专利摘要

本发明公开一种可变电容式直线静电电机的换相控制装置，包括驱动电源、电流检测电路、积分器和单片机，其中，驱动电源与静电电机连接，用于输出三相驱动信号以驱动动子滑动；电流检测电路用于检测流经静电电机的电流数据，并传送给积分器；积分器对电流数据进行积分得到电量传送给单片机，由单片机判断在电量的绝对值达到最大时控制电机换相。本发明还公开一种可变电容式直线静电电机的换相控制方法，首先获取流经静电电机的电流数据，并据此得到电量；然后在电量的绝对值最大处控制静电电机换相。此种技术方案可缩短可变电容式直线静电电机换相时加电时间，加快换相频率和运动速度，使静电电机保持长期稳定的运行。

权利要求

1.一种可变电容式直线静电电机的换相控制装置，所述可变电容式直线静电电机包括动子和定子，其中，定子固定在与其同宽的底板凹槽内，包含下板、粘贴在下板上的薄膜以及排列于薄膜表面的定子电极，且定子电极连接三相驱动电压；动子在下板上滑动，包含上板、粘贴在上板上的薄膜以及排列于薄膜表面的动子电极，且动子电极分别连接正极性驱动电压和负极性驱动电压；其特征在于：所述换相控制装置包括驱动电源、电流检测电路、积分器和单片机，其中，驱动电源与静电电机连接，用于输出三相驱动信号以驱动动子滑动；电流检测电路用于检测流经静电电机的电流数据，并传送给积分器；积分器对电流数据进行积分得到电量传送给单片机，由单片机判断在电量的绝对值达到最大时控制电机换相。

2.如权利要求1所述的可变电容式直线静电电机的换相控制装置，其特征在于：所述单片机还包括动子位置检测单元，用于将当前电量值与电量最大值相对比，从而判断此时动子的位置。

3.如权利要求1所述的可变电容式直线静电电机的换相控制装置，其特征在于：所述电流检测电路包括电压测量装置、计算装置和已知阻值的电阻，电阻连接在静电电机与地之间，电压测量装置用于测量电阻的端电压，并送入计算装置，计算装置将端电压与阻值相除从而得到流经静电电机的电流数据。

4.如权利要求1所述的可变电容式直线静电电机的换相控制装置，其特征在于：所述动子和定子间充有润滑介质。

5.一种基于权利要求1所述的可变电容式直线静电电机的换相控制装置的换相控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，电流检测电路获取流经静电电机的电流数据，并传送给积分器，积分器据此对电流数据进行积分得到电量传送给单片机；

步骤2，单片机判断在电量的绝对值最大处控制静电电机换相。

6.如权利要求5所述的换相控制方法，其特征在于：所述步骤2中，判断电量的绝对值最大处的方法是：设t时刻的电量为Qt，则对应的电流是将其与上一采样周期的电流进行比较，其中Δt是采样周期，Qt-1、Qt-2分别是t-1、t-2时刻的电量，当It·It-1≤0时，则将t时刻电量的绝对值作为最大值|Qmax|。

7.如权利要求5所述的换相控制方法，其特征在于：所述步骤2中，在电量的绝对值最大处控制静电电机换相的具体内容是：在电机运行过程中，当电量绝对值顺序达到最大值|Qmax|时，依次按照B相-A相-C相的顺序驱动换相。

8.如权利要求5所述的换相控制方法，其特征在于：还包括通过对比当前电量Q与电量绝对值最大值|Qmax|，获得当前动子的位置，具体方法是：当Q达到|Qmax|时，电机处于平衡位置，动子处于上下极板相对面积达到最大处；当Q未达到|Qmax|时，电机处于非平衡位置，动子处于两个平衡位置之间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用电流检测计和积分器来控制静电电机换相和检测动子位置的装置及方法。

背景技术

直线静电电机是一种同步电机，它由单个滑块和单个定子组成，产生直线运动。静电电机可以产生比相同尺寸的电磁电机更大的功率和力，这种优势使其可以应用在许多前沿的高性能机电系统中。为了减小滑块和定子间的摩擦力而充入的油性介质和微米珠使得控制回路的相位稳定裕量很低，电机容易出现失步的情况。采用开环控制时，控制电路简单，但是同时为确保电机达到平衡状态，导致加电时间长，电机换相频率低、运动速度慢，易出现失步现象，电机的高效运行和长期稳定运行都变得困难。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种可变电容式直线静电电机的换相控制装置及控制方法，其可缩短可变电容式直线静电电机换相时加电时间，加快换相频率和运动速度，使静电电机保持长期稳定的运行。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种可变电容式直线静电电机的换相控制装置，所述可变电容式直线静电电机包括动子和定子，其中，定子固定在与其同宽的底板凹槽内，包含下板、粘贴在下板上的薄膜以及排列于薄膜表面的定子电极，且定子电极连接三相驱动电压；动子在下板上滑动，包含上板、粘贴在上板上的薄膜以及排列于薄膜表面的动子电极，且动子电极分别连接正极性驱动电压和负极性驱动电压；所述换相控制装置包括驱动电源、电流检测电路、积分器和单片机，其中，驱动电源与静电电机连接，用于输出三相驱动信号以驱动动子滑动；电流检测电路用于检测流经静电电机的电流数据，并传送给积分器；积分器对电流数据进行积分得到电量传送给单片机，由单片机判断在电量的绝对值达到最大时控制电机换相。

上述单片机还包括动子位置检测单元，用于将当前电量值与电量最大值相对比，从而判断此时动子的位置。

上述电流检测电路包括电压测量装置、计算装置和已知阻值的电阻，电阻连接在静电电机与地之间，电压测量装置用于测量电阻的端电压，并送入计算装置，计算装置将端电压与阻值相除从而得到流经静电电机的电流数据。

上述动子和定子间充有润滑介质。

一种可变电容式直线静电电机的换相控制方法，包括如下步骤：

步骤1，获取流经静电电机的电流数据，并据此得到电量；

步骤2，在电量的绝对值最大处控制静电电机换相。

上述步骤2中，判断电量的绝对值最大处的方法是：设t时刻的电量为Qt，则对应的电流是 将其与上一采样周期的电流 进行比较，其中Δt是采样周期，当It·It-1≤0时，则将t时刻电量的绝对值作为最大值|Qmax|。

上述步骤2中，在电量的绝对值最大处控制静电电机换相的具体内容是：在电机运行过程中，当电量绝对值顺序达到最大值|Qmax|时，依次按照B相-A相-C相的顺序驱动换相。

还包括通过对比当前电量Q与电量绝对值最大值|Qmax|，获得当前动子的位置，具体方法是：当Q达到|Qmax|时，电机处于平衡位置，动子处于上下极板相对面积达到最大处；当Q未达到|Qmax|时，电机处于非平衡位置，动子处于两个平衡位置之间。

采用上述方案后，通过分析可知，当滑块在定子上滑动时，上下电极等效于由于相对面积的变化而大小不停改变的电容，本发明通过在电机的换相控制电路中串联电流检测电路，测量电路中电流大小并使用积分器进行积分得到电量，在电量的绝对值最大处控制电机换相。这样的闭环控制将大大缩减电机的加电时间，电机的换相频率高、运动速度快，不会出现失步现象，电机的高效运行和长期稳定运行得以实现。

同时，采用上述方案后，只需获取电机回路中的电流，积分得到电量值即可判断动子的当前位置，控制静电电机稳定地同步运转，解决了可变电容式直线静电电机运转速度过慢和快速运转时失步的问题，使静电电机长期稳定地运转。

附图说明

图1是本发明应用的可变电容式直线静电电机的分解结构示意图；

图2是本发明应用的可变电容式直线静电电机的定子和动子的分解结构示意图；

图3是本发明可变电容式直线静电电机的换相控制装置的结构示意图；

图4是采用SENSE电阻技术测量电流的电路图；

图5是采用求和积分电路进行积分的电路图；

图6是本发明进行换相控制的控制时序图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明所应用的可变电容式直线静电电机由一对柔韧的薄膜11、12组成，分别作为动子和定子，各薄膜上整齐地排列着电极13，积累电荷。上下极板的电位差导致上下薄膜之间产生静电斥力，静电斥力的法向分量起到减小定子和动子之间的摩擦力的作用，静电斥力的切向分量沿定子表面推动滑块。定子和动子之间及电极之间都保留微米级别的间隙。

如图2所示，为使静电电机运转，将带有电极的薄膜12、11分别粘贴在塑料板21、22上，下板(塑料板22)固定在与其同宽的底板凹槽内，作为定子，其上的电极为定子电极24；上板(塑料板21)在下板上滑动，作为动子，其上的电极为动子电极23。动子电极23依次分别接正极性驱动电压和负极性驱动电压，定子电极24接三相驱动电压。为了减少动子和定子之间的摩擦力，在其间充入润滑介质25。

如图3所示，本发明提供的换相控制装置，包括驱动电源、电流检测电路、积分器和单片机，其中，驱动电源与静电电机连接，用于输出三相驱动信号来驱动动子滑动；电流检测电路与静电电机串联，用于检测流经静电电机的电流数据I，并传送给积分器；积分器对电流数据I进行积分得到电量Q传送给单片机，由单片机判断在电量的绝对值达到最大时控制电机换相，还可通过对比当前电量值与电量最大值判断此时动子的位置；在本实施例中，单片机判断电量绝对值达到最大的方法是：单片机通过AD/DA模块按照一定采样频率完成积分器传送电量的数据采集，以一个采样周期为例，记录当前时刻的电量为Qt，则当前时刻的电流是 将其与上一采样周期的电流 进行比较，其中Δt是采样周期，当It·It-1≤0时，则判断t-1时刻电量的绝对值达到最大，但是考虑到实际操作，该时刻单片机未发出控制指令，因此将t时刻电量的绝对值作为最大值|Qmax|，当单片机采样频率足够高时，Qt和Qt-1非常接近，误差可以忽略。

再请配合图3所示，单片机包含有动子位置检测单元和电机换相单元，可变电容式直线静电电机在直线运动时的能量We是：

其中，C表示静电电机的等效电容，U表示加在静电电机上的电压值，Q表示静电电机上下极板间的电量，ε表示介电常数，S表示上下极板的相对面积，d表示上下极板的距离。

在We达到最大值时电机到达平衡位置，即Q达到最大值时电机达到平衡位置，电机换相，电机换相单元用于在Qmax处控制电机换相。Q达到最大值Qmax时，上下电极的相对面积S达到最大值，即上下电极处于正对的位置，检测动子位置单元用于对比当前Q和Qmax的值判断动子的当前位置，当Q达到Qmax时，电机处于平衡位置，动子处于上下极板相对面积达到最大处；当Q未达到Qmax时，电机处于非平衡位置，动子处于两个平衡位置之间。

本发明提供一种可变电容式直线静电电机的换相控制方法，包括如下步骤：

S1：由电流检测电路获取回路中的电流，并将获取的电流数据I传送给积分器；

S2：由积分器对获取的电流进行积分得到电量值Q，并将结果传送给单片机；

S3：单片机在获取电量的绝对值最大处控制静电电机换相；

S4：单片机通过对比当前获取电量值Q与电量最大值Qmax，可以获得当前动子的位置。

图4所示电路用于获取静电电机所在回路中的电流，放置一个已知阻值的电阻于电路末端，也即连接在静电电机与地之间，电流检测电路检测出电阻两端的电压就能间接检测出电感上流过的电流；为了减小对电路的影响，电阻阻值不能太大。

图5表示采用求和积分电路用于对获取的电流积分得到电量Q。

图6为电量Q的变化曲线和可变电容式直线静电电机的换相控制时序图。在t1时刻电量Q达到-Qmax，驱动电路B相换相，在t2时刻电量Q达到Qmax，驱动电路A相换相，在t3时刻，电量Q达到-Qmax，驱动电路C相换相，在t4时刻，电量Q达到Qmax，驱动电路B相换相，在t5时刻，电量Q达到-Qmax，驱动电路A相换相，在t6时刻，电量Q达到Qmax，驱动电路C相换相。按上述换相方式循环，即可完成可变电容式静电电机的换相控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

可变电容式直线静电电机的换相控制装置及控制方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。