DE2308024C3

DE2308024C3 - Verfahren zum Antrieb eines mechanischen Zwei-Koordinaten-Schwingers und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2308024C3
Application number: DE19732308024
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dr. 6330 Wetzlar Frenk
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1973-02-19
Filing date: 1973-02-19
Publication date: 1981-03-12
Also published as: DE2308024A1; DE2308024B2; CH570002A5; FR2218590B3; FR2218590A1; GB1414946A; IT1004782B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Antrieb eines mechanischen Zwei-Koordinaten-Schwingers mit Hilfe eines aus π ^ 2 Richtungskomponenten gebildeten elektrischen Drehfeldes durch voneinander abhängig gesteuerte Antriebsmittel und diesen Antriebsmitteln zugeordnete Meßmittel zur Feststellung der jeweiligen Amplituden- Ist- Werte.

Aus der DE-PS 12 13 141 ist es bekannt ein in zwei senkrecht zueinander stehenden Koordinaten schwingungsfähiges System dadurch in Schwingungen zu so versetzen, daß es bezüglich einer Koordinate in Eigenresonanz erregt wird. Durch Phasenschiebung und Spannungsteilung werden aus dieser Eigenschwingung neue Signale abgeleitet die nach Amplitude und Phase den Sollsignalen der sich zu einer kreisförmigen Schwingung zusammensetzenden anderen Richtungskomponenten entsprechen. Durch zusätzliche Regeleinrichtungen wird die Einhaltung einer als proportionale Sollwertspannung eingegebenen Amplitude der Eigenschwingung überwacht und durch Vergleichen der abgeleiteten Sollsignale mit den gemessenen Ist-Werten der anderen Richtungskomponenten werden Steuersignale gewonnen, durch die das System bezüglich dieser Richtungskomponenten zu erzwungenen Schwingungen mit der Frequenz der einen Eigenschwingung angeregt wird.

Diese »master-slave« Schaltung hat den Nachteil, daß bei etwas größeren Abweichungen der Eigenfrequenz der einzelnen Richtungskomponenten von der Eigenfrequenz des »master«-Schwingers der Leistungsbedarf der erzwungenen Schwingungen unverhältnismäßig viel höher als der der Eigenschwingung wird. Dies wirkt sich besonders dann nachteilig aus, wenn der Schwinger beispielsweise seine Antriebsenergie aus Solarzellen oder Batterien aufnehmen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Energiebedarf für den Antrieb eines Schwingers der eingangs genannten Art zu vermindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die mit Hilfe der Meßmittel erzeugten, der mechanischen Bewegung des Schwingers entsprechenden elektrischen Amplituden-Ist-Signale jeder Richtungskomponente pb isenverschoben in zyklischer Reihenfolge in Umlaufrichtung des Drehfeldes mit den unverschobenen Ist-Signalen der benachbarten Richtungskomponenten verglichen werden, und daß das daraus gebildete Differenzsignal dem Antrieb für die dem unverschobenen Ist-Signal zugeordnete Richtungskomponente zugeführt wird.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Das neue Verfahren verknüpft die Schwingungen aller Richtungskomponenten zyklisch miteinander, so daß die sich endgültig einstellende Frequenz ein Mittelwert aller Eigenfrequenzen ist Bei einem 2-Komponentensystem wird das erste System erfindungsgemäß nicht mehr von seinem eigenen Ist-Signal sondern von dem phasenverschobenen Ist-Signal der zweiten Komponente, und das zweite System von dem phasenverschoben™ Ist-Signal der ersten Komponente dadurch in erzwungene Schwingungen versetzt, daß das jeweils fremde phasenverschobene Ist-Signal mit dem eigenen Ist-Signal in je einem Differenzverstärker verglichen und das verstärkte Differenzsignal dem Antrieb zugeführt wird.

Bei η Richtungskomponenten werden die Signale zyklisch weitergeführt. Der Antriebsverstärker der ersten Komponente vergleicht das eigene Ist-Signal mit dem um IQ- phasenverschobenen der zweiten Korn-

ponente; der Antriebsverstärker der zweiten Komponente vergleicht das eigene Ist-Signal mit dem um ^lg0* phasenverschobenen Ist-Signal der dritten Korn-

η ponente usw.. bis schließlich bei der η-ten Komponente

180° das eigene Ist-Signal mit dem um -—— phasenverscho-

If

benen Ist-Signal der ersten Komponente verglichen wird.

Auf dem Zeichnungsblatt ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die beispielsweise zur Durchführung des neuen Verfahrens bei einem von drei Richtungskomponenten gebildeten elektrischen Drehfeld für den Antrieb eines mechanischen Schwingers geeignet ist.

Ober elektromagnetisch arbeitende Meßmittel 10,20, 30 werden die Schwingungs-Ist-Werte der drei Richtungskomponenten aufgenommen und in Verstärkern 11,21,31 verstärkt Die verstärkten Ist-SignaJe werden über jeweils zueinander parallel geschaltete Phasenschieber 12, 22, 32 und Spannungsteiler 13, 23, 33 geleitet Bei drei Richtungskcmponenten wird die Phase jeweils um 60° verschoben. Die Spannungsteiler sind so eingestellt daß die Signale am Ausgang des Phasenschiebers und am Ausgang des zugehörigen Spannungsteilers gleiche Amplituden haben, so daß eine Kreisschwingung resultiert

Jeder Richtungskompo.iente ist ein Operationsverstärker 14,24,34 und ein Antrieb 15,25,35 zugeordnet In dem Operationsverstärke/ 14 wird das Ist-Signal des Vorverstärkers 11 mit dem um 60° phasen verschobenen Ist-Signal des Vorverstärkers 21 verglichen und ebenso im Operationsverstärker 24 das Ist-Signal des Vorverstärkers 21 mit dem um 60° phasenverschobenen Ist-Signal des Vorverstärkers 31. Die verstärkten Differenzsignale werden jeweils den Antrieb?-τ 14 und 25 zugeführt

Der Operationsverstärker 36, der Unterbrecher 37 und der Gleichspannungsgeber 38 bilden den SoH-Amplitudenregler für den Schwinger. Der Gleichspannungsgeber 38 liefert eine der Sollamplitude proportionale Gleichspannung, die mit Hufe des Unterbrechers 37 in eine Rechteckspannung umgeformt wird. Dieses Soll-Signal wird in dem Operationsverstärker 34 mit dem Ist-Signal des Vorverstärkers 31 verglichen und verstärkt dem Antrieb 35 zugeführt Hier ist also das »master-slave« Prinzip in der Weise beibehalten, daß das System 30 bis 38 seine Amplitude den beiden anderen Antriebssystemen aufprägt Um dies zu erreichen, geschieht die Kopplung der dritten Richtungskomponente mit dem phasenverschobenen Ist-Signal der ersten Richtungskomponente über den Operationsverstärker 36, der im »open loop« betrieben wird. Dadurch wird er schon bei winzigen Amplituden des Meßmittels 10 zu Rechteckschwingungen übersteuert Diese enthalten nur noch die Phaseninformation des Meßmittels 10. Die Amplitudeninformation wird durch den Unterbrecher 37 mit der vom Gleichspannungsgeber 38 kommenden Sollwert-Gleichspannung zugeführt So erhält der eine Eingang des Verstärkers 34 einen »Sollwert« nach Phase und Amplitude, wie ihn die

ίο Verstärker 24 und 14 ganz aus den Phasenschiebern 32 und 22 beziehen.

Durch den Vergleich mit den Ist-Werten des eigenen Schwingers, die aus den Spannungsteilern 13,23 und 33 den invertierenden Eingängen der Verstärker 14,24,34 zugeführt werden, erzeugen diese bei richtiger Phasenlage, aber zu kleiner Amplitude eine antreibende, bei zu großer Amplitude eine bremsende, phasengleiche Antriebsspannung. Bei richtiger Amplitude, aber falscher Phase des eigenen Schwingers erzeugen sie eine so starke 90°-Komponente der Antin-bsspannung. daß die Phase korrigiert wird.

Als Meßmittel 10, 20, 30 und Antriebe 15, 25, 35 kommen neben den genannten elektromagnetischen Systemen auch mechanisch-elektrische oder elektrischmechanoche Wandler, wie z. B. piezo-elektrische und kapazitive, in Betracht

Das beschriebene Verfahren und die dargestellte Schaltungsanordnung sind nicht auf die Erzeugung von Kreisschwingungen beschränkt. Durch Vorgabe anderer Amplituden- und/oder Phasenverhältnisse bei den verglichenen Ist-Werten lassen sich beispielsweise auch elliptische Schwingungen oder lineare Schwingungen variabler Neigung erzeugen.

Schließlich kann das Verfahren auch dazu benutzt werden, um mechanisch getrennte Einzelschwinger in gewünschten Phasenlagen und Amplitudenverhältnissen zu synchronisieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Antrieb eines mechanischen Zwei-Koordinaten-Schwingers mit Hilfe eines aus π 5s 2 Richtungskomponenten gebildeten elektrischen Drehfeldes durch voneinander abhängig gesteuerte Antriebsmittel und diesen zugeordnete Meßmittel zur Feststellung der Amplituden-Ist-Werte, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hilfe der Meßmittel erzeugten, der mechanischen Bewegung des Schwingers entsprechenden elektrischen Amplituden-Ist-Signale jeder Richtungskomponente phasenverschoben in zyklischer Reihenfolge in Umlauf richtung des Drehfeldes mit den unverschobenen Ist-Signalen der benachbarten Richtungskomponenten verglichen werden und daß das daraus gebildete Differenzsignal dem Antrieb für die dem -,'nVerschobenen Ist-Signal zugeordnete Richtungskomponente zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit Meßmitteln zur Umwandlung der mechanischen Schwingungsamplituden der einzelnen Richtungskomponenten in elektrische Ist-Signale, mit den Meßmitteln nachgeschalteten Verstärkern und diesen in Parallelschaltung zugeordneten Phasenschiebern und Spannungsteilern sowie je einer Vergleichsstufe und einem durch die Vergleichsstufe gesteuerten Antrieb für jede Richttingskomponente, dadurch gekennzeichnet, dab als Vergleichsstufen Operationsverstärker (14, 24,34) vorgesehen ^nd und ein Eingang jedes Operationsverstärkers mit je einem der Spannungsteiler (13, 23,33) vert mden ist, während der andere Eingang jeweils mit dem Ausgang des Phasenschiebers (12,22,32) verbunden ist der der in Umlaufrichtung des elektrischen Drehfeldes benachbarten Richtungskomponente zugeordnet ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen einen der Phasenschieber (12) und den Eingang des zugehörigen Operationsverstärkers (34) ein aus einem im »open loop« betriebenen Operationsverstärker (36), einem Unterbrecher (37) und einem Gleichspannungsgeber (38) gebildeter Soll-Amplitudenregler geschaltet ist