CN1036104C - 直流电机控制电路和直流电机 - Google Patents

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Abstract

一种用来控制直流电机的抑制转矩的直流电机控制电路，该直流电机被外力起动后继续转动。这一控制电路安装在直接电动机内，在该直流电机控制电路中，包括：集电极与直流电机第一电刷相连的驱动晶体管，集电极与所述驱动晶体管的基极相连并且基极与所述第一电刷相连的检测晶体管，连接于所述检测晶体管和直流电机第二电刷之间的可变电阻和连接于所述可变电阻的一端和可动端之间的电容器。控制电路还包括驱动晶体管的驱动电流限制器。

Description

直流电机控制电路和直流电机
本发明涉及一种直流电机控制电路和一种其内装有这种控制电路的直流电机。更具体地说，本发明涉及一些适用于车辆玩具的电动机。
本发明人在JP-A-63-302780和4-109846中提出了用于单向驱动直流电机的控制电路。本发明人还在JP-A-63-302779、4-109846及4-112695以及EP-A-0345914中提出了用于双向驱动直流电机的其他控制电路。在1992年3月1日公布的台湾专利第179772号是JP-A-4-109864和4-112695230430的组合。
现在参见图1，其中示出了用于单向驱动直流电机的一种控制电路。它包括能够驱动直流电机10的驱动晶体管11。驱动晶体管11的发射极连接于与直流电源12的正极相连的正极电源线13上。其集电极连接于直流电机10的电刷14，其基极连接于用来检测直流电机10的旋转的检测晶体管15的集电极上。检测晶体管15的发射极通过电阻16连接于与电源12的负极相连的地线17上。另外，直流电机10的另一个电刷18也连接于地线17上。
在该控制电路中，在直流电机10不转动的静止或停顿状态下，晶体管11和15处于截止状态。当外力使直流电机10的转子旋转时，直流电机10在电刷14和18之间发出感应电压脉冲Vn，它正比于电机转子的转数N，并发出一定大小的直流分量，
           Vn＝A×N此处A为常数。当电机10的转动着的转子相对于其定子达到一预定角位置时，每个脉冲有一对正、负脉冲分量。
当感应电压Vn超过某一阈值时，例如0.65伏，检测晶体管15通过电阻16的发射极电流就增加，然后其集电极电流也增加。因此，其基极接收检测晶体管15的集电极电流的驱动晶体管11导通，其集电极电流提供给直流电机10和晶体管15的基极，从而维持直流电机10转动。同时，检测晶体管15保持其导通状态。
在转动差的直流电机10中，转子线圈的阻抗在电刷14和18之间的角位置被突然改变。随后，由于电磁感应的作用，在电刷14和18之间周期地产生被称为电抗电压的窄的正、负脉冲电压。其中的负脉冲使晶体管15的基极—发射极电压反向偏置，从而使晶体管11和15立刻截止。不过，当直流电机借助于惯性旋转时，驱动晶体管11将借助于感应电压的正的直流分量基本上维持导通状态。
当外力使转动着的直流电机停止时，晶体管15借助于负脉冲被截止，尽管强制电流通常会继续通过转子线圈。当直流电机10的转数减少到接近停止状态时，在电刷14和18之间的感应电压Vn的直流分量被减小到阀值以下，然后检测晶体管15在施加上负脉冲之后截止。因而，控制电路返回静止状态。连接于检测晶体管15的发射极的电阻16作为其集电极电流的负反馈元件。
图2示出了用来双向驱动直流电机的另一种控制电路。该控制电路包括4只驱动晶体管21-24，它们在电源端子(圆圈1，2)之间呈桥式联接，以及连接在桥点即输出端(圆圈3，4)之间的直流电机10。驱动晶体管21和23的发射极连接于正的电源端子(圆圈1)或线13上，而驱动晶体管22和24的发射极连接于负的电源端(圆圈2)或线17上。
用来检测正转时感应电压的正向检测晶体管25的基极通过电阻27连接于直流电机10的电刷14上。用来检测反转时感应电压的反向检测晶体管的发射极通过电阻27连到电刷14上。晶体管25的发射极通过电阻28连到直流电机10的电刷18上。晶体管26的基极通过电阻28连到电刷18上。检测晶体管25和26的集电极分别与主驱动晶体管21和23的基极相连。从属晶体管22和24从动地与主驱动晶体管21和23分别相连，并且其基极分别通过电阻29和30连接于输出端(圆圈3，4)。
当正向检测晶体管25借助于施加到直流电机10上的外力而被导通时，驱动晶体管21和22导通，从而从端子(圆圈3到4)给直流电机10提供电流，因而直流电机10正转。因此，晶体管25、21和22构成正转驱动电路。相对地，当借助于施加到直流电机10上的外力使反向检测晶体管26导通时，驱动晶体管23和24被导通，从端子(圆圈4到3)向直流电机10提供另一电流，然后直流电机10反转。因此，晶体管26、23和24构成反转驱动电路。
因为图2中的正、反转电路是对称的，故而，只将正转驱动电路的工作过程讨论如下。当晶体管25导通时，其集电极电流被主驱动晶体管21放大。电流放大的驱动晶体管21的集电极电流被加到电刷14上，并通过电阻29加到从属驱动晶体管22的基极上。从属晶体管22的集电极，从电刷18吸取电流。施加于直流电机10的电刷14和18之间的电流的一部分通过电阻27和28施加到检测晶体管25的基极—发射极，从而维持检测晶体管25处于导通状态。
在直流电机10静止状态下，图2所示的控制电路保持静止状态。当外力使直流电机10的转子正转时，在电刷14和18之间就产生正比于其转子转动速率的感应电压。当这一感应电压超过晶体管25的基极—发射极电压的某一阈值时，例如0.65伏，晶体管25导通，通过电阻27和28使基极、发射极和集电极电流增加。晶体管25集电极电流提供给驱动晶体管21作为其基极电流，晶体管21的集电极电流增大，而其集电极电流中一部分通过电阻29提供给从属动晶体管22的基极，从而使晶体管22导通。
同时，检测晶体管25的发射极电流通过电阻28可以提供给反向驱动晶体管24的基极而使其导通。但是因为正向驱动晶体管22的导通电阻值低于反向驱动晶体管24的导通电阻值，因而晶体管24转变为截止状态。因此，直流电机10的电刷14的电位等于电源电压，而电刷18的电位等于地电位。
相反的情况是，当外力使直流电机反向转动时，晶体管26、23和24都相继导通，以便在去掉外力之后维持反向转动状态。反向转动着的直流电机10在电刷之间的角位置也突然改变其转子线圈的阻抗，并且由于电磁感应在电刷14，18之间相继产生的窄的正、负脉冲。
例如，当晶体管25、21和22处于导通状态并且直流电机10转动时，电刷14和18之间产生的负脉冲使晶体管25的基极—发射极电压反向偏置，然后这些晶体管马上截止。但是，当直流电机10转动时，控制电路借助于正的感应电压维持运行状态。
当外力强制转动的直流电机10停止时，检测晶体管25通过负脉冲而截止，尽管强制电流通常会继续从其中通过。当直流电机10的转数减少到接近停止状态时，电刷14、18之间的感应电压的直流分量被减少到阈值以下，检测晶体管25随之被截止，控制电路返回静止状态。
直流电机10的电刷14和18之间产生的负脉冲施加在晶体管26的基极和发射极之间。这些脉冲被连接在晶体管25和26基极之间的电容器31所吸收。因而，晶体管26、23和24不被导通。
如上所述，图2所示的控制电路可能有两种状态，即借助外力使直流电机转动和停止而处于运行状态和静止状态，图1中的电路也是如此。
在这类直流电机的控制电路中，直流电机的强制转矩根据一般由电池或干电池构成的直流电源的电压的改变而改变。这就是说，较高的电源电压使强制转矩增大，而较低的电源电压产生较小的强制转矩。
常规的直流电机控制电路不具有调节强制转矩的功能。具体地说，当这些控制电路被装在电动玩具上并用新干电池作为直流电源时，会出现即使把一预定负载加于直流电机上，直流电机的转动也不停止的问题，这是因为其电源电压高于平均运行条件的电压。它也难于调整到所希望的强制转矩。
因而，本发明的目的在于，提供一种直流电机的控制电路，即使电源电压变化时其强制转矩也是可调的。
本发明的另一个目的在于，提供一种装在直流电机壳体内的紧凑的直流电机控制电路，其强制转矩按照直流电机的定额是可调的。
本发明的另一个目的在于，提供一种紧凑的直流电机，在其壳体内安装着具有和直流电机容量相符的常数的控制电路。
按照本发明的一个方面，一种直流电机的控制电路包括：
检测晶体管，当在直流电机转动期间产生感应电压的直流分量时它被导通，而被感应电压的脉冲分量立刻截止；
驱动晶体管；当所述检测晶体管导通时，接收其输出电流作为控制电流，从而向所述直流电机供出驱动电流；
可变电阻作为所述检测晶体管的负载电阻并作为其控制输入的负反馈；以及
连接在可变电阻的一端和可动端之间的电容器。
按照本发明的第一实施例，提供的一种直流电机控制电路包括：
集电极与直流电机的第一电刷相连的驱动晶体管；
集电极与所述驱动晶体管的基极相连的并且其基极与所述第一电刷相连的检测晶体管；
在所述检测晶体管的发射极和所述直流电机的第二电刷之间连接的可变电阻；以及
连接在可变电阻的一端和可动端之间的电容器。
按照本发明的直流电机包括上述的并安装在其内部的控制电路，并且包括具有向电机供馈电能的两个电源端子的壳体，还有一直接与第一电刷相连的输出端。
按照本发明的第二实施例，所述控制电路进一步包括：
连接在所述检测晶体管和所述第一电刷之间的第二可变电阻，以及第二从属驱动晶体管，其集电极连接于所述的第二电刷，其基极通过一个第三电阻连接于所述第一电刷，从侧提供正转驱动电路；
集电极与所述第二电刷相连的第三驱动晶体管；
第二检测晶体管，其集电极连接于所述第二从属驱动晶体管的基极，其基极连接于所述第一可变电阻，其发射极连接于所述第二可变电阻；
连接在所述第二可变电阻的一端和其可动端之间的第二电容器；以及
第四从属驱动晶体管，其集电极连接于所述第一电刷，其基极通过第四电阻连接于所述第二电刷，从而提供反转驱动电路。
此外，按照本发明另一个实施例的直流电机控制电路，所述第一和第三驱动晶体管的发射极连接于第一电源线上，所述第二和第四驱动晶体管的发射极连接于第二电源线上。按照本发明另一实施例的另外一种直流电机，包括安装在其内的控制电路，其中四个驱动晶体管彼此呈桥式连接，并且包括一个壳体，壳体上有用来给电机供电的两个电源端子以及分别与第一和第二电刷直接相连的两个输出端子。
在转动直流电机时，在感应电压内的正、负脉冲电平与其转矩成正比地变化。这些脉冲流经连在在可变电阻的可动端或抽头上的电容器，以减少可变电阻的标称电阻。此外，直流电机可以装配具有和直流电机的特性相匹配的电路常数的控制电路。然后，在直流电机的壳体中提供足够的端子，包括两个给直流电机和其控制电路供电的电源端子和至少一个直接与直流电机的一个电刷相连的输出端子。
结合下面附图来讨论本发明的最佳实施例便可得到对本发明更好的理解，其中：
图1，图2是表示常规的直流电机控制电路的原理图；
图3是本发明第一实施例的直流电机控制电路的原理图；
图4是本发明第二实施例的直流电机控制电路原理图；
图5是本发明的直流电机的示意图，其内部装有图3所示的控制电路；
图6是本发明另一直流电机的示意图，其内部装有图3所示的控制电路；
图7是类似于图3的本发明第三实施例的直流电机控制电路的原理图；以及
图8是类似于图4的本发明第三实施例的直流电机控制电路的原理图。
现在参见图3，示出了本发明的第一实施例，一般性地表示出了直流电机的一种控制电路。在图3到图8中，相同的标号用来表示和图1、图2所示现有技术相同的元件或部件。
这个控制电路除去电阻16换成了相同阻值可变电阻33之外，其他均与图1的电路相同，可变电阻33具有一个末端或负电源端和一可动端或抽头P，在它们之间连接着电容器34，从而提供一具有可变截止频率的高通滤波器。电容器34的值这样确定，使得当可动端P移向检测晶体管15的发射极侧时，直流电机运动时的转矩减少，当可动端P移向负电源端时，起动转矩增大。就是说，直流电机10具有当在转动期间产生的正、负脉冲的幅度电平增加时其转矩增加，而正、负脉冲的幅度电平减小时其转矩减小的现象。利用这一现象来控制它的转矩。因此，可变电阻33和电容34构成了对于脉冲的高次谐波分量的具有可调截止频率的高通滤波器。
这种直流电机控制电路是一种制备或集成在硅基片或氧化铝陶瓷上的单片电路或混合集成电路，并被安装在图5所示的微型电机或三相电刷直流电机10的内侧或托架41上。如图3和图7所示的电源端子和输出端子(分别为圆圈1，2，3)相当于图5所示的直流电机10的托架41上安装的电源端子1，2以及输出端3。电池或直流电源12连接在电源端子1和2之间。
当外力使直流电机10的输出轴42作正向或单向转动时，控制电路处于工作状态，而在对转动的输出轴42制动时，控制电路变成静止状态。因此，当另一负载被连接在输出端3和负电源端子2之间时，这一负载也象接通直流电机10一样被驱动。当连接在正电源端子1和输出端子3之间—外部开关(未示出)被接通时，处于导通状态的检测晶体管15的集电极电流被供到驱动晶体管11的基极，然后驱动晶体管导通，使直流电机10转动。即使外部开关被断开，直流电机也继续转动。
可变电阻的值预先这样确定，即使得得当直流电机10的输出轴42被强制停转时，驱动晶体管具有预定的导通电阻值。即，可变电阻33的值被这样预先设定，使得驱动晶体管11的集电极电流在直流电机10的最大额定电流以下。
图3所示的直流电机控制电路的基本工作情况和图1所示的电路基本相同，因而只说明其改进部分的工作情况。在图3中，定义直流电源电压为VCC，检测晶体管15的基极-发射极电压为VBE1，驱动晶体管11的饱和的集电极—发射极电压为VCE2sat。另外，可变电阻33的一端和可动端P之间的电阻值假定是R1，其另一端和可动端P之间的电阻假定是R2。在直流电机10转动期间，可动端P的电压VP等于：VP＝(VCC－VBE1－VCE2sat)R1/(R1＋R2)…(1)
可动端P的电压在没有电容器34时的转动期间可以被感应的正、负脉冲改变，而有电容器34时则被平滑成稳定的直流分量。在周期性地重复时刻之后，或由正、负脉冲电压或由在转动期间产生的电抗电压导致的短暂的截止之后，当感应的电压Va满足下式时，直流电机10停转：Va≤VBE1－VP        (2)
在图3的控制电路中，通过直流电机10的电流Ia等于下式：Ia＝(VCC－Va)/RM    (3)
此外，RM是直流电机10转子线圈的电阻值。
此外，在直流电机被外力停止时，感应电压Va等于：Va＝VBE1＋VP                (4)
方程(3)和(4)结合得：
Ia＝(VCC－VBE1－VP)/RM      (5)
因为直流电机10的转矩取决于Ia，借助于调整VP或调整可变电阻33可把转矩设定为所需的值。此外，当电源电压VCC增加或减小时，VP也跟着同步地增加或减小。因此，可以限制因电源电压的变化引起的转矩变化。
现在参看图4，示出了根据本发明直流电机控制电路的第二个实施例。除去电阻27、28被用相同的阻值的可变电阻35、37分别代替以及在可变电阻35和37的一端和可动端或抽头之间分别连有电容36、38之外，该控制电路与图2相同。
电容36、38的值被预先这样确定，使得当可动端移向检测晶体管25和26的基极和发射极之间的连结点时，施加外力时的转矩减小，而当可动端移向输出端一侧时，该转矩增大。如上所述，直流电机10的这种转矩利用其正比于在转动期间产生的正、负脉冲的幅值的现象来控制。
因此，可变电阻35、37和电容36、38构成两个独立的高通滤波器，各自对于脉冲的高次谐波分量具有可调的截止频率。
类似地，这种直流电机控制电路也是另一种单片电路或是制备或集成在硅基片或氧化铝陶瓷上的混合集成电路，并被安装在如图6所示的微型电机或三相电刷直流电机10的内侧或托架41上。图4和图8所示的电源端子和输出端子(分别为圆圈1至4)就是与图6所示的直流电机10的绝缘托架41上安装的电源端子1和2以及输出端子3和4相同的。外部直流电源12被连接在电源端子1和2之间。
当外力使直流电机10的输出轴42正转或反转时，控制电路被激励，并且在迫使输出轴42停止转动时，控制电路变到静止状态。例如，当外力使直流电机10正转时，正向检测晶体管25的集电极—发射极被自感应电压导通。
首先，从正电源端子1到负电源端子2的正电流通过正向驱动晶体管21的基极、正向检测晶体管25的集电极到发射极、可变电阻37和正向从属驱动晶体管22的集电极。接着，正向驱动晶体管21和22通过正向驱动晶体管21的集电极、电阻29和正向从属驱动晶体管22的基极被相继导通。最后，电流从直流电机10的电刷14流到18，从而使直流电机10的输出轴42正向转动，以后即使去掉外力，直流电机也继续转动。
按这种方式，正向驱动晶体管21和22具有主从关系。反转驱动晶体管23和24也有主从关系。因为串联连接的两个驱动晶体管21和24或23和22在触发起动直流电机时不是同时导通，因而提供了一种长寿命的控制电路。
图4所示的控制电路的工作情况也和图3的相同。当正转时，正转矩用可变电阻37和电容38加以调整。在这种情况下，因为通过可变电阻35的晶体管25的基极电流被减少到例如依赖于其电流幅值的发射极电流的0.01倍，因而用可变电阻35和电容器36的转矩调节是可忽略的。在另一方面，在反转时，反转转矩也可以用可变电阻35和电容36调节。在这种情况下，因为通过可变电阻37的晶体管26的基极电流被减小到例如依赖于其电流幅值的发射极电流的0.01倍，用可变电阻37和电容38的转矩调节也是可以忽略的。
直流电机10和其控制电路构成一个整体的形式是重要的，因为直流电机的转子线圈的电阻RM是高散的，因而同样的电路常数不适用于几种容量的直流电机。因而，控制电路被安装在直流电机的壳体内，其电路常数和直流电机的特性或定额相匹配。
图5和6所示为直流电机的第一和第二实施例的结构，每个都包括一合适的本发明的控制电路，其中(a)是正视图，(b)是侧视图。在这些图中，定子(未示出)位于直流电机10的金属壳体40内。塑料托架41盖住金属金属壳体10的开口。因此，固定在转子线圈(未示出)上的输出轴42被可转动地支持在金属壳体40和托架41上。
电源端子1和2以及输出端子3和4位于托架41的上方，它们被用导线焊接在装于托架41的内槽内的控制电路的印刷电路板的相应的焊接点上。在托架41的下部有孔45、46和47，通过这些孔可以伸出或伸进供可变电阻33、35和37的可动端调整用的调节杆。因此，正转和反转可变电阻35和37可以单独地调整。
控制电路常数这样确定，使得本发明的驱动晶体管具有一预定的或70欧姆的导通电阻值，例如，如图7所示，在驱动晶体管11的集电极和输出端(圆圈3)之间可以连接51欧姆集电极电阻51，又例如，如图8所示，在驱动晶体管21和22各自的集电极和各自的输出端(圆圈3，4)之间，可以连接51欧姆的集电极电阻52和53。
如上所述，本发明的直流电机的控制电路可以调整其制动转矩，可以预先确定和电机的定额相匹配的电路常数，并且可以安装在直流电动机内。因此，它具有许多优点，例如简化了具有自控电路的直流电机，比分开装配的直流电机和控制电路的可靠性高，成本低。
上面对本发明的说明是对本发明的解释，在不脱离本发明的构思的情况下可以对尺寸、形状、材料、部件、电路元件、导线连接以及所说明的电路的细节方面作出各种改变。

Claims (8)

1.一种用于直流电动机的控制电路，包括：
当在直流电动机转动期间产生感应电压直流分量时被导通以及被感应电压的脉冲分量立刻截止的检测晶体管；
当所述检测晶体管导通时接收所述检测晶体管的输出电流作为控制电流，从而给所述直流电动机提供驱动电流的驱动晶体管；
其特征在于，它还包括：
作为所述检测晶体管的负载电阻并对其控制输入起负反馈作用的可变电阻；以及
连接在可变电阻的一端和可动端之间的电容器。
2.一种用于直流电动机的控制电路，包括：
其集电极和直流电动机的第一电刷相连的驱动晶体管；和
其集电极和所述驱动晶体管的基极相连并且其基极和所述第一电刷相连的检测晶体管；
其特征在于，它还包括：
连接在所述检测晶体管的发射极和直流电动机第二电刷之间的可变电阻；以及
连接在所述可变电阻的一端和可动端之间的电容器。
3.如权利要求2的控制电路，其特征在于进一步包括：
连接在所述检测晶体管和所述第一电刷之间的第二可变电阻，以及第二从属驱动晶体管，其集电极与所述第二电刷相连，其基极通过第三电阻和所述第一电刷相连，从而提供正转驱动电路；
第三驱动晶体管，其集电极和所述第二电刷相连；
第二检测晶体管，其集电极和所述第二从属驱动晶体管的基极相连，其基极和所述第一可变电阻相连，其发射极和所述第二可变电阻相连；
第二电容器，连接在所述第二可变电阻的一端和可动端之间，以及
第四从属驱动晶体管，其集电极和所述第一电刷相连，其基极通过第四电阻和所述第二电刷相连，从而提供反转驱动电路。
4.如权利要求3的控制电路，其特征在于所述第一、第三驱动晶体管的发射极连接于第一电源线，所述第二、第四驱动晶体管的发射极连接于第二电源线。
5.一种直流电动机，在其内部装有一个控制电路，并包括带有两个用来为其供电的电源端子以及一个直接与所述第一电刷相连的输出端子的壳体，所述控制电路包括：
当在直流电动机转动期间产生感应电压直流分量时被导通以及被感应电压的脉冲分量立刻截止的检测晶体管；
当所述检测晶体管导通时接收所述检测晶体管的输出电流作为控制电流，从而给所述直流电动机提供驱驱电流的驱动晶体管；
其特征在于，它还包括：
作为所述检测晶体管的负载电阻并对其控制输入起负反馈作用的可变电阻；以及
连接在可变电阻的一端和可动端之间的电容器。
6.一种直流电动机，其内部装有一个控制电路，并包括带有两个用来为其供电的电源端子以及一个直接与所述第一电刷相连的输出端子的壳体，所述控制电路包括：
其集电极和直流电动机的第一电刷相连的驱动晶体管；和
其集电极和所述驱动晶体管的基极相加并且其基极和所述第一电刷相连的检测晶体管；
其特征在于，它还包括：
连接在所述检测晶体管的发射极和所述直流电动机第二电刷之间的可变电阻；以及
连接在所述可变电阻的一端和可动端之间的电容器。
7.如权利要求6的直流电动机，其特征在于，所述控制电路还包括：
连接在所述检测晶体管和所述第一电刷之间的第二可变电阻，以及第二从属驱动晶体管，其集电极与所述第二电刷相连，其基极通过第三电阻和所述第一电刷相连，从而提供正转驱动电路；
第三驱动晶体管，其集电极和所述第二电刷相连；
第二检测晶体管，其集电极和所述第二从属驱动晶体管的基极相连，其基极和所述第一可变电阻相连，其发射极和所述第二可变电阻相连；
第二电容器，连接在所述第二可变电阻的一端和可动端之间，以及
第四从属驱动晶体管，其集电极和所述第一电刷相连，其基板通过第四电阻和所述第二电刷相连，从而提供反转驱动电路。
8.如权利要求7的直流电动机，其特征在于，所述第一、第三驱动晶体管的发射极连接于第一电源线，所述第二、第四驱动晶体管的发射极连接于第二电源线。
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