JP3124295B2 - 進行波形モータの周波数制御方法および制御装置 - Google Patents
進行波形モータの周波数制御方法および制御装置Info
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- JP3124295B2 JP3124295B2 JP05507332A JP50733293A JP3124295B2 JP 3124295 B2 JP3124295 B2 JP 3124295B2 JP 05507332 A JP05507332 A JP 05507332A JP 50733293 A JP50733293 A JP 50733293A JP 3124295 B2 JP3124295 B2 JP 3124295B2
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
-
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- H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
- H02N2/142—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. speed, torque, starting, stopping, reversing
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念による進行波
形モータの周波数制御方法に関する。
形モータの周波数制御方法に関する。
進行波形モータ（超音波モータとも称される）は公知
のものであり、その構造、機能及び有利な使用分野は例
えば以下の公知文献に記載されている。： （Schadebrod ＆ Salamon,“Der Piezo−wanderwell
motor−Antriebselement in der Aktorik,Neues Wi
rkungsprinzip"Industrie−Anzeiger 6/1991,32〜34
頁） （Schadebrod und Salomon,“The Piezo Traveling
Wave Motor−Ａ New Element in Actuation",Co
ntrol Engineering/Mai 1990,10〜18頁）（Yukihiko
Ise,“Traveling Wave Ultrasonic Motors Offer
High Conversion Efficiency,JEE",Juni 1986,66
〜70頁） 進行波形モータの制御のためには固定子における圧電
リングの１つの領域がセンサ出力側として接触接続され
ている。この領域は交流電圧（いわゆるセンサ電圧又は
“センシング”電圧）を送出する。この交流電圧はモー
タの制御のために用いられる。公知の進行波形モータに
対する冒頭に述べたような形式の周波数制御方法のねら
いとするところは、進行波形モータの動作点をモータの
特性曲線の共振領域内に維持することである。なぜなら
進行波形モータはこの動作領域においてその最大出力
（パワー）を発揮するからである。
のものであり、その構造、機能及び有利な使用分野は例
えば以下の公知文献に記載されている。： （Schadebrod ＆ Salamon,“Der Piezo−wanderwell
motor−Antriebselement in der Aktorik,Neues Wi
rkungsprinzip"Industrie−Anzeiger 6/1991,32〜34
頁） （Schadebrod und Salomon,“The Piezo Traveling
Wave Motor−Ａ New Element in Actuation",Co
ntrol Engineering/Mai 1990,10〜18頁）（Yukihiko
Ise,“Traveling Wave Ultrasonic Motors Offer
High Conversion Efficiency,JEE",Juni 1986,66
〜70頁） 進行波形モータの制御のためには固定子における圧電
リングの１つの領域がセンサ出力側として接触接続され
ている。この領域は交流電圧（いわゆるセンサ電圧又は
“センシング”電圧）を送出する。この交流電圧はモー
タの制御のために用いられる。公知の進行波形モータに
対する冒頭に述べたような形式の周波数制御方法のねら
いとするところは、進行波形モータの動作点をモータの
特性曲線の共振領域内に維持することである。なぜなら
進行波形モータはこの動作領域においてその最大出力
（パワー）を発揮するからである。
これに対してこのような形式の公知の方法では、励振
交流電圧の周波数の目標量が目標値発生器を用いて、進
行波形モータの回転数の変化とノイズの発生に基づき当
該モータが共振領域内にあることが使用者により識別さ
れるまでマニュアルで変化させられる。その後この目標
量は動作期間の間不変にさせられる。この調整過程は、
個々の進行波形モータにおける製品等のばらつきのため
に個別に実施されなければならず、また進行波形モータ
の新たな操作開始のたび毎にも繰り返されなければなら
ない。なぜなら進行波形モータの停止状態における動作
点は目標量が不変であっても進行波形モータ内部的現象
−過程によってずれるからである。また動作期間中も最
適な動作点は一定の周波数（これはさらに付加的に製品
毎のばらつきの影響を受ける）のもとに存在するのでは
なく、種々異なるパラメータのドリフトの影響を受け
る。そのため一定の目標量設定値を用いた公知の周波数
制御は、進行波形モータの最大出力における安定した動
作点に結び付かない。
交流電圧の周波数の目標量が目標値発生器を用いて、進
行波形モータの回転数の変化とノイズの発生に基づき当
該モータが共振領域内にあることが使用者により識別さ
れるまでマニュアルで変化させられる。その後この目標
量は動作期間の間不変にさせられる。この調整過程は、
個々の進行波形モータにおける製品等のばらつきのため
に個別に実施されなければならず、また進行波形モータ
の新たな操作開始のたび毎にも繰り返されなければなら
ない。なぜなら進行波形モータの停止状態における動作
点は目標量が不変であっても進行波形モータ内部的現象
−過程によってずれるからである。また動作期間中も最
適な動作点は一定の周波数（これはさらに付加的に製品
毎のばらつきの影響を受ける）のもとに存在するのでは
なく、種々異なるパラメータのドリフトの影響を受け
る。そのため一定の目標量設定値を用いた公知の周波数
制御は、進行波形モータの最大出力における安定した動
作点に結び付かない。
発明の利点 請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明による方
法は次のような利点を有する。すなわち目標励振周波数
が固定的に設定調整されるのではなく、進行波形モータ
のそのつどの動作状態に応じて適合化される利点を有す
る。このために用いられるセンシング信号の振幅変調
は、共振点を越えた場合とこの共振点のすぐ近傍におい
て動作している場合の進行波形モータの振動によって生
じる。この振幅変調は本発明によれば次のようなことの
ために用いられる。すなわち進行波形モータが常に最大
出力の動作点で動作するように、目標励振周波数を制御
するために用いられる。
法は次のような利点を有する。すなわち目標励振周波数
が固定的に設定調整されるのではなく、進行波形モータ
のそのつどの動作状態に応じて適合化される利点を有す
る。このために用いられるセンシング信号の振幅変調
は、共振点を越えた場合とこの共振点のすぐ近傍におい
て動作している場合の進行波形モータの振動によって生
じる。この振幅変調は本発明によれば次のようなことの
ために用いられる。すなわち進行波形モータが常に最大
出力の動作点で動作するように、目標励振周波数を制御
するために用いられる。
これに対して本発明による方法の有利な実施例によれ
ば振幅変調されたセンシング信号が復調されて整流さ
れ、振幅変調−目標値に相応する所定の限界値と比較さ
れる。この比較差は制御器に供給される。この制御器の
出力側から取り出される調整値は目標量として用いられ
る。これにより重畳的周波数制御回路が生じる。この制
御回路は調整信号を発生する。この調整信号は公知の周
波数制御回路のもとでのマニュアルの目標周波数調整の
代わりに用いられる。この重畳的周波数制御回路によっ
て得られる利点は、進行波形モータが種々異なる影響量
やそのドリフトにもかかわらず動作領域内の最適な動作
点に常に制御されることである。
ば振幅変調されたセンシング信号が復調されて整流さ
れ、振幅変調−目標値に相応する所定の限界値と比較さ
れる。この比較差は制御器に供給される。この制御器の
出力側から取り出される調整値は目標量として用いられ
る。これにより重畳的周波数制御回路が生じる。この制
御回路は調整信号を発生する。この調整信号は公知の周
波数制御回路のもとでのマニュアルの目標周波数調整の
代わりに用いられる。この重畳的周波数制御回路によっ
て得られる利点は、進行波形モータが種々異なる影響量
やそのドリフトにもかかわらず動作領域内の最適な動作
点に常に制御されることである。
本発明による方法によれば、進行波形モータは製品毎
のばらつきにも関係無く最大出力の当該動作点に制御さ
れる。また結合ないし整合や平衡調整の問題も同様に回
避される。さらに進行波形モータの操作開始時のセッテ
ィング調整過程も必要なく、重畳的周波数制御回路によ
って自動的に行われるものとなる。
のばらつきにも関係無く最大出力の当該動作点に制御さ
れる。また結合ないし整合や平衡調整の問題も同様に回
避される。さらに進行波形モータの操作開始時のセッテ
ィング調整過程も必要なく、重畳的周波数制御回路によ
って自動的に行われるものとなる。
本発明による方法を実施するための有利な制御装置は
請求の範囲第４項に記載されている。
請求の範囲第４項に記載されている。
図面 本発明による方法は、図面に示されている周波数制御
装置の実施例に基づいて以下に詳細に説明される。
装置の実施例に基づいて以下に詳細に説明される。
図１は、進行波形モータの周波数制御のための制御装
置のブロック回路図である。
置のブロック回路図である。
図２は、進行波形モータの固定子の伝送特性曲線図で
ある。
ある。
実施例の説明 図１のブロック回路図においては総括的に符号10で示
されている進行波形モータのための制御装置が示されて
いる。この制御装置においては符号11で進行波形モータ
の固定子が示され、また符号12で進行波形モータ10の回
転子が示されている。この場合固定子11と回転子12をそ
れぞれ囲っているブロック内にはそのつどの伝送特性が
特性曲線として示されている。進行波形モータ10の構造
と作用は冒頭に述べた公知文献の中で述べられている。
ここにおいて要約的に記載すれば、進行波形モータ10は
固定子に固定されている圧電リングを有するディスク状
の固定子11と、この圧電リングに摩擦層を介して圧着さ
れているディスク状の回転子12とからなっている。ここ
では図示されていないこの圧電リングは交互に入れ換わ
る分極された２つの圧電領域グループを有している。こ
の２つの領域は相互に90゜だけ位相のずれた交流電圧で
励振せしめられる。固定子ディスク11の圧電リング上に
は１つの領域がセンサ出力側として接触接続されてい
る。この領域からは交流電圧（いわゆるセンサ電圧ない
し“センシング”電圧）が取り出される。固定子11の伝
送特性は図２に示されている。この図では対数で表示さ
れた固定子11の励振周波数に関する振幅特性経過（電気
的な振幅に対する機械的な振幅の比）が示されている。
この図には共振の高まりが明確に現われている。ここに
おいて進行波形モータ10は、動作領域が特性曲線の共振
部分にあるような励振周波数によって作動されるものと
する。この動作領域は図２において斜線で示されてい
る。この動作領域内には進行波形モータ10がその最大出
力に達する動作点が存在する。以下に記載する周波数制
御方法のねらいは、最大出力のもとで進行波形モータ10
の安定した動作点を保証することである。
されている進行波形モータのための制御装置が示されて
いる。この制御装置においては符号11で進行波形モータ
の固定子が示され、また符号12で進行波形モータ10の回
転子が示されている。この場合固定子11と回転子12をそ
れぞれ囲っているブロック内にはそのつどの伝送特性が
特性曲線として示されている。進行波形モータ10の構造
と作用は冒頭に述べた公知文献の中で述べられている。
ここにおいて要約的に記載すれば、進行波形モータ10は
固定子に固定されている圧電リングを有するディスク状
の固定子11と、この圧電リングに摩擦層を介して圧着さ
れているディスク状の回転子12とからなっている。ここ
では図示されていないこの圧電リングは交互に入れ換わ
る分極された２つの圧電領域グループを有している。こ
の２つの領域は相互に90゜だけ位相のずれた交流電圧で
励振せしめられる。固定子ディスク11の圧電リング上に
は１つの領域がセンサ出力側として接触接続されてい
る。この領域からは交流電圧（いわゆるセンサ電圧ない
し“センシング”電圧）が取り出される。固定子11の伝
送特性は図２に示されている。この図では対数で表示さ
れた固定子11の励振周波数に関する振幅特性経過（電気
的な振幅に対する機械的な振幅の比）が示されている。
この図には共振の高まりが明確に現われている。ここに
おいて進行波形モータ10は、動作領域が特性曲線の共振
部分にあるような励振周波数によって作動されるものと
する。この動作領域は図２において斜線で示されてい
る。この動作領域内には進行波形モータ10がその最大出
力に達する動作点が存在する。以下に記載する周波数制
御方法のねらいは、最大出力のもとで進行波形モータ10
の安定した動作点を保証することである。
このことのために、センシング電圧から励振交流電圧
の実際の周波数に比例した実際量を検出し、目標周波数
に比例する目標量との比較が行われる。目標量と実際量
との間の制御偏差は適切な制御アルゴリズムを施され以
って励振周波数が補正される。固定的な目標量の設定の
もとでは進行波形モータ10の異なるパラメータのドリフ
トのために動作領域におけるモータの動作点が安定して
維持され得ないことが試行から明らかになっている。こ
の理由からここでは目標量は、固定的に設定調整される
のではなく重畳的制御回路において付加的に制御され
る。このことのために、センシング電圧に依存する振幅
変調（これは共振点の直ぐ近傍にある進行波形モータ10
の振動によって生ぜしめられる）が、復調されて整流さ
れ、所定の振幅変調−目標値と比較される。この比較差
は制御器に供給される。この制御器の出力側から取り出
される調整信号はここにおいて目標周波数に比例する目
標量を示す。この振幅変調−目標値は、進行波形モータ
10内に存在する摩擦層の弾性と、回転子12と固定子11と
の間の圧着力とに依存して定められる。
の実際の周波数に比例した実際量を検出し、目標周波数
に比例する目標量との比較が行われる。目標量と実際量
との間の制御偏差は適切な制御アルゴリズムを施され以
って励振周波数が補正される。固定的な目標量の設定の
もとでは進行波形モータ10の異なるパラメータのドリフ
トのために動作領域におけるモータの動作点が安定して
維持され得ないことが試行から明らかになっている。こ
の理由からここでは目標量は、固定的に設定調整される
のではなく重畳的制御回路において付加的に制御され
る。このことのために、センシング電圧に依存する振幅
変調（これは共振点の直ぐ近傍にある進行波形モータ10
の振動によって生ぜしめられる）が、復調されて整流さ
れ、所定の振幅変調−目標値と比較される。この比較差
は制御器に供給される。この制御器の出力側から取り出
される調整信号はここにおいて目標周波数に比例する目
標量を示す。この振幅変調−目標値は、進行波形モータ
10内に存在する摩擦層の弾性と、回転子12と固定子11と
の間の圧着力とに依存して定められる。
この周波数制御方法は、図１に示されている制御装置
を用いて実施される。この場合進行波形モータ10の励振
交流電圧は電圧制御された発振器13から供給される。こ
の発振器13の発振周波数は制御入力側に供給される直流
制御電圧によって調整可能である。発振器13の制御入力
側には第１の制御器14が前置接続されている。この第１
の制御器14はここでPT1−制御器として構成されてい
る。しかしながらこの制御器はその他の適切な制御特性
も有し得る。第１の制御器14には第１の差分形成器が15
前置接続されている。この第１の差分形成器15の反転入
力側には圧電リングから取り出されたセンシング電圧の
ピーク整流値が供給される。このピーク整流値はピーク
整流器16によりセンシング電圧から得られる。第１の差
分形成器15の非反転入力側にも直流電圧が供給される。
この直流電圧は、総括的に符号17で示されている重畳的
制御回路17から供給される。この制御回路17は、振幅復
調器18（この振幅復調器には振幅変調されたセンシング
電圧が供給される）と、該振幅復調器18に後置接続され
た整流器段19（この整流器段はセンシング電圧の振幅の
高さに比例する直流電圧を送出する）と、第２の差分形
成器20と、該差分形成器20に後置接続された第２の制御
器21とからなっている。この第２の制御器21の出力側は
前記第１の差分形成器15の非反転入力側に接続されてい
る。この場合整流器段19の出力電圧は第２の差分形成器
20の反転入力側に供給され、これに対して該第２の差分
形成器20の非反転入力側には振幅変調−目標値が供給さ
れている。前記第２の制御器21はここではPI−制御器と
して構成されているが、その他の適切な制御特性も有し
得る。第２の制御器21の調整量は基準制御回路に対する
目標量である。ここにおいて、重畳的周波数制御回路17
によって基準制御回路の目標量は付加的に制御され、非
固定的に保持される。それにより、進行波形モータ10の
種々異なる影響量やそのドリフトにもかかわらず最大出
力の動作点に常時制御されるものとなる。
を用いて実施される。この場合進行波形モータ10の励振
交流電圧は電圧制御された発振器13から供給される。こ
の発振器13の発振周波数は制御入力側に供給される直流
制御電圧によって調整可能である。発振器13の制御入力
側には第１の制御器14が前置接続されている。この第１
の制御器14はここでPT1−制御器として構成されてい
る。しかしながらこの制御器はその他の適切な制御特性
も有し得る。第１の制御器14には第１の差分形成器が15
前置接続されている。この第１の差分形成器15の反転入
力側には圧電リングから取り出されたセンシング電圧の
ピーク整流値が供給される。このピーク整流値はピーク
整流器16によりセンシング電圧から得られる。第１の差
分形成器15の非反転入力側にも直流電圧が供給される。
この直流電圧は、総括的に符号17で示されている重畳的
制御回路17から供給される。この制御回路17は、振幅復
調器18（この振幅復調器には振幅変調されたセンシング
電圧が供給される）と、該振幅復調器18に後置接続され
た整流器段19（この整流器段はセンシング電圧の振幅の
高さに比例する直流電圧を送出する）と、第２の差分形
成器20と、該差分形成器20に後置接続された第２の制御
器21とからなっている。この第２の制御器21の出力側は
前記第１の差分形成器15の非反転入力側に接続されてい
る。この場合整流器段19の出力電圧は第２の差分形成器
20の反転入力側に供給され、これに対して該第２の差分
形成器20の非反転入力側には振幅変調−目標値が供給さ
れている。前記第２の制御器21はここではPI−制御器と
して構成されているが、その他の適切な制御特性も有し
得る。第２の制御器21の調整量は基準制御回路に対する
目標量である。ここにおいて、重畳的周波数制御回路17
によって基準制御回路の目標量は付加的に制御され、非
固定的に保持される。それにより、進行波形モータ10の
種々異なる影響量やそのドリフトにもかかわらず最大出
力の動作点に常時制御されるものとなる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラーマー，クラウス ドイツ連邦共和国 Ｄ−7122 ベージッ ヒハイム ニュートン−アボット−シュ トラーセ 26 (72)発明者 ヴィンター，アルノルト ドイツ連邦共和国 Ｄ−7024 フィルダ ーシュタット−ボンランデン クロイツ シュトラーセ 20 (56)参考文献 特開 平３−78474（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−321876（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−34185（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02N 2/00
Claims (11)
- 【請求項１】進行波形モータの周波数制御方法であっ
て、前記進行波形モータは、ディスク状の固定子と、該
固定子に固定される圧電リングと、前記圧電リングに摩
擦層を介してコンタクトのために圧着されるディスク状
の回転子とを有しており、 前記圧電リングは、交互に入れ換わる２つの圧電領域を
有している形式のものにおいて、 前記交互に入れ替わる圧電領域を相互に90゜位相のずれ
た交流電圧で励振させ、 進行波形モータの固定子から取り出される交流センシン
グ電圧の振幅から、モータの実際の周波数に比例する実
際量を取り出し、 前記センシング電圧の振幅変調からモータの所期の周波
数に比例した所期量を導出し、 該所期量を実際値と比較して偏差量を求め、 該偏差量を用いて励振交流電圧の周波数を補正し、 適切な制御アルゴリズムを施した後で、進行波形モータ
の基本制御回路に、最大出力領域でのモータの作動を引
き起こさせることを特徴とする、進行波形モータの周波
数制御方法。 - 【請求項２】前記所期量の導出実行のために、振幅変調
されたセンシング電圧を復調して整流し、所定の所期の
振幅変調値と比較し、この比較差を制御器に供給し、そ
の出力側から取り出される調整信号を所期量として用い
る、請求項１記載の方法。 - 【請求項３】前記所期の振幅変調値を、前記固定子（1
1）と回転子（12）の間の摩擦層の弾性と、前記固定子
と回転子の間のコンタクト圧力に依存して定める、請求
項２記載の方法。 - 【請求項４】請求項２に記載された方法を実施するため
の制御装置において、 進行波形モータのための励振電圧を供給する電圧制御さ
れた発振器を有しており、該発振器の発振器周波数は、
その制御入力側に供給される直流制御電圧によって調整
可能であり、 前記発振器に所期の直流制御電圧を供給する第１の制御
器を有しており、該第１の制御器は、出力側と入力側を
有しており、前記第１の制御器の出力側は、前記発振器
の制御入力側に接続されており、前記第１の制御器の入
力側には、第１の差分形成器においてセンシング電圧の
振幅から導出される所期の直流電圧値と、目下の直流電
圧値との比較から得られる偏差が供給されており、 振幅復調器を有しており、該振幅復調器にはセンシング
電圧が供給されており、 整流器段を有しており、該整流器段は変調のレベルに比
例する直流電圧出力を供給するものであり、 第２の差分形成器を有しており、該第２の差分形成器に
は一方で前記整流器段の直流差分電圧出力が供給され、
他方で所期の振幅変調値に相応する所定の電圧が供給さ
れ、さらに前記第２の差分形成器の出力電圧は第２の制
御器の入力側に供給されており、 前記第２の制御器の出力信号は、前記第１の差分形成器
に供給される所期の直流電圧値に相応するように構成さ
れていることを特徴とする制御装置。 - 【請求項５】前記第２の制御器は、PI−制御器である、
請求項４記載の制御装置。 - 【請求項６】前記第１の制御器は、PT1−制御器であ
る、請求項４記載の制御装置。 - 【請求項７】前記第１の制御器は、PT1−制御器であ
る、請求項５記載の制御装置。 - 【請求項８】請求項３に記載された方法を実施するため
の制御装置において、 進行波形モータのための励振電圧を供給する電圧制御さ
れた発振器を有しており、該発振器の発振器周波数は、
その制御入力側に供給される直流制御電圧によって調整
可能であり、 前記発振器に所期の直流制御電圧を供給する第１の制御
器を有しており、該第１の制御器は、出力側と入力側を
有しており、前記第１の制御器の出力側は、前記発振器
の制御入力側に接続されており、前記第１の制御器の入
力側には、第１の差分形成器においてセンシング電圧の
振幅から導出される所期の直流電圧値と、目下の直流電
圧値との比較から得られる偏差が供給されており、 振幅復調器を有しており、該振幅復調器にはセンシング
電圧が供給されており、 整流器段を有しており、該整流器段は変調のレベルに比
例する直流電圧出力を供給するものであり、 第２の差分形成器を有しており、該第２の差分形成器に
は一方で前記整流器段の直流差分電圧出力が供給され、
他方で所期の振幅変調値に相応する所定の電圧が供給さ
れ、さらに前記第２の差分形成器の出力電圧は第２の制
御器の入力側に供給されており、 前記第２の制御器の出力信号は、前記第１の差分形成器
に供給される所期の直流電圧値に相応するように構成さ
れていることを特徴とする制御装置。 - 【請求項９】前記第２の制御器は、PI−制御器である、
請求項８記載の制御装置。 - 【請求項１０】前記第１の制御器は、PT1−制御器であ
る、請求項８記載の制御装置。 - 【請求項１１】前記第１の制御器は、PT1−制御器であ
る、請求項９記載の制御装置。
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