(57)【要約】本発明は、電圧制御型発振器（1）（VCO）と、電力出力ステージ（2）と、共振変換器（3）と、を有する圧電モータ（4）用の始動プロセス制御器に関するものであって、発振器(VCO)は電力出力ステージ（2）に必要な制御信号を発生し、共振変換器（3）は電力出力ステージ（2）からのステップ状出力電圧を共振変換器（3）の出力部で正弦波電圧に変換し、その電圧で共振変換器（3）は圧電モータ（4）を駆動する。圧電モータ（4）が駆動されるときに流れるモータ電流は、位相比較器（6）において測定され、駆動電圧の位相と比較される。位相比較器（6）からの出力信号は、電流と電圧間の時間での位相差に対する尺度となる。位相同期ループフィルタ（8）は位相差信号を平坦化し、平坦化した位相差信号は発振器（1）（VCO）を制御する。この始動補助制御器（11）は、始動時の位相同期ループフィルタ（8）からの出力電圧を固定し、電圧制御型発振器（1）（VCO）の入力部に一定電圧を供給する始動補助回路素子（10）を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧制御型発振器（VCO）と、電力出力ステージと、共振変換器と、を有する圧電モータ用の始動プロセス制御器であって、
前記発振器(VCO)は前記電力出力ステージに必要な制御信号を発生し、
前記共振変換器は前記電力出力ステージからのステップ状出力電圧を前記共振変換器の出力部で正弦波電圧に変換し、
前記圧電モータは前記共振変換器からの正弦波電圧によって駆動され、
前記圧電モータが駆動されるときに流れるモータ電流は、位相比較器において測定され、駆動電圧の位相と比較され、
前記位相比較器からの出力信号は電流と電圧間の時間での位相差の尺度となり、
位相同期ループフィルタは位相差信号を平坦化し、
平坦化された信号は前記発振器(VCO)を制御し、
始動補助回路素子は、始動時の前記位相同期ループフィルタからの出力信号を固定し、前記電圧制御型発振器(VCO)の入力部に一定電圧を印加する、
始動プロセス制御器。
【請求項２】
前記始動補助素子はスイッチング素子と、電源電圧と、抵抗器と、を有し、これらの部品は並列にある前記ループフィルタと切り替えられることが可能であることを特徴とする請求項1に記載の始動プロセス制御器。
【請求項３】
前記抵抗器は前記電源電圧と直列に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の始動プロセス制御器。
【請求項４】
前記スイッチング素子は抵抗器を並列にあるループフィルタと切り替えることを特徴とする請求項2に記載の始動プロセス制御器。
【請求項５】
前記スイッチング素子用のアクティブ信号の時間長さは、始動開始から一定の持続時間に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の始動プロセス制御器。
【請求項６】
前記アクティブ信号によってモータが動き始めることを特徴とする請求項1に記載の始動プロセス制御器。
【請求項７】
前記アクティブ信号は「電源オン」によって動作開始されることを特徴とする請求項1に記載の始動プロセス制御器。
【請求項８】
前記アクティブ信号はデジタルカウンタまたは状態機械によって生じることを特徴とする請求項1に記載の始動プロセス制御器。
【請求項９】
前記アクティブ信号はデジタルプロセッサによって生じることを特徴とする請求項1に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１０】
電圧制御型発振器（VCO）と、電力出力ステージと、共振変換器と、を有する圧電モータ用の始動プロセス制御器であって、
前記発振器(VCO)は前記電力出力ステージに必要な制御信号を発生し、
前記共振変換器は電力出力ステージからのステップ状出力電圧を前記共振変換器の出力部で正弦波電圧に変換し、
圧電モータは前記共振変換器からの正弦波電圧によって駆動され、
前記圧電モータが駆動されるときに流れるモータ電流は、位相比較器において測定され、駆動電圧の位相と比較され、
前記位相比較器からの出力信号は電流と電圧間の時間での位相差の尺度となり、
位相同期ループフィルタは位相差信号を平坦化し、
平坦化された信号は前記発振器(VCO)を制御し、
調整可能な時間遅延素子によって、始動動作時にモータに印加される電圧とモータ電流間の位相角は初期の大きな始動角から動作時点の小さな角度へと変化し、負荷状態であっても安全かつ信頼性のある始動を可能とする、
始動プロセス制御器。
【請求項１１】
始動プロセス間の位相角の低下はランプ形であることを特徴とする請求項10に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１２】
始動プロセス間の位相角の低下はデジタルカウンタによって生じることを特徴とする請求項10に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１３】
前記カウンタの始動値は位相角を固定することを特徴とする請求項10に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１４】
前記位相角は前記カウンタによって到達する最終カウントによって固定されることを特徴とする請求項12に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１５】
前記始動プロセスはカウンタで定められることを特徴とする請求項10に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１６】
前記カウンタは発振器の周波数の単一または複数の発振をカウントすることを特徴とする請求項15に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１７】
前記カウンタはクロック信号を形成する基準周波数の発振をカウントすることを特徴とする請求項15に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１８】
前記カウンタによってされるカウントは位相遅延を設定するために直接利用されることを特徴とする請求項15に記載の始動プロセス制御器。
【請求項１９】
前記カウントは位相遅延を設定する値に変換されることを特徴とする請求項10に記載の始動プロセス制御器。
【請求項２０】
前記カウントは、記憶装置（RAMまたはROM）における表によって位相遅延を設定するための値に変換されることを特徴とする請求項10に記載の始動プロセス制御器。
【請求項２１】
前記始動プロセスはマイクロプロセッサまたはDSPのようなプログラマブル制御装置によって監視されることを特徴とする請求項10に記載の始動プロセス制御器。
【請求項２２】
前記マイクロプロセッサは位相遅延をデジタルで監視することを特徴とする請求項21に記載の始動プロセス制御器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電圧制御型発振器（VCO）と、電力出力ステージと、共振変換器と、を有する始動プロセス制御器に関し、
電圧制御型発振器(VCO)は電力出力ステージに必要な制御信号を発生し、
共振変換器は電力出力ステージからのステップ状出力電圧を共振変換器の出力部で正弦波電圧に変換し、
圧電モータは共振変換器からの正弦波電圧によって駆動され、
圧電モータが駆動されるときに流れるモータ電流は、位相比較器において測定され、駆動電圧の位相と比較され、
位相比較器からの出力信号は電流と電圧間の時間での位相差の尺度となり、
位相同期ループフィルタは位相差信号を平坦化し、
平坦化された信号は発振器(VCO)を制御する。
【背景技術】
【０００２】
圧電モータの電子駆動（例えばマイクロプッシュモータ）はDE199 42 269で公知である。圧電モータは位相調整交流電圧に接続される。操作の間、圧電モータによって流れる電流はダイオードで測定される。電流の位相角はモータに印加される電圧との比較によって検知される。圧電モータの特徴は、モータを流れる電流、およびそれによって生じる電力が負荷の下では低下するということである。これは、負荷の下では電流が増大する電磁気的駆動システムと好対照である。
【０００３】
圧電モータのこの特徴はシステムの内部抵抗増大に起因している。
【０００４】
従って圧電モータおよび圧電モータの駆動システムを設計する際、負荷の下で作動させる場合には、電流または印加されるモータ電圧を補正し、モータ電力をこのような負荷に応じて調整する必要があることに留意する必要がある。
【０００５】
別の良く知られた影響は、変化する負荷、すなわち可変負荷がある場合、可変負荷は同時にモータの共振周波数を変化させることである。この場合も、共振周波数の変化によってモータに生じる有効な電力、およびモータの効率は低下することになる。これらの2つの影響が相互に関与し合うと、モータは停止してしまう場合もある。同時に位相調整システムは自己固定化状態に至り、通常はその状態からの回復はできなくなる。自動の再始動はもはや不可能となる。このようなチップオーバーまたは失速の影響の理由は、発振器がその共振を介して容量性の動作範囲から外れ、位相回転の生じる誘導性の範囲に移ることによる。
【特許文献１】独国特許出願公開第19942269号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は異なる負荷の下でも安定かつ信頼性のある始動を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項1ないし10に記載の2つの異なる具体例によって解決することができる。なおこれらの請求項は別々に利用することが可能であるが、相互に組み合わせても良い。
【０００８】
請求項1に記載の第1の変形例は、始動時の位相同期ループフィルタの出力電圧を固定し、電圧制御型発振器（VCO）の入力部に一定電圧を印加する始動補助スイッチング素子に特徴がある。
【０００９】
この始動補助スイッチング素子を取り入れることによって、発振器（VCO）によって供給されるモータ周波数を安全な動作周波数に設定できるという利点が生じる。前記始動補助スイッチング素子およびこれによる上述の効果がない場合は、負荷の下での始動の際、制御周波数は位相調整システムによってその制御範囲にすばやく動かされ、モータが負荷を駆動し始める前に、制御周波数は制御ループを自己固定化状態に至らしめる。
【００１０】
第1の実施例の他の優れた変形例は請求項1の従属項から把握できる。これらの変形例はスイッチング素子を切り替える始動補助素子の設計、および適切な時間で接続することに関するものである。
【００１１】
第2の変形例は、請求項10に記載されており、調整可能な時間遅延素子に特徴がある。この素子によって、始動動作時にモータに印加される電圧とモータ電流の間の位相角は、安全かつ信頼性のある駆動のための初期の大きな始動角から、動作時点の小さな角度へと変化し、負荷状態であっても安全かつ信頼性のある始動が可能となる。
【００１２】
位相角の変化によって生じる曲線は予め自由に設定しておくことができる。曲線は負荷および定格回転数での効率の最適化に必要な共振周波数に依存する。共振周波数は、モータにより生じる電力を容量性の範囲に留めるように、従って共振周波数の値が過度にならないように設定する必要がある。
【００１３】
本発明に関するこれらのおよび他の特徴は、以下に示した実施例から明らかであり、以下に示した実施例を参照して把握されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図1には圧電モータを始動する始動プロセス制御器の第1の実施例として、電圧制御型発振器1(VCO)を有する制御器、電力出力ステージ2、および共振変換器3を示す。共振変換器3は、電力出力ステージ2からのステップ状の出力電圧を共振変換器3の出力部で正弦波電圧に変換する。発振器1（VCO）は電力出力ステージ2に必要な制御信号を発生する。圧電モータ4は共振変換器からの正弦波電圧で駆動される。以上のことがなされたとき配線5を流れるモータ電流ikは測定される。電流値ikは位相比較器6において配線7の駆動電圧udの位相と比較される。位相比較器からの配線7aの出力信号s1は電流と電圧間の時間での位相差に対する尺度となる。位相同期ループフィルタ8は位相差信号を平坦化し、平坦化された信号は発振器1（VCO）を制御する。
【００１５】
ループフィルタ8からの電圧は始動の時点で低下する。これは好ましくない。この理由のため、始動値プリセット回路9がある。始動値プリセット回路9は始動時に接続されるようになっており、ループフィルタ8からの電圧を始動プロセスの間、一定に保持することを可能にする。始動プロセス制御器11.1によって駆動される始動補助スイッチング素子10は、始動値プリセット回路9との接続を担う。この目的のため、始動補助スイッチング素子10は、始動プロセス制御器11.1の補助により、発振器1が定常状態で動作するようになるまで、始動値プリセット回路9をループフィルタ8と接続する。
【００１６】
図2には、始動プロセス制御器11.1、始動値プリセット回路9およびループフィルタ8の構成の一例を示す。示された例のうち左側部分は始動プロセス制御器11.1の設計例である。図の右側部分はループフィルタ8を示す。２つの間には始動値プリセット回路9および始動補助スイッチング素子10がある。
【００１７】
始動値プリセット回路9は通常、抵抗器Rcおよび電源電圧Ucを有する。電源電圧Ucからの電圧は、発振器1がそこで最適始動周波数を生じるように選定される。抵抗器Rcの抵抗は、位相比較器6の出力インピーダンスよりもかなり小さくなるように選定される。ループフィルタ8の構成およびその寸法はPLLモジュールの通常のデータシートに記載されている。始動補助スイッチング素子10は、始動値プリセット回路9と、始動値プリセット回路9をループフィルタ8と接続する役割を担うスイッチング素子10aと、を有する。最も単純化した形式においては抵抗器Rrのみ（図1）がループフィルタ8と並列に接続される。
【００１８】
2つの供給電圧UbとUiはモータの始動を目的に切り替えられ、始動補助スイッチング素子10は、始動プロセス制御器11.1から配線Ａを通ってくるアクティブ信号によって切り替えられる。アクティブ信号によってモータが動き始める。同時に、2つのタイマー14、15のコンデンサが充電される。アクティブ信号が始動補助スイッチ10のしきい値電圧に到達したとき、始動値プリセット回路9はスイッチング素子10aによって接続を解除される。
【００１９】
本発明の第2の実施例は位相シフト配列で作動する。図3に示すこの始動プロセス制御器の場合も、電圧制御型発振器1(VCO)、電源出力ステージ2および圧電モータ4を始動させる共振変換器3を備える。共振変換器3は、電力出力ステージ2からのステップ状の出力電圧を共振変換器3の出力部で正弦波電圧に変換する。本実施例の本質的部分は調整可能な時間遅延素子15である。時間遅延素子によって、始動動作時にモータに印加される電圧とモータ電流間の位相角は、安全かつ信頼性のある駆動のための初期の大きな始動角から動作時点の小さな角度へと変化し、負荷状態であっても安全かつ信頼性のある始動が可能となる。
【００２０】
発振器1は電力出力ステージ2に必要な制御信号を発生する。圧電モータ4は、共振変換器3からの正弦波電圧によって駆動される。これがなされたときに流れるモータ電流isが測定される。調整可能なプログラマブル遅延素子15によって位相シフトされた電流値は、位相比較器6において駆動電圧の位相と比較される。時間遅延素子15の既定の時間遅れは始動プロセス制御器11.2によって供給される。位相比較器6からの出力信号は電流と電圧間の時間での位相差の尺度となる。ループフィルタ8は位相差信号を平坦化し、平坦化された信号は発振器1を制御する。
【００２１】
図4は圧電モータの最適回転角を示したグラフである。定格回転数（作動時点）に対するある角度、例えば40゜という角度が図4から読み取れる。負荷状態での安全な始動は位相角＞60゜の場合に保証され得る。
【００２２】
図5には、時間に対する既定角度の例として2つの始動曲線が示されている。曲線1は直線勾配を示す。この場合、負荷領域での角度の変化(角度の増分)は極めて速く、危機的状態（作動時点近傍）になる危険性がある。曲線2は上述の問題を解決する軌跡を示す。狙いの目的角度に近づくと、時間の増分に対する位相角の設定変化量は小さくなる。さらに既定角度の値に近づくにつれて変化が緩やかになる曲線であるため、初期の動作段階においてより迅速に高効率動作が可能となる。始動の間、位相角の低下はランプ形であっても良い。同様に、始動プロセスの間の位相角の低下はデジタルカウンタ15aによって行っても良い。この場合、カウンタが始動する値から位相角を定められるので有利である。さらに、始動プロセスをカウンタで決定することも可能である。始動プロセスはカウンタ11aで決定することもできる。
【００２３】
図6は、一例として、図5に示した曲線1の形を発生する回路を示す。図の左側半分は始動プロセス制御器11.3を、および右側半分はプログラマブル遅延素子15を示す。始動プロセス制御器11.3を構成する一部は、クロック信号入力11bを有する2進カウンタ11aである。クロック信号入力部11bにはVCO周波数と等しい周波数信号fresが配線21を通って印加される。クロック信号入力部11bの下に示されているのは、2進カウンタ11aであり、ここには配線22を介してφ-始動信号が、また配線23を介して始動信号が印加される。プログラマブル遅延素子15の一部を構成するのはクロック信号入力15bを有するカウンタ15aである。
【００２４】
始動プロセス制御器11.3におけるカウンタ11aは、予め固定値に設定することが可能なタイミング間隔を有する。カウンタは単一または複数の発振をカウントできる。同様に、カウンタ11aは、クロック信号を形成する基準周波数の発振をカウントできる。カウンタ11aで実行されたカウントは、位相遅延の設定に直接利用され、位相遅延用の設定値に変換される。カウンタ11aは、安全かつ信頼性のある始動（図4参照）が可能な位相シフト角である所与の値から始動する。この値から始動し、カウンタ11aはカウントパルス毎にカウントを減じて行く。カウンタ11aはカウンタ15aに接続される。配線は接続線S11から比較器6に分岐する。比較器6はカウントプロセスを停止させ、モーメントカウンタ11aは予め定められた最終カウントに至る。最終カウントは最適作動角が得られるように選定される。これは、始動プロセス毎にカウンタ11aが既定の開始値から最終カウントまで、再度カウントし直すことを意味する。
【００２５】
プログラマブル遅延素子15におけるカウンタ15aは、電流信号ssの通過がゼロを通過したとき始動される。これは、カウンタを始動プロセス制御器11.3によって供給される既定値に設定することによって行われる。カウンタ15aは、この値から始まりカウント「0」でカウントが停止するまで、カウントを減じていく。このプロセスは、モータ電流の通過がゼロになる度に繰り返される。遅延素子15からの出力信号saは、カウンタ15aに対して停止信号soとして作用する。これは、モータ電流の通過がゼロの場合の信号が遅延状態で通過したときに達成される。遅延素子15に対する既定のクロック周波数siは、例えば水晶発振器によって供給される。
【００２６】
図7には一例として、図5に示された曲線2の形を生じる回路を示す。図の左側の片側部分には始動プロセス制御器11.4が、また図の右側の片側部分には、図6と比較した場合にいかなる変化もない、プログラマブル遅延素子15が示されている。始動プロセス制御器11.4の構成部分はクロック信号入力11bを有する2進カウンタ11aである。VCO周波数と等しい周波数信号fresは配線21を介してクロック信号入力11ｂに印加される。φ始動信号は配線22を通じて2進カウンタ11aに印加され、始動信号は配線23を介して2進カウンタに印加される。値表16も示されている。プログラマブル遅延素子15を構成する一部はクロック信号入力15bを有するカウンタ15aである。始動プロセス制御器11.4においてカウンタ11aは一定値に予め設定されたタイミング間隔を有する。カウンタ11aは値表16における多数の値を示す所与の値から始動する。この値から始まって、カウンタ11aは、例えば「0」カウントでカウントが停止するまで、カウントを減じて行く。これは、始動プロセス毎に、カウンタ11aが既定の始動値から最終カウントの「0」までカウントすることを意味する。表16によってカウントは、記録媒体（RAMまたはROM）における位相遅延用の設定値に変換される。値表16に保管されているのは、遅延素子15の所望の位相シフトに必要な個々の2進値である。第1の値は、安全で信頼性のある始動を可能とする位相シフトを示す。この場合、始動プロセスは、マイクロプロセッサ（示されていない）またはDSPのような、プログラマブル制御装置によって監視されるという利点がある。プロセッサは位相遅延をデジタルで監視できる。位相シフトに対する最終値が選定され、最適作動角が設定される。
【００２７】
プログラマブル遅延素子15のカウンタ15aは電流信号ssによって始動する。これは、カウンタを始動プロセス制御器11.4によって供給される規定値に設定することで行われる。このプロセスはモータ電流の流れがゼロとなる度に繰り返される。始動プロセス制御器11.4からの出力信号S11.2はカウンタ15aの停止信号である。これはモータ電流のゼロを経由する通過信号がある遅れを伴った状態で通過することを可能にする。
【００２８】
遅延素子15の既定クロック周波数siは、例えば水晶発振器によって供給される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】モータを始動させるため、始動値のプリセット回路と位相同期ループフィルタによってプロセス周波数発生器に補償電圧を印加する始動プロセス回路を利用する、第1の実施例のブロック回路図である。
【図２】始動プロセス制御回路、始動値のプリセット回路およびループフィルタの連携に関する、より具体的なブロック回路図である。
【図３】始動挙動が、始動のときの位相角を設定または調整する、調整可能な時間遅延素子によって定められる第2の実施例のブロック回路図である。
【図４】位相角に対してプロットした回転速度を示すグラフである。
【図５】時間に対してプロットした位相角を示すグラフである。
【図６】位相角が時間に対して直線的に変化する配列を示すブロック回路図である。
【図７】値表によって位相角が時間に対して変化する配列のブロック回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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2005524374.tif 000011
2005524374.tif 000012