CN1288285A - 直线振动电动机的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种直线振动电动机的控制系统,直线振动电动机包括设有绕组的定子,和设有永久磁铁的振动器。绕组被注入驱动电流以产生与永久磁铁相互作用的磁场,使振动器相对于定于直线往复运动而产生振动。控制系统包括一个控制器,检测振动器的现行幅度,其中控制器提供关闭时间段,在关闭时间段中控制器指示不注入驱动电流且检测加在绕组两端的电压并根据检测到的电压确定现行幅度。

Description

直线振动电动机的控制系统

本发明涉及直线振动电动机的控制系统，特别是相对定子以均匀振幅直线驱动振动器的系统。

美国专利No.5632087公布了由带绕组的定子和带永久磁铁的振动器构成的直线振动电动机。驱动电流注入绕组与永久磁铁相互作用产生磁场使振动器相对于定子直线往复运动。相对于嵌在振动器中的永久磁铁附设线圈传感器，以产生表示振动器速度的电压，即，运动中的振动器现行幅度。基于现行幅度，进行控制来改变驱动电流以将振幅恒定保持在要求水平。但是，这种控制系统需要线圈传感器，导致成本升高并需要用于传感器的附加空间，使得难以用低价将振动电动机减小为紧凑结构。

另一个现有技术日本专利早期公开No.62-285655，此专利公开了由具有第一和第二绕组的振动器和具有永久磁铁的定子构成的、具有速度反馈控制的激励器。第一绕组用于单独接受驱动振动器的驱动电流，而第二绕组可选择地用于接受驱动电流以及检测表示振动器速度的电压以便根据该电压反馈控制激励器。通过开关进行功能选择，使第二绕组被切换作为传感器时，不用于驱动振动器，反之亦然。因此，激励器至少需要两个绕组，而这仍然阻碍缩小结构。

另外，日本专利早期公开No.49-77116公开了由带可动线圈的振动器和带永久磁铁的定子构成的音圈型直线电动机。可动线圈接受驱动电流由此被驱动振动并产生包括表示可动线圈速度的分量的电压。提供可动线圈的等效电路以产生对应于静态中的可动线圈电压的输出。将该输出与运动中的可动线圈电压相比较，以取得表示可动线圈速度的分量。在此现有技术中，等效电路给结构上增加了额外体积，导致难以达到直线电动机的紧凑设计。

鉴于上述问题，本发明已经实现提供一种直线振动电动机的控制系统，该系统能够取消检测电动机移动的独立传感器，从而减少元件数并降低制造成本及减小直线振动电动机的总体积。直线振动电动机包括设有一个永久磁铁和绕组的定子，以及设有另一个永久磁铁和绕组的振动器。向绕组注入驱动电流，产生与永久磁铁相互作用的磁场，使振动器线性地相对于定子作往复运动而产生振动。根据本发明的控制系统包括检测现行幅度即由振动器的位移、速度、或加速度表示的运动的控制器，并提供根据检测到的现行幅度以变化量向绕组注入驱动电流以保持振动器振动振幅恒定的接通(ON)时间段。控制器的特征在于提供一个关闭(OFF)时间段，其中控制器指示不注入驱动电流及检测加在绕组两端的电压并根据检测到的电压确定现行幅度。因此，绕组可很好地共同用于驱动电动机和检测振动器的现行幅度或运动，由此消除了用于检测振动器运动的附加传感器。

振动器以大体上固定的频率振动。由于知道频率，控制器提供第一关闭时间段，其被设为持续预定时间段，在此预定时期内要求振动器达到最大位移。然后，控制器确定在绕组两端的电压为零表示振动器达到最大位移时的第一关闭时间段内的基准时间。根据基准时间，控制器确定在距基准时间第一预定时间间隔之后的随后的接通时间段，并确定距基准时间第二时间间隔之后的随后的关闭时间段。因此，在关闭时间段中，每次电压为零时，基准时间可被更新，能够精确地提供用于持续控制直线电动机的随后的接通时间段以及关闭时间段。

优选地，在距基准时间预定时间后，控制器在检测时刻读出绕组两端电压，以便由电压确定振动器的现行幅度(ongoing amplitude)。

或者，控制器可设计成能获得关闭时间段内的时间差，该时间差是电压达到第一参考电压的第一时刻与电压达到与第一参考电压不同的第二参考电压的第二时刻之间的时间差。然后，控制器根据如此获得的时间差确定振动器的现行幅度。在此情况中，第一参考电压设置为零，这样控制器可以将第一时刻确定为基准时间。

另外，控制器可设计成能获得在距基准时间第一预定时间检测到的绕组第一电压与距基准时间第二预定时间检测到的绕组第二电压之间的电压差。第一和第二预定时间在关闭时间段内并互相不同。然后，控制器由如此获得的电压差确定振动器现行幅度。

关闭时间段可在每个振动周期内确定或交替地确定以便在多于一个振动周期内只出现一次。

驱动电流为脉冲宽度调制(PWM)信号形式，此信号具有对应于接通时间段的可变宽度。接通时间段被限制为具有最大宽度以提供一个振动周期内的关闭时间段。

优选地，控制器用来在可变宽度的第一部分接通时间段期间以脉冲宽度调制(PWM)信号形式部分地注入驱动电流，而其他部分在固定宽度的第二部分接通时间段以固定宽度信号形式注入。第一接通时间段出现在具体振动周期的半周，而第二接通时间段出现在同一周期的另半周，这样关闭时间段与另半周内的第二接通时间段一起出现。因此，振动器可以接受分别在半周产生并在相及移动方向起作用的驱动力，由此，有效地产生受控振动。

控制器优选包括低振幅补偿器，它监视振动现行幅度并当现行幅度小于最小参考振幅时发出限制信号。响应于限制信号，控制器停止提供关闭时间段且同时延长接通时间段在随后所述振动的预定周期的时间内最大程度地注入驱动电流。因此，振荡器可以迅速恢复以希望的振幅振动。

结合附图，通过下面详细说明优选实施例，本发明的这些和其他目的及优点将更明显。

图1是根据本发明的优选实施例的直线振动电动机控制系统的示意图；

图2是显示控制系统操作的波形图；

图3是显示控制系统操作的流程图；

图4是上述系统中所使用的振幅检测器的示意图；

图5和6是显示提供可被用于上述控制系统的关闭时间段的修改方式的波形图；

图7显示上述控制系统的修改的操作的波形图。

现在参见图1，其中显示了根据本发明优选实施例的直线振动电动机的控制系统。直线振动电动机包括带单绕组11的定子10和内嵌一组永久磁铁21和22的振动器20。定子10固定在构架30上，振动器20利用弹簧31和32耦合到构架30。绕组11由控制器40励磁，以产生与永久磁铁21和22相互作用的磁场，形成相对于定子10在构架30的相对端之间直线振动振动器20的驱动力。弹簧31和32与电动机的磁顺从性配合，产生具有固有频率的振荡系统，使振动器20以大体上固定的频率振动。

控制器40包括输出控制器50，输出控制器50被连接到以脉冲宽度调制(PWM)信号形式向绕组11提供驱动电流，以产生移动振动器20的驱动力。即，输出控制器50提供改变宽度的接通时间段，在此期间，驱动电流注入到绕组。执行反馈控制，根据检测到的行进运动改变振动器20的接通时间段，以便以预定振幅驱动振动器20。为此，控制器40包括振幅检测器60，该检测器连接到绕组11以监视出现在绕组11两端的电压，作为表示振动器20行进运动的参数。电压监视在无驱动电流注入绕组11的关闭时间段内进行。否则，即，如果监视在驱动电流注入绕组11的接通时间段内进行，则监视到的电压将包含由驱动电流引起的分量，因此不能表示振动器20的行进运动。并且控制器40中还包括关闭时间段分配器70，该分配器向输出控制器50发出确定开始和结束关闭时间段的分配信号，这样输出控制器50给出不向绕组11注入驱动电流的关闭时间段。分配器70根据基准时间确定关闭时间段的开始和结束，此时，振动器20达到最大位移或移动到振动的一个冲程端。众所周知，当振动器20在关闭时间段期间达到最大位移时，绕组11两端电压变为零。据此，分配器70监视绕组11两端电压，以确认电压变为零时的基准时间。另外，控制器40包括起动控制器80和低振幅补偿器90。为成功起动振动，起动控制器80确定在几个振动周期注入驱动电流而不提供关闭时间段的起动顺序。提供补偿器90处理现行幅度的意外降低及快速恢复所要求振幅的振动，方法如下：检测到现行幅度降低后，在随后的几个振动周期中，注入驱动电流至最大范围而不提供关闭时间段。

接通时间段和关闭时间段以图2所示的方式确定，它包括振动器位移曲线D，驱动电流Id，施加在绕组两端的电压V，用于最大位移检测的位移信号X，以及用于振动器20速度检测的速度信号S。如图2所示，设置接通时间段Ton1和Ton2分别在振动的相邻半周出现，这样驱动电流在每半周注入以在每个方向推动振动器。不管何时需要关闭时间段Toff时，它被设置成仅在接通时间段Ton2后的一半周中出现，以这种方式，使振动器在此关闭时间段Toff期间达到最大位移。现在参考图2和图3的流程图说明控制系统的操作。一旦对电动机励磁，执行起动控制80操作的起动顺序，在振动的每个半周内确定接通时间段的最大宽度并激活起动计数器，这样起动顺序持续经过起始的几个振动周期。在操作中，如果计数器给出的计时少于确定起始周期的预定计时，则判断起动顺序继续，控制执行将起动方式设为打开，随后输出控制器50确定接通时间段的开始和结束时刻并在接通时间段期间提供驱动电流以驱动振动器20。在起动顺序期间，关闭时间段分配器70被置于非激活状态以便不提供关闭时间段。当计数器给出预定计时或预定计时以上时，判断起动顺序将结束，控制执行将起动方式设为关闭，并重复注入驱动电流的一个顺序。此后，即在起动方式设置为关闭后，关闭时间段分配器70工作以提供第一关闭时间段，在此时间段内，希望振动器达到如图2所示的最大位移。即指示关闭时间段开始t5和结束t6的分配信号是从分配器70注入到输出控制器50。此时，输出控制器50确定适当宽度的接通时间段并由此为注入驱动电流而提供接通时间段，以及为现行幅度的检测而提供关闭时间段。即，输出控制器50确定分别在时间t1和t2以及时间t3和时间t4开始和结束的接通时间段Ton1和Ton2。根据这些设置，输出控制器50注入驱动电流以驱动振动器，同时留下关闭时间段Toff(t5至t6)，此后，控制执行正常的反馈控制方式。

在反馈控制模式下，关闭时间段分配器70工作以在关闭时间段内获得基准时间T0，此时绕组两端电压变为零指示振动器20达到最大位移。以如此获得的基准时间T0作为基础，将下一个接通时间段以及下一个关闭时间段设置在时间轴上。同时，在关闭时间段内，振幅检测器60工作以便检测在绕组两端电压为零V0时的时刻T0和电压为低于V0的V1时的时刻T1之间的时间差Ts(=T0-T1)。时间差Ts指示在振动的具体时间或相位移动振动器20的加速度，并被处理来获得振动器20的希望的现行幅度。由于振动器以固定频率沿正弦曲线振荡，现行幅度可以由加速度明确确定。因此，在具体时间或相位的加速度能导出具有特定振幅的特定正弦曲线。同样地，指示在具体时间振动器速度的电压能明确导出行进幅值。所以，振幅检测器能够监视具体时间的电压以获得现行幅度。

图4显示了用于检测上述时间差Ts(=T0-T1)的振幅检测器60的细节。检测器60包括放大器61，一对比较器62和63，以及振幅计算器64。放大器61放大绕组11两端的电压，将产生的放大电压提供给比较器62和63。第一比较器62比较放大电压与对应于V0的第一参考电压，提供当前者电压超过后者电压时变高的位移信号X，如图2所示。第二比较器63比较放大电压与对应于V1的第二参考电压，提供当前者电压超过后者电压时变高的速度信号S，如图2所示。将信号X和S注入振幅计算器64，在此进行信号处理，获得时间差Ts并如上所述根据时间差计算现行幅度。如此算出的现行幅度反馈到输出控制器50，输出控制器50导通和关断驱动器55的晶体管51至54，以便在可变化的接通时间段期间注入驱动电流。

回到图3，如果现行幅度在反馈方式期间不低于最小参考电平，输出控制器50确定下一个接通时间段的宽度以补偿检测到的现行幅度，从而保持振动振幅恒定。然后，关闭时间段分配器70根据基准时间T0设置下一个关闭时间段的开始和结束时刻t5和t6。随后，输出控制器50考虑所确定的接通时间段宽度和下一个关闭时间段的开始和结束时刻而设置下一个接通时间段的开始和结束时刻t1,t2,t3和t4。此后，输出控制器50工作，在接通时间段期间注入驱动电流以驱动振动器20。在该实施例中，在振动的每个随后周期中，设置关闭时间段，以确定基准时间T0并监视行进电压，以便根据监视到的现行幅度继续电动机的反馈控制，除非现行幅度变成低于最小参考电平。

提供了低振幅补偿器90，以监视现行幅度并当监视到的现行幅度低于最小参考电平时发出限制信号。响应于该限制信号，将恢复方式置于打开，指示输出控制器50不提供关闭时间段而提供最大宽度的接通时间段以充分注入驱动电流，以便快速恢复所要求振幅的振动。因此，输出控制器50确定延长接通时间段的开始和结束并在紧随的一个振动周期注入驱动电流。由于低现行幅度，一旦恢复方式设置在打开状态，控制顺序分支到恢复过程，直至重复了几个振动周期后恢复方式被设置在关状态。恢复过程从确定最大接通时间段开始，随后激活恢复计数器。在恢复计数器达到预定计数之前，输出控制器50在延长的接通时间段期间注入驱动电流以便用最大推力驱动振动器。当恢复计数器达到预定计数时，恢复方式被设置在关状态，这样输出控制器50通过为接通时间段和关闭时间段分别设置开始和结束时刻而提供接通时间段和关闭时间段并注入驱动电流。此后，控制顺序回到反馈控制方式。

在此实施例中，在每个振动周期中设置两个接通时间段，以这种方式，使得在一半周出现的第一接通时间段具有固定宽度，而在另半周出现的第二接通时间段具有取决于反馈控制的可变宽度。因此，仅在振动的半周期间需要PWM控制，由此简化用于将驱动电流注入绕组的控制驱动器55的切换晶体管的结构。

由此注意到，第二接通时间段Ton2具有限定的宽度以便在同一半周中提供关闭时间段，其中驱动电流及残余电流不能流动。同时，关闭时间段设置成在振动达到最大位移时刻后迅速结束，这样接通时间段在该时刻后立即开始，以提高电动机的驱动效率。

虽然在上述实施例中，关闭时间段设置在振动的半周中，在此振动器在某一特定方向移动，但也可以将关闭时间段Toff设置成在振动的某一半周及另一半周中交替出现，如图5所示，这样可检测现行幅度同时振动器一次在某一方向移动而下一次在相反方向移动。另外，如图6所示，可将关闭时间段Toff设置成在几个振动周期内出现一次。在此条件下，改变接通时间段的反馈控制可在几个变化周期内逐步进行。

如作为上述实施例的修正的图7所示，振幅检测器60可得到适当的配置，以根据施加在绕组11两端、在时间T3检测到的第一电压V3与时间T4检测到的第二电压V4之间的电压差Vs(=V3-V4)来确定现行幅度。T3和T4被设置在关闭时间段内，并从基准时间T0起测量。如此获得的电压差Vs指示特定时间振动器的加速度并给出现行幅度以实现反馈控制。

Claims (11)

1、用于直线振动电动机的控制系统，

所述直线振动电动机包括：

设有一个永久磁铁和一个绕组中的一个的定子；

设有所述永久磁铁和所述绕组中的另一个的振动器；且

所述绕组被注入驱动电流以产生与所述永久磁铁相互作用的磁场，使所述振动器相对于所述定子直线往复运动而产生振动；

所述控制系统包括：

一个控制器，它检测所述振动器的现行幅度，并根据检测到的现行幅度提供以变化量将所述驱动电流注入所述绕组的接通时间段，以使所述振动器的振动振幅保持；

其中所述控制器提供关闭时间段，在此关闭时间段中所述控制器指示不注入所述驱动电流其间，且所述控制器检测加在所述绕组两端的电压并根据所述电压确定所述现行幅度。

2、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

所述振动器以大体上固定的频率振动；

所述控制器提供第一关闭时间段，该第一关闭时间段被设置成持续预定时间，在此预定时间内要求所述振动器达到最大位移；

所述控制器在所述绕组两端的电压为零而表示振动器达到最大位移时确定所述第一关闭时间段内的一个基准时间；

所述控制器确定在距所述基准时间为第一预定时间间隔之后的一个随后的接通时间段，并确定距所述基准时间为第二时间间隔之后的一个随后的关闭时间段。

3、根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，

所述控制器在距所述基准时间为预定时间后的检测时刻，读出所述绕组两端的电压，以确定所述振动器的所述现行幅度。

4、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

所述控制器检测所述关闭时间段内在所述电压达到第一参考电压的第一时刻与所述电压达到与所述第一参考电压不同的第二参考电压的第二时刻之间的时间差，所述控制器根据所述时间差确定所述振动器的现行幅度。

5、根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，

所述第一参考电压为零，使所述控制器将所述第一时刻确定为所述基准时间。

6、根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，

所述控制器检测在距所述基准时间为第一预定时间所检测的所述绕组第一电压与距所述基准时间为第二预定时间所检测的所述绕组第二电压之间的电压差，所述第一和第二预定时间是在所述关闭时间段内且相互不同，且所述控制器根据所述电压差确定所述振动器的现行幅度。

7、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

在每一所述振动周期中确定所述关闭时间段。

8、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

所述关闭时间段被确定在一个以上所述振动周期中仅出现一次。

9、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

所述控制器用于在所述接通时间段期间以脉冲宽度调制(PWM)信号形式注入所述驱动电流，脉冲宽度调制(PWM)信号具有相应的可变宽度，且所述接通时间段被限制为具有最大宽度。

10、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

所述控制器用于在可变宽度的第一接通时间段期间以脉冲宽度调制(PWM)信号形式部分地注入所述驱动电流，而其它在固定宽度的第二接通时间段期间以固定宽度信号形式注入所述驱动电流，所述第一接通时间段出现在所述振动特定周期的半周，而所述第二接通时间段出现在所述特定周期的另半周，从而所述关闭时间段与所述另半周内的所述第二接通时间段一起出现。

11、根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，

所述控制器包括低振幅补偿器，它监视所述振动的现行幅度并在所述现行幅度小于最小参考振幅时发出限制信号，所述限制信号停止提供所述关闭时间段且同时延长接通时间段以便在随后所述振动的预定周期上最大程度地注入所述驱动电流。

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