螺线管柱塞移动检测系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本发明要求于2019年4月15日提交的美国临时专利申请号62/833,896的所有共同主题的优先权权益。该美国临时申请的内容通过引用以其全文结合在此。

本披露涉及螺线管，更具体地涉及检测螺线管的移动属性。

背景技术：

包括制造、医疗保健和汽车等的行业内的快速自动化在很大程度上依赖于螺线管。可以在诸如办公室、旅馆和高安全区域的门锁等自动锁定机构中找到螺线管。

在需要精确并且准确的运动的医疗领域中，诸如在透析机和加药机的操作期间，电子螺线管也是很重要的。工业制造可能需要精确致动数十或数百个螺线管，例如在纺织制造系统中。

当螺线管阀无法正常工作时，通常是由于柱塞卡住了。当用于工业制造时，一个螺线管的故障可能会影响产品的质量，可能会停止生产线，并且甚至给操作员带来危险。当用于医疗或安全行业时，螺线管的故障可能导致丧失生命。

迫切期望对这种故障进行及时且可负担的检测。用于螺线管的移动检测机构具有对制造集成产生显著影响的独特属性，因为它们通常必须是小型、轻量且功能丰富的，并且它们必须以相对低的成本大批量生产。

作为电子行业的扩展，电子螺线管行业已经见证了不断增长的商业竞争压力、以及不断增长的消费者期望和市场中有意义的产品差异化的机会减少。

对螺线管运动属性的电子检测是下一代产品的开发路线图中概述的下一代电子器件插入策略的核心。除了下一代设备的性能要求之外，行业现在还要求成本成为主要的产品差异化因素，以实现利润目标。

先前已经存在用于解决对螺线管运动属性的控制和检测的要求的方法。行业路线图已经标识了当前能力与可用支持电子检测技术之间的显著差距。

一种这样的先前的用于检测螺线管运动属性的方法依赖于运算放大器、比较器和主动峰值检测器。然而，这种方法是昂贵的、消耗大量功率、并且不易配置。

鉴于不断增长的商业竞争压力以及不断增长的消费者期望和市场中有意义的产品差异化的机会减少，找到这些问题的答案就至关重要。另外，降低成本、降低功率要求、提供可配置性、以及满足竞争压力的需要使得寻找这些问题的答案的关键必要性甚至更迫切。

因此，仍然需要准确、低成本、高度可配置并且具有显著较低的功率要求的对螺线管运动属性的控制和检测。长期以来一直在寻求这些问题的解决方案，但是先前的发展并没有教导或建议任何解决方案，并且因此这些问题的解决方案长期以来难倒了本领域技术人员。

附图说明

在附图中展示了检测系统，这些附图旨在是示例性的而非限制性的，在附图中，相同的附图标记旨在表示相同的部件，并且在附图中：

图1是第一实施例中的检测系统100的框图。

图2是由图1的电流传感器检测到的电流的图形描绘。

图3是第二实施例中的检测系统300的框图。

图4是用于利用检测系统来检测螺线管柱塞移动的控制流程。

具体实施方式

在以下描述中，参考形成该描述的一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实践检测系统的实施例。应当理解，在不脱离检测系统的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构改变。

当在过程、操作、控制流程或流程图的步骤方面描述检测系统的特征、方面或实施例时，应当理解，在不脱离如本文所述的检测系统的情况下，这些步骤可以组合、以不同的顺序执行、删除或包括附加步骤。

足够详细地描述了检测系统，以使得本领域技术人员能够制造和使用检测系统并提供许多具体细节以便彻底了解检测系统；然而，将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践该检测系统。

为了避免模糊检测系统，并未详细地披露一些众所周知的系统配置和描述。同样地，示出系统的实施例的附图是半示意性的且不按比例，并且具体地，为了呈现的清晰，一些尺寸在附图中放大地示出。

通常，检测系统可以在任何取向上操作。如本文所使用的，术语“耦合”或“被耦合”是指部件之间的电连接。术语“系统”是指机器或装置。

现在参考图1，其中示出了第一实施例中的检测系统100的框图。检测系统100可以包括螺线管102。

螺线管102被描绘为单个螺线管，然而应当理解，螺线管102代表一个或许多螺线管。螺线管102可以例如是线性螺线管，也称为线性机电致动器。螺线管102可以包括缠绕在螺线管主体104内的圆柱形管周围的电线圈以及磁致动器或柱塞106。

柱塞106可以自由地移动或滑动进入和离开螺线管102的本体104。当电流经过螺线管102的主体104内的线圈时，线圈表现得像电磁体一样，并且位于线圈内部的柱塞106被线圈内建立的磁通量吸引朝向线圈的中心。

随着柱塞106朝向主体104的中心移动，柱塞106可以压缩位于螺线管102的主体104内并且被附接到柱塞106的一端的小弹簧。柱塞106的移动的力和速度由线圈内生成的磁通量的强度来确定。

当供应电流被关断时，由线圈产生的电磁场将消失，从而释放柱塞106，并且允许被压缩的弹簧迫使柱塞106回到其起始休息位置。螺线管102可以耦合到电源108。

电源108可以供应致动柱塞106使其进入和离开螺线管102的主体104所需的电流。在螺线管102与电源108之间，检测系统100可以包括电流传感器110。

电流传感器110可以检测和输出被供应到螺线管102的如图2所表示的电流。电流传感器110可以检测从电源108供应到螺线管102的电流的量。电流传感器110可以将检测到的电流指示为模拟输出值。电流传感器110的输出端可以耦合到电流比较器112。

电流比较器112可以例如是电流驱动调节回路114内的部件。电流驱动调节回路114可以确保受控量的电流被供应到螺线管102。

电流驱动调节回路114可以包括调节部件116，这些部件包括如电阻器、电容器和电感器等无源部件以及诸如晶体管等有源部件。电流驱动调节回路114的输出可以被供应到电源108。

已经发现，利用同一电流比较器112作为电流驱动调节回路114的部件以及检测系统100的部件会减少零件数目、减少占用面积、降低设计复杂度、并且很重要的是降低成本。

电流比较器112与递增/递减计数器118和数模转换器或电流数模转换器(dac)120一起可以跟踪由电流传感器110检测到的电流。耦合到电流比较器112并且耦合到电流dac120的递增/递减计数器118可以操作以将被供应到螺线管的电流转换为数字信号。说明性地，例如，电流比较器112可以包括两个模拟输入，一个输入来自电流传感器110，并且另一个输入来自电流dac120。

电流比较器112的输出可以是数字信号，该数字信号指示来自电流传感器110的最近检测到的电流是高于还是低于由电流dac120的输出提供的先前检测到的电流。电流比较器112的输出可以被供应到递增/递减计数器118。

递增/递减计数器118可以通过基于由电流比较器112供应的输出来递增或递减计数，从而产生并供应由电流传感器110检测到的电流的数字表示。然后，电流dac120可以将由递增/递减计数器118供应的、电流的数字表示转换为电流的模拟表示。

然后，来自电流dac120的、电流的模拟表示可以被供应到电流比较器112，以便与来自电流传感器110的最近检测到的电流进行比较。来自递增/递减计数器118的数字信号输出可以被供应到数字峰值检测器122和数字比较器124两者。

数字峰值检测器122可以包括寄存器，该寄存器用于保持和供应来自递增/递减计数器118的最大数字输出，该最大数字输出是在电流螺线管102的周期内检测到的。来自递增/递减计数器118的最大数字输出可以对应于图2的峰值206。

递增/递减计数器118可以向数字比较器124供应电流的随后数字表示。例如，电流的随后数字表示可以是在数字峰值检测器122锁存到峰值206之后的一个或许多时钟周期。

因此，数字比较器124可以在稍后的时间将峰值206与来自递增/递减计数器118的数字输出进行比较。由数字比较器124进行的这种比较可以测量峰值206与来自递增/递减计数器118的随后数字输出之间的差值。

说明性地，例如，此差值可以是图2的峰值206与谷值210之间的差值。数字比较器124可以包括下降幅度阈值126。

下降幅度阈值126可以是峰值206与谷值210之间的差值的阈值。如果峰值206与谷值210之间的差值(如由数字比较器124确定的)大于下降幅度阈值126，则检测到柱塞106的正确运动。

当峰值206与谷值210之间的差值(如由数字比较器124确定的)小于下降幅度阈值126时，则未检测到柱塞106的正确运动，并且生成错误。在峰值206与谷值210之间的差值小于下降幅度阈值126时，数字比较器124可以输出故障。在极端情况下，当峰值206与谷值210之间的差值很小时，峰值206和谷值210将会很平滑——如在不正确的电流上升曲线204中示出的——并且这指示螺线管104的平滑且不正确的电流上升。

已经发现，与经受低可配置性、高功率耗散和高成本的在模拟域中进行的运动检测相比，在数字域中确定并处理峰值206、下降208和谷值210提供降低的功耗、降低的成本以及更佳的可配置性。进一步地，已经发现，由检测系统100报告的检测到的错误可以提供对不正确的柱塞106运动的及时且可负担的检测，这在包括制造行业、医疗保健行业和汽车行业在内的许多行业中是非常期望的。

现在参考图2，其中示出了由图1的电流传感器110检测到的电流的图形描绘。电流传感器110可以检测被提供到图1的螺线管102的电流的电流上升。

出于说明性的目的，由电流传感器110检测到的电流可以被描绘为正确的电流上升曲线202和不正确的电流上升曲线204。正确的电流上升曲线202可以由在螺线管102内移动的图1的柱塞106产生。

即，正确的电流上升曲线202可以指示正常工作的螺线管102。正确的电流上升曲线202可以包括峰值206和下降208。

导致峰值206出现的下降208可能是由柱塞106在螺线管102内部的移动所生成的瞬时反电动势(bemf)引起的。不正确的电流上升曲线204被示出为是平滑的，其中在不正确的电流上升曲线204内消除了下降208和峰值206。这种经平滑的电流上升表明柱塞106未在螺线管102内移动。

正确的电流上升曲线202的峰值206可以指示柱塞106的运动何时开始。柱塞106将继续移动通过下降208，该下降会结束于谷值210。

谷值210可以指示柱塞106何时结束了其运动。一旦柱塞106已经结束了其运动，正确的电流上升曲线202就可以继续上升至最大电流212。

现在参考图3，其中示出了第二实施例中的检测系统300的框图。检测系统300可以包括螺线管302。

螺线管302被描绘为单个螺线管，然而应当理解，螺线管302代表一个或许多螺线管。螺线管302可以例如是线性螺线管，也称为线性机电致动器。

螺线管302可以包括缠绕在螺线管主体304内的圆柱形管周围的电线圈以及磁致动器或柱塞306。

柱塞306可以自由地移动或滑动进入和离开螺线管302的本体304。当电流经过螺线管302的主体304内的线圈时，线圈表现得像电磁体一样，并且位于线圈内部的柱塞306被线圈内建立的磁通量吸引朝向线圈的中心。

随着柱塞306朝向主体304的中心移动，柱塞306可以压缩位于螺线管302的主体304内并且被附接到柱塞306的一端的小弹簧。柱塞306的移动的力和速度由线圈内生成的磁通量的强度来确定。

当供应电流被关断时，由线圈产生的电磁场将消失，从而释放柱塞306，并且允许被压缩的弹簧迫使柱塞306回到其起始休息位置。螺线管302可以耦合到电源308。

电源308可以供应致动柱塞306使其进入和离开螺线管302的主体304所需的电流。在螺线管302与电源308之间，检测系统300可以包括电流传感器310。

电流传感器310可以检测和输出被供应到螺线管302的如图2所表示的电流。电流传感器310可以检测从电源308供应到螺线管302的电流的量。电流传感器310可以将检测到的电流指示为模拟输出值。电流传感器310的输出端可以耦合到电流比较器312。

电流比较器312可以例如是电流驱动调节回路314内的一部分。电流驱动调节回路314可以确保受控量的电流被供应到螺线管302。

电流驱动调节回路314可以包括调节部件316，这些部件包括如电阻器、电容器和电感器等无源部件以及诸如晶体管等有源部件。电流驱动调节回路314的输出可以被供应到电源308。

已经发现，利用同一电流比较器312作为电流驱动调节回路314的部件以及检测系统300的部件会减少零件数目、减少占用面积、降低设计复杂度、并且很重要的是降低成本。

电流比较器312与递增/递减计数器318和数模转换器或电流dac320一起可以跟踪由电流传感器310检测到的电流。说明性地，例如，电流比较器312可以包括两个模拟输入，一个输入来自电流传感器310，并且另一个输入来自电流dac320。

电流比较器312的输出可以是数字信号，该数字信号指示最近检测到的电流是高于还是低于先前检测到的电流。电流比较器312的输出可以被供应到递增/递减计数器318。

递增/递减计数器318可以通过基于由电流比较器312供应的输出来递增或递减计数，从而产生并供应由电流传感器310检测到的电流的数字表示。然后，电流dac320可以将由递增/递减计数器318供应的、电流的数字表示转换为电流的模拟表示。

然后，来自电流dac320的、电流的模拟表示可以被供应到电流比较器312，以便与来自电流传感器310的最近检测到的电流进行比较。来自递增/递减计数器318的数字输出可以被供应到数字峰值检测器322和数字比较器324两者。

数字峰值检测器322可以包括寄存器，该寄存器用于保持和供应来自递增/递减计数器318的最大数字输出，该最大数字输出是在电流螺线管302的周期内检测到的。来自递增/递减计数器318的最大数字输出可以对应于图2的峰值206。

递增/递减计数器318可以向数字比较器324供应电流的随后数字表示，以便与由数字峰值检测器322供应的峰值206进行比较。例如，电流的随后数字表示可以是在数字峰值检测器322锁存到峰值206之后的一个或许多时钟周期。

因此，数字比较器324可以在稍后的时间将峰值206与来自递增/递减计数器318的数字输出进行比较。由数字比较器324进行的这种比较可以测量峰值206与来自递增/递减计数器318的随后数字输出之间的差值。说明性地，例如，此差值可以是图2的峰值206与谷值210之间的差值。

已经发现，与经受低可配置性、高功率耗散和高成本的在模拟域中进行的运动检测相比，在数字域中确定峰值206、下降208和谷值210提供降低的功耗、降低的成本以及更佳的可配置性。

递增/递减计数器318和数字比较器324可以具有耦合到其的数字接口326。数字接口326可以提供诸如串行外围接口等接口，用于提供用户可配置参数；然而，在不脱离所披露的检测系统300的情况下，也可以使用其他数字接口。

说明性地，数字接口326可以为递增/递减计数器318提供用户可配置的开始/结束阈值328。开始/结束阈值328可以是用于递增/递减计数器318的阈值，该阈值用于确定递增/递减计数器318何时将开始和结束其上述操作。在递增/递减计数器318内实施开始/结束阈值328可以依赖于到递增/递减计数器318的时钟输入，以仅在开始/结束阈值之间的时间期间将被供应到螺线管的电流转换为数字信号。

此外，开始/结束阈值328可以用于识别与需要维修或替换的螺线管302相关的不正确的柱塞移动。数字接口326还可以向数字比较器324供应可编程的下降幅度阈值330。

下降幅度阈值330可以是峰值206与谷值210之间的差值的阈值。如果峰值206与谷值210之间的差值(如由数字比较器324确定的)大于下降幅度阈值330，则检测到柱塞306的运动。

当峰值206与谷值210之间的差值(如由数字比较器324确定的)小于下降幅度阈值330时，则未检测到柱塞306的运动，并且生成错误。数字接口326可以进一步向数字信号处理器332提供多个可配置参数。如将理解的，数字接口326可以向递增/递减计数器318、数字比较器324、数字信号处理器332或其组合提供这些可配置参数。

说明性地，例如，数字信号处理器332可以为从数字比较器324输出的信号提供数字处理，或者在另一个设想的实施例中，为来自递增/递减计数器318的、电流的数字表示提供数字处理。数字信号处理器332可以是专用微处理器，并且其架构针对数字信号处理的操作要求进行了优化，这些操作要求包括对来自数字比较器324的信号进行连续处理；并且就该操作要求而言，通用处理器不足以实时连续处理此信号。例如，可以利用电阻器-晶体管逻辑(rtl)或组合逻辑来实施数字信号处理器332以及递增/递减计数器318、数字峰值检测器322和数字比较器324。

rtl电路可以利用电阻器和双极结型晶体管来建立。组合逻辑可以对到数字信号处理器332的输入信号执行布尔运算。进一步设想的是，例如，可以在现场可编程门阵列(fpga)、或在专用集成电路(asic)上实施数字信号处理器332、递增/递减计数器318、数字峰值检测器322和数字比较器324。

说明性地，数字信号处理器332可以提供搜索滤波器，用于缩小在其中可以检测到峰值206和谷值210的电流范围。例如，用于缩小电流范围的滤波器可以被配置为使用数字接口326来设置顶部搜索水平和底部搜索水平334。

数字信号处理器332可以进一步提供可编程的定时参数。定时参数可以包括抗尖峰脉冲定时336，用于消除螺线管302的周期中不指示电力供电的柱塞运动的噪声部分。

数字信号处理器332可以仍进一步提供其他用户可配置信号处理滤波器参数。例如，信号处理滤波器参数可以包括斜率曲线338。

斜率曲线338可以是在图2的下降208之前、期间和之后的预期斜率。数字信号处理器332可以将来自递增/递减计数器318的在下降208之前、期间和之后的斜率与斜率曲线338进行比较。

如果来自递增/递减计数器318的测得的电流的在下降208之前、期间和之后的斜率与斜率曲线338偏差大于斜率阈值，则可以生成错误。也可以使用数字接口326将斜率阈值提供为用户可配置参数。

数字接口326可以进一步耦合到存储器340。例如，存储器340可以包括寄存器或静态随机存取存储器(sram)。

存储器340可以存储螺线管102的测得的参数，诸如下降幅度、在开始供应电流与到达峰值206之间的时间量、以及在下降208之前、期间和之后的斜率。

数字接口326可以将来自螺线管102的先前测量结果从存储器340提供到数字信号处理器332。数字信号处理器332可以将来自螺线管102的先前测量结果与螺线管102的当前测量结果进行比较，以确定螺线管102的老化程度。

设想的是，存储器340可以进一步包括被提供到数字信号处理器332的阈值，该阈值用于确定螺线管102的先前测量结果与当前测量结果之间的差值是否大到足以被认为是错误。已经发现，将当前测量结果与先前测量结果进行比较可以测量随着螺线管102的老化螺线管102中的变化，并且使得能够替换或维护螺线管102。

已经发现，由检测系统300报告的检测到的错误可以提供对不正确的柱塞306运动的及时且可负担的检测，这在包括制造行业、医疗保健行业和汽车行业在内的许多行业中是非常期望的。

现在参考图4，其中示出了用于利用检测系统来检测螺线管柱塞移动的控制流程，该控制流程包括：在框402中，利用电流传感器来检测被供应到螺线管的电流；在框404中，利用耦合到第一比较器的计数器将被供应到螺线管的电流转换为数字信号；在框406中，利用峰值检测器来检测数字信号内的峰值；在框408中，利用耦合到峰值检测器的第二比较器将峰值与数字信号进行比较；在框410中，利用第二比较器来测量从峰值开始的下降，并且测量谷值；在框412中，在峰值和谷值指示螺线管的平滑电流上升时生成错误；在框414中，利用信号处理器来接收用于处理数字信号的可配置参数；以及在框416中，利用接口来向计数器、第二比较器、信号处理器或其组合提供可配置参数。

因此，已发现检测系统提供了重要且迄今未知且不可用的解决方案、能力和功能方面。所得的配置是简单、经济、不复杂、高度通用、准确、灵敏且有效的，并且可以通过采用已知部件来实施，以用于现成、高效且经济的制造、应用和利用。

虽然已经结合特定的最佳模式描述了检测系统，但是应当理解，鉴于先前的描述，许多替代方案、修改和变型对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的范围内的所有此类替代方案、修改和变型。本文阐述或附图中示出的所有主题将以说明性且非限制性的意义解释。