CN1012596B - 电磁驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种电磁驱动电路包括一用以检测和驱动永久磁铁的线圈、一用以将所述线圈的感应电压与基准电压进行比较的比较电路、一用以产生驱动脉冲的输出产生电路和一根据所述驱动脉冲起作用且产生一驱动电流以流过所述线圈的驱动电路。该电磁驱动电路进一步包括一由冲息脉冲发生电路与触发电路组成的判断电路、一由冲息脉冲发生电路与计数器组成的控制电路和/或若干门电路与一由门电路组成的禁止电路。

Description

本发明涉及一种用于驱动一个摆或此类装置的电磁驱动电路。

参照图9，它图示了一个利用一个线圈来检测和驱动例如一个钟的摆的驱动电路。现在说明这个电路的工作。如图10A所示，当一个永久磁铁M接近一个线圈L₂时，在线圈L₂中就产生一个在排斥该磁铁M方向上的感应电压。如图10B所示，当磁铁M处于线圈L₂对面时，感应电压变为零。如图10C所示，在磁铁M离开线圈L₂移动时，线圈L₂所产生的感应电压是在吸引该磁铁的方向上。如图11A或图11C所示，感应电压的极性依线圈L₂的绕向而不同。首先讨论产生如图11A所示的感应电压的工作过程。晶体管T₂的基极电压如图11B所示由于其基极/发射极的二极管特性而被一个给定电压V钳位。然而，如果晶体管T₂的基极电压由于图11A所示的产生在图9中P端上的感应电压而降低到一个阈值电压Vt以下，则晶体管T₂截止。由于这一原因晶体管T₁反而导通。于是，在由电容器C₁和电阻R₁的时间常数确定的一个时间t₆里，一个驱动电流流过线圈L₂，从而驱动吸引该磁铁。

在产生如图11C所示的感应电压时，晶体管T₂的基极电压即使在P端电压呈现如图11C所示的一个增加时，由于其二极管特性而基本保持在电压V上。当感应电压超过一个峰值时，晶体管T₂的基极电压在前述电压上有一个突然下降。然后该基极电压下降到低于阈值电压Vt，这时晶体管T₂截止。接着，驱动电流如前述情况一样，流过线圈L₂，从而排斥地驱动该磁铁M。

为了更有效地驱动该磁铁，在吸引驱动情况下，线圈在如图10A 所示的时刻上被激励。在采用排斥驱动时，希望在图10C所示的时刻激励线圈。

然而在上述安排里，随着线圈的绕向在某些情况下这个驱动时刻会偏离，结果不能得到具有高效的最佳驱动状态。也就是说，既然线圈在图10A所示的时刻被激励，那么在图11A的情况时就不会引起问题。然而，如果绕向相反，线圈的排斥驱动如图11C所示则在图10B所示时刻稍微前边的一个时刻开始，这导致效率严重降低。由于这一原因，要求在制造时甚至要考虑到线圈绕向地来设计电路的结构。

此外，存有对电源干扰的脆弱性，由于电源电压的波动常常产生线圈的激励脉冲。

前述电路中的感应电压产生在图9所示的P端处。如果该感应电压大于一个基准电压Vr，则晶体管T₂截上而晶体管T₁导通。结果激励电流流过线圈L₂。晶体管T₁的导通时间t₇由电容器C和电阻R₁的时间常数确定。

为了高效地驱动磁铁，在吸引驱动的情况下，希望在图10A所示的时刻，即如图12A所示的感应电压V₁的最大点上实现激励操作。适当地设定基准电压Vr和激励时间t₇以满足上述要求。

在大多数情况，激励时刻和激励时间随摆杆的长度或驱动摆时摆动角的大小而不同。

然而，在上述电路结构中，激励时间由电容器C和电阻R₁的时间常数单独地确定，所以每次必须根据摆杆的常度或摆角的大小来调整该时间常数。

此外，必须适当调整基准电压Vr以改变激励时间。

例如，采用与图12A一样的摆而使摆角小于前一情况时，感应电压的幅度如图12B所示变小，并且其振幅发生了缓和变化。在这种情况下必须通过调整基准电压Vr来调整激励时刻以使在感应电压的最大点产生激励脉冲。除此之外，必须使激励电流在一个比前述时间长的时间t₈里流过线圈，因此必须改变电容器C和电阻R₁的时间常数。

在这种情况下，如图12A的虚线所示，如果激励时间设定在一个比最佳时间t₇长的数值上，就使得摆角比所需要的大。激励电流在产生具有相反极性的感应电压V₂的时刻流过，造成电流的无效损耗。

在图12B的情况时，如虚线所示，激励时间被设定在一个比最佳时间t₈短的数值上，不能获得必要的驱动力，在某些情况下摆停止摆动。

在摆杆的长度不同时，需要进行上述同样的调整，则产生类似的缺陷。

如上面所讨论的那样，存在一些在已有技术的电路结构中所固有的缺陷：每次必须根据摆角大小或摆杆长度来同时调节电路的时间常数和基准电压;如果在调节中产生某些偏差，则电流白白耗费、或者停摆。

前述传统的摆的驱动电路可用于两种类型：一种类型是如图13所示驱动操作通过永久磁铁M的两极对线圈L₂的取向来执行，另一种类型是如早先所述的永久磁铁M的一个极与线圈L₂面对面地竖放着。这里将集中说明关于图13所示类型的驱动操作。如图14A所示，磁铁M在箭头所指的方向上移动并且与线圈L₂对向地放置。这 时，线圈L₂以阻止磁铁M运动的方向被激励。于是产生如图15A所示的最大感应电压V₁。与此相反，如图14B所示，磁铁M在反向上移动并且面向线圈L₂。线圈L₂以阻止磁铁M运动的方向被类似地激励。于是产生如图15A所示的最大感应电压V₂。

就效率来说，最希望的是在最大值时刻即在图14A或14B所示的时刻使驱动电流流过线圈来激励磁铁。

图9所示的晶体管T₂的阈值电压被设定为图15所示的电压Vr。其结果是，如果感应电压超过Vr，则晶体管T₂截止而晶体管T₁导通。于是，驱动电流如图15A所示在感应电压V₁的时刻流过线圈L₂，从而磁铁M被激励。如同前面所述的情况，在由于感应电压幅度的波动而使线圈激励的时刻会产生某些偏差，从而可能降低驱动效率。

也就是如图15B所示，当感应电压的幅度减小时，达到电压Vr的时刻就被延迟，从而使驱动电流比最佳时刻较慢地流过线圈。

而在另一方面，如果感应电压的幅度增加，则驱动电流比最佳时刻较快地流过线圈。不论在哪一种情况时，驱动效率都下降。情况既然如此，为了保持驱动效率最佳，必须消除对感应电压的幅度产生影响的种种因素的散布。严格要求制造和装配过程的精度。

以上对已有技术电路结构作了很长的说明，但是它的最大缺陷是不能使电路结构整体化。

本发明的主要目的是提供一个除了线圈外的电路结构能够集成化的电磁驱动电路。

为此，按照本发明的一个方面，提供了一种电磁驱动电路，它能够恒定地在一个高效时刻上激励线圈从而不依赖线圈的绕向。

按照本发明的另一方面，提供了一种电磁驱动电路，它能够最佳地自动调整驱动脉冲的产生时刻和/或脉冲宽度。

按照本发明的又一方面，提供了一种电磁驱动电路，它能够不受感应电压幅度波动的影响而恒定地在该高效时刻上激励线圈。

通过阅读以下结合附图的详细说明，将使得本发明的其它目的、特点和优点更为明显。

图1是一个说明本发明的一个实施例的电路图;

图2是一个表示图1的工作的电压波形图;

图3是一个说明本发明的另一个实施例的电路图;

图4和图5是共同表示图3的工作的电压波形图;

图6是一个说明本发明的又一个实施例的电路图;

图7和图8是共同表示图6的工作的电压波形图;

图9是一个说明一个普通电路结构的电路图;

图10是一个说明一个摆的永久磁铁与其线圈之间关系的一个例子的图;

图11和图12是表示图9的工作的电压波形图;

图13是一个说明一个摆的永久磁铁与其线圈之间关系的另一个例子的图;

图14是一个表示关于图13例子的线圈的激励极性的说明图;

图15是一个表示对于图13所示的关于图9的工作的电压波形图。

在图1中，参考符号L₁表示一个用于检测和驱动一个永久磁铁（未示出）的线圈;Vr表示一个基准电压源，CM表示一个用于把线圈L₁的感应电压与一个基准电压相比较的比较器。符号W表示一 次脉冲产生电路，而T表示一个构成一个驱动电路的晶体管。该电路结构除线圈L₁外可被集成化。

根据这一结构，利用比较电路CM可将感应电压与一个基准电压Vr相比较。如果感应电压超过基准电压Vr，比较电路CM就产生输出，一次性脉冲输出电路W就产生具有时间t的脉冲。这些脉冲使晶体管T导通，驱动电流流过线圈L₁，从而驱动该永久磁铁。

也就是说感应电压如图2A或2B所示按照线圈的绕向而在线圈L₁中产生。不论在哪一种情况下，在感应电压大于基准电压Vr的时间t里，驱动电流都持续流动。所以，不管线圈的绕向如何在感应电压的峰值处总有驱动电流存在，这产生了一个高效驱动状态。

现在参看图3，它表示本发明的另一个实施例。在图中，符号W₁至W₄表示一次脉冲产生电路。一次脉冲产生电路W₁、W₃和W₄的脉冲宽度分别设为t₁、t₃和t₄。一次脉冲产生电路W₂包括使用一个其脉冲宽度可变的可控制的一次脉冲电路。符号F表示一个触发器电路，CT表示升-降计数器。一次脉冲产生电路W₃和触发器电路F组合而成一个判断电路，而一次脉冲产生电路W₄和计数器CT协作构成一个控制电路。一个一般用S表示的晶体管构成一个驱动电路。与图1中相同的那些符号表示相同的部件。

下面将参照图4说明它的工作。假定计数器CT的内容现在是n，一次脉冲产生电路W₂的脉冲宽度由其输出设置为t₂。

如果线圈L₁的感应电压如图4a所示超过基准电压Vr，则比较电路CM就产生如图4b所示的输出。因此一次脉冲产生电路W₁就产生宽度为t₁的脉冲。一次脉冲产生电路W₂在前述脉冲的下降沿产生宽度为t₂的驱动脉冲，由此导通晶体管S。于是驱动电流流 过线圈L₁。一次脉冲产生电路W₃在该驱动脉冲的下降沿产生宽度为t₃的脉冲;触发器电路F和一次脉冲产生电路W₄都由这个下降沿来触发。触发器F的一个输入D由比较电路CM的输出供给，这个输出状态由触发器电路F读出。具体地说，这一步是判断在来自一次脉冲产生电路W₃的脉冲的下降沿时感应电压的电平是否大于基准电压Vr。如果它超过基准电压，则触发器电路F的输出成为“1”，且计数器CT执行计数方式。也就是说，在这种情况下，驱动脉冲的宽度判断为小，且没有高效地在感应电压最大点的附近产生脉冲。

另一方面，一次脉冲产生电路W₄在来自一次脉冲产生电路W₃的脉冲的下降沿时产生宽度为t₄的脉冲。随一次脉冲产生电路W₄所产生的脉冲作为计数器CT的时钟输入，从而计数器CT的信息增加1。于是该信息如图4d所示成为n+1。从而，一次脉冲产生电路W₂的脉冲宽度被设置为大于先前情况时的宽度。

所以，既然下一个驱动脉冲宽度变长了，那么驱动脉冲的脉冲宽度就被校正了。

在重复进行这一工作后，计数器信息成为m，驱动脉冲宽度如图4a所示成为t₂′。这时，如果在一次脉冲产生电路W₃的脉冲的下降沿时感应电压的电平低于基准电压，则触发器电路F的输出如图4c所示就翻转为“0”，且计数器CT执行降数方式。从而，计数器CT的信息降到m-1，使下一个驱动脉冲的宽度减小一级。

驱动脉冲的宽度交替地在t₂和比t₂小一级的宽度上翻转，这样进入一种稳定状态。

以这种方式，在最佳时刻时驱动脉冲宽度自动达到一个预定值，从而稳定了指定的摆动角度。

在上述例子中，只调整驱动脉冲宽度。然而这个方案并不限于这种方式。一个可控一次电路用作为一次脉冲产生电路W₁和W₃，其脉冲宽度可按计数器CT的信息适当地调整。例如，在摆的摆动角度被设定为一个小值时，需要稳定t₁至t₃的时间以便形成如图5a所示的稍长的形状。因为感应电压的幅度在稳定状态时如图5a所示较长，所以其变化是缓和的。如果摆的摆动角度被设定为一个大值，则感应电压的幅度在稳定状态时如图5b所示就较大，且其变化就急剧。所以驱动脉冲宽度可能小。所以必须把时间t₁至t₃稳定在比图5a所示时间较短的时间里。图5a中的时间t₂与时间t₁和t₃的比值与图5b中的不相同。具有稳定性的摆动角度通过调整这个比值来设定。例如，在获得图5b所示状态的稳定性时，一次脉冲产生电路W₁至W₃的脉冲宽度被调整为使得各个时间具有如图5b所示的比值。然后，这样进行这个调整以使各个脉冲宽度可以保持这个比值地按照计数器CT的信息来改变。

时间t₁至t₃以下述方式来自动调节，从而稳定一个所需要的摆动角度。如果一次脉冲产生电路W₁至W₃的脉冲宽度在初始状态下根据计数器CT的信息被设定为图5b中的值，那么电源就在这种状态下被输入。于是摆开始摆动。最初，摆动角度小，所以产生近似于图5a所示的感应电压。由于这一原因，感应电压在来自一次脉冲产生电路W₃的脉冲的下降沿时超过基准电压。驱动脉冲宽度判断为小，从而计数器CT的信息增加1。时间t₁至t₃各设定为延长一级。通过重复这个操作过程，时间t₁至t₃被逐步增加。这样，驱动脉冲宽度就渐渐增加。随着这种增加，摆的摆动角度在那个时刻之后逐渐增大一点。感应电压的幅度也随着这种增大而增大。

结果，驱动脉冲的宽度在某一时刻会有剩余。于是计数器CT翻转为降数方式。时间t₁至t₃则减小。随着这种减小，摆的摆动角度在那个时刻之后稍微减小。

重复进行上述操作，于是接近图5b所示的状态，最终这个状态进入稳定状态。那就是说，实现自动调节从而使得在感应电压的最大点处以最优的驱动脉冲宽度有效地进行驱动操作。

另一方面，这样设定一次脉冲产生电路W₃的脉冲宽度以使得在这样一个最容易判定感应电压的时刻来确定感应电压的电平。然而，设定脉冲宽度需要考虑下述情况。

在驱动脉冲停止时线圈L₁一般会产生大约1毫秒的振荡。由于在这种振荡发生期间线圈L₁的感应电压失去了它的稳定性，如果在这个期间要判断感应电压，就存在有发生误动作的可能性。为了解决这个问题，一次脉冲产生电路W₃的输出宽度t₃设定为超过振荡所发生的时间，以便能在稳定状态下判断感应电压的电平。

在上述具体方案中通过改变一次脉冲产生电路的脉冲宽度来实现自动控制。然而，可通过计数器CT的输出来调整基准电压，这种调整包括利用一个可变电压源作为基准电压源Vr。这种基准电压的调整使得驱动脉冲产生时刻的调整以及一次脉冲产生电路W₁的脉冲宽度的调整成为可能。在这种情况下，通过调整一次脉冲产生电路W₂的脉冲宽度来同时调整驱动脉冲的宽度及其产生时刻。

在上述具体方案中，把用于确定驱动操作启动时刻的基准电压以及用于在该驱动操作结束后判断感应电压电平的另一个基准电压设定为同一个电压Vr。可以根据计数器的信息来改变这后一个基准电压。例如，采用可变电压源作为基准电压源，其电压只在一次脉冲产生电 路W₂至W₄产生输出脉冲期间才转换为一个与计数器CT的信息相符的电压。这种方案在意义上等同于调整一次脉冲产生电路W₃的脉冲宽度。

一般来说感应电压的幅度要受到由电源电压波动而引起的影响。如果感应电压的幅度发生波动，则其升高超过基准电压的时刻就会偏离，从而导致驱动时刻和驱动时间都发生波动。按照上述方案，把基准电压Vr设定为一个对电压波动的影响较小的低电压值，以使由电源电压波动所产生的影响减为最小。然后，由于比较电路产生输出则借助一次脉冲产生电路W₁而建立等于时间t₁的延迟。从这一时刻起驱动开始。然而，如果不把电源电压的波动考虑进去，则不必提供一次脉冲产生电路W₁。比较电路CM的输出可直接输送给一次脉冲产生电路W₂。

在上述方案中，对于每个驱动脉冲都有一些时钟脉冲被提供给计数器CT。例如，如果计数器CT的计数方式在顺序的三个驱动脉冲期间保持不变，那么计数器CT的信息即使初次也可以增加1。在下降方式时情况相同。

在这种情况下，在一次脉冲产生电路W₄和计数器CT之间提供一个三进制计数器。可以这样来安排以使这个三进制计数器对于触发器电路F输出电平的每一次翻转都置零。这有可能防止由干扰或此类原因引起的误动作。

下面将参照图6讨论本发明的另一个实施方案。在图中，Vr表示一个基准电压产生源，它产生一个如图7所示的比以前电平低的基准电压。符号G₁和G₂表示门电路;G₃表示一个构成一个阻通电路的门电路。符号W₅表示一个用于产生各具有宽度t₅的脉冲的一 次脉冲产生电路。与图3中的相同的那些符号表示相同的部件。

在这样的结构中，永久磁铁包括使用这样一个如图13所示的双极磁铁。线圈L₁的感应电压借助比较电路CM与基准电压Vr相比较。如果感应电压如图7A所示超过基准电压Vr，则比较电路CM就给出输出，从而使一次脉冲产生电路W₁通过门电路G₁被触发;由于它的输出而产生一个宽度为t₁的脉冲。在感应电压的最大点处，时间t₁被预置为从感应电压超过基准电压时起到在最佳时刻产生驱动脉冲时止的一段时间。具体地说，一次脉冲产生电路W₂由上述脉冲的下降沿触发;而由于它的输出而产生宽度为t₂的脉冲。这个驱动脉冲使晶体管T导通，于是驱动电流流过线圈L₁。磁铁在最佳时刻被激励。

一次脉冲产生电路W₅由这些驱动脉冲的下降沿来触发;它的输出产生宽度为t₅的脉冲。这个脉冲以及前述的驱动脉冲都被输送给门电路G₂，而门电路G₁在各个脉冲产生期间保持关闭。就是说，即使比较电路CM产生输出，一次脉冲产生电路W₁在图7所示的时间t₂和t₅时也不被触发。其理由是：因为基准电压Vr被设定在低电平，所以感应电压在除去最大点外的某些情况时超过基准电压;而在这样一种情况下防止了驱动脉冲的产生。

要注意一次脉冲产生电路W₁的输出被馈送给门电路G₂，而门电路G₁在时间t₁可能继续关闭。

一次脉冲产生电路W₁的输出被馈送给门电路G₃，尽管这在上述说明中没有提到，门电路G₃在其脉冲产生期间保持开启。所以，如果比较电路CM在那个期间停止输出信号，则一次脉冲产生电路W₁、W₂和W₅就置零，从而禁止产生驱动脉冲。这个动作是为了防止由 于干扰或除最大点外的感应电压所引起的误动作。仅当在整个时间t₁上都连续超过基准电压时才被认为是一个最大感应电压。只有在这种情况时才可以产生驱动脉冲。

在上述结构中，即使感应电压的振幅如图7B所示减小，既然基准电压Vr设定为低电平，那么在其附近的幅度波动就极小。此外，比较电路CM产生输出的时刻与图7A所示的极为相同。所以，驱动脉冲的产生时刻基本上不偏离，并且确实能在感应电压的最大点处产生驱动脉冲。感应电压幅度增加时的情况与这种情况相同。

在上述例子中的说明是针对图13所示的双极磁铁，但是这种应用可以包括使用如图10所示的这样一个单极磁铁。图8给出了在这种情况时的感应电压的波形图。如同前面所述情况，驱动电流在感应电压的最大点时流过线圈。

本发明具有下述效果。它适合于使除线圈外的元件集成化。能使尺寸小型化并降低成本。

无论线圈的绕向如何线圈都可被恒定地高效率地激励。从而在制造时可不考虑线圈的绕向来组装部件，这使得组装所需的时间减少了。

此外，本发明提供了抗电源线干扰以及由于没有电容器而适于集成化的电路结构。

通过在停止驱动脉冲之后的预定时刻判断感应电压的电平来调整驱动脉冲的驱动时刻和/或脉冲宽度，因此实现了自动控制，从而总是在感应电压的最大点时高效率地进行驱动操作。永久磁铁能够以稳定的幅度有效地来驱动。

此外，能够在最佳驱动时间里的最佳时刻上驱动每个具有不同固有周期的摆。

在线圈的感应电压超过基准电压时使驱动电流延迟一段指定时间地流过线圈，从而基准电压可以设定为低电平。由于这种设计方案使得驱动脉冲产生的时刻几乎不受感应电压幅度波动的影响。这使得驱动电流恒定地在最有效的时刻流过线圈。所以，制造和组装过程不要求如已有技术所要求的那样高的精度，从而使这些过程简单化。

一旦比较电路产生输出，则通过禁止比较电路在该设定过程期间再次产生输出以及通过仅当感应电压在该整个预定时期里连续大于基准电压时才产生驱动脉冲能够防止由于干扰和除最大点外的感应电压所引起的误动作。

由于在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多明显大不相同的实施方案，所以要理解到除权利要求所限定的内容之外本发明不受这些特定实施方案的限制。

Claims (3)

1、一种电磁驱动电路包括：

一个用于检测并驱动一个永久磁铁的线圈(L1)；

一个用于在所说线圈(L1)的感应电压超过一个基准电压(Vr)时产生输出信号的比较器(CM)；

一个用于响应所说比较器的输出信号产生具有预定宽度(t2)的驱动脉冲的脉冲产生电路(W2)；

一个按照所说驱动脉冲来工作并使驱动电流流过所说线圈(L1)的驱动器(S)；

其特征在于，一个用于在停止产生所说驱动脉冲之后的一个预定定时判断所说感应电压的电平的判断电路(W3，F)；

所述脉冲产生电路(W2)在比较电路(CM)产生输出信号之后延迟一段时间产生驱动脉冲；且还设有一个控制电路(CT，W4)，用以通过接收所述判断电路(W3，F)的输出信号而控制下一个驱动脉冲的所述延迟时间。

2、如权利要求1所述的电磁驱动电路，其特征在于，控制电路（CT，W4）还控制所述下一个驱动脉冲的脉冲宽度。

3、如权利要求1或2所述的电磁驱动电路，其特征在于，控制电路（CT，W4）还控制用以判断所述感应电压的电平的所述判断电路（W3，F）的预定定时。

Images