(57)【要約】  電気機械式バルブ要素（１１６）を制御するためのシステム（１００）および方法（３００，５００）。それらの方法は、電気機械式バルブ要素の電気機械式誘導コイル（２０２）に対し、電気機械式バルブ要素のバルブ（２０６）を作動させるのに必要な電力レベルよりも低い電力レベルでＰＷＭ信号を供給することにより、バルブを通して磁束を蓄積させることを含む。バルブを開く必要がある場合、電気機械式誘導コイルに供給される電力がバルブを作動させるのに十分な電力レベルに達するように、ＰＷＭ信号の振幅を増幅させる。特に、ＰＷＭ信号の電力サイクル時間がバルブを開くのに必要な最小電力を超えて増加した場合に、バルブが開く。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械式バルブ要素の制御方法であって、
前記電気機械式バルブ要素の電気機械式誘導コイルに対し、前記電気機械式バルブ要素のバルブを作動させるのに必要なパルス幅変調電流レベルよりも低いパルス幅変調平均電流レベルでパルス幅変調信号を供給することにより、前記バルブを通して磁束を蓄積させ、
前記バルブを開く必要がある場合に、前記電気機械式誘導コイルに供給される平均電力が前記バルブを作動させるのに十分な電力レベルに達するように、前記パルス幅変調信号の振幅を増幅させる、
ことを備えた、電気機械式バルブ要素の制御方法。
【請求項２】
所定の時間内に前記バルブを開く必要がないという判断がなされた場合に、前記電気機械式誘導コイルへの前記パルス幅変調信号の供給を停止することをさらに備えた、請求項１に記載の電気機械式バルブ要素の制御方法。
【請求項３】
推進システムの電気機械式バルブ要素の制御方法であって、
前記電気機械式バルブ要素の電気機械式誘導コイルに対し、前記電気機械式バルブ要素のバルブを作動させるのに必要なパルス幅変調電流レベルよりも低いパルス幅変調平均電流レベルでパルス幅変調信号を供給することにより、前記バルブを通して磁束を蓄積させ、
前記電気機械式誘導コイルに供給される平均電力が前記バルブを作動させるのに十分な電力レベルに達するように、前記パルス幅変調信号の振幅を増幅させることにより、前記推進システムのエンジンに推進剤を通流させる、
ことを備えた、推進システムの電気機械式バルブ要素の制御方法。
【請求項４】
前記バルブを開く必要があると判断された場合に、前記パルス幅変調信号の振幅が増幅されることを特徴とする請求項３に記載の制御方法。
【請求項５】
所定の時間内に前記バルブを開く必要がないという判断がなされた場合に、前記電気機械式誘導コイルへの前記パルス幅変調信号の供給を停止することをさらに備えた、請求項５に記載の制御方法。
【請求項６】
アクチュエータであって、このアクチュエータへの供給時に該アクチュエータの駆動を生じさせる吸引平均電流を有する、アクチュエータと、
前記アクチュエータに接続したパルス幅変調回路と、
を備え、
前記パルス幅変調回路は、前記吸引平均電流よりも低い正の非ゼロ値を有する吸引前平均電流を安定して持続させる、システム。
【請求項７】
前記吸引前平均電流により、前記アクチュエータを駆動させるのには十分な量ではないが、前記アクチュエータの駆動時間を低減するのに十分な量の磁束を、前記アクチュエータを通して蓄積させることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記アクチュエータに対し、このアクチュエータを駆動するのに必要な電力レベルを下回る電力レベルでパルス幅変調信号を供給することにより、前記磁束が、前記アクチュエータを通して蓄積されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記アクチュエータが所定の時間内に作動位置をとる必要がないという判断がなされた場合に、前記パルス幅変調回路が、前記アクチュエータへの前記パルス幅変調信号の供給を停止することをさらに備えた、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記アクチュエータの駆動により、前記システムのエンジンに推進剤を通流させることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ用の制御装置を備えた電子システムに関する。特に、パルス幅変調周波数電源制御装置（“PWM” frequency power control）を用いた、アクチュエータを制御するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軌道上打上げ機には、クルーカプセル用の分離システムが設けられる。分離システムは一般的には、打上げ機からクルーカプセルを引き離す固体燃料ロケットシステムである。作動中、一つ以上の電源から軌道上打上げ機の電源管理および配電（「ＰＭＤ」）システムへと電力が供給される。そこから全ての負荷に電力が分配される。それらの負荷は、これに限定しないが、バスロード、ペイロード、およびサービスモジュール推力発生（「ＳＭＰ」）システムを含む。ＰＭＤシステムは、フィルタ、バッテリ、コンバータ、分離回路、レギュレータを備えた回路の集合体を含む。作動中、ＰＭＤシステムは、バス全体を通してＳＭＰシステム、バスロード、ペイロード、およびバッテリチャージャに分配される安定化したバス電圧を出力する。ＳＭＰシステムは、エンジンと、エンジン電源と、（一つまたは複数の）推進剤タンクと、を備える。概して、エンジンは、軌道上打上げ機で用いられて、飛行時にその位置調節を支援するように構成される。一つまたは複数の推進剤タンクからエンジンへの推進剤の供給を、様々なバルブが制御する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は電気機械式バルブ要素を制御するためのシステムおよび方法に関する。その方法は、電気機械式バルブ要素の電気機械式誘導コイルに対し、バルブを作動させるのに必要な電流レベルよりも低い平均ＰＷＭ電流レベルでＰＷＭ信号を供給することにより、バルブを通して磁束を蓄積（building up）させることを備える。バルブを開く必要がある場合、電気機械式誘導コイルに供給される電流がバルブを作動させるのに十分なレベルに達するように、ＰＷＭ信号の振幅を増加させる。特に、ＰＷＭ信号の電力サイクル時間がバルブを開くのに必要な最小電力を超えて増加した場合に、バルブが開く。
【０００４】
一旦バルブが開くと、ＰＷＭ信号の振幅は低減される。その振幅は、バルブに印加される磁界が依然としてバルブを開位置に維持するのに十分な強度となるように、低減される。バルブに印加される磁界がバルブを開位置に維持するのに十分でない強度まで減少するように、ＰＷＭ信号の振幅をさらに低減させることにより、バルブが閉じられる。所定の時間内にバルブを駆動する必要がない場合、電気機械式誘導コイルへのＰＷＭ信号の供給が完全に停止（removed）される。
【０００５】
本発明はまた、アクチュエータと、そのアクチュエータに接続したＰＷＭ回路と、を含むアクチュエータコントローラに関する。アクチュエータは、吸引平均電流（pull-in average current）を有し、この吸引平均電流は、アクチュエータに供給されたときにアクチュエータの駆動を生じさせる。作動中、ＰＷＭ回路は、吸引平均電流よりも低い正の非ゼロ値を有する吸引前平均電流（pre-pull-in average current）を安定して持続させるように動作可能である。本明細書中で用いられるように、文言「安定して持続させる（hold steady）」とは、所定時間の間、特定の値の平均電流を有するＰＷＭ信号を供給することを意味する。
【０００６】
以下の図面を参照しながら実施例について説明する。同様の参照符号は図面を通して同様の要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】宇宙飛行体の一例の電力系統の概略図。
【図２】バルブ要素の一例の構成の概略図。
【図３】図１に示すバルブ要素のバルブの開閉を制御するための一例の方法の流れ図。
【図４】本発明の開示を理解するために有用な２つの信号を示すグラフ。
【図５】アクチュエータを制御するための別の例の方法の流れ図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明はアクチュエータを制御するための装置および方法の実施を対象とする。アクチュエータ（例えば、コイル）が別の機械要素（例えば、バルブ）と係合する速度は通常のシステムよりも速い。本明細書で用いられるように、用語「アクチュエータ」は、機械装置を移動させる電気機械式装置に関する。一部のシナリオでは、アクチュエータの要素はコイルベースのソレノイドであり、そのコイルは電磁誘導力を介して移動する。アクチュエータコントローラシステムは高速反応機械コンポーネントが必要なあらゆる用途に使用されうる。例えば、本発明はまた、医療用、燃焼システム（例えば、自動車、工業設備、または同様の産業）、食品加工用、および／または製薬用に用いられる。この概念は、バルブをその（流量制御された）開位置に加速させることにより、気体媒体または液体媒体の正確な物質移動を向上させるための技術として用いられる。
【０００９】
ここで図１を参照すると、スペースステーションに対する業務、既存の衛星の整備、軌道上における装置の配備、およびその他の活動などの、宇宙環境における活動を容易にするための宇宙飛行体用のサービスモジュール推力発生（ＳＭＰ）システム１００の概略図を示す。この点に関し、ＳＭＰシステムは、宇宙飛行体をその他の物体から離れるようにまたはその物体に向かうように誘導すべく、十分な推力を発生させるように構成される。
【００１０】
図１に示すように、ＳＭＰシステム１００は、電源管理および配電（「ＰＭＤ」）システム１０２と、エンジンおよび推進剤（「Ｅ／Ｐ」）システム１０４と、軌道修正および姿勢制御コントローラ（「ＯＭＡＣ」）１０６と、反動姿勢制御システム（「ＲＣＳ」）１０８と、加圧剤（pressurant）システム１３２と、制御モジュール１３４と、を備える。列記のコンポーネント１０６，１０８，１３２，１３４は周知のものであり、ここでは議論しない。
【００１１】
作動中、電力が一つ以上の電源（図示せず）からＰＭＤシステム１０２へと供給される。電源は、これに限定しないが、バッテリ、燃料電池、および／または太陽電池を含みうる。ＰＭＤシステム１０２は、ＳＭＰシステム１００の全ての負荷１０４，１０６，１０８，１３２，１３４に電力を分配する。この点に関し、ＰＭＤシステム１０２は、フィルタ、バッテリ、コンバータ、分離回路、および／またはレギュレータを備えた回路の集合体を含む。それらの回路は、バッテリチャージャはもとより負荷１０４，１０６，１０８，１３２，１３４にバス全体を通して分配される、安定化したバス電圧を出力するように配置される。
【００１２】
Ｅ／Ｐシステム１０４は、一つ以上のエンジン１２０およびエンジン電源１２２を含みうる。エンジン電源１２２は、概ね（一つまたは複数の）エンジン１２０を「オン」または「オフ」に切り替えるようにエンジン１２０に電力を供給するように構成される。この点に関し、ＰＭＤシステム１０２からの安定化したバス電圧出力が、参照符号１１４で示されるように、エンジン電源１２２に分配される。安定化したバス電圧は、（一つまたは複数の）エンジン１２０を起動させるようにエンジン電源１２２によって用いられる。起動時に、（一つまたは複数の）エンジン１２０には、一つまたは複数のタンク１１０に貯蔵された推進剤が供給される。（一つまたは複数の）タンクから（一つまたは複数の）エンジンへの推進剤の供給を制御するように少なくとも一つのバルブ要素１１６が設けられる。
【００１３】
バルブ要素１１６は、これに限定しないが、電気機械的バルブ（例えば、電磁弁）を含む。電気機械的バルブおよび電磁弁は周知であり、本明細書中では詳細に説明しない。バルブ要素１１６の一例の構成の概略図を図２に示す。バルブ要素１１６は本明細書中では正常時締切弁を備えるものとして説明する。しかしながら、バルブ要素１１６は代替的に正常時開放弁を備えてもよい。
【００１４】
図２に示すように、バルブ要素１１６は、電磁誘導コイル（electromagnetically inductive coil）２０２と、導電性ロッド２０４と、バルブ２０６と、を備える。バルブ要素１１６、誘導コイル２０２、および／または導電性ロッド２０４は、本明細書中では（一つまたは複数の）アクチュエータとも呼ぶ。バルブ２０６は通常、閉位置にある。バルブ２０６は、バルブ制御装置（「ＶＣＤ」）１２４から受信した電気的信号に応答して開位置に移行する。このシナリオでは、推進剤が、推進剤供給管１１２，１１８を介してタンク１１０からエンジン１２０へと流れるのを可能にする。その後のバルブ２０６の開閉はまた、ＶＣＤ１２４によって制御されて、その動作を通じてエンジン１２０への推進剤の流れを調整する。
【００１５】
特に、ＶＣＤ１２４は、バルブ要素１１６のバルブの開閉を制御する新規の方法を実現する。その新規の方法３００の概略図を図３に示す。方法３００を正常時締切電磁弁のシナリオに関して説明する。理解されるように、本明細書中で使用されるアクチュエータ制御技術は正常時開放弁でも用いられる。その場合、方法３００は、それに応じて変更してもよい。
【００１６】
方法３００は、概してバルブ要素１１６の電磁誘導コイル２０２に対し、バルブ２０６が開放する速度よりも速い周期的オン／オフ速度で電力を供給することを含む。理解されるように、電磁誘導コイル２０２が導電性ロッド２０４の周りに巻かれており、導電性ロッド２０４は、矢印２１４で示すように、コイルのインダクタンスを変化させるようにコイル２０２の中および外へと移動し、それにより電磁石を提供する。電磁石により特定の強さの磁界がバルブ２０６に印加されると、バルブが矢印２０８によって示される方向に動かされ、それによりバルブが閉状態から開状態に移行される。磁界の強さがある一定の量にまで低減されると、バルブが矢印２１０によって示される方向に動かされ、それによりバルブが開状態から閉状態に移行される。
【００１７】
図３に示されるように、方法３００はステップ３０２で開始して、ステップ３０４を引き続き実行して、電磁誘導コイル２０２に対し、バルブ要素１１６のバルブ２０６を駆動するのに必要な実際のＰＷＭ（パルス幅変調）電流レベルよりも低いＰＷＭ平均電流レベルで電気的ＰＷＭ信号（例えば、図４の電気的ＰＷＭ信号４０６）を供給する。それによりステップ３０６に示すように、バルブ２０６を通る磁束の蓄積（buildup）が可能となる。
【００１８】
所定の時間内にバルブ２０６を駆動するすなわち開く必要がない場合［３０８：ＮＯ］、バルブ要素１１６への電力の供給が停止（removed）されるステップ３１０が行われる。一方、所定の時間内にバルブ２０６を駆動するすなわち開く必要がある場合［３０８：ＹＥＳ］、方法３００はステップ３１２〜３２０へと続いて、適切な時間にバルブが開閉される。
【００１９】
この点に関し、ステップ３１２はバルブ２０６をいつ開放する必要があるかを判断することを含む。現時点でバルブ２０６を開放する必要がある場合［３１２：ＹＥＳ］、ステップ３１４が実行される。ステップ３１４は、電磁誘導コイル２０２に供給される電力が、バルブを駆動するのに必要な実際の電力レベル（例えば、図４のピーク４０２で示す電力レベル）に達するように、電気的ＰＷＭ信号の電流（または振幅）を増加させることを含む。ステップ３１６に示すように、電力供給されるサイクル時間がバルブに必要な開き時間を超えて増加した場合に、バルブ２０６が開く。一旦バルブが開くと、バルブは開位置に維持される。この点に関し、電気的ＰＷＭ信号の振幅は、ステップ３１８に示されるように、省電力および熱還元の理由により低減される。電磁誘導コイル２０２に供給される電力はバルブ２０６を駆動するのに必要な電力レベルを下回るが、磁界は依然としてバルブを開位置に維持できる強度となるように、振幅を低下させる。振幅の低下は、ＰＷＭ信号の電圧および／または電流を低下させることにより実現される。
【００２０】
バルブを閉じる必要がある場合［３２０：ＹＥＳ］、次いでＰＷＭ信号の振幅がさらに低減されるステップ３２２が実行される。具体的には、ＰＷＭ信号の振幅は、バルブ２０６に印加される磁界がバルブを開位置に維持できるほど強くはない強度となる値まで低減される。その後、方法３００はステップ３０８に戻る。
【００２１】
この方法の実施の結果、バルブ２０６の駆動速度（すなわち開放速度）は、（例えば、図４の期間４０４によって示されるように）従来のバルブの駆動速度に比べて著しく増加する。例えば、従来のバルブは一般的に１００ミリ秒で開くが、本発明を利用するバルブは７４〜８４ミリ秒で開く。この例はバルブの開き時間の１６〜２６パーセントの向上として反映される。バルブの駆動速度の増加により、推進剤の、エンジン１２０へのより正確な流れを容易にし、それにより推進剤使用の効率を向上させる。加えて、こうした低コストのバルブは推進用またはエンジン用に用いてもよい。さらに、バルブ要素１１６が受ける電力サージは従来のものに比べて減少する。
【００２２】
再び図１を参照すると、電気的ＰＷＭ信号はバルブ制御装置（ＶＣＤ）１２４のＰＷＭバルブドライバ（またはＰＷＭ回路）１２６によって生成される。ＰＷＭバルブドライバ１２６は変調技術を実装するハードウェアおよび／またはソフトウェアを含む。ハードウェアは、これに限定しないが、電子回路を含む。変調技術は周知であり、本明細書中では説明しない。周知のもしくはこれから周知となる変調技術を限定することなく用いることができる。全ての場合において、変調技術は、変調器の信号情報に基づいて電気信号のパルス幅を調整することができる。こうした変調から生じたＰＷＭ信号は概ね一定のパルス幅と周波数（例えば、約１６キロヘルツ）とを有するチョッパ方形波（chopped square wave）を備える。特に、ＰＷＭ信号の周波数は２つの異なるバルブコントロールの応用例と同じでなくても良い。
【００２３】
変調技術により、バルブ要素１１６に供給される電力の制御が可能となる。一部のシナリオでは、供給される電力は、エンジン電源１２２とバルブ要素１１６との間に配置されたスイッチ１３０を用いることにより制御される。スイッチ１３０は、これに限定しないが、半導体スイッチを含みうる。半導体スイッチは周知であり、本明細書中では説明しない。周知のもしくはこれから周知となる半導体スイッチを限定することなく用いることができる。スイッチ１３０は相対的に速い速度で「オン」および「オフ」に切り替えられる。スイッチ１３０が「オフ」にされている期間に比べて「オン」が長いほど、バルブ要素１１６に供給される電力が高くなる。スイッチング周波数は、バルブ２０６が開くことができる速度よりも速くなるように選択される。適切な時間でのスイッチ３３０の「オン」および「オフ」の切替えを容易にするようにタイミング回路１２８が提供される。タイミング回路１２８は、バルブ２０６の開／閉速度よりも速い速度で発振するように設計される。
【００２４】
ここで図５を参照すると、アクチュエータを制御（例えば、バルブ要素１１６のバルブの開閉など）するための別の新規の方法５００の流れ図を示す。方法５００はステップ５０２で開始して、ステップ５０４を引き続き実行して、ＰＷＭ回路（例えば、図１のＰＷＭバルブドライバ１２６）がアクチュエータ（例えば、図１のバルブ要素１１６）と接続される。アクチュエータは、吸引平均電流（pull-in average current）を有し（例えば、図４の吸引平均電流４０８）、この吸引平均電流は、アクチュエータに供給されたときにアクチュエータの駆動を生じさせるのに十分な値の電流を有する。
【００２５】
作動中、ＰＷＭ回路は、ステップ５０６に示すように、吸引平均電流よりも低い正の非ゼロ値を有する吸引前平均電流（pre-pull-in average current）（例えば、図４の吸引前平均電流４１０）を安定して持続させる。本明細書中で用いられるように、語句「持続させる」とは、変動量を維持するまたは制限することを意味する。本明細書中で用いられるように、語句「安定して」とは、大きく変動または変化しないことを意味する。吸引前平均電流により、アクチュエータを通して磁束が蓄積される。磁束はアクチュエータを作動させるのに十分な量ではないが、アクチュエータの作動時間（例えば、バルブの開／閉時間）を増加させるのに十分な量である。アクチュエータに対し、アクチュエータを作動するのに必要な電力レベルを下回る電力レベルでＰＷＭ信号（例えば、図４の信号４０６）を供給することにより、磁束がアクチュエータを通して蓄積される。上記のように、かつステップ５０７で示すように、ＰＷＭ信号の電力サイクル時間がバルブを開くために必要な電力レベルを超えて増加した場合に、バルブが開く。
【００２６】
所定時間後、ステップ５０８が実行され、ここでＰＷＭ回路は、アクチュエータに印加される磁界が依然としてアクチュエータを作動位置（例えば、開位置）に維持できるのに十分な強度となるように、ＰＷＭ信号の振幅を低下させる。この振幅は、ステップ５１０において、アクチュエータに印加される磁界がアクチュエータを作動位置に維持できるほど十分な強度とはならないようにさらに低下させることができ、それにより、アクチュエータが作動位置（例えば、開位置）から非作動位置（例えば、閉位置）へと移行される。ステップ５１２に示されるように、アクチュエータが所定の時間内に作動位置をとる必要がないという判断がなされた場合、アクチュエータへのＰＷＭ信号の供給が停止（removed)される。ステップ５１２の完了後、ステップ５１４が実行され、ここで方法５００が終了するまたは他の処理が実行される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018503779.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月26日(2017.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ用の制御装置を備えた電子システムに関する。特に、パルス幅変調周波数電源制御装置（“PWM” frequency power control）を用いた、アクチュエータを制御するためのシステムおよび方法に関する。
尚、本発明は、アメリカ航空宇宙局（ＮＡＳＡ）に付与の契約番号ＮＮＫ１２ＭＳ０１Ｓのもと、米国政府の援助によりなされた。米国政府は本発明の一定の権利を有する。
【国際調査報告】
2018503779.tif 000008