CN1037054C - 伺服电动机 - Google Patents

Abstract

一种伺服电动机，包括一电动机，一电动机驱动装置，用于提供驱动所述电动机的脉冲波，还有一计算速度信息的速度检测装置。该伺服电动机还包括一比较装置，用于比较所述速度信息和速度信息目标值，及计算出它们之差，一个存储器用于存储根据电动机旋转状况对所述脉冲的占空因数进行调整的脉冲校正信息，以及一个脉冲校正装置，用于从所述存储器内读出所述脉冲校正信息，修正所述脉冲的占空因数，并将修正了占空因数的脉冲输出到所述电动机驱动装置。

Description

伺服电动机

本发明涉及一种伺服电动机，特别是其转速由脉冲宽度调制(PWM)的脉冲波所控制的伺服电动机。

一般电动机的转速是这样控制的，将电动机的电流旋转角θ反馈与目标值的旋转角θref相比较，然后用一个适当的增益值乘以上述差值(θref-θ)，从而改变驱动该电动机的电压。图1是一个常规电动机的方框图，其中K1，K2是增益值，TM＝RJ/(RD+Kt·Ke)，Km＝Kt/(RD+Kt·Ke)，这里R(Ω)是电枢的阻抗，J(Kgcm²)是电枢的惯量，Kt(Kgcm/A)是一转矩常数，Ke是反电动力常数。在这种电动机中，P型控制器的每个增益值K1，K2取决于以下比较结果，即将目标值θref和电流值θ的传递函数的特征方程系数与那些由规定的响应所选定的极所限定的给定传递函数的系数相比较，该响应时间随增益值K1，K2变化。

对于这种常规伺服电动机，必须进行大量计算，特别是在计算反馈电流值与目标值θref的差值之后的乘法运算。并且这种系统需要进行复杂运算的较大规模和尺寸的控制电路，这使该系统庞大且成本高。

本发明的目的是提供一种使用简单和小型电路的伺服电动机，它可精确地控制电动机的转速。

本发明的上述目的和其他目的可通过一个这样的伺服电动机来实现，它包括一个电动机，一个电动机驱动装置，向所述电动机提供驱动脉冲，和一个速度检测装置，用于计算速度信息，该伺服电动机还包括一比较器，用于比较上述速度信息和速度信息目标值，并且计算二者之差，一个存储器，用于存储根据上述电动机的旋转状态对上述脉冲的占空因数进行校正的脉冲信息，以及一个脉冲校正装置，用于读出存在上述存储器内的脉冲校正信息，校正上述脉冲的占空因数，并将已调整了占空因数的脉冲波输出给所述电动机驱动装置。

在本发明的一个优选方案中，该伺服电动机还包括一个信息校正装置，用于修正存储在所述存储器内的脉冲校正信息和/或上述速度信息目标值。

在本发明的另一个优选方案中，上述速度检测装置包括一脉冲发生器，用于产生相应于上述电动机转速的脉冲波，和一脉冲计数器，用于记录每个预定时间段的脉冲数值，上述预定时间段取决于存储在上述存储器内的基准脉冲信息。

在本发明的又一个优选方案中，上述基准脉冲信息包括相应于预定时间段的抽样时间数据。

在本发明的又一个优选方案中，所述脉冲校正装置在由所述基准脉冲信息给定的时间输出调整了占空因数的脉冲波。

在本发明的又一个优选方案中，所述基准脉冲信息包括用于输出修改了占空系数的脉冲的间隔数据。

在本发明的又一个优选方案中，所述速度信息包括至少一个激励所述电动机的持续时间，所述脉冲校正信息包括校正所述持续时间的值，以及所述脉冲校正装置用于根据所述值之一改变该持续时间长度。

在本发明的又一个优选方案中，所述数值中的每一个相应于要从上述持续时间增加或减去的值。

在本发明的又一个优选方案中，所述比较器用于计算所述速度信息和所述速度信息目标值之间的差值，并从作为偏差信息的各值中选出最接近该差值的数值。

本发明的上述和其他目的及情况将在下面结合附图进一步清楚描述。

图1是常规伺服电动机的原理性方框图。

图2是本发明的一个实施例的伺服电动机的原理性方框图。

图3A和图3B表示存储在一表中的信息图的图表。

图4是表示脉冲记数器工作情况的时间图。

图5是表示在产生由脉冲校正器修正的脉冲波时电动机驱动脉冲变化的时间图。

图2的伺服电动机系统包括本发明的伺服电动机的一个实施例。这种伺服电动机用于驱动一个驱动力传输装置，例如钞票处理机中传输纸币(未示出)的循环带，该伺服电动机系统包括一无刷直流电动机12，一用于给该DC电动机12提供驱动电压的电动机驱动装置14，由DC电动机12带动旋转的驱动力传输装置16，用于传输纸币(未示出)，一个脉冲发生器18，它根据DC电动机12的转速产生脉冲，一个脉冲记数器20，记录由脉冲发生器18在每个预定的时间段内产生的脉冲数，一个连接到一输入装置(未示出)的电动机速度设定装置22，用于输出指示由输入装置设定的速度的速度信息，和输出表示相应该速度的每个预定时间段的脉冲数的脉冲数值，一个脉冲比较器24，将脉冲计数器20输出的脉冲值与电动机速度设定装置22输出的脉冲数值进行比较，并产生偏差信息，一个表26，能根据电动机速度设定装置22的速度信息和脉冲比较器24的偏差信息提供脉冲占空因数信息，和一个脉冲校正装置28，它根据脉冲占空因数信息，改变电动机驱动脉冲。

无刷DC电动机12由电动机驱动装置14输出的脉动的驱动电压所驱动，并当脉冲的占空因数变化时，其转速变化。

驱动力传递装置16包括一对皮带轮16a，16c，和绕在皮带轮16a，16c上的循环带16b。皮带轮16a固定到DC电动机12的输出轴上，并跟随该DC电动机12的旋转而旋转。皮带轮16a的旋转通过循环带16b传递到皮带轮16c上，使它作为皮带轮16a同方向的旋转。插入钞票处理机的纸币(未示出)夹持在循环带16b和纸币通道(未示出)的表面之间，通过运动的循环带16b传送。

脉冲发生器18包括圆盘形的带有多个规则分隔开的径向槽的旋转编码器18a，一个光发射器件(未示出)，一个光接收器件(未示出)，和一个脉冲发生部分18b，当光接收器件通过旋转编码器18a的槽从光发射器件接收光时，它产生脉冲。旋转编码器18a固定到由皮带轮16a带动旋转的皮带轮16c的轴上，而且脉冲发生器18产生和传送表示皮带轮16c的转速的脉冲到脉冲计数器20，它是旋转编码器18a上形成的相邻槽之间的距离的函数。

在每个预定的时间段内，脉冲计数器20记录由脉冲发生器18产生的脉冲数，并将其输出到脉冲比较器24。如后面将要说明的，该预定的时间段由表26所决定。

电动机速度设定装置22带有一存储器(未示出)，它预先存储与用输入装置(未示出)所给定的速度相关的速度信息，和相应于该速度的脉冲数值。当操作人员用该输入装置设定所需速度时，该速度信息从该输入装置传送到电动机速度设定装置22。速度设定装置22从所述存储器(未示出)读出与设定速度相关的速度信息和有关的脉冲数信息，并传递该速度信息到表26，而且传送脉冲数值到脉冲比较器24。另外，如果最新设定的速度信息和与速度有关的其他信息输入到该输入装置(未示出)，电动机速度设定装置22可将此信息存入所述存储器(未示出)的预定区域。此外，与速度有关的速度信息和脉冲数值可利用该输入装置(未示出)校正。速度信息的校正将在下面描述。

脉冲比较器24将脉冲计数器20的脉冲数据和电动机速度设定装置22的脉冲数值相比较，计算差值，并产生偏差信息。这个偏差信息对应于由于DC电动机12的旋转而在预定时间周期内得到的脉冲数和与设定的速度有关的脉冲数之间的差值。在这个实施例中，表26只存储每套7个代表性数值，例如-60，-20，-10，0，+10，+20，+60作为偏差信息。因此，脉冲比较器24从这7个数值中选出最接近差值的偏差值，并将这个已选的作为偏差信息的值传送给表26。

表26利用脉冲比较器24和电动机速度设定装置22的信息作为寻址数据，将脉冲的占空因数信息传送到脉冲校正装置28中。图3表示存储在该表内的信息图。图3A表示校正信息200的图，用于根据设定的速度校正脉冲的占空因数，图3B是设定速度的基准脉冲信息210的图。该脉冲占空因数信息包括校正信息200和基准脉冲信息210。

校正信息200代表有多少持续时间，即，在每一循环中电动机驱动脉冲波为“1”状态的时间段，和有多少间歇时间段，即，电动机驱动脉冲为“0”状态的时间段，此时必须根据电动机速度设定装置22提供的每组速度信息的每组偏差信息进行调整。另一方面，基准脉冲信息210是一组关于旋转DC电动机12的脉冲的基准数据，该电动机的转速与电动机速度设定装置22的速度信息有关，对于每组速度信息，还包括表示脉冲持续时间的持续时间数据212，表示脉冲间歇时间的间歇时间数据214，表示脉冲循环时间的循环时间数据216，用于获得速度信息的表示取样时间的取样时间数据218，和表示脉冲占空因数的修正量之间的时间间隔的间隔数据220。例如，如图3B所示，如果由电动机速度设定装置22提供的速度信息对应于“设定速度1”，该脉冲的保持时间是“6”(毫秒)，间歇时间是“4”(毫秒)，循环时间是“10”(毫秒)，取样时间是“10”(毫秒)，及间隔是“10”(毫秒)。表26存储从“设定速度1”到“设定速度n”的每组速度的校正信息200和基准脉冲信息210。上述每组速度的校正信息和基准脉冲信息210预先由实验确定，并存储在表26中。基准脉冲信息210的取样数据218传送到脉冲计数器20，脉冲计数器20在由取样数据218表示的时间段中记录脉冲数值。

脉冲校正部分28从表26接收校正信息200和基准脉冲信息210，并产生脉冲信息，用于根据由校正信息200指示的时间的基准脉冲信息210来修正持续时间和间歇时间，该校正部分在用基准脉冲信息210的间隔数据220指示的时间间隔上修正用于旋转直流电动机12的脉冲的占空因数，并将修正后的脉冲占空因数传递到电动机驱动部分14。

现在将说明如此构成的DC伺服电动机的运行。

首先，操作人员将输入装置(未示出)设置到给定的速度，接着发出启动电动机的命令。当电动机速度设定部分22接收到来自该输入装置(未示出)的信息后，它从存储器(未示出)读出相关的给定速度信息和相应于该给定速度代表每个预定时间段的脉冲数的脉冲数值，并将速度信息传送到表26，将脉冲数值传送到脉冲比较器24。由于脉冲计数器20最初设置，使它与电动机启动时由电动机速度设定部分22输出的脉冲数值是一致的，从脉冲比较器24输出的偏差信息等于0。因此，相应于由操作人员输入的给定设置速度偏差为零的校正信息200和基准脉冲信息210传送至脉冲部分28。

例如，若操作人员给定输入装置在“设定速度1”档启动电动机，表26发送到脉冲校正部分28的校正信息200为“零”，基准脉冲信息210包括持续时间数据“6”，间歇时间数据“4”，循环时间数据“10”，取样时间数据“10”和间隔数据“10”。

脉冲校正部分28输送到电动机驱动部分14的脉冲包括电平“1”，其时间长度相当于来自表26的持续时间数据，还包括后续的电平“0”，其时间长度相当于来自表26的间歇时间数据。电动机驱动部分14根据由脉冲校正部分28发来的脉冲向DC电动机12发出一驱动电压，从而启动该直流电动机。

当DC电动机旋转时，固定在DC电动机12的轴上的驱动力传送装置16的皮带轮16a也转动，带动循环皮带16b，它又带动皮带轮16c旋转。如果银行职员已将纸币插入货币处理机内和夹在循环皮带16b和纸币通道(未示出)之间，则相当于有一负载40作用到该皮带16b上，引起皮带轮16a和16c转速的变化。当皮带轮16c转动时，固定到皮带轮16c上的旋转编码器18a也旋转，因而脉冲发生器18输出的脉冲与皮带轮16c的转速相对应。

脉冲计数器20记录脉冲发生器18在预定的时间段内所发生的脉冲数，并输出到脉冲比较器24。如上所述，如果已选定在“设定速度1”这一档，则取样时间数据“10”由表26提供给脉冲计数器20。图4表示该脉冲计数器20的操作。如图4所示，在上述情况下，脉冲计数器20以每10(毫秒)为间隔统计由脉冲发生器18发出的脉冲数，并将该数值输出到脉冲比较器24。

脉冲比较器24计算来自脉冲计数器20的脉冲数值和由电动机速度设定部分22提供的脉冲数值之间的差值。然后根据计算结果确定偏差信息。假设已选定“设定速度1”档，如果从电动机速度设定部分22接收的每一预定时间段内的脉冲数值为120，而由于有负载40作用到驱动力传输装置16上，使从脉冲计数器20接受的脉冲数只有100，则它们的差为100-120＝-20。因此在这种情况下，脉冲比较器24发出此“-20”的偏差信息到表26。另一方面，如果从电动机速度设定部分22收到的脉冲数值为120，同时由脉冲计数器20收到的脉冲计数是85，则它们的差为85-120＝-45。在这种情况下，脉冲比较器24提供给表26的偏差信息则为“-60”，因为这个数值与差值“-45”最接近，则取为最接近的偏差信息。

以从电动机速度设定部分22接收的速度信息和从脉冲比较器24接收的偏差信息作为寻址数据，表26向脉冲部分28输出有关的校正信息200和基准脉冲信息210。再次假设操作人员已选定“设定速度1”这一档，并且由脉冲比较器24输出的偏差信息为“-20”，表输出的校正信息200为“+2”，而基准脉冲信息210包括持续时间数据“6”，间歇时间数据“4”，循环时间数据“10”，取样数据“10”和间隔数据“10”。

脉冲校正部分28通过增加或减少与该基准脉冲信息210的持续时间数据和间歇时间数据相符合的持续时间和间歇时间，实现对脉冲的占空因数的调整和修正。在前面的实例中，假设“设定速度1”和电动机启动后由脉冲比较器24发出的偏差信息为“-20”，则修正后的脉冲的持续时间为6+2＝8(毫秒)，间歇时间等于4-(+2)＝2(毫秒)。图5表示了由脉冲校正单元28修正后的脉冲对电动机驱动的校正作用。如图5所示，持续时间为6毫秒和间歇时间为4毫秒的电动机驱动脉冲修正后变为8毫秒的持续时间及2毫秒的间歇时间，脉冲校正单元28的工作受表26发出的间隔数据220的控制，它将修正后的脉冲输出给电动机驱动部分14。如果选择速度档为“设定速度1”，而且脉冲比较器24的差值信息为-60，则修正后的脉冲可计算得知，它的持续时间为6+5＝11毫秒，间歇时间为4-(+5)＝-1毫秒，在这种情况下，该脉冲的持续时间是10毫秒，间歇时间为0毫秒。这就是说，如果计算出的脉冲的持续或间歇时间大于电动机驱动脉冲的时间段或小于0(零)，则较大的时间段与电动机驱动脉冲时间相一致，并且较小的时间段取为0(零)。

电动机驱动部分14根据从脉冲校正部分28接收的校正后的脉冲向DC电动机12提供驱动电压，从而改变了DC电动机12的转速。以此方式，可以控制DC电动机12的转速根据需要随负载40变化。

此外，当有必要设定一个新的转速和与此新转速相符合的速度信息时，操作人员使用输入装置(未示出)给定表示与该设定速度对应的脉冲持续时间的持续时间数据，给定表示间歇时间的间歇时间数据，给定表示脉冲循环时间的循环时间数据，给定表示用于得到速度信息的采样时间的采样时间数据，给定与每组偏差信息相符合的脉冲占空因数的增量和减量值，和在采样时间内要得到的脉冲数值。电动机速度设定部分22从该输入装置(未示出)接收上述信息，并且将该脉冲数值存入存储器(未示出)的预定区域内，以及将持续时间数据、间歇数据、循环时间数据、取样时间数据、间隔数据和与偏差信息相关的增量和减量值存入表26的预定区域内。

另一方面，为了更新关于一特定速度的速度信息，操作人员利用该输入装置(未示出)给出要修正的信息和数值上的变化量。电动机速度设定装置22从该输入装置(未示出)接收这一具有变化量的信息，并特它们存入存储器(未示出)和/或表26的预定区域内。

按照这个实施例，由于偏差信息的确定是脉冲计数器的脉冲计数与电动机速度设定部分的脉冲数值比较得出的，而且该脉冲的占空因数是根据这个偏差信息修正的，因此可以精确地控制该电动机的转速，而无须进行复杂的运算，尤其是不须作乘法运算。

本发明已结合特定的实施例予以展示和说明，但是应注意到，本发明并不局限于实施例所详细描述的方式，由此进一步作出的改进和变换均属于所附的权利要求的范围内。

例如，在上述实施例中，为每组速度信息所设定的偏差信息共有7个，即-60、-20、-10、0、+10、+20、+60，然而本发明并不局限于这种方案，例如可以用-60、-50、-40、……、50、60或其他数值取代上述分隔法。此外，这些数值的上下限可根据负载、电机的特性或其他因素来设定。

而且上述实施例中表示用于得到速度信息的取样时间的取样数据时间与电机驱动脉冲时间一致，然而本发明并不局限于这种方案。例如，如果设定的电动机转速比较小，最好使脉冲计数足够大，从而增加采样时间，以保证速度控制的精度。相反，如果设定的电动机转速较大，则即使该取样时间较小，也能保证速度控制的精确度。此外，在上述实施例中，表示校正脉冲的占空因数的时间间隔的间隔数据应与电动机驱动脉冲的时间一致，但本发明并不限于这一种选择，可取代的作法是每次对速度信息取样，就进行电动机驱动脉冲的占空因数的修正。

在上述实施例中，这种伺服电动机用于驱动循环皮带类的驱动力传递装置，将纸币在货币处理机中传送，不过显然本发明的伺服电动机还可用于其他场合。

另外在本发明中，各组成部分不必全采用实际的硬件，这些装置的功能可用软件完成，这同样落在本发明的范围内，而且单个装置的功能可采用两个或更多个实际装置来实现，反之，两个或多个组件的功能也可用一单个实示物理装置来实现。

Claims (9)

1.一种伺服电动机，包括一电动机，一电动机驱动装置，用于向所述电动机提供驱动脉冲，和速度检测装置，用于计算速度信息，其特征在于，所述伺服电动机还包括：

一比较器，用于将所述速度信息与速度信息目标值比较，并计算出它们之差，

一存储器，用于存储根据所述速度信息与速度信息目标值的差值对所述脉冲占空因数进行修正的脉冲校正信息，以及

一脉冲校正装置，用于根据所述差值信息读出所述存储器内存有的所述脉冲校正信息，校正该脉冲的占空因数，并将修正占空因数后的脉冲传输到所述电动机驱动装置。

2.根据权利要求1的伺服电动机，还包括一信息调整装置，用于调整存在所述存储器内的脉冲校正信息和/或所述速度信息目标值。

3.根据权利要求1或2的伺服电动机，其中所述速度检测装置包括一产生与电动机转速对应的脉冲的脉冲发生器，一记录每个预定时间间隔内的脉冲数的脉冲计数器，所述预定时间间隔根据存储在所述存储器内的基准脉冲信息而确定。

4.根据权利要求3的伺服电动机，其中所述基准脉冲信息包括与该预定时间间隔对应的取样时间数据。

5.根据权利要求1-4中任一个的伺服电动机，其中所述脉冲校正装置在所述基准脉冲信息给定的时间输出校正了占空因数的脉冲。

6.根据权利要求5的伺服电动机，其中所述基准脉冲信息包括用于输出修正了占空因数的脉冲的间隔数据。

7.根据权利要求1的伺服电动机，其中所述速度信息包括至少一个激励所述持续时间的值，其中所述脉冲校正信息包括修正所述持续时间的值，以及其中所述脉冲校正装置用于根据所述值之一改变持续时间的长度。

8.根据权利要求7的伺服电动机，其中每个所述值对应于从所述持续时间增加或减少的值。

9.根据权利要求8的伺服电动机，其中所述比较器用于计算所述速度信息和所述速度信息目标值之间的差值，并从作为偏差信息的各值中选出最接近该差值的数据。

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