驱动电动机或具有容性电动机相的传动装置的方法和设备制造方法及图纸

在根据本发明专利技术的方法中，电动机械马达中马达相（１０Ａ，１０Ｂ）的充电和放电是靠电压源和马达相（１０Ａ，１０Ｂ）的容性负载之间的小电压差实施的。这伴随着一次一个连接一组电压源（３６）。来自放电过程的能量被存储，以用于随后的充电过程。在根据本发明专利技术的设备中，电压源是以容性或感应电压逐步增加或逐步降低电路如电荷泵的方式提供的。优选地，开关（３４）控制充电和放电。在一种优选实施例中，一个马达相（１０Ａ）的电容用于存储由另一个马达相（１０Ｂ）放电产生的电荷。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及电动机械马达或有容性马达/传动装置相(phase)的其它传动装置的驱动和控制，主要涉及减少该种马达或传动装置中的能量消耗的方法和设备。
技术介绍
有许多应用都需要能够进行精确定位控制的微型马达。其中，便携式设备，如照相机，电话和便携式电脑，对低能耗，低重量和价格有额外的要求。电动机械马达，如使用机械步进重复的压电马达，是这些应用的潜在选择。现有缺点之一是由于驱动电子器件中的能量损失引起的低效率。先前的解决方案包括压电元件中的机械共振，该方案至少在原理上提供了能量节省的可能性。对于精确定位特别是线性马达，共振马达并不理想，而例如惯性或准静态驱动装置较为理想。使用电谐振来减少能量损失是可能的，但是这降低了优化波形和小节距定位的可能性。迄今为止，能够进行准静态机械步进控制的马达由没有能量节省能力的波形发生器驱动。电动机械马达，如压电马达，拥有几个驱动元件，包含根据施加的电压改变形状的部件。从电的观点看，包含驱动元件的马达相是容性的，驱动这些电容器的一般方法是使用放大电路。模拟控制信号主要用作放大器的输入信号，从而为马达相提供合适的充/放电电压。当向马达相充电时，所有电流来源于放大器的能源。在马达相从零到能源电压的充电过程中，很容易看出放大器和连接器的能量损耗至少为1/2CU2，其中C是马达相的电容，U是能源电压。当把马达相完全放电到地电位时，又经历另一个1/2CU2的损耗。这意味着在每个充放电周期内，至少损失了CU2的总能量。因为电动机械马达的工作频率典型地在kHz范围内，所以总能量损耗很大。在设备的电子器件部分，大多数的能量损耗转化为热能，因此驱动器件通常需要相对大的体积。这对于小型化设备来说当然是个缺点。另外，在电池驱动设备中，高损耗将导致工作时间的减少。降低损耗量的一个方法是降低马达相的工作电压和/或容量。但是，这将以有害的方式明显影响马达相的性能。已经提出了一些关于如何减少马达或具有容性负载的其它传动装置的驱动电路的能量损耗的方案，见参考文献和。这些方案的共同之处就是在能量转移过程中使用电感元件来存储能量。基于电感元件的能量节省方案的缺点是低损耗电感器的体积大，并且在充放电过程中需要高级控制算法。在马达和驱动电子器件需要小型化的应用中，希望有一种没有或只有极小外部元件的方案。另外，复杂的控制算法对控制电子器件有特殊要求，从而增加价格和物理尺寸。在参考文献中提到了在驱动压电马达中电感的有用性。在放电过程中，开关关闭一段时间，以便在电感中建立电流。然后打开开关，利用电感中由此感应的电压将电流引导到电源。不幸的是，开关控制定时不简单，并且有效的电感体积很大。实践中，该种以电感为基础的设计还不能用于微型压电马达。在参考文献中，公开了驱动大容性负载的放大器。为了驱动磁激或压电材料的传动装置，使用有多个独立能源的驱动电路。假如使用n等分电压，则因为容性传动装置的能量由较小的电压级提供，所以充放电过程中的能量损耗将减少到1/n。给出两种建议的解决方案。一种是基于彼此首尾相连的单独小电源。另一种是具有公共电源并通过串连电容器提供较小的电压级。在前一种实施例中，多个电源意味大体积和高费用，特别在小型系统中这是不能接受的。在后一种例子中，要求高电压电源。这意味着使用的许多元件必须有相应的尺寸，这在小型系统中会很困难。另外传动装置产生的损耗或劳动必须通过充电电容器来补偿。因此，该能量不是由每一级提供的，而是直接通过主电压提供的。当今小型电机系统普遍需要解决的问题在于，使用并不昂贵的设备来获得节能电压供应电路。专利技术概述本专利技术的主要目的是提供用于减少电动机械马达或其它拥有容性马达相的传动装置内因驱动电子器件所造成的能量损失的方法和设备。本专利技术的另一目的是减小驱动电子器件的体积。另一目的是为电动机械马达的驱动电子装置提供更低费用的控制装置。还有一目的是为马达相提供工作电压，该工作电压超过电源电压。以上的目的是通过依照所附权利要求的方法和设备取得的。一般来说，电动机械马达中马达相的充放电是在电压源和容性负载之间很小的电压差的情况下实施的。放电操作中的能量被储存用于随后的充电操作。以步进或增加低压能源提供的电压的方法，最好是通过电压逐步增加/逐步降低电路，如基于二极管的电荷泵，提供电压源，而开关控制充放电发生。本专利技术的一个优点在于其能量损耗减少到基于晶体管的现有技术设备能量损耗的很小一部分。另一优点在于驱动电子器件的体积可以做得很小。另一优点在于马达可以由低压电源驱动。附图简述通过参考以下附图和描述，可以更好地理解该专利技术及其目的和优点，其中附图说明图1是用于依照基于晶体管的现有技术的马达相的典型驱动单元的电路图；图2是拥有三个串连电源的驱动单元的电路图；图3是拥有由单个电压源馈送四个电压源的驱动单元的电路图；图4a是依照本专利技术拥有五个离散电压梯级的基于二极管的电荷泵驱动单元的实施例的电路图；图4b是依照本专利技术用于驱动两个马达相的拥有五个电压源的基于二极管的电荷泵驱动单元实施例的电路图；图5是用于图4实施例的电压脉冲的示意图；图6a，6b，6c说明了依照本专利技术的拥有六个电压源的基于电容器的升压驱动单元实施例；图7是说明本专利技术中有用的单向双极晶体管开关的电路图；图8是说明本专利技术中有用的双向双极晶体管开关的电路图；图9是说明类似于图4b中示出的实施例，拥有依照图7和图8的开关的实施例的电路图；图10是说明具有固有电流极限的开关的电路图，该开关和步进马达驱动器一起使用；图11是说明马达相串连连接的电路图；图12是说明依照本专利技术的方法的基本步骤的流程图。专利技术详述在本专利技术中，“马达相”指的是由一个同样的电压信号一起驱动的一个或多个电动机械驱动单元部分。容性马达相有两个端子，如果没有其它的说明，其中一端连接到地，另一端可进行电压调节。有时，术语“马达相”指的只是调节端。术语“马达相”甚至也用于传动装置设备，该设备不是真正的“马达”。本专利技术以电动机械马达为例，但是也可用于使用容性“马达相”的任何传动装置系统。图1说明了依照基于晶体管的现有技术，用于驱动马达相10的典型驱动单元12。该驱动单元12包含由低电压电源Ulogic驱动的集成电路22。该集成电路22通过数据总线21向数模转换器20提供数字信号。接着，模拟电压从数模转换器20传送到放大电路16，调节输出到马达相10的输出端14的电压。当充电马达相时，电荷将从放大电路16流到马达相10。在该充电过程中出现了能量损耗。因为该电荷基本上取自电压为U的电源18，整个驱动单元中的损耗取决于马达相的电压和电源电压U之间的电压差。通常的放大器可以认为以这样的方式调节阻抗，放大器的电压差导致了要求的输出电压。放大器的功率损耗只是电压差和电流的乘积。这对使用依照现有技术基于晶体管的电压调节来说是真是的。在这个例子中，这样的能量损耗被称为电荷转移过程中因电阻性压降造成的能量损耗。当放电马达相时，马达相10的电荷将会传导到地。假如马达相10被充到电压U*，存储在马达相10中的能量等于1/2CU*2。因为没有能量恢复特性，在放电马达相的过程中该能量丢失了。可以减少充电和放电的电损耗。在该能量节省过程中的重要因数在于，当放电马达相时，电荷应以这样的方式送到电荷接收器，至少部分能量可本文档来自技高网...

【技术保护点】
驱动电动机械马达或具有容性马达相（１０，１０Ａ－１０Ｄ）的其它传动装置的方法，包含重复以下步骤：　　　　通过每次一个地在所述容性马达相（１０，１０Ａ－Ｄ）和一组电压源（３６；３６Ａ－Ｄ）之间进行电荷转移，对所述容性马达相（１０，１０Ａ－Ｄ）充电和放电；　　　　其特征在于以下步骤：　　　　在所述电压源组（３６；３６Ａ－Ｄ）中，通过逐步增加容性电压来支持电压源。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S约翰松，A杨松，K哈坎松，
申请(专利权)人：高压马达乌普萨拉有限公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]