DE102006042695B4 - Selbsterregender PWM-Controller für einen Einphasenultraschallmotor - Google Patents

Abstract

Selbsterregender PWM-Controller eines Ultraschallmotors, mit einem Brückenleistungsverstärker mit zwei Halbbrückenverstärkern, einem Rückkopplungskreis, einem Ausgangsfilter und einer Formierungseinrichtung für Steuersignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierungseinrichtung ausgeführt ist als symmetrischer PWM-Modulator, der einen frequenzbestimmenden Eingang und einen Referenzspannungs-Eingang hat und der über zwei Ausgänge mit Eingängen der Halbbrückenverstärker verbunden ist, wobei der frequenzbestimmende Eingang des PWM-Modulators mit dem Rückkopplungskreis verbunden ist und der Rückkopplungskreis seinerseits in Wirkverbindung mit einem Rückkopplungskreis-Element des Ultraschallmotors steht.

Description

• 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.
• Aus der DE 41 07 802 A1 ist eine Antriebsregeleinheit für einen Ultraschallmotor bekannt, welche darauf beruht, dass eine selbsttätige Frequenznachführeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Schwingungsfrequenz der von einem Stromversorgungsteil angegebenen Wechselspannung derart regelbar ist, dass eine zwischen der Frequenz dieser Wechselspannung und der Schwingungsfrequenz eines Vibrators des Ultraschallmotors bestehende Phasendifferenz auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Zusätzlich ist ein selbsttätiges Spannungsreglerteil vorgesehen, mittels dessen die Ausgangsspannung des Stromversorgungsteils derart regelbar ist, dass das von dem Schwingungsdetektor ausgegebene Signal auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird.
• 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.
• Bzgl. einer weiteren Ausgestaltung einer derartigen Regelungseinheit wird auf JP 07046866 A verwiesen. Auch die US 6,320,298 B1 hat einen Steuerimpulsgenerator zum Inhalt, wobei ein derartiger Steuerimpuls ausgegeben wird, sodass die Frequenz des Steuerimpulses und die Frequenz des Leistungsrauschens in einem bestimmten Verhältnis stehen.
• 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.
• Auch gemäß der Lehre nach US 2003/0164658 A1 ist es bekannt, PWM-Controller in einem Ultraschallsystem zu verwenden, wobei der Controller mit zwei Schaltern zusammenwirkt um den Stromwandler bzgl. einer konstanten Stromstärke bei vorgegebener Resonanzfrequenz zu regeln.
• 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. 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 vollständigen Ausfall des Antriebssystems führt.
• 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.
• 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.
• Diese Aufgabe wird durch einen selbsterregenden PWM-Controller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• 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.
• 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.
• In einer Ausführung der Erfindung umfasst der PWM-Controller einen Analogsignalverstärker, mit dessen Ausgang der symmetrische PWM-Modulator über seinen Referenzspannungs-Eingang verbunden ist.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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:
• 1 die elektrische Schaltung eines selbsterregenden PWM-Controllers nach einer Ausführungsform der Erfindung,
• 2 Varianten des Ausgangs,
• 3 Kenlinien der Spannungsverläufe an den Elementen des Controllers,
• 4 Frequenzabhängigkeiten des Oszillators des Ultraschallmotors,
• 5 Steuerkennlinien eines Ultraschallmotors,
• 6 die elektrische Schaltung des vorgeschlagenen Controllers zur Steuerung eines reversiblen Ultraschallmotors,
• 7, 8 Varianten von Steuerkennlinien von Ultraschallmotoren und
• 9 ein Blockschaltbild mehrerer Ultraschallmotoren mit Ansteuerung durch einen erfindungsgemäßen Controller.
• 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 U_a,; 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.
• Außerdem enthält der Controller einen Brückenleistungsschaltverstärker 10 mit einem Anpassungsübertrager 11 und Ausgangsfiltern 12 oder 13.
• 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.
• 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.
• Die Elektroden 23, 24 und 25 des Ultraschallmotors 4 sind mit den Ausgängen 1, 2 und 3 des Controllers verbunden.
• Auf dem Oszillator 22 sind Hilfselektroden 26, 27 oder auch Hilfspiezoelemente (in der Figur nicht dargestellt) angeordnet.
• 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.
• 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 Referenzengängen 47, 48. Die Formierungseinrichtung 40 besteht aus einem Generator 49 für Rechteckimpulse mit einem Ausgang 50, einem Integrierer 51 und einem Inverter 52.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 U_a 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.
• 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.
• In 4 zeigt Ziffer 97 die Abhängigkeit der Phasenverschiebung φ_U zwischen der Spannung an der Hilfselektrode 26 oder 27 und der Erregerspannung des Oszillators 22 von der Frequenz ω dieser Spannung.
• 5 zeigt die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors (Abhängigkeit der Geschwindigkeit V des beweglichen Teils oder seiner Drehfrequenz n von der Spannung U_a des Analogsteuersignals) für den Controller in 1. Diese Abhängigkeit kann eine Gerade (durchgehende Linie) oder deren Umkehrung (punktierte Linie) sein.
• 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.
• In 7 zeigt Ziffer 105 eine mögliche Variante der Übertragungskennlinien des Wandlers 98 (Abhängigkeit der Spannung U_u am Ausgang 100 des Wandlers 98 von der Spannung U_a 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.
• 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.
• Der vorgeschlagene selbsterregende PWM Controller arbeitet nach folgenden Prinzip.
• 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.
• 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.
• 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).
• Am Eingang 6 des Controllers liegt die langsam von Null auf U_{a 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.
• Die analoge Steuerspannung kann auch aus dem Digital-Analogwandler 20 synthetisiert werden.
• 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.
• 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.
• 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.
• Wichtig ist, dass – bezogen auf die Flanken der rechteckigen Führungsimpulse – die symmetrische Anordnung der PWM-Impulse (Ziffern 90, 91) nicht von der Spannungshöhe U_a des Steuersignals am Ausgang 6 des Controllers abhängt.
• 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). Die Filter 12 oder 13 (siehe 1, 2) stellen Breitbandfilter dar, die die erste Harmonische aus der auf ihren Eingängen anliegenden Spannungen herausfiltern.
• Bei der Erfindung sind mehrere Varianten zur Verbindung der Filter 12 und 13 mit dem Anpassungsübertrager 11 möglich.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 ω_a des Ultraschallmotors 4 ist, ausgewählt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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°.
• 4 zeigt die Frequenzabhängigkeiten des Oszillators 22. Aus den Abhängigkeiten ist erkennbar, dass bei der Frequenz ω_{l 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).
• 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.
  Zweite Variante: Als Element des Rückkopplungskreises 18 wird der Widerstand 61 verwendet. In diesem Fall muss der Phasenschieber 56 die Phase um 90° verschieben.
  Dritte Variante: Als Element des Rückkopplungskreises 18 wird die Hilfselektrode 26 oder 27 verwendet. Dabei wird im Rückkopplungskreis 16 kein Phasenschieber 58 benötigt.
• 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).
• Bei vollständiger Kompensation der Phasenverschiebung erfolgt die Erregung des Controllers bei der Frequenz ω_{i max}. Diese Frequenz entspricht der Geschwindigkeit der Bewegung des beweglichen Teils V(n)_{l 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 ω_{v max} erregt werden. Dazu muss der Phasenschieber 58 die Phase zusätzlich um den Wert –Acp verschieben.
• Jede der Frequenzen ω_{l max} oder ω_{v max} kann die Arbeitsfrequenz ω_a des Ultraschallmotors bilden.
• 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 U_a des Analogsignals an seinem Eingang 6 ab, weshalb die Erregerfrequenz des Controllers ω_{i max} oder ω_{v 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 U_a am Eingang 99 von –U_{a max} auf +U_{a max} zu einer Spannungsänderung am Ausgang 100 von Null auf U_{u 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 Durchlaufen des Analogsteuersignals U_a 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 U_a, wie in Ziffer 106, 7 dargestellt.
• In der in 7 dargestellten Controllervariante führt die Änderung des Analogsteuersignals U_a am Eingang 99 von 0 auf U_{a max} zur Änderung der Spannung am Eingang 100 des Wandlers von Null auf U_{u max} (siehe Ziffer 107, 8). In dieser Variante ist die Spannung e der Urspannungsquelle gleich U_{a max}/2. Deshalb schaltet im Moment des Durchgangs des Analogsteuersignals U_a durch U_{a 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 U_{a max}/2 der Analogsteuerspannung U_a, 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.
• Bezugszeichenliste

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

5

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 Erregerspannung des Oszillators

96

Abhängigkeit der Phasenverschiebung φl 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

Claims (12)

1. Selbsterregender PWM-Controller eines Ultraschallmotors, mit einem Brückenleistungsverstärker mit zwei Halbbrückenverstärkern, einem Rückkopplungskreis, einem Ausgangsfilter und einer Formierungseinrichtung für Steuersignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierungseinrichtung ausgeführt ist als symmetrischer PWM-Modulator, der einen frequenzbestimmenden Eingang und einen Referenzspannungs-Eingang hat und der über zwei Ausgänge mit Eingängen der Halbbrückenverstärker verbunden ist, wobei der frequenzbestimmende Eingang des PWM-Modulators mit dem Rückkopplungskreis verbunden ist und der Rückkopplungskreis seinerseits in Wirkverbindung mit einem Rückkopplungskreis-Element des Ultraschallmotors steht.
2. Selbsterregender PWM-Controller nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Analogsignalverstärker, der ausgangsseitig mit dem Referenzspannungs-Eingang des PWM-Modulators verbunden ist.
3. Selbsterregender PWM-Controller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Modulator eine Formierungseinrichtung für eine symmetrische Dreieckspannung mit einem frequenzbestimmenden Eingang und einem nichtinvertierenden und einem invertierenden Ausgang aufweist, wobei jeder dieser Ausgänge mit einem Umschalteingang eines Formierungskomparators verbunden ist, wobei Referenzeingänge der Formierungskomparatoren mit dem Analogsignalverstärker und der Ausgang jedes der Formierungskomparatoren mit dem Eingang eines entsprechenden Halbbrückenverstärkers verbunden sind.
4. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungskreis-Element einen Kondensator und/oder einen Widerstand aufweist, die in Reihe mit einem Oszillator des Ultraschallmotors geschaltet sind.
5. Selbsterregender PWM-Controller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungskreis-Element einen zueinander parallel geschalteten Kondensator und Widerstand aufweist.
6. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungskreis-Element eine Hilfselektrode und/oder ein Piezoelement aufweist, welche oder welches auf einem Oszillator des Ultraschallmotors angeordnet ist.
7. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungskreis einen Verstärker und/oder ein Filter und/oder ein phasendrehendes Glied aufweist.
8. Selbsterregender PWM-Controller nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungskreis mindestens zwei Elemente aus der Gruppe Verstärker, Filter und phasendrehendes Glied aufweist und diese in Reihe geschaltet sind.
9. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsfilter als Reihen- oder als Reihen-Parallel-LC-Filter ausgeführt ist.
10. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsfilter einen Anpassungsübertrager aufweist.
11. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pegelwandler für ein Analogsignal und ein Komparator vorgesehen sind, wobei der Komparator über seinen Umschalteingang mit einem Analogsignal-Eingang, über einen Führungseingang mit einer Referenzspannungsquelle und ausgangsseitig mit einem Steuereingang eines Richtungswahlschalters des Ultraschallmotors verbunden ist.
12. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungsübertrager eine zusätzliche Sekundärwicklung aufweist, deren einer Anschluss mit Masse und deren anderer Anschluss mit mindestens einem zusätzlichen Ultraschallmotor verbunden ist.

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