Optimierung eines piezoelektrisch erregten linearen Wanderwellenmotors

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Optimierungsmöglichkeiten und -methoden am Beispiel eines linearen Wanderwellenmotors angewandt. Im Vordergrund des Interesses stand dabei nicht unbedingt, nur diese eine Bauform eines Wanderwellenmotors in ihrer Entwicklung voran zu treiben, sondern für viele vergleichbare Motoren hilfreiche Techniken zu erarbeiten. Die meisten der beschriebenen Optimierungen sind daher auf andere, auch auf rotatorische Wanderwellenmotoren übertragbar, manche sind auch für sonstige Piezoantriebe nützlich. Als Ausgangspunkt diente ein bereits vorhandenes Labormuster eines linearen Wanderwellenmotors. Hierauf aufbauend wurde ein praxisnaher Prototyp entworfen, z. T. simuliert, aufgebaut und getestet. Der Systemgedanke spielte eine große Rolle in dieser Arbeit. Ein Piezomotor als mechanische Einheit ist an sich noch nicht ohne weiteres nutzbar, da für Wanderwellenmotoren leider keine Standard-Ansteuerungen verfügbar sind. Für einen Einsatz als Positionierantrieb sind darüber hinaus auch Fragen der Anbindung an übergeordnete Rechnersysteme, der Integration von Wegmesssystemen usw. relevant. Insgesamt ergaben sich hieraus Aufgaben aus den Bereichen Software, analoge und digitale Signalverarbeitung, Leistungselektronik, Filterung von Leistungssignalen, Gestaltung von resonanten piezoelektrischen Wandlern und mechanischen Schwingern, reibschlüssige Kraftübertragung bis hin zum spielfreien und steifen Bewegungsabgriff. Der verwendete Microcontroller ist in seiner Leistungsfähigkeit für den Zweck der Signalerzeugung und die Anbindung an übergeordnete Rechnersysteme bzw. an eine Benutzerschnittstellen gerade ausreichend. Mit Hilfe peripherer Elektronik kann er Messwerte von ausgegebener Spannung und aufgenommenem Strom aus der Leistungs-Endstufe verarbeiten und hieraus die geeignete Arbeitsfrequenz für den Motor ableiten. Die vom Microcontroller ausgegebenen Signale zur Ansteuerung der Piezokeramik werden von einer relativ konventionellen schaltenden Endstufe auf rund 50 V verstärkt. Diese Leistungssignale werden gefiltert, indem eine zusätzliche Induktivität, eine zusätzliche Kapazität, ein Übertrager (1:5) und die Kapazität der Piezokeramik einen Bandpass bilden. Dieser Bandpass ist sehr unempfindlich gegenüber Änderungen der Arbeitsfrequenz und gegenüber Drift der Bauteilwerte. Durch die primärseitige Anbringung der zusätzlichen Filterbauteile ergeben sich verringerte Verluste im Übertrager. Im Gegensatz zu anderen Wanderwellenmotoren sind die Piezokeramik-Elemente nicht in halben, sondern in viertel Wellenlängen strukturiert. Durch diese Labda/4-Segmentierung und eine Anbringung auf beiden Seiten des Aluminiums im Anregungsbereich erhöhen sich die erreichbaren Schwingungsamplituden um mehr als Faktor 3 auf rund 7 µm. Bei derart starken Schwingungen sind allerdings manuell angebrachte Lötstellen auf der Piezokeramik am Prototypen nicht dauerhaft haltbar, weshalb eher verhalten angesteuert bzw. eine stark verkürzte Lebensdauer hingenommen werden musste. Als Leitermaterial kam aus dem gleichen Grund Federbronze (CuSn6 nach DIN EN 12166) zur Anwendung. Durch verbesserte FEM-Modelle gelang es, eine bessere Übereinstimmung zwischen Simulation und Realität zu erzielen. Die verwendeten orthogonalen Moden von früher 190 Hz Differenz wurden auf nur noch 50 Hz aneinander angenähert. Der Läufer des wurde ebenfalls in FEM-Simulationen optimiert. Einer gleichmäßigen Verteilung der Anpresskraft unter dem Reibbelag ist hinsichtlich des Abtriebsverhaltens besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Hierdurch und durch die Wahl eines geeigneten Reibbelages konnte die Anpresskraft und damit die erreichbare Vorschubkraft deutlich gesteigert werden, ohne schädliche Nebeneffekte wie Geräuschentwicklung oder ungleichmäßigen Lauf hinnehmen zu müssen. Auch die Steifigkeit in Vorschubrichtung bei gleichzeitig möglichst leichter Bauweise war Teil der Optimierung. Die im Betrieb zu erwartenden Deformationen des Läuferrahmens liegen daher unter nur 5 µm. Trotzdem konnte die bewegte Masse von rund 45 g auf 35 g reduziert werden. Insgesamt wurde die Haltekraft im unbestromten Zustand von unter 4 N auf 14 N mehr als verdreifacht. Die Blockierkraft stieg von 3,7 N auf 6,7 N um über 80 %. War früher die Beschleunigung stets bei rund 6 g, so trifft dieser Wert nun nur noch für das Anfahren aus dem unbestromten Stillstand zu, da hier prinzipbedingt erst ein Einschwingen des Stators stattfinden muss. Bei Fahrtrichtungswechsel dagegen verzögert der optimierte Prototyp zunächst mit 20 g und beschleunigt anschließend mit 11 g in Gegenrichtung. Dies entspricht ebenfalls einer Verdreifachung bzw. einer knappen Verdoppelung der vorherigen Werte. Mit einer Zusatzmasse von 100 g belastet verbleiben noch 7 g gegenüber vorher unter 2 g, also auch hier über dreifache Steigerung. Die Leerlaufgeschwindigkeit wurde von früher 630 mm/s um 11 % auf jetzt 700 mm/s gesteigert.

Different types of piezo motors have been presented during the last decades. Unlike simple piezo actuators they provide a very lange stroke or unlimited rotary angles (respectively). Several commercially available rotary motors based on the travelling wave priciple are on the market today, e. g. in autofocus lenses by Canon, Nikon and others. They show high torque per volume, high holding torque without any current applied and very short time constants. In these travelling wave motors, two orthogonal standing waves at the same resonance frequency are superimposed to form a travelling wave in a stator ring. They can be excited by a thin piezo ceramic which is glued to this stator ring. The piezo ceramic normally consists of two seperately plated active areas, one for each mode. The polarization of each active area alters every half wave length so that a corresponding wave is excited when applying a voltage to it. With a bending wave travelling through a structure, points at the surface move on elliptical trajectories. When a rotor or slider is pressed to the surface, it only has high friction contact to those points which are currently displaced to a maximum and which all move into the same direction, so it is driven forward by friction contact to these points. A pure travelling wave requires the orthogonal standing waves to have a phase shift of 90° to each other. Therefor, the electronic cirquit needs two channels which apply the appropriate voltages at the right phase angle and in the resonance frequency to the active piezo areas. The principle of the well known rotary travelling wave motors can also be applied to linear motors. A first sample has been designed and tested before. This theses is about the optimization of the piezoelectrically excited linear travelling wave motor. Since a travelling wave motor is a mechatronic system with interaction between electronic signals, electrical behaviour, mechanical vibrations, friction contact and mechanical periphery, it is very important to optimize the complete system and not only parts of it. Progress has been achieved in all components: - A low cost micro controller is used to produce two signals at the appropriate working frequency and phase angle, measuring the applied voltages and currents on the piezos as feedback. As the frequency resolution of the PWM modules is not satisfying, a numerically controlled oscillator (NCO) is used for the processor clock. Useful features like control of limit switches, a numerical display and a keyblock as a simple user interface have been added. - Simple LC filters are too sensitive to frequency variations due to temperature drifts of the mechanical resonance frequencies. Therefor, one coil, one transformer, one capacitor and the piezo ceramic itself are used as LLCC filter to suppress the higher freqencies of the switching power amplifier s square signals. - In contrast to other travelling wave motors, the piezo ceramic is polarized evenly and con-tacted in segments of a quarter wavelength. This almost doubles the quantity of the effective active material. Piezo ceramic is glued to both sides of the appropriate stator region, again doubling the active material. In total, the possible amplitude of vibration was increased by more than a factor of three to values around 7 mm/s. In total, significant improvements have been achieved for all components of the drive system. The methods can be applied to different other piezo motors as well.