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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Speiseschaltung für
einen piezoelektrischen Wanderwellenmotor mit wenigstens einem Läufer, der
durch Reibung von einem Ständer
mitgenommen wird, welcher von wenigstens zwei piezoelektrischen Elementen
erregt wird, wobei diese piezoelektrischen Elemente jeweils einerseits
mit dem Ständer und
andererseits mit zwei Elektroden verbunden sind, die jeweils durch
zwei Wechselspannungen gespeist werden, welche dieselbe Amplitude
haben und um etwa 180° phasenverschoben
sind, und zwar mit Hilfe einer einzigen Wechselspannungsquelle sowie eines
Mittels zum Erzeugen der beiden phasenverschobenen Spannungen.
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Eine derartige Speiseschaltung ist
aus dem französischen
Patent 2 721 154 bekannt. In diesem Dokument wird vorgeschlagen,
die Nachteile der alten Speiseschaltungen mit zwei durch unabhängige Speisevorrichtungen
erzeugten Spannungsquellen dadurch zu beseitigen, dass der piezoelektrische
Motor mit Hilfe einer einzigen hochfrequenten Wechselspannungsquelle
und mit Hilfe eines Anpassmittels gespeist wird, welches einerseits
an die Wechselspannungsquelle und andererseits an die Elektroden der
piezoelektrischen Elemente angeschlossen ist, um die beiden um etwa
90° phasenverschobenen Spannungen
zu erzeugen. Das Anpassmittel besteht aus zwei Vierpolen, von denen
der eine eine Induktanz und eine Kapazität und der andere eine Induktanz
aufweist. Wenn die Wechselspannungsquelle einen Transformator hat,
deren Primär-
und Sekundärseiten
beide aus zwei Wicklun gen bestehen, können die Induktanzen der Vierpole
aus den eigenen Streuinduktanzen des Transformators bestehen. Es ist
jedoch erforderlich, diese Streuverluste zu beherrschen, indem ein
Luftspalt vorgesehen wird, um die Eigenstreuinduktanz zu erhöhen, was
die Herstellung spezieller Transformatoren mit stärkerer Strahlung
als Standardtransformatoren nötig
macht, was wiederum eine Abschirmung der ganzen Schaltung erforderlich
machen kann, um die massgebenden Vorschriften einzuhalten. Eine
solche Lösung
ist daher ziemlich schwer und kostspielig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine möglichst
einfache und leichte Speiseschaltung zu schaffen.
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Dazu ist die Speiseschaltung nach
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Erzeugen
der beiden phasenverschobenen Spannungen aus einem in Reihe mit
einer der erwähnten Elektroden
liegenden Kondensator besteht, dessen Wert derart gewählt ist,
dass für
eine gegebene Frequenz der Quellenspannung die Amplitude der Spannung
zwischen dem Ständer
und der mit dem Kondensator in Reihe geschalteten Elektrode des
piezoelektrischen Elements etwa gleich der Amplitude der Quellenspannung
ist, und dass die Phasenverschiebung der Ströme in jedem piezoelektrischen
Element nahe bei 90° liegt.
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Die Erzeugung der beiden Spannungen,
welche ungefähr
die gleiche Amplitude haben und um ungefähr 90° phasenverschoben sind, erfolgt
also einfach dadurch, dass ein Kondensator in Reihe mit einer der
Leitungen des Motors geschaltet wird, das heisst ohne zusätzliche
Induktanzen.
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Der Wert des Kondensators muss natürlich an
die Impedanz der piezeoelektrischen Elemente und an die Frequenz
der Speisespannung angepasst werden. Dieser Wert kann ohne weiteres
durch einen Fachmann so bestimmt werden, dass die beiden phasenverschobenen
Spannungen ungefähr
die gleiche Amplitude haben und dass die Ströme in jeder Motorleitung um
ungefähr
90° phasenverschoben sind.
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Die Speisequelle kann z. B. durch
eine ULT (logische Verarbeitungseinheit) gesteuert werden, deren
Gegenwart ausserdem den Bewegungszustand des Motors und seine Entwicklung
zu bestimmen erlaubt, insbesondere seine Geschwindigkeit und sein
Drehmoment.
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In einer ersten Phase des Motorbetriebs kann
die ULT zum Steuern der Arbeitsfrequenz des Motors verwendet werden.
Gemäss
einer Ausführungsform
werden zu diesem Zwecke die Spannungen an den beiden Motorphasen,
das heisst die Quellenspannung und die Spannung zwischen dem Ständer und
der mit dem Kondensator verbundenen Elektrode des piezoelektrischen
Elements, an die Eingänge
der ULT angeschlossen, welche zwecks Justierung der Quellenfrequenz
derart programmiert ist, dass die erwähnten Spannungen die gleiche
Amplitude erhalten.
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Die Speisequelle kann auch frequenzgesteuert
werden, indem an die Eingänge
der ULT die Quellenspannung und die Gesamtspannung gelegt werden,
wobei die ULT so programmiert ist, dass die Quellenfrequenz derart
justiert wird, dass die Spannung und der Strom ungefähr in Phase
sind. Die Quellenspannung und die Gesamtspannung können jeweils
durch die Ströme
in jeder der Elektroden ersetzt werden; in diesem Falle wird die
ULT zwecks Justierung der Frequenz so programmiert, dass die erwähnten Ströme um ungefähr 90° phasenverschoben
sind.
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Anstatt einer ULT kann auch eine
Phasenverriegelungsschleife (PLL) verwendet werden, die so arbeitet,
dass die Quellenspannung und der Gesamtstrom ungefähr in Phase
sind.
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Die Erfindung wird im einzelnen in
Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
das allgemeine Schema eines piezoelektrischen Motors und seiner
Speiseschaltung.
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2 zeigt
das Ersatzschaltbild einer Motorphase ohne zusätzlichen Kondensator.
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3 zeigt
das vereinfachte Ersatzschaltbild.
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4 zeigt
das Ersatzschaltbild des in 1 dargestellten
Motors.
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5 zeigt
das dem Schema nach 4 entsprechende
Vektordiagramm.
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6 zeigt
wiederum das Ersatzschaltbild des Motors mit der die Frequenz steuernden
ULT, jedoch für
die Fälle,
bei denen andere Parameter der Motorfunktion an die UTL-Eingängen gelegt
werden.
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7 zeigt
den von einer Phasenverriegelungsschleife gesteuerten Motor.
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1 zeigt
das Schema eines piezoelektrischen Motors mit zwei piezoelektrischen
Elementen P1 und P2, die von einer Wechselstromquelle S gespeist
werden. Im dargestellten Ersatzschaltbild ist jedes der piezoelektrischen
Elemente mit zwei Elektroden a1, b1 bzw. a2, b2 versehen. Bei einem
piezoelektrischen Motor, wie er in der Patentanmeldung WO 91/08594
beschrieben ist, werden die Elektroden b1 und b2 in der Tat durch
den Ständer
gebildet, an den die piezoelektrischen Elemente angeschlossen sind;
der Ständer
ist an eine der Klemmen der Quelle S angeschlossen. Zur Vereinfachung
ist nur ein Paar von piezoelektrischen Elementen dargestellt, es
ist jedoch klar, dass dieses Paar durch zwei Gruppen mit jeweils
mehreren piezoelektrischen Elementen ersetzt sein könnte, wie
im oben erwähnten Patent
beschrieben. Die Elektrode a1 des piezoelektrischen Elements P1
ist direkt mit der anderen Klemme der Quelle S verbunden, während die
Elektrode a2 des anderen piezoelektrischen Elements P2 über einen
Kondensator C an diese Klemme angeschlossen ist.
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In 1 ist
auch eine ULT (logische Verarbeitungseinheit) dargestellt, deren
Rolle weiter unten beschrieben wird.
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Wie später erläutert, erlaubt der Kondensator
C für sich
allein, auf den beiden durch die piezoelektrischen Elemente gebildeten
Motorleitungen zwei Wechelspannungen mit derselben Amplitude Vp
und Va und zwei um ungefähr
90° verschobene
Ströme zu
erhalten.
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Dieses Ergebnis wird mit Hilfe der 2 bis 5 erklärt.
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Das Ersatzschaltbild einer Phase
oder Speiseleitung des piezoelektrischen Motors nach
1 ohne den Kondensator C
ist zur Erinnerung in
2 gezeigt.
Lm, Cm, Rm sind die Induktanz, die Kapazität bzw. der Widerstand des "motorischen Zweigs", welche den piezoelektrischen
Effekt und die elektromechanische Resonanz für eine Frequenz
ausdrücken. Lm
ist die Masse, Cm die Elastizität
und Rm die Umwandlung in thermische und mechanische Leistung, d.
h. der Verlust und die Nutzleistung.
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Co ist die "blockierte Kapazität" der Leitung, entsprechend der Kapazität, die durch
die Elektroden a1, b1 gebildet wird, welche durch eine Dicke von Isoliermaterial
getrennt sind.
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Wenn die Frequenz f etwas grösser ist
als fo, ist das Verhalten des "motorischen
Zweigs" insgesamt
induktiv, und U1 eilt also Im um einen Winkel φm voraus. Es existiert eine
Frequenz fT derart, dass φm = 45°. Diese Frequenz
ist die Arbeitsfrequenz, für die
gilt Rm = LmϖT – 1/CmϖT
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Für
die meisten Konfigurationen der piezoelektrischen Motoren gilt 1/CoϖT >> Rm und daher Io << Im
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Die Kapazität Co spielt also im Ersatzschaltbild
praktisch keine Rolle, so dass es wie in 3 gezeigt vereinfacht werden kann, wo Xm = LmϖT – 1/CmϖT
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Indem dieses vereinfacht Ersatzschaltbild auf
das in 1 dargestellte
Motorschema angewandt wird, erhält
man das in 4 gezeigte
Schema, in welchem R1 = R2 und X1 = X2 ist.
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Man wünscht einerseits, dass die
Ströme
I1 und I2 dieselbe Amplitude haben und um 90° phasenverschoben sind, und
anderseits, dass der Gesamtstrom I mit der Spannung U in Phase ist,
so dass keine Elemente zur Kompensation der Blindleistung erforderlich
sind.
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Diese Bedingungen entsprechen dem
Vektordiagramm nach 5;
sie sind erfüllt,
wenn 1/CωT = 2X und R1,2 =
X1,2
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Für
einen bestimmten Wert von Rm sind die gewünschten Bedingungen also nur
für eine
bestimmte Arbeitsfrequenz erfüllt.
Wenn andererseits die mechanische Leistung variiert, dann ändert sich Rm,
und die Bedingung R = X ist nicht mehr erfüllt. Das Diagramm nach 5 verformt sich: die Ströme I1 und
I2 sind nicht mehr um 90° phasenverschoben, und
die Spannungen U1 und U2 sind nicht mehr gleich.
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Es ist dann bei dieser Art der Speisung,
ausgehend von einer einzigen Quelle und einem Kondensator, möglich:
- a) für
einen gegebenen Arbeitspunkt die optimale Frequenz fT derart
zu suchen, dass die Spannungen U1 und U2 die gleiche Amplitude haben
und daher um ungefähr
90° phasenverschoben
sind; und
- b) die Abweichungen in bezug auf diesen Arbeitpunkt zu überwachen,
und zwar ausgehend von der Analyse der Änderung der Amplituden von
U1 und U2 oder der Änderung
der Phasenverschiebung der Spannungen und/oder der Ströme.
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Das genau ist die Rolle der in 1 gezeigten ULT.
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In einer ersten Betriebsphase wird
die ULT zum Steuern der Arbeitsfrequenz fT des
Motors verwendet. Zu diesem Zwecke werden – gemäss einer ersten Ausführungsform – die Spannungen
Vp und Va an die Eingänge
von ULT gelegt, welche so programmiert ist, dass die Frequenz der
Quelle S so justiert wird, dass die Amplituden der Spannungen Vp und
Va gleich sind.
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Nach dieser Justierungsphase wird
die Frequenz nicht mehr modifiziert, und die ULT kann dazu verwendet
werden, um den Bewegungszustand des Motors zu bestimmen und sein
Anhalten und seine Drehrichtungsumkehr zu steuern.
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Die Drehrichtungsumkehr erfolgt durch
die Umkehr der Spannungen Va und Vp mit Hilfe von Umschaltern, die
von der ULT gesteuert werden.
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Verschiedene Verfahren können mit
der ULT angewendet werden.
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Die Amplitude der Spannung Va kann
mit einem Bezugswert verglichen werden. Wenn Va abnimmt, bedeutet
das, dass das Drehmoment ansteigt. Das gleiche gilt, wenn Vc mit
einem Bezugswert vergleichen wird.
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Nach anderen Verfahren vergleicht
die ULT die Spannungen Va und Vp, indem die Phasenverschiebung dieser
Spannungen oder die Amplitudendifferenz Vp – Va oder auch der Amplitudenquotient Vp/Va
berechnet wird.
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Es ist möglich, die zeitliche Entwicklung
der einen oder anderen dieser Messungen oder Berechnungen festzustellen,
indem ihre zeitliche Ableitung berechnet wird; dadurch kann sich
die ULT von den natürlichen
Messabweichungen, hauptsächlich
der Komponenten und der Speisung und den thermischen Abweichungen
des Motors, befreien.
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Wie oben erwähnt kann die Frequenzsteuerung
der Speisequelle auch durch die Analyse der Änderung der Phasenverschiebung
zwischen Spannung und Strom oder zwischen Strömen erfolgen.
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6 zeigt
wiederum das Ersatzschaltbild des Motors nach 4 und eine ULT zum Steuern der Speisequelle
S.
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Gemäss einer zweiten Ausführungsform werden
die Spannung Vp der Quelle und der Gesamtstrom I an die Eingänge der
ULT gelegt, die so programmiert ist, dass die Frequenz der Quelle
S derart justiert wird, dass die Spannung Vp und der Strom I ungefähr in Phase
sind. Im Vektordiagramm nach 5 entspricht
das der Orientierung des Vektors U.
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Gemäss einer dritten Ausführungsform,
die ebenfalls in 6 gezeigt
ist, sind es der Strom I1 im piezoelektrischen Element P1 und der
Strom I2 im piezoelektrischen Element P2, welche an die Eingänge der
ULT gelegt werden. Diese ULT ist zwecks Justierung der Frequenz
der Quelle S so programmiert, dass die Ströme I1 und I2 um ungefähr 90° phasenverschoben
sind, wie das im Vektordiagramm nach 5 der
Fall ist.
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Eine vierte Ausführungsform ist in
7 gezeigt, bei welcher der
Motor wiederum durch sein Ersatzschaltbild dargestellt ist und die
ULT durch eine Phasenverriegelungsschleife PLL ersetzt ist. Phasenverriegelungsschleifen
wurden bereits zum Steuern der Frequenz eines piezoelektrischen
Motors vorgeschlagen. Diese Anwendungen sind in den Patenten
US 4 794 294 und
4 833 358 beschrieben. Die Phasenverriegelungsschleife
PLL hat ein exklusives ODER-Glied, einen Tiefpassfilter F und einen
spannungsgesteuerten Oszillator VCO. An das exklusive ODER-Glied
wird einerseits ein für
den Gesamtstrom I repräsentatives
Signal, das mittels einer Stromsonde SC und einer Filter- und Impulsformerschaltung
B (Schmitt-Trigger) für
den durch die Sonde gemessenen Strom erhalten wird, und andererseits
eine der Quellenspannung Vp entsprechende Spannung gelegt. Die Phasenverriegelungsschleife
bewirkt, dass die Spannung Vp und der Gesamtstrom I ungefähr in Phase
sind, wie beim zweiten Ausführungsbeispiel.
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Diese letzte Ausführungsform hat Vorteile gegenüber den
vorangehenden Ausführungsformen: Die
Elektronik ist einfacher als die einer UKT, eine integrierte Schaltung
einer Phasenverriegelungsschleife ist gebräuchlich, und man erhält eine
galvanische Isolierung zwischen dem Motor und der Elektronik dank
der Stromsonde und der Sekundärseite
des Transformators der Speisequelle S im Falle, dass diese Quelle
S eine Phasenanschnitts-Speisung
ist.
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Diese letzte Ausführungsform kann verbessert
werden, indem ein Element zur Kompensation der durch den Filter
und den Impulsformer B eingeführten
Störphasen
eingefügt
wird.
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Bei allen Ausführungsformen kann es nützlich sein,
die Frequenz der Speisequelle in bezug auf die Resonanzfrequenz
des piezoelektrischen Motors freiwillig zu verschieben, um die Stabilität des Motors zu
verbessern. Diese Verschiebung kann durch die ULT bzw. das Kompensationselement
O im Falle der Phasenverriegelungsschleife erfolgen.
