CN103068338B - 用于操纵电器的方法和电器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有用于驱动振动组件的共振马达(10)的电器，所述电器具有控制单元，所述控制单元用于以预定的驱动频率驱动所述共振马达(10)，并且用于在驱动循环内在预定测量时间(tm)处，测量所述共振马达(10)的运动感应电压，并且用于判定测量到的电压值是否与预定的目标电压值一致或者测量到的电压值是否已经超过预定的目标值。

Description

用于操纵电器的方法和电器
技术领域
本发明涉及一种用于操纵电器例如电动牙刷或电动剃刀的方法，并且还涉及一种包括控制单元的电器。
背景技术
已知在电器中，可提供共振马达来驱动机械组件进入振动运动。共振马达例如可被实施成摆动电动马达。此类共振马达可被用于电动剃刀或电动牙刷中，其中建立了从动机械组件的工作振幅而没有传动装置机构。在运行期间用来振动运动的机械组件可为共振马达的电枢、驱动轴或耦合到所述驱动轴的组件，例如电动牙刷的刷头。
为实现共振马达的良好驱动效率，希望共振马达具有的驱动频率(1)与由共振马达和从动组件确定的弹簧-质量系统的共振频率一致，或(2)与共振频率具有某一预定距离。
已知电器的共振驱动器可通过施加供电电压来供电，使得具有固定频率的驱动电流积聚，所述固定频率接近弹簧-质量系统的共振频率。然而，相关弹簧-质量系统的共振频率取决于在操纵电器时可改变的几个因素。具体地，从动机械组件(例如牙刷刷头)上的机械负荷可波动，例如当使用者在刷洗牙齿期间改变牙刷的刷毛上的压力时。这可导致弹簧-质量系统的实际共振频率的一定变化。由于在这种情况下，小电器的效率和/或性能可减少，因此如果可检测到共振频率上的变化以改善电器的运行将是理想的。
因此，希望提供一种方法和电器，其中在运行期间以廉价的且容易实施的方式检测到电器的实际共振频率的变化和/或从动振动组件上的机械负荷的变化。
发明内容
提供了一种操纵电器的方法，所述电器具有用于驱动振动组件的共振马达，所述方法包括以下步骤：通过具有预定的驱动频率的驱动电流驱动共振马达，测量在驱动循环内在预定测量时间处共振马达的运动感应电压，以及判定测量到的电压值是否与预定的目标值一致或者测量到的电压值是否已经超过预定的目标值。
提供了一种具有用于驱动振动组件的共振马达的电器，其中所述电器具有用于采用预定的驱动频率来驱动共振马达的控制单元。所述电器还包括用于以下目的的处理单元：(1)在驱动循环内在预定测量时间处，测量共振马达的运动感应电压，和(2)判定测量到的电压值是否与预定的目标值一致或者测量到的电压值是否已经超过预定的目标值。
附图说明
本发明通过示例性实施方案以及通过参考附图进行进一步阐明。在附图中，
图1-3显示在驱动频率和(实际)共振频率之间的不同关系下共振的运动感应电压的时间进度，并且
图4是用于控制共振马达的电路布置的方框图。
具体实施方式
共振马达可具有线圈，所述线圈相对于承载至少一个永久磁体的马达电枢静止地安装。马达电枢可被安装成使得返回力将电枢保持在静止位置或者当所述电枢移离其静止位置时提供返回力。返回力可通过返回力元件例如弹簧或弹簧排列产生。机械振动组件可被耦合到马达电枢。当周期性变化的供电电压在线圈处具有驱动频率时，生成了通过马达线圈的交流电流并且所述线圈的电磁场与承载永久磁体的电枢交互作用，使得所述电枢开始摆动或振动运动，所述运动也驱动耦合到马达电枢的机械振动组件。共振马达代表弹簧-质量系统，所述弹簧-质量系统具有由相关弹簧常数和相关质量确定的共振频率。驱动频率越接近于共振频率，驱动就越有效率，即，当驱动频率与共振频率一致时，获得了马达电枢的从动周期运动的最高振幅。
具有共振马达的弹簧-质量系统的驱动频率和实际共振频率之间的差值导致马达电枢的周期驱动力和从动周期运动之间的某一相移。从动周期运动决定由可动永久磁体感应产生的在共振马达的线圈处的运动感应电压。因此，驱动频率的任何变化(例如，通过可控制地改变驱动频率)或者实际共振频率的任何变化(例如，通过在从动机械组件处施加机械负荷)导致该相移上的变化。因此，当在驱动循环内在某个时间点处运动感应电压达到预定的目标值时，可确定驱动频率和实际共振频率之间的某种关系。因此，可判定驱动频率是否与(实际)共振频率一致或者是否与(实际)共振频率具有某一距离。此外，它可被判定是否将机械负荷施加到了从动机械组件，因为这由在驱动循环内在某个测量时间处的运动感应电压的某个值体现。
如果在测量时间处运动感应电压达到(或超过)预定值同时驱动频率是固定的，则这可为预定机械负荷正在被施加到从动机械组件的指示。如果预定的目标值在恒定负荷状态期间(例如，在空负荷状态期间)测量，则这指示驱动频率和共振频率具有预定距离(该距离可为零或者可具有非零值)。例如，如果预定的目标值是2V，则当首先测量到的运动感应电压处在预定的目标值以上并且随后测量到的运动感应电压处于预定的目标值以下时运动感应电压“超过”。又如，当首先测量到的运动感应电压处于预定的目标值以下并且随后测量到的运动感应电压处于预定的目标值以上时，运动感应电压“超过”。
如果测得预定的目标电压值，则这可由声学信号、光学信号或触觉信号来指示。听觉信号和/或视觉信号和/或触觉信号可警示电器的使用者施加的机械负荷太高。如果所述信号指示负荷上的变化和因此与最佳性能的偏差，则使用者可改变电器的操作。因此，使用者可凭直觉优化电器的操作。
可选择测量时间，使得当共振马达机械上未负荷时它接近运动感应电压的零交点。波形，例如运动感应电压，可具有在横坐标(水平或x轴)之上和横坐标之下的各部分。零交点是波形与横坐标交叉或相交之处。
可选择测量时间以便当预定的机械负荷被施加在从动机械组件(例如刷头)处时在测量时间处达到运动感应电压的零交点。运动感应电压的零交点可比某一绝对目标电压值更容易检测到。零交点可例如通过检测连续测量值之间的运动感应电压上的符号改变来被检测到(在某一不确定性限制内)。
在一些实施方案中，运动感应电压在共振马达的线圈处可被分接，并且可利用比较器单元来比较测量到的电压值与预定的电压值。
基准电压值可为零伏特(0V)。
在一些实施方案中，比较器单元可被布置成根据比较结果提供二进制输出信号，其中所提供的输出信号可被馈送到处理单元。
在一些实施方案中，控制单元可被布置成改变运动感应电压的连续测量值之间的驱动频率。如果测量时间被选择成使得运动感应电压的零交点发生在驱动频率和共振频率具有预定距离之时，因此能够使得控制单元自动地检测其最佳驱动频率，而与如马达部件的公差或老化之类的效应无关。
采用电动牙刷的实例更详细地描述了控制具有共振马达的电器的方法和相应的电器，其不应当被看成是限制性的。
电动牙刷刷子可具有包括共振马达的手件，所述共振马达具有其中呈刷头形式的机械振动组件可连接在其上的驱动轴。共振马达可使刷头进行摆动。由共振马达和机械振动组件(这里：刷头)确定的弹簧-质量系统具有特定的共振频率。实际共振频率会变化，特别是当施加了机械负荷时。在使用期间，机械负荷可例如通过刷头在牙齿表面上的压力而施加。
要获得高效率，共振马达可通过将具有预定驱动频率的交流供电电压供应给共振马达来供电，其中驱动频率可被选择成与弹簧-质量系统的共振频率具有预定距离。从动周期运动具有与驱动频率相同的频率。
在一些实施方案中，弹簧-质量系统的实际共振频率上的变化(例如，由于外加机械负荷)被用来检测机械负荷是否与预定的负荷值一致。要检测实际共振频率上的变化，在预定测量时间处测量和分析由共振马达的线圈中的可动磁体感应产生的运动感应电压。为了直接在共振马达处测量运动感应电压，可在驱动循环内在驱动阶段之后，关掉通过马达线圈的电流。当没有电流通过线圈时，可从共振马达分接的电压是可被分接例如测量的运动感应电压，因为自感应电压和在共振马达的欧姆电阻处的电压随着电流的中断而消散。其内容将通过引用包含在本公开中的专利文献US7,180,254描述了横跨共振马达的线圈的不同电压分量。
图1显示承载共振马达的永久磁体的可动马达电枢的速度对时间v(t)，没有机械负荷作用在振动机构上。由于由可动永久磁体所提供的变磁场，在共振马达的静止线圈中感应产生的运动感应电压u(t)与可动电枢的速度v(t)成正比。运动感应电压u(t)的频率从而对应于驱动频率。驱动频率本身在这里被假设为高于共振马达的共振频率。例如，共振马达的共振频率可处在介于约30Hz至约500Hz之间的范围内，并且驱动频率可与共振频率具有处在介于约1Hz至约50Hz之间范围内的偏移值。
图3同样显示用于其中驱动频率处于共振马达的共振频率以下的情况的可动电枢的速度对时间v(t)。这种情形可发生在负荷被施加于共振马达之时，所述负荷使共振频率移动，使得实际共振频率已经增大到驱动频率以上的值，其中驱动频率保持不变。这样一种情形也可发生在驱动频率被改变而共振马达被保持在未负荷状态之时。
在一些实施方案中，用来测量和分析运动感应电压的测量时间tm可被选择成使得它接近于运动感应电压的零交点。在图1中，测量时间tm出现在零交点之前；在图3中，它出现在零交点之后，这样，根据图1，在时间tm处测量到的运动感应电压大于零，并且根据图3，在时间tm处测量到的运动感应电压小于零。
如果共振马达(驱动机械组件，例如电动牙刷的刷头)在运行期间被机械地加载，则它的共振频率会改变，例如因为机械负荷影响由共振马达和从动组件所确定的弹簧-质量系统的有效弹簧常数和/或有效质量/质量惯性中的至少一个。共振频率上的变化导致马达电枢的周期驱动力和从动周期运动之间的相移上的变化，使得在驱动循环内在固定测量时间tm处，运动感应电压的测量值从前面的运动感应电压的测量值变化。如图3显示其中共振频率已经从处于驱动频率下方移动到处于共振频率上方的情况，速度对时间v(t)的零交点也超过测量时间tm。此外，因为运动感应电压u(t)与速度v(t)成正比，期望u(t)可类似地超过。
图2显示在其中或是机械负荷使得相移已经将速度对时间的零交点移动到测量时间tm或是驱动频率被改变使得相移已经将速度对时间的零交点移动到测量时间tm的情形下共振马达的电枢的速度对时间v(t)。
测量时间现在可被选择，使得在测量时间处运动感应电压的零交点位于预定机械负荷被达到或者驱动频率和共振频率具有预定关系(即，驱动频率和共振频率之间的距离具有预定值，例如+5Hz或-8Hz等)的条件下。如果负荷已经使共振频率移动，则所述系统可被设计，使得实际共振频率和驱动频率在期望的负荷值处一致。那么所述系统可以较高的效率工作，这通过如由图2中的速度对时间v(t)所示的可动电枢的较高速度来表现。
代替判定运动感应电压是否在测量时间处具有零交点，也可选择判定运动感应电压是否具有除了零伏特之外的任何其它值。零交点(0V)可趋于用更简单的电子电路检测到。在一些实施方案中，据检测，当在连续测量之间检测到运动感应电压上的符号改变时，施加了高于预定负荷的负荷。
如果在测量时间tm处检测到运动感应电压的零交点，或者如果在测量时间tm处运动感应电压达到预定电压值，则这可被指示给使用者。这可例如通过用于输出视觉信号、听觉信号和/或触觉信号的指示装置来完成。
因此，共振马达上的机械负荷可直接由运动感应电压确定。用于检测机械负荷或者用于测量例如马达电枢的实际峰值振幅的附加传感器不是必需的。
本发明的方法并不仅限于用于电动牙刷中。相反，它也可被用于具有共振马达的其它电气装置例如电动剃刀和家用电器中。
图4显示通过分析运动感应电压在小电气装置中用于驱动共振马达10并且用于检测振动机构上的机械负荷的一种可能电路配置的方框图。
为驱动电动马达10，可提供具有四个开关即S1，S2，S3和S4的全桥接电路，在其分流臂中布置了电动马达10。全桥接电路连接到控制单元30。全桥接电路的四个开关(例如，它们可被设计成晶体管)受控制单元30控制。可以常规方式控制开关例如S1，S2，S3和S4，使得流过电动马达的电流周期性地改变方向。如果开关S1和S3被闭合而开关S2和S4被打开，则电流流过开关S1和S3流过电动马达。如果开关S2和S4被闭合而开关S1和S3被打开，则电流在反方向上流过电动马达，流过开关S2和S4。
通过共振马达10的电流可通过打开所有四个开关被断开。控制单元30可被布置成在每个驱动循环中断开流过所述马达的电流一段时间。当电流已经中止时，运动感应电压可从共振马达直接分接。因此可在连续的驱动循环中测量运动感应电压以判定是否达到了预定电压值。在一些实施方案中，开关S1至S4可被实施成场效应管。
从共振马达10分接的电压可被馈送到比较器单元20。在比较器单元20处提供的电压接着可在驱动循环内在预定测量时间处测量。运动感应电压的分析可采用以上关于图1至图3所述的方法来执行。为了判定运动感应电压是否已经达到预定电压值(例如，0V)，比较器单元20可具有对应于预定电压值的基准电压(例如，0V)。
所述比较的结果是，比较器单元20在其输出处(用高或低电平)提供信号，所述信号被提供给控制单元30。如果测量到的运动感应电压和预定电压值匹配，例如如果在测量时间处存在运动感应电压的零交点，则在比较器单元20的输出处可施加高电平。在一些实施方案中，当测得正电压时高电平输出由比较器单元20提供，并且当测得负电压时提供低电平信号，或反之亦然。
控制单元30可被布置成分析来自比较器单元20的输出，并且根据分析执行预定步骤。预定步骤可为例如，如果比较器单元20指示达到了零交点或者超过了零交点，则生成视觉信号或听觉信号或触觉信号。
在一些实施方案中，控制单元30可被布置成通过连续测量值之间的预选量改变驱动频率，直到运动感应电压已达到预定电压值为止。通过这样一种程序，驱动频率可被自动地设置在共振频率处或接近于共振频率，使得可处理不同共振马达之间的公差和/或改变共振频率的老化效应，并且共振马达可一直被高效率地驱动。
本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲均是指所引用数值和围绕那个数值的功能上等同的范围。例如，所公开的量纲“40mm”旨在表示“约40mm”。

Claims (14)

1.一种操纵电器的方法，所述电器包括用于驱动振动组件的共振马达(10)，所述方法包括以下步骤：
以预定的驱动频率驱动所述共振马达(10)；
在驱动循环内在预定测量时间(tm)处，测量所述共振马达(10)的运动感应电压；以及
判定所测量到的电压值是否与预定的目标电压值一致或者所测量到的电压值是否已经超过所述预定的目标值；
其中，选择所述测量时间(tm)，使得在所述共振马达的机械未负荷状态中所测量到的电压值接近于零伏特。
2.如权利要求1所述的方法，其中，选择所述测量时间，使得在施加于所述共振马达的预定负荷值下所测量到的电压值与所述预定的目标电压值基本上一致。
3.如权利要求1至2中一项所述的方法，还包括以下步骤：
在重复所述驱动、测量和判定步骤之前重复地按预选量改变所述驱动频率，直到达到或超过所述预定的目标电压值。
4.如权利要求1至2所述的方法，其中，将所测量到的电压值施加在比较器单元处，所述比较器单元被供给预定的基准电压以便与所测量到的电压值相比较。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述基准电压是0伏特。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述比较器单元根据所述比较提供二进制单数位输出信号，所述输出信号被馈送给处理装置。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中，当所测量到的电压值已经达到所述目标值时生成声学信号或光学信号或触觉信号。
8.一种具有用于驱动振动组件的共振马达(10)的电器，包括控制单元，所述控制单元用于用预定的驱动频率驱动所述共振马达(10)，并且用于在驱动循环内在预定测量时间(tm)处，测量所述共振马达(10)的运动感应电压，并且用于判定所测量到的电压值是否与预定的目标电压值一致或者所测量到的电压值是否已经超过所述预定的目标值；其中，选择所述测量时间，使得在机械未负荷的共振马达的情况下，所述测量时间位置靠近所述运动感应电压的零交点。
9.如权利要求8所述的电器，还包括：
被布置用于比较所测量到的电压值与预定的基准电压的比较器单元(20)，所述基准电压可选地为0伏特。
10.如权利要求8或9所述的电器，其中，选择所述测量时间，使得在测量时间处在所述共振马达上具有机械负荷的情况下，所述运动感应电压的零交点出现在施加于所述共振马达的预定负荷处。
11.如权利要求10所述的电器，其中，所述比较器单元被布置成根据所述比较提供二进制输出信号，所述输出信号能够被馈送给所述控制单元。
12.如权利要求8或9所述的电器，还包括：
指示装置，所述指示装置被设计用于产生听觉信号或视觉信号或触觉信号，以指示所测量到的电压值已经达到和/或超过所述预定的目标电压值。
13.如权利要求8或9所述的电器，其中，所述控制单元被布置用于当所测量到的电压值与所述预定的目标电压值不一致时改变所述运动感应电压的连续测量之间的驱动频率。
14.如权利要求8或9所述的电器，其中，所述控制单元被布置用于在没有电流流过所述共振马达时执行所述运动感应电压的测量，可选地其中所述控制单元被布置成在所述测量时间之前断开通过所述共振马达的电流。
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