JP5408978B2 - Ultrasonic motor speed control device and speed control method - Google Patents
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Description
本発明は、低速回転時でも消費電力を抑えることができる、超音波モータの速度制御装置等に関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor speed control device and the like that can suppress power consumption even during low-speed rotation.
超音波モータは、内蔵するピエゾ素子の機械共振を用いて回転するモータである。超音波モータでは、ピエゾ素子に90度位相の異なるA相供給信号、B相供給信号を、コイルを介して供給し、ピエゾ素子に歪みを発生させ、歪みエネルギを回転運動に変換している。 An ultrasonic motor is a motor that rotates using mechanical resonance of a built-in piezoelectric element. In an ultrasonic motor, an A-phase supply signal and a B-phase supply signal having a phase difference of 90 degrees are supplied to a piezo element through a coil to generate distortion in the piezo element and convert distortion energy into rotational motion.
共振は、機械共振だけでなく電気でも起こり、コイルとコンデンサとを組み合わせると共振する。このため、ピエゾ素子の電気的な等価回路として図13に示す回路で、ピエゾ素子は表現される。 Resonance occurs not only with mechanical resonance but also with electricity, and resonates when a coil and a capacitor are combined. For this reason, the piezoelectric element is expressed by the circuit shown in FIG. 13 as an electrical equivalent circuit of the piezoelectric element.
図13において、100はピエゾ素子である。ピエゾ素子100に含まれるコンデンサ102は電極間容量を示すコンデンサであり、機械的共振には寄与しない容量成分である。103、104,105で示される抵抗、コイル、コンデンサの直列回路はRLC直列共振回路と呼ばれる。直列共振回路のコイル104と、コンデンサ105が、電気的な共振をすることにより、機械的な共振が発生し、ピエゾ素子に歪が発生する。
In FIG. 13,
コンデンサ105とコイル104にて発生する電気的な共振は、外付けコイル101を経由して供給される、駆動信号の周波数に依存する。コンデンサ105とコイル104が最も共振する駆動信号の周波数は、f=1/(2π√LC)で表される。
The electrical resonance generated in the
一例として出願人が用いている超音波モータにおいては、コンデンサ105が1.2nF、コイル104が15.8mHである。同例における超音波モータの共振周波数は、計算すると36.55KHzとなる。この共振周波数を以降、直列共振周波数と呼び説明する。
As an example, in the ultrasonic motor used by the applicant, the
駆動信号の周波数が、直列共振周波数に近づくほど、電気的な共振が大きくなり、このため機械的な共振も大きくなる。また、駆動信号の周波数が直列共振周波数に近づくほど、超音波モータは早く回転し、遠ざかるほど遅く回転する。また、超音波モータは直列共振周波数よりも高い周波数で駆動する。超音波モータを駆動する駆動信号は、通常方形波である。方形波をなまらせて正弦波にし、超音波モータに供給するため、外付けコイル101を用いる。
The closer the frequency of the drive signal is to the series resonance frequency, the greater the electrical resonance, and hence the greater the mechanical resonance. Further, the ultrasonic motor rotates faster as the frequency of the drive signal approaches the series resonance frequency, and rotates slower as it moves away. The ultrasonic motor is driven at a frequency higher than the series resonance frequency. The drive signal for driving the ultrasonic motor is usually a square wave. An
外付けコイル101と電極間容量であるコンデンサ102においても、電気的な共振が発生する。
Electrical resonance also occurs in the
一例としての超音波モータにおいて、電極間容量であるコンデンサ102は131nFであり、外付けコイル101は56uHである。同例における共振周波数は、f=1/(2π√LC)の計算式で計算すると58.76KHzとなる。この共振周波数を以降、外部共振周波数と呼び説明する。
In the ultrasonic motor as an example, the
図14は、図13に示した1例に於けるピエゾ素子の等価回路をシミュレーションし、電流の周波数依存度を表したグラフである。図14において、横軸は周波数を示し、34KHzから69KHzである。縦軸は電流を示し、最大7Aである。 FIG. 14 is a graph showing the frequency dependence of current by simulating an equivalent circuit of the piezoelectric element in the example shown in FIG. In FIG. 14, the horizontal axis indicates the frequency, which is 34 KHz to 69 KHz. The vertical axis represents the current, which is a maximum of 7A.
110は直列共振周波数36.55KHzでの電流増加である。111は外部共振周波数58.76KHzでの電流増加である。
110 is a current increase at a series resonance frequency of 36.55 KHz.
直列共振周波数110よりも高い周波数では、まず電流が急激に下がり、周波数が高くなるにつれて、徐々に電流が増加し、外部共振周波数で再度電流のピークが発生する。前記したように、直列共振周波数に近いほど、メカ的な共振が大きくなり、超音波モータは回転が速くなる。直列共振周波数から遠ざかるほど、すなわち高周波になるほど、メカ的共振が小さくなり、超音波モータは回転がおそくなる。
At a frequency higher than the
図18は、図14と同様、電流の周波数依存度を表したグラフであり、横軸を36KHzから44KHzとし、縦軸を最大1Aにし、図14のグラフを拡大したものである。 FIG. 18 is a graph showing the frequency dependency of the current, as in FIG. 14, in which the horizontal axis is 36 KHz to 44 KHz, the vertical axis is 1 A at maximum, and the graph of FIG. 14 is enlarged.
例えば、1分間に1回転、すなわち1rpmで超音波モータを回転させる場合、駆動周波数が44KHz近辺となり、電流は127に示すように約0.47Aとなる。高速回転時の電流は、126に示すように約0.15Aであり、1rpmでの電流0.47Aは3倍以上となる。 For example, when the ultrasonic motor is rotated once per minute, that is, at 1 rpm, the drive frequency is around 44 KHz, and the current is about 0.47 A as indicated by 127. The current at the time of high speed rotation is about 0.15 A as indicated by 126, and the current 0.47 A at 1 rpm is three times or more.
超音波モータを使用した機器で、1rpmでの電流、約0.47Aは、例えば電池駆動の携帯機器、デジタルカメラにおいて、大きな電流であり、従って1rpmのような低速駆動は採用できない。あるいは、イーサネット(登録商標)を使用した監視カメラなど、ネットワークケーブルから電源供給を受ける場合においても、低速駆動を利用できない大きな電流である。 In an apparatus using an ultrasonic motor, a current at 1 rpm, about 0.47 A, is a large current in, for example, a battery-driven portable device and a digital camera, and therefore, a low-speed drive such as 1 rpm cannot be adopted. Alternatively, even when a power supply is supplied from a network cable, such as a monitoring camera using Ethernet (registered trademark), the current is a large current that cannot be used for low-speed driving.
上記のように、低速駆動時における、電流の増加は、超音波モータを使用した機器において仕様上の制限になっている。 As described above, the increase in current at the time of low-speed driving is a limitation on specifications in a device using an ultrasonic motor.
低速回転での電流を制限する先行技術として、特許文献1では、回転数の遅いときは周波数を固定し、電圧を変えて速度制御することにより、駆動信号の周波数が高くなることによる電流増加を制限している。 As a prior art for limiting the current at low speed rotation, in Patent Document 1, when the rotation speed is low, the frequency is fixed, and the speed is controlled by changing the voltage to increase the current due to the increase in the frequency of the drive signal. Restricted.
特許文献2では、駆動周波数の上限を記憶し、上限の周波数になると、駆動信号のON時間のパルス幅を減少させることにより、電流を増加することなく低速回転を可能としている。
In
特許文献3では、ピエゾ素子に供給する複数の駆動信号の位相を周期的に変化させることにより、低速回転を可能にしている。
In
しかしながら上記先行技術において、特許文献1では、駆動信号の電圧を変えて速度制御するため、電圧を可変にするための回路が必要になり、コストアップの要因になる。 However, in the above prior art, in Patent Document 1, speed control is performed by changing the voltage of the drive signal, so a circuit for making the voltage variable is necessary, which causes an increase in cost.
特許文献2では、駆動信号のデューティ(ON時間のパルス幅)を減少させることで、ピエゾに供給する電圧波形に歪が生じてしまう。
In
図15は、駆動信号のデューティを1/4に減少した際のシミュレーション波形である。図15において120は、図13に示したコイル101に供給される駆動信号の波形を示す。121は、コイル101の出力側でありピエゾ素子100に供給される電圧波形を示す。
FIG. 15 shows a simulation waveform when the duty of the drive signal is reduced to ¼. In FIG. 15,
121の電圧波形に示すように、駆動信号のデューティを小さくしすぎると、ピエゾに供給する電圧波形に歪が生じてしまい、超音波モータが動かない、あるいは耳障りな騒音の発生が生じる。
As shown by the
特許文献3においては、一定周期でA相とB相の位相を変化させているが、位相を変化させる周期が可聴周波数帯域になることにより、騒音が生じる。
In
上記先行技術以外に、考えられる電流低減の方法として、図13に示した外部コイル101の値を小さくし、図14に示した外部共振周波数111を高周波にする方法が考えられる。
In addition to the above prior art, as a possible current reduction method, a method of reducing the value of the
背景技術において説明したように、外部共振周波数は、図13の外部コイル101と、電極間容量(コンデンサ102の)により、f=1/(2π√LC)で計算される。外部コイル101が56uHでは、外部共振周波数は、前述したように58.76KHzになる。この外部コイル101の値を小さくし、例えば10uHにすると、外部共振周波数は、139KHzとなる。58.76KHzの√(56uH/10uH)倍となる。外部共振周波数が高周波になると、図18で示した駆動周波数範囲での電流が抑えられる。
As described in the background art, the external resonance frequency is calculated by f = 1 / (2π√LC) by the
しかしながら、単に外部コイル101の値を小さくすると、特許文献2に示したデューティを小さくした場合と同様、波形に歪が生じてしまう。
However, if the value of the
図16及び図17は、図13に示した外部コイル101に、37KHzの駆動信号を加えた際の、ピエゾ素子100に供給される電圧波形を示す。
16 and 17 show voltage waveforms supplied to the
図16は外部コイルを10uHにした際の波形を示し、図17は外部コイルを56uHにした際の波形を示す。 FIG. 16 shows a waveform when the external coil is 10 uH, and FIG. 17 shows a waveform when the external coil is 56 uH.
図17において、駆動信号124を印加して、ピエゾ素子に供給される電圧波形125は、ほぼ正弦波を示している。図16では、図17と同じ周波数、同じデューティの駆動信号122を印加したにもかかわらず、ピエゾ素子に供給される電圧波形123は、正弦波とは全くいえない電圧波形となってしまう。この場合、超音波モータが動かない、あるいは耳障りな騒音の原因となる。このため、単に外部コイル101の値を小さくすることは出来ない。
In FIG. 17, the
本発明は、上記のような不具合なく、電流を上昇することなく低速駆動を可能にした超音波モータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic motor that can be driven at a low speed without increasing the current without the above-described problems.
本発明の超音波モータの速度制御装置は、超音波モータの応答周波数範囲の周波数信号を決定するPID制御手段と、前記周波数信号を分割することにより前記周波数信号よりも高周波である他の周波数信号を生成する周波数信号生成手段と、前記他の周波数信号をもとに、パルス幅を制御したPWM信号を生成するPWM制御手段と、前記PWM信号に基づいて正弦波を生成する正弦波生成手段と、を具備し、前記正弦波生成手段の定数は、前記超音波モータの外部共振周波数が、前記応答周波数範囲の最小値の2倍以上となるような値である、ことを特徴とする。 The ultrasonic motor speed control device according to the present invention includes a PID control unit that determines a frequency signal in a response frequency range of the ultrasonic motor, and another frequency signal that is higher in frequency than the frequency signal by dividing the frequency signal. A frequency signal generating unit that generates a PWM signal having a pulse width controlled based on the other frequency signal, and a sine wave generating unit that generates a sine wave based on the PWM signal. , comprising a constant of the sine wave generating means, said external resonance frequency of the ultrasonic motor, wherein a value such that at least twice the minimum value of the response frequency range, characterized in that.
本発明においては、超音波モータ駆動時、特に低速駆動時における電流を低減できる。このため、電池駆動やネットワークケーブル等を電源としている機器においても低速駆動が低消費電流で駆動できるようになり、超音波モータの応用範囲を広げることができる効果がある。また、すでに超音波モータを採用している機器においても、本発明を実施することにより、低速駆動を低消費電流で駆動できるようになり、環境性を考えた機器を製品化できる効果がある。また、本発明においては、コイルを従来よりも小さい定数を使用可能である。コイルの定数を小さくすることにより、コイルの小型化、低価格化を実現できる効果がある。 In the present invention, it is possible to reduce the current when the ultrasonic motor is driven, particularly when driving at a low speed. For this reason, even in a device that uses a battery drive or a network cable as a power source, low-speed drive can be driven with low current consumption, and the application range of the ultrasonic motor can be expanded. Further, even in a device that already employs an ultrasonic motor, by implementing the present invention, low-speed driving can be driven with low current consumption, and there is an effect that a device considering environmental properties can be commercialized. In the present invention, a constant smaller than that of the conventional coil can be used. By reducing the coil constant, the coil can be reduced in size and price.
(第1の実施形態)
以下、本発明を実施した第1の実施形態を説明する。本実施形態に係る超音波モータは、内蔵するピエゾに正弦波を供給することにより、電気共振し、電気共振が機械共振に変換される。内蔵するピエゾは複数のエリアに分割され、分割されたエリアに、90度位相が異なる正弦波信号(周波数信号)を供給することにより、機械共振が回転運動となり、超音波モータは回転する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described. The ultrasonic motor according to the present embodiment causes electric resonance by supplying a sine wave to a built-in piezoelectric element, and the electric resonance is converted into mechanical resonance. The built-in piezo is divided into a plurality of areas, and by supplying sinusoidal signals (frequency signals) having a phase difference of 90 degrees to the divided areas, the mechanical resonance becomes a rotational motion, and the ultrasonic motor rotates.
以下の説明で、駆動回路から出力され、外付けコイル(図13図示の101)に供給される信号を駆動信号と呼び説明する。また、外付けコイルを介して超音波モータに供給される信号をUSM供給信号と呼び説明する。また、90度位相の異なるUSM供給信号をA相供給信号及びB相供給信号として説明する。 In the following description, a signal output from the drive circuit and supplied to the external coil (101 in FIG. 13) will be referred to as a drive signal. A signal supplied to the ultrasonic motor via the external coil will be referred to as a USM supply signal. Also, USM supply signals having a phase difference of 90 degrees will be described as an A phase supply signal and a B phase supply signal.
なお、超音波モータに供給されるUSM供給信号は、上記説明したように正弦波でなければならない。ただし、従来技術で説明した図13における外付けコイル101に加える駆動信号は、正弦波でなくてもよい。従来技術においても方形波である。
Note that the USM supply signal supplied to the ultrasonic motor must be a sine wave as described above. However, the drive signal applied to the
本実施形態においては、図2のタイミング図に示すように、図13に図示した外付けコイル101には、32に示す高周波のPWM信号を駆動信号として供給し、コイルにより積分することで超音波モータには30に示す正弦波駆動信号を供給するようにしている。
In the present embodiment, as shown in the timing chart of FIG. 2, the
なお、図2に示したタイミング図で、32のPWM信号は、1周期の時間31を18分割したPWM信号を示しているが、本実施形態での、以降の説明では32分割した場合の例を説明する。
In the timing chart shown in FIG. 2, 32 PWM signals are PWM signals obtained by dividing one period of
図1は、高周波のPWM信号をもとに、外付けコイル101を介して生成される駆動信号をシミュレーションした波形である。
FIG. 1 shows a waveform simulating a drive signal generated via the
図1において、40は駆動信号を示し、41はUSM供給信号を示す。USM供給信号41に示すようにほぼ正弦波が生成され、超音波モータに供給される。USM供給信号として、正弦波が供給されることにより、超音波モータは電気共振し、電気共振が機械共振に変換され、90度位相が異なるA相供給信号と、B相供給信号を超音波モータに供給することにより、回転運動が本実施形態において可能となる。
In FIG. 1, 40 indicates a drive signal, and 41 indicates a USM supply signal. As shown in the
図1においては、図13に示した外付けコイル101の値を10uHにしてシミュレーションした。従来例では、図16に示したように、コイルを小さくするとUSM供給信号に歪が生じていた。しかしながら、本実施形態においては、図1に示すようにほぼ正弦波が生成可能となり、図16に示したような波形歪がなく、従来例における課題を解決している。
In FIG. 1, the simulation was performed by setting the value of the
図5及び図6は、従来技術の方形波駆動における電流と、本実施形態における駆動方法での電流を示す。横軸が周波数で、縦軸が電流である。 5 and 6 show the current in the square wave driving of the prior art and the current in the driving method in the present embodiment. The horizontal axis is frequency and the vertical axis is current.
図5において、60は方形波駆動で、56uHのコイルを用いた際の電流を示す。図14で示した電流カーブと同じく、58.76KHzに電流のピークがある。 In FIG. 5, 60 is a square wave drive, and shows the current when a 56 uH coil is used. Similar to the current curve shown in FIG. 14, there is a current peak at 58.76 KHz.
61は本実施形態における駆動方法で、10uHのコイルを用いた際の電流を示す。
139KHzに電流のピークがある。
There is a current peak at 139 KHz.
図6は、図5の電流カーブを駆動周波数範囲(応答周波数範囲)36.7KHzから44KHzの部分を拡大して表示した電流カーブである。駆動周波数上限の44KHzにおいて、従来方式の方形波駆動では、62に示すように約0.47Aであったが、本実施形態を用いた駆動方式によれば、約0.23Aとなり半減している。 FIG. 6 is a current curve obtained by enlarging and displaying the current curve of FIG. 5 in the drive frequency range (response frequency range) from 36.7 KHz to 44 KHz. At the upper limit of the driving frequency of 44 KHz, in the square wave driving of the conventional method, it was about 0.47 A as shown by 62, but according to the driving method using this embodiment, it is about 0.23 A and halved. .
本実施形態では、低速駆動時、駆動信号の周波数が高周波(図6の例では44KHz)になっても、電流の上昇が少なくなり、本発明の目的を達成している。 In this embodiment, even when the frequency of the drive signal becomes high (44 KHz in the example of FIG. 6) during low-speed driving, the increase in current is reduced, and the object of the present invention is achieved.
従来技術の課題として図16と共に説明したように、従来技術の方形波駆動においては、外付けコイルの値を小さくすると、波形に歪みが生じる不具合があった。方形波駆動による、駆動周波数が外部共振周波数の1/2よりも小さい周波数にすると、USM供給信号がひずみ始める。このため、外部共振周波数が、駆動周波数の最小周波数の2倍以下になるよう、外付けコイル(図13の101)を設定する必要があった。 As described in conjunction with FIG. 16 as the problem of the prior art, in the square wave driving of the prior art, there is a problem that the waveform is distorted when the value of the external coil is reduced. When the driving frequency by square wave driving is set to a frequency smaller than ½ of the external resonance frequency, the USM supply signal starts to be distorted. For this reason, it is necessary to set the external coil (101 in FIG. 13) so that the external resonance frequency is not more than twice the minimum frequency of the drive frequency.
なお、従来技術の一例によれば、外部共振周波数は図13に図示したコイル101とコンデンサ102での共振周波数であり、58.76KHzである。
According to an example of the prior art, the external resonance frequency is the resonance frequency of the
また、従来技術の一例によれば、図14に示したように駆動周波数範囲は、36.7KHzから44KHzであり、最小周波数は、36.7KHzである。つまり、58.76KHz<36.7KHz×2を満足している。 According to an example of the prior art, as shown in FIG. 14, the drive frequency range is 36.7 KHz to 44 KHz, and the minimum frequency is 36.7 KHz. That is, 58.76 KHz <36.7 KHz × 2 is satisfied.
本実施形態においては、外付けコイルを小さくしても従来技術による方形波駆動のように波形歪みが発生しない。言い換えれば、駆動周波数範囲の最小周波数の2倍以上に外部共振周波数を設定しても良い。このため本実施形態によれば、外付けコイルを小さく10uHにして、外部共振周波数を139KHzとしている。つまり、139KHz>36.7KHz×2となっている。 In this embodiment, even if the external coil is made small, waveform distortion does not occur as in the case of square wave driving according to the prior art. In other words, the external resonance frequency may be set to be twice or more the minimum frequency in the drive frequency range. For this reason, according to the present embodiment, the external coil is reduced to 10 uH and the external resonance frequency is set to 139 KHz. That is, 139 KHz> 36.7 KHz × 2.
図3は、第1の実施形態における、超音波モータの速度制御装置のブロック図を示す。図3において、10は電源回路であり、各制御部のロジック回路への3.3Vなどの電源を供給すると共に、A相のブリッジ回路16,B相のブリッジ回路23にモータ駆動用の電圧を供給する。
FIG. 3 is a block diagram of the ultrasonic motor speed control apparatus according to the first embodiment. In FIG. 3,
11はクロックパルスジェネレータ(CPG)であり、各制御部へ処理タイミングの基本タイミングとなるクロックパルスを供給する。12はパラメータ設定部であり、外部装置から受け取る目標位置情報に基づき、加速時間、減速時間、定速時の速度などを求め、PID制御部13に供給する。
PID制御部13は、パラメータ設定部12からのパラメータと、速度検出部21からの速度情報に基づき、駆動周期を求める制御部である。PID制御部13は、速度検出部21からの速度情報が、目標とする速度よりも低いと、駆動周期を長くし、駆動周波数を低くするように制御する。また、目標とする速度より高いと、駆動周期(最大パルス幅)を短くし、駆動周波数を高くするように制御する。
The
ここでPID制御部13が求める駆動周期は、従来技術で説明した図14の駆動周波数範囲(一例では、36.7KHzから44KHz)の範囲内で、求める周期である。
Here, the drive cycle determined by the
例えば、駆動周波数が、36.7KHzである場合、PID制御部13が求める駆動周期は1/36.7KHz=27.25uSとなる。周期分割部14は、PID制御部13が求めた駆動周期を細かく分割して、高周波にする処理部である。
For example, when the driving frequency is 36.7 KHz, the driving cycle required by the
本実施形態では、駆動周期を周期分割部14で、32分割するようにしており、例えばPID制御部13が求めた駆動周期が、27.25uSの場合は、27.25uS÷32=0.851uSとなる。
In the present embodiment, the drive period is divided into 32 by the
PWM制御部15は、22のルックアップテーブル(LUT)に前もって書き込まれたデューティデータに基づき、細分化されたPWM信号を生成する制御部である。コイルに供給するA相のブリッジ回路16,B相のブリッジ回路23出力信号の、駆動信号と区別するため、PWM制御部15からの出力をPWM信号と記載し、以降説明する。
The
16はA相ブリッジ回路であり、PWM信号を電流増幅して駆動信号を出力し、コイル17を介して超音波モータのA相のピエゾ素子19に通電する。23はB相ブリッジ回路であり、PWM信号を電流増幅して駆動信号を出力し、コイル18を介して超音波モータのB相のピエゾ素子24に通電する。
超音波モータのA相のピエゾ素子19および、超音波モータのB相のピエゾ素子24に通電されるUSM供給信号は、図1の41に示すようにPWM信号を積分した正弦波となる。また、超音波モータのB相のピエゾ素子24に通電されるB相供給信号は、A相のピエゾ素子19に通電されるA相供給信号と比べ、90度位相が遅れたB相供給信号となるよう、PWM制御部15で制御する。
The USM supply signal energized to the A-phase
20はエンコーダであり、超音波モータの回転に応じて、エンコーダパルスを発生する。速度が遅いと、エンコーダパルスの周期が長くなり、回転速度が速いと、エンコーダパルスの周期が短くなる。
速度検出部21は、エンコーダパルスをもとに、速度を算出する回路である。PWM制御部15の処理および、A相のブリッジ回路16,B相のブリッジ回路23の動作を図2のタイミング図、および図4のブリッジ回路図と共に説明する。
The
図4のブリッジ回路図において、図3と同じブロックについては、同一番号を記載して説明する。図2のタイミング図において、30はコイル17および18を介して接続されている19の超音波モータに供給されるUSM供給信号を示す。30の正弦波の周期31は、PID制御部13が求めた周期である。
In the bridge circuit diagram of FIG. 4, the same blocks as those in FIG. In the timing diagram of FIG. 2, 30 indicates a USM supply signal supplied to 19 ultrasonic motors connected via
駆動周波数が、例えば36.7KHzである場合は、30の正弦波の周期31は27.25uSになる。
When the drive frequency is, for example, 36.7 KHz, the
信号32はPWM制御部15が生成するPWM信号である。LUT22のデータに応じて、パルス幅を決定、変更する。32のPWM信号の1周期(図中34)は、周期分割部14で求めたPWM信号の周期(最大パルス幅)である。
The
PWM信号32のデューティは、正弦波30の電圧レベルに比例するよう、22のLUTに記憶されている。電圧レベルが低いときは、デューティは低くしON時間を短く、OFF時間を長く設定している。電圧レベルが高いときは、デューティは高くしON時間を長く、OFF時間を短く設定している。
The duty of the
図4は、図3のA相ブリッジ回路16の詳細を示したブリッジ回路図である。B相ブリッジ回路23も同様の回路である。本実施形態では、図4に示すようにハーフブリッジで駆動信号を生成している。
FIG. 4 is a bridge circuit diagram showing details of the
図2のPWM信号32を、電流増幅し、19の超音波モータのA相に通電するのが、A相ブリッジ回路16である。図2に示すPWM信号32をもとに、高周波の周波数信号を生成する本実施形態における周波数信号生成手段であるFET50及び52を制御する。
The
PWM信号32がハイレベルのときは、FET50をON、FET52をOFFにする。FET50をON状態にすることにより、コイル17を介して電流が、FET50から流れ、電極間容量であるコンデンサ54に充電する。
When the
図1のシミュレーションで、USM供給信号の電位が上昇している部分である。PWM信号32がローレベルのときは、FET50をOFF、FET52をONにする。FET52をON状態にすることにより、電極間容量であるコンデンサ54にためられた電荷が、ローレベルのパルス幅に応じて放電する。
In the simulation of FIG. 1, the potential of the USM supply signal is increasing. When the
このように制御することで、図2に図示した正弦波30をUSM供給信号として生成可能となり、正弦波を19のUSM_A相(A相のピエゾ素子)に供給可能となる。
By controlling in this way, the
以上、本実施形態につき説明した。本実施形態では、駆動信号を高周波のPWM信号をもとに生成し、コイルに供給することにより、超音波モータに供給する正弦波を生成することが可能となる。 The present embodiment has been described above. In this embodiment, it is possible to generate a sine wave to be supplied to an ultrasonic motor by generating a drive signal based on a high-frequency PWM signal and supplying it to a coil.
また、高周波のPWM信号を駆動信号とすることにより、外付けコイルの定数を小さくでき、低速駆動時の電流を低減することが可能となる。 Further, by using a high-frequency PWM signal as a drive signal, the constant of the external coil can be reduced, and the current during low-speed drive can be reduced.
なお、本実施形態によれば、周期分割部14にて、駆動周期を32分割しているが、48分割や、64分割のようにもっと細かく分割しても良い。あるいは、1MHzなどの高周波を重畳させ、パルス数を増減する方法で、高周波を生成しても良い。
According to this embodiment, the
また、本実施形態では、PWM制御部15で、LUT22を参照して、パルスデューティを設定する方法を用いているが、正弦波の角度ごとの電圧を計算して、パルスデューティを設定する方法を用いてもよい。
In this embodiment, the
(第2の実施形態)
以下、本発明を実施した第2の実施形態を図7および図8と共に説明する。本実施形態は、第1の実施形態において、図4で説明したハーフブリッジ回路をフルブリッジ回路に変更した実施形態である。
(Second Embodiment)
A second embodiment in which the present invention is implemented will be described below with reference to FIGS. This embodiment is an embodiment in which the half bridge circuit described in FIG. 4 is changed to a full bridge circuit in the first embodiment.
図8において、図4に示したブリッジ回路と同一素子については、同一番号を記載し説明する。同様に図8において、図2と同一部分については、同一番号を記載して説明する。 In FIG. 8, the same elements as those in the bridge circuit shown in FIG. Similarly, in FIG. 8, the same parts as those in FIG.
図7で38は、36の期間、PWM制御部15から出力されるPWM信号であり、図8図示のFET50からFET53に電流を流し、外付けコイル17を介して生成される駆動信号を、プラス電位にするPWM信号である。
In FIG. 7,
図7の33は、37の期間、PWM制御部15から出力されるPWM信号であり、図8図示のFET51からFET52に電流を流し、外付けコイル17を介して生成される駆動信号を、マイナス電位にするPWM信号である。
図8のフルブリッジ回路につき説明する。図7の36の期間、PWM信号38がハイレベルのときは、FET50、53をON、FET51、52をOFFにする。FET50,53をON状態にすることにより、コイル17を介して電流が、FET50から流れ、電極間容量であるコンデンサ54がプラス電位に充電される。
The full bridge circuit of FIG. 8 will be described. When the
PWM信号38がローレベルのときは、FET50,51をOFF、FET52,53をONにする。FET52をON状態にすることにより、電極間容量であるコンデンサ54にためられた電荷が、ローレベルのパルス幅に応じて放電する。
When the
PWM信号38により、駆動信号30の、図7に図示した35の中点電位よりも高い電位の部分が生成される。図7の37の期間、PWM信号33がハイレベルのときは、FET51、52をON、FET50、53をOFFにする。FET51、52をON状態にすることにより、A相のピエゾ素子19およびコイル17を介して電流が、FET51から流れ、電極間容量であるコンデンサ54がマイナス電位に充電される。
The
PWM信号33がローレベルのときは、FET50,51をOFF、FET52,53をONにする。FET52をON状態にすることにより、電極間容量であるコンデンサ54にためられた電荷が、ローレベルのパルス幅に応じて放電する。PWM信号33により、駆動信号30の、図7に図示した35の中点電位よりも低い電位の部分が生成される。
When the
このように制御することで、外付けコイル17を介して生成される駆動信号は、図7に図示した35を中点としてプラスとマイナスにスイングする駆動信号を生成可能となる。
By controlling in this way, the drive signal generated via the
第1の実施形態に比べ、電圧スイング幅が倍となる。なお、本実施形態では、PWM信号がローレベルのときは、FET52,53をONにし、電極間容量であるコンデンサ54にためられた電荷を放電するように制御しているが、放電しないように制御しても良い。すなわち、PWM信号がローレベルのとき、すべてのFET(51,52,53,54)をOFFにするよう制御しても良い。
Compared to the first embodiment, the voltage swing width is doubled. In the present embodiment, when the PWM signal is at a low level, the
あるいは、駆動信号30の電圧を上昇させる期間:42,44の期間だけ、PWM信号がローレベルのとき、すべてのFET(51,52,53,54)をOFFにするよう制御しても良い。 Alternatively, all the FETs (51, 52, 53, 54) may be controlled to be turned off when the PWM signal is at a low level only during the period of increasing the voltage of the drive signal 30: 42, 44.
同様に、PWM信号がハイレベルのときは、FET50,53または51,52をONにし、電極間容量であるコンデンサ54に電荷を充電するように制御しているが、決められた区間充電しないように制御しても良い。すなわち、駆動信号30の電圧を下降させる期間:43,45の期間だけ、PWM信号がハイレベルのとき、すべてのFET(51,52,53,54)をOFFにするよう制御しても良い。
Similarly, when the PWM signal is at a high level, the
(第3の実施形態)
以下、本発明を実施した第3の実施形態を説明する。本実施形態は、駆動周波数により、PWM信号の最大デューティを制御する回路を追加し、低速時における電流をより低減した実施形態である。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment in which the present invention is implemented will be described. In the present embodiment, a circuit for controlling the maximum duty of the PWM signal is added according to the drive frequency, and the current at a low speed is further reduced.
図11は、本実施形態におけるブロック図を示す。第1の実施形態におけるブロック図、と同じブロックについては、同一番号を記載し、説明を省略する。 FIG. 11 shows a block diagram in the present embodiment. The same blocks as those in the block diagram of the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図11において、最大デューティ設定部73はPID制御部13が求める駆動周期に基づき、最大デューティを設定する。PWM制御部15において、PWM信号のデューティを設定する際、LUT22からのデータに基づき設定する。
In FIG. 11, the maximum
本実施形態では、LUT22のデータにより、そのままPWMデューティを設定するのではなく、最大デューティ設定部73にて設定された最大デューティを、乗算器74にて掛け合わせる。これにより、PID制御部13で求めた駆動周期により、PWM信号のパルス幅を制御することが可能となる。
In the present embodiment, the PWM duty is not set as it is based on the data of the
図12はPWM信号の、最大デューティに応じたイメージを示す。80は最大デューティ設定部73にて設定された最大デューティが100%の場合のPWM信号である。81は最大デューティが75%、82は最大デューティが50%のPWM信号を示す。PWM信号のデューティが減少することにより、外部コイル17および18を経由して超音波モータに供給される駆動信号の電圧は低下する。
FIG. 12 shows an image corresponding to the maximum duty of the PWM signal.
USM供給信号の波形を図9に示す。図9において、70は最大デューティが100%のときのUSM供給信号、71は最大デューティが75%のときのUSM供給信号、72は最大デューティが50%のときのUSM供給信号を示す。最大デューティにより、USM供給信号の電圧が低下している。 The waveform of the USM supply signal is shown in FIG. In FIG. 9, 70 indicates a USM supply signal when the maximum duty is 100%, 71 indicates a USM supply signal when the maximum duty is 75%, and 72 indicates a USM supply signal when the maximum duty is 50%. Due to the maximum duty, the voltage of the USM supply signal is reduced.
図10は、周波数に応じた超音波モータ内にある、ピエゾ素子の電流カーブを示す。図10において、図5と同じ電流カーブは同一番号を記載している。第1の実施形態では、PWM信号を外部コイルに供給することにより、63に示すように電流が減少した。 FIG. 10 shows a current curve of the piezoelectric element in the ultrasonic motor according to the frequency. In FIG. 10, the same current curves as those in FIG. In the first embodiment, the current is reduced as indicated by 63 by supplying the PWM signal to the external coil.
本実施形態では、周波数に応じて、PWM信号の最大デューティを変更することで、75に示すように、特に高周波になるほど電流の減少を図ることが可能となる。 In the present embodiment, by changing the maximum duty of the PWM signal according to the frequency, it is possible to reduce the current as the frequency becomes particularly high, as indicated by 75.
以上、第3の実施の形態につき説明した。本実施形態では、PWM信号の最大デューティを規定することにより、USM供給信号の電圧を低下させることが可能となり、第1の実施形態以上に、低速時における電流を低下することが可能となる。 The third embodiment has been described above. In the present embodiment, by specifying the maximum duty of the PWM signal, the voltage of the USM supply signal can be reduced, and the current at a low speed can be reduced more than in the first embodiment.
なお、本発明の方法は、コンピュータ等にインストールしたプログラムによっても実現できることは当然である。 Of course, the method of the present invention can be realized by a program installed in a computer or the like.
10 電源回路
11 クロックパルスジェネレータ(CPG)
12 パラメータ設定部
13 PID制御部
14 周期分割部
15 PWM制御部
16 A相ブリッジ回路
17,18 コイル
19 A相のピエゾ素子
20 エンコーダ
21 速度検出部
22 LUT
23 B相ブリッジ回路
24 B相のピエゾ素子
50〜53 FET
54 コンデンサ
73 最大デューティ設定部
10
12
23 B phase bridge circuit 24 B phase piezo element 50-53 FET
54
Claims (3)
前記周波数信号を分割することにより前記周波数信号よりも高周波である他の周波数信号を生成する周波数信号生成手段と、
前記他の周波数信号をもとに、パルス幅を制御したPWM信号を生成するPWM制御手段と、
前記PWM信号に基づいて正弦波を生成する正弦波生成手段と、を具備し、
前記正弦波生成手段の定数は、前記超音波モータの外部共振周波数が、前記応答周波数範囲の最小値の2倍以上となるような値である、超音波モータの速度制御装置。 PID control means for determining a frequency signal in the response frequency range of the ultrasonic motor;
A frequency signal generating means for generating another frequency signal having a higher frequency than the frequency signal by dividing the frequency signal;
PWM control means for generating a PWM signal whose pulse width is controlled based on the other frequency signal ;
Sine wave generating means for generating a sine wave based on the PWM signal ,
The ultrasonic motor speed control device , wherein the constant of the sine wave generating means is a value such that the external resonance frequency of the ultrasonic motor is at least twice the minimum value of the response frequency range .
周波数信号生成手段が、前記周波数信号を分割することにより、前記周波数信号よりも高周波である他の周波数信号を生成する周波数信号生成工程と、
PWM制御手段が、前記他の周波数信号をもとに、パルス幅を制御したPWM信号を生成するPWM制御工程と、
正弦波生成手段により、前記PWM信号に基づいて、正弦波駆動信号を生成する工程と、を有し、
前記応答周波数範囲の最小値を、前記超音波モータの外部共振周波数の1/2倍以下となるように制御する超音波モータの速度制御方法。 A PID control step in which the PID control means determines a frequency signal in a response frequency range of the ultrasonic motor;
A frequency signal generating step in which the frequency signal generating means generates another frequency signal having a higher frequency than the frequency signal by dividing the frequency signal;
PWM control means for generating a PWM signal with a pulse width controlled based on the other frequency signal ; and
The sine wave generating unit, on the basis of the PWM signal, possess generating a sinusoidal drive signal, a,
An ultrasonic motor speed control method for controlling the minimum value of the response frequency range to be ½ times or less the external resonance frequency of the ultrasonic motor.
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