CN102160278A - 具有摆动马达的布置和用于控制摆动马达的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种布置,所述布置具有摆动马达(100);用于控制马达(100)的控制电路(20);传感器布置(5),所述传感器布置用于在摆动过程期间在预定测量时刻(t1,t2,t3)或在预定测量位置(xM1,xM2,xM3)确定马达(100)的电特性;和处理器(21),所述处理器用于通过马达(100)的至少电特性和恒定电感值(L恒定)来确定马达(100)的运动变量,其中工作状态中的控制电路(20)根据运动变量来控制马达(100),并且测量时刻(t1,t2,t3)或测量位置(xM1,xM2,xM3)是预定的,使得即使不同的电流(I)流过所述马达(100),马达(100)的电感(L)也至少在给定电流区间(I1,I2)中保持大致恒定。通过有利的具体实施,可考虑到马达电感的非线性,这会导致对摆动幅度控制的稳定性增大。
Description
技术领域
本发明涉及具有摆动马达的布置和用于控制摆动马达(直接驱动器)的方法,其中使用马达的特性来控制马达,具体地讲在变化的马达负载下进行振幅稳定化控制。
背景技术
一种此类布置和一种此类方法可见于DE 10229319 A1,其中在某个时间点确定摆动马达的运动变量,在所述时间点将电流输送至马达的线圈以便使马达开始摆动运动。控制电路使用马达的运动变量来确定马达和未来电源的相互依存性。
所述布置和所述方法的缺点在于,马达的电感是被假定为恒定的。然而实际上,电感取决于测量时刻的马达组件的相互位置、电流消耗和电流变化。忽略非线性电感可导致马达控制变得不稳定或控制受限于预定振幅,尤其是如果马达经受重负载的话。
US 5,424,637描述了对于致动器线圈可如何确定致动器箝位的位置。同时,可考虑到致动器的非线性电感特性,因为电感值根据箝位的位置和致动器线圈电流而通过软件从“查找表”或从数学公式来确定。
然而,同时也存在如下缺点:此类表和必要的软件不能够容易地或廉价地产生。
发明内容
因此,本发明的目的在于提供一种用于控制摆动马达的布置和方法,其中可避免已知的缺点,并且所述布置和方法可廉价地产生。
该目的通过如权利要求1所述的布置和如权利要求6所述的方法来实现。从属权利要求描述了其它实施方案。
所述布置具有摆动马达(直接驱动器),所述马达在工作状态中由控制电路来控制。在工作状态中,传感器布置在摆动过程期间在预定测量时刻或在测量位置(即在马达从其“关闭”位置开始运动期间)确定马达的电特性,并且在工作状态中,处理器从马达的至少电特性和恒定且预定的电感值来确定马达的运动变量(例如,转子的速度),其中测量时刻或测量位置是预定的,使得马达的电感至少在给定电流区间中保持大致恒定,甚至在有不同的电流流过马达时也是如此。同时,测量时刻或测量位置已通过最优化确定,所述最优化可最小化与恒定电感值的任何偏差。具体地讲,在给定电流区间中,所发生的电感值的偏差不应超过平均电感值的(即被假定为恒定的电感值的)10%或更多,其中±5%的偏差允许更精密的控制,±2.5%的偏差允许甚至更好的控制,并且±1%的偏差可提供优异的控制。所述给定电流区间(I1,I2)(其中认为应达到所述大致恒定的电感值)在一般可及的电流范围内,所述范围为I0=0A至I最大,其中I最大由给定马达决定并且取决于线圈的内阻R、已经由电压源提供的电压和因运动感生的电压。区间的第一电流值I1通常为最大电流的较低百分比,I1≈1-10%I最大,因为在电流从零开始增大的情况下,电感值也由于这种快速的电流变化而快速地增大,这与最优化至大致恒定值相冲突,并且也因此有必要极快速地进行测量以确定暂时的电流变化dI/dt≈ΔI/ΔI=I(tb)-I(ta))/(tb-ta),以便获得电流变化的可靠值。有必要测量电流变化以便确定起源于电特性的马达的运动变量。区间的第二电流值为大约I2≈15-80%I最大,其中在此情况下,与最大电流相比的高电流时的微小增大会导致受噪声影响的值;因此,电流变化不能够可靠地确定。这就是为什么各种实施方案均使用公式I2≈15-50%I最大或I2≈20-40%I最 大或I2≈20-30%I最大。如DE 10229319 A1中所述,通常进行两次测量以确定预定测量时刻(在DE 10229319 A1中,这为固定的预定时刻)或确定测量位置从而确定电流和电流变化,其中I=(I(ta)+I(tb)/2并且dI/dt≈ΔI/ΔI=I(tb)-I(ta))/(tb-ta)。如果将测量时刻预设为tx,则可在时刻ta=tx-Δt/2和tb=tx+Δt/2时进行所述两次测量。在此情况下,Δt具体地讲可起因于测量系统的速度,因为要测量的变量的增大在所述两个测量点之间不应变化太多。
摆动马达一般被设计为一种系统,其中能量通过用作电磁体的线圈传导,以便使连结到永久磁体上的转子开始旋转并且将其保持在限定的旋转中。这允许始终在适当的时刻传导正确量的能量;因此有必要测量电动马达的运动。
摆动马达(例如,线性地摆动的直接驱动器如电动剃刀中所用的那些)为摆动谐振系统,其中转子(其可被构造为例如永久磁体或其具有永久磁体)受到由定子线圈生成的磁场的作用而旋转,电流间歇地流过所述定子线圈,并且其中转子通过复位力例如弹性力回复到其起始位置。例如,摆动马达可被构造为线性地振动的马达或围绕某个轴线摆动的马达。转子的尺度和复位力确定谐振频率。与其摆动幅度无关,摆动马达始终以相同的频率摆动,以便当马达被加载时摆动的频率基本上不变,如在直流马达的情形中那样;而摆动幅度会减小。如果马达负载有变化,则通过控制将摆动马达保持在相同的摆动幅度,所述控制通过对在特定时间点的摆动幅度或转子速度的认识来进行。运动变量(通常为转子速度或摆动幅度)可直接测量。然而,这需要附加传感器(例如,霍尔传感器),因此需要附加成本,并且因此也需要附加构造体积。为此,在摆动马达的情形中,用于控制所需的运动变量通常通过将定子线圈用作传感器来间接地确定因而不使用传感器,诸如DE 10229319 A1中所述的传感器。例如,其中可测量施加到线圈上的马达电压和流过线圈的电流,然后可利用对马达电感的认识来计算出转子速度。
然而,本文所述的布置和对应的方法也可被设计成具有附加传感器,所述传感器也通过马达的电特性间接地确定运动变量;马达电感对于该计算来讲是必要的。
在所述布置的一个实施方案中,对于至少两种摆动幅度,测量时刻或测量位置在每种情况下均以如下方式预定:至少在受关注的电流区间中,马达的电感在不同的摆动幅度的情形中(并且对于不同的摆动幅度)保持大致恒定。同时,测量时刻或测量位置通过最优化(其中偏差值已最小化)来确定。这因而允许将单一恒定电感值用于控制所有摆动幅度。
在另一个实施方案中,马达的定子线圈形成所述传感器布置。
在另一个实施方案中,所述布置具有存储器以存储测量时刻或测量位置。所述存储器也可或作为另外一种选择用来存储所述恒定的电感值。
在一个附加实施方案中,控制电路和/或处理器和/或存储器通过微控制器来实现,这可节省空间。
所述用于控制摆动马达的方法包括以下步骤:
a)在马达的摆动周期内提供测量时刻或测量位置以确定马达的电特性,其中选择测量时刻或测量位置以便马达的电感至少在给定电流区间中为大致恒定的,甚至在具有不同的电流时也是如此(即所述电感可通过给定电流区间中的恒定电感值来逼近),其中测量时刻或测量位置具体地讲通过最优化来确定,所述最优化可最小化与恒定电感值的任何电感值偏差;
b)在测量时刻或在测量位置(马达从其“关闭”位置开始的运动)测量马达的电特性;
c)从电特性和恒定电感值计算马达的运动变量;
d)根据计算出的运动变量来控制马达。
在所述方法的一个实施方案中,在每种情况下的提供步骤均包括提供针对至少两种不同的摆动幅度的测量时刻或测量位置,其中测量时刻或测量位置以如下方式确定:对于所有摆动幅度,马达的电感至少在受关注的电流区间内为大致恒定的,甚至在有不同的电流流过马达时也是如此。在此方面,测量时刻或测量位置具体地讲通过最优化来确定,所述最优化可最小化电感值与恒定电感值的任何偏差。
本发明也涉及小型电动装置,具体地讲为电动牙刷或电动剃刀,其中使用了本发明所述的布置或使用了被装备成可执行如本发明所述的方法的布置。
附图说明
下文通过详细讨论示例性实施方案并参照附图来详细描述本发明。各附图显示了:
图1本发明所述的布置的一个实施方案的示意图,所述布置具有摆动马达;
图2针对各种摆动幅度和测量位置的马达的电感与电流消耗的函数关系示例图;
图3在马达的摆动周期期间的测量位置与固定测量时刻的关系图,所述摆动具有不同的摆动幅度;
图4针对各种摆动幅度的在固定测量时刻和因此不同的给定测量位置的马达的电感与电流消耗的函数关系示例图;
图5在不同的测量时刻的测量位置与马达的摆动周期的关系图,所述摆动具有不同的摆动幅度;
图6针对各种摆动幅度的在变化的测量时刻和因此给定测量位置的马达的电感与电流消耗的函数关系示例图,其中在每种情况下选择测量时刻以便电感对于受关注的区域是大致恒定的;以及
图7示例性小型电动装置,其中使用了所描的布置。
具体实施方式
图1作为一个实例显示了作为摆动线性马达的摆动马达100的一个示例性实施方案的示意图。这种线性马达可用于例如电动剃刀中。摆动马达也可相对于某个轴线以旋转方式摆动。图1所示的线性马达100具有固定布置的定子1和可在双箭头3所示的方向上执行线性运动的转子2。作为另外一种选择,定子1的运动自由度可根据转子2来设计,即,定子1可由某个组件来置换,所述组件的活动性对应于转子2,但其在其它方面具有定子1的功能特征。由于本发明的附图在此方面是简化的,因此下文仅将其用来描述具有固定布置的定子1的示例性实施方案。在此情况下,定子1由成形为“E”形状的铁芯4和绕线定子线圈5组成。定子线圈5卷绕在铁芯4的中梁6周围,并且通过连接线7电连接到控制装置8上。转子2具有两个永久磁体9,其中在每种情况下所述磁体的两极之一连结到载体板10上,并且它们两者布置成以逆平行取向彼此靠近。永久磁体9挨近铁芯4的中梁6的正面上的气隙11。如同铁芯4一样,载体板10由连结到两个相对侧上的铁体组成,所述相对侧中的每个的末端均具有卷簧12。卷簧12的其它末端以固定方式悬浮,例如从其中安装了线性马达的小型电动装置的外壳悬浮,以便转子2可在双箭头3所示的方向上执行线性摆动运动。当然,线性地摆动的直接驱动器的该实施方案仅是一个实例。术语“摆动马达”也旨在包括所有其它已知的或建议的直接驱动器的实施方案。
在摆动马达的工作状态中,穿过定子线圈5的电流通过控制装置8由对应的控制产生,以便在铁芯4中生成磁场。磁场作用于永久磁体9,具体地讲在铁芯4的中梁6的正面区域中产生作用,并且在图1所示的几何形状的情形中可导致转子2相对于定子1侧向移动。所述运动的方向取决于定子线圈5中的电流方向。通过改变流过定子线圈5的电流(其中电流方向一般也会变化),并且借助于卷簧12,可使转子2作线性摆动运动。
对定子线圈5的控制是通过控制装置8在时间上与转子2的运动相协调的,以便在每种情况下可通过所生成的流过定子线圈5的电流获得所需的效应。此外,通过定子线圈5的磁场传导给转子2的能量在每种情况下均取决于相应的需求。具体地讲,该能量以如下方式测量:尽可能将摆动幅度保持恒定,甚至当转子2经受波动负载时也是如此。所述波动负载可被流过定子线圈5的电流的对应变化抵消。
在所示的实施方案中,控制装置8由测量及控制电路20组成,通过所述电路可至少在马达的摆动周期内在一个给定测量时刻(或在一个给定测量位置)测量马达的电特性。将所述电特性通过处理器21和定子线圈5的电感值转化为马达的运动变量。然后测量及控制电路20可基于运动变量来控制提供给马达的电流。控制装置8可具有存储器22以存储测量时刻(或测量位置);马达的电感值也可存储在存储器22中。
为了将摆动幅度保持在恒定值,有必要在每种情况下确定摆动幅度或相关的测量值。实际摆动幅度或相关的测量值例如在摆动周期内的给定测量时刻(其中在周期性摆动期间,测量位置即马达从其“关闭”位置开始的运动被明确地分配给测量时刻)的转子速度为马达的运动变量。由于谐振地摆动的系统中的摆动频率是已知的,因此摆动幅度可从摆动周期内的测量时刻的或测量位置的转子速度来确定。为了确定运动变量,可使用马达的电特性例如因移动的永久磁体9在定子线圈5中所感生的电压UL。
施加到马达线圈上的电压UM为线圈的欧姆电阻上的电压降、自感电压UL和因运动感生的电压Ui的和之积。这一般也可用基尔霍夫的电压定律来表示:
其中I为流过线圈的电流,R为线圈的欧姆电阻,ψ为关联磁流量,x为转子位置,并且t为时间。然而,恒定电感假定仅具有有限的用途,并且可导致例如高马达负载下的控制不稳定性。众所周知,电感L不是恒定的,因而必须考虑到非线性的差分电感此外,
DE 10229319 A1描述了所述特性和运动变量之间的关系,其中该关系应被视为以引用方式并入到所述文件中。施加到定子线圈5上的电压UM为落在定子线圈5的欧姆电阻上的电压UR、自感电压UL和因永久磁体9感生的电压Ui的和之积
UM=UR+UL+Ui=R·/+L·d//dt +v·kM。
同时,落在所述欧姆电阻上的电压UR可从定子线圈的电阻值R和电流I的乘积计算出来;感生电压Ui为转子速度v和比例常数、马达常数kM的乘积,并且同时自感电压UL通过在给定测量时刻的马达的电感L和暂时的电流变化dI/dt的乘积来获得。马达的电感L取决于马达的电流消耗I、测量时刻t或明确地与其相关联的测量位置x(马达从其“关闭”位置开始的运动)和暂时的电流变化dI/dt:
UL=L(l,d//dt,t bzw.x)·d//dt。
如果这些变量是已知的,则转子速度v可通过测量落在定子线圈5上的电压UM来确定。同时,在先前的应用中,电感L被假定为恒定的。然而,这在某些情况(某些马达负载)下导致了控制不稳定性。原则上,电感L可根据电流消耗I、测量时刻t或测量位置x以及电流变化dI/dt计算出来,因而可从“查找”表中读出,或电感L可通过多项式逼近法或类似的规程计算出来。在后一种情况下,仅存储逼近函数的系数而不存储整个“查找表”。然而,这两个规程需要更多的组件(存储器、处理器)来存储“查找表”或计算逼近函数。然而,必要的存储器和/或处理器不能够廉价地制造或以节省空间的方式制造。因此,下文描述了一种可供选择的替代方案,其避免了“查找表”或逼近函数的缺点。在此方面,将测量位置或测量时刻基本上选择成使得马达的电感L至少在受关注的区域中为大致恒定的,甚至当电流消耗I有变化时也是如此。因此,由于特定选择的测量时刻或测量位置的缘故,可用单一恒定电感值L=恒定来继续工作。因此,不需要用于“查找表”或用于多项式逼近法的大容量存储器或处理器。因此,如果将这些规程用于要保持稳定的若干个摆动幅度,则为每个摆动幅度分配摆动周期内的对应的测量时刻或测量位置,其中测量时刻或测量位置被选择成使得马达的电感L至少在受关注的变化的电流消耗区域中对于所有摆动幅度均为大致恒定的。为了最优化测量时刻或测量位置,可使用例如已知的最优化算法来最小化与平均电感值的二次偏差。为此,使用合适的测试台来测量马达电感的各种参数,诸如测量时刻和/或测量位置、电流消耗和摆动幅度,并且将这些测量值用于最优化。
图2显示了针对各种马达位置x1、x2和x3的在各种摆动幅度和时的马达的电感L对马达所消耗的电流1的原理函数线。显然,电感L具体地讲极大地取决于马达位置x(在此情况下:转子从“关闭”位置开始的运动)。用于线性地摆动的直接驱动器如干式剃刀中所用的驱动器情形中的摆动幅度的典型值为大约: 并且
图3显示了针对所述各种摆动幅度和的作为时间t函数的马达位置x的函数线。同时,函数f1、f2和f3对应于针对摆动幅度和的马达位置线。同时,时间T对应于摆动持续时间(在所述持续时间内执行摆动周期),在谐振地摆动的线性马达中所述时间对于所有摆动幅度和均是相同的。在3/16T时,测量时刻tx与正摆动最大值一致;摆动的零点在4/16T处获得。
因此,如图3所示,针对所述各种摆动幅度和的马达的电特性在线性马达的摆动周期中的类似的相对时刻tx时确定。由于存在所述不同的绝对测量位置xM1,xM2和xM3即马达在测量时刻tx被始终发现的位置,对于所述各种摆动幅度这在给定电流消耗I的情况下会导致显著地不同的电感值L。在电感L被假定为恒定时,这也导致从电特性(例如,落在定子线圈上的电压UM)来计算运动变量(例如,转子的速度v)具有对应的误差。在一些情况下,这意味着马达失去了控制,因而大的马达负载不能够由对应地校正的电源所抵消。因而控制电路变得不稳定。如果控制电路不仅是用于一种摆动幅度的情形中,并且如果有若干种不同的摆动幅度被认为应由控制电路来保持稳定,则该问题会变得更为严重。
图4作为一个实例显示了马达的电感L对电流消耗I的函数线,其中所述各种函数线适用于所述不同的摆动幅度和(当在固定测量时刻t1=t2=t3=tx测量时);这可导致在测量时刻时的所述不同的测量位置xM1,xM2和xM3。显然,在变化的电流消耗I和不同的摆动幅度 和的情形中,显著地不同的电感值L极为普遍,因而没有合理的理由可假定电感L在不同的电流消耗I和不同的摆动幅度和时均是恒定的。
为了避免该问题,建议不将测量时刻t选择成对于所述各种摆动幅度和均是相同的,而是对于每个摆动幅度以如下方式选择对应的(通常不同的)测量时刻t1、t2和t3:可将电感L假定为(至少大致)恒定的,因此可确保更好的控制稳定性。图5清楚地表明了这一点。图5如同图3一样显示了针对三种不同的摆动幅度和的作为时间t函数的马达位置x的函数线。最优化过程现在针对每个摆动幅度设定了不同的测量时刻t1,t2和t3。在图5中,对于摆动幅度电特性在测量时刻t1确定;这时马达在测量位置此外,对于摆动幅度电特性在测量时刻t2确定;这时马达在测量位置并且对于摆动幅度电特性在测量时刻t3确定;这时马达在测量位置在该示例图中,测量位置和不是被定位成彼此邻近,确切的测量位置(和/或测量时刻)随相应的马达而定。可选择测量时刻t1、t2和t3(具体地讲,如果最优化可如此提供的话)以便测量位置和重合。如图2所清楚地表明,所消耗的电流I和摆动幅度的函数相关性已经显著地小于类似测量时刻tx情形中的情况。
图6作为一个实例显示了针对各种测量位置和的马达的电感L对马达的电流消耗I的函数相关性,其中所述各种测量位置 和在每种情况下均通过针对各种摆动幅度和选择测量时刻t1,t2和t3来确定。选择(具体地讲最优化)测量时刻t1、t2和t3并且因此选择所述各种测量位置和以便马达的电感L在不同的电流消耗I时至少在受关注的区域(在此情况下:在I1至I2的电流消耗区间内)中为基本上恒定的;即,L≈恒定。所述恒定电感值L恒定然后可用来从电特性计算运动变量。图6通过虚线显示了将针对所有摆动幅度的所述恒定电感值L恒定确定为电流区间内的电感值的平均值。具体地讲,这些电感值通过测量给定参数(诸如摆动幅度和电流消耗)来确定,然后将它们用作确定所述恒定电感值L恒定的基础。通过最优化,可确定针对各种摆动幅度和的测量时刻t1,t2和t3,以便产生不同的测量位置和通过最优化对所述各种摆动幅度和时的测量时刻的选择,在计算运动变量时可假定电感L为恒定的,而同时不会导致控制不稳定性。甚至可将所述的方法或对应的布置用于仅一个摆动幅度的情形中,以便增大控制稳定性。可将所述恒定电感值L恒定存储在存储器(图1中的标号22)中,并且可从存储器中读出以计算马达的运动变量。
对于源自干式剃刀领域的马达实例,所指示的 且的摆动幅度可导致 且 的测量位置(即转子的运动)(测量时刻可通过正弦函数来确定)。在此情况下,马达电感(在示例性线性地摆动的直接驱动器如干式剃刀中所用的驱动器的情形中)为大约L=270μH,其对于所有摆动幅度在I1=1.0A至I2=4.5A的电流区间内为大致恒定的。同时,I1为最大电流的大约5%,并且基于系统的可能性I2为最大电流的大约23%。获得了2%的近似恒定度。在此方面,可将L恒定=270μH用作所述恒定电感值L恒定,而不会导致不稳定性或不正确地调整的摆动幅度。
因此作为总结,换句话讲,建议对于给定摆动马达或对于一种或多种摆动幅度,在每种情况下测量时刻或测量位置均通过前述测量以如下方式确定:马达的电感值L甚至在具有变化的电流消耗的情况下也保持大致恒定;此外,马达的运动变量可通过恒定电感值L恒定从电特性计算出来。
图7显示了示例性小型电动装置200,在此情况下为电动干式剃刀,其中使用了所述的布置或其被装备成可执行所述的方法。被实施为电动剃刀的小型电动装置200具有剃刮头部201,其中线性地摆动的直接驱动器顶靠剃刮金属薄片启动底部刀片,以便底部刀片以已知的方式切断或剪断突穿剃刮金属薄片的毛发。所述的用于控制摆动马达的布置可用于一种此类小型电动装置200,或所述小型电动装置200可被装备成可执行所述的方法。
Claims (9)
1.一种布置,所述布置具有
○摆动马达(100);
○控制电路(20),所述控制电路用以控制所述马达(100);
○传感器布置(5),所述传感器布置在摆动过程期间在预定测量时刻(t1,t2,t3)或在预定测量位置确定所述马达(100)的电特性;
和
○处理器(21),所述处理器用以通过所述马达(100)的至少电特性和恒定电感值(L恒定)来确定所述马达(100)的运动变量,
其中所述控制电路(20)在所述工作状态中根据所述运动变量控制所述马达(100),并且所述测量时刻(t1,t2,t3)或所述测量位置是预定的,使得即使不同的电流(I)流过所述马达(100),所述马达(100)的电感(L)也至少在给定电流区间(I1,I2)中保持大致恒定。
3.如权利要求1或2所述的布置,其中所述传感器布置(5)由所述马达(100)的定子线圈形成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的布置,其中所述控制电路(20)和/或所述处理器(21)和/或所述值存储器(22)通过微控制器来实施。
8.一种小型电动装置(200),具体地讲为牙刷或剃刀,所述小型电动装置具有如权利要求1至5中任一项所述的布置。
9.一种小型电动装置(200),具体地讲为牙刷或剃刀,所述小型电动装置被装备成实施如权利要求6或7所述的方法。
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