專利名稱：用于使電容器充電和放電至一個預定設置點的設備和方法
技術領域：
本發明涉及用于控制成比例的基于靈巧材料的通用致動器的電子方法和電路。
背景技術：
正在研發被廣泛應用的致動器技術。一個例子包括響應電激勵而改變形狀的具有機械杠桿的靈巧材料致動器。所述形狀的改變和輸入電壓成比例。因為可以使這種形狀的改變主要沿著一個軸線進行，這種致動器可用于在相關的包括和一些主支撐結構組合的杠桿的機械系統上進行操作。軸向位移的改變被杠桿放大，從而形成具有有用的數量的位移和力的致動器。這種位移和力對于通用的工業閥門、夾具、飲料自動售貨機、壓縮機或泵、制動器、門鎖、繼電器、電路斷路器、以及借助于包括電磁線圈、電動機或和各種傳動裝置組合的電動機的其它應用是有用的。不過，靈巧材料，具體地說壓電材料，需要數百伏電壓才能致動和產生位移。這種類型的電壓可能是不容易得到的，并且可能必須得自較低的電壓例如由電池得到的電壓。
壓電材料的另一個特征是，這些材料本質上是容性的。此外，一個致動器通常使用3個單獨的信號被控制控制信號，主電源和地。
發明內容
一種使電容器充電和放電至預定設置點的設備包括靈巧材料致動器和用于以成比例方式操作所述靈巧材料致動器的壓控直流(DC)-DC變換器。所述壓控DC-DC變換器可以進一步包括以具有180度相位差的推挽驅動信號和變壓器的一次線圈相連的自振蕩驅動電路。壓控DC-DC變換器還可以包括在變壓器上的輔助線圈。DC-DC變換器還可以包括一個連附的二極管整流器，用于由變壓器上的二次線圈的AC信號產生DC電壓，以及用于電壓調節的電壓反饋網絡。
壓控DC-DC變換器可以進一步包括控制電路，用于停止和啟動自振蕩機制，并且在輸入級還可以以一個二極管為特征，用于反極性保護。此外，控制電路還可以包括波紋電感器和旁路電容器，用于抑制發出的EMI進入系統的電源。
本發明的另一個特征包括靈巧材料驅動電路，用于分別響應和電源的連接與斷開使所述靈巧材料致動器充電和放電。用于主動地(actively)控制靈巧材料致動器的充電和放電的至少一個的驅動電路可以響應一個控制信號。
還有用于使電容器充電和放電至一個預定設置點的本發明的另一個實施例包括靈巧材料致動器，可以和所述靈巧材料致動器連接的電源，以及用于響應和電源的連接的除去，使靈巧材料致動器主動地放電的開關電路。用于使靈巧材料致動器主動地充電的開關電路可以進一步響應連接電源或者一個控制信號輸入。開關電路可以響應一個控制信號主動地控制所述靈巧材料致動器的充電和放電至少之一，并且可以進一步包括電壓比較器和場效應晶體管(FET)，用于控制DC-DC變換器。按照本發明，所述開關可以具有三種操作方式對負載充電，保持負載以及使負載放電。因而，按照本發明的用于使電容器充電和放電至一個預定設置點的方法包括以下步驟提供一種靈巧材料致動器，以及利用壓控DC-DC變換器以比例方式操作所述靈巧材料致動器。按照本發明的用于使電容器充電和放電至一個預定設置點的另一種方法包括以下步驟提供一種靈巧材料致動器，連接一個電源到所述靈巧材料致動器，以及利用一個開關電路響應和所述電源的連接的除去使所述靈巧材料致動器放電。
利用電子設計和仿真軟件以及電路的原型設計，可以使用數量最少的元件，同時保持成本效果好和低功率消耗。這種電子子系統，當和具有機械杠桿的靈巧材料致動器耦連時，形成一種商業上可行的技術解決方案，用于通常的應用和工業應用。
對于本領域技術人員，當結合附圖閱讀下面的用于實施本發明的最好方式的說明時，將會清楚地看出本發明的其它應用。
本說明參照附圖進行，在所有附圖中，相同的標號表示相同的部件，其中圖1是應用本發明的具有主動調節的壓控DC-DC變換器的電子原理圖；圖2是本發明的DC-DC變換器的電子原理圖；圖3是本發明的電子開關的電子原理圖，表示當開關閉合時的電流；圖4是本發明的電子開關的電子原理圖，表示當開關打開時的電流；以及圖5是本發明的控制電路的電子原理圖。
具體實施例方式
圖1表示用于控制比例的具有機械杠桿的靈巧材料致動器(未示出)的系統10的電子原理圖，包括和開關電路44耦連的專用電源12和控制電路64。
按照優選實施例，圖1的專用電源10是DC-DC變換器，開關電路和控制電路，其通過操作或者提供可變的激勵電壓或者使致動器放電。由圖2可以最好地看出，DC-DC變換器12(圖2中12被省略了)包括和波紋電感器16相連的電源電壓14，波紋電感器向反向保護二極管18饋電。波紋電感器16作為濾波器用于除去由和電源電壓14相連的負正負(NPN)晶體管20的集電極產生的噪聲。NPN晶體管20和NPN晶體管22形成用于變壓器24的推挽驅動器。電阻26，28，30和32形成電阻分壓器，用于設置NPN晶體管20和22的基本偏置點。
變壓器24不僅繞有一次線圈24a和二次線圈24b，而且還繞有輔助線圈24c。輔助線圈24c，變壓器24，電阻34，36，28和電容器38，40形成反饋裝置，用于引起NPN晶體管20，22的基極上的振蕩。所述振蕩在兩個NPN晶體管20，22之間具有180度相位差，從而形成自振蕩推挽變壓器驅動器。變壓器24的二次線圈24b和整流器42相連。應當注意，當晶體管22的基極接地時，自振蕩機制停止。當接地被除去時，重新啟動自振蕩機制。如圖1所示，當開關電路44被控制時，能夠主動地控制加于容性負載的電壓。
控制電路64監視控制電壓和輸出電壓，并決定使DC-DC變換器接通，或者使放電開關接通，或者在容性負載上保持當前的電壓值。該系統中包括萬一電源電壓被除去則強制容性負載接地的裝置。
現在參見圖3，其中示出了和圖1的原理圖分離的開關電路44，以便更好地說明當其閉合時的操作特征。當開關48閉合時，電流從電源50通過開關48經過波紋電感器52對容性負載54充電。此外，電流還流入電阻分壓器網絡56，驅動NPN晶體管58導通，其使得NPN達林對60截止。充電速率由電源的阻抗和負載54的電容決定。電阻62和NPN晶體管58作為被轉換的功率和控制信號之間的電平轉換器，因此被轉換的功率和控制信號不必具有相同的電壓值。
現在參見圖4，其中示出了當開關48打開時在開關電路44中的電流。當開關48打開時，沒有電流從電源50流出。電流也通過開關48流入電阻分壓器網絡56到地，驅動NPN晶體管58截止，其使NPN達林對60導通，從而使電流通過電阻46流動而使容性負載54放電。放電的速率由電阻46的值和容性負載54決定。電阻62和NPN晶體管58作為被轉換的功率和控制信號之間的電平轉換器，因此被轉換的功率和控制信號不必具有相同的電壓值。
現在參見圖5，其中示出了隔離的圖1的控制電路64，以便更好地說明電路64的操作特征。模擬的控制電壓通過電阻66引入，并被齊納二極管68箝位為一個預定的電壓值，使得不會破壞運算放大器70的輸入。此外，電阻66是電阻分壓器網絡72的一部分。網絡72導出兩個電壓一個電壓是用于切斷DC-DC變換器12的參考，另一個是用于使容性負載主動放電的參考。運算放大器70以電壓比較器的方式被使用，其和DC-DC變換器12的切斷方式相關。運算放大器74以電壓比較器的方式被使用，其和DC-DC變換器12主動放電方式相關。電阻76，78，80形成第二電阻電壓分壓器網絡。這個網絡監視容性負載的電壓，并導出運算放大器70、74和由電阻66、72導出的電壓相比較的電壓。當在運算放大器70的正端的電壓大于負端的電壓時，放大器的輸出為正飽和狀態，使FET晶體管82導通，使得DC-DC變換器停止。
當在運算放大器70的負端的電壓大于正端的電壓時，放大器的輸出成為負飽和狀態，使FET晶體管82截止，使得DC-DC變換器運行。當運算放大器74的正端的電壓大于負端的電壓時，放大器的輸出成為正飽和狀態，使FET晶體管84導通，引起容性負載的主動放電。當在運算放大器74的負端的電壓大于正端的電壓時，放大器的輸出成為負飽和狀態，使FET晶體管84截止。在這個系統中，具有3種不同的狀態，(1)DC-DC變換器接通，并且容性負載放電開關打開，(2)DC-DC變換器斷開，并且容性負載放電開關打開，以及(3)DC-DC變換器斷開，并且容性負載放電開關接通。
在圖1，2，3，4，和5所示的實施例中，按照電流承載能力、電壓定額以及元件類型選擇了不同的元件。其它合適的元件可以包括FET小信號和功率晶體管，線繞電阻、薄膜電阻和碳合成電阻，陶瓷、鉭和薄膜電容器，線繞的以及低溫共燒(cofired)陶瓷變壓器，或者通常用于大量生產的合適元件的任何組合。雖然作為例子給出的這些材料提供優異的性能，但是根據不同的應用要求，可以使用元件的其它的組合。同樣，給出的實施例說明在市場上可得到的元件。
雖然本發明結合目前認為是最優選的實施例進行了說明，應當理解，本發明不限于所披露的實施例，與此相反，應當覆蓋被包括在所附權利要求的構思和范圍內的各種改變和等效結構，權利要求的范圍應當給予最寬的解釋，使得包括法律允許的所有的改型和等效結構。
權利要求
1.一種用于使容性負載充電和放電至預定設置點的設備，包括靈巧材料致動器；以及用于以成比例方式操作所述靈巧材料致動器的壓控DC-DC變換器。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述壓控DC-DC變換器進一步包括具有帶180度相位差的推挽驅動信號并和變壓器的一次線圈相連的自振蕩驅動電路。
3.如權利要求2所述的設備，壓控DC-DC變換器還包括在所述變壓器上的輔助線圈。
4.如權利要求2所述的設備，其中所述壓控DC-DC變換器還包括在所述變壓器上的二次線圈。
5.如權利要求4所述的設備，其中所述壓控DC-DC變換器還包括一個連附的二極管整流器，用于由變壓器上的二次線圈的AC信號產生DC電壓。
6.如權利要求2所述的設備，其中所述壓控DC-DC變換器還包括用于電壓調節的電壓反饋網絡。
7.如權利要求2所述的設備，其中所述壓控DC-DC變換器還包括限定一個推挽變壓器驅動器的2個NPN晶體管。
8.如權利要求2所述的設備，其中所述壓控DC-DC變換器還包括控制電路，用于停止和啟動自振蕩機制。
9.如權利要求1所述的設備，其中所述壓控DC-DC變換器還包括在輸入級上的一個二極管，用于反極性保護。
10.如權利要求1所述的設備，所述變換器還包括波紋電感器和旁路電容器，用于抑制發出的EMI，使其不進入系統的電源。
11.如權利要求1所述的設備，還包括靈巧材料驅動電路，用于分別響應和電源的連接與斷開使所述靈巧材料致動器充電和放電。
12.如權利要求1所述的設備，還包括靈巧材料驅動電路，用于響應一個控制信號主動地控制靈巧材料致動器的充電和放電的至少一個。
13.如權利要求2所述的設備，其中所述變壓器是線繞的鐵心結構。
14.如權利要求2所述的設備，其中所述變壓器是LTCC結構。
15.一種用于使電容器充電和放電至預定設置點的設備，包括靈巧材料致動器；可以和所述靈巧材料致動器連接的電源；以及響應和所述電源的連接的除去，用于主動使靈巧材料致動器放電的開關電路。
16.如權利要求15所述的設備，還包括響應連接所述電源，用于主動使靈巧材料致動器充電的開關電路。
17.如權利要求15所述的設備，還包括響應一個控制信號，用于主動控制所述靈巧材料致動器充電和放電的開關電路。
18.如權利要求15所述的設備，還包括響應一個控制信號，用于主動控制所述靈巧材料致動器的充電和放電至少之一的開關電路。
19.如權利要求15所述的設備，其中所述開關還包括電壓比較器和FET晶體管，用于控制DC-DC變換器。
20.如權利要求19所述的設備，所述開關具有三種操作方式對負載充電，保持負載以及使負載放電。
21.如權利要求15所述的設備，其中所述開關還包括電壓比較器和FET晶體管，用于控制所述靈巧材料致動器的主動放電。
22.如權利要求21所述的設備，所述開關具有三種操作方式對負載充電，保持負載以及使負載放電。
23.一種用于使電容器充電和放電至預定設置點的方法，包括以下步驟提供一個靈巧材料致動器；以及利用壓控DC-DC變換器以成比例方式操作所述靈巧材料致動器。
24.如權利要求23所述的方法，還包括以具有180度相位差的驅動信號連接一個自振蕩驅動電路到變壓器的一次線圈的步驟。
25.如權利要求24所述的方法，還包括在所述變換器上提供輔助線圈的步驟。
26.如權利要求24所述的方法，還包括在所述變壓器上提供二次線圈的步驟。
27.如權利要求26所述的方法，還包括連附一個二極管整流器的步驟，用于由變壓器上的二次線圈的AC信號產生DC電壓。
28.如權利要求24所述的方法，還包括反饋電壓信號用于電壓調節的步驟。
29.如權利要求24所述的方法，還包括提供用于限定一個推挽變壓器驅動器的2個NPN晶體管的步驟。
30.如權利要求24所述的方法，還包括利用控制電路停止和啟動自振蕩機制的步驟。
31.如權利要求23所述的方法，還包括在輸入級上的提供一個二極管用于反極性保護的步驟。
32.如權利要求23所述的方法，還包括利用波紋電感器和旁路電容器抑制發出的EMI使其不進入電源的步驟。
33.如權利要求23所述的方法，還包括分別響應一個電源和一個靈巧材料驅動電路的連接與斷開，主動使所述靈巧材料致動器充電和放電的步驟。
34.如權利要求23所述的方法，還包括利用靈巧材料驅動電路響應一個控制信號，主動地控制靈巧材料致動器的充電和放電的至少一個的步驟。
35.一種用于使電容器充電和放電至預定設置點的方法，包括以下步驟提供一種靈巧材料致動器；連接一個電源到所述靈巧材料致動器；以及利用一個開關電路響應和所述電源的連接的除去，主動使所述靈巧材料致動器放電。
36.如權利要求35所述的方法，還包括利用所述開關電路響應和所述電源的連接，主動對所述靈巧材料致動器充電的步驟。
37.如權利要求35所述的方法，還包括利用所述開關電路響應一個控制信號輸入，主動控制所述靈巧材料致動器的充電和放電的步驟。
38.如權利要求35所述的方法，還包括利用所述開關電路響應一個控制信號，主動控制所述靈巧材料致動器的充電和放電之一的步驟。
39.如權利要求35所述的方法，還包括利用電壓比較器和FET晶體管控制DC-DC變換器的步驟。
40.如權利要求39所述的方法，其中所述開關具有三種操作方式對負載充電，保持負載以及使負載放電。
41.如權利要求35所述的方法，還包括利用所述開關控制所述靈巧材料致動器的主動放電的步驟。
42.如權利要求41所述的方法，其中所述開關具有三種操作方式對負載充電，保持負載以及使負載放電。
全文摘要
一種使用電激勵的靈巧材料的設備需要電源來激勵所述材料。所述電源具有三個主要功能(1)在靈巧材料上施加已知的電壓，(2)從控制電壓轉換為適合于靈巧材料的電平，以及(3)根據一個控制輸入調節所述電壓。所述電源是DC－DC變換器，其具有通過對致動器施加可變的激勵電壓或者使致動器主動地放電而實現的特殊的性能。該電路還在充電點和放電點之間提供一個死帶或滯后。當這個電路應用于一個具有機械杠桿的比例靈巧材料致動器時，一種通用的工業致動器成為一種成本效果好的解決方案。
文檔編號H01L41/04GK1701499SQ03820972
公開日2005年11月23日 申請日期2003年7月30日 優先權日2002年9月5日
發明者唐納德·丸德思路易斯 申請人:瓦伊金技術有限公司