CN101528154B - 在个人护理器具寿命期间自适应个人护理器具的谐振操作的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于谐振驱动器具的自适应系统，其包括用于测量器具关闭之后电机的定子线圈中感应的反EMF的电路。从EMF信号的零交叉确定反EMF信号的频率。继而将所确定的频率与先前频率确定的移动平均相比较，以及如果所比较频率之间的差大于阈值，则调整器具的驱动频率，阈值例如1Hz。

Description

在个人护理器具寿命期间自适应个人护理器具的谐振操作的系统
技术领域
本发明总体涉及谐振-驱动小器具，诸如个人护理器具，并更具体地涉及用于在其寿命期间自适应此种器具的操作的系统。
背景技术
在谐振驱动系统中，诸如可以被用于驱动小器具(例如，电动牙刷)，器具的固有谐振频率是涉及器具有效操作的重要考虑。当此种器具受激励时，在其固有谐振频率处其响应最佳，即针对给定输入提供最大输出。为了最大化效率，产生操作动作的电机的驱动频率被选择为处于或接近器具固有频率，例如驱动频率比设备的固有频率低几Hz。
然而，在此种设备操作寿命期间，设备固有谐振频率的改变(诸如由于部件的正常磨损和破裂)，通常导致性能的降低，这是由于导致了驱动频率与器具固有谐振频率之间的不匹配。至今为止，还没有方法来校正这种器具固有频率随着时间的改变，并因此，此种设备的性能降低在其寿命期间不能被改正并且效益降级，这使消费者不满或过早的弃用该器具。
因此，将期望能够在其寿命期间自适应器具的操作以在延长的时间周期中保持一致的有效性能。
发明内容
由此，本文描述的实施方式是在具有谐振驱动系统的器具中提供的一种系统，用于在器具寿命期间自适应所述器具的操作，其包括：具有谐振驱动系统的器具，该谐振驱动系统包括具有定子线圈的电机组件；电路，用于测量器具已被关闭之后由器具的操作部分在定子线圈中感应的反EMF；系统，用于从反EMF确定器具的固有谐振频率；比较器，用于将所述确定的固有谐振频率与表示固有谐振频率的已知器具频率进行比较；以及调整电路，用于如果所确定的频率与器具的已知固有频率之间的差大于预定量，则改变器具的驱动频率。
实施方式还包括一种用于自适应器具的操作的相应方法。
附图说明
图1是示出了个人护理器具以及其谐振驱动系统的主要部件的示例的透视图。
图2是本发明的系统的框图，该系统能够在器具寿命期间自适应谐振驱动系统的操作。
图3A和图3B是示出了图2的系统的操作的信号图。
图4是图2的系统的可选实施方式的部分框图。
具体实施方式
图1示出了具有谐振动态驱动系统的小器具的示例。具体而言，器具，总体示出为10，是电动牙刷。然而，应该理解，具有谐振驱动的其他器具可以包括本发明的系统。此种器具的示例包括皮肤刷、剃须刀以及类似设备。电动牙刷10包括驱动电机12，其以驱动频率驱动工件14进行所期望的动作，驱动频率等于或接近器具的固有谐振频率。此种器具的示例在美国专利No.5,189,751中示出，本发明受让人拥有该专利，在此通过参考的方式将该专利内容并入本文。
驱动电机12响应于驱动控制电路15，驱动控制电路包括具有软件程序的微处理器以及产生具有驱动频率的电机驱动信号。电机由电池16供电，电池可以是可更换或可充电的，在电池可充电的情况下，器具与分离的充电设备(未示出)一起使用。
在所示出并描述的实施方式中，器具的固有谐振频率(固有频率)作为一个整体在其操作寿命期间周期性地确定，周期典型地为每次使用设备并继而关机。继而将该固有频率值与标准值进行比较，标准值典型地随着驱动频率的更新而被更新。如果二者之间的差大于预选的阈值，则由驱动控制电路或类似驱动系统所产生的驱动信号的驱动频率被改变以保持固有频率和驱动频率之间的原始关系。
在上述讨论的示例中，驱动频率将因此保持等于或接近(几Hz之内)器具固有频率。该布置因此在器具操作寿命期间周期性地自适应器具的操作，将器具的性能保持在期望的高水平，并补偿了设备的典型磨损和破裂，以及可能导致器具固有谐振频率改变的任何其他因素。
在图2中以一个软件实施示出了该系统。20示出了具有其电子控制的器具电机(一个示例)，由电池22供电。电机电路20包括定子线圈24。当设备关机时，如软件功能框26处所示，诸如在典型的清刷事件之后，发起自适应处理，如框28处所示。在所示出的实施方式中，通过首先获取由工件安装于其上的振荡元件的残余动作在定子线圈中感应的反EMF(电压)的值来确定固有谐振频率，其发生在设备关闭之后。例如美国专利No.5,189,751中的设备中，后端安装有永磁体的驱动臂的残余运动在电磁电机中的定子线圈之中感应反EMF。
线26上所示的反EMF被施加到两级带通滤波器32，其输出被施加到可编程比较器34的一个输入端。将阈值电压施加到比较器34的另一输入端，或将其接地。当如由可编程比较器34所确定的，滤波的输入信号跨越阈值信号(或地)值时，发生中断，其适用于中断例程38，该例程是微处理器中的软件程序的一部分。该中断(零交叉)在设备关闭之后发生例如大约20次。使用时钟信号40标记零交叉来处理零交叉，产生连续零交叉之间的时间。
应理解，通过使用中断和微处理器之外还存在其他方法检测零交叉之间的时间，诸如具有关联的比较器的模拟定时器，或通过反EMF信号乘以期望频率的已知正弦信号并继而测量结果的零交叉。
针对清刷事件的零交叉(在本实施方式为中断)的数目累加并被应用于处理框44，该框确定是否已存在足够数目的中断(零交叉)以产生可靠频率确定。尽管在某些情况下数目可以更小，典型地，最小值为10个，尤其是如果出于精确目的忽略开始几个(例如4个)，尽管10到20范围内的任何数目都是可以接受的。如果存在足够数目的中断，则开始频率评估。如果不存在最小数目的中断，则程序退出返回等待下一次清刷事件。典型地在框45处所示的频率评估中，如上文所指出的，忽略开始四个零交叉。这保证了频率确定所使用的反EMF信号部分不受驱动电路的动态的影响。驱动电路可能需要在设备关闭之后的稳定时间，例如＜0.1秒，其大约等于四个零交叉的周期。如框45中所示，继而使用剩余的零交叉来执行频率确定。如果确定的频率落入可接受的窗之外，如框46中所示，例如相对于先前确定的频率平均+10Hz，则程序退出并等待下一次清刷事件。
如果程序继续，则在框47处更新清刷计数器，并继而在框48处查询是否已存在足够数目的已产生频率确定的先前清刷周期以便提供可靠的频率比较，将在下文详述。如果不存在，则程序于50处退出。如果已存在足够数目的清刷周期，则在52处复位清刷计数器，以及在框54处针对先前确定的频率的移动平均对在46处确定的当前频率加以评估。例如，在特定器具中该平均可以在200Hz到280Hz的范围之内，尽管取决于特定器具这可变。在所示出的实施方式中，将最后20个清刷频率确定用于移动平均。不过此数目可变。
如果新的频率和移动平均频率在特定范围内相似，则在50处程序退出以等待下一次确定，典型地在下一次清刷的结尾。如果频率并不相似，则在框56处更新设备的驱动频率。在所示出的实施方式中，差别必须至少为1Hz以便更新驱动频率，尽管其可变以使得设备更敏感或更不敏感于谐振频率改变。
图3A示出未经处理的信号数据60(以伏特为单位的反EMF)，其随着设备关闭振荡大约持续0.2秒，在该点其已减弱接近为零。图3B示出了调整的反EMF 62，其中已去除电压平均值，使得振荡以零线64为中心。图3B中沿零线的圈66指示电压的实际零交叉。
如上文所讨论的，在通过时钟进行标记后，由处理器确定零交叉之间的时间差，以及继而确定瞬时评估的谐振频率。典型地，振荡将在到达零之前发生5-20个周期。继而再次在处理器中将上文讨论的确定的频率与选定数目的先前确定的频率的移动平均相比较，例如，最后20个确定的频率。如果频率差大于选择的阈值量，则改变驱动频率。使用反EMF来确定固有谐振频率已被证明为提供精确结果并可以通过在许多电动牙刷中的现有部件和现有微处理器完成。
尽管图2的电路示出了从定子线圈一端得到定子线圈上的反EMF，此时另一端接地，此时继而做出与阈值电压的比较，还可以使用跨越定子线圈的反EMF(差分电压)。差分电压继而用于电压比较。
图4示出了图2布置的变型，其中从分离的相对于定子线圈72的传感线圈70获得反EMF。该实施方式需要设备中分离的附加线圈，其靠近定子线圈并因此增加开销，但其具有更清楚测量(较小噪声)的优势以及有助于检测零交叉的零平均信号。传感线圈可以位于靠近移动磁体，以及线圈还可以被用作传感器，用于稳定激励器的移动部件在设备操作期间的振幅。图4的系统的处理/电路的其余部分与图2的系统一致。
因此，已描述了作为谐振驱动系统一部分使用的系统，该系统用于在器具寿命期间周期性地调整驱动频率，因为设备固有谐振频率由于正常磨损和/或其他因素而改变。
尽管已出于示出的目的描述了本发明优选实施方式，应理解各种改变、修改和替换可以包括在实施方式中而不脱离由随附权利要求书所限定的本发明的精神。

Claims (12)

1.一种用于在谐振驱动器具的寿命期间自适应所述谐振驱动器具的操作的系统，包括：
具有定子线圈的电机组件；
电路，用于测量在所述器具已被关闭之后由所述器具的操作部分在所述定子线圈中或在与所述定子线圈分离的传感线圈中感应的反EMF；
用于从所述反EMF确定所述器具的固有谐振频率的系统；
比较器，用于将所述确定的固有谐振频率与已知器具频率进行比较，其中所述已知器具频率包括多个过去确定的频率的移动平均；以及
调整电路，用于如果所述确定的频率与所述已知器具频率之间的差大于预定量，则改变所述器具的驱动频率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中通过测量EMF信号相对于参考信号的连续交叉之间的时间、确定所述连续交叉之间的周期并继而由此确定所述固有谐振频率来确定所述固有谐振频率。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述连续交叉包括至少10个交叉。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个过去确定的频率至少为20个。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述差至少为1Hz。
6.根据权利要求1所述的系统，其中从所述定子线圈获得用于确定所述器具的所述固有谐振频率的所述反EMF。
7.一种用于在具有谐振驱动系统的器具的寿命期间自适应所述器具的操作的方法，包括步骤：
测量所述器具被关闭之后在所述器具内的线圈中感应的反EMF；
确定所述反EMF的频率，该频率是所述器具在执行所述测量步骤时的固有谐振频率；
将所述确定的频率与预先设定的参考频率进行比较，其中所述参考频率是多个过去刚刚确定的频率的移动平均；以及
如果所述确定的频率与所述参考频率之间的差大于预定量，则改变所述器具的驱动频率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中通过获得EMF信号相对于参考值的连续交叉之间的时间周期并继而由此计算所述固有谐振频率来确定所述固有谐振频率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述EMF信号存在至少10个参考值交叉，其中所述确定的固有谐振频率是根据参考值交叉确定的频率平均。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述确定的频率和所述参考频率之间频率差至少为1Hz。
11.一种用于在谐振驱动器具的寿命期间自适应所述谐振驱动器具的操作的系统，包括：
具有定子线圈的电机组件；
用于测量所述器具已被关闭之后由所述器具的操作部分在所述定子线圈中或在与所述定子线圈分离的传感线圈中感应的反EMF的装置；
用于从所述反EMF确定所述器具的固有谐振频率的装置；
比较器，用于将所述确定的固有谐振频率与已知器具频率进行比较，其中所述已知器具频率包括多个过去确定的频率的移动平均；以及
用于如果所述确定的频率与所述已知器具频率之间的差大于预定量，则改变所述器具的驱动频率的装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中通过测量EMF信号相对于参考信号的连续交叉之间的时间、确定所述连续交叉之间的周期并继而由此确定所述固有谐振频率来确定所述固有谐振频率。
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