KR20030041030A - Ultrasonic motor drive circuit using pll mode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전세라믹스에 90°의 위상차를 가진 교류전압을 인가하였을 때 발생하는 진행파에 의하여 회전하는 초음파 모터의 효율적인 구동을 위하여 PLL방식을 이용한 주파수 동기식 구동 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a frequency synchronous driving circuit using a PLL method for efficient driving of an ultrasonic motor rotating by traveling waves generated when an AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to a piezoelectric ceramic.
초음파 모터는 기존의 전자식 모터와는 달리 압전세라믹스에 교류전압이 인가되었을 때 발생하는 물리적 변위에 의해 구동되는 모터로서 구조가 간단하며 기존방식의 모터에 비하여 소형이며 저속 고토오크를 발생시킨다. 또한 빠른 응답속도와 높은 위치분해능를 가지므로 정밀위치제어에 유리하다.Ultrasonic motors, unlike conventional electronic motors, are motors driven by physical displacement generated when AC voltage is applied to piezoelectric ceramics. The ultrasonic motor is simple in structure and generates small speed and high torque compared to conventional motors. In addition, it has the advantage of fast response speed and high position resolution.
초음파 모터는 입력되는 한 쌍의 교류전압의 위상차가 90°이고 주파수가 모터의 공진주파수와 일치할 때 가장 효율적으로 동작하며 최대의 출력을 낸다.Ultrasonic motors operate most efficiently when the phase difference between the input AC voltage is 90 ° and the frequency coincides with the resonant frequency of the motor.
모터에서 공진이 발생되기 위해서는 모터에 인가되는 전압과 전류의 위상차가 없이 동일해야 한다.In order for resonance to occur in the motor, the voltage and current applied to the motor must be the same without a phase difference.
하지만 초음파 모터는 마찰력에 의해 구동되는 모터이므로 장시간 구동시 회전자와 고정자 사이의 마찰에 의해 발생되는 열에 의하여 압전세라믹의 공진주파수가 변화하므로 모터의 효율적인 구동은 불안정하게 된다.However, since the ultrasonic motor is a motor driven by frictional force, the resonant frequency of the piezoelectric ceramic is changed by heat generated by friction between the rotor and the stator during a long driving time, so the efficient driving of the motor becomes unstable.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 PLL 회로를 이용하여 모터에 인가되는 전압과 전류의 위상을 비교함으로써 마찰열에 의한 압전세라믹스의 공진주파수와 모터에 인가되는 전압의 주파수를 동기화 하는 구동회로를 제공하는데 있다. 따라서 모터의 공진주파수의 변화에 따라 모터에 인가되는 교류전압의 주파수를 모터의 공진주파수와 같아지도록 함으로써 초음파 모터의 효율적인 구동을 유지할 수 있게 된다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is a drive circuit for synchronizing the frequency of the voltage applied to the motor and the resonant frequency of the piezoelectric ceramics by frictional heat by comparing the phase of the voltage and current applied to the motor using a PLL circuit In providing the furnace. Therefore, by changing the resonant frequency of the motor to make the frequency of the AC voltage applied to the motor equal to the resonant frequency of the motor it is possible to maintain the efficient driving of the ultrasonic motor.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 모터의 구동회로는 입력전압에 따라 주파수를 변화시키기 위한 전압제어발진기와 상기 전압제어발진기에서 발진된 주파수를 분주하여 소정의 주파수로 변환하고 모터의 입력전압간의 위상차를 생성하는 위상신호처리기와, 상기 위상신호처리기의 출력신호를 증폭하는 변압기와, 전압과 전류의 위상을 검출하는 전압위상검출기 및 전류위상검출기와, 전압과 전류의 위상을 비교하는 위상비교기와, 상기 위상비교기의 출력을 직류전압으로 전환하여 상기 전압제어발진기로 입력하는 루프필터로 구성되어 있는 점에 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, a driving circuit of an ultrasonic motor according to the present invention divides a frequency controlled oscillator for changing a frequency according to an input voltage and an oscillation frequency generated by the voltage controlled oscillator and converts the oscillated frequency into a predetermined frequency and inputs the input voltage of the motor. A phase signal processor for generating a phase difference therebetween, a transformer for amplifying the output signal of the phase signal processor, a voltage phase detector and a current phase detector for detecting phases of voltage and current, and a phase comparator for comparing phases of voltage and current And a loop filter which converts the output of the phase comparator into a direct current voltage and inputs it to the voltage controlled oscillator.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail.
도 1 초음파 모터 구동회로의 개략적인 구성도1 is a schematic configuration diagram of an ultrasonic motor driving circuit
도 2 전압제어발진기의 구성도2 is a configuration diagram of a voltage controlled oscillator
도 3 모터의 회전방향변화 및 주파수체배를 위한 위상신호처리기의 구성도3 is a block diagram of a phase signal processor for changing the rotational direction of the motor and frequency multiplication
도 4 위상신호처리기의 동작에 대한 설명도4 is an explanatory diagram of the operation of the phase signal processor
도 5 변압기 2차측과 초음파 모터의 등가회로에 대한 설명도5 is an explanatory diagram of an equivalent circuit of a transformer secondary side and an ultrasonic motor.
도 6 초음파 모터의 속도에 관한 주파수 특성도Figure 6 Frequency characteristic diagram regarding the speed of the ultrasonic motor
도 7 전압위상검출기에 대한 상세도7 is a detailed view of the voltage phase detector
도 8 전류위상검출기에 대한 상세도8 is a detailed view of the current phase detector
도 9 위상비교기 및 저역통과회로에 대한 상세도9 is a detailed diagram of a phase comparator and a low pass circuit.
도 10 위상비교기 및 저역통과회로의 동작에 대한 설명도10 is an explanatory diagram of the operation of the phase comparator and the low pass circuit.
도 11 온도에 따른 모터의 공진 주파수의 변화에 대한 특성도11 is a characteristic diagram of the change of the resonant frequency of the motor according to the temperature
도 12 PLL 및 일반구동회로의 모터구동의 시간에 대한 속도변화의 특성도12. Characteristic diagram of speed change with time of motor drive of PLL and general drive circuit
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 전압제어발진기3 : 위상신호처리기1: voltage controlled oscillator 3: phase signal processor
8, 9, 10, 11 : MOSFET12 : 직류전압전원8, 9, 10, 11: MOSFET 12: DC voltage power supply
13, 14 : 변압기15, 16 : 파형보정용 인덕터13, 14: transformer 15, 16: waveform correction inductor
19, 20 : 초음파 모터23 : 전압위상검출기19, 20: ultrasonic motor 23: voltage phase detector
24 : 전류위상검출기27 : 위상비교기24: current phase detector 27: phase comparator
29 : 루프필터29: loop filter
도 2는 본 발명에서 제안된 구동회로에서의 전압제어발진기(1)의 상세도이다. 전압제어발진기(1)는 루프필터(29)의 출력인 직류전압을 주파수로 변환하여 출력하는 회로이다. 전압제어발진기(1)는 듀티비 50%의 펄스파를 발생하며, 전압제어발진기(1)의 출력주파수는 모터에 인가되는 교류전압의 4배의 주파수를 가진다. 도 2에서 저항 R1(31), R2(32) 그리고 커패시턴스 C1(33)은 전압제어발진기(1)의 출력주파수의 범위 및 위상동기화 대역를 결정한다. 위상동기화 대역이란 위상비교기(27)의 두 위상입력신호가 동기화를 유지하는 출력주파수의 영역이다.2 is a detailed view of the voltage controlled oscillator 1 in the driving circuit proposed in the present invention. The voltage controlled oscillator 1 is a circuit for converting a DC voltage, which is the output of the loop filter 29, into a frequency and outputting the frequency. The voltage controlled oscillator 1 generates pulse waves having a duty ratio of 50%, and the output frequency of the voltage controlled oscillator 1 has a frequency four times the alternating voltage applied to the motor. In FIG. 2, resistors R1 31, R2 32 and capacitance C1 33 determine the range and phase synchronization band of the output frequency of the voltage controlled oscillator 1. The phase synchronization band is an area of an output frequency at which two phase input signals of the phase comparator 27 are kept synchronized.
도 3는 본 발명에서 고안된 위상신호처리기(3)의 상세도를 나타낸다. 위상처리신호기(3)은 2비트 업-다운 카운터(34)와 4-채널 디멀티플렉서(37)로 구성된다. 2비트 업-다운 카운터(34)와 4-채널 디멀티플렉서(37)는 상용으로 시판되는 카운터(예:4516)과 디멀티플렉서(예:4052)를 사용하여 구성하였다. 2비트 업-다운 카운터(34)의 업-다운 단자신호(35)가 "0"일 경우 모터는 정회전을 하며 "1"일 경우 모터는 역회전을 한다. 또한 4-채널 디멀티플렉서(37)의 제어단자(38)의 입력이 "0"일 경우 모터는 정지하며, "1"일 경우 모터는 동작한다. 2비트 업-다운 카운터(34)는 전압제어발진기(1)의 출력신호(2)를 받아 2비트의 신호(36)로 4-채널 디멀티플렉서(37)에 전달한다. 4-채널 디멀티플렉서(37)는 2비트의 신호를 받아 각 채널(4, 5, 6, 7)에 4개의 펄스파를 출력한다.3 shows a detailed view of the phase signal processor 3 designed in the present invention. The phase processing signal 3 is composed of a 2-bit up-down counter 34 and a four-channel demultiplexer 37. The 2-bit up-down counter 34 and the 4-channel demultiplexer 37 were constructed using commercially available counters (eg, 4516) and demultiplexers (eg, 4052). When the up-down terminal signal 35 of the 2-bit up-down counter 34 is "0", the motor rotates forward, and when "1", the motor rotates reversely. In addition, when the input of the control terminal 38 of the four-channel demultiplexer 37 is "0", the motor is stopped, and if "1", the motor is operated. The 2-bit up-down counter 34 receives the output signal 2 of the voltage controlled oscillator 1 and transmits it to the 4-channel demultiplexer 37 as a 2-bit signal 36. The four-channel demultiplexer 37 receives a 2-bit signal and outputs four pulse waves to each channel 4, 5, 6, and 7.
도 4는 도 3의 위상신호처리기(3)의 각각 단자에서의 파형을 나타낸다. 도 4에서처럼 전압제어발진기(1)의 출력(2)은 위상신호제어기(3)를 거쳐 듀티비가 25%이며 주파수는 1/4배인 각각 90°의 위상차를 갖는 4개의 펄스파(4, 5, 6, 7)로 출력된다. (4)과 (5), 그리고 (6)과 (7)의 각각 2개씩의 신호는 후단의 N-Channel MOSFET의 "GATE"단에 인가되어 도 1에서 각각의 변압기(13, 14)의 2차 권선에 90°의 위상차를 갖는 구형파를 출력하도록 한다.FIG. 4 shows waveforms at respective terminals of the phase signal processor 3 of FIG. As shown in FIG. 4, the output 2 of the voltage controlled oscillator 1 passes through the phase signal controller 3 and has four pulse waves 4, 5, each having a phase difference of 90 ° each having a duty ratio of 25% and a frequency of 1/4 times. 6, 7). Two signals, respectively (4) and (5), and (6) and (7), are applied to the "GATE" stage of the N-Channel MOSFET of the rear stage, so that the two signals of each of the transformers 13 and 14 in FIG. Output a square wave with a phase difference of 90 ° to the secondary winding.
도 5는 변압기(13, 14)의 2차권선과 인덕터(15, 16). 그리고 초음파 모터가 형성하는 병렬공진회로를 나타낸 도식이다. 변압기(13, 14)는 1차측에 인가된 신호를 증폭하여 2차측에 증폭된 구형파를 출력하고, 인덕터(15, 16)는 모터에 인가되는 파형이 정확한 정현파의 형태가 되도록 보정하는 역할을 한다. 도 5에서 변압기(13, 14) 2차측의 구형파는 변압기(13, 14) 2차측의 인덕턴스(LT)와 초음파모터(19, 20)의 커패시턴스(Cd)에 의한 병렬공진에 의해 정현파로 변환되어 초음파모터(19, 20)에 인가된다. 실제적으로 인덕터(15, 16)의 인덕턴스는 변압기(13, 14) 2차측의 인덕턴스보다 작은 값을 가지므로 계산식에서 무시할 수 있다. 병렬공진회로의 계산식은 다음 식(1)과 같다. 변압기의 2차측 용량은 식(1)에 의해 결정된다.5 shows the secondary windings of the transformers 13 and 14 and the inductors 15 and 16. And a parallel resonant circuit formed by an ultrasonic motor. The transformers 13 and 14 amplify the signal applied to the primary side to output the square wave amplified to the secondary side, and the inductors 15 and 16 serve to correct the waveform applied to the motor to be an accurate sine wave. . In FIG. 5, the square wave on the secondary side of the transformer 13 and 14 is converted into a sine wave by parallel resonance by the inductance LT on the secondary side of the transformer 13 and 14 and the capacitance Cd of the ultrasonic motors 19 and 20. It is applied to the ultrasonic motors 19 and 20. In practice, the inductance of the inductors 15 and 16 has a smaller value than the inductance of the secondary side of the transformer 13 and 14 and can be ignored in the calculation. The formula of the parallel resonant circuit is shown in the following equation (1). The secondary capacity of the transformer is determined by equation (1).
(1) (One)
fr: 초음파모터의 공진주파수f r : Resonant frequency of ultrasonic motor
LT: 공진주파수에서의 변압기 2차측의 인덕턴스L T : Inductance of transformer secondary at resonance frequency
Cd: 초음파 모터의 공진주파수에서의 커패시턴스C d : capacitance at the resonant frequency of the ultrasonic motor
도 6은 모터에 인가되는 정현파의 교류전압(17, 18)의 주파수에 대한 초음파모터의 회전속도의 특성이다. 일반적으로 초음파모터는 공진주파수부근에서 효율적으로 구동한다. 도 6에서와 같이 초음파모터는 식(1)에 의해 구해진공진주파수(fr) 부근에서 최대의 회전속도를 내며 주파수가 높아질수록 속도가 감소하면서 f1에서 정지한다. f0와 f1의 간격은 약 2~2.5 kHz의 대역으로써 초음파모터의 회전속도는 인가된 교류전압(17, 18)의 주파수에 민감하게 반응함을 알 수 있다.6 is a characteristic of the rotational speed of the ultrasonic motor with respect to the frequency of the AC voltages 17 and 18 of the sine wave applied to the motor. In general, ultrasonic motors operate efficiently near resonant frequencies. As shown in FIG. 6, the ultrasonic motor stops at f 1 while decreasing the speed as the frequency increases as the maximum rotational speed is obtained in the vicinity of the resonance frequency fr obtained by Equation (1). The interval between f 0 and f 1 is in the range of about 2 to 2.5 kHz, and it can be seen that the rotational speed of the ultrasonic motor is sensitive to the frequency of the applied AC voltages 17 and 18.
초음파모터(19, 20)는 압전세라믹이 부착되어 있는 고정자와 회전자로 구성되며 이 둘은 스프링에 의하여 적정압력으로 서로 압착되어 있다. 정현파의 교류전압(17, 18)이 압전세라믹(19, 20)에 인가되면 압전세라믹의 압전효과에 의한 수축 및 팽창으로 고정자에는 진행파가 발생된다.The ultrasonic motors 19 and 20 are composed of a stator and a rotor to which piezoelectric ceramics are attached. The two ultrasonic motors are compressed to each other at an appropriate pressure by a spring. When the AC voltages 17 and 18 of the sine wave are applied to the piezoelectric ceramics 19 and 20, traveling waves are generated in the stator due to the contraction and expansion caused by the piezoelectric effect of the piezoelectric ceramics.
발생된 진행파는 마찰력에 의해 회전자를 회전운동시킨다. 초음파모터가 회전할 때 고정자와 회전자의 마모를 감소시키고 향상된 마찰계수를 얻기위해 이 둘 사이에 마찰재를 삽입한다. 일반적으로 마찰재는 회전자 또는 고정자에 부착이 된다. 그럼에도 불구하고 초음파모터를 장시간 구동시키면 고정자와 회전자사이의 마찰에 의해 열손실이 발생한다. 이 열은 압전세라믹의 공진주파수를 변화시켜 초음파모터의 효율을 저하시키고 모터의 안정구동을 떨어뜨린다.The generated traveling wave rotates the rotor by the frictional force. When the ultrasonic motor rotates, a friction material is inserted between the two to reduce the wear of the stator and rotor and to obtain an improved coefficient of friction. Generally, the friction material is attached to the rotor or the stator. Nevertheless, if the ultrasonic motor is driven for a long time, heat loss occurs due to friction between the stator and the rotor. This heat changes the resonant frequency of the piezoceramic, reducing the efficiency of the ultrasonic motor and reducing the motor's stable driving.
그러므로 초음파모터 구동회로에 있어서 위와 같은 압전세라믹의 온도변화에 따른 공진주파수의 변화를 감지하여 전압제어발진기(1)의 출력을 조정하는 장치를 구성할 필요가 있다. 도 5에서처럼 병렬회로에서 공진이 발생할 경우 초음파모터에 인가되는 전압과 전류의 위상은 0가 된다. 압전세라믹이 온도에 의해 공진주파수가 변화하여도 전압과 전류의 위상차가 0을 유지하도록 계속적으로 전압제어발진기(1)의 출력을 조정한다면 초음파모터는 안정적인 동작을 유지한다. 그리하여 본 발명에서는 전압과 전류의 위상차를 비교하여 전압제어발진기(1)의 출력을 조절하는 PLL방식을 적용하였다.Therefore, in the ultrasonic motor driving circuit, it is necessary to configure an apparatus for adjusting the output of the voltage controlled oscillator 1 by detecting a change in resonance frequency according to the temperature change of the piezoelectric ceramics as described above. When resonance occurs in the parallel circuit as shown in FIG. 5, the phase of the voltage and current applied to the ultrasonic motor becomes zero. If the piezoceramic continuously adjusts the output of the voltage controlled oscillator 1 such that the phase difference between voltage and current remains zero even when the resonance frequency changes with temperature, the ultrasonic motor maintains stable operation. Therefore, in the present invention, the PLL method for controlling the output of the voltage controlled oscillator 1 by comparing the phase difference between the voltage and the current is applied.
이하 본 발명에서 초음파모터 구동회로의 PLL회로을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the PLL circuit of the ultrasonic motor driving circuit will be described with reference to the accompanying drawings.
도 7은 본 발명에서 고안된 초음파모터(19, 20)의 인가전압(17, 18)의 위상을 검출하는 전압위상검출기(23)의 상세도이다. 초음파모터에 인가되는 전압(17, 18)은 높은 교류전압(Vp-p=300~400V)이므로 저항(39, 40)을 연결하여 IC의 소손을 방지한다. 초음파모터의 인가전압(17, 18)은 먼저 서로 합쳐친 후 다이오드(41, 42)에 의하여 정류되어 출력된다. 초음파 모터의 회전방향은 초음파모터에 인가되는 전압의 위상차에 의해 결정된다. 본 방명에서 고안된 구동회로에서는 모터가 최대의 효율을 가지는 위상차인 90°에 고정이 되었으며 인가되는 두 전압의 위상중 어느 쪽이 앞서느냐에 따라 초음파모터의 회전방향이 결정된다. 전압위상검출기(23)에서는 두 전압의 합으로 위상을 판별하므로 회전방향에 관계없이 계속적으로 인가된 전압의 위상성분신호를 얻을 수 있다. 다이오드(41, 42)에 의해 정류된 신호는 버퍼(44)를 통과하며 최종적으로 전압의 위상성분의 디지털 신호(25)로 전환된다. 별도로 부착된 콘덴서(43)는 초기에 위상신호의 위상치를 조절하기 위한 것으로 뒤에서 설명될 PLL회로에서 전류와 전압위상성분신호의 위상차가 90°가 되도록 조절하는 역할을 한다.7 is a detailed view of the voltage phase detector 23 for detecting phases of the applied voltages 17 and 18 of the ultrasonic motors 19 and 20 of the present invention. Since voltages 17 and 18 applied to the ultrasonic motor are high AC voltages (Vp-p = 300 to 400V), the resistors 39 and 40 are connected to prevent burnout of the IC. The applied voltages 17 and 18 of the ultrasonic motor are first combined with each other and then rectified and output by the diodes 41 and 42. The rotation direction of the ultrasonic motor is determined by the phase difference of the voltage applied to the ultrasonic motor. In the driving circuit devised in the present invention, the motor is fixed at 90 °, which is the phase difference having the maximum efficiency, and the direction of rotation of the ultrasonic motor is determined according to which of the two voltage phases is applied. Since the phase is detected by the sum of the two voltages in the voltage phase detector 23, it is possible to obtain a phase component signal of the applied voltage continuously regardless of the rotation direction. The signal rectified by the diodes 41 and 42 passes through the buffer 44 and is finally converted into a digital signal 25 of the phase component of the voltage. The separately attached capacitor 43 is for initially adjusting the phase value of the phase signal and serves to adjust the phase difference between the current and the voltage phase component signal in the PLL circuit, which will be described later.
도 8은 본 발명에서 고안된 초음파모터(19, 20)의 전류의 위상을 검출하는 전류위상검출기(24)의 상세도이다. 먼저 도 7에 대한 설명에서처럼 초음파모터의회전방향에 관계없이 전류의 위상성분을 검출하기 위하여 도 1에서처럼 1 의 저항(21)을 초음파모터(19, 20)의 접지단에 연결하여 전류성분의 신호(22)를 검출한다. 검출된 전류성분의 신호(22)는 매우 많은 노이즈를 포함하므로 저역 통과 회로(45, 46)를 이용하여 먼저 노이즈를 제거하고, 또한 매우 작은 값을 가지므로 OP-AMP(49)를 이용한 비반전 증폭기(45, 47, 48, 49)를 구성하여 증폭하여 출력한다. 비반전 증폭기의 증폭비는 Rin(45)와 Rout(47)의 비율에 의하여 결정된다. 또한 입력신호(22)는 비반전 증폭기에 의하여 0을 offset으로 한 디지털 신호로 전환된므로 비반전 증폭기의 출력은 전류의 위상성분이 된다. 마지막으로 버퍼(50)를 이용하여 신호를 처리하면 초음파모터의 전류성분(22)은 전류의 위상성분의 신호(26)로 전환된다.8 is a detailed view of the current phase detector 24 for detecting the phase of the current of the ultrasonic motors 19 and 20 designed in the present invention. First, in order to detect the phase component of the current regardless of the rotational direction of the ultrasonic motor as shown in FIG. (22) is detected. Since the detected signal 22 of the current component contains a very large amount of noise, the low pass circuits 45 and 46 are used to first remove the noise, and since the signal 22 has a very small value, the non-inverting using the OP-AMP 49 is performed. The amplifiers 45, 47, 48, and 49 are constructed and amplified and output. The amplification ratio of the non-inverting amplifier is determined by the ratio of Rin 45 and Rout 47. In addition, since the input signal 22 is converted into a digital signal with 0 offset by the non-inverting amplifier, the output of the non-inverting amplifier becomes a phase component of the current. Finally, when the signal is processed using the buffer 50, the current component 22 of the ultrasonic motor is converted into the signal 26 of the phase component of the current.
도 9는 본 발명에서의 PLL회로에 대한 상세도이다. PLL(Phase-Locked Loop)는 입력신호와 출력신호의 위상차이를 줄이거나 0이 되게 하는 방식으로 대개 전압제어발진기(1), 위상비교기(27) 및 루프필터(29)로 구성된다. 본 발명에서는 위상비교기(27)로는 Exclusive-OR을 사용하고, 루프필터(29)를 저항(28)과 콘덴서(52)를 이용한 저역통과필터를 사용하였다. 전압위상신호(25)와 전류위상신호(26)는 각각 위상비교기(27)에 입력되고, 위상비교기의 출력은 루프필터(51, 52)를 거쳐 전압제어발진기(1)에 입력된다.9 is a detailed view of the PLL circuit in the present invention. A phase-locked loop (PLL) is usually composed of a voltage controlled oscillator 1, a phase comparator 27, and a loop filter 29 in such a manner as to reduce or zero the phase difference between the input signal and the output signal. In the present invention, an exclusive-OR is used as the phase comparator 27, and a low pass filter using the resistor 28 and the capacitor 52 as the loop filter 29 is used. The voltage phase signal 25 and the current phase signal 26 are respectively input to the phase comparator 27, and the output of the phase comparator is input to the voltage controlled oscillator 1 via the loop filters 51 and 52.
도 10은 PLL회로내에서의 동작을 나타낸 그림이다. 공진시 초음파모터의 전압위상신호(25)과 전류위상신호(26)은 초음파모터(19, 20)의 컨덕턴스성분에 의해 90도의 위상차를 가지며 각각 듀티비는 50%이다. 위상비교기에 각각의 위상성분신호가 입력되며 위상비교기의 출력(28)은 두 위상성분신호의 2배의 주파수를 가지고, 듀티비가 50%인 펄스파가 된다. 위상비교기의 출력은 루프필터를 거쳐 작은 리플을 갖는 직류전압(30)으로 변환되어 전압제어 발진기(1)에 입력된다.10 is a diagram showing the operation in the PLL circuit. When resonant, the voltage phase signal 25 and the current phase signal 26 of the ultrasonic motor have a phase difference of 90 degrees due to the conductance components of the ultrasonic motors 19 and 20, and the duty ratio is 50%. Each phase component signal is input to the phase comparator, and the output 28 of the phase comparator is a pulse wave having a frequency twice that of the two phase component signals and having a duty ratio of 50%. The output of the phase comparator is converted into a DC voltage 30 having a small ripple through a loop filter and input to the voltage controlled oscillator 1.
도 11은 온도에 따른 초음파모터의 공진주파수의 변화(55)를 나타낸 그림이다. 장시간 구동시 초음파모터의 공진주파수 감소폭은 약 1.5kHz 정도로 도 5에서의 초음파모터의 구동주파수 대역을 고려하였을 때 초음파 모터는 고정자와 회전자 사이의 마찰열에 의해 동작에 상당한 영향을 받는다.11 is a view showing a change 55 of the resonance frequency of the ultrasonic motor according to the temperature. When the driving frequency band of the ultrasonic motor in FIG. 5 is about 1.5 kHz, the ultrasonic frequency is significantly affected by the frictional heat between the stator and the rotor.
도 1에서의 구동회로에서 초음파모터(19, 20)의 공진주파수가 마찰열에 의하여 감소한다면 도 10에서의 위상비교기(27)의 입력인 전압위상신호(25)와 전류위상신호(26)의 위상차는 감소하며 위상비교기(27)의 출력은 50%보다 작은 듀티비를 가지게 되어 루프필터(29)의 출력인 직류전압(30)의 레벨은 낮아지므로 전압제어발진기(1)의 출력주파수는 입력된 직류전압(30)의 감소량에 비례하여 떨어지게 된다. 결과적으로 초음파모터에 인가되는 교류전압(17, 18)의 주파수도 감소하여 초음파모터(19, 20)는 초기 공진조건에 맞추어 계속적으로 안정하게 구동된다.In the driving circuit of FIG. 1, if the resonance frequencies of the ultrasonic motors 19 and 20 decrease due to frictional heat, the phase difference between the voltage phase signal 25 and the current phase signal 26, which are inputs of the phase comparator 27 in FIG. 10, is reduced. Since the output of the phase comparator 27 has a duty ratio less than 50%, the level of the DC voltage 30 which is the output of the loop filter 29 is lowered, so that the output frequency of the voltage controlled oscillator 1 is inputted. It falls in proportion to the reduction amount of the DC voltage 30. As a result, the frequency of the AC voltages 17 and 18 applied to the ultrasonic motor is also reduced, so that the ultrasonic motors 19 and 20 are continuously and stably driven in accordance with the initial resonance conditions.
도 12는 시간에 따른 초음파 모터의 구동에 관한 그래프이다. 부호 54는 PLL회로를 적용한 구동회로에 대한 속도변화의 그래프리고, 부호 53은 PLL방식을 적용하지 않은 일반회로에 대한 것이다. 30분간의 구동실험 결과 전자의 경우 속도변화량은 약 1 rpm정도이며, 후자의 경우 구동시간이 증가됨에 따라 속도가 감소하며 속도변화량은 약 6 rpm정도이다. 초음파모터의 온도변화량은 약 20도 이며, 공진주파수의 변화량은 약 200Hz 이다. 결론적으로 초음파모터 구동회로에 PLL회로를 적용함으로써 보다 안정적인 구동을 획득할 수 있다.12 is a graph of driving of an ultrasonic motor with time. Reference numeral 54 is a graph of the speed change of the driving circuit to which the PLL circuit is applied, and reference numeral 53 is to a general circuit without the PLL scheme. As a result of the driving experiment for 30 minutes, the speed change amount is about 1 rpm in the former case, and the speed decreases as the drive time is increased in the latter case, and the speed change amount is about 6 rpm. The temperature change of the ultrasonic motor is about 20 degrees and the change of the resonance frequency is about 200 Hz. In conclusion, more stable driving can be obtained by applying the PLL circuit to the ultrasonic motor driving circuit.
이와 같이, 본 발명은 압전세라믹스에 90°의 위상차를 가진 교류전압을 인가하였을 때 발생하는 진행파에 의하여 회전하는 초음파 모터의 효율적인 구동을 위하여 PLL방식을 이용한 주파수 동기식 구동 회로를 제공한다.As described above, the present invention provides a frequency synchronous driving circuit using a PLL method for efficient driving of an ultrasonic motor rotating by a traveling wave generated when an AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to a piezoelectric ceramic.
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