WO2007082601A1 - Selbsterregender pwm-controller für einen einphasenultraschallmotor - Google Patents

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WO2007082601A1
WO2007082601A1 PCT/EP2006/069427 EP2006069427W WO2007082601A1 WO 2007082601 A1 WO2007082601 A1 WO 2007082601A1 EP 2006069427 W EP2006069427 W EP 2006069427W WO 2007082601 A1 WO2007082601 A1 WO 2007082601A1
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WO
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input
self
ultrasonic motor
pwm controller
feedback circuit
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PCT/EP2006/069427
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Wladimir Wischnewskij
Jürgen Rapp
Original Assignee
Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg
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    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
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    • 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
    • H02N2/145—Large signal circuits, e.g. final stages

Definitions

  • the invention relates to a control device for an ultrasonic motor, which are intended for use in precision systems for positioning or speed stabilization with extended operating temperature range and extended mechanical load.
  • a disadvantage of these fixed excitation frequency controllers is that their excitation frequency is independent of the operating frequency of the ultrasonic motor.
  • the ultrasonic motor is a high-quality resonance device in which a slight temperature change of the oscillator or a load change results in a shift of the resonance frequency with respect to the operating frequency of the controller. This reduces the mechanical engine power, resulting in an unstable function of the drive system. The reduction in mechanical power reduces the efficiency of the ultrasonic motor and, when used in a closed system, causes it to heat up. Due to this engine heating, the resonance frequency shifts even more, resulting in Stopping the ultrasonic motor and leads to complete failure of the drive system.
  • the periodic load change causes a destabilization of the control system, which requires an increase in the gain coefficient. The latter often leads to the disturbance of the balance in the control system and thus tends to malfunction of the precision positioning system.
  • the invention has for its object to provide an improved self-exciting PWM controller of an ultrasonic motor, which is characterized in particular by increased operating stability and / or constant efficiency in an extended temperature range.
  • Advantages of the invention are the extension of the temperature range of use for the ultrasonic motor, the increase of its operating stability in an extended temperature range, a constant efficiency of the ultrasonic motor in this extended temperature range, an extended mechanical load range and the increase of the operating stability in closed control systems.
  • the invention includes the idea of implementing the PWM controller as a controller of the ultrasonic motor with a suitable structure that allows the operative connection to a member of a feedback loop associated with the motor.
  • the invention further includes the idea of designing a shaping device of the controller as a balanced PWM modulator, which is connected via its frequency-determining input to the mentioned feedback circuit.
  • the PWM controller comprises an analog signal amplifier to whose output the balanced PWM modulator is connected via its reference voltage input.
  • the balanced PWM modulator may comprise a symmetrical triangular signal shaping device having a frequency-determining input and a noninverting and inverting output, each of these outputs being connected to the switching input of its forming comparator and each reference input each shaping comparator is connected to the amplifier for the analog control signal and each of the outputs of each formation comparator is connected to the input of the corresponding half-bridge power amplifier.
  • an auxiliary electrode or a piezoelectric element which is arranged on the oscillator of the ultrasonic motor can serve as the feedback element. It is also possible to provide two auxiliary electrodes or piezoelements. This reduces the number of electronic components in the controller.
  • the feedback circuit may have an amplifier or a filter or a phase-rotating element or at least two of these, then connected in series, components. This makes it possible to design the required frequency characteristics of the controller accordingly.
  • the proposed controller may additionally be equipped with a level converter for the analog signal and with a comparator, which with his Umschalteingang connected to the input of the analog signal, with the guide input to the reference voltage source and with its output to the control input of the direction selector switch of the ultrasonic motor. This makes it possible to easily change the direction of movement of the ultrasonic motor.
  • the matching transformer can be equipped with an additional secondary winding, one terminal of which is connected to one (common) ground and the other terminal of which is connected to one or more additional ultrasonic motors. This allows an increase in the drive power provided by the drive system as a whole.
  • FIG. 1 shows the electrical circuit of a self-excited PWM controller according to an embodiment of the invention
  • Fig. 2 variants of the output
  • Fig. 6 shows the electrical circuit of the proposed controller for
  • Fig. 7, 8 variants of control characteristics of ultrasonic motors
  • Fig. 9 is a block diagram of a plurality of ultrasonic motors with control by a controller according to the invention.
  • Fig. 1 shows the electrical circuit of a self-exciting PWM controller for a single-phase ultrasound motor, comprising: outputs 1, 2, 3 for connecting the ultrasonic motor 4; an input 5 to connect the DC voltage source E; an input 6 for connection of the analog control signal U a; ; an input 7 for connecting the control signal for switching on and off the motor 1 and an input 8 for connecting the signal for switching the direction of movement of the motor 1.
  • the controller shown a group of terminals 9, which serves to connect a digital control signal ,
  • the controller includes a bridge power switching amplifier 10 with a matching transformer 11 and output filters 12 or 13.
  • It consists of a shaping device for control signals 14, an analog signal amplifier 15, a feedback circuit 16, an off switch 17, an element 18 of the feedback loop and a direction selector switch 19 of the ultrasonic motor. It can also have an analog-to-digital converter.
  • the controlled ultrasonic motor 4 can be a linear or a rotary motor and comprises a movable element 21, an ultrasonic oscillator 22 with a common electrode 23 and two exciter electrodes 24 and 25.
  • the electrodes 23, 24 and 25 of the ultrasonic motor 4 are connected to the outputs 1, 2 and 3 of the controller.
  • auxiliary electrodes 26, 27 or Hilfsspiezo- elements are arranged on the oscillator 22 .
  • the power amplifier 10 consists of two half-bridge amplifiers 28 and 29 with drivers 30 and 31. It has two inputs 32 and 33 and two outputs 34 and 35 which are formed by the outputs of the half-bridge amplifiers 28 and 29.
  • a shaping device for the signals 14 is a balanced PWM modulator with a frequency-determining input 36, an input for the reference voltage 37 and outputs 38 and 39 executed. It comprises a symmetrical delta-voltage forming means 40 having inverting and non-inverting outputs 41 and 42 and two forming comparators 43 and 44 having switching inputs 45, 46 and reference inputs 47, 48.
  • Forming means 40 consists of a rectangular pulse generator 49 having a Output 50, an integrator 51 and an inverter 52.
  • the analog signal amplifier 15 has an analog input 53 and an output 54 of the analog reference voltage.
  • the analog input of the amplifier 15 is connected to the input 6 of the analog signal of the controller.
  • the analog input 53 may be connected to an output 55 of the analog-to-digital converter 20.
  • the feedback circuit 16 has an output 56 and an input 57. It may consist of an amplifier for the feedback signal (not shown in FIG. 1), a phase shifter 58 and a filter 59. Functionally, these elements can be united.
  • the phase shifter 58 and the filter 59 may be implemented as passive or active members.
  • the output 56 of the feedback circuit 16 may be connected via the switch 17, which includes a control input 7, with the frequency-determining input 36 of the forming device 14.
  • the controller may serve as a feedback element, a capacitor 60, a resistor 61 or both connected in parallel and in series with the oscillator 22 of the ultrasonic motor 1 elements.
  • the feedback element 18 is connected directly to the input 57 of the feedback circuit 16.
  • auxiliary electrodes 26 and 27 or auxiliary peening elements may be used as the feedback elements.
  • these elements are connected to the input 57 of the feedback circuit 16 via a switch 62 of a control input 63 which is connected to the input 8 of the direction selector switch 19 of the motor 1.
  • the terminals of the primary winding of the civilsübertragers 11 have the reference numerals 64 and 65 and the secondary winding 66 and 67.
  • the filters 12 and 13 have input terminals 68, 69 and output terminals 70, 71st
  • the numbers 72 and 73 designate two variants of the output filters 12 or 13, the elements of which are connected directly to one another.
  • An LC series filter 72 consists of an inductor 74 and a capacitor 75.
  • An LC series parallel filter 73 consists of an inductor 76 and a capacitor 77.
  • the numerals 78 and 79 show two variants of LC output filters whose elements are separated by the matching transformer 11.
  • Number 78 shows an LC series filter.
  • This filter consists of the inductor coil 80 and the capacitor 81.
  • the numeral 79 shows an LC series parallel filter.
  • This filter consists of the inductor coil 82 and the capacitor 83.
  • L represents the inductance of the inductance coils 74, 76, 80, 82 of the filter and C is the electrical capacitance of the capacitors of the filters 75, 77, 81, 83.
  • FIG. 3 shows the voltage curves of FIG. 1 illustrated elements of the electrical circuit voltage applied. The voltages were measured relative to a common mass 84.
  • Numeral 85 shows the voltage waveforms as applied to the output 7 of the off switch 17 at the time -ti when the motor 4 is turned on.
  • Numeral 86 shows the voltage waveforms applied to the output 50 of the rectangular pulse generator 49.
  • Numeral 87 shows the voltage curves at the output 41 of the forming device 40.
  • Numeral 88 shows the voltage curves at the output 42 of the forming device 40.
  • Numeral 89 shows the dependence of the voltage applied to the output 6 of the controller analog voltage U a of the time t.
  • Numeral 90 shows the voltage curves at the output 38 of the shaping comparator 43.
  • Numeral 91 shows the voltage curves at the output 39 of the shaping comparator 44.
  • Numeral 92 shows the voltage characteristics at the Outputs 34 and 35 of the bridge amplifier 10.
  • Number 93 shows the voltage waveforms at the output 1 of the controller.
  • Numeral 94 shows the dependence of the instantaneous amplitude of the voltage U m applied to the output 1 of the controller from the time t.
  • numeral 95 shows the dependence (dotted line) of the current I flowing through the oscillator 22 and the dependence (continuous line) of the speed V or the rotational frequency n on the exciting voltage of the oscillator ⁇ .
  • numeral 96 shows the dependence of the phase shift ⁇
  • numeral 97 shows the dependence of the phase shift ⁇ y between the voltage at the auxiliary electrode 26 or 27 and the excitation voltage of the oscillator 22 from the frequency ⁇ of this voltage.
  • Fig. 5 shows the control characteristic of the ultrasonic motor (dependence of the speed V of the movable part or its rotational frequency n on the voltage U a of the analog control signal) for the controller in FIG. 1.
  • This dependency can be a straight line (continuous line) or its inverse (dotted line) be.
  • Fig. Figure 6 shows the electrical circuit of a proposed controller for controlling a direction reversible ultrasonic motor.
  • This controller is additionally equipped with a level converter for an analog signal 98 whose input 99 is connected to the input 6 of the controller and whose output 100 is connected to the input 53 of the analog signal amplifier 15.
  • the controller comprises a comparator 101, which is connected to a switching input 102 to the input 6 of the analog control signal and an output 103 to the input 8 of the direction selector switch 19 of the motor 4.
  • a guide input 104 of the comparator 100 is connected to the voltage source e.
  • numeral 105 shows a possible variant of the transfer characteristics of the converter 98 (dependence of the voltage U u at the output 100 of the converter 98 from the voltage U a of the analog control signal at its input 99).
  • Numeral 106 in FIG. FIG. 7 shows the control characteristic of the ultrasonic motor 4 for this controller variant, in which the converter 98 has the transmission dependency shown in numeral 105 in FIG.
  • Numeral 107 in Fig. 8 shows another possible variant of the transmission dependence of the transducer 98.
  • the numeral 108 in the drawing shows the control characteristic of the ultrasonic motor 4 for the controller, in which the transducer 98 has the transmission dependency shown in numeral 107.
  • the proposed self-exciting PWM controller works on the following principle.
  • a first rectangular pulse of a series of pulses as shown in numeral 86 of FIG. 3 is formed.
  • This pulse appears - with respect to the turn-on signal - with a slight delay, which is determined by the time for the actuation of the switch 17 and the time for turning on the generator 49.
  • the duration of this pulse is equal to half the period T of the repetition frequency of the pulse train.
  • the square pulse is applied to the integrator 51, which converts it into a symmetrical triangular pulse, which is conducted to the non-inverting output 41 of the former 40 (numeral 87, FIG. 3).
  • the output 41 is connected to the inverter 52, which is why an inverted triangular pulse is formed at the inverting output 42 of the former 40.
  • 40 mutually inverted triangular pulses (paragraphs 87 and 88, Fig. 3) are formed at the outputs of the forming device 40, which are both symmetrical to each other - based on the corresponding edge of the rectangular guide pulse (numeral 86, Fig. 3).
  • the analog control voltage can also be synthesized from the digital-to-analog converter 20.
  • the duration of the PWM pulses is determined by the magnitude of the reference voltage at the inputs 47 and 48 of the comparators, i. it is determined by the magnitude of the voltage of the analog control signal at input 6 of the controller.
  • the voltage applied to the output 38 of the comparator 43 PWM pulses are shifted by T / 2 or 180 °, and with respect to the PWM pulses applied to the output 39 of the comparator 44.
  • the PWM pulses are applied to the inputs 32 and 33 of the half-bridge amplifiers 28 and 29; As a result, differently polarized PWM pulses are formed at the outputs 34 and 35 of these amplifiers (number 92, FIG. 3).
  • the filters 12 or 13 represent broadband filters which filter out the first harmonic from the voltages applied to their inputs.
  • the filter 12 is connected to the outputs 34 and 35 of the amplifiers 28 and 29.
  • the filter is connected to its outputs 70 and 71 and the inputs 64 and 65 to the matching transformer 11.
  • An output 66 of the matching transformer 11 is connected to the element of the feedback loop 18 and the other output 67 is connected to the input 1 of the controller, i. connected to the output to the common electrode 23 of the oscillator 22.
  • the amplifiers 28 and 29 of the matching transformer 11 with its inputs 64 and 65 are connected to the outputs 34 and 35.
  • the filter 13 is connected with its inputs 68 and 69 to the outputs 66 and 67 of the plausiblesübertragers.
  • the output 70 of the filter 13 is connected to the element of the feedback loop and the output 71 to the input 1 of the controller, ie to the output of the common electrode 23 of the oscillator 22.
  • filters are used in which the elements 80, 81 and 82, 83 are separated by means of the adaptation transformer 11.
  • Fig. 2, paragraphs 78 and 79 shows these filters.
  • the values for the coils L and the capacitors C (elements 74, 75, 76, 77, 80, 81, 82, 83) of the filters 12 and 13 are given the condition that the resonance frequency of the filters is equal to the operating frequency ⁇ a of Ultrasonic motor 4 is selected.
  • an electrical voltage pulse is formed at the output 1 of the controller, which is forwarded to the electrode 23 of the oscillator 22.
  • an electric current I begins to flow through the electrode 23 and an electrical voltage is formed at the auxiliary electrodes 26 and 27.
  • the current I causes the formation of a voltage pulse on the feedback circuit element 18, which reaches the input 57 of the feedback circuit.
  • the electrical voltage pulse generated by the auxiliary electrode 26 (or 27) impinges on the input 57 of the feedback loop.
  • a voltage pulse passes through the feedback circuit, passes through the switch 17 to the input 36 of the generator for rectangular pulses 49 and is triggered there a second time.
  • the generator generates a second square pulse of one as in the numeral 86, Fig. 3 series of pulses shown. Then the self-excitation of the PWM controller starts.
  • the rectangular pulse generator 49 may be implemented as a separate generator with its frequency being synchronized with the signal of the feedback loop 16. This generator can also be designed as a rectangular pulse shaping device, which is started by the signal of the feedback circuit 16.
  • the filter 59 is tuned to the excitation frequency of the controller and serves to limit the passage width of the filter when in the oscillator 22 close to each other parasitic resonances occur.
  • the self-excitation of the controller occurs at the frequency at which the phase shift in the open controller circuit is equal to zero. This frequency is determined by the phase shifter members in the controller, including the former 14, the capacitor 60 as an element of the feedback loop 18, and the oscillator 22. The first two elements shift the phase by 90 °.
  • Fig. 4 shows the frequency dependencies of the oscillator 22. It can be seen from the dependencies that at the frequency GOJ max the phase shift between the exciter voltage and the current I equals zero (paragraph 95). The phase shift between the excitation voltage and the voltage on the auxiliary electrode is equal to 90 ° (paragraph 97).
  • Second Variant As the element of the feedback circuit 18, the capacitor 60 is used. In this case, no phase shifter 58 is required in the feedback loop 16. Second Variant: As the element of the feedback circuit 18, the resistor 61 is used. In this case, the phase shifter 56 must shift the phase by 90 °.
  • the auxiliary electrode 26 or 27 is used as an element of the feedback circuit 18. In this case, no phase shifter 58 is required in the feedback loop 16.
  • the gain coefficient of the controller when the feedback loop 16 is open should be greater than one at the frequency at which the phase shift equals zero. This is achieved by the correct selection of the value of the element 60 or 61 of the feedback circuit 18 or by a sufficiently large area of the auxiliary electrodes 26 and 27 or by using an additional amplifier in the feedback loop (not shown in Fig. 1).
  • the excitation of the controller occurs at the frequency GOJ max .
  • This frequency corresponds to the speed of movement of the movable part V (n) j max , which is slightly smaller than the maximum speed V (n) max (see paragraph 95, Fig. 4).
  • the controller must be excited at the frequency ⁇ v max .
  • the phase shifter 58 must additionally shift the phase by the value -Acp.
  • Each of the frequencies o ⁇ j max or ⁇ v max can form the operating frequency ⁇ a of the ultrasonic motor.
  • the total phase shift does not depend on the level of the voltage U a of the analog signal at its input 6, which is why the excitation frequency of the controller o ⁇ j max or ⁇ v max remains constant regardless of the level of the excitation signal.
  • This frequency is determined by the frequency-phase dependencies of the oscillator of the ultrasonic motor (paragraph 96 or 97, Fig. 4), which in turn is determined by the elasticity of the free oscillator and by the elasticity introduced by the load into the oscillator is.
  • Fig. 5 shows the control characteristic of the ultrasonic motor, which can move forward or backward in response to the inversion of the amplifier 54.
  • the slope of the characteristic is determined by the gain coefficient of the amplifier.
  • the converter 98 is constructed so that a change of the analog control signal U a at input 99 from -U a max to + U a max to a voltage change at the output 100 from zero to U u max leads (see paragraph 105, Fig. 7).
  • the voltage e of the source voltage source at the guide input of the comparator 101 is equal to zero. Therefore, the comparator 101 turns on passing through the
  • Analog control signal U a by zero order. This leads to the change of the direction of movement of the ultrasonic motor.
  • the zero speed of the movable element V (n) corresponds to the zero voltage value of the analog control signal U a , as shown in numeral 106, FIG. 7 is shown.
  • the self-excitation frequency is determined by the hardness of the free oscillator of the ultrasonic motor and by the hardness introduced by the load on the oscillator. Therefore, neither a change in the temperature of the oscillator nor the load leads to a shift of the operating point of the motor on the frequency characteristic of the oscillator. This stabilizes the speed of movement V (n) of the movable member of the ultrasonic motor and extends the temperature application range.
  • the proposed controller may be operated with a plurality of additional ultrasonic motors 113.
  • the matching transformer 11 is provided with an additional secondary winding 109, at one end (terminal 112), these additional motors 113 are connected.
  • the (main) ultrasonic motor 4 connected to the first secondary winding determines the self-excitation frequency of the controller.
  • the self-excitation frequency is determined by the elasticity of the free oscillator of the ultrasonic motor and by an additional elasticity introduced by the load on the oscillator. Therefore, neither a change in the temperature of the oscillator nor the load results in a shift of the operating point of the motor on the frequency characteristic of the oscillator. This stabilizes the speed of movement of the movable element of the ultrasonic motor and thus extends its temperature range.
  • the control of the power amplifier ie. the velocity of the movable element V (n) of the ultrasonic motors, with the help of the PWM signal. This makes it possible to achieve high efficiency for the power amplifier of the controller.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen selbsterregender PWM-Controller eines Ultraschallmotors (4) , mit einem Brückenleistungsverstärker (10) mit zwei Halbbrückenverstärkern (28, 29) , einem Rückkopplungskreis (16) , einem Ausgangsfilter (12, 13) und einer Formierungseinrichtung (14) für Steuersignale. Erfindungsgemäß ist die Formierungseinrichtung ausgeführt als symmetrischer PWM-Modulator, der einen frequenzbestimmenden Eingang (36) und einen Referenzspannungs-Eingang (37) hat und der über zwei Ausgänge (38, 39) mit Eingängen (32, 33) der Halbbrückenverstärker verbunden ist, wobei der frequenzbestimmende Eingang des PWM-Modulators mit dem Rückkopplungskreis verbunden ist und der Rückkopplungskreis seinerseits in Wirkverbindung mit einem Rückkopplungskreis-Element (18, 26, 27) des Ultraschallmotors steht.

Description

Selbsterregender PWM-Controller für einen Einphasenultraschallmotor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Ultraschallmotor, die zum Einsatz in Präzisionssystemen zur Positionierung oder Geschwindigkeitsstabilisierung mit erweitertem Temperatureinsatzbereich und erweiterter mechanischer Belastung vorgesehen sind .
Bekannt sind z. B. aus US 5,872,418 selbsterregende Controller zur Steuerung von Ultraschall motoren, die auf dem Prinzip des Autogenerators mit Rückkopplung beruhen, wobei in ihnen die Erregerfrequenz durch die mechanischen Parameter des Oszillators des Ultraschallmotors vorgegeben werden. Diesen Controllern fehlt eine Möglichkeit zur analogen Geschwindigkeitssteuerung des Motors, weshalb sie nicht zum Einsatz in Präzisionssystemen zur Positionierung und Geschwindigkeitsstabil isierung geeignet sind .
Außerdem sind z.B. aus DE 199 45 042 C2 Controller zur Steuerung von Ultraschallmotoren mit fester Erregerfrequenz bekannt, die nach dem Prinzip des Phasenschieberwandlers funktionieren. Solche Controller haben einen analogen Steuereingang und können in Präzisionssystemen zur Positionierung und zur Geschwindigkeitsstabilisierung eingesetzt werden. Jedoch können diese Controller nicht der Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors folgen.
Ein Nachteil dieser Controller mit fester Erregerfrequenz besteht darin, dass ihre Erregerfrequenz unabhängig von der Arbeitsfrequenz des Ultraschallmotors ist. Der Ultraschallmotor stellt ein Resonanzgerät hoher Güte dar, bei dem eine geringfügige Temperaturänderung des Oszillators oder eine Laständerung zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz, bezogen auf die Arbeitsfrequenz des Controllers führt. Dies verringert die mechanische Motorleistung, was eine instabile Funktion des Antriebssystems zur Folge hat. Durch d ie Verringerung der mechanischen Leistung verringert sich der Wirkungsgrad des Ultraschallmotors, und bei einem Einsatz in einem geschlossenen System führt dies zu seiner Erwärmung . Durch diese Motorerwärmung verschiebt sich die Resonanzfrequenz noch stärker, was zum Anhalten des Ultraschallmotors und zum vollständigem Ausfall des Antriebssystems führt.
Die periodische Laständerung ruft eine Destabilisierung des Regelsystems hervor, was eine Erhöhung des Verstärkungskoeffizienten erforderlich macht. Letzteres führt oft zur Störung des Gleichgewichts im Regelsystem und somit tendenziell zu Betriebsstörungen des Präzisions-Positionierungssystems.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten selbsterregenden PWM-Controller eines Ultraschallmotors anzugeben, der sich insbesondere durch eine erhöhte Betriebsstabilität und/oder konstanten Wirkungsgrad in einem erweiterten Temperaturbereich auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen selbsterregenden PWM-Controller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorteile der Erfindung sind die Erweiterung des Temperatureinsatzbereiches für den Ultraschallmotor, die Erhöhung seiner Betriebsstabilität in einem erweiterten Temperaturbereich, ein konstanter Wirkungsgrad des Ultraschallmotors in diesem erweiterten Temperaturbereich, ein erweiterter mechanischer Lastbereich und die Erhöhung der Betriebsstabilität in geschlossenen Regelsystemen.
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, den PWM-Controller als Steuerung des Ultraschallmotors mit einer geeigneten Struktur auszuführen, die die wirkungsmäßige Anbindung an ein dem Motor zugeordnetes Element eines Rückkopplungskreises erlaubt. Weiter gehört zur Erfindung der Gedanke, eine Formierungseinrichtung des Controllers als symmetrischen PWM-Modulator auszuführen, der über seinen frequenzbestimmenden Eingang mit dem erwähnten Rückkopplungskreis verbunden ist. In einer Ausführung der Erfindung umfasst der PWM-Controller einen Analogsignalverstärker, mit dessen Ausgang der symmetrische PWM-Modulator über seinen Referenzspannungs-Eingang verbunden ist.
In einer der vorgeschlagenen Varianten eines Controllers kann der symmetrische PWM-Modulator eine Formierungseinrichtung für symmetrische Dreieckssignale mit einem frequenzbestimmenden Eingang und einen nicht-inver- tierenden und einen invertierenden Ausgang aufweisen, wobei jeder dieser Ausgänge mit dem Umschalteingang seines Formierungskomparators verbunden ist und wobei jeder Referenzeingang jedes Formierungskomparators mit dem Verstärker für das Analogsteuersignal verbunden ist und jeder der Ausgänge jedes Formierungskomparators mit dem Eingang des entsprechenden Halbbrückenleistungsverstärkers verbunden ist.
In einer weiteren Variante kann als Element im Rückkopplungskreis ein Kondensator, ein Widerstand oder auch beide verwendet werden, die dann parallel und in Reihe mit dem Oszillator des Ultraschallmotors geschaltet sind . Dies ermöglicht die Bereitstellung des erforderlichen Signals für die Rückkopplung des selbsterregenden Controllers in einfacher und doch flexibler Weise.
Außerdem kann in einer weiteren Ausführungsvariante des Controllers als Rückkopplungselement eine Hilfselektrode oder ein Piezoelement dienen, die auf dem Oszillator des Ultraschallmotors angeordnet ist. Es können auch zwei Hilfselektroden oder Piezoelemente vorgesehen sein. Dadurch verringert sich die Zahl der elektronischen Bauteile im Controller.
In einer weiteren Variante des vorgeschlagen Controllers kann der Rückkopplungskreis einen Verstärker oder ein Filter oder ein phasendrehenden Glied oder mindestens zwei dieser, dann in Reihe geschalteten, Bauteile aufweisen. Dies ermöglicht es, die geforderten Frequenzkennlinien des Control lers entsprechend auszubilden.
Der vorgeschlagene Controller kann zusätzlich mit einem Pegelwandler für das Analogsignal und mit einem Komparator ausgestattet sein, der mit seinem Umschalteingang mit dem Eingang des Analogsignals, mit dem Führungseingang mit der Referenzspannungsquelle und mit seinem Ausgang mit dem Steuereingang des Richtungswahlschalters des Ultraschallmotors verbunden ist. Dadurch ist es möglich, leicht die Bewegungsrichtung des Ultraschallmotors zu ändern.
In einer weiteren Ausführungsform kann im vorgeschlagenen Controller der Anpassungsübertrager mit einer zusätzlichen Sekundärwicklung ausgestattet sein, deren einer Anschluss mit einer (gemeinsamen) Masse und deren anderer Anschluss mit einem oder mehreren zusätzlichen Ultraschallmotoren verbunden ist. Dies ermöglicht eine Erhöhung der durch das Antriebssystem insgesamt bereitgestellten Antriebskraft.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie hervorhebens- werter Ausführungsaspekte der Erfindung anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
Fig. 1 die elektrische Schaltung eines selbsterregenden PWM-Controllers nach einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 Varianten des Ausgangs,
Fig. 3 Kenlinien der Spannungsverläufe an den Elementen des
Controllers,
Fig. 4 Frequenzabhängigkeiten des Oszillators des Ultraschallmotors,
Fig. 5 Steuerkennlinien eines Ultraschallmotors,
Fig. 6 die elektrische Schaltung des vorgeschlagenen Controllers zur
Steuerung eines reversiblen Ultraschallmotors,
Fig. 7, 8 Varianten von Steuerkennlinien von Ultraschallmotoren und Fig. 9 ein Blockschaltbild mehrerer Ultraschallmotoren mit Ansteuerung durch einen erfindungsgemäßen Controller.
Fig. 1 zeigt die elektrische Schaltung eines selbsterregenden PWM-Controllers für einen Einphasenultraschallmotor, der Folgendes aufweist: Ausgänge 1, 2, 3 zum Anschluss des Ultraschallmotors 4; einen Eingang 5 zum Anschluss der Gleichspannungsquelle E; einen Eingang 6 zum Anschluss des Analogsteuersignals Ua ;; einen Eingang 7 zum Anschluss des Steuersignals zum Ein- und Ausschalten des Motors 1 und einen Eingang 8 zum Anschluss des Signals zum Umschalten der Bewegungsrichtung des Motors 1. Außerdem weist der gezeigte Controller eine Gruppe von Anschlüssen 9 auf, die zum Anschluss eines digitalen Steuersignals dient.
Außerdem enthält der Controller einen Brückenleistungsschaltverstärker 10 mit einem Anpassungsübertrager 11 und Ausgangsfiltern 12 oder 13.
Er besteht aus einer Formierungseinrichtung für Steuersignale 14, einem Analogsignalverstärker 15, einem Rückkopplungskreis 16, einem Ausschalter 17, einem Element 18 des Rückkopplungskreises und einem Richtungswahlschalter 19 des Ultraschallmotors. Außerdem kann er einen Analog-Digital- wandler aufweisen.
Der geregelte Ultraschallmotor 4 kann einen Linear- oder einen Drehmotor darstellen und umfasst ein bewegliches Element 21, einen Ultraschalloszillator 22 mit einer gemeinsamen Elektrode 23 und zwei Erregerelektroden 24 und 25.
Die Elektroden 23, 24 und 25 des Ultraschallmotors 4 sind mit den Ausgängen 1, 2 und 3 des Controllers verbunden.
Auf dem Oszillator 22 sind Hilfselektroden 26, 27 oder auch Hilfspiezo- elemente (in der Figur nicht dargestellt) angeordnet.
Der Leistungsverstärker 10 besteht aus zwei Halbbrückenverstärkern 28 und 29 mit Treibern 30 und 31. Er hat zwei Eingänge 32 und 33 und zwei Ausgänge 34 und 35, die durch die Ausgänge der Halbbrückenverstärker 28 und 29 gebildet sind .
Eine Formierungseinrichtung für die Signale 14 ist als symmetrischer PWM- Modulator mit einem frequenzbestimmenden Eingang 36, einem Eingang für die Referenzspannung 37 und Ausgängen 38 und 39 ausgeführt. Sie umfasst eine Formierungseinrichtung 40 für eine symmetrische Dreieckspannung mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Ausgang 41 und 42 und zwei Formierungskomparatoren 43 und 44 mit Umschalteingängen 45, 46 und Referenzeingängen 47, 48. Die Formierungseinrichtung 40 besteht aus einem Generator 49 für Rechteckimpulse mit einem Ausgang 50, einem Integrierer 51 und einem Inverter 52.
Der Analogsignalverstärker 15 hat einen Analogeingang 53 und einen Ausgang 54 der analogen Referenzspannung . Der Analogeingang des Verstärkers 15 ist mit dem Eingang 6 des Analogsignals des Controllers verbunden. Der Analogeingang 53 kann mit einem Ausgang 55 des Analog-Digitalwandels 20 verbunden sein.
Der Rückkopplungskreis 16 hat einen Ausgang 56 und einen Eingang 57. Er kann aus einem Verstärker für das Rückkopplungssig nal (in Fig . 1 nicht dargestellt), einem Phasenschieber 58 und einem Filter 59 bestehen. Funktionell können diese Elemente vereinigt sein. Der Phasenschieber 58 und das Filter 59 können als passive oder aktive Glieder ausgeführt sein. Der Ausgang 56 des Rückkopplungskreises 16 kann über den Ausschalter 17, der einen Steuereingang 7 enthält, mit dem frequenzbestimmenden Eingang 36 der Formierungseinrichtung 14 verbunden sein.
Im vorgeschlagenen Controller können als Rückkopplungselement ein Kondensator 60, ein Widerstand 61 oder beide parallel und in Reihe mit dem Oszillator 22 des Ultraschallmotors 1 geschalteten Elemente dienen. In allen diesen Fällen ist das Rückkopplungselement 18 direkt mit dem Eingang 57 des Rückkopplungskreises 16 verbunden.
Als Rückkopplungselemente können außerdem die Hilfselektroden 26 und 27 oder Hilfepiezoelemente (in Fig . 1 nicht dargestellt) verwendet werden. In diesem Fall sind diese Elemente an dem Eingang 57 des Rückkopplungskreises 16 über einen Umschalter 62 eines Steuereingangs 63 angeschlossen, der mit dem Eingang 8 des Richtungswahlschalters 19 des Motors 1 verbunden ist. Die Anschlüsse der Primärwicklung des Anpassungsübertragers 11 tragen die Bezugsziffern 64 und 65 und die der Sekundärwicklung 66 und 67. Die Filter 12 und 13 haben Eingangsanschlüsse 68, 69 und Ausgangsanschlüsse 70, 71.
In Fig. 2 sind mit den Ziffern 72 und 73 zwei Varianten der Ausgangsfilter 12 oder 13 bezeichnet, deren Elemente direkt miteinander verbunden sind . Ein LC-Reihenfilter 72 besteht aus einer Induktivität 74 und einem Kondensator 75. Ein LC-Reihen-Parallelfilter 73 besteht aus einer Induktivität 76 und einem Kondensator 77. Diese Filter können direkt mit dem Ultraschallmotor (Ziffer 13, Fig . 1) verbunden oder mit Hilfe des Anpassungsübertragers 11 (Ziffer 12, Fig . 1) vom Ultraschallmotor getrennt sein.
In Fig. 2 zeigen die Ziffern 78 und 79 zwei Varianten von LC-Ausgangsfiltern, deren Elemente durch den Anpassungsübertrager 11 getrennt sind. Ziffer 78 zeigt ein LC-Reihenfilter. Dieser Filter besteht aus der Induktivitätsspule 80 und dem Kondensator 81. Die Ziffer 79 zeigt ein LC-Reihen-Parallelfilter. Dieses Filter besteht aus der Induktivitätsspule 82 und dem Kondensator 83. L stellt die Induktivität der Induktivitätsspulen 74, 76, 80, 82 der Filter und C die elektrische Kapazität der Kondensatoren der Filter 75, 77, 81, 83 dar.
Fig . 3 zeigt die Spannungsverläufe der an den in Fig . 1 dargestellten Elementen der elektrischen Schaltung anliegenden Spannungen. Die Spannungen wurden in Bezug zu einer gemeinsamen Masse 84 gemessen. Ziffer 85 zeigt die Spannungsverläufe, wie sie am Ausgang 7 des Ausschalters 17 zum Zeitpunkt -ti, beim Einschalten des Motors 4 anliegen. Ziffer 86 zeigt die Spannungsverläufe, wie sie am Ausgang 50 des Generators für Rechteckimpulse 49 anliegen. Ziffer 87 zeigt die Spannungsverläufe am Ausgang 41 der Formierungseinrichtung 40. Ziffer 88 zeigt die Spannungsverläufe am Ausgang 42 der Formierungseinrichtung 40. Ziffer 89 zeigt d ie Abhängigkeit der am Ausgang 6 des Controllers anliegenden Analogspannung Ua von der Zeit t. Ziffer 90 zeigt die Spannungsverläufe am Ausgang 38 des Formierungs- komparators 43. Ziffer 91 zeigt die Spannungsverläufe am Ausgang 39 des Formierungskomparators 44. Ziffer 92 zeigt die Spannungsverläufe an den Ausgängen 34 und 35 des Brückenverstärkers 10. Ziffer 93 zeigt die Spannungsverläufe am Ausgang 1 des Controllers. Ziffer 94 zeigt die Abhängigkeit der Augenblicksamplitude der am Ausgang 1 des Controllers anliegenden Spannung Um von der Zeit t.
In Fig. 4 zeigt Ziffer 95 die Abhängigkeit (punktierte Linie) des durch den Oszillators 22 fließenden Stroms I und die Abhängigkeit (durchgehende Linie) der Geschwindigkeit V oder der Drehfrequenz n von der Erregerspannung des Oszillators ω. In Fig . 4 zeigt Ziffer 96 die Abhängigkeit der Phasenverschiebung φ| zwischen den durch den Oszillator 22 fließenden Strom I und der Erregerspannung des Oszillators von der Frequenz ω dieser Spannung .
In Fig. 4 zeigt Ziffer 97 die Abhängigkeit der Phasenverschiebung φy zwischen der Spannung an der Hilfselektrode 26 oder 27 und der Erregerspannung des Oszillators 22 von der Frequenz ω dieser Spannung .
Fig . 5 zeigt die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors (Abhängigkeit der Geschwindigkeit V des beweglichen Teils oder seiner Drehfrequenz n von der Spannung Ua des Analogsteuersignals) für den Controller in Fig. 1. Diese Abhängigkeit kann eine Gerade (durchgehende Linie) oder deren Umkehrung (punktierte Linie) sein.
Fig . 6 zeigt die elektrische Schaltung eines vorgeschlagenen Controllers zur Steuerung eines richtungsumkehrbaren Ultraschalmotors. Dieser Controller ist zusätzlich mit einem Niveauwandler für ein Analogsignal 98 ausgestattet, dessen Eingang 99 mit dem Eingang 6 des Controllers und dessen Ausgang 100 mit dem Eingang 53 des Analogsignalverstärkers 15 verbunden ist. Außerdem umfasst in dieser Variante der Controller einen Komparator 101, der mit einem Umschalteingang 102 mit dem Eingang 6 des Analogsteuersignals und mit einem Ausgang 103 mit dem Eingang 8 des Richtungswahlschalters 19 des Motors 4 verbunden ist. Ein Führungseingang 104 des Komparators 100 ist mit der Spannungsquelle e verbunden. In Fig. 7 zeigt Ziffer 105 eine mögliche Variante der Übertragungskennlinien des Wandlers 98 (Abhängigkeit der Spannung Uu am Ausgang 100 des Wandlers 98 von der Spannung Ua des Analogsteuersignals an seinem Eingang 99). Ziffer 106 in Fig . 7 zeigt die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors 4 für diese Controllervariante, bei der der Wandler 98 die in Ziffer 105 in Fig. 7 dargestellte Übertragungsabhängigkeit aufweist.
Ziffer 107 in Fig. 8 zeigt eine weitere mögliche Variante der Übertragungsabhängigkeit des Wandlers 98. Die Ziffer 108 in der Zeichnung zeigt die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors 4 für den Controller, in dem der Wandler 98 die in Ziffer 107 dargestellte Übertragungsabhängigkeit aufweist.
Der vorgeschlagene selbsterregende PWM Controller arbeitet nach folgenden Prinzip.
Bis zum Zeitpunkt -t ist der Ausschalter 17 geöffnet und der Controller befindet sich im ausgeschalteten Zustand . Dabei ist die Spannung am Eingang 36 der Formierungseinrichtung 14 gleich Null und die Spannung am Ausgang 56 des Rückkopplungskreises 16 ist gleich E/2. Zum Zeitpunkt -t erscheint am Eingang 7 des Ausschalters 17 ein direktes Einschaltsignal (Ziffer 85, Fig . 3). Dadurch steigt die elektrische Spannung am Eingang 36 der Formierungseinrichtung 14 stufenweiße von Null auf E/2 an.
Durch d ie Flanke wird der Generator für Rechteckimpulse 49 gestartet, wodurch an seinem Ausgang 50 ein erster Rechteckimpuls aus einer Serie von Impulsen, wie sie in Ziffer 86 der Fig . 3 dargestellt ist, gebildet wird . Dieser Impuls erscheint - bezogen auf das Einschaltsignal - mit einer geringfügigen Verzögerung, die durch die Zeit für das Betätigen des Ausschalters 17 und für die Zeit zum Einschalten des Generators 49 bestimmt wird . In den in Fig . 3 gezeigten Kennlinien wird die Vorderflanke des ersten Rechteckimpulses als Startpunkt für die Zeit (t=0) genommen. Die Dauer dieses Impulses ist gleich der halben Periode T der Folgefrequenz der Impulsserie. Anschließend gelangt der Rechteckimpuls auf den Integrierer 51, der ihn in einen symmetrischen Dreieckimpuls umwandelt, der auf den nicht invertierenden Ausgang 41 der Formierungseinrichtung 40 (Ziffer 87, Fig. 3) geleitet wird. Der Ausgang 41 ist mit dem Inverter 52 verbundenen, weshalb am invertierenden Ausgang 42 der Formierungseinrichtung 40 ein invertierter Dreieckimpuls sich ausbildet. Dadurch werden an den Ausgängen der Formierungseinrichtung 40 zwei zueinander invertierte Dreieckimpulse (Ziffer 87 und 88, Fig. 3) ausgebildet, die beide zueinander symmetrisch sind - bezogen auf die entsprechende Flanke des rechteckigen Führungsimpulses (Ziffer 86, Fig . 3).
Am Eingang 6 des Controllers liegt die langsam von Null auf Ua max ansteigende analoge Steuerspannung an. Die Geschwindigkeit mit der die Änderung der Spannung erfolgt, ist wesentlich geringer als die Änderung der Geschwindigkeit des Dreieckimpulses. Ziffer 89, Fig. 3 zeigt die mögliche Form dieser Spannung .
Die analoge Steuerspannung kann auch aus dem Digital-Analogwandler 20 synthetisiert werden.
Das Analogsteuersignal vom Eingang 6 oder vom Digital-Analogwandler 20 gelangt auf den Eingang 53 des Verstärkers 15, wird durch ihn verstärkt und gelangt über seinen Ausgang 54 auf den Eingang 37 der Referenzspannung der Formierungseinrichtung 14. Da der Eingang 37 mit den Eingängen 32 und 33 der Komparatoren 43 und 44 verbunden ist, wirkt auf diese Bezugseingänge eine Referenzspannung, die proportional zur der am Eingang 6 wirkenden Spannung des Analogsteuersignals ist.
Im Moment des Ausgleichs der Spannung auf den Umschalteingängen 45, 46 der Komparatoren 43 und 44 mit der Spannung auf ihren Referenzeingängen 47 und 48 erfolgt das Umschalten der Komparatoren 43 und 44. Im Ergebnis dessen erscheinen auf den Ausgängen 38 und 39 der Komparatoren 43 und 44 PWM-Impulse (siehe Ziffer 90, 91), die - bezogen auf die Flanken der recht- eckigen Führungsimpulse (siehe Ziffer 86, Fig. 3) - symmetrisch angeordnet sind.
Die Dauer der PWM-Impulse wird durch die Höhe der Referenzspannung an den Eingängen 47 und 48 der Komparatoren bestimmt, d .h. sie wird durch die Höhe der Spannung des Analogsteuersignals am Eingang 6 des Controllers bestimmt. Dabei sind die auf den Ausgang 38 des Komparators 43 anliegenden PWM-Impulse um T/2 oder 180° verschoben und zwar bezogen auf die PWM- Impulse, die am Ausgang 39 des Komparators 44 anliegen.
Wichtig ist, dass - bezogen auf die Flanken der rechteckigen Führungsimpulse - die symmetrische Anordnung der PWM-Impulse (Ziffern 90, 91) nicht von der Spannungshöhe Ua des Steuersignals am Ausgang 6 des Controllers abhängt.
Von den Ausgängen 38 und 39 der Komparatoren 43 und 44 gelangen die PWM-Impulse auf die Eingänge 32 und 33 der Halbbrückenverstärker 28 und 29; im Ergebnis bilden sich an den Ausgängen 34 und 35 dieser Verstärker unterschiedlich polarisierte PWM-Impulse aus (Ziffer 92, Fig . 3). Die Filter 12 oder 13 (siehe Fig. 1, 2) stellen Breitbandfilter dar, die die erste Harmonische aus der auf ihren Eingängen anliegenden Spannungen herausfiltern.
Bei der Erfindung sind mehrere Varianten zur Verbindung der Filter 12 und 13 mit dem Anpassungsübertrager 11 möglich.
In einer ersten Ausführungsvariante ist das Filter 12 mit den Ausgängen 34 und 35 der Verstärker 28 und 29 verbunden. Das Filter ist mit seinen Ausgängen 70 und 71 und den Eingängen 64 und 65 mit dem Anpassungsübertrager 11 verbunden. Ein Ausgang 66 des Anpassungsübertragers 11 ist mit dem Element des Rückkopplungskreises 18 und der andere Ausgang 67 ist mit dem Eingang 1 des Controllers, d .h. mit dem Ausgang zur gemeinsamen Elektrode 23 des Oszillators 22 verbunden. In einer anderen Ausführungsvariante des Controllers ist an die Ausgänge 34 und 35 der Verstärker 28 und 29 der Anpassungsübertrager 11 mit seinen Eingängen 64 und 65 angeschlossen. Dabei wird das Filter 13 mit seinen Eingängen 68 und 69 an die Ausgänge 66 und 67 des Anpassungsübertragers angeschlossen. Der Ausgang 70 des Filters 13 wird mit dem Element des Rückkopplungskreises und der Ausgang 71 mit dem Eingang 1 des Controllers verbunden, d. h. mit dem Ausgang der gemeinsamen Elektrode 23 des Oszillators 22.
In einer dritten Ausführungsvariante des Controllers werden Filter verwendet, in denen die Elemente 80, 81 und 82, 83 mit Hilfe des Anpassungsübertragers 11 getrennt sind. Fig . 2, Ziffer 78 und 79 zeigt diese Filter.
Die Werte für die Spulen L und die Kondensatoren C (Elemente 74, 75, 76, 77, 80, 81, 82, 83) der Filter 12 und 13 werden unter Beachtung der Bedingung, dass die Resonanzfrequenz der Filter gleich der Arbeitsfrequenz ωa des Ultraschallmotors 4 ist, ausgewählt.
Beim Auftreten des ersten PWM-Impulses an den Ausgängen 34 und 35 bildet sich am Ausgang 1 des Controllers ein elektrischer Spannungsimpuls aus, der an die Elektrode 23 des Oszillators 22 weitergeleitet wird. Das hat zur Folge, dass durch die Elektrode 23 ein elektrischer Strom I zu fließen beginnt und sich an den Hilfselektroden 26 und 27 eine elektrische Spannung ausbildet.
Im ersten Ausführungsbeispiel des Controllers bewirkt der Strom I die Ausbildung eines Spannungsimpulses auf dem Rückkopplungskreis-Element 18, der auf den Eingang 57 des Rückkopplungskreises gelangt. In der zweiten Controllervariante trifft der durch die Hilfselektrode 26 (oder 27) generierte elektrische Spannungsimpuls auf den Eingang 57 des Rückkopplungskreises. In dieser wie auch in der anderen Variante durchläuft ein Spannungsimpuls den Rückkopplungskreis, gelangt über den Ausschalter 17 auf den Eingang 36 des Generators für Rechteckimpulse 49 und wird dort ein zweites Mal ausgelöst. Der Generator erzeugt einen zweiten Rechteckimpuls aus einer wie sie in der Ziffer 86, Fig . 3 dargestellten Serie von Impulsen. Danach setzt die Selbsterregung des PWM-Controllers ein.
Der Generator 49 für Rechteckimpulse kann als separater Generator ausgeführt werden, wobei seine Frequenz mit dem Signal des Rückkopplungskreises 16 synchronisiert wird. Dieser Generator kann auch als Formierungseinrichtung für Rechteckimpulse ausgeführt werden, die vom Signal des Rückkopplungskreises 16 gestartet wird .
Das Filter 59 wird auf die Erregerfrequenz des Controllers abgestimmt und dient der Begrenzung der Durchlassbreite des Filters, wenn im Oszillator 22 nah zueinander liegende parasitäre Resonanzen auftreten.
Die Selbsterregung des Controllers erfolgt bei der Frequenz, bei der die Phasenverschiebung im geöffneten Controllerkreis gleich Null ist. Diese Frequenz wird durch die Phasenschieberglieder im Controller bestimmt, zu denen die Formierungseinrichtung 14, der Kondensator 60 als Element des Rückkopplungskreises 18 und der Oszillator 22 gehören. Die ersten beiden Elemente verschieben die Phase um 90°.
Fig . 4 zeigt die Frequenzabhängigkeiten des Oszillators 22. Aus den Abhängigkeiten ist erkennbar, dass bei der Frequenz GOJ max die Phasenverschiebung zwischen der Erregerspannung und dem Strom I gleich Null ist (Ziffer 95). Die Phasenverschiebung zwischen der Erregerspannung und der Spannung auf der Hilfselektrode ist gleich 90° (Ziffer 97).
Davon ausgehend, sind folgende grundsätzliche Varianten zur Selbsterregung des vorgeschlagenen Controllers möglich :
Erste Variante: Als Element des Rückkopplungskreises 18 wird der Kondensator 60 verwendet. Dabei wird im Rückkopplungskreis 16 kein Phasenschieber 58 benötigt. Zweite Variante: Als Element des Rückkopplungskreises 18 wird der Widerstand 61 verwendet. In diesem Fall muss der Phasenschieber 56 die Phase um 90° verschieben.
Dritte Variante: Als Element des Rückkopplungskreises 18 wird die Hilfselek- trode 26 oder 27 verwendet. Dabei wird im Rückkopplungskreis 16 kein Phasenschieber 58 benötigt.
In allen diesen Fällen soll der Verstärkungskoeffizient des Controllers bei geöffnetem Rückkopplungskreis 16 bei der Frequenz, bei der die Phasenverschiebung gleich Null ist, größer als eins sein. Dies wird durch die richtige Auswahl des Wertes des Elementes 60 oder 61 des Rückkoppl ungskreises 18 erreicht oder durch eine ausreichend große Fläche der Hilfselektroden 26 und 27 oder durch Einsatz eines zusätzlichen Verstärkers im Rückkopplungskreis (in Fig . 1 nicht dargestellt).
Bei vollständiger Kompensation der Phasenverschiebung erfolgt die Erregung des Controllers bei der Frequenz GOJ max. Diese Frequenz entspricht der Geschwindigkeit der Bewegung des beweglichen Teils V(n)j max, die etwas kleiner als die Maximalgeschwindigkeit V(n)max ist (siehe Ziffer 95, Fig. 4). Zum Erreichen dieser Maximalgeschwindigkeit V(n)max muss der Controller auf der Frequenz ωv max erregt werden. Dazu muss der Phasenschieber 58 die Phase zusätzlich um den Wert -Acp verschieben.
Jede der Frequenzen oύj max oder ωv max kann die Arbeitsfrequenz ωa des Ultraschallmotors bilden.
Bei konstantem Steuersignal am Eingang 6 liegt am Ausgang 1 des Controllers eine sinusförmige Wechselspannung mit konstanter Amplitude an. Ändert sich, wie in Ziffer 89, Fig . 3 gezeigt, das Steuersig nal am Eingang 6, hat die Wechselspannung am Ausgang 1 die in Ziffer 93, Fig. 3 gezeigte Form. Die Amplitude Um dieser Spannung und folglich auch die Geschwindigkeit V(n) des beweglichen Elementes des Ultraschallmotors ändert sich in der in Ziffer 94, Fig . 3 dargestellten Weise.
Im vorgeschlagenen Controller hängt die Gesamtphasenverschiebung nicht von der Höhe der Spannung Ua des Analogsignals an seinem Eingang 6 ab, weshalb die Erregerfrequenz des Controllers oύj max oder ωv max unabhängig vom Niveau des Erregersignals konstant bleibt. Diese Frequenz wird durch die Frequenz-Phasen-Abhängigkeiten des Oszillators des Ultraschallmotors (Ziffer 96 oder 97, Fig . 4) bestimmt, die wiederum durch die Elastizität des freien Oszillators und durch die Elastizität, die durch die Last in den Oszillator eingebracht wird, bestimmt ist.
Fig . 5 zeigt die Steuerkennlinie des Ultraschallmotors, der sich in Abhängigkeit von der Invertierung des Verstärkers 54 vor- oder rückwärts bewegen kann. Die Neigung der Kennlinie wird durch den Verstärkungskoeffizienten des Verstärkers bestimmt.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Variante des vorgeschlagenen Controllers ist der Wandler 98 so aufgebaut, dass eine Änderung des Analogsteuersignals Ua am Eingang 99 von -Ua max auf +Ua max zu einer Spannungsänderung am Ausgang 100 von Null auf Uu max führt (siehe Ziffer 105, Fig . 7). Dabei ist die Spannung e der Urspannungsquelle am Führungseingang des Komparators 101 gleich Null. Deshalb schaltet der Komparator 101 beim Durchlaufen des
Analogsteuersignals Ua durch Null um. Dies führt zur Änderung der Bewegungsrichtung des Ultraschallmotors.
In dieser Controllervariante entspricht die Nullgeschwindigkeit des beweglichen Elementes V(n) dem Spannungswert Null des Analogsteuersignals Ua, wie in Ziffer 106, Fig . 7 dargestellt.
In der in Fig. 7 dargestellten Controllervariante führt die Änderung des Analogsteuersignals Ua am Eingang 99 von 0 auf Ua max zur Änderung der Spannung am Eingang 100 des Wandlers von Null auf Uu max (siehe Ziffer 107, Fig . 8). In dieser Variante ist die Spannung e der Urspannungsquelle gleich Ua maχ/2- Deshalb schaltet im Moment des Durchgangs des Analogsteuersignals Ua durch Ua max/2 der Komparator 101 um. Dadurch kehrt sich die Bewegungsrichtung des Ultraschallmotors um. In diesem Fall entspricht die Nullgeschwindigkeit des beweglichen Elementes V(n) dem Wert Ua max/2 der Analogsteuerspannung Ua, wie in Ziffer 108, Fig . 8 dargestellt.
Im vorgeschlagenen Controller wird die Selbsterregerfrequenz durch die Härte des freien Oszillators des Ultraschallmotors und durch die Härte, die durch die Last am Oszillator eingebracht wird, bestimmt. Deshalb führt weder eine Änderung der Temperatur des Oszillators noch der Last zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes des Motors auf der Frequenzkennlinie des Oszillators. Dies stabilisiert die Geschwindigkeit der Bewegung V(n) des beweglichen Elementes des Ultraschallmotors und erweitert den Temperatureinsatzbereich.
Wie in Fig . 9 dargestellt, kann der vorgeschlagene Controller mit mehreren zusätzlichen Ultraschallmotoren 113 betrieben werden. Hierzu ist der Anpassungsübertrager 11 mit einer zusätzlichen Sekundärwicklung 109 versehen, an deren einem Ende (Anschluss 112) diese zusätzlichen Motoren 113 angeschlossen sind. Bei dieser Anordnung bestimmt, wie zuvor, der eine der ersten Sekundärwicklung angeschlossene (Haupt-)Ultraschallmotor 4 die Selbsterregerfrequenz des Controllers.
Im vorgeschlagenen Controller wird die Selbsterregerfrequenz durch die Elastizität des freien Oszillators des Ultraschallmotors sowie durch eine zusätzliche Elastizität, die durch die Last am Oszillator eingebracht wird, bestimmt. Deshalb führt weder eine Änderung der Temperatur des Oszillators noch der Last zu einer Verschiebung des Arbeitspunkts des Motors auf der Frequenzkennlinie des Oszillators. Dies stabilisiert die Geschwindigkeit der Bewegung des beweglichen Elementes des Ultraschallmotors und erweitert somit dessen Temperatureinsatzbereich.
Im vorgeschlagenen Controller erfolgt die Steuerung des Leistungsverstärkers, d .h. der Geschwindigkeit des beweglichen Elementes V(n) des Ultraschall- motors, mit Hilfe des PWM-Signals. Dadurch ist es möglich, einen hohen Wirkungsgrad für den Leistungsverstärker des Controllers zu erreichen.
Von Vorteil ist, dass sich bei Änderung der Temperatur der Wirkungsgrad des Ultraschallmotors nicht verändert, da der Arbeitspunkt des Motors stets im Gipfelpunkt der Resonanzkennlinie liegt (siehe Ziffer 95, Fig . 4). Außerdem wird der Einsatzbereich für mechanische Belastungen erweitert, da auch in diesem Fall der Ultraschallmotor im Gipfelpunkt seiner Kennlinie arbeitet.
Zusätzlich wird durch den geschlossene Regelkreis die Betriebssicherheit des Ultraschallmotors erhöht, da durch das stabilere Funktionieren nur kleinere Verstärkungskoeffizienten im Regelkreis erforderlich sind.
Bezugszeichenliste
1,2,3 Anschlüsse für den Ultraschallmotor
4. Ultraschallmotor
5. Anschluss für die Gleichspannungsquelle E
6. Anschluss für das analoge Steuersignal
7. Eingang für das Steuersignal zum Ein- und Ausschalten des Ultraschallmotors
8. Eingang für das Signal zum Richtungswechsel des Ultraschallmotors
9. Eingänge für das digitale Steuersignal
10. Brückenleistungsschaltverstärker
11. Anpassungsübertrager
12. 13 Ausgangsfilter
14. Formierungseinrichtung für die Steuersignale
15. Analogsignalverstärker
16. Rückkopplungskreis
17. Ausschalter
18. Element des Rückkopplungskreises
19. Richtungswahlschalter für den Ultraschallmotor 20. Ana log -Digital wandler
21. Bewegliches Element
22. Ultraschalloszillator
23. Gemeinsame Elektrode des Oszillators 22
24. 25 Erregerelektroden des Oszillators 22
26, 27 Hilfselektroden des Oszillators 22
28, 29 Halbbrückenverstärker für den Brückenverstärker 10
30, 31 Treiber der Verstärker 28, 29
32, 33 Eingänge der Verstärker 28, 29
34, 35 Ausgänge der Verstärker 28, 29
36. Frequenzbestimmender Eingang der Formierungseinrichtung 14
37. Eingang für die Referenzspannung der Formierungseinrichtung 14
38. 39 Ausgänge der Formierungseinrichtung 14
40. Formierungseinrichtung für eine symmetrische Dreieckspannung
41, 42 Ausgänge der Formierungseinrichtung 40 43, 44 Formierungskomparatoren
45, 46 Umschalteingänge der Komparatoren 43, 46
47, 48 Referenzeingänge der Komparatoren 43, 44
49. Generator für Rechteckimpulse
50. Ausgang des Generators 49
51. Integrierer
52. Invertor
53. Analogeingang des Verstärkers 15
54. Ausgang des Verstärkers 15
55. Ausgang des Digital-Analogwandlers
56. Ausgang des Rückkopplungskreises 16
57. Eingang des Rückkopplungskreises 16
58. Phasenschieber
59. Filter
60. Kondensator als Element des Rückkopplungskreises 18
61. Widerstand als Element des Rückkopplungskreises 18
62. Umschalter der Hilfselektroden 26, 27
63. Steuereingang des Umschalters 61
64. 65 Ausgänge der Primärwicklung des Transformators 11 66, 67 Ausgänge der Sekundärwicklung des Transformators 11
68, 69 Eingangsanschlüsse der Filter 12, 13
70, 71 Ausgangsanschlüsse der Filter 12, 13
72, 73 Filtervarianten 12, 13
74. Induktivitätsspule der Filtervarianten 12, 13
75. Kondensator der Filtervarianten 12, 13
76. Induktivitätsspule der Filtervarianten 12, 13
77. Kondensator der Filtervarianten 12, 13
78. 79 Filtervarianten 12, 13
80. Induktivitätsspule der Filtervarianten 12, 13
81. Kondensator der Filtervarianten 12, 13
82. Induktivitätsspule der Filtervarianten 12, 13
83. Kondensator der Filtervarianten 12, 13
84. Gemeinsame Masse
85. Kennlinie des Spannungsverlaufs am Ausgang 7
86. Kennlinie des Spannungsverlaufs am Ausgang 50
87. Kennlinie des Spannungsverlaufs am Ausgang 41
88. Kennlinie des Spannungsverlaufs am Ausgang 44
89. Abhängigkeit der Analogspannung von der Zeit am Eingang 6
90. Kennlinie des Spannungsverlaufs am Ausgang 38
91. Kennlinie des Spannungsverlaufs am Ausgang 39
92. Kennlinie der zwischen den Ausgängen 34 und 35 anliegenden Spannung
93. Kennlinie der am Eingang 1 anliegenden Spannung
94. Abhängigkeit der Augenblicksamplitude der Spannung am Ausgang 1 von der Zeit
95. Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit V(n) und des durch den Oszillator 22 fließenden Stromes I von der Frequenz ω der Erregerspannung des Oszillators
96. Abhängigkeit der Phasenverschiebung φl zwischen dem Strom I des Oszillators 22 von der Frequenz der Erregerspannung ω des Oszillators 97. Abhängigkeit der Phasenverschiebung φu zwischen der Spannung an der Zusatzelektrode 26 oder 27 und der Erregerspannung des Oszillators 22 von der Frequenz ω dieser Spannung
98. Niveauwandler für das Analogsignal
99. Eingang des Wandlers 98
100. Ausgang des Wandlers 98
101. Komparator
102. Umschalteingang des Komparators 101
103. Ausgang des Komparators 101
104. Führungseingang des Komparators 101
105. 107 Übertragungskennlinien des Wandlers 98
106. 108 Varianten der Steuerungscharakteristik eines Ultraschallmotors für den in Fig . 5 dargestellten Komparator
109 zusätzliche Sekundärwicklung des Anpassungsübertragers 11
110, 111 Anschlüsse der zusätzlichen Sekundärwicklung
112 Anschluss
113 zusätzliche Ultraschallmotoren

Claims

Patentansprüche
1. Selbsterregender PWM-Controller eines Ultraschallmotors, mit einem Brückenleistungsverstärker mit zwei Halbbrückenverstärkern, einem Rückkopplungskreis, einem Ausgangsfilter und einer Formierungseinrichtung für Steuersignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Formierungseinrichtung ausgeführt ist als symmetrischer PWM-Modulator, der einen frequenzbestimmenden Eingang und einen Referenzspannungs- Eingang hat und der über zwei Ausgänge mit Eingängen der Halbbrückenverstärker verbunden ist, wobei der frequenzbestimmende Eingang des PWM- Modulators mit dem Rückkopplungskreis verbunden ist und der Rückkopplungskreis seinerseits in Wirkverbindung mit einem Rückkopplungskreis im Element des Ultraschall motors steht.
2. Selbsterregender PWM-Controller nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Analogsignalverstärker, der ausgangsseitig mit dem Referenzspannungs- Eingang des PWM-Modulators verbunden ist.
3. Selbsterregender PWM-Controller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Modulator eine Formierungseinrichtung für eine symmetrische Dreieckspannung mit einem frequenzbestimmenden Eingang und einem nicht- invertierenden und einem invertierenden Ausgang aufweist, wobei jeder dieser Ausgänge mit einem Umschalteingang eines Formierungskomparators verbunden ist, wobei Referenzeingänge der Formierungskomparatoren mit dem Analogsignalverstärker und der Ausgang jedes der Formierungskomparatoren mit dem Eingang eines entsprechenden Halbbrückenverstärkers verbunden sind.
4. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungskreis-Element einen Kondensator und/oder einen Widerstand aufweist, die in Reihe mit einem Oszillator des Ultraschallmotors geschaltet sind .
5. Selbsterregender PWM-Controller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungskreis-Element einen zueinander parallel geschalteten Kondensator und Widerstand aufweist.
6. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkopplungskreis-Element eine Hilfselektrode und/oder ein Piezoelement aufweist, welche oder welches auf einem Oszillator des Ultraschallmotors angeordnet ist.
7. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungskreis einen Verstärker und/oder ein Filter und/oder ein phasendrehendes Glied aufweist.
8. Selbsterregender PWM-Controller nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungskreis mindestens zwei Elemente aus der Gruppe Verstärker, Filter und phasendrehendes Glied aufweist und diese in Reihe geschaltet sind.
9. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsfilter als Reihen- oder als Reihen-Parallel-LC-Filter ausgeführt ist.
10. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsfilter einen Anpassungsübertrager aufweist.
11. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pegelwandler für ein Analogsignal und ein Komparator vorgesehen sind, wobei der Komparator über seinen Umschalteingang mit einem Analogsignal- Eingang, über einen Führungseingang mit einer Referenzspannungsquelle und ausgangsseitig mit einem Steuereingang eines Richtungswahlschalters des Ultraschallmotors verbunden ist.
12. Selbsterregender PWM-Controller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungsübertrager eine zusätzliche Sekundärwicklung aufweist, deren einer Anschluss mit Masse und deren anderer Anschluss mit mindestens einem zusätzlichen Ultraschallmotor verbunden ist.
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