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Die
Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Ultraschallmotor, die
zum Einsatz in Präzisionssystemen
zur Positionierung oder Geschwindigkeitsstabilisierung mit erweitertem
Temperatureinsatzbereich und erweiterter mechanischer Belastung vorgesehen
sind.
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Bekannt
sind z.B. aus
US 5,872,418 selbsterregende
Controller zur Steuerung von Ultraschallmotoren, die auf dem Prinzip
des Autogenerators mit Rückkopplung
beruhen, wobei in ihnen die Erregerfrequenz durch die mechanischen
Parameter des Oszillators des Ultraschallmotors vorgegeben werden.
Diesen Controllern fehlt eine Möglichkeit
zur analogen Geschwindigkeitssteuerung des Motors, weshalb sie nicht
zum Einsatz in Präzisionssystemen zur
Positionierung und Geschwindigkeitsstabilisierung geeignet sind.
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Außerdem sind
z.B. aus
DE 199 45
042 C2 Controller zur Steuerung von Ultraschallmotoren
mit fester Erregerfrequenz bekannt, die nach dem Prinzip des Phasenschieberwandlers
funktionieren. Solche Controller haben einen analogen Steuereingang und
können
in Präzisionssystemen
zur Positionierung und zur Geschwindigkeitsstabilisierung eingesetzt
werden. Jedoch können
diese Controller nicht der Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors
folgen.
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Ein
Nachteil dieser Controller mit fester Erregerfrequenz besteht darin,
dass ihre Erregerfrequenz unabhängig
von der Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors ist. Der Ultraschallmotor
stellt ein Resonanzgerät
hoher Güte
dar, bei dem eine geringfügige
Temperaturänderung
des Oszillators oder eine Laständerung
zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz, bezogen auf die Arbeitsfrequenz
des Controllers führt.
Dies verringert die mechanische Motorleistung, was eine instabile
Funktion des Antriebssystems zur Folge hat.
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Durch
die Verringerung der mechanischen Leistung verringert sich der Wirkungsgrad
des Ultraschallmotors, und bei einem Einsatz in einem geschlossenen
System führt
dies zu seiner Erwärmung. Durch
diese Motorerwärmung
verschiebt sich die Resonanzfrequenz noch stärker, was zum Anhalten des Ultraschallmotors
und zum vollständigem
Ausfall des Antriebssystems führt.
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Die
periodische Laständerung
ruft eine Destabilisierung des Regelsystems hervor, was eine Erhöhung des
Verstärkungskoeffizienten
erforderlich macht. Letzteres führt
oft zur Störung
des Gleichgewichts im Regelsystem und somit tendenziell zu Betriebsstörungen des
Präzisions-Positionierungssystems.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten selbsterregenden
PWM-Controller eines Ultraschallmotors anzugeben, der sich insbesondere
durch eine erhöhte
Betriebsstabilität und/oder
konstanten Wirkungsgrad in einem erweiterten Temperaturbereich auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird durch einen selbsterregenden PWM-Controller mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Zweckmäßige Fortbildungen
des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorteile
der Erfindung sind die Erweiterung des Temperatureinsatzbereiches
für den
Ultraschallmotor, die Erhöhung
seiner Betriebsstabilität
in einem erweiterten Temperaturbereich, ein konstanter Wirkungsgrad
des Ultraschallmotors in diesem erweiterten Temperaturbereich, ein
erweiterter mechanischer Lastbereich und die Erhöhung der Betriebsstabilität in geschlossenen
Regelsystemen.
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Die
Erfindung schließt
den Gedanken ein, den PWM-Controller als Steuerung des Ultraschallmotors
mit einer geeigneten Struktur auszuführen, die die wirkungsmäßige Anbindung
an ein dem Motor zugeordnetes Element eines Rückkopplungskreises erlaubt.
Weiter gehört
zur Erfindung der Gedanke, eine Formierungseinrichtung des Controllers
als symmetrischen PWM-Modulator auszuführen, der über seinen frequenzbestimmenden
Eingang mit dem erwähnten
Rückkopplungskreis
verbunden ist.
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In
einer Ausführung
der Erfindung umfasst der PWM-Controller einen Analogsignalverstärker, mit
dessen Ausgang der symmetrische PWM-Modulator über seinen Referenzspannungs-Eingang
verbunden ist.
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In
einer der vorgeschlagenen Varianten eines Controllers kann der symmetrische
PWM-Modulator eine Formierungseinrichtung für symmetrische Dreieckssignale
mit einem frequenzbestimmenden Eingang und einen nicht-invertierenden
und einen invertierenden Ausgang aufweisen, wobei jeder dieser Ausgänge mit
dem Umschalteingang seines Formierungskomparators verbunden ist
und wobei jeder Referenzeingang jedes Formierungskomparators mit dem
Verstärker
für das
Analogsteuersignal verbunden ist und jeder der Ausgänge jedes
Formierungskomparators mit dem Eingang des entsprechenden Halbbrückenleistungsverstärkers verbunden
ist.
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In
einer weiteren Variante kann als Element im Rückkopplungskreis ein Kondensator,
ein Widerstand oder auch beide verwendet werden, die dann parallel
und in Reihe mit dem Oszillator des Ultraschallmotors geschaltet
sind. Dies ermöglicht
die Bereitstellung des erforderlichen Signals für die Rückkopplung des selbsterregenden
Controllers in einfacher und doch flexibler Weise.
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Außerdem kann
in einer weiteren Ausführungsvariante
des Controllers als Rückkopplungselement
eine Hilfselektrode oder ein Piezoelement dienen, die auf dem Oszillator
des Ultraschallmotors angeordnet ist. Es können auch zwei Hilfselektroden oder
Piezoelemente vorgesehen sein. Dadurch verringert sich die Zahl
der elektronischen Bauteile im Controller.
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In
einer weiteren Variante des vorgeschlagen Controllers kann der Rückkopplungskreis
einen Verstärker
oder ein Filter oder ein phasendrehenden Glied oder mindestens zwei
dieser, dann in Reihe geschalteten, Bauteile aufweisen. Dies ermöglicht es, die
geforderten Frequenzkennlinien des Controllers entsprechend auszubilden.
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Der
vorgeschlagene Controller kann zusätzlich mit einem Pegelwandler
für das
Analogsignal und mit einem Komparator ausgestattet sein, der mit
seinem Umschalteingang mit dem Eingang des Analogsignals, mit dem
Führungseingang
mit der Referenzspannungsquelle und mit seinem Ausgang mit dem Steuereingang
des Richtungswahlschalters des Ultraschallmotors verbunden ist.
Dadurch ist es möglich,
leicht die Bewegungsrichtung des Ultraschallmotors zu ändern.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann im vorgeschlagenen Controller der Anpassungsübertrager
mit einer zusätzlichen
Sekundärwicklung
ausgestattet sein, deren einer Anschluss mit einer (gemeinsamen)
Masse und deren anderer Anschluss mit einem oder mehreren zusätzlichen
Ultraschallmotoren verbunden ist. Dies ermöglicht eine Erhöhung der durch
das Antriebssystem insgesamt bereitgestellten Antriebskraft.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich im Übrigen
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie hervorhebenswerter
Ausführungsaspekte
der Erfindung anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
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1 die
elektrische Schaltung eines selbsterregenden PWM-Controllers nach
einer Ausführungsform
der Erfindung,
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2 Varianten
des Ausgangs,
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3 Kenlinien
der Spannungsverläufe
an den Elementen des Controllers,
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4 Frequenzabhängigkeiten
des Oszillators des Ultraschallmotors,
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5 Steuerkennlinien
eines Ultraschallmotors,
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6 die
elektrische Schaltung des vorgeschlagenen Controllers zur Steuerung
eines reversiblen Ultraschallmotors,
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7, 8 Varianten
von Steuerkennlinien von Ultraschallmotoren und
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9 ein
Blockschaltbild mehrerer Ultraschallmotoren mit Ansteuerung durch
einen erfindungsgemäßen Controller.
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1 zeigt
die elektrische Schaltung eines selbsterregenden PWM-Controllers
für einen
Einphasenultraschallmotor, der Folgendes aufweist: Ausgänge 1, 2, 3 zum
Anschluss des Ultraschallmotors 4; einen Eingang 5 zum
Anschluss der Gleichspannungsquelle E; einen Eingang 6 zum
Anschluss des Analogsteuersignals Ua; einen
Eingang 7 zum Anschluss des Steuersignals zum Ein- und Ausschalten des
Motors 1 und einen Eingang 8 zum Anschluss des
Signals zum Umschalten der Bewegungsrichtung des Motors 1.
Außerdem
weist der gezeigte Controller eine Gruppe von Anschlüssen 9 auf,
die zum Anschluss eines digitalen Steuersignals dient.
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Außerdem enthält der Controller
einen Brückenleistungsschaltverstärker 10 mit
einem Anpassungsübertrager 11 und
Ausgangsfiltern 12 oder 13.
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Er
besteht aus einer Formierungseinrichtung für Steuersignale 14,
einem Analogsignalverstärker 15,
einem Rückkopplungskreis 16,
einem Ausschalter 17, einem Element 18 des Rückkopplungskreises und
einem Richtungswahlschalter 19 des Ultraschallmotors. Außerdem kann
er einen Analog-Digitalwandler aufweisen.
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Der
geregelte Ultraschallmotor 4 kann einen Linear- oder einen
Drehmotor darstellen und umfasst ein bewegliches Element 21,
einen Ultraschalloszillator 22 mit einer gemeinsamen Elektrode 23 und
zwei Erregerelektroden 24 und 25.
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Die
Elektroden 23, 24 und 25 des Ultraschallmotors 4 sind
mit den Ausgängen 1, 2 und 3 des
Controllers verbunden.
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Auf
dem Oszillator 22 sind Hilfselektroden 26, 27 oder
auch Hilfspiezoelemente (in der Figur nicht dargestellt) angeordnet.
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Der
Leistungsverstärker 10 besteht
aus zwei Halbbrückenverstärkern 28 und 29 mit
Treibern 30 und 31. Er hat zwei Eingänge 32 und 33 und
zwei Ausgänge 34 und 35,
die durch die Ausgänge
der Halbbrückenverstärker 28 und 29 gebildet
sind.
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Eine
Formierungseinrichtung für
die Signale 14 ist als symmetrischer PWM-Modulator mit einem frequenzbestimmenden
Eingang 36, einem Eingang für die Referenzspannung 37 und
Ausgängen 38 und 39 ausgeführt. Sie
umfasst eine Formierungseinrichtung 40 für eine symmetrische
Dreieckspannung mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Ausgang 41 und 42 und
zwei Formierungskomparatoren 43 und 44 mit Umschalteingängen 45, 46 und Referenzeingängen 47, 48.
Die Formierungseinrichtung 40 besteht aus einem Generator 49 für Rechteckimpulse
mit einem Ausgang 50, einem Integrierer 51 und
einem Inverter 52.
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Der
Analogsignalverstärker 15 hat
einen Analogeingang 53 und einen Ausgang 54 der
analogen Referenzspannung. Der Analogeingang des Verstärkers 15 ist
mit dem Eingang 6 des Analogsignals des Controllers verbunden.
Der Analogeingang 53 kann mit einem Ausgang 55 des
Analog-Digitalwandels 20 verbunden sein.
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Der
Rückkopplungskreis 16 hat
einen Ausgang 56 und einen Eingang 57. Er kann
aus einem Verstärker
für das
Rückkopplungssignal
(in 1 nicht dargestellt), einem Phasenschieber 58 und
einem Filter 59 bestehen. Funktionell können diese Elemente vereinigt
sein. Der Phasenschieber 58 und das Filter 59 können als
passive oder aktive Glieder ausgeführt sein. Der Ausgang 56 des
Rückkopplungskreises 16 kann über den
Ausschalter 17, der einen Steuereingang 7 enthält, mit
dem frequenzbestimmenden Eingang 36 der Formierungseinrichtung 14 verbunden
sein.
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Im
vorgeschlagenen Controller können
als Rückkopplungselement
ein Kondensator 60, ein Widerstand 61 oder beide
parallel und in Reihe mit dem Oszillator 22 des Ultraschallmotors 1 geschalteten Elemente
dienen. In allen diesen Fällen
ist das Rückkopplungselement 18 direkt
mit dem Eingang 57 des Rückkopplungskreises 16 verbunden.
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Als
Rückkopplungselemente
können
außerdem
die Hilfselektroden 26 und 27 oder Hilfepiezoelemente
(in 1 nicht dargestellt) verwendet werden. In diesem
Fall sind diese Elemente an dem Eingang 57 des Rückkopplungskreises 16 über einen Umschalter 62 eines
Steuereingangs 63 angeschlossen, der mit dem Eingang 8 des
Richtungswahlschalters 19 des Motors 1 verbunden
ist.
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Die
Anschlüsse
der Primärwicklung
des Anpassungsübertragers 11 tragen
die Bezugsziffern 64 und 65 und die der Sekundärwicklung 66 und 67.
Die Filter 12 und 13 haben Eingangsanschlüsse 68, 69 und
Ausgangsanschlüsse 70, 71.
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In 2 sind
mit den Ziffern 72 und 73 zwei Varianten der Ausgangsfilter 12 oder 13 bezeichnet, deren
Elemente direkt miteinander verbunden sind. Ein LC-Reihenfilter 72 besteht
aus einer Induktivität 74 und
einem Kondensator 75. Ein LC-Reihen-Parallelfilter 73 besteht
aus einer Induktivität 76 und
einem Kondensator 77. Diese Filter können direkt mit dem Ultraschallmotor
(Ziffer 13, 1) verbunden oder mit Hilfe
des Anpassungsübertragers 11 (Ziffer 12, 1)
vom Ultraschallmotor getrennt sein.
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In 2 zeigen
die Ziffern 78 und 79 zwei Varianten von LC-Ausgangsfiltern,
deren Elemente durch den Anpassungsübertrager 11 getrennt
sind. Ziffer 78 zeigt ein LC-Reihenfilter. Dieser Filter
besteht aus der Induktivitätsspule 80 und
dem Kondensator 81. Die Ziffer 79 zeigt ein LC-Reihen-Parallelfilter.
Dieses Filter besteht aus der Induktivitätsspule 82 und dem
Kondensator 83. L stellt die Induktivität der Induktivitätsspulen 74, 76, 80, 82 der
Filter und C die elektrische Kapazität der Kondensatoren der Filter 75, 77, 81, 83 dar.
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3 zeigt
die Spannungsverläufe
der an den in 1 dargestellten Elementen der
elektrischen Schaltung anliegenden Spannungen. Die Spannungen wurden
in Bezug zu einer gemeinsamen Masse 84 gemessen.
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Ziffer 85 zeigt
die Spannungsverläufe,
wie sie am Ausgang 7 des Ausschalters 17 zum Zeitpunkt –t1, beim Einschalten des Motors 4 anliegen. Ziffer 86 zeigt
die Spannungsverläufe,
wie sie am Ausgang 50 des Generators für Rechteckimpulse 49 anliegen.
Ziffer 87 zeigt die Spannungsverläufe am Ausgang 41 der
Formierungseinrichtung 40. Ziffer 88 zeigt die
Spannungsverläufe
am Ausgang 42 der Formierungseinrichtung 40. Ziffer 89 zeigt
die Abhängigkeit
der am Ausgang 6 des Controllers anliegenden Analogspannung
Ua von der Zeit t. Ziffer 90 zeigt
die Spannungsverläufe
am Ausgang 38 des Formierungskomparators 43. Ziffer 91 zeigt
die Spannungsverläufe
am Ausgang 39 des Formierungskomparators 44. Ziffer 92 zeigt
die Spannungsverläufe
an den Ausgängen 34 und 35 des
Brückenverstärkers 10. Ziffer 93 zeigt
die Spannungsverläufe
am Ausgang 1 des Controllers. Ziffer 94 zeigt
die Abhängigkeit
der Augenblicksamplitude der am Ausgang 1 des Controllers
anliegenden Spannung Um von der Zeit t.
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In 4 zeigt
Ziffer 95 die Abhängigkeit (punktierte
Linie) des durch den Oszillators 22 fließenden Stroms
I und die Abhängigkeit
(durchgehende Linie) der Geschwindigkeit V oder der Drehfrequenz
n von der Erregerspannung des Oszillators ω. In 4 zeigt
Ziffer 96 die Abhängigkeit
der Phasenverschiebung φ|
zwischen den durch den Oszillator 22 fließenden Strom
I und der Erregerspannung des Oszillators von der Frequenz ω dieser
Spannung.
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In 4 zeigt
Ziffer 97 die Abhängigkeit
der Phasenverschiebung φU zwischen der Spannung an der Hilfselektrode 26 oder 27 und
der Erregerspannung des Oszillators 22 von der Frequenz ω dieser Spannung.
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5 zeigt
die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors (Abhängigkeit der Geschwindigkeit
V des beweglichen Teils oder seiner Drehfrequenz n von der Spannung
Ua des Analogsteuersignals) für den Controller
in 1. Diese Abhängigkeit
kann eine Gerade (durchgehende Linie) oder deren Umkehrung (punktierte
Linie) sein.
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6 zeigt
die elektrische Schaltung eines vorgeschlagenen Controllers zur
Steuerung eines richtungsumkehrbaren Ultraschalmotors. Dieser Controller
ist zusätzlich
mit einem Niveauwandler für ein
Analogsignal 98 ausgestattet, dessen Eingang 99 mit
dem Eingang 6 des Controllers und dessen Ausgang 100 mit
dem Eingang 53 des Analogsignalverstärkers 15 verbunden
ist. Außerdem
umfasst in dieser Variante der Controller einen Komparator 101, der
mit einem Umschalteingang 102 mit dem Eingang 6 des
Analogsteuersignals und mit einem Ausgang 103 mit dem Eingang 8 des
Richtungswahlschalters 19 des Motors 4 verbunden
ist. Ein Führungseingang 104 des
Komparators 100 ist mit der Spannungsquelle e verbunden.
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In 7 zeigt
Ziffer 105 eine mögliche
Variante der Übertragungskennlinien
des Wandlers 98 (Abhängigkeit
der Spannung Uu am Ausgang 100 des Wandlers 98 von
der Spannung Ua des Analogsteuersignals
an seinem Eingang 99). Ziffer 106 in 7 zeigt
die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors 4 für diese
Controllervariante, bei der der Wandler 98 die in Ziffer 105 in 7 dargestellte Übertragungsabhängigkeit
aufweist.
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Ziffer 107 in 8 zeigt
eine weitere mögliche
Variante der Übertragungsabhängigkeit
des Wandlers 98. Die Ziffer 108 in der Zeichnung
zeigt die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors 4 für den Controller,
in dem der Wandler 98 die in Ziffer 107 dargestellte Übertragungsabhängigkeit
aufweist.
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Der
vorgeschlagene selbsterregende PWM Controller arbeitet nach folgenden
Prinzip.
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Bis
zum Zeitpunkt –t
ist der Ausschalter 17 geöffnet und der Controller befindet
sich im ausgeschalteten Zustand. Dabei ist die Spannung am Eingang 36 der
Formierungseinrichtung 14 gleich Null und die Spannung
am Ausgang 56 des Rückkopplungskreises 16 ist
gleich E/2. Zum Zeitpunkt –t
erscheint am Eingang 7 des Ausschalters 17 ein
direktes Einschaltsignal (Ziffer 85, 3).
Dadurch steigt die elektrische Spannung am Eingang 36 der
Formierungseinrichtung 14 stufenweiße von Null auf E/2 an.
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Durch
die Flanke wird der Generator für Rechteckimpulse 49 gestartet,
wodurch an seinem Ausgang 50 ein erster Rechteckimpuls
aus einer Serie von Impulsen, wie sie in Ziffer 86 der 3 dargestellt
ist, gebildet wird. Dieser Impuls erscheint – bezogen auf das Einschaltsignal – mit einer
geringfügigen
Verzögerung,
die durch die Zeit für
das Betätigen des
Ausschalters 17 und für
die Zeit zum Einschalten des Generators 49 bestimmt wird.
In den in 3 gezeigten Kennlinien wird
die Vorderflanke des ersten Rechteckimpulses als Startpunkt für die Zeit
(t = 0) genommen. Die Dauer dieses Impulses ist gleich der halben
Periode T der Folgefrequenz der Impulsserie.
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Anschließend gelangt
der Rechteckimpuls auf den Integrierer 51, der ihn in einen
symmetrischen Dreieckimpuls umwandelt, der auf den nicht invertierenden
Ausgang 41 der Formierungseinrichtung 40 (Ziffer 87, 3)
geleitet wird. Der Ausgang 41 ist mit dem Inverter 52 verbundenen,
weshalb am invertierenden Ausgang 42 der Formierungseinrichtung 40 ein
invertierter Dreieckimpuls sich ausbildet. Dadurch werden an den
Ausgängen
der Formierungseinrichtung 40 zwei zueinander invertierte
Dreieckimpulse (Ziffer 87 und 88, 3)
ausgebildet, die beide zueinander symmetrisch sind – bezogen
auf die entsprechende Flanke des rechteckigen Führungsimpulses (Ziffer 86, 3).
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Am
Eingang 6 des Controllers liegt die langsam von Null auf
Ua max ansteigende analoge Steuerspannung
an. Die Geschwindigkeit mit der die Änderung der Spannung erfolgt,
ist wesentlich geringer als die Änderung
der Geschwindigkeit des Dreieckimpulses. Ziffer 89, 3 zeigt
die mögliche
Form dieser Spannung.
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Die
analoge Steuerspannung kann auch aus dem Digital-Analogwandler 20 synthetisiert
werden.
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Das
Analogsteuersignal vom Eingang 6 oder vom Digital-Analogwandler 20 gelangt
auf den Eingang 53 des Verstärkers 15, wird durch
ihn verstärkt und
gelangt über
seinen Ausgang 54 auf den Eingang 37 der Referenzspannung
der Formierungseinrichtung 14. Da der Eingang 37 mit
den Eingängen 32 und 33 der
Komparatoren 43 und 44 verbunden ist, wirkt auf
diese Bezugseingänge
eine Referenzspannung, die proportional zur der am Eingang 6 wirkenden
Spannung des Analogsteuersignals ist.
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Im
Moment des Ausgleichs der Spannung auf den Umschalteingängen 45, 46 der
Komparatoren 43 und 44 mit der Spannung auf ihren
Referenzeingängen 47 und 48 erfolgt
das Umschalten der Komparatoren 43 und 44. Im
Ergebnis dessen erscheinen auf den Ausgängen 38 und 39 der
Komparatoren 43 und 44 PWM-Impulse (siehe Ziffer 90, 91), die – bezogen
auf die Flanken der rechteckigen Führungsimpulse (siehe Ziffer 86, 3) – symmetrisch angeordnet
sind.
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Die
Dauer der PWM-Impulse wird durch die Höhe der Referenzspannung an
den Eingängen 47 und 48 der
Komparatoren bestimmt, d.h. sie wird durch die Höhe der Spannung des Analogsteuersignals
am Eingang 6 des Controllers bestimmt. Dabei sind die auf
den Ausgang 38 des Komparators 43 anliegenden
PWM-Impulse um T/2 oder 180° verschoben
und zwar bezogen auf die PWM-Impulse,
die am Ausgang 39 des Komparators 44 anliegen.
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Wichtig
ist, dass – bezogen
auf die Flanken der rechteckigen Führungsimpulse – die symmetrische
Anordnung der PWM-Impulse (Ziffern 90, 91) nicht
von der Spannungshöhe
Ua des Steuersignals am Ausgang 6 des
Controllers abhängt.
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Von
den Ausgängen 38 und 39 der
Komparatoren 43 und 44 gelangen die PWM-Impulse
auf die Eingänge 32 und 33 der
Halbbrückenverstärker 28 und 29;
im Ergebnis bilden sich an den Ausgängen 34 und 35 dieser
Verstärker
unterschiedlich polarisierte PWM-Impulse aus (Ziffer 92, 3).
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Die
Filter 12 oder 13 (siehe 1, 2) stellen
Breitbandfilter dar, die die erste Harmonische aus der auf ihren
Eingängen
anliegenden Spannungen herausfiltern.
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Bei
der Erfindung sind mehrere Varianten zur Verbindung der Filter 12 und 13 mit
dem Anpassungsübertrager 11 möglich.
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In
einer ersten Ausführungsvariante
ist das Filter 12 mit den Ausgängen 34 und 35 der
Verstärker 28 und 29 verbunden.
Das Filter ist mit seinen Ausgängen 70 und 71 und
den Eingängen 64 und 65 mit dem
Anpassungsübertrager 11 verbunden.
Ein Ausgang 66 des Anpassungsübertragers 11 ist
mit dem Element des Rückkopplungskreises 18 und
der andere Ausgang 67 ist mit dem Eingang 1 des
Controllers, d.h. mit dem Ausgang zur gemeinsamen Elektrode 23 des
Oszillators 22 verbunden.
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In
einer anderen Ausführungsvariante
des Controllers ist an die Ausgänge 34 und 35 der
Verstärker 28 und 29 der
Anpassungsübertrager 11 mit seinen
Eingängen 64 und 65 angeschlossen.
Dabei wird das Filter 13 mit seinen Eingängen 68 und 69 an die
Ausgänge 66 und 67 des
Anpassungsübertragers angeschlossen.
Der Ausgang 70 des Filters 13 wird mit dem Element
des Rückkopplungskreises
und der Ausgang 71 mit dem Eingang 1 des Controllers
verbunden, d.h. mit dem Ausgang der gemeinsamen Elektrode 23 des
Oszillators 22.
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In
einer dritten Ausführungsvariante
des Controllers werden Filter verwendet, in denen die Elemente 80, 81 und 82, 83 mit
Hilfe des Anpassungsübertragers 11 getrennt
sind. 2, Ziffer 78 und 79 zeigt diese
Filter.
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Die
Werte für
die Spulen L und die Kondensatoren C (Elemente 74, 75, 76, 77, 80, 81, 82, 83) der
Filter 12 und 13 werden unter Beachtung der Bedingung,
dass die Resonanzfrequenz der Filter gleich der Arbeitsfrequenz ωa des Ultraschallmotors 4 ist, ausgewählt.
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Beim
Auftreten des ersten PWM-Impulses an den Ausgängen 34 und 35 bildet
sich am Ausgang 1 des Controllers ein elektrischer Spannungsimpuls aus,
der an die Elektrode 23 des Oszillators 22 weitergeleitet
wird. Das hat zur Folge, dass durch die Elektrode 23 ein
elektrischer Strom I zu fließen
beginnt und sich an den Hilfselektroden 26 und 27 eine elektrische
Spannung ausbildet.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
des Controllers bewirkt der Strom I die Ausbildung eines Spannungsimpulses
auf dem Rückkopplungskreis-Element 18,
der auf den Eingang 57 des Rückkopplungskreises gelangt.
In der zweiten Controllervariante trifft der durch die Hilfselektrode 26 (oder 27)
generierte elektrische Spannungsimpuls auf den Eingang 57 des
Rückkopplungskreises.
In dieser wie auch in der anderen Variante durchläuft ein
Spannungsimpuls den Rückkopplungskreis,
gelangt über
den Ausschalter 17 auf den Eingang 36 des Generators
für Rechteckimpulse 49 und
wird dort ein zweites Mal ausgelöst.
Der Generator erzeugt einen zweiten Rechteckimpuls aus einer wie
sie in der Ziffer 86, 3 dargestellten
Serie von Impulsen. Danach setzt die Selbsterregung des PWM-Controllers
ein.
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Der
Generator 49 für
Rechteckimpulse kann als separater Generator ausgeführt werden,
wobei seine Frequenz mit dem Signal des Rückkopplungskreises 16 synchronisiert
wird. Dieser Generator kann auch als Formierungseinrichtung für Rechteckimpulse
ausgeführt
werden, die vom Signal des Rückkopplungskreises 16 gestartet
wird.
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Das
Filter 59 wird auf die Erregerfrequenz des Controllers
abgestimmt und dient der Begrenzung der Durchlassbreite des Filters,
wenn im Oszillator 22 nah zueinander liegende parasitäre Resonanzen
auftreten.
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Die
Selbsterregung des Controllers erfolgt bei der Frequenz, bei der
die Phasenverschiebung im geöffneten
Controllerkreis gleich Null ist. Diese Frequenz wird durch die Phasenschieberglieder
im Controller bestimmt, zu denen die Formierungseinrichtung 14,
der Kondensator 60 als Element des Rückkopplungskreises 18 und
der Oszillator 22 gehören. Die
ersten beiden Elemente verschieben die Phase um 90°.
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4 zeigt
die Frequenzabhängigkeiten
des Oszillators 22. Aus den Abhängigkeiten ist erkennbar, dass
bei der Frequenz ωi max die Phasenverschiebung zwischen der
Erregerspannung und dem Strom I gleich Null ist (Ziffer 95).
Die Phasenverschiebung zwischen der Erregerspannung und der Spannung auf
der Hilfselektrode ist gleich 90° (Ziffer 97).
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Davon
ausgehend, sind folgende grundsätzliche
Varianten zur Selbsterregung des vorgeschlagenen Controllers möglich:
Erste
Variante: Als Element des Rückkopplungskreises 18 wird
der Kondensator 60 verwendet. Dabei wird im Rückkopplungskreis 16 kein
Phasenschieber 58 benötigt.
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Zweite
Variante: Als Element des Rückkopplungskreises 18 wird
der Widerstand 61 verwendet. In diesem Fall muss der Phasenschieber 56 die
Phase um 90° verschieben.
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Dritte
Variante: Als Element des Rückkopplungskreises 18 wird
die Hilfselektrode 26 oder 27 verwendet. Dabei
wird im Rückkopplungskreis 16 kein
Phasenschieber 58 benötigt.
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In
allen diesen Fällen
soll der Verstärkungskoeffizient
des Controllers bei geöffnetem
Rückkopplungskreis 16 bei
der Frequenz, bei der die Phasenverschiebung gleich Null ist, größer als
eins sein. Dies wird durch die richtige Auswahl des Wertes des Elementes 60 oder 61 des
Rückkopplungskreises 18 erreicht
oder durch eine ausreichend große
Fläche der
Hilfselektroden 26 und 27 oder durch Einsatz eines
zusätzlichen
Verstärkers
im Rückkopplungskreis (in 1 nicht
dargestellt).
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Bei
vollständiger
Kompensation der Phasenverschiebung erfolgt die Erregung des Controllers
bei der Frequenz ωi max. Diese Frequenz entspricht der Geschwindigkeit
der Bewegung des beweglichen Teils V(n)i max,
die etwas kleiner als die Maximalgeschwindigkeit V(n)max ist
(siehe Ziffer 95, 4). Zum Erreichen
dieser Maximalgeschwindigkeit V(n)max muss
der Controller auf der Frequenz ωv max erregt werden. Dazu muss der Phasenschieber 58 die
Phase zusätzlich
um den Wert –Acp
verschieben.
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Jede
der Frequenzen ωi max oder ωv max kann die
Arbeitsfrequenz ωa des Ultraschallmotors bilden.
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Bei
konstantem Steuersignal am Eingang 6 liegt am Ausgang 1 des
Controllers eine sinusförmige Wechselspannung
mit konstanter Amplitude an. Ändert
sich, wie in Ziffer 89, 3 gezeigt,
das Steuersignal am Eingang 6, hat die Wechselspannung
am Ausgang 1 die in Ziffer 93, 3 gezeigte
Form. Die Amplitude Um dieser Spannung und
folglich auch die Geschwindigkeit V(n) des beweglichen Elementes des
Ultraschallmotors ändert
sich in der in Ziffer 94, 3 dargestellten
Weise.
-
Im
vorgeschlagenen Controller hängt
die Gesamtphasenverschiebung nicht von der Höhe der Spannung Ua des
Analogsignals an seinem Eingang 6 ab, weshalb die Erregerfrequenz
des Controllers ωi max oder ωv max unabhängig vom
Niveau des Erregersignals konstant bleibt. Diese Frequenz wird durch die
Frequenz-Phasen-Abhängigkeiten
des Oszillators des Ultraschallmotors (Ziffer 96 oder 97, 4) bestimmt,
die wiederum durch die Elastizität
des freien Oszillators und durch die Elastizität, die durch die Last in den
Oszillator eingebracht wird, bestimmt ist.
-
5 zeigt
die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors, der sich in Abhängigkeit
von der Invertierung des Verstärkers 54 vor-
oder rückwärts bewegen
kann. Die Neigung der Kennlinie wird durch den Verstärkungskoeffizienten
des Verstärkers
bestimmt.
-
Bei
der in 6 gezeigten Variante des vorgeschlagenen Controllers
ist der Wandler 98 so aufgebaut, dass eine Änderung
des Analogsteuersignals Ua am Eingang 99 von –Ua max auf +Ua max zu
einer Spannungsänderung
am Ausgang 100 von Null auf Uu max führt (siehe
Ziffer 105, 7). Dabei ist die Spannung e
der Urspannungsquelle am Führungseingang
des Komparators 101 gleich Null. Deshalb schaltet der Komparator 101 beim
Durchlaufendes Analogsteuersignals Ua durch
Null um. Dies führt
zur Änderung
der Bewegungsrichtung des Ultraschallmotors.
-
In
dieser Controllervariante entspricht die Nullgeschwindigkeit des
beweglichen Elementes V(n) dem Spannungswert Null des Analogsteuersignals
Ua, wie in Ziffer 106, 7 dargestellt.
-
In
der in 7 dargestellten Controllervariante führt die Änderung
des Analogsteuersignals Ua am Eingang 99 von
0 auf Ua max zur Änderung der Spannung am Eingang 100 des
Wandlers von Null auf Uu max (siehe Ziffer 107, 8).
In dieser Variante ist die Spannung e der Urspannungsquelle gleich
Ua max/2. Deshalb schaltet im Moment des
Durchgangs des Analogsteuersignals Ua durch
Ua max/2 der Komparator 101 um.
Dadurch kehrt sich die Bewegungsrichtung des Ultraschallmotors um.
In diesem Fall entspricht die Nullgeschwindigkeit des beweglichen Elementes
V(n) dem Wert Ua max/2 der Analogsteuerspannung
Ua, wie in Ziffer 108, 8 dargestellt.
-
Im
vorgeschlagenen Controller wird die Selbsterregerfrequenz durch
die Härte
des freien Oszillators des Ultraschallmotors und durch die Härte, die
durch die Last am Oszillator eingebracht wird, bestimmt. Deshalb
führt weder
eine Änderung
der Temperatur des Oszillators noch der Last zu einer Verschiebung
des Arbeitspunktes des Motors auf der Frequenzkennlinie des Oszillators.
Dies stabilisiert die Geschwindigkeit der Bewegung V(n) des beweglichen
Elementes des Ultraschallmotors und erweitert den Temperatureinsatzbereich.
-
Wie
in 9 dargestellt, kann der vorgeschlagene Controller
mit mehreren zusätzlichen
Ultraschallmotoren 113 betrieben werden. Hierzu ist der
Anpassungsübertrager 11 mit
einer zusätzlichen Sekundärwicklung 109 versehen,
an deren einem Ende (Anschluss 112) diese zusätzlichen
Motoren 113 angeschlossen sind. Bei dieser Anordnung bestimmt,
wie zuvor, der eine der ersten Sekundärwicklung angeschlossene (Haupt-)Ultraschallmotor 4 die Selbsterregerfrequenz
des Controllers.
-
Im
vorgeschlagenen Controller wird die Selbsterregerfrequenz durch
die Elastizität
des freien Oszillators des Ultraschallmotors sowie durch eine zusätzliche
Elastizität,
die durch die Last am Oszillator eingebracht wird, bestimmt. Deshalb
führt weder eine Änderung
der Temperatur des Oszillators noch der Last zu einer Verschiebung
des Arbeitspunkts des Motors auf der Frequenzkennlinie des Oszillators.
Dies stabilisiert die Geschwindigkeit der Bewegung des beweglichen
Elementes des Ultraschallmotors und erweitert somit dessen Temperatureinsatzbereich.
-
Im
vorgeschlagenen Controller erfolgt die Steuerung des Leistungsverstärkers, d.h.
der Geschwindigkeit des beweglichen Elementes V(n) des Ultraschallmotors,
mit Hilfe des PWM-Signals. Dadurch ist es möglich, einen hohen Wirkungsgrad
für den
Leistungsverstärker
des Controllers zu erreichen.
-
Von
Vorteil ist, dass sich bei Änderung
der Temperatur der Wirkungsgrad des Ultraschallmotors nicht verändert, da
der Arbeitspunkt des Motors stets im Gipfelpunkt der Resonanzkennlinie
liegt (siehe Ziffer 95, 4).
-
Außerdem wird
der Einsatzbereich für
mechanische Belastungen erweitert, da auch in diesem Fall der Ultraschallmotor
im Gipfelpunkt seiner Kennlinie arbeitet.
-
Zusätzlich wird
durch den geschlossene Regelkreis die Betriebssicherheit des Ultraschallmotors erhöht, da durch
das stabilere Funktionieren nur kleinere Verstärkungskoeffizienten im Regelkreis
erforderlich sind.
-
- 1,
2, 3
- Anschlüsse für den Ultraschallmotor
- 4
- Ultraschallmotor
- 5
- Anschluss
für die
Gleichspannungsquelle E
- 6
- Anschluss
für das
analoge Steuersignal
- 7
- Eingang
für das
Steuersignal zum Ein- und Ausschalten des Ultraschallmotors
- 8
- Eingang
für das
Signal zum Richtungswechsel des Ultraschallmotors
- 9
- Eingänge für das digitale
Steuersignal
- 10
- Brückenleistungsschaltverstärker
- 11
- Anpassungsübertrager
- 12,
13
- Ausgangsfilter
- 14
- Formierungseinrichtung
für die
Steuersignale
- 15
- Analogsignalverstärker
- 16
- Rückkopplungskreis
- 17
- Ausschalter
- 18
- Element
des Rückkopplungskreises
- 19
- Richtungswahlschalter
für den
Ultraschallmotor
- 20
- Analog-Digitalwandler
- 21
- Bewegliches
Element
- 22
- Ultraschalloszillator
- 23
- Gemeinsame
Elektrode des Oszillators 22
- 24,
25
- Erregerelektroden
des Oszillators 22
- 26,
27
- Hilfselektroden
des Oszillators 22
- 28,
29
- Halbbrückenverstärker für den Brückenverstärker 10
- 30,
31
- Treiber
der Verstärker 28, 29
- 32,
33
- Eingänge der
Verstärker 28, 29
- 34,
35
- Ausgänge der
Verstärker 28, 29
- 36
- Frequenzbestimmender
Eingang der Formierungseinrichtung 14
- 37
- Eingang
für die
Referenzspannung der Formierungseinrichtung 14
- 38,
39
- Ausgänge der
Formierungseinrichtung 14
- 40
- Formierungseinrichtung
für eine
symmetrische Dreieckspannung
- 41,
42
- Ausgänge der
Formierungseinrichtung 40
- 43,
44
- Formierungskomparatoren
- 45,
46
- Umschalteingänge der
Komparatoren 43, 46
- 47,
48
- Referenzeingänge der
Komparatoren 43, 44
- 49
- Generator
für Rechteckimpulse
- 50
- Ausgang
des Generators 49
- 51
- Integrierer
- 52
- Invertor
- 53
- Analogeingang
des Verstärkers 15
- 54
- Ausgang
des Verstärkers 15
- 55
- Ausgang
des Digital-Analogwandlers
- 56
- Ausgang
des Rückkopplungskreises 16
- 57
- Eingang
des Rückkopplungskreises 16
- 58
- Phasenschieber
- 59
- Filter
- 60
- Kondensator
als Element des Rückkopplungskreises 18
- 61
- Widerstand
als Element des Rückkopplungskreises 18
- 62
- Umschalter
der Hilfselektroden 26, 27
- 63
- Steuereingang
des Umschalters 61
- 64,
65
- Ausgänge der
Primärwicklung
des Transformators 11
- 66,
67
- Ausgänge der
Sekundärwicklung
des Transformators 11
- 68,
69
- Eingangsanschlüsse der
Filter 12, 13
- 70,
71
- Ausgangsanschlüsse der
Filter 12, 13
- 72,
73
- Filtervarianten 12, 13
- 74
- Induktivitätsspule
der Filtervarianten 12, 13
- 75
- Kondensator
der Filtervarianten 12, 13
- 76
- Induktivitätsspule
der Filtervarianten 12, 13
- 77
- Kondensator
der Filtervarianten 12, 13
- 78,
79
- Filtervarianten 12, 13
- 80
- Induktivitätsspule
der Filtervarianten 12, 13
- 81
- Kondensator
der Filtervarianten 12, 13
- 82
- Induktivitätsspule
der Filtervarianten 12, 13
- 83
- Kondensator
der Filtervarianten 12, 13
- 84
- Gemeinsame
Masse
- 85
- Kennlinie
des Spannungsverlaufs am Ausgang 7
- 86
- Kennlinie
des Spannungsverlaufs am Ausgang 50
- 87
- Kennlinie
des Spannungsverlaufs am Ausgang 41
- 88
- Kennlinie
des Spannungsverlaufs am Ausgang 44
- 89
- Abhängigkeit
der Analogspannung von der Zeit am Eingang 6
- 90
- Kennlinie
des Spannungsverlaufs am Ausgang 38
- 91
- Kennlinie
des Spannungsverlaufs am Ausgang 39
- 92
- Kennlinie
der zwischen den Ausgängen 34 und 35 anliegenden
-
- Spannung
- 93
- Kennlinie
der am Eingang 1 anliegenden Spannung
- 94
- Abhängigkeit
der Augenblicksamplitude der Spannung am Ausgang 1
-
- von
der Zeit
- 95
- Abhängigkeit
der Bewegungsgeschwindigkeit V(n) und des durch den
-
- Oszillator 22 fließenden Stromes
I von der Frequenz ω der
Erreger
-
- spannung
des Oszillators
- 96
- Abhängigkeit
der Phasenverschiebung φ|
zwischen dem Strom I des
-
- Oszillators 22 von
der Frequenz der Erregerspannung ω des
-
- Oszillators
- 97
- Abhängigkeit
der Phasenverschiebung φu
zwischen der Spannung an
-
- der
Zusatzelektrode 26 oder 27 und der Erregerspannung
des
-
- Oszillators 22 von
der Frequenz ω dieser
Spannung
- 98
- Niveauwandler
für das
Analogsignal
- 99
- Eingang
des Wandlers 98
- 100
- Ausgang
des Wandlers 98
- 101
- Komparator
- 102
- Umschalteingang
des Komparators 101
- 103
- Ausgang
des Komparators 101
- 104
- Führungseingang
des Komparators 101
- 105,
107
- Übertragungskennlinien
des Wandlers 98
- 106,
108
- Varianten
der Steuerungscharakteristik eines Ultraschallmotors für
-
- den
in 5 dargestellten Komparator
- 109
- zusätzliche
Sekundärwicklung
des Anpassungsübertragers 11
- 110,
111
- Anschlüsse der
zusätzlichen
Sekundärwicklung
- 112
- Anschluss
- 113
- zusätzliche
Ultraschallmotoren