CN1297064C - 一种用于两部以上直流电动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

对直流电动机、特别是对由直流电动机驱动的用于家具调整的致动器的控制装置，上述家具例如桌子、床、椅子等等，包括一部伪电动机，它能根据被送往电动机的电流和电压，提供与电动机速度相对应的电压。该伪电动机的电压被送往一个可调整的电源，在那里它跟一个内部参考电压进行比较，并调整电压的差值，使之降低到伪电动机的电压与内部参考电压之间的可能的最小差值。为了得到更高的精度，该控制装置附加地包括一个补偿电路，用以对在整流器噪声中的主导频率作出评估。这样一来，就提供了一种用于两个或多个致动器的并行运行的简单而廉价的控制装置。

Description

一种用于两部以上直流电动机的控制装置

本发明涉及对两部以上直流电动机、特别是对由直流电动机驱动的、用于家具调整的致动器的控制，上述家具例如桌子、床、椅子等等，其中，各电动机被连接到一个可调整的电源，并且其中，该种控制适于这样来调整送往各电动机的电源，使得各电动机相互保持相同的或基本上相同的速度，而与它们所带的不同负载无关。

使用线性致动器来进行床和桌子的调整，上述线性致动器属于这样的类型，其中包括由一个可逆直流电动机来驱动的主轴，上述主轴设置了一个主轴螺母，后者直接地或经由一根延伸杆被连接到待调整的部件。对于在其每一侧都由一条腿来承载的可调整高度的桌子来说，在每一条腿中都分别设置了一个线性致动器，以及对于床来说，在其每一端都设置了用于提升床垫框架的一个线性致动器。Haworth公司的美国专利第5 224 429号描述了这样一种可调整高度的桌子，Huntleigh技术公司的欧洲专利第488 552号则描述了一种可调整高度的床。

在现有技术中，用于运行各种线性致动器、以便获得均匀的行程的方法，基于对所走过的距离的直接或间接测量，以及对其进行比较。一种典型的方案就是在传输过程中，通过一个编码器或旋转电位计(例如在上述的美国专利所描述的那样)，对主轴或其他部件在传动中的旋转圈数进行计数。对圈数的比较形成了各种电动机的控制的基础。应当懂得，从开始达到两个致动器之间并行起算，到能够进行调整之前，要经过一定的时间跨度。由于这些控制基于计算机控制，所以它们都显得相对地昂贵和复杂。

本发明的目标就是提供一种简单的和廉价的控制装置，它可以被用于控制两个或多个致动器，以便获得均匀的行程。

为实现该目标，本发明提供一种用于两部以上直流电动机的控制装置，这种控制装置适于这样来调整送往各电动机的电源，使得各电动机相互保持相同的速度，而与它们所带的不同负载无关，其特征在于，这种控制装置包括用于对送往每一部电动机的电源进行调整的装置、连接到每一部电动机的伪电动机，所述伪电动机被这样构成，使之能根据被送往电动机的电流和电压而提供一个与该电动机的速度相对应的电压，其中，被送往所述电源调整装置的伪电动机的各电压与一个公共参考电压进行比较，并且，当一部电动机承受比其他各电动机的负载更大的负载时，该公共参考电压就会降低，使得送往其他各电动机的电源被降低，从而降低其他各电动机的速度，对应于承受更大负载的该部电动机的速度的降低。

在本文中，伪电动机是这样一种电路，它在电气上的表现像所涉及的直流电动机，并且基于电动机的各项电气特性被确定。

本发明实现了以下各点：控制可以基于一部伪电动机，它在被送往电动机的能量的基础上，提供与电动机速度相对应的电压，所述电压被用来进行电源的调整。

应当懂得，这种控制与上述各种控制之间的不同之处在于，在能够进行调整之前，致动器不需要行进一段距离，取而代之的是，在电动机中被转换的能量被用来作为基础，由此允许作出较快的调整。

人们认识到，在各种电动机的电气值之间存在着某些差异，这将导致在控制中的不精确性。本控制装置能避免这种情况的出现：它附加地包括一个基于来自各电动机的整流器噪声频率的补偿电路，其中，在补偿电路中对来自各电动机的各频率进行比较，并且在来自一部电动机的频率相对于其他电动机的频率发生偏离的情况下，对送往所述电动机或送往其他电动机的电源进行调整，使得二者的频率相符。这导致能够对各电动机进行十分精确的控制。

基于整流器噪声的频率来控制一部直流电动机这种方法已为人们所熟知，请参阅例如专利文献DE 33 05 770 A1第8页第11行等，但是本发明的独特方面在于，通过各伪电动机令各电动机并行地运行，而整流器频率则被用于控制的细调。由于事先设定来自各电动机的整流器频率是相同的或彼此之间非常接近，所以补偿电路可以作出快速响应。一种仅基于整流器频率的控制装置基本上响应太慢，同时也将是过于复杂和昂贵的。应当注意的是，线性致动器的速度典型地处于50mm/s的量级，即，这种控制必须响应得很快，以避免不均匀的行进。

在现有技术的解决方案中，速度依赖于致动装置的结构，而本发明则通过确定一个参考数值来调整速度，因为上述参考数值所施加的电压也就是电动机应当在其上运行的电压。这样一来，高的参考数值给出高速度，反之亦然。

可以在低成本和不使用计算机控制的条件下来实现本发明。应当懂得，这并不排除将本发明一般地用于控制两部以上电动机的可能性。

下面，将参照诸附图，对本发明进行更充分的说明。在诸附图中：

图1是一份方框图，表示根据本发明的控制装置的一个实施例，

图2是一份关于控制装置的说明性的方框图，用以进一步地理解本发明，

图3是一份方框图，表示具体的电动机。

现在参看图1中的方框图，本控制装置包括：

1：电源                       7：延时

2：参考                       8：带通滤波器

3：PI调节器                   9：A/D转换

4：PWM电源输出                10：相位控制

5：带有放大器的分流电阻R      11：低通滤波器

6：RL补偿

1：电源

电源包括变压器、桥式连接和整流电容器。它向系统提供必需的能量，因此是一个在致动器负载和速度方面限制系统性能的“功能块”。该电压是未经稳压的，所以在加上负载时，就会有一些纹波叠加于其上。

2：参考

参考“功能块”控制着整个系统，并且决定着致动器必须/可能运行多快。参考电路从两个致动器和电源接收信息，在该信息的基础上提供一个参考电压，以便使其他各电路保持在它们的调节范围内。

3：PI调节器

PI调节器对各个致动器的速度进行调节，使之尽可能地接近由参考功能块决定的电压(速度)。调节器包含：一个比例部分P，在负载急剧改变时，它使差值保持在很小的数值上；以及一个积分部分I，它使差值在一段延长的时间内趋于0。

4：PWM电源输出

PWM电源输出对送往致动器的电能进行调节。通过快速地将电源连接到致动器以及快速地将电源跟致动器脱离连接，就能完成这一步。连接时间与断开时间的比例就决定了电能的供应。

5：带有放大器的分流电阻R

电阻R将流过致动器的电流转换成电压。该电压在后继的放大器中被放大，使得输出电压对应于跨在电动机的内阻上的电压与跨在分流电阻上的电压两者之和。

6：RL补偿

RL补偿对含有线圈的电动机所引起的电流延迟进行补偿。电动机中的线圈使通过电动机的电流相对于电动机上的电压来说产生了延迟，这意味着在电动机的电压和速度之间总是存在一个时间延迟。

7：延时

要找出电动机的“内部电压”，就必须减去跨在电动机的内阻以及线圈之上的电位。这一步在一个减法电路中实现，但是为了使结果准确，准备互相进行减法运算的各信号必须同时到达。因此，在通往相减点的直接路径中，引进了一段延时，它对应于在通过电动机的路径中所存在的延时。

8：带通

带通滤波器从电动机中提取整流器噪声，并去除所有其他噪声。该滤波器的带宽适应于电动机正常运行时的速度范围(1800-4000r.p.m)。

9：A/D转换

为了比较两个信号，将他们转换成数字量可能更为有利。如果需要的话，还可以根据不同的逻辑规则对这些数字量进行处理。

10：相位控制

在这里，将两个信号进行比较，看是否匹配/一致，其结果是，这两个信号的相互关系的一个瞬时评估值将被输出。当各电动机以相同的速度运行时，这两个信号完全相同，相位移为90°，并给出平均值为0，不必进行调整。

11：低通

由于来自相位控制的信号提供了瞬时值，而且在比较两个信号时产生了倍频，因此就需要对信号进行平均。这由低通滤波器来完成。

下面参照在图2和3中的说明性的方框图，对本发明进行更详细的说明。在各图中的示意图和数值只是为了便于说明，而不是为了限制本发明。为了简化描述，在这里以欧姆电阻为出发点，同时对其他电现象(例如电感)来说，其说明也基本上相同。

此说明是基于一个在其每一边上都有一条可进行高度调节的腿的可调节高度的桌子，而对高度的调节是由直流电动机驱动的线性致动器来执行的。

如图2所示，各致动器的各直流电动机I、II以并联方式被连接到一个可调节的直流电源，其中R_internal表示直流电源或电动机的内阻。在通往两部电动机I、II的入口处，安装了伪电动机I、II。图中所表示的还有一个补偿电路，该电路具有来自两部电动机中的每一部的针对整流器噪声的信号输入。

例如，在桌面上升时，桌面的一端突然加载了一个附加的装置，所涉及的致动器(即电动机II)就会减速，而且会相应地出现一个更大的电流汲取，例如3A，这个电流在伪电动机II中被感知，从而使从电源送往该电动机的电压相应地逐步提升到30V。

图3举例说明了伪电动机的一个实施例及其运行模式。伪电动机是建立在一个分流电阻R_shunt和一个放大器的基础上的，放大器的增益由下面的公式决定：

$\frac{R_{\mathrm{internal}}+R_{\mathrm{shunt}}}{R_{\mathrm{shunt}}}$

其中，R_internal为直流电动机的内阻。

来自放大器的电压被添加到来自电源的电压上。当来自电动机的电流增加(例如从1A增加到3A)时，送往电动机的电压也相应地从26.04V增加到30.12V。

如果由于存在制造公差，使得各电动机不能运行于精确相同的速度，那么将通过补偿电路对电动机的速度进行调整，直至来自两部电动机的主整流器频率处于预定数值的范围内为止。在这方面，一部电动机被选为主装置，另一部则作为跟随前者的从动装置。

在具有Trendelenburg调节的医院病床中，例如通过驱动一个致动器，或者同时驱动两个致动器并使其沿着各自的方向运动，就能容易地实现Trendelenburg调节。在处于Trendelenburg位置时，若该病床准备升高或降低，则各致动器以并行方式被驱动，即，处于相同的方向，并且由此使得床垫框架以并行方式产生位移。通过使之运行到极限位置，或者通过对各致动器进行控制，该床垫框架就从一个Trendelenburg位置或者一个无意的倾斜位置被调到一个水平位置。Trendelenburg调节使床垫框架环绕一根垂直于床垫框架的轴发生倾斜，这是众所周知的，并且，例如在美国专利第4,425,673号中，就有这方面的描述，详见该专利的图7至10以及相关的文本。

本发明基于各种型号的电动机，并且没有用于对各致动器的当前位置进行评估的直接反馈。

从以上所述可知，本发明提供了一种对两个或多个致动器进行控制与调节的新方法，使得不管负载的差异如何，并且在不使用微处理器以及致动器中电动机以外的反馈的条件下，换句话说，在不使用簧式开关、霍尔元件或各种电位计的条件下，就能使这些致动器以并行方式运行。

因此，本发明提供了对两部以上直流电动机的简单和廉价的并行控制装置，它将能满足在家具行业(包括各种护理与医院设备在内)中以并行方式运行各致动器的绝大部分需求。

Claims (3)

1.一种用于两部以上直流电动机的控制装置，这种控制装置适于这样来调整送往各电动机的电源，使得各电动机相互保持相同的速度，而与它们所带的不同负载无关，其特征在于，这种控制装置包括用于对送往每一部电动机的电源进行调整的装置、连接到每一部电动机的伪电动机，所述伪电动机被这样构成，使之能根据被送往电动机的电流和电压而提供一个与该电动机的速度相对应的电压，其中，被送往所述电源调整装置的伪电动机的各电压与一个公共参考电压进行比较，并且，当一部电动机承受比其他各电动机的负载更大的负载时，该公共参考电压就会降低，使得送往其他各电动机的电源被降低，从而降低其他各电动机的速度，对应于承受更大负载的该部电动机的速度的降低。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，该控制装置还包括一个根据各电动机的整流器噪声的频率来配置的补偿电路，其中，在补偿电路中，对来自各电动机中每一部的整流器噪声的频率进行比较，并且，在来自一部电动机的频率相对于其他电动机的频率发生偏离的情况下，对送往所述一部电动机或送往其他各电动机的电源进行调整，使得所有电动机的整流器噪声的频率都处于一个预定的数值范围以内。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，整流器噪声的频率是主导频率。

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