CN116057829A - 用于制备咖啡饮料的机器的注入单元的直流电机的控制方法和电路 - Google Patents
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Abstract
本文描述的实施例涉及一种控制一直流电机(50)的方法，所述直流电机由一交流电源电压(Vin)供电，所述方法检测所述交流电源电压(Vin)的过零瞬间及选择性地激活一开关装置(11)以对所述直流电机(50)供电，通过所述交流电源电压(Vin)的正半波(Vin1)使所述直流电机依一方向旋转，并且通过负半波(Vin2)使所述直流电机依一相反方向旋转。本发明还涉及一种用于所述直流电机(50)的控制电路(10)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于直流电机的控制方法及相应电路。
有益地但不排他地，所述方法及所述电路可以用来控制应用中的直流电机，所述直流电机需要经常反转所述直流电机的旋转方向以及有限经费。
特别是，所述方法及电路可以用来控制自动化应用中的直流电机，用于移动一机械手臂或用于家用电器，例如用于移动自动咖啡机的注入单元，或一冰淇淋机的叶片，或一洗衣机的机架，或在汽车领域或消费领域或类似应用中。
背景技术
众所周知，很多时候，在使用直流电机的应用中，需要一种既简单又可靠的系统来控制所述直流电机。
可以通过多种方式来控制直流电机。传统的解决方案提供了在所述直流电机的标称电压附近获得一直流电压。使用标称电压为230Vdc的电机可以使用经过整流电源电压为它们供电。如果要控制旋转方向，通常使用称为"H桥"的一控制电路，其可以用两个继电器交换或固态制成。
传统系统有一些缺点。第一个缺点是它们需要一直流电源，或至少需要一个整流桥。还需要提供一电源滤波器以消除可能的干扰。
此外，如果所述直流电机的旋转方向经常变化，并且因此用于循环重复负载，H桥电路的部件可能会发生破损及故障，特别是如果使用机械或机电部件，例如簧片继电器。
晶闸管的使用也是众所周知的，例如硅控整流器(Silicon ControlledRectifiers，SCR)、交流三极管(Triodes for Alternating Current，TRIAC)、双向开关二极管、可控硅开关等，以控制直流电机。
实际上，可以使用提供一个或多个晶闸管的电机电源电路，其中负载连接到正半周期或负半周期的交流电源，具体取决于所需的旋转方向。
已知解决方案的一个缺点是会出现电磁干扰现象，尤其是在存在频繁开关周期的应用中，尤其是在与不可忽略的频率和电源相关联的情况下。实际上，在开关期间，电压及电流值的几乎瞬时变化会导致电流峰值(在本领域中称为尖峰或脉冲串等)的产生，它们会产生高频干涉的干扰信号。这些信号会干扰电机本身的其他电子系统，或其他装置或位于附近的电子装置。
特别是，由于一直流电动机可以被认为是一欧姆电感型负载，因此施加的电流相对于所述电压具有一相位延迟。在由晶闸管控制的所述电机的头部，仅由所述正半波驱动，因此所述电流在切换瞬间可能具有一负值峰值。在双重方式下，如果所述电机由负半波来驱动，则电流峰值为正。从一电磁的角度来看，这个电流峰值可以被认为是一尖峰型干扰源。
由于电流尖峰的存在会对用户造成危险并在供电网络上产生问题，电子装置及设备必须具有合适的电磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)特性，例如在专门的技术标准中描述和/或需要获得标记及标志(例如，CE标志或TUV标志)。
为了允许使用通常比交流电机便宜的直流电机，已知的解决方案需要使用滤波器及电路来限制电流，然而这会带来额外的成本。
文件EP 2983288 A描述了一种驱动串联连接到交流电源的电动机的电路，其包括可控双向开关、配置为检测所述电机的一转子的位置的一位置传感器及控制开关的一电路，其以检测到的转子位置来命令双向开关。
就小家电而言，电流峰值及成本增加相关的缺点尤为明显，其中还需要优化空间以及组部件成本，特别是在用于制备咖啡饮料的机器中，在所述机器中需要连续反转所述注入单元的所述移动方向。
因此，需要完善一种用于直流电机的控制方法及电路，其可以克服现有技术的至少一个缺点。
特别是，本发明的一个目的是完善一种用于制备咖啡饮料的一机器的一注入单元的控制方法及电路，其在电磁兼容性方面没有任何问题。
本发明的另一目的在于提供一种简单、可靠、使用寿命长的用于一直流电机的控制电路。
另一个目的是所述控制电路保持有限的成本，这并不排除在以大量电子和/或机电装置或对用户来说最终价格低为特征的应用中的使用，例如汽车或消费类型应用，或小型电器，例如用于制备咖啡饮料的机器。
另一个目的是完善一种用于电机的控制方法及电路，这可以精确地控制电机，并且通过所述电机进行精确定位，从而将噪音和/或机械振动降到最低。
申请人已经设计、测试及实施本发明以克服现有技术的缺点并获得这些和其他目的和优点。
发明内容
本发明在独立权利要求中被阐述和表征。从属权利要求描述了本发明的其他特征或主要发明思想的变体。
基于上述目的，本文中的实施例涉及一种用于直流电机的控制方法及电路，其克服了现有技术的局限，消除了现有技术存在的缺陷。
有利地，上述控制方法及电路可以应用到直流电机，在使用期间，所述直流电机的旋转方向经常变化，并且例如沿着一预定路径向前及向后移动连接到直流电机的一元件，或也可以用于顺时针或逆时针交替地旋转直流电机。
本发明特别地可以有利地移动用于制备咖啡饮料的一机器的一注入单元。
根据一些实施例，根据本发明的控制方法选择性地以一交流电源电压的负半波或正半波对所述直流电机供电，以便于使所述直流电机依一方向或另一方向旋转。
有利地，所述方法允许直接使用交流电源电压对所述直流电机供电，所述交流电源电压由一电力供应网供应，例如电压值为230Vdc，频率为50Hz或60Hz的电力供应网。
根据所述发明，以期望半波对所述直流电机供电的所述控制方法检测所述交流电源电压的过零瞬间及选择性地激活设置在所述直流电机与所述电力供应网之间的一开关装置，所述电力供应网具有一确定延迟时间。在本说明书中，过零以已知方式理解为交流电压呈现零值的时刻。
根据本发明的一个方面，所述方法确定由于负载(即，所述直流电机)而存在于所述交流电源电压与所述电源电流之间的相位延迟，并且通过与经确定的所述相位延迟相关的一延迟时间来延迟打开所述开关装置。
这样一来，在所述直流电机上的电流换向发生在零值附近，并且在任何情况下在处在与期望的旋转方向相应的半波中。
作为结果，消除了从所述开关装置朝向所述直流电机输出的所述电流值的一瞬时变化(具有与所需极性相反的极性)的发生，从而消除或至少大大减少电磁干扰的发生。
根据一些实施例，所述方法还确定所述直流电机需要的旋转方向，检测与经确定的旋转方向相关的所述交流电源电压的过零，并且在相对于经考虑的所述半波而确定的所述延迟时间后，发送激活所述开关装置的命令。
根据一些实施例，所述方法检测所述直流电机的转速，并且改变在所述过零瞬间与发送激活命令之间的所述延迟时间，所述延迟时间与检测到的所述转速相关联。
特别地，所述延迟时间可以与转速成正比地变化，并且因此与所需的扭矩成反比地变化。
这允许在每一个功能模式下充分补偿所述电源电压与所述电流之间的相移。
当所述直流电机的速度最小时，实际上，例如当它被打开时，或者对应于与其关联的一移动部件的行进位置的一终点，当所需的扭矩较大时，所述直流电机表现得像一个实质地电阻负载，同时随着转速的增加，它表现得像一个欧姆电感负载，使得在其工作期间，电压与电流之间的所述相移可以在接近零的一最小值与一最大值之间改变。
根据一些实施例，所述方法确定旋转方向，并且因此需要考虑的所述半波及用于激活所述开关装置的所述延迟时间，所述延迟时间基于所述直流电机的一数学模型和/或其功能模式，所述功能模式与一轨迹或与一移动构件的一操作模式相关，所述移动部件与所述直流电机相关联。
根据一些实施例，所述方法在一存储单元中存储所述直流电机的旋转方向及转速的一映射，所述映射必须假设为所述移动部件所处的操作模式的功能。
如果所述直流电机继续以相同方向旋转，所述方法当检测到所述交流电源电压在相反方向上的一后续过零瞬间时保持所述开关装置关闭，并且在下一瞬间将所述开关装置打开，以此类推。
在所述开关装置关闭的时间间隔期间，不允许所述电力供应网对所述直流电机供电，由于机械惯性所述直流电机可以继续旋转。
此外，由于所述直流电机的惯性与所述直流电机中的电力的结合所产生的效果，即使在所述直流电机未通电的半波中，所述直流电机上的所述电压也基本保持稳定。
有利地，所述功能可以被认为是连续的并且没有可察觉的波动，即使不使用附加的电子装置，例如滤波器。
根据其它实施例，所述方法，当到达一确定轨迹的行进位置的一终点时，给所述直流电机提供与先前提供的信号相反信号的半波，以便于恢复可能的机械间隙并且为了后续移动将所述直流电机定向到正确方向。
根据一些实施例，所述方法验证与所述直流电机相关联的所述移动部件的所述位置，特别是一注入单元，以确定用于命令后者的所述操作模式。
特别是，在应用于用于制备咖啡饮料的一机器的一注入单元的情况下，所述方法确定所述旋转方向作为设置有所述注入室的所述注入单元的一移动活塞的所述轨迹的一功能。
例如，所述行进位置的终点可以对应于装载咖啡粉的位置、用于关闭所述注入室以提取一咖啡饮料的位置或从所述注入室移除用完的粉末的排出位置中的一个或多个。
根据本发明，用于直流电机的所述控制电路包括一开关装置及一装置，所述装置用于检测所述交流电源电压的过零瞬间。
根据一些实施例，所述控制电路还包括一控制及命令单元，配置成用以选择性地命令激活所述开关装置。
特别是，所述控制及命令单元配置成用以从所述检测装置接收所述交流电源电压过零的指示并且在相对于所述交流电源电压过零的一确定延迟时间之后激活所述开关装置，以这样的方式在所述直流电机中的所述电流的过零点附近获得所述开关装置的换向。
根据一些实施例，所述控制及命令单元可以配置成用以基于存储在一存储单元中的数据，通过一计算算法来计算将要使用的所述延迟时间。
根据一些实施例，存储在所述存储单元中的所述数据可以包括与所述直流电机相关的信息并且可能是根据欧姆电感负载来建模的信息，并且所述控制及命令单元可以配置成用以基于在所述交流电源电压与所述电源电流之间发生的所述相位差来计算所述延迟时间。
根据一些实施例，存储在所述存储单元中的所述数据可以包括与所述直流电机相关联的一移动部件的旋转方向或前进方向或与一操作模式相关联的一轨迹的信息，并且所述控制及命令单元可以配置成用以每次都根据这些信息来确定将要供应给所述直流电机的所述半波类型及延迟时间。
根据一些实施例，所述控制电路包括一装置，用以检测所述直流电机的转速，并且所述控制及命令单元配置成用以所述延迟时间，在所述延迟时间中激活所述开关装置，作为检测到的速度的一功能。
根据一些实施例，所述开关装置可以包括一个或多个晶闸管。例如，所述开关装置可以包括一TRIAC晶闸管，其能够允许以一受控方式将电源电流输送到所述直流电机，既适用于负半波也适用于正半波。
根据一种可能的方案，所述开关装置可以包括反并联设置的两个SCR(可控硅整流器)晶闸管，或两个受控二极管。
因此，可以直接通过所述电源电压对所述直流电机供电并且控制其旋转方向，而无需求助于更复杂和/或昂贵的电路，例如包括直流电源或电桥，例如H桥。
有利地，使用诸如TRIAC或SCR的固态部件增加了控制电路的使用寿命，因为它们不存在与机电元件(例如继电器或其他机电开关)典型的疲劳磨损相关的问题。
也可以通过这种方式，提高由所述直流电机移动的元件(尤其是注入单元)的定位精度，并且减少噪音及振动，因为可以通过旋转方向的反转来恢复机械间隙，因此可以围绕定位点进行微调。事实上，基于上述内容，这种围绕定位点的微调有利地不会由于机械疲劳而导致控制电路的使用寿命缩短。
另一个优点是由于减少了振动，增加了应用所述直流电机及相应控制电路的装置的使用寿命。
另一个优点是装置的可能操作者或用户的舒适度更高，他们在使用过程中受到更少的振动和/或噪音。
根据本发明的所述控制电路的另一个优点是所需元件数量很少，这使得它很经济，因此能够用于多种应用。
本文描述的其它实施例涉及一种用于制备咖啡饮料的机器，包括一注入单元，所述注入单元设置有一注入室、一直流电机，所述直流电机连接到所述注入单元以及一控制电路，其中所述控制电路包括：
一电源供应电路，其将所述直流电机连接到一电力供应网，所述电力供应网配置成用以供应一交流电源电压；
一装置，用于检测所述电力供应网的所述交流电源电压的过零瞬间；
一开关装置，连接在所述电力供应网与所述直流电机之间，所述开关装置选择性地被激活以允许或阻止所述电力供应网与所述直流电机之间通过一电流；以及
一控制及命令单元，配置成用以选择性地激活所述开关装置以对所述直流电机供电，通过所述交流电源电压的正半波使所述直流电机依一方向旋转，并且通过负半波使所述直流电机依一相反方向旋转。
根据本发明的一方面，所述控制及命令单元配置成用以接收所述交流电源电压的所述过零瞬间的一检测信号并且为所述开关装置供应一激活命令信号，所述激活命令信号具有相对于检测到的所述过零瞬间一延迟时间，使得当施加到所述直流电机的电流的值接近于零时，所述开关装置进入导通状态。
根据一些实施例，所述机器包括一存储单元，在所述存储单元中映射了所述注入单元遵循的轨迹，所述轨迹是从一初始位置开始至少在关闭所述注入室的一上升步骤期间、一注入步骤期间以及在打开所述注入室并且排出用完的粉末的一后续步骤并且回到所述初始位置期间，以及对于每一个位置/轨迹，存在有一确定旋转方向及所述直流电机所需的一确定转速或扭矩。
本文描述的其它实施例涉及一种移动制备咖啡饮料的一机器的可移动的一注入单元的方法，所述机器设置有一注入室，所述移动制备咖啡饮料的所述机器的可移动的所述注入单元的方法根据一预定轨迹从至少一初始位置到至少一用于关闭所述注入室的位置及至少一用于排出用完咖啡粉末的位置，所述注入单元包括一直流电机，所述直流电机由一交流电源电压供电。所述方法检测所述交流电源电压的过零瞬间及选择性地激活一开关装置以对所述直流电机供电，通过所述交流电源电压的正半波使所述直流电机依一方向旋转，所述方向在所述初始位置与所述至少一用于关闭所述注入室的位置之间，并且通过负半波使所述直流电机依一相反方向旋转，所述相反方向从所述至少一用于关闭所述注入室的位置至少朝向所述至少一用于排出用完咖啡粉末的位置。
根据本发明的一方面，所述方法相对于所述交流电源电压的所述过零瞬间以一确定延迟时间来激活所述开关装置，使得在对所述直流电机供电的电流的值接近于零的时刻，所述开关装置进入导通状态。
附图说明
本发明的这些和其他方面、特征和优点将从下面参考附图作为非限制性示例给出的一些实施例的描述中变得明显，其中：
图1是根据一些实施例的一电机的控制电路及电源电压与控制信号的一示意框图；
图2a及图2b分别示出了交流电源电压与指示过零的相应信号；
图2c至图2d示出了电源电压及一开关的控制信号随时间变化的趋势，这些信号供应给一电机以使其依一逆时针旋转方向来旋转；
图2e是图2c及图2d的电源电压与控制信号的电机的一逆时针旋转方向的一表示；
图2f至图2g示出了电源电压与一开关的控制信号随时间变化的趋势，这些信号供应给给一电机以使其一顺时针旋转方向来旋转；
图2h是图2f及图2g的电源电压与控制信号的电机的一顺时针旋转方向的一表示；
图3是图1的控制电路的细节的一表示；
图4a、图4b、图4c、图4d是根据现有技术的一电机的电源电压与电流以及控制信号的一详细表示；
图5a、图5b、图5c、图5d是根据本文描述的一些实施例的电源电压与电流以及控制信号的一详细表示；
图6是用于制备咖啡饮料的一机器的一示意图，所述机器包括图1的控制电路，所述控制电路应用于一可移动注入单元的电机。
为了便于理解，在可能的情况下使用了相同的附图标记来标识附图中相同的公共元件。应当理解，一个实施例的元件和特征可以方便地组合或合并到其他实施例中而无需进一步说明。
具体实施方式
我们现在将通过非限制性说明的方式详细参考本发明的可能实施例，其中一个或多个示例在附图中示出。本文使用的措辞和术语也是为了提供非限制性示例的目的。
参考所附的图1及图3，描述了用于一直流电机50的一控制电路10，其允许克服现有技术的限制并且消除其中存在的缺陷。
所述直流电机50及所述控制电路10可以有利地用于制备咖啡饮料的一机器70中，并且优选地应用于所述机器的一注入单元71，所述注入单元71设置有一活赛72，所述活赛72限定了一注入室73，并且所述注入单元71可以在至少一第一位置、一第二位置与一第三位置之间移动，其中所述第一位置用于将咖啡粉装载到所述注入室73，所述第二位置用于注入所述咖啡粉，所述第三位置用于排出用完的粉末。
所述直流电机50连接到一电力供应网60，所述电力供应网60适于提供一交流电源电压Vin，并且所述控制电路10配置成用以选择性地向所述直流电机50供应所述交流电源电压的正半波Vin1或负半波Vin2，以便于在第一方向或与所述第一方向相反的一第二方向上确定所述电机50的后续旋转。
例如，可以规定，当对所述直流电机50供应正半波时，所述直流电机50逆时针地旋转(图2c至图2e)，而如果对所述直流电机50供应负半波时，所述直流电机50会顺时针地旋转(图2f至图2h)。
根据一些实施例，所述直流电机50可以是一永磁电机。
根据一些实施例，所述直流电机50可以连接到一移动元件或移动部件(例如图6中所示的所述注入单元71的一活塞72)，以便于适当地旋转或移动它。所述移动部件可以直接连接到所述直流电机50的一轴，以便于在此处整体旋转，或者所述移动部件可以通过齿轮齿条系统或类似的方式来连接到所述直流电机50，以便于在一确定方向上向前或向后传送。
根据本发明的一方面，所述控制电路10包括一开关装置11，连接在所述电力供应网60与所述直流电机50之间，所述开关装置11选择性地被激活以允许或阻止所述电力供应网60与所述直流电机50之间通过一电流。
所述开关装置11可以包括一个或多个晶闸管，例如SCR、TRIAC、双向开关二极管、硅控制开关等，以控制直流电机。
作为一个优先的示例，所述开关装置11是一单个TRIAC。作为另一个示例，所述开关装置11可以包括反并联彼此连接的两个SCR。
在一电源供应电路14中，所述开关装置11可以与所述直流电机50串联连接，并且理想情况下，当关闭时，形成一开路，并且当打开时，形成一断路。
所述控制电路10包括一检测装置12，所述检测装置12配置成用以，当所述交流电源电压过零并且改变信号时，在所述交流电源电压Vin假定为零的瞬间(过零)，检测及供应相关的一电检测信号Sz。
根据一些实施例，所述控制电路10包括一控制及命令单元13选择性地命令激活所述开关装置11。
根据一些实施例，所述控制及命令单元13能够与所述检测装置12相互交流，以便于接收所述检测信号Sz。这样一来，所述控制及命令单元13可以与所述电源电压Vin同步。
所述检测装置12还可以与所述控制及命令单元13通信所述交流电源电压Vin的所述半波(正半波Vin1或负半波Vin2)的信号。
根据一些实施例，所述检测装置12可以配置成用以供应一脉冲或方波检测信号Sz，所述脉冲或方波检测信号Sz例如具有一上升边缘及一下降边缘，所述上升边缘与所述交流电源电压Vin从负值到正值的换向瞬间相对应，所述下降边缘与从正值到负值的换向相对应。
根据一些实施例，所述检测装置12可以是一模拟或数字比较器、一零检测器或类似的。
根据一些实施例，所述控制电路还可以包括一模拟数字转换器(没有在附图示出)，用于将对应于所述交流电源电压Vin的模拟信号适配为输入到所述比较器或所述控制及命令单元13的数字信号。
所述控制及命令单元13可以是一微控制器、一微处理器、一模拟和/或数字控制电路、一专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)或类似的。优选地，所述控制装置是一微控制器。
根据本发明，所述控制及命令单元13配置成用以在从所述过零瞬间开始的一延迟时间之后命令激活所述开关装置11，使得当施加到所述直流电机50的所述电流为零或接近零的任何状况时，所述开关装置11进入导通状态。
所述开关装置11可以配置成在施加由所述控制及命令单元13提供的一命令信号ST1以所述交流电源电压Vin(图2a)的所述正半波Vin1(图2c)对所述直流电机50供电之后进入导通状态，或者施加一命令信号ST2(图2g)以所述负半波Vin2(图2f)对所述直流电机50供电之后进入导通状态。图2c及图2f强调了实际传输到所述直流电机的电压Vin1'及Vin2'的趋势，所述趋势对应于在激活所述开关装置11的时刻与对应的正半波Vin1(或负半波Vin2)的结束之间的所述电压值。
根据一些实施例，所述命令信号ST1及ST2可以通过相对于各自正半波或负半波的过零的各自时间Td1、Td2来延迟，所述时间可以彼此相同或不同。例如，如果在这两种状况下，由于装置或其它不对称发生的电流尖峰是不同的，各自命令信号ST1及ST2可以通过不同时间Td1、Td2来延迟。
所述延迟时间Td1及Td2也可以不同，根据旋转方向或与所述直流电机50相关的所述移动部件遵循的轨迹。
根据一些实施例，所述控制及命令单元13可以以一方式激活所述开关装置11，所述方式依在所述直流电机上的电流Im从负值到正值或从正值到负值的换向瞬间时所述开关装置11进入导通状态。
所述控制电路10可以包括一命令元件15，所述命令元件15能够从所述控制及命令单元13接收一命令信号，并且因此激活所述开关装置11。
例如，如果所述开关装置11是一TRIAC，所述控制及命令单元13可以通过所述命令元件15将一命令控制信号Ig供应给所述TRIAC的栅极。
因此，在激活之后，所述TRIAC在相应电流半波的剩余持续时间内保持导通状态，并且随后停用。
所述控制及命令单元13还可以在所述开关装置11的打开时间结束时，验证是否需要以相同方向进一步命令旋转所述直流电机50。如是这种情况，当在相应的所述正半波Vin1或负半波Vin2检测到过零时，所述控制及命令单元13将会为所述开关装置11供应一激活命令，所述激活命令具有期望延迟时间的。
所述控制及命令单元13还可以验证是否停止所述直流电机50，进而中断供电及在一确定时间间隔内不向所述开关装置11发送任何激活命令。
所述控制及命令单元13还可以验证是否命令在所述相反方向旋转所述直流电机50，进而对应于相反信号Vin2或Vin1的所述半波来供应一激活命令给所述开关装置11。
根据一些实施例，所述控制电路10包括一旋转传感器19，所述旋转传感器19配置成用以检测所述直流电机50的转速，并且将检测到的所述数据传送给所述控制及命令单元13。
所述旋转传感器19可以是一差分或绝对编码器、一感应式速度传感器、一霍尔传感器等。
根据一些实施例，所述控制及命令单元13可以配置成用以确定所述延迟时间Td1、Td2，这被视为检测到的所述转速的一功能。
根据一些实施例，所述控制及命令单元13配置用以基于存储在一存储单元16的数据来确定将要给予所述直流电机50的旋转方向及用于激活所述开关装置11的所述延迟时间Td。
由于所述命令存在于所述存储单元16中，所述控制及命令单元13实际尚可以直接地命令所述开关装置11而不需要持续地验证所述移动部件的位置，特别是连接到所述直流电机50的所述注入单元71。
有利地，所述控制及命令单元13可以配置成用以基于存储在所述存储单元16中的数据并且基于由所述机器11的一用户界面74接收的一饮料制备命令来命令所述开关装置11。
根据一些实施例，存储在所述存储单元16中的所述数据可以包括与所述直流电机50的特性或与其应用相关的信息，并且可能根据欧姆电感负载对其进行建模，并且所述控制及命令单元13可以配置成用以基于所述相位差来计算所述延迟时间Td，所述相位差发生在所述电源电压及所述电源电流之间，所述电源电压及所述电源电流与所述直流电机50的类型和/或应用有关。
根据其他实施例，存储在所述存储单元16中的所述数据可以包括与所述直流电机50相关联的一元件的旋转方向或前进方向的信息，所述元件必须由后者旋转和/或移动，并且所述控制及命令单元13可以配置成用以在每一种情况下确定要供应给所述电机的所述半波的类型以及可能有延迟时间Td，作为所述信息的一功能。
根据一些实施例，所述控制及命令单元13配置成用以计算所述延迟时间Td作为与所述直流电机相关联的所述移动部件的位置或每一种情况所需的功能模式的一功能。
例如，在用于移动用于制备咖啡的一机器70的所述活塞72和/或所述注入单元71的一直流电机50的情况下，所述活塞遵循的轨迹可以映射到所述存储单元16中，所述轨迹可以是关闭所述注入室的一上升步骤期间、在所述注入期间以及打开所述注入室并且排出用完的粉末的一后续步骤并且回到所述初始位置期间，并且对于每一个位置/轨迹，提供有一确定旋转方向以及可能提供所需的一确定转速或扭矩。
在用于以顺时针或逆时针方向混合一液体或半液体产品的一直流电机50的情况下，与一旋转方向或另依方向相关联的时间间隔以及所需的一确定转速可以存储在所述存储单元16中。
所述控制及命令单元13可以包括一处理单元17，所述处理单元17能够，基于所述旋转传感器19检测到的所述数据及存储在所述存储单元16中的所述数据，来执行一计算算法以计算所述延迟时间Td。所述处理单元17可以集成在所述控制及命令13中。
所述存储单元16可以包括随机存取存储器(random access memories，RAM)或非易失性存储器，例如只读存储器(Read Only Memory，ROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、旋转介质存储器(硬盘)或类似中的一个或多个。
根据可能的变体，所述直流电机50的转速也可以通过分压技术来控制，例如通过可变电阻负载元件，例如与所述直流电机串联的一电位器。
例如，可以基于所存储的与所需的轨迹及扭矩相关的数据来命令所述可变电阻元件，或者根据使用所述直流电机50的应用来修改所述可变电阻元件。
本文参考图6描述的实施例也涉及移动制备咖啡饮料的一机器70，其包括一可移动的一注入单元71、一水箱74、一加热装置76、一供水装置75及一分配器78，所述注入单元71设置有一注入室73，咖啡粉末80注入到所述注入室73，所述供水装置75(例如一泵)用于将水从所述水箱74供应给所述注入单元71。所述机器70还可以包括一装置77，所述装置77用于供给咖啡豆和/或粉末，其可能与一研磨装置(未示出)相关联。
根据本发明的所述机器70可以包括连接到移动的所述注入单元71的一直流电机50和/或连接到限定了所述注入室73的一活塞72的一直流电机50、及根据本发明的一控制电路10，所述控制电路10配置成用以控制所述直流电机50。根据一些实施例，在这种特定情况下，所述控制及命令单元13可以对应于所述机器70本身的一控制单元，或者是与其连接的一独立单元。
根据一些实施例，所述机器70还包括一用户界面79，一用户可以通过所述用户界面79选择要制备的饮料和/或开始其制备，以及所述控制及命令单元13也可以从所述用户界面79接收的所述命令来控制所述直流电机50。
本文所描述的一些实施例还涉及一种用于控制一直流电机50的方法。
根据本发明的方法特别地可以用来控制用于制备咖啡饮料的一机器的所述注入单元71的移动。
根据本发明的所述控制方法通过一交流电源电压Vin的正半波Vin1对所述直流电机50供电，以在一个方向上旋转所述直流电机，并且通过负半波Vin2使所述直流电机50反方向旋转。
根据本发明，所述方法通过设有一开关装置11的一电源供应电路14将所述直流电机50连接到所述交流电源电压Vin，所述开关装置11可以选择性地激活以允许一电流从所述电力供应网60通过到所述直流电机50。
根据一些实施例，所述方法检测所述交流电源电压Vin的所述过零瞬间并且相对于检测到的所述过零瞬间以一确定延迟时间来选择性地激活所述开关装置11。
特别地，所述方法延迟激活所述开关装置11，使得换向只发生在当所述开关装置11可以供应给所述直流电机50或负载的所述电流接近于零时或是任何情况下发生在对应于所需旋转方向的半波中。
一旦接收到一命令信号ST1、ST2，所述开关装置11将会继续导通，直到当前半波结束，然后在相反方向的后续半周期保持停用。
根据一些实施例，所述方法还确定所述直流电机50必须在哪个方向上旋转(是顺时针还是逆时针)、检测与经确定的旋转方向相关的所述交流电源电压的过零以及在相对于经考虑的半波的开始的所述确定延迟时间Td1、Td2之后，发送激活所述开关装置11的命令。
根据可能的变体，所述方法可以监测所述交流电源电压Vin与供应给所述直流电机的电流Im之间的所述相移，并且还基于每一次状况下检测到的所述相移来改变所述延迟时间Td1、Td2。
根据一些实施例，所述方法检测所述直流电机50的转速并根据检测到的转速改变过零时瞬间并且发送与检测到的所述转速相关的所述命令信号St1、St2。
根据一些实施例，所述方法以与所述直流电机50的所述转速成正比地变化所述延迟时间，并且因此与所需的扭矩成反比地变化。
根据一些实施例，所述方法可以通过所述旋转传感器19来检测所述直流电机50的转速。
根据一些实施例，当所述直流电机50的速度为最小时，所述延迟时间Td1、Td2可以基本为零。在这种情况下，实际上，所述直流电机50表现得像一个基本电阻负载，并且所述交流电源电压Vin与所述电流Im之间的所述相移是最小的并且可以忽略不计。
随着所述直流电机的转速逐渐增加，根据本发明的方法将所述延迟时间Td1、Td2增加到一最大值，例如大约等于半周期的持续时间的一半。例如，图2d示出了值逐渐增加的所述延迟时间Td1，从值Td1'到值Td1”'，然后保持恒定在值Td1”'。
根据可能的解决方案，在230Vdc和50Hz频率的一电力供应网60的情况下，所述延迟时间Td1、Td2可以在0毫秒(ms)至5毫秒(ms)之间变化。
例如，当达到所述直流电机50的最大额定速度时，所述延迟时间可以呈现最大值，例如包括在每分钟6000至6500转(rpm)之间。
例如，当与所述直流电机50相关联的所述移动部件对应于行进位置的一终点时，即，所述直流电机50是静止的，所述方法可以对应于检测到的所述过零瞬间激活所述开关装置11，随着所述移动部件在一个方向上前进，逐渐增加所述延迟时间Td1、Td2，并且可能逐渐将其减小到行进位置的第二终点。当到达行进位置的第二终点时，所述延迟时间Td1、Td2可以回到接近于零。
根据一些实施例，所述延迟时间可以根据与所述直流电机50相关联的所述移动部件的移动模式不同地变化，特别是所述注入单元71(例如从底部到顶部，或从顶部到底部)。换句话说，可以规定，根据所述直流电机50的旋转方向，定义在延迟时间与所述电机50的速度之间产生的一直线的角度系数的不同值，即每分钟的转数(rpm)。
根据一些实施例，所述方法可以通过一计算算法来计算所述交流电源电压Vin的过零与所述开关装置11的激活之间的所述延迟时间Td。
所述方法可以规定上述的所述计算算法可以通过一控制及命令单元13或者通过一处理单元17来执行，例如基于存在于一存储单元16中的数据。
根据一些实施例，所述方确定旋转方向，并且因此需要考虑所半波及用于激活所述开关装置11的延迟时间，所述延迟时间是基于所述直流电机50的一数学模型和/或其功能模式，所述数学模型和/或功能模式与一轨迹或与其相关联的所述移动部件的一操作模式相关。
例如，在一直流电机50与用于制备咖啡的一自动机器70的一注入单元71相关联的情况下，可以对所述注入单元71所遵循的轨迹和/或所述可移动活塞72从非激活位置到注入位置及从注入位置到排出位置与非激活位置所遵循的轨迹进行建模，并且每一个轨迹可以与所述直流电机50的确定旋转方向相关联，例如上升时逆时针，下降时顺时针。
有利地，所述控制及命令单元13可以配置成用以基于存储在所述存储单元16中的数据并且基于由所述用户界面79接收的一饮料制备命令来命令所述开关装置11。
所述控制及命令单元13可以配置成用以基于所需的移动在相应的正半波或负半波期间选择性地激活所述开关装置11。
根据一些实施例，当启动所述直流电机50时，所述方法特别提供：
确定要传递给所述直流电机50的旋转方向；
检测所述交流电源电压Vin与正半波或负半波相关的过零，所述正半波或负半波与经确定的感测相关；
根据检测到的过零瞬间向所述开关装置11发送命令信号ST1、ST2。
所述方法可以供应多个相同符号的半波以允许以期望的方向启动及旋转所述直流电机。
如图2d中的示例所示，对于每一个半波，所述方法可以确定电压/电流相移并且适当地改变所述延迟时间，直到在稳定状态下，所述延迟时间可以呈现一恒定值。
根据其他实施例，所述方法通过多个编码器或位置传感器20来检测所述移动部件(例如所述注入单元71)的位置及前进和/或旋转的方向，并且将所述激活命令供应给所述开关装置11，作为检测到的位置的功能。
所述方法可以监测与所述直流电机50相关联的所述移动部件(例如所述注入单元71)的位置，或者在一个方向上的旋转时间，并且暂停发送激活命令信号以停止所述直流电机50。
所述方法还可以在与所述直流电机50相关联的所述移动部件(例如所述注入单元71)到达行进位置的一终点或一确定位置之前向所述直流电机50供应一些符号相反的半波，藉此减慢所述直流电机的旋转并且允许更好及更精确的定位所述移动部件。
根据其他实施例，所述方法还可以当所述移动部件(例如所述注入单元71)到行进位置的一终点或一确定轨迹的一限定位置时，向所述直流电机50提供一些与先前提供的符号相反的半波，所述半波足以反转所述旋转方向，以便于恢复可能的机械间隙并且为了后续移动将所述直流电机50定向到正确方向。如此一来，可以提高由所述直流电机50所移动的元件的定位精度并且减少噪音及振动，因为可以通过所述旋转方向的反转来恢复所述机械间隙，然后围绕所述定位点进行微调。
根据其他实施例，所述方法可以改变所述直流电机50的旋转速度，藉此由所述控制及命令单元13命令进而通过调整一个或多个可变电阻或电位计来改变所述电机50的可用电源电压。
举例来说，参考图4a至4d及图5a至5d，这些示出了对于在所述电源的正半波Vin1上激活所述直流电机50的旋转，没有本发明的控制电路10(图4a至4d)与具有这种电路10(图5a至5d)的电机控制之间的比较。
图4a及图5a示出了从所述检测装置12输出的过零检测信号Sz随时间变化的趋势。
图4b及图5b示出了所述开关装置11的命令信号ST1随时间变化的趋势。在图4b中，所述命令信号ST1与所述过零同步，而在图5b中，如根据本发明的控制方法所提供，相对于所述过零，通过所述命令信号ST1被延迟所述延迟时间Td。
图4c及图5c示出了从所述开关装置11输出到所述直流电机50的电源电流Im随时间的变化趋势。可以看出，在所述开关装置11总是对应于所述电压的过零而被激活的情况下，所述电机Im上会发生电流尖峰(图4c)，同时很明显的，由于本发明的方法及电路10，供应给所述直流电机50的所述电流Im(图5c)根据其零值来换向。
图4d及图5d示出了所述电源电压Vin的正半波Vin1及施加到所述直流电机50的电压Vm随时间变化的趋势。可以观察到，根据本发明，施加到所述直流电机50的电压Vm(图5d)在电压正弦波的周期内基本保持恒定，这归功于将所述直流电机50设置为旋转的效果。
在图4d中，还可以观察到，在所述命令信号ST1换向瞬间允许施加所述电源电压Vin1，施加到所述直流电机50的所述电压Vm高于所述电源电压Vin1。所述电压差是在所述直流电机上产生负电流尖峰的原因。如图5d所示，采用根据本发明的控制方法和电路10，在ST1换向的瞬间，施加在所述直流电机50上的所述电压Vm与供电电压Vin1具有相似的值，因此不存在电流尖峰Im。
显然，在不脱离如权利要求所限定的本发明的领域和范围的情况下，可以对如上所述的用于直流电机的控制方法和电路10进行部件或步骤的修改和/或添加。
Claims (15)
1.一种控制一直流电机(50)的方法，特别是用于制备咖啡饮料的一机器(70)的一注入单元(71)的所述直流电机，所述直流电机由一交流电源电压(Vin)供电，所述方法检测所述交流电源电压(Vin)的过零瞬间及选择性地激活一开关装置(11)以对所述直流电机(50)供电，通过所述交流电源电压(Vin)的正半波(Vin1)使所述直流电机依一方向旋转，并且通过负半波(Vin2)使所述直流电机依一相反方向旋转，其特征在于，所述方法相对于所述交流电源电压(Vin)的所述过零瞬间以一确定延迟时间(Td1、Td2)来激活所述开关装置(11)，使得在对所述直流电机(50)供电的电流(Im)的值接近于零的时刻，所述开关装置(11)进入导通状态。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法确定存在于所述交流电源电压(Vin)与供应给所述直流电机(50)的所述电流(Im)之间的相位延迟，并且通过与经确定的所述相位延迟相关的一延迟时间(Td1、Td2)来延迟激活所述开关装置(11)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述方法检测所述直流电机(50)的转速，并且改变与检测到的所述转速相关联的所述延迟时间(Td1、Td2)。
4.如前述权利要求中任一项所述方法，其特征在于：所述方法确定旋转方向，并且因此需要考虑的所述半波及用于激活所述开关装置(11)的所述延迟时间，所述延迟时间基于所述直流电机(50)的一数学模型和/或其功能模式，所述功能模式与一轨迹或与一移动构件的一操作模式相关，所述移动部件与所述直流电机(50)相关联。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法通过多个编码器或位置感测器(20)来检测所述移动部件的前进方向和/或旋转，并且在每一种状况下，供应激活命令给所述开关装置(11)，所述激活命令具有的一相应的延迟时间(Td1、Td2)，作为检测到的位置的一功能。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：当到达所述移动部件的一确定轨迹的行进位置的一终点时，给所述直流电机(50)提供与先前提供的信号相反信号的半波，以便于恢复可能的机械间隙并且为了后续移动将所述直流电机定向到正确方向。
7.一种用于一直流电机(50)的控制电路(10)，特别是用于制备咖啡饮料的一机器(70)的一注入单元(71)的所述直流电机，所述控制电路(10)包括：
一电源供应电路(14)，其将所述直流电机(50)连接到一电力供应网(60)，所述电力供应网配置成用以供应一交流电源电压(Vin)；
一装置(12)，用于检测所述电力供应网的所述交流电源电压(Vin)的过零瞬间；
一开关装置(11)，连接在所述电力供应网(60)与所述直流电机(50)之间，所述开关装置选择性地被激活以允许或阻止所述电力供应网(60)与所述直流电机(50)之间通过一电流；以及
一控制及命令单元(13)，配置成用以选择性地激活所述开关装置(11)以对所述直流电机(50)供电，通过所述交流电源电压(Vin)的正半波(Vin1)使所述直流电机依一方向旋转，并且通过负半波(Vin2)使所述直流电机依一相反方向旋转，其特征在于，所述控制及命令单元(13)配置成用以接收所述交流电源电压(Vin)的所述过零瞬间的一检测信号(Sz)并且为所述开关装置(11)供应一激活命令信号(ST1、ST2)，所述激活命令信号具有相对于检测到的所述过零瞬间的一延迟时间(Td1、Td2)，使得当施加到所述直流电机(50)的电流(Im)的值接近于零时，所述开关装置(11)进入导通状态。
8.如权利要求7所述的控制电路(10)，其特征在于：所述开关装置(11)是一单个交流三极管。
9.如权利要求7或8所述的的控制电路(10)，其特征在于：所述控制电路)包括一旋转传感器(19)，配置成用以检测所述直流电机(50)的转速，并且所述控制及命令单元(13)配置成用以确定所述延迟时间(Td1、Td2)，作为检测到的所述转速的一功能。
10.如权利要求7至9中任一项所述的控制电路(10)，其特征在于：所述控制电路包括位置传感器(20)配置成用以检测一移动部件的位置，所述移动部件与所述直流电机(50)相关联，并且所述移动部件由所述直流电机移动，并且所述控制及命令单元(13)配置成用以基于检测到的位置与存储在一存储单元(16)中的数据，通过一计算算法来计算将要使用的所述延迟时间(Td1、Td2)，所述数据包括与所述移动部件的旋转方向或前进方向或所述直流电机(50)的一确定操作模式相关的信息。
11.一种用于制备咖啡饮料的一机器(70)，其包括一注入单元(71)，所述注入单元设置有一注入室(73)、一直流电机(50)以及一控制电路(10)，所述直流电机(50)连接到所述注入单元(71)，其中所述控制电路(10)包括：
一电源供应电路(14)，其将所述直流电机(50)连接到一电力供应网(60)，所述电力供应网配置成用以供应一交流电源电压(Vin)；
一检测装置(12)，用于检测所述电力供应网的所述交流电源电压(Vin)的过零瞬间；
一开关装置(11)，连接在所述电力供应网(60)与所述直流电机(50)之间，所述开关装置选择性地被激活以允许或阻止所述电力供应网(60)与所述直流电机(50)之间通过一电流；以及
一控制及命令单元(13)，配置成用以选择性地激活所述开关装置(11)以对所述直流电机(50)供电，通过所述交流电源电压(Vin)的正半波(Vin1)使所述直流电机依一方向旋转，并且通过负半波(Vin2)使所述直流电机依一相反方向旋转，其特征在于，所述控制及命令单元(13)配置成用以接收所述交流电源电压(Vin)的所述过零瞬间的一检测信号(Sz)并且为所述开关装置(11)供应一激活命令信号(ST1、ST2)，所述激活命令信号具有相对于检测到的所述过零瞬间的一延迟时间(Td1、Td2)，使得当施加到所述直流电机(50)的电流(Im)的值接近于零时，所述开关装置(11)进入导通状态。
12.如权利要求11所述的机器(70)，其特征在于：所述机器(70)包括一存储单元(16)，在所述存储单元中映射了所述注入单元(71)遵循的轨迹，所述轨迹是从一初始位置开始至少在关闭所述注入室(73)的一上升步骤期间、一注入步骤期间以及在打开所述注入室(73)并且排出用完的粉末的一后续步骤并且回到所述初始位置期间，以及对于每一个位置/轨迹，存在有一确定旋转方向及所述直流电机(50)所需的一确定转速或扭矩。
13.一种移动制备咖啡饮料的一机器(70)的可移动的一注入单元(71)的方法，所述机器设置有一注入室(73)，所述方法根据一预定轨迹从至少一初始位置到至少一用于关闭所述注入室(73)的位置及至少一用于排出用完咖啡粉末(80)的位置，所述注入单元(71)包括一直流电机，所述直流电机由一交流电源电压(Vin)供电，所述方法检测所述交流电源电压(Vin)的过零瞬间及选择性地激活一开关装置(11)以对所述直流电机(50)供电，通过所述交流电源电压(Vin)的正半波(Vin1)使所述直流电机依一方向旋转，所述方向在所述初始位置与所述至少一用于关闭所述注入室的位置之间，并且通过负半波(Vin2)使所述直流电机依一相反方向旋转，所述相反方向从所述至少一用于关闭所述注入室的位置至少朝向所述至少一用于排出用完咖啡粉末的位置，其特征在于，所述方法相对于所述交流电源电压(Vin)的所述过零瞬间以一确定延迟时间(Td1、Td2)来激活所述开关装置(11)，使得在对所述直流电机(50)供电的电流(Im)的值接近于零的时刻，所述开关装置(11)进入导通状态。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法确定旋转方向，并且因此需要考虑的所述半波及用于激活所述开关装置(11)的所述延迟时间，所述延迟时间基于所述直流电机(50)的一数学模型和/或其功能模式，所述功能模式与一轨迹或与所述注入单元(71)的一操作模式相关，所述轨迹映射在一存储单元(16)中，所述操作模式通过由一用户界面(79)所接收命令来确定。
15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：当行进位置的至少一终点到达所述初始位置、所述注入单元(71)的所述至少一用于关闭所述注入室的位置与所述至少一用于排出用完咖啡粉末的位置之间，给所述直流电机(50)提供与先前提供的信号相反信号的半波，以便于恢复可能的机械间隙并且为了后续移动将所述直流电机(50)定向到正确方向。
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