CZ282974B6 - Způsob regulace frekvence motoru s postupnou vlnou a regulační zařízení k provádění způsobu - Google Patents

Abstract

Z amplitudy střídavého napětí odebíraného na statoru (11) motoru (10) s postupnou vlnou se získá skutečná veličina, úměrná skutečné velikosti budícího střídavého napětí motoru (10) s postupnou vlnou a porovná se se žádanou veličinou, úměrnou žádané frekvenci. Žádaná veličina se odvodí z amplitudově modulovaného snímaného napětí.ŕ

Description

Způsob regulace frekvence motoru s postupnou vlnou a regulační zařízení k provádění způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu regulace frekvence motoru s postupnou vlnou, který má kotoučový stator s na něm upevněným piezoelektrickým prstencem a kotoučový rotor, přitlačený na piezoelektrický prstenec přes třecí vrstvu, přičemž piezoelektrický prstenec nese dvě skupiny navzájem střídajících se pásem, které se budí střídavými napětími navzájem fázově posunutými o 90°, u kterého se z amplitudy jednoho střádavého napětí, tj. snímaného napětí, odebíraného na statoru motoru s postupnou vlnou, získá skutečná veličina, úměrná skutečné frekvenci, porovná se se žádanou veličinou, úměrnou žádané frekvenci a frekvence budicího střídavého napětí se koriguje regulační odchylkou v regulačním algoritmu. Předmětem vynálezu je i regulační zařízení k provádění způsobu.

Dosavadní stav techniky

Motory s postupnou vlnou, také nazývané ultrazvukové motory, jsou známé a jejich konstrukce, způsob funkce a jejich výhodné možnosti použití jsou popsány v následující literatuře:

Schadebrod a Salomon Der Piezo-Wandervellenmotor-Antreibselement in der Aktorik, Neues Wirkungsprincip Industrie-Anzeiger 6/1991, str. 32 - 34.

Schadebrod a Salomoh The Piezo Traveling wave Motor - ANew Element in actuation-, Control Engineering/Mai 1990, str. 10 - 18.

Yukihiko Ise, -Traveling Wave Ultrasonic Motors Offer High Efficiency, JEE, Juni 1986, str. 66 -70.

Pro regulaci motoru s postupnou vlnou je kontaktováno pásmo piezoelektrického tence ve statoru jako výstup snímače. Toto pásmo vysílá střídavé napětí, tzv. snímané napětí, které se použije pro regulaci motoru. Cílem způsobu regulace frekvence shora uvedeného druhu pro známý motor s postupnou vlnou je, udržovat pracovní bod motoru s postupnou vlnou v rezonančním rozsahu jeho charakteristiky, neboť v tomto pracovním rozsahu odevzdává svůj maximální výkon.

U známého způsobu tohoto druhu se žádaná velikost frekvence budicího střídavého napětí pomocí vysílače žádané hodnoty mění rukou tak dlouho, dokud uživatel na základě změny otáček a způsobování šumů motoru s postupnou vlnou nerozpozná, že se motor nachází v rezonanční oblasti. Potom se nechá žádaná velikost během provozu nezměněná. Tento nastavovací proces se musí provádět jak k vůli rozptylům parametrů pro každý jednotlivý motor s postupnou vlnou, tak také při každém opětovném uvedení do provozu se musí opakovat, neboť pracovní bod v klidovém stavu motoru s postupnou vlnou se může posunou navzdory nezměněné žádané velikosti frekvence, v důsledku vnitřních pochodů probíhajících v motoru s postupnou vlnou. Také během provozu není optimální pracovní bod při konstantní frekvenci, která podléhá ještě rozptylům u jednotlivých exemplářů, nýbrž je vystaven skluzům různých parametrů, takže známá regulace frekvence nevede ke stabilnímu pracovnímu bodu při maximálním výkonu motoru s postupnou vlnou.

Podstata vynálezu

Způsob regulace frekvence motoru s postupnou vlnou spočívá podle vynálezu v tom, že žádaná veličina se odvozuje z amplitudově modulovaného snímaného napětí. Způsob podle vynálezu má 5 tu přednost, že žádaná budicí frekvence se nenastavuje pevně, nýbrž se přizpůsobí okamžitému provoznímu stavu motoru s postupnou vlnou. K tomu použitá amplitudová modulace snímaného napětí vzniká v důsledku kmitání motoru s postupnou vlnou při překročení rezonančního bodu a při provozu v bezprostřední blízkosti tohoto rezonančního bodu. Tato amplitudová modulace se podle vynálezu použije k tomu, regulovat žádanou frekvenci tak, aby motor s postupnou vlnou 10 pracoval vždy v pracovním bodu maximálního výkonu.

Podle výhodného rozvinutí způsobu regulace podle vynálezu se amplitudově modulované napětí demoduluje, usměrní a porovná s předem zadanou amplitudově modulovanou žádanou hodnotou a rozdíl z porovnání se přivede druhému regulátoru (21), na jehož výstupu odebíraný akční signál 15 se použije jako žádaná hodnota. Tím vzniká superponovaný regulační obvod frekvence, který vytváří akční signál, který se použije místo ručního nastavování žádané frekvence. Tento superponovaný regulační obvod frekvence má tu přednost, že motor s postupnou vlnou se navzdory nejrůznějších ovlivňujících veličin ajejich driftů vždycky vyreguluje na optimální pracovní bod.

Podle dalšího výhodného rozvinutí způsobu regulace se amplitudově modulovaná žádaná veličina určí v závislosti od pružnosti třecí vrstvy mezi statorem a rotorem a přítlačné síly mezi nimi a přivede se prvnímu regulátoru.

Způsobem podle vynálezu se motor s postupnou vlnou vyreguluje také bez ohledu na rozptyl 25 parametrů u jednotlivých součástek na pracovní bod maximálního výkonu. Problémy s vyhledáváním stejných dvojic součástek avylaďovací problémy spojené se součástkami jsou zde rovněž odstraněny. Nastavovací proces při uvádění do provozu motoru s postupnou vlnou je zbytečný a provádí se superponovaným regulačním obvodem frekvence samočinně.

Regulační zařízení k provádění způsobu regulace frekvence je podle vynálezu vytvořeno tak, že motor s postupnou vlnou je spojen s výstupem napěťově řízeného oscilátoru, na jehož řídicí vstup je napojen výstup prvního regulátoru, kterému je předřazen první rozdílový člen, přičemž vstup amplitudového demodulátoru je spojen s motorem s postupnou vlnou a jeho výstup se vstupem usměrňovacího stupně, jehož výstup je spojen s druhým regulátorem, jehož výstup je 35 spojen se vstupem rozdílového členu.

Význakem vynálezu rovněž je, že druhý regulátor je PI-regulátor, tj. proporcionálně integrační regulátor zatím co první regulátor je PT]-regulátor, tj. proporcionální regulátor s časovým zpožděním prvního řádu.

Přehled obrázků na výkrese

Na obr. 1 je znázorněno blokové schéma zapojení regulačního zařízení k regulaci frekvence 45 motoru s postupnou vlnou.

Na obr. 2 je znázorněn diagram přenosové charakteristiky statoru motoru s postupnou vlnou.

Příklady provedení vynálezu

V obr. 4 v blokovém schéma zapojení znázorněné regulační zařízení pro motor 10 s postupnou vlnou je schématicky vyznačen stator 11 a rotor 12 motoru 10 s postupnou vlnou, přičemž vždy v bloku, znázorňujícím stator 11 a rotor 12, je znázorněna charakteristika jeho přenosového

-2CZ 282974 B6 chování. Konstrukce a způsob funkce motoru 10 s postupnou vlnou jsou v úvodu uvedené literatury podrobně popsány. Krátce shrnuto, motor 10 s postupnou vlnou sestává z kotoučovitého statoru 11, na kterém je upevněn piezoelektrický prstenec a z kotoučového rotoru 12 přitlačovaného přes třecí vrstvu na piezoelektrický prstenec. Neznázoměný piezoelektrický prstenec nese dvě skupiny střídajících se, polarizovaných piezoelektrických pásem, které se budí střídavými napětím navzájem fázově posunutými o 90°. Na piezoelektrickém prstenci kotouče statoru Uje pásmo s kontakty jako snímací výstup. Na tomto pásmu se odebírá střídavné napětí, tzv. snímané napětí. Přenosové chování statoru 11 je znázorněno v obr. 2. Znázorňuje amplitudový chod /poměr mechanické amplitudy k elektrické amplitudě/ nad budicí frekvencí statoru 11. Zřetelně je znát resonanční převýšení. Motor 10 s postupnou vlnou se nyní provozuje s takovou frekvencí, resp. budicí frekvencí, aby jeho pracovní oblast byla v resonanční části charakteristiky. Tato pracovní oblast je v obr. 2 znázorněna šrafovaně. Uvnitř této pracovní oblasti je pracovní bod, ve kterém motor 10 s postupnou vlnou dosáhne svého maximálního výkonu. Cílem dále popsaného způsobu regulace frekvence je, zajistit v maximu výkonu stabilní pracovní bod motoru 40 s postupnou vlnou.

K tomu se získá ze snímaného napětí skutečná veličina úměrná skutečné frekvenci budicího střídavého napětí a porovná se se žádanou veličinou úměrnou žádané frekvenci. Regulační odchylka mezi žádanou velikostí a skutečnou velikostí se podrobí vhodnému regulačnímu algoritmu a tím se budicí frekvence koriguje. Pokusy prokázaly, že při zadání pevné žádané velikosti se v důsledku driftů různých parametrů motoru 10 s postupnou vlnou jeho pracovní bod v pracovní oblasti nemůže udržet konstantním. Z tohoto důvodu se žádaná velikost nezadává pevně, nýbrž přídavně se vyreguluje v superponovaném regulačním obvodu. K tomu se amplitudově modulované snímané napětí, které bylo vyvoláno kmitáním motoru 10 s postupnou vlnou v bezprostřední blízkosti bodu resonance, demoduluje, usměrní a porovná s amplitudově modulovanou žádanou hodnotou. Rozdíl, vyplývající z porovnání se přivede regulátoru, jehož akční signál, odebíraný na výstupu, představuje nyní žádanou veličinu úměrnou žádané frekvenci. Amplitudově modulovaná žádaná hodnota se nyní určí v závislosti na pružnosti třecí vrstvy, nacházející se v motoru 10 s postupnou vlnou a přítlačnou silou mezi rotorem 12 a statorem 11.

Tento způsob regulace frekvence se provádí regulačním zařízením znázorněným v obr. 1. Přitom se budicí střídavé napětí motoru 10 s postupnou vlnou do dává napěťově řízeným oscilátorem 13, jehož oscilační frekvence je nastavitelná řídicím stejnosměrným napětím, které je na jeho řídicím vstupu. Řídicímu vstupu oscilátoru 13 je předřazen první regulátor 14, který je zde vytvořen jako PTi-regulátor, avšak může to být také jiný s vhodným regulačním chováním. Prvnímu regulátoru 14 je předřazen první rozdílový člen 15, na jehož invertujícím vstupu špičková stejnosměrná hodnota snímaného napětí, odebraného na piezoelektrickém prstenci. Tato špičková usměrněná hodnota se získá ze snímaného napětí pomocí vrcholového usměrňovače 16. Na neinvertujícím vstupu prvního rozdílového členu 15 je rovněž stejnosměrné napětí, které je dodáváno superponovaným regulačním obvodem 17. Tento regulační obvod 17 sestává z amplitudového demodulátoru 18, kterému se přivádí amplitudově modulované snímané napětí, usměrňovacího stupně 19, zařazeného za amplitudový demodulátor 18, přičemž usměrňovači stupeň 19 dodává stejnosměrné napětí, úměrné modulačnímu zdvihu snímaného napětí, z druhého rozdílového členu 20 a za ním zařazeného druhého regulátoru 21, jehož výstup je zapojen na neinvertující vstup prvního rozdílového členu 15. Výstupní napětí usměrňovacího stupně 19 se při tom přivádí invertujícímu vstupu druhého rozdílového členu 20, zatím co na jeho neinvertujícím vstupuje amplitudové modulovaná žádaná hodnota. Druhy regulátor 21 je zde proveden jako PI-regulátor, může ale také míti jiné vhodné regulační chování. Akční veličina druhého regulátoru 21 je žádanou hodnotou pro základní regulační obvod. Superponovaným regulačním obvodem 17 frekvence se nyní přídavně reguluje žádaná veličina základního regulačního obvodu a neudržuje se neměnná. Tím se navzdory vlivu různých veličin ajejich skluzu reguluje motor 10 s postupnou vlnou stále na pracovní bod maximálního výkonu.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob regulace frekvence motoru s postupnou vlnou, který má kotoučový stator s na něm upevněným piezoelektrickým prstencem a kotoučový rotor, přitlačený na piezoelektrický prstenec přes třecí vrstvu, přičemž piezoelektrický prstenec nese dvě skupiny navzájem střídajících se pásem, které se budí střídavými napětími navzájem fázově posunutými o 90°, u kterého se z amplitudy jednoho střídavého napětí, tj. snímaného napětí, odebíraného na statoru motoru s postupnou vlnou, získá skutečná veličina, úměrná skutečné frekvenci, porovná se se žádanou veličinou, úměrnou žádané frekvenci a frekvence budicího střídavého napětí se koriguje regulační odchylkou v regulačním algoritmu, vyznačující se tím, že žádaná veličina se odvozuje z amplitudově modulovaného snímaného napětí.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že amplitudově modulované snímané napětí se demoduluje, usměrní a porovná s předem zadanou amplitudově modulovanou žádanou hodnotou a že rozdíl z porovnání se přivede druhému regulátoru (21), na jehož výstupu odebíraný akční signál se použije jako žádaná veličina.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že amplitudově modulovaná žádaná veličina se určí v závislosti od pružnosti třecí vrstvy mezi statorem (11) a rotorem (12) a přítlačné síly mezi nimi a přivede se prvnímu regulátoru (14).
4. 4. Regulační zařízení k provádění způsobu regulace podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se t í m , že motor (10) s postupnou vlnou je spojen s výstupem napětově řízeného oscilátoru (13), na jehož řídicí vstup je napojen výstup prvního regulátoru (14), kterému je předřazen první rozdílový člen (15), přičemž vstup amplitudového demodulátoru (18) je spojen s motorem (10) s postupnou vlnou a jeho výstup se vstupem usměrňovacího stupně (19), jehož výstup je spojen s druhým regulátorem (21), jehož výstup je spojen se vstupem prvního rozdílového členu (15).
5. 5. Regulační zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že druhý regulátor (21) je PI-regulátor.
6. 6. Regulační zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že první regulátor (14) je PTi-regulátor.