CN1146520C - 用于控制压电振动的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用来控制由压电振动元件、振动单元、以及驱动单元组成的设备中的压电振动的方法和设备。压电振动控制是通过以使振动单元不发生明显振动的频率使压电振动元件振动；检测电压、电流和二者间的相位差；以实际振动振动单元所要求的频率驱动所述压电振动元件；在振动单元被振动时检测驱动电压和驱动电流；得出与振动单元的振动无关的电流分量；计算与振动单元的与振动有关的电流分量；并控制其为预定值来实现的。

Description

用于控制压电振动的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于控制压电振动的方法和设备，更具体地涉及用作部件供给器或类似设备以通过振动来供给各种类型的部件的压电振动器的控制振动的方法以及用于同一目的的系统。

背景技术

用于具有一装有部件并通过象料斗施加振动而送出每一部件的料斗的部件供给器的常规振动控制，例如第KOKAI(早期出版物)57-27808号已出版的日本专利申请中公开的，是通过利用光电变送器检测料斗的振动，将得到的料斗振动幅值反馈给控制供给用来驱动料斗的电磁铁的电流，并在任何时候均以恒定幅值驱动料斗的幅值控制回路而实现的。

在另一系统中，如Susumu Yagi的1994年12月13日公开的第5,372,237号美国专利中公开的，装在料斗中的部件由于料斗的振动而从部件送出部分供给到一滑槽中，且当每一个要供给组装机器的部件从滑槽滑下时，经过滑槽的部件被光电传感元件所检测以控制部件供给的速率。

在基于常规技术的方法中，从部件供给器供应的部件的数量随着诸如电压或温度这样的外部环境而变化，且由于这一原因而很难稳定地供给部件。为了控制部件供给速率，这种部件供给器提供有诸如光电变送器这样的传感器以检测机械振动或运动并将其转换为电信号进行反馈控制。因而，控制系统变得复杂，设备尺寸增大，成本也上升。

发明内容

因而，本发明的目的是提供一种用来控制具有简单配置的并能够精确地振动的压电振动元件的振动的方法和设备。

根据本发明的一个方面，提供一种控制由压电振动元件、接有压电振动元件的压电振动单元、以及用来驱动压电振动元件的功率放大器组成的设备中的压电振动的方法，其特征在于包括以下步骤：以使所述振动单元不发生振动的频率使压电振动元件振动；在压电振动元件被以所述频率驱动时检测电压、电流和电压与电流间的相位差；以实际振动振动单元所要求的频率驱动所述压电振动元件；在所述振动单元被振动时检测驱动电压和驱动电流；根据两个所述检测到的电压、在压电振动元件被以所述频率驱动时检测到的电流、和相位差，并根据公式 ${\mathrm{Ib}}_0=\frac{\mathrm{Vb}\·\mathrm{fb}}{\mathrm{Va}\·\mathrm{fa}}\×\mathrm{Ia}$ 得出与振动单元的振动无关的电流分量；根据与振动无关的电流分量和检测到的驱动电流，并根据公式Ib₁＝Ib-Ib₀计算与振动单元的振动有关的电流分量；以及控制与所述振动有关的电流分量为预定值，使得如果得到的振动电流分量值小于预设值，就增加驱动电压，而如果得到的振动电流分量值大于预设值，就降低驱动电压。

根据本发明的另一方面，提供一种由压电振动元件、接有压电振动元件的压电振动单元、以及用来驱动压电振动元件的功率放大器组成的设备中的压电振动控制系统，其特征在于包括：用来检测驱动所述压电振动元件的电压以及电流的检测器；控制单元，用来根据在压电振动单元以使所述振动单元不发生振动的频率被驱动时检测的电压、电流和电压与电流间的相位差，以及根据在压电振动单元以实际振动振动单元所要求的频率被驱动时检测的电压，计算与所述振动单元的振动无关的非振动电流分量，用来根据非振动电流分量和检测的驱动电流计算与所述振动单元以所述频率振动有关的振动电流分量，以及用来控制与振动有关的所述振动电流分量为预定值。

在根据本发明的控制压电振动的方法和设备中，振动是根据驱动电流而被直接控制的，没有使用任何检测机械振动的传感器，因而其配置可被简化并能进行精确的控制。

附图说明

从结合以下附图进行的介绍中可明确的看出本发明的其他目的、特征和优点，其中：

图1是其中采用了根据本发明的控制器的常规压电振动部件供给器的图解透视图；

图2是表示振动部件供给器的振动幅值和送出的部件的数量之间的一般关系的图表；

图3是压电振动部件供给器的等值回路图；

图4是根据在控制器本体内采用的本发明的第一实施例的压电振动控制系统的原理方框图；

图5是表示根据图4所示的实施例的压电振动控制系统中的控制顺序的流程图；

图6是表示压电振动部件供给器的振动幅值的一般特性的图表；

图7是表示根据图4所示的实施例部件供给器的电流和加速的频率特性的图表；

图8是在根据图4所示的实施例的压电振动控制系统的控制下的电流分量的向量图；

图9是表示根据本发明的第二实施例的压电振动控制系统中的控制内容的图表；及

图10是表示压电振动元件的位移相对于激发力的延时的频率特性的图表。

具体实施方式

参照附图，图1表示其中采用了根据本发明的控制器10的压电振动部件供给器的一般结构。该部件供给器的结构与常规部件供给器基本相同。可简要描述如下：部件供给器1包括提供有在其形式为略向上方倾斜的内部外表面上形成的螺线形部件供给道3的侧壁的料斗2以及在其上端与料斗2的下侧按与之形成预定角度相连的多个片弹簧4。相应的片弹簧4的下端直接与相应的压电振动元件5的上端相连。压电振动元件5的下端按与其上端相同的角度固定在基座部分6中。当作为动力的电被间断地供给压电振动元件5时压电振动元件5就振荡或振动。压电振动元件5的振荡或振动通过片弹簧4被传送给部件供给器1的料斗2。基座部分6通过台垫或缓冲部件7固定安装在地面上。压电振动元件5还共同形成构成振动发生单元的主要部分的压电驱动单元。部件供给器的运行例如在Yagi等的1995年12月5日的第5,472,079号美国专利中进行了介绍，这里引入其思想作为参考。

一般地说，振动部件供给器的振动幅值与送出的部件数量之间具有图2所示的关系。在图2中的区域I中，由于部件供给器的振动很弱且部件沿料斗2的螺旋线形部件供给道3爬升的速度很慢，只能送出少量的部件。另一方面，虽然在区域III的振动很强且部件的速度很快，但部件在部件供给器1的转动部分(对中部分)落进料斗2中，这使得只有少量部件从中送出。因而，必须控制部件供给器的幅值使其位于最优区域II内。但是，根据部件重量的波动或环境温度的变化，即使在同样的电压、电流和频率下幅值也可能会改变。因此，在常规的技术中，在部件供给器1的主体上连接有用来检测幅值的传感器以便根据反馈控制来以恒定幅值控制部件供给器的振动。本发明的目的就是不采用上述传感器而对使用压电振动元件的振动单元的振动进行精确控制。

一个压电振动单元(例如压电振动部件供给器)的等值回路一般地如图3所示。在图3中，参考字母i₁表示与机械振动成比例的电流，而参考字母i₀表示与振动无关的电流。如果将与振动有关的电流i₁(以后称为“振动电流”)从实际测量的电流i_t中分离出来并将振动电流i₁控制为保持恒定值，振动单元就能以恒定的幅值振动，因为压电振动元件的幅值与振动电流之间具有线性和呈比例的关系。振动电流i₁可根据下面的公式(1)进行计算而得到，其中电流i₀是在压电振动元件以使振动单元几乎不振动的频率被驱动时测出的，而电流i_t(总电流)是在振动单元然后确实发生振动时测出的。

$\stackrel{\→}{i_1}=\stackrel{\→}{i_t}-\stackrel{\→}{I_0}----\left(1\right)$

下面参照附图对本发明的第一实施例进行介绍。如图4所示，本实施例的压电振动控制系统被用作用来向机器供给各种类型的部件的部件供给器1的振动单元，包括图1所示的部件供给器1、作为用于驱动部件供给器1的驱动单元的功率放大器12、以及向功率放大器12输出驱动信号的控制单元14。如图1所示部件供给器1提供有压电振动元件5而这些压电振动元件5由功率放大器12供应的驱动功率振动。此外，部件供给器1的压电振动元件5与电压检测器16和电流检测器18相连，从电压检测器16和电流检测器18来的每一输出均输入给控制单元14。

用来设定部件供给器1的压电振动元件5的幅值的振动电流设定器20的输出端与控制单元14相连。此外，如下面介绍的第二实施例所示，在进行频率控制的情况下，用来设定频率或幅值相位的设定器22的输出端也与控制单元14相连。

根据本实施例的压电振动控制系统的控制方法按图5所示的顺序进行。由于部件供给器的幅值的频率特性如图6所示，首先部件供给器1的压电振动元件5被以低于实际驱动频率的且在此频率下部件供给器1几乎不振动的频率fa驱动，且在压电振动元件被以此频率驱动时检测出电压Va，电流Ia和它们的相位差θ。该电流Ia基本等于图7所示的与振动无关的电流(非振动电流)，因为部件供给器没有发生振动。然后压电振动元件被以实际振动部件供给器1所需的频率fb驱动，并在部件供给器1实际振动时检测出驱动电压Vb，驱动电流Ib(总电流)。根据下面的公式(2)由检测出的驱动电压Vb和在部件供给器基本不振荡的频率fa下检测出的电压Va，电流Ia和它们的相位差θ计算出与实际振动无关的电流分量Ib₀，并根据下面的公式(3)由非振动电流分量Ib₀和驱动电流Ib计算出实际振动时的振动电流分量Ib₁。

${\mathrm{Ib}}_0=\frac{\mathrm{Vb}\·\mathrm{fb}}{\mathrm{Va}\·\mathrm{fa}}\×\mathrm{Ia}----\left(2\right)$

其中电流Ib₀和Ia指的是向量。

振动电流Ib₁用下式表示：

Ib₁＝Ib-Ib₀    ……(3)

且Ib₁可如图8所示得到。

在表示电流和加速的频率特性(正弦波驱动)的图7中，总电流和加速度是测量值，而非振动电流是根据上述公式(2)得到的值，振动电流是根据上述公式(3)得到的值。

对按如上所述得到的振动电流分量Ib₁进行调节以使部件供给器被驱动为以最有效的和最稳定的幅值送出部件。对部件供给器1而言，如果幅值太小，效率很低以至部件移动不大且只有少量部件被送出，与之相反，如果幅值太大，某些部件在对准过程中跌落，因而也使得送出的部件数量减少。因此，要求将幅值设定为根据部件的类型可有效地将部件送出这样的值。由于幅值与振动电流分量Ib₁之间基本上线性相关，通过控制振动电流分量Ib₁就可精确地控制幅值。

在如图5所示对振动电流分量Ib₁进行控制时，如果得到的振动电流分量Ib₁值小于预设值，就增加驱动电压，而如果得到的振动电流分量Ib₁值大于预设值，就降低驱动电压。于是，连续的控制就可以控制幅值为最优值。

利用根据本实施例的用来控制压电振动元件的振动的方法和设备，作为电信号的被控制的对象是根据压电振动元件的驱动电流检测出的，对电压进行控制不使用任何检测需转换为电信号的机械振动的传感器，这就能够简化配置和精确地进行幅值控制。

下面参照图9对根据本发明的压电振动控制系统的第二实施例进行介绍。根据本实施例的用来控制压电振动的方法和设备与第一实施例相同，控制则按图9所示实现。在该控制方法中，象上述实施例一样，部件供给器1的压电振动元件5被以低于实际驱动频率的且在此频率下部件供给器1几乎不振动的频率fa驱动，且在压电振动元件被以此频率驱动时检测出电压Va，电流Ia和它们的相位差θ_a。然后在部件供给器1实际振动时检测出驱动电压Vb和驱动电流Ib。根据上述公式(2)和(3)计算出振动电流分量Ib₁，还计算出振动电流Ib₁与驱动电压Vb间的相位差θ_b。将该相位差θ_b与预定值进行比较。如果发现相位差θ_b小于预定值，就增加驱动频率，而如果发现它大于预定值，就降低驱动频率。

上述控制可通过利用以下事实来进行：压电振动元件在谐振点的振动在相位上比驱动电流的振动延迟90°且与和振动有关的振动电流Ib₁的相位一致。就是说，如图10所示压电振动元件的相位对于与施加的力F(＝F₀sinωt)一般具有相位滞后的关系，因而在谐振点f₀处相位相对于作用力延迟90度。另一方面，振动电流Ib₁的相位与压电振动元件的实际位移的相位是互相一致的。因此通过检测相位的偏差并控制驱动信号的频率，压电振动元件可永远被控制在谐振频率上。

应当指出，如果压电振动元件是自激振动型的，如果将振动电流Ib₁的相位设计为比驱动电流的相位(图8中所示的φ)延迟90度，就可得到精确的振动。在这种情况下，设定器22用来设定幅值相位。如果压电振动元件是独立激励振动型的，用户将频率设为预定值。在这种情况下，通过检测振动电流的相位也可实现精确的相位控制。于是通过设定器22设置频率。

利用该实施例，和第一实施例一样，不使用任何复杂的传感器就可实现精确的频率控制。

应指出本发明并不仅限于上述实施例。本发明总体上不仅适用于部件供给器也适用于任何采用压电振动元件的设备。所介绍的实施例在所有方面都应被认为是解释性的而不是限制性的，本发明的范围在后面的权利要求中而不是上面的介绍中指明，因而其意义和范围属于等同于这些权利要求的所有的改变均应被认为包括在其中。

Claims (6)

1.一种控制由压电振动元件、接有压电振动元件的压电振动单元、以及用来驱动压电振动元件的功率放大器组成的设备中的压电振动的方法，其特征在于包括以下步骤：

以使所述振动单元不发生振动的频率(fa)使压电振动元件振动；

在压电振动元件被以所述频率驱动时检测电压(Va)、电流(Ia)和电压(Va)与电流(Ia)间的相位差(θ)；

以实际振动振动单元所要求的频率(fb)驱动所述压电振动元件；

在所述振动单元被振动时检测驱动电压(Vb)和驱动电流(Ib)；

根据两个所述检测到的电压(Va，Vb)、在压电振动元件被以所述频率驱动时检测到的电流(Ia)、和相位差(θ)，并根据公式 ${\mathrm{Ib}}_0=\frac{\mathrm{Vb}\·\mathrm{fb}}{\mathrm{Va}\·\mathrm{fa}}\×\mathrm{Ia}$ 得出与振动单元的振动无关的电流分量(Ib₀)；

根据与振动无关的电流分量(Ib₀)和检测到的驱动电流(Ib)，并根据公式Ib₁＝Ib-Ib₀计算与振动单元的振动有关的电流分量(Ib₁)；以及

控制与所述振动有关的电流分量(Ib₁)为预定值，使得如果得到的振动电流分量值小于预设值，就增加驱动电压，而如果得到的振动电流分量值大于预设值，就降低驱动电压。

2.根据权利要求1的方法，其中对驱动电压进行调节以使与振动有关的电流分量为恒定值。

3.根据权利要求1的方法，其中对驱动频率进行调节以使与所述振动有关的电流和驱动电压之间的相位差为预定值。

4.根据权利要求1的方法，其中对与所述振动有关的电流的相位进行调节以使其相对驱动电流的相位延迟90度。

5.一种由压电振动元件、接有压电振动元件的压电振动单元、以及用来驱动压电振动元件的功率放大器组成的设备中的压电振动控制系统，其特征在于包括：

用来检测驱动所述压电振动元件的电压以及电流的检测器(16，18)；

控制单元(14)，用来根据在压电振动单元以使所述振动单元不发生振动的频率(fa)被驱动时检测的电压(Va)、电流(Ia)和电压(Va)与电流(Ia)间的相位差(θ)，以及根据在压电振动单元以实际振动振动单元所要求的频率(fb)被驱动时检测的电压(Vb)计算与所述振动单元的振动无关的非振动电流分量(Ib₀)，用来根据非振动电流分量(1b₀)和检测的驱动电流(Ib)计算与所述振动单元以所述频率(fb)振动有关的振动电流分量(Ib₁)，以及用来控制与振动有关的所述振动电流分量(Ib₁)为预定值。

6.根据权利要求5的系统，其中所述振动单元是一个部件供给器。

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