CN1142289A - 超声波马达的控制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种可以独立地控制转矩的超声波马达的控制方法及其装置。在本发明中：(a)为使超声波马达(10)的振子(11)在机械点动作，设定利用机械性电感(Lo)和机械性电容(Co)串联谐振而互相抵消，(b)为了与静电电容(Cd)相抵消而在超声波马达的外部设置的电感(Ld)分量构成并联谐振的谐振电路(23)，并采用超声波马达的机械臂电阻和构成转矩。密勒电路的电路，(C)将对应于超声波马达的基准转矩的基准电压加在超声波马达的压电元件(13，14)上来控制超声波马达的转矩。向驱动振子(11)的压电元件(13，14)上加的电压与转矩成比例。在转短·密勒电路的外部附加速度控制回路，则能够进行超声波马达的速度控制。在速度控制回路的外部再附加位置控制回路，则能够进行超声波马达的位置控制。
Description
技术领域
本发明涉及超声波马达的控制方法及其装置。特别是涉及可以独立地控制转矩的超声波马达的控制方法及其装置。
技术背景
超声波马达自发表以来已经大致有10年了。
超声波马达具有优异的高转矩特性，正在考虑应用其特性，以便在各种领域使超声波马达实用化。
然而，对于超声波马达的控制，迄今尚未确立正确地管理所产生的转矩的方法，即，迄今尚未提出过独立地控制转矩的方法。结果，超声波马达迄今未能达到像电磁型伺服电机那样自由地用于加减速控制，例如作为机器臂的一部分进行加减速控制那样的实用化程度。就是说，迄今的超声波马达尚不能像电磁型伺服电机那样使用，因不能构成电流回路因而不能与市售通用的机器人控制器直接连接而协调动作。
下面对此详细叙述。
驱动超声波马达时，为了减小损耗，多半在机械共振点附近使用，但自超声波马达发表至今，为了控制超声波马达，试着采用故意偏离机械的共振点以改变超声波马达的灵敏度的方法。可是，这种方法因与改变超声波马达的阻抗来控制超声波马达一样，本质上是一种破坏超声波马达的控制***的线性关系的控制方法，不能实现稳定的超声波马达的控制。
在超声波马达发表的初期阶段，关于超声波的速度控制的方法有几种提案。任何一种这类速度控制方法，均是检测装入超声波马达的一部分的振幅传感器的输出电压，或者流过压电元件的电流振幅的绝对值或相位差，直接改变谐振频率，而进行速度控制的方法。然而，这些控制方法不是独立地控制转矩的方法，所以不适合像电磁型电动机那样组成伺服回路。
最近作为改进了的超声波马达的控制方法，提出了根据转子的旋转速度，参照以表格形式存储在控制器的存储器中的数据，反算出产生的转矩，改变速度基准值的方法。这种方法由于控制对象最终是驱动电压或谐振频率，必须检测转子的转速；利用作为表格存储在存储器中的数据并计算此表格，这样也就引入了间接的参数、难以降低噪声，很难直接控制转矩，作为伺服回路仍然有缺点。
这样，迄今被提出的实用化的超声波马达的控制方法，很难将超声波马达装入市售的机器人的控制器，进行协调动作。
发明的公开
本发明的目的在于提供能够容易地且稳定地控制超声波马达的超声波马达的控制方法及其装置。
本发明的特定目的在于提供可组成伺服回路的超声波马达的控制方法及其装置。
本申请的发明者分析了超声波马达的等效电路的结果，发现如满足某些条件，超声波马达的转矩可以表示为电压。
也就是说：
(a)为使超声波马达的振子在机械共振点动作，设定利用机械性电感(Lo)和机械性电容(Co)串联谐振而互相抵消，
(b)再者，为与静电电容(Cd)相抵消，采用外部安装的电感(Ld)构成并联谐振的谐振电路，
(c)发现了外加电压与转矩成比例的事实。
本发明就是以上述见解为依据的。
本发明的超声波马达的控制方法是为使超声波马达的振子的机械共振点一致，将加于该超声波马达的压电元件的电压和流过振子的电流间的相位差控制为0。
又，本发明的超声波马达的控制方法是检测超声波马达的振子的振幅，将该检测到的表示振子的振幅的电压和加在上述超声波马达的压电元件上的电压间的相位差控制为0。
最好对应于超声波马达的驱动转矩控制驱动前述超声波马达的加在压电元件上的电压。
以上所述，首先根据串联谐振条件，设定使机械性电感(Lo)与机械性电容(Co)相抵消。通常这样做是为了在减少损耗的条件下使超声波马达动作。其次，为与静电电容(Cd)相抵消，利用在超声波马达的外部设置的外加电感(Ld)构成并联谐振的谐振电路。由于这一点，超声波马达仅剩下机械臂电阻分量，只要控制与这个电阻连接的负载的状态即可，所以控制变得非常简单。此时，由于外加电压与转矩成比例，所以通过控制加在压电元件上的外加电压就能控制超声波马达的转矩。
如果根据本发明的超声波马达的控制方法，使超声波马达的振子的机械共振点一致，设置具有与振子的静电电容有谐振关系的电感分量的谐振电路，并根据超声波马达的驱动力矩，控制加在超声波马达的压电元件上的电压。
如果根据本发明的超声波马达的控制方法，使超声波马达的振子的机械共振点一致，设置具有与前述振子的静电电容有谐振关系的电感分量的谐振电路，采用前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的电路，并将对应于超声波马达的基准转矩的基准电压加在前述超声波马达的压电元件上，控制前述超声波马达的转矩。
本发明的超声波马达的控制方法，在前述转矩·密勒电路的外部附加速度控制回路，能够进行前述超声波马达的速度控制。
本发明的超声波马达的控制方法，在前述转矩·密勒电路的外部附加速度控制回路，又在其外部附加位置控制回路，还能够进行超声波马达的位置控制。
再者，上述(a)为使超声波马达的振子的机械共振点一致，将加于该超声波马达的压电元件上的电压和流过振子的电流间的相位差控制为0的方法，可以代替为(b)设置检测超声波马达的振子的振幅的振幅传感器，并控制使该振幅传感器的输出电压与加在压电元件上的电压之间的相位差为0。
按照上述的控制方法，可以把超声波马达像电磁型电动机那样组成伺服回路。
还有，如果采用本发明，则能提供一种超声波马达的控制装置，用来对具有振动体、在此振动体的一面配置的转子和在前述振动体的另一面保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达进行转矩控制，将具有与前述超声波马达的静电电容之间有谐振关系的电感分量的谐振电路与前述超声波马达连接，前述超声波马达的控制装置具备设有构成前述超声波马达的机械臂电阻和力矩·密勒电路的电路、用来将基准转矩变换成对应的基准电压的转矩·电压变换装置；以及将从该转矩·电压变换装置所得到的变换电压加在前述2组压电元件上的装置。
前记转矩·密勒电路最好构成对前述机械臂电阻和前述超声波马达的机械臂电流进行乘法运算的电路。
前述超声波马达的控制装置中，最好在前述转矩·电压变换装置的前级或后级设置在前述基准电压上施加偏压的加法装置。
如果采用本发明，则能提供一种超声波马达的控制装置，用来对具有振动体、在此振动体的一面配置的转子和在前述的振动体的另一面为保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达进行速度控制，将具有与前述超声波马达的静电电容之间有谐振关系的电感分量的谐振电路与前述超声波马达连接；前述超声波马达的控制装置具有：前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的回路；将基准转矩变换为对应的基准电压的转矩·电压变换装置；将从该转矩·电压变换手段所得到的变换电压加在前述2组压电元件上的装置；检测前述超声波马达的速度信号的装置；算出基准速度信号和前述检测的速度信号之间的误差的速度误差运算装置；以及将该速度误差变换成前述基准转矩的速度·转矩变换装置。
如果采用本发明，则能提供一种超声波马达的控制装置，用来对具有振动体、在此振动体的一面配置的转子和在前述振动体的另一面为保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达进行位置控制，将具有与前述超声波马达的静电电容之间有谐振关系的电感分量的谐振电路与前述超声波马达连接，前述超声波马达的控制装置具有：前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的电路；将基准转矩变换成对应的基准电压的转矩·电压的装置；将从该转矩·电压变换装置所得到的变换电压加在前述2组压电元件上的装置；检测前述超声波马达的速度信号的装置；算出基准速度信号和前述检测的速度信号之间的误差的速度误差运算装置；将该速度误差变换成前述基准转矩的速度·转矩变换装置；前述超声波马达的转子位置的检测手段；算出该检测的位置信号与基准位置信号之间的误差的位置误差运算装置；以及将该算出的位置误差信号变换成前述速度基准信号，并加在前述速度误差信号运算装置上的位置·速度变换装置。
如果采用本发明，则能提供一种超声波马达的控制装置，它具有：使有振动体、在以振动体的一面上配置的转子和在前述振动体的另一面为保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达的振子的机械共振点一致的装置；具有与前述振子的静电电容有谐振关系的电感分量的谐振电路；以及对相应于前述超声波马达的驱动转矩，控制加在前述超声波马达的压电元件上的电压的装置。
另外，如果采用本发明，则能提供一种超声波马达的控制装置，它具有：使有振动体、在此振动体的一面配置的转子和在前述振动体的另一面为保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达的振子的机械共振点一致的装置；具有与前述振子的静电电容有谐振关系的电感分量的谐振回路，以及采用前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的电路，将与前述超声波马达的基准转矩对应的基准电压加在前述超声波马达的压电元件上的装置。
附图的简单说明
第1图是说明本发明的超声波马达的基本原理的超声波马达的示意图，第1图(A)是超声波马达10的断面图、第1图(B)是基本动作原理说明图、第1图(C)是基本动作说明图。
第2图是第1图所示的超声波马达的等效电路。
第3图是图解超声波马达的2相驱动原理的图。
第4图(A)～(C)是将第2图所示的等效电路简化用的图解图。
第5图是第4图(C)中的等效电路的超声波马达的静态特性图。
第6图是驱动超声波马达的基本等效电路图。
第7图是采用了本发明的力矩·密勒电路的超声波马达的转矩控制电路的等效电路图。
第8图是将第7图中的电路扩展后、进行速度控制及位置控制的等效电路结构图。
实施发明的最佳形态
实施例1
超声波马达的基本原理
首先叙述超声波马达。
第1图(A)是应用本发明的超声波马达的概略断面图，第1图(B)及(C)是说明第1图(A)所示的超声波马达的基本动作用的图。
如第1图(A)所示，超声波马达10有振动体11、压接配置在该振动体11的一面上的转子12和在振动体11的与转子12相反的另一面上设置的使振动体11振动的2组压电元件(压电致动器)、即A相压电元件13和B相压电元件14。
A相压电元件13和B相压电元件14被错开1/2节距，粘贴在振动体11的表面。这两组压电元件13、14是超声波马达10的驱动源。A相压电元件13和B相压电元件14是相互共轭、亦即等效。给这些压电元件加以正波(sin)电压及余弦(cos)电压。由该驱动方式产生的行波称准行波。
现说明此超声波马达10的动作原理
如给粘贴在振动体11上的错位1/2节距的A相压电元件13和B相压电元件14加以相差π/2(弧度)相位的电压，即分别加以正弦波sin电压和余弦波cos电压，则在A相压电元件13和B相压电元件14上产生相差π/2(弧度)的两个驻波。此两驻波合成后，产生由下式表示的行波PW，如图1(B)所示。
Asin(ωt-kx)
由于此行波PW的作用，振动体11反复作后述的由式(4)表示的椭圆运动。结果转子12向DP方向移动，即转子12相对于振动体11旋转。因此，超声波马达具有了马达的机能。
实际的超声波马达为了圆滑地进行摩擦驱动，对转子进行了各种改进。其机械的等效回路也变得复杂了。
从控制的立场来看，随着各种超声波马达的形状的不同，就有各种不同的超声波马达的稳定驱动的条件。这里为了讨论简单化，假定为理想的超声波马达。
假定第1图(A)所示的超声波马达10有下述理想的超声波马达的条件：
(1)振动体11与转子12之间没有整体的滑动。就是说振动体11的振幅与转子12的速度之间有比例关系。
(2)无负荷时旋转起始电压大致一定，且不太大。就是说、超声波马达10的效率低，振动体11尽管在振动但不旋转。
如果使用这种理想的超声波马达的等效电路，即使存在各种形状的超声波马达，但具有既能够适用于大部分超声波马达的等效电路的模型，又能适用于超声波马达以外的压电致动器这样的优点。
本发明原则上能适用于线性超声波马达、复合振动体及行波型超声波马达，作为代表，下面举例说明行波型超声波马达。
第1图(B)是第1图(A)所示的超声波马达10即所熟知的行波型超声波马达的示意图。
如上所述，给A相压电元件13与B相压电元件14加上相差π/2(弧度)相位的电压，使板状振动体11的表面发生用Asin(ωt-kx)式表示的行波振动，并在板状振动体11的表面上产生由行波PW引起的椭圆振动，(椭圆运动由后述的式(4)表示)，产生和行波方向相反的驱动力DP，使转子12相对于振动体向一定方向移动。在振动体11产生的振动达到最高点的部分转子12运动。
板式振动体11的弯曲位移u(t，x)可由式(1)表示。
u(t，x)＝Acos(ωt＋kx) ……(1)
式中：u(t，x)是在时间t时x方向上的位置。
A是力系数。
ω是角速度(ω＝2πf)。
K是常数。
将式(1)分解成2组分量，由下式(2)表示：
Acos(ωt＋kx)
＝Acosωt·coskx-Asinωt·sinkx
＝Acosωt·sin(π/2-kx)-Asinωt·sinkx
……(2)
式(2)意味着在空间相差90度(1/2节距)处时间相差90度的相位不同的两个正弦波振动相加而成的行波。
式(2)中的第1项是由A相压电元件13产生的A相分量，第2项是由B相压电元件14产生的B项分量。
行波进行方向x轴上的各点的速度ux/t可由下式(3)表示：
且椭圆运动可由下式(4)给出：
A相压电元件13和B相压电元件14可将电能变成机械位移，由下列式(5)。式(6)所示压电方程式表示。这些压电方程式是从压电体来看而作出的等效电路的基本方程式。
F＝Zv-AV ……(5)
I＝Av-Yd·V ……(6)
式中：F是力(矢量)
v是速度(矢量)
Z是与速度成比例的机械阻抗。
A是力系数(压电元件的力/电变换能力)。
V是加在压电元件上的电压。
I是流过压电元件的电流。
Yd是电容器(其静电电容＝Cd)的容纳。其中Yd＝JωCd
由式(5)、式(6)可知力F(由于印刷方面的原因省略了用粗体字或上面加箭头的矢量表示方法、下同)对应于加在压电元件13、14上的电压V，速度v对应于流过压电元件的电流I。
第2图表示等效电路。第2图中的图解符号的意义如下：
Cd：电容器的静电电容。
id：静电电容的电流。
im：机械臂电流。(与速度v对应)。
Lo：机械性电感(＝质量m)。
Co：机械性电容(＝1/k弹簧)。
ro：无负荷时的机械臂电阻(＝与速度成比例的无负荷时的磨擦阻力R)。
Vp：电池或电源的电压(对应于力或转矩)。
ZL：与振子或转子连接的负载电阻。
负载电阻ZL＝0时意味着无负载运转。流过负载电阻ZL的电流im意味着振子的机械速度v，是所具有的角频率ω的振动分量。角频率ω一般为10～180Khz。
在行波型超声波马达的场合、因为其周期的一部分被利用、且只取出一定方向的力，故外加电压所含的e(jωt)分量并不出现、仅振幅函数Vp(t)加在负载电阻Zl上。A相与B相共轭的缘故有同样的波形出现。
第2图所示的等效电路与DC伺服电机的等效电路的电流(力矩)、电压(速度)在意义上有相反的关系。
现在说明行波和A相压电元件、B相压电元件的驱动方法。
第3图是按经过的时间对行波的移动和A相、B相压电元件的振动表面沿X方向(＝进行方向)的速度分量的关系进行的图解。振子(转子)在图中以粗线表示接触部分。
如下表1所示，在第2图所示的等效电路中的相位状态下，电压与电流同相，即A相压电元件13、B相压电元件14的表面产生的力与速度同相。
表1
A相 B相电压 cosωt sinωt电流 cosωt sinωtZ速度 cosωt sinωtX速度 cos2ωt sin2ωt转矩 cos2ωt sin2ωt电力 cos2ωt sin2ωt
转子12摩擦材料用粘弹性体时，A相压电元件13、B相压电元件14发生分别与其表面速度成比例的弹性摩擦力、其合成的和决定了速度下降率。由此下降率及从第3图计算的X方向的速度积分值，可求得表1中的各相压电元件13、14的驱动电压、电流、表面速度、转矩及电力。由此可理解A相、B相完全等效，通过合成可获得一定的转矩及速度。
为了将第2图所示的等效电路进一步简化，参考第4图(A)～第4图(C)加以考察。
第4图(A)是在超声波马达10的A相压电元件13及B相压电元件1 4上只施加相差π/2(弧度)相位的电压的电源21和作为电容器的静电电容Cd与超声波马达10并联的图。第4图(B)是其等效电路。第4图(C)是第4图(B)所示的等效电路的简化电路图。
若设振子11的机械共振频率为f0，根据串联谐振条件，则下式成立：
2πf0＝ω0 ……(7)
于第2图中机械电感Lo及机械电容Co处于串联谐振条件下，因其阻抗相等而相抵消，可以认为机械电感Lo及机械电容Co不存在。
因为静电电容Cd是纯粹的静电电容分量，如下式所示，假设与超声波马达10的外部设置的电感构成谐振电路(并联谐振电路)23(参考第四图(B))，这些Cd和Ld的阻抗相等而相抵消，也可以认为静电容量Cd不存在。
(a)为使振子11在机械的共振点动作，根据串联谐振条件设定使机械电感Lo与机械电容Co相抵消。
(b)又，如果根据并联谐振条件，采用与静电电容Cd相抵消的外加的电感Ld构成谐振电路23，则振子11的等效电路最终如第4图(C)所示，简单地由机械臂电阻ro和负荷24的负载电阻ZL构成。
因为转子12有解调功能，所以第4图(C)所示的电路，如第5图中的图解所示，可直接作为超声波马达10的静特性式使用。就是说，这个简化了的等效电路表示加在超声波马达10的A相压电元件13及B相压电元件14上的电源21的电压Vp(t)与力矩成比例这一事实、并可和在上述两个谐振状态下，控制了电源21的电压Vp(t)就可控制超声波马达10的转矩。
由于A相压电元件13、B相压电元件14中流过的电流im可以检测，将此电流im预先由导纳园检测出来，乘以机械臂电阻ro，就是超声波马达的内部电压Vi＝im×ro，再加上基准(指令)电压Vr就是加在A相压电元件13、B相压电元件14两端的电压Vo＝Vt＋Vi。
实现这点的电路结构示于第6图。
超声波马达控制回路100有：将转矩指令乘以系数KTV，并变换为对应于转矩指令TR的基准电压Vr的乘法器(电路)101；把修正无负载时的停止电压用的电压(停止电压的修正电压)ΔVo作为偏压加在上述基准电压上，而生成修正了基准电压的修正基准电压Vr′的加法器(电路)103；将超声波马达内部电压Vi＝im×ro与修正基准电压Vr′相加的加法器(电路)105；检测超声波马达10的A相压电元件13、B相压电元件14的电流的电流检测电路109；用此电流检测电路109检测的机械臂电流im乘以机械臂电阻ro而算出超声波马达内部电压Vi＝im×ro的乘法器(电路)107。
超声波马达10与谐振电路23相连接。
于此例中，超声波马达10的A相压电元件13、B相压电元件14上所加的电压Vo可用下式表示。
Vo＝Vr’＋VI
＝Vr＋ΔVO＋VI
＝(Tr×KTV)＋AVo＋V1
但作为偏压加于马达来修正无负载时的停止电压的电压(无负载停止电压的修正电压)ΔVo是可选择的，即使不加也可以。这时不需要加法器103，这时超声波马达10的A相压电元件13，B相压电元件14上所加电压变成下式所示。
Vo＝Vr＋VI＝(TR×KTV)＋VI
若把上述电压Vo加在压电元件13，14的两端，则超声波马达10的输出轴就输出与基准电压Vr或修正基准电压Vr′成比例的转矩。
实施例2
第7图是在第6图中的超声波马达控制电路100中加上超声波马达内部的等效电路110及机构***130后图解了的超声波马达控制电路200的等效电路。
该超声波马达控制电路200是由第6图所示的超声波马达控制电路100和超声波马达内部的等效电路110，机构***130构成的。
超声波马达控制电路100，与第6图中的图解的一样，有：变换为对应于转矩指令TR的基准电压Vr的乘法器(电路)101；把修正无负载时停止电压用的电压(停止电压的修正电压)ΔVo作为偏压加在该基准电压上而生成修正基准电压Vr′的第1加法器(电路)103；把超声波马达内部电压Vi(＝im×ro)加上修正基准电压Vr′的加法器(电路)105；将机械臂电阻ro乘以电流im且算出超声波马达内部电压Vi(＝im×ro)的乘法器(电路)107。
超声波马达内部等效电路110有：由加法器(电路)105输出的作用于超声波马达的A相压电元件13、B相压电元件14上的停止电压修正电压Vo加上乘法器(电路)115输出的超声波马达内部电压Vi的加法器(电路)111；将由加法器(电路)111输出的相加后的电压Vo′＝Vo＋Vi变换成转矩的电压·转矩变换部113；将电压·转矩变换部113产生的转矩T变换成电流的转矩。电流变换部117；算出电流im的加法器(电路)119；机械臂电阻ro乘以机械臂电流im而算出超声波马达内部电压的乘法器(电路)115。
机构***130如图所示由具有1/Js惯性的惯性等效部131及积分***133构成。惯性等效部131的输出是速度(带有点的θ)，积分系133的输出是位置θ。
超声波马达内部等效电路110还有将惯性等效部131输出的速度(带点的θ)变换为电流的速度·电流变换器(电路)121。积分***133的输出是位置θ。
在超声波马达的等效电路110中，由电压·转矩变换部113表示的超声波马达的振动体11对应于加在图1(A)所示的A相压电元件13、B相压电元件14上的电压Vo而振动，转子12旋转(移动)。在电压·转矩变换部113中产生的转矩T由转矩·电流变换部117变换为对应的电流。速度·电流变换器(电路)121把惯性等效部131输出的速度变换为对应的电流。转矩·电流变换部117的输出和速度·电流变换器(电路)121的输出用加法器(电路)相加后作为检测电流(机械臂电流)im送入乘法器(电路)107、和乘法器(电路)115。
马达的负载经常地变化，但在该转矩控制部200中，由乘法器(电路)107、加法器(电路)105构成的超声波马达控制电路100内的电路与由乘法器(电路)115、加法器(电路)111构成的超声波马达内部等效电路内的电路是完全对称的、所以在负载两端施加等于修正基准电压VR′的电压。这个电路相当于电压密勒电路，且因电压与转矩等效，故称之为“转矩·密勒电路”。
超声波马达控制电路200以对应于基准转矩TR的修正基准电压VR′，使电压·转矩变换部113表示的超声波马达动作。
这样，如果采用本发明，就能根据转矩控制超声波马达。
实施例3
以上，作为本发明的超声波马达控制方法，叙述了基本的转矩控制，本发明还可以进行速度控制和位置控制。
兹将超声波马达的转矩控制、速度控制及位置控制的全体控制装置300的框图示于第8图。
在第8图中，全体控制装置300中设有包含了第7图中图解了的超声波马达控制电路100及作为超声波马达内部等效电路110而示出的转矩·密勒电路140的转矩控制回路150，以及在此转矩控制回路150和机构***130的惯性等效部131的外侧设置的速度控制回路320，而在其外侧设有位置控制回路310。
省去了图解的超声波马达控制电路100如图7所示，有乘法器(电路)101、加法器(电路)103、加法器(电路)105、乘法器(电路)107。
同样，省去了图解的超声波马达内部的等效电路110如第7图中的图解所示，有加法器(电路)111、电压·转矩变换部113、乘法器(电路)115、转矩·电流变换部117、加法器(电路)119、及速度·电流变换器(电路)121。
机构***130是由惯性等效部131和积分***133构成的。
位置控制回路310有算出积分***133的输出位置信号与基准位置信号θR偏差(误差)Δθ的加法器(或减法器)311，以及把位置误差信号Δθ变换成基准速度信号(带点的θ)的乘法器(位置·速度变换器)313。
速度控制回路320有算出由乘法器313(位置·速度变换器)输出的基准速度信号(带点的θ)与由惯性等效部131输出的速度信号(带点的θ)的误差(偏差)的加法器(减法器)321，以及把由该加法器(减法器)321算出的误差速度信号变换为基准转矩TR的速度·转矩变换电路(乘法器)323。
速度信号可使用将检测机械臂电流im或超声波马达10的旋转位置的编码器(未图示)的输出值微分后的值。位置信号可把机械臂电流im积分后作为位置信号或使用编码器的检测值。
现说明第8图所示的全体控制装置300的动作。
此全体控制装置300中，作为局部回路使转矩控制回路150运行，其外部的速度控制回路320进行速度控制，位置控制回路310进行位置控制。
转矩控制回路150，在输入基准转矩TR后，随着上述转矩·密勒电路140的动作，对超声波马达10进行转矩控制。
速度控制回路320为使惯性等效部131的实际速度信号(带点的θ)与乘法器(位置·速度变换器)313的基准速度信号(带点的θR)一致而产生基准转矩TR，跟踪此基准转矩TR，对超声波马达10进行速度控制。
位置控制回路310为了使积分***133的实际位置信号θ与基准位置信号θR一致，对超声波马达10进行位置控制。
第8图中的控制框图与电磁型电动机的通常的伺服回路一样，因而根据本发明的控制方法，超声波马达可以组成与电磁型电动机一样的伺服回路。
特别是本发明的超声波马达的频率特性可以延伸到很高的区域。因而，基于这种控制方法超声波马达可以容易地组成速度、位置控制回路，用于工厂自动化的机械人、操纵器。换言之，按照本发明的控制方法，超声波马达可以与电磁型电动机同样地使用。这种场合，可以利用超声波马达本身的高转矩特性，非常低的转速等优点。
这样，如采用本发明的控制方法，超声波马达可能像电磁型电动机那样组成伺服回路。因而超声波马达适合用于例如工厂自动化的机器人等。
再者，在第8图所示的全体控制装置300中，不含有位置控制回路310，也能够只进行速度控制。这种场合可以把第8图所示的加法器(或减法器)311、乘法器(位置·速度变换器)313除去。
本发明的实施不限于上述的实施例。
例如，在详述的实施例中，为使超声波马达的振子的机械共振点一致，说明了将加于该超声波马达的电压和流过振子的电流的相位差控制为0的方法。作为其他方式，如设置振幅传感器检出超声波马达振子的振幅，并可控制振幅传感器的输出电压与加在压电元件上的电压的相位差为0。
振幅传感器是将通常在压电元件内部形成的并在传感器两端发生的电荷流过电阻时的电压加以放大而作为输出电压的。
此外，以上的实施例以行波型超声波马达为代表进行了说明，但实施本发明时，并不限于行波型超声波马达，其他超声波马达，例如，复合型超声波马达等也能适用。
如果采用本发明的基于转矩·密勒方式的超声波马达的控制方法，则能够根据加在超声波马达上的电压控制转矩。换言之，对于超声波马达可以与电磁型电动机一样组成伺服回路。
而且如果采用本发明的超声波马达的控制方法，不仅可组成伺服回路、还能利用超声波马达的特征，例如高转矩特性等电磁型电动机所不能实现的特性。
工业上的利用领域
本发明的超声波马达能适用于组成伺服回路的各种控制装置。
Claims (16)
1.一种超声波马达的控制方法，其特征在于：为使超声波马达的振子的机械共振点一致，将加于该超声波马达的压电元件上的电压和前述振子中流过的电流的相位差控制为0。
2.一种超声波马达的控制方法，其特征在于：检测超声波马达振子的振幅，
将该检测的表示振子振幅的电压和加在前述超声波马达的压电元件上的电压的相位差控制为0。
3.根据权利要求1或2所述的超声波马达的控制方法，其特征在于：
对应于前述超声波马达的驱动转矩，控制驱动前述超声波马达的加在压电元件上的电压。
4.一种超声波马达的控制方法，其特征在于：使超声波马达的机械共振点一致，
设置具有前述振子的静电电容和有谐振关系的电感分量的谐振电路，
根据前述超声波马达的驱动转矩，控制加在前述超声波马达的压电元件上的电压。
5.一种超声波马达的控制方法，其特征在于：使超声波马达的机械共振点一致，
设置具有与前述振子的静电电容有谐振关系的电感分量的谐振电路，
采用前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的电路，将对应于前述超声波马达的基准转矩的基准电压加于前述超声波马达的压电元件上。
控制前述超声波马达的转矩。
6.根据权利要求5所述的超声波马达的控制方法，其特征在于：在前述的转矩·密勒电路的外部附加速度控制回路，进行前述超声波马达的速度控制。
7.根据权利要求6所述的超声波马达的控制方法，其特征在于：在前述的转矩·密勒电路的外部所附加的速度控制回路的外部再附加位置控制回路，再进行前述超声波马达的位置控制。
8.一种超声波马达的控制位置，它对有振动体、在此振动体的一面配置的转子和在前述振动体的另一面为保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达进行转矩控制，该超声波马达控制装置的特征在于：
将具有与前述超声波马达的静电电容之间存在谐振关系的电感分量的谐振电路与前述超声波马达连接；
前述超声波马达的控制装置有：
前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的回路；
将基准转矩变换成对应的基准电压的转矩·电压变换装置，
以及将从该转矩·电压变换装置所得到的变换电压加于前述2组压电元件上的装置。
9.根据权利要求8所述的超声波马达的控制装置，其特征在于：前述力矩·密勒回路构成前述机械臂电阻和前述超声波马达的机械臂电流的乘法电路。
10.根据权利要求8或9所述的超声波马达的控制装置，其特征在于：前述超声波马达在前述转矩·电压变换装置的前级或后级，设置了将前述基准电压与偏压相加的加法装置。
11.一种超声波控制装置，它对有振动体，在此振动体的一面配置的转子和在前述振动体的另一面为保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达进行速度控制，该超声波马达控制装置的特征在于：
将具有与前述超声波马达的静电电容之间有谐振关系的电感分量的谐振电路与前述超声波马达连接，
前述超声波马达的控制装置有：
前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的回路；
将基准转矩变换成对应的基准电压的转矩·电压变换装置；
将从该转矩·电压变换装置所得到的变换电压加于前述2组压电元件上的装置；
检测前述超声波马达速度信号的装置；
将基准速度信号和前述检测的速度信号之间的误差算出来的速度误差运算装置；
以及将该速度误差变换成前述基准转矩的速度·转矩变换装置。
12.根据权利要求11所述的超声波马达的控制装置，其特征在于：前述转矩·密勒电路构成前述机械臂电阻和机械臂电流的乘法电路。
13.一种超声波马达控制装置，它对有振动体、在此振动体的一面配置的转子和在前述振动体的另一面为保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达进行位置控制，该超声波马达控制装置的特征在于：
将具有前述超声波马达的静电电容和有谐振关系的电感分量的谐振电路与前述超声波马达连接，
前述超声波马达的控制装置有：
前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的回路；
将基准转矩变换成对应的基准电压的转矩·电压变换装置；
将从该转矩·电压变换装置所得到的变换电压加在前述2组压电元件上的装置；
检测前述超声波马达的速度信号的装置；
将基准速度信号和前述检测的速度信号之间的误差算出来的速度误差运算装置；
将该速度误差变换成前述基准转矩的速度·转矩变换装置；
前述超声波马达的转子位置的检测手段；
将该检测的位置信号与基准位置信号之间的误差算出来的位置误差运算装置；
将该算出的位置信号变换成前述基准速度信号，并送给前述速度误差信号运算装置的位置·速度变换装置。
14.根据权利要求13所述的超声波马达的控制装置，其特征在于：前述转矩·密勒电路构成前述机械臂电阻和机械臂电流的乘法电路。
15.一种超声波马达控制装置，其特征在于：具有使有振动体、在此振动体的一面配置的转子和在前述振动体的另一面为保持规定电压而设置的至少2组压电元件的超声马达的振子的机械共振点一致的装置；
有与前述振子的静电电容之间存在谐振关系的电感分量的谐振电路；
根据前述超声波马达的驱动转矩，控制加在前述压电元件上的电压的装置。
16.一种超声波马达的控制装置，其特征在于：具有使有振动体、在此振动体的一面配置的转子和在前述振动体的另一面为保持规定的相位而设置的至少2组压电元件的超声波马达的振子的机械共振点一致的装置；
有与前述振子的静电电容之间有谐振关系的电感分量的谐振电路；
采用前述超声波马达的机械臂电阻和构成转矩·密勒电路的回路，将与前述超声波马达的基准转矩对应的基准电压加在前述压电元件上的装置。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1032056B1 (en) * | 1999-02-26 | 2004-10-20 | Honda Electronics Co., Ltd. | Ultrasonic driving motor |
| CN110661445B (zh) * | 2019-09-12 | 2022-07-26 | 重庆邮电大学 | 一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法 |
| JP2024081849A (ja) * | 2022-12-07 | 2024-06-19 | ダイキンファインテック株式会社 | 超音波発生装置および基板処理装置 |
Family Cites Families (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07108103B2 (ja) * | 1984-11-19 | 1995-11-15 | 松下電器産業株式会社 | 超音波モ−タ装置 |
| JPS61203883A (ja) * | 1985-03-06 | 1986-09-09 | Fanuc Ltd | サ−ボモ−タ制御方式 |
| GB2183371B (en) * | 1985-10-09 | 1989-09-27 | Canon Kk | Vibration wave motor and drive circuit therefor |
| JPH078153B2 (ja) * | 1986-07-14 | 1995-01-30 | キヤノン株式会社 | 振動波モーター装置 |
| KR960001956B1 (ko) * | 1987-09-08 | 1996-02-08 | 가부시끼가이샤 메이덴샤 | 전기 모터 회전 속도 제어 시스템 |
| US4888514A (en) * | 1987-10-16 | 1989-12-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Driving apparatus for ultrasonic motor |
| JPH01214276A (ja) * | 1988-02-19 | 1989-08-28 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波モータの制御装置 |
| JP2637467B2 (ja) * | 1988-05-06 | 1997-08-06 | キヤノン株式会社 | 振動型アクチュエーター装置 |
| JPH01298967A (ja) * | 1988-05-25 | 1989-12-01 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波アクチュエータ駆動装置 |
| JP2615848B2 (ja) * | 1988-05-26 | 1997-06-04 | 松下電器産業株式会社 | 超音波アクチュエータの制御装置 |
| US4965532A (en) * | 1988-06-17 | 1990-10-23 | Olympus Optical Co., Ltd. | Circuit for driving ultrasonic transducer |
| JPH02101974A (ja) * | 1988-10-07 | 1990-04-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超音波モータ駆動装置 |
| US5087850A (en) * | 1989-04-19 | 1992-02-11 | Olympus Optical Co., Ltd. | Ultrasonic transducer apparatus |
| JPH02303379A (ja) * | 1989-05-18 | 1990-12-17 | Aisin Seiki Co Ltd | 超音波モータ |
| US5113116A (en) * | 1989-10-05 | 1992-05-12 | Firma J. Eberspacher | Circuit arrangement for accurately and effectively driving an ultrasonic transducer |
| JPH03145976A (ja) * | 1989-10-30 | 1991-06-21 | Nikon Corp | 超音波モータの駆動装置 |
| US5153486A (en) * | 1989-12-13 | 1992-10-06 | Seiko Instruments Inc. | Ultrasonic motor |
| EP0654889B1 (en) * | 1990-02-14 | 1999-05-06 | Nikon Corporation | Driving device for ultrasonic wave motor |
| JP2996483B2 (ja) * | 1990-04-05 | 1999-12-27 | キヤノン株式会社 | 振動型モータ |
| JP2737420B2 (ja) * | 1991-03-04 | 1998-04-08 | 日本電気株式会社 | 超音波モータの駆動方式 |
| JP3165701B2 (ja) * | 1991-03-06 | 2001-05-14 | キヤノン株式会社 | 振動波モーター |
| DE4134781A1 (de) * | 1991-10-22 | 1993-04-29 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren zur regelung der frequenz eines wanderwellenmotors und regeleinrichtung hierzu |
| FR2686805A1 (fr) * | 1992-02-04 | 1993-08-06 | Kodak Pathe | Dispositif permettant de dissoudre des bulles gazeuses contenues dans une composition liquide utilisable notamment pour les produits photographiques. |
| JPH05328757A (ja) * | 1992-05-21 | 1993-12-10 | Canon Inc | 振動波アクチュエータの駆動装置 |
| JPH06269180A (ja) * | 1993-01-19 | 1994-09-22 | Jidosha Denki Kogyo Co Ltd | 超音波モータ制御装置 |
| US5578888A (en) * | 1994-12-05 | 1996-11-26 | Kulicke And Soffa Investments, Inc. | Multi resonance unibody ultrasonic transducer |
-
1995
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- 1995-11-17 WO PCT/JP1995/002361 patent/WO1996016470A1/ja not_active Application Discontinuation
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- 1995-11-17 EP EP95938034A patent/EP0749200A4/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101420190B (zh) * | 2007-10-26 | 2011-02-16 | 博立码杰通讯(深圳)有限公司 | 超声电机的驱动方法 |
| US9397284B2 (en) | 2012-05-07 | 2016-07-19 | Fairchild Korea Semiconductor Ltd | Piezoelectric circuit, piezoelectric driving circuit for the piezoelectric circuit, and piezoelectric driving method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5886453A (en) | 1999-03-23 |
| WO1996016470A1 (fr) | 1996-05-30 |
| EP0749200A4 (en) | 1999-02-24 |
| CN1110887C (zh) | 2003-06-04 |
| MY120661A (en) | 2005-11-30 |
| EP0749200A1 (en) | 1996-12-18 |
| KR100382899B1 (ko) | 2003-07-23 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |