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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung
mehrerer kapazitiver Lasten wie z. B. Piezoaktoren und deren Verwendung zur aktiven
Schwingungsdämpfung. Die Erfindung ist bevorzugt für eine Regelung geeignet, die
hochdynamisch und für jeden Piezoaktor unabhängig vom Zustand der anderen
Piezoaktoren erfolgen soll.
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Zur Einbindung kapazitiver Lasten wie z. B. Piezoaktoren in ein z. B. zur
Schwingungsdämpfung geeignetes Gesamtsystem ist das dynamische Verhalten des
Piezoaktors von wesentlicher Bedeutung. Ziel ist es, dem Piezoaktor ein Verhalten
einzuprägen, welches es ermöglicht, den Piezoaktor als idealen Folgeantrieb
anzusehen, der seine Eingangsgröße fehlerfrei reproduziert. Wesentlichen Einfluss auf
das Betriebsverhalten des Gesamtsystems haben die Eigenschaften des
leistungselektronischen Stellgliedes. Für die Auswahl des Stellgliedes sind folgende
wesentliche Forderungen zu beachten:
- - Strom- und Spannungsbegrenzung des speisenden Leistungsverstärkers,
- - hoher Durchlassbereich (bis in den kHz-Bereich),
- - Belastung durch ohmsche-kapazitive Lasten,
- - Notwendigkeit der Stromumkehr,
- - Energierückgewinnung
- - Energieaustausch zwischen den Lasten.
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Beim Entwurf des leistungselektronischen Stellgliedes zur Speisung von mehreren
hochdynamischen Piezoaktoren ist insbesondere die Forderung zu beachten, in
minimaler Zeit einen dosierten Ladungsmengeneintrag in alle Piezoaktoren zu
realisieren. Der Ladungsmengeneintrag soll hierbei unabhängig vom Zustand der
restlichen im System vorhandenen Piezoaktoren erfolgen.
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Häufig liegt den hierzu angewendeten Schaltungskonzeptionen das
Stromquellenmodell zugrunde. Die technische Realisierung der Stromquelle erfolgt
über eine kontinuierliche Spannungsquelle. Prinziplösungen, die sich hier einordnen
lassen, sind z. B. in DE 35 22 994 beschrieben.
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Bei der Verwendung mehrerer kapazitiver Lasten kommt der Frage nach der
Energierückgewinnung eine zentrale Bedeutung zu. Voraussetzung hierfür ist die
Gewährleistung des Energieflusses in beiden Richtungen. Es sind Schaltungen zur
Energierückgewinnung für eine kapazitive Last bekannt, welche sich auch auf mehrere
kapazitive Lasten erweitern lassen (z. B. DE 42 37 509). Die Energie, welche beim
Entladen eines oder mehrerer kapazitiver Lasten entsteht, wird zwischengespeichert,
um danach der Energiequelle bzw. einem oder mehreren Lasten wieder zugeführt zu
werden. Die Auf- bzw. Entladung der kapazitiven Lasten erfolgt mit jeweils einem Auf-
bzw. Entladekreis. Der Stromquellenaspekt wird hierbei nicht explizit betrachtet.
Die Anwendung des Spannungsquellenprinzips wirkt sich nachteilig auf die Dynamik
des Gesamtsystems aus. So genügen kommerzielle Stellglieder für Piezoaktoren zwar
den meisten Anwendungsfällen, bleiben jedoch prinzipiell unter den theoretisch und
praktisch erreichbaren Möglichkeiten.
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Eigene Untersuchungen belegen, dass der stromgesteuerte Piezoaktor sich
auszeichnet durch:
- - weitgehende Linearität zwischen der Stellgröße Ladung und seiner
Dehnung
- - maximale Ausnutzung der Energiereserve des Stellgliedes durch
Pulsbreitenmodulation des Stromes und
- - einfache Regelstruktur des Gesamtsystems durch Anwendung des
Prinzips der veränderlichen Struktur (sliding mode).
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Eine aus diesen Untersuchungen abgeleitete Schaltungsanordnung zur
hochdynamischen Strom- und Ladungsregelung einer kapazitiven Last ist in
DE 198 10 321 C2 angegeben. Der Einsatz dieser bekannten Schaltungsanordnung für
ein System mit mehreren Piezoaktoren, wie dies z. B. zur aktiven
Schwingungsdämpfung notwendig ist, erfordert jedoch für jeden Piezoaktor eine
gesonderte Stromquelle. Der Nachteil dieser Lösung liegt auf der Hand.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Strom-
und Ladungsregelung mehrerer kapazitiver Lasten zu entwickeln, bei der eine
gemeinsame Stromquelle für alle kapazitive Lasten vorgesehen ist. Die zu
entwickelnde Schaltungsanordnung soll hohen dynamischen Anforderungen gerecht
werden und es insbesondere ermöglichen, die dynamische Leistungsfähigkeit von
Piezoaktoren voll auszunutzen. Hierbei sollen Frequenzbereiche realisiert werden, die
sowohl unter- als auch oberhalb der Resonanzfrequenz von Piezoaktoren liegen. Die
zu schaffende Lösung soll insbesondere für die Lageregelung von mehreren
Piezoaktoren sowie für den Einsatz von Piezoaktoren zur Schwingungsdämpfung im
Bereich bis zu einigen kHz geeignet sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfolgt die Ansteuerung der
kapazitiven Lasten unabhängig von der Betriebsart der anderen von der gemeinsamen
Quelle zu speisenden kapazitiven Lasten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
elektrische Energie zwischen den kapazitiven Lasten und einer Induktivität
ausgetauscht wird. Zusätzlich wird es den kapazitiven Lasten ermöglicht, Energie
untereinander auszutauschen. Hierdurch wird die dem Netz entnommene Leistung
verringert.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere zur Lärmminderung
durch Schwingungsdämpfung von Fensterscheiben verwendbar, wobei die kapazitiven
Lasten als Piezoaktoren ausgebildet sind. Mehrere Piezoaktoren sind hierbei in einem
Rahmen untergebracht, auf welchem die Fensterscheibe ruht. Die Fensterscheibe wird
durch auftreffende Schallwellen zu mechanischen Schwingungen angeregt. Durch
einen übergeordneten Lageregler lässt sich jeder Piezoaktor einzeln ansteuern.
Hierdurch lassen sich durch die Piezoaktoren bestimmte Schwingungsformen auf die
Fensterscheibe übertragen, wodurch eine Minimierung der Schwingung der
Fensterscheibe erreicht werden kann.
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Auf gleiche Weise lässt sich das Schwingungsverhalten von z. B.:
- - Bahnschienen
- - Fahrzeugkarosserien
- - Gehäusen
- - Konstruktionselementen von Maschinen
beeinflussen.
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Eigene Untersuchungen bestätigen, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung unter
Verwendung der Technik des Gleitbetriebes Frequenzen bis weit über die
mechanische Resonanzfrequenz des Aktorsystems praktisch beherrscht werden
können. Als Lageregler wurde dabei ein P-Regler eingesetzt. Die Auswahl des
Verstärkungsfaktors ist hierbei unkritisch und steht in direktem Zusammenhang mit der
Dimensionierung des Stabilisierungsgliedes entweder als Einrichtung oder als
Algorithmus. Entscheidend ist, dass zu jedem Zeitpunkt für das Stabilisierungsglied die
Bedingungen des Gleitbetriebes eingehalten werden, d. h. dass die Energiereserve
(Strom) des Stellgliedes groß genug sein muss, um den Piezoaktor soweit zu
beschleunigen, dass das System in den Gleitbetrieb überführt wird.
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Damit können die Piezoaktoren als ideale Folgeantriebe aufgefasst werden, die ihre
Eingangsgröße nahezu fehlerfrei reproduzieren.
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Im folgenden ist die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer
Transistorpulsstellerschaltung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
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Dabei zeigen
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Schaltungsanordnung für eine
kapazitive Last,
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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Variante der bekannten
Schaltungsanordnung nach Fig. 1, für eine kapazitive Last
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Fig. 3 eine schematische Darstellung der Stabilisierungseinrichtung bei einer
bekannten Schaltungsanordnung, für eine kapazitive Last
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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Verstärkerschaltung unter Verwendung der
Erfindung für drei kapazitive Lasten
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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer bekannten Schaltung zur Lageregelung
eines Piezoaktors.
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Die in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 5 dargestellten Schaltungen zur Strom- und
Ladungsregelung einer einzelnen kapazitiven Last sind bereits aus DE 198 10 321 C2
bekannt. Der Grund für die Bezugnahme auf diese bekannten Schaltungen im
nachfolgenden Text ist folgender:
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung
mehrerer kapazitiven Lasten ist jeder der kapazitiven Lasten eine im Gleitbetrieb
(sliding mode) arbeitende separate Steuerschaltung mit Zweipunktverhalten zur
Ansteuerung zugeordnet. Jedoch enthält jede der im Gleitbetrieb arbeitenden
Steuerschaltungen für die im Ausführungsbeispiel vorgesehenen drei kapazitiven
Lasten die aus DE 198 10 321 C2 bekannten und in Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 5
dargestellten Schaltungen.
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In der Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten
im Gleitbetrieb, dargestellt in Fig. 1, wird ein Referenzsignal der Ladung (6)
vorgegeben, dass mit einem Ausgangssignal der Stabilisierungseinrichtung (4) in
einem Komparator (5) verglichen wird. Entsprechend der Differenz dieser beiden
Größen wird ein Signal auf den Impulsverteiler (11) gegeben, der den
Transistorpulssteller (3) im Gleitbetrieb ansteuert. Entsprechend der Ansteuerung der
Schaltelemente des Transistorpulsstellers (3) ändert sich die Stromrichtung, so dass
die kapazitive Last (2) entweder aufgeladen oder entladen wird. Als Eingangsgröße für
die Stabilisierungseinrichtung (4) werden Strom und Ladung gemessen. Steht nur der
Strom (7) als Messsignal zur Verfügung, wird dieser in der
Stabilisierungseinrichtung (4) integriert, damit auch das Signal der Ladung vorliegt.
Beide Signale werden in der Stabilisierungseinrichtung (4) zu einem Ausgangssignal
verarbeitet.
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Beim Verfahren zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten im
Gleitbetrieb, dargestellt in Fig. 2, wird ein Referenzsignal der Ladung (6) vorgegeben,
dass mit einem Signal des Stabilisierungsalgorithmus (8) verglichen wird. Die Differenz
dieser beiden Größen wird auf einen Schaltalgorithmus (9) gegeben, der den
Transistorpulssteller (3) im Gleitbetrieb ansteuert. Entsprechend der Ansteuerung der
Schaltelemente des Transistorpulsstellers (3) ändert sich die Stromrichtung, so dass
die kapazitive Last (2) entweder aufgeladen oder entladen wird. Als Eingangsgröße für
den Stabilisierungsalgorithmus (8) werden Strom und Ladung gemessen. Steht nur der
Strom (7) als Messsignal zur Verfügung, wird dieser im Stabilisierungsalgorithmus (8)
integriert, damit auch das Signal der Ladung vorliegt. Beide Signale werden hier
verarbeitet. Die geschilderten Algorithmen sind rechentechnisch in einer
Steuereinrichtung (10) realisiert. Die Eingangsgrößen der Steuereinrichtung (10) sind
das Referenzsignal der Ladung (6) und die/das Messsignale/Messsignal, während
die Ausgangsgröße die Schaltelemente des Transistorpulsstellers (3) ansteuert.
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Fig. 4 zeigt das Schaltbild der Verstärkerschaltung für drei kapazitive Lasten. Eine
Erweiterung der Schaltung für eine größere bzw. kleinere Anzahl von kapazitiven
Lasten ist möglich. Bei Verwendung von mehr als einer kapazitiver Last kommt bei
jeder kapazitiven Last das bekannte Verfahren zur Strom- und Ladungsregelung von
kapazitiven Lasten im Gleitbetrieb zum Einsatz.
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Über den Transistor T0 (20) wird die Zwischenkreisinduktivität L0 (21) durch
Kurzschluss eines der beiden oder beider Transistorzweige für jede Last (T10-
T20 (22, 23) oder/und T30-T40 (24, 25)) und (T11-T21 (32, 33) oder/und T31-T41 (34, 35)) und
(T12-T22 (42, 43) oder/und T32-T42 (44, 45)) auf einen konstanten Strom "aufgeladen".
Danach wird dieser Strom durch Schließen der Diagonalzweige T10-T40 (22, 25) oder
T20-T30 (23, 24) für die Last C0 (51) bzw. T11-T41 (32, 35) oder T21-T31 (33, 34) für die Last
C1 (52) bzw. T12-T42 (42,45) oder T22-T32 (43, 44) für die Last C2 (53) in der gewünschten
Richtung auf den Piezoaktor gegeben. Voraussetzung für die Anwendbarkeit der
Stromquellenbetrachtung ist, dass sich während der Taktzeit der Strom in der
Induktivität (21) nicht oder nicht wesentlich ändert. Das setzt eine im Vergleich zur
Kapazität der Aktoren (51, 52, 53) große Induktivität L0 (21) und kleine Taktzeiten
voraus. Untersuchungen wurden mit L0 = 50 mH und f = 500 kHz durchgeführt. Im
Normalbetrieb ist To (20) geöffnet, so dass die Aktoren (51, 52, 53) beim Aufladen ihre
Energie aus der Induktivität beziehen und beim Entladen über D0 (26) wieder an die
Induktivität (21) abgeben bzw. untereinander austauschen. Verluste werden durch
zwischenzeitliches Takten des Zwischenkreistransistors T0 (20) kompensiert. Es ist
offensichtlich, dass mit der gewählten Schaltung die Piezoaktoren auch umgeladen
werden könnten. Gegen diese Betriebsart müssen die Aktoren durch
steuerungstechnische Maßnahmen geschützt werden. Das lässt sich leicht durch
entsprechende Pulsmuster realisieren. Da die Spannung über den Aktoren erst über
den eingeprägten Strom aufgebaut wird, kann sie sehr leicht kontrolliert und auf
positive Werte beschränkt werden (unipolarer Betrieb). Die Zwischenkreisinduktivität
übernimmt in diesem Fall auch eine Schutzfunktion gegen das Zuschalten einer
möglichen negativen Zwischenkreisspannung beim "Aufladen" der Induktivität.
Zusätzlich kann der Aktor noch durch eine entsprechende Schutzbeschaltung
geschützt werden.
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In der Stabilisierungseinrichtung (4) oder im -algorithmus (8) werden die gemessenen
Signale des Stromes und der Ladung verarbeitet. Steht nur das Messsignal des
Stromes (7) zur Verfügung wird dieses integriert (13), um so die Ladung zu erhalten.
Diese Signale werden dann jeweils mit einem PT-1 Glied oder mit PT-
1 Verhalten (14, 15) verzögert. Die Parameter der PT-1 Glieder/PT-1 Funktionen
müssen so dimensioniert sein, dass sie die Bedingungen zur Entstehung des
Gleitbetriebes erfüllen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass das
Übertragungsverhalten des Zweipunktgliedes (9) im Gleitbetrieb gegen unendlich geht.
Bei der Wahl des Verhältnisses der Verstärkungsfaktoren der beiden PT-
1 Glieder/PT-1 Funktionen gleich ihrer Zeitkonstante kann erreicht werden, dass der
zeitliche Verlauf der Ladung fehlerfrei einem Referenzsignal (6) folgt. Durch Variieren
dieses Verhältnisses können andere gewünschte, zeitliche Verläufe der Ladung
realisiert werden. Die mit der Stabilisierungseinrichtung/dem
Stabilisierungsalgorithmus verzögerten Signale des Stromes und der Ladung werden
addiert, um mit dem Referenzsignal der Ladung (6) verglichen zu werden. Diese
Struktur, die in Fig. 3 abgebildet ist, stellt eine Ladungsregelung dar, wobei der Regler
ein Zweipunktglied (9) ist und in der Rückführung die Größen Strom und Ladung durch
eine Stabilisierungseinrichtung/mit einem Stabilisierungsalgorithmus verzögert
werden.
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Fig. 5 zeigt das Schaftbild des lagegeregelten Piezoaktors im Gleitbetrieb. Das
Zuschalten der einzelnen Diagonalzweige des Leistungsverstärkers (12) wird durch ein
Zweipunktglied (9) mit den entsprechenden Ausgangswerten ±imax berücksichtigt.
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Aus den Untersuchungen, die unter Verwendung der Erfindung durchgeführt wurden,
lassen sich folgende wesentlichen Schlussfolgerungen ziehen:
- - Durch Einsatz des Gleitbetriebes kann ein Systemverhalten erreicht werden,
bei dem das Übertragungsverhalten des Stellgliedes zwischen der
Ausgangsgröße des Lagereglers und der elektrischen Ladung als
verzögerungsfrei betrachtet werden kann. Durch zweckmäßige Auswahl der
Regelparameter kann sogar ein leichtes Vorhaltverhalten erzielt werden.
Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass eine hinreichend große
Energiereserve zur Abarbeitung des Sollsignales vorhanden ist, um den
Gleitbetrieb zu garantieren.
- - Durch die Kompensation der Trägheit der elektrischen Ladung und der
Ausschaltung des Einflusses der Hysterese kann im Lageregler mit größeren
Verstärkungen bzw. mit einem zusätzlichen I-Anteil zur Verbesserung des
Folgeverhaltens gearbeitet werden.
- - Werden für den Entwurf des Lagereglers lineare Methoden angewendet und
wird aus praktischen Gründen auf differenzierende Anteile verzichtet, sind
die realisierbaren Schnittfrequenzen auf (ca. 0,5 . . . 0,7) ωres begrenzt.
- - Aufgrund der notwendigen hohen Frequenzen im Gleitbetrieb wird zum
gegenwärtigen Zeitpunkt auf den Einsatz analoger Technik für die
piezoaktornahe Informationstechnik orientiert.
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Mit der Verwendung von Transistorpulsstellern in dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel wird nicht ausgeschlossen, dass die Erfindung auch mit
anderen Schaltelementen realisierbar ist.