(guān)閉或完全打開時關(guān)閉。AC電機可以帶有熱控開關(guān)26。熱控開關(guān)26在達到某一特定電機溫度例如200°F時，斷開第一AC電源線16，然后，在電機10已經(jīng)冷卻后，重新連接到第一AC電源線16。這一裝置預(yù)防了不利情況，例如電機在正常運行期間堵轉(zhuǎn)、電機故障和/或執(zhí)行器的過多循環(huán)。一些執(zhí)行器使用扭矩開關(guān)來檢測電機的堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。熱控開關(guān)26主要作為避免火災(zāi)的安全裝置。然而，熱控開關(guān)26的習(xí)慣性跳間可能損壞電機組件，從而顯著地縮短電機壽命。與此相反，扭矩開關(guān)能在過熱發(fā)生之前關(guān)閉電機10。扭矩開關(guān)針對開和關(guān)的每個方向進行操作，使得如果一個扭矩開關(guān)在其相關(guān)方向關(guān)閉電機，那么另一電機繞組仍可以操作。如果電機10能夠在另一方向上自由運動，則重置扭矩開關(guān)，從而允許其在第一方向上運行。從電學(xué)上來看，每個扭矩開關(guān)與給定繞組的限位開關(guān)串聯(lián)，所以限位開關(guān)22和24在電學(xué)上表現(xiàn)為限位開關(guān)和扭矩開關(guān)，其中極限位置或扭矩跳閘功能會斷開電機繞組。仍然參照圖1，電機電容器28造成動力繞組和無動力繞組之間的相移。無動力繞組中的相移產(chǎn)生與動力繞組中使電機10以特定方向旋轉(zhuǎn)的主要磁場協(xié)同工作的磁場。當(dāng)另一繞組上電時，相移使得繞組間的磁極性翻轉(zhuǎn)，從而使電機10以相反方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電容器28的電容增加時，相移也增加，從而引起繞組之間更大的磁差動。這導(dǎo)致從電機10輸出更大的扭矩。雖然更大的電容通常用于獲取更大的扭矩，但是增加的電容也使得更大的電流流過無動力繞組。該增加的電流導(dǎo)致電機10產(chǎn)生更多的熱，結(jié)果電機規(guī)格通常從100%能效下降到低至25%的能效。當(dāng)將電力剛施加到給定繞組時，產(chǎn)生涌入電流，其等于AC電壓除以電機繞組的電阻。一旦電機開始旋轉(zhuǎn)，其穿過磁場的運動就產(chǎn)生顯著降低電流消耗的反EMF。無動力繞組也通過使電流穿過電機電容器28來增加涌入電流，因此當(dāng)更大的電容用于增加扭矩時，涌入電流也增加。涌入電流通常為正常運行電流的2到3倍，并且通常持續(xù)100毫秒。與正常運行的電流相比，涌入電流導(dǎo)致顯著的熱效應(yīng)，結(jié)果電機一般以每小時最大的起動次數(shù)來標定。例如，100%能效的電機可以達到每小時最多起動12，000次。如果電機10機械地堵轉(zhuǎn)，由于電機10沒有旋轉(zhuǎn)穿過磁場，所以電機電流自然會增大到涌入電流的值。雖然扭矩開關(guān)避免了大多數(shù)的堵轉(zhuǎn)情況，但是當(dāng)使執(zhí)行器在小范圍內(nèi)(例如小度數(shù))移動的碎片限制閥門時，會產(chǎn)生典型應(yīng)用中的偶然故障。這導(dǎo)致不穩(wěn)定的控制信號經(jīng)常沿兩個方向在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)之間振蕩。最后，堵轉(zhuǎn)電流和涌入電流的組合使電機10過熱，從而使熱控開關(guān)26跳閘。電子定位器基礎(chǔ)為了電控例如所示的AC分相電機之類的電機，控制開關(guān)18被替換為電控開關(guān)裝置。一種方法是將控制開關(guān)18替換為可由電子電路控制的繼電器。然而，繼電器可能在AC正弦波的任意時間點切換。當(dāng)繼電器觸點在正弦波峰附近將電能施加到電機繞組時，電機繞組上的電壓突變產(chǎn)生明顯的電瞬態(tài)，這會引起與控制繼電器和附近其它電子設(shè)備的電路的電子干擾。另外，繼電器的機械性質(zhì)限制了切換循環(huán)的數(shù)量。通常，切換循環(huán)的數(shù)量小于1，000,000。在切換期間產(chǎn)生的瞬態(tài)導(dǎo)致繼電器觸點之間不期望的電弧，該電弧燒壞觸點表面，并逐漸損壞繼電器。這導(dǎo)致電循環(huán)通常局限為機械循環(huán)1/10。一種更好地控制電機的方法是將控制開關(guān)18或繼電器替換為不具有活動的機械部分的固態(tài)裝置，從而消除機械磨損和不期望的電弧。雖然可以使用多種固態(tài)裝置和電路，但最通用的裝置是如圖2所示的三端雙向可控硅開關(guān)元件(triaC)30和32。三端雙向可控硅開關(guān)元件30包括初級三端雙向可控硅開關(guān)元件Ql和次級三端雙向可控硅開關(guān)元件Qla。三端雙向可控硅開關(guān)元件32包括初級三端雙向可控硅開關(guān)元件Q2和次級三端雙向可控硅開關(guān)元件Q2b。次級三端雙向可控硅開關(guān)元件Qla和Q2b分別用于門控初級三端雙向可控硅開關(guān)元件Ql和Q2，從而導(dǎo)通和截止初級三端雙向可控硅開關(guān)元件Ql和Q2。次級三端雙向可控硅開關(guān)元件Qla和Q2b是在電機電路和控制電路之間提供電絕緣的光電子器件，其方式與將繼電器線圈從其觸點斷開的方式相同。另外，控制LEDLEDl和LED2可以由諸如微處理器之類的低壓、低功耗裝置來控制。次級三端雙向可控硅開關(guān)元件電路中的電阻34和36用于限制通過初級三端雙向可控硅開關(guān)元件Ql和Q2的柵極的電流。進一步增強三端雙向可控硅開關(guān)元件控制的通常實踐是過零電路的使用，其中過零電路避免初級三端雙向可控硅開關(guān)元件Ql和Q2導(dǎo)通或截止，除非AC線路電壓為零電壓。這顯著減少了當(dāng)電源隨機施加到電機10時所產(chǎn)生的電瞬態(tài)。長期以來，光耦合三端雙向可控硅開關(guān)元件裝置已經(jīng)使用了這種集成在裝置中的過零電路，并且通常用在定位器設(shè)計中。這使得控制LEDLED1和LED2的隨機開關(guān)，而不會導(dǎo)致初級三端雙向可控硅開關(guān)元件Ql和Q2的隨機開關(guān)。雖然過零控制三端雙向可控硅開關(guān)元件解決了隨機開關(guān)問題，但是限位開關(guān)22和24、扭矩開關(guān)、熱控開關(guān)26或者其它任何AC線路電壓的電力中斷都可能導(dǎo)致對電機10的電力的“隨機開關(guān)”。這些事件將產(chǎn)生可能損壞三端雙向可控硅開關(guān)元件電路30和32的瞬態(tài)。為了防止對三端雙向可控硅開關(guān)元件30和32的損壞，可以使用緩沖電路(未示出)。需要一種控制定位器的裝置來打開和關(guān)閉電機10，以實現(xiàn)具體百分比的打開位置。自動控制系統(tǒng)可以提供模擬或數(shù)字的控制信號。所用的常規(guī)模擬信號為0-10V、0-5V、1-5V或4-20mA，其中所用的具體信號表示0-100%打開。數(shù)字信號可以采用脈寬調(diào)制、頻率調(diào)制的形式或數(shù)據(jù)通信的許多形式中的一種形式。不管采用哪種類型的信號，該信號都會被解析成百分比打開命令。為了在命令信號所指示的期望位置關(guān)閉電機10，定位器監(jiān)測執(zhí)行器輸出軸的位置。監(jiān)測輸出軸位置可以通過將反饋電位計機械地連接到輸出軸來實現(xiàn)。大多數(shù)執(zhí)行器通過將一個齒輪安裝到輸出軸并且輸出軸依次旋轉(zhuǎn)安裝到電位計軸的另一齒輪來使用一組齒輪連接反饋電位計。由于電位計和執(zhí)行器具有有限的旋轉(zhuǎn)范圍，所以電位計旋轉(zhuǎn)需要和輸出軸旋轉(zhuǎn)對準。亦即，當(dāng)閥門位置處于50%打開時，電位計游標理想上處于50%電阻。通過在閥門為50%打開且電位計被設(shè)置為50%時將齒輪緊固到它們對應(yīng)的軸上來完成對準?，F(xiàn)在參照圖3，定位器40將激勵電壓+V(通常是10或低于10V)施加到反饋電位計42，并測量電位計游標44上的電壓，其正比于輸出軸的角位置。為了將閥門定位到所期望的百分比打開，定位器40比較來自反饋電位計42的反饋信號46和命令信號48，并確定是打開電機繞組還是關(guān)閉電機繞組，然后在命令信號48與反饋信號46匹配時最終關(guān)閉電機10。模擬定位器通過使用可調(diào)放大器(調(diào)整放大器)用可調(diào)偏移量調(diào)整命令信號48和/或反饋信號46來實現(xiàn)上述處理，以便兩個信號在0%和100%打開時產(chǎn)生相同的電壓。偏移量調(diào)節(jié)通常指示0%的值，并被稱作零設(shè)定值。放大器的增益指示100%的值，并被稱作量程設(shè)定值。數(shù)字定位器通過利用模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器電路將命令信號48和反饋信號46轉(zhuǎn)換為數(shù)值來執(zhí)行上述任務(wù)。一旦使用數(shù)值形式，微處理器可以使用加法操作來置零，使用乘法操作來設(shè)置量程，然后邏輯比較所調(diào)整的數(shù)字值。對于數(shù)字定位器來說，比較器50和52表示邏輯操作，而不是實際電路。為了正確地運行，電機10和反饋電位計42必須以特定的方式連線到定位器40。在大多數(shù)應(yīng)用中，當(dāng)電機10向打開位置移動閥門時，反饋電位計42的游標44向+V端移動，這增大了游標44上測量的電壓。在這種情況下，通常稱為“前向動作”，比較器50只要在反饋信號46小于命令信號48時，就打開所打開的電機繞組。與此類似，比較器52只要在反饋信號46大于命令信號48時，就打開所關(guān)閉的電機繞組。閥門運動和反饋信號46之間的最終關(guān)系可以用不同的條件來轉(zhuǎn)換，例如反饋電位計42的安裝方向、反饋電位計42的連接結(jié)構(gòu)、以及執(zhí)行器和閥門之間的機械連接。因此，一些應(yīng)用需要“反向動作”。對于反向動作而言，當(dāng)命令信號48增加時，執(zhí)行器會向著其定義的關(guān)閉位置運動。同樣地，當(dāng)命令信號48減小時，執(zhí)行器會向著打開位置運動。由于機械連接和安裝不容易改變，所以通過對電機10和反饋電位計42進行重新布線連接以獲得所期望的關(guān)系，可以更好地實現(xiàn)反向動作。雖然極性敏感關(guān)系比較簡單，但是由于存在多種轉(zhuǎn)換該關(guān)系的方式，所以它仍然是共同問題的根源。當(dāng)定位器40關(guān)閉給定的電機繞組時，電機10中所產(chǎn)生的慣性使得電機10繼續(xù)運動，越過所期望的位置。當(dāng)發(fā)生此事時，定位器40立即嘗試將相對電機繞組關(guān)閉，以重新定位執(zhí)行器。相對方向的慣性然后使執(zhí)行器滑行再次越過所期望的位置。最終結(jié)果是定位器40永遠不會令人滿意，并且執(zhí)行器會來回振蕩。這被稱為“擺動(hunting)”。為了避免擺動，傳統(tǒng)定位器使用靜帶調(diào)節(jié)，其充分增加比較器50和52的偏移量，以創(chuàng)建兩個電機繞組都關(guān)閉的第三狀態(tài)。這導(dǎo)致這樣的情況，即需要命令信號48和反饋信號46之差在電機10能再次打開之前大于靜帶設(shè)定值。電機的慣性運動效應(yīng)可以依據(jù)執(zhí)行器速度、電機尺寸、所用閥門的類型、閥門上的負載、以及環(huán)境條件而廣泛變化。對于通?？捎玫膱?zhí)行器，慣性運動效應(yīng)至少為0.5°，也可能多達30°。為了減少慣性運動，許多執(zhí)行器采用機械制動器。雖然能實現(xiàn)多種制動器設(shè)計，但是大多數(shù)都利用通用的設(shè)計原則。制動器包括對電機軸施加機械摩擦的一些機械裝置和釋放電機軸的機械摩擦的一些螺線管裝置。通過用螺線管裝置跨接打開的和關(guān)閉的電機繞組，螺線管裝置可以在任一電機繞組打開的任意時間釋放制動器。與此類似，當(dāng)兩個繞組都關(guān)閉時(處于靜帶范圍)，機械裝置將對電機軸施加制動摩擦。由于機械制動器包括需要時間去運動的運動部分，所以它們不能有效地將慣性運動降到0.5°以下。然而，機械制動器可以將慣性運動限制在2°或更低。機械制動器還能實現(xiàn)另一目的，即在定位器關(guān)閉電機之后保持執(zhí)行器的位置。實現(xiàn)正齒輪設(shè)計的執(zhí)行器很容易被閥門上的負載向后驅(qū)動，因此幾乎總是需要采用機械制動器。由于機械制動器根據(jù)摩擦原理來工作，所以制動器性能隨著溫度和磨損而變化。另外，制動器中經(jīng)常使用的材料不能忍受電機過熱時可能導(dǎo)致的高溫。制動器中的螺線管裝置也易受溫度影響，其中螺線管可能不會脫離制動器，從而導(dǎo)致電機過熱，引起對制動器的永久損壞。為了消除機械制動，一些執(zhí)行器設(shè)計使用機械技術(shù)(例如蝸輪傳動)來防止負載的向后驅(qū)動。然而，由于并沒有阻止慣性能量的根源，即電機，所以這沒有消除影響定位器性能的慣性運動。分辨率對于執(zhí)行器來說，分辨率是能進行的最小可重復(fù)運動的測量值。對于垂直運動執(zhí)行器來說，分辨率以旋轉(zhuǎn)角度來衡量。由于使用電子定位器的最終目的是將閥門控制在具體百分比的打開位置，所以根據(jù)定位器通常實現(xiàn)的任何所期望或命令的位置來衡量定位器的性能。因此，分辨率是性能的最重要的衡量。受分辨率影響的自動控制系統(tǒng)的基本因素是，執(zhí)行器在給定控制范圍內(nèi)可以進行的離散運動的數(shù)量。如前所述，傳統(tǒng)定位器采用靜帶設(shè)置來防止不穩(wěn)定的操作或擺動。由于直到命令信號和反饋信號之差超過靜帶設(shè)置才關(guān)閉電機，所以靜帶設(shè)置指示了可以進行的最小的離散運動。如前所述，執(zhí)行器的機械特性造成在90°的范圍內(nèi)靜帶大于0.5°，或180點的分辨率。雖然某些定位器和某些執(zhí)行器的組合可以優(yōu)化分辨率，但是，不采用新技術(shù)或工藝就實現(xiàn)超過200點的分辨率是不實際的。雖然180點的分辨率似乎足夠了，但是通常使用的蝶形閥門和球形閥門只能使用可用分辨率的大約1/3。這是由于在閥門達到33%打開時，這些類型的閥門基本上允許0%至100%的流量，從而將分辨率的可用點降低到60。由于大多數(shù)自動系統(tǒng)試圖控制特定的流速，所以過程控制器通常以一般不超過10°的更窄范圍來操作閥門。這使得只要20點的分辨率就能維持穩(wěn)定的流量。為了實現(xiàn)通過閥門的特定流速，過程控制器可以在兩點分辨率之間移動閥門，從而實現(xiàn)中間的“點”。由于大量液體或氣體的阻尼效應(yīng)，足夠快地控制兩點之間的開關(guān)才能得到兩點分辨率之間的平均點的控制流量。通常，過程控制器在兩點之間需要的速度比執(zhí)行器電機能夠不過熱操作的速度快。為了補償，使用具有更高占空比的更貴的執(zhí)行器。在具體應(yīng)用中用來提高分辨率的一種技術(shù)是，使用公知為V-球形閥門的精加工的球形閥門。這種類型的閥門通過使用類似“V”形的精確切割球限制流過閥門的流量來使用閥門的幾乎全部量程。這使得全部180點的分辨率用于從0%到100%打開。最終結(jié)果允許過程控制器使用更廣的運動、或更多點的分辨率來保持穩(wěn)定的流量。另一種用來提高分辨率的技術(shù)是，將執(zhí)行器的量程從90°擴展到180°。通過將執(zhí)行器輸出軸調(diào)整回到閥門的90°運動，閥門的最終分辨率可以理論上縮小一半，即是0.25°。然而，由于定位器只能監(jiān)測執(zhí)行器輸出軸的位置，所以每一級調(diào)整都引入不能補償?shù)拈g隙。這導(dǎo)致實際的分辨率為0.3°或更高。雖然可以進一步發(fā)展擴展執(zhí)行器量程的技術(shù)，但是由執(zhí)行器和閥門之間的調(diào)整所產(chǎn)生的更多間隙對0.3°的分辨率產(chǎn)生了實際限制。為了使用機械技術(shù)實現(xiàn)更好的分辨率，遇到的另一實際局限是成本。通過設(shè)計，執(zhí)行器在其采用被調(diào)整為更慢速度的機械制動器并采用上述技術(shù)中的一種時，達到更好的分辨率。實際上，最終結(jié)果是，由于更大、更慢且更龐大的執(zhí)行器與更昂貴的專用閥門一起使用，所以是以高額的成本獲得了更好的分辨率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了用來顯著增加分辨率的低成本且高效的解決方案?？刂破鞑捎媚軌?qū)㈦姍C移動到所期望的電機位置而不管靜帶或間隙的電機控制算法。與根據(jù)測量位置來調(diào)節(jié)電機位置(軸位置)的傳統(tǒng)控制算法不同，本算法根據(jù)所觀察的電機運動來建立電機位置。根據(jù)由先前所提供的能量的量，而不僅僅是根據(jù)電機軸的當(dāng)前靜止位置，來以離散量的形式提供能量。因此，控制算法能夠適應(yīng)實際的運動學(xué)狀況。如果電機正在控制例如用來調(diào)節(jié)不均勻粘性液體的閥門，那么電機打開和關(guān)閉該閥門的能力依賴于液體的當(dāng)前粘性。該控制算法可以檢測該狀況并相應(yīng)地進行調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種控制電機的方法，其中，提供第一數(shù)量的能量給電機以產(chǎn)生運動。觀察所產(chǎn)生的運動，并基于所觀察到的運動提供第二數(shù)量的能量給電機，從而使所產(chǎn)生的運動可以達到所期望的位置。在一個優(yōu)選的實施例中，控制提供所述第一數(shù)量的能量和第二數(shù)量的能量之間的時間間隔。在當(dāng)前電機位置遠離所期望的位置時，以第一速度傳送所述數(shù)量的能量(以根據(jù)第一時段的間隔來傳送)。在當(dāng)前電機位置比較靠近所期望的位置時，優(yōu)選以低于所述第一速度的第二速度來傳送所述數(shù)量的能量。這樣，當(dāng)電機位置遠離所期望的位置時，更快地傳送所述數(shù)量的能量(但是小于計算的精度)。當(dāng)電機靠近所期望的位置時，更慢地傳送所述數(shù)量的能量。這允許在傳送下一數(shù)量的能量之前消耗部分慣性運動的時間。在另一優(yōu)選實施例中，使用電子制動機制。在全部電力施加到電機之后，電子制動減小了也需要較長時間的大量慣性運動。雖然不是所有應(yīng)用都需要，但是電子制動機制提供了及時獲得分辨率精確度的手段。因此，本發(fā)明使用新方法處理分辨率。使用該新方法改良的電子定位器能獲得高分辨率，并可以與多種執(zhí)行器一起使用，并且在多種應(yīng)用中使用。如果需要，該新方法可以適用于使用上述其它技術(shù)的系統(tǒng)中，實現(xiàn)更進一步的性能改進。在該新方法的諸多好處中，降低了由于過多循環(huán)和由于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)引起的電機過熱。也消除了由于快速的或錯誤的信號改變或者由于電噪聲或環(huán)境條件引起的錯誤的或不穩(wěn)定的操作。還極大地簡化了定位器的安裝和設(shè)置，這是因為新方法能夠自動檢測極性以消除由于布線引起的錯誤操作；去除了校準步驟和程序；去除了設(shè)置所用的儀器；以及具有方便的三按鈕數(shù)字控制以配置所有設(shè)置的參數(shù)。此外，從后面提供的詳細描述可以明了本發(fā)明更多的應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解，這些詳細描述和具體示例雖然表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是僅出于示例性的目的，并不意欲限制本發(fā)明的范圍。從這些詳細的描述和附圖可以充分理解本發(fā)明，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)中AC分相電機的示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中三端雙向可控硅開關(guān)元件控制電路的示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中定位器的示意性框圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中電子制動電路的示意性框圖；圖5為改進的電子制動電路的示意性框圖；圖6為圖示本發(fā)明優(yōu)選實施例的制動序列的波形圖；圖7為描述控制算法中所包括的動力原理的時序圖；圖8為脈沖序列波形圖；圖9為涌入電流波形圖；圖10為顯示控制算法的一些基本原則的功能框圖；圖IOA為能量與運動關(guān)系的示意圖，用于理解圖10所示的控制算法的操作；圖IOB為能量與運動關(guān)系的示意圖，關(guān)注也在圖IOA中示出的脈沖特性帶間隔；圖IOC為功率與時間關(guān)系的示意圖，關(guān)注也在圖IOA和圖IOB中示出的脈沖特性帶間隔；圖IOD為用來理解圖10中的控制算法的操作的流程圖；圖11為控制器的當(dāng)前優(yōu)選實施方式的詳細示意圖；并且圖12為用于圖11中的實施方式的電源的詳細示意圖。具體實施例方式以下對優(yōu)選實施例的描述本質(zhì)上是示例性的，并不意欲限制本發(fā)明、本發(fā)明的應(yīng)用或用途。電子定位器的動力控制數(shù)字高分辨率控制器實現(xiàn)了電子定位器及其相關(guān)執(zhí)行器的動力控制。通過動力控制算法來實現(xiàn)高精度，其中動力控制算法測量和適應(yīng)對執(zhí)行器和連接到執(zhí)行器的機械系統(tǒng)所實際觀察到的運動。現(xiàn)在詳細介紹新的動力控制系統(tǒng)。控制算法概述參照圖10，首先概述控制算法。圖10將控制算法顯示為互連功能處理的集合。這些處理可以由經(jīng)過合適編程的微處理器(如下面討論的圖11的電路圖所示)來執(zhí)行。根據(jù)本優(yōu)選實施例，例如微處理器的計算裝置被編程，以將提供給電機的大量能量以控制包的形式傳送給第一方向輸出端或第二方向輸出端。所述輸出為邏輯狀態(tài)(開或關(guān))的形式，然后邏輯狀態(tài)被轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娦盘栆韵螂姍C提供動力。在優(yōu)選實施例中，圖12中的輸出端Ql和QO用于控制三端雙向可控硅開關(guān)元件輸出端，即電機1和電機2，從而驅(qū)動AC分相電機。在其它應(yīng)用中，這些輸出端可以用來控制可逆DC電機、控制起動活塞的電磁閥、控制三相電機的繼電器、或者任何能夠被電控以提供運動的其它裝置。控制算法的輸入包括提供所期望位置信息的命令信號和提供當(dāng)前位置信息的反饋電位計信號。圖10中的每個模塊都表示一系列微處理器指令，其對輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行操作并根據(jù)輸入數(shù)據(jù)向其它模塊提供輸出數(shù)據(jù)。未示出的微處理器控制數(shù)據(jù)流和所有操作的時序。控制模式首先，微處理器確定使用兩種電機控制模式中的一種，即運行模式或脈沖模式?，F(xiàn)在參照圖10A，在運行模式或脈沖模式下將能量包130傳送給輸出端中的一個(例如第一方向)。在當(dāng)前位置位于脈沖特性帶(pulsepropband)之外時，激活運行模式，而在當(dāng)前位置為脈沖特性帶之內(nèi)時，激活脈沖模式。對于另一輸出端，圖是鏡像的，意味著運動是從右到左，而不是如圖所示的從左到右。如圖IOD所示，當(dāng)位于脈沖特性帶之內(nèi)時，激活脈沖模式。為了在模式之間依次提供切換，直到運行模式完成了運行序列之后才激活脈沖模式。一旦激活脈沖模式，就不能激活運行模式，直到脈沖模式完成了脈沖序列。圖IOA示出了運行序列將當(dāng)前位置移動到脈沖特性帶之內(nèi)的結(jié)果，此時激活脈沖模式。注意，一旦激活脈沖模式，脈沖模式和運行模式之間的分界就會移動到脈沖特性帶的整個寬度。一旦控制算法實現(xiàn)了與所期望分辨率一致的位置，就使兩種模式無效，直到所期望位置的變化觸發(fā)其中一種模式。所期望的分辨率只受兩個因素中較大的那個的限制用給定的執(zhí)行器機制可以進行的最小運動，或當(dāng)前位置信息的最精細分辨率。運行序列處理器圖10中的運行序列處理器模塊確定運行模式的能量包。然后，基于方向控制模塊提供的方向信息為輸出端選擇第一方向或第二方向。由運動處理器模塊提供的運動信息用于測量隨后的慣性運動131，其接著用于計算下文將詳細描述的慣性補償值(ICV)。完整的運行序列包括將100%能量包132施加到位于脈沖特性帶之外一位置處的所選擇輸出端，在等于所期望位置減去ICV的位置施加制動器序列133，測量隨后的慣性運動131，然后在134處計算ICV的新值。參照圖10A，注意，在本優(yōu)選實施例中運行模式僅包括單個運行序列，其施加恒定的全功率至電機，并在檢測到位置等于所期望位置減去ICV時結(jié)束。這樣，該運行模式與傳統(tǒng)定位器相似。然而，傳統(tǒng)定位器根據(jù)所期望位置減去靜帶設(shè)定值來結(jié)束這種運行模式，靜帶設(shè)定值只是意欲防止擺動的固定值。與此相反，本優(yōu)選實施例所用的ICV值是通過執(zhí)行器的條件、負載和環(huán)境來確定的實際運動的測量值。這樣，本發(fā)明消除或補償了靜帶。來自熱量計算器的輸入提供了百分比能效信息，運行序列處理器根據(jù)電機的熱量狀態(tài)來使用該信息(參見下面的熱量計算器部分)。當(dāng)這些發(fā)生時，圖IOA中所示的運行序列變?yōu)橐幌盗械拈_關(guān)時段。這仍然認為是單個運行序列并以上述相同的方式終止。由于制動序列本身會在電機中產(chǎn)生大量的熱，所以在能效控制以進一步減少熱量時可選地排除制動序列133。在優(yōu)選實施例中就是這樣操作的。制動序列處理器注意，制動序列133實際上是運行序列的一部分，并且在輸出幾乎關(guān)閉的情況下可以被排除。其結(jié)果是，隨后的慣性運動131變得更大并需要更多時間。因此，ICV變得更大，導(dǎo)致脈沖特性帶變得更大。最終結(jié)果是，控制器以及執(zhí)行器需要更多的時間來達到所期望的位置。由于制動序列是由所期望位置和ICV之差所觸發(fā)的固有操作，所以制動序列處理器不需要其它輸入信息來執(zhí)行下述的制動操作。來自熱量計算器模塊的輸入根據(jù)電機中的熱量狀態(tài)激活制動序列或者使制動序列失效。熱量計算器熱量計算器模塊監(jiān)測輸出端在何時打開以及如何打開，并計算電機輸出的熱量結(jié)果。下面描述計算熱量結(jié)果的進一步細節(jié)?；跓崃坑嬎悖瑹崃坑嬎闫鳛檫\行序列處理器提供操作的百分比能效，并激活制動序列或者使制動序列失效?？蛇x地，實際的溫度傳感器可以用來監(jiān)測電機的熱量狀況。然后，傳感器信息而不是所計算的溫度，用于計算百分比能效信息。雖然需要附加的組件和電路，但是該方法能簡化熱量計算器代碼，并具有提供包括環(huán)境溫度結(jié)果的實際電機溫度狀況的好處。脈沖序列處理器脈沖序列處理器模塊確定在脈沖模式中針對給定脈沖序列的能量包。然后基于方向控制模塊提供的方向信息為輸出端選擇第一方向或第二方向。由運動處理器模塊提供的運動信息用于測量隨后的運動135，其接著用于計算下一個脈沖序列的參數(shù)。完整的脈沖序列包括將部分能量包136施加到位于脈沖特性帶之內(nèi)一位置處的所選擇輸出端，在脈沖序列的末端測量隨后的運動135，然后計算下一個脈沖序列的新參數(shù)。脈沖序列的參數(shù)包括脈沖序列時間長度、能量包136的能量等級、以及能量等級從一個脈沖序列變化到下一個的速度。如圖IOA所示，與運行模式不同，脈沖模式包括一個或多個脈沖序列。由于脈沖序列時間長度是關(guān)鍵的參數(shù)，所以完整的脈沖序列是單個實體，并且該脈沖序列結(jié)束之前不允許其它操作。進一步，所期望位置和當(dāng)前位置之差用于計算脈沖序列的參數(shù)。其結(jié)果是，所期望位置信息存儲在脈沖序列的開始處，即134處。為了保持穩(wěn)定的脈沖操作，忽略所期望位置的變化，直到脈沖序列完成。如前面所提醒的，一旦激活脈沖模式，就如圖IOB那樣在整個脈沖特性帶的寬度內(nèi)保持其激活。每個能量包130隨著當(dāng)前位置靠近所期望位置而成比例地減小能量等級。給定一組條件，由能量包產(chǎn)生的運動與包的能量等級成比例。因此，下面的等式描述了如何確定包的能量等級，即Ep，其中pC定義在傳送能量包時的當(dāng)前位置pD定義所期望位置pB定義脈沖特性帶，是ICV的兩倍Ef定義脈沖序列的最大分級(fractional)能量等級<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>最大分級能量等級Ef與所期望分辨率和給定脈沖序列產(chǎn)生的實際運動之差成反比；亦即，當(dāng)產(chǎn)生的運動超出所期望分辨率時，Ef降低。理論上，可以通過基于所產(chǎn)生的運動成比例地調(diào)節(jié)Ef來在每個脈沖序列之后調(diào)節(jié)Ef，于是Ep的計算可以修改為r定義所期望分辨率mP表示根據(jù)先前脈沖序列測量的運動<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>注意，上述等式具有以爭取使mP的值等于r從而等于原等式的方式改變Ep的效果。然而，在實踐中，在當(dāng)前位置靠近特性帶的邊緣時，并不需要將mP約束為r的值。進一步，由脈沖序列產(chǎn)生的小運動不是必須重復(fù)的，因此以有限增量調(diào)節(jié)Ef提供了更穩(wěn)定的操作。以有限增量調(diào)節(jié)Ef具有對r/mP項進行平均的效果。有限的增量成為所期望的操作穩(wěn)定性與完全調(diào)節(jié)Ef所需要的時間量之間的折中。這樣，本發(fā)明對能量等級從一個脈沖序列變化到下一個脈沖序列的速度進行控制。由于能量是功率和時間的函數(shù)(即E=PXt),圖IOB示出了能量與運動的關(guān)系，其也可以按圖IOC中功率與時間關(guān)系角度來看。功率脈沖137及隨后的休止時間138的組合構(gòu)成圖IOB中所示的相關(guān)能量包130。由于給定能量包的等級等于功率脈沖工作時間與總脈沖序列時間的比，所以能夠解釋為什么脈沖序列是一旦啟動就不可中斷的單個實體。注意，脈沖序列時間tC隨著當(dāng)前位置pC接近所期望位置而增加，而功率脈沖工作時間保持恒定。雖然改變功率脈沖工作時間同時保持脈沖序列時間恒定具有相同的效果，但是這會在當(dāng)前位置靠近脈沖特性帶邊緣時不必要地造成算法遲鈍。這是因為脈沖序列時間由最靠近所期望位置的最遠脈沖序列139來確定。參照圖10C，功率脈沖137和其休止時間138確定圖IOB中的Ef的值。因此，通過控制脈沖序列時間tC能有效地建立每個后續(xù)脈沖序列的能量等級。使用這種技術(shù)，如表2所示，對功率脈沖工作時間的增量調(diào)節(jié)(參見下面標題為“自適應(yīng)脈沖序列”的部分)，如前所述有效地調(diào)節(jié)了Ef的值。Ep的先前公式現(xiàn)在可以從tC的角度來描述，其中pC定義在傳送能量包時的當(dāng)前位置pD定義所期望位置pB定義脈沖特性帶，是ICV的兩倍tD定義最大脈沖序列時間tB定義最小脈沖序列時間<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>最大脈沖序列時間tD依賴于使用該算法的執(zhí)行器的量程，其中tD是在施加由脈沖序列139表示的最小能量包之后停止運動所需要的最長時間段。功率脈沖工作時間由產(chǎn)生與所期望分辨率一致的運動所需要的時間量來表示。給定執(zhí)行器的最小脈沖工作時間被定義為產(chǎn)生運動所需要的最小時間。如果最小脈沖工作時間產(chǎn)生的運動大于所期望的分辨率，算法會在脈沖序列139之后檢測到這一情況，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)分辨率參數(shù)。這樣，算法會確定給定的執(zhí)行器是否能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的分辨率，然后補償最佳性能。在位置等于所期望位置減去ICV時產(chǎn)生的最小脈沖序列時間tB，是主要為性能選擇的，假定最大功率脈沖工作時間小于tB。這確保了脈沖序列能量包小于100%。在優(yōu)選實施例中，在脈沖模式中意欲保持低占空比以最小化電機熱量，并由此使用46個半周期的最小tB，其具有14個半周期的最大脈沖工作時間，從而產(chǎn)生30%的最大占空比或Ef。其它應(yīng)用可以選擇更快的響應(yīng)時間，從而可以使用導(dǎo)致更高Ef的更高占空比。脈沖加速模式參照圖10B，每個能量包產(chǎn)生一個成比例的運動量。然而，執(zhí)行器上突然的負載增加可能導(dǎo)致小的運動或不運動。為了使算法更快地響應(yīng)這種情況，可以通過對每個隨后的脈沖序列增加功率脈沖工作時間，直到實現(xiàn)所期望位置的最小量，來調(diào)用暫時增加有效Ef值的脈沖加速模式。一旦完成了這種運動，原Ef值就被恢復(fù)。間隙補償在執(zhí)行器結(jié)構(gòu)中，間隙量決定了脈沖加速模式能多快地從一個脈沖序列到下一個脈沖序列增加功率脈沖工作時間。對功率脈沖工作時間的調(diào)節(jié)速度將在下面進行描述。起動位置為了測量所需要的運動，算法必須能夠比較從起動操作到結(jié)束操作的位置的變化。參照圖10，起動位置模塊基本上展現(xiàn)了所存儲的信息。微處理器控制何時起動給定的操作，并保存起動位置。如果起動了運行序列，則直接保存當(dāng)前位置信息。如果起動了脈沖序列，則保存來自可重新設(shè)置的積分器的濾波后的位置信息。運動處理器運動處理器也監(jiān)測當(dāng)前位置信息和濾波后的位置信息。在操作結(jié)束時，微處理器選擇輸入的待與先前保存的起動位置相比的適當(dāng)?shù)奈恢眯畔?。兩者之差表示所測量的操作運動，該信息然后傳送到運行序列處理器和脈沖序列處理器。極性檢測由于微處理器知道在給定操作中激活了哪個輸出，所以運動處理器可以確定與給定輸出相關(guān)的運動的極性。由于運動僅僅是當(dāng)前位置和起動位置之差，所以所計算的極性表示與給定輸出相關(guān)的極性。簡單地說，如果激活了第一方向并且運動處理器計算出正向運動(當(dāng)前位置大于起動位置)，那么第一方向輸出的極性被稱為正。由于根據(jù)定義，第二方向?qū)е路聪蜻\動，所以運動處理器為第二方向計算出負的極性。由于脈沖序列不產(chǎn)生100%的能量包，所以對負載的反向驅(qū)動運動比較敏感。這種反向驅(qū)動運動會讓運動處理器計算出錯誤的極性。為此，在脈沖模式期間極性測量失效。呈現(xiàn)給方向控制模塊的極性輸出總是表示由運動處理器計算的最新極性。堵轉(zhuǎn)檢測在計算運動極性的過程中，算法還可以檢測堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。在當(dāng)前位置和起動位置之差在給定時間段之后沒有導(dǎo)致具體的運動量時，認為執(zhí)行器堵轉(zhuǎn)。所需要的運動量將依賴于待被控制的最慢的執(zhí)行器，而所分配的時間量依賴于執(zhí)行器預(yù)期量程可以忍受的最大堵轉(zhuǎn)時間段。為了確保極性計算的完整性，除非檢測到所需要的運動，否則不更新極性輸出。一旦檢測到堵轉(zhuǎn)，微處理器將使對相關(guān)輸出的進一步操作失效，并在起動位置模塊中保存堵轉(zhuǎn)發(fā)生時的位置。當(dāng)運動處理器檢測到所需要的運動時，再次激活被堵轉(zhuǎn)的輸出?？梢酝ㄟ^操作另一方向來嘗試所需要的運動，或者通過機械或電動工具人工操作執(zhí)行器。機械人工代用裝置是許多執(zhí)行器的通用特性，而電動人工操作是為優(yōu)選實施例設(shè)計的附加特性。方向控制方向控制模塊是確定需要使哪個輸出產(chǎn)生正確方向運動的靜態(tài)計算。通過監(jiān)測所期望位置、當(dāng)前位置(直接或濾波后的)、來自運動處理器的極性信息、以及所配置的打開和關(guān)閉位置、Fo和Fe，可以檢測到正確的輸出。由于根據(jù)定義，命令信號是相對值，其中0%信號表示關(guān)閉位置，100%信號表示打開位置，所以命令信號本身不提供可以與當(dāng)前位置信息相比較的絕對期望位置。方向控制模塊必須首先利用下列等式將命令信號轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)钠谕恢肞D，其中c表示以百分比表示的命令信號值(數(shù)值0到1)Fo定義所配置的打開位置Fc定義所配置的關(guān)閉位置pD=c(Fo-Fc)+Fc注意，F(xiàn)o可以大于或小于Fe，并且仍然產(chǎn)生正確的絕對位置pD。按此方式，本發(fā)明無需重新布線就能提供前向或反向動作。來自運動處理器的極性信息本質(zhì)上是單個比特，并且可以在數(shù)學(xué)上描述如下pC定義由第一方向的運動得到的當(dāng)前位置pS定義運動測量值的起動位置<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>注意，該等式只能產(chǎn)生+1或-1的結(jié)果，其中+1表示第一方向?qū)⑹筆C增加。與此相反，-1的結(jié)果表示第一方向使PC降低；這意味著第二方向?qū)е翽C增加。一旦計算了pD，就可以計算由命令信號指示的所期望的極性，其中pD根據(jù)命令信號c定義絕對的所期望位置pC定義當(dāng)前位置所期望的極性<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>該等式也產(chǎn)生+1或-1的結(jié)果，其中+1表示pC必須增加，以達到所期望位置pD。相反，-1表示pC必須降低。方向控制模塊的方向輸出也是單個比特，它是前兩個等式的積，其中+1結(jié)果表示第一方向有效-1結(jié)果表示第二方向有效方向—(pC-pS)e(pD-pC)焯I丨沖-pCl這樣，本發(fā)明提供自動的極性，這意味著對第一和第二方向輸出的連接可以反轉(zhuǎn)而不必重新配置打開和關(guān)閉的位置。進一步，對反饋電位計的連接也可以反轉(zhuǎn)，并且上述等式可以確定輸出和反饋電位計之間的適當(dāng)關(guān)系；這消除了提出傳統(tǒng)定位器無功能的兩種布線可能性。然而，由于所有絕對位置值都是根據(jù)反饋電位計的，所以需要重新配置打開和關(guān)閉位置。噪聲抑制器如下所述，噪聲抑制器模塊消除了隨機信號對命令信號和反饋電位計信號的改變?？芍匦略O(shè)置的積分器如下所述，可重新設(shè)置的積分器模塊對與之相關(guān)的信號進行濾波，從而為使用脈沖模式提供插值的高分辨率。由積分器進行的加權(quán)平均計算如下，其中a表示運行平均值s表示來自噪聲抑制器的最新樣本值f表示濾波速度或者平均計算中所用的樣本數(shù)量a(f-l)+sa=~根據(jù)為脈沖序列處理器確定的最大脈沖序列時間tD來選擇f的值。當(dāng)s的值從一個值改變?yōu)榱硪恢禃r，加權(quán)平均值a必須等于最大脈沖序列時間之內(nèi)的s值?；讷@取新值s時的頻率，可以確定f值。位置輸出處理器由于該算法處理絕對位置值，所以方向控制模塊需要將命令信號轉(zhuǎn)換成絕對的所期望位置值。與此相反，用戶需要與命令信號0到100%具有相似相對值的位置信號Op。位置輸出處理器將絕對位置值Fp轉(zhuǎn)換為如下討論的Op的適當(dāng)值。位置輸出處理器允許用戶針對前向或反向動作等任意所期望的信號范圍校準輸出Op。本發(fā)明的獨特特征在于校準不影響或者說獨立于控制算法的配置。換言之，可以改變所配置的打開位置、關(guān)閉位置、前向動作輸出或反向動作輸出，而不影響用戶對位置輸出的校準。已經(jīng)描述了當(dāng)前優(yōu)選的動力控制技術(shù)，現(xiàn)在將展現(xiàn)數(shù)字高分辨率控制器的其它方面。電子制動在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，分辨率主要由定位器的靜帶設(shè)定值確定。制動系統(tǒng)有時用在傳統(tǒng)系統(tǒng)中來控制靜帶。然而，如上所述，優(yōu)選的控制算法通過依靠所測量的慣性因素，免除了對傳統(tǒng)靜帶的需要。不過，在一些應(yīng)用中，可能需要執(zhí)行制動，以最小化電機的慣性運動，從而提供更可靠的動力操作。例如，在所示出的一些優(yōu)選實施例中，電子制動方法用于幫助實現(xiàn)低于0.5°的分辨率。當(dāng)前優(yōu)選的實施例可以使用多種不同的制動技術(shù)。在圖4和圖5中示出了兩種電子制動技術(shù)?，F(xiàn)在參考圖4，針對定位器的電子制動電路60包括制動三端雙向可控硅開關(guān)元件62。當(dāng)開著的三端雙向可控硅開關(guān)元件64和關(guān)閉的三端雙向可控硅開關(guān)元件66被關(guān)閉以停止電機時，制動三端雙向可控硅開關(guān)元件62被打開一段短的時間。例如，制動三端雙向可控硅開關(guān)元件62可以打開100到400毫秒。制動三端雙向可控硅開關(guān)元件62將AC線路電壓68施加到兩個電機繞組70和72，這具有向相反的電機繞組70和72設(shè)置相等電勢的效果，從而產(chǎn)生相反的磁場，很快讓電機旋轉(zhuǎn)停止。為了防止電機持久的短路，使用了二極管Dl和D2；然而這使得只有AC線路68的每隔一半的周期被用于制動。雖然這降低了制動效果，但是最終效果仍然勝過機械制動。向兩個繞組70和72施加相等電勢具有使零電勢或短路穿過電機電容74的不利效果，這會導(dǎo)致電容74快速放電。這種高放電電流可能損壞傳統(tǒng)的三端雙向可控硅開關(guān)元件裝置，由此使用功率電阻Rl來限制通過制動三端雙向可控硅開關(guān)元件62的浪涌電流。在如圖5所示的改進的電子制動電路60中，初級三端雙向可控硅開關(guān)元件64和66執(zhí)行制動功能，去除了對制動三端雙向可控硅開關(guān)元件62的需要。打開兩個初級三端雙向可控硅開關(guān)元件64和66可以執(zhí)行與制動三端雙向可控硅開關(guān)元件62相同的功能。雖然這具有使用AC線路68的全周期來制動的附加效果，但是來自電容74的放電電流會損壞三端雙向可控硅開關(guān)元件64和66的一個或兩個。為了限制放電的浪涌電流，增加功率電阻82和84，與對應(yīng)的三端雙向可控硅開關(guān)元件64和66串聯(lián)。然而，這具有在正常工作期間降低電機的扭矩輸出的不利效果。優(yōu)選實施例通過利用已有的初級三端雙向可控硅開關(guān)元件電路產(chǎn)生相反的力來完成任務(wù)，而不是產(chǎn)生相反的磁場。在正常操作期間，電機電容器的充電和放電浪涌電流通常由無動力繞組的電阻進行限制，從而消除了對附加浪涌限制功率電阻的需要。本發(fā)明通過實施產(chǎn)生如圖6所示波形的算法來實現(xiàn)這一優(yōu)點。該波形包括開式繞組94、閉式繞組96上的打開運行序列92以及制動序列98。在諸如打開運行序列92等正常操作序列的結(jié)尾，算法將線路的下一個半周期100施加到相對的電機繞組，并持續(xù)向兩個繞組提供交變的后續(xù)半周期。算法利用每個半周期來快速交替改變電機轉(zhuǎn)動，最終電機靜止在兩個旋轉(zhuǎn)位置之間的某處。由于慣性運動是由一個方向的大慣性力引起的，這種技術(shù)平衡了兩個方向的慣性力，從而使電機在初級三端雙向可控硅開關(guān)元件關(guān)閉時處于靜止。使電機靜止所需的制動半周期數(shù)量等于在涌入期間起動電機所需的半周期數(shù)量。附加的半周期僅僅繼續(xù)交替改變運動，而對最后的慣性運動不會做出改進或使之下降。由于在預(yù)定應(yīng)用中所使用的制動器電機通常具有100毫秒的涌入時段，所以優(yōu)選實施例的電子制動電路施加固定的制動時段，包括14個半周期，在60Hz時等于117毫秒，而在50Hz時等于140毫秒。電子制動序列也與使用機械制動器的執(zhí)行器一起工作，以防止反向驅(qū)動。制動螺線管對極性不敏感，所以如圖6所示的制動序列波形98保持對制動螺線管的功率，這將使機械制動器脫離。由于制動序列提供電機的實際制動，所以大量減少了機械制動器的摩擦磨損。機械制動器只用來阻止反向驅(qū)動力，這不產(chǎn)生由電機軸逆著制動材料旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的摩擦磨損。自適應(yīng)控制制動提供了一個重要的改進，從而通過提供少量慣性運動實現(xiàn)了更高的分辨率，這允許控制算法及時地實現(xiàn)所期望的位置。沒有制動，則算法需要使用針對較長時間的分級功率；這在某些應(yīng)用中是不實際的。電子制動提供了更小和更一致的慣性運動。與此相反，機械制動會由于溫度、磨損而改變制動特性。進一步，機械制動施加了與電機慣性力無關(guān)的制動力，所以改變電機慣性力的AC線路電壓的變化會影響機械制動的性能。如圖6所描述的電子制動序列使用相同的AC電源，其操作電機產(chǎn)生制動力。因此，電子制動力隨著電機的條件而變化，從而提供了可靠的性能。在實際中，兩個電機繞組之差不會產(chǎn)生相同的力，電機在兩個三端雙向可控硅開關(guān)元件關(guān)閉之后趨于進行少量的慣性滑行。進一步，電機設(shè)計和執(zhí)行器設(shè)計的寬量程可以改變電子制動的性能。例如，對輸出軸具有低磨損率的兩秒執(zhí)行器在沒有任何制動時通常會慣性運動30°或更多。機械制動可以將該慣性運動降低到5°，而電子制動序列可以將該慣性運動降低到2°或更低。與此相反，對輸出軸具有高磨損率的90秒執(zhí)行器使用機械制動可以將慣性運動降低到0.5°，而使用電子制動序列可以將慣性運動降低到0.2°。使用這種寬量程的性能，需要其它補償，以便對不同量程類型的執(zhí)行器提供一致的性能。雖然本發(fā)明可以為具體執(zhí)行器配置具體的補償，但這一實踐將導(dǎo)致大量不可互換的“定制”定位器，并且不能適應(yīng)由于負載改變或執(zhí)行器磨損引起的執(zhí)行器特性的改變。定位器可以設(shè)計有一系列配置，例如具有開關(guān)或微調(diào)電位計，這允許普通定位器針對具體執(zhí)行器類型進行配置。這一方法導(dǎo)致復(fù)雜的設(shè)置，雖然提供了可交換性，但是需要在每次定位器放到不同執(zhí)行器中時都需要進行配置。進一步，這一方法仍然沒有滿足由于負載或磨損造成的變化。如前所述，優(yōu)選實施例提供了自適應(yīng)技術(shù)，該技術(shù)測量執(zhí)行器的關(guān)鍵特性及其負載，然后自動持續(xù)地調(diào)節(jié)用來補償這些特性的設(shè)置。這種算法使用已有的反饋電位計作為唯一的傳感器來測量或改動執(zhí)行器的關(guān)鍵特性。在一個優(yōu)選實施例中，需要基于應(yīng)用需求和通?？捎玫膱?zhí)行器能力的0.2°的分辨率。這意味著，定位器必須在0.1°內(nèi)達到命令的位置，換言之，最大偏差0.1°。應(yīng)當(dāng)理解，可以修改此處描述的技術(shù)來適應(yīng)需要不同分辨率的不同類型的執(zhí)行器(例如氣動和DC電機執(zhí)行器)和不同量程的應(yīng)用。最后，執(zhí)行器的分辨率被限制為電機可以進行的最小角旋轉(zhuǎn)。執(zhí)行器可以體驗快速振蕩反向驅(qū)動力，其超過執(zhí)行器能夠移動來調(diào)節(jié)這些運動的速度。這會使定位器擺動并且不能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的分辨率。本發(fā)明檢測何時執(zhí)行器不能保持0.Γ的最大偏差，并自動針對最佳性能調(diào)節(jié)最大偏差參數(shù)。在電學(xué)上，定位器可以向AC分相電機提供的最小控制量是AC線路周期的一半，此處稱為He。對于執(zhí)行器的預(yù)期量程，具有一個Hc的輸出軸旋轉(zhuǎn)運動小于0.1°，因此允許控制算法實現(xiàn)所選擇的最大偏差。具有選擇數(shù)量Hc的電機的“脈沖”操作在此被稱為脈沖模式，并且被用來進行小的有限運動以修正制動序列之后殘差。對于不同類型的執(zhí)行器，可以用不同方式完成脈沖模式。例如，DC電機可以使用電壓控制或脈寬調(diào)制來實現(xiàn)小的可控運動。無論定位器使用什么方法對給定執(zhí)行器進行小的運動，此處描述的算法都可以使用。雖然根據(jù)定義脈沖模式適于進行小的運動，但是脈沖模式需要更多的時間來將執(zhí)行器移動給定的度數(shù)，這是由于電機在施加下一個“脈沖”之前會取消選擇數(shù)量的He。電壓控制和脈寬調(diào)制對DC電機具有同樣的慢速效果。為了優(yōu)化執(zhí)行器的正常操作，本發(fā)明使用兩種模式的電機控制，一種叫做運行序列，另一種叫做脈沖序列。運行序列只將電力施加到所期望的電機繞組，以實現(xiàn)更大、更快的運動。慣件補償現(xiàn)在參照圖7，在運行序列的末端，定位器關(guān)閉電機(在所期望位置氣動)。如果需要，不管使用什么類型的制動(機械的或電子的)，電機都繼續(xù)移動，其然后定義靜帶。定位器測量慣性運動，并使用測量結(jié)果來自動設(shè)置指示電機何時可以再次打開的靜帶設(shè)定值。該特征基本上替代了通常人工設(shè)置靜帶設(shè)定值的需要，但是不會減少或消除已有的靜帶。與此相反，本發(fā)明測量電機的慣性運動，并使用測量結(jié)果來調(diào)節(jié)電機的控制以消除靜帶。這被稱為慣性補償。通過測量電機的慣性運動，在到達所期望位置之前本發(fā)明將關(guān)閉電機，并使用電機的慣性運動來完成運動。然而，從一個運行序列到另一個運行序列的具體慣性運動量根據(jù)運動的方向、執(zhí)行器結(jié)構(gòu)中的變化或負載的變化而變化。為了避免不穩(wěn)定操作，要確定額定或典型慣性運動值，并使用脈沖序列來校正殘差。雖然可以分別測量和計數(shù)每個方向的慣性運動值，但是可以忽略典型的差異。為了降低在兩個方向補償慣性運動的負擔(dān)，本發(fā)明的執(zhí)行器控制器確定表示兩者平均值且被稱為慣性補償值的慣性運動值。圖7示出運行序列的關(guān)鍵事件。該算法通過施加制動序列110結(jié)束運行序列。這在等于所期望位置114減去慣性補償值116的點112來進行。該算法然后測量最終的電機慣性運動118，其在之后用于調(diào)節(jié)慣性補償值116。在實際中，不會僅僅將慣性補償值116調(diào)節(jié)成電機慣性值118，而是計算多次運動的平均值，以避免從一個運行序列到另一個運行序列的不穩(wěn)定操作。由于平均值隨著采樣運動數(shù)量的增加變化緩慢，所以應(yīng)針對具體應(yīng)用范圍選擇所用的采樣數(shù)量。執(zhí)行器控制器使用簡單的邏輯操作來確定平均慣性補償(ICV)值116，并遵照表1所示的真值表。執(zhí)行器控制器檢測慣性運動118何時超過所期望的位置114，并自動增加ICV值116。向ICV值116增加偏置可防止超出。用來確定“平均值”的樣本的有效數(shù)量由對ICV值116的增加量或減少量來控制。表1-慣性補償值真值表測量的慣性運動>ICV對ICV加0.1°測量的慣性運動<ICV對ICV減0.1°超出對ICV力口0.1°參照圖7，理論上在期望新位置時可以立即起動新的運行序列。乍一看，由于如果新位置只是0.1°那么遠，那么最終電機慣性運動會導(dǎo)致超出，所以看起來是不可能的。但是該算法打開電機以起動運行序列，慣性補償將在一個Hc之后起動制動序列。一個Hc的慣性運動只導(dǎo)致小的電機慣性運動(如果有的話)。這意味著，任何慣性運動都單獨依賴于在制動序列起動時兩個電機繞組之間的不平衡。電子制動序列在預(yù)期應(yīng)用范圍內(nèi)能夠獨自將電機慣性運動減少到0.2°到2°的范圍。通過對電子制動序列增加慣性補償，執(zhí)行器控制器能夠?qū)⒍嘤嗟钠顪p少到0.Γ到0.4°的范圍。自適應(yīng)脈沖序列脈沖模式可以用來提高定位器的分辨率。例如，控制器可以在到達所期望位置之前的位置切換到脈沖模式。脈沖模式以特定速率打開和關(guān)閉電機，這減少了電機的慣性力，從而減少了慣性運動。可選地，控制器可以用特定數(shù)量的Hc脈動電機，直到偏差減小到一半。兩種方法都能實現(xiàn)減慢電機從而減少慣性運動的功能，然后使用最終的靜帶來確定下一個電機操作何時可以起動。本發(fā)明不是使用靜帶來確定下一個電機操作，而是使用操作電機以獲得具體偏差或分辨率的自適應(yīng)脈沖序列。該技術(shù)使得定位器提供具體分辨率，而不管執(zhí)行器類型或其應(yīng)用。使用自適應(yīng)脈沖序列的定位器不是為給定執(zhí)行器或應(yīng)用來指定分辨率，而是指定能夠用來獲得所期望分辨率的執(zhí)行器的量程。為了防止不穩(wěn)定的操作，執(zhí)行器控制器具有附加的特征，該特征檢測執(zhí)行器何時在指定量程之外，并據(jù)此調(diào)節(jié)分辨率參數(shù)。為了避免運行序列和自適應(yīng)脈沖序列之間的干擾，在激活自適應(yīng)脈沖序列時，使運行序列失效。在當(dāng)前位置和所期望位置之差是ICV值的兩倍時，執(zhí)行器控制器在兩種模式之間進行切換。該方法確保運行序列的穩(wěn)定操作，并使得針對給定的執(zhí)行器改變切換點。例如，具有4°ICV值的執(zhí)行器在偏離所期望位置8°的點切換到脈沖序列。為了適應(yīng)給定的執(zhí)行器，本發(fā)明持續(xù)調(diào)節(jié)脈沖序列的三個關(guān)鍵參數(shù)，以獲得與所期望分辨率一致的充分小的運動。給定的脈沖包括特定數(shù)量的Hc打開(on)以及其后特定數(shù)量的Hc關(guān)閉(off)。參照圖8，由脈沖產(chǎn)生的運動量隨著Hc打開數(shù)量的增加以及Hc關(guān)閉數(shù)量的減少而增加。自適應(yīng)脈沖序列調(diào)節(jié)Hc打開的數(shù)量、Hc關(guān)閉的數(shù)量以及針對較小或較大運動調(diào)節(jié)脈沖的速度。由于組成脈沖的Hc系列創(chuàng)建了單個實體，該算法故意禁止其它任何運動操作(例如運行序列)中斷完整系列的He。無論是另一個脈沖還是運行序列，新的電機操作都可以在最后的Hc關(guān)閉之后起動。將產(chǎn)生最終確定具體運動量的Hc打開的數(shù)量。Hc關(guān)閉的數(shù)量基本上確定多個脈沖的合成運動多快可以到達所期望的位置。如果所期望的位置很遠，可以更頻繁地施加脈沖。為了在接近所期望位置時能保持穩(wěn)定的操作，降低脈沖的頻率。由于自適應(yīng)脈沖序列的操作范圍是ICV值的兩倍，該算法從2XICV位置處的最大頻率到所期望位置處的最小頻率成比例地改變脈沖頻率。2XICV的范圍被稱作脈沖特性帶，該脈沖特性帶用于有效地調(diào)節(jié)Hc關(guān)閉的數(shù)量。在每個脈沖時間段的末端(緊跟著最后一個Hc關(guān)閉)，該算法測量所產(chǎn)生的實際運動。根據(jù)由給定脈沖產(chǎn)生的運動量，將Hc打開的數(shù)量調(diào)節(jié)成增加或減少下一個脈沖的運動量。目標是確定Hc打開的數(shù)量，給定的執(zhí)行器及其負載需要該數(shù)量來產(chǎn)生與所期望分辨率一致的具體有限運動。由于由給定脈沖產(chǎn)生的具體運動可以從一個脈沖變化到下一個脈沖，如果Hc打開參數(shù)值是基于多個脈沖的平均運動，那么就可以實現(xiàn)更穩(wěn)定的操作。執(zhí)行器控制器使用如表2所示的真值表。由于執(zhí)行器控制器的目標偏差是0.1°，只要平均脈沖運動在0.05°到0.1°內(nèi)進行變化，就不改變Hc打開的數(shù)量。<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>當(dāng)執(zhí)行器遭遇突然增加的負載時，由給定脈沖產(chǎn)生的運動會顯著降低。雖然上述算法最終會適應(yīng)新的條件，但是由于平均引起的緩慢響應(yīng)會導(dǎo)致長期的小運動。為了提高對這種條件的響應(yīng)，該算法使用了脈沖加速模式。當(dāng)由脈沖產(chǎn)生的具體運動(而不是平均運動)小于某個最小值(在本優(yōu)選實施例中時0.05°)時，起動脈沖加速模式，并且將Hc打開參數(shù)增加一個He。加速模式在每個脈沖之后增加一個He，直到所測量的具體運動超過最小值。一旦實現(xiàn)了最小運動，該算法就結(jié)束加速模式并保存原Hc打開的值。雖然在加速模式中，但是由于所測量的運動不是原Hc打開值的結(jié)果，所以該算法中止對平均運動的計笪弁。用來將電機軸連接到輸出軸的齒輪固有地具有間隙。間隙造成即使電機軸產(chǎn)生運動，輸出軸也不產(chǎn)生運動的狀態(tài)，因此觸發(fā)脈沖加速模式。由于這種運動的缺失不是由于實際負載狀態(tài)造成的，所以脈沖加速模式可能將Hc打開值增加得很高，以至于當(dāng)齒輪最終嚙合時所產(chǎn)生的運動可能遠大于所期望的。為了適應(yīng)這一情況，該算法采用了間隙補償。間隙補償調(diào)節(jié)根據(jù)檢測到的最終運動，在加速模式期間調(diào)節(jié)Hc打開值增加時的速度。不是在每個脈沖之后任意增加Hc打開值，而是可以根據(jù)所需間隙補償?shù)牧棵扛粢粋€脈沖增加Hc打開值?？蛇x地，可以以任意預(yù)定的脈沖數(shù)量來增加Hc打開值，例如每30個脈沖一次。執(zhí)行器控制器通過根據(jù)表3調(diào)節(jié)間隙補償值(表示每加速步驟的脈沖數(shù)量)來實施本發(fā)明。當(dāng)加速模式由于檢測到的運動終止時，所檢測到的運動量用于確定如何調(diào)節(jié)間隙補償值。表3-間隙補償值真值表脈沖運動<0.1。I對間隙減少ι脈沖運動>0.15。又十間隙增加1總之，運行模式(采用帶有慣性補償?shù)碾娮又苿有蛄?用于以最大可能速度接近所期望位置并恰好在激活脈沖模式時到達脈沖特性帶內(nèi)。當(dāng)命令信號改變所期望的位置時，仍保持脈沖模式有效，除非所期望的位置在脈沖特性帶之外，此時才再次激活運行模式，并重復(fù)該過程。一旦定位器實施上述特征，執(zhí)行器的高分辨率控制就成為可能。然而，如果反饋電位計信號測量結(jié)果的分辨率不能滿足這一能力，那么高分辨率控制就具有較小值。雖然數(shù)字信號可以提供精確的命令值，但是也需要以高分辨率測量模擬命令信號。例如，優(yōu)選實施例的執(zhí)行器控制器使得測量結(jié)果小于0.05°，從而執(zhí)行針對期望的0.2°分辨率的控制算法。在垂直轉(zhuǎn)動執(zhí)行器(90°)的量程內(nèi)，0.05°只是1800分之一或1800個數(shù)字計數(shù)，這需要11比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。反饋電位計的量程只有一部分可用(通常是1/2到1/3)，這一事實進一步使事情復(fù)雜化。這意味著需要12比特的ADC或更好的ADC。大多數(shù)數(shù)字電位計使用在許多微控制器中嵌入的ADC系統(tǒng)。然而，這些ADC系統(tǒng)通常只提供8比特(256個計數(shù))的分辨率，而現(xiàn)在一些ADC系統(tǒng)有10比特(1024個計數(shù))的分辨率可用。雖然這些定位器仍然可以采用本發(fā)明的控制算法，但是使用傳統(tǒng)的依賴于靜帶的控制可以輕易實現(xiàn)可達到的分辨率?？墒褂脝为毜?2比特的ADC集成電路。然而，這些裝置十分昂貴，還需要實際的輔助電路，這增加了測量結(jié)果的誤差。為了抵消這些誤差，ADC需要大于12比特的分辨率。提供超過12比特分辨率的裝置非常昂貴，并且轉(zhuǎn)換時間很長，不能給控制算法提供足夠快的測量值。因此，需要獨特的ADC濾波算法來完成高分辨率控制算法。用來首先粗調(diào)位置的運行序列由于其速度快，因此需要更快的反饋測量值。與此相反，脈沖序列需要高分辨率測量值，但是由于速度慢，所以不需要快的測量。以此為前提，本發(fā)明采用兩級ADC。第一級提供快速但低的分辨率，然后供給第二級，第二級以更慢的速度提供插值的高分辨率。雖然分立的ADC裝置可以使用兩級的ADC算法，但是優(yōu)選實施例提供利用單個斜率(singleslope)轉(zhuǎn)換器的分立電路，該斜率轉(zhuǎn)換器包括雙運算放大器、用來選擇多個信號的模擬多路復(fù)用裝置、以及用來調(diào)整信號的簡單電阻網(wǎng)絡(luò)。通過使用嵌入微處理器中的定時器，執(zhí)行器控制器每隔12毫秒提供每個信號(反饋電位計、命令、參考電壓以及接地信號)的13又1/2比特的測量值，其中12毫秒小于AC線路的一個周期。該方法使用較小空間、消耗較低的功率、消除了放大器誤差、提供兩倍的分辨率，并且費用小于傳統(tǒng)ADC裝置費用的1/4。然后，根據(jù)參考電壓和接地信號測量結(jié)果調(diào)整每個測量結(jié)果，從而提供所謂的瞬時讀數(shù)。由于它們給足夠的分辨率提供快讀數(shù)，所以由運行模式來使用該瞬時讀數(shù)。為了提供一致且穩(wěn)定的高分辨率定位，脈沖模式需要穩(wěn)定的高分辨率ADC讀數(shù)。為此，由兩個濾波算法來處理瞬時讀數(shù)，一個用來將讀數(shù)穩(wěn)定在16比特值附近，另一個用來抑制定位器中的電噪聲以及從其它來源引入的電噪聲。第一濾波算法采用運行平均技術(shù)，其計算多個讀數(shù)的平均值并以與濾波電容器相似的方式操作。數(shù)學(xué)計算不僅消除了對濾波電容器的需要，而且還仿真了大量不會在實際濾波電容器上使用的電容值。進一步，數(shù)學(xué)方法不像濾波電容器那樣受到溫度變化的影響和隨著時間的流逝而惡化的影響。雖然運行平均與使用濾波電容器相比提供了更好的方法，但是兩者體現(xiàn)了應(yīng)用中的共同問題。選擇較大的濾波值(例如用來計算平均值的采樣數(shù)量)來為脈沖模式提供穩(wěn)定的讀數(shù)，將會造成濾波器更慢的響應(yīng)時間。當(dāng)定位器從脈沖模式切換到運行模式時，運行平均值將滯后，就像電容器充電或放電滯后那樣。一旦運行模式在一個新位置結(jié)束，脈沖模式在許多秒之內(nèi)沒有真的平均值來正確運行。認識到數(shù)學(xué)值可以根據(jù)特定事件重置為任意值，發(fā)明人開發(fā)了可重新設(shè)置運行平均值濾波算法。當(dāng)兩個連續(xù)的瞬時讀數(shù)相差大于某量時，該算法自動將運行平均值設(shè)置為最新的瞬時讀數(shù)，從而消除了信號大幅改變中的長時間滯后。根據(jù)應(yīng)用的性質(zhì)，重置的運行平均值會在執(zhí)行器能真正到達新位置時保持穩(wěn)定。為了避免濾波器的非故意的重新設(shè)置，瞬時讀數(shù)中的差值為固定值，并相對較大。然而，脈沖特性帶隨著不同執(zhí)行器和條件而變化。由于運行模式在特性帶之外有效，所以也在運行模式使用中重置運行平均值。雖然二次重新設(shè)置事件對反饋信號至關(guān)重要，但是在讀取命令時只在定位器起動操作時延遲少量的滯后時間。在某些情況下，甚至期望這種延遲，以防止命令迅速到達定位器。為此，執(zhí)行器控制器對模擬命令信號不執(zhí)行二次重新設(shè)置。電噪聲(位于定位器中或來自外界來源)導(dǎo)致持續(xù)時間很短(典型地是來自ADC的一個讀數(shù))并隨機發(fā)生的信號的突然改變。不超出差值標準的噪聲等級易于以低頻改變運行平均測量值。例如，低頻描述了頻率低至脈沖模式可以跟上這種變化。超出差值標準的噪聲等級(通常是瞬時值)會引起運行平均值中的瞬間重置，這會觸發(fā)定位器的瞬間響應(yīng)。為了排除電噪聲，本發(fā)明采用在讀數(shù)和平均值之差超出一定量時從平均值計算中消除采樣讀數(shù)的第二濾波算法。為了確保運行平均值可以跟上信號中的小的實際變化，如果一定量的連續(xù)讀數(shù)持續(xù)高于同一極性的差值，則在平均值中使用新讀數(shù)。依賴溫度的能效控制在本發(fā)明的另一方面，通過對給定應(yīng)用使用不適合的執(zhí)行器會引起電執(zhí)行器應(yīng)用中多余的循環(huán)，但是最常見的結(jié)果是不正確地調(diào)節(jié)不必要運行執(zhí)行器的PID控制器。不管電機的額定值是多少，多余的循環(huán)最終導(dǎo)致電機過熱，因此內(nèi)置的熱控開關(guān)跳閘來保護電機。如果執(zhí)行器長時間堵轉(zhuǎn)或者在給定的時間段內(nèi)經(jīng)常堵轉(zhuǎn)，那么會導(dǎo)致相似的過熱。雖然熱控開關(guān)可以保護電機，但是執(zhí)行器中的其它組件可能被損壞或者在通常熱控開關(guān)允許的高溫下發(fā)生故障。電機自身隨著頻繁的熱控開關(guān)跳閘也會退化，并最終徹底停止運轉(zhuǎn)。當(dāng)熱控開關(guān)跳閘時，使用該執(zhí)行器的應(yīng)用中最明顯的結(jié)果是關(guān)閉被控制的過程。熱控開關(guān)必須冷卻下來以便恢復(fù)電機的功率，冷卻需要十分鐘或更長。控制易揮發(fā)或有害材料的應(yīng)用不能忍受數(shù)分鐘的關(guān)閉。因此，對大工廠系統(tǒng)的影響不言而喻。一種解決該問題的方法是為安裝在電機上的任意溫度傳感器提供輸入。來自傳感器的溫度讀數(shù)然后與用戶設(shè)置的界限相比較。假設(shè)，該界限是比熱控開關(guān)跳閘點低的安全溫度。當(dāng)超出所設(shè)置的界限時，使電機失效直到它冷卻下來。該特征通過與熱控開關(guān)相似的功能來防止損害性的高溫，導(dǎo)致在數(shù)分鐘內(nèi)沒有操作。解決該問題的另一個方案是，以循環(huán)定時器功能控制電機。循環(huán)定時器單元或內(nèi)置有循環(huán)定時器功能的定位器很容易獲得，并且通常被用來在執(zhí)行器關(guān)閉閥門時降低速度，從而防止水錘現(xiàn)象效應(yīng)。循環(huán)定時器功能基本上是打開電機一段時間(通常是0.5秒到幾秒)，然后關(guān)閉電機一段時間(通常是幾秒)。雖然這些操作減少了移動執(zhí)行器所需的時間，但是它具有允許電機在關(guān)閉時間段內(nèi)冷卻的好處。使用被設(shè)置以匹配給定電機的額定占空比的循環(huán)定時器功能，可以防止該電機過熱，從而防止停機。循環(huán)定時器功能的主要缺點是任意地打開和關(guān)閉電機。當(dāng)定位器試圖進行短時間的移動時——如同在過程控制設(shè)定點所期望的——由于電機可以針對任意給定的運動被打開或關(guān)閉，所以控制變得不確定。對數(shù)速度定位器可以用于改善這種狀況。對數(shù)速度功能利用允許執(zhí)行器比濾波后的命令信號更快地進行物理運動的大濾波電容器來延遲命令信號。效果是，執(zhí)行器以對數(shù)循環(huán)速度運動，跟隨電容器的對數(shù)充電曲線。換言之，當(dāng)所期望位置很遠時，對數(shù)速度定位器允許更長的工作時間。與此相反，對于較短的運動，縮短工作時間。由于延遲由命令信號管理，所以對小命令改變的反應(yīng)是可以預(yù)測的，因此可以用PID設(shè)置來計算。當(dāng)僅需要小百分比時間的功能時，對數(shù)速度定位器仍然具有持續(xù)降低執(zhí)行器速度的不期望的效應(yīng)。為了消除這種不期望的效應(yīng)并同時防止停機，本發(fā)明可以使用依賴溫度的占空比控制算法。通過使用溫度傳感器來監(jiān)測電機的溫度，該算法以與電機溫度成反比的速度來改變占空比控制的百分比。該算法基本上在高溫界限(假設(shè)低于熱控開關(guān)跳閘點)下以0%的能效操作電機，在低溫界限下以100%的能效操作電機，并且在兩個界限之間的溫度下適當(dāng)?shù)馗淖冋伎毡鹊陌俜直取?%的能效(意味著電機關(guān)閉)輸出應(yīng)該發(fā)生在周圍環(huán)境已經(jīng)形成等于或高于所述上限的溫度時。在實際中，電機會被控制在能夠和具體電機溫度相均衡的百分比能效。為了最小化在處理設(shè)定點處的不穩(wěn)定控制，該算法使用兩秒的循環(huán)時間。然而，能效控制功能只發(fā)生在不利或者濫用的情況下，所以該問題在通常操作下不會遇到。間接溫度測量溫度傳感器具有檢測電機絕對溫度的明顯好處，包括環(huán)境溫度和負載效應(yīng)。執(zhí)行器在最大負載和最高環(huán)境溫度下被評定具體的占空比。負載和溫度規(guī)格對于系統(tǒng)設(shè)計者來說相對容易控制。然而，PID控制的動力學(xué)形成了許多變量，系統(tǒng)設(shè)計者幾乎不可能確定地知道執(zhí)行器的占空比等級應(yīng)該與誰相關(guān)。假設(shè)與溫度和負載規(guī)格相關(guān)，那么占空比仍然是引起過熱和損壞執(zhí)行器的主要原因。以此為前提，發(fā)明人開發(fā)了間接測量由執(zhí)行器電機的循環(huán)引起的溫度升高的算法。本發(fā)明的執(zhí)行器控制器將該算法，而不是附加的傳感器，與依賴溫度的能效控制一起使用。對于這種預(yù)期的應(yīng)用，執(zhí)行器控制器針對25%能效至100%能效的執(zhí)行器范圍實施該算法。電機的熱量具體由流經(jīng)電機繞組的電流引起。由于定位器控制每個施加到電機的He，所以定位器可以計算由循環(huán)電機所引起的所有熱量。簡單地說，每個Hc打開時間段產(chǎn)生熱量，而每個Hc關(guān)閉時間段提供相等的冷卻時間段，從而抵消Hc打開時間段產(chǎn)生的熱量。使用遞增/遞減計數(shù)器，該算法在每個Hc打開時間段增加計數(shù)器，而在每個Hc關(guān)閉時間段減少計數(shù)器。在每個給定時間的計數(shù)器的值將表示由打開和關(guān)閉循環(huán)所引起的熱量的累積效應(yīng)該值被稱為“HCUM”，并表示間接溫度測量值。因此，HCUM通過依賴溫度的能效控制算法可以用來替換來自傳感器的實際溫度讀數(shù)。不是選擇實際溫度界限，而是為0%和100%占空比點選擇HCUM值。雖然每個Hc關(guān)閉時間段提供了恒定的冷卻效果，但是對于每個Hc打開時間段來說卻并非如此。當(dāng)電機開始打開時，電機在短時間內(nèi)引起涌入電流。這種較高電流產(chǎn)生比普通Hc打開時間段更多的熱量。如果電機機械地堵轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生較高的電流(小于或等于最大的涌入電流)，也產(chǎn)生比平常更多的熱量。本發(fā)明實施的電子制動序列產(chǎn)生了更高電流消耗的新的來源。由于電子制動序列本質(zhì)上使電機堵轉(zhuǎn)，所以這些Hc打開時間段也會引起更高的電流(小于或等于最到涌入電流)。由于定位器也控制或檢測這些額外的狀態(tài)，所以它們也能被計數(shù)。由于Hc打開時間段可能具有不同的熱效應(yīng)，所以該算法根據(jù)與給定Hc相關(guān)的事件(即，正常、涌入、制動或堵轉(zhuǎn))，將被稱為h的熱值分配給每個Hc打開時間段。因此，HCUM對于任何給定的Hc打開時間段而不僅僅是一個時間段增加h值。由于不同的電機會具有不同的特性，所分配的h值需要考慮應(yīng)用的具體范圍。下面的討論解釋了h值如何被分配給預(yù)定的應(yīng)用。然而，所作的假設(shè)可以改變以適應(yīng)不同的應(yīng)用或應(yīng)用范圍。該算法所作的假設(shè)在整個應(yīng)用范圍內(nèi)，都對最大期望熱量偏置h值。這保證HCUM值總是等于或大于電機中的實際溫度升高值。由于熱效應(yīng)由單個Hc關(guān)閉時間段抵消，所以針對普通Hc打開時間段的h值被指定為1。h的其它值表示多個正常運行電流。參照圖9，涌入電流130只是AC線路電壓除以電機繞組電阻的函數(shù)，并且定義了能夠穿過電機繞組的最大電流。對于預(yù)定的應(yīng)用，涌入電流130不超過普通運行電流的三倍。因此，涌入電流被指定為3h。一旦電機開始旋轉(zhuǎn)，由電機產(chǎn)生的反EMF在不超過IOHc的時間段內(nèi)對數(shù)地將電機電流降低到正常運行電流。為了簡化計算，由虛線134和136形成的三角形132表示每10個Hc時間段的平均h值，即1。該平均值被加到正常h值中，所以針對每個涌入Hc的總平均h值是2。無論運行序列是否起動，該算法都將2h值分配給前10個Hc時間段。由于脈沖模式本身以低占空比來操作，所以該算法不在脈沖序列期間向Hc打開時間段增加額外的值。如果在360Hc時間段內(nèi)沒有檢測到運動，執(zhí)行器控制器將檢測堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。對于該時間段，電機電流被假設(shè)為處于正常電流3倍的最大值，并被分配3h值。當(dāng)執(zhí)行器控制器檢測到堵轉(zhuǎn)時，該算法向HCUM增加720個計數(shù)，而正常的360個計數(shù)被記為它們已經(jīng)發(fā)生。在制動序列期間，也假設(shè)電流處于正常運行電流3倍的最大值。因此該算法為每個制動序列Hc時間段分配3h值。當(dāng)剛開始激活能效控制時，修改執(zhí)行器控制器中執(zhí)行的附加特征。為了在正常模式下提供更多的操作時間，執(zhí)行器控制器提供100%占空比，直到HCUM到達對應(yīng)于25%占空比的值(預(yù)定應(yīng)用的底端)。此時，成比例的占空比控制得以保持，只要HCUM具有大于下限的值。一旦HCUM下降到小于下限，就恢復(fù)和允許100%能效控制，直到到達25%的占空比點。這種技術(shù)只是依賴溫度的能效控制算法的變體，并也能夠用來與溫度傳感器一起使用。獨立位置輸出為了提供簡單的安裝，制動器控制器可以包括用戶友好的界面，例如三按鈕控制面板，其允許用戶配置針對具體執(zhí)行器和閥門的控制器，而無需儀器或校準。一個控制按鈕(模式)用于選擇具體的功能，而另外兩個(上調(diào)或下調(diào))用于調(diào)節(jié)所選擇的功能?？捎霉δ苤械膬煞N，OPEN和CLOSED，允許用戶只通過使用上調(diào)和下調(diào)兩個按鈕來操作執(zhí)行器，設(shè)置與最大命令信號相關(guān)的打開位置和與最小命令信號相關(guān)的關(guān)閉位置。兩個位置都可以設(shè)置在執(zhí)行器量程以內(nèi)的任何期望的位置，從而給任何期望的量程提供直接或反向的操作功能，而不需要對執(zhí)行器重新布線。這也消除了對通常用來提供用于設(shè)置位置的命令信號的儀器的需要。執(zhí)行器控制器還具有極性檢測系統(tǒng)，其自動確定反饋電位計旋轉(zhuǎn)和電機旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系。這消除了對電機和/或反饋電位計進行重新布線以獲得響應(yīng)于命令信號的所期望運動的需要。自動系統(tǒng)通常需要來自執(zhí)行器的返回位置信號。該信號通常被用來驅(qū)動具有固定校準量程的顯示表。以下列兩種方式之一來提供該信號單獨安裝的發(fā)送機模塊或嵌入定位器中的發(fā)射機。單獨安裝的發(fā)射機模塊必須連線至反饋電位計——在某些情況下使用其自身的電位計——然后為打開或關(guān)閉所需的顯示讀數(shù)進行校準。嵌入式發(fā)射機功能消除了對單獨安裝的模塊進行布線的需要。然而，兩種方法都需要移動執(zhí)行器到打開或者關(guān)閉位置，從而校準輸出信號。一些嵌入式發(fā)射機功能自動將最大輸出信號與打開位置相關(guān)聯(lián)并將最小輸出信號與關(guān)閉位置。雖然這消除了校準步驟，但是輸出信號具有固定的尺度，因此需要用戶提供全部換算功能以獲得所要的顯示讀數(shù)。嵌入式發(fā)射機也束縛于固定的極性；亦即，最大信號不能與關(guān)閉位置關(guān)聯(lián)。單獨安裝的模塊可以提供反轉(zhuǎn)的極性，但是也必須重新布線來實現(xiàn)。優(yōu)選實施例使用的算法提供不需要移動執(zhí)行器的獨立位置輸出信號，消除了針對具體極性的重新布線，并在輸出信號范圍內(nèi)自動針對所需讀數(shù)調(diào)整輸出。該算法可以在任何時候開始工作，而無需中斷或干擾定位器的正常操作。然而，為了避免不穩(wěn)定的信號以及對附加控制按鈕的需要，作為正常配置過程的一部分，執(zhí)行器控制器執(zhí)行該算法，作為由模式按鈕選擇的兩個附加功能。數(shù)字定位器具有存儲非易失性信息的能力，這也是本發(fā)明的情況。當(dāng)用戶為執(zhí)行器配置上述OPEN或CLOSED功能時，執(zhí)行器控制器存儲針對打開或關(guān)閉位置的準確反饋電位計信號值。通過選擇執(zhí)行器控制器上的0PENP0SITI0NOUTPUT(打開位置輸出)功能，該算法能夠?qū)⑽恢幂敵鲂盘栒{(diào)節(jié)然后存儲為在與打開時反饋電位計值相關(guān)范圍內(nèi)的任意需要的值。同樣，通過選擇CLOSEDPOSITIONOUTPUT(關(guān)閉位置輸出)功能，該算法能夠?qū)⑽恢幂敵鲂盘栒{(diào)節(jié)然后存儲為在與關(guān)閉時反饋電位計值相關(guān)范圍內(nèi)的任意需要的值。對于四個期望值，數(shù)字定位器可以執(zhí)行基本的加法和乘法運算來提供任意偏移量、增益或者極性給輸出信號，而不管為控制信號建立的偏移量、增益或者極性。改變打開和關(guān)閉位置不會改變與之相關(guān)的輸出信號。與此相似，改變打開和關(guān)閉位置輸出信號不會改變打開和關(guān)閉位置。這消除了對于重新布線以獲得任何給定極性的需要，并允許操作的極性獨立于輸出信號的極性。由于計算輸出信號所需的四個變量存儲在存儲器中，所以不管定位器在執(zhí)行什么其它功能，都沒有必要將執(zhí)行器打開或關(guān)閉來獲得這兩個具體值。該算法可以用很容易轉(zhuǎn)換成微處理器代碼的數(shù)學(xué)式來描述。由于該算法提供了任何所需要的極性，所以允許負數(shù)。換言之，微處理器代碼需要使用有符號的數(shù)學(xué)函數(shù)，從而執(zhí)行完整的算法。以下數(shù)學(xué)函數(shù)定義了該算法f(Op)=[(0o-0c)(Fp-Fc)/(Fo-Fc)]+0c其中，F(xiàn)p是在打開和關(guān)閉之間任意給定位置處的反饋電位計值；Fo是在所需打開位置的反饋電位計值；Fc是在所需關(guān)閉位置的反饋電位計值；Op是與打開和關(guān)閉之間任意給定位置相關(guān)聯(lián)的輸出信號；0o是與打開位置相關(guān)聯(lián)的所需輸出信號；0c是與關(guān)閉位置相關(guān)聯(lián)的所需輸出信號。由于F項總是簡化為比率(表示百分比打開)，所以O(shè)p嚴格地是0o和0c的函數(shù)，因此表明Op獨立于由F項所描述的操作參數(shù)。可見，在打開位置當(dāng)Fp變?yōu)榈扔贔o時，Op解得0o。與此相似，當(dāng)在關(guān)閉位置Fp變?yōu)榈扔贔c時，Op解得0c。示例性電路的細節(jié)當(dāng)可以使用多種不同的技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)字高分辨率控制器時，一個示例性實施裝置如圖11和圖12所示。圖11示出了基于微處理器的控制器電路，圖12示出了圖11中控制器的合適電源。參照圖11，微處理器200接收來自單個斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器202的數(shù)據(jù)輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換器202由多路復(fù)用器204供給。在206處提供模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入。反饋電位計連接到連接端子208。微處理器將其輸出提供給多路復(fù)用器裝置210，多路復(fù)用器裝置210在端子212處提供控制指令給電機，并且還提供輸出端子214以驅(qū)動顯示器。參照圖12，注意到輸出端子212提供通過光電耦合器LED216的信號，并且光電耦合器LED216的輸出連接到電機。本發(fā)明的描述實質(zhì)上僅僅是示例性的，因此不背離本發(fā)明要點的修改都包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。這些改變不應(yīng)該被認為是脫離了本發(fā)明的精神和范圍。權(quán)利要求一種用于執(zhí)行器的電子定位系統(tǒng)，包括執(zhí)行器操作器，其被配置為使執(zhí)行器產(chǎn)生從初始位置到期望位置的位置變化；傳感器，其用于確定所述執(zhí)行器在初始位置與期望位置之間的瞬時位置；控制器，其以與所述執(zhí)行器的溫度成反比的速率施加能量。2.如權(quán)利要求1所述的電子定位系統(tǒng)，其中，所述溫度根據(jù)在給定時間段內(nèi)所施加的能量的量來確定。3.一種用于執(zhí)行器的電子定位系統(tǒng)，包括執(zhí)行器操作器，其被配置為使執(zhí)行器產(chǎn)生從初始位置到期望位置的位置變化；傳感器，其用于確定所述執(zhí)行器在初始位置與期望位置之間的瞬時位置；控制器，其以與所述執(zhí)行器的溫度成反比的速率施加能量；其中能量以開關(guān)間隔方式施加給所述執(zhí)行器，并且其中所述溫度通過監(jiān)測所述開關(guān)間隔來確定。4.一種用于執(zhí)行器的電子定位系統(tǒng)，包括執(zhí)行器操作器，其被配置為使執(zhí)行器產(chǎn)生從初始位置到期望位置的位置變化；傳感器，其用于確定所述執(zhí)行器在初始位置與期望位置之間的瞬時位置；控制器，其以與所述執(zhí)行器的溫度成反比的速率以步進增加的方式施加能量。5.一種用于執(zhí)行器的電子定位系統(tǒng)，包括執(zhí)行器操作器，其被配置為使執(zhí)行器產(chǎn)生從初始位置到期望位置的位置變化；傳感器，其用于確定所述執(zhí)行器在初始位置與期望位置之間的瞬時位置；控制器，其采用算法以與所述執(zhí)行器的溫度成反比的速率改變占空比控制的百分比。全文摘要通過基于由先前能量傳送產(chǎn)生的所觀察到的運動來將能量傳送給執(zhí)行器的控制算法，實現(xiàn)電子定位器及其相關(guān)執(zhí)行器的動力控制。該算法根據(jù)所期望的或用戶指定的分辨率來完成控制。能量傳送間隔之間的電子制動改進了達到所期望位置的速度。力產(chǎn)生機制的溫度被確定，作為對能量消耗的監(jiān)測，并被用來控制如何將電力傳送給所述執(zhí)行器。文檔編號G05B19/29GK101826828SQ20101017400公開日2010年9月8日申請日期2005年6月15日優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日發(fā)明者彼得·W·穆勒,杰克·M·里森申請人:匹克單尼克斯股份有限公司