专利名称：用于启动压电电动机的启动处理控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及启动处理控制器-具有压控振荡器(VCO)、功率输出级、和谐振变换器，其中-压控振荡器(VCO)生成功率输出级所需要的控制信号，-谐振变换器把来自功率输出级的步进输出电压变换成在它的输出端处的正弦电压，-压电电动机由来自谐振变换器的正弦电压驱动，-当压电电动机被驱动时所流过的电动机电流被测量，并在相位比较器中与驱动电压的相位进行比较，-来自相位比较器的输出信号是对于在电流与电压之间当时的相位差的度量，-一个锁相环滤波器平滑相位差信号，-经过平滑的信号控制振荡器(VCO)。
用于压电电动机(例如，微推动电动机)的电子驱动器是从DE 19942 269获知的。压电电动机被连接到经相位调整的交流电压。在操作期间，由压电电动机吸取的电流藉助于二极管被测量。通过把所述电流与被馈送到电动机的电压进行比较而检测电流的相位角。压电电动机的一个特性在于，流过电动机的电流(从而由电动机吸取的功率)在负载下将降低。这与电磁驱动系统相反，电磁驱动系统中的电流在负载下将增加。
压电电动机的这个特性可归因于系统的内阻的提高。
因此，在设计压电电动机和它的驱动系统时，必须记住，当在负载下操作时必须校正电流(或更加确切地说所施加的电动机电压)，以使得电动机功率被调节成适合于负载。
另一个已知的效应是，如果有变化的负载(即，可变负载)，则这将同时改变电动机的谐振频率。这再一次使得由电动机吸取的有效功率和电动机效率降低。所描述的两个效应互相增强，这样，电动机可能停止。同时，相位调整系统进入通常无法恢复的自锁状态。不再可能自动重新启动。这种倾翻或失速效应的原因在于，振荡器从操作的电容性范围通过它的谐振被带到电感性范围，这造成相位旋转。
本发明的目的是确保在不同负载下的稳定和可靠地启动。
这个目的是按照本发明通过在权利要求1和10中规定的、可被分开地使用的但也可互相组合的两个变例实施例达到的。
在权利要求1中规定的第一变例实施例的特征在于一个启动辅助开关单元，它在启动时固定锁相环滤波器的输出电压，因此，把恒定的电压加到压控振荡器(VCO)的输入端。
这种启动辅助开关单元的引入具有这样的优点由振荡器(VCO)提供的电动机频率被设置为安全操作频率。如果没有所述启动辅助开关单元和对于它所描述的效应，则当在负载下启动时控制频率将被相位调整系统太快地移动过它的控制范围，以及将使得控制环在电动机能够启动负载运动之前进入自锁状态。
第一实施例的其他有利的修正方案可以从从属于权利要求1的从属权利要求看到。这些修正方案涉及切换一个开关单元的启动辅助单元的设计，以及涉及适用的接入周期。
在权利要求10中规定的第二变例实施例的特征在于一个可调节的延时单元，通过该延时单元，在施加到电动机的电压与电动机电流之间的相位角在启动操作时被从用于安全的和可靠的中断(breakway)的初始的大的开始角度朝向在工作点时的较小的角度改变，这样，启动将被安全地和可靠地完成，而与负载条件无关。
在相位角改变之前的曲线可以自由地预置。它取决于负载和对于额定速度下最佳效率所需要的谐振频率。它必须被设置成使得由电动机吸取的功率保持在电容性范围，因此，谐振频率的数值不被超过。
通过参照下文描述的实施例将明白和阐述本发明的这些与其他方面。在附图中
图1是第一实施例的方框电路图，在其中，为了启动电动机，使用启动处理电路，它藉助于启动值预置电路和锁相环把确保的电压馈送到处理频率生成器，图2是与启动处理控制电路、启动值预置电路和环路滤波器的协作有关的稍微更具体的方框电路图，图3是第二实施例的方框电路图，在其中，启动行为受到可调节的延时单元的影响，该延时单元设置(或更加确切地说，调节)在启动时的相位角，
图4是显示旋转速度对相位角的曲线图，图5是显示相位角对时间的曲线图，图6是显示其中相位角随时间线性地变化的安排的方框电路图，以及图7是其中相位角藉助于数值表随时间变化的安排的方框电路图。
图1显示用于启动压电电动机的启动处理控制器的第一实施例，该控制器具有压控振荡器1(VCO)、功率输出级2和谐振变换器3。谐振变换器3把来自功率输出级2的步进输出电压变换成在谐振变换器3的输出端处的正弦电压。压控振荡器1(VCO)生成功率输出级2所需要的控制信号。压电电动机4由来自谐振变换器的正弦电压驱动。当压电电动机被驱动时在线路5中流过的电动机电流ik被测量。该电流值ik在相位比较器6中被与线路7上的驱动电压Ud的相位进行比较。在线路7a上的、来自相位比较器6的输出信号s1是对于在电流与电压之间当时的相位差的度量。锁相环滤波器8平滑相位差信号，以及经平滑的信号控制振荡器1(VCO)。
来自环路滤波器8的电压可能在启动时下降。这是不希望的。为此，提供有启动值预置电路9，它在启动时被连接以及确保来自环路滤波器8的电压在启动处理期间被保持为恒定的。由启动处理控制器11.1驱动的启动辅助开关单元10负责接入启动值预置电路9。为此，启动辅助开关单元10藉助于启动处理控制器11.1把启动值预置电路9连接到环路滤波器8，直至振荡器1工作在稳定状态的时间为止。
图2显示如何构建启动处理控制器11.1、启动值预置电路9和环路滤波器8的例子。图的左面显示用于启动处理控制器11.1的可能的设计。图的右面显示环路滤波器8。在二者之间是启动值预置电路9和启动辅助开关单元10。
启动值预置电路9通常包括电阻Rc和电压源Uc。来自电压源Uc的电压被选择成使得在这个电压下振荡器1生成最佳中断频率。电阻Rc的阻值被选择成使得它远小于相位比较器6的输出阻抗。环路滤波器8的构造和它的大小在用于PLL模块的传统的数据单中描述。启动辅助开关单元10包括启动值预置电路9和开关单元10a，该开关单元负责把启动值预置电路9连接到环路滤波器8。在最简单的版本中，单独的电阻Rr(图1)可以与环路滤波器8并联连接。
两个电源电压Ub和Ul被接通以用于启动电动机，启动辅助开关单元10被经由线路A来自启动处理控制器11.1的驱动信号接入。该驱动信号因此使得电机中断。同时，两个定时器14、15的电容器12、13被充电。当驱动信号达到启动辅助开关单元10的阈值电压时，启动值预置电路9藉助于开关单元10a被断开连接。
本发明的第二实施例通过移相安排操作。图3所示的、这个启动处理控制器再次采用压控振荡器1(VCO)、功率输出级2和谐振变换器3用于启动压电电动机4。谐振变换器3把来自功率输出级2的步进输出电压变换成在谐振变换器3的输出端处的正弦电压。本实施例的本质的部分是可调节的延时单元15，在施加到电动机的电压与电动机电流之间的相位角在启动操作时通过该延时单元被从用于安全的和可靠的中断的初始的大的开始角度改变到在工作点时的较小的角度，这样，启动将被安全地和可靠地完成，而与负载条件无关。
振荡器1生成对于功率输出级2的必要控制信号。压电电动机4由来自谐振变换器的正弦电压驱动。当压电电动机被驱动时所流过的电动机电流is被测量。被可调节的、可编程的延时单元15移相的电流值在相位比较器6中被与驱动电压的相位进行比较。对于延时单元15预置的延时由启动处理控制器11.2提供。来自相位比较器6的输出信号是对于在电流与电压之间当时的相位差的度量。环路滤波器8平滑相位差信号，以及经平滑的信号控制振荡器1。
图4是显示对于压电电动机的最佳操作角度的曲线图。对于额定速度(工作点)可以从图4读出例如40°的角度。在大于60°的相位角下可以保证在负载下的安全启动。
在图5上，作为例子显示对于预置的角度对时间的两条启动曲线。曲线1显示线性梯度。在这种情形下有角度改变(角增量)在临界的负载区域(靠近工作点)将会太快的危险。曲线2遵循克服上述的问题的路径。当接近于所规定的目标角时，对于每个时间增量的相位角所设置的改变变得更小。另外，因为在被预置的角度值之前的渐进曲线，在初始启动阶段可更快地达到高效率操作。在启动期间相位角的减小可以是以呈斜坡的方式。类似地，在启动处理期间相位角的减小可以藉助于数字计数器15a实施。计数器开始的数值有利地规定在这种情形下的相位角。也有可能藉助于计数器确定启动处理。启动处理也可以藉助于计数器11a被确定。
图6作为例子显示产生图5所示的曲线1的形式的电路。图的左半面显示启动处理控制器11.3以及图的右半面显示可编程的延时单元15。形成启动处理控制器11.3的一部分的是一个具有时钟信号输入端11b的二进制计数器11a，频率fres等于VCO频率的信号经由线路21被馈送到它所具有的时钟信号输入端11b。其下面提供的是该二进制计数器11a，一个-启动信号经由线路22以及启动信号经由线路23被馈送到该计数器。形成可编程延时单元15的一部分的是一个具有时钟信号输入端15b的计数器15a。
在启动处理控制器11.3中的计数器11a具有可被预置为固定值的定时间隔；它能够计数单个或多个振荡。同样地，计数器11a可以计数形成时钟信号的参考频率的振荡。由计数器11a进行的计数被直接使用于设置相位延时，以及也被变换成对于相位延时所设置的数值。计数器11a从代表允许进行安全的和可靠的启动的相移角的给定的数值开始(见图4)。从这个数值开始，计数器11a在每个计数脉冲时向下计数；它被连接到计数器15a。从连接线路S11，一条线路分支到比较器6。比较器6在计数器11a达到已被预置的最终计数值的时刻停止计数处理。最终计数值被选择为使得得到最佳工作角度。这意味着，在每个启动处理中，计数器11a从预置的开始值到最终计数值计数一次。
当电流信号ss经过零点时可编程延时单元15中的计数器15a被启动。这是通过把它设置为由启动处理控制器11.3提供的预置值而完成的。从这个值开始，计数器15a向下计数，直至它在“0”的计数值时停止为止。这个处理在每次电动机电流经过零时重复进行。来自延时单元15的输出信号sa用作为用于计数器15a的停止信号so。这使得用于电动机电流经过零的信号被延时地传送。用于延时单元15的预置的时钟频率Si例如由石英振荡器提供。
图7作为例子显示产生图5的曲线2的形式的电路。图的左半面显示启动处理控制器11.4以及图的右半面显示可编程延时单元15，这与图6相比较没有改变。形成启动处理控制器11.4的一部分的是具有时钟信号输入端11b的二进制计数器11a。频率fres等于VCO频率的信号经由线路21被馈送到它所具有的时钟信号输入端11b。一个-启动信号经由线路22被馈送到二进制计数器11a以及启动信号经由线路23被馈送到该计数器。图上还显示了数值表16。形成可编程延时单元15的一部分的是具有时钟信号输入端15b的计数器15a。
在启动处理控制器11.4中的计数器11a具有可被预置为固定值的定时间隔。它从代表数值表16中的数值的数字的给定值开始。计数器11a从这个值开始向下计数，例如，直至它在“0”计数值时停止为止。这意味着，在每个启动处理中，计数器11a从预置的开始值到最终的“0”计数值计数一次。藉助于表16，计数值被变换成在存储器装置(RAM或ROM)中的、对于相位延时的设置。在数值表16中存储的是延时单元15对于想要的相移所需要的各个二进制值。第一值代表允许安全和可靠地启动的相移。在这种情形下，启动处理由可编程的控制设备(诸如微处理器(未示出)或DSP)有利地监视。处理器可以数字地监视相移。相移的最后的数值被选择成设置最佳工作角度。
可编程延时单元15的计数器15a由电流信号ss启动。这是通过把它设置为由启动处理控制器11.4提供的预置值而完成的。这个处理在每次电动机电流经过零点时重复进行。来自启动处理控制器11.4的输出信号S11.2是用于计数器15a的停止信号。这使得用于电动机电流经过零点的信号被延时地传送。
用于延时单元15的预置时钟频率si例如由石英振荡器提供。
权利要求
1.用于启动压电电动机(4)的启动处理控制器，-具有压控振荡器(1)(VCO)、功率输出级(2)和谐振变换器(3)，其中-振荡器(1)(VCO)生成功率输出级(2)所需要的控制信号，-谐振变换器(3)把来自功率输出级(2)的步进输出电压变换成在它的输出端处的正弦电压，-压电电动机(4)由来自谐振变换器(3)的正弦电压驱动，-当压电电动机(4)被驱动时所流过的电动机电流被测量，并在相位比较器(6)中被与驱动电压的相位进行比较，-来自相位比较器(6)的输出电压是对于在电流与电压之间当时的相位差的度量，-一个锁相环滤波器(8)平滑相位差信号，-经过平滑的信号控制振荡器(1)(VCO)，以及-一个启动辅助电路单元(10)固定在启动时来自锁相环滤波器(8)的输出电压，并因此把恒定的电压加到压控振荡器(1)(VCO)的输入端。
2.如权利要求1中要求的启动处理控制器，其特征在于，启动辅助单元(1)包括开关单元(10a)、电压源(Uc)和电阻(Rc)，这些元件被切换成与环路滤波器(8)并联。
3.如权利要求2中要求的启动处理控制器，其特征在于，电阻(Rc)与电压源(Uc)串联连接。
4.如权利要求2中要求的启动处理控制器，其特征在于，开关单元(10a)把电阻(Rr)切换成与环路滤波器(8)并联。
5.如权利要求1中要求的启动处理控制器，其特征在于，用于驱动开关单元(10)的信号在时间上的长度被设置为从启动开始的一个固定的持续时间。
6.如权利要求1中要求的启动处理控制器，其特征在于，驱动信号使得电动机(4)中断。
7.如权利要求1中要求的启动处理控制器，其特征在于，驱动信号通过“接通电源”被触发。
8.如权利要求1中要求的启动处理控制器，其特征在于，驱动信号由数字计数器或状态机生成。
9.如权利要求1中要求的启动处理控制器，其特征在于，驱动信号由数字处理器生成。
10.用于启动压电电动机(4)的启动处理控制器，-具有压控振荡器(1)(VCO)、功率输出级(2)和谐振变换器(3)，其中-振荡器(1)(VCO)生成功率输出级(2)所需要的控制信号，-谐振变换器(3)把来自功率输出级(2)的步进输出电压变换成在它的输出端处的正弦电压，-压电电动机(4)由来自谐振变换器(3)的正弦电压驱动，-当压电电动机(4)被驱动时所流过的电动机电流被测量，并在相位比较器(6)中被与驱动电压的相位进行比较，-来自相位比较器(6)的输出电压是对于在电流与电压之间当时的相位差的度量，-一个锁相环滤波器(8)平滑相位差信号，-经过平滑的信号控制振荡器(1)(VCO)，以及提供可调节的延时单元(15)，通过该延时单元，在施加到电动机的电压与电动机电流之间的相位角在启动操作中被从初始的大的开始角度朝向在工作点时的较小的角度改变，这样，启动将被安全和可靠地完成，而与负载条件无关。
11.如权利要求10中要求的启动处理控制器，其特征在于，在启动处理期间相位角按斜坡的形式减小。
12.如权利要求10中要求的启动处理控制器，其特征在于，在启动处理期间相位角的减小是藉助于数字计数器(15a)实施的。
13.如权利要求10中要求的启动处理控制器，其特征在于，计数器(15a)的开始值固定该相位角。
14.如权利要求12中要求的启动处理控制器，其特征在于，相位角由计数器(15a)所达到的最终计数值来固定。
15.如权利要求10中要求的启动处理控制器，其特征在于，启动处理藉助于计数器(11a)被确定。
16.如权利要求15中要求的启动处理控制器，其特征在于，计数器(11a)计数振荡器频率的单次或多次振荡。
17.如权利要求15中要求的启动处理控制器，其特征在于，计数器(11a)对形成时钟信号的参考频率的振荡进行计数。
18.如权利要求15中要求的启动处理控制器，其特征在于，由计数器(11a)作出的计数直接被使用于设置相位延时。
19.如权利要求10中要求的启动处理控制器，其特征在于，计数值被变换成用于设置相位延时的数值。
20.如权利要求10中要求的启动处理控制器，其特征在于，计数值藉助于存储器装置(RAM或ROM)中的表(16)被变换成用于设置相位延时的数值。
21.如权利要求10中要求的启动处理控制器，其特征在于，启动处理由诸如微处理器或DSP之类的可编程控制设备进行监视。
22.如权利要求21中要求的启动处理控制器，其特征在于，微处理器数字地监视相位延时。
全文摘要
本发明涉及用于启动压电电动机(4)的启动处理控制器，启动处理控制器具有压控振荡器(1)(VCO)、功率输出级(2)和谐振变换器(3)，其中振荡器(VCO)生成功率输出级(2)所需要的控制信号，以及谐振变换器(3)把来自功率输出级(2)的步进输出电压变换成在谐振变换器(3)的输出端处的正弦电压，谐振变换器(3)通过该正弦电压驱动压电电动机(4)。当压电电动机(4)被驱动时所流过的电动机电流被测量，并在相位比较器(6)中被与驱动电压的相位进行比较。来自相位比较器(6)的输出电压于是是对于在电流与电压之间当时的相位差的度量。锁相环滤波器(8)平滑该相位差信号，该经平滑的相位差信号又控制振荡器(1)(VCO)。这个启动处理控制器(11)包括启动辅助电路单元(10)，它在启动时固定来自锁相环滤波器(8)的输出电压，因此把恒定的电压加到压控振荡器(1)(VCO)的输入端。
文档编号H02N2/00GK1650507SQ03809185
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月17日 优先权日2002年4月26日
发明者M·温德特, H·斯泰恩布斯奇, G·迪芬巴奇, C·雷钦格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司