Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung für einen Ultraschallkonverter und Ultraschallgenerator

Abstract

 In einem Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung eines Ultraschallkonverters (1) wird bei Erreichen eines Schwellwertes (U_{pzt max}) für die Konverterspannung (U_pzt) bei zunehmender Last die Amplitude (A) und/oder die Frequenz (f) der Spannung (U_o) so geregelt, dass die Konverterspannung (U_pzt) gleich oder kleiner dem Schwellwert (U_{pzt max}) bleibt.
Zum Durchführen des Verfahrens wird ein Ultraschallgenerator (2) beschrieben, der einen digitalen und einen analogen Regler aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung für einen Ultraschallkonverter und einen Ultraschallgenerator mit den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Patentansprüche.

[0002] Vornehmlich werden hier piezoelektrische Wandlersysteme eingesetzt, die wegen der kapazitiven Komponente des Wandlers jeweils im Arbeitsbereich eine Serie- und eine Parallelresonanzfrequenz aufweisen. Die gleichen Verhältnisse gelten aber auch für magnetostriktive Wandler, bei denen lediglich die kapazitive Komponente durch eine induktive ersetzt wird und umgekehrt.

[0003] Schmalbandige Ultraschallkonverter, vornehmlich beim Einsatz in Schweissanlagen für Kunststoffe und Metalle müssen exakt auf ihre Resonanzfrequenz betrieben werden, um eine möglichst konstante Schwingungsamplitude zu garantieren und andererseits für eine zuverlässige Arbeitsweise bei ansteigender Belastung die Spannungs- und Stromwerte an dem Wandler in Grenzen zu halten.

[0004] Ultraschallkonverter werden in den verschiedensten Anwendungsgebieten eingesetzt. Einsatzgebiete sind z.B. Schweissen, Schneiden, Reinigen, Sieben, Sonochchemie und viele andere Applikationen. Dabei verändert sich häufig die Last im Betrieb. Durch die Ankoppelung des Konverters an die Last wird die Resonanzfrequenz des Wandlers während des Bertiebs verstimmt und muss durch eine Regelung sehr schnell nachgeregelt werden.

[0005] Beim Ultraschallschweissen wird z.B. die Schweisssonotrode mit zunehmender Kraft auf den zu schweissenden Gegenstand gedrückt, welcher wiederum auf einem Amboss oder Halterung liegt.

[0006] Es ist bekannt, die Spannungsversorgung für einen Ultraschallkonverter so zu regeln, dass die Arbeitsfrequenz f des Ultraschallgenerators der parallelen Resonanzfrequenz des Konverters folgt.

[0007] Die Werte, die die Leistungsfähigkeit des Ultraschallkonverters begrenzen, sind die Konverterspannung und die Konvertertemperatur. Üblicherweise ist ausreichend Kühlung vorhanden, sodass das Problem der Konvertertemperatur einfacher zu lösen ist.

[0008] Um eine Beschädigung des Ultraschallkonverters durch Überlast (zu hohe Spannung / zu hohe Temperatur) zu vermeiden, darf die Konverterspannung, welche die E-Feld-stärke definiert, einen maximal zulässigen Wert nicht übersteigen.

[0009] In bekannten Verfahren wird der Ultraschallgenerator (bei zunehmender Last) auf der parallelen Resonanzfrequenz f_p betrieben. Der Generator arbeitet mit dem Wandler zusammen als Konstantstromquelle, um die mechanische Schwingungsamplitude bei variabler Last konstant zu halten. Durch diese Schaltungsauslegung ist die abgegebene Wirkleistung proportional zum Lastwiderstand, wenn der Wandler auf seinen Eigenresonanzen betrieben wird. Der Ultraschallwandler wird dabei mit konstanter Amplitude betrieben. Sobald die Last am Ultraschallkonverter so gross ist, dass die maximale Spannung U_pzt des Konverters erreicht ist, darf bei bekannten Regelungsverfahren die Last am Ultraschallkonverter nicht weiter erhöht werden, um eine Zerstörung des Ultraschallkonverters, insbesondere der piezoelektrischen Scheiben (PZT) zu vermeiden.

[0010] Es ist bekannt, die Frequenz mit analogen Phasenregelkreisen auf Basis der Phased-Locked-Loop (PLL) Schaltung zu regeln. Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass stets ein sauberes Phasensignal, d.h. eindeutige Lastbedingungen vorhanden sein müssen.

[0011] Bei unterschiedlichen Lastverhältnissen und im Speziellen bei hohen Leistungen, sowie bereits geringem nichtlinearem Verhalten der Bauteile, z.B. Sättigung der Kompensationsinduktivität L_k oder verstimmte Kompensation, ist dieses aber nicht einwandfrei zu gewährleisten. Die Folge ist ein Arbeiten auf nicht optimaler Resonanz. Daraus folgt eine zu hohe Spannung und/oder Strom am piezoelektrischen Wandler. Aus Sicherheitsgründen müssen die Werte begrenzt werden, was in der Praxis stets zum Betrieb mit reduzierter Leistung führt.

[0012] Leistung heisst in diesem Zusammenhang Wirkleistung. Ansonsten wird auf Scheinoder Blindleistung verwiesen.

[0013] Bekannt sind auch seit der industriellen Verbreitung von Mikrokontrollern reine digitale Frequenzsteller gemäss EP 0 662 356, die aus digitalisierten Wandlerstrom und Spannung, bzw. deren Phasenverschiebung, regeln. Der Inhalt dieser Anmeldung wird ausdrücklich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Diese Systeme alleine sind aber wegen der Mittelwertbildung, der Abtastung und Digitalisierung zu langsam für eine Regelung bei schnell ändernder Belastung mit hoher Güte des Schwingsystems (Q) z.B. in Schweiss- und/oder Schneide-Anwendungen mit hoher geforderter Dynamik.

[0014] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also ein Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung eines Ultraschallkonverters und einen Ultraschallkonverter zu schaffen, welche den Betrieb des Ultraschallkonverters auch nach dem Erreichen der maximalen Leistung des Konverters mit weiter zunehmender Last R_s erlauben.

[0015] Das erfindungsgemässe Verfahren soll ausserdem ausreichend schnell sein, um eine Zerstörung des Ultraschallkonverters, bei schneller Laständerung zu verhindern. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallgenerator zu schaffen, der sich für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eignet.

[0016] Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit einem Verfahren und einem Ultraschallgenerator mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

[0017] In einem Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung eines Ultraschallkonverters bei veränderlicher Last nimmt in einem ersten Zeitabschnitt die Konverterspannung bei zunehmender Last zu. In diesem ersten Zeitabschnitt erfolgt die Regelung der Spannungsversorgung in an sich bekannter Weise. Ein ähnliches Verfahren liesse sich auch bei abnehmender Last sinnvoll einsetzen. Dabei würden sich die Zeitabschnitte vertauschen, d.h. der zweite Zeitabschnitt mit hoher Last kommt im Betriebsablauf vor dem Zeitabschnitt mit geringer Last. Anstieg und Abfall der Last kann selbstverständlich auch wiederholt beim erfindungsgemässen Verfahren und Generator durchlaufen werden.

[0018] Erfindungsgemäss wird nach Erreichen eines vorbestimmbaren Schwellwertes der Konverterspannung in einem zweiten Zeitabschnitt die Amplitude der Ausgangsspannung des Ultraschallgenerators derart reduziert und/oder die Frequenz des Generators derart verändert, dass bei weiter zunehmender Last die Konverterspannung kleiner oder vorzugsweise gleich dem Schwellwert ist oder bleibt.

[0019] Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt es, auch bei Erreichen der maximal zulässigen Konverterspannung die Last (R_s) am Ultraschallkonverter weiter zu erhöhen. Damit die Last am Ultraschallkonverter ohne Gefahr der Zerstörung des Ultraschallkonverters weiter erhöht werden kann, wird entweder die mechanische Amplitude, durch Reduktion der Spannung U_o, reduziert und/oder die Betriebsfrequenz des Ultraschallgenerators wird in einen Bereich verschoben, in welchem die Konverterspannung kleiner ist, als in der parallelen Resonanzfrequenz (bei gleicher Last).

[0020] Die Konverterspannung steigt wie folgt an:

[0021] Wobei die Normierungsimpedanz Z₀:

[0022] Die Werte für χ sind bei der seriellen Resonanzfrequenz gleich 0 und bei der parallelen Resonanzfrequenz gleich 1 (dies unter der Voraussetzung, dass die Kompensation auf den Konverter abgestimmt ist).

[0023] Der Wert der Kompensation L_k beträgt dabei

Aus der Formel für die Konverterspannung ist ersichtlich, dass die Konverterspannung im Falle der seriellen Resonanzfrequenz ( χ = 0) immer kleiner ist, als im Fall der parallelen Resonanzfrequenz ( χ = 1).

[0024] Sobald die maximal zulässige Konverterspannung erreicht wird, kann mit weiter zunehmender Last (R_s) gearbeitet werden, sofern entweder die Spannung U₀ reduziert wird (der Wert U₀ in der Formel für die Konverterspannung wird reduziert, was die Wirkleistung verkleinert) und/oder wenn der Wert von χ in der obigen Formel reduziert wird. Die Reduktion des Wertes von χ entspricht einer Verschiebung der Betriebsfrequenz des Generators von der parallelen Resonanzfrequenz in Richtung der seriellen Resonanzfrequenz.

[0025] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient im ersten Zeitabschnitt die Phasenverschiebung zwischen der vom Ultraschallgenerator gelieferten Spannung U_o und dem Ausgangsstrom l_out als Regelgrösse. Der Sollwert der Phasenverschiebung zielt dabei auf einen Minimalwert der Phasenverschiebung, idealerweise 0°. Je grösser die praktisch erreichte Phasenverschiebung ist, desto mehr Blindleistung wird benötigt, was unerwünscht ist. In der Praxis haben sich insbesondere Werte zwischen -15° und +15° bewährt. Die Frequenz des Ultraschallgenerators ist in diesem Fall Stellgrösse. Eine Regelung der Phasenverschiebung auf den Wert 0° bedeutet, dass der Generator mit einer Frequenz betrieben wird, die der parallelen Resonanzfrequenz des Konverters entspricht. Ein Betrieb in der seriellen Resonanzfrequenz wäre an sich im Hinblick auf die Konverterspannung vorzuziehen. Dies ist aber wegen dem fehlenden Nulldurchgang der Phase zwischen der Spannung U₀ und dem Strom l_out im Fall der seriellen Resonanz mit bisher bekannten Reglern nicht zu realisieren.

[0026] In einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel wird im zweiten Zeitabschnitt im ersten Bereich die Ausgangsleistung des Generators bei zunehmender Last am Ultraschallkonverter konstant gehalten. Gleichzeitig wird die Frequenz des Ultraschallgenerators von der parallelen Resonanzfrequenz in Richtung der seriellen Resonanzfrequenz verändert.

[0027] In einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in einem zweiten Bereich des zweiten Zeitabschnitts die Konverterspannung konstant gehalten und die Frequenz des Ultraschallgenerators etwa der bei zunehmender Last sich in Richtung serieller Resonanzfrequenz nachgeführt.

[0028] Dabei ist im ersten Bereich vorteilhaft die Phasenverschiebung Regelgrösse. Der Sollwert der Phasenverschiebung folgt dabei einer einstellbaren Sollwertkurve. Die Sollwertkurve wird kreisabhängig vorbestimmt, vorzugsweise von einem Mikroprozessor, Mikrocontroller oder digitalem Signalprozessor vorgegeben.

[0029] Der zweite Bereich des zweiten Zeitabschnitts setzt vorzugsweise dann ein, wenn die Frequenz des Ultraschallgenerators etwa der seriellen Resonanzfrequenz des Konverters entspricht.

[0030] Bevorzugt wird der Wert der seriellen und parallelen Resonanzfrequenz automatisch ermittelt, bevor der Ultraschallkonverter mit einer Last R_s beaufschlagt wird oder während die Last R_s noch verhältnismässig gering ist, d.h. wenn der Resonanzkreis eine hohe Güte (Q) aufweist.

[0031] Während dem Frequenzscan ist es vorteilhaft, zwischen den Ultraschallgenerator und den Ultraschallkonverter in Serie einen Widerstand einzusetzen. Damit wird vermieden, dass bei fehlender Last R_s am Ultraschallkonverter zu hohe Ströme und Spannungen entstehen. Bei Normalbetrieb des Generators wird der Widerstand überbrückt.

[0032] Der auf diese Weise bestimmte Wert des Frequenzabstand und andere Parameter können gespeichert und dazu verwendet werden, den Beginn des zweiten Bereichs im zweiten Zeitabschnitt zu bestimmen. Wenn sich die Frequenz des Generators ausgehend von der parallelen Resonanzfrequenz um den vorher bestimmten Frequenzabstand verändert hat, entspricht die Frequenz des Generators etwa der seriellen Resonanzfrequenz. Da sich der Frequenzabstand bei zunehmender Last meist verändert, wird im allgemeinen allerdings die Generatorfrequenz nicht genau der seriellen Resonanzfrequenz entsprechen.

[0033] In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es denkbar, bei Erreichen des Schwellwertes der Konverterspannung die Konverterspannung konstant auf diesem Wert zu halten. Dazu wird die Spannung U_o des Generators reduziert. Gleichzeitig wird die Phasendifferenz auf einem wie vorstehend definierten Minimalwert, vorzugsweise gegen Null geregelt, sodass die Frequenz des Ultraschallgenerators etwa der parallelen Resonanzfrequenz folgt. Auch diese Ausführungsbeispiel erlaubt einen verlängerten Betrieb mit weiter zunehmender Last, auch wenn die maximal zulässige Konverterspannung bereits erreicht wurde. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel wird die abgegebene Leistung schneller begrenzt.

[0034] Das erfindungsgemässe Verfahren wird vorteilhaft mit einer Kombination eines schnellen analogen Reglerteils mit einem langsamen digitalen Steller ausgeführt. Der Analogregler reagiert sofort bei jeder Laständerung, der Digitalsteller greift nur ein, wenn die Phasen, Strom- und Spannungswerte einen gewissen Grenzwert überschritten haben. Bei zu hoher Wandlerspannung wird dann durch den Microcontroller die Arbeitsfrequenz auf einen Bereich in die Nähe von f_s verschoben. Hierdurch kann das System bei gleicher Spannung eine um typisch

grössere Leistung abgeben. Es ist notwendig eine analoge Komponente in der Regelung einzusetzen, damit kurze Reaktionszeiten erreicht werden können. Die Regelung der Phasenverschiebung erfordert eine Anpassung der als Stellgrösse dienenden Frequenz des Generators im Bereich von Millisekunden. Auf der anderen Seite ist es mit einem rein analogen Regelkreis nicht möglich, die Frequenz des Generators von der parallelen Resonazfrequenz in Richtung der seriellen Resonanzfrequenz zu verändern. Aus diesem Grund weist die Regelung gemäss der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche digitale Komponente auf. Die digitale Komponente wirkt, insbesondere durch Vorgabe eines sich veränderten Sollwertes für die Phasenverschiebung auf den analogen Teil der Regelung ein.

[0035] Der Anteil der analogen und digitalen Regelung ist variabel einstellbar. Die Frequenzregelung kann sowohl rein analog, wie auch rein digital arbeiten, oder je nach gewünschten Anteilen. Dies entspricht folgender Formel:

[0036] Der Generator weist Schaltkreise zur analogen Signalverarbeitung und Schaltkreise zur digitalen Signalverarbeitung auf. Die Schaltkreise zu digitalen Signalverarbeitung wirken dabei vorteilhaft auf die der analogen Signalverarbeitung ein.

[0037] Die vorgehend verwendeten Begriffe, insbesondere Resonanzfrequenzen und die in den Formeln wiedergegebenen Werte beziehen sich auf ein Ersatzschaltbild des Ultraschallkonverters. Das Ersatzschaltbild ist in den Figuren wiedergegeben. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen und in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Ultraschallkonverters (1) mit einem Ultraschallgenerator (2),

Figur 2

Darstellung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit der Lastimpedanz gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 3

Darstellung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit der Lastimpedanz gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 4

schematische Darstellung der Lastimpedanz bei geringer Belastung in Abhängigkeit der Frequenz,

Figur 5

schematische Darstellung einer Sollwertkurve für die Phasenverschiebung,

Figur 6

schematische Darstellung der Regelungsanordnung

Figur 7

schematische Darstellung eines Regelkreises und

Figur 8

Ersatzschaltbild eines alternativen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Generators und Konverters.

[0038] Figur 1 zeigt das Ersatzschaltbild für einen Ultraschallgenerator 2 mit einem Ultraschallkonverter 1.

[0039] Der Generator 2 wird als Stromquelle betrieben und liefert eine Spannung U₀ mit einer Frequenz f, welches zu einer Konverterspannung U_pzt und einem Ausgangsstrom l_out führt.

[0040] L_k bezeichnet eine induktive Kompensationsanordnug, mittels welcher der Ausgangskreis des Ultraschallgenerator 2 auf den Ultraschallkonverter 1 abgestimmt wird.

[0041] l_out bezeichnet den vom Ultraschallgenerator 2 gelieferten Strom. U_pzt bezeichnet die Konverterspannung. Die Konverterspannung ist die Spannung, die an den PZT-Elementen (Scheiben) des Ultraschallkonverters 1 anliegt. Mit R_s ist die auf den Ultraschallkonverter 1 einwirkende Last bezeichnet. Die Grössen L_s und C_s sind die elektrischen Equivalente der Masse und der Elastizität des mechanischen Schwinggebildes.

[0042] In Figur 2 ist schematisch die Ausgangswirkleistung des Generators in Abhängigkeit der Lastimpedanz dargestellt.

[0043] Die Kurve 21 bezeichnet dabei die maximal zu erreichende Ausgangswirkleistung beim Betrieb des Generators in der parallelen Resonanzfrequenz f_p. Die Leistung ist durch die maximal am Konverter anlegbare Spannung U_{pzt max} begrenzt. Die Kurve 22 bezeichnet die maximal erreichende Ausgangsleistung bei Betrieb des Ultraschallgenerators 2 in der seriellen Resonanzfrequenz f_s.

[0044] Die Kurve 23 zeigt den Verlauf der Ausgangsleistung des Ultraschallgenerators 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel.

[0045] In einem ersten Zeitabschnitt t₁, t₂ wird die Spannung U₀ und damit die mechanische Amplitude konstant gehalten. Mit zunehmender Last am Konverter 1 nimmt dabei die Ausgangsleistung des Generators 2 zu. Bei zunehmender Last kann sich gleichzeitig der Wert der parallelen Resonanzfrequenz f_p des Ultraschallkonverters 1 verändern. Die Frequenz f des Ultraschallgenerators 2 wird der sich verändernden parallelen Resonanzfrequenz nachgeführt. Die Nachführung erfolgt durch Regelung der Differenz der Phaselage der Spannung U₀ und des Ausgangsstroms l_out auf den Wert nahe 0°. Bei Erreichen der maximalen Ausgangsleistung des Generators im Zeitpunkt t₂ ist der erste Zeitabschnitt t₁, t₂ abgeschlossen, in welchem mit konstanter mechanischer Amplitude gearbeitet wird.

[0046] In einem weiteren Zeitabschnitt t₂, t₃ wird mittels der Spannung U₀ die mechanische Ampitude reduziert. Dadurch wird die Konverterspannung U_pzt auf dem maximal zulässigen Wert U_pzt max gehalten. Die Konverterspannung U_pzt ist Regelgrösse. Der Sollwert ist U_{pzt max}. Stellgrösse ist dabei Spannung U₀. Die Spannung U₀ wird bis auf einen Wert reduziert, der ca. 50% der mechanischen Amplitude im ersten Teilzeitabschnitt t₁ ,t₂ entspricht.

[0047] Mit der in Figur 2 beschriebenen Regelung ist es möglich, auch nach Erreichen der maximalen Ausgangsleistung mit weiter zunehmender Last gearbeitet werden kann, ohne dass ein Risiko der Zerstörung des Ultraschallkonverters 1 besteht. Die Leistungsabgabe nimmt aber ab.

[0048] In Figur 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Figur 2 ist der zweite Zeitabschnitt t₂,t₃ in einen ersten Bereich t₂,t_x und in einen zweite Bereich t_x,t₃ aufgeteilt. Die Regelung im ersten und im zweiten Bereich ist dabei unterschiedlich. Die Kurve 24 zeigt den Verlauf der Ausgangsleistung im alternativen Ausführungsbeispiel.

[0049] Im ersten Bereich t₂,t_x wird die Ausgangsleistung P_out des Generators bei zunehmender Last (R_s) auf dem maximalen Wert von 100% Leistung konstant gehalten, darf aber auch ansteigen. Regelgrösse ist P_out während die Spannung U₀ Stellgrösse ist. Gleichzeitig wird die Frequenz f der Spannung U₀ vom Wert der parallelen Resonazfrequenz f_p in Richtung der seriellen Resonanzfrequenz f_s verändert. Die Veränderung der Frequenz f wird durch Regelung der Phasendifferenz zwischen Spannung U₀ und Ausgangsstrom l_out auf eine entsprechende Sollwertkurve (Figur 5) kontrolliert. Ausgehend von dem vorgängig bestimmten Frequenzabstand Δf zwischen der parallelen Resonanzfrequenz f_p und der seriellen Resonanzfrequenz f_s wird die Frequenz von der parallelen Resonanzfrequenz f_p um den Frequenzabstand Δf verschoben.

[0050] Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 insofern vorteilhaft, dass die der in Figur 3 schraffiert dargestellten Fläche entsprechende Leistung zusätzlich in das System eingebracht werden kann.

[0051] Im ersten Zeitabschnitt wird die Phasenverschiebung Δϕ auf 0° geregelt. Stellgrösse ist die Frequenz f der Spannung U₀

[0052] Im zweiten Zeitabschnitt wird die Ausgangsleistung P_out konstant gehalten. Die Phasenverschiebung Δϕ hat keinen konstanten Sollwert mehr sondern folgt einer Sollwertkurve, welche durch den digitalen Reglerteil bestimmt wird (siehe Figur 5). Der Sollwert für die zulässige Phasenverschiebung Δϕ wird im Mikroprozessor anhand der Werte von U₀, l_out und U_pzt bestimmt. Stellgrössen sind die Frequenz f und der Spannungswert von U_0. In Figur 6 ist also schematisch eine Kombination eines digitalen und analogen Regelverfahrens gezeigt.

[0053] Nach Erreichen der maximalen Nennleistung (100%) zum Zeitpunkt t₂ in Figur 2 bzw. nach Erreichen der seriellen Resonanzfrequenz im Zeitpunkt t_x wird die Phasenverschiebung Δϕ konstant gehalten. Im Ausführungsbeispiel von Figur 2 wird die Phasenverschiebung konstant auf dem Wert nahe 0° gehalten. Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 wird im zweiten Bereich t_x,t₃ die Phasenverschiebung auf einem konstanten Wert gehalten. Damit wird erreicht, dass die Frequenz f der Spannung U₀etwa der sich bei weiter zunehmender Last verändernden seriellen Resonanzfrequenz folgt.

[0054] Gleichzeitig wird im Zeitabschnitt t₂,t₃ gemäss Figur 2 bzw. im zweiten Bereich t_x,t₃ gemäss Figur 3 die Konverterspannung U_pzt auf einen konstanten (auf den maximal zulässigen) Wert geregelt. Stellgrössen sind die Frequenz f und die Spannung U₀ des Generators 2.

[0055] Im Fall des Ausführungsbeispiels gemäss Figur 2 ist der digitale Regler nicht zwingend nötig, da die Phasenverschiebung Δϕ auf den Wert nahe 0° geregelt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3 wird die Phasenverschiebung Δϕ auf einen vorher bestimmten Wert vom Digitalregler vorgegebenen und von U₀, l_out und U_pzt abhängigen Wert geregelt.

[0056] In Figur 4 ist schematisch die Abhängigkeit des Betrages der Lastimpedanz Z_L (bei geringer Last) von der Frequenz f der Spannung U₀ dargestellt. Wenn die Frequenz f der parallelen Resonanzfrequenz f_p entspricht, ist die Lastimpedanz Z_L maximal. Wenn die Frequenz der seriellen Resonanzfrequenz f_s entspricht, ist die Lastimpedanz Z_L minimal.

[0057] Vor der Durchführung eines Betriebszyklus, z.B. eines Schweissvorgangs wird mit einem Frequenzscan die in Figur 4 gezeigte Kurve ermittelt. Damit lässt sich die parallele Resonanzfrequenz f_p und der Frequenzabstand Δf zwischen der parallelen Resonanzfrequenz f_p und der seriellen Resonanzfrequenz f_s ermitteln. Das Ausmessen der parallelen Resonanzfrequenz f_p bei kleinen Lasten (Leerlauf) erlaubt es, beim Beginn des Vorganges mit einer Frequenz f des Generators 2 zu beginnen, die nahe der parallelen Resonanzfrequenz f_p liegt oder dieser entspricht. Der Frequenzabstand Δf erlaubt es, in der Bereich t₂,t_x gemäss Figur 3 den Generator von der parallelen Resonanzfrequenz in Richtung der seriellen Resonanzfrequenz zu führen.

[0058] In Figur 5 ist eine mögliche Sollwertkurve für die Phasenverschiebung gemäss dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3 gezeigt. Im Zeitabschnitt t₁ ,t₂ wird die Phasenverschiebung Δϕ konstant auf 0° geregelt. Damit wird erreicht, dass die Frequenz f der Spannung U₀ der parallelen Resonanzfrequenz f_p folgt. Im zweiten Zeitabschnitt t₂,t₃ wird in einem ersten Bereich t₂,t_x eine Veränderung der Phasenverschiebung Δϕ zugelassen. Die Veränderung wird vom digitalen Regler 3 vorgegeben. Die Phasendifferenz Δϕ wird so verändert, dass zum Zeitpunkt t_x die Frequenz f der Spannung U₀ sich gegenüber der parallelen Resonanzfrequenz f_p etwa um den Frequenzabstant Δf verändert hat. Zum Zeitpunkt t_x am Anfang der zweiten Bereich t_x,t₃ entspricht die Frequenz f der Spannung U₀ etwa der seriellen Resonanzfrequenz f_s. Während der zweiten Bereich tx,t₃ wird die Phasenverschiebung konstant auf diesem Wert gehalten.

[0059] In Figur 6 ist schematisch die Kombination eines analogen Reglers 4 mit digitalen Regler 3 gezeigt.

[0060] Mit einer Messanordnung 5 werden die zeitabhängigen Werte der Spannung U₀, des Ausgangsstroms l_out und der Konverterspannung U_pzt gemessen. Um eine Regelung mit hoher Dynamik zu gewährleisten wird ein analoger Reglerteil 4 verwendet, der den Generator 2 in der Frequenz f regelt. Mit einem digitalen Regler 3 wird dem analogen Regler 4 der Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen der Spannung U₀ und dem Ausgangsstrom l_out vorgegeben. Der digitale Regler 3 ist (beim Ausführungsbeispiel gemäss Figur 3) so programmiert, dass bis zum Erreichen eines Schwellwertes U_pzt max der Konverterspannung U_pzt als Phasenverschiebung nahe 0° vorgegeben wird. Bei Erreichen des Schwellwertes U_pztmax gibt der digitale Regler 3 eine sich gemäss Figur 5 veränderte Phasenverschiebung Δφ vor. Selbstverständlich kann der Anstieg der Phasenverschiebung auch stufenförmig, progressiv, degressiv erfolgen (siehe gestrichelte Kurven in Figur 5). Bei Erreichen der ausgehend vom Frequenzabstand Δf zwischen der parallelen Resonanzfrequenz f_p und der seriellen Resonanzfrequenz f_s im Zustand ohne Last berechneten Phasenverschiebung gibt der digitale Regeler 3 wiederum einen konstanten Wert für die Phasenverschiebung Δϕ vor, der aber nicht gleich 0° ist. In diesem Zeitabschnitt wird vom digitalen Regler ausserdem eine Regelung der Ausgangsleistung P_out auf den Maximalwert von 100% Nennleistung vorgegeben. Dank der Kombination einer analogen und einer digitalen Regelung ist es möglich, mit ausreichender Dynamik ein Regelungsverfahren durchzuführen, bei welchem die Frequenz f der Spannung U₀ des Generators 2 von der parallelen Resonanzfrequenz f_p in Richtung der seriellen Resonanzfrequenz f_s bewegt werden kann.

[0061] Wenn der analoge Regelkreis keinen nutzbares Phasensignal feststellt, übernimmt der digitale Regler zu 100% die Kontrolle der Frequenz und errechnet sich aus den gemessen Werte die Lastimpedanz, welche zum Regeln der Frequenz benötigt wird.

[0062] Der digitale Regler enthält Algorithmen, die bei Mehrfachresonanzen im Arbeitsbereich den Regelbereich beider Regler automatisch einengen und die optimale Arbeitsfrequenz auswählt.

[0063] Der digitale Regler kommuniziert mit einem Bus- und/oder Benutzer-Interface. Alle Betriebszustände können einer überlagerten Steuerung oder Rechner zur Kontrolle und Protokollierung übergeben werden.

[0064] Figur 7 zeigt das schematische Block- oder Funktions-Schaltbild eines Regelkreises für den erfindungsgemässen Ultraschallgenerator. Gemäss Figur 7 ist dabei der Anteil einer analogen und einer digitalen Regelung variabel einstellbar.

[0065] Der Regelkreis weist einen Phasenvergleicher 30 zum Bestimmen der Phase zwischen den Rückführgrössen Spannung U₀ und Ausgangsstrom l_out auf. Die vom Phasenvergleicher 30 bestimmte Phasenverschiebung Δϕ wird in einem Sollwertvergleicher 31 mit einem Sollwert Δϕ_soll verglichen. Der Sollwert Δϕ_soll wird von einem Sollwertgeber 40 vorgegeben. Ein Sollwertgeber bzw. Steller 33 kann einen variablen Sollwert vorgeben. Der vom Steller 33 ausgegebene Sollwert kann durch eine digitale Signalverarbeitungsanordnung 34 bestimmt werden. Aufgrund der Messgrössen Ausgangsstrom, Spannung und Konverterspannung werden verschiedene Sollwerte bzw. Sollwertkurven vorgegeben.

[0066] Ein Regler 32 verändert über einen als Stellglied wirkenden Voltage Controlled Oscilator 36 die Frequenz f des Generators 2.

[0067] In einem ersten Betriebsmodus kann als Sollwert für die Phasenverschiebung Δϕ vom Steller 40 ein Wert von Null oder nahe bei Null vorgegeben werden. Im ersten Zeitabschnitt t₁,t₂ (siehe Fig. 2, 3) wird in diesem Betriebsmodus gearbeitet. Die Regelung erfolgt dabei vorzugsweise nur durch den Regler 32 in der beschriebenen Weise und damit zu 100% analog.

[0068] Der Regelkreis weist ausserdem einen Schwellwertbegrenzer 38 für eine minimale Frequenz f_min und eine maximale Frequenz f_max des Voltage Controlled Oscilator 36 auf. Mit dem Schwellwertbegrenzer 38 lässt sich der Frequenzbereich bestimmen, in welchem die Frequenz des Oszillators 36 verstellbar ist. Dadurch sind auch die Grenzen der analogen Regelung durch den Oszillator 36 einstellbar.

[0069] Der Regelkreis weist ausserdem schematisch dargestellte Mittel 35 zum Ein- bzw. Ausschalten des analogen Reglers 32 auf.

[0070] Bei nicht brauchbarem Phasensignal (zum Beispiel bei Verstimmung der Kompensation L_k und zu grossem Lastwiderstand R_s des Resonanzkreises und fehlendem Nulldurchgang der Phase wenn das System z. B. kapazitiv wird) wird der analoge Regler 32 ausgeschaltet. Die Regelung erfolgt dann ausschliesslich digital über den digitalen Frequenzregler 37. Dies kann manuell oder in Abhängigkeit der Betriebsparameter (vor allem l_out U_o und U_pzt) durch die Ausschaltmittel 35 erfolgen.

[0071] Der Regelkreis weist ausserdem einen digitalen Frequenzregler 37 auf. Aufgrund der Zeitsignale Ausgangsstrom l_out, Spannung U₀ und Konverterspannung U_pzt kann die Frequenz f des Generators 2 über eine Schaltung 39 zum Verändern (d.h. Erhöhen oder Reduzieren) der Frequenz geregelt werden.

[0072] Es ist denkbar, die Regelung gleichzeitig analog und digital durchzuführen, wobei der Anteil des analogen Reglers 32 und der Anteil des digitalen Reglers 37 variabel eingestellt werden kann.

[0073] Der Anteil wird dabei durch Einstellen der minimalen bzw. maximalen Schwellwerte f_min und f_max für den Voltage Controlled Oscilator 36 bestimmt. Die Frequenz des Generators 2 wird dabei sowohl durch den Frequenzregler 37 und die Schaltung 39 als auch durch den Regler 32 und den Oszillator 36 bestimmt. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, den Schwellwertbegrenzer 38 mit einem Mikroprozessor zu beeinflussen, der mit dem digitalen Frequenzregler 37 zusammenwirkt.

[0074] Die Arbeitskurven der Regler 32 und 37 sowie des Stellers 33 und des Sollwertgebers 40 lassen sich dabei empirisch vorbestimmen und z. B. speichern und von einem Microprozessor abrufen und verarbeiten. Das Ziel ist dabei, maximale Ausgangsleistung bei den verschiedenen Last-Bedingungen zu fahren und eine Zerstörung des Konverters zu verhindern.

[0075] Die Eigenschaften des Resonanzsystems lassen sich dabei vorteilhaft vor Betriebsbeginn durch Betreiben der Anordnung in einem Teil-Lastbereich bestimmen.

[0076] Figur 8 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels bei dem durch einen Frequenzscan die Eigenschaften des Resonanzsystems ermittelt werden. Im Unterschied zum Ersatzschaltbild gemäss Figur 1 ist in Figur 8 ein Widerstand R_m in Serie zwischen den Generator 2 und den Ultraschallkonverter 1 eingesetzt. Der Widerstand R_m erlaubt es, beim Frequenzscan zum Bestimmen des Frequenzabstandes Δf das Risiko von Überspannung oder Überstrom auszuschliessen. Bei normalem Betrieb wird der Widerstand R_m überbrückt. Die bei diesem Teil-Lastbetrieb ermittelten Werte für Δf und f_p und f_s lassen sich auf bekannte Weise durch nicht dargestellte Messanordnungen messen und für die Nachstellung der Regler 37 und 32 sowie des Schwellwertgebers 38 und des Stellers 33 einsetzen.

[0077] Dieses System könnte auch bei Ultraschallgeneratoren die nach einem anderen Verfahren arbeiten als dem vorstehend beschriebenen zum Durchführen eines sicheren Frequenzscans vorteilhaft sein.

Ansprüche

1. Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung für einen Ultraschallkonverter (1) bei veränderlicher Last (R_s), bei welchem in einem ersten Zeitabschnitt (t₁,t₂) die Konverterspannung (U_pzt) bei zunehmender Last (R_s) zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines vorbestimmbaren Schwellwertes (U_{pzt max}) der Konverterspannung (U_pzt) in einem zweiten Zeitabschnitt (t₂,t₃) die Spannung (U₀) des Ultraschallgenerators (2) derart reduziert wird und/oder die Frequenz (f) der Spannung (U₀) des Ultraschallgenerators (2) derart verändert wird, dass bei weiter zunehmender Last (R_s) die Konverterspannung (U_pzt) kleiner oder gleich dem Schwellwert (U_{pzt max}) der Konverterspannung (U_pzt) bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Zeitabschnitt (t₁,t₂) die Phasenverschiebung (Δϕ) zwischen der Spannung (U₀) und dem Ausgangsstrom (l₀) des Generators (2) Regelgrösse ist, wobei der Sollwert der Phasenverschiebung (Δϕ) 0 ist und wobei die Frequenz (f) der Spannung (U₀) Stellgrösse ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Zeitabschnitt (t₂,t₃) in einem ersten Bereich (t₂,t_x) die Ausgangsleistung (P_out) des Ultraschallgenerators (2) bei zunehmender Last (R_s) konstant gehalten wird und dass die Frequenz (f) der Spannung (U₀) von der parallelen Resonanzfrequenz (f_p) des Ultraschallkonverters (1) in Richtung der seriellen Resonanzfrequenz (f_s) des Ultraschallkonverters (1) verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Bereich (t_x,t₃) des zweiten Zeitabschnittes (t₂,t₃) die Konverterspannung (U_pzt) konstant gehalten wird und die Frequenz (f) der Spannung (U_o) bei zunehmender Last (R_s) in Richtung der seriellen Resonanzfrequenz (f_s) des Ultraschallkonverters (1) nachgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Bereich (t₂,t_x) die Phasenverschiebung (Δϕ) Regelgrösse ist, wobei der Sollwert der Phasenverschiebung (Δϕ) einer vorgegebenen Sollwertkurve, vorzugsweise einer von einem digitalen Regler (3, 33, 34) in Form eines Mikroprozessors,
Mikrokontrollers oder digitalem Signalprozessors vorgegebenen Sollwertkurve folgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (t_x,t₃) einsetzt, wenn die Frequenz der Spannung (U₀) etwa der seriellen Resonanzfrequenz (f_s) entspricht.

7. Verfahren insbesondere nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Schwingkreisparameter eines Ultraschallgenerators (2) und eines Ultraschallkonverters (1) bevor der Ultraschallkonverter (1) mit einer Last (R_s) beaufschlagt wird oder bei geringer Last (R_s) durch Veränderung der Frequenz des Generators (2) ein Frequenzscan durchgeführt wird, um die serielle und die parallele Resonanzfrequenz (f_s,f_p) und den Frequenzabstand (Δf) zwischen der parallelen Resonanzfrequenz (f_p) und der seriellen Resonanzfrequenz (f_s) zu bestimmen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Frequenzscans ein Widerstand (R_m) in Serie zwischen den Ultraschallgenerator (2) und den Ultraschallkonverter (1) eingesetzt wird, um die Spannung U_pzt am Konverter (1) und/oder die Leistungsaufnahme des Konverters (1) auf vorbestimmbare Maximalwerte zu begrenzen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (t_x,t₃) einsetzt, wenn sich die Frequenz (f) der Spannung (U₀) um den Frequenzabstand (Δf) verändert hat.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des Schwellwertes (U_{pzt max}) der Konverterspannung (U_pzt) die Konverterspannung (U_pzt) konstant auf dem Schwellwert (U_{pzt max}) gehalten wird, wobei der Wert der Spannung (U₀) reduziert wird und wobei die Phasenverschiebung (Δϕ) minimiert wird.

11. Verfahren insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Spannungsversorgung analog und digital erfolgt, wobei der Anteil der analogen und der digitalen Regelung vorzugsweise stufenlos einstellbar ist.

12. Ultraschallgenerator (2), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Regelung für die Spannungsversorgung eines Ultraschallkonverters (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallgenerator (2) Mittel zur analogen Signalverarbeitung (4, 32, 36) und Mittel zur digitalen Signalverarbeitung (3, 33, 34) aufweist.

13. Ultraschallgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (3) zur digitalen Signalverarbeitung in Wirkverbindung mit den Mitteln (4) zur analogen Signalverarbeitung stehen.

14. Ultraschallgenerator (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallgenerator (2) einen in Serie zwischen den Ultraschallgenerator (2) und den Ultraschallkonverter (1) schaltbaren oder geschalteten Widerstand (R_m) aufweist.

15. Verfahren zum Regeln der Spannungsversorgung eines Ultraschallkonverters (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallgenerator (2) derart betrieben wird, dass die Frequenz (f) der Spannung (U₀) wenigstens zeitweise der seriellen Resonanzfrequenz (f_s) des Ultraschallkonverters (1) entspricht.

16. Ultraschallgenerator (2) mit einer Regelung für die Spannungsversorgung eines Ultraschallkonverters (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung derart ausgebildet ist, dass oberhalb eines vorbestimmbaren Schwellwertes (U_{pzt max}) der Konverterspannung (U_pzt) die Spannung (U₀) des Ultraschallgenerators (2) derart verändert wird, dass bei weiter zunehmender Last (R_s) die Konverterspannung (U_pzt) kleiner oder gleich dem Schwellwert (U_{pzt max}) der Konverterspannung (U_pzt) bleibt.

Zeichnung