[发明专利]用于闭环控制系统的直流电动机及其控制方法

说明书

本发明是1997年1月31日提出的，序号为08/791,735的共同未决美国专利申请的部分继续申请。

本发明一般涉及电动机，更具体地说涉及能产生供闭环反馈控制用的随时间变化信号的一种直流电动机。

电动机的控制系统可以用于各种应用场合，包括计算机，打印机，盒式磁带录相机(VCR)，汽车，以及立体声系统等场合。这些应用包括VCR磁头电动机，计算机软盘用的主轴电动机，光盘用的主轴电动机，磁带驱动器的磁带驱动主动轮，以及汽车座的定位电动机等等方面。电动机的控制系统可用于打印机上的下述事情：移动盒，移动打印介质，以及移动喷墨打印头的维护站的一些部件。

步进电动机和直流(dc)电动机两者都可用于这样的电动机控制系统。步进电动机常常用在开环配置中，在这种配置中，步进电动机接受一指令信号，使步进电动机的轴朝一预定的方向转动一预定的度数。这指令信号可以是由一微处理器产生的一个或多个脉冲，为了产生这一个或多个脉冲，使电动机轴朝预定方向转动预定的度数，以便完成指定的功能(例如，启动维护站将喷墨打印头加盖)，就得对这微处理器进行编程。可利用多个脉冲的极性和/或位相来控制步进电动机轴的转动方向。这种开环系统还能通过，例如，记录轴的起始位置和对已经传递的脉冲数进行计数的方法来跟踪步进电动机轴的位置。这开环步进电动机的控制系统提供对被控装置的精确的电动机控制和定位。

直流电动机既可用在开环配置，也可用在闭环配置中。在一个开环配置中，只要施加一直流电压的控制信号，电动机的轴就转动，而且在这控制信号撤去以后还会转动一段时间直到这转动轴的惯性被阻尼。直流电动机的轴的转动方向由这控制信号的极性控制。被控装置的精确电动机控制和定位，对于这样的开环直流电动机控制系统来说是困难的，这是因为在每次施加一控制信号时，电动机的轴并不象步进电动机那样转动一预定的角度。但是，利用直流电动机的控制系统也有一个优点，那就是，直流电动机的基本控制系统更为有效地利用了电力，因而运转费用没有开环步进电动机多，这是因为转动直流电动机的电力不象在步进电动机中那样是间断的。现今直流电动机也比步进电动机便宜。

已提出了各种方法来解决这个定位的问题，这些方法包括利用一些限位器和利用闭环直流控制系统。限位器是一些安置在被控装置的路径上的定位结构，它可阻止该被控装置朝特定方向的进一步移动。闭环直流电动机控制系统使用了一个反馈装置，如象一个编码器，一个转换器，或转数计来跟踪这直流电动机或被控装置的转轴的实际位置。将这实际位置反馈回去与希望的位置进行比较。两者之间的任何差异都可通过将进一步的信号送到电动机使电动机的轴转动，直到它把被控装置定位在恰好位置上的方法来进行校正。这种设计提供了被控装置的精确电动机控制和定位，它能很好地与开环步进电动机控制系统相比拟。这样的闭环系统的一个缺点就是这些反馈装置价格昂贵。这额外的费用可能导致这种闭环直流电动机控制系统的成本达到或超过开环步进电动机控制系统的成本。

本发明旨在通过利用直流电动机对被控装置实现精确的电动机控制和定位，而同时又避免使用昂贵的反馈控制装置来校正直流电动机中的原有误差。本发明是通过改变电动机转动时直流电动机的转子阻力来实现这一点，因而，若在恒定直流电压时，这直流电动机的电流就可重复地发生变化，或者若是在恒定直流电流时，这直流电动机的电压就可重复地发生变化。这种变化被反馈回去用来测定这电动机轴的精确位置。这轴，因而这被控装置，位置的任何误差这时都可被校正。

于是，本发明至少有一个优点，就是它包括一个直接设置在这电动机内的电动机位置反馈发生装置，因而传统的反馈发生装置，如编码器，转换器，以及转数计的成本就可免去。本发明的另一优点就是改进了的控制系统的良好可靠性，这是因为分离的反馈发生装置的故障已被当作总的系统性能的一个因素从该控制系统中消除。本发明的又一优点是，由于分离的反馈发生装置不需要当作每个控制系统的一部件来安装，可制造性增强。

从一方面来看，本发明是一个用于闭环控制系统的直流电动机。该直流电动机包括一个电流换向器，这电流换向器具有很多槽口并具有适于转动的构形。该直流电动机还包括一些绕组，绕组的数目比换向器的槽口数多一个。此外，该直流电动机还包括一些电刷，这些电刷被这样配置，使得在将直流电压施加在这些电刷的两端时至少在一个绕组中产生能引起换向器转动的电流。当这换向器继续转动时，直流电压连续地施加在这些电刷的两端就会使电流在不同数目的绕组中流动。