CN105227036A - 用于个人的电动清洁护理器具的可调电路 - Google Patents

Abstract

一种用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，清洁护理器具包括电源部分和驱动器，电源部分包括H桥电路，驱动器包括换能器、驱动线圈和设置在驱动线圈中的驱动线圈铁芯，换能器上设有弹性件和永磁体，换能器的驱动轴上装有清洁元件，驱动线圈流过交变电流时，清洁元件和换能器在驱动线圈的电磁力作用下谐振地往复旋转运动。可调电路包括微芯片处理器和所述H桥驱动电路，通过在H桥电路的负载端接入电容器组和与电容器组串联的驱动线圈，控制电容器组中至少部分电容器与驱动线圈串联或与驱动线圈断开，可控制被接入的电容器的电容量，使流过驱动线圈的电流可控地限定在某一值，从而可控制清洁元件的运动幅值且不会产生附加电磁干扰。

Description

用于个人的电动清洁护理器具的可调电路

技术领域

本发明涉及一种用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，更具体地说，涉及一种用于个人的电动清洁护理器具的电效率和振幅可调的电路。

背景技术

在用于个人的电动清洁护理器具(以下简称为清洁护理器具)中，常采用谐振驱动系统来驱动清洁护理器具作旋转运动。如本申请人的另一专利申请PCT/CN2015/071696所述，清洁护理器具包括具有手柄外壳的手柄，手柄外壳内部装有用以向清洁护理器具的各个部分提供电力的电源部分、用以控制清洁护理器具的各种工作模式以及所述清洁护理器具的开启或关闭的控制部分、用以启动或关闭所述清洁护理器具运转的触发部分和将输入电能转换为机械能输出的驱动器。所述驱动器包括换能器、驱动线圈、设置在所述驱动线圈中的驱动线圈铁芯。

图1为现有驱动器的示意图。如图1所示，当驱动线圈通以交变电流i时，分布在换能器上的永磁体受到电磁力的反作用力而驱动换能器以交变电流的频率进行往复旋转运动，从而带动装配到换能器的驱动轴上的清洁元件载体和清洁元件作往复旋转运动，以达到清洁效果。上述结构中，换能器、清洁元件载体和清洁元件具有固有频率f_固，驱动线圈中的电流具有驱动频率f₀，f_固和f₀非常接近，通常若满足0.85f₀＜f_固＜1.05f₀的条件，则驱动线圈和换能器之间的电磁力能使换能器、清洁元件载体和清洁元件处于谐振状态，从而能获得较高的机械效率。

在申请公布号为CN103140190A的发明专利申请中披露了一种用于电动牙刷的利用磁性作用的谐振致动器系统，其包括设于线圈绕组附近的感应绕组，永磁体组件的运动产生磁通量，该磁通量根据感应线圈相对于永磁体的位置在感应绕组中感应出电压。该致动器系统还包括控制组件，控制组件用于处理来自感应绕组的电压信号以解析出仅由于来自永磁体组件的磁通量而产生的电压，并用于将所述电压与标准值进行比较，再利用比较值对所述驱动信号的频率或占空比进行改变，以使主轴行程具有所希望的大小和/或角度。但这两份公开文件均未涉及电路的具体结构、控制方式和如何提高电路效率等问题。

在现有的个人使用的电动清洁护理器具中，电能通过驱动线圈转换为机械能。为提高清洁效果，通常，要求清洁元件具备不同运动幅度的旋转运动，以符合用户的不同需求。在一种现有技术中，通过调整驱动线圈的电流频率使驱动线圈和换能器之间的电磁力频率远离换能器、清洁元件载体和清洁元件的固有频率，从而降低清洁元件的旋转运动幅度。但这种方法增大了驱动线圈的电流，使清洁护理器具整体功耗增大且输出的机械功率低下。在另一种现有技术中，通过控制电流流过驱动线圈的时间来减小流过驱动线圈的平均电流，例如采用PWM(脉宽调制)模式频繁通断驱动线圈中的电流，较小的驱动线圈平均电流可以减小清洁元件的运动幅度，虽然这种方法可以在降低整体功耗的情况下获得较小的清洁元件运动幅度，但是频繁通断驱动线圈中电流可能产生电磁干扰，导致污染环境。当然可以通过其他手段屏蔽此电磁干扰，但却使成本增加。

发明内容

本发明的目的为提供一种用于个人的电动清洁护理器具的电路效率可调的高效率电路，从而不增加清洁护理器具的体积和制造成本。本发明的另一目的为优化驱动线圈电流和驱动线圈端电压的电相角，以调节驱动线圈的电效率和调节清洁元件的运动幅度。

已知一种用于个人的电动清洁护理器具包括向清洁护理用具的各部分提供电力的电源部分、控制清洁护理器具的各种工作模式的控制部分、用以启动或关闭清洁护理器具的运转的触发部分和将输入电能转换为机械能输出的驱动器，电源部分包括由晶体管组成的H桥驱动电路，驱动器包括换能器、驱动线圈、设置在驱动线圈中的驱动线圈铁芯，换能器上设有弹性件和永磁体，换能器的驱动轴上安装有清洁元件载体和清洁元件。根据本发明，所提供的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路包括微芯片处理器IC和所述H桥驱动电路，设定H桥驱动电路产生的驱动频率为f₀，当驱动线圈通以交变电流i时，驱动线圈电流中包含频率为f₀的正弦波电流部分，清洁元件、清洁元件载体和换能器在驱动线圈产生的设定频率为f₀的电磁力的作用下以谐振形式往复旋转运动，清洁元件、清洁元件载体和换能器具有固有频率f_固，使f_固满足：0.85f₀＜f_固＜1.05f₀，其中，在H桥电路的负载端接入电容器组以及和所述电容器组串联的驱动线圈，通过可编程微芯片处理器IC的接口I/O控制该电容器组中至少一部分电容器与驱动线圈串联或与驱动线圈断开，从而可控制被接入的电容器的电容量，使流过驱动线圈的电流可控制地限定在从近似零到的之间的某一值，从而可控制清洁元件的运动幅值的大小，式中，U₀为电源输出电压，R_L为驱动线圈的直流电阻，Z为永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量的幅值相对于驱动线圈电流幅值的变化率(可以通过实验获得)，N为驱动线圈被磁力线切割的匝数，B为驱动线圈导体处的磁场密度，l为磁力线切割线圈导体的有效长度。

此外，在电动清洁护理器具运转的某一细分时间段内所述驱动线圈电流具有唯一的恒定频率。

优选该清洁护理器具的可调电路的电容器组包括一个电容器，该电容器和驱动线圈串联地接入H桥电路的负载节点之间。可使该电容器满足等式：式中L为驱动线圈对应的理想的无内阻的电感，ω为电角速度。

可以选取所述电容器组的等效电容值，使得驱动线圈和该电容器组的回路电阻呈纯电阻性。

所述电容器组还可包括多个电容器，它们分别与相应晶体管串联组成支路，这些支路彼此并联并和驱动线圈串联，其中，在驱动线圈的电流正半周或电流负半周或整个电流周期，至少一条支路中的晶体管和驱动线圈始终保持同步导通或截止。

所述电容器组也可包括至少两个相互并联的电容器。

优选所述电容器组包括至少两个电容器，即，第一电容器和第二电容器，它们串联组成串式电容器组。更优选的是，所述电容器组由两个以上的串式电容器组组成。

优选在电动清洁护理器具运转的某一细分时间段内所述驱动线圈电流具有唯一的恒定频率。

由于在H桥电路负载端接入可实时控制电容量的电容器组以及和所述电容器组串联的驱动线圈，通过控制接入的电容器组的等效电容量来控制电路的功率因数可以控制驱动线圈中电流的大小，从而控制清洁元件转动幅度的大小，进而以较低的功耗获得较小的清洁元件运动幅度，且不会产生附加电磁干扰。尤其在电动清洁护理器具运转的某一细分时间段内驱动线圈电流具有唯一的恒定频率时，驱动线圈的电功率效率可以最高。

附图说明

图1为现有驱动器的示意图；

图2为现有的控制电路图；

图3为图2所示电路IC中I/O22，I/O23的电压时序图；

图4为图2所示电路IC中I/O21，I/O24的电压时序图；

图5为与图2所示电路IC中I/O接口输出对应的驱动线圈两端的电压时序图；

图6为本发明第一实施例的控制电路图；

图7为本发明第二实施例的控制电路图；

图8为本发明第三实施例的控制电路图；

图9为IC电路IC中I/O82，I/O83(图8)；I/O132，I/O133(图13)和I/O152，I/O153(图15)的电压时序图；

图10为IC电路中I/O81，I/O84(图8)；I/O131，I/O134(图13)和I/O151，I/O154(图15)的电压时序图；

图11为IC电路IC中I/O85(图8)、I/O135(图13)和I/O155(图15)的电压时序图；

图12为IC电路中I/O86(图8)、I/O136(图13)和I/O156(图15)的电压时序图；

图13为本发明的第四实施例的控制电路；

图14为本发明的第五实施例的控制电路；

图15为本发明的第六实施例的控制电路。

主要附图标记说明

1为驱动器

2为驱动线圈

3为驱动线圈铁芯

4、5、6、7为换能器中的永磁体

8、9为换能器中的弹性件

10为换能器中的清洁元件驱动轴

A为驱动线圈的一个输入节点

B₀为驱动线圈的另一个输入节点

D为H桥电路的负载节点

E为H桥电路的负载节点

H₀为I/O接口输出的高电平

U₀为电源输出电压

R...为电阻

Q...为晶体管

IC为可编程的微芯片处理器

I/O...为IC的不同输入/输出接口

C为电容器

R_L为驱动线圈的直流电阻

L为驱动线圈对应的理想的无内阻的电感

ω为电角速度

t为时间

f₀为驱动频率

i为通过驱动线圈的电流

I为通过驱动线圈的电流幅值

l为磁力线切割线圈导体的有效长度

N为驱动线圈被磁力线切割的匝数

B为驱动线圈导体处的磁场密度

υ为永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量

υ_M为永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量的幅值

具体实施方式

下文以电动牙刷作为本发明的用于个人的电动清洁护理器具的典型例子，并结合附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然下面以电动牙刷为例进行解释说明，但本发明不限于此。本发明也可适用于电动剃须刀、电动洁面器、电动沐浴器等用于个人的电动清洁护理器具。

如前所述，在用于个人的电动清洁护理器具中常采用谐振驱动系统，用以驱动该清洁护具作往复旋转运动。

本发明中，用于个人的电动清洁护理器具的谐振驱动器电路包括电源部分、控制部分和触发部分。电源部分向所述清洁护理用具的各个部分提供电力；控制部分用以控制清洁护理器具的各种工作模式；触发部分用以启动或关闭清洁护理器具的运转。所述电源部分为直流电源，其可以由多个充电电池或多个干电池组合而成。电源部分还可包含公知的、能实现正反电流通过负载的、由晶体管组成的H桥驱动电路。设定H桥驱动电路产生的驱动频率为f₀。交变电流通过驱动线圈时，驱动线圈电流中包含频率为f₀的正弦波电流部分。

图2显示了一种现有的、用电池作为直流电源在驱动线圈上产生频率为f₀的交变电流的典型H桥电路。当微芯片处理器IC控制I/O21，I/O22，I/O23，I/O24按图3、图4所示的电压时序输出电压信号时，晶体管Q₂₁，Q₂₂和晶体管Q₂₃，Q₂₄交替导通，驱动线圈上交替地流过正、反方向的电流，驱动线圈上的电压时序图近似于图5所示。众所周知，电角速度ω＝2πf₀，式中f₀为驱动电压或电流频率。从图5可知，在图2所示的电路中，驱动线圈上产生频率为f₀的矩形波电压。

$U_{{\mathrm{AB}}_0}=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{LM}(2n-2)\mathrm{\&pi;}\&le;\mathrm{\&omega;}t<(2n-1)\mathrm{\&pi;}& (n=1,2,3,...)\\ -U_{LM}(2n-1)\mathrm{\&pi;}\&le;\mathrm{\&omega;}t<2n\mathrm{\&pi;}& (n=1,2,3,...)\end{array}\right.$ ……①

依傅里叶级数展开，

$U_{{\mathrm{AB}}_0}=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}}{U}_{LM}\&lsqb;sin\mathrm{\&omega;}t+\frac{1}{3}sin3\mathrm{\&omega;}t+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\&omega;}t+...+\frac{1}{2m-1}sin(2m-1)\mathrm{\&omega;}t+...\&rsqb;$

$(\mathrm{\&omega;}t\&Element;R,\mathrm{\&omega;}t\&NotEqual;k\mathrm{\&pi;},k\&Element;z,m\&Element;N_{+})$ ……②

式中，为A,B₀两端的电压，U_LM为驱动线圈上的直流电压幅值，m为高阶谐波的阶数，ω为电角速度，t为时间。

也就是说，可将图5所示的驱动频率为f₀的矩形波分解成无穷个不同幅值、不同频率的正弦波。显然，基波具有最大的幅值，三次谐波的幅值为基波幅值的五次谐波的幅值为基波幅值的由驱动线圈的端电压方程可知：

U_L＝iR_L+NBlυ+jωLi……③

U_L包括实部(iR_L+NBlυ)和虚部(jωLi)，

实部的大小为iR_L+NBlυ,虚部的大小为ωLi，

$i=\frac{U_L-NBl\mathrm{\&upsi;}}{R_L+j\mathrm{\&omega;}L}$ ……④

NBlυ＝U_L-(iR_L+jωLi)……⑤

式中，U_L为驱动线圈的端电压，R_L为驱动线圈的直流电阻，N为驱动线圈被磁力线切割的匝数，B为驱动线圈导体处的磁场密度，l为磁力线切割线圈导体的有效长度，υ为永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量，L为驱动线圈对应的理想的无内阻的电感，i为通过驱动线圈的电流，ω为电角速度。

本发明中晶体管Q可以是单极性晶体管，也可以是双极性晶体管，在下述实施例中均以双极性晶体管为例进行分析说明，其分析结果同样适合于单极性晶体管。

本发明中，换能器中设有弹性件和受电磁力的反作用力驱动的永磁体，换能器、清洁元件载体和清洁元件构成一个符合简谐振动规律的振动体。依据简谐振动原理，当换能器永磁体受到频率为f₀的电磁力的反作用力相对于ωt(2πf₀t)的函数为正弦或余弦函数时，换能器永磁体往复旋转运动的位移和速度相对于ωt(2πf₀t)的函数也为正弦或余弦函数。更进一步，当换能器、清洁元件载体和清洁元件的旋转运动具有的固有频率f_固等于电磁力的反作用力的频率f₀时，换能器和清洁元件载体及清洁元件在所述电磁力的反作用力的驱动下处于共振状态，此时，换能器永磁体往复旋转运动时，永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量和电磁力的反作用力具有相同的方向，即两者电角度差值为零。

换能器和清洁元件载体及清洁元件的旋转运动具有固有频率f_固，驱动线圈中的电流具有驱动频率f₀，本发明中，通过使f_固和f₀非常接近，例如，使其满足不等式0.85f₀＜f_固＜1.05f₀，则驱动线圈和换能器之间的电磁力可使换能器、清洁元件载体和清洁元件处于谐振状态。在谐振状态下，换能器永磁体往复旋转运动时，永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量和电磁力反作用力方向之间的角度差等于电角度差，由于0.85f₀＜f_固＜1.05f₀，此电角度的差值很小。在工程应用中，可以近似为永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量和电磁力的反作用力具有相同的方向，即两者电角度差值为零，也就是说，如果电磁力符合F_电＝NBIlsinωt，则换能器永磁体往复旋转运动时，永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量符合υ＝υ_Msinωt，式中υ_M为永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量的幅值。

依振动原理可知，在驱动频率不变的谐振模型中，受迫振动物体的运动幅值和所受驱动力的大小成正比，在本发明中受迫振动物体换能器上所受驱动力为来自驱动线圈的电磁力F_电，F_电＝NBIlsinωt，式中N，B，l，ω为不变量，I为电流i的幅值，即电流i的大小与电磁力F_电的大小成正比。因此，可通过控制i的大小来控制清洁元件的运动幅值。

本发明的电动清洁护理器具往往设置有多种工作模式，例如清洁模式，敏感模式，美白模式等。在清洁模式下，驱动线圈电流频率f₀在每一工作时间段中(例如120秒)保持恒定。在美白模式下，驱动线圈电流频率f₀在每一工作时间段中(例如120秒)为两种交替变换的不同频率，例如，驱动线圈电流频率以260HZ的频率工作0.5秒，接着以240HZ的频率工作0.5秒，再以260HZ的频率工作0.5秒，继而以240HZ的频率工作0.5秒，依次循环直到完成工作时间段(例如120秒)。显然，在本发明中，驱动线圈电流的驱动频率在某一细分的时间段中(例如美白模式中的所述0.5秒)保持恒定。也就是说，在电动清洁护理器具运转的某一细分的时间段中，驱动线圈电流具有唯一的恒定频率。因此本发明中电流和清洁元件的运动幅值关系的分析同样适合于至少在某一细分的时间段中驱动线圈电流具有唯一的恒定频率的电动清洁护理器具。

由公式④可以推导出驱动线圈上的电功率P_L，

式中υ_M为υ的幅值，I为i的幅值，U_LY为驱动线圈端电压的有效值，I_Y为i的有效值，

显然，驱动线圈上的电功率P_L包括驱动线圈的直流电阻R_L上消耗的热能、输出到换能器上的电磁功率(NBlυi)以及储存在电感线圈中的无用功部分(jωLi²)。公式⑥中为功率因数，当时，驱动线圈的电功率效率最高，从公式中可以得出虚部jωL为零时，jωL越小，越接近于1。

实际上，驱动线圈作为能量的输出零件，其自身的电感L不可能很小，否则不可能输出足够的能量。同时为了达到可靠和高效的清洁效果，通常要求清洁器件的工作频率在200-300HZ之间，也就是说ω约在400π—600π之间。因此，jωL不可能很小。

为了减小jωL，本发明引入和驱动线圈串联的电容器，以消除或大大减小驱动线圈上的电功率P_L中的无用功部分，或者通过电容器控制电功率P_L中的无用功部分的大小来控制功率因数的大小。

图6为本发明第一实施例的控制电路图。如图6所示，电容器组仅包括一个电容器C₆₁，电容器C₆₁和驱动线圈串联地接入H桥电路的负载端，即在H桥电路的负载节点D和E之间接入串联的电容器C₆₁和驱动线圈。假设本例中换能器、清洁元件载体和清洁元件的固有频率为f_固，驱动线圈中的电流具有驱动频率f₀，使得f₀和f_固满足谐振条件0.85f₀＜f_固＜1.05f₀。例如，可以设定f₀＝260HZ，而依前述傅里叶级数分析可知，对于在驱动线圈上施加频率为f₀的电压矩形波而言，只有基波电流产生的电磁力能和具有固有频率为f_固的换能器、清洁元件载体和清洁元件共同作用产生谐振，而驱动线圈的电压或电流的三次谐波或更高阶谐波的频率远离f_固，从而驱动线圈中三次谐波电流或更高阶谐波电流产生的电磁力不能同具有固有频率为f_固的换能器、清洁元件载体和清洁元件产生谐振作用，因而对清洁元件的运动幅值贡献十分有限。也就是说，驱动线圈上频率为f₀的基波电流产生的电磁力为驱动换能器、清洁载体和清洁元件的主要驱动力。频率f₀对应的电角速度ω为2πf₀。当C₆₁满足等式：时，如图6所示，AE端的电压方程为：

$U_{AE}={\mathrm{iR}}_L+NBl\mathrm{\&upsi;}+j(\mathrm{\&omega;}Li-i\frac{1}{{\mathrm{\&omega;C}}_{61}})$ ……⑦

当则U_AE＝iR_L+NBlυ

显然，C₆₁的阻抗可以有效抵消电感的阻抗，当时，驱动线圈和电容器C₆₁组合使驱动线圈呈纯电阻性，可以有效提高驱动线圈和电容器组回路的功率因数使接近或等于1，从而大大提高驱动线圈的电效率。当然，1/ωC₆₁不一定等于ωL。显然，通过调节电容器C₆₁的电容值的大小，可以获得不同的功率因数

在本例中仅针对直流电源通过微芯片处理器在驱动线圈上施加频率为f₀的矩形波电压加以分析，同样直流电源可以通过微芯片处理器或多级线圈在驱动线圈上施加频率为f₀的正弦波或余弦波电压或其他波形(如三角波)电压，其引入与驱动线圈串联的电容器C₆₁的分析和上述分析类似，在此不再赘述。

综上所述，本发明所提供的电动清洁护理器具具有可往复旋转的清洁元件、清洁元件载体和换能器，所述换能器上设有弹性件和永磁体，清洁元件、清洁元件载体和换能器具有固有频率f_固，驱动线圈上通过频率设定为f₀的交变电流，清洁元件、清洁元件载体和换能器在驱动线圈产生的设定频率为f₀的电磁力的作用下以谐振形式作往复旋转运动。f_固和f₀满足：0.85f₀＜f_固＜1.05f₀。把电容器C₆₁和驱动线圈串联地接入H桥电路的负载端，驱动线圈上流过的电流同样流过所述电容器，且两者电流的幅值相等。

在第二实施例中，如图7所示，引入包括至少两个电容器的电容器组，该组电容器的电容值可受控地和驱动线圈串联。在图7中，控制电路包括与驱动线圈串联的多个电容器C₇₂，C₇₃…C_7(n-3)和多个分别与相应电容器串联的晶体管Q₇₅，Q₇₆，…Q_7n。电容器C₇₁和与电容器C₇₁串联的晶体管Q₇₃，Q₇₂组合的支路、电容器C₇₂和与电容器C₇₂串联的晶体管Q₇₅组合的支路、电容器C₇₃和与电容器C₇₃串联的晶体管Q₇₆组合的支路以及电容器C_7(n-3)和与电容器C_7(n-3)串联的晶体管Q_7n组合的支路彼此并联，其中在驱动线圈的电流正半周或电流负半周或整个电流周期，至少一条支路中的晶体管Q和驱动线圈始终保持同步导通或截止，由此该支路中的电容器和驱动线圈在所述的电流周期中始终保持同步接通或断开，从而保证驱动线圈不会因为串联的电容器的接入而发生额外的通断，以避免因驱动线圈额外通断而产生附加电磁干扰。例如，在图7中，在整个驱动线圈的电流周期中，C₇₁始终和驱动线圈保持同步接通或断开。微芯片处理器通过相应的I/O接口的输出电平来控制其他电容器是否接入。例如，微芯片处理器控制I/O71，I/O74，使I/O71，I/O74处于低电平；微芯片处理器控制I/O72，I/O73，使I/O72，I/O73处于高电平；微芯片处理器控制I/O75，使I/O75处于低电平，则晶体管Q₇₅没有导通，而微芯片处理器控制和其他电容器关联的I/O如I/O72，I/O76，…I/O7n，使相应的晶体管如Q₇₂，Q₇₆，…Q_7n导通，此时，除了电容器C₇₂之外，电容器组的所有其他电容器并联接入，电容器组的等效电容为显然通过上述电容器组合可以在Q₇₁，Q₇₂导通时，即在驱动线圈的电流正半周中，且同时导通Q₇₆，…Q_7n获得可控制的电容值。在上述电容器组中，处于接通状态的电容器相互并联，且处于接通状态的电容器和驱动线圈串联，流过驱动线圈的电流同样流过处于导通状态的晶体管和相应电容器，且流过所有导通的晶体管和相应电容器的电流之和相等于流过驱动线圈的电流，由于晶体管Q₇₁，Q₇₂，Q₇₃，....Q_7n在驱动线圈电流流经的路径上的电压降很小，可忽略不计，则图7中A点和E点之间的电压幅值的绝对值大小和直流电源的输出电压U₀近似相等。本例中，在Q₇₃，Q₇₄导通时，即在驱动线圈的电流负半周中，除了C₇₁外，所有其他的电容器C₇₂，C₇₃…C_7(n-3)被Q₇₅，Q₇₆，....Q_7n断开，即电容器C₇₂，C₇₃…C_7(n-3)和驱动线圈断开，则在驱动线圈整个电流周期中流过驱动线圈的电流：

由公式⑧知：式中C_等为电容器组的等效电容值，即，所有处于导通状态中的电容器的电容值之和。当(ωL-1/ωC_等)很大时，驱动线圈的电流幅值I趋向于零，当(ωL-1/ωC_等)＝0时，驱动线圈的电流幅值I等于在本例中，驱动线圈和换能器之间的电磁力可使换能器、清洁元件载体和清洁元件处于谐振状态，若电磁力符合F_电＝NBIlsinωt，则换能器永磁体往复运动的速度符合υ＝υ_Msinωt，而换能器永磁体在电磁力作用下作简谐振动，换能器永磁体往复运动的速度υ_M正比于电磁力F_电的大小。由于，本例中NBl为定值，则换能器永磁体往复旋转运动时，永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量的幅值υ_M正比于驱动线圈电流的大小。设υ_M＝ZI,Z为可以通过实验获得的永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量的幅值相对于驱动线圈电流幅值的变化率。当(ωL-1/ωC_等)很大时，驱动线圈的电流幅值I趋向于零，清洁元件的运动幅值趋向于零，当(ωL-1/ωC_等)＝0时，驱动线圈的电流幅值I等于清洁元件的运动幅值趋向于最大，清洁元件的运动幅值正比于此时，驱动线圈和电容器组呈纯电阻性，驱动线圈和电容器组的回路的功率因数电路电效率最高。显然，通过在电路中串入这种电容值可控的电容器组，可以将流过驱动线圈的电流的幅值I从接近于零调节到从而将清洁元件的运动幅值从接近于零调节到最大。不言而喻，小电流对应于清洁元件小的运动幅值，电流越小，驱动线圈的直流电阻R_L上消耗的热能越小。本例中引入可对电容值进行控制的电容器组，通过改变与驱动线圈串联的电容器组的等效电容值，可以可控地调节驱动线圈和电容器组的回路的功率因数以及流过驱动线圈的电流幅值。

由于在电动清洁护理器具运转的某一细分时间段内流过驱动线圈的电流频率为唯一的恒定频率，本发明的清洁护理器具的换能器、清洁元件载体和清洁元件的旋转运动幅度和流经驱动线圈的电流幅值成正比。本例中设置有至少二个相互并联的电容器组成一个电容器组(并式电容器组)，其中至少一个电容器(例如，第一电容器)始终和驱动线圈保持同步接入或断开，通过微芯片处理器IC控制电容器组中部分或全部剩余电容器的接入，且这些电容器互相并联地串入驱动线圈，致使流过驱动线圈的电流同样流过所有被接入的互相并联的电容器，因而流过所有被接入的电容器的电流之和等于流过驱动线圈的电流。通过在驱动线圈回路中控制性地串入具有不同等效电容值的电容器组，使流过驱动线圈的电流可以控制地限定在从近似零到的某一值，从而可控制清洁元件运动幅值的大小。更进一步地通过在驱动线圈电路中控制性地串入具有不同等效电容值的电容器组，可将清洁元件的运动幅值控制性地限定在从近似零到系统对应的最大振幅范围中的某一值。该系统对应的最大运动幅值出现在驱动线圈和串入的等效电容值呈纯电阻性时(即

图8显示了本发明第三实施例的控制电路。图8和图7的区别在于，图8中的电容器组包括两个并联的电容器C₈₁，C₈₂。第一电容器C₈₁和与第一电容器C₈₁串联的晶体管Q₈₂及晶体管Q₈₃组合的支路以及第二电容器C₈₂和与第一电容器C₈₂组合的晶体管Q₈₅及晶体管Q₈₆的支路彼此并联，驱动线圈和该电容器组串联。第一电容器C₈₁始终和驱动线圈保持同步接入或断开。第二电容器C₈₂被相应的晶体管Q₈₅及晶体管Q₈₆的通断控制地和第一电容器C₈₁并联。晶体管Q₈₅及晶体管Q₈₆的导通或关闭受微芯片处理器IC相应的I/O85，I/O86控制。

图9、图10、图11、图12为I/O81，I/O82，I/O83，I/O84，I/O85，I/O86的电平时序图，在ωt为0～π区间时，I/O82，I/O83为高电平，I/O81，I/O84为低电平，I/O85为PWM模式的电平输出，I/O86为高电平。在ωt为π～2π的区间时，I/O82，I/O83为低电平，I/O81，I/O84为高电平，I/O85为低电平，I/O86为PWM模式的电平输出。在ωt为0～π区间，依照图8、图9、图10、图11、图12，晶体管Q₈₁和晶体管Q₈₂导通，而晶体管Q₈₅依据PWM模式导通或截止，来自直流电源的电流i从图8中的A点经过驱动线圈流向B₀点，在PWM模式下当晶体管Q₈₅处于导通状态、晶体管Q₈₆处于截止状态时，电流i一部分流过电容器C₈₁和晶体管Q₈₂流向直流电源，电流i的另一部分流过电容器C₈₂和晶体管Q₈₅流回直流电源，且流过驱动线圈的电流大小相等于流过电容器C₈₁与电容器C₈₂的电流之和。此时，驱动线圈与两个并联的电容器C₈₁、C₈₂串联，由于晶体管的集电极和发射极之间的等效电阻很小，故可以忽略晶体管的等效电阻，则驱动线圈和该电容器组的等效阻抗为即电容器组的等效电容值C_等为电容器C₈₁和C₈₂的电容之和。当晶体管Q₈₅在PWM模式下处于截止状态、晶体管Q₈₆也处于截止状态时，流过驱动线圈的来自直流电源的电流i全部流过电容器C₈₁和晶体管Q₈₂流回直流电源。此时，驱动线圈与电容器C₈₁串联，同样忽略晶体管的等效电阻，则驱动线圈和电容器组的等效阻抗为，即电容器组的等效电容值为电容器C₈₁的电容值。如设y为PWM的占空比，例如，图11所示，在0＜ωt＜π时，y₁表示PWM模式中高电平的时间对总时间的比例，显然，当0＜ωt＜π时，上述电容器组的平均等效电容值C_等平半1＝C₈₁+y₁C₈₂。显然，电容器C₈₁和C₈₂不会额外增加驱动线圈的通断，从而可以保持驱动线圈中电流的连续性。

当π＜ωt＜2π时，晶体管Q₈₃、Q₈₄导通，晶体管Q₈₁、Q₈₂、Q₈₅截止，晶体管Q₈₆按图12所示在PWM模式下导通，电路分析和0＜ωt＜π类似，在此不再赘述。当π＜ωt＜2π时，图12所示，y₂表示PWM模式中低电平的时间对总时间的比例。当π＜ωt＜2π时，电

容器组的平均等效电容值C_等平半2＝C₈₁+y₂C₈₂。显然，电容器C₈₁和C₈₂不会额外增加驱动线圈的通断，从而可以保持驱动线圈中电流的连续性。因此在电路工作的整个时间段内，并式电容器组的平均等效电容值显然，电容器C₈₁和C₈₂不会额外增加驱动线圈的通断，从而可以保持驱动线圈中电流的连续性。

本发明中，通过微芯片处理器IC控制I/O85，I/O86的PWM占空比y₁，y₂，从而可控制和驱动线圈串联的并式电容器组的平均等效电容值C_等平并，通过对平均等效电容值C_等平并进行控制，可控制驱动线圈和并式电容器组的阻抗大小和相位角，从而可控制流过驱动线圈的电流的大小以及驱动线圈和并式电容器组的回路的功率因数大小。本发明通过创造性地在驱动线圈串入平均等效电容值可控的并式电容器组，可以控制流经驱动线圈电流的大小以及驱动线圈和电容器组的回路的电功率因数此外，本发明中串入驱动线圈中的电容器或电容器组不会额外增加驱动线圈的通断。

图13显示了本发明的第四实施例的控制电路。图13和图8的区别在于，图13中的电容器组包括两个串联的电容器C₁₃₁、C₁₃₂。可以用类似方法具体分析图13中的电路，在此不再赘述。下面只是简单地分析图13中电路的特点，如图13、图9、图10、图11、图12所示，例如，在某一时间段(0＜ωt＜π)，微芯片处理器IC导通晶体管Q₁₃₁、Q₁₃₂，截止晶体管Q₁₃₃、Q₁₃₄、Q₁₃₆，采用PWM模式导通晶体管Q₁₃₅。当晶体管Q₁₃₅在PWM模式下处于截止状态时，第一电容器C₁₃₁和第二电容器C₁₃₂串联组成串式电容器组C₁₃₁、C₁₃₂，此刻串式电容器组的等效电容值为当晶体管Q₁₃₅在PWM模式下处于导通状态时，串联式电容器组的等效电容值等于C₁₃₁的电容值。同理，设y₃表示PWM模式中高电平的时间对总时间的比例，显然，当0＜ωt＜π时，上述串式电容器组的平均等效电容值在另一时间段(π＜ωt＜2π)，微芯片处理器IC导通晶体管Q₁₃₃、Q₁₃₄，截止晶体管Q₁₃₁、Q₁₃₂、Q₁₃₅，采用PWM模式导通晶体管Q₁₃₆。当晶体管Q₁₃₆在PWM模式下处于截止状态时，第一电容器C₁₃₁和第二电容器C₁₃₂串联组成串式电容器组，此刻该串式电容器组的等效电容值为当晶体管Q₁₃₆在PWM模式下处于导通状态时，电容器组的等效电容值等于电容器C₁₃₁的电容值。同理，设y₄表示PWM模式中低电平的时间对总时间的比例，显然，当π＜ωt＜2π时，上述电容器组的平均等效电容值因此在电路整个工作时间段中，电容器组的平均等效电容值本例中，微芯片处理器IC控制I/O135，I/O136的PWM占空比y₃、y₄，从而控制和驱动线圈串联的串式电容器组的平均等效电容值C_等平串，通过可控的平均等效电容值C_等平串控制驱动线圈和串式电容器组的阻抗大小和相位角，从而控制流过驱动线圈的电流大小以及驱动线圈和串式电容器组的回路的功率因数的大小。因此，本发明创造性地将驱动线圈与平均等效电容值可控的电容器组串联，从而可以控制流经驱动线圈的电流大小，以及驱动线圈和电容器组回路的电功率因数

同样，也可以由微芯片处理器IC控制多个彼此串联的电容器组，如本发明的第五实施例的控制电路图14所示，图14和图13的区别在于，图14中的电容器组由两个以上的串式电容器C₁₄₁-C_14n组成。其电路分析与本说明书中对图7、图8和图13的分析类似，在此不再赘述。

上述五个实施例中，至少有一个电容器和驱动线圈始终保持同步接通或断开，当然，也可以不必保持至少一个电容器和驱动线圈始终保持同步接通或断开，同样可以通过控制与驱动线圈串联的电容器或电容器组的平均等效电容值C_等来控制驱动线圈和电容器组的阻抗大小和相位角，从而控制流过驱动线圈的电流大小以及驱动线圈和电容器组回路的功率因数的大小。如本发明的第六实施例图15所示。

如图9，图10，图11，图12，图15所示，例如，在某一时间段(0＜ωt＜π)，微芯片处理器IC导通晶体管Q₁₅₁、Q₁₅₂，截止晶体管Q₁₅₃、Q₁₅₄、Q₁₅₆，采用PWM模式导通晶体管Q₁₅₅。当晶体管Q₁₅₅在PWM模式下处于截止状态时，电容器C₁₅₁与驱动线圈串联，此刻电容器组的等效电容值等于电容器C₁₅₁的电容值。当晶体管Q₁₅₅在PWM模式下处于导通状态时，电容器C₁₅₁被晶体管Q₁₅₅短路，此刻电容器组的等效电容值为零。同理，设y₃表示PWM模式中高电平的时间对总时间的比例，显然，当0＜ωt＜π时，上述电容器组的平均等效电容值C_{等5半 1}＝(1-y₃)C₁₅₁，在另一时间段(π＜ωt＜2π)，微芯片处理器IC导通晶体管Q₁₅₃、Q₁₅₄，截止晶体管Q₁₅₁、Q₁₅₂、Q₁₅₅，采用PWM模式导通晶体管Q₁₅₆。当晶体管Q₁₅₆在PWM模式下处于截止状态时，电容器C₁₅₁与驱动线圈串联，此刻电容器组的等效电容值等于电容器C₁₅₁的电容值。当晶体管Q₁₅₆在PWM模式下处于导通状态时，电容器C₁₅₁被晶体管Q₁₅₆短路，此刻电容器组的等效电容值为零。同理，设y₄表示PWM模式中低电平的时间对总时间的比例，显然，当π＜ωt＜2π时，上述电容器组的平均等效电容值C_等5半2＝y₄C₁₅₁。因此在驱动线圈整个电流周期中，电容器组的平均等效电容值本例中，微芯片处理器IC控制I/O135，I/O136的PWM占空比y_3、y₄，从而可控制和驱动线圈串联的电容器组的平均等效电容值C_等5＝(1-y₃₊y₄)C₁₅₁/2，通过可控的平均等效电容值C_等5控制驱动线圈和电容器组的阻抗大小和相位角，从而控制流过驱动线圈的电流大小以及驱动线圈和电容器组的回路的功率因数的大小。因此，本发明创造性地将驱动线圈与平均等效电容值可控的电容器组串联，从而可以控制流经驱动线圈的电流大小，以及驱动线圈和电容器组的回路的电功率因数并且，本发明中与驱动线圈串联的电容器或电容器组不会额外增加驱动线圈的通断。显然，以上描述只是示例性的，在不超出本发明的由权利要求所限定的范围的前提下，所属领域技术人员还可以作出多种变换和改型，这些变换和改型均应落入本发明的由权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，清洁护理器具包括向清洁护理用具的各部分提供电力的电源部分、控制清洁护理器具的各种工作模式的控制部分、用以启动或关闭清洁护理器具的运转的触发部分和将输入电能转换为机械能输出的驱动器，电源部分包括由晶体管组成的H桥驱动电路，驱动器包括换能器、驱动线圈、设置在驱动线圈中的驱动线圈铁芯，换能器上设有弹性件和永磁体，换能器的驱动轴上安装有清洁元件载体和清洁元件，所述可调电路包括微芯片处理器(IC)和所述H桥驱动电路，设定H桥驱动电路产生的驱动频率为f₀，当驱动线圈通以交变电流i时，驱动线圈电流中包含频率为f₀的正弦波电流部分，清洁元件、清洁元件载体和换能器在驱动线圈产生的设定频率为f₀的电磁力的作用下以谐振形式往复旋转运动，清洁元件、清洁元件载体和换能器具有固有频率f_固，使f_固满足：0.85f₀＜f_固＜1.05f₀，其中，在H桥电路的负载端接入电容器组以及和所述电容器组串联的驱动线圈，通过可编程微芯片处理器(IC)的接口(I/O)控制该电容器组中至少一部分电容器与驱动线圈串联或与驱动线圈断开，从而可控制被接入的电容器的电容量，使流过驱动线圈的电流可控制地限定在从近似零到之间的某一值，从而控制清洁元件的运动幅值的大小，式中，U₀为电源输出电压，R_L为驱动线圈的直流电阻，Z为永磁体的垂直于磁力线方向的速度分量的幅值相对于驱动线圈电流幅值的变化率(可以通过实验获得)，N为驱动线圈被磁力线切割的匝数，B为驱动线圈导体处的磁场密度，l为磁力线切割线圈导体的有效长度。

2.如权利要求1所述的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，其中，所述电容器组包括一个电容器(C₆₁)，该电容器和驱动线圈串联地接入H桥电路的负载节点(D)和(E)之间。

3.如权利要求1所述的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，其中，选取所述电容器组的等效电容值，使得驱动线圈和该电容器组的回路电阻呈纯电阻性。

4.如权利要求2所述的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，其中，所述电容器(C₆₁)满足等式：式中L为驱动线圈对应的理想的无内阻的电感，ω为电角速度。

5.如权利要求1或3所述的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，其中，所述电容器组包括多个电容器(C₇₂，C₇₃…C_7(n-3))，它们分别与相应晶体管(Q₇₅，Q₇₆，…Q_7n)串联组成支路，这些支路彼此并联并和驱动线圈串联，其中，在驱动线圈的电流正半周或电流负半周或整个电流周期，至少一条支路中的晶体管(Q)和驱动线圈始终保持同步导通或截止。

6.如权利要求5所述的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，其中，所述电容器组包括至少两个相互并联的电容器(C₇₂，C₇₃…C_7(n-3))。

7.如权利要求5所述的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，其中，所述电容器组包括至少两个电容器(C₁₃₁、C₁₃₂)，即，第一电容器(C₁₃₁)和第二电容器(C₁₃₂)，它们串联组成串式电容器组(C₁₃₁、C₁₃₂)。

8.如权利要求7所述的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，其中，所述电容器组由两个以上的串式电容器组(C₁₄₁-C_14n)组成。

9.如权利要求1-4中任一项所述的用于个人的电动清洁护理器具的可调电路，其中，在电动清洁护理器具运转的某一细分时间段内所述驱动线圈电流具有唯一的恒定频率。