专利名称：带有电刷位置探测器的电动机控制器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及电刷式电动机。更具体的，本发明涉及自动探 测导电电刷位置的用于电刷式电动机的控制器。
背景技术：
通过将电能转换成机械能而工作的电动机用于为许多节约人力的 设备提供动力。 一种代表性的电动机可包括电枢、定子、换向器、以 及多个电刷。可包括第一电刷和第二电刷的所述多个电刷能够从电源 传导电流到换向器。在代表性的直流电机中，第一电刷可作为负极端 子，第二电刷可作为正极端子(反之亦然)，使得电流能够传导通过 换向器。第一电刷(或常用电刷)可以是相对于换向器安装在固定位 置的电流传导电刷。第二电刷可以是能够安装在多个位置的电流传导 电刷。在一种替代构造中，第二电刷可安装在固定位置，并且可有安 装在固定位置的第三电刷。在这种构造中，开关电路可用来保证只有 第二电刷和第三电刷中的一个能够在给定时间里传导电流。类似的， 可以有第四电刷等。
在只有两个电刷的电动机中，改变第二电刷相对于第一电刷和/或 相对于换向器的位置可得到不同的最佳电动机速度和转矩范围或模 式。例如，低速、高转矩运转模式可通过设置第二电刷的位置使得其
与第一电刷之间的圆周距离是180度来得到。类似的，更高速、更低
转矩运转模式可通过设置第二电刷的位置使得其与第一电刷之间的圆 周距离小于180度来得到。在具有第三、第四等电刷的电动机中，不
同的运转模式可通过操纵开关电路来控制笫二，第三，第四等电刷中 的哪一个能在给定时间里传导电流来得到。
为了保证电动机不会损坏或过热，供应给电动机的工作电流的量
应该符合由传导该电流的电刷的位置所确定的最佳工作模式。如果设 置电刷的位置使得电动机处于低速工作模式，那么控制器应该提供低 速运转所要求的电流量。供应高速工作电流给设置成低速运转的电动 机可导致电动机过热和/或损坏。另外，如果电刷位置确定电动机处于高速运转模式，那么控制器应该提供高速运转所要求的电流量使得电 动才几有效和安全地运转。
一般的，用户行为通知控制器符合当前电刷构造的电动机的最佳 运转模式。用户行为可包括翻转开关，按下按钮，转动旋钮，等等。 如果用户未能正确地通知电源控制器由电刷构造所确定的最佳运转模 式所要求的电流，电动机将会低效率地运行和/或损坏。因此，需要一 种电刷式电动机，其中在不需要用户行为的情况下可自动探测电流传 导电刷的位置。进一步，需要一种电刷式电动机，其中能够基于所探 测到的电流传导电刷的位置而自动供应所要求的工作电流。
发明内容
用于电刷式电动机的控制器自动探测导电电刷位置并且确定输入 到电刷式电动机的适当的工作电流。在示范性的方法中，测试信号净皮 传送到电动机的输入端。使用电动机的输出来测量测试信号的响应。 基于所测量到的响应，能够传导电流通过电动机的换向器的电刷位置 被确定。如果电刷在第一位置，则电动机被供以第一电流输入，如果 电刷在第二位置，则电动机被供以第二电流输入。
另一个示范性实施例提供了计算机可读介质，其上存储有计算机 可读指令，所述指令在被处理器执行时使处理器控制电动机的输入。
指令包括传送测试信号到电动机的输入端。基于电动机的输出，接收 测试信号的响应。基于所接收到的响应，能够传导电流通过电动机的 换向器的电刷位置被确定。如果电刷在第一位置，则电动机被供以第 一电流输入，如果电刷在第二位置，则电动机被供以第二电流输入。
另一个示范性实施例提供了电动机系统。电动机系统包括电动机
和控制器。电动机包括换向器；第一电刷，安装成使得第一电刷能 够传导电流通过换向器；和笫二电刷，安装成使得第二电刷能够传导 电流通过换向器。控制器被设置成传送测试信号到电动机。使用电动 机的输出来测量测试信号的响应。基于所测量到的响应，第二电刷的 位置被确定。
对于本领域的技术人员来说，示范性实施例的其他原理特点和优 点将通过查阅所附的附图，详细描迷，和所附的权利要求而变得显而 易见。
示例性实施例将在此后参照附图来描述，其中相同的附图标记将 表示相同的元件。
图l是根据示范性实施例的连接到控制器的电动机的横断面视图。
图2是说明根据示范性实施例的电动机系统的框图。 图3是说明根据示范性实施例的第二个电动机系统的框图。 图4是根据示范性实施例的换向器和电刷构造的原理图。 图5是说明根据示范性实施例的用于探测导电电刷位置和控制电 动机的控制电路的电路图。
具体实施例方式
图1说明了根据示范性实施例的电动机62和控制器35。电动机 62包括第一电刷64，第二电刷66，换向器68，电枢70，定子72，和 轴74。延伸通过电动机62的围壁76的轴74由多个轴承78支撑来减 少转动摩擦。电枢70可包括芯体以及多个电流传导线圈80或环绕芯 体的绕组。电枢70可部分或全部被定子72环绕，并且可旋转的安装 在定子72中。定子72可包括一个或多个固定的永磁体。当来自电源 的工作电流施加到电枢70的一个或多个电流传导线圏80时，根据洛 伦茨力定律产生电磁力。所产生的电磁力与定子72中的一个或多个固 定的永磁体产生的磁场力相互作用，导致电枢70如本领域的技术人员 所知的那样转动。
到达电枢70的工作电流可由能够与电源通信的控制器35提供。 电源可包括脉宽调制驱动器或任何其他能够操作基于实施例的电动机 62的驱动器。控制器35可通过第一电刷64和第二电刷66提供工作电 流到换向器68。在示范性实施例中，换向器68可相对于第一电刷64 和第二电刷66转动。或者，第一电刷和笫二电刷可相对于换向器转动。 所提供的工作电流可流过换向器68进入电枢70，产生转动电枢70所 需的电磁力。
在示范性实施例中，第二电刷66可安装在第一位置84 (如图1所 示)或第二位置86。诸如翻转速度选择开关、转动速度选择旋钮等等 的用户行为可导致第二电刷66从第一位置84运动到第二位置86或者 反之亦然。或者，可手动地使第二电刷从一个位置运动到另一个位置。第一位置84可对应换向器68的第一部分，第二位置86可对应换向器 68的第二部分，其中第一部分和第二部分至少部分不同。第一位置84 可与第一电刷64之间相距第一圆周距离，笫二位置86可与第一电刷 64之间相距第二圆周距离。
将第二电刷66安装在第一位置84导致第二电刷66传导电流通过 换向器68的第一部分，并得到电动机62的第一最佳运转模式。将第 二电刷66安装在第二位置86导致第二电刷66传导电流通过换向器68 的第二部分，并得到电动机62的第二最佳运转模式。或者，第二电刷 可在对应换向器的多于两个的部分的多于两个的位置之间运动，使得 可提供多于两个的最佳运转模式。为了保证供应正确的工作电流给电 动机62，控制器35能探测第二电刷66的位置，并且相应地控制工作 电流。控制器35的电刷探测将参照图2到5更详细描述。
在替代的实施例中，参照图1描述的电动机可改进为以本领域净支 术人员所知的任何方式运转。进一步，电动机可包括更少或附加的组 件，组件能够以可将电能转换为机械能的任何方式相互作用。例如， 一个或多个永磁体可安装在电枢上而不是定子上，并且与电枢相对的 定子可包括一个或多个电流传导线圈。在此提供的关于电动机运转的 概要描述是仅仅用来提供相关内容，而不用来作为任何限制。示范性 实施例可应用于如本领域4支术人员所知的任何电刷式电动机。
图2是说明包括电动机5和用于电动机5的控制器35的电动机系 统60的框图。电动机5包括电枢10,换向器20,第一电刷55,和第 二电刷50。第二电刷50安装在第一位置15,并且能够安装在第二位 置25。第一电刷55安装在第三位置30。在示范性实施例中，第一电 刷55可相对于换向器20固定。第一电刷55和第二电刷50可安装成接 触换向器20，使得电流可传导通过换向器20。在替代实施例中，电动 机可包括安装在第二位置的第三电刷，使得第二电刷和第三电刷中的 仅仅一个在给定时间内是电流传导电刷。这样的实施例参考图3说明。
控制器35可包括导电电刷位置探测器，其用于确定第二电刷50 是位于第一位置15还是第二位置25。或者，控制器和导电电刷位置探 测器可以是分开的元件。为了确定导电电刷的位置，控制器35可通过 输入路径40传送测试信号到电动机5的输入端。在示范性实施例中， 测试信号可由用于提供工作电流到电动机5的电源或脉宽调制驱动器产生。或者，测试信号可由不同的测试信号发生器产生。测试信号可
以是不足以运转电动机5 (即，不能导致电枢10转动)的低占空比电 流脉沖。例如，在示范性实施例中，低占空比电流脉冲可具有2%的占 空比，而可能需要6%的占空比脉冲来导致电机转动。占空比可取决于 所使用电机的运转特性而不同。因此，2%的低占空比电流脉冲并不是 限制性的，而仅仅是示范性的。
如果第二电刷50位于笫一位置15，测试信号可导致在第一输出路 径45处的输出信号，如果第二电刷50位于第二位置25，测试信号可 导致在笫二输出路径65处的输出信号。可从输出信号测量响应。所测 量的响应的值可用于确定第二电刷50所处的位置，因为从输入路径40 到第一输出路径45之间的电阻相对于从输入路径40到第二输出路径 65之间的电阻可以是不同的。这样，测试信号导致的响应会取决于响 应是来自第一输出路径45还是第二输出路径65而不同。这个相同的 过程可用于探测在如下构造中的导电电刷的位置，该构造包括第三电 刷，第四电刷，第五电刷，等等。在替代实施例中，参考图1描述的 输入和输出路径可相反设置，使得第一输出路径是第一输入路径，第 二输出路径是第二输入路径，即输入路径是输出路径。
在示范性实施例中，响应可以是已知电阻上所确定的电压。控制 器35可通过比较所测量到的响应和响应阈值来确定第二(或导电)电 刷的位置。在替代实施例中，控制器可通过比较所测量到的响应与响 应值的表格或列表中的条目来确定第二 (或导电)电刷的位置。使用 所探测到的第二 (或导电)电刷的位置，控制器35可确定最佳运转模 式，并且为电动机5供应合适的工作电流。
图3是说明包括电动机205和用于电动机205的控制器35的电动 才几系统200的框图。电动机205包括笫一电刷220，第二电刷210，和 第三电刷225。第二电刷210安装在第一位置215,第三电刷225安装 在第二位置230，第一电刷220安装在第三位置235。开关电路可用于 控制第二电刷210和笫三电刷225中的哪一个在给定时间内传导电流。 传导电流通过第二电刷210可得到电动机205的第一最佳运转模式， 传导电流通过第三电刷225可得到第二最佳运转模式。控制器35可用 于探测第二电刷210和第三电刷225中的哪一个在给定时间内传导电 流。探测导电电刷的过程与参考图2所描述的探测过程类似。控制器 35可通过输入路径240传送测试信号到电动机205的输入端。如果第 二电刷210传导电流，测试信号可导致在第一输出路径245处的输出 信号，如果第三电刷225传导电流，测试信号可导致在第二输出路径 250处的输出信号。从输出信号可测量响应。所测量到的响应值可用于 确定导电电刷的位置，因为从输入路径240到第一输出路径245之间 的电阻可与输入路径240到第二输出路径250之间的电阻不同。这样， 由测试信号所导致的响应可取决于响应是来自第一输出路径245还是 笫二输出路径250而不同。在替代实施例中，电动机可包括笫四电刷， 第五电刷，等等。
图4是根据示范性实施例的换向器300和电刷构造的原理图。第 一电刷325可固定地安装在第三位置315。第二电刷320安装在第二位 置310，并且能够安装在第一位置305。控制器(未示出)可用于探测 第二电刷320是安装在第一位置305还是第二位置310。控制器可以是 参考如图2， 3和5所描述的控制器。图4所说明的构造不是用于作为 关于电刷位置的限制。示范性实施例可用于本领域的技术人员所知的 电刷式电动机中的电刷的任何构造。
图5说明了用于探测导电电刷位置和用于运转电动机100的控制 电路的电路图。电源120可用于供应电流到脉宽调制驱动器125。控制 器可指导脉宽调制驱动器125来供应合适的电流到电动机100。在示范 性实施例中，脉宽调制驱动器125可供应低占空比测试信号到电动机 IOO和一个或多个高占空比工作电流到电动机100。低占空比测试信号 可用于探测电动机100中的导电电刷的位置。 一个或多个高占空比工 作电流可以是以一种或多种运转模式运转电动机100所要求的一个或 多个电流。
测试信号可由脉宽调制驱动器125传送到电动机100的输入端 110。在示范性实施例中，测试信号可以是不足以驱动电动机100的低 占空比电流脉冲。或者，测试信号可以是能够用来确定导电电刷位置 的任何电信号。输入端110可以是电动机100的第一电刷。或者，输 入端可以是第二电刷或其他能够传导测试信号的元件。测试信号可从 输入端110流过电动机100到达输出端115。在示范性实施例中，输出 端115可以是电动机100的第二电刷。或者，输出端可以是第一电刷或能够传导测试信号的其他元件。在示范性实施例中，测试信号可在
电动机100的实际运转之前的启动时期传送。启动时期可以是任何时 期，在该时期内控制电路是完整的并且脉宽调制驱动器125能够提供 电信号到电动机100。
可使用输出信号来测量响应。在示范性实施例中，所测量到的响 应可以是通过利用输出端115处的输出电流、已知电阻105、以及欧姆 定律(电压=电流*电阻)所获得的电压值。输出电流可基于导电电刷 在电动机100中所处的位置而不同。如果导电电刷在第一位置，那么 沿从输入端IIO到输出端115的路径可具有第一电阻。第一电阻可导 致跨越电动机100的第一电压降，引起位于输出端115处的第一响应。 如果导电电刷在第二位置，那么沿从输入端110到输出端115的路径 可具有第二电阻。第二电阻可导致跨越电动机100的第二电压降，引 起位于输出端115处的与第一响应不同的第二响应。在示范性的实施 例中，导电电刷的位置可通过比较所测量到的响应与响应阈值来确定。 或者，所测量到的响应可与表格或列表中的一个或多个响应值来比较 以确定导电电刷的位置。
电动机100所要求的工作电流可取决于所确定的电动机100中导 电电刷的位置。例如，导电电刷的第一位置可对应电动机100的低速 运转模式，导电电刷的第二位置可对应电动机100的高速运转模式。 如果确定导电电刷位于第一位置，由控制器供应到电动机100的工作 电流可以是低速运转所要求的电流。如果确定导电电刷位于第二位置， 由控制器供应到电动机100的工作电流可以是高速运转所要求的电流。 低速运转所要求的工作电流可与高速运转所要求的工作电流不同。
控制电路的探测和控制过程可在单个控制器中实现。或者，探测 和控制过程可在不同的元件中实现。在一个实施例中，探测和控制过 程可实现为在计算机可读介质中的可执行的计算机可读指令。指令包 括传送测试信号到电动机的输入端。可基于电动机的输出接收测试信 号的响应。基于所接收到的输出，能够传导电流通过电动机换向器的 电刷位置可被确定。如果电刷位于第一位置，电动机可被供以第一电 流输入，如果电刷位于第二位置，电动机可被供以第二电流输入。
以上示范性实施例的描述基于说明和描述的目的而呈现。其并不 是详尽的或旨在将本发明限制于所公开的精确形式，可以根据以上教
10导或者可以从实践获得改进和改型。所选取和描述的实施例是为了解 释本发明的原理，并且作为本发明的实际应用使得本领域的技术人员 能够在各种不同实施例中利用本发明，并且为适合预期的特殊用途带 有各种不同的改进。本发明的范围由本发明所附的权利要求及其等同
物来限定。
权利要求
1. 一种用于确定输入到电动机的电流的方法，包括传送测试信号到电动机的输入端的手段；使用电动机的输出测量测试信号的响应的手段；基于所测量到的响应确定能够传导电流通过电动机换向器的电刷位置的手段；以及如果电刷位于第一位置则为电动机供应第一电流输入和如果电刷处于第二位置则供应电动机第二电流输入的手段。
2. 如权利要求1所述的方法，其中测试信号是电流脉冲。
3. 如权利要求2所述的方法，其中电流脉冲不足以运转电动机。
4. 如权利要求1所述的方法，其中电刷位置通过比较测量到的 响应和响应阈值来确定。
5. 如权利要求1所述的方法，其中电刷位置通过比较测量到的 响应和多个响应值来确定。
6. 如权利要求1所述的方法，其中响应是已知电阻上所测量到 的电压。
7. —种计算机可读介质，所述计算机可读介质在其中存储有计 算机可读指令，指令在被处理器执行时使处理器控制电动机的输入， 指令包括传送测试信号到电动机的输入端； 基于电动机的输出接收测试信号的响应；基于所接收的响应确定能够传导电流通过电动机换向器的电刷位 置；以及如果电刷位于第一位置则供应电动机第一电流输入，如果电刷位 于第二位置则供应电动机第二电流输入。
8. 如权利要求7所述的计算机可读介质，其中测试信号是电流 脉冲。
9. 如权利要求8所述的计算机可读介质，其中电流脉冲不足以 运转电动机。
10. 如权利要求7所述的计算机可读介质，其中所测量到的响应 是已知电阻上所确定的电压。
11. 如权利要求7所述的计算机可读介质，其中电刷位置通过比较响应和响应阈值来确定。
12. 如权利要求7所述的计算机可读介质，其中电刷位置通过比 较响应和多个响应值来确定。
13. —种电动机系统，包括 电动机，其包括换向器；第一电刷，安装成使得第一电刷能够传导电流通过换向器；以及 第二电刷，安装成使得第二电刷能够传导电流通过换向器；以及 控制器，其设置为 传送测试信号到电动机； 使用电动机的输出测量测试信号的响应；以及 基于所测量的响应确定第二电刷的位置。
14. 如权利要求13所述的电动机系统，其中控制器进一步设置 成如果第二电刷安装在第一位置则供应第一输入电流到电动机，如果 第二电刷安装在第二位置则供应第二输入电流到电动机。
15. 如权利要求14所述的电动机系统，其中第一位置对应电动 机的第一运转模式，第二位置对应电动机的第二运转模式。
16. 如权利要求13所述的电动机系统，其中第一电刷被安装成 使得第一电刷接触换向器的第一部分，第二电刷被安装成使得第二电 刷接触换向器的第二部分。
17. 如权利要求13所述的电动机系统，其中测试信号在启动时 期中被传送。
18. 如权利要求13所述的电动机系统，其中控制器进一步包括 能够产生测试信号的脉宽调制驱动器。
19. 如权利要求13所述的电动机系统，其中电动机进一步包括 能够从换向器接收电信号的电枢。
20. 如权利要求13所述的电动机系统，其中所测量的响应是已 知电阻上所确定的电压。
全文摘要
公开了一种方法、计算机可读介质、以及用于自动确定输入到电动机的适当工作电流的系统。在示范性实施例中，确定适当工作电流输入的方法包括传送测试信号到电动机的输入端。使用电动机的输出来测量测试信号的响应。基于所测量到的响应，能够传导电流通过电动机换向器的电刷的位置被确定。如果电刷在第一位置，则电动机被供以第一电流输入，如果电刷在第二位置，则电动机被供以第二电流输入。
文档编号H02P8/08GK101548463SQ200780044863
公开日2009年9月30日 申请日期2007年11月6日 优先权日2006年12月5日
发明者E·富尔曼 申请人:林肯环球公司