用于控制实现至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器的应用的电子 ...的制作方法
【专利摘要】用于控制的电子设备(1)包括电力发生器(10)，适用于向至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器(2)提供控制信号(S)；电子控制装置(11)，能够通过使用控制宏函数(M)自动地控制电力发生器；以及电子存储器(112)，其中存储有：第一族(A)控制函数，包括能够调整控制信号(S)的振幅的一个或多个不同的基本控制函数(An)；第二族(T)控制函数，包括能够调整控制信号(S)的持续时间的一个或多个不同的基本控制函数(Tn)；第三族(C)控制函数，包括能够调整控制信号(S)的周期的多个不同的基本控制函数(Cn)；至少所述控制宏函数(M)，由分别选自记录在存储器内的三族控制函数(A，T，C)中的至少三个基本控制函数的集合构成。
【专利说明】用于控制实现至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器的应用的电子设备和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用电力发生器控制实现至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器的应用的领域，尤其是但非排他地，涉及超声波换能器。
【背景技术】
[0002]存在实现至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器(也称为致动器)的许多工业应用，其可以使用电场或磁场控制机械运动，比如机械振动，位移或机械冲击。
[0003]更具体地，在机械振动产生的特定情况下，振动机械波，尤其是超声波用于许多工业领域，例如，非限制性地且非排他地，用于清洗、切割、焊接等。
[0004]不论应用的类型如何，都使用至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器，其由电力发生器供电，并可以将发电机提供的电力转换为机械运动。
[0005]在振动运动的特定情况下，由发电机提供的电力在尤其取决于应用的频率和振幅的范围内被转换为振动机械运动。许多工业应用使用由在超声波域(通常超过20kHz的频率)中操作的换能器控制的振动机械运动。然而，一些应用还可以使用以20kHz以下的频率操作的换能器。
[0006]更具体地，在振动场中，电力发生器输送功率信号，其频率和电压例如可以适应在其环境下操作期间的换能器的谐振或反谐振频率。通常来说，由发电机输送的功率信号是可调整的(例如，以频率和/或振幅)。此外，在一些已知的实施例中，由发电机输送的功率信号使用外部指令和在换能器上测量的信息(例如，电流和电压)来控制。
[0007]多年来，以模拟的方式制作了控制部分，其需要复杂的调整并且使控制设备刚硬并难以适应。例如在美国专利US 5 406 503中描述了利用模拟控制的超声波换能器的一个控制实例。
[0008]最近，使用基于数字控制的解决方案使得可以将新功能结合至换能器的操作控制中。例如在以下公开中描述了具有数字控制的超声波换能器的控制实例:欧洲专利申请EP-A-1 835 622、EP-A-1 216 760、EP-A-1 199 047 和 EP-A-1 588 671。
[0009]值得关注的是要注意，所描述的设备在其环境下保持具有相对的刚性并且通常专用于给定的应用，即，给定类型的压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器。
【发明内容】
[0010]本发明的目的
[0011]本发明的一个目的在于提出了一种新的技术方案以使用合适的电力发生器来控制实现至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器的应用，此方案具有以下优点，通用，即不专用于单一应用，非常灵活且很容易适应不同【技术领域】中的应用以及具有不同结构和机械特性的压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器。本发明的另一个目的是提出了一种用于容易升级且可以快速且容易配置或修改的压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器的控制方案。
[0012]本发明简述
[0013]本发明由此涉及一种用于使用至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器控制应用的电子设备，所述设备包括电力发生器，适用于利用控制信号为至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器供电；电子控制装置，能够通过使用控制宏函数(M)自动控制电力发生器；以及电子存储器，在其中记录有:
[0014]-第一族(A)控制函数，包括一个或多个不同的基本控制函数(An)，第一族(A)的每个基本控制函数能够调整控制信号的振幅，
[0015]-第二族(T)控制函数，包括一个或多个不同的基本控制函数(Tn)，第二族(T)的每个基本控制函数能够调整控制信号的持续时间，
[0016]-第三族(C)控制函数，包括几个不同的基本控制函数(Cn)，第三族(C)的每个基本控制函数能够调整控制信号的周期，
[0017]-所述控制宏函数(M)，由分别选自记录在存储器中的三族控制函数(A，T，C)的至少三个基本控制函数的集合构成。
[0018]更具体地，但根据本发明可选地，根据本发明的电子设备可以包括以下另外且可选技术特征，单独或组合考虑:
[0019]-电子存储器包含第四族(F)控制函数，所述第四族(F)控制函数包括一个或多个不同的基本控制函数(Fn)，第四族(F)的每个基本控制函数能够调整控制信号的频率，并且其中，所述控制宏函数(M)由分别选自记录在存储器中的四族控制函数(A，T，C，F)的至少四个基本控制函数的集合形成。
[0020]-所述控制宏函数(M)的至少一个基本控制函数能够根据记录在电子存储器中的至少一个调整值调整控制信号的振幅或持续时间或周期或频率。
[0021]-电子存储器包含几个不同的控制宏函数(Mn)，所述几个不同的控制宏函数各自由分别选自记录在存储器中的第一族、第二族和第三族控制函数(A，T，C)的至少三个基本控制函数的集合构成，并且优选由分别选自记录在存储器中的第一族、第二族、第三族和第四族控制函数(A，T，C，F)的至少四个基本控制函数的集合构成。
[0022]-电子存储器包含单一控制宏函数(M)的基本控制函数的调整值。
[0023]-电子存储器包含记录在电子存储器中的每个控制宏函数(Mn)的预定义基本控制函数的调整值。
[0024]-设备包括至少一个通信端口，能够使设备与微计算机或可编程逻辑控制器类型的可编程电子处理单元通信。
[0025]本发明还涉及一种用于控制实现至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器的应用的系统，所述系统包括前述电子设备，以及能够连接至所述电子设备的电子处理单元。
[0026]更具体地，但根据本发明可选地，根据本发明的系统可以包括以下另外且可选的技术特征，单独或组合考虑:
[0027]-电子处理单元在被连接至电子设备时，能够将至少一个控制宏函数(M)加载到电子设备的存储器中。[0028]-电子处理单元在被连接至电子设备时，能够将函数族(A，F，T)或(A，F，T，C)的每一个的基本函数加载到电子设备的存储器中。
[0029]-电子处理单元在被连接至电子设备时，能够将至少一个控制宏函数(M)的调整值加载到电子设备的存储器中。
[0030]-电子处理单元在被连接至电子设备时，允许用户从记录在设备的存储器中的一组控制宏函数(Mn)中选择控制宏函数，设备的电力发生器被设计为执行所述所选的控制宏函数。
[0031]-电子处理单元包括存储器中的记录在电子设备中的至少所有基本控制函数，以及用于建立宏函数的程序，当所述程序由电子处理单元执行时，允许用户从所述基本控制函数建立控制宏函数(M)。
[0032]本发明还涉及一种计算机程序，包括计算机程序代码方法，其能够由电子处理装置(3)执行，并且当由电子处理装置(3)执行时，从具有一个或多个不同的基本控制函数(An)的第一族(A)控制函数，具有一个或多个不同的基本控制函数(Tn)的第二族(T)控制函数，和具有几个不同的基本控制函数(Cn)的第三族(C)控制函数构建控制宏函数(M)，第一族(A)控制函数的基本控制函数的每一个能够调整必须由电力发生器生成的控制信号的振幅，第二族(T)控制函数的基本控制函数的每一个能够调整所述控制信号的持续时间，第三族(C)控制函数的基本控制函数的每一个能够调整所述控制信号的周期。
[0033]更具体地，但不必然地，计算机程序也能够从具有一个或多个不同的基本控制函数(Fn)的第四族(F)控制函数建立控制宏函数(M)，第四族(F)控制函数的基本控制函数的每一个能够调整所述控制信号的频率。
[0034]本发明还涉及一种计算机程序，包括计算机程序代码方法，其可以由电子处理装置执行，并且能够在由电子处理装置执行时，配置控制宏函数(M)，其中，所述控制宏函数(M)包括:第一基本控制函数(An)，能够调整必须由电力发生器生成的控制信号(S)的振幅，优选根据至少一个调整值来进行所述调整；第二基本命令函数(Tn)，能够优选根据至少一个调整值调整所述控制信号(S)的持续时间；以及第三基本命令函数(Cn)，能够优选根据至少一个调整值调整所述控制信号(S)的周期，所述程序允许用户定义一个基本控制函数或多个基本控制函数的一个设定值或多个设定值。
[0035]更具体地，但不必然地，所述计算机程序配置能够配置还包括第四基本控制函数(Fn)的控制宏函数(M)，能够优选根据至少一个调整值调整所述控制信号的频率。
[0036]本发明还涉及一种介质，其可由计算机读取并且其上记录有如上所述的计算机程序。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]在阅读本发明的几个替代实施例的以下详细描述之后，本发明的其他特征和优点将更加清楚，这些替代方案被描述成本发明的非限制性且非排他实例并参照附图，其中:
[0038]-图1是示出了根据本发明的控制系统的结构的框图；
[0039]-图2至图5是分别示出了基本控制函数F2，F3，A2，C2的示例实施例的示图；
[0040]-图6示出了控制宏函数的示例性实施。
【具体实施方式】[0041]图1示出了根据本发明的电子设备I的电子结构的一个特定实例，其能够控制包括至少一个换能器(或致动器)的负载2，根据情况，所述换能器可以是压电类型、电致伸缩类型或磁致伸缩类型。
[0042]在本文中，术语“压电式或电致伸缩换能器”通常表示能够通过材料的变形将电能转换为机械能的任何设备。在本文中，术语“磁致换能器”通常表示能够通过材料的变形将电磁能转换为机械能的任何设备。
[0043]负载2和相关联的压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器取决于应用并且可以相当不同。
[0044]实例应用
[0045]电子设备I可以适用于并配置成控制以下负载2的一个或另一个，其列表在下面已经作为本发明的实例应用而单独提供，并且相对于本发明是非限制性的且非排他的。
[0046]清洗:
[0047]电子设备I连接至被紧固在槽的外壁上的一个或多个换能器，所述槽由清洗液填充。由电子设备I提供的电能由换能器转换为导致槽中的气穴现象(cavitationphenomenon)的振动能。该气穴导致浸没的部分被清洗。
[0048]几个电子设备I可以用于供应大容量清洗槽。在此情况下，电子设备I的发电机彼此同步。 [0049]焊接-切割-超声化学
[0050]电子设备I连接至换能器。该换能器一般配备有增压器和超声焊极(sonotrode)，端部几何是用途和其应用的确定因素。
[0051].为了焊接材料，超声焊极的形状必须紧靠待焊接的表面的形状，
[0052].对于切割，超声焊极呈现振动带的形式，
[0053]?对于超声化学，混合，超声焊极通常(但不总是)圆柱形的，并且其直接浸没在待处理的液体中，
[0054]?对于气溶胶产生，超声焊极的端部表面能够喷射与其接触的液体，此平台可以是平坦的、弯曲的等。
[0055].对于消泡，超声焊极的端部表面能够在气体中产生非常强烈的声场(>160dB)。
[0056]电子设备I连接至换能器并且被调整以便将其控制频率保持在工作频率，其通常是换能器和相关联超声焊极的谐振或反谐振频率。传输至换能器的能量被转换为产生所期望现象的振动能:
[0057]1、对于焊接，加热，
[0058]2、对于材料的切割、切片，
[0059]3、对于超声化学，非常强烈的气穴现象，
[0060]4、对于气溶胶产生，以小滴形式的液体的分散，
[0061]5、对于消泡，声场足够强以在液体填充罐期间打破泡沫气泡，等等。
[0062]致动器控制
[0063]电子设备I连接至换能器，其执行致动器功能，并且其运动与电子设备I输送的电压成比例。如果输送的电压是连续的，则该运动例如是静态位移，如果输送的命令是脉冲，或例如具有与电子设备产生的信号成比例的更一般形状，则其例如是脉冲的。[0064]诱导效应旨在控制耦接至致动器(换能器)的机械设备的运动，以产生非常低的频率振动或诱导推进冲击。
_5] 线性或旋转压电式/磁致伸缩电机的控制
[0066]为了制造线性位移设备，必须在具有有限尺寸的设备中产生行波(progressivewave)。该设备可以是杆或环。行波通过以随时间相移90°和空间相移90°的两个驻波叠加而产生。为了制造这样的系统，必须使至少两个超声波换能器正确定位在杆上。两个电子设备I必须实现此目的。第一设备I以控制的相位为换能器供电，第二设备I以在第一电子设备上同步的90°的为第二换能器供电。在文章“A survey of Ultrasonic Waves inOuter Transportation, E.Murimi, J.Kihiu, G.Nyakoe and S.Mutuli” 中描述了这种类型的应用的一个实例。
[0067]相同的原理可适用于制造旋转式压电电动机。
[0068]电子控制设备的结构一图1
[0069]参照图1，电子设备I包括电力发生器10，其在操作期间，向负载2提供电力信号S (在本文中表示成“控制信号”)。
[0070]该电力发生器10由可编程电子处理单元11自动控制。
[0071]电子设备I还包括电源12，其包括:
[0072]-整流和滤波单元120，能够向电力发生器10提供来自区段(sector)的交流电流的交流电流，以及
[0073]-用于将来自区段的交流电流转换为直流电流以向可编程电子处理单元11提供直流电流的单元121。
[0074]电力发生器10的电结构本质上是已知的，并且例如包括给适应网络102供电的H桥接器101，其例如包括变压器，并输送前述控制信号S。H桥接器以标准方式使用驱动器103由可编程电子处理单元11控制。电力发生器10的特定电结构在本发明上不是限制性的，并且可以用能够输送可调整功率信号(控制信号S)的任何电子结构替换。
[0075]可编程电子处理单元11包括与随机存取存储器(RAM) 111和EEPROM类型的电可擦只读存储器112相关联的数字处理器110。数字处理器110例如可以是微处理器，微控制器或DSP类型的信号处理中的专用的处理器。
[0076]在图1的示例性实施例中，但根据本发明可选地，数字处理器110包括连接至匹配网络102的输入端口 110a，以便执行施加给负载2的控制信号S的电流I和电压V的实时检测。在一些情况下，该检测能够相对于一个或多个指令使用数字处理器110产生控制信号S的反馈回路。
[0077]为了能够与外侧通信，数字处理器110还包括至少一个通信端口 110b，其例如可以是RS485类型的慢串行输入/输出端口或以太网端口。
[0078]通信端口 IlOb具体用于允许外部电子处理单元3，例如自动机器或计算机，与数字处理器Iio对话，以便例如允许外部电子处理单元3控制数字处理器110，或加载或相反地恢复只读存储器112或随机存取存储器111中的数据。
[0079]在通信端口 IlOb上与外侧交换数据优选通过例如包括光耦合器的电流隔离以标准方式进行。
[0080]控制宏函数-基本控制函数[0081]电子设备I的操作有利地基于一个或多个控制宏函数(在本文中简称为“宏命令”)的实现，所述控制宏函数各自由基本控制函数构成，并且允许处理器110自动调整控制信号S的频率、振幅、持续时间和周期。
[0082]四族基本控制函数是有区别的:
[0083]频率族(F):该族包括专用于控制信号S的频率且稍后概述的所有基本控制函数(F1，F2，F3等)。当来自该族(F)的每个基本控制函数由处理器110自动执行时，能够调整控制信号的频率。
[0084]振幅族(A):该族包括专用于控制信号S的振幅且稍后概述的所有基本控制函数(A1，A2，A3等)。当来自该族(A)的每个基本控制函数由处理器110自动执行时，能够调整控制信号的振幅。
[0085]时间族(T):该族包括专用于控制信号S生成的时间(持续时间)的标注且稍后概述的所有基本控制函数(T1，T2，T3等)。当来自该族(T)的每个基本控制函数由处理器110自动执行时，能够调整控制信号的持续时间。
[0086]循环族(C):该族包括专用于控制信号S生成的周期的标注且稍后概述的所有基本控制函数(C1，C2，C3等)。当来自该族(C)的每个基本控制函数由处理器110自动执行时，能够调整控制信号的周期。
[0087]总体来说,每个基本控制函数由一个或多个调整参数(ArgN)表征,所述参数或多或少是复杂的，专用于每个基本函数，并允许控制宏函数的每个基本控制函数的配置。这些调整参数在本文的其余地方也被称为“自变数”。对于电子设备I的操作，宏函数M的基本控制函数的每个自变数( ArgN)必须用用于此自变数的一个或多个特定调整值填充。
[0088]所有基本控制函数最初存储在设备I的只读存储器112中。
[0089]基本控制函数的不同实例现在相对于本发明以非限制性的方式和非排他的方式进行描述。
[0090]频率族(F)中的基本控制函数的实例
[0091]Fl:强制频率
[0092]频率由用户施加，并且发电机10施加该频率而没有反馈回路。
[0093]Fl = f (Fe)
[0094]
WWM~pelj单位j精度
由用户施加在系统上的频率2
[0095]F2:调相频率
[0096]最佳谐振频率在授权的频率范围内确定。该调节使用调节回路根据电压V与电流I之间的估计相移来进行。
[0097]F2 = f (相,初始频率，Ffinal, Tn)[0098]
【权利要求】
1.一种用于使用至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器控制应用的电子设备(I)，所述设备包括电力发生器(10)，适用于向至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器提供控制信号(S);电子控制装置(11)，能够通过使用控制宏函数(M)自动控制所述电力发生器；以及电子存储器(112)，在所述电子存储器中记录有: -第一族(A)控制函数，包括一个或多个不同的基本控制函数(An)，第一族(A)的每个基本控制函数能够调整所述控制信号(S)的振幅， -第二族(T)控制函数，包括一个或多个不同的基本控制函数(Tn)，第二族(T)的每个基本控制函数能够调整所述控制信号(S)的持续时间， -第三族(C)控制函数，包括几个不同的基本控制函数(Cn)，第三族(C)的每个基本控制函数能够调整控制信号(S)的周期， -至少所述控制宏函数(M)，由分别选自记录在存储器内的三族控制函数(A，T，C)中的至少三个基本控制函数的集合构成。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电子存储器(112)包含第四族(F)控制函数，所述第四族(F)控制函数包括一个或多个不同的基本控制函数(Fn)，第四族(F)的每个基本控制函数能够调整所述控制信号(S)的频率，并且其中，所述控制宏函数(M)由分别选自记录在存储器内的四族控制函数(A，T，C，F)中的至少四个基本控制函数的集合形成。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制宏函数(M)的至少一个基本控制函数能够根据记录在所述电子存储器(112)中的至少一个调整值调整所述控制信号(S)的振幅或持续时间或周期或频率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述电子存储器(112)包含几个不同的控制宏函数(Mn)，所述几个不同的控制宏函数各自由分别选自记录在存储器内的所述第一族控制函数、所述第二族控制函数和所述第三族控制函数(A，T，C)中的至少三个基本控制函数的集合构成，并且优选由分别选自记录在存储器内的所述第一族控制函数、所述第二族控制函数、所述第三族控制函数和所述第四族控制函数(A，T，C，F)中的至少四个基本控制函数的集合构成。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述电子存储器(112)包含单一控制宏函数(M)的基本控制函数的调整值。
6.根据权利要求3和4所述的设备，其中，所述电子存储器(112)包含记录在所述电子存储器(112)中的每个控制宏函数(Mn)的预定义基本控制函数的调整值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括至少一个通信端口(110b)，能够使设备(I)与微计算机或可编程逻辑控制器类型的可编程电子处理单元(3)通信。
8.一种用于控制实现至少一个压电式换能器、电致伸缩换能器或磁致伸缩换能器的应用的系统，所述系统包括根据前述权利要求中任一项所述的电子设备(I)，以及能够连接至所述电子设备的电子处理单元(3)。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电子处理单元(3)在被连接至所述电子设备(I)时，能够将至少一个控制宏函数(M)加载到所述电子设备的存储器中。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其中，所述电子处理单元(3)在被连接至所述电子设备(I)时，能够将函数族(A，F，T)或(A，F，T，C)的每一个的基本函数加载到所述电子设备的存储器(112)中。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的系统，其中，所述电子处理单元(3)在被连接至所述电子设备(1)时，能够将至少一个控制宏函数(M)的调整值加载到所述电子设备(1)的存储器(112)中。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的系统，其中，所述电子处理单元(3)在被连接至所述电子设备(1)时，允许用户从记录在设备的存储器内的一组控制宏函数(Mn)中选择控制宏函数，所述设备(10)的电力发生器被设计为执行所选的控制宏函数。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的系统，其中，所述电子处理单元(3)包括存储器中的记录在所述电子设备(1)中的至少所有基本控制函数以及用于建立宏函数的程序，当所述程序由所述电子处理单元执行时，允许用户从所述基本控制函数建立控制宏函数(M)。
14.一种计算机程序，包括计算机程序代码方法，适用于由电子处理装置(3)执行，并且适用于当由电子处理装置(3)执行时，从具有一个或多个不同的基本控制函数(An)的第一族(A)控制函数，具有一个或多个不同的基本控制函数(Tn)的第二族(T)控制函数以及具有几个不同的基本控制函数(Cn)的第三族(C)控制函数构建控制宏函数(M)，所述第一族(A)控制函数的基本控制函数的每一个能够调整将由电力发生器(10)生成的信号(S)的振幅，所述第二族(T)控制函数的基本控制函数的每一个能够调整所述控制信号(S)的持续时间，所述第三族(C )控制函数的基本控制函数的每一个能够调整所述控制信号(S)的周期。
15.根据权利要求14所述的计算机程序，也能够从具有一个或多个不同的基本控制函数(Fn)的第四族(F)控制函数建立控制宏函数(M)，所述第四族(F)控制函数的基本控制函数的每一个能够调整所述控制信号(S)的频率。
16.一种计算机程序，包括计算机程序代码方法，适用于由电子处理装置(3)执行，并且适用于当由电子处理装置(3)执行时，设定控制宏函数(M)，所述控制宏函数(M)包括:第一基本控制函数(An)，能够优选基于至少一个设定值调整将由电力发生器(10)生成的控制信号(S)的振幅；第二基本命令函数(Tn)，能够优选基于至少一个设定值调整所述控制信号(S)的持续时间；以及第三基本控制函数(Cn)，能够优选基于至少一个设定值调整所述控制信号(S)的周期，所述程序允许用户定义一个基本控制函数或多个基本控制函数的一个设定值或多个设定值。
17.根据权利要求16所述的计算机程序，能够设定还包括第四基本控制函数(Fn)的控制宏函数(M)，能够优选基于至少一个设定值调整所述控制信号(S)的频率。
18.一种支持软件，所述支持软件由计算机可读，并且在其上记录有符合权利要求14至17中任一项的计算机程序。
【文档编号】B06B1/02GK104023861SQ201280065315
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年12月6日 优先权日:2011年12月9日
【发明者】帕斯卡尔·蒂耶尔斯 申请人:森派克公司