CN103068339A - 共振马达单元及具有共振马达单元的电气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种共振马达单元，其具有共振马达、控制单元、测量单元和评测单元。所述控制单元用于以驱动频率驱动共振马达，用于在连续的驱动循环中的至少第一短路相期间使共振马达短路，并且用于在驱动循环内至少预定的第一时间点处通过断开流过共振马达的电流来结束第一短路相；所述测量单元用于在所述预定的第一时间点处连续地测量由共振马达提供的至少第一电压信号；并且所述评测单元用于确定第一电压信号在连续的测量之间是否已改变。

Description

共振马达单元及具有共振马达单元的电气装置
技术领域
本发明一般涉及共振马达单元和包括共振马达单元的电气装置、以及控制共振马达的方法。
背景技术
可基于共振马达的负荷来控制共振马达。为了实现这种控制，可测量共振马达的运动马达电枢的马达电流或峰值振幅。这允许控制共振马达，使得总是独立于马达的负荷而获得恒定的峰值振幅。这种控制较为复杂，并且在控制回路中还需要其他元件诸如测量峰值振幅的位置检测器。在其中仅需要简单控制的情况下，这些解决方案成本较高。
因此期望提供一种共振马达单元和以较简单的方式控制共振马达的方法。
发明内容
根据至少一些实施方案，提供了一种共振马达单元，其具有共振马达、控制单元、测量单元和评测单元。所述控制单元用于以驱动频率驱动共振马达，用于在连续的驱动循环中的至少第一短路相期间使共振马达短路，并且用于在驱动循环内的至少预定的第一时间点处通过断开流过共振马达的电流来结束第一短路相；所述测量单元用于在所述预定的第一时间点处连续地测量由共振马达提供的至少第一电压信号；并且所述评测单元用于确定第一电压信号在连续的测量之间是否已改变。
根据至少一些实施方案，提供了一种控制共振马达的方法，所述方法具有以下步骤：以驱动频率驱动共振马达；在至少第一短路相期间使共振马达短路；至少在预定的第一时间点处断开通过共振马达的电流；在所述预定的第一时间点处测量由共振马达提供的至少第一电压信号；以及评测第一电压信号在连续的测量之间是否已改变。
附图说明
通过以下方式来进一步说明本公开：详述共振马达的共振马达单元或控制方法的一般实施方案，并且参照附图来详述实例实施方案。在附图中，
图1为具有共振马达和控制电路的共振马达单元的示图；
图2A为关于不同的外加负荷的三条运动感生电压的曲线和相应的通过马达线圈的电流的曲线的示意图；
图2B为图2A的所述两种最极端情况下的电流和横跨共振马达的总电压的示意图；
图3为取决于施加在共振马达处的负荷水平的共振马达的控制方案的示意图；
图4为通过共振马达的线圈的电流的两个实例的示意图，其中预见了三个预定的测量时间点；
图5为通过共振马达的线圈的电流的示意图，其中预见了驱动相期间的预定的测量时间点；并且
图6为可包括所提出的共振马达单元的电气装置的示图。
具体实施方式
一种共振弹簧-质量系统，诸如共振马达(其也可称作摆动马达或振动马达)具有共振频率fR(m；ks)，所述共振频率取决于相关的质量m和相关的弹簧常数ks。该共振弹簧-质量系统能够受激于具有驱动频率fd的周期性驱动力F(t)，这导致该质量的受驱动的周期性(通常为正弦曲线)运动。
在一些实施方案中，共振马达具有包括马达线圈(其可固定到其中设置了共振马达的电气装置的外壳上)的定子和包括一个或多个永久磁体的活动安装的马达电枢。在未通电状态中，活动安装的马达电枢由返回力保持在静止位置，所述返回力在一个实施方案中可由弹簧或弹簧配置提供。当为马达线圈提供交变供电电压(即将能量导入到共振马达中)时，所产生的马达线圈的电磁场驱动活动安装的马达电枢作周期运动。马达电枢的运动中的至少一些抵抗由返回力元件所提供的返回力。只要连续地提供能量以替换被共振马达消耗的能量，共振马达就可获得并且然后保持在平衡状态，其中只要共振马达的负荷保持恒定，运动马达电枢的峰值振幅就保持恒定。
马达电枢的受驱动的周期运动的频率fm由驱动频率fd确定，即fm＝fd。周期性驱动力和受驱动的周期运动具有限定的相移
Figure BDA00002841108000031
所述相移尤其取决于驱动频率fd和有效共振频率fr之间的差值。当共振马达(或一般来讲：共振弹簧-质量系统)以其有效共振频率受驱动时即fd＝fr，受驱动的周期运动具有
Figure BDA00002841108000032
的相移，即相对于周期性驱动力，
Figure BDA00002841108000033
度。当驱动频率和共振频率一致时，该弹簧-质量系统以最高效率受驱动。
图1示出了共振马达单元800的一个实例实施方案，其包括共振马达L和用于控制共振马达L的控制电路。在所示的实例实施方案中，共振马达L被布置在H-桥(也称作全桥)配置的桥段中，所述配置具有四个开关S1，S2，S3，S4(在H-桥的腿的每一个中布置一个开关)。开关S1，S2，S3，S4在一个实施方案中可被实现为场效应管，或在其他实施方案中可被实现为其他切换装置，例如晶体管。开关S1，S2，S3，S4中的每一个可包括保护性元件诸如保护性二极管，所述保护性二极管被布置成平行于开关以保护开关不受到过电压的影响，并且允许电流通过所述保护性二极管整流，例如当通过共振马达L的电感器(即共振马达L的线圈)的电流被断开时。在一些实施方案中，共振马达单元800包括功能元件，所述功能元件耦合到马达电枢以便在操作期间作受驱动的运动。共振马达单元800可用于电气装置，例如如图6所示的电动牙刷或用于电动剃刀、工具、家用电器等。
如上所述，能够通过施加周期性驱动力来驱动共振马达L的电枢作周期运动。该周期性驱动力通过控制单元400来产生，所述控制单元在驱动循环内接通和断开开关S1，S2，S3，S4，使得源自供电电压源500的供电电压可在正半周和负半周中施加在共振马达L处。在驱动循环的正半周期间，供电电压可在正向上施加，例如S1和S4被闭合而同时S2和S3被打开，并且在驱动循环的负半周中，电压可在反向上施加，例如S2和S3被闭合而同时S1和S4被打开。如果共振马达L不是连续地受驱动的(即不连续地供应能量)，则通常固有地存在于任何真实系统中的阻尼将逐渐减小马达振幅直到运动马达电枢停止。
在恒定的驱动频率fd和恒定的共振频率下(例如在无负荷状况fR中以及在有负荷状况fr中)，运动马达电枢的振幅能够通过增加或减小驱动力(即通过增加或减小周期性地输入到共振马达中的能量)来改变。驱动力的这种增加或减小能够通过增加或减小驱动相的时长(即其间供电电压被施加在共振马达L处的时长)来实现。
此外，控制单元400还可控制开关S1，S2，S3，S4以使共振马达L在驱动相之后的至少第一短路相期间短路。例如，控制单元400可在短路相期间闭合开关S1和S2或S3和S4(同时相应的其他两个开关，S3和S4或S1和S2分别被打开)。控制单元400还可控制开关S1，S2，S3，S4，使得至少在预定的第一时间点处结束第一短路相，并且通过共振马达(即通过马达线圈)的电流被断开，即所有开关被打开。驱动共振马达的此类相，连同可能的其他相，一般描述于DE10246520A1中。
马达处的电压UM(相对于地电位600测量)可提供在测量单元401的输入700处。测量单元401在所示的实施方案中被实现为控制单元400的一部分。电压UM的测量可与通过共振马达L的电流的断开同时进行。然后当电流被断开时，由共振马达L提供的电压信号可由评测单元402来评测，所述评测单元在所示的实施方案中也被实现为控制单元400的一部分。下文进一步讨论电压UM。
一般来讲，测量单元401和评测单元402中的一者或两者均可被实现为与控制单元400相分离。作为另外一种选择，源自由控制单元400、测量单元401和评测单元402所组成的组的至少两个单元可被实现为整体单元，诸如微处理器，在所述微处理器上实现所述组合单元的功能。
当共振马达L处于恒定地受驱动的状态时，只要马达上的(机械)负荷不改变，马达电枢就以恒定振幅摆动。当供电电压在驱动相期间施加在共振马达L处时，电流累积通过共振马达L。该电流累积尤其取决于驱动频率fd和共振频率(无负荷共振频率fR或有效共振频率fr)之间的差值，即电流的上升尤其取决于周期性驱动力和受驱动的周期运动之间的相移。当马达随后在紧接驱动相之后的第一短路相期间被短路时，即当供电电压不再横跨马达线圈被施加时，电流受到经由运动马达电枢在马达线圈中感生的电压的驱动。在第一短路相的末尾，剩余电流可通过在断开相期间打开H-桥的所有开关而被断开。下文将对此作更详细的描述。
横跨共振马达的总电压UM由自感电压给出UL＝L·dI(t)/dt，其中L为线图的电感并且dI(t)/dt为马达电流的时间变化(即马达电流I(t)相对于时间t的一阶导数)，通过永久磁体相对于线圈的运动在马达线圈中产生运动感生电压Uind，并且在马达线圈的欧姆电阻处产生电压UR＝I·R，其中I为马达电流并且R为马达线圈的电阻，使得
UM＝UL+Uind+UR＝L·dI(t)/dt+Uind+I·R。
此处未指出，在该公式中出现的所有电压均为时间依赖性的，即UM≡UM(t)等。运动感生电压Uind通常为正弦曲线，这是由于其依赖于受驱动的电枢相对于定子的运动，而所述运动通常为正弦曲线。如前所述，受驱动的周期运动具有相对于周期性驱动力的相移，其取决于共振马达的(有效)共振频率和驱动频率之间的差值。
在下文中，共振弹簧-质量系统诸如共振马达在无负荷状况下的共振频率用fR表示，当共振马达有负荷时，即当限定共振频率的相关参数中的一个被改变时所产生的有效共振频率用fr表示。
共振马达可用于电气装置(例如，电动口腔卫生装置或毛发移除装置等)从而驱动功能元件作运动，尤其是作摆动运动。在一个其中电气装置为口腔卫生装置，例如电动牙刷的实施方案中，功能元件可为刷头，所述刷头包括从刷头表面延伸的多个清洁元件。当使刷头顶压某个表面例如牙齿表面时，共振马达的有效质量和共振马达的有效弹簧常数中的至少一个受到影响。有效质量或有效弹簧常数中的至少一个的该压力依赖影响导致有效共振频率fr的变化，这是由于共振频率依赖于这些参数(即在共振马达上的负荷被改变的情况下，电气装置的有效共振频率在操作期间随着时间的推移而改变)。在一个实施方案中，驱动频率fd保持恒定，而有效共振频率fr则变化，例如归因于施加在受驱动的功能元件上的压力。当机械负荷施加在共振马达处时，受驱动的周期运动的峰值振幅也变化。此处应当指出，在一些实施方案中，施加机械负荷下的有效共振频率fr可能不是显著地不同于共振马达在无负荷状况下的共振频率fR。然而，施加在共振马达处(即施加在受共振马达驱动的功能元件处)的机械负荷也对受驱动的周期运动的峰值振幅具有影响。因此，在共振马达处施加机械负荷将相对于相移和峰值振幅的高度改变运动感生电压Uind。类似地，当驱动频率fd被改变时，运动感生电压Uind相对于周期性驱动力被改变，因为驱动频率的改变影响周期性驱动力和受驱动的周期运动之间的相移。
在下文中，参照的是图2A和2B。图2A示出了三种不同的实例情况的运动感生电压Uind(t)和通过马达线圈的电流I(t)。在所示的实例情况下，施加在共振马达处的负荷变化，但驱动频率为固定的。所示出的曲线涉及共振马达的平衡状态期间的单一驱动循环。所述三条实例曲线用Uind1，Uind2和Uind3来指示运动感生电压，并且用I1，I2和I3来指示流过马达线圈的电流。在这三条示例性曲线中，第一驱动相Sd的时长Td和驱动相Sd之后的且后接了在固定的预定的第一时间点t1处断开电流的第一短路相Ss的时长Ts在第一(此处：正)半周内为固定的。
运动感生电压Uind(t)相对于受驱动的运动马达电枢的位置函数(即受驱动的周期运动)相移了-90度。当在中心位置时，运动马达电枢在加电状态的速度是最高的，因此运动感生电压也是最高的，粗曲线Uind1示出了其中(有效)共振频率较远离驱动频率的情况，并且细线Uind2示出了其中共振频率较接近驱动频率的情况。中等粗细的线Uind3指示其中电流在所述预定的第一时间点t1处为大约零的情况，在所述时间点处所述电流被断开。
还可见到，运动感生电压的峰值振幅对于所述三条不同的曲线Uind1，Uind2和Uind3是不同的。在一些实施方案中，有效共振频率在施加机械负荷时的改变可较小，并且运动感生电压的功能行为的主要改变由峰值振幅的变化给出。在一些其他实施方案中，可认为有效共振频率的改变并因此相移的改变是占优势的。该行为取决于所用马达的种类和由共振马达驱动的功能元件的种类。
图2B示出了图2A所示的所述两种极端情况(Uind1和Uind2)下的横跨共振马达的(总)电压UM(t)(Uind(t)为其一个分量)，并且再次示出了通过马达线圈的电流I(t)。横跨马达的电压UM(t)用U1(粗线)和U2(细线)指示，所述曲线对应于分别用线I1(粗线)和I2(细线)指示的电流。
参见图2A和2B，共振马达以恒定的驱动频率fd受驱动。根据本公开的控制方案的一个实施方案，在每个驱动循环中，提供具有预定时长Td的第一驱动相Sd，所述第一驱动相后接具有预定时长Ts的第一短路相Ss。驱动相Sd和短路相Ss可仅在驱动循环的第一半周中(例如仅在正半周或仅在负半周中)施加。在所示的实施方案中，第一半周为正半周。
在所示的实施方案中，第二驱动相Sd’和第二短路相Ss’也可在驱动循环的第二半周(此处：负半周)期间施加。在另一个实施方案中，在第二半周期间不施加驱动相和短路相。在一些实施方案中，在第二半周中施加的第二驱动相Sd’和第二短路相Ss’中的至少一个可具有与它们在第一半周中相应的对应相不同的时长。在一个实施方案中，可在第一和/或第二半周中施加两个或更多个驱动相，并且每个相均可后接相应的短路相。
在第一驱动相Sd期间(即，在其间供电电压被施加在共振马达处的时段期间)，电流I(t)在马达线圈中累积。电流的上升尤其取决于周期性驱动力和受驱动的周期运动之间的相移
Figure BDA00002841108000071
并且还取决于运动感生电压Uind的峰值振幅Upeak。峰值振幅Upeak和相移确定运动感生电压在驱动循环内的某个时间点t处的实际高度，即
Figure BDA00002841108000073
并且运动感生电压的该实际高度影响通过共振马达的电流累积。由于这两个因素通过改变施加在共振马达处的机械负荷而被改变，因此通过共振马达的电流累积取决于外加负荷。类似地，当驱动频率fd被改变时，至少运动感生电压Uind相对于周期性驱动力的相移会改变，因此驱动相期间的电流累积将受到影响。
如所述的那样，运动感生电压Uind的这些差值尤其影响第一(或第二)驱动相Sd(或Sd’)期间的电流累积。电流累积也取决于驱动相被启动时的驱动相起动时间td。在一些实施方案中，驱动相起动时间td可被选择一次，然后保持固定。因此，当td和Td为固定的时，在驱动相Sd期间通过马达线圈的电流I(t)取决于相移(即，取决于驱动频率fd和有效共振频率fr之间的差值)，并且取决于运动感生电压Uind的峰值振幅，所述相移和峰值振幅受到施加在共振马达处的机械负荷的影响或通过改变驱动频率受到影响。
具有预定时长Ts的第一短路相Ss可紧接在第一驱动相Sd之后。通过马达线圈的电流因而受到运动感生电压Uind的驱动，并且一般在第一短路相Ss期间减小。在第一短路相Ss的末端，通过共振马达的电流可在预定的第一时间点t1处被断开。取决于所述各种因素，在所述预定的第一时间点t1处流过共振马达的线圈的电流I(t1)的高度可为正的或负的(或可正好为零)，如所述三条实例曲线I1，I2和I3所示。因此，所述预定的第一时间点t1处的电流值I(t1)取决于驱动频率fd和有效共振频率fr之间的差值(即相移)并且取决于运动感生电压的峰值振幅。
当通过共振马达的电流改变其正负号时，共振马达处的总电压UM也改变其正负号。在UM的零交点处(其中波形UM跨越图2B中的时间轴)在时间t1处，电流为零并且共振马达的欧姆电阻处的电压UR因此也为零，UR＝0。因此，自感电压UL和运动感生电压Uind在电压高度上是相同的，但具有不同的正负号，即UL＝-Uind。尽管马达处的总电压因而为零，但合计为零的所述两个分量未必很小。运动感生电压的绝对高度涉及断开时的共振马达中的残余能量。通常，所述预定的第一时间点t1处的电流不为零(但通常很小)；欧姆电阻处的电压因而也很小，因为其与电流成正比。因而运动感生电压Uind的绝对高度确定断开点处的马达中的残余能量。
当通过马达线圈的电流在第一短路相的末尾被断开时，共振马达以第一电压信号P1来响应，所述第一电压信号允许残余电流通过H-桥电路的开关的保护性二极管被整流掉(所谓的反电磁力，B-EMF)。该电压信号P1的高度可受到保护性元件例如被布置成平行于所述开关中的每一个的保护性二极管的限制。第一电压信号P1的高度还取决于切换速度，相关开关(例如图1所示的S4，在其中S3和S4被闭合且S1和S2被打开的短路相之后)以所述切换速度被打开，因为切换速度确定电流的改变dI(t)/dt。
该第一电压信号P1的正负号取决于共振马达中的残余能量是正的还是负的。在图2B中，粗线I1示出了以下情况，其中在断开相之前，所述预定的第一时间点t1处的残余电流为正的，并且共振马达处的电压UM(t1)为负的。在该情况下，第一电压信号P1的正负号为正的。细线I2指示以下情况，其中在断开相之前，在所述预定的第一时间点t1处通过共振马达的残余电流为负的，并且共振马达处的电压UM(t1)如线U2所示为正的。在该情况下，第一电压信号P1的正负号为负的。
按照上述内容，在一些实施方案中，该系统可为预校准的，以便第一电压信号P1在以下状况下改变其正负号：外加负荷从高于(或低于)第一预定负荷值变成低于(或高于)该值。以该方式，可确定共振马达是否经历了从小于第一预定负荷值D1(示出于图3中)的外加负荷至大于第一预定负荷值D1的外加负荷的过渡(例如，电动牙刷的刷头从非接合状态变为接合状态，其中将刷头施加到使用者一个牙齿或多个牙齿的表面上)。由于驱动相Sd的时长Td可能需要为固定的以周期性地将一定量的能量输入到共振马达中，短路相Ss的时长Ts可变化使得在给定的外加负荷下在第一预定的时间点处发生电压信号的正负号改变。因此，这允许测量某个负荷何时被施加到由共振马达驱动的功能元件上。
类似地，驱动频率fd可在连续的测量之间被改变，并且所述预定的第一时间点t1可被选择成使得第一电压信号P1的正负号改变发生在当驱动频率fd与共振频率fR一致的时候或当驱动频率fd与目标频率ft一致的时候，所述目标频率与共振频率相距预定距离，ft＝fR+Δf。在一些实施方案中，控制单元可被布置成以起始驱动频率驱动共振马达，然后可接着连续地、准连续地或逐步地改变驱动频率直到电压信号的正负号的改变指示电流驱动频率与共振频率相距预定距离。因此，控制单元可被布置成自动地确定最佳驱动频率。通过这种设计，能够自动地处理当与相同种类的其他共振马达比较时，导致共振马达的共振频率的差值的马达部件的容限和/或随着时间的推移导致共振马达的共振频率的差值的马达部件的老化。在一些实施方案中，控制单元将利用可由于容限和/或老化而发生的应当高于(或低于)共振频率的起始驱动频率，并且驱动频率随后将被连续地减小(或增加)直到达到所述预定的目标频率。
在一些其中仅要确定电压信号P1的正负号改变的实施方案中，测量单元仅测量电压信号P1的正负号就足够了。这能够例如通过以下方式来实现：以微控制器的标准数字输入施加第一电压信号P1，其中高于某个阈值信号的电压信号被检测为清楚的“高”信号，并且低于该阈值的任何电压信号被检测为“低”信号。在其中正电压信号可变得很小以致其可不再被可靠地检测为清楚的“高”信号(例如当所述预定的第一时间点处的残余电流很低且运动感生电压很低时)的情况下，可增加相应的一个开关或多个开关的切换速度以生成(至少持续短时间)高得足以被检测为清楚的“高”信号的电压信号。因而测量第一电压信号仅需要向评测单元递送二进制单数位输出。
在一些实施方案中，第一电压信号P1可被馈送给被实现为高速模拟电路的测量单元，所述模拟电路能够检测第一电压信号的高度以及该电压信号的宽度。在一些实施方案中，可使用数字电路，其具有足够良好的时间和电压分辨率以检测电压信号的宽度和高度。因而评测单元可具有包括预定表格的存储单元，其中负荷值或频率值可被赋与电压信号的高度值和/或宽度值，使得实际外加负荷值或实际驱动频率与共振频率之间的差值能够从该表格和确定的高度和/或宽度值计算出来。
当检测到第一电压信号的正负号改变时，控制单元随后可通过改变驱动参数来控制共振马达。参见图2A和图3，第一驱动相Sd可通过例如增加时长Td来增加，以便运动马达电枢以所期望的更高峰值振幅Ap运动。替代增加时长Td，也可通过以下方式来获得峰值振幅的增加：增加所施加的供电电压(例如相应地使用升压转换器以便提升由供电电压源提供的电压)。在一些实施方案中，可增加供电电压和时长Td这两者以便增加振幅。
驱动相的时长Td和短路相的时长Ts(在一起为总驱动时长Tds)可根据所要达到的峰值振幅来选择。对于小的峰值振幅，总驱动时长Tds可被选择为半周时长长度的约1％，而对于高峰值振幅，总驱动时长Tds可被选择为半周时长的至多99％。尽管驱动频率fd一般来讲可具有每种可感值，但驱动频率fd在一些实施方案中可在介于约1Hz至约10,000Hz的范围内。在一个其中电气装置被实现为口腔卫生装置，例如电动牙刷的实施方案中，驱动频率fd可在介于约30Hz至约500Hz的范围内。在一些其中电气装置为电动牙刷的实施方案中，驱动频率fd可大于约120Hz。驱动频率可大于约120Hz，大于约130Hz，大于约140Hz，大于约150Hz，大于约160Hz，大于约170Hz，大于约180Hz，大于约190Hz，大于约200Hz，或小于约200Hz，小于约190Hz，小于约180Hz，小于约170Hz，小于约160Hz，小于约150Hz，小于约140Hz，小于约130Hz，和/或这些值以内的或包括这些值的任何数值或任何范围。
参见图4，应当指出的是，不需要首先具有驱动相，后接短路相，以便生成所述的第一电压信号。在一些实施方案中，第一短路相被启动而不存在通过马达线圈的残余电流(即没有直接在前的驱动相)。例如，第一短路相可紧接在较长的断开相之后，所述断开相已允许所有残余电流通过保护性二极管被整流掉(即短路相起动时无任何通过马达线圈的残余电流)。图4中的线1001示出了其中断开相在时间点t5处被启动之后残余电流为零的情况。通过马达线圈的电流累积因而受到第一短路相期间的运动感生电压的驱动，因此取决于运动感生电压的正负号。当变化的相移改变运动感生电压的正负号时，电流因此基本上改变其正负号(因此，其中不发生明显相移改变的实施方案可不允许测量任何正负号改变)。因而如此生成的较低电流能够用来通过断开电流生成第一电压脉冲。换句话讲，这基本上简单地在所述预定的第一时间点之前探测了运动感生电压的正负号。
图3为示出了电气装置的峰值振幅曲线A1(细线)和A2(粗线)和对应的噪声水平曲线N1(细虚线)和N2(粗虚线)的示意图，当在操作期间获得预定的第一负荷值D1时，所述电气装置将以所述电气装置的受驱动的功能元件的某个峰值振幅Ap工作。所述预定的第一负荷值D1涉及施加在功能元件上的压力，所述压力影响运动感生电压相对于驱动功能的相移(即有效共振频率被改变)和运动感生电压的峰值振幅。在不失一般性的同时，假设对于给定共振马达单元，施加在功能元件处的负荷以及相移(即有效共振频率)和运动感生电压的峰值振幅的改变具有清楚的函数关系。
细线A1指示当机械负荷被施加在共振马达上而不应用所述控制方法时的受共振马达驱动的功能元件的摆动运动的峰值振幅的行为。相比之下，粗线A2指示当使用了所提出的控制方法时的功能元件的峰值振幅的行为的一个实例实施方案。如粗线A2所示，共振马达单元的控制单元可被布置成以预定的驱动频率fd驱动共振马达，以便当电气装置被接通时和/或在小于D1的负荷下获得功能元件的低峰值振幅A’。如图3所示，当利用了本公开的控制方法时，功能元件的起动峰值振幅A高于起动峰值振幅A’。
在不丧失一般性的同时，此处的曲线A1和A2示出了峰值振幅随负荷D的增加而减小。利用本发明的共振马达(或用于控制共振马达的控制方法)，当达到第一预定负荷值D1时，共振马达可按所期望的峰值振幅Ap受驱动，并且当电气装置在无负荷情况下运行和/或在小于D1的负荷下运行时，其可按低振幅A’受驱动。
低起动振幅可向使用者提供电气装置的操作状态的可感知的信号。低振幅A’也可防止可能被施加到电气装置的功能元件上的水或任何物质(例如牙膏)四处溅射。除此之外，还可获得较低噪声水平，如与细虚线N1相比较的粗虚线N2所示。N1指示在分别没有本发明所提出的共振马达单元和/或控制方法的电气装置的噪声水平。
如下文所更详述，共振马达单元也可被布置成测量并评测第二电压信号，所述第二电压信号可指示外加负荷是否已从高于(或低于)第二预定负荷值D2变成低于(或高于)第二预定负荷值D2。这可允许相对于该预定的第二负荷值D2来控制共振马达。控制单元可具体地被布置成当达到或如粗线A2示意性地所示地超过第二预定负荷值D2时降至受驱动的功能元件的低峰值振幅或甚至零峰值振幅。例如，当共振马达驱动作为电动牙刷的刷头的功能元件时，其能够通过减小振幅和/或驱动频率向使用者指示刷洗牙齿和牙龈的压力太高了。此外或作为另外一种选择，控制单元还可被布置成向使用者指示一定的外加负荷。例如在如图所示的实例中，当外加负荷低于所述预定的第一负荷值D1时，可点亮黄色光源以指示外加负荷不能有效地用于指定用途(例如牙齿刷洗)。当外加负荷介于所述预定的第一负荷值D1和所述预定的第二负荷值D2之间时，可点亮绿色光源以指示外加负荷处在优选的范围内。如果外加负荷已达到或超过了所述预定的第二负荷值D2，则可点亮红色光源以向使用者指示外加负荷太高。能够利用任何种类的指示，例如替代可视觉感知的指示，可使用听觉指示或可使用可触觉感知的指示。
除此之外，还设想到提供给使用者的指示的组合。例如，控制单元可减小振幅和/或频率，并且可将附加信号提供给使用者。例如，附加信号可包括视觉信号、听觉信号、触觉信号等或它们的组合。
在一个实施方案中，至少两个或更多个连续的短路相各自通过断开相结束，如图4示意性地所示，其中示出了对应于两个连续的半周的通过马达线圈的电流I(t)，并且其中三个预定的时间点t4，t5和t6被选择为能够辨别出三个不同的预定负荷值。在第一驱动相Sd之后，共振马达在具有时长Ts1的第一短路相Ss1期间被短路，并且随后电流在预定的第一时间点t4处被断开，如上所述，但此处断开相仅持续较短的第一断开时长TO1。如果在断开点处存在通过马达线圈的残余电流，则第一电压信号将由共振马达提供，如上所述。第一断开相的时长TO1可在介于约5微秒和约100微秒之间，可选地介于约20微秒至约50微秒的范围内。
在第一断开相之后，控制单元再次在具有时长Ts2的第二短路相Ss2期间使共振马达短路。时长Ts2被选择为很小的，以致流过马达线圈的残余电流在残余电流极小时将仅通过保护性二极管被完全整流掉。随后电流再次在预定的第二时间点t5处被断开。如果在断开点处存在通过马达线圈的残余电流，则第二电压信号将由共振马达提供，如上所述。第二断开相可具有时长TO2，所述时长也可在介于约5微秒和约100微秒之间，可选地介于约20微秒至约50微秒之间的范围内，如图4所示。
作为另外一种选择，第二断开相可继续进行，直到起动另一个驱动相。在所示的实施方案中，第三短路相Ss3在第二断开相之后持续时长Ts3，并且在预定的第三时间点t6处以断开相结束。如果在断开点处存在通过马达线圈的残余电流，则第三电压信号将由共振马达提供，如上所述。在另一个实施方案中，四个或甚至更多个断开相与相应的短路相交替发生。
线1000示意性地指示一个实例实施方案的电流I(t)，其中在所述预定的第一时间点t4处和所述预定的第二时间点t5处存在电流，并且其中电流在所述预定的第三时间点t6处刚好变成零，即可在所述预定的第三时间点t6处检测到的第三电压信号的正负号改变随后将指示，负荷被施加在了已达到预定的第三负荷值的共振马达处。
线1001(仅示出了第一半周)示意性地指示一种实例情况的电流，其中在所述预定的第二时间点t5处测量的第二电压信号的正负号改变可被检测到，从而指示达到了预定的第二负荷值。由于线1001所示的电流在第二断开相之后被消除，此处的第三短路相Ss3导致受运动感生电压驱动的电流累积，如上所述，并因此可产生第三电压信号。
在另一个实施方案中，如图5所示，具有时长Td1的较短的第一驱动相Sd1后接具有时长Ts1的短的第一短路相Ss1，并且其在预定的第一时间点t7处通过具有时长TO3的较短断开相SO1结束。在断开之后生成的所得第一电压信号随后被馈送给测量单元。可在一些实施方案中具有更长时长Td2的第二驱动相Sd2可在断开相SO1之后起动，并且可在预定的第二时间点t8处通过断开相结束，在所述时间点处可测量所生成的第二电压信号。
短断开相SO1可具有在介于约5微秒至约100微秒之间，可选地介于约20微秒至约50微秒之间范围内的时长TO3。第一驱动相Sd1的时长Td1和第一短路相Ss1的时长Ts1被设定为以下时长值，所述时长值允许电流在所述预定的第一时间点t7处在预定的状况下减小至零，但它们也很短以允许第二驱动相Sd2可具有允许获得运动马达电枢的高振幅的时长Td2。所述各个时长可通过以经验为主地来确定。
一般来讲，也有可能在数值上模拟共振马达及其行为，并且基于这种计算机模拟来确定所述各种参数诸如所述预定的时间点和时长。
参见图5，线1010指示以下情况，其中运动感生电压使得电流I(t)较高并且所述预定的第一时间点t7处的残余电流为正的。因而所得第一电压信号为负的。线1011指示以下情况，其中运动感生电压已改变，使得电流I(t)低于线1010所指示的情况，并且所述预定的第一时间点t7处的残余电流为负的。因而所得第一电压信号为正的。
存在多种可能性以测量第二(或更一般地：另一个)电压信号，所述电压信号指示例如外加负荷是否已从高于(或低于)预定的第二(或其他即第三，第四，)负荷值变成低于(或高于)该值。在一个实施方案中，第二预定负荷值可被选择为D2，如图3所示。在一个实施方案中，可在第二半周中施加不同的第二驱动相Sd’和/或不同的第二短路相Ss’，使得能够在预定的第二时间点t1’处(如图2A和2B所示)测量的第二电压信号P2通过其正负号的改变来指示施加在共振马达处的负荷从高于(或低于)预定的第二负荷值变成低于(或高于)该值。
在一个实施方案中，在至少第一半周期间(可选地在这两个半周中)施加两个驱动相，它们各自后接一个相应的短路相，示出并参见图5讨论了其一个实例，因此允许测量外加负荷是低于两个预定负荷值还是高于两个预定负荷值还是在两个预定负荷值之间(可选地能够探测更多不同的预定负荷值)。
在一个实施方案中，驱动相和短路相中的一个的至少长度在连续的驱动循环之间被周期性地改变。例如，在第一驱动循环c1中，通过测量来测试预定的第一负荷值，在接着的第二驱动循环c2中，测试预定的第二负荷值，在接着的驱动循环中，再次测试所述预定的第一负荷值等。这可由c1-c2-c1-c2-c1-c2-...系列来指示。可设想到其他系列，诸如c1-c2-c3-c1-c2-c3-c1-c2-c3-...或c1-c2-c1-c3-c1-c2-c1-c3-...或c1-c1-c2-c2-c1-c1-c2-c2-...等。
设想到包括存储器元件的操作的实施方案。例如，如果使用者通常超过了第二预定负荷值或第三预定负荷值，则可修改上述测量序列。具体地，如果超过了第三预定的值，则测量系列可为c1-c3，c-2-c-3，c1-c-3，c2-c3，...。该序列可发生直到使用者改变其卫生习惯并开始利用适当地施加的力。此时，可将测量系列修改成先前所列的系列，其在循环c3期间更少测量。
在一个实施方案中，在第一电压信号的评测已指示外加负荷已从高于(或低于)预定的第一负荷值变成低于(或高于)该值之后，第一驱动相的时长可被改变。所述预定的第一时间随后也可被改变。在一个实施方案中，在第一驱动相的时长的上述改变之后添加预定的第二时间点以允许测量外加负荷是已往回变成高于(或低于)所述预定的第一负荷值还是已从高于(或低于)预定的第二负荷值变成低于(或高于)该值。
用以测试是否达到了多于一个的预定负荷值的所有各种可能性可在尽可能的程度上彼此组合。
由于当第一电压信号改变其正负号时，共振马达受驱动时的峰值振幅可从低振幅被改变为高振幅，图3所示的负荷值D1应当涉及施加在功能元件处的负荷，所述负荷指示电气装置正被使用，例如，将其顶压住某个表面。相应的预定的第一负荷值或第二负荷值可被设定为在介于约0.1牛顿(N)至约5N之间的范围内。对于第一电压信号，所述预定的第一负荷值具体地可被选择为在介于约0.5N至约1.5N之间的范围内，并且对于第二电压信号，所述预定的第二负荷值介于约1.5N至约3.5N之间。除此之外，电气装置还可装配有指示灯以在以下时候向使用者发出指示：当外加负荷低于所述预定的第一负荷值水平时(例如通过黄光元件)，当外加负荷介于所述预定的第一负荷值和第二负荷值之间时(例如用绿光元件)或当外加负荷高于所述预定的第二负荷值时(例如用红光元件)。
在一个上述实例实施方案中，一个在评测单元已检测出外加负荷从高于(或低于)预定的第一(或第二，或第三，)负荷值变成低于(或高于)该值之后被改变的驱动参数为第一驱动相的时长。替代改变第一驱动相的时长，另一个驱动参数或多个驱动参数可被改变，例如，驱动频率可被改变，供电电压的高度可被改变，某个半周内的第一驱动相的起动时间可被改变等。
图6为被实现为口腔卫生装置1的电气装置的示图，所述口腔卫生装置在此处呈电动牙刷形式。口腔卫生装置1包括柄部20和连接件10。连接件10包括功能元件11，所述功能元件被安装成围绕如双箭头12所示的旋转轴线R作受驱动的摆动运动。功能元件11(在此处被实现为包括多个清洁元件的刷头，所述清洁元件在此处被实现为刷毛簇)可由共振马达驱动，使得功能头部11围绕旋转轴线R摆动。在操作期间，共振马达由控制单元来控制。
如下文所更详述，在示例性口腔卫生装置，例如电动牙刷的上下文中，可控制共振马达在初始时具有较低操作振幅以向使用者指示该电动牙刷处于接通状态并且是可发挥功能的。当将电动牙刷的刷头顶压住使用者口腔中的表面时，共振马达的施加的机械负荷可改变，并且当外加负荷值达到或超过预定的第一负荷值时，共振马达可被控制成具有更高的操作振幅(工作振幅)。低操作振幅可被选择成在工作振幅的介于约1％至约75％之间的范围内，可选地在介于约5％至约30％之间的范围内。
尽管已讨论了各种实例实施方案，但应当指出的是，本说明书中所公开的所有特征，不论是作为分离的特征还是作为其他特征的上下文中的特征，均旨在可单个地在尽可能的程度上彼此组合，并且不与本公开的要旨和范围相抵触。
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，每个这样的量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，所公开的量纲“40mm”旨在表示“约40mm”。

Claims (15)

1.一种共振马达单元，包括：
共振马达；
控制单元，所述控制单元用于以驱动频率驱动所述共振马达，用于在连续的驱动循环中的第一短路相期间使所述共振马达短路，并且用于在所述驱动循环内至少预定的第一时间点处通过断开流过所述共振马达的电流来结束所述至少第一短路相；
测量单元，所述测量单元用于在所述预定的第一时间点处连续地测量由所述共振马达提供的至少第一电压信号；和
评测单元，所述评测单元用于确定所述第一电压信号在连续的测量之间是否已改变。
2.如权利要求1所述的共振马达单元，其中，所述测量单元被布置成仅测量所述第一电压信号的正负号。
3.如权利要求1或2所述的共振马达单元，其中，所述预定的第一时间点被预定成使得当施加在所述共振马达处的负荷从低于预定的第一负荷值变成高于预定的第一负荷值或从高于预定的第一负荷值变成低于预定的第一负荷值时，所述第一电压信号改变其正负号。
4.如权利要求1至3中任一项所述的共振马达单元，其中：
所述控制单元还被布置成用于在连续的驱动循环中的第二短路相期间使所述共振马达短路，并且用于在所述驱动循环内的预定的第二时间点处通过断开流过所述共振马达的电流来结束所述第二短路相；
所述测量单元还被布置成用于在所述预定的第二时间点处测量由所述共振马达提供的第二电压信号；并且
所述评测单元还被布置成用于确定所述第二电压信号在连续的测量之间是否已改变。
5.如权利要求4所述的共振马达单元，其中，所述测量单元被布置成用于：
测量所述连续的驱动循环中的至少一个的第一半周中的第一电压信号和相同的驱动循环的第二半周中的第二电压信号；或
测量所述连续的驱动循环中的至少一个的第一半周中的第一电压信号和也在相同的驱动循环的第一半周中的第二电压信号；或
测量所述连续的驱动循环中的至少一个内的第一电压信号和所述连续的驱动循环中的至少另一个中的第二电压信号。
6.如权利要求1或2所述的共振马达单元，其中，所述控制单元被布置成在连续的测量之间改变所述驱动频率。
7.如权利要求6所述的共振马达单元，其中，所述预定的第一时间点被预定成使得当所述驱动频率与所述共振马达的共振频率一致或与具有与所述共振频率相距预定距离的目标频率一致时，所述第一电压信号改变其正负号。
8.如权利要求1至7中任一项所述的共振马达单元，其中，所述控制单元被布置成在所述短路相之前的驱动相期间在所述共振马达处提供供电电压。
9.如权利要求1至8中任一项所述的共振马达单元，其中，所述控制单元被布置成当基于所述第一马达信号的改变被确定时改变所述共振马达的驱动的至少一个参数，和/或向使用者指示所确定的改变。
10.一种电气装置，所述电气装置包括如权利要求1至9中任一项所述的共振马达单元，可选地其中所述电气装置为口腔卫生装置，例如电动牙刷。
11.一种控制共振马达的方法，包括以下步骤：
以驱动频率驱动所述共振马达；
在第一短路相期间使所述共振马达短路；
至少在预定的第一时间点处，断开通过所述共振马达的电流；
在所述预定的第一时间点处，测量由所述共振马达提供的至少第一电压信号；以及
评测所述第一电压信号在连续的测量之间是否已改变。
12.如权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
当基于所述第一电压信号的改变被确定时改变所述共振马达的驱动的至少一个参数，和/或向使用者指示所确定的改变。
13.如权利要求11或12所述的方法，还包括以下步骤：
在使所述共振马达短路的步骤之前在所述共振马达处施加供电电压。
14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
在第二短路相期间使所述共振马达短路；
在预定的第二时间点处，断开通过所述共振马达的电流；
测量第二马达信号，所述第二马达信号指示施加在所述共振马达处的负荷；以及
评测所测量到的第二马达信号以确定由所述第二马达信号指示的负荷值在连续的测量之间是否已从高于预定的第二负荷值变成低于预定的第二负荷值或从低于预定的第二负荷值变成高于预定的第二负荷值。
15.如权利要求11至14中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
在连续的测量之间改变所述驱动频率。
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