DE102006021559A1

DE102006021559A1 - Speisenanordnung für eine Ultraschallvorrichtung

Info

Publication number: DE102006021559A1
Application number: DE102006021559A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr.-Ing. Fröhleke; Christopher Dipl.-Ing. Kauczor; Rongyuan Li
Original assignee: Universitaet Paderborn
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2008-11-13
Also published as: WO2007128271A3; EP2016676A2; US20090302932A1; WO2007128271A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen leistungsstarken 3-Punkt-Wechselrichter, der durch einen Pulsweitenmodulator gemäß Pulsmuster angesteuert wird. Die erzeugte Wechselrichterspannung dient als Eingangssignal für den LLCC-Bandpassfilter mit einer zur Ultraschallvorrichtung parallel angeordneten Parallelinduktivität und einen Reihenschwingkreis, enthaltend mindestens eine Reiheninduktivität und mindestens eine Reihenkapazität. Zur Potentialtrennung enthält das LLCC-Filter noch den Transformator und bei entfernt angeordneten Ultraschall-Aktoren noch ein Kabel. So kann eine oberschwingungsarme, breitbandige Spannung des Aktors hergestellt werden. Das Filter nutzt die Kapazität des Ultraschallaktors, die Kabelkapazität - falls ein Kabel zur Verbindung erforderlich ist - und die Streuinduktivität des Transformators.

Description

Die Erfindung betrifft eine Speiseanordnung für eine Ultraschallvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 44 46 430 A1 ist eine Ansteueranordnung für eine als ein Ultraschallwandler ausgebildete Ultraschallvorrichtung bekannt, die eine Steuereinrichtung mit einem aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehendes Netzwerk umfasst. Das Netzwerk weist einen Reihenschwingkreis auf, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz eines mittels Rechteckgenerators bereitgestellten Rechtecksignals abgestimmt ist. Die Frequenz des Rechteckgenerators bestimmt zugleich die Frequenz der Sinusschwingung, mit der die Ultraschallvorrichtung beaufschlagt wird. Nachteilig an der bekannten Ansteueranordnung ist, dass die Schaltung für geringe Leistungen konzipiert ist und sie aufgrund der starken Belastung des Transistors und des zwischen zwei Spulen angeordneten Kondensators auch nicht für die nach der Erfindung geforderte Leistung hochskaliert werden kann. Die Schaltung benötigt zusätzlich noch eine regelbare Spannung.
Aus der DE 100 09 174 A1 ist eine Ansteueranordnung für eine Ultraschallvorrichtung bekannt, bei der in einer Steuereinrichtung für die Ultraschallvorrichtung ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt wird. Ein solches pulsweitenmoduliertes Signal kann beispielsweise mittels eines Pulsweitenmodulations-Wandlers erzeugt werden, der aus einem Artikel „Inverter Topologies for Ultrasonic Piezoelectric Transducers with High Mechanical Q-Factor" von C. Kauczor und N. Fröhleke, Proc. of IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) 2004 bekannt ist. In diesem Artikel werden die Vor- und Nachteile von unterschiedlichen Einrichtungen zur Speisung von Ultraschallvorrichtungen beschrieben. Als erste Variante wird eine Speiseeinrichtung mit einem LC-Wandler beschrieben, bei der eine Induktivität in Reihe zu der kapazitiv wirkenden Ultraschallvorrichtung geschaltet ist. Dieser Reihenschwingkreis wird mit einer Schaltfrequenz betrieben, die in der Nähe der Resonanzfrequenz der Ultraschallvorrichtung liegt. Vorteilhaft können hierdurch Verzerrungen der Oberschwingungen niedrig gehalten werden. Eine alternative Speiseanordnung kann einen so genannten LLCC-Wandler aufweisen, der eine parallel zur Ultraschallvorrichtung angeordnete Parallel-Induktivität sowie einen vorgeschalteten Reihenschwingkreis aufweist. Vorteilhaft kann dieser Wandler robust auf Kapazitätsschwankungen der Ultraschallvorrichtung reagieren. Nachteilig ist jedoch die höhere Beanspruchung der Bauteile des Wandlers sowie die größere Verzerrung von Oberschwingungen. Als dritte Variante für die Speiseanordnung ist ein Pulsweitenmodulations-Wandler (PWM-Wandler) untersucht worden, der vorteilhaft eine veränderte Einstellung der Resonanzfrequenz ermöglicht. Dar über hinaus können die Bauelemente des Wandlers kleiner und leichter ausgebildet sein. Nachteilig sind jedoch die relativ hohen Schaltverluste und der Kühlaufwand für die Bauelemente des Wandlers in Folge der erhöhten Schaltfrequenz. Die in dem Artikel beschriebenen Speiseanordnungen beziehen sich ausschließlich auf Ultraschallvorrichtungen mit einer relativ hohen mechanischen Schwinggüte Qm.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Speiseanordnung für eine Ultraschallvorrichtung derart weiter zu entwickeln, dass die Effizienz und Kompaktheit erhöht wird, wobei insbesondere die Verzerrungen von Oberschwingungen niedrig gehalten werden und eine lokale Blindleistungskompensation der Ultraschallvorrichtung gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseanordnung ein LLCC-Filter mit einer zur Ultraschallvorrichtung parallel angeordneten Parallelinduktivität und einen Reihenschwingkreis enthaltend mindesten eine Reiheninduktivität und mindestens eine Reihenkapazität aufweist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Kombination eines Pulsweitenmodulations-Wandlers (PWM-Wandler) mit einem LLCC-Filter die Kompaktheit der Speiseanordnung erhöht, obwohl hierdurch die Anzahl der Bauelemente steigt. Vorteilhaft können die Bauteile der erfindungsgemäßen Speiseanordnung kleiner dimensioniert werden, da der PWM-Wandler eine geringere elektrische Belastung derselben verursacht. Durch die Parallel-Induktivität kann eine Kompensation der Blindleistungskomponente der Ultraschallvorrichtung erzielt werden, so dass die Bauteile, wie beispielsweise die Bauelemente des Reihenschwingkreises und das Kabel zum Anschluß des Aktors bei einer entfernten Positionierung, wegen geringerer Belastung kleiner dimensioniert werden können. Vorteilhaft ermöglicht die Kombination des PWM-Wandlers mit dem LLCC-Filter, dass zur Abstimmung der Speiseanordnung an unterschiedliche Ultraschallvorrichtungen ein Durchstimmen bzw. Trimmen derselben mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgen kann, um sie unter Großsignalanregung zu charakterisieren und die optimalen Resonanz-Moden herauszufinden. Die ressourcenaufwändige Finite-Elemente-Analyse ist dann nicht erforderlich. Vorteilhaft kann hierdurch eine optimierte Abstimmung zwischen der Speiseanordnung und einer beliebigen Ultraschallvorrichtung erzielt werden.
Vorteilhaft ermöglicht der PWM-Wandler, dass die Speiseanordnung als eine Wechselspannungsquelle mit relativ geringem Innenwiderstand wirkt, so dass die Übertragungsfunktion der Ultraschallvorrichtung im Durchlaßbereich nicht stark schwankt, so dass das Design des Leistungs- und Steuerteils erleichtert wird. Ferner können infolge Belastungsreduktion das Gewicht sowie die Kosten des Leistungsteils verringert werden. Darüber hinaus vereinfacht die Robustheit des Filters gegenüber Störungen der Piezokapazität Cp als Folge ihrer Exemplarschwankungen und von Temperaturseinflüssen auf den Aktor den Entwurf von Leistungs- und Steuerteil erheblich.
Nach einer Variante der Erfindung (Anspruch 4) kann die Resonanzfrequenz des Gesamtschwingkreises einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises bzw. der Arbeitsfrequenz der Ultraschallvorrichtung entsprechen. Hierdurch können die Bauteile des Serienschwingkreises des LLCC-Filters relativ klein gehalten werden. Ferner wird das dynamische Verhalten dadurch verbessert.
Zusätzliche Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer Speiseanordnung für Ultraschall-Aktoren,
2 ein Ausgangsspannungssignal (PWM-Ausgangsspannung) eines PWM-Wandlers der Speiseanordnung und
3 ein Bodediagramm für eine vorbekannte Speiseanordnung enthaltend lediglich einen PWM-Wandler (gestrichelte Linie) und für eine erfindungsgemäße Speiseanordnung enthaltend einen PWM-Wandler mit LLCC-Filter.
Eine erfindungsgemäße Speiseanordnung für eine Ultraschallvorrichtung 1 ist in 1 dargestellt.). Der Ultraschallmotor kann als Direktantrieb für Flugzeuge, Automobile, Robotikanwendungen und medizinische Meßsystemegeräte verwandt werden, wobei er den mittel-hoch gedämpften piezoelektrischen Vibrationssystemen zuzuordnen ist. Die Ultraschallvorrichtung 1 kann auch als Ultraschallwandler oder als eine Ultraschallerzeugungseinrichtung mit einer Sonotrode ausgebildet sein zum ultraschallunterstützten Schneiden, Meißeln, Fräsen, Schweißen und dergleichen, wobei sie den schwach-gedämpften piezoelektrischen Vibrationssystemen zuzuordnen sind.
Die Ultraschallvorrichtung 1, in der Fachliteratur meist Ultraschall-Aktor genannt, weist als kapazitiver Verbraucher eine piezoelektrische Kapazität C_P auf, der eine Speiseanordnung 3 vorgelagert ist.
Die Speiseanordnung 3 ist an eine Gleichspannungsquelle 4 mit der Ausgangsspannung U_i angeschlossen. Die Speiseanordnung 3 umfasst zum einen den Pulsweitenmodulierten-Wandler (PWM-Wandler 5), der an die Gleichspannungsquelle 4 angeschlossen ist und als PWM-Ausgangsspannung U_PWM ein pulsweitenmoduliertes Signal für einen nachgeordneten Reihenschwingkreis 6 zur Verfügung stellt. Der PWM-Wandler 5 kann wie in 1 skizziert aus einem 3-Punkt Wechselrichter bestehen, oder auch aus einem 2-Punkt Wechselrichter (H-Vollbrücke), der mit optimierten Pulsmustern angesteuert wird.
Der Reihenschwingkreis 6 besteht aus einer Reiheninduktivität L_S und einer Reihenkapazität C_S, die zusammen mit einem Parallelschwingkreis 7 ein LLCC-Filter 8 (Gesamtschwingkreis) bilden. Der Parallelschwingkreis 7 wird durch die Kapazität C_P der Ultraschallvorrichtung 1 sowie einer zu derselben parallel geschalteten Parallelinduktivität L_P gebildet.
Zusätzlich weist das LLCC-Filter 8 zwischen dem Reihenschwingkreis 6 und dem Parallelschwingkreis 7 einen Transformator 9 auf.
Der PWM-Wandler 5 weist vier in Reihe geschaltete Transistoren S1, S2, S3, S4 auf, zu denen jeweils eine Diode parallel geschaltet ist. Die Transistoren S1, S2, S3, S4 sind als selbstsperrende N-Kanal-MOS-FET-Transistoren ausgebildet. Ein nachgeordneter paralleler Zweig wird durch zwei in Reihe geschaltete Transistoren S5, S6 gebildet, die als insulated gate bipolar-Transistoren (IGBT's) ausgebildet sind. Denselben sind jeweils eine Diode parallel geschaltet. Ein Source-Anschluss des zweiten Transistors S2 bildet die positive Eingangsklemme für das LLCC-Filter 8. Ein Emitteranschluss des Transistors S5 bildet die negative Eingangsklemme für das LLCC-Filter 8.
Bezogen auf ein mittleres Bezugspotential N ermöglicht die Ansteuerung der Transistoren S1, S2, S6 die Erzeugung einer positiven Halbschwingung H1 und die Ansteuerung der Transistoren S3, S4, S5 die Erzeugung einer negativen Halbschwingung H2, wie aus 2 zu ersehen ist. In Abhängigkeit von der Ansteuerung von S1 oder S2 bzw. S3 oder S4 ergeben sich die unterschiedlichen beiden Stufen der beiden Halbschwingungen H1, H2. Die Verbindung zwischen den Transistoren S1 und S2 sowie S3 und S4 sind jeweils über eine Diode D mit einem Mittenanschluss M der Eingangsspannungsquelle U_i verbunden.
Das am Ausgang des PWM-Wandlers 5 anliegende Spannungssignal U_PWM ist ein hochfrequentes Spannungssignal, dessen Grundfrequenz mit der Resonanzfrequenz der Ultraschallvorrichtung 1 übereinstimmt.
In Verbindung mit dem LLCC-Filter 8 ergibt sich eine in 3 dargestellte Übertragungsfunktion (durchgezogene Linie), wobei durch den 3-Punkt Wechselrichter (PWM-Wandler 5) ein relativ breiter Arbeitsbereich zwischen 20 kHz und 60 kHz gewährleistet ist, trotz relativ niedriger Schaltfrequenz gegenüber einer 2-Punkt Schaltungsvariante (H-Vollbrücke). Eine Ansteuerung der Ultraschallvorrichtung 1 durch eine 1-pulsige H-Vollbrücke (siehe eingangs genannten Artikel Kauczor/Fröhleke) bewirkt eine Übertragungsfunktion, die gestrichelt in 3 dargestellt ist und lediglich einen Arbeitsbereich in einem Frequenzband zwischen 30 kHz und 40 kHz ermöglicht. Vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Speiseanordnung eine Robustheit gegenüber Parameteränderungen, insbesondere der Kapazität C_P der Ultraschallvorrichtung 1.
Der PWM-Wandler 5 ist derart anzusteuern, dass die Schaltfrequenz des PWM-Wandlers 5 bzw. die Frequenz der Ausgangsspannung U_PWM des PWM-Wandlers 5 der Arbeitsfrequenz der Ultraschallvorrichtung 1 entspricht. Zur Blindleistungskompensation der Ultraschallvorrichtung 1 ist die Parallelinduktivität L_P des Parallelschwingkreises 7 auf die Parallelkapazität C_P und die Arbeitsfrequenz f_M der Ultraschallvorrichtung 1 abgestimmt. Die Parallelinduktivität berechnet sich nach folgender Formel:
Die zweite Resonanzfrequenz f₀₂ des Gesamtschwingkreises 8 kann ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises 7 betragen, beispielsweise kann sie dreimal so groß sein wie die Frequenz f_M. Die Reiheninduktivität L_S und die Reihenkapazität C_S berechnet sich dann wie folgt:
Die Erfindung betrifft somit insbesondere einen leistungsstarken 3-Punkt Wechselrichter, der durch einen Pulsweitenmodulator gemäß Pulsmuster (s. 2) angesteuert wird. Die erzeugte Wechselrichterspannung dient als Eingangssignal für den LLCC-Bandpassfilter, der zur Potentialtrennung noch den Transformator und bei entfernt angeordneten Ultraschall-Aktoren noch ein Kabel enthält und eine oberschwingungsarme, breitbandige Spannung des Aktors herstellt. Das Filter nutzt die Kapazität des Ultraschallakters, die Kabelkapazität und die Streuinduktivität des Transformators.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4446430 A1 [0002]
- DE 10009174 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Inverter Topologies for Ultrasonic Piezoelectric Transducers with High Mechanical Q-Factor" von C. Kauczor und N. Fröhleke, Proc. of IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC) 2004 [0003]

Claims

Speiseanordnung für eine Ultraschallvorrichtung enthaltend einen Pulsweitenmodulationswandler, mittels dessen eine pulsweitenmodulierte Spannung (U_PWM) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseanordnung (3) ein LLCC-Filter (8) mit einer zur Ultraschallvorrichtung (1) parallel angeordneten Parallelinduktivität (L_P) und einen Reihenschwingkreis (6) enthaltend mindesten eine Reiheninduktivität (L_S) und mindestens eine Reihenkapazität (C_S) aufweist.
Speiseanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelinduktivität (L_P) mit einer die Ultraschallvorrichtung (1) elektrisch repräsentierenden piezoelektrischen Kapazität (C_P) einen lokalen Parallelschwingkreis (7) bildet.
Speiseanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelinduktivität (L_P) auf die Arbeitsfrequenz der Ultraschallvorrichtung (1) abgestimmt ist.
Speiseanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Resonanzfrequenz (f₀₂) des Gesamtschwingkreises (8) ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises (7) bzw. der Arbeitsfrequenz der Ultraschallvorrichtung (1) entspricht.
Speiseanordnungnach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Reihenschwingkreis (6) und dem Parallelschwingkreis (7) ein Transformator (9) angeordnet ist.
Speiseanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Wandler (5) vier Transistoren (S1, S2, S3, S4, MOSFET's) aufweist, derart, dass fünf unterschiedliche Spannungsniveaus erzeugt werden zur Bildung der hochfrequenten PWM-Ausgangsspannung (U_PWM).
Speiseanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallvorrichtung (1) als ein Ultraschallmotor oder als ein Ultraschallwandler ausgebildet ist.