專利名稱：一種控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的方法。該電機(jī)特別地用在手表中。由本發(fā)明的方法控制的微電機(jī)最好是這樣類型的，該電機(jī)包括裝有永磁鐵的轉(zhuǎn)子和裝有固定線圈的定子。
在微電機(jī)的第一實(shí)施例中，提供有用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的三個(gè)定子線圈，而在第二實(shí)施例中，只提供兩個(gè)線圈驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，就是說(shuō)兩個(gè)線圈相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸彼此相對(duì)布置。這兩個(gè)實(shí)施例中每個(gè)均具有自己的優(yōu)點(diǎn)，下面將更詳細(xì)地描述。
在微電機(jī)的具體實(shí)施例中，該轉(zhuǎn)子包括兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)的磁性法蘭和四個(gè)分別位于彼此面的對(duì)面設(shè)置兩個(gè)法蘭的四個(gè)末端區(qū)域的雙極磁鐵。該轉(zhuǎn)子基本上限定了單個(gè)主磁路。除了軸和可能的承載結(jié)構(gòu)以外，在旋轉(zhuǎn)中整體驅(qū)動(dòng)的全部用于微電機(jī)的磁性工作。在本實(shí)施例中轉(zhuǎn)子的永磁鐵和定子線圈之間的磁性耦合特別好。
根據(jù)一種特定的特性，在微電機(jī)的周圍裝有雙極轉(zhuǎn)子定位磁鐵，當(dāng)轉(zhuǎn)子停止時(shí)，用于維持轉(zhuǎn)子在預(yù)定的角度位置。由于這種特性，可以確保在需要的旋轉(zhuǎn)方向上有效啟動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的目的是提供一種控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的方法，該方法有效并能確保旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定而不需要精密地實(shí)行。
于是本發(fā)明涉及一種控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的方法，該電機(jī)包括裝有永磁鐵的轉(zhuǎn)子和裝有至少一個(gè)與控制和電源裝置進(jìn)行電連接的線圈的定子，所述永磁鐵相對(duì)于所述線圈徑向地布置在所述轉(zhuǎn)子上，于是所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在線圈里產(chǎn)生了變化的感應(yīng)電壓，該電壓確定了以時(shí)間為函數(shù)的交流感應(yīng)電壓曲線，該方法的特征在于在所述感應(yīng)電壓曲線的相應(yīng)的半周期內(nèi)，在這些半周期的每一個(gè)內(nèi)感應(yīng)電壓達(dá)到最大絕對(duì)值之前，通過(guò)提供連續(xù)的脈沖來(lái)維持所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
由于這些特征，可得到旋轉(zhuǎn)速度的自我調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的特定的優(yōu)點(diǎn)，在感應(yīng)電壓曲線任何半周期中的過(guò)零處(passage through zero)之間的時(shí)間間隔是恒定并且是確定的，于是在給定的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度下，在該半周期內(nèi)感應(yīng)電壓達(dá)到所述的最大值之前，產(chǎn)生維持脈沖，其中所述時(shí)間間隔限定了所述半周期的始端和維持脈沖的始端。
根據(jù)本發(fā)明的其他特性，該維持脈沖的持續(xù)時(shí)間是變化的，特別可作為加在所述微電機(jī)上負(fù)載的函數(shù)，或作為探測(cè)到的轉(zhuǎn)子的角度位置和由所述控制裝置確定的基準(zhǔn)角度位置之間偏差的函數(shù)。
本發(fā)明將通過(guò)非限定實(shí)例，在參照附圖和下面的描述中進(jìn)行詳細(xì)地闡述。


圖1是連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的俯視圖；圖2是沿圖1中Ⅱ-Ⅱ線的剖視圖；圖3是連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)控制裝置的實(shí)施例方框圖；圖4示出了本發(fā)明的連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的控制方法；圖5示意表示了由本發(fā)明的控制方法導(dǎo)致的自我調(diào)節(jié)的效果。
參照?qǐng)D1和圖2，在下面將要描述連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的可選擇的實(shí)施例。在與旋轉(zhuǎn)軸14垂直的平面上，轉(zhuǎn)子34的法蘭36和38形狀為橢圓形，其兩個(gè)末端10和12為向外的半圓形輪廓，裝在轉(zhuǎn)子上的四個(gè)雙極磁鐵為圓形。三個(gè)扁平線圈26、27和28的每個(gè)的中心軸40與經(jīng)過(guò)四個(gè)雙極磁鐵16’和18’重心的磁鐵軸確定的軸42不相同。對(duì)于尺寸確定的轉(zhuǎn)子34，為了增加扁平線圈26、27和28的尺寸，線圈的中心軸40到旋轉(zhuǎn)軸14的距離要比上述軸42到旋轉(zhuǎn)軸14的距離要大。在另一個(gè)選擇中，這兩個(gè)軸可為同一個(gè)。
對(duì)于扁平線圈26、27和28，其最佳值的范圍確定如下每個(gè)線圈半徑在1mm和4mm之間；厚度在大約0．4mm和1mm之間；組成線圈的導(dǎo)線的直徑在大約10μm和20μm之間。線圈和磁鐵之間的溝槽值大約為0．2mm，以確保容易裝配和可靠工作。然而這些數(shù)值不是限定的。
而且，由于每單位時(shí)間的轉(zhuǎn)子34能量消耗大約與每秒轉(zhuǎn)數(shù)成正比，于是最好使轉(zhuǎn)子角速度相對(duì)很低，所述速度最好為每秒1到10轉(zhuǎn)。然而，從測(cè)試和分析中可以看出，必須考慮影響微電機(jī)工作的干擾和震動(dòng)，特別是這樣的干擾和震動(dòng)會(huì)引起減速。這樣，向給定的電機(jī)提供的最小速度必須考慮這種干擾和震動(dòng)的情況。例如對(duì)于外半徑在5m和10mm之間的微電機(jī)來(lái)說(shuō)，考慮到這種微電機(jī)的電消耗和工作的可靠性，每秒5轉(zhuǎn)左右的角速度效果很好。
為了使扁平線圈26、27和28定位和固定，這些線圈部分地固定在設(shè)有電路的的印制電路44上，電路的某個(gè)末端在線圈末端的電連接焊點(diǎn)46上。
中心軸24的兩個(gè)樞軸48中的一個(gè)安裝在板52的軸承50上。在本實(shí)施例中裝有反樞軸51(counter-pivot)。在板52和印制電路44之間裝有過(guò)渡件或支撐件54，該過(guò)渡件或支撐件粘接在印制電路44上并且通過(guò)螺釘或其它本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的固定件固定到板52上。
支撐件54具有部分裝有三個(gè)線圈26、27和28的三個(gè)圓孔或凹口。這些凹口填充有用于牢固固定螺旋線圈或扁平線圈的粘性材料，這些材料在印刷電路44和支撐件54之間。支撐件54還用于限定線圈的軸向位置。還需指出的是支撐件54具有位于線圈附近的兩個(gè)伸出部57和58，該伸出部具有大致與所述線圈相等的高度。這些伸出部57和58還用于通過(guò)粘接材料59定位并固定扁平線圈，該粘接材料59設(shè)在這些伸出部57和58及線圈側(cè)面的一部分之間。然而在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)伸出部57和58的存在對(duì)牢固固定線圈不是必需的。
中心軸24可以是磁性材料，也可以是非磁性材料制成，特別可以是輕質(zhì)的、剛性非磁性材料。注意摩擦導(dǎo)致?lián)p失主要導(dǎo)致微電機(jī)的電消耗，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將中心軸24安裝到軸承上時(shí)要特別小心以使該中心軸的樞軸能適應(yīng)。特別地，能夠在中心軸24和安裝該軸的軸承之間提供具有最小接觸面的球軸承。接下來(lái)，所有軸承的潤(rùn)滑很重要，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道最佳的自潤(rùn)滑材料。在這里描述可選擇的情況中，在軸24和軸承50之間的接觸面特別地通過(guò)減小樞軸的直徑和側(cè)接觸面而減小到最小值。
圖3示出了前面描述的微電機(jī)的控制電路。三個(gè)扁平線圈26、27和28串聯(lián)地電連接。這三個(gè)線圈圍繞旋轉(zhuǎn)軸14以相差120°角的常規(guī)方式布置。給定扁平線圈和轉(zhuǎn)子特別是雙極磁鐵的布置后，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)的周期與120°轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)相適應(yīng)，例如該大致為正弦形狀曲線的感應(yīng)信號(hào)的電頻率比用每秒轉(zhuǎn)數(shù)表示的轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)動(dòng)頻率高三倍。
為了測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，提供裝置80用于測(cè)量在轉(zhuǎn)子線圈中感應(yīng)生成的信號(hào)過(guò)零段。這些裝置具體由差動(dòng)放大器和比較器組成。裝置80的輸出端給計(jì)數(shù)器82及裝置84提供幾乎瞬時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。計(jì)數(shù)器82與帶有石英88的時(shí)基86連接，計(jì)數(shù)器于是可相對(duì)于要確定的預(yù)定旋轉(zhuǎn)速度，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行增速或減速。
計(jì)速器82還與對(duì)控制裝置90起作用的調(diào)節(jié)裝置84相連，在控制裝置90中裝有由調(diào)節(jié)裝置84電驅(qū)動(dòng)的開關(guān)92。提供有四個(gè)開關(guān)92，以便可發(fā)出限定持續(xù)時(shí)間和負(fù)載正負(fù)極性的脈沖。開關(guān)92與電源裝置94電連接，該電源裝置還可與調(diào)節(jié)裝置84和時(shí)基86連接，特別當(dāng)發(fā)出斬波脈沖(chopped pulse)和改變斬波速率(choping rate)時(shí)，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的角速度，并根據(jù)電壓水平是否在開始或維持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)節(jié)電壓水平，這些將在后面描述。
為了以確定和有效的方式確定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，提供裝置96用于探測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，其三個(gè)輸入端與兩個(gè)線圈27和28的末端相連。為了增加裝置96的探測(cè)的精度和可靠性，可提供選擇的是所述裝置96的輸入端也與第三扁平線圈26的兩個(gè)末端連接。由裝置96探測(cè)到的旋轉(zhuǎn)方向或在所述轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的變化傳遞到調(diào)節(jié)裝置84上。特別在微電機(jī)經(jīng)受連續(xù)的劇烈震動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向可能發(fā)生變化。在這種情況下，有必要安裝調(diào)節(jié)裝置，以迅速停止微電機(jī)的工作，在正確方向重新啟動(dòng)，并然后相對(duì)于基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度恢復(fù)消失的轉(zhuǎn)數(shù)。為了做到這一點(diǎn)，計(jì)數(shù)器82用于計(jì)算在上述情況出現(xiàn)的減速值。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)這里的提示知道如何布置如圖3所示的各種電子模塊，以控制微電機(jī)。
圖4大致示出了根據(jù)本發(fā)明的微電機(jī)的最佳工作狀態(tài)。為了能實(shí)現(xiàn)目的，需要注意的是在微電機(jī)的周圍安裝有永磁鐵62，用于在轉(zhuǎn)子停止時(shí)對(duì)其進(jìn)行定位(圖1)。該雙極磁鐵到旋轉(zhuǎn)軸14的方向相對(duì)于扁平線圈27的中心64’及到該旋轉(zhuǎn)軸14的方向有角度偏差，該偏差值為非零值α。最好α值小于30°。當(dāng)微電機(jī)停止時(shí)，轉(zhuǎn)子的縱軸32與定位磁鐵62的方向?qū)R。該具體布置導(dǎo)致在時(shí)間t0，線圈27和28中的感應(yīng)電壓Ui的曲線幅值不為零。這樣，為了使轉(zhuǎn)子啟動(dòng)后轉(zhuǎn)動(dòng)，初始脈沖100通過(guò)電源裝置94(圖3)加在定子線圈上。
啟動(dòng)脈沖100施加以相對(duì)高的電壓提供，特別是接近或等于例如為電池或任何蓄能器的能源的電壓。這樣，啟動(dòng)脈沖100為轉(zhuǎn)子提供了大量能量，以使轉(zhuǎn)子基本上達(dá)到所要求的基準(zhǔn)角度轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在可選擇的方式中，可發(fā)出單個(gè)啟動(dòng)脈沖，而在另一個(gè)可選擇方式中在轉(zhuǎn)子達(dá)到基準(zhǔn)角速度之前可發(fā)出幾個(gè)啟動(dòng)脈沖。
一旦完成啟動(dòng)，通過(guò)由電源裝置提供的維持脈沖102可保證轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)由圖3中示出的控制裝置控制，此時(shí)在定子線圈和轉(zhuǎn)子磁鐵之間的磁性耦合接近最大值。然而根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)維持電脈沖在最大耦合之前提供，以進(jìn)行轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度維持的自我調(diào)節(jié)，如從圖4和圖5中可看出，該維持脈沖的平均瞬時(shí)值位于與感應(yīng)曲線的半周期中感應(yīng)電壓相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)值之前。
加在微電機(jī)上的能量由位于感應(yīng)曲線106和脈沖120的峰值之間的面積104決定。當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度減少時(shí)，感應(yīng)曲線106的周期延長(zhǎng)，該曲線變成了曲線106’。曲線106’的峰值108離開脈沖102，于是面積104增加為104’，這樣加在微電機(jī)上的能量自動(dòng)增加，于是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度再次增加。反之，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加時(shí)，只要脈沖102的平均瞬時(shí)值保持小于感應(yīng)曲線的下一個(gè)峰值(絕對(duì)值)的瞬時(shí)值，則提供的能量減少。需要注意的是，在感應(yīng)曲線106的過(guò)零處和維持脈沖102開始處之間的持續(xù)時(shí)間t1可某種程度確定為使基準(zhǔn)速度進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的恒定最佳值。
維持脈沖的持續(xù)時(shí)間t2使由每個(gè)脈沖102加在轉(zhuǎn)子的能量得到確定，如圖5所示，t2的值可以是固定的或變化的。為了使提供的能量發(fā)生變化以確保轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)裝置和控制裝置(圖8)還可具體通過(guò)改變維持脈沖102斬波速率而影響脈沖的持續(xù)時(shí)間t2或影響提供的電壓。還可能改變加在定子線圈上的維持脈沖102的數(shù)量，并特別地在感應(yīng)曲線的一定半周期內(nèi)不提供維持脈沖。
需要注意的是啟動(dòng)脈沖100的電壓比維持脈沖102的電壓要大，如圖4和5所示，該維持脈沖102的電壓值最好要接近感應(yīng)電壓Ui的最大幅值，以減少電源消耗。于是安裝有電源裝置94(圖3)以為定子線圈提供啟動(dòng)電壓并在較低的維持電壓之下。
本領(lǐng)域技術(shù)人員需要注意的是，只要控制裝置和電源裝置以適當(dāng)方式布置，則可以提供一個(gè)或兩個(gè)線圈以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。然而，在這種情況中，轉(zhuǎn)子磁鐵和定子磁鐵線圈之間的機(jī)電耦合具有較低的幅值。
需要注意的是可以提供磁傳感器，使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向得到確定，使微電機(jī)得到精確和有效地控制，特別要考慮相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鐵和定子線圈之間的瞬時(shí)最大磁耦合位置的維持脈沖102的瞬時(shí)位置。
權(quán)利要求
1.一種控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的方法，該電機(jī)包括裝有永磁鐵的轉(zhuǎn)子(34)和裝有至少一個(gè)線圈(26、27、28)的定子(52、54)，該線圈與控制和電源裝置(80到96)進(jìn)行電連接，所述永磁鐵相對(duì)于所述的至少一個(gè)線圈徑向地布置在所述轉(zhuǎn)子上，于是所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在線圈里產(chǎn)生了變化的感應(yīng)電壓(Ui)，該電壓確定了以時(shí)間為函數(shù)的交流感應(yīng)電壓曲線(106)，該方法的特征在于在所述感應(yīng)電壓曲線的相應(yīng)的半周期內(nèi)，在這些半周期的每一個(gè)內(nèi)感應(yīng)電壓達(dá)到最大絕對(duì)值之前，通過(guò)提供連續(xù)的脈沖(102)來(lái)維持所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在感應(yīng)電壓(Ui)曲線(106)限定任意半周期的始端的過(guò)零處和在所述的半周期內(nèi)產(chǎn)生的維持脈沖(102)的始端之間的時(shí)間間隔(t1)是恒定和確定的，以便在給定的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度下，在該半周期內(nèi)感應(yīng)電壓達(dá)到所述的最大值之前，產(chǎn)生所述維持脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該維持脈沖(102)的間隔(t2)基本上是恒定的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該維持脈沖(102)的持續(xù)時(shí)間(t2)是變化的，特別可作為加在所述微電機(jī)上負(fù)載的函數(shù)或作為探測(cè)到的轉(zhuǎn)子的角度位置和由所述控制裝置確定的基準(zhǔn)角度位置之間的偏差的函數(shù)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于至少提供一個(gè)啟動(dòng)脈沖(100)進(jìn)行啟動(dòng)，提供該脈沖的電壓大于維持脈沖(102)的電壓，該脈沖的絕對(duì)值接近所述感應(yīng)電壓(Ui)最大幅值的絕對(duì)值。
全文摘要
本發(fā)明涉及控制連續(xù)旋轉(zhuǎn)微電機(jī)的方法,該電機(jī)包括裝有永磁鐵的轉(zhuǎn)子和裝有至少一個(gè)線圈的定子,其中當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),在線圈中產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓,該方法包括在感應(yīng)電壓(U
文檔編號(hào)H02P6/14GK1204885SQ98102789
公開日1999年1月13日 申請(qǐng)日期1998年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月24日
發(fā)明者R·比勒 申請(qǐng)人:阿蘇拉布股份有限公司