DE4107802A1 - Antriebsregeleinheit fuer einen ultraschallmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsregelein­ heit für einen Ultraschallmotor, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Üblicherweise umfaßt eine derartige Antriebsregeleinheit einen Schwingungsdetektor zur Erfassung des Schwingungs­ zustandes des Vibrators und eine Regeleinrichtung zur va­ riablen Regelung der Frequenz einer an dem piezoelektri­ schen Element angelegten elektrischen Spannung, um die Spannung auf einem vorgegebenen Wert zu halten. Aller­ dings kann auch bei gleichbleibender angelegter Spannung die Drehzahl des Ultraschallmotors infolge von Umgebungs­ einflüssen, Temperatur- oder Laständerungen und dgl. va­ riieren. Deshalb ist eine Regelung des Motors erforder­ lich, um einen gleichmäßigen, von Temperatur- und Last­ änderungen praktisch unbeeinflußten Betrieb zu gewähr­ leisten.

Die oben erwähnte bekannte Regeleinheit stellt eine feste Schwingungsamplitude des Vibrators sicher, indem sie die Frequenz der angelegten Spannung der mechani­ schen Resonanzfrequenz des Vibrators, die mit dessen Temperatur variiert, nachführt. Diese Regeleinheit kann aber nicht immer einen Betrieb des Ultraschallmotors mit einem sehr guten Wirkungsgrad gewährleisten, der nur dann erreicht wird, wenn die Frequenz der angelegten Spannung in der Nähe der jeweiligen mechanischen Reso­ nanzfrequenz des Vibrators liegt. Außerdem kann die Motordrehzahl infolge von Laständerungen schwanken, weil bei der bekannten Regeleinheit keine Kompensation für durch Laständerungen hervorgerufene Drehzahländerungen vorgesehen ist.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Antriebsregelein­ heit der eingangs genannten Art zu schaffen, die die auf­ geführten Nachteile vermeidet und die jederzeit einen gleichmäßigen Betrieb des Ultraschallmotors mit sehr gutem Wirkungsgrad unabhängig von Temperaturänderungen des Vibrators und unabhängig von Laständerungen des Mo­ tors gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit einer Antriebsregeleinheit der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die neue Antriebsregeleinheit trägt der Tatsache Rech­ nung, daß ein optimaler Wirkungsgrad des Motors dann er­ reicht wird, wenn die Phasendifferenz zwischen der von dem Schwingungsdetektor erfaßten, als Spannung ausgege­ bene Vibratorschwingung und der an das piezoelektrische Element angelegten Spannung einen bestimmten Wert hat. Deshalb wird die Frequenz der angelegten Spannung von der Frequenznachführeinrichtung so geregelt, daß die von dem Phasendifferenzdetektor erfaßte Phasendifferenz auf einen vorgegebenen Wert nachgeführt wird. Gleichzeitig ist zur Konstanthaltung der Geschwindigkeitsamplitude eine Regeleinrichtung vorgesehen, mittels welcher die an das piezoelektrische Element angelegte Spannung in der Weise regelbar ist, daß die von dem Schwingungsdetektor ausgegebene Spannung, welche die Schwingungsamplitude des Vibrators darstellt, auf einem vorgegebenen Wert hält.

Mit der neuen Antriebsregeleinheit wird demzufolge jeder­ zeit ein Betrieb des Ultraschallmotors mit hervorragen­ dem Wirkungsgrad in der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie unabhängig von Temperaturänderungen des Vibrators und unabhängig von Laständerungen er­ reicht.

Weiter sieht die Erfindung vor, daß der Schwingungsdetek­ tor ein piezoelektrisches Meßelement umfaßt, das an dem Vibrator des Ultraschallmotors angebracht ist. Dieses Element stellt ein einfaches und zuverlässiges Bauteil dar.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 3 angegeben.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 einen Ultraschallmotor in einer schematischen Aufsicht zur Darstellung des Funktionsprinzips des Motors,

Fig. 2 den Ultraschallmotor in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 3 eine erste Antriebsregeleinheit in Form eines Blocksschaltbildes,

Fig. 4 eine zweite, geänderte Antriebsregeleinheit, ebenfalls in Form eines Blockschaltbildes, und

Fig. 5a, 5b und 5c unterschiedliche Wellenformen von an ein piezoelektrisches Element als Teil des Mo­ tors angelegten Spannungen.

Wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt, umfaßt ein Ultra­ schallmotor M einen ringförmigen, als Stator dienenden Vibrator 3 und einen Rotor 4. Der Vibrator 3 besteht aus einem ringförmigen piezoelektrischen Element 1 und einem ebenfalls ringförmigen elastischen Element 2, die fest miteinander verbunden sind und zur Erzeugung einer Ultra­ schall-Wanderwelle dienen. Der Rotor 4 ist als beweg­ liches Element des Motors M an den Vibrator 3 angedrückt und durch diesen in Drehung versetzbar.

Das piezoelektrische Element 1 ist in Umfangsrichtung in zwei Gruppen von piezoelektrischen Segmenten A und B unterteilt. Jedes Segment A, B umfaßt Abschnitte, welche in Reihe mit Abständen angeordnet sind, der der Hälfte der Wellenlänge der Wanderwelle entsprechen, und wel­ che in Richtungen parallel zur Axialrichtung abwechselnd polarisiert sind. Die Segmente A und B sind in Umfangs­ richtung um einen Längenbetrag, der drei Viertel der Wellenlänge entspricht, voneinander beabstandet. An die Segmente A und B werden Hochfrequenz-Spannungen mit einer Phasendifferenz von 90° angelegt, wodurch im Sta­ tor 3 im Segment A und im Segment B stehende Wellen er­ zeugt werden, die sich durch Interferenz zu der Wander­ welle überlagern. Infolge dieser Wanderwelle und unter Vermittlung durch die infolge des Andrucks des Rotors 4 an den Vibrator 3 zwischen diesen wirkende Reibungskraft wird der Rotor 4 in Drehung versetzt. Die Drehrichtung des Motors M ist umkehrbar, indem die Phasendifferenz der angelegten Hochfrequenz-Spannungen auf 270° geändert wird.

Wie die Fig. 3 zeigt, besteht eine Antriebsregeleinheit für die Versorgung und Regelung des Ultraschallmotors M im wesentlichen aus einem Stromversorgungsteil 5, einem Schwingungsdetektor 6, einer Frequenznachführeinrichtung 7 und einem Spannungsreglerteil 8. Der Stromversorgungs­ teil 5 dient zur Bereitstellung einer Hochfrequenz-Span­ nung von etwa 40 KHz, die an die Segmente A und B ange­ legt wird. Der Schwingungsdetektor 6 ist ein piezoelek­ trisches Meßelement, das an den Vibrator 3 angeklebt ist und zur Erfassung dessen Schwingungszustandes dient. Die Frequenznachführeinrichtung 7 dient zur variablen Rege­ lung der Frequenz der angelegten Hochfrequenz-Spannung, indem diese Frequenz Veränderungen der mechanischen Reso­ nanzfrequenz des Vibrators 3, wie sie infolge von dessen Temperaturänderungen auftreten, nachgeführt wird. Der Spannungsreglerteil 8 sorgt dafür, die Schwingungsampli­ tude des Vibrators 3 unabhängig von Laständerungen des Motors M auf einem vorgegebenen Wert zu halten.

Der Stromversorgungsteil 5 umfaßt, in Stufenschaltung, einen Gleichstrom-Zerhacker 5A und einen Wechselrichter­ kreis 5B. Der Zerhacker 5A ändert seine Ausgangsspannung durch Veränderung des Durchlaßverhältnisses eines Schalt­ gliedes S5 nach Maßgabe eines Treibers D1, dem als Ein­ gangssignal das Ausgangssignal des Spannungsreglerteils 8 zugeführt wird. Der Wechselrichterkreis 5B verändert die Frequenz der Ausgangsspannung durch Öffnen und Schließen von Schaltgliedern S1 bis S4 nach Maßgabe eines zweiten Treibers D2, dem als Eingangssignal das Ausgangssignal der Frequenznachführeinrichtung 7 zuge­ führt wird. Der Wechselrichterkreis 5B umfaßt eine Kombi­ nation aus zwei Sätzen von Halbbrücken-Wechselrichtern und erzeugt als Ausgangssignale zwei Rechteck-Wechsel­ spannungen mit einer Phasendifferenz. Die zugehörigen Ausgänge sind über je einen Transformator mit den Segmen­ ten A und B des Vibrators 3 verbunden, um an diesen die Wechselspannungen mit einer Maximalspannung von etwa 100 V und einer Frequenz von etwa 40 KHz anzulegen.

Die Frequenznachführeinrichtung 7 ist ein PLL-Schalt­ kreis mit einem Phasenkomparator PC, einem Tiefpaßfilter LPF und einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO. Der Phasenkomparator PC vergleicht die Phasenlagen der Aus­ gangsspannung V1 des Schwingungsdetektors 6 und der an das piezoelektrische Element 1 angelegten Spannung V2.

Der Tiefpaßfilter LPF läßt nur den Niederfrequenzanteil des Ausgangssignals des Phasenkomparators PC passieren. Der spannungsgesteuerte Oszillator VCO liefert eine Rechteckspannung, deren Frequenz von dem Ausgangsignal des Tiefpaßfilters LPF abhängt. Der Ausgang des span­ nungsgesteuerten Oszillators VCO ist mit dem Eingang des zweiten Treibers D2 verbunden. Die Frequenznachführein­ richtung 7 regelt die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichterkreises 5B in der Weise, daß zwischen die­ ser Frequenz und der jeweiligen Resonanzfrequenz des Vi­ brators 3 eine gleichbleibende, einen vorgegebenen Wert aufweisende Frequenzdifferenz erhalten bleibt. Hierdurch werden Drehzahländerungen des Motors M, die durch tempe­ raturabhängige Änderungen der mechanischen Resonanzfre­ quenz des Vibrators 3 verursacht werden, kompensiert.

Liegt die Phasendifferenz zwischen den beiden Spannungen V1 und V2 unterhalb eines vorgegebenen Werts, dann wird die Ausgangsspannung des Phasenkomparators PC niedriger. Dies führt zu einer Erhöhung der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO, was wiederum eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz des Wechselrichterkrei­ ses 5B hervorruft. Liegt die Phasendifferenz zwischen den Spannungen V1 und V2 oberhalb des vorgegebenen Wer­ tes, dann werden die Ausgangsfrequenz des Oszillators VCO und die Schwingungsfrequenz des Wechselrichterkrei­ ses 5B erniedrigt.

Schließlich umfaßt die Frequenznachführeinrichtung 7 noch einen Phasenkompensator PSC für eine auf die Aus­ gangsspannung des Phasenkomparators VC wirkende Kompen­ sation, mittels welcher die Schwingungsfrequenz so ge­ regelt wird, daß sie geringfügig höher bleibt als die mechanische Resonanzfrequenz des Vibrators 3 und somit stets den optimalen Wert für einen gleichmäßigen Betrieb des Motors M mit maximalem Wirkungsgrad aufweist.

Der Spannungsreglerteil 8 umfaßt ein Absolutwertglied 8a, ein Einstellglied 8b und einen Modulator 8c. Das Ab­ solutwertglied 8a sorgt für eine Vollwellengleichrich­ tung und Glättung der Ausgangsspannung V1 des Schwin­ gungsdetektors 6. Das Einstellglied 8b dient zur Einstel­ lung eines Drehzahl-Sollwertes für die Drehzahl des Mo­ tors M. Der Modulator 8c liefert als Ausgangssignal eine Rechteckspannung, deren Pulsbreite in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den dem Modulator 8c zugeführten Ausgangsspannungen der Glieder 8a und 8b variiert. Der Ausgang des Spannungsreglerteils 8 ist mit dem Eingang des Treibers D1 verbunden.

Ist der Mittelwert der Ausgangsspannung V1 höher als die vom Einstellglied 8b ausgegebene, dem Drehzahl-Sollwert entsprechende Spannung, dann wird das Verhältnis zwi­ schen Einschalt- und Ausschaltdauer des Schaltgliedes S5 verkleinert, um die Ausgangsspannung des Gleichstromzer­ hackers 5A und damit die Drehzahl des Motors M zu ernie­ drigen. Umgekehrt wird, wenn der Mittelwert der Ausgangs­ spannung V1 niedriger als die vom Einstellglied 8b ausge­ gebene Spannung ist, das Verhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltdauer des Schaltgliedes S5 vergrößert, um die Ausgangsspannung des Zerhackers 5A und die Drehzahl des Motors M zu erhöhen.

Fig. 4 zeigt eine zweite Antriebsregeleinheit, die sich von der zuvor beschriebenen im wesentlichen im Stromver­ sorgungsteil 50 und in der Art der Regelung dieses Strom­ versorgungsteils 50 unterscheidet. Wie aus Fig. 4 er­ sichtlich ist, enthält der Stromversorgungsteil 50 einen Wechselrichterkreis 51 zur Versorgung des piezoelektri­ schen Elementes 1 des Vibrators 3 mit Hochfrequenzspan­ nung. Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichterkreises 51 wird durch die Frequenznachführeinrichtung 7 geregelt. Das Ein-/Ausschaltdauer-Verhältnis der Pulse der ausge­ gebenen Rechteckspannung wird durch einen Geschwindig­ keitsamplituden-Reglerteil 80 geregelt.

Der Wechselrichterkreis 51 umfaßt auch hier eine Kombi­ nation von zwei Sätzen von Halbbrücken-Wechselrichtern und erzeugt als Ausgangssignale wieder zwei Rechteck- Wechselspannungen mit einer Phasendifferenz. Die zuge­ hörigen Ausgänge sind über je einen Transformator mit den Segmenten A und B des Vibrators 3 verbunden, um die­ sen mit Wechselspannungen mit bis zu etwa 100 V und mit einer Frequenz von etwa 40 KHz zu versorgen.

An dem Vibrator 3 ist auch hier ein Schwingungsdetektor 6 in Form eines piezoelektrischen Meßelementes ange­ klebt, mit welchem der Schwingungszustand des Vibrators 3 erfaßbar ist. Die Frequenznachführeinrichtung 7 regelt und variiert die Schwingungsfrequenz des Wechselrichter­ kreises 51, um die Phasendifferenz zwischen der Ausgangs­ spannung des Schwingungsdetektors 6 und der an das piezo­ elektische Element 1 des Virbrators 3 angelegten Span­ nung auf einem vorgegebenen Wert zu halten. Der Regler­ teil 80 regelt und variiert das Ein-/Ausschaltdauer-Ver­ hältnis der Pulse der vom Wechselrichterkreis 51 ausge­ gebenen Spannung in der Weise, daß die Ausgangsspannung des Schwingungsdetektors 6 auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird.

Die Frequenznachführeinrichtung 7 führt also eine Rege­ lung durch, die dafür sorgt, daß die Ausgangsfrequenz des Wechselrichterkreises 51 sich um einen festen Betrag von der Resonanzfrequenz des Vibrators 3 unterscheidet, um Änderungen der Drehzahl des Motors M infolge von tem­ peraturabhängigen Änderungen der mechanischen Resonanz­ frequenz des Vibrators 3 zu kompensieren.

Der Reglerteil 80 dient dem Zweck, Änderungen der Dreh­ zahl des Motors M infolge von Lastschwankungen zu kompen­ sieren. Er umfaßt ein Absolutwertglied 81, ein Einstell­ glied 82 und einen Modulator 83, deren Funktion und Wir­ kungsweise denen des Absolutwertgliedes 8a, des Einstell­ gliedes 8b und des Modulators 8c des zuvor anhand von Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispieles entsprechen.

Der Wechselrichterkreis 51 umfaßt frequenzvariable Schaltglieder S1 bis S4 für die Änderung der Ein-/Aus­ schaltdauer-Verhältnisse der vom Kreis 51 ausgegebenen Spannungen. Die Schaltglieder S1 bis S4 werden durch Si­ gnale betätigt, die vom Reglerteil 80 ausgegeben werden. Dieser Punkt wird anhand der Fig. 5a, 5b und 5c näher erläutert.

Wie aus einem Vergleich der Fig. 5a bis 5c ersicht­ lich ist, bleibt, wenn das Ein-/Ausschaltdauer-Verhält­ nis der Pulse der vom Wechselrichterkreis S1 ausgegebe­ nen Rechteckspannung durch die Regelung verändert wird, die an das piezoelektrische Element 1 angelegte Spannung in ihrer Höhe gleich, jedoch ändert sich die Zeitdauer, über welche die Spannung angelegt wird, so daß eine Ände­ rung der zugeführten elektrischen Leistung erfolgt. Sinkt die Drehzahl des Motors M ab, sorgt die Regelein­ heit für eine Vergrößerung des Ein-/Ausschaltdauer-Ver­ hältnisses und somit für eine Erhöhung der zugeführten Leistung (Fig. 5a). Umgekehrt sorgt die Regeleinheit bei einem Ansteigen der Drehzahl des Motors M für eine Verkleinerung des Ein-/Ausschaltdauer-Verhältnisses und somit für eine Verringerung der zugeführten Leistung (Fig. 5c). Die in Fig. 5b gezeigte zugeführte Leistung stellt einen Zwischenzustand zwischen den Leistungen ge­ mäß Fig. 5a und 5c dar.

Eine gleichmäßige, lastunabhängige Drehzahl des Motors M kann auch dadurch erreicht werden, daß das Ein-/Aus­ schaltdauer-Verhältnis nach Maßgabe des Ausgangsignals des Schwingungsdetektors 6 geregelt wird. Eine dement­ sprechende Einrichtung kann als Teil des Zerhackers rea­ lisiert werden, wodurch der entsprechende Schaltkreis insgesamt kompakt und kostengünstig wird.

Claims (3)

1. Antriebsregeleinheit für einen Ultraschallmotor mit einem Vibrator, der aus einem piezoelektrischen Ele­ ment und einem elastischen Element gebildet ist, und mit einem durch Ultraschall-Schwingungen des piezo­ elektrischen Elementes in Drehung versetzbaren Rotor, wobei die Antriebsregeleinheit folgende Teile umfaßt:.

• - einen Stromversorgungsteil zur Versorgung des piezo­ elektrischen Elementes mit Wechselspannung,
• - einen Spannungsdetektor zur Erfassung einer an dem Vibrator angelegten Spannung,
• - einen Schwingungsdetektor zur Erfassung des Schwin­ gungszustandes des Vibrators und zur Ausgabe eines von der Schwingungsgeschwindigkeit des Vibrators abhängenden Signals und
• - Mittel zur Regelung des Ultraschallmotors nach Maß­ gabe des von dem Schwingungsdetektor ausgegebenen Signals, gekennzeichnet durch,
• - eine selbsttätige Frequenznachführeinrichtung, mit­ tels welcher die Schwingungsfrequenz der vom Strom­ versorgungsteil angegebenen Wechselspannung in der Weise regelbar ist, daß eine zwischen der Frequenz dieser Wechselspannung und der Schwingungsfrequenz des Vibrators bestehende Phasendifferenz auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, und
• - einen selbsttätigen Spannungsreglerteil, mittels welchem die Ausgangsspannung des Stromversorgungs­ teils in der Weise regelbar ist, daß das von dem Schwingungsdetektor ausgegebene Signal auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird.

2. Antriebsregeleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingungsdetektor ein an dem Vi­ brator angeordnetes piezoelektrisches Meßelement ist.

3. Antriebsregeleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsteil mit ei­ nem Wechselrichterkreis ausgeführt ist und daß durch den Spannungsreglerteil das Ein-/Ausschaltdauer-Ver­ hältnis der Pulse der von dem Wechselrichterkreis aus­ gegebenen Spannung regelbar und variierbar ist.