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Die
Erfindung betrifft eine Startprozesssteuerung
- – mit einem
spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einer Leistungsendstufe und
einem Resonanzkonverter; wobei
- – der
spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) die erforderlichen Steuersignale
der Leistungsendstufe erzeugt,
- – der
Resonanzkonverter die treppenförmige
Ausgangsspannung der Leistungsendstufe in eine sinusförmige Spannung
an seinem Ausgang umwandelt,
- – mit
der sinusförmigen
Spannung des Resonanzkonverters der Piezomotor betrieben wird,
- – der
beim Betrieb des Piezomotors fließende Motorstrom gemessen und
in einem Phasenvergleicher mit der Phase der Ansteuerspannung verglichen
wird,
- – das
Ausgangssignal des Phasenvergleichers ein Maß für die aktuelle Phasendifferenz
zwischen Strom und Spannung ist,
- – ein
Phasenregelkreisfilter das Phasendifferenzsignal glättet,
- – das
geglättete
Signal den Oszillator (VCO) steuert.
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Aus
der
DE 199 42 269 ist
eine Ansteuerungselektronik für
einen Piezomotor (z. B. Micropush-Motor) bekannt. Man legt an den
Piezomotor eine phasengeregelte Wechselspannung an. Während des
Betriebes wird der aufgenommene Strom des Piezomotors mittels einer
Diode gemessen. Der Phasenwinkel des Stromes wird durch einen Vergleich
mit der eingespeisten Motorspannung erkannt. Eine besondere Eigenart
des Piezomotors ist, dass der durch den Motor fließende Strom
und damit die von ihm aufgenommene Leistung bei Belastung abnimmt.
Dies steht im Gegensatz zu elektromagnetischen Antriebssystemen,
bei denen der Strom unter Last anwachst.
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Diese
Eigenschaft des Piezomotors ist auf das Anwachsen der inneren Widerstände des
Systems zurückzuführen.
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Beim
Entwurf eines Piezomotors und seines Antriebssystems ist also zu
berücksichtigen,
dass der Strom, bzw. die angelegte Motorspannung, im Lastbetrieb
nachzuführen
ist und damit die Motorleistung auf diese Weise an die Last anzupassen
ist.
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Ein
weiterer bekannter Effekt ist, dass sich infolge einer sich ändernden,
also variablen Last gleichzeitig die Resonanzfrequenz des Motors ändert. Dies
führt wiederum
dazu, dass die aufgenommene Wirkleistung und der Wirkungsgrad des
Motors abnehmen. Die beiden beschriebenen Effekte verstärken einander
in der Weise, dass der Motor gegebenenfalls zum Stillstand kommt.
Gleichzeitig gelangt das Phasenregelsystem in einen Selbstblockadezustand,
aus dem es in der Regel nicht herausfindet. Ein selbständiger Wiederanlauf
ist nicht mehr möglich.
Der Grund für
diesen Abkipp- oder Stillstandseffekt ist, dass der Oszillator aus
dem kapazitiven Arbeitsbereich heraus über seine Resonanz in den induktiven
Bereich gefahren wird, wodurch eine Phasendrehung verursacht wird.
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US 4,965,532 beschreibt
eine Schaltung zum Ansteuern eines Ultraschallumwandlers vom piezoelektrischen
Typ für
chirurgisches Arbeiten. Die Schaltung umfasst einen Phasenregelkreis
(PLL) mit einem Phasenvergleicher, einem Regelkreisfilter und einem
spannungsgesteuerten Oszillator (VOC), der dem Leistungsverstärker ein
Eingangssignal liefert. Zwischen einem Leistungsverstärker und
dem Umwandler ist ein Spannungs- und
Stromdetektor angeordnet, um ein Spannungsphasensignal, das die Phase
der vom Verstärker
zugeführten
Ansteuerspannung angibt, und ein Stromphasensignal, das den durch
den Umwandler fließenden
Strom angibt, zu erfassen. Im Normalmodus vergleicht der Phasenvergleicher
die Spannungs- und Stromphasensignale und führt dem Regelkreisfilter in
Abhängigkeit
von der Phasendifferenz eine Spannung zu. Ferner wird ein Resonanzpunktdetektor
beschrieben, welcher anzeigt, wenn der Umwandler nicht „in lock" betrieben wird.
Wenn die Resonanzfrequenzen der Spannung und des Stroms nicht gleich
sind, wird dem Phasenvergleicher
13 anstelle des Stromphasensignals
ein Referenzsignal zugeführt.
Dieses Referenzsignal wird durch einen Sägezahnoszillator erzeugt.
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US 5,595,330 beschreibt
eine Ultraschallstromquelle für
die Verwendung in einem Ultraschallumwandler zur Durchführung von
Schweiß-
und Klebearbeiten. Eine Schaltung wandelt eine Rechteckschwingung
in eine Sinusschwingung um, die nach Verstärkung den Umwandler aus Piezokeramikkristall
antreibt.
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US 5,159,223 beschreibt
ein Antriebsgerät für einen
Ultraschallmotor, der einen Stator umfasst, der fortlaufende oszillierende
Schwingungen in einem piezoelektrischen Körper erzeugt. Der Motor wird
mit einem PLL gesteuert. Ein Phasenvergleicher liefert eine Ausgangsspannung,
die eine Phasendifferenz zwischen einer Ansteuerspannung, die dem piezoelektrischen
Element zugeführt
wird, und einer Spannung, die durch eine Überwachungselektrode am piezoelektrischen
Element detektiert wird, angibt. Die Ausgangsspannung wird durch
einen Vergleicher mit einem Referenzwert verglichen, um eine Steuerspannung
zu erhalten, die über
einen Regelkreisfilter einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO)
zugeführt
wird. Der VCO treibt zwei Segmente des piezoelektrischen Elements über zwei
D-Flipflops und Verstärker
an. Das Ausgangssignal der D-Flipflops wird durch die Verstärker verstärkt. Der
Motor wird durch Rechteckimpulse angetrieben, die eine Phasenverschiebung
haben. Der PLL verwendet eine Phasendifferenz zwischen der Ansteuerspannung
und der durch die Überwachungselektroden
am piezoelektrischen Körper
detektierten Spannung. Es gibt einen Schaltkreis zwischen dem Ausgang
des Vergleichers und dem Regelkreisfilter, um während des Anlaufens eine feste
Spannung an den Regelkreisfilter anzulegen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges und stabiles Anlaufen
unter unterschiedlichen Belastungen zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch zwei
in den Ansprüchen
1 und 10 beschriebene Ausführungsvarianten
gelöst,
die für
sich allein einsetzbar, aber auch miteinander kombinierbar sind.
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Die
erste, in Anspruch 1 beschriebene Ausführungsvariante ist gekennzeichnet
durch ein Starthilfeschaltelement, dass beim Anlauf die Ausgangsspannung
des Phasenregelkreisfilters festlegt und somit am Eingang des spannungsgesteuerten
Oszillators (VCO) eine konstante Spannung anlegt.
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Die
Einführung
dieses Starthilfeschaltelementes hat den Vorteil, dass die vom Oszillator (VCO)
gelieferte Motorfrequenz auf eine sichere Betriebsfrequenz eingestellt
wird. Ohne das genannte Starthilfeschaltelement und seine beschriebene
Wirkung würde
die Steuerfrequenz beim Anlauf unter Last durch das Phasenregelsystem
zu schnell durch den Steuerbereich fahren und den Regelkreis in Selbstblockade
bringen, bevor der Motor die Last in Bewegung setzen kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten Ausführungsform ergeben sich aus
den dem Anspruch 1 untergeordneten Unteransprüchen. Diese Ausgestaltungen
beziehen sich auf den Entwurf des Schalthilfeelementes, das ein
Schaltelement schaltet, und auf den geeigneten Zuschaltzeitraum.
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Die
zweite, in Anspruch 10 beschriebene Ausführungsvariante ist gekennzeichnet
durch ein einstellbares Zeitverzögerungselement,
mit dem der Phasenwinkel zwischen der angelegten Motorspannung und
dem Motorstrom im Anlaufbetrieb von einem zunächst großen Startwinkel zum sicheren
Losbrechen in Richtung auf einen kleineren Winkel im Betriebspunkt
so verändert
wird, dass der Anlauf unabhängig
vom Lastzustand sicher und zuverlässig abgeschlossen wird.
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Der
Kurvenverlauf der Phasenwinkelveränderung ist frei vorgebbar.
Er hängt
von der Last und der für
den optimalen Wirkungsgrad bei Nenndrehzahl erforderlichen Resonanzfrequenz
ab. Die Einstellung muss so erfolgen, dass die vom Motor aufgenommene
Leistung im kapazitiven Bereich bleibt und der Wert der Resonanzfrequenz
somit nicht überschritten
wird.
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Diese
sowie weitere Aspekte der Erfindung werden anhand der nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen
erläutert
und verständlich.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild der ersten Ausführungsform,
bei dem zum Anlaufen des Motors eine Startprozess-Schaltung eingesetzt
wird, die mittels einer Startwertvorgabeschaltung und eines Phasenregelkreisfilters
einem Prozessfrequenzgenerator eine gesicherte Spannung zuführt,
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2 ein
etwas spezielleres Blockschaltbild für das Zusammenwirken von Startprozesssteuerschaltung,
Startwertvorgabeschaltung und Phasenregelkreisfilter,
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3 ein
Blockschaltbild der zweiten Ausführungsform,
bei der das Anlaufverhalten mittels eines einstellbaren Zeitverzögerungselements
beeinflusst wird, das beim Anlauf den Phasenwinkel einstellt bzw.
verstellt,
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4 ein
Diagramm, in dem die Drehzahl gegen den Phasenwinkel aufgetragen
ist,
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5 ein
Diagramm, in dem der Phasenwinkel gegen die Zeit aufgetragen ist,
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6 ein
Blockschaltbild , das eine Anordnung zeigt, bei der der Phasenwinkel
linear über
die Zeit verändert
wird,
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7 ein
Blockschaltbild einer Anordnung, bei der der Phasenwinkel mittels
einer Wertetabelle über
die Zeit verändert
wird.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
der Startprozesssteuerung für
den Anlauf eines Piezomotors mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 1 (VCO),
einer Leistungsendstufe 2 und einem Resonanzkonverter 3 dargestellt.
Der Resonanzkonverter 3 wandelt eine treppenförmige Ausgangsspannung der
Leistungsendstufe 2 in eine sinusförmige Spannung am Ausgang des
Resonanzkonverters 3 um. Der Oszillator 1 (VCO)
erzeugt die für
die Leistungsendstufe 2 erforderlichen Steuersignale. Der
Piezomotor 4 wird mit der sinusförmigen Spannung aus dem Resonanzkonverter
betrieben. Der dabei in einer Leitung 5 fließende Motorstrom
ik wird gemessen. Der Stromwert ik wird in einem Phasenvergleicher 6 mit
der Phase der Ansteuerspannung ud auf einer Leitung 7 verglichen.
Das Ausgangssignal s1 aus dem Phasenvergleicher 6 auf
einer Leitung 7a ist ein Maß für die aktuelle Phasendifferenz
zwischen Strom und Spannung. Ein Phasenregelkreisfilter 8 glättet das
Phasendifferenzsignal und das geglättete Signal steuert den Oszillator 1 (VCO).
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Die
Spannung aus dem Phasenregelkreisfilter 8 kann beim Anlauf
abfallen. Dies ist unerwünscht.
Deshalb ist eine Startwertvorgabeschaltung 9 vorgesehen,
die beim Anlauf zugeschaltet wird und dafür sorgt, dass die Spannung
aus dem Phasenregelkreisfilter 8 beim Startvorgang konstant
gehalten wird. Ein Starthilfeschaltelement 10, das durch
eine Startprozesssteuerung 11.1 angesteuert wird, ist für das Zuschalten
der Startwertvorgabeschaltung 9 verantwortlich. Zu diesem
Zweck verbindet das Starthilfeschaltelement 10 unter Zuhilfenahme
der Startprozesssteuerung 11.1 die Startwertvorgabeschaltung 9 mit
dem Phasenregelkreisfilter 8 solange, bis der Oszillator 1 im
eingeschwungenen Zustand arbeitet.
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2 zeigt
beispielhaft einen möglichen Aufbau
der Startprozesssteuerung 11.1, der Startwertvorgabeschaltung 9 und
des Phasenregelkreisfilters 8. Auf der linken Seite ist
eine mögliche
Ausführung
dieser Startprozesssteuerung 11.1 dargestellt. Auf der
rechten Bildseite ist der Phasenregelkreisfilter 8 dargestellt.
Dazwischen befinden sich die Startwertvorgabeschaltung 9 und
das Starthilfeschaltelement 10.
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Die
Startwertvorgabeschaltung 9 umfasst im Allgemeinen einen
Widerstand Rc und eine Spannungsquelle Uc. Die Spannung aus der Spannungsquelle Uc wird so gewählt, dass der Oszillator 1 bei
ihr die optimale Losbrechfrequenz erzeugt. Der Widerstandswert des
Widerstands Rc wird so gewählt, dass er
viel kleiner ist als die Ausgangsimpedanz des Phasenvergleichers 6.
Der Aufbau des Phasenregelkreisfilters 8 und seine Dimensionierung
ist in den herkömmlichen
Datenblättern
für PLL-Module
beschrieben. Das Starthilfeschaltelement 10 umfasst die
Startwertvorgabeschaltung 9 und ein Schaltelement 10a,
das für
die Zuschaltung der Startwertvorgabeschaltung 9 zum Phasenregelkreisfilter 8 verantwortlich
ist. In der einfachsten Ausführung
kann allein ein Widerstand Rr ( 1)
parallel zum Phasenregelkreisfilter 8 geschaltet werden.
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Nach
dem Einschalten der beiden Versorgungsspannungen Ub und
Ul zum Zwecke des Motorstarts wird das Starthilfeschaltelement 10 durch
ein über
eine Leitung A von der Startprozesssteuerung 11.1 her kommendes
Aktivierungssignal eingeschaltet. Das Aktivierungssignal bewirkt
dadurch das Losbrechen des Motors. Gleichzeitig werden die Kondensatoren 12, 13 der
beiden Zeitgeber 14, 15 aufgeladen. Hat das Aktivierungssignal
die Schwellspannung des Starthilfeelementes 10 erreicht,
wird die Startwertvorgabeschaltung 9 mittels des Schaltelementes 10a abgetrennt.
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Die
zweite Ausführungsform
der Erfindung arbeitet mit einer Phasenverschiebungsanordnung. Diese
in 3 dargestellte Startprozesssteuerung für das Anlaufen
des Piezomotors 4 arbeitet wieder mit einem spannungsgesteuerten
Oszillator 1, einer Leistungsendstufe 2 und einem
Resonanzkonverter 3. Der Resonanzkonverter 3 wandelt
die treppenförmige
Ausgangsspannung aus der Leistungsendstufe 2 in eine sinusförmige Spannung
am Ausgang des Resonanzkonverters 3 um. Ein wesentlicher
Teil des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist ein einstellbares Zeitverzögerungselement 15,
ein Zeitverzögerungselement,
mit dem der Phasenwinkel zwischen der am Motor angelegten Spannung
und dem Motorstrom im Anlaufbetrieb von einem zunächst großen Startwinkel
für ein
sicheres und zuverlässiges
Losbrechen in Richtung auf einen kleineren Winkel am Betriebspunkt
so verändert
wird, dass der Anlauf unabhängig
vom Lastzustand sicher und zuverlässig abgeschlossen wird.
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Der
Oszillator 1 erzeugt die erforderlichen Steuersignale für die Leistungsendstufe 2.
Mit der sinusförmigen
Spannung aus dem Resonanzkonverter 3 wird der Piezomotor 4 betrieben.
Der dabei fließende
Motorstrom is wird gemessen. Der von dem
einstellbaren, programmierbaren Verzögerungselement 15 phasenverschobene
Stromwert wird im Phasenvergleicher 6 mit der Phase der
Ansteuerspannung verglichen. Die Zeitvorgabe für das Zeitverzögerungselement 15 wird
von der Startprozesssteuerung 11.2 geliefert. Das Ausgangssignal
aus dem Phasenvergleicher 6 ist ein Maß für die aktuelle Phasendifferenz
zwischen Strom und Spannung. Der Phasenregelkreisfilter 8 glättet das
Phasendifferenzsignal und das geglättete Signal steuert den Oszillator 1.
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4 ist
ein Diagramm, das den optimalen Betriebswinkel für einen Piezomotor zeigt. Für die Nenndrehzahl
(Betriebspunkt) kann aus 4 ein Winkel von bei spielsweise
von 40° abgelesen
werden. Ein gesichertes Anlaufen unter Last kann bei einem Phasenwinkel
von > 60° gewährleistet
werden.
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In 5 sind
beispielhaft zwei Anlaufkurven für
den vorgegebenen Winkel, gegen die Zeit aufgetragen, gezeigt. Kurve 1 zeigt
einen linearen Verlauf. Hierbei besteht die Gefahr, dass die Winkeländerung (der
Winkelschritt) im kritischen Lastbereich (nahe dem Betriebspunkt)
zu schnell erfolgt. Kurve 2 zeigt einen Kurvenverlauf,
der das vorstehend beschriebene Problem beseitigt. In der Nähe des definierten Zielwinkels
werden die Veränderungen,
die für
den Phasenwinkel pro Zeitschritt eingestellt werden, kleiner. Zudem
wird durch den progressiven Verlauf des vorgegebenen Winkelwerts
in der Anfangsphase des Anlaufs schneller ein Betrieb mit hohem
Wirkungsgrad erreicht. Die Phasenwinkelverminderung während des
Anlaufes kann die Form einer Rampe aufweisen. Ebenso kann die Phasenwinkelverminderung
während
des Anlaufvorganges mittels eines digitalen Zählers 15a bewirkt
werden. Der Startwert des Zählers
legt in diesem Fall in vorteilhafter Weise den Phasenwinkel fest.
Auch kann der Startvorgang mittels des Zählers bestimmt werden. Ferner
kann der Startvorgang mittels eines Zählers 11a bestimmt werden.
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6 zeigt
beispielhaft eine Schaltung, die den in 5 gezeigten
Kurvenverlauf 1 erzeugt. Die linke Bildhälfte zeigt
die Startprozesssteuerung 11.3, und die rechte Bildhälfte zeigt
das programmierbare Verzögerungselement 15.
Zur Startprozesssteuerung 11.3 gehört ein binärer Zähler 1la mit Taktsignaleingang 11b,
in den über
eine Leitung 21 ein Signal mit einer Frequenz fres gleich der VCO-Frequenz eingespeist wird.
Darunter ist der binäre
Zähler 11a vorgesehen,
in den über
eine Leitung 22 ein φ-Startsignal
und über
eine Leitung 23 ein Startsignal eingespeist wird. Zum programmierbaren
Verzögerungselement 15 gehört ein Zähler 15a mit
Taktsignaleingang 15b.
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Der
Zähler 11a in
der Startprozesssteuerung 11.3 hat ein Zeitgabeintervall,
für das
ein fester Wert vorgegeben werden kann; er kann einzelne oder mehrere
Schwingungen zählen.
Ebenso kann der Zähler 11a Schwingungen
einer ein Taktsignal bildenden Referenzfrequenz zählen. Die
Zählwerte
des Zählers 11a werden
unmittelbar zum Setzen der Phasenverzögerung eingesetzt und ebenso
in den für
die Phasenverzögerung
gesetzten Wert übertragen.
Der Zähler 11a startet
von einem gegebenen Wert, der der Phasenwinkelverschiebung entspricht,
die einen sicheren und zuverlässigen
Anlauf ermöglicht
(siehe 4). Beginnend mit diesem Wert zählt der
Zähler 11a bei
jedem Zählimpuls
abwärts;
er ist mit dem Zähler 15a verbunden.
Von der Verbindungsleitung S11 zweigt eine
Leitung zu einem Vergleicher 6 ab. Der Vergleicher 6 stoppt
diesen Zählvorgang
in dem Augenblick, in dem der Zähler 11a den
vorgegebenen Endwert erreicht hat. Der Endwert ist so gewählt, dass
ein optimaler Betriebswinkel erhalten wird. Dies bedeutet, dass
der Zähler 11a bei
jedem Startvorgang einmal vom voreingestellten Startwert bis zum Endwert
zählt.
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Der
Zähler 15a im
programmierbaren Verzögerungselement 15 wird
beim „Null"-Durchgang des Stromsignals
ss gestartet. Dies geschieht, in dem er auf
den vorgegebenen Wert, der von der Startprozesssteuerung 11.3 geliefert
wird, eingestellt wird. Beginnend mit diesem Wert zählt der
Zähler 15a abwärts, bis
er auf dem Zählstand „0" stehen bleibt. Dieser
Vorgang wiederholt sich mit jedem Nulldurchgang des Motorstroms.
Das Ausgangssignal sa des Verzögerungselements 15 dient
dem Zähler 15a als
Stoppsignal so. Dadurch wird erreicht, dass
das Nulldurchgangsignal des Motorstromes verzögert weitergeleitet wird. Die
vorgegebene Taktfrequenz si für das Verzögerungselement 15 wird
beispielsweise aus einem Quarzoszillator geliefert.
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7 zeigt
beispielhaft eine Schaltung, die den in 5 gezeigten
Kurvenverlauf 2 erzeugt. Die linke Bildhälfte zeigt
die Startprozesssteuerung 11.4, und die rechte Bildhälfte zeigt
das verglichen mit 6 unveränderte, programmierbare Verzögerungselement 15.
Zur Startprozesssteuerung 11.4 gehört ein binärer Zähler 11a mit Taktsignaleingang 11b.
In den Taktsignaleingang 11 wird über eine Leitung 21 eine
Frequenz fres eingespeist, die gleich der VCO-Frequenz
ist. In den binären
Zähler 11a werden über die
Leitung 22 ein φ-Startsignal
und über
die Leitung 23 ein Startsignal eingespeist. Daneben ist eine
Wertetabelle 16 dargestellt. Zum programmierbaren Verzögerungselement 15 gehört ein Zähler 15a mit
Taktsignaleingang 15b.
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Der
Zähler 11a der
Startprozesssteuerung 11.4 hat ein Zeitintervall, für das ein
fester Wert vorgegeben werden kann. Er startet mit einem gegebenen
Wert, der der Anzahl der Werte in der Wertetabelle 16 entspricht.
Beginnend mit diesem Wert zählt der
Zähler 11a beispielsweise
abwärts,
bis er auf dem Zählerstand „0" stehen bleibt. Dies
bedeutet, dass der Zähler 11a bei
jedem Startvorgang einmal vom vorgegebenen Startwert bis zum Endwert „0" zählt. Die
Zählwerte
werden mittels der Tabelle 16 in Setzwerte für die Phasenverzögerung in
einer Speichervorrichtung (RAM oder ROM) umgewandelt. In der Wertetabelle 16 sind
die einzelnen binären
Werte gespeichert, die das Verzögerungselement 15 für die gewünschten
Winkelverschiebungen benötigt.
Der erste Wert entspricht der Winkelverschiebung, die einen sicheren
und zuverlässigen
Anlauf ermöglicht. Der
Anlaufvorgang wird dabei in vorteilhafter Weise von einer programmierbaren
Steuervorrichtung, wie einem (nicht dargestellten) Mikroprozessor
oder einem DSP überwacht.
Dieser Prozessor kann die Phasenverzögerung digital überwachen.
Der Endwert der Phasenverschiebung ist so gewählt, dass ein optimaler Betriebswinkel
eingestellt ist.
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Der
Zähler 15a des
programmierbaren Verzögerungselementes 15 wird
durch das Stromsignal ss gestartet. Dies
geschieht, in dem er auf den vorgegebenen Wert, der von der Startprozesssteuerung 11.4 geliefert
wird, eingestellt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jedem
Nulldurchgang des Motorstroms. Das Ausgangssignal s11.2 der
Startprozesssteuerung 11.4 ist das Stoppsignal für den Zähler 15a.
Dadurch wird erreicht, dass das Nulldurchgangsignal des Motorstromes
verzögert
weitergeleitet wird.
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Die
vorgegebene Taktfrequenz si für das Verzögerungselement 15 wird
beispielsweise aus einem Quarzoszillator geliefert.