DE4341073A1

DE4341073A1 - Schwingungsmotor und Verfahren zur Steuerung eines Schwingungsmotors

Info

Publication number: DE4341073A1
Application number: DE19934341073
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Ing Orthmann; Martin Huebner; Axel Schwarz
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-12-02
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2013-12-03
Also published as: DE4341073C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsmotor und ein Verfah ren zur Steuerung eines Schwingungsmotors gemäß dem Oberbe griff der Patentansprüche 1 bzw. 6.

Schwingungsmotoren, bei denen ein motorischer Antrieb durch in der Oberfläche geeigneter Schwingkörper erzeugte Wander wellen erfolgt, besitzen eine Reihe vorteilhafter Eigenschaf ten, wie z. B. hohes Halte- und Drehmoment, niedrige Geschwin digkeit, kompakte flache Bauweise, und sind z. B. bekannt aus der DE 33 06 755 und der DE 43 05 894. Bei den darin be schriebenen Motoren, wird ein Rotor mittels eines Anpreßme chanismus gegen einen Schwingstator gedrückt, in dem durch Ultraschallschwinger die Wanderwellen angeregt werden.

Ein Problem bei bekannten Wanderwellenmotoren besteht darin, daß in Grenzbetriebspunkten laute Quietschgeräusche auftreten können, deren Ursache zu große Schwingungsamplituden des Sta tors sind. Bei zu großen Schwingungsamplituden im Stator tritt statt Haftreibung eine Gleitreibung zwischen Rotor und Stator auf, wobei die Kraftübertragung zwischen Rotor und Stator gestört wird. Dabei werden alle Motorkomponenten zu Resonanzschwingungen angeregt, die zur Schallabstrahlung füh ren. Darüber hinaus führt die gestörte Kraftübertragung zu einem erhöhten Verschleiß des Motors im Kontaktbereich von Stator und Rotor, da in der Stator- und Rotoroberfläche die Geschwindigkeitskomponenten stark voneinander abweichen.

Das Auftreten eines unerlaubten Motorzustands der genannten Art ist von vielen Einflußgrößen abhängig, wie dem konstruk tiven Aufbau des Motors, der insbesondere Komponenten wie die Mittel zur Einstellung der Anpreßkraft zwischen Stator und Rotor, die Gestaltung von Stator und Rotor selbst, sowie die Materialeigenschaften von Stator- und Rotoroberfläche be trifft. Weiter spielen das Lastmoment sowie die Motortempera tur, sowie die zwischen den Anregungssignalen des Motors bestehenden Phasenlagen eine Rolle. Besonders wegen der Tem peraturabhängigkeit beim Auftreten eines unerlaubten Motorzu stands der genannten Art wäre eine starre Begrenzung der Anregungsamplitude äußerst unbefriedigend. Die Neigung zu Quietschgeräuschen ist bei einem kalten Motor deutlichegrößer als bei einem warmgelaufenen. Verwendet man eine Maximal amplitude, bei das Quietschen im kalten Motorzustand ausge schlossen ist, so wird damit ein bedeutender Teil des mögli chen Arbeitsbereichs des warmen Motors verschenkt.

Die Spektralanalyse der Störgeräusche bekannter Schwingungs motore zeigt parasitäre Resonanzen, insbesondere bei Subhar monischen der Betriebsfrequenz f₀, mit der im Schwingstator die Wanderwellen angeregt werden. Im normalen Motorbetrieb besteht die Schwingung des Stators dagegen aus Wellen mit einfacher und doppelter Anregefrequenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schwin gungsmotor parasitäre Schwingungen zu vermeiden, die zu Stör geräuschen führen. Diese Aufgabe wird durch die den Patent ansprüchen 1 und x gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteil hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung geht von der Idee aus, bei einem Schwingungsmo tor eine geregelte Maximalamplitude der Wanderwellen zu ver wenden, wobei mittels Auswertung eines Sensorzustandssignals, mit dem der Antriebszustand des Schwingungsmotors erfaßt wird, das Auftreten von anderen Schwingungszuständen des Schwingungsstators als solchen mit ganzzeitigen Vielfachen der Betriebsfrequenz erkannt und nach einer vorgegebenen Vor schrift ein Maß für den Einfluß dieser Schwingungszustände auf den Antriebszustand des Schwingungsmotors ermittelt wird, und daß die Amplitude der Wanderwelle derart geregelt wird, daß die Abweichung zwischen diesem Maß und einem vorgegebenen Wert minimal ist. Bei dem erfindungsgemäßen Schwingungsmotor mit einer Auswerte- und Steuervorrichtung sind Mittel vorge sehen, um das Auftreten von anderen Schwingungszuständen des Schwingstators als solchen mit ganzen Vielfachen der Be triebsfrequenz zu erkennen, Mittel, um nach einer vorgegebe nen Vorschrift ein Maß für den Einfluß dieser Schwingungszu stände auf den Antriebszustand des Schwingungsmotors zu bilden, sowie eine Vergleichsschaltung, die die Abweichung zwischen dem ermittelten Maß und einem vorgegebenen Wert ermittelt, wobei mittels der Auswerte- und Steuervorrichtung die Amplituden der Wanderwelle so geregelt werden, daß die o.g. Abweichung minimal ist.

Vorzugsweise werden bei dem Verfahren zur Steuerung eines Schwingungsmotors die Amplituden der Wanderwelle derart gesteuert, daß die Abweichung zwischen dem Wert des über eine Periode der Betriebsfrequenz gebildeten Zeitintegrals des Sensorzustandssignals und einem vorgegebenen Wert minimal ist.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Wanderwellenmotor eine Auswerte- und Steuervorrichtung mit einem Integrierglied vorgesehen, das das Zeitintegral der Zustandssignale der Sen sorvorrichtung über eine Periode der Betriebsfrequenz bildet, sowie eine Vergleichsschaltung, die die Abweichung zwischen dem Wert des Zeitintegrals und einem vorgegebenen Wert ermit telt, wobei mittels der Auswerte- und Steuervorrichtung die Amplituden der Wanderwellen so geregelt werden, daß die o.g. Abweichung minimal ist. Die Amplitude der Wanderwellen kann durch Einstellung der Betriebsfrequenz oder der Amplituden der Antriebssignale oder einer Phasendifferenz zwischen den Antriebssignalen geregelt werden.

Die Erfindung wird anhand von Abbildungen beispielhaft im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen bekannten Schwingungs motor mit Stator, Rotor und Andruckmechanismus,

Fig. 2 eine bekannte Reglergrundstruktur für einen Wander wellenmotor,

Fig. 3 Erkennungs- und Regelmittel bei der Auswerte- und Steuervorrichtung eines erfindungsgemäßen Wander wellenmotors,

Fig. 4 Weitere Erkennungs- und Regelmittel bei der Auswerte- und Steuervorrichtung eines erfindungs gemäßen Wanderwellenmotors.

Fig. 1 zeigt einen Ultraschallwellenmotor, bei dem auf einer Grundplatte 1 ein Stator 2 mit Hilfe mehrerer Schrauben oder sonstiger Befestigungsmittel befestigt ist. Gegen den Stator wird ein Rotor 3 mittels einer Tellerfeder 4 gedrückt. Der Ultraschallmotor ist koaxial um eine Antriebswelle 5 angeord net. Am oberen Ende dieser Antriebswelle 5 ist eine Tellerfe der 4 mittels eines Klemmringes fest angeordnet, der über eine Nietverbindung mit der Tellerfeder 4 verbunden ist und auf einem Ansatz der Antriebswelle 5 lagert. Die Antriebs welle 5. Die Antriebswelle 5 ist am unteren Ende drehbar an einem Rollenlager gelagert. Zur Erzeugung eines Antriebsmo ments werden bei dem in Fig. 1 dargestellten Ultraschallmotor in bekannter Weise im Schwingstator 2 Wanderwellen erzeugt, bei denen die materiellen Punkte der Statoroberfläche auf elliptischen Trajektoriden laufen und den reibschlüssig ge koppelten Rotor 3 in Bewegung setzen.

Eine schematische Darstellung einer bekannten Reglerstruktur für eine Wanderwellenmotor mit einer Sensorvorrichtung mit zwei Sensoren zeigt Fig. 2. Die beiden Sensoren 6 und 7 sind am Schwingstator des Wicklungsmotors angeordnet, in dem mittels der Antriebssignale U_A und U_B Wanderwellen angeregt werden. Die Spannungen U_{Sensor A} und U_{Sensor B} werden zur Sensorauswertung der Schaltung 11 zugeführt, die eine Soll frequenz f* und eine Sollphase Φ* zwischen den Spannungen U_A und U_B bestimmt und an die frequenz- bzw. phasenbestimmenden Schaltkreise 12 und 13 weitergibt, deren Signale in Wechsel richtern 14, 15 eingesetzt und über die Anpassungsglieder 16 und 17 an die Elektroden 9 und 10 geführt werden. Die Sensor auswertungsschaltung 11 kann aus den Signalen U_{Sensor A} und U_{Sensor B} die Amplitude der Wanderwelle bestimmen. Durch geeignete Anordnung der Sensoren 6 und 9 im Schwingkörper ist eine entkoppelte Erfassung der Schwingungszustände der den Elektroden 9 und 10 zugeordneten Anregesysteme A und B gewährleistet. Aus den Sensorzustandssignalen lassen sich die Amplitude der Wanderwelle sowie der sie konstituierenden Stehwellen bestimmen. Die Regelung der Wanderwellenamplitude kann in an sich bekannter Weise über die Einstellung der Betriebsfrequenz oder der Amplituden der Antriebssignale oder der Phasendifferenz zwischen den Antriebssignalen erfolgen, wie z. B. in den DE 34 06 408, DE 36 34 329 und DE 37 19 537 beschrieben wird.

Erfindungsgemäß wird als Kriterium für einen unerlaubten Quietschzustand das Auftreten von Schwingungszuständen, deren Frequenz von einem ganzzahligen Vielfachen der Betriebsfre quenz, insbesondere der einfachen und doppelten Betriebsfre quenz abweicht, verwendet. Das Auftreten solcher Schwingungs zustände zeigt sich in entsprechenden Spannungsanteilen, wie sie von der Sensorvorrichtung geliefert werden. Als Eingangs größe für das Verfahren steht die Betriebsfrequenz, die von der Motorsteuerung erzeugt wird, zur Verfügung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Erkennung des Quietschzustandes dadurch, daß mittels eines Integrierglieds als Zeitintegral der Zustandssignale über eine Periode eines ganzzahligen Vielfachen der Betriebs frequenz gebildet, mittels einer Vergleichsschaltung die Abweichung zwischen dem Wert des Zeitintegrals und einem vor gegebenen Wert ermittelt und mittels der Auswerte- und Steuervorrichtung die Amplitude der Wanderwellen so geregelt wird, daß die o.g. Abweichung minimal ist. Wird das Zustands signal der Sensorvorrichtung genau über eine Periode der Betriebsfrequenz integriert, so liefern die Betriebsfrequenz und ihre Vielfachen kein Ausgangssignal, da sich die positi ven und negativen Anteile gegenseitig aufheben. Die im Quietschzustand auftretenden Schwingungen mit anderen Fre quenzen bewirken dagegen ein abweichendes Integrationsergeb nis. Frequenzen unterhalb der Motorfrequenz tragen stärker bei als höherfrequente. Diese zusätzlichen Schwingungen kom pensieren sich im allgemeinen nicht und können zu einem posi tiven oder negativen Integrationsergebnis führen. Das zeitli che Integral über eine Periode der Betriebsfrequenz stellt daher ein Maß für den Einfluß von unerwünschten Schwingungs zuständen auf den Antriebszustand des Schwingungsmotors dar. Durch die Regelung der Amplitude der Wanderwelle, so, daß die Abweichung zwischen diesem Maß und dem vorgegebenen Wert, im allgemeinen 0, minimal ist, können daher diese Schwingungszu stände unterdrückt werden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung, mit der Integration und Vergleich entsprechend dem oben zitierten Verfahren realisiert werden kann.

Alle Logikelemente sind in diesem Ausführungsbeispiel mit -7,5 V und +10 V versorgt. Die Eingänge von IC5D sind über R8 mit -7,5 V, über R9 mit +10 V und über den Koppelkondensator C4 und R5 mit dem Takteingangssignal ′Freq′ der Schaltung ver bunden.

Mit IC4A ist ein D-Flip-Flop bezeichnet, das als Frequenztei ler durch zwei geschaltet ist. Es nimmt am Takteingang das Ausgangssignal des Schmitt-Trigger-NAND-Gliedes IC5D auf und schaltet mit seinem invertierten Ausgang den Analogschalter IC3A.

IC5A und IC5B bilden ein logisches UND, das an den Eingängen den nichtinvertierten Ausgang von IC4A und den Ausgang des Inverters IC5C aufnimmt, dessen Eingang mit dem Eingang von IC4A verbunden ist.

R10, R11, C2 bilden einen Spannungsteiler und Tiefpaß, der das analoge Eingangssignal ′Sensorspannung′ aufnimmt und über den Impedanzwandler IC1D mit dem Signalgang des Analogschal ters IC3A verbunden ist.

Der Kondensator C1 ist mit dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers IC1 verbunden. Die Schalt kontakte des Analogschalters IC3B sind mit dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers IC1 verbun den. Der Steuereingang des Analogschalters ist mit dem Aus gang von IC5B verbunden. Eine logische Eins bedeutet, daß der Analogschalter geschlossen ist.

Diese Einheit aus Operationsverstärker IC1A und Analogschal ter IC3B bildet eine ′Sample and Hold′-Stufe, deren Eingang mit dem Ausgang des Analogschalters IC3A verbunden ist. Der invertierte Ausgang des D-Flip-Flops IC4A liegt für eine Periode des Ansteuertaktes auf logisch Eins. Während dieser Zeit schaltet der Analogschalter IC3A die Sensorspannung auf das ′Sample and Hold′-Glied, welches somit über eine Periode integriert. Ist der nichtinvertierte Ausgang wieder auf logisch Eins, setzt das UND-Glied IC5A/B gleichzeitig das Ausgangs-Flip-Flop auf logisch Eins und den Schalter IC3B, der in Folge das ′Sample and Hold′-Glied löscht.

Mit dem Potentiometer P1 wird eine Bezugsspannung in Höhe zwischen 0,5 V und 5 V eingestellt, die über den Impedanzwand ler IC1C dem Komparator IC2A auf dem nichtinvertierenden Ein gang zugeführt wird. Die Höhe der Bezugsspannung ist unkri tisch.

Ist die Ausgangsspannung von IC1A größer als die Spannung am Ausgang von IC1C, zieht IC2A den Ausgang, der über R6 auf +10 V liegt, auf -7,5V. Der Inverter IC1B hat am Eingang das Ausgangssignal von IC1C, die positive Referenzspannung und gibt die negative Referenzspannung am invertierenden Eingang des Komparators vor, der den Ausgang auf -7,5 V zieht, wenn die Ausgangsspannung von IC1A kleiner ist als die von IC1B. Diese Gruppe bildet einen Fensterkomparator, dessen Ausgang auf -7,5 V liegt, d. h. logisch Null, wenn der Betrag der Ein gangsspannung die eingestellte Referenzspannung übersteigt, sonst auf +10 V, d. h. logisch Eins. Der logische Zustand an dem Ausgang des Fensterkomparators wird im nachfolgenden D-Flip-Flop IC4B mit jeder positiven Flanke des Ausgangs signales von IC5B abgespeichert.

Der nichtinvertierende Ausgang von IC4B ist über eine Sili ziumdiode DI, eine 4,7 V Zenerdiode D2 und R7 mit Masse ver bunden. Diese zusammen bilden einen Pegelschieber vom Span nungsniveau der Schaltung auf das Standard-5 V-Logikniveau.

Über R7 wird das gewünschte Zustandssignal ′Noise′ abge griffen, welches im Ruhezustand 5 V, d. h. logisch Eins und bei erkanntem Quietschen 0 V, d. h. logisch Null, beträgt.

Liegt im Motor ein Quietschen vor, so ist die Sensorspannung nicht 2π periodisch, d. h. das Integral der Spannung über eine Periode ist ungleich Null, was durch den Fensterkomparator erkannt wird und am Ende der Integrationsperiode vom Flip- Flop IC4B erkannt und abgespeichert wird.

Alternativ kann dazu mittels eines Bandsperren-Filters, Fig. 4, z. B. in klassischer Analogtechnik oder ′Switched Capacitor′-Technik, aus dem Sensorsignal die Signalkomponente mit der Motorbetriebsfrequenz herausgefiltert werden. Die Unterdrückungsgüte dieses Filters muß so groß sein, daß die gesuchten Restkomponenten im Signal, die durch das Quietschen angeregt werden, deutlich von dem Signal mit der Motor betriebsfrequenz unterschieden werden kann. Sperrgüten in der Größenordnung 60 bis 80 dB sind hierbei erforderlich.

Liegt nun ein Quietschen vor, treten außer der Motorbetriebs frequenz noch Signalkomponenten mit anderen Frequenzen im Sensorsignal auf. Durch das Filter wird die Komponente mit der Motorbetriebsfrequenz unterdrückt. Durch eine Gleich richtschaltung am Ausgang des Bandsperrenfilters wird ein Gleichsignal erzeugt. Übersteigt dieses Signal einen Bezugs wert, wird dies durch einen Komparator, wie in der obigen Schaltung, erkannt, von einem Flip-Flop-Speicher abgespei chert und dem übergeordneten System mitgeteilt.

Claims

1. Schwingungsmotor mit einem Schwingstator, in dessen Oberfläche durch Anlegen von Antriebssignalen mit einer vorgegebenen Betriebsfrequenz Wanderwellen angeregt werden, mit einer Sensorvorrichtung zur Erfassung des Antriebszustandes des Schwingungsmotors, deren Zustands signale einer Auswerte- und Steuervorrichtung für die Anregungssignale zugeführt werden, dadurch gekennzeich net,

- daß bei der Auswerte- und Steuervorrichtung Mittel vorgesehen sind, um das Auftreten von anderen Schwingungszuständen des Schwingstators als solchen mit ganzzahligen Vielfachen der Betriebsfrequenz zu erkennen,
- daß Mittel vorgesehen sind, um nach einer vorgege benen Vorschrift ein Maß für den Einfluß dieser Schwingungszustände auf den Antriebszustand des Schwingungsmotors zu bilden, sowie
- daß Vergleichsmittel vorgesehen sind, die die Ab weichung zwischen dem gebildeten Maß und einem vorgegebenen Wert ermitteln, wobei mittels der Aus werte- und Steuervorrichtung die Amplituden der Wanderwellen so geregelt wird, daß obengenannte Abweichung minimal ist.

2. Schwingungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß bei der Auswerte- und Steuervorrichtung ein Integrierglied, das das Zeitintegral der Zustandssignale über eine Periode der Betriebsfrequenz bildet, sowie eine Vergleichsschaltung, die die Abweichung zwischen dem Wert des Zeitintegrals und einem vorgegebenen Wert ermittelt, vorgesehen sind, wobei mittels der Auswerte- und Steuervorrichtung, die Amplituden der Wanderwellen so geregelt werden, daß die obengenannte Abweichung minimal ist.

3. Schwingungsstator nach Ansprüchen 1-2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Amplitude der Wanderwellen durch Ein stellung der Betriebsfrequenz oder der Amplituden der Antriebssignale oder einer Phasendifferenz zwischen den Antriebssignalen geregelt wird.

4. Schwingungsmotor nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sensorvorrichtung direkt mit dem Schwingstator in Berührung steht.

5. Schwingungsmotor nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sensorvorrichtung die Amplitude einer der die Wanderwelle bildenden Stehwellenkomponente erfaßt.

6. Verfahren zur Steuerung eines Schwingungsmotors, der einen Schwingstator umfaßt, an dessen Oberfläche durch das Anlegen von Antriebssignalen und einer vorgegebenen Betriebsfrequenz Wanderwellen angeregt werden, wobei mittels Auswertung eines Sensorzustandssignals zur Er fassung des Antriebszustands des Schwingungsmotors die Schwingungsmodi der Wanderwellen gesteuert werden, da durch gekennzeichnet,

- daß mittels der Auswertung des Sensorzustandssig nals das Auftreten von anderen Schwingungszuständen des Schwingungsstators als solchen mit ganzzahligen Vielfachen der Betriebsfrequenz erkannt und nach einer vorgegebenen Vorschrift ein Maß für den Ein fluß dieser Schwingungszustände auf den Antriebszu stand des Schwingungsmotors gebildet wird, und
- daß die Amplitude der Wanderwellen derart geregelt wird, daß die Abweichung zwischen diesem Maß und einem vorgegebenen Wert minimal ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Wanderwellen derart gesteuert wird, daß die Abweichung zwischen dem Wert des über eine Periode der Betriebsfrequenz gebildeten Zeitintegrals des Sensorzustandssignals und einem vorgegebenen Wert minimal ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Wanderwellen durch Einstellung der Betriebsfrequenz oder der Amplituden der Antriebssignale oder einer Phasendifferenz zwischen den Antriebssignalen geregelt wird.