直線振動電動機的控制系統的製作方法
2023-12-02 15:21:31 1
專利名稱：直線振動電動機的控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及直線振動電動機的控制系統，特別是相對定子以均勻振幅直線驅動振動器的系統。
美國專利No.5632087公布了由帶繞組的定子和帶永久磁鐵的振動器構成的直線振動電動機。驅動電流注入繞組與永久磁鐵相互作用產生磁場使振動器相對於定子直線往復運動。相對於嵌在振動器中的永久磁鐵附設線圈傳感器，以產生表示振動器速度的電壓，即，運動中的振動器現行幅度。基於現行幅度，進行控制來改變驅動電流以將振幅恆定保持在要求水平。但是，這種控制系統需要線圈傳感器，導致成本升高並需要用於傳感器的附加空間，使得難以用低價將振動電動機減小為緊湊結構。
另一個現有技術日本專利早期公開No.62-285655，此專利公開了由具有第一和第二繞組的振動器和具有永久磁鐵的定子構成的、具有速度反饋控制的激勵器。第一繞組用於單獨接受驅動振動器的驅動電流，而第二繞組可選擇地用於接受驅動電流以及檢測表示振動器速度的電壓以便根據該電壓反饋控制激勵器。通過開關進行功能選擇，使第二繞組被切換作為傳感器時，不用於驅動振動器，反之亦然。因此，激勵器至少需要兩個繞組，而這仍然阻礙縮小結構。
另外，日本專利早期公開No.49-77116公開了由帶可動線圈的振動器和帶永久磁鐵的定子構成的音圈型直線電動機。可動線圈接受驅動電流由此被驅動振動並產生包括表示可動線圈速度的分量的電壓。提供可動線圈的等效電路以產生對應於靜態中的可動線圈電壓的輸出。將該輸出與運動中的可動線圈電壓相比較，以取得表示可動線圈速度的分量。在此現有技術中，等效電路給結構上增加了額外體積，導致難以達到直線電動機的緊湊設計。
鑑於上述問題，本發明已經實現提供一種直線振動電動機的控制系統，該系統能夠取消檢測電動機移動的獨立傳感器，從而減少元件數並降低製造成本及減小直線振動電動機的總體積。直線振動電動機包括設有一個永久磁鐵和繞組的定子，以及設有另一個永久磁鐵和繞組的振動器。向繞組注入驅動電流，產生與永久磁鐵相互作用的磁場，使振動器線性地相對於定子作往復運動而產生振動。根據本發明的控制系統包括檢測現行幅度即由振動器的位移、速度、或加速度表示的運動的控制器，並提供根據檢測到的現行幅度以變化量向繞組注入驅動電流以保持振動器振動振幅恆定的接通(ON)時間段。控制器的特徵在於提供一個關閉(OFF)時間段，其中控制器指示不注入驅動電流及檢測加在繞組兩端的電壓並根據檢測到的電壓確定現行幅度。因此，繞組可很好地共同用於驅動電動機和檢測振動器的現行幅度或運動，由此消除了用於檢測振動器運動的附加傳感器。
振動器以大體上固定的頻率振動。由於知道頻率，控制器提供第一關閉時間段，其被設為持續預定時間段，在此預定時期內要求振動器達到最大位移。然後，控制器確定在繞組兩端的電壓為零表示振動器達到最大位移時的第一關閉時間段內的基準時間。根據基準時間，控制器確定在距基準時間第一預定時間間隔之後的隨後的接通時間段，並確定距基準時間第二時間間隔之後的隨後的關閉時間段。因此，在關閉時間段中，每次電壓為零時，基準時間可被更新，能夠精確地提供用於持續控制直線電動機的隨後的接通時間段以及關閉時間段。
優選地，在距基準時間預定時間後，控制器在檢測時刻讀出繞組兩端電壓，以便由電壓確定振動器的現行幅度(ongoing amplitude)。
或者，控制器可設計成能獲得關閉時間段內的時間差，該時間差是電壓達到第一參考電壓的第一時刻與電壓達到與第一參考電壓不同的第二參考電壓的第二時刻之間的時間差。然後，控制器根據如此獲得的時間差確定振動器的現行幅度。在此情況中，第一參考電壓設置為零，這樣控制器可以將第一時刻確定為基準時間。
另外，控制器可設計成能獲得在距基準時間第一預定時間檢測到的繞組第一電壓與距基準時間第二預定時間檢測到的繞組第二電壓之間的電壓差。第一和第二預定時間在關閉時間段內並互相不同。然後，控制器由如此獲得的電壓差確定振動器現行幅度。
關閉時間段可在每個振動周期內確定或交替地確定以便在多於一個振動周期內只出現一次。
驅動電流為脈衝寬度調製(PWM)信號形式，此信號具有對應於接通時間段的可變寬度。接通時間段被限制為具有最大寬度以提供一個振動周期內的關閉時間段。
優選地，控制器用來在可變寬度的第一部分接通時間段期間以脈衝寬度調製(PWM)信號形式部分地注入驅動電流，而其他部分在固定寬度的第二部分接通時間段以固定寬度信號形式注入。第一接通時間段出現在具體振動周期的半周，而第二接通時間段出現在同一周期的另半周，這樣關閉時間段與另半周內的第二接通時間段一起出現。因此，振動器可以接受分別在半周產生並在相及移動方向起作用的驅動力，由此，有效地產生受控振動。
控制器優選包括低振幅補償器，它監視振動現行幅度並當現行幅度小於最小參考振幅時發出限制信號。響應於限制信號，控制器停止提供關閉時間段且同時延長接通時間段在隨後所述振動的預定周期的時間內最大程度地注入驅動電流。因此，振蕩器可以迅速恢復以希望的振幅振動。
結合附圖，通過下面詳細說明優選實施例，本發明的這些和其他目的及優點將更明顯。
圖1是根據本發明的優選實施例的直線振動電動機控制系統的示意圖；圖2是顯示控制系統操作的波形圖；圖3是顯示控制系統操作的流程圖；圖4是上述系統中所使用的振幅檢測器的示意圖；圖5和6是顯示提供可被用於上述控制系統的關閉時間段的修改方式的波形圖；圖7顯示上述控制系統的修改的操作的波形圖。
現在參見圖1，其中顯示了根據本發明優選實施例的直線振動電動機的控制系統。直線振動電動機包括帶單繞組11的定子10和內嵌一組永久磁鐵21和22的振動器20。定子10固定在構架30上，振動器20利用彈簧31和32耦合到構架30。繞組11由控制器40勵磁，以產生與永久磁鐵21和22相互作用的磁場，形成相對於定子10在構架30的相對端之間直線振動振動器20的驅動力。彈簧31和32與電動機的磁順從性配合，產生具有固有頻率的振蕩系統，使振動器20以大體上固定的頻率振動。
控制器40包括輸出控制器50，輸出控制器50被連接到以脈衝寬度調製(PWM)信號形式向繞組11提供驅動電流，以產生移動振動器20的驅動力。即，輸出控制器50提供改變寬度的接通時間段，在此期間，驅動電流注入到繞組。執行反饋控制，根據檢測到的行進運動改變振動器20的接通時間段，以便以預定振幅驅動振動器20。為此，控制器40包括振幅檢測器60，該檢測器連接到繞組11以監視出現在繞組11兩端的電壓，作為表示振動器20行進運動的參數。電壓監視在無驅動電流注入繞組11的關閉時間段內進行。否則，即，如果監視在驅動電流注入繞組11的接通時間段內進行，則監視到的電壓將包含由驅動電流引起的分量，因此不能表示振動器20的行進運動。並且控制器40中還包括關閉時間段分配器70，該分配器向輸出控制器50發出確定開始和結束關閉時間段的分配信號，這樣輸出控制器50給出不向繞組11注入驅動電流的關閉時間段。分配器70根據基準時間確定關閉時間段的開始和結束，此時，振動器20達到最大位移或移動到振動的一個衝程端。眾所周知，當振動器20在關閉時間段期間達到最大位移時，繞組11兩端電壓變為零。據此，分配器70監視繞組11兩端電壓，以確認電壓變為零時的基準時間。另外，控制器40包括起動控制器80和低振幅補償器90。為成功起動振動，起動控制器80確定在幾個振動周期注入驅動電流而不提供關閉時間段的起動順序。提供補償器90處理現行幅度的意外降低及快速恢復所要求振幅的振動，方法如下檢測到現行幅度降低後，在隨後的幾個振動周期中，注入驅動電流至最大範圍而不提供關閉時間段。
接通時間段和關閉時間段以圖2所示的方式確定，它包括振動器位移曲線D，驅動電流Id，施加在繞組兩端的電壓V，用於最大位移檢測的位移信號X，以及用于振動器20速度檢測的速度信號S。如圖2所示，設置接通時間段Ton1和Ton2分別在振動的相鄰半周出現，這樣驅動電流在每半周注入以在每個方向推動振動器。不管何時需要關閉時間段Toff時，它被設置成僅在接通時間段Ton2後的一半周中出現，以這種方式，使振動器在此關閉時間段Toff期間達到最大位移。現在參考圖2和圖3的流程圖說明控制系統的操作。一旦對電動機勵磁，執行起動控制80操作的起動順序，在振動的每個半周內確定接通時間段的最大寬度並激活起動計數器，這樣起動順序持續經過起始的幾個振動周期。在操作中，如果計數器給出的計時少於確定起始周期的預定計時，則判斷起動順序繼續，控制執行將起動方式設為打開，隨後輸出控制器50確定接通時間段的開始和結束時刻並在接通時間段期間提供驅動電流以驅動振動器20。在起動順序期間，關閉時間段分配器70被置於非激活狀態以便不提供關閉時間段。當計數器給出預定計時或預定計時以上時，判斷起動順序將結束，控制執行將起動方式設為關閉，並重複注入驅動電流的一個順序。此後，即在起動方式設置為關閉後，關閉時間段分配器70工作以提供第一關閉時間段，在此時間段內，希望振動器達到如圖2所示的最大位移。即指示關閉時間段開始t5和結束t6的分配信號是從分配器70注入到輸出控制器50。此時，輸出控制器50確定適當寬度的接通時間段並由此為注入驅動電流而提供接通時間段，以及為現行幅度的檢測而提供關閉時間段。即，輸出控制器50確定分別在時間t1和t2以及時間t3和時間t4開始和結束的接通時間段Ton1和Ton2。根據這些設置，輸出控制器50注入驅動電流以驅動振動器，同時留下關閉時間段Toff(t5至t6)，此後，控制執行正常的反饋控制方式。
在反饋控制模式下，關閉時間段分配器70工作以在關閉時間段內獲得基準時間T0，此時繞組兩端電壓變為零指示振動器20達到最大位移。以如此獲得的基準時間T0作為基礎，將下一個接通時間段以及下一個關閉時間段設置在時間軸上。同時，在關閉時間段內，振幅檢測器60工作以便檢測在繞組兩端電壓為零V0時的時刻T0和電壓為低於V0的V1時的時刻T1之間的時間差Ts(=T0-T1)。時間差Ts指示在振動的具體時間或相位移動振動器20的加速度，並被處理來獲得振動器20的希望的現行幅度。由于振動器以固定頻率沿正弦曲線振蕩，現行幅度可以由加速度明確確定。因此，在具體時間或相位的加速度能導出具有特定振幅的特定正弦曲線。同樣地，指示在具體時間振動器速度的電壓能明確導出行進幅值。所以，振幅檢測器能夠監視具體時間的電壓以獲得現行幅度。
圖4顯示了用於檢測上述時間差Ts(=T0-T1)的振幅檢測器60的細節。檢測器60包括放大器61，一對比較器62和63，以及振幅計算器64。放大器61放大繞組11兩端的電壓，將產生的放大電壓提供給比較器62和63。第一比較器62比較放大電壓與對應於V0的第一參考電壓，提供當前者電壓超過後者電壓時變高的位移信號X，如圖2所示。第二比較器63比較放大電壓與對應於V1的第二參考電壓，提供當前者電壓超過後者電壓時變高的速度信號S，如圖2所示。將信號X和S注入振幅計算器64，在此進行信號處理，獲得時間差Ts並如上所述根據時間差計算現行幅度。如此算出的現行幅度反饋到輸出控制器50，輸出控制器50導通和關斷驅動器55的電晶體51至54，以便在可變化的接通時間段期間注入驅動電流。
回到圖3，如果現行幅度在反饋方式期間不低於最小參考電平，輸出控制器50確定下一個接通時間段的寬度以補償檢測到的現行幅度，從而保持振動振幅恆定。然後，關閉時間段分配器70根據基準時間T0設置下一個關閉時間段的開始和結束時刻t5和t6。隨後，輸出控制器50考慮所確定的接通時間段寬度和下一個關閉時間段的開始和結束時刻而設置下一個接通時間段的開始和結束時刻t1,t2,t3和t4。此後，輸出控制器50工作，在接通時間段期間注入驅動電流以驅動振動器20。在該實施例中，在振動的每個隨後周期中，設置關閉時間段，以確定基準時間T0並監視行進電壓，以便根據監視到的現行幅度繼續電動機的反饋控制，除非現行幅度變成低於最小參考電平。
提供了低振幅補償器90，以監視現行幅度並當監視到的現行幅度低於最小參考電平時發出限制信號。響應於該限制信號，將恢復方式置於打開，指示輸出控制器50不提供關閉時間段而提供最大寬度的接通時間段以充分注入驅動電流，以便快速恢復所要求振幅的振動。因此，輸出控制器50確定延長接通時間段的開始和結束並在緊隨的一個振動周期注入驅動電流。由於低現行幅度，一旦恢復方式設置在打開狀態，控制順序分支到恢復過程，直至重複了幾個振動周期後恢復方式被設置在關狀態。恢復過程從確定最大接通時間段開始，隨後激活恢復計數器。在恢復計數器達到預定計數之前，輸出控制器50在延長的接通時間段期間注入驅動電流以便用最大推力驅動振動器。當恢復計數器達到預定計數時，恢復方式被設置在關狀態，這樣輸出控制器50通過為接通時間段和關閉時間段分別設置開始和結束時刻而提供接通時間段和關閉時間段並注入驅動電流。此後，控制順序回到反饋控制方式。
在此實施例中，在每個振動周期中設置兩個接通時間段，以這種方式，使得在一半周出現的第一接通時間段具有固定寬度，而在另半周出現的第二接通時間段具有取決於反饋控制的可變寬度。因此，僅在振動的半周期間需要PWM控制，由此簡化用於將驅動電流注入繞組的控制驅動器55的切換電晶體的結構。
由此注意到，第二接通時間段Ton2具有限定的寬度以便在同一半周中提供關閉時間段，其中驅動電流及殘餘電流不能流動。同時，關閉時間段設置成在振動達到最大位移時刻後迅速結束，這樣接通時間段在該時刻後立即開始，以提高電動機的驅動效率。
雖然在上述實施例中，關閉時間段設置在振動的半周中，在此振動器在某一特定方向移動，但也可以將關閉時間段Toff設置成在振動的某一半周及另一半周中交替出現，如圖5所示，這樣可檢測現行幅度同時振動器一次在某一方向移動而下一次在相反方向移動。另外，如圖6所示，可將關閉時間段Toff設置成在幾個振動周期內出現一次。在此條件下，改變接通時間段的反饋控制可在幾個變化周期內逐步進行。
如作為上述實施例的修正的圖7所示，振幅檢測器60可得到適當的配置，以根據施加在繞組11兩端、在時間T3檢測到的第一電壓V3與時間T4檢測到的第二電壓V4之間的電壓差Vs(=V3-V4)來確定現行幅度。T3和T4被設置在關閉時間段內，並從基準時間T0起測量。如此獲得的電壓差Vs指示特定時間振動器的加速度並給出現行幅度以實現反饋控制。
權利要求
1.用於直線振動電動機的控制系統，所述直線振動電動機包括設有一個永久磁鐵和一個繞組中的一個的定子；設有所述永久磁鐵和所述繞組中的另一個的振動器；且所述繞組被注入驅動電流以產生與所述永久磁鐵相互作用的磁場，使所述振動器相對於所述定子直線往復運動而產生振動；所述控制系統包括一個控制器，它檢測所述振動器的現行幅度，並根據檢測到的現行幅度提供以變化量將所述驅動電流注入所述繞組的接通時間段，以使所述振動器的振動振幅保持；其中所述控制器提供關閉時間段，在此關閉時間段中所述控制器指示不注入所述驅動電流其間，且所述控制器檢測加在所述繞組兩端的電壓並根據所述電壓確定所述現行幅度。
2.根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於，所述振動器以大體上固定的頻率振動；所述控制器提供第一關閉時間段，該第一關閉時間段被設置成持續預定時間，在此預定時間內要求所述振動器達到最大位移；所述控制器在所述繞組兩端的電壓為零而表示振動器達到最大位移時確定所述第一關閉時間段內的一個基準時間；所述控制器確定在距所述基準時間為第一預定時間間隔之後的一個隨後的接通時間段，並確定距所述基準時間為第二時間間隔之後的一個隨後的關閉時間段。
3.根據權利要求2所述的控制系統，其特徵在於，所述控制器在距所述基準時間為預定時間後的檢測時刻，讀出所述繞組兩端的電壓，以確定所述振動器的所述現行幅度。
4.根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於，所述控制器檢測所述關閉時間段內在所述電壓達到第一參考電壓的第一時刻與所述電壓達到與所述第一參考電壓不同的第二參考電壓的第二時刻之間的時間差，所述控制器根據所述時間差確定所述振動器的現行幅度。
5.根據權利要求4所述的控制系統，其特徵在於，所述第一參考電壓為零，使所述控制器將所述第一時刻確定為所述基準時間。
6.根據權利要求2所述的控制系統，其特徵在於，所述控制器檢測在距所述基準時間為第一預定時間所檢測的所述繞組第一電壓與距所述基準時間為第二預定時間所檢測的所述繞組第二電壓之間的電壓差，所述第一和第二預定時間是在所述關閉時間段內且相互不同，且所述控制器根據所述電壓差確定所述振動器的現行幅度。
7.根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於，在每一所述振動周期中確定所述關閉時間段。
8.根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於，所述關閉時間段被確定在一個以上所述振動周期中僅出現一次。
9.根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於，所述控制器用於在所述接通時間段期間以脈衝寬度調製(PWM)信號形式注入所述驅動電流，脈衝寬度調製(PWM)信號具有相應的可變寬度，且所述接通時間段被限制為具有最大寬度。
10.根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於，所述控制器用於在可變寬度的第一接通時間段期間以脈衝寬度調製(PWM)信號形式部分地注入所述驅動電流，而其它在固定寬度的第二接通時間段期間以固定寬度信號形式注入所述驅動電流，所述第一接通時間段出現在所述振動特定周期的半周，而所述第二接通時間段出現在所述特定周期的另半周，從而所述關閉時間段與所述另半周內的所述第二接通時間段一起出現。
11.根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於，所述控制器包括低振幅補償器，它監視所述振動的現行幅度並在所述現行幅度小於最小參考振幅時發出限制信號，所述限制信號停止提供所述關閉時間段且同時延長接通時間段以便在隨後所述振動的預定周期上最大程度地注入所述驅動電流。
全文摘要
一種直線振動電動機的控制系統,直線振動電動機包括設有繞組的定子,和設有永久磁鐵的振動器。繞組被注入驅動電流以產生與永久磁鐵相互作用的磁場,使振動器相對於定於直線往復運動而產生振動。控制系統包括一個控制器,檢測振動器的現行幅度,其中控制器提供關閉時間段,在關閉時間段中控制器指示不注入驅動電流且檢測加在繞組兩端的電壓並根據檢測到的電壓確定現行幅度。
文檔編號H02P25/06GK1288285SQ0010783
公開日2001年3月21日 申請日期2000年6月23日 優先權日1999年6月25日
發明者伊吹康夫, 天谷英俊, 岡本豐勝 申請人:松下電工株式會社