Úvodní slovo

Tyto letní prázdniny jsem dostal možnost zúčastnit se letní stáže na katedře řídicí techniky v Oddělení pokročilých algoritmů pro řízení a komunikace (AA4CC) pod vedením Ing. Zdeňka Huráka, PhD. Na úvod bych chtěl p. Hurákovi poděkovat za možnost zúčastnit se této stáže a za jeho ochotu a přístup.

Téma mé letní stáže můžeme nejjednodušeji popsat těmito slovy - zpětnovazební sledování rezonanční frekvence ultrazvukového motoru. Než úkol popíšu přesněji, dovolím si v krátkosti vysvětlit, proč nějakou rezonanční frekvenci nějakých motorů vůbec sledovat.

Základem ultrazvukových motorů (ang. ultrasonic motors) je piezokeramika, která se vlivem střídavého vstupního napětí vhodně mechanicky deformuje a tuto deformaci převádí na pohyb. K tomuto deformování dochází s frekvencí, řádově, desítky až stovky kHz.

Existuje určitá frekvence, při které ultrazvukový motor pracuje nejefektivněji, dochází k nejlepšímu předání energie – rezonanční frekvence. Rezonanční frekvence se v čase mění, například vlivem zahřívání motoru. Pomocí zpětné vazby lze upravit vstupní signál tak, aby se těmto změnám přizpůsobil a rezonanční frekvenci sledoval.

Dosažení rezonanční frekvence se zjistí měřením fáze. Předpokládáme tlumený systém druhého řádu s koeficientem tlumení ζ<<0,707. Fázový posun mezi vstupním a výstupním signálem je v tomto případě při rezonanci –π/2.

Obrázek 1 - Bodeho frekvenční charakteristika systému druhého řádu pro různé hodnoty koeficientu tlumení

 
Ke sledování této fáze použijeme fázový závěs (ang. Phase-locked loop - PLL) . Fázový závěs se skládá z fázového detektoru, oscilátoru řízeného napětím a filtru dolní propust. Fázový detektor změří rozdíl fází mezi vstupním signálem a výstupním signálem z ultrazvukového motoru a vygeneruje signál úměrný fázovému rozdílu, který po průchodu dolní propustí vstupuje do oscilátoru, který generuje vstupní signál ultrazvukovému motoru.

Obrázek 2 - Systém druhého řádu ve fázovém závěsu

Vstupním signálem může být jak harmonický signál, tak pulsní signál. Vygenerovat pulsní signál je technicky jednodušší, než vytvořit signál harmonický, ale dochází ke zhoršení efektivity přenosu energie. Pánové Z. Hurák a P. Kujan vypracovali metodu zpětnovazebního sledování rezonance s použitím optimálního PWM (ang. Feedback tracking of resonance using optimal PWM switching), která nedostatky použití pulsního signálu ke sledování rezonance minimalizuje.

Mým úkolem bude praktická realizace problému obnášející zapojení potřebných přístrojů, instalaci software a zpracování měření.