专利名称：一种控制连续旋转微电机的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制连续旋转微电机的方法。该电机特别地用在手表中。由本发明的方法控制的微电机最好是这样类型的，该电机包括装有永磁铁的转子和装有固定线圈的定子。
在微电机的第一实施例中，提供有用于驱动转子的三个定子线圈，而在第二实施例中，只提供两个线圈驱动转子，就是说两个线圈相对于转子轴彼此相对布置。这两个实施例中每个均具有自己的优点，下面将更详细地描述。
在微电机的具体实施例中，该转子包括两个细长的磁性法兰和四个分别位于彼此面的对面设置两个法兰的四个末端区域的双极磁铁。该转子基本上限定了单个主磁路。除了轴和可能的承载结构以外，在旋转中整体驱动的全部用于微电机的磁性工作。在本实施例中转子的永磁铁和定子线圈之间的磁性耦合特别好。
根据一种特定的特性，在微电机的周围装有双极转子定位磁铁，当转子停止时，用于维持转子在预定的角度位置。由于这种特性，可以确保在需要的旋转方向上有效启动转子的旋转。
本发明的目的是提供一种控制连续旋转微电机的方法，该方法有效并能确保旋转稳定而不需要精密地实行。
于是本发明涉及一种控制连续旋转微电机的方法，该电机包括装有永磁铁的转子和装有至少一个与控制和电源装置进行电连接的线圈的定子，所述永磁铁相对于所述线圈径向地布置在所述转子上，于是所述转子的旋转在线圈里产生了变化的感应电压，该电压确定了以时间为函数的交流感应电压曲线，该方法的特征在于在所述感应电压曲线的相应的半周期内，在这些半周期的每一个内感应电压达到最大绝对值之前，通过提供连续的脉冲来维持所述转子的旋转。
由于这些特征，可得到旋转速度的自我调节。
根据本发明的特定的优点，在感应电压曲线任何半周期中的过零处(passage through zero)之间的时间间隔是恒定并且是确定的，于是在给定的基准旋转速度下，在该半周期内感应电压达到所述的最大值之前，产生维持脉冲，其中所述时间间隔限定了所述半周期的始端和维持脉冲的始端。
根据本发明的其他特性，该维持脉冲的持续时间是变化的，特别可作为加在所述微电机上负载的函数，或作为探测到的转子的角度位置和由所述控制装置确定的基准角度位置之间偏差的函数。
本发明将通过非限定实例，在参照附图和下面的描述中进行详细地阐述。
图1是连续旋转微电机的俯视图；图2是沿图1中Ⅱ-Ⅱ线的剖视图；图3是连续旋转微电机控制装置的实施例方框图；图4示出了本发明的连续旋转微电机的控制方法；图5示意表示了由本发明的控制方法导致的自我调节的效果。
参照图1和图2，在下面将要描述连续旋转微电机的可选择的实施例。在与旋转轴14垂直的平面上，转子34的法兰36和38形状为椭圆形，其两个末端10和12为向外的半圆形轮廓，装在转子上的四个双极磁铁为圆形。三个扁平线圈26、27和28的每个的中心轴40与经过四个双极磁铁16’和18’重心的磁铁轴确定的轴42不相同。对于尺寸确定的转子34，为了增加扁平线圈26、27和28的尺寸，线圈的中心轴40到旋转轴14的距离要比上述轴42到旋转轴14的距离要大。在另一个选择中，这两个轴可为同一个。
对于扁平线圈26、27和28，其最佳值的范围确定如下每个线圈半径在1mm和4mm之间；厚度在大约0．4mm和1mm之间；组成线圈的导线的直径在大约10μm和20μm之间。线圈和磁铁之间的沟槽值大约为0．2mm，以确保容易装配和可靠工作。然而这些数值不是限定的。
而且，由于每单位时间的转子34能量消耗大约与每秒转数成正比，于是最好使转子角速度相对很低，所述速度最好为每秒1到10转。然而，从测试和分析中可以看出，必须考虑影响微电机工作的干扰和震动，特别是这样的干扰和震动会引起减速。这样，向给定的电机提供的最小速度必须考虑这种干扰和震动的情况。例如对于外半径在5m和10mm之间的微电机来说，考虑到这种微电机的电消耗和工作的可靠性，每秒5转左右的角速度效果很好。
为了使扁平线圈26、27和28定位和固定，这些线圈部分地固定在设有电路的的印制电路44上，电路的某个末端在线圈末端的电连接焊点46上。
中心轴24的两个枢轴48中的一个安装在板52的轴承50上。在本实施例中装有反枢轴51(counter-pivot)。在板52和印制电路44之间装有过渡件或支撑件54，该过渡件或支撑件粘接在印制电路44上并且通过螺钉或其它本领域技术人员已知的固定件固定到板52上。
支撑件54具有部分装有三个线圈26、27和28的三个圆孔或凹口。这些凹口填充有用于牢固固定螺旋线圈或扁平线圈的粘性材料，这些材料在印刷电路44和支撑件54之间。支撑件54还用于限定线圈的轴向位置。还需指出的是支撑件54具有位于线圈附近的两个伸出部57和58，该伸出部具有大致与所述线圈相等的高度。这些伸出部57和58还用于通过粘接材料59定位并固定扁平线圈，该粘接材料59设在这些伸出部57和58及线圈侧面的一部分之间。然而在本发明的结构范围内伸出部57和58的存在对牢固固定线圈不是必需的。
中心轴24可以是磁性材料，也可以是非磁性材料制成，特别可以是轻质的、刚性非磁性材料。注意摩擦导致损失主要导致微电机的电消耗，本领域的技术人员将中心轴24安装到轴承上时要特别小心以使该中心轴的枢轴能适应。特别地，能够在中心轴24和安装该轴的轴承之间提供具有最小接触面的球轴承。接下来，所有轴承的润滑很重要，本领域技术人员知道最佳的自润滑材料。在这里描述可选择的情况中，在轴24和轴承50之间的接触面特别地通过减小枢轴的直径和侧接触面而减小到最小值。
图3示出了前面描述的微电机的控制电路。三个扁平线圈26、27和28串联地电连接。这三个线圈围绕旋转轴14以相差120°角的常规方式布置。给定扁平线圈和转子特别是双极磁铁的布置后，转子旋转产生感应信号，该信号的周期与120°转子的旋转相适应，例如该大致为正弦形状曲线的感应信号的电频率比用每秒转数表示的转子的角转动频率高三倍。
为了测量转子的转速，提供装置80用于测量在转子线圈中感应生成的信号过零段。这些装置具体由差动放大器和比较器组成。装置80的输出端给计数器82及装置84提供几乎瞬时转子转速信号，以调节转子的旋转速度。计数器82与带有石英88的时基86连接，计数器于是可相对于要确定的预定旋转速度，对转子进行增速或减速。
计速器82还与对控制装置90起作用的调节装置84相连，在控制装置90中装有由调节装置84电驱动的开关92。提供有四个开关92，以便可发出限定持续时间和负载正负极性的脉冲。开关92与电源装置94电连接，该电源装置还可与调节装置84和时基86连接，特别当发出斩波脉冲(chopped pulse)和改变斩波速率(choping rate)时，以调节转子的角速度，并根据电压水平是否在开始或维持转子转动状态调节电压水平，这些将在后面描述。
为了以确定和有效的方式确定转子的转动方向，提供装置96用于探测转动方向，其三个输入端与两个线圈27和28的末端相连。为了增加装置96的探测的精度和可靠性，可提供选择的是所述装置96的输入端也与第三扁平线圈26的两个末端连接。由装置96探测到的旋转方向或在所述转动方向上的变化传递到调节装置84上。特别在微电机经受连续的剧烈震动时，转动方向可能发生变化。在这种情况下，有必要安装调节装置，以迅速停止微电机的工作，在正确方向重新启动，并然后相对于基准旋转速度恢复消失的转数。为了做到这一点，计数器82用于计算在上述情况出现的减速值。本领域的技术人员根据这里的提示知道如何布置如图3所示的各种电子模块，以控制微电机。
图4大致示出了根据本发明的微电机的最佳工作状态。为了能实现目的，需要注意的是在微电机的周围安装有永磁铁62，用于在转子停止时对其进行定位(图1)。该双极磁铁到旋转轴14的方向相对于扁平线圈27的中心64’及到该旋转轴14的方向有角度偏差，该偏差值为非零值α。最好α值小于30°。当微电机停止时，转子的纵轴32与定位磁铁62的方向对齐。该具体布置导致在时间t0，线圈27和28中的感应电压Ui的曲线幅值不为零。这样，为了使转子启动后转动，初始脉冲100通过电源装置94(图3)加在定子线圈上。
启动脉冲100施加以相对高的电压提供，特别是接近或等于例如为电池或任何蓄能器的能源的电压。这样，启动脉冲100为转子提供了大量能量，以使转子基本上达到所要求的基准角度转动速度。在可选择的方式中，可发出单个启动脉冲，而在另一个可选择方式中在转子达到基准角速度之前可发出几个启动脉冲。
一旦完成启动，通过由电源装置提供的维持脉冲102可保证转子的旋转，转子的旋转由图3中示出的控制装置控制，此时在定子线圈和转子磁铁之间的磁性耦合接近最大值。然而根据本发明，每个维持电脉冲在最大耦合之前提供，以进行转子旋转速度维持的自我调节，如从图4和图5中可看出，该维持脉冲的平均瞬时值位于与感应曲线的半周期中感应电压相对应的瞬时值之前。
加在微电机上的能量由位于感应曲线106和脉冲120的峰值之间的面积104决定。当转子的转动速度减少时，感应曲线106的周期延长，该曲线变成了曲线106’。曲线106’的峰值108离开脉冲102，于是面积104增加为104’，这样加在微电机上的能量自动增加，于是转子的转动速度再次增加。反之，当转子的转动速度增加时，只要脉冲102的平均瞬时值保持小于感应曲线的下一个峰值(绝对值)的瞬时值，则提供的能量减少。需要注意的是，在感应曲线106的过零处和维持脉冲102开始处之间的持续时间t1可某种程度确定为使基准速度进行自我调节的恒定最佳值。
维持脉冲的持续时间t2使由每个脉冲102加在转子的能量得到确定，如图5所示，t2的值可以是固定的或变化的。为了使提供的能量发生变化以确保转子转动速度的调节，调节装置和控制装置(图8)还可具体通过改变维持脉冲102斩波速率而影响脉冲的持续时间t2或影响提供的电压。还可能改变加在定子线圈上的维持脉冲102的数量，并特别地在感应曲线的一定半周期内不提供维持脉冲。
需要注意的是启动脉冲100的电压比维持脉冲102的电压要大，如图4和5所示，该维持脉冲102的电压值最好要接近感应电压Ui的最大幅值，以减少电源消耗。于是安装有电源装置94(图3)以为定子线圈提供启动电压并在较低的维持电压之下。
本领域技术人员需要注意的是，只要控制装置和电源装置以适当方式布置，则可以提供一个或两个线圈以驱动转子。然而，在这种情况中，转子磁铁和定子磁铁线圈之间的机电耦合具有较低的幅值。
需要注意的是可以提供磁传感器，使转子的旋转方向得到确定，使微电机得到精确和有效地控制，特别要考虑相对于转子磁铁和定子线圈之间的瞬时最大磁耦合位置的维持脉冲102的瞬时位置。
权利要求
1.一种控制连续旋转微电机的方法，该电机包括装有永磁铁的转子(34)和装有至少一个线圈(26、27、28)的定子(52、54)，该线圈与控制和电源装置(80到96)进行电连接，所述永磁铁相对于所述的至少一个线圈径向地布置在所述转子上，于是所述转子的旋转在线圈里产生了变化的感应电压(Ui)，该电压确定了以时间为函数的交流感应电压曲线(106)，该方法的特征在于在所述感应电压曲线的相应的半周期内，在这些半周期的每一个内感应电压达到最大绝对值之前，通过提供连续的脉冲(102)来维持所述转子的旋转。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在感应电压(Ui)曲线(106)限定任意半周期的始端的过零处和在所述的半周期内产生的维持脉冲(102)的始端之间的时间间隔(t1)是恒定和确定的，以便在给定的基准旋转速度下，在该半周期内感应电压达到所述的最大值之前，产生所述维持脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于该维持脉冲(102)的间隔(t2)基本上是恒定的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于该维持脉冲(102)的持续时间(t2)是变化的，特别可作为加在所述微电机上负载的函数或作为探测到的转子的角度位置和由所述控制装置确定的基准角度位置之间的偏差的函数。
5.根据上述权利要求任何一项所述的方法，其特征在于至少提供一个启动脉冲(100)进行启动，提供该脉冲的电压大于维持脉冲(102)的电压，该脉冲的绝对值接近所述感应电压(Ui)最大幅值的绝对值。
全文摘要
本发明涉及控制连续旋转微电机的方法,该电机包括装有永磁铁的转子和装有至少一个线圈的定子,其中当转子旋转时,在线圈中产生交流感应电压,该方法包括在感应电压(U
文档编号H02P6/14GK1204885SQ98102789
公开日1999年1月13日 申请日期1998年6月23日 优先权日1997年6月24日
发明者R·比勒 申请人:阿苏拉布股份有限公司