CN102474216A - 用于调节电动机的驱动电流频率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种小电器，所述小电器包括能够摆动的机构(4)、驱动所述能够摆动的机构(4)的电动机(1)和用于调节所述电动机(1)的驱动电流频率(f)的装置(3)，其中所述电动机(1)能够用预定频率(f)的驱动电流(10)来操作。此外，本发明描述了用于调节电动机的驱动电流(10)的频率(f)的方法，所述方法包括以下步骤：-在与所述驱动电流的周期相关的指定时间(t_测量)时检测由所述电动机(1)产生的电变量(20)-在所述指定的测量时间(t_测量)时确定所述检测的电变量(20)是否基本上具有零交叉，以及-改变所述驱动电流的频率(f)直至所述检测的电变量(20)在所述测量时间(t_测量)时基本上具有零交叉。

Description

用于调节电动机的驱动电流频率的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于调节摆动电动机的驱动电流的频率的方法和装置，所述摆动电动机优选地用于小电器，例如具有能够摆动的机构的电动牙刷或电动剃刮装置，所述能够摆动的机构可用摆动电动机来驱动。

背景技术

在小电器中，可提供摆动直接驱动器例如摆动电动机以驱动能够摆动的机械部件。此类驱动器用于例如其工作振幅无需利用传动装置而产生的电动剃刀或电动牙刷。能够摆动的机械部件主要为摆动电动机的转子、传动轴、以及任选地耦接到传动轴的组件，例如可置换的刷子。为了实现高水平的效率，希望摆动电动机采用交流电来操作，所述交流电的频率考虑小电器的摆动机械部件的共振频率。

通过电动机的功率消耗或摆动部件的工作振幅来测定用于驱动能够摆动机械部件的共振条件为人们所知。其缺陷在于必须进行定量测量过程以例如确定电流的最小值或工作振幅的最大值。为此，必须提供测量设备以用于进行测量过程。

从德国公布专利申请DE 102004029684A1可知，通过分析机械部件的随时间而逐渐消失的摆动过程来测定驱动能够摆动机械部件的共振条件。为此，打开电动机并持续较短的时段以便其可执行一些摆动运动并且能够摆动的部件可实现共振状态。然后关闭电动机以便电动机的摆动运动消失。在该过程期间，电动机产生对应于摆动运动的短暂时段的感应电压。测量感应电压的频率并在电动机的重复电启动中考虑感应电压的频率。此处也利用定量测量过程，其具有先前提及的缺点。另外一个缺点在于，消失的摆动过程的分析结果取决于能够摆动的机械组件的阻尼特性。

如果阻尼特性未知或者如果阻尼特性随时间改变，则其会对系统的效率产生负面影响。

发明目的

本发明的目的是提供能够简单但也足够精确地调节电动机的驱动电流频率的方法和装置。

本发明的目的的实现

该目的通过如权利要求所述的方法和装置来实现。

因此，本发明提供了一种用于调节小电器中的电动机的驱动电流频率的方法，所述小电器具有能够摆动的机构，所述能够摆动的机构由电动机来驱动，其中在与驱动电流的周期相关的指定的测量时间时检测由电动机产生的电变量，其中在指定的测量时间时确定检测的电变量是否基本上具有零交叉，并且其中改变驱动电流的频率直至检测的电变量在测量时间时基本上具有零交叉。

通过简单测定电变量在测量时间时的零交叉可省略定量测量过程，例如测定电流量。由于驱动电流的频率向共振频率的逼近能够以任何期望的小递增量发生，因此有可能实现逼近共振频率的足够高的调节精确度。以这种方式，也总有可能在机械系统的共振频率波动的情况下来操作共振的摆动系统，所述波动是由于例如负载改变。

有利的是，测量时间在电动机的驱动电流的周期的一半的中间，这是由于检测的电变量的零交叉在该点处对应于检测的电变量与最大振幅(最小速度)之间的90°的相移。当测量时间相对于电动机的驱动电流的最大值为90°相移时是尤其有利的。测量时间也可相对于电动机的驱动电流的最小值为90°相移。

电变量可为由线圈内的移动马达产生的电压，即也称作发生器电压的反电动势(反EMF)。

在驱动电流频率的每次改变之后，可确定与改变的驱动电流的周期相关的测量时间点。驱动电流的频率可在该过程中递增性地改变。

有利的是如果驱动电流的频率被存储并提供给小电器的控制电子器件，所述驱动电流频率在测量时间时基本上与反感应电动势中的零交叉同步出现。存储的频率然后可作为驱动电流的起始频率用于随后调节驱动电流频率至共振频率。

此外还描述了一种小电器，所述小电器具有能够摆动的机构、驱动所述能够摆动的机构的电动机和用于调节所述电动机的驱动电流频率的装置，其中所述电动机可用预定频率的驱动电流来操作，其中所述装置被设计成

-在与驱动电流的周期相关的指定时间时检测由电动机产生的电变量

-在指定的测量时间时确定检测的电变量是否基本上具有零交叉，并且

-改变驱动电流的频率直至检测的电变量在测量时间时基本上具有零交叉。

附图说明

利用附图所示的示例性实施方案更详细地解释本发明。

图1-4示出了小电器的摆动系统的运动与控制电子器件的电变量之间的关系；

图5示出了随驱动电流的频率改变的连续适应的反电动势；

图6示出了其中未满足共振条件的系统的电量值；

图7示出了其中满足共振条件的系统的电量值；并且

图8示出了小电器的概念电路图。

具体实施方式

本发明的方法更详细地描述了利用具有通常已知的手持式部件的电动牙刷，所述手持式部件具有电动机，所述电动机例如提供传动轴，置换刷子置于所述传动轴上。电动机可导致置换刷子进行摆动运动。置于传动轴处的置换刷子导致某一质量并在操纵期间导致能够摆动的机构的某一惯性矩，因此导致某一共振频率，所述能够摆动的机构基本上包括电动机的转子、传动轴和置换刷子。

此外，电动牙刷具有用于调节电动机的驱动电流频率的装置以便改变电流频率，使得其接近共振频率。这导致用于电动机的高水平的频率。

以下说明了下述步骤，根据所述步骤来改变驱动电流的频率并通过调节装置来执行所述步骤。为此并参考图1至4，解释摆动系统的运动与小电器的控制电子器件和/或电动机的电变量之间的关系。

图1示出了摆动系统随时间的摆动运动s(t)，例如电动机的转子、传动轴和电动牙刷的置换刷子的随时间的摆动运动。

图2示出了电动机随时间的速度v(t)和在电动机的一个线圈处随时间的反电动势u(t)。所述反电动势u(t)与电动机的马达常数一起与电动机的速度v(t)成比例。

图3和4示出了驱动电动机的控制电子器件在一个线圈处的驱动电压u(t)和驱动电流i(t)。在无驱动电流的相中，即当i(t)＝0时，有可能在该线圈处直接测量图2所示的电动机的反电动势。然而，关于图2所示的反电动势的振幅的定量说明仅仅在如果测量和/或评价总是在与t2相关的指定时间时发生时成为可能。

利用所述方法，有可能将驱动电流调节至摆动系统的共振频率而无需定量测量过程。为此，改变驱动电流的频率f直至驱动电流处于与摆动系统共振的状态。该过程中的共振条件由驱动电流与摆动系统之间的相移变成90°而被识别。该情况下的效率水平为最大值。

共振条件通过确定反电动势在与驱动电流的周期相关的预定测量时间t_测量时是否基本上具有零交叉来指定。优选地，测量时间t_测量为驱动电流的周期的一半的中间，即从驱动电流的最大值开始在驱动电流的±90°的相移处测量。

如果反电动势在测量时间t_测量时不具有零交叉，则驱动电流的频率f优选地以预定值改变。在改变驱动电流的频率f之后，再次确定与驱动电流的新周期相关的测量时间t_测量，并进行检查以确定反电动势随后是否具有零交叉。

重复该过程直至反电动势在测量时间t_测量时具有零交叉。当反电动势具有相对于驱动电流的最大值具有±90°的相移的零交叉时，驱动电流与摆动系统处于共振状态。驱动电流与摆动系统之间的相移随后也为90°。图5示出了反电动势频率的连续改变，其源于驱动电流的频率的改变。

在所述方法中尤其有利的是反电动势的零交叉可非常容易地被电检测。

图6示出了驱动电流与摆动系统之间的相关系未满足的系统的一个实例，其意味着驱动电流不处于与摆动系统共振的状态。图6示出了反电动势20的零交叉不位于驱动电流10的测量时间t_测量时。在该情况下，测量时间点t_测量相对于驱动电流的最大值为90°相移。

图7示出了满足驱动电流10与摆动系统之间的相关系的一个实例。该情况中的驱动电流与摆动系统处于共振状态。反电动势20的零交叉位于驱动电流10的测量时间t_测量时。反电动势20和驱动电流10相对于摆动系统为90°相移并与所述系统处于共振状态。

该情况中的实际测量时间点代表测量角度，其为驱动电流的频率持续时段的百分比。所描述的方法在相移(即测量角度)不精确地为90°时也起作用；然而，在启动电动机时要考虑与90°的测量角度的偏差。

所述方法的优点在于摆动系统的共振频率中极高的精确度可用最少的对启动设备部件的技术努力实现，这是由于启动设备仅仅必须提供不受控的频率，并且为了评价相关系，仅仅需要确定在测量时间时是否存在反电动势的零交叉。

驱动电流的频率f可递增或递减直至在驱动电流与摆动系统之间存在与驱动电流的最大或最小值相关的90°的相移。在本发明的一个实施方案中，递增可在开始时较大并随时间降低。这使得驱动电流的频率f能够极迅速地逼近摆动系统的共振频率。根据所述方法确定的驱动电流的频率可存储在例如启动设备中并用作下一调节过程的起始频率。

有利的是，不再需要用于例如测定电流最小值的定量测量过程的复杂设备。另外一个优点在于启动设备的初始振荡器容限可几乎完全消除，这是由于最终存储的频率基于该容限存储。

用于整个系统的成本保持较低，这是由于不需要例如比较器或电压基准的组件。电子器件印刷电路板可更紧凑地被生产。

图8示出了电动牙刷的概念电路图。电动牙刷基本上包括电动机1、电源2、调节用于电动机1的驱动电流频率的装置3、以及可被电动机驱动的牙刷4。

牙刷4为电动牙刷的能够摆动的机构的组件。电动机1由电源2供给能量，其中电源的电流频率f可调整和/或可控制。

装置3被设计成使得所述装置可指定与驱动电流的周期相关的测量时间点，用于检测由电动机1产生的反电动势，从而其可确定在指定的测量时间t_测量时的反电动势是否基本上具有零交叉，并且其可改变驱动电流的频率f直至反电动势的零交叉基本上存在于测量时间时。因此，装置3确定在预定的时间时，电动机1的反电动势的零交叉是否取决于电源2的电流频率f而存在并改变。

如果在牙齿清洁中向着牙齿按压牙刷的压力改变，则能够摆动的系统的机械共振频率也将由于更重地压在一起的牙刷的惯性矩不同于较轻地压在一起的牙刷的惯性矩而改变。利用所描述的方法，牙刷也在此类状况下通过相应再调节驱动电流的频率总是共振操作。

所描述的方法并不局限在用于电动牙刷。反之，其也可用于具有摆动直接驱动器的其他电器，例如电动剃刮装置或家用电器。同样地，所描述的小电器可不仅为电动牙刷，也可为电动剃刮装置或家用电器。

除非明确地不包括在内或换句话讲限制，本文所引用的每篇文献，包括任何交叉引用的或相关的专利或专利申请，均特此以引用方式全文并入本文。任何文献的引用不是对其作为本文所公开或受权利要求书保护的任何发明的现有技术的认可，或者对其自身，或者与任何其它的参考文献的任意组合，或者参考、提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，当本文件中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文件中相同术语的任何含义或定义矛盾时，应当服从在本发明中赋予该术语的含义或定义。

尽管已用具体实施方案来说明和描述了本发明，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可作出许多其他的变化和修改。因此，有意识地在附加的权利要求书中包括属于本发明范围内的所有这些改变和变型。

Claims (13)

1.一种方法，所述方法用于调节具有能够摆动的机构的小电器中的电动机的驱动电流的频率(f)，所述能够摆动的机构由所述电动机来驱动，其中在与所述驱动电流的周期相关的指定的测量时间(t_测量)时检测由所述电动机产生的电变量，其中在所述指定的测量时间(t_测量)时确定所述检测的电变量是否基本上具有零交叉，并且其中改变所述驱动电流的频率(f)直至所述检测的电变量在所述测量时间(t_测量)时基本上具有零交叉。

2.如权利要求1所述的方法，其中，与所述驱动电流的最大值或最小值相关的所述测量时间(t_测量)在所述电动机的驱动电流的周期的一半的中间。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电变量为所述电动机的一个线圈处的反电动势。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在所述驱动电流的频率(f)的每次改变之后，确定与所述改变的驱动电流的周期相关的测量时间(t_测量)。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述驱动电流的频率被递增性地改变。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述驱动电流的频率被存储并且被提供给所述小电器的控制电子器件，所述驱动电流的频率在所述测量时间(t_测量)时的反电动势中基本上具有零交叉。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述小电器为用于个人用途的设备，例如电动剃刮装置或电动牙刷。

8.一种小电器，所述小电器具有能够摆动的机构、驱动所述能够摆动的机构的电动机和用于调节所述电动机的驱动电流的频率(f)的装置，其中所述电动机能够用预定频率(f)的驱动电流来操作，其中，所述装置被设计成

-在与所述驱动电流的周期相关的指定时间(t_测量)时检测由所述电动机产生的电变量，

-在所述指定的测量时间(t_测量)时确定所述检测的电变量是否基本上具有零交叉，以及

-改变所述驱动电流的频率(f)直至所述检测的电变量在所述测量时间(t_测量)时基本上具有零交叉。

9.如权利要求8所述的小电器，其中，所述测量时间(t_测量)在所述驱动电流的周期的一半的中间。

10.如权利要求8所述的小电器，其中，所述电变量为所述电动机的一个线圈处的反电动势。

11.如权利要求10所述的小电器，其中，所述电动机的驱动电流的频率连续被调节直至基本上所述反电动势的零交叉存在于所述测量时间(t_测量)时，其中在所述驱动电流的频率(f)的每次改变之后，确定所述测量时间(t_测量)与所述改变的驱动电流的周期相关。

12.如权利要求8所述的小电器，所述小电器被设计成用于个人用途的设备。

13.如权利要求12所述的小电器，其中，所述小电器被设计成用作电动牙刷或电动剃刮装置。

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