专利名称：使用电阻变化来控制形状记忆合金致动器的方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于控制SMA致动器的方法，且更具体地涉及使用电阻变化 (即，在激活循环内致动器内在的电阻变化)来控制SMA致动器的方法。
背景技术：
形状记忆合金(SMA)致动器通过将SMA材料加热到高于预定值的温度来激 活。这使得材料经受从马氏体到奥氏体状态的相变，其中，该材料收缩且在该过程中用 于做功。例如，SMA金属丝借助于通过该金属丝施加电流来电阻加热。该方法的问题 包括过热(即，施加高于激活所述金属丝所需的过量热能)和过载(即，例如通过阻止 功而施加大于SMA金属丝的推荐抗拉负载的应力负载)。更具体地，应当理解的是，过 热和过载可能引起较长的冷却时间，减少的系统响应带宽，在一些情况下损坏所述金属 丝。因而，期望具有控制金属丝激活以防止过热和过载的有效和稳固手段，且在致动器 的寿命内提供一致的输出和流线型激活。通常，各种外部传感器和/或机械装置(如，温度传感器)已经用于消除关于过 热、过载和/或输出变化/降级的问题。然而，这些设置增加了常规致动器的复杂性、 成本和包装要求。已经开发了监测绝对致动器电阻作为反馈的闭环控制，然而，由于易 受噪音和环境条件变化的影响，这些方法通常具有不准确问题。
发明内容
本发明通过提供基于在热激活循环内由致动器展现的电阻的内在变化来控制形 状记忆合金致动器的新式方法来解决这些问题。除了其它之外，本发明用于在循环期间 防止过热和过载，用于提供准确的反馈以更好地控制循环，用于在多个循环内提供一致 的输出。因而，本发明用于在致动器的寿命内保护SMA致动器以及由其驱动的装置或机 器的整体性。本发明总体上涉及自主控制形状记忆合金致动器的方法。所述方法包括将 激活信号施加到所述致动器；随时间监测致动器的电阻率，从而基于电阻变化产生返回 信号；基于预定事件定义来确定返回信号中的第一事件；以及在确定所述事件时产生响 应。因而，本发明还提供随时间更准确地监测电阻的方法。提出本发明的各个实施例，包括使用电阻信号的一阶导数和多阶导数来在识别 事件时改进准确性和可靠性；考虑外部输入或传感反馈来修改算法和/或补充信号；以 及使用事件识别来输入记录、启动或寻找另一事件、开始预定周期、或调整信号，从而 保持致动器位置或应变。本发明通过参考本发明的各个特征的以下详细说明和本文包括的示例更容易理解。
本发明的优选实施例在下文参考示例性比例的附图详细描述，在附图中
图1是根据本发明优选实施例的控制系统的简图，所述控制系统形成电路且包 括电功率源；驱动地联接到负载的形状记忆合金致动器金属丝；控制器，所述控制 器在所述源和致动器之间且操作性地联接到致动器；以及连通地联接到控制器的监测装 置，从而给控制器提供反馈；以及图2是根据本发明优选实施例的控制形状记忆合金致动器的激活循环的方法的 流程图；图3是电阻变化信号及其一阶导数的曲线图，具体地示出了在正常激活期间的 波峰和波谷事件；图3a是电阻变化信号及其一阶导数的曲线图，具体地示出了在过载期间的波峰 和波谷事件；图4是根据本发明优选实施例的图1所示的系统的简图，其中，所述装置具有惠 斯通电桥设置；图4a是根据本发明优选实施例的图4所示的系统的简图，其中，热敏电阻功能 地设置在电桥的一个臂内；图4b是根据本发明优选实施例的图4所示的系统的简图，其中，SMA部段设置 在电桥的一个臂内；以及图5是根据本发明优选实施例的图1所示的系统的简图，其中，所述装置具有电 阻-电容电路。
具体实施例方式优选实施例的以下说明本质上仅仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明、其应 用或使用。如本文所述和所示，新式控制系统10适合用于形状记忆合金(SMA)致动器 (例如，金属丝)12;然而，借助于在激活期间产生电阻变化的其它热或电激活活性材料 使用系统10的益处当然也在本发明的范围内。在图1所示的示例性设置中，系统10包括驱动地联接到负载14的致动器金属 丝12，从而做有用机械功；能操作将激活信号选择性地传输给金属丝12的功率源16、操 作点连接到源16和致动器金属丝12的控制器18 ；以及通信地联接到控制器18的监测装 置20。在下文进一步描述且在图1-5中示出系统10的各个实施例，包括用于更准确地测 量金属丝12内的电阻变化的差分装置20、和由控制器18执行的算法。如本文使用的， 术语“金属丝”不是限制性的，而应当包括具有抗拉负载强度/应变能力的其它类似几 何配置，例如缆线、束、编织物、绳索、条、链和其它元件。形状记忆合金(SMA)通常指的是一组金属材料，其在经受合适的热激励时能够 恢复某些之前限定的形状或尺寸。形状记忆合金能经受相变，其中它们的屈服强度、硬 度、尺寸和/或形状随温度而改变。术语“屈服强度”指的是材料展现距应力和应变比 发生特定偏离时的应力。一般来说，在低温或在马氏体相时，形状记忆合金能够发生伪 塑性变形，且在暴露给一定高温时将改变成奥氏体相或母相，从而回到它们变形前的形 状。仅在加热时展现这种形状记忆效应的材料称为具有单向形状记忆。在再次冷却时也 展现形状记忆的材料称为具有双向形状记忆性能。形状记忆合金存在几个与温度相关的不同相。这些相中最常用到的就是前面提到的所谓马氏体相和奥氏体相。在以下的描述中，马氏体相一般指的是更易发生变形的 低温相，而奥氏体相一般指的是更刚硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加 热时，其开始改变成奥氏体相。这种现象开始发生时的温度通常称为奥氏体起始温度 (As)，这种现象结束时的温度则称为奥氏体完成温度(Af)。当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始改变成马氏体相，这种现象 开始发生时的温度通常称为马氏体起始温度(Ms)。奥氏体完成转变成马氏体时的温度 则称为马氏体完成温度(Mf)。一般来说，形状记忆合金在马氏体相较软、较容易发生变 形，而在奥氏体相较硬、更刚性且更刚硬。由上可知，适合用于形状记忆合金的激活信 号是具有在马氏体和奥氏体相之间引起转变的大小的热激活信号。取决于合金成分和工艺过程，形状记忆合金可以具有单向形状记忆效应、内在 的双向效应、或外在的双向形状记忆效应。退火处理的形状记忆合金一般只具有单向的 形状记忆效应。对低温变形之后的形状记忆材料进行充分加热将导致马氏体向奥氏体的 转变类型，而材料将恢复到初始的退火后的形状。然而，单向的形状记忆效应只能在加 热时看到。包括具有单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料无法自动重新成形， 可能需要外部的机械力来使其重新形成形状。内在的双向形状记忆材料和外在的双向形状记忆材料的特征在于，既可以在从 马氏体相加热为奥氏体相时发生形状改变，同时也可以在从奥氏体相冷却回到马氏体相 时发生附加形状改变。具有内在的形状记忆效应的活性材料是由会使活性材料由于上述 提及的相变而自动重新成形的形状记忆合金成分制成。内在的双向形状记忆特性必须通 过工艺过程引入形状记忆材料。这些工艺过程包括在马氏体相时的材料极限变形，在约 束或载荷条件下的加热冷却处理，诸如激光退火、抛光或喷丸加工的表面改性。一旦材 料被训练具有了双向形状记忆效应，那么这种高低温状态之间的形状变化通常是可逆的 并且在经过很多个热循环后仍然能保持有效。相比而言，具有外在的双向形状记忆效应 的活性材料是将具有单向效应的形状记忆合金成分与提供回复力以重新形成初始形状的 另一种成分组合而成的复合物或多成分材料。形状记忆合金被加热到某一温度时会记忆其高温形态，此温度可以通过合金成 分的细微改变和通过热处理过程进行调整。例如，在镍钛形状记忆合金中，上述温度可 以从高于约100°c变至低于约-100°c。形状恢复过程只在几度的范围内发生，而且根据 期望应用以及合金的成分，可以将此转变过程的开始或结束控制在1或2度范围之内。在 跨过形状记忆合金发生转变的温度范围内，其机械属性会发生巨大的变化，通常为系统 10提供形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼容量。合适的形状记忆合金材料包括，但并不限于，镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝 基合金、镍镓基合金、铜基合金(如铜锌合金、铜铝合金、铜金合金和铜锡合金)、金镉 基合金、银镉基合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁钼基合金、铁钯基合金及类似物。 这些合金可以是二元的、三元的或任何更高元的，只要合金成分在例如形状取向变化、 阻尼容量等方面上具有形状记忆效应即可。应当理解的是，当加热至高于SMA的马氏体-奥氏体相变温度时，SMA具有 2.5倍的模量增加和高达8% (取决于预应变量)的尺寸变化(在处于马氏体相时引起的伪 塑性变形的恢复)。应当理解的是，热诱导的SMA相变是单向的，这样就需要偏压力回
6复机构(如弹簧)来在一旦去除所施加的场时恢复SMA至初始配置。可以使用焦耳加热 以使整个系统可电子控制。回到本发明，控制器18程序配置成在激活期间基于电阻变化来自主地控制形状 记忆合金致动器12 (图2)。在优选操作模式中，在第一步骤100，由控制器18确定要监 测的系统特定事件定义。例如，预先存在的定义可以基于金属丝12的物理和内在特性 (例如，长度、成分、直径、预应变等)、要执行的应用类型(例如，重要、中等、等)、 环境条件和/或历史数据(如，之前是否已经记录另一个事件)来修改。因而，应当理 解的是，系统10还可包括至少一个传感器22作为热熔珠，传感器22连通地联接到控制 器18(图1)，从而将输入传输给控制器18。例如，在机动车设置中，输入可以是外部温 度、内部舱温度、致动器金属丝温度或应变、车辆速度或加速度、使用者输入、蓄电池 电压、乘员传感数据、门传感数据、或发动机健康状况传感数据。例如，事件可以定义为波峰、波谷、在没有达到波谷的情况下斜率变化、或者 在信号曲线内分别与激活开始、激活结束、过载情况、以及引入电阻元件相对应的电阻 跳跃。在本发明的一个方面，事件从电阻变化信号的一阶或多阶导数更准确地确定(图 3 和 3a)。一旦确定定义，控制器18就前进到步骤102，其中，控制器18将激活信号施加 到致动器12。在步骤104，监测装置20接收表示金属丝12实际电阻的电阻读数。然 后，连续地或者随时间增量地执行步骤102和104(或者直到达到暂停周期)，从而基于电 阻变化产生返回信号。更优选地，在事件定义基于电阻变化信号时，电阻变化信号至少 一次求导，以确定信号的一阶导数(更优选多阶导数)。当获得最小数量的读数时，基于 最短监测事件的长度或周期，方法继续步骤106，其中，导数与事件定义进行比较，从而 确定返回信号内的第一事件。在步骤106，可以考虑历史数据以修改比较过程。例如，可期望考虑装置20的 年龄或可随时间影响信号的其它特性，甚至在定义保持恒定时也是如此。如果确定没有 事件，那么方法返回步骤102，其中，监测继续。如果确定某一事件，在步骤108产生 (即，执行等)响应。例如，响应可以是产生该事件报警的指示；因而，系统还可以包 括通信器件，例如视觉/音频显示器。替代地，响应可以包括保持事件的记录，暂时地以用于在持续进行的激活循环 中进一步使用或者永久地以跟踪致动器性能、寿命期间等。例如，一旦记录第一事件， 所述方法可包括进一步监测与第一事件相关的第二事件；基于此将第一事件或派生信 息报告给连通地联接的节点、实体或模块。在另一个示例中，所述响应可以基于第一事 件的特性确定激活影响条件，例如环境温度。在又一个替代方案中，所述响应可以是改变激活信号，从而改变和/或接通或 断开信号。在这点上，响应可以是一旦检测到过热或过载事件就中断信号；或者调整 (例如，以脉冲方式接通和断开)信号，从而保持致动器金属丝12的当前应变或位置。 一旦确定波峰事件，响应可以是分析历史信号以确定由激活信号施加开始和所检测波峰 施加开始限定的“加热周期”；控制器18可以配置成基于加热周期来确定和设置施加激 活信号的“转换周期”，且然后在所述转换周期经过之后终止激活信号。最后，应当理解的是，外部输入可以与信号分析结合以触发响应；例如，在输
7入是致动器温度或应变时，事件可以是超过阈值，其中，该值根据电阻率和温度或应变 而定，且响应是终止激活信号，从而提供过热和/或过载保护。如前文所述，本发明包括更准确地确定(例如，检测)SMA金属丝12的电阻的 新式手段和方法，电阻对于提供一致和准确控制是关键的。装置20的第一示例是惠斯 通电桥设置20a，惠斯通电桥设置20a具有多个臂24，其中，电桥20能操作检测非空值 (图4)。在此，至少一个热敏电阻26、热线或电致伸缩材料(例如，压电、电活性聚合 物等)优选设置在至少一个臂24中，从而提供温度和/或负载补偿(图4a)。替代地，部段长度小于致动器长度的SMA部段28可以设置在至少一个臂24中 (图4b)。部段28的电阻被直接测量，致动器长度除以部段长度以确定电桥内的电流。 然后，可以搜索查询表30以基于来自于部段28的反馈寻找电阻且提供温度补偿。电桥 20a以本领域已知的其它方式工作，以使得成镜像支路内的电阻相等，从而经过电桥的电 流是零。通过知道三个臂的电阻，可以准确地计算第四个未知臂(致动器金属丝12)。 应当理解的是，在用脉宽调制(PWM)信号驱动SMA时，电桥可以在PWM信号的断电 (低)部分期间测量，且在激活期间记录电阻变化。在第二示例中，致动器12连接到装置20，且装置20具有电阻-电容(RC)电路 32，电路32配置成通过寻找电路32的截止频率且搜索查询表30来监测电阻，从而提供 温度补偿。如图5所示，RC电路32可包括与致动器12串联连接的电容34和电流限制 电阻36。具有已知初始电阻的致动器12连接到SMA驱动电路38，且频率发生器40完 成电路32且能操作使期望频率范围蠕变。S卩，刚好在启动致动器电路38之前，发生器 40运行通过金属丝12的频率蠕变以寻找低通滤波器的截止频率；由于Feutofr = RXC, C 的值已知，那么可以确定刚好在激活之前的SMA致动器的R值。然后，可从查询表检 索环境温度以给予已知电阻的补偿输出。替代地，可以使用RC电路，其中电容34并联连接到致动器12，且通过建立预 定电压并测量电容34的充电/放电时间来监测电阻。最后，在第三示例中，系统10可将AC信号叠加到普通激活信号上。控制器18 监测由于金属丝12电阻变化引起的AC信号变化。AC信号变化可以是用于定义事件的 幅值或频率的变化。该书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，且也使得本领域技术人 员能够制造和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，且可以包括本领域技 术人员可以想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的文字语言并无不同的 结构元件或者如果它们包括与权利要求的文字语言并无实质差别的等价结构元件，那么 它们旨在处于权利要求的范围内。同样，如本文使用的，措词“第一”、“第二”等并不表示任何顺序或重要 性，而是用于将一个元件与另一个元件进行区分，措词“该”、“一”并不表示数量的 限制，而是表示存在至少一个所引用项。涉及相同数量的给定部件或测量值的所有范围 包括端点且可以独立地组合。
权利要求
1.一种自主控制具有致动器长度的形状记忆合金致动器的方法，所述方法包括a.将激活信号施加到所述致动器；b.随时间监测致动器的电阻率，从而基于电阻变化产生返回信号；c.基于预定事件定义来确定返回信号中的第一事件；以及d.在确定所述事件时产生响应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)和C)还包括以下步骤确定返回信号 的一阶导数；以及基于该导数确定事件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤b)和C)还包括以下步骤确定返回信号 的多阶导数；以及基于该多阶导数确定事件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤C)还包括以下步骤将返回信号与历史 信号进行比较以确定事件。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)还包括以下步骤使用具有多个臂的 惠斯通电桥设置来监测电阻，从而检测非空值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，具有小于致动器长度的部段长度的形状记忆合 金部段设置在至少一个臂中，且步骤b)还包括以下步骤搜索查询表以提供温度补偿。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，至少一个热敏电阻、热线或电致伸缩元件功能 地设置在至少一个臂中，从而分别提供温度或负载补偿。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)还包括以下步骤将致动器连接到RC 电路且通过寻找电路的截止频率并搜索查询表来监测电阻，从而提供温度补偿。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)还包括以下步骤将致动器连接到RC 电路，所述RC电路包括并联连接到致动器的电容；以及通过建立预定电压并测量电容的 充电/放电时间来监测电阻。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)还包括以下步骤监测叠加的AC信号。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，响应选自主要由以下步骤构成的组产生事 件报警的指示；保持事件记录；以及改变激活信号。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，事件是波峰、波谷、在没有达到波谷的情况 下斜率变化、或者分别与激活开始、激活结束、过载情况、以及引入电阻元件相对应的 电阻跳跃。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，响应包括保持第一事件的记录，且还包括 监测与第一事件相关的第二事件；基于此报告第一事件或派生信息；或者基于第一事件 的特性来确定环境条件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述响应是调整激活信号以保持致动器中的 当前应变。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤C)还包括以下步骤接收外部输入并基 于输入修改事件定义。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述输入选自主要由以下构成的组外部 温度、内部温度、致动器温度、致动器应变、使用者输入、车辆速度或加速度、蓄电池 电压、乘员传感数据、门传感数据、和发动机健康状况传感数据。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，输入是致动器温度，事件是超过阈值，该值 根据电阻和温度而定，响应是在确定事件时终止激活信号，从而提供过热保护。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，输入是致动器应变，事件是超过阈值，该值 根据电阻和应变而定，响应是在确定事件时终止激活信号，从而提供过载保护。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤C)和d)还包括以下步骤分析返回信 号，从而确定在施加激活信号和波峰事件开始之间的加热周期；基于加热周期设置转换 周期；以及在转换周期经过之后终止激活信号。
全文摘要
控制形状记忆合金致动器的方法使用在激活循环内由致动器展现的电阻的变化，更优选地使用其导数，来识别至少一个事件，以及基于所述事件产生响应。
文档编号F16K31/02GK102016308SQ200980116470
公开日2011年4月13日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年5月8日
发明者A·L·布朗, G·A·埃雷拉, G·P·麦奈特, N·L·约翰逊, N·W·平托, N·曼凯姆, X·高 申请人:通用汽车环球科技运作公司