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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines
in der Richtung umkehrbaren Einphasen-Ultraschallmotors, umfassend
eine Gleichspannungsquelle, einen Leistungsverstärker, einen Richtungswahlschalter
und einen Erregergenerator, wobei der Einphasen-Ultraschallmotor
mit Ultraschalloszillator zwei Erregerelektroden sowie eine gemeinsame
Elektrode aufweist, gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Die
Erfindung dient der Steuerung von Einphasen-Ultraschallmotoren mit
akustischen Stehwellen, wobei die Motoren zur Positionierung in
Präzisionsgeschwindigkeits-Stabilisatoren
Anwendung finden, bei der an den Elektroden nur geringe Spannungen
anliegen dürfen,
so dass eine Verwendbarkeit im Vakuum, in feuchter Umgebung, in
medizinischen Geräten
und anderen Fällen,
wo hohe Spannungen unzulässig
sind, erfolgen kann.
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Aus
der
DE 36 34 329 C2 oder
der US-PS 5,872,418 sind Steuervorrichtungen für Dreiphasen-Ultraschallmotoren
auf der Basis akustischer Wanderwellen vorbekannt.
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Diese
Einrichtungen bestehen aus Zwei- oder Dreikanal-Leistungsverstärkern, die
um 90° oder
120° phasenverschobene
Spannungen bereitstellen. Die Umkehr der Bewegungsrichtung erfolgt bei
diesen Einrichtungen durch das Umschalten der Phasenverschiebung.
Die Steuereinheiten selbst haben einen komplizierten elektrischen
Aufbau und sind in der Herstellung teuer.
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Weiterhin
sind Steuereinrichtungen für
Zweiphasen-Ultraschallmotoren auf der Basis von Stehwellen, z.B.
nach US-PS 6,806,620 B1, bekannt. Auch bei diesen Steuereinrichtungen
wird auf sehr komplizierte Schaltungsanordnungen zurückgegriffen.
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Bei
den Steuereinrichtungen für
Richtungsumkehr von Einphasen-Ultraschallmotoren mit akustischen
Stehwellen, z.B. nach US-PS 6,765,335, finden Einkanal-Leistungsverstärker Anwendung.
Der Einkanal-Leistungsverstärker
wird in Abhängigkeit von
der gewünschten
Bewegungsrichtung des Ultraschallmotors über einen Trennschalter mit
Erregerelektroden des Oszillators verbunden. Durch den in der bekannten
Einrichtung verwendeten Trennschalter erfolgt eine vollständige Trennung
der Erregerelektrode vom Leistungsverstärker. Das Prinzip der völligen Trennung
kann hierbei durch entsprechende elektronische Komponenten erfolgen,
jedoch nur für kleine
Erregerspannungen, die nicht höher
als 10 V bis 15 V sind, d.h. zur Steuerung von Ultraschallmotoren
kleiner Leistung.
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Zur
Steuerung von Ultraschallmotoren, bei denen die Erregerspannung
Werte von 110 V bis 200 V erreicht und bei der der Transformationskoeffizient zwischen
den Elektroden etwa 2 ist, kann das Prinzip der Trennschalter nicht
angewendet werden. Dies ist dadurch erklärbar, dass in der getrennten
Elektrode eine zu hohe Spannung von 220 V bis 400 V anliegt. Hier
kann jedoch ein nicht vollständig
trennender Schalter auf das Basis von Halbleiterbauelementen, d.h.
einem Hochvolttransistor mit parallel geschalteter Diode eingesetzt
werden. Der Nachteil derartiger Schalter ist, dass diese nicht völlig die
Oszillatorelektrode vom Leistungsverstärker trennen. Beim Abschalten
des Feldeffekttransistors ist die Erregerelektrode nach wie vor über die
mit dem Transistor parallel geschaltete Diode mit der gemeinsamen
Elektrode verbunden. Dies führt
dazu, dass die an der Erregerelektrode anliegende Spannung durch
die Diode gleichgerichtet wird und somit an dieser Elektrode eine
unipolare Spannung doppelter Amplitude, z.B. 560 V bis 1120 V bezogen
auf die gemeinsame Elektrode anliegt.
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Eine
derartig hohe elektrische Spannung ist bei vielen Applikationen
nicht zulässig.
Dies betrifft z.B. die Verwendung von Ultraschallmotoren in Vakuumsystemen,
in feuchter Umgebung, medizinischen Geräten und ähnlichen Anwendungen.
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Elektrisch
hohe Spannungen erfordern darüber
hinaus eine ausreichende Isolation des Ultraschalloszillators und
der stromzuführenden
Kabel oder Leitungen der Steuereinheit. Dies erhöht die Kosten. Durch die hohe
Spannung sinkt außerdem die
Funktionssicherheit des Ultraschallmotors und der eigentlichen Steuereinheit,
da ein Durchschlag der Isolation oder die Zerstörung der piezoelektrischen
Keramik des Oszillators durch Defekte wahrscheinlich ist. Das Anliegen
einer hohen Spannung an den Elektroden des Ultraschallmotors führt auch zu
einer Verschmutzung durch sich ablagernden Staub aufgrund der elektrostatischen
Verhältnisse. Hierdurch
wiederum verschlechtert sich der Friktionskontakt und es verringert
sich die Funktionssicherheit. Durch die notwendige elektrische Isolation erhöht sich
die Dicke der stromzuführenden
Kabel, wodurch sich deren Elastizität verringert, was in vielen
Fällen
eine Reduzierung der Motorleistung des Ultraschallmotors nach sich
zieht.
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Aus
dem Vorliegenden ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung eines in der Richtung umkehrbaren Einphasen-Ultraschallmotors
anzugeben, die in der Lage ist wirksam zu verhindern, dass zu hohe
elektrische Spannungen an den Ausgängen der Steuereinheit und
den Elektroden des Ultraschallmotors anliegen, und zwar ohne dass
die Leistungsfähigkeit
des Motors reduziert wird. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin,
die Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit beim Betrieb von Einphasen-Ultraschallmotoren
sicherzustellen, ohne dass die Gesamtkosten für die Schaltungsanordnung zur
Steuerung steigen.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Schaltungsanordnung
zur Steuerung gemäß Merkmalskombination
nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen darstellen.
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Erfindungsgemäß sind zwischen
der ersten Erregerelektrode und der gemeinsamen Elektrode des Ultraschallmotors
direkt oder über
einen ersten Anpassungstransformator eine erste Kompensationsspule
und ein erster Zusatzkondensator parallel geschaltet. Zwischen der
zweiten Erregerelektrode und der gemeinsamen Elektrode ist direkt
oder über einen
zweiten Anpassungstransformator eine zweite Kompensationsspule und
ein zweiter Zusatzkondensator ebenfalls parallel geschaltet.
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Der
Leistungsverstärker
wird erfindungsgemäß als Zweikanal-Schaltverstärker ausgeführt, dessen
erster Schalter die erste Kompensationsspule mit der Gleichspannungsquelle
verbindet. Der zweite Schalter und die zweite Kompensationsspule
sind ebenfalls mit der Gleichspannungsquelle verbunden, wobei jeder
der Steuereingänge
des ersten und des zweiten Schalters jeweils mit dem Erregergenerator über den
Richtungswahlschalter in Verbindung stehen.
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Bei
der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung zur Steuerung können die
Kompensationsspulen mit der Kapazität der entsprechenden Elektrode des
Ultraschallmotors und zusammen mit der Kapazität des Zusatzkondensators einen
Parallelschwingkreis bilden, dessen Resonanzfrequenz gleich oder um
einen vorgegebenen Betrag größer als
die Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors ist.
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Bei
einer Ausgestaltung kann die vorgeschlagene Schaltungsanordnung
zusätzlich
ein Rückkopplungselement
enthalten, wobei der Erregergenerator einen Rückkopplungskreis darstellt,
der mit seinem Eingang mit dem Rückkopplungselement verbunden
ist, das gemeinsam mit dem Schalter für die Richtungsumkehr, den
Leistungsverstärker
und dem Ultraschallmotor einen Autogenerator bildet, dessen Erregerfrequenz
durch die elektromechanischen Parameter der Oszillatorteile, die
mit dem Leistungsverstärker
verbunden sind, vorgegeben ist. Dies ermöglicht es, die Betriebsstabilität der vorgeschlagenen
Schaltungsanordnung zur Steuerung zu erhöhen.
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Bei
einer ergänzenden
Ausführungsform
der Erfindung können
die Kompensationsspulen über
einen Pulsbreitenmodulationswandler (PWM-Wandler) mit der Gleichspannungsquelle
verbunden werden, wodurch es möglich
ist, die Bewegungsgeschwindigkeit des Ultraschallmotors zu regeln.
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Ergänzend besteht
die Möglichkeit,
dass die Schaltungsanordnung mit einem zusätzlichen Geber für die Position
oder Bewegungsgeschwindigkeit für das
bewegliche Element des Motors verbunden ist, wobei der Sensor mit
einer Regeleinheit für
die Position oder Bewegungsgeschwindigkeit in Verbindung steht,
dessen Ausgänge
am Steuereingang des PWM-Wandlers und am Eingang des Richtungswahlschalters
angeschlossen werden. Hierdurch ist es möglich, mit hoher Genauigkeit
die Bewegungsgeschwindigkeit zu stabilisieren oder mit hoher Genauigkeit
das bewegliche Element des Ultraschallmotor zu positionieren.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 Prinzipdarstellungen
der Konstruktion von erfindungsgemäß zu steuernden Ultraschallmotoren;
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2 eine
prinzipielle Konstruktion des Oszillators eines Ultraschallmotors;
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3 ein
Ausführungsbeispiel
der Schaltungsanordnung zur Steuerung;
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Schaltungsanordnung mit Anpassungstransformatoren;
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5 Kennlinien
des Verlaufs der elektrischen Spannungen;
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6 eine
Schaltungsanordnung in der Ausführungsform
mit einem PWM-Wandler
und
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7 eine
Steuereinheit mit einem Mikroprozessorregler.
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In 1 zeigen
die Position 1 und 2 beispielhaft zwei Varianten
von in der Richtung umkehrbaren Einphasenultraschallmotoren, deren
Steuerung durch die vorgeschlagene Steuereinheit erfolgt. Der erste
Motor (Position 1) besteht aus dem Oszillator 3 mit
dem plattenförmigen
Piezoelement 4 und dem Friktionselement 5. Das
Friktionselement 5 ist auf der längeren Stirnseite 6 des
Piezoelementes 4 befestigt. Zwischen ihm und den Kugellager 8 ist
das bewegliche Element 7 angeordnet, das vom Kugellager 8 gehalten
wird.
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Der
zweite Motor (Position 2) besteht aus dem Oszillator 9 mit
plattenförmigem
Piezoelement 4 und zwei Gleitstücken 10, die an die
zwei Längsseitenflächen 6 des
Piezoelementes 4 mit Hilfe der Zugfedern 11 angepresst
werden.
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Die
Pfeile in 1 zeigen die Richtung der Bewegung
des beweglichen Elementes 7 und der Gleitstücke 10.
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2 zeigt
die Konstruktion des Piezoelementes 4 des Oszillators 3 oder 9,
der als piezoelektrische Platte 12 ausgeführt ist.
Auf einer der Seitenfläche 13 ist
die erste Erregerelektrode 14 und die Erregerelektrode 15 aufgebracht,
wobei auf der anderen Seitenfläche 16 eine
gemeinsame Elektrode 17 aufgebracht ist. Die Elektroden 14 und 15 haben gleich
große
Flächen
und sind symmetrisch zu den Mittellinien 18 der Seiten 6, 13 und 16 angeordnet. Die
gemeinsame Elektrode nimmt die gesamte Oberfläche der Seite 16 ein.
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Jede
der Erregerelektroden 14 und 15 besitzt, bezogen
auf die gemeinsame Elektrode, die entsprechende Kapazität C01 und C02. Im Idealfall sind
die Kapazitäten
C01 und C02 gleich.
In realen Oszillatoren liegt der Unterschied zwischen den Kapazitäten C01 und C02 im Bereich
der technologischen Streuung der Parameter der Platte 12,
der üblicherweise
nicht mehr als +/–10%
beträgt.
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Wie
in 2 mit Pfeilen dargestellt, ist die Platte 12 senkrecht
zu den Elektroden 14 und 15 polarisiert. Die Erregerelektroden 14 und 15 weisen
die Anschlüsse 19 und 20 auf,
die gemeinsame Elektrode 17 hat den Anschluss 21.
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Jede
der Erregerelektroden 14 und 15 bildet zusammen
mit einem Teil der gemeinsamen Elektrode 17 und der Piezokeramik
zwischen diesen Elektroden die Generatoren 22 und 23 für eine akustische Stehwelle.
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Die
vorgeschlagene Erfindung sieht auch eine Steuermöglichkeit mit anderen Typen
von Ultraschallmotoren vor, in denen die Erregerelektroden 14 und 15 der
Generatoren 22 und 23 aus mehreren parallel geschalteten
Sektionen bestehen (in der Fig. nicht dargestellt). Dabei kann der
Ultraschallmotor aus mehreren Friktionselementen 5 bestehen.
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3 zeigt
die elektrische Schaltung der vorgeschlagenen Steuereinheit für den Ultraschallmotor 1 oder 2 mit
dem Oszillator 3. Die elektrische Schaltung besteht aus
einem Zweikanalleistungsschaltverstärker 24 mit einem
ersten Kanal 25 und einem zweiten Kanal 26, einem
Richtungswahlschalter 27 mit einem Steuereingang 28 und
dem Erregergenerator 29.
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Außerdem enthält die Schaltung
eine Gleichspannungsquelle 30 für die Spannung E mit der positiven
Potentialschiene 31, der gemeinsame Masse 32 und
dem Pufferkondensator 33. Die Spannungsquelle 30 kann
als chemische Batterie ausgeführt sein
oder eine elektronische Gleichspannungsquelle darstellen (in der
Fig. nicht dargestellt).
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In
unterschiedlichen Ausführungsvarianten der
Steuereinheit kann der Oszillator 3 mit seiner gemeinsamen
Elektrode 17 mit Hilfe des Verbindungselements 34 mit
der positiven Potentialschiene 31 oder der gemeinsame Masse 32 verbunden
sein (in der Fig. nicht dargestellt).
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Die
vorgeschlagene Erfindung sieht vor, dass zwischen der ersten Erregerelektrode 14 und der
gemeinsamen Elektrode 17 des Oszillators 3 (9) die
erste Kompensationsspule 35 mit der Induktivität L1 und den ersten Zusatzkondensator 36 mit
der Kapazität
C1 geschaltet ist. Zwischen der zweiten
Erregerelektrode 15 und der gemeinsamen Elektrode 17 ist
die zweite Kompensationsspule 37 mit der Induktivität L2 und dem zweiten Zusatzkondensator 38 mit der
Kapazität
C2 geschaltet.
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Die
Kapazitäten
von C1 und C2 werden
aus der Bedingung, das sie etwa gleich den Kapazitäten C01 und C02 sind,
ausgewählt.
Die Induktivitäten
L1 und L2 werden
aus der Bedingung, das die Resonanzfrequenz ωk des
aus der Induktivität
L1 und der Kapazität (C2 +
C02) gebildeten Parallelschwingungskreises
gleich oder etwas größer als
die Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors ωa ist,
ausgewählt,
d.h. ωk ≤ 1/(L1(C1 + C01))1/2 = 1/(L2(C2 + C02))1/2 = (1...2)ωa
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Die
Kanäle 25 und 26 des
Verstärkers 24 bestehen
aus einem ersten Schalter 39 und einem zweiten Schalter 40 mit
den Treibern 41 und 42 und den Steuereingängen 43 und 44.
Die Schalter 39 und 40 können als bipolare Hochvolttransistoren
oder als mit Dioden parallel geschalteten Feldeffekttransistoren
ausgeführt
werden.
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Der
erste Schalter 39 verbindet die erste Kompensationsspule 35 mit
der gemeinsame Masse 32 der Gleichspannungsquelle 30,
der zweite Schalter 40 verbindet die zweite Kompensationsspule 37 mit
der gemeinsame Masse 32 der Gleichspannungsquelle 30.
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Die
Steuereingänge 43 und 44 der
Schalter 39 und 40 sind mit den Ausgängen 45 und 46 des Richtungswahlschalters 27 verbunden,
dessen Signaleingang 47 mit dem Ausgang 48 des
Erregergenerators 29 über
den Ausschalter 49 mit dem Steuereingang 50 verbunden
ist. Der Erregergenerator 29 kann als Einzelgenerator 51,
der einen Synchronisierungseingang 52 aufweist, ausgeführt werden.
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In
der vorgeschlagenen Variante in 4 ist die
erste Kompensationsspule 35 und der erste Zusatzkondensator 36 über den
ersten Anpassungstransformator 53 zwischen die Erregerelektrode 14 und
die gemeinsame Elektrode 17 geschaltet.
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Die
zweite Kompensationsspule 37 und der zweite Zusatzkondensator 38 sind über den
zweiten Anpassungstransformator 54 zwischen die zweite
Erregerelektrode 15 und die gemeinsame Elektrode 17 geschaltet.
Die beiden Transformatoren 53 und 54 haben den
gleichen Transformationskoeffizienten N.
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In
diesem Fall werden die Kapazitäten
C1 und C2 aus der
Bedingung ausgewählt,
das sie etwa gleich den Kapazitäten
N2C01 und N2C02 sind. Die Induktivitäten L1, L2 werden so ausgewählt, das
die Resonanzfrequenz ωk des Schwingkreises, gebildet aus der Induktivität L1 und der Kapazität (N2C1 + C01) oder der
Induktivität
L2 und der Kapazität (N2C2 + C02), gleich
oder etwas größer als
die Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors ωa ist. ωk ≤ 1/(L1(C1 + N2C01))1/2 = 1/(L2(C2 + N2C02))1/2 = (1...2)ωa
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Die
vorgeschlagene Erfindung sieht vor, dass der Erregergenerator 29 als
Rückkopplungskreis 55 der
mit seinem Rückkopplungseingang 56 mit
dem Rückkopplungselement 57 verbunden
ist. Dabei kann der Rückkopplungskreis 55 ein
Filter 58 und einen Phasenschieber 59 enthalten.
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Bei
Anwendung der Anpassungstransformatoren 53 und 54 können die
Verbindungselemente 34 die Primärwicklungen der Transformatoren
mit der positiven Potentialschiene 31 oder der gemeinsamen Masse 32 (in
der 4 nicht dargestellt) verbinden. Zur Vermeidung
der Sättigung
der Transformatorkerne 53 und 54 können als
Verbindungselemente 34 Trennkondensatoren eingesetzt werden
(in 4 nicht dargestellt).
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5 zeigt
die Kennlinien der an den in 3 dargestellten
elektrischen Bauteilen anliegenden Spannungen.
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Die
Kennlinie 60 zeigt die Form der am Ausgang 48 des
Erregergenerators 29 anliegenden Erregerspannung. Diese
Spannung stellt eine Serie von einzelnen Rechteckimpulsen mit der
Frequenz ω und der
Impulsdauer T dar. Die Kennlinie 61 zeigt die Form der
an den Ausgängen 62 oder 63 (3)
der Schalter 39 oder 40 bei geschlossenen Schaltern
anliegenden Spannung. Die Kennlinie 64 zeigt die Form der
an den Ausgängen 62 und 63 (3)
der Schalter 39 und 40 bei offenen Schaltern anliegenden Spannung.
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6 zeigt
eine Variante der vorgeschlagenen Steuereinheit in der die Kompensationsspulen 35 und 37 des
Erregerblockes 65 des Ultraschallmotors über den
PWM-Wandler 66 mit der Gleichspannungsquelle 30 verbunden
ist. Der PWM-Wandler 66 besteht aus dem PWM-Modulator 67 mit
einem Steuereingang 68, einem Leistungsverstärker 69 und
einem Filter 70. Er kann einen Synchronisierungseingang 71,
der mit dem Signalkreis 72 der Steuereinheit verbunden
ist, enthalten. Diese Verbindung kann mit Hilfe des Frequenzvervielfachers 73 erfolgen.
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7 zeigt
das Blockschaltbild der vorgeschlagenen Steuereinheit, die zusätzlich mit
einem Geber 74 für
die Position oder die Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Elementes 7 ausgestattet
ist. Der Geber 74 ist mit dem Mikroprozessorregler für Position
oder Bewegungsgeschwindigkeit 75 verbunden. Die Steuerausgänge 76, 77, 78 des Reglers 75 sind
mit den Steuereingängen 28, 68 und 50 verbunden.
Der Mikroprozessorregler 75 kann über die Übertragungsleitung 79 mit
dem Steuercomputer 80 und der Tastatur 81 verbunden
werden.
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Die
vorgeschlagene Steuereinheit für
den richtungsumkehrbaren Einphasen-Ultraschallmotor arbeitet nach folgendem
Prinzip. Der Einzelgenerator 51 (siehe 3)
erzeugt die am Ausgang 48 des Erregergenerators 29 anliegende
Erregerspannung. Diese Spannung stellt eine Serie von einzelnen Rechteckimpulsen
mit der Frequenz ω und
der Impulsdauer T dar (siehe 5, Position 60).
Die Frequenz ω entspricht
der Arbeitsfrequenz ωa des Ultraschallmotors 1 oder 2.
Die Erregerspannung am Ausgang 48 gelangt über den
Ausschalter 49 auf den Eingang 47 des Richtungswahlschalters 27 und
danach über
dessen geschlossene Schalterkontakte auf seinen Ausgang 45.
Vom Ausgang 45 gelangt die Erregerspannung über den
Treiber 41 auf die Steuerelektrode des Schalters 39.
Auf Grund der anliegenden Erregerspannung öffnet und schließt sich
der Schalter 39 mit der Frequenz ωa.
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Zum
Zeitpunkt t0, dem Erscheinen eines Impulses
an der Erregerelektrode des Schalters 39, schließt sich
dieser Schalter und verbleibt vom Zeitpunkt t0 bis
t1 (siehe Position 61, 5)
im geschlossenen Zustand. In dieser Zeitdauer ist die Kompensationsspule 35 und
der Zusatzkondensator 36 mit der Gleichspannungsquelle 30 verbunden.
Dadurch fließt
durch die Kompensationsspule 35 und durch den Zusatzkondensator 36 ein
Ladestrom und die Spannung am Ausgang 62 des Schalters 39,
d.h. die Spannung am Ausgang 19 des Oszillators 3 (9)
(bezogen auf die gemeinsame Masse 32), wird gleich Null.
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Zum
Zeitpunkt t1 öffnet sich der Schalter 39. Die
Kompensationsspule versucht den bisher durch ihn geflossenen Strom
aufrecht zu erhalten, was zur Folge hat, das die Polarität der an
seinen Ausgängen anliegenden
elektrischen Spannung wechselt. Zum Zeitpunkt t1 liegt
nur eine niedrige Spannung an den Spulenausgängen an und deshalb ist die
gemeinsame Spannung am Ausgang 62 des Schalters 39 etwa gleich
der Spannung E der Gleichspannungsquelle 30. Danach wächst die
durch die Kompensationsspule erzeugte Spannung an, wodurch die Spannung
am Ausgang 62 bis auf den Wert Umax ansteigt.
Außerdem
verringert sich die in der Kompensationsspule 36 gespeicherte Energie
so weit, dass sich die durch sie bereitgestellte Spannung und dadurch
die Spannung am Ausgang 62 bis auf den Wert E verringert. Zum
Zeitpunkt t2 schließt sich der Schalter 39 und
die Spannung an seinem Ausgang 62 fällt bis auf Null. Die Spannungsamplitude
Umax kann die Spannung E der Gleichspannungsquelle 30 um
das 3- bis 5-Fache übersteigen.
Der Spannungsimpuls erinnert in seiner Form an eine Glocke (siehe
Position 61 in 5).
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In
der Praxis kann sich die Form der Spannung am Ausgang 62 des
Schalters 39 von der in 5, Position 61 dargestellten
Form unterscheiden. Dieser Unterschied kann dadurch entstehen, dass der
Spannungspunkt Umax nahe beim Zeitpunkt
t2 liegt oder direkt mit dem Zeitpunkt t2 zusammenfällt. Die Lage der Spannung
Umax relativ zu t2 wird
durch die Resonanzfrequenz ωk des aus der Kompensationsspule L1 und der Kapazität (C1 +
C01) gebildeten Schwingkreises bezogen auf
die Arbeitsfrequenz ωa bestimmt. Im Optimalzustand muss ωk gleich oder um einiges größer als ωa (zwischen ωa und
2ωa) sein.
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Die
an der Steuerelektrode des Schalters 39 auftretende Serie
von Einzelimpulsen (Position 60 in 5) bewirkt
eine Serie von glockenförmigen
Impulsen mit einer Frequenzfolge von ωa (siehe
Position 61 in 5). Diese Impulse gelangen auf
den Eingang 19 der Erregerelektrode 14 bezogen
auf den Ausgang 21 der gemeinsamen Elektrode 17 des
Oszillators 3 (9).
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Das
Funktionsprinzip der Ultraschallmotoren nach 1 beruht
auf der Erzeugung einer asymmetrischen Stehwelle im Oszillator 3 (9)
dieser Motoren mittels der Generatoren 22 und 23.
Dabei schwingt der Oszillator 3 (9) mit der Frequenz ωa, die der Resonanzfrequenz der asymmetrischen
Stehwelle entspricht oder nah zu dieser liegt. Da die mechanische Güte der Oszillatoren
der Ultraschallmotoren ausreichend hoch ist – sie beträgt etwa 100 – schwingen alle
Punkte des Oszillators 3 (9) entsprechend einer Sinusfunktion.
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Das
bedeutet, dass sich an der zweiten Elektrode 15 des Oszillators 3 (9)
eine sinusförmige Spannung
ausbildet, deren Frequenz gleich ωa ist. D.h.
der Oszillator 3 (9) bildet an seiner zweiten
Elektrode 15 eine Spannung aus, die der ersten harmonischen
der an der ersten Elektrode 14 anliegenden Spannung entspricht.
Die Amplitude der an der zweiten Elektrode 15 anliegenden sinusförmigen Spannung
Umax ist etwa gleich der Amplitude der unipolaren
an der ersten Elektrode 14 wirkenden Spannung. Die Phase
der Spannung an der zweiten Elektrode 15 ist, wie in Position 61 und 64 der 5 gezeigt, um
90°, bezogen
auf die Spannung an der ersten Elektrode 14, verschoben.
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Da
an der Steuerelektrode des zweiten Schalters 40 keine Erregerspannung
anliegt, befindet sich der Schalter 40 im geöffneten
Zustand. Die Diode dieses Schalters ist über den Pufferkondensator 33 parallel
zur Erregerelektrode 15 geschaltet.
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Wesentlich
ist, dass parallel zur Erregerelektrode 15 der aus der
Induktivität
L2 und der Kapazität (C2 +
C02) gebildete Schwingkreis geschaltet ist.
Die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises ist gleich oder etwas
größer als ωa. Deshalb überbrückt dieser Schwingkreis bei
der Frequenz ωa die zweite Erregerelektrode 15 nicht
niederohmig in Bezug auf die gemeinsame Elektrode 17. Gleichzeitig überbrückt die zweite
Kompensationsspule 37 die Erregerelektrode 15 und
die gemeinsame Elektrode 17 in Bezug auf den Konstantspannungsanteil.
Das bedeutet, dass in einer solchen Steuereinheit keine unipolare
Spannung an der geöffneten
Elektrode 15 auftreten kann, d.h. dass die Verwendung einer
Diode in dem Schalter für
den Leistungsverstärker 39 (40)
nicht zu einer Erhöhung
der elektrischen Spannung führt.
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Durch
das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Steuereingang 28 des
Richtungswahlschalters 27 wird der Richtungswahlschalter 27 umgeschaltet
und die Erregerspannung gelangt an die Steuerelektrode des Schalters 40,
wobei der Schalter 39 geöffnet bleibt. Das führt dazu,
das die Serie von Impulsen 61 auf die Elektrode 15 des
Oszillators 3 (9) gelangt und der Ultraschallmotor 1 (2)
die Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes 7 (10) umkehrt.
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In
der in 4 gezeigten Ausführung der Steuereinheit sind
die Kompensationsspulen 35 und 37 und die Zusatzkondensatoren 36 und 38 mit
den Elektroden 14, 15 und der gemeinsamen Elektrode 17 über die
Anpassungstransformatoren 53 und 54 verbunden.
In diesem Fall ist es unbedingt erforderlich, den Einfluss des Transformationskoeffizienten
N der Trans formatoren 53 und 54 auf die Resonanzfrequenz ωk durch Multiplikation von C01 und
C02 auf N2 zu berücksichtigen.
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Die
vorgeschlagene Erfindung sieht die Möglichkeit vor, dass der Erregergenerator 29 (3)
mit seinem Synchronisierungseingang 52 mit einem Rückkopplungselement 57 (4)
verbunden sein kann. In diesen Fall kann die Frequenz des Generators 51 mittels
der Impulse des Stroms, der durch die Erregerelektroden 14 und 15 und
die gemeinsame Elektrode 17 fließt, synchronisiert werden.
Dies ermöglicht
es, die Erregerfrequenz des Generators 51 automatisch gleich
der Resonanzfrequenz des Oszillators 3 (9) zu
halten.
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Außerdem kann
der Erregergenerator 29 aus einem Rückkopplungskreis 55 (siehe 4)
bestehen, der mit seinem Eingang 56 mit dem Rückkopplungselement 57 verbunden
ist und der gemeinsam mit dem Richtungswahlschalter 27,
dem Leistungsverstärker 24 und
den Ultraschallmotoren 1 oder 2 den selbsterregenden
Generator bildet, dessen Erregerfrequenz durch die elektromechanischen Parameter
von Teilen des Oszillators des Ultraschallmotors, der mit einem
Leistungsverstärker
verbunden ist, vorgegeben wird.
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In
diesem Fall kann der Rückkopplungskreis 55 ein
Filter 58, das ein Rückkopplungssignal
aus dem Rückkopplungskreis
ausfiltert, und einen Phasenschieber 59 enthalten, mit
dessen Hilfe die Phasenverschiebung im geschlossenen Kreis des selbsterregenden
Generators ausbalanciert wird. Das Filter 58 kann sowohl
eine passive als auch eine aktive Ausführung aufweisen. Außerdem kann
der Rückkopplungszweig 55 einen
begrenzenden Verstärker beinhalten,
der das Rückkopplungssignal
in ein Rechtecksignal umwandelt (nicht in 4 gezeigt).
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Der
Ausschalter 49 dient zum Anhalten des Ultraschallmotors.
Wenn er geöffnet
wird, endet das Umschalten der Schalter 39 oder 40 und
das bewegliche Element 7 (10) des Ultraschallmotors
hört auf sich
zu bewegen.
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In
der in 6 dargestellten Variante der Steuereinheit kann
die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Spannung E mit
Hilfe des PWM-Wandlers 66 geregelt werden. Dafür besitzt der
Wandler 66 den PWM-Modulator 67 und den Leistungsverstärker 69,
an dessen Ausgang PWM-Impulse bereitgestellt werden, deren Impulsdauer
durch die Steuerspannung am Eingang 68 des Wandlers 66 bestimmt
wird. Die Impulsfrequenz kann gleich sein oder das 2, 3 oder ein
Mehrfaches der Frequenz ωa betragen.
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Vom
Ausgang des Leistungsverstärkers 69 werden
die PWM-Impulse auf das Filter 70 geleitet und durch dieses
geglättet.
Im Ergebnis bildet sich auf der ersten Kompensationsspule 35 oder
der zweiten Kompensationsspule 37 eine Spannung aus, deren
Größe durch
die Steuerspannung am Steuereingang 68 des PWM-Wandlers 67 bestimmt
wird. Dies ermöglicht
es, mit einem analogen Verfahren die Amplitude der Wechselspannung
an den Elektroden 14 oder 15 des Oszillators 3 zu
regeln, d.h. mit dem analogen Verfahren kann die Bewegungsgeschwindigkeit
des beweglichen Elementes 7 (10) des Motors 1 (2)
eingestellt werden.
-
Zur
Vermeidung von durch die vorgeschlagene Steuereinheit ausgesendeten
Störungen
kann die Frequenz der durch den PWM-Modulator 67 bereitgestellten
PWM-Impulse mit der Frequenz ωa synchronisiert werden. Dafür kann der
Modulator 67 einen Synchronisierungseingang 71 aufweisen,
der mit dem Signalkreis 72 des Erregerblocks 65 verbunden ist.
Diese Verbindung kann mit den Frequenzvervielfacher 73 erfolgen.
Letzteres erhöht
die Arbeitsgeschwindigkeit der Steuereinheit.
-
Die
vorgeschlagene Steuereinheit kann als Positionierungseinrichtung
oder auch als Stabilisator der Bewegungsgeschwindigkeit eingesetzt
werden. In diesen Fall kann sie mit einem Geber 74 ausgerüstet sein,
der ein Signal zur Verfügung
stellt, das Informationen zur Lage des beweglichen Elementes 7 (10)
oder zu seiner Bewegungsgeschwindigkeit enthält. Dieses Signal gelangt auf
den Mikroprozessorregler 75, der es verarbeitet und aus
ihm ein oder mehrere Steuersignale bildet, entsprechend dem gewählten Steuerprinzip.
Die Steuersignale der Ausgänge 76, 77, 78 des
Reglers 75 speisen die Steuereingänge 50, 28, 68 der
Blöcke 65 und 66.
-
Die
Vorgabe des Steuerprinzips und die Vorgabe der geforderten Positionsparameter
oder der Bewegung des beweglichen Elementes 7 (10)
kann mittels der Tastatur 81 des Steuercomputers 80 erfolgen.
-
Die
vorgeschlagene Erfindung ermöglicht
es, die elektrische Spannung an den Ausgängen der Steuereinheit und
an den Elektroden der leistungsstarken Ultraschallmotoren etwa um
das 2- bis 3-Fache zu verringern. Dadurch ist es möglich, die
Betriebssicherheit der Steuereinheiten der Motoren zu erhöhen. Die
Verringerung der elektrischen Spannung gestattet es, den Schutz
der Oszillatoren der Ultraschallmotoren vor Durchschlag zu vereinfachen und
die Verschmutzung der Oberfläche
der Oszillatoren und der Friktionskontakte zu verringern. Das erhöht wiederum
die Funktionssicherheit der Ultraschallmotoren. Außerdem verringert
sich der Durchmesser der Strom führenden
Kabel, wodurch sich ihre Elastizität erhöht. All dies verringert die
Fertigungskosten der vorgeschlagenen Steuereinheit und des gemeinsam
mit dieser Vorrichtung betriebenen Ultraschallmotors.
-
Durch
die Verringerung der elektrischen Spannung ist ebenfalls möglich, das
Einsatzgebiet von leistungsstarken Ultraschallmotoren auszuweiten
und sie im Vakuum, in feuchter Umgebung, in medizinischen Geräten und
in anderen Fällen,
wo hohe elektrische Spannungen nicht zulässig sind, einzusetzen.
-
- 1,
2
- Beispiele
von Ultraschallmotoren
- 3
- Oszillator
des Ultraschallmotors 1
- 4
- Piezoelement
des Oszillators 3 (9)
- 5
- Friktionselement
des Oszillators 3
- 6
- Lange
Stirnseite des Oszillators 3 (9)
- 7
- Bewegliches
Element des Ultraschallmotors 1
- 8
- Kugellager
- 9
- Oszillator
des Ultraschallmotors 2
- 10
- Gleitstück des Ultraschallmotors 2
- 11
- Zugfedern
- 12
- Piezoelektrische
Platte des Oszillators 3 und 9
- 13
- Seitenflächen der
piezoelektrischen Platte 12
- 14,
15
- Erregerelektroden
- 16
- Seitenfläche der
piezoelektrischen Platte
- 17
- Gemeinsame
Elektrode
- 18
- Mittellinie
der Flächen 6, 13, 16
- 19,
20
- Anschlüsse der
Elektroden 14, 15
- 21
- Anschluss
der Elektrode 17
- 22,
23
- Generatoren
für akustische
Stehwellen
- 24
- Zweikanalleistungsschaltverstärker
- 25
- Erster
Kanal des Leistungsverstärkers 24
- 26
- Zweiter
Kanal des Leistungsverstärkers 24
- 27
- Richtungswahlschalter.
- 28
- Steuereingang
des Richtungswahlsachalters 27.
- 29
- Erregergenerator
- 30
- Gleichspannungsquelle
- 31
- Positive
Potentialschiene
- 32
- Gemeinsame
Masse
- 33
- Pufferkondensator
- 34
- Verbindungselement
- 35
- Erste
Kompensationsspule
- 36
- Erster
Zusatzkondensator
- 37
- Zweite
Kompensationsspule
- 38
- Zweiter
Zusatzkondensator
- 39
- Erster
Schalter des Leistungsverstärkers 24
- 40
- Zweiter
Schalter des Leistungsverstärkers 24
- 41,
42
- Treiber
des Leistungsverstärkers 24
- 43,
44
- Steuereingänge der
Kanäle 25, 26
- 45,
46
- Ausgänge des
Richtungswahlschalters 27
- 47
- Signaleingang
des Richtungswahlschalters 27
- 48
- Ausgang
des Erregergenerators 29
- 49
- Ausschalter
- 50
- Steuereingang
des Ausschalters 49
- 51
- Einzelgenerator
- 52
- Synchronisierungseingang
des Generators 51
- 53
- Erster
Anpassungstransformator
- 54
- Zweiter
Anpassungstransformator
- 55
- Rückkopplungskreis
- 56
- Eingang
des Rückkopplungskreises
- 57
- Rückkopplungselement
- 58
- Filter
- 59
- Phasenschieber
- 60
- Spannungskennlinie
am Ausgang 48
- 61
- Spannungskennlinie
an den Ausgängen 62, 63
- 62,
63
- Ausgänge der
Schalter 39. 40
- 64
- Spannungskennlinie
an den Ausgängen 62, 63
- 65
- Erregerblock
des Ultraschallmotors
- 66
- PWM-Wandler
- 67
- PWM-Modulator
- 68
- Steuereingang
des PWM-Modulators
- 69
- Leistungsverstärker des
PWM-Wandlers 66
- 70
- Filter
des PWM-Wandlers 66
- 71
- Synchronisierungseingang
des PWM-Wandlers 66
- 72
- Signalkreis
für den
Erregerblock 65
- 73
- Frequenzvervielfacher
- 74
- Geber
für Lage
oder Laufgeschwindigkeit
- 75
- Mikroprozessorregler
für Lage
oder Laufgeschwindigkeit
- 76,
77, 78
- Steuerausgänge des
Mikroprozessorreglers 75
- 79
- Übertragungsleitung
des Mikroprozessorreglers 75
- 80
- Steuercomputer
- 81
- Tastatur