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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Linearisierung des Auslenkungsverhaltens bei der dynamischen oder statischen Ansteuerung eines Piezoaktors, umfassend einen Treiberanschluß, einen Verstärker, insbesondere einen invertierenden Operationsverstärker, sowie einen Gegen- oder Rückkopplungszweig, gemäß Patentanspruch 1 bzw. 4.
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Leistungsverstärker aufweisende Ansteuerungsschaltungen für piezoelektrische Aktoren sind Stand der Technik.
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Piezoaktoren sind für die elektrische Ansteuerung in erster Linie kapazitive Lasten mit Aktorkapazitäten zwischen einigen hundert Nanofarad für Piezoscheiben oder Biegewandler und einigen zehn Mikrofarad für größere Multilayer-Aktoren. Zum Erreichen eines bestimmten Hubes muß an den Aktor eine Spannung angelegt werden. Diese Spannung beträgt für maximale Auslenkungen etwa 150 V bei Niedervoltaktoren und bis zu 1000 V für Hochvoltaktoren. Aufgrund des kapazitiven Charakters wird zum Halten einer bestimmten Position des Aktors ohne mechanische Laständerung an sich keine Leistung benötigt. Hierin liegt neben der großen Dynamik und der hohen Positioniergenauigkeit der wesentlichste Vorteil von Piezoaktoren gegenüber vielen anderen Aktorarten.
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Eine Änderung der Aktorspannung erfolgt über die Zuführung von Ladung und den damit verbundenen Stromfluß. Bei einem entsprechend eingeprägten Spannungsverlauf ergibt sich ein bestimmter maximaler Stromwert, der vom ansteuernden Verstärker geliefert werden muß.
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Zur Ansteuerung kommen analoge Verstärker, schaltende Verstärker, aber auch solche Verstärker zur Anwendung, die mit jedem Schaltzyklus nur diejenige Energieoption übertragen, die zum Erreichen einer bestimmten Aktorspannung notwendig ist. Bei der letzteren Ausführungsart von Schaltverstärkern können unnötige Schaltzyklen, die lediglich den Aktor und die Leistungshalbleiter belasten, vermieden werden.
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Bekannte Schaltungsanordnungen umfassen den eigentlichen Treiber sowie Operationsverstärker, mit deren Hilfe die Hystereseeigenschaften der Gesamtanordnung einschließlich Piezoaktorik in einem vorgegebenen Maß beeinflußbar sind.
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Zu beachten gilt es, daß Diskontinuitäten im Ladestrom der Aktoren von der Piezokeramik in teilweise hochfrequente, nicht gewünschte Bewegungen umgesetzt werden, was im dynamischen Betrieb zu einer erhöhten Belastung gegenüber einer gleichfrequenten analogen Ansteuerung mit derselben Spannungsamplitude und kontinuierlichem Ladestrom führt. Ein idealer Verstärker kombiniert die hohe Effizienz eines schaltenden Verstärkers mit den kontinuierlichen Spannungs- und Stromverläufen eines analogen Verstärkers.
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Bezüglich der Standes der Technik sei auszugsweise auf die nachstehend erwähnten Literaturstellen aufmerksam gemacht:
Clingman, D. J.: „Drive Electronics for Large Piezo Actuators”; Proc. SPIE Vol. 3044; Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies; San Diego, USA, 1997, S. 459–467;
Janocha, H.; Stiebel, C: „New Approach to a Switching Amplifier for Piezoelectric Actuators”; Proc. 6th Internat. Conf. an New Actuators; Bremen, Germany; 1998, S. 189–192;
Stiebel, C.; Würtz, T.; Janocha, H.: „Analogverstärker mit Energierückgewinnung zum Ansteuern von piezoelektrischen Aktoren”, SPS/IPC/DRIVES; Elektrische Automatisierungstechnik – Systeme und Komponenten MESAGO, 1999, Nürnberg, S. 693–702;
Zvonar, G. A.; Douglas, K. L.: „Nonlinear Electronic Control of an Electrostrictive Actuator”, Proc. SPIE Vol. 3044; Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies; San Diego; USA; 1997; S. 448–458.
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Grundsätzlich ist es anzustreben, daß ein möglichst lineares Verhalten bzw. ein proportionaler Verlauf zwischen einer Ansteuerspannung und der Auslenkung des Aktors gegeben ist. Ein solches ideales Verhalten ist jedoch in der Praxis nicht oder nur mit sehr aufwendigen Regelungskonzepten approximierbar. Bekannt sind hier Anwendungen, die auf eine Sensorik für die Auslenkungsbewegung zurückgreifen, um hiernach eine Art Rückführungsregelung zu schaffen. Dabei besteht jedoch der Nachteil, daß eine derartige Konzeption bei einem dynamischen Betrieb nicht erfolgreich umgesetzt werden kann.
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Ein weiteres Problem bezüglich der nichtlinearen Eigenschaften des Gesamtverhaltens Piezoaktor – Piezoverstärker besteht darin, daß die piezoelektrischen Eigenschaften des Keramikmaterials von Fertigungsserie zu Fertigungsserie unterschiedlich sein können mit der Folge einer schweren Vorherbestimmbarkeit.
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Aus der gattungsbildenden
US 5,512,856 ist die Problematik der Linearisierung des Auslenkungsverhaltens einer Last, insbesondere eines Piezostapelaktors, vorbekannt. Konkret wird in dieser Druckschrift offenbart, dass es zweckmäßig ist, ein nichtlineares kapazitives Referenzelement im Rückkopplungszweig des eingesetzten Verstärkers zu verwenden. Ein solches Referenzelement kann auch ein piezokeramischer Wafer sein.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Linearisierung des Auslenkungsverhaltens bei der dynamischen oder statischen Ansteuerung eines Piezoaktors anzugeben, welches ein optimiertes Regelverhalten bei unterschiedlichen Arbeitspunkten, Aussteuerungen und auch bei hohen Frequenzen gewährleistet. Ziel ist es demnach, eine Quasi-Linearisierung des Gesamtsystems Piezoaktor-Piezoverstärker zu erreichen, wobei insbesondere die zu schaffende Schaltungsanordnung eine hohe Bandbreite bei einem niedrigen Signalrauschen und eine hinreichende Stabilität aufweisen soll und hierbei außerdem noch kompakt und preiswert umzusetzen ist.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig mit einer Lehre gemäß der Definition nach Patentanspruch 1 sowie mit einer Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 4, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Die Erfindung geht davon aus, in einer Ladungsverstärker-Ansteuerschaltung ein nichtlineares Element, insbesondere Piezoelement, in der Gegen- oder Rückkopplung einzusetzen, wobei bevorzugt dieses nichtlineare Piezoelement dieselben oder gezielt veränderte piezoelektrische Eigenschaften wie der eigentliche Last-Piezoaktor aufweisen soll.
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Verfahrensseitig wird also der eingesetzte invertierende Verstärker als Ladungsverstärker und der Piezoaktor als Last ausgangsseitig gegen Masse betrieben.
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Ein Rückkopplungskondensator ist als nichtlineare Piezokeramik ausgeführt, welche die vorerwähnten vorgegebenen piezoelektrischen Eigenschaften bezogen auf den Last-Piezoaktor besitzt. Die Kapazität des Rückkopplungskondensators kann hierbei wesentlich kleiner als diejenige des Last-Piezoaktors sein oder möglichst gering gewählt werden.
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Zur Kompensation der nichtlinearen Eigenschaften besteht erfindungsgemäß die als Rückkopplungskondensator eingesetzte Piezokeramik und der Last-Piezoaktor aus einem Material mit denselben piezoelektrischen Eigenschaften.
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Dann, wenn eine Überkompensation des nichtlinearen Verhaltens des Last-Piezoaktors bei dessen Ansteuerung angestrebt wird, sind die piezoelektrischen Eigenschaften der als Rückkopplungskondensator eingesetzten Piezokeramik von den Eigenschaften des Last-Piezoaktors abweichend ausgewählt.
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Insbesondere bei einer dynamischen Ansteuerung mit hohen Frequenzen ist zwischen dem Treiberanschluß und dem Eingang des Operationsverstärkers ein Eingangskondensator vorgesehen, dessen Kapazität entsprechend der gewählten Dynamik eines übergeordneten Regelkreises oder der jeweiligen Steuerungsdynamik vorgegeben wird.
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Ausgestaltend ist jeweils parallel zum Eingangskondensator und zum Rückkopplungskondensator ein Widerstand vorgesehen, wobei über das Widerstandsverhältnis der parallel zum Rückkopplungskondensator fließende Stromanteil einstellbar, insbesondere für die statische Ansteuerung im gewünschten Maß minimierbar ist.
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Ein einzusetzender Leistungstreiber weist eine derartige Dimensionierung auf, daß zeitdiskret ausreichende Ströme für die Ladevorgänge des Eingangskondensators geliefert werden können.
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Anordnungsseitig ist zwischen dem Treiberanschluß und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers eine Eingangskapazität befindlich. Der Gegen- oder Rückkopplungszweig weist ein nichtlineares Element in Form einer Piezokeramik auf und es ist der Last-Piezoaktor am Ausgang des Operationsverstärkers gegen Massepotential geschaltet.
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Bevorzugt besitzt die Eingangskapazität einen sehr geringen Leckstrom. Das nichtlineare Element besteht erfindungsgemäß aus derselben Piezokeramik wie der Last-Piezoaktor, d. h. entstammt derselben Material- und technologisch spezifischen Herstellungsserie. Im Falle einer gewollten Überkompensation können auch gezielt abweichende Eigenschaften genutzt werden.
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In Umsetzung des Linearisierungsverfahrens ist der Eingangskapazität ein erster Widerstand und dem nichtlinearen Element ein zweiter Widerstand parallel geschaltet. Durch das Verhältnis dieser beiden Widerstände ist es möglich, für eine ausreichende Stabilität auch im DC- oder niederfrequenten Betrieb zu sorgen.
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Es liegt im Sinne der Erfindung, die Schaltungsanordnung gemäß den vorstehend beschriebenen Merkmalen als Zusatz- oder Nachrüstbaustein zur dynamischen Linearisierung des Verhaltens von Verstärkern einzusetzen, welche bereits über eine sensorunterstützte Regelung verfügen.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Die Figuren zeigen hierbei verschiedene Schaltungsanordnungen zur Linearisierung einer Piezoaktorik.
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Wie in der 1 gezeigt, ist ein Eingang U1 vorgesehen, an dem ein dynamisches oder statisches Eingangssignal mit einstellbarer Bandbreite anliegt.
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Am invertierenden Eingang eines Verstärkers V ist eine Eingangskapazität C1 angeschlossen, welche andererseits mit dem Eingang U1 in Verbindung steht. Im Rückkopplungszweig des Verstärkers V befindet sich eine nichtlineare Piezokeramik als Rückkopplungskondensator PIEZO C2. Am Ausgang des Verstärkers V ist der Last-Piezoaktor PIEZO C3 gegen Masse angeschlossen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Piezoauslenkung A proportional zur Ladung Q im Piezoelement ist. Es ergibt sich demnach A = k·Q.
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Bei der idealen Schaltung gemäß 1 ist die Ladung in C1 gleich der Ladung in C2.
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Weil, wie erläutert, C2 ein Piezoelement aus dem gleichen Material und der gleichen Struktur wie der Last-Piezoaktor ist, wird bei gleichen Spannungsverläufen das Verhältnis zwischen C2 und C3 proportional. C2 ist daher gleich p·C3, wobei p so gewählt wird, daß der Ruhestrom der Schaltung vernachlässigbar ist. Q3 ergibt sich demnach aus U2·C3. U2·C3 ist wiederum gleich U2·C2/p = U1·C1/p. Die Auslenkung ist dann gleich k·Q3 = k·U1·C1/p. Mit anderen Worten wird bei dieser Schaltungskonfiguration die Auslenkung proportional bzw. linear zur Eingangsspannung U1.
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Das Verhältnis zwischen C1 und C2 wird so eingestellt, daß die Spannungsverstärkung bei Wechselstrom bzw. bei hochfrequenten Signalen ausreichend ist.
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Aufgrund des nicht zu vermeidenden Ruhestroms ist die ideale Schaltung, wie in 1 dargestellt, im Gleichstrom- oder niederfrequenten Betrieb unstabil. Zur Verbesserung der Stabilität wird daher eine Ausführungsform gemäß 2 vorgeschlagen, wobei Widerstände R1 und R2 zum Einsatz kommen.
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Das Verhältnis zwischen den Widerständen R2:R1 sorgt dafür, daß die statische Verstärkung beim gewünschten Wert erhalten bleibt.
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Beim Einsatz der Widerstände R1 und R2 können Probleme beim Ladungstransferieren entstehen, was bedeutet, daß im Niederfrequenzbereich Q3 nicht mehr proportional zur Spannung U1 ist. Um eine Kompensation auch im niederfrequenten Bereich zu erreichen, müssen R1·C1 bzw. R2·C2 groß genug gewählt werden.
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Die Kapazität von C2 im Rückkopplungszweig ist so gewählt, daß eine Aufladung auch bei Parallelschaltung ohne große R2-Werte in den relevanten Zeiten erreichbar ist. Spezielle Anforderungen an C2 bestehen nicht. C2 kann viel kleiner als C3, aber in bestimmten Anwendungsfällen auch gleich oder größer als C3 gewählt werden. Bevorzugt ist die Kapazität C2 so klein wie möglich, damit die Schaltung auch bei hochfrequenter Ansteuerung effektiv arbeitet. Die Werte von C1, R1 und R2 können je nach Bedarf mit Blick auf den Verstärkungswert und die relevanten Zeitkonstanten gewählt werden.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer typischen umgesetzten Schaltung mit differentieller Eingangsstufe und Hochvolt-Leistungsausgangsstufe, welche im übrigen das erfindungsgemäße Prinzip nutzt.
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Wenn der Rückkopplungskondensator PIEZO C2 aus einem Piezomaterial gleich wie das des Last-Piezoaktors realisiert wird, aber als deutlich dünnere Piezoscheibe gefertigt ist, kann die Kompensationsschaltung im Niedervoltteil eingefügt werden, wobei ausgangsseitig dann, wie in 4 dargestellt, das bereits kompensierte Signal auf den Hochvolt-Verstärker gelangt.
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Auch bei dieser Schaltungsvariante ist eingangsseitig des Verstärkers V eine Parallelschaltung aus einer Eingangskapazität C1 und einem ersten Widerstand R1 vorgesehen.
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Am Ausgang des Hochvolt-Verstärkers HV ist der Last-Piezoaktor PIEZO C3 gegen Masse angeschlossen.
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Im Rückkopplungszweig des invertierenden Operationsverstärkers V befindet sich eine nichtlineare Piezokeramik als Rückkopplungskondensator PIEZO C2 Dieser nichtlinearen Piezokeramik ist ein zweiter Widerstand R2 parallel geschaltet.
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Die Widerstände R1 und R2 dienen zur Nullpunktkorrektur und ermöglichen ein Stabilisieren der Eigenschaften der Schaltung im Gleichstrom- bzw. statischen Betrieb.
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Die Kapazität des Rückkopplungskondensators PIEZO C2 wird nach Bedarf an die Kapazität des eigentlichen Last-Piezoaktors PIEZO C3 angepaßt.
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Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung gelingt es, eine Bewegungssteuerung des Last-Piezoaktors PIEZO C3 quasi linear zur aufgeprägten Ladung zu erreichen. Die Schaltungsanordnung dient hier quasi zur Ladungssteuerungs-Kontrolle.
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Aufgrund der Tatsache, daß der Rückkopplungskondensator PIEZO C2 über bevorzugt dieselben piezoelektrischen Eigenschaften verfügt wie der Last-Piezoaktor PIEZO C3, ist eine Kompensation der dem piezoelektrischen Material innewohnenden nichtlinearen Eigenschaften erreichbar.
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Die vorgestellte Schaltungsanordnung ermöglich demnach eine Linearisierung des Gesamtverhaltens Piezoaktor – Piezoverstärker bei einem gleichzeitig verbesserten Regelverhalten bei unterschiedlichen Arbeitspunkten, Aussteuerungen und verschiedenen, hier wiederum hohen Frequenzen. Dabei wird auf das Prinzip der Gegenkopplung auf der Basis eines nichtlinearen Piezoelements zurückgegriffen.
