專利名稱：用于閉環(huán)反饋控制的直流電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是1997年1月31日提出的，序號為08/791,735的共同未決美國專利申請的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明一般涉及電動機，更具體地說涉及能產(chǎn)生供閉環(huán)反饋控制用的隨時間變化信號的一種直流電動機。
電動機的控制系統(tǒng)可以用于各種應(yīng)用場合，包括計算機，打印機，盒式磁帶錄相機(VCR)，汽車，以及立體聲系統(tǒng)等場合。這些應(yīng)用包括VCR磁頭電動機，計算機軟盤用的主軸電動機，光盤用的主軸電動機，磁帶驅(qū)動器的磁帶驅(qū)動主動輪，以及汽車座的定位電動機等等方面。電動機的控制系統(tǒng)可用于打印機上的下述事情移動盒，移動打印介質(zhì)，以及移動噴墨打印頭的維護站的一些部件。
步進電動機和直流(dc)電動機兩者都可用于這樣的電動機控制系統(tǒng)。步進電動機常常用在開環(huán)配置中，在這種配置中，步進電動機接受一指令信號，使步進電動機的軸朝一預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動一預(yù)定的度數(shù)。這指令信號可以是由一微處理器產(chǎn)生的一個或多個脈沖，為了產(chǎn)生這一個或多個脈沖，使電動機軸朝預(yù)定方向轉(zhuǎn)動預(yù)定的度數(shù)，以便完成指定的功能(例如，啟動維護站將噴墨打印頭加蓋)，就得對這微處理器進行編程。可利用多個脈沖的極性和/或位相來控制步進電動機軸的轉(zhuǎn)動方向。這種開環(huán)系統(tǒng)還能通過，例如，記錄軸的起始位置和對已經(jīng)傳遞的脈沖數(shù)進行計數(shù)的方法來跟蹤步進電動機軸的位置。這開環(huán)步進電動機的控制系統(tǒng)提供對被控裝置的精確的電動機控制和定位。
直流電動機既可用在開環(huán)配置，也可用在閉環(huán)配置中。在一個開環(huán)配置中，只要施加一直流電壓的控制信號，電動機的軸就轉(zhuǎn)動，而且在這控制信號撤去以后還會轉(zhuǎn)動一段時間直到這轉(zhuǎn)動軸的慣性被阻尼。直流電動機的軸的轉(zhuǎn)動方向由這控制信號的極性控制。被控裝置的精確電動機控制和定位，對于這樣的開環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)來說是困難的，這是因為在每次施加一控制信號時，電動機的軸并不象步進電動機那樣轉(zhuǎn)動一預(yù)定的角度。但是，利用直流電動機的控制系統(tǒng)也有一個優(yōu)點，那就是，直流電動機的基本控制系統(tǒng)更為有效地利用了電力，因而運轉(zhuǎn)費用沒有開環(huán)步進電動機多，這是因為轉(zhuǎn)動直流電動機的電力不象在步進電動機中那樣是間斷的?，F(xiàn)今直流電動機也比步進電動機便宜。
已提出了各種方法來解決這個定位的問題，這些方法包括利用一些限位器和利用閉環(huán)直流控制系統(tǒng)。限位器是一些安置在被控裝置的路徑上的定位結(jié)構(gòu)，它可阻止該被控裝置朝特定方向的進一步移動。閉環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)使用了一個反饋裝置，如象一個編碼器，一個轉(zhuǎn)換器，或轉(zhuǎn)數(shù)計來跟蹤這直流電動機或被控裝置的轉(zhuǎn)軸的實際位置。將這實際位置反饋回去與希望的位置進行比較。兩者之間的任何差異都可通過將進一步的信號送到電動機使電動機的軸轉(zhuǎn)動，直到它把被控裝置定位在恰好位置上的方法來進行校正。這種設(shè)計提供了被控裝置的精確電動機控制和定位，它能很好地與開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)相比擬。這樣的閉環(huán)系統(tǒng)的一個缺點就是這些反饋裝置價格昂貴。這額外的費用可能導(dǎo)致這種閉環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)的成本達到或超過開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明旨在通過利用直流電動機對被控裝置實現(xiàn)精確的電動機控制和定位，而同時又避免使用昂貴的反饋控制裝置來校正直流電動機中的原有誤差。本發(fā)明是通過改變電動機轉(zhuǎn)動時直流電動機的轉(zhuǎn)子阻力來實現(xiàn)這一點，因而，若在恒定直流電壓時，這直流電動機的電流就可重復(fù)地發(fā)生變化，或者若是在恒定直流電流時，這直流電動機的電壓就可重復(fù)地發(fā)生變化。這種變化被反饋回去用來測定這電動機軸的精確位置。這軸，因而這被控裝置，位置的任何誤差這時都可被校正。
于是，本發(fā)明至少有一個優(yōu)點，就是它包括一個直接設(shè)置在這電動機內(nèi)的電動機位置反饋發(fā)生裝置，因而傳統(tǒng)的反饋發(fā)生裝置，如編碼器，轉(zhuǎn)換器，以及轉(zhuǎn)數(shù)計的成本就可免去。本發(fā)明的另一優(yōu)點就是改進了的控制系統(tǒng)的良好可靠性，這是因為分離的反饋發(fā)生裝置的故障已被當(dāng)作總的系統(tǒng)性能的一個因素從該控制系統(tǒng)中消除。本發(fā)明的又一優(yōu)點是，由于分離的反饋發(fā)生裝置不需要當(dāng)作每個控制系統(tǒng)的一部件來安裝，可制造性增強。
從一方面來看，本發(fā)明是一個用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的直流電動機。該直流電動機包括一個電流換向器，這電流換向器具有很多槽口并具有適于轉(zhuǎn)動的構(gòu)形。該直流電動機還包括一些繞組，繞組的數(shù)目比換向器的槽口數(shù)多一個。此外，該直流電動機還包括一些電刷，這些電刷被這樣配置，使得在將直流電壓施加在這些電刷的兩端時至少在一個繞組中產(chǎn)生能引起換向器轉(zhuǎn)動的電流。當(dāng)這換向器繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，直流電壓連續(xù)地施加在這些電刷的兩端就會使電流在不同數(shù)目的繞組中流動。
可將上述的直流電動機加以改進，它包括下述的特征。可將其中的兩個繞組在電學(xué)上并聯(lián)。在這繞組中流過的電流可隨時間變化，而且有一表示電動機位置特征的最大值。
該直流電動機可以包含一個與換向器聯(lián)結(jié)的軸，因而換向器的轉(zhuǎn)動會導(dǎo)致這個軸的轉(zhuǎn)動。在本實施例中，在這繞組中流過的電流將按照能指示這個軸的位置的方式隨時間變化。繞組中流過的電流每當(dāng)軸轉(zhuǎn)動180°就具有一個最大值。
從另一方面來看，本發(fā)明涉及一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)包括一個具有一個軸，而且被這樣配置的直流電動機，即使得當(dāng)將直流電壓施加在電動機上時就能使軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，而且在軸轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生一隨時間變化的電流。這隨時間變化的電流具有能指示該電動機軸的位置的最大值。這系統(tǒng)還包括一個電動機位置信號源，這位置信號源產(chǎn)生一電動機的位置控制信號，用來將直流電動機的軸轉(zhuǎn)動到希望的位置上。另外，這系統(tǒng)還包括一反饋電路，它被配置來產(chǎn)生一與該直流電動機的軸的實際位置相應(yīng)的實際的位置信號。這實際的位置信號可從隨時間的變化電流值導(dǎo)出來。還可進一步對這反饋電路加以配置，以便產(chǎn)生一電動機的位置誤差信號來代表從電動機的位置信號源產(chǎn)生的電動機的位置控制信號和實際位置信號之間的任何差異。這系統(tǒng)還包括一個與該直流電動機耦連的直流電壓源。將這電動機的位置誤差信號與這直流電壓源耦連，以便根據(jù)電動機的位置誤差信號來轉(zhuǎn)動這直流電動機的軸，從而校正直流電動機軸的實際位置與希望位置的誤差。
可將上述的閉環(huán)控制系統(tǒng)加以改進，它包括下述的特征。該電動機的位置信號源可包括一個微處理器或控制器。反饋電路可包括一專用用集成電路塊(ASIC)，這反饋電路被設(shè)計來根據(jù)電流的時間變化值產(chǎn)生實際位置信號。這反饋電路還包括一個比較器，它被配置來產(chǎn)生這電動機的位置誤差信號，這種誤差信號可代表從電動機位置信號源產(chǎn)生的電動機位置控制信號和實際位置信號之間的任何差異。
這閉環(huán)控制系統(tǒng)可以用于打印機中。該直流電動機包括一個電流換向器，這電流換向器具有很多槽口并具有適于轉(zhuǎn)動的構(gòu)形。這直流電動機還包括很多繞組。傳導(dǎo)電流的繞組數(shù)目比換向器的槽口數(shù)多一個。在電學(xué)上可將其中的兩個繞組并聯(lián)起來。
本發(fā)明的另一個閉環(huán)控制系統(tǒng)的實施例包括一直流電動機，這個直流電動機具有一根軸并被這樣配置，使得當(dāng)將恒定的電流施加在這電動機時就能使這軸轉(zhuǎn)動，并當(dāng)這軸轉(zhuǎn)動時還在這直流電動機兩端產(chǎn)生一隨時間變化的電壓降落。這隨時間變化的電壓具有一最大值，它是電動機軸位置的指示。這系統(tǒng)還包括一個電動機控制位置的信號源，它產(chǎn)生一電動機的位置信號以便將這直流電動機的軸轉(zhuǎn)動到希望的位置。另外，這系統(tǒng)還包括一反饋電路，它是配置來產(chǎn)生一代表這直流電動機軸的實際位置的實際位置信號。這實際位置信號可從電壓的時間變化值導(dǎo)出來。還對這反饋電路做了進一步配置，以便能產(chǎn)生電動機的位置誤差信號，這信號代表由上述電動機位置信號源產(chǎn)生的電動機控制位置的信號與實際位置信號之間的差異。這系統(tǒng)還包括一恒流源，它是與該直流電動機相耦連的。將這電動機的位置誤差信號與恒流源相耦連，以便根據(jù)這電動機的位置誤差信號來轉(zhuǎn)動這直流電動機的軸，從而校正對于直流電動機軸的希望位置所存在的任何誤差。
還可對這另一個閉環(huán)控制系統(tǒng)加以改進，它包括上述的一些與第一個閉環(huán)控制系統(tǒng)相關(guān)的特性。這另一個閉環(huán)控制系統(tǒng)也可用于打印機中。
從再一方面來看，本發(fā)明與在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中直流電動機位置的控制方法有關(guān)。該方法包括產(chǎn)生用來將直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望位置的電動機控制位置的信號和產(chǎn)生代表該電動機軸的實際位置的實際位置信號的一些步驟。這實際的位置信號是從直流電動機的隨時間變化的電流值導(dǎo)出來的。這方法另外還包括產(chǎn)生電動機的位置誤差信號和根據(jù)電動機的位置誤差信號產(chǎn)生直流電壓的步驟，這些位置誤差信號代表電動機控制位置的信號與實際位置信號之間的差異，而產(chǎn)生這種直流電壓是用來將直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望的位置上。
從更進一步的方面來看，本發(fā)明是與在一閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中直流電動機軸的控制方法有關(guān)。該方法包括產(chǎn)生用來將直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望位置的電動機控制位置的信號和產(chǎn)生代表該電動機軸的實際位置的實際位置信號的一些步驟。這實際的位置信號是從直流電動機的電流的時間變化值導(dǎo)出來的。這方法另外還包括產(chǎn)生電動機的位置誤差信號和根據(jù)電動機的位置誤差信號產(chǎn)生恒定電流的步驟，這些位置誤差信號代表電動機控制位置的信號與實際位置信號之間的差異，而產(chǎn)生這種恒定電流是用來將直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望的位置上。
當(dāng)結(jié)合附圖來考慮時，本發(fā)明的一些其它的目的，優(yōu)點和新穎之處，在本發(fā)明下面的詳細描述中將是顯而易見的。


圖1是一個噴墨打印機的部分剖開的示意透視圖，它包括一個可通過步進電動機控制系統(tǒng)平行移動的維護站。
圖2是圖1中所示的形式的維護站的剖開的透視圖。
圖3是圖2中所示的維護站的剖開的透視圖，它由本發(fā)明的一個閉環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)所控制。
圖4A-4E是直流(dc)電動機運行的部分示意圖。
圖5是與圖4A-4E所示的直流(dc)電動機運行相應(yīng)的電流-時間曲線。
圖6A-6K按本發(fā)明構(gòu)造的直流(dc)電動機運行的部分示意圖。
圖7是與圖6A-6K所示的本發(fā)明的直流(dc)電動機運行相應(yīng)的電流-時間曲線。
圖8按本發(fā)明構(gòu)造的直流(dc)電動機的實際電流-時間曲線。
圖9是采用了反饋發(fā)生裝置的閉環(huán)直流(dc)電動機控制系統(tǒng)的示意圖。
圖10是按照本發(fā)明構(gòu)造的閉環(huán)直流(dc)電動機控制系統(tǒng)的示意圖。
圖11是直流電動機軸的位置控制流程圖，按照本發(fā)明，該電動機在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中具有一種不平衡繞組。
圖12是另一種直流電動機軸的位置控制方法的流程圖，按照本發(fā)明，該電動機在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中具有一種不平衡繞組。
圖13A-13G是按本發(fā)明構(gòu)造的直流(dc)電動機的另一實施例運行的部分示意圖。
圖14是與圖6A-6K所示的本發(fā)明的直流(dc)電動機運行相應(yīng)的電流-時間曲線。
圖15按本發(fā)明構(gòu)造的直流(dc)電動機的實際電流-時間曲線。
圖1示出了一種噴墨打印機的實施例，此處畫作一個噴墨打印機20，它可在工業(yè)，辦公室，家庭或其它環(huán)境中用來打印業(yè)務(wù)報告，信函和用于桌面印刷等等。各種噴墨打印機都可從市場上買到。例如，在下面介紹的某些可體現(xiàn)本發(fā)明的打印機包括繪圖機，便攜式打印裝置，復(fù)印機，照相機，圖像打印機，以及傳真機等等，僅列舉這些就可見一般。本發(fā)明可在打印機中用來移動盒，移動打印介質(zhì)和移動噴墨打印頭的維護站的某些元件。本發(fā)明還可在打印機之外找到應(yīng)用。例如本發(fā)明的應(yīng)用可包括錄相機，計算機，汽車，以及立體聲系統(tǒng)等。為方便起見，只就噴墨打印機20的情形來對本發(fā)明的概念加以說明。但應(yīng)明白，本發(fā)明也可用于其它的基于微處理器或控制器的直流電動機的應(yīng)用場合，如象在上面介紹的那些。
顯而易見，盡管打印機的零部件隨型號而變化，但通常的噴墨打印機20都包含一個被機箱或外殼24所包圍的底盤22，這機箱或外殼通常是由塑料制作的。一張張的打印介質(zhì)被一合適的打印介質(zhì)裝卸輸送系統(tǒng)26饋送經(jīng)過打印區(qū)25。這打印介質(zhì)可以是任何的合適的片狀材料，如象紙，卡片材料，透明膠片，聚酯薄膜等等，但為了簡便，在所介紹的圖示實施例中，是用紙作打印介質(zhì)。這打印介質(zhì)輸送系統(tǒng)26具有一個饋送托盤28，用來存放打印前的紙張。一系列的慣常的由電動機驅(qū)動的紙張驅(qū)動輪(沒畫出來)可以被用來從托盤28將打印介質(zhì)送進打印區(qū)25去進行打印。在打印后，這紙張就放置在一對可伸縮的輸出干燥翼部件30上。這兩翼30暫時地將新打印好的紙張保持在先打印的仍在輸出托盤32中進行干燥的紙張之上，然后如彎曲箭頭所示向兩側(cè)縮回，以便將新打印的紙張落入輸出托盤32中。介質(zhì)輸送系統(tǒng)26可以包含一系列的調(diào)節(jié)機構(gòu)，如滑動長度調(diào)節(jié)桿34，和信封饋送槽35，來適應(yīng)不同尺寸的打印介質(zhì)，包括書信紙，法律文件紙，A-4紙，信封等等。
打印機還具有一打印機控制器，它被示意地畫成微處理器36，這控制器從主機，通常是計算機，如象個人電腦(未畫出)接受指令。的確，很多打印機的功能都可由主計算機，打印機主板上的電子器件，或兩者之間的相互作用來完成。與主計算機耦連的監(jiān)視器可以用來顯示給操作員的可視信息，如象打印機的狀態(tài)或正在主計算機上運行的特定程序。個人電腦，它們的輸入設(shè)備，如鍵盤和/或鼠標(biāo)，和監(jiān)視器都是業(yè)內(nèi)人士所熟悉的。
盒的導(dǎo)桿38由底盤22支撐，以便可滑動地支撐噴墨盒40沿著由導(dǎo)桿38確定的掃描軸42來回地橫掃過打印區(qū)25。盒40可利用傳統(tǒng)盒的驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動，該系統(tǒng)包括一可將盒的位置傳送給控制器36的位置反饋系統(tǒng)。例如，可將盒的齒輪和DC電動機裝置耦連，以驅(qū)動一條以傳統(tǒng)方式固定在盒40上的環(huán)形帶，當(dāng)從打印機的控制器36上接受到控制信號時，上述電動機就運轉(zhuǎn)。為了向打印機控制器36提供盒的位置反饋信息，可以將一個光學(xué)編碼讀數(shù)器安裝在盒40上，以便讀取沿盒運行路徑伸展的編碼條帶上的位置信息。
也可將盒沿導(dǎo)桿38推入在機殼24內(nèi)部的維護區(qū)，一般用箭頭44標(biāo)示。這維護區(qū)44內(nèi)裝有一維護站45，它可提供各種慣常的打印頭的維護功能。例如，維護站的框架中46擁有一組打印頭的維護器具，下面會作更詳細地介紹。在圖1中，畫有一個維護站的痰盂狀的部分48，它至少是部分地由維護站的框架46構(gòu)成。
在打印區(qū)25中的介質(zhì)薄片從噴墨盒，如象黑墨水盒50和/或彩色墨水盒52接受墨水。業(yè)內(nèi)人士還常把墨水盒50和52叫做“筆”。所示的彩色筆52是一個三色筆，但在某些實施例中也可使用分離的單色筆。
所示出的筆50,52，各自都包含一些儲存一些墨水的容器。筆50,52都各有一打印頭54,56，每個打印頭都有一孔板，在這板上以業(yè)內(nèi)人士所熟知的方式做有很多穿過該板的噴嘴。所示出的打印頭54,56為熱噴墨打印頭，但也可使用其它類型的打印頭，如壓電打印頭。該打印頭54,56通常包含一襯底層，其上具有一些與噴嘴相關(guān)連的電阻。在將一個選擇的電阻通電時，就會形成一個氣泡，從噴嘴噴射出一小滴墨水到打印區(qū)25內(nèi)的介質(zhì)上。在使能或啟動指令控制信號下達時這打印頭電阻就被有選擇地通電，這種控制信號是通過慣常的多芯扁電纜(未畫出)從控制器36傳送到盒40，并通過盒和筆50,52之間的內(nèi)部連接傳送到打印頭54,56。
圖2示出了一個可移動的維護站系統(tǒng)58的實施例。此處，該維護站框架46包括一基座件60利用，例如，卡扣，鉚釘，和穿過由基座件60的前部所限定的槽孔(未畫出)的螺栓或其它固定裝置可將該平臺附著在打印機的底盤22上。為了調(diào)節(jié)打印頭維護部件的高度，可利用一調(diào)節(jié)機構(gòu)(未畫出)來與框架連接，這種連接可通過，例如，一對從框架基座60每邊向外伸出的柱桿62來完成。
可以利用底盤22，最好是基座60的外部來支撐慣常的維護站的驅(qū)動電動機，如步進電動機64，最好是，步進電動機64具有上下兩固定件，上固定件用，例如，伸進基座60的緊固件66固定在框架基座60上。基座60還可具有一凸臺，或其它的緊固件安裝結(jié)構(gòu)，在此處它們都是從安裝緊固件68的那一邊向外伸出的，這樣的結(jié)構(gòu)可將電動機的下固定件固定在基座60上。步進電動機64被有效地用來驅(qū)動第一傳動齒輪70，它還利用了一個或多個減速裝置，傳動帶，或業(yè)內(nèi)人士熟知的其它的驅(qū)動裝置，此處畫的是驅(qū)動第二傳動齒輪72。第一和第二傳動齒輪70,72最好是安裝在從基座60那邊伸出的兩柱桿上。傳動齒輪72與心軸小齒輪傳動裝置組件(未畫出)的兩個驅(qū)動齒輪74之一嚙合。這對驅(qū)動齒輪74分置于維護站框架的相反兩側(cè)，并由一軸(未畫出)連在一起。步進電動機64和這些齒輪運轉(zhuǎn)起來將托架76朝雙箭頭78所表的方向平移。
沿雙箭頭78所表之方向移動器具架76，以便定期維護筆50和52的打印頭54和56。這種維護包括利用柔軟的維護擦拭器80,82,84,86,88和90擦掉打印頭上的過多墨水，并用蓋92和94將打印頭54和56蓋上，以便有助于防止筆50和52干枯和被污物弄臟。
步進電動機，如象步進電動機64，通常都被用在開環(huán)的配置中，在這種配置中該步進電動機從例如一微處理器或控制器，如控制器36接受指令信號，這就會使步進電動機軸朝預(yù)定方向轉(zhuǎn)動一預(yù)定的度數(shù)。這指令信號可以是由微處理器或控制器發(fā)出的一個或多個脈沖，上述微處理器或控制器經(jīng)過編程以便產(chǎn)生一個或多個脈沖來使該步進電動機軸朝預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動一預(yù)定的度數(shù)，從而實現(xiàn)特定的功能(例如啟動維護站將噴墨打印頭蓋上)。多個信號的極性和/或相位可以用來控制步進電動機軸的轉(zhuǎn)動方向。這開環(huán)系統(tǒng)還能跟蹤步進電動機軸的位置，其方法是，例如，記錄初始位置和計數(shù)已經(jīng)傳遞的脈沖數(shù)。這開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)可提供對被控裝置的精確電動機控制和定位。
本發(fā)明的可移動維護站系統(tǒng)96示于圖3之中。系統(tǒng)96中與系統(tǒng)58中相同的元件標(biāo)號是完全相同的。系統(tǒng)96是通過按照本發(fā)明構(gòu)造的一直流電動機100來操縱，而不是用象在圖2中所示的步進電動機64來操縱。一個夾具102和兩個緊固件將電動機100固定在基座60上，兩緊固件中的一個由標(biāo)號103表示。由電動機軸106驅(qū)動的蝸桿104與蝸輪74嚙合，以便沿雙箭頭78所指方向平移器具架76。電動機100由直流電壓供電，只要施加有這直流電壓，它就會朝順時針或反時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動軸106。這轉(zhuǎn)動方向由所施加的直流電壓的極性控制。
圖4A-4E是直流電動機107運轉(zhuǎn)的部分示意圖。直流電動機107包括一個轉(zhuǎn)子108和一對電刷110和112，在電刷的兩端加有一直流電壓。轉(zhuǎn)子108被畫成包含有一個具有5個槽口116,118,120,122和124的換向器114,5個繞組126,128,130,132，和134就繞在這換向器上。如果在這兩電刷110和112上施加有一固定的直流電壓或恒定的均方根(RMS)直流電壓，如圖4A-4E所示，則正電流將從電刷110經(jīng)過一些或全部繞組126,128,130,132和134流向電刷112，這就會使換向器114朝順時針方向轉(zhuǎn)動，一般由圖4A-4E中的箭頭135表示。參看圖4A，從它可以看出，在換向器的這個位置上，電流將流過繞組126,128和繞組130,132，流過前兩繞組的電流一般用電流箭頭136和138表示，流過后兩繞組的電流則由電流箭頭140和142表示。但這時電流并不流過繞組134，這是因為槽口124位于電刷110下面而引起繞組短路的緣故。參看圖4B，換向器114已按順時針向所示位置轉(zhuǎn)動了足夠的量，使得在轉(zhuǎn)子108的每個繞組中都有電流流過，包括繞組134，這是由于槽口124不再在電刷110的下面的緣故，繞組134中的電流方向一般由電流箭頭144表示。在圖4C中畫出了換向器114沿順時針方向的進一步轉(zhuǎn)動。這時，由于槽口118處于電刷112的下面，繞組128被短路，因而沒有電流流過它。如圖所示，電流流過轉(zhuǎn)子108的其它繞組。參看圖4D，換向器114已朝順時針方向進一步轉(zhuǎn)動，因而在轉(zhuǎn)子108的每個繞組中都有電流流過，包括繞組128，這是由于槽口118不再在電刷112的下面的緣故，繞組128中的電流方向一般由電流箭頭138表示。換向器114的進一步順時針轉(zhuǎn)動被捕捉于圖4E中。在這位置上，由于槽口122處于電刷110的下面而使繞組132被短路。如圖所示，電流流過轉(zhuǎn)子108的其它繞組。
圖5畫出了同在圖4A-4E中所示的直流電動機運轉(zhuǎn)相應(yīng)的電流與時間的關(guān)系曲線146。從圖5可見，在換向器114轉(zhuǎn)動過程中，電流的大小是周期性地在兩個值之間變化。較大的那個值由圖5中的“2-2”表示，而較小的則由圖5中的“3-2”表示。這“2-2”表示當(dāng)電流同時流過在電刷110和112上面的兩個繞組和在電刷110和112下面的兩個繞組時，從電刷110流到電刷112的總電流值。這些情形示于圖4A,4C和4E中。這“3-2”表示當(dāng)電流同時流過在電刷110和112上面的3個繞組和在電刷110和112下面的兩個繞組時，以及當(dāng)電流同時流過在電刷110和112下面的3個繞組和在電刷110和112上面的兩個繞組時，從電刷110流到電刷112的總電流值，前一情形示于圖4B，后一情形示于4D中?！?-2”情形的電流值比“2-2”情形的電流值小，這是由于加添的繞組增大了電阻，因而對于一施加的直流電壓而言，這就會使電流減小。圖5中的“4A”,“4B”,“4C”,“4D”和“4E”分別與圖4A-4E所示位置相應(yīng)。曲線146的虛線部分代表了對于同一施加的固定直流電壓或恒定的均方根(RMS)直流電壓來說，從電刷110流向電刷112的進一步的電流與時間的關(guān)系曲線的延長。
盡管直流電動機107產(chǎn)生一可重復(fù)的電流-時間輸出特性，但這信號在檢測任何給定時間上的電動機軸的位置時是沒有用的，而在使用直流電動機的控制系統(tǒng)中是需要這種檢測的。直流電動機既可用于開環(huán)配置中也可用在閉環(huán)配置中。在開環(huán)配置中，只要施加一控制信號，直流電動機的軸就轉(zhuǎn)動，而且在這信號撤消以后，還會轉(zhuǎn)動一段時間直到這轉(zhuǎn)動軸的慣性被阻尼為止。這直流電動機軸的轉(zhuǎn)動方向由這控制信號的極性來控制。被控裝置的精確電動機控制和定位，對于這樣的開環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)來說是困難的，這是因為每次施加控制信號時這軸并不轉(zhuǎn)動一預(yù)定的量。但使用直流電動機的控制系統(tǒng)一個優(yōu)點就是基于直流電動機的控制系統(tǒng)能更有效地利用功率，因而運行的費用就會比開環(huán)步進電動機小，這是由于在轉(zhuǎn)動直流電動機軸時功率不會象在步進電動機中那樣被間斷，這已在上面聯(lián)系圖1和圖2描述過了。此外，直流電動機在目前也比步進電動機便宜。
已經(jīng)提出了各種方法來解決這個定位的問題，包括利用限位器和利用閉環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)。限位器是一安置在被控裝置的路徑上，阻止該裝置朝特定方向進一步運動的固定結(jié)構(gòu)。但限位器的使用，在要求兩個以上控制位置的地方，卻是困難的，如象對于在圖1-3所示的維護站那樣的地方，就至少要求3個控制位置。
閉環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)使用了一個反饋裝置，如象編碼器，轉(zhuǎn)換器，或轉(zhuǎn)數(shù)計來跟蹤被控裝置的實際位置。這實際位置被反饋回去并與希望的位置進行比較。通過將進一步的信號送給電動機使軸轉(zhuǎn)動直到將被控裝置正確定位的方法來校正實際位置與希望位置之間的差異。這種設(shè)計提供了對被控裝置的精確的電動機控制和定位，就象采用開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)一樣。這樣的閉環(huán)系統(tǒng)的缺點就是這些反饋裝置花費昂貴。這增加的費用可能導(dǎo)致閉環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)的成本接近或超過開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明的目的在于通過使用直流電動機來實現(xiàn)被控裝置的精確的電動機控制和定位，使其能與采用步進電動機驅(qū)動的控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制和定位相比擬，而同時還避免了使用昂貴的反饋控制裝置來校正在直流電動機控制中存在的原有誤差。本發(fā)明通過在直流電動機轉(zhuǎn)動時改變直流電動機轉(zhuǎn)子的電阻來實現(xiàn)這一點，因而，在恒定的直流電壓下，每當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動一整周時，這直流電動機的電流至少可重復(fù)地變化兩次，或者在恒定的直流電流下，每當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動一整轉(zhuǎn)時，這直流電動機的電壓至少可重復(fù)地變化兩次。這種反饋方面的變化可用來確定電動機軸的實際位置。該軸，因而被控裝置，的位置的任何誤差那時都可被校正。
圖6A-6K是按照本發(fā)明構(gòu)造的直流電動機146的運行的部分示意圖。直流電動機146包括一個轉(zhuǎn)子148和一對在其上加有直流電壓的電刷150和152。轉(zhuǎn)子148被畫成包含有一開有5個槽口156,158,160,162和164的換向器154，而且在這換向器上繞有4個繞組166,168,170和172。雖然繞組166,168,170和172被畫成位于相應(yīng)槽口156，158,160,162和164的附近，但應(yīng)明白，在本發(fā)明的其它實施例中，繞組可安置在不靠近槽口的位置處。采用，例如將靠近槽口164的第五個繞組切斷以形成開路，或把它從電動機146上整個取下的方法，將第五繞組從該電路中去掉。這就在槽口164處形成一開路。
如果在電刷150和152上施加一固定的直流電壓或恒定的均方根(RMS)直流電壓，如圖6A-6K所示，則就有正電流將經(jīng)過繞組166,168,170和172中的一些或全部從電刷150流向電刷152,這就會使轉(zhuǎn)子148沿順時針方向轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)動一般用圖6A-6K中的箭頭174表示。參看圖6A，可以看見，在換向器154的這個位置上電流將流過繞組166與168和繞組170與172，前者一般用電流箭頭176和178表示，后者一般用電流箭頭180和182表示。這些電流流動是因為槽口164是在電刷150的下面，因而被該電刷短路所致。參看圖6B，換向器154已按順時針向所示位置轉(zhuǎn)動了一足夠的量，在槽口164處形成開路，因而在繞組166或168中沒有電流流過。但在繞組170和172中卻有電流流過，一般用電流箭頭180和182表示。換向器154沿順時針方向的進一步轉(zhuǎn)動示于圖6C中。在這時，由于在槽口164處的開路，繞組166沒有電流流過，而且由于槽口158處于電刷152之下，繞組168被短路。電流繼續(xù)流過轉(zhuǎn)子148的繞組170和172，如圖所示。參看圖6D，換向器154已按順時針方向進一步轉(zhuǎn)動，因而現(xiàn)在電流是流過轉(zhuǎn)子148的繞組168,170和172，如圖所示，但由于在槽口164處形成的開路電流仍不流過繞組166。換向器154沿順時針方向的進一步轉(zhuǎn)動畫在圖6E中。在這個位置上，繞組172由于槽口162處于電刷150之下而被短路。由于槽口164處仍然處于開路狀態(tài)，因而電流仍不流過繞組166。電流流過轉(zhuǎn)子148的繞組168和170，如圖所示。轉(zhuǎn)子148的進一步的順時針轉(zhuǎn)動畫于圖6F中。在這個位置上，由于槽口164的開路，既無電流流過繞組166也無電流流過繞組172。電流繼續(xù)流過繞組168和170，如圖所示。
當(dāng)換向器154繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，它就會到達圖6G所示的位置。在這個位置上，由于槽口164的開路，因而沒有電流流過繞組172。由于槽口156的位置在電刷152的下面而使繞組166短路。電流繼續(xù)流過繞組168和170。換向器154的進一步順時針轉(zhuǎn)動就會到達圖6H所示的位置。在這個位置上，由于槽口164的開路而沒有電流流過繞組172。這時，電流流過繞組166,168和170，如圖所示。換向器154的繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動就會到達圖6I所示的位置。在這個位置上，由于槽口160處于電刷150的下面而使繞組170短路，又由于槽口164的開路而使得沒有電流流過繞組172。這時，電流繼續(xù)流過繞組166和168，如圖所示。進一步順時針轉(zhuǎn)動就會使電動機處于如圖6J所示位置。在這個位置上，由于槽口164的開路而沒有電流流過繞組170和172。這時，電流繼續(xù)流過繞組166和168，如圖所示。換向器154的更進一步順時針轉(zhuǎn)動示于圖6K中。在這個位置上，由于槽口164被電刷152短路而使得電流流過所有的繞組，如圖所示。
圖7示出了與圖6A-6K所示的運作相應(yīng)的直流電動機的電流與時間的關(guān)系曲線。從圖7中可見，在換向器14轉(zhuǎn)動過程中，電流的大小是在三個值間進行周期性地變化。在圖7中，較大的那個值用“2-2”表示，中間值用“0-2”表示，而最小值是用“0-3”表示。這“2-2”表示在圖6A和6K中電流同時流過在電刷150和152上方的兩個繞組與在電刷150和152下方的兩個繞組時，從電刷150流到152的總電流值。這“0-2”表示當(dāng)電流流過電刷150和152上方的兩個繞組或電刷150和152下方的兩個繞組時，如圖6B,6C,6E,6F,6G,6I和6J所示，從電刷150流向電刷152的總電流值。這“0-3”表示當(dāng)電流流過電刷150和152上方的三個繞組或電刷150和152下方的三個繞組時，如圖6D,6H所示，從電刷150流向電刷152的總電流值。在“0-2”情形中的電流值比“2-2”情形中的電流值小，這是由于在“0-2”情形中電流僅流過半個電動機的緣故所致。在“0-3”情形中的電流值又比“0-2”情形中的電流值小，這是由于加入的繞組(additional winding)增加了電阻，從而對于一施加的直流電壓來說就會使電流減小。圖7中的“6A”,“6B”,“6C”,“6D”,“6E”,“6F”,“6G”,“6H”,“6I”,“6J”和“6K”與圖6A-6K所示的位置相當(dāng)。曲線184的虛線部分是對于同一施加的直流電壓或均方根(RMS)直流電壓來說，從電刷150流向152的電流值與時間的關(guān)系曲線的延續(xù)。
從查看曲線184顯而易見的是，每當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動半轉(zhuǎn)就會出現(xiàn)一個相對的最大電流值的脈沖或“波峰(spike)”186和188。這些“波峰”提供了該直流電動機軸的位置指示，它可被用于被控裝置的定位，它比單獨采用直流電動機所能達到的定位更精確，其定位精度可與用分離的位置反饋裝置，如編碼器所達到的精度相比擬。
圖8是按照本發(fā)明構(gòu)造的直流電動機的實際電流與時間的輸出特性曲線190。曲線190是由按照本發(fā)明構(gòu)造的三槽口直流電動機，在恒定的直流電壓，每分鐘4000轉(zhuǎn)(rpm)，無負荷的條件下運行時產(chǎn)生的。從圖8可見，電流脈沖或“波峰”192,194,196,198,200，和202都按周期方式出現(xiàn)，而且每個都表示這三槽口直流電動機轉(zhuǎn)了半轉(zhuǎn)。
使用反饋發(fā)生裝置的閉環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)204畫于圖9中。系統(tǒng)204包括一個用于驅(qū)動被控裝置(未畫出)和反饋裝置的直流電動機206，在本情形中這反饋裝置是一編碼器208，該反饋裝置根據(jù)被控裝置的機械運動提供有關(guān)正被直流電動機控制的這個裝置的實際位置的數(shù)據(jù)信號。這實際位置的數(shù)據(jù)信號被饋送回去并與從一個控制電動機位置的裝置，如微處理器或控制器來的電動機的位置控制信號相比較，這由圖9中的比較器210示意表示。這兩種信號之間的任何差異都表示位置上的誤差，這種誤差被作為控制信號饋送到伺服程序212，把這樣的控制信號轉(zhuǎn)變成直流電壓去驅(qū)動上述電動機和校正任何這樣的位置誤差。
圖10是本發(fā)明的閉環(huán)直流電動機控制系統(tǒng)214的示意圖。系統(tǒng)214包括一個按本發(fā)明構(gòu)造的直流電動機216，如上所述，用來驅(qū)動一被控裝置(未畫出)。系統(tǒng)214中顯而易見地沒有象圖9中編碼器208那樣的依賴機械運動的位置反饋裝置。如上所述，電動機216直接在該電動機內(nèi)就有電動機的位置反饋信號(例如，包含大振幅的電流脈沖或“波峰”的隨時間變化的電流，或包含大振幅的電壓脈沖或“波峰”的隨時間變化的電壓)，因而就消除了傳統(tǒng)的反饋發(fā)生裝置，如編碼器，轉(zhuǎn)換器，及轉(zhuǎn)數(shù)計的額外費用。反饋電路中的這種位置信號由一相當(dāng)便宜的專用集成電路(ASIC)218進行處理，以便產(chǎn)生一種不是指示被控裝置位置就是指示電動機軸位置的實際位置信號。這信號饋送回去并與來自控制電動機位置的裝置如微處理器或控制器的信號進行比較，在圖10中這個控制電動機位置的裝置由比較器220示意地表示。兩種信號之間的任何差異都暗示位置上的誤差，它作為一種控制信號被饋送到伺服程序222，再由這程序?qū)⑦@種信號轉(zhuǎn)變成直流電壓(對于隨時間變化的電流位置信號來說)，或轉(zhuǎn)變成恒定的電流(對于隨時間變化的電壓位置信號來說)，以便驅(qū)動該電動機，從而矯正任何這樣的位置誤差。
在按本發(fā)明構(gòu)造的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中，控制直流電動機轉(zhuǎn)軸位置的流程圖224示于圖11中。該直流電動機具有一種非平衡繞組(也就是，傳導(dǎo)電流的繞組比換向器槽口少)。流程圖224包括產(chǎn)生電動機位置控制信號和產(chǎn)生實際位置信號228的步驟，前一信號用來將直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望位置226，后一信號代表該直流電動機軸的實際位置。實際位置信號228是用，例如上述的ASIC，從電動機230的隨時間變化的電流值導(dǎo)出來的。此外，流程圖224還包含產(chǎn)生電動機位置誤差信號232和根據(jù)電動機位置誤差信號232產(chǎn)生一直流電壓234的步驟，該位置誤差信號表示電動機位置控制信號226與實際位置信號228之間的差異，而該直流電壓234用來使電動機軸運動或轉(zhuǎn)動到新的更加接近希望位置236的實際位置。如上所述，由直流電動機的隨時間變化的電流值產(chǎn)生的新的實際位置信號228被反饋回去并與電動機的位置控制信號226比較，以便進一步使實際位置更加接近希望位置。通過連續(xù)不斷的反饋，最后，這實際位置就會達到希望的位置。
在按本發(fā)明構(gòu)造的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中，控制直流電動機的轉(zhuǎn)軸位置的另一流程圖238示于圖12中。該直流電動機具有一種非平衡繞組(也就是，傳導(dǎo)電流的繞組比換向器槽口)少。流程圖238包括產(chǎn)生電動機位置控制信號和產(chǎn)生實際位置信號242的步驟，前一信號用來將直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望位置240，后一信號代表該直流電動機軸的實際位置。實際位置信號242是用，例如上述的ASIC，從電動機244的隨時間變化的電壓值導(dǎo)出來的。此外，流程圖238還包含產(chǎn)生電動機位置誤差信號246和根據(jù)電動機位置誤差信號246產(chǎn)生一恒定電流248的步驟，該位置誤差信號表示電動機位置控制信號240與實際位置信號242之間的差異，而該恒定電流用來使電動機軸運動或轉(zhuǎn)動到新的更加接近希望位置250的實際位置。如上所述，由直流電動機的隨時間變化的電壓值產(chǎn)生的新的實際位置信號242被反饋回去并與電動機的位置控制信號240比較，以便進一步使實際位置更加接近希望位置。通過連續(xù)不斷的反饋，最后，這實際位置就會達到希望的位置。
圖13A-13G是按照本發(fā)明構(gòu)造的直流電動機的另一實施例300的運行的部分示意圖。直流電動機300包括一個轉(zhuǎn)子302和一對在其上加有直流電壓的電刷304和306。轉(zhuǎn)子302被畫成包含有一個開有3個槽口310,312和314的換向器154，而且在這換向器上繞有4個繞組316,318,320和322。雖然繞組316,318,320和322被畫成位于相應(yīng)槽口310,312和314的附近，但應(yīng)明白，在本發(fā)明的其它實施例中，繞組可安置在不靠近槽口的位置處。從圖13A-13G可見，繞組318和320被安置成在電學(xué)上是并聯(lián)的。在圖13A-13G所示的電動機的實施例300中，繞組318和320可只有半個繞組316和322的線圈數(shù)，因而不必增大電動機300的尺寸來容納這并聯(lián)的兩繞組。并聯(lián)繞組的不同圈數(shù)的組合(例如，繞組318與繞組320的圈數(shù)比為3∶1)也屬本發(fā)明的范圍。此外，在按本發(fā)明構(gòu)造的直流電動機的其它實施例中，只要增大直流電動機300的尺寸，繞組318和320也可具有與繞組316和322相同的線圈數(shù)。
如果在圖13A-13G所示的電刷兩端施加一固定的直流電壓，或恒定的均方根(RMS)直流電壓，則有一正電流經(jīng)過繞組316,318,320和322中的一個或多個從電刷304流向電刷306，這就會使轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)動，這轉(zhuǎn)動一般用箭頭324表示。參看圖13A，由圖可見，在換向器308的這個位置上，電流將流過繞組316和繞組322，前者一般由電流箭頭326表示，后者一般由電流箭頭328表示。由于這時繞組318和320被電刷306短路而沒有電流流過。參看圖13B，換向器308已順時針轉(zhuǎn)動了一足夠的量到達所示位置，由于這時繞組因318和320不再被電刷306短路，因而電流此時就會流過這兩繞組。這時，電流也會繼續(xù)流過繞組316和322，流動情形由電流箭頭326和328表示。換向器沿順時針方向進一步轉(zhuǎn)動示于圖13C中。這時，由于繞組322被電刷304短路而沒有電流流過。這時，電流繼續(xù)流過繞組316和繞組318與320，前者由電流箭頭326表示，后兩者由電流箭頭330和332表示。
參看圖13D，換向器308已經(jīng)作了這樣進一步的轉(zhuǎn)動，使得繼續(xù)有電流流過繞組316,318和320，而且由于繞組322不再被電刷304短路，電流又重新流過繞組322，如電流箭頭328所示。換向器308的進一步順時針轉(zhuǎn)動示于圖13E中，在這個位置上，繞組316被電刷306短路，因而沒有電流流過它。電流繼續(xù)流過繞組322和繞組318與320，前者如電流箭頭328所示，后兩者如電流箭頭330和332所示。轉(zhuǎn)子302的進一步的順時針轉(zhuǎn)動示于圖13F中。在這個位置上，電流繼續(xù)流過繞組318,320，和322，而且由于繞組316不再被電刷306短路，電流又重新流過繞組316，如電流箭頭326所示。當(dāng)換向器308繼續(xù)轉(zhuǎn)動，就達到圖13G所示位置。在這個位置上，由于繞組318和320被電刷304短路而沒有電流流過。這時，電流繼續(xù)流過繞組316和322，如電流箭頭326和328所示。
圖14示出了與圖13A-13G所示的運作相應(yīng)的直流電動機的電流與時間的關(guān)系曲線。從圖14可見，在換向器308轉(zhuǎn)動過程中，電流的大小是在4個值間進行周期性地變化。在圖14中，最大的那個值用“1-1/4”表示，下一個最大值用“2-1/4”表示，再下一最大值是用“1-1”表示，而最小值用“1-1 1/4”表示。這“1-1/4”表示當(dāng)電流同時流過電刷304和306上方的一個繞組和電刷304和306下方的兩并聯(lián)繞組時，如圖13C和13E所示，從電刷304流向電刷306的總電流值。這“1/4”值是由于下述原因所致，繞組318和320的線圈數(shù)是繞組316和322的線圈數(shù)的一半，因而電阻值也是繞組316和322的電阻值的一半，而且再一個原因就是繞組318與320的并聯(lián)。對于施加的同一電壓來說，電阻越小，流過的電流就越大，如歐姆定律所表明的那樣，電壓(V)=電阻(R)×電流(I)。例如，如果繞組316和322都具有1Ω的電阻，則318與320的電阻就為1/2Ω。兩個電阻R1和R2的并聯(lián)組合的總電阻就是RT=(R1×R2)/(R1+R2)對于繞組318和320的并聯(lián)組合而言，總電阻為RT318and320=(1/2×1/2)/(1/2+1/2)=1/4這“2-1/4”表示當(dāng)電流同時流過電刷304和306上方的兩個繞組316和322與電刷304和306下方的兩并聯(lián)繞組318和320時，如圖13D所示，從電刷304流向電刷306的總電流值。由于加入的繞組加大了電阻，這對于一施加的直流電壓來說就會減小流過的電流，因而在“2-1/4”情形的電流就會比“1-1/4”情形的電流小。
這“1-1”表示當(dāng)電流同時流過電刷304和306上方的一個繞組與電刷304和306下方的一個繞組時，如圖13A和13G所示，從電刷304流向電刷306的總電流值。由于并聯(lián)繞組318和320的電阻比每個單個的繞組316或322的電阻小，因而在“1-1”情形的電流值就比在“2-1/4”情形的電流值小。
這“1-1 1/4”表示當(dāng)電流同時流過電刷304和306上方的一個繞組和電刷304和306下方的三個繞組時，如圖13B和13F所示，從電刷304流向電刷306的總電流值。由于在電刷304和306的下面加入了并聯(lián)繞組，因而在“1-1 1/4”情形的電流值就比在“1-1”情形的電流值小。
圖14中的“13A”,“13B”,“13C”,“13D”,“13E”,“13F”，和“13G”與圖13A-13G中所示位置相當(dāng)。曲線334的虛線部分是代表對于同一施加的直流電壓或均方根(RMS)直流電壓來說，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動另一半轉(zhuǎn)以完成一整周的轉(zhuǎn)動時，從電刷304流向306的電流值與時間的關(guān)系曲線的延續(xù)。
每當(dāng)電動機300轉(zhuǎn)動半周時就會出現(xiàn)相對的最大電流值脈沖或“波峰”336和338。這些“波峰”提供了電動機軸的位置指示，這可用來對被控裝置進行精確地定位，其精確度比單獨利用直流電動機所能達到的精度度高，其定位精度可與采用分離的定位反饋裝置，如編碼器達到的精度相比擬。
圖15是上面討論的象電動機300那樣的具有兩個并聯(lián)繞組的直流電動機的實際電流與時間的輸出特性曲線340。曲線340是由按本發(fā)明構(gòu)造的3槽口直流電動機所產(chǎn)生，其產(chǎn)生條件為1.5伏的恒定直流電壓，777轉(zhuǎn)/分，無負荷。從圖15可見，電流脈沖或“波峰”342,344,346,348,350，和352都是周期性地出現(xiàn)，每對脈沖都表示3槽口直流電動機轉(zhuǎn)動了半周。
上述關(guān)于圖10-12的討論適用于圖13-15所示的直流電動機的另一實施例。在將圖10-12應(yīng)用到這另一實施例的過程中，非平衡繞組就指利用并聯(lián)繞組來產(chǎn)生象圖14和15所示的那樣的反饋信號的波形，這樣的波形能用來提供直流電動機的位置。這位置反饋信號可以是隨時間變化的包含相當(dāng)大的周期性電流脈沖或“波峰”的電流，或者是隨時間變化的包含相當(dāng)大的周期性電壓脈沖或“波峰”的電壓。
盡管對本發(fā)明已經(jīng)作了詳細的描述和圖示，但顯然應(yīng)該明白，這種描述和圖示僅僅是用作本發(fā)明的示例，而并不是用作對本發(fā)明的限制。例如，可以利用直流電流源代替直流電壓源來控制本發(fā)明的電動機。對于這樣的一些實施例，本發(fā)明的電動機產(chǎn)生一隨時間變化的電壓來表示電動機軸或被控裝置的位置。這種隨時間變化的電壓，如上所述，可用于閉環(huán)反饋系統(tǒng)中。作為另一個例子，本發(fā)明有一種復(fù)合型的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)和方法可以在直流電壓源和直流電流源之間進行更替，以便對本發(fā)明的電動機進行控制。這樣的系統(tǒng)和方法的設(shè)計意圖是，當(dāng)直流電壓源起作用時，就利用來自該電動機的隨時間變化的電流來進行電動機控制，而當(dāng)直流電流源起作用時，就利用來自該電動機的隨時間變化的電壓來進行電動機控制。作為另外的例子，本發(fā)明還可應(yīng)用于除三和五極直流電動機外的各種直流電動機的配置中(例如，七，八，九，或十二極直流電動機中)。作為再一個例子，如上所述，本發(fā)明還可應(yīng)用于除打印機外的一些裝置中。本發(fā)明的精神和范圍僅應(yīng)由所附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的直流電動機，它包括一個換向器，該換向器包括一些槽口并做成能轉(zhuǎn)動的構(gòu)形；一些繞組，這些繞組的數(shù)目比換向器的槽口數(shù)目多一個；一些電刷，這些電刷被這樣配置，使得施加在這些電刷上的直流電壓能至少在這些繞組的一個中產(chǎn)生使換向器轉(zhuǎn)動的電流流動。
2.按照權(quán)利要求1所述的直流電動機，其特征在于這些繞組中有兩個繞組在電學(xué)上是并聯(lián)的。
3.按照權(quán)利要求1所述的直流電動機，其特征在于在這些繞組中流過的電流隨時間而變化，而且具有顯示電動機位置的最大值。
4.按照權(quán)利要求1所述的直流電動機，還包括一個與換向器耦連的軸，因而換向器的轉(zhuǎn)動就會導(dǎo)致該軸的轉(zhuǎn)動，而且其中繞組內(nèi)流動的電流以一種能指示軸的位置的方式隨時間變化。
5.按照權(quán)利要求4所述的直流電動機，其特征在于軸每轉(zhuǎn)動180°繞組中流動的電流就有一個最大值。
6.一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括一個直流電動機，它具有一個軸，這直流電動機被這樣配置，使得在該電動機上施加一直流電壓就能使軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)這軸轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生一隨時間變化并具有最大值的電流，一個最大值能指示該電動機軸的一個位置；一個電動機的位置信號源，電動機的位置信號源產(chǎn)生出電動機的位置控制信號，用來將這直流電動機的軸轉(zhuǎn)動到一個希望的位置上；一個反饋電路，它被配置來產(chǎn)生一個代表這直流電動機軸的實際位置的實際位置信號，這實際位置信號是由隨時間變化的電流值導(dǎo)出的，而且它還被配置來產(chǎn)生電動機的位置誤差信號，這位置誤差信號代表由該電動機位置信號源產(chǎn)生的電動機位置控制信號與實際位置信號之間的差異；以及一個直流電壓源，這直流電壓源是與該直流電動機相連的；其中，該電動機位置誤差信號是與該直流電壓源向耦連的，以便根據(jù)電動機的位置誤差信號來轉(zhuǎn)動該直流電動機的軸，從而校正在直流電動機軸的位置方面的任何誤差。
7.按照權(quán)利要求6所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于上述電動機的位置信號源包括一個微處理器和一個控制器。
8.按照權(quán)利要求6所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于上述反饋電路包括一個專用集成電路(ASIC)，它被設(shè)計來根據(jù)隨時間變化的電流值產(chǎn)生實際位置信號。
9.按照權(quán)利要求6所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于上述反饋電路還包括一個配置來產(chǎn)生電動機的位置誤差信號的比較器，這位置誤差信號代表電動機位置信號源產(chǎn)生的電動機位置控制信號與實際位置信號之間差異。
10.按照權(quán)利要求6所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于打印機中。
11.按照權(quán)利要求6所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于該直流電動機包括一個換向器，該換向器包括一些槽口并做成能轉(zhuǎn)動的構(gòu)形；一些繞組，這些繞組的數(shù)目比換向器的槽口數(shù)目多一個。
12.按照權(quán)利要求11所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于這些繞組中有兩個繞組在電學(xué)上是并聯(lián)的。
13.一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括一個直流電動機，它具有一軸，這直流電動機被這樣配置，使得在該電動機上施加一恒定電流就能使軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)這軸轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生一隨時間變化并具有最大值的電壓，一個最大值能顯示該電動機軸的一個位置；一個電動機的位置信號源，電動機的位置信號源產(chǎn)生出電動機的位置控制信號，用來將這直流電動機的軸轉(zhuǎn)動到一個希望的位置上；一個反饋電路，它是配置來產(chǎn)生一個代表這直流電動機軸的實際位置的實際位置信號，這實際位置信號是由隨時間變化的電壓值導(dǎo)出的，而且它還被配置來產(chǎn)生電動機的位置誤差信號，這位置誤差信號代表由該電動機位置信號源產(chǎn)生的電動機位置控制信號與實際位置信號之間的差異；以及一個恒定電流源，這恒定電流源是與該直流電動機相連的；其中，該電動機位置誤差信號是與該恒定電流源相耦連的，以便根據(jù)電動機的位置誤差信號來轉(zhuǎn)動該直流電動機的軸，從而校正在直流電動機軸的位置方面的任何誤差。
14.按照權(quán)利要求13所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于上述電動機的位置信號源包括一個微處理器和一個控制器。
15.按照權(quán)利要求13所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于上述反饋電路包括一個專用集成電路(ASIC)，它被設(shè)計來根據(jù)隨時間變化的電流值產(chǎn)生實際位置信號。
16.按照權(quán)利要求15所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于上述反饋電路還包括一個配置來產(chǎn)生電動機的位置誤差信號的比較器，這位置誤差信號是電動機位置信號源產(chǎn)生的電動機位置控制信號與實際位置信號之間差異的代表。
17.按照權(quán)利要求13所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于打印機中。
18.按照權(quán)利要求13所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于該直流電動機包括一個換向器，該換向器包括一些槽口并做成能轉(zhuǎn)動的構(gòu)形；一些繞組，這些繞組的數(shù)目比換向器的槽口數(shù)目多一個。
19.按照權(quán)利要求18所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于這些繞組中有兩個繞組在電學(xué)上是并聯(lián)的。
20.一種在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中控制直流電動機位置的方法，這方法由下列步驟組成產(chǎn)生電動機的位置控制信號，用來將直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望位置；產(chǎn)生一種實際位置信號，來代表該直流電動機軸的實際位置，這實際位置信號是從該直流電動機的隨時間變化的電流值導(dǎo)出來的；產(chǎn)生一電動機的位置誤差信號，來代表電動機的上述位置控制信號與上述實際位置信號之間的差異；以及根這據(jù)誤差信號來產(chǎn)生一直流電壓，以便將該直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望的位置。
21.一種在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中控制直流電動機位置的方法，這方法由下列步驟組成產(chǎn)生電動機的位置控制信號，用來將直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望位置；產(chǎn)生一種實際位置信號，它代表該直流電動機軸的實際位置，這實際位置信號是從該直流電動機的隨時間變化的電壓值導(dǎo)出來的；產(chǎn)生一電動機的位置誤差信號，來代表電動機的上述位置控制信號與上述實際位置信號之間的差異；以及根這據(jù)誤差信號來產(chǎn)生一穩(wěn)恒電流，以便將該直流電動機軸轉(zhuǎn)動到希望的位置上。
全文摘要
公開了一種用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的直流電動機,它可產(chǎn)生一指示電動機位置的隨時間變化的信號。電動機包括一個轉(zhuǎn)動的有槽口的換向器,繞組以及電刷,繞組數(shù)比槽口數(shù)多一個,電刷使加在電刷兩端的直流電壓轉(zhuǎn)動換向器。還公開了一種閉環(huán)控制系統(tǒng),它包括一個直流電壓源,一個按本發(fā)明構(gòu)造的電動機,一個電動機位置信號源,和一個反饋電路。還公開了在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中控制按本發(fā)明構(gòu)造的直流電動機位置的方法。
文檔編號G05B19/23GK1214566SQ9810936
公開日1999年4月21日 申請日期1998年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月14日
發(fā)明者D·蘭德 申請人:惠普公司