专利名称：具有不平衡绕组用于闭环反馈控制的直流电动机的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电动机，特别是涉及至少具有一个不平衡绕组的直流电动机，该绕组可产生一时变信号，用于闭环反馈控制。
电动机控制系统可以用于多种场合，包括如计算机、打印机构、磁带录像机(VCR)，汽车和立体声系统。其用途包括磁带录像机的磁头电动机、用于计算机软盘的轴型电动机、用于小光盘的轴型电动机、用于磁带驱动装置的磁带驱动主导轴以及汽车座定位电动机。电动机控制系统可用于打印机构，例如可移动打印机滑动架，移动打印介质，移动喷墨打印头服务台部件。
步进电动机和直流电动机都可用于这种电动机控制系统。步进电动机典型地应用于一种开环的结构中，其中步进电动机收到一个命令信号，该信号使步进电动机的轴按预定方向旋转预定的角度数。该命令信号可以为来自于微处理器的一个或多个脉冲信号的形式，该微处理器是事先编好程序的，产生一个或多个脉冲，按预定的方向，使步进电动机的轴旋转一定角度数，以执行某一特定功能(例如，起动服务台，给喷墨打印头加罩盖)。多重信号的极性和/或相位调整可用于控制步进电动机轴旋转的方向。开环系统也能跟踪步进电动机轴的位置，例如，可通过记下轴的最初位置及对已传送的脉冲数进行计数的方法来实现。开环步进电动机控制系统提供了精确的电动机控制和受控装置的定位。
直流电动机既可用于开环结构，也可用于闭环结构。在开环结构中，只要直流电压控制信号施加着，直流电动机的轴就会旋转，当信号去除后，还能旋转一段时间直到旋转轴的惯性得到阻尼后再停止。直流电动机轴的旋转方向由控制信号的极性来控制。由于每次施加控制信号时，直流电动机轴并不能象步进电动机那样旋转一预定量，因而对于这种开环直流电动机控制系统，难以实现精确的电动机控制和受控装置的定位。然而，对于利用直流电动机的控制系统而言，其好处在于基于直流电动机的控制系统功率利用更为有效，因而运行费用比开环步进电动机更便宜些，这是因为转动直流电动机轴时，不会象在步进电动机中那样功率要中断。直流电动机目前也比步进电动机更便宜些。
目前，已提出各种解决方法来处理该定位问题，其中包括应用制动器和应用闭环直流电动机控制系统。制动器是多个固定的结构，其被置于受控装置的通路中，以阻止装置在特定的方向中的继续移动。闭环直流电动机控制系统应用一种反馈装置，例如一个编码器、一个开关或一个测速计，以跟踪直流电动机轴或受控装置的实际位置。实际位置被反馈回去并与需要的位置进行比较。通过给电动机再发送一个信号，并使其轴旋转，直至受控装置位置合适时为止，由此任何实际位置与需要的位置间的差异均可得以校正。这种设计提供了精确的电动机控制和受控装置的定位，与开环步进电动机控制系统相比更优些。此类闭环系统的缺点是那些反馈装置费用较贵。增加的费用将使该闭环直流电动机控制系统的成本接近或超过开环步进电动机控制系统的成本。
本发明目的在于通过应用直流电动机，获得精确的电动机控制和受控装置的定位，而同时避免使用昂贵的反馈控制装置来校正直流电动机控制最初的不精确性。通过在电动机旋转时改变直流电动机电枢电阻的方法，本发明实现了上述目的。因此，当直流电压恒定时，电动机每转一周，直流电动机电流至少重复变化两次，当直流电流恒定时，电动机每转一周，直流电动机电压至少重复变化两次。该变化被反馈回去并被用于确定电动机轴的实际位置，由此，任何轴和受控装置位置的不准确性均可得以校正。
如此，本发明至少有一个优点，即其中包括了一个直接安装在电动机中的电动机位置反馈生成装置，从而传统的反馈生成装置，例如编码器、开关和测速计的额外费用可以消除。本发明的另一优点为提高了控制系统的可靠性，这是因为作为整个系统性能中的一个因素，分离式反馈生成装置的失效已从控制系统中消除。本发明的再一个优点为基于以下事实，即分离式反馈生成装置无必要作为每一个控制系统的部件而予以安装，因而设备的可制造性也得以提高。
本发明的一个特点为直流电动机用于闭环控制系统中。直流电动机包括了一个换向器，该换向器有多个槽，并构造成可以旋转。直流电动机还包括多个绕组，电流传导绕组数比换向器的槽数少。此外，直流电动机还包括多个电刷，它的结构为当在电刷两端加直流电压时，至少有一个电流传导绕组，从而使换向器旋转。如在电刷上连续地施加直流电压，则当换向器连续旋转时，就会使电流流经不同数量的电流传导绕组。该数量周期性地在所有电流传导绕组和至少一个电流传导绕组之间变化。
上述直流电动机可以进行修改并使其包括下述特性。在电流传导绕组中流动的电流可以随时间在最大值、一个小于最大值的中间值、小于中间值的低值这三者之间变化。此外该最大值可以是电动机位置的指示。
该直流电动机可包括一个与换向器相连结的轴，由此换向器的旋转将使轴旋转。本实施例中，在电流传导绕组中流动的电流，随时间以指示轴位置的方式变化。轴每旋转180度，在电流传导绕组中流动的电流会有一个最大值。
绕组数可以与换向器的槽数相对应。本实施例中，一个绕组对电流成开路，使得电流传导绕组数相当于比换向器槽数少的某一数。另一种方案为绕组数比换向器槽数少。
电流传导绕组其位置可以毗邻换向器的槽，另一种方案，一个或多个绕组的位置不能毗邻换向器槽。
本发明的另一特征涉及一闲环控制系统。该系统包括一种直流电动机，该直流电动机具有一个不平衡的绕组(即，电流传导绕组数比换向器槽数少)和一个轴。直流电动机将构造成当直流电压施加于电动机时，便使轴旋转并产生一个随时间变化的电流，该电流值在最大值、一个小于最大值的中间值、小于中间值的低值这三者之间变化，其最大值表示电动机轴位置。该系统还包括了一个电动机位置信号源，它将产生一个电动机位置信号，以使直流电动机轴转到需要的位置。该系统还包括一个反馈回路，该反馈回路构造成能生成一个实际位置信号，该信号代表直流电动机轴的实际位置。该实际位置信号由电流的时变值导出。反馈回路还进一步构造，以生成电动机位置误差信号，用以表示由电动机位置信号源发出的电动机位置信号指令值与实际位置信号间的差。该系统还包括一个连接到直流电动机的直流电压源。该电动机位置误差信号接至直流电压源，并根据电动机位置误差信号转动直流电动机的轴，从而校正直流电动机轴所需位置的任何误差。
上述闲环控制系统可以修改，并可包括下述特性。电动机位置信号源可包括一个微处理器或一个控制器。反馈回路可包括一个特殊应用积分回路(ASIC)，该回路设计成基于电流的时变值生成实际的位置信号。该反馈回路还可包括一个比较器用于生成电动机位置误差信号，该误差信号用于代表由电动机位置信号源发出的电动机位置信号指令值与实际位置信号间的差。
该闭环控制系统还可包括一个连至电动机轴的打印机构。直流电动机可包括一个具有多槽并能旋转的换向器，该直流电动机也包括多个绕组。电流传导绕组数相当于比换向器槽数少的某数。绕组数也可对应于换向器槽数。在本实施例中，一个绕组对电流成开路，因此，电流传导绕组数比换向器槽数少，另一方案中，总绕组数比换向器槽数少。
根据本发明，闭环控制系统的另一种实施方式包括一具有不平衡绕组(即电流传导绕组数比换向器槽数少)的直流电动机和一个轴。该直流电动机构造成当一恒定电流施加于电动机时，便可使轴旋转，并在直流电动机两端形成一个电压降，该电压降随时间变化，且在最大值、一个小于最大值的中间值和小于中间值的低值这三者之间变化，该最大值即为电动机轴位置的指示。该系统还包括一个电动机位置信号源，该信号源能产生一个电动机位置信号，用于使直流电动机的轴旋转并达到所需位置。该系统还包括一个反馈回路，用于产生一个实际位置信号，该信号代表了直流电动机轴的实际位置。该实际位置信号由电压的时变值导出。该反馈回路还构造成可产生一个电动机位置误差信号，该误差信号代表来自电动机位置信号源的电动机位置信号指令值与实际位置信号间的任何差异。该系统还包括一个连接至直流电动机的恒定电流源。该电动机位置误差信号连接到该恒定电流源，并根据电动机位置误差信号使直流电动机轴旋转，以校正直流电动机轴所需位置中的任何误差。
如上所述，根据第一种闭环控制系统，这另一种闭环控制系统也可以修改并包括下述特征。
本发明的另一方面涉及一个打印机构，该打印机构具有一个能产生位置反馈信号的直流电动机。该打印机构包括一个打印头用于打印一个图像以及包括一个打印介质处理系统用于通过一打印区供给打印介质。该打印机构还包括一滑动架，打印头便安装在其上，滑动架构造成可在整个打印区移动。该打印机构还包括一个具有轴的直流电动机。该直流电动机的结构为当直流电压施加在电动机上时，就会使轴旋转，并产生一个随时间变化的电流，该电流值在最大值、小于最大值的中间值以及小于中间值的低值这三者间变化，该最大值即为电动机轴位置的指示。该打印机构还包括一个连接到直流电动机的反馈回路，该反馈回路利用时变的电流值以校正直流电动机轴定位时的任何不精确性。
上述打印机构可以修改并包括下述的多个特征。直流电动机可包括一个不平衡绕组。打印头可包括一个喷墨打印头。打印机构可包括一服务台，它是为喷墨打印头服务的。本实施例中，直流电动机轴连接到服务台，以控制服务台的运行。
直流电动机轴可以连接到打印介质处理系统以控制打印介质处理系统的运行。另一种方案，直流电动机也可连接到滑动架以控制滑动架的运行。
根据本发明，具有能产生位置反馈信号的直流电动机的打印机构的另一种实施方式包括一个打印头用于打印一个图像，以及包括一个打印介质处理系统用于通过打印区供给打印介质。该打印机构还包括一个滑动架，该打印头便安装在其上。该滑动架构造成可以在整个打印区移动。该打印机构还包括一个具有轴的直流电动机。该直流电动机构造成当将一恒定电流施加在电动机上时，就使轴旋转，并在直流电动机两端形成一个电压降，该电压降是随时间而变化的，其值在最大值、小于最大值的中间值、小于中间值的低值这三者间变动，该最大值即为电动机轴位置的指示，该打印机构还包括一个连接至直流电动机的反馈回路，该反馈回路利用时变的电压值来校正直流电动机轴定位时的任何不精确性。
根据第一种打印机构，这另一种打印机构可以进行修改，并包括如上所述的下列多个特征。
本发明的另一方面涉及一种以一个闭环反馈控制系统来控制直流电动机轴位置的方法，该电动机具有一个不平衡的绕组。该方法包括以下步骤产生一个电动机位置信号指令值，用于将直流电动机轴旋转到所需的位置，以及产生一个实际位置信号，该信号代表直流电动机轴的实际位置，该实际位置信号是由直流电动机电流的时变值而导出的。该方法还包括如下步骤产生电动机位置误差信号，该误差信号代表了电动机位置信号指令值和实际位置信号间的任何差异，此外还根据电动机位置误差信号产生一个直流电压，以使直流电动机轴旋转到所需位置。
本发明的另一方面涉及到一种以一个闭环反馈控制系统来控制直流电动机轴位置的方法，该电动机具有一个不平衡的绕组。该方法包括如下步骤产生一个电动机位置信号指令值，用于将直流电动机的轴旋转到所需的位置，以及产生一个实际位置信号，该信号代表了直流电动机轴的实际位置，该实际位置信号是由直流电动机的电压时变值导出的。该方法还包括如下步骤，即产生一个电动机位置误差信号，该误差信号代表了在电动机位置信号指令值与实际位置信号间的任何差异，还根据电动机位置误差信号产生一个恒定电流，使直流电动机轴旋转至所需位置。
根据本发明的下列详细描述，并结合附图一起考虑时，本发明的其他目的、优点和新特征将会变得更为清晰。
图1为一喷墨打印机构局部的部分示意的透视图，它包括一个通过步进电动机控制系统可以平移的服务台。
图2为图1中的服务台的某一种局部透视图。
图3为图2的服务台的局部透视图，该服务台受本发明的闭环直流电动机控制系统所控制。
图4A～图4E为直流电动机运行时的部分示意图。
图5为图4A～图4E中所示的直流电动机运行时电流随时间变化的曲线图。
图6A～图6K为根据本发明构成的直流电动机运行时的部分示意图。
图7为在图6A～图6K中所示的本发明的直流电动机运行时电流随时间变化的曲线图。
图8为根据本发明构成的直流电动机，其实际电流随时间变化的打印输出曲线。
图9为利用反馈生成装置的闭环直流电动机控制系统简要示意图。
图10为根据本发明构成的闭环直流电动机控制系统简要示意图。
图11为根据本发明，以闭环反馈控制系统控制直流电动机轴位置的流程图，该直流电动机具有不平衡绕组。
图12为根据本发明，以闭环反馈控制系统控制直流电动机轴位置的另一种方法的流程图，该直流电动机具有不平衡绕组。
图1阐述一种喷墨打印机械装置的实施例，图中显示为喷墨打印机20，其可用于工业、办公室、家庭或其他环境下，打印公务报告、信件、出版物及其他类似材料。商业上有许多种喷墨打印机械装置可用。例如，某些打印机械装置，其可能体现出本发明以下也将叙述到的包括绘图机、便携式打印装置、复印机、照相机、视频打印机、传真机等，可以举出多个来。本发明可用于打印机械装置中，并用于诸如移动打印滑动架、移动打印介质、移动喷墨打印头服务台部件。除了打印机械装置外，本发明也可应用于其他装置。例如，可将本发明应用于VCR、计算机、汽车、立体声系统。为方便起见，本发明的概念在喷墨打印机20的环境下预以解释。然而须清楚的是，如上所述，本发明也可用于其他微处理器或控制器中，只要它是基于直流电动机的情况下。
虽然很显然的是打印机部件随型号不同而不同，但典型的喷墨打印机20包括一个底架22，其包在一个罩或封壳24中，后者典型地为塑料材质。片状打印介质由一个自适应的打印介质处理系统26通过打印区25供给。打印介质可以为任何种类的合适的薄片型材料。例如，纸张、卡片、透明胶片、聚酯薄膜及类似物品，但为方便起，用纸张作为打印介质来解释本实施例。打印介质处理系统26具有一个供给盘28，为打印前储存纸张用。一系列常规的由电动机驱动的纸张驱动滚筒(未示出)可用于将打印介质从托盘28移到打印区25，用于打印。打印后，纸张便落在一对可拆卸的输出干燥翼板30。翼板30短时地将新打印的纸张，保持在先前打印的并正在输出托盘32上干燥的纸张上方，然后再转动翼板，按图中曲线状箭头33的方向，将翼板收回至侧面，并将新打印的纸张投入输出托盘32。该介质处理系统26可包括一系列调整机构，用于接纳不同尺寸的打印介质，如信件、A-4纸、信封等，例如包括一个滑动式长度调整杆34及一个信封供给槽35。
打印机20还有一个打印机控制器，可示意式地解释为一个微处理器36，它接收来自于主设备的指令，该主设备典型地为一台计算机，如一台个人计算机(未示出)。事实上许多打印机控制器的功能可由主计算机或由打印机上的电子装置来完成，或由它们共同完成。与主计算机相连的监视器可用于为操作人员显示可视信息，如打印机状态或在主计算机上正在运行的一个特殊程序。个人计算机及其输入装置，如键盘和/或鼠标及监视器对熟练的技术人员而言是众所周知的。
滑动架导杆38由底架22支撑，该导杆38可滑动地支撑喷墨滑动架40，使滑动架40沿着导杆38所确定的扫描轴42，在打印区25内来回移动。一个常规的滑动架驱动系统可用于驱动滑动架40，该系统包括一个位置反馈系统，它能将滑动架的位置信号传至控制器36。例如，可将一个滑动架驱动装置和直流电动机组件连接起来，以驱动按常规方式装在滑动架40上的无接头环带，并操作电动机以响应从打印机控制器36收到的控制信号。为了给打印机控制器36提供滑动架位置反馈信息，可在滑动架40上安装一个光编码器读数器，以读取沿滑动架移动路径延伸的编码器条纹。
滑动架40也会沿导杆38被推进到服务区，如箭头44所示，并位于罩壳24的内部。服务区44将服务台45罩在其内，该站可提供各种常规的打印头服务功能。例如，服务台底架46支撑一组打印头服务装置，这些将在下面更详细阐述。图1中，还示出了服务台的一个废物斗部分48，它至少有部分被服务台底架46所限定。
在打印区25，介质纸接收来自喷墨盒的墨，诸如黑色墨盒50和/或彩色墨盒52。墨盒50和52通常被熟练的技术人员称作为“笔”。图中的彩色笔52是一个三色彩笔，虽然在某些实施例中可能采用一套独立的单色笔。
图中的笔50、52每一个包括有贮液器以存贮供给的墨水。笔50、52各自有打印头54、56，每一个打印头都有一个孔板，其上有许多喷嘴，并以一定的方式排列成型，这对熟练的技术人员是众所周知的。图中的打印头54、56是热喷墨型打印头，虽然也可采用其他类型的打印头，例如压电式打印头。打印头54、56典型地包括有一个基底层，该基底层具有许多与喷嘴有关的电阻。在打印区25中，一旦所选的电阻带电后，就形成一个气泡，使从喷嘴中喷射出一小滴墨水，并喷射到介质上。打印头电阻有选择性地带电，以响应起动或点燃命令控制信号，该控制信号可以由常规的多股导线(未示出)从控制器36传送至打印头滑动架40，并通过滑动架与笔50、52之间的常规接口，传送至打印头54、56。
图2示出一种过渡的服务台系统58的实施例。图中，服务台框架46包括一个底座60，该底座可附着连接至打印机底架22，例如用按扣、铆钉、镙丝或其他紧固装置来连接，这些紧固装置通过位于底座60正面的槽孔而插入(未示出)。为调整打印头服务部件的高矮，可用一调整机械装置(未示出)来啮合该框架，例如用一对短柱62，从框架底座60的每一侧向外突伸。
底架22或者最好是底座60的外部可用于支撑常规的服务台驱动电动机，如步进电动机64。步进电动机64最好有上、下两个安装点，利用上部安装点，例如可用一个伸入到底座60内的扣件66，将步进电动机固定在框架底座60上。底座60还可以有一个突柱或其他的扣件承接结构，它从底座60的侧面向外伸出以承接扣件68，由此可将电动机下部安装至底座60。利用一个和几个减速齿轮、传动带或熟练的技术人员所周知的其他各种驱动装置，步进电动机64得以良好啮合并驱动第一个传动齿轮70，图中还显示出驱动第二个传动齿轮72。第一和第二个传动齿轮70、72最好都安装在底座60侧面向外突伸的短柱上。传动齿轮72与一对驱动齿轮74中的一个相啮合，该驱动齿轮74是细轴型小齿轮驱动齿轮组件的一部分(未示出)。这一驱动齿轮74位于服务台框架的两侧，并由一根轴连接在一起(未示出)。步进电动机64以及这些齿轮动作，使平板76按双向箭头78所示的方向平行移动。
平板76在双向箭头78所示的方向上平移，并周期性地为笔50和52的打印头54和56提供服务工作。这些工作包括利用柔性的服务台刷子80、82、84、86、88和90，从打印头54和56上擦去多余的墨，利用帽盖92和94将打印头54和56罩上，以防止笔50和52干涸以及被污染物弄脏。
步进电动机，如步进电动机64，典型地用于开环结构中，其中步进电动机从微处理器或控制器中，如控制器36，接收到一个命令信号，该命令信号使步进电动机轴按预定方向转动一预定角度。命令信号可以一个或多个脉冲的形式，该脉冲来自于事先编好程序的微处理器或控制器以便产生一个或多个脉冲，从而使步进电动机的轴按预定的方向旋转预定的角度，完成特定的功能(如起动服务台为喷墨打印头罩盖)。可以利用多重信号的极性和/或相位，以控制步进电动机轴旋转的方向。通过作好轴初始位置标记及记下已传送的脉冲数的办法，开环系统也能跟踪步进电动机轴的位置。开环步进电动机被控系统提供了精确的电动机控制和被控装置的定位。
根据本发明，一种过渡性服务台系统96示于图3。系统96的部件，当它们与系统58的部件相同时，被标以相同的参考编号。系统96是由根据本发明而构成的直流电动机100而驱动的，而不是由象图2中电动机64那样的步进电动机驱动的。一个夹子102和一对扣件，其中一个扣件如参考号103所示，将电动机100固定到底座60上。由电动机100的轴106驱动的蜗轮传动装置104与齿轮74相啮合，使平板76按双箭头78标示的方向平移，电动机100由一直流电压供电，只要该电压施加着，该电动机就不停地以顺时针或逆时针方向使轴旋转。旋转的方向受所施加的直流电压极性的控制。
图4A至图4E是直流电动机107运行时的部分示意图。直流电动机107包括了一个转子电枢108和一对电刷110和112，直流电压即施加在这两电刷上。示图中电枢108包括一个换向器114，它有5个槽，即116、118、120、122和124，换向器上缠绕了5个绕组126、128、130、132和134。如果在电刷110和112两端施加一个固定的直流电压或恒定的均方根值(RMS)直流电压，如图4A～4E所示，则会有一个正向电流从电刷110经由部分或全部绕组126、128、130、132和134流向电刷112，这就使换向器114以顺时针方向旋转，通常如图4A至图4E中箭头135所示。参考图4A，可以见到在换向器114的这个位置，电流将流经绕组126和128，通常如电流箭头136和138所示，还流经绕组130和132，通常如电流箭头140和142所示。然而，电流并不流经绕组134，这是由于电刷110下方的槽124所引起的短接。参考图4B，换向器114已顺时针转过一足够数量角度，并到达图中所示的位置，此时电流流经电枢108的每一个绕组，包括绕组134，通常如电流箭头144所示，这是因为槽124不再处于电刷110的下方。换向器按顺时针继续旋转至如图4C。该点处绕组128短接，由此，因槽118位于电刷112下方，故无电流流经绕组128。如图中所示，电流流过电枢108的其他绕组。参考图4D，换向器114继续顺时针旋转，如图所示，电流将流经电枢108的所有5个绕组，包括绕组128，如图中电流箭头138所示，这是因为槽118不再在电刷112之下方。换向器114继续顺时针方向旋转至图4E的位置。此时，因槽122位于电刷110下方，故绕组132被短接。如图所示，电流流经电枢108的其他绕组。
图5示出了图4A至图4E中直流电动机运行时电流随时间变化的图形。由图5可见，换向器114旋转时，电流值在两个值间周期性地变化。较大值以图5中的“2-2”表示，较小值以图5中的“3-2”表示。“2-2”表示当电流流经电刷110和112上方两个绕组及电刷110和112下方的两个绕组时，正如图4A、C、E中所示的那样，由电刷110流向电刷112的总电流。“3-2”表示由电流流经电刷110和112上方的三个绕组及电刷110和112下方的两个绕组，如图4B那样，或流经电刷110和112下方的三个绕组及电刷110和112上方的两个绕组，如图4D那样，由电刷110流向电刷112的总电流。电流值在“3-2”情况下小于“2-2”情况下的原因是附加的绕组使电阻增加，对施加的某一直流电压而言，电流值就降低。图5中的“4A”、“4B”、“4C”、“4D”、 “4E”相应于图4A至图4E所示的相应位置。图形146中的短划线表示了对施加相同的固定直流电压或恒定的均方根(RMS)直流电压，从电刷110至电刷112附加的电流随时间变化的曲线。
虽然直流电动机107产生一个重复性的电流随时间变化的输出，但该信号在任何给定的时间，检测直流电动机轴的位置时并无用处，但当应用直流电动机时，控制系统中该信号是必要的。直流电动机既可用于一个开环结构也可用于一个闭环结构。开环结构中，只要直流电压控制信号施加着，直流电动机的轴就会旋转，且当信号去除后，轴还会转动一段时间，直到旋转轴的惯性得以阻尼衰减而停止。直流电动机轴的旋转方向受控制信号的极性控制。对于这种开环直流电动机控制系统，精确的电动机控制和受控装置的定位是困难的，因为每次控制信号施加时，轴并不转动一预定量。然而，对于利用直流电动机的控制系统而言，一个优点为基于直流电动机的控制系统能更加有效地利用电力，因而运行费比用一个开环步进电动机更为节省，这是因为直流电动机的轴转动时，电力并不象步进电动机中那样要中断，以上在图1和图2中已对此作了阐述。目前直流电动机也比步进电动机更便宜。
现已提出各种解决办法来处理该定位问题，包括应用制动器和应用闭环直流电动机控制系统。制动器是安放在受控装置路径上的固定结构，它能阻止装置在特定方向上的继续运动。然而，应用制动器可能会有困难，这里需要两个以上控制位置，至于图1至图3中的服务台，至少需要三个位置。
闭环直流电动机控制系统利用一种反馈装置，例如，编码器、开关或测速计，以跟踪受控制装置的实际位置，实际位置经反馈后与所需位置进行比较。上述两者间的差异，可以通过再发一个信号给电动机，使轴旋转直到受控装置的位置合适时，便得以校正。该设计提供了精确的电动机控制和受控装置的定位，正如开环步进电动机控制系统中那样。这种闭环系统的一个缺点是这些反馈装置是昂贵的。这部分增加的费用可能使这种闭环直流电动机控制系统的成本接近或超过开环步进电动机控制系统的成本。
本发明的目的在于通过应用直流电动机获得精确的电动机控制和受控装置的定位，并能与采用步进电动机驱动的控制系统所能达到的效果相比较，而同时在用直流电动机控制时，为校正初始的不精确性，要避免采用多个昂贵的反馈控制系统。本发明通过在电动机旋转时变化直流电动机电枢电阻的办法，实现了上述要求，当直流电压恒定时，电动机每转一周，直流电动机电流至少重复变化两次，或当直流电流恒定时，电动机每转一周，直流电动机的电压至少重复变化两次。在反馈中的这种变化被用来确定电动机轴的实际位置。轴及受控装置位置的任何不精确性由此得以校正。
图6A至图6K为根据本发明构成的直流电动机146运行时的部分示意图。直流电动机146包括电枢148和一对电刷150和152，直流电压即施加于此两电刷上。图中所示之电枢148包括一个换向器154，它有5个槽，即156、158、160、162和164，电枢上还缠绕有4个绕组，即166、168、170和172。虽然，如图中所示，绕组166、168、170和172的位置各自毗邻槽156、158、160和162，但必须理解，在本发明的其他实施例中，绕组的位置可以不与电动机槽毗邻。与槽164相毗邻的第5个绕组已从回路中拿走，例如，可通过将其切割以形成一个开路，或将其从电动机146个整个去除。由此便造成槽164处的开路。
如果当一个固定的直流电压或恒定的均方根(RMS)直流电压施加在电刷150和152之间，如图6A至图6K所示，一个正向电流将通过绕组166、168、170和172的部分或全部，从电刷150流向电刷152，从而使电枢148顺时针方向旋转，通常如图6A至图6K中箭头174所示。参考图6A，可以见到，在换向器154的这个位置，电流流径绕组166和168，通常由电流箭头176和178所示，且经过绕组170和172，通常如电流箭头180和182所示。造成这种电流的状况是由于槽164在电刷150下方，并被其短接。参考图6B，换向器154顺时针转动了一定数量并到达图示的位置，由于槽164处的开路，使绕组166或168上没有电流流过。然而，绕组170和172是有电流的，通常如电流箭头180和182所示。换向器154以顺时针方向继续旋转至如图6C。在该点，由于槽164的开路，绕组166上没有电流流过，又因为槽158位于电刷152下方，绕组168也被短接。如图所示，电流会不断地经由电枢148的绕组170和172流动。参考图6D，换向器154继续顺时针旋转，使电流流过电枢148的绕组168、170和172，如图中所示，但由于槽164处的开路，绕组166上并无电流。换向器154的进一步顺时针旋转成如图6E所示。在此位置，由于槽162位于电刷150的下方，绕组172被短接。由于槽164处的开路，电流不会流经绕组166。如图所示，电流流过电枢148的绕组168和170。电枢148的进一步顺时针旋转示于图6F。在此位置，由于槽164处的开路，无电流流经绕组166或172。如图所示，电流不间断地流经绕组168和170。
当换向器154继续旋转并到达图6G中所示的位置。在该位置，由于槽164处的开路，无电流流经绕组172。因槽156位于电刷152下方，故绕组166被短接。电流不断地流经绕组168和170。换向器154继续顺时针方向旋转至图6H所示的位置。在该位置，由于槽164处的开路，无电流流经绕组172。如图所示，电流流经绕组166、168和170。换向器154继续顺时针旋转至图6I所示的位置。在此位置，由于槽160位于电刷150下方，绕组170被短接，又因槽164处的开路，无电流流经绕组172。如图所示，电流不断地流经绕组166和168。进一步顺时针旋转，使电动机146处于图6J所示的位置。在该位置，由于槽164处的开，无电流流经绕组170和172。如图所示，电流不断地流过绕组166和168。换向器154继续顺时钟旋转至图6K所示的位置。在该位置，因槽164被电刷152短接，电流流经所有的绕组。
图7示出了图6A至图6K中所示的直流电动机运行时电流随时间变化的曲线184。由图7可见，当换向器114旋转时，电流值在三个值间周期性地变化。较大值由图7中“2-2”所示，中间值为“0-2”，最小值为“0-3”。“2-2”示出了从电刷150至电刷152的总的电流值，此时电流流经电刷150和152上方的两个绕组和下方的两个绕组，如图6A和图6K所示。“0-2”代表了从电刷150至电刷152的总电流值。此时，电流流经电刷150和电刷152上方的两个绕组或电刷150和152下方的两个绕组，如图6B、6C、6E、6F、6G、6I和6J所示。“0-3”代表了从电刷150至152的总电流值，此时，电流流经电刷150和152上方的三个绕组或下方的三个绕组，如图6D和6H所示。在“0-2”时的电流值小于在“2-2”时电流值，因为电流仅流过电动机的一半。“0-3”时电流值小于在“0-2”时的电流值，因为附加的绕组增加了电阻值，当施加直流电压时，这将使电流减小。图7中的“6A”、“6B”、“6C”、“6D”、“6E”、“6F”、“6G”、“6H”、“6I”、“6J”、“6K”与图6A至图6K中所示的位置分别相对应。图184中的虚线部分代表了对于施加相同的固定直流电压或恒定的均方根(RMS)直流电压从电刷150至152附加的电流随时间的变化曲线。
对曲线184进行观察，可以明显地见到电动机146每旋转半周就会出现一个相当大幅值的电流脉冲或称为“尖峰脉冲信号”。这些“尖峰脉冲信号”提供了直流电动机轴的位置指示，这便可用于进行受控装置的更为精确的定位，这种方法比单用直流电动机可能获得的精度更高，而且其定位精度还可以与用单独的定位反馈装置，例如，编码器所能获得的精度相比较。
图8为依据本发明构成的直流电动机实际电流随时间变化的输出打印曲线190。曲线190是根据本发明而构成的具有三个槽的直流电动机而形成的曲线，电动机运行在恒定直流电压、每分钟4000转(rpm)且无载的条件下。由图8可见，电流脉冲或称为“尖峰脉冲信号”192、194、196、198、200和202以周期性的方式出现，每个尖峰脉冲均是三槽直流电动机旋转半周的指示。
图9中示出了一种闭环直流电动机控制系统204，它采用了一个反馈生成装置。系统204包括一个用于驱动受控装置(未示出)的直流电动机206和一个反馈装置，在这种情况下，还有一个编码器208，它是基于装置的机械运动用于提供装置实际位置的数据信号的，该装置是受直流电动机控制的。实际位置数据信号被反馈回去并与电动机位置信号指令值进行比较，该指令值来自于一种装置，例如微处理器或控制器，这就是电动机的控制定位，在图9中用一个比较器210来表示。两个信号间的任何差别即是位置误差的指示，它被作为控制信号输入至伺服机构程序212中，该伺服机构程序将这种控制信号转换成直流电压以驱动电动机并校正任何定位误差。
图10是根据本发明的闭环直流电动机控制系统214的示意图。系统214包括一个如上所述的依据本发明而构成的直流电动机216，它被用于驱动一个受控装置(未示出)。一个位置反馈装置，象图9中的编码器208那样的依靠机械运动的东西，在系统214中显然是没有了。如上所述，电动机216具有一个电动机位置反馈信号(例如，一个包括很大幅值的电流脉冲，或称“尖峰脉冲信号”的时变电流，或另一种情况为，包括很大幅值的电压脉冲或称“尖峰脉冲信号”的时变电压)，该反馈信号是在电动机中直接产生的，因此，由传统的反馈生成装置如编码器、开关、测速计等所带来的附加费用便可省去。该位置信号在一个反馈回路中，由一个费用相对较低的“特殊应用积分电路”(ASIC)218进行处理，以产生一个实际位置信号指示，用于代表受控装置位置或电动机轴位置。该实际位置信号被反馈回去，并与某一装置所产生的电动机位置信号的指令值相比较，产生指令值的装置可以是一个微处理器或一个控制器，其作用是用于控制电动机的位置，在图10中用比较器220来代表。两个信号之间的任何差别即代表位置的误差，它被作为控制信号输入至伺服机构程序222中，该程序将此控制信号转换成一个直流电压(对于时变的电流位置信号而言)或一个恒定电流(对于一时变的电压位置信号而言)，以驱动电动机并校正任何位置误差。
一个根据本发明采用闭环反馈控制系统以控制直流电动机轴位置的流程图224示于图11中。直流电动机具有不平衡的绕组(即电流传导绕组数比换向器槽数更少)。流程图224包括了多个步骤，即产生一个电动机位置信号的指令值，用于使直流电动机的轴旋转至需要的位置226以及产生一个实际位置信号228，以代表直流电动机轴的实际位置。如上所述，实际位置信号228是通过例如ASIC(特殊应用积分回路)，从直流电动机230电流的时变值中导出的。流程图224还包括多个步骤即产生电动机位置误差信号232，它代表了电动机位置信号指令值226和实际位置信号228之间的任何差别，还产生一个基于电动机误差信号232的直流电压234，用于使直流电动机的轴移动或转动至一个新的实际位置，该新的实际位置更接近于所需的位置236。由直流电动机电流的时变值所产生的新的实际位置信号228又被反馈回去，并与电动机位置信号指令值226相比较，正如以上所述那样，以使实际位置更接近所需的位置，最后通过不断地反馈，实际位置就能达到所需的位置。
另一种流程图238示于图12中，这也是根据本发明采用闭环反馈控制系统以控制直流电动机轴位置的流程图。直流电动机有一个不平衡的绕组(即电流传导绕组比换向器槽数少)。流程图238包括以下多个步骤，即产生电动机位置信号指令值以使直流电动机的轴旋转至所需位置240和产生一个实际位置信号242，其代表了直流电动机轴的实际位置。实际位置信号242是由直流电动机244的电压时变值244而导出的，如据上所述由ASIC(特殊应用积分回路)而导出。流程图238还包括多个步骤，即生成电动机位置误差信号246，其代表了电动机位置信号指令值240和实际位置信号242之间的任何差，以及根据电动机位置误差信号246，生成一个恒定电流248，使直流电动机轴移动或旋转以达到一个更接近于所需位置250的新的实际位置。由直流电动机时变电压产生的新的实际位置信号242反馈回去，并与电动机位置信号的指令值240相比较，正如以上所述，使实际位置更接近所需位置。最后，通过这种不断地反馈，实际位置将达到所需的位置。
虽然已对本发明进行了详细的阐述和解释，但需清晰地理解，仅仅是通过说明和例子来实现的，而并非对此加以限制。例如，根据本发明，可以采用一个直流源来代替直流电压以控制一个电动机。对这种实施方式，根据本发明，电动机将产生一个时变电压以表示电动机轴或受控装置位置。如上所述，该时变电压可用于一闭环反馈系统。作为另一个例子，根据本发明，一个混合式闭环反馈控制系统和方法可以在直流电压源和直流电流源间交替变化以控制根据本发明的电动机。这种系统和方法将设计成，当直流电压源可操作时，利用来自电动机的时变电流以进行电动机控制，或当直流电流源可操作时，利用来自电动机的时变电压以对电动机进行控制。作为附加的例子，本发明可以应用的电动机结构不仅限于所述的五极直流(例如，3极、7极、8极、9极或12极直流电动机均可用)。另一个例子可作为上述的注释，即本发明除了应用在打印机构外，还可应用在其他地方。
本发明的实质及范围仅由下述的权利要求书中的各项予以限定。
权利要求
1.一种用于闭环控制系统的直流电动机，包括一个换向器，换向器包括多个槽且构造成可以旋转；多个绕组，电流传导绕组的数量比换向器槽数少；多个电刷，这些电刷将构造成当有一直流电压施加在电刷两端时，电流至少在一个电流传导绕组中流动，并使换向器旋转，其中，随着换向器的连续旋转，当电刷两端连续地施加直流电压时，将会有不同数量的电流传导绕组上有电流流过，该数量是在全部电流传导绕组与至少一个电流传导绕组之间周期性地变化。
2.根据权利要求1所述的直流电动机，其特征为在电流传导绕组中流动的电流随时间而变化，其幅值在最大值、一个小于最大值的中间值和小于中间值的低值这三者之间变化，此外，该最大值是电动机位置的指示。
3.根据权利要求1所述的直流电动机，还包括一个轴，该轴与换向器相连，由此，当换向器旋转时便使轴旋转，其中，电流传导绕组中流过的电流随时间而变，并作为轴的位置的指示。
4.根据权利要求3所述的直流电动机，其特征为每当轴旋转180°，在电流传导绕组中流过的电流会有一个最大值。
5.根据权利要求1所述的直流电动机，其中，绕组数对应于换向器槽数，但其中一个绕组对电流而言成开路，由此有电流流过的绕组数比换向器槽数少。
6.根据权利要求1所述的直流电动机，其中绕组数相当于比换向器槽数少的某数。
7.根据权利要求1所述的直流电动机，其中电流传导绕组其位置毗邻换向器槽。
8.一种闭环控制系统，包括一个直流电动机，该直流电动机包括一个不平衡的绕组和一个轴，该直流电动机将构造成，当直流电压施加在电动机上时，会使轴旋转，且产生一个随时间变化的电流，该电流值在最大值、一个小于最大值的中间值和小于中间值的低值这三者之间变化，最大值是电动机轴位置的指示；一个电动机位置信号源，该电动机位置信号源产生一个电动机位置信号指令值，以使直流电动机轴旋转到所需之位置。一个反馈回路，其构造成能产生一个实际位置信号，该信号代表了直流电动机轴的实际位置，该实际位置信号是由电流的时变值而导出的，该反馈回路还要构造成能产生一个电动机位置误差信号，该误差信号代表了在电动机位置信号源所产生的电动机位置信号指令值与实际位置信号之间的任何差异，一个直流电压源，该直流电压源连接到该直流电动机；其中，电动机位置误差信号连接到直流电压源，并根据该电动机位置误差信号，使直流电动机轴旋转，以校正任何直流电动机轴所需位置中的误差。
9.根据权利要求8所述的闭环控制系统，其中电动机位置信号源包括一个微处理器和一个控制器中的一个。
10.根据权利要求8所述的闭环控制系统，其中反馈回路包括一个特殊应用积分回路(ASIC)，它设计成能根据电流的时变值生成实际位置信号。
11.根据权利要求10所述的闭环控制系统，其中反馈回路还包括一个比较器，其构造成能生成电动机位置误差信号，该误差信号代表了在由电动机位置信号源产生的电动机位置信号指令值与实际位置信号之间的任何差异。
12.根据权利要求8所述的闭环控制系统，该系统还包括一个连接到电动机轴的打印机构。
13.根据权利要求8所述的闭环控制系统，其中直流电动机包括一个换向器，该换向器具有多个槽，并构造成可以旋转；多个绕组，电流传导绕组数比换向器槽数少。
14.根据权利要求13所述的闭环控制系统，其中绕组数对应于换向器槽数，此外，其中一个绕组对电流形成开路，以使电流传导绕组数比换向器槽数少。
15.根据权利要求13所述的闭环控制系统，其中绕组数相当于比换向器槽数少的某数。
16.一种闭环控制系统，包括一个直流电动机，该直流电动机包括一个不平衡的绕组和一个轴，该直流电动机构造成当一个恒定电流施加于电动机时，就使轴旋转，并在直流电动机两端造成一个电压降，该电压降随时间变化，且在最大值、一个小于最大值的中间值和小于中间值的低值这三者之间变化，该最大值即电动机轴位置的指示，一个电动机位置信号源，该电动机位置信号源产生一个电动机位置信号指令值，以使直流电动机轴旋转至所需位置；一个反馈回路，它构造成能产生一个实际位置信号，该信号代表了直流电动机轴的实际位置，实际位置信号是由时变的电压值导出的，该反馈回路还构造成能产生一个电动机位置误差信号，该误差信号代表了在由电动机位置信号源产生的电动机位置信号指令值与实际位置信号之间的任何差异；一个恒定电流源，该恒定电流源与直流电动机相连；其中，电动机位置误差信号连接至恒定电流源，并基于该电动机位置误差信号，使直流电动机轴旋转，以校正直流电动机轴所需位置的任何误差。
17.根据权利要求16所述的闭环控制系统，其中电动机位置信号源包括一个微处理器和一个控制器中的一个
18.根据权利要求16所述的闭环控制系统，其中反馈回路包括一个特殊应用积分回路(ASIC)，该回路设计成能基于时变的电压值产生实际位置信号。
19.根据权利要求18所述的闭环控制系统，其中反馈回路还包括一个比较器，该比较器构造成能产生一个电动机位置误差信号，该误差信号代表了由电动机位置信号源产生的电动机位置信号指令值与实际位置信号之间的任何差异。
20.根据权利要求16所述的闭环控制系统，还包括一个连到马达轴的打印机构。
21.根据权利要求16所述的闭环控制系统，其中直流电动机包括一个换向器，该换向器具有多个槽，并构造成能旋转；多个绕组，电流流过的绕组数比换向器槽数少。
22.根据权利要求21所述的闭环控制系统，其中绕组数对应于换向器槽数，此外，其中一个绕组对电流开路，由此使电流传导绕组数比换向器槽数少。
23.根据权利要求21所述的闭环控制系统，其中绕组数相当于比换向器槽数少的某数。
24.一个打印机构，它具有一个能产生位置反馈信号的直流电动机，包括一个打印头，用于打印一个图像；一个打印介质处理系统，用于通过一打印区供给打印介质；一个滑动架，打印头即安置在其上，该滑动架构造成能在整个打印区内移动；一个具有一根轴的直流电动机，该直流电动机构造成当一直流电压施加在电动机时，便使该轴旋转，并产生一个时变的电流，该电流在最大值、一个小于最大值的中间值和小于中间值的低值这三者之间变化，该最大值即为电动机轴位置的指示；一个连接到直流电动机的反馈回路，该回路利用时变的电流值，以校正值直流电动机轴定位时的任何不准确性。
25.根据权利要求24所述的打印机构，其中直流电动机包括一个不平衡绕组。
26.根据权利要求24所述的打印机构，其中打印头包括一个喷墨打印头，还包括一个为喷墨打印头服务的服务台，该直流电动机轴连接至该服务台以控制其运行。
27.根据权利要求24所述的打印机构，其中直流电动机的轴连到打印介质处理系统和控制其运行的滑动架这两者中的一个。
28.一种打印机构，它具有一个能产生位置反馈信号的直流电动机，包括一个打印头，用于打印一个图像；一个打印介质处理系统，用于通过打印区供给打印介质；一个滑动架，打印头即置于其上，该滑动架构造成可在整个打印区移动；一个具有一根轴的直流电动机，该直流电动机构造成当施加一个恒定电流于电动机时，就使轴旋转，并在直流电动机两端造成一个电压降，该电压降随时间变化，且在最大值、一个小于最大值的中间值和小于中间值的低值这三者间变化，该最大值即为电动机轴位置的指示；一个连到直流电动机的反馈回路，该反馈回路利用时变的电压值以校正直流电动机轴定位时的任何不精确性。
29.根据权利要求28所述的打印机构，其中直流电动机包括一个不平衡绕组。
30.根据权利要求28所述的打印机构，其中打印头包括一个喷墨打印头，还包括一个为喷墨打印头服务的服务台，直流电动机的轴连接到该服务台并控制其运行。
31.根据权利要求28所述的打印机构，其中直流电动机轴连到打印介质处理系统和控制其运行的滑动架这两者中的一个。
32.一种以闭环反馈控制系统控制直流电动机轴位置的方法，该直流电动机具有一不平衡绕组，该方法包括如下步骤产生一个电动机位置信号指令值，以使直流电动机轴旋转到所需之位置；产生一个实际位置信号，其代表直流电动机轴的实际位置，该实际位置信号是由直流电动机的电流时变值导出的；产生一个电动机位置误差信号，该信号代表了电动机位置信号指令值和实际位置信号间的任何差异；产生一个基于电动机位置误差信号的直流电压，以使直流电动机轴旋转至所需位置。
33.一种以闭环反馈控制系统控制直流电动机轴位置的方法，该直流电动机具有一个不平衡绕组，该方法包括如下步骤产生一个电动机位置信号指令值，以使直流电动机轴旋转至所需位置；产生一个实际位置信号，该信号代表了直流电动机轴的实际位置，该实际位置信号是由直流电动机电压的时变值导出的；产生一个电动机位置误差信号，该误差信号代表了在电动机位置信号指令值与实际位置信号之间的任何差异；产生一个基于电动机位置误差信号的恒定电流，以使直流电动机轴旋转至所需位置。
全文摘要
一种用于闭环控制系统的直流电动机,包括旋转的换向器,该换向器具有多个槽,多个绕组,有电流流过的绕组数相当于比换向器槽数少的某数,还具有多个电刷,当在电刷两端施加一直流电压时,使至少一个绕组中有电流流过,由此使换向器旋转。在电刷两端连续地施加直流电压,随着换向器连续地旋转,电流将在数目变化的电流传导绕组中流过,该数目周期性地在全部电流传导绕组和至少一个电流传导绕组之间变化。
文档编号H02K23/26GK1193837SQ98104029
公开日1998年9月23日 申请日期1998年1月24日 优先权日1997年1月31日
发明者丹尼尔·兰德 申请人:惠普公司