专利名称：步进电机操纵式燃气阀的控制的制作方法
技术领域：
本公开的内容涉及一种燃烧装置的控制系统，和更具体地涉及一种控制至这种装置的燃料的阀门控制。
背景技术：
本节陈述仅仅提供本公开内容的背景技术，并不构成现有技术。以两种或两种以上燃起流速运行的燃烧燃气的热空气炉通常称为可变或多段炉。 由于多段炉性能优异且舒适度高，房主常常选择多段炉替代现有的炉子。然而，在多段炉或可变加热炉中，炉子的控制仅仅被配置为与燃气阀单向通信。这通常是以应用电压电源或可变电流信号到燃气阀的方式。但是，这种信号不能提供反馈，而且与替换或改进的燃气阀或者炉子的其他部件无法兼容。因此，可变级加热系统的控制仍然需要改进。
发明内容
根据此处的描述，更进一步的应用领域是显而易见的。应该理解这里的说明和实施例仅仅是作为示意的目的，不应理解为对本公开范围的限制。提供了一种具有步进电机操纵式燃气阀的可变输出加热装置的控制器的多个实施例。给出了控制可变加热装置中的步进电机操纵式燃气阀的控制器的实施例。步进电机操纵式燃气阀包括相对于燃气阀中的阀开口可移动的阀元件；设置在燃气阀中的主隔板室；设置在主隔板室中的主隔板，该主隔板与上述阀元件连接。主隔板被设置成响应于作用在主隔板上的燃气压力变化而可控制的相对于阀开口移动阀元件。步进电机操纵式燃气阀进一步包括伺服调整隔板，该伺服调整隔板被设置成调整至主隔板室作用于主隔板上的燃气的流量，因此调节阀元件用来改变流过阀开口的燃气流速。阀门的步进电机被设置成以步进的方式移动从而线性地移动伺服调整隔板，因此改变至隔板室的燃气流，控制流过阀开口的燃气的流速。步进电机操纵式燃气阀的控制器包括微处理器和步进电机位置传感器，所述微处理器与输入连接器通信，该输入连接器被设置成接收指示加热运行具体级别的输入信号；所述步进电机位置传感器被设置成检测步进电机的步进移动。微处理器设置成检测输入信号的出现，该输入信号表示操作可变加热装置的具体的运行容量级别。微处理器进一步包括编码有一个或多个可指令可编程只读存储器，以可操作地确定步进电机为移动伺服调整隔板以建立与特定的运行容量级别对应的燃气流量所必须移动的步数。微处理器被设置成产生控制信号，该控制信号指示步进电机操作燃气阀移动确定的步数，将确定的步数与步进电机位置传感器检测到的步数比较，进而验证步进电机的位置，且接着产生确定步进电机的运行的输出信号。通过这里的描述，本申请更进一步的应用领域变得显而易见。本概要部分的描述和具体示例仅仅作为示意的目的，而不限定本发明的保护范围。
此处的附图仅仅是为了达到说明的目的，而不以任何方式限定本公开的范围。图I是根据本公开的原理的与步进电机操纵式燃气阀相关地设置的控制器的一个实施例的透视图，该控制器控制步进电机；图2是根据本公开的原理的用于步进电机操纵式燃气阀的控制器的一个实施例的示意图，该控制器与一个加热装置的炉子控制器连接；图3是根据本公开的原理的步进电机操纵式燃气阀的一个实施例的剖面图； 图4是示出了根据本公开的步进电机操纵式燃气阀的控制器的通信控制的系统框图；图5是使用根据本公开的原理的多个控制器的实施例的控制信号示意图；图6是根据本公开的原理的步进电机操纵式燃气阀的第二实施例的剖视图；图7是图6所示的步进电机操纵式燃气阀的一部分的剖视图。相应的附图标记代表多个视图中的相应组成部分。
具体实施例方式下文的描述仅仅是本发明本质上的示例，而不对本公开内容、应用或使用进行限定。应该理解，所有附图中，相应的附图标记代表类似或者相应的部件或特征部分。在当前公开的多个实施例中，提供了可变加热装置的控制器，该控制器被设置成控制步进电机操纵式燃气阀。在多个实施例中，控制器用来与步进电机操纵式燃气阀一起使用来改变气流，从而改变加热装置的操作级别。步进电机操纵式燃气阀包括相对于燃气阀中的阀开口可移动的阀元件，一个其中设置有主隔板的主隔板室，该主隔板与阀元件连接。主隔板被设置成响应于施加在主隔板上的燃气压力变化而可控制地将阀元件相对于阀开口移动。步进电机操纵式燃气阀进一步包括一个伺服调整隔板，该伺服调整隔板被设置成调节至主隔板室的作用于主隔板上气流，从而对阀元件进行调节以改变流过阀开口的燃气流速。阀门的步进电机被设置成以逐步移动的方式移动从而线性地移动伺服调整隔板，因此改变进入隔板室的气流，控制流过阀开口的燃气流量。步进电机操纵式燃气阀的控制器包括与电子存储器通信的微处理器，接收指示加热运行的特定级别的输入信号的输入连接器，和用于检测步进电机的步进移动的步进电机位置传感器。微处理器被设置成检测指示特定运行容量级别的输入信号的出现，在该级别操作可变加热装置。微处理器进一步包括编码有一个或多个指令的可编程只读存储器，所述指令可操作地确定步进电机为移动伺服调整隔板以建立与特定的运行性能级别对应的流速所必需移动的步数。微处理器进一步设置成(1)产生一个控制信号，使得操作燃气阀的步进电机移动确定的步数；(2)将确定的步数与步进电机位置传感器检测到的步数比较，进而确认步进电机的位置；并且(3)然后产生输出信号确定步进电机的运行，如下所述。根据本公开的一个方面，提供了控制器的实施例用来控制不同类型的步进电机操纵式燃气阀，以建立一个系统或一个炉子控制器所要求的运行性能级别。图I示出了用来控制可变加热装置的步进电机操纵式燃气阀100的控制器130的实施例。如下所述，控制器130包括输入连接器124,输入连接器124被设置成从炉子控制器输入信号。在图2所示的实施例中，步进电机操纵式燃气阀100的控制器130被设置成从炉子控制器230接收信号，炉子控制器230确定要求的运行性能级别。系统或炉子控制器230与24伏电源52连接，电源52为炉子控制器230的微处理器222供电。系统或炉子控制器230包括一个输入终端224，该输入终端224设置成通过连接线240接收需要加热运行的恒温器信号，连接线240穿过房间的地板246和墙壁248。系统或炉子控制器230设置成产生一个输入控制信号，该输入控制信号通过连接器124输入到步进电机操纵式燃气阀100的控制器130，步进电机操纵式燃气阀100用于向燃烧器258提供燃料。如图2示出了可变加热系统的启动阶段，系统或炉子控制器230的微处理器222被设置成检测通过输入终端224输入的要求加热的恒温器信号，并且向步进电机操纵式燃气阀100的控制器130传送输入控制信号，步进电机操纵式燃气阀100通过管线256提供燃气，从而在燃烧器258上形成加热运行。然后控制器130控制步进电机操纵式燃气阀100，以使可变容量加热装置持续运行直到恒温器切断到输入终端224的信号的时候。系统或炉子控制器230可进一步包括一个第二终端226，其被设置成通过可选的导线244接收要求高级别加热的恒温器信号。在检测要求高级别加热运行的恒温器信号的时候，微处理器222被设置成通过连接线236向步进电机操纵式燃气阀100的控制器130传送控制信号，步进电机操纵式燃气阀100用于通过管线256提供燃气，从而在燃烧器258上建立高级别加热。如下所述，系统或炉子控制器230被设置成根据需要在最小容量和最大容量之间操作可变容量加热装置。炉子控制器230被设置成向控制器130产生一个输入控制信号，用来建立一个与确定所要求的加热级别对应的选定的燃气流速。炉子控制器230的微处理器222包括编码有一个指令的可编程只读存储器，这一指令基于来自恒温器的信号或者可选地基于经历的时间而可操作地确定所要求的加热水平，所述的经历的时间是指恒温器信号在输入终端224上出现的时间(例如，可变容量加热装置在之前的加热周期运行的时间)。例如，如果加热装置在最初的加热周期满容量运行10分钟(在此之后至输入终端224的恒温器信号中断)，微处理器222可被设置成确定一个新的要求的加热级别，该级别在之前的加热周期的加热级别的基础上增加预设的百分比，加热装置运行的时间比上限时间，例如15分钟，少多少分钟，每分钟就增加多少比率。这种炉子的控制在序列号为12/729,716，申请日为2010年3月23日的美国专利申请中公开了，该专利申请的名称为“步进电机燃气阀及其控制方法”(STEPPER MOTOR GAS VALVE AND METHOD OF CONTROL)。可选地，炉子控制器 230 通过输入终端224接收恒温器信号，该信号代表操作加热装置的一个特定的运行容量级别。在任一种情况下，系统或炉子控制器230被设置成通过向步进电机操纵式燃气阀100的控制器130输出控制信号，而响应加热运行要求的恒温器信号。炉子控制器230优选被设置成产生一个脉冲宽度调制(PWM)信号形式的输入控制信号，从而避免需要使用连接在炉子控制器230的微处理器222和控制器130的微处理器之间的通用异步接收/发送装置(UART)进行串行通信，从而控制步进电机操纵式燃气阀100 (将在下面描述)。图3示出了步进电机操纵式燃气阀100。步进电机操纵式燃气阀100包括一个主 隔板室102，主隔板室102内设置的主隔板104，主隔板104与阀元件106连接。主隔板104响应于主隔板室102内的压力变化可控制地相对于阀开口 108移动阀元件106，进而允许调节通过阀开口 108的燃料流。步进电机操纵式燃气阀100进一步包括伺服调整隔板110，该伺服调整隔板110设置成调节进入主隔板室102的燃气流量。伺服调整隔板110因此控制作用在主隔板104的流体压力，进而控制通过阀开口 108的燃料流速。步进电机操纵式燃气阀100还包括步进电机120，其被设置成以逐步移动的方式移动伺服调整隔板110，调整进入隔板室102的燃气流，进而调整流过燃气阀100的燃气的流速。因此，步进电机120控制阀开口 108的程度，进而提供调整气流量的操作。步进电机操纵式燃气阀100优选地包括控制器130，该控制器130包括微处理器122，该微处理器122被设置成通过第一连接器124从炉子控制器230处接收输入控制信号，如图2所示。步进电机燃气阀100以逐步移动的方式驱动步进电机120到达预期的步进电机位置，使得步进电机将伺服调整隔板110和阀元件106移动预期的距离，进而调整阀门的开口，因此控制流过阀开口 108的燃料流量。微处理器122确定步进电机120为移动伺服调整隔板110以建立要求的燃料流量级别所必须旋转的步数。如图2所示，在使用中，燃料燃烧式加热装置250包括控制器130和步进电机操纵 式燃气阀100，燃料燃烧式加热装置250还包括炉子控制器230和燃烧器258。参考图4，炉子控制器230可操作以确定一个要求的运行容量级别(如序列号为12/729，716的美国专利申请所公开的)，并且向控制器130传送一个PWM信号，该信号指示要求的运行容量级另IJ。控制器130被设置成确定步进电机120移动所需要的步数，从而建立要求的运行容量级别，并且向步进电机120输出命令。应该理解，上述的步进电机操纵式燃气阀100在一定的电机步数值范围内运行，上述电机步数值与步进电机120的用于调节燃气阀100的多个位置相对应，步进电机120的位置范围在关闭的无流量的位置到完全打开的100%满容量位置之间。步进电机120可以是变磁阻线性步进电机120，具有一个随着电机以步进的方式旋转而线性移动的轴。该步进电机120可包括4个独立的线圈，4个独立的线圈限定了 A相位、B相位、C相位和D相位。步进电机120的一个或多个相位以适当的顺序被选择性的激活以控制电机旋转的方向。优选的，上述4个线圈以重复地激活线圈对的方式顺序连接，进而影响特定方向的旋转。例如，通过A相位-D相位、D相位-B相位、B相位-C相位、C相位-A相位的顺序激活成对的相位，可以建立1/4间距的向左移动。类似地,通过A相位-C相位、C相位-B相位、B相位-D相位、D相位-A相位的顺序激活成对的相位，可以建立1/4间距的向右移动。控制器130用于控制步进电机120，且控制器130、步进电机120和燃气阀100可以是作为一个单元整体制作或装配的控制器130和燃气阀100的一部分。参照图2，控制步进电机操纵式燃气阀100的控制器130与24伏电源52连接，电源52为炉子控制器130的微处理器122和步进电机操纵式燃气阀100供电。控制器130进一步包括至少一个第一输入连接器124，其被设置成从炉子控制器230处接收输入信号，该输入信号要求在一个特定的运行容量级别上进行加热操作。当检测到要求在一个具体的运行容量级别上进行加热操作的输入控制信号出现的时候，微处理器122被设置成通过连接线136向步进电机120传送一个步进电机控制信号，以在燃烧器258处建立加热操作。控制器130被设置成控制步进电机操纵式燃气阀100，以根据加热需求在最小加热容量和最大加热容量之间运行可变容量加热装置，如下文所述。如上文所述，控制器130具有输入连接器124，其被设置成接收代表具体加热运行容量级别的输入信号。控制器130优选地与一个步进电机位置传感器160 (如图6所示)通信，该步进电机位置传感器160被设置成检测步进电机的步进移动。控制器130进一步包括一个与步进电机位置传感器160和输入连接器124通信的微处理器122。微处理器122被设置成检测输入信号的出现，该输入信号在一个给定的频率内具有开通时段(on period),上述给定的频率代表运行加热装置250的具体的运行容量级别(见图2)。当通过输入连接器124接收到输入信号的时候，微处理器122可被设置成通过向炉子控制器230产生一个输出信号来响应输入控制信号，其将输入信号回波返回(echo back)炉子控制器230来证实收到了输入信号，如图5中的506所示。
微处理器122还包括可编程只读存储器，也可另外包括单独的存储器132。可编程只读存储器编码有一个或多个可操作指令，可操作地确定步进电机120为了移动伺服调整隔板110(如图3)并且改变燃气流以与要求的运行容量级别相对应而必须移动的步数，还产生步进电机控制信号，指示步进电机120为移动伺服调整隔板110以建立与运行容量级别相应的燃气流而移动所确定的步数。应该注意到微处理器122被设置成为步进电机120的每个线圈产生控制信号。微处理器122优选包括用于控制A相位线圈的激活的第一管脚(pin);用于控制B相位线圈的激活的第二管脚；用于控C相位线圈的激活的第三管脚；以及用于控制D相位线圈的激活的第四管脚。控制器130的微处理器122的一个例子是微芯科技公司(MICROCHIPTECHNOLOGIES, INC)生产的 PIC 18F45K22 微处理器或 dsPIC 33FJ32MC304。可选的，微处理器122可以向有四个管脚的第二处理器(例如SGS-TH0MS0N生产的L297D步进电机控制器)提供指令用于控制步进电机120。除了从炉子控制器230处接收脉冲宽度调制形式的输入控制信号的第一通信管脚之外，微处理器122可进一步包括用于发送输出信号第二通信管脚，如下文所述。在步进电机120移动确定的步数以后，微处理器122被进一步设置或编程以将步进电机位置传感器160检测到的步进电机120实际移动的步数与预先确定的步数比较，从而验证步进电机120的位置。然后微处理器122向炉子控制器230产生输出信号，该输出信号确认步进电机120已经移动了调整燃气流量以建立要求的运行容量级别所需要的步数。在上面的实施例中，控制器130被设置成从炉子控制器230接收作为输入信号的脉冲宽度调制信号，该信号具有4%至95%之间的占空比。输入信号优选为频率在13. I赫兹至17赫兹之间的脉冲宽度调制形式或在高低振幅之间重复循环的信号，用来提供一系列具有给定“高”对“低”时间比率的脉冲。因此，输入控制信号优选为具有特定占空比值的脉冲宽度调制形式的信号，该占空比值为频率信号高的时间段与随后的频率信号低的时间段之间的比值。例如，如图5中的502所示，当频率信号在90毫秒的“高”位和10毫秒的“低”位之间循环时，其占空比值计算为90%。例如，上述的信号可以具有例如15赫兹的频率，和0. 0667秒的周期。对于90%的占空比值来说，上述频率信号维持0. 06秒的“高”位，剩余的0. 0677秒维持低位。对于30%的占空比值来说，所述频率信号维持0. 02秒的“高”位，剩余的0. 0677秒维持“低”位。在这种方式中，频率没有改变，而是信号维持“高”位的时间和维持“低”位的时间改变了，从而指示运行容量。在上面描述的实施例中，输入信号是脉冲宽度调制形式的信号，其占空比可在30%和95%之间变化，分别对应于加热装置的运行容量级别在满运行容量的35%和100%之间变化，如下面的表I所示。控制器130确定步进电机120必须移动所要求的步数，该步数取决于使用的燃料是液态丙烷还是天然气，进而操作燃气阀100建立要求的运行容量级别或者如下面表I所示的流速。
权利要求
1.一种与步进电机操纵式燃气阀组合的控制器，其被设置成改变燃气流速从而改变加热装置的加热运行级别，所述控制器与步进电机操纵式燃气阀的组合包括 在所述燃气阀中相对于阀开口可移动的阀元件； 设置在所述燃气阀中的主隔板室； 设置在所述主隔板室中并且与所述阀元件连接的主隔板，该主隔板被设置成响应于施加在所述主隔板上的燃气压力的变化而可控制地相对于所述阀开口移动所述阀元件；伺服调整隔板，其被设置成调节至所述主隔板室的作用在所述主隔板上的燃气流量，从而调节所述阀元件以改变流过所述阀开口的燃气流速； 步进电机，其被设置成以步进的方式移动，从而移动所述伺服调整隔板以改变至所述隔板室的燃气流量，因此控制流过所述阀开口的燃气流速； 步进电机位置传感器，其被设置成检测所述步进电机的步进移动； 具有输入连接器的控制器，其被设置成接收指示加热运行的具体级别的输入信号；和与所述步进电机位置传感器和所述输入连接器通信的微处理器，所述微处理器被设置成检测输入信号的出现，所述输入信号指示操作所述可变加热装置所要求的运行容量级另IJ，所述微处理器包括编码有一个或多个指令的可编程存储器，从而可操作地确定所述步进电机为移动所述伺服调整隔板以建立与所述要求的运行容量级别对应的燃气流速所必须移动的步数，所述微处理器产生步进电机控制信号，该步进电机控制信号使得所述步进电机移动所确定的步数以移动所述伺服调整隔板，从而建立与所述要求运行容量级别相应的燃气流速，且所述微处理器将所述确定的步数与所述步进电机位置传感器检测到的所述步进电机实际的移动步数比较，进而验证所述步进电机的位置。
2.如权利要求I所述的控制器，其中所述微处理器被进一步设置成产生输出信号，确认所述步进电机已经移动了为建立与所述输入信号所指示的要求的运行容量级别相对应的燃气流速所需的步数。
3.如权利要求I所述的控制器，其中所述输入信号是具有4%至95%之间的占空比的脉冲宽度调制信号。
4.如权利要求1、2或3所述的控制器，其中 所述微处理器进一步被设置成通过产生回应输入信号的输出信号作为对接收所述输入信号的响应，从而确认收到了所述输入信号；和/或 输入信号是脉冲宽度调制信号，其占空比在约30%至约95%之间变化，分别对应于所述加热装置在满运行容量的约35%和约100%之间变化的运行容量级别。
5.如权利要求1、2或3所述的控制器，其中 所述控制器被设置成产生作为占空比小于30%的脉冲宽度调制信号的输出信号，确认所述步进电机已经移动了为建立与要求的运行容量级别相对应的燃气流量所需的步数；和/或 所述控制器被设置成通过产生步进电机控制信号而响应相当于复位请求的占空比小于30%的脉冲宽度调制信号，所述步进电机控制信号指示所述步进电机按照要求移动所述伺服调整隔板以闭合所述阀开口并关闭所述燃气阀；和/或 所述控制器被设置成通过产生输出信号而响应相当于步进电机位置请求的占空比小于30%的脉冲宽度调制信号，所述的输出信号是脉冲宽度调制信号，其占空比与具体的运行容量级别相关，该运行容量级别与所述步进电机为了到达当前位置而已经移动的步数相对应。
6.如权利要求1、2或3所述的控制器，其中所述控制器被设置成诊断一个或多个运行问题，并且控制至少一个指示装置用于指示一个或多个诊断情况。
7.一种用于控制可变容量加热装置的运行容量级别的系统，所述的系统包括 在燃气阀中相对于阀开口可移动的阀元件； 设置在所述燃气阀中的主隔板室； 设置在所述主隔板室中并且与所述阀元件连接的主隔板，所述主隔板被设置成响应于作用在所述主隔板上压力的变化而相对于所述阀开口移动所述阀元件； 伺服调整隔板，其用于调节至所述主隔板室的气流以控制作用在所述主隔板上的压 力，并且移动所述阀元件以改变流过所述阀开口的燃气流速； 步进电机，其被设置成以步进的方式移动从而移动所述伺服调整隔板来改变至所述主隔板室的燃气流，因此控制流过所述阀开口的燃气流量； 步进电机位置传感器，其被设置成检测所述步进电机的步进移动； 炉子控制器，其被设置成传递包括脉冲宽度调制信号的输入信号，所述输入信号指示所述可变容量加热装置的加热运行的特定级别； 控制所述步进电机运行的控制器，该控制器具有电子存储器和与所述步进电机位置传感器及所述炉子控制器通信的微处理器，该微处理器被设置成检测指示要求的运行容量级别的输入信号的出现；所述微处理器包括编码有一个或多个可操作指令的可编程存储器，用于可操作地确定所述步进电机为移动所述伺服调整隔板以建立与要求的运行容量级别对应的燃气流速所必须移动的步数，所述微处理器产生步进电机控制信号，所述控制信号使得所述步进电机移动所确定步数，从而移动所述伺服调整隔板以建立与所述要求的运行容量级别对应的燃气流速，所述微处理器将所述确定的步数与所述步进电机位置传感器检测到的所述步进电机实际移动的步数比较，进而确认所述步进电机的位置；所述微处理器向所述炉子控制器产生输出信号，确认所述步进电机已经移动了为建立与所述炉子控制器所要求的运行容量级别对应的燃气流速所需的步数。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述微处理器被进一步设置成通过产生回应输入信号的输出信号而作为对接收到所述输入信号的响应，从而确认接收到所述输入信号。
9.如权利要求7或8所述的系统，其中所述输入信号是具有4%至95%之间的占空比的脉冲宽度调制信号。
10.如权利要求7或8所述的系统，其中所述微处理器被进一步设置成通过向所述炉子控制器产生回应输入信号的输出信号作为对从所述炉子控制器接收到所述输入信号的响应，从而确认在产生步进电机控制信号以移动所述步进电机之前收到了该输入信号。
11.如权利要求7或8所述的系统，其中所述输入信号是脉冲宽度调制信号，其占空比在约30%至约95%之间变化，分别对应于所述加热装置在满运行容量的35%至100%之间变化的运行容量级别。
12.如权利要求7或8所述的系统，其中所述控制器被设置成产生脉冲宽度调制形式、占空比小于30%的输出信号，以确认所述步进电机已经移动了为建立要求的运行容量级别所需的步数。
13.如权利要求7或8所述的系统，其中所述控制器被设置成通过产生步进电机控制信号而响应相当于复位请求的占空比小于30%的脉冲宽度调制信号，所述控制信号指示所述步进电机按照要求移动所述伺服调整隔板以闭合所述阀开口并关闭所述燃气阀。
14.如权利要求7或8所述的系统，其中所述控制器被设置成诊断一个或多个运行问题，并且控制至少一个指示装置以指示一个或多个诊断情况。
全文摘要
一种用于燃气阀的控制器包括可移动的阀元件，主隔板室，和伺服调整隔板，其中所述主隔板室中具有一个与阀元件连接的主隔板以相对于阀开口移动阀元件，所述伺服调整隔板用于调节作用于主隔板上的燃气流，从而调节阀元件并改变燃气流速。步进电机被设置成以步进的方式移动从而移动伺服调整隔板，因此调整阀元件和燃气流量。步进电机的控制器包括微处理器，其接收代表运行容量级别的输入信号，且确定步进电机为移动伺服调整隔板以建立与运行容量级别相对应的燃气流量必须移动的步数。微处理器产生信号将步进电机移动一定步数，进而调整燃气阀。
文档编号F16K31/04GK102644789SQ201210097850
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者J·F·布罗克, M·桑蒂纳纳瓦特 申请人:艾默生电气公司