DE102012004294A1

DE102012004294A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs

Info

Publication number: DE102012004294A1
Application number: DE102012004294A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Christoph Rass
Original assignee: SMARACT HOLDING GmbH
Current assignee: SMARACT HOLDING GmbH
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-09-05
Also published as: WO2013128030A3; WO2013128030A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines linearen oder rotatorischen Mehraktorantriebs mit einem relativ zu einer stationären Komponente angetriebenen Läufer, dessen Position erstrecke größer ist als die Hübe der beteiligten, antreibenden Aktoren, die, entweder direkt oder über eine kraftübertragende Mechanik, im permanenten Reibkontakt mit dem Läufer stehen. Die Relativbewegung zwischen stationärer Komponente und Läufer wird über die Aktuatoren erzeugt, wobei hierfür Ansteuersignale für die Aktuatoren genutzt werden, die einen unterschiedlichem Verlauf aufweisen können. aber eine gleiche Zykluszeit haben. Diese Signalformen werden zyklisch an die Aktoren angelegt. Innerhalb eines Zyklus auftretende Abweichungen von einer Zielbewegung werden durch eine aufaddierte Ausgleichsbewegung reduziert oder eliminiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines linearen oder rotatorischen Mehraktorantriebs mit einem relativ zu einer stationären Komponente angetriebenen Läufer, dessen Positionierstrecke größer ist als die Hübe der beteiligten, antreibenden Aktoren, die entweder direkt oder über eine kraftübertragene Mechanik im permanenten Reibkontakt mit dem Läufer stehen, wobei die Aktoren mit individuellen Steuersignalen angesteuert werden, die eine gleiche Zykluszeit aufweisen, gemäß Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Mehraktorantriebe bekannt, die trotz der kurzen Hübe der einzelnen Aktoren große Verstellwege des Läufers ermöglichen. Diese lassen sich in verschiedene Varianten unterteilen.
Vorläufer der Mehraktorantriebe sind die Trägheitsantriebe, hier konkret die Stick-Slip-Antriebe, bekannt aus D. W. Pohl: „Dynamic piezoelectric translation devices", in Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57. Es ist zunächst ein piezoelektrischer Aktor vorgesehen, der mit einem sägezahnähnlichen periodischen Signal beaufschlagt wird und eine Beschleunigung relativ zu einem reibschlüssig mit dem Aktor verbundenen beweglich gelagerten Läufer bewirkt. Bei einer niedrigen Beschleunigung des piezoelektrischen Aktors folgt der Läufer aufgrund des Reibschlusses dem Aktor. Bei einer hohen Beschleunigung des piezoelektrischen Aktors hingegen rutscht der Läufer relativ zum Aktor durch, sobald die Trägheitskraft des Läufers größer als die Reibungskraft zwischen Läufer und Aktor wird. Wenn mehrere Schritte durchgeführt werden, können auch makroskopische Bewegungen realisiert werden. Trägheitsantriebe stellen eine mechanisch einfache Möglichkeit dar, über größere Distanzen mit einer hohen Bewegungsauflösung zu positionieren. Trägheitsantriebe haben jedoch den Nachteil, dass es während der Gleitphase immer wieder zum Abbremsen, Stillstand oder sogar einer Rückwärtsbewegung der beweglichen Komponente kommt. Dieses Verhalten koppelt Vibrationen ein, was bei Präzisionspositionieraufgaben störend ist.
Die Darstellungen gemäß 1 lassen das Prinzip von Trägheitsantrieben erkennen, bei denen ein Aktor D auf einer Seite an einer nicht beweglichen Masse befestigt ist. Der Körper E steht mit dem Aktor D in Reibkontakt. Wenn der Aktor D durch das Anlegen einer sich langsam ändernden Spannung gering beschleunigt wird, so erfolgt ein Mitbewegen des Körpers E. Bei einer hohen Beschleunigung des Aktors D ist die Trägheitskraft des Körpers E größer als die Haftreibung, so dass es zu einer relativen Bewegung zwischen dem Körper E und dem Aktor D kommt.
Die ersten Mehraktorantriebe waren einem solchen Trägheitsantrieb ähnlich und unterscheiden sich zunächst dadurch, dass zwei oder mehr Aktoren zum Einsatz kommen.
2a zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines linearen Mehraktorantriebs und 2b den prinzipiellen Aufbau eines rotatorischen Mehraktorantriebs.
Derartige Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren 1 ₁, 1 ₂, ... 1 _n, die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. Im Fall des Einsatzes von Piezoaktoren liegt der Hub typischerweise im Bereich von bis zu einigen μm. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2 auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren fest mit einem Träger 4 verbunden. Die Reibstelle muss nicht notwendigerweise nur aus einer Platte bestehen, so wie dargestellt, sondern es können auch mechanisch komplexe Konstruktionen sein, die mehrere Funktionen übernehmen. So ist es z. B. möglich, dass dieses Bauteil genutzt wird, um auch den Aktor mechanisch vorzuspannen, was z. B. für Piezokeramiken üblich ist.
Selbstverständlich kann der Aufbau von Mehraktorantrieben auch umgedreht werden, so dass der Läufer zur stationären Komponente wird und der Träger zur beweglichen Komponente. Es handelt sich dabei weiterhin um das gleiche Antriebsprinzip.
Die 3 zeigt einen üblichen Spannungsverlauf über der Zeit zur Ansteuerung von mehreren Aktoren, die zeitversetzt über einen Sägezahn, also ähnlich einem klassischen Trägheitsantrieb, angesteuert werden, und die daraus für den Läufer resultierende typische Bewegung.
Für konkrete Realisierungen sei auf die Veröffentlichung von Jean Marc Berguet: „Actionneurs „Stick and Slip" pour Micro-Manipulators"; EPFL, 1998,verwiesen. Dort wird für nach EP 0750 356 A1 basierenden Mehraktorantrieben mit zwei, drei und vier Aktoren je Antrieb dargelegt, dass die für die Trägheitsantriebe typischen Geschwindigkeitsschwankungen und Vibrationen bei einem Mehraktorantrieb geringer ausfallen.
Es kommt bei solchen Antrieben bei einem Übergang eines Aktors in die Gleitphase prinzipbedingt zu einer unerwünschten Rückwärtsbewegung, einem Stopp oder einem Abbremsen des Läufers. In der 3 ist der Fall der leichten Rückwärtsbewegung visualisiert.
Eine Sonderform eines Mehraktorantriebs ist in der WO 93/19494 dargelegt.
Dort werden die einzelnen Reibflächen nach und nach durch ein schnelles Verformen der Piezokeramiken zum Durchrutschen gebracht. Im Anschluss daran werden alle Reibflächen durch Anlegen einer identischen Spannungsrampe gemeinsam in eine Richtung ausgelenkt. Bei diesem gemeinsamen Auslenken rutscht der Läufer nicht relativ zu den Reibflächen durch, sondern wird mitbewegt. Nachteilig ist es jedoch, dass der Läufer aufgrund der dauernd wechselnden Beschleunigungen starken Vibrationen ausgesetzt ist.
Gemäß der DE 10 2009 013 849 A1 wird ein auf Piezoröhrchen basierender Antrieb mit mehreren Reibflächen zeitversetzt angesteuert, um eine Bewegung zu erzielen. Die Ansteuersignale sind so gewählt, dass mehrere Aktoren einen Läufer vorantreiben, um dann die Aktoren nach und nach zurückzuziehen, so dass der Läufer während des Zurückziehens durch die Mehrzahl der nicht bewegten Reibflächen in einer Position gehalten wird, d. h. stillsteht. Bei diesem Antrieb kommt es immer wieder zu Phasen der Bewegung und des Stillstands für den Läufer, so dass weiterhin Vibrationen auftreten und eine gleichmäßige Bewegung nicht möglich ist.
Eine weitere Klasse von Mehraktorantrieben sind sogenannte „Inchwormantriebe”. Dabei handelt es sich um Antriebe, bei denen ein zu bewegender Läufer durch Aktoren im Wechsel geklemmt wird und der Abstand der Klemmen durch einen weiteren Aktor variiert wird. Durch ein geeignetes, zyklisches Ansteuern der Aktoren kann ein Läufer auch über große Distanzen bewegt werden. Diese Klasse von Aktoren verursacht prinzipiell störende Vibrationen, da hochfrequente, orthogonal zur Bewegungsrichtung wirkende Bewegungen durch die Klemmvorgänge eingekoppelt werden.
Bei allen bekannten Mehraktorantrieben kommt es zu unerwünschten Vibrationen und Abweichungen der Istposition des Läufers von der Sollposition.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ansteuern von Mehraktorantrieben zu schaffen, welches das Problem der störenden Vibrationen und Abweichungen von einer Sollposition deutlich reduziert.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es hat sich in Versuchen in überraschender Weise herausgestellt, dass es unter Ausnutzung der Elastizitäten in der Mechanik und Aktorik möglich ist, an einen Mehraktorantrieb Ansteuerkurven bzw. Signale anzulegen, die den Läufer bewegen, ohne dass es zu hochfrequenten Vibrationen kommt, und ohne dass die Bewegung des Läufers eine große Abweichung von einer Sollbewegung – beispielsweise einer konstanten Bewegung – aufweist. Indem geeignete Steuerkurven zyklisch an die Aktoren angelegt werden ist es möglich, den Läufer über große Strecken zu bewegen.
Ein vibrationsarmes Verhalten mit einer Bewegung dicht entlang einer Sollbewegung bietet eine sehr gute Voraussetzung für eine erfindungsgemäße Ausgleichsbewegung.
Bei der Ausgleichsbewegung handelt es sich um eine vorzugsweise auf alle Aktoren aufaddierte, gleichgerichtete Ausgleichsbewegung. Diese Ausgleichsbewegung ist in der Lage, über einen lokalen Hub eine verbleibende Abweichung der Läuferbewegung zu einer Sollbewegung auszugleichen.
Bei der Sollbewegung innerhalb eines Ansteuerzyklus handelt es sich vorzugsweise um eine gleichmäßige Bewegung. Besonders vorteilhaft ist eine streng monotone Bewegung. Eine solche streng monotone Sollbewegung ist zwar nicht zwingend notwendig, jedoch bietet die strenge Monotonie einer Sollbewegung den Vorteil einer einfachen Steuerung oder sogar Regelung der Position und Geschwindigkeit, indem die Zykluszeit, mit der die Steuersignale durchlaufen werden, als Regelgröße herangezogen wird.
Die Zusammenhänge der mechanischen Spannung und die Wirkung auf die Bewegung des Läufers wird zur Verdeutlichung an einem stark vereinfachten Beispiel erklärt. Um mit der Ausgleichsbewegung eine Abweichung der Läuferbewegung zu einer Sollbewegung zu kompensieren ist es wichtig, dass eine vibrationsarme Bewegung vorliegt, die bereits dicht einer Sollbewegung folgt.
Vibrationen sind zu vermeiden, da Sprünge und schnelle Bewegungsabweichungen nur schwer regelungstechnisch ausgeglichen werden können.
Ein dichtes Folgen einer Sollbewegung ist von Vorteil, da die Ausgleichsbewegung dann nur geringe Bewegungsamplituden benötigt.
4 zeigt das elastisches Verhalten der Mechanik und Aktorik eines Mehraktorantriebs mit drei Aktoren, wenn an einem der drei Aktoren ein Dreiecksignal ohne nennenswerte Beschleunigung angelegt wird. Als Vorrichtung wird in dem Beispiel auf den skizzenhaften Mehraktorantrieb aus der 2a zurückgegriffen.
An den Aktor 1 ₁ (siehe 2a) wird ein sich änderndes Steuersignal U1 in Form eines Dreiecks angelegt, während die anderen zwei Aktoren nicht mit einem veränderlichen Steuersignal angesteuert werden (U2 liegt am Aktor 1 ₂ an, U3 am Aktor 1 ₃). In der Phase A ändert sich keines der Steuersignale. In der Phase G steigt das Steuersignal U1 an und in der Phase H fällt das Steuersignal U1 wieder ab, bis es den Ausgangswert erreicht. In der Phase F ändert sich keines der Steuersignale.
Durch das Anlegen eines sich ändernden Ansteuersignals U1 kommt es zwischen den Reibflächen der Aktoren zu einer mechanische Spannung. Diese mechanische Spannung wirkt sich auf den ganzen Antrieb und alle beteiligten Aktoren und die Mechanik des Antriebs aus. So überträgt sich die Kraft des Aktors 1 ₁ über die Reibkontakte und den Läufer auf die anderen Aktoren, so dass diese verformt werden.
Im Detail:
Die Kurven x1, x2 und x3 zeigen die sich verändernden Positionen der Reibflächen der Aktoren 1 ₁, 1 ₂ und 1 ₃ in Bezug auf den Träger 4.
Die Kurven F1, F2 und F3 zeigen die auf die Aktoren 1 ₁, 1 ₂ und 1 ₃ wirkenden Kräfte.
Die Kurve xL zeigt die Position des Läufers an.
In der Phase G steigt das an den Aktor 1 ₁ angelegte Steuersignal an. In einem ersten Teil, der Phase B, bleibt die Reibfläche des Aktors 1 ₁ in der Haftreibung, da die Kraft nicht ausreicht, dass die Reibfläche 1 von der Haftin die Gleitphase übergeht. Als Folge dessen überträgt sich die aufbauende Kraft auf alle drei Aktoren, so dass sich die Reibflächen synchron bewegen, und somit auch der Läufer in dieser Phase synchron mitbewegt wird. Der Läufer bewegt sich also, obwohl nur einer der Aktoren angesteuert wird und ohne, dass einer der Aktoren durchrutscht. Wie anhand der Kraftkurven (F1, F2 und F3) zu erkennen ist, wirkt auf den Aktor 1 ₁ eine stauchende Kraft, während sich die Gegenkraft auf die Aktoren 1 ₂ und 1 ₃ aufteilt und diese entsprechend streckt.
Zu Beginn der Phase C geht der Reibkontakt 1 in die Gleitphase über. Somit muss der Aktor 1 ₁ bei seiner weiteren Auslenkung nicht mehr gegen die Steifigkeit der Aktoren 1 ₂ und 1 ₃ arbeiten, so dass sich die Position des Reibköpers nun mit einer veränderten, größeren Steigung entwickeln kann, obwohl das Ansteuersignal U1 weiterhin mit gleicher Steigung anliegt.
Aufgrund des Übergangs in die Gleitreibung bleiben die auf die Aktoren wirkenden Kräfte in überraschender Weise nahezu konstant. Das heißt, dass sich die Reibflächen 2 und 3 nicht wesentlich relativ zum Träger bewegen.
Dieser Effekt ist sehr vorteilhaft, da nun keine Vibrationen aufgrund des Übergangs von Haftphase zu Gleitphase eingekoppelt werden.
Ab Beginn der Phase H, wird das am Aktor 1 ₁ anliegende Signal wieder zurückgenommen.
Dabei befinden sich wieder alle Reibflächen der Aktoren in der Haftphase, so dass sich in Folge dessen die Positionen der Reibflächen, und damit auch der Läufer synchron relativ zum Träger bewegen. In Folge dessen bauen sich während der Phase D die auf die Aktoren wirkenden Kräfte ab. D. h. die auf den Aktor 1 ₁ stauchend wirkende Kraft baut sich ab, während die auf die Aktoren 1 ₂ und 1 ₃ streckend wirkenden Kräfte sich ebenfalls abbauen. Zum Übergang von der Phase D auf E sind die Kräfte vollständig abgebaut. Dass heißt, auf die Aktoren wirken keine Kräfte mehr und die Positionen der Aktoren 1 ₂ und 1 ₃, als auch die Position des Läufers befinden sich wieder in der Ausgangslage wie während der Phase A. Das ist nicht der Fall für die Position des Reibkörpers des Aktors 1 ₁. Schließlich ist die Reibfläche des Aktors 1 ₁ in der Phase B durchgerutscht, und in Folge dessen hat sich die Position der Reibfläche des Aktors 1 ₁ im Verhältnis zu den Reibflächen der Aktoren 1 ₂ und 1 ₃ entlang des Läufers verschoben. In der Phase E wird das Ansteuersignal U1 weiter reduziert, bis es wieder den Ausgangspegel erreicht hat. In Folge dessen zieht sich der Aktor 1 ₁ weiter zusammen. Da jedoch beim Phasenübergang von D zu E keine Kräfte zwischen den Reibflächen mehr gewirkt haben, bauen sich nun wieder Kräfte zwischen den Reibflächen auf, die auf die Aktoren wirken. D. h., auf den Aktor 1 ₁ wirkt mit weiter abnehmender Ansteuerspannung U1 eine streckende Kraft, während auf den anderen Aktoren eine sich auf beide Aktoren aufteilende, stauchende Kraft wirkt. Da sich der Aktor 1 ₁ weiterhin in der Haftreibung befindet, bewegen sich alle Reibflächen und der Läufer weiterhin synchron relativ zum Träger. Also wird der Läufer über seine ursprüngliche Lage hinaus bewegt. Am Ende des an den Aktor 1 ₁ angelegten Signals ergibt sich also eine Nettoverschiebung des Läufers.
Es konnte anhand des oben genannten Beispiels gezeigt werden, dass es nach dem Durchlauf dieses Zyklus zu einer verbleibenden Bewegung des Läufers kommt. Es wurde ebenfalls, wenn auch vereinfacht, dargelegt, wie die mechanischen Spannungen zwischen den Reibflächen auf den Läufer wirken.
Im Falle von drei oder mehr Aktoren, die alle mit Steuerkurven beaufschlagt werden, sind die Zusammenhänge sehr viel komplizierter. Die Zusammenhänge lassen sich zwar technisch-mathematisch nachvollziehen, es ist in der Praxis jedoch vorteilhaft, wenn geeignete Kurven experimentell und möglichst mittels Optimierungsalgorithmen ermittelt werden. Dafür ist es mit drei oder mehr Aktoren möglich, eine Bewegung zu erzielen, die bereits sehr eng einer vorgegebenen Sollbewegung folgt.
Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bewegung zu erzielen ist, die kaum noch Vibrationen aufweist, kann die Ausgleichsbewegung sehr gut herangezogen werden, um eine noch vorhandene Abweichung zwischen einer Sollbewegung und der tatsächlichen Bewegung des Läufers auszugleichen.
Idealerweise wird die Ausgleichsbewegung durch alle Aktoren gleichermaßen ausgeführt, so dass zwischen den Reibflächen der Aktoren keine ungewollten mechanischen Spannungen aufgebaut werden.
Handelt es sich bei den Aktoren um vorzugsweise gleiche Bautypen, kann eine solche für alle Aktoren gleichermaßen ausgeführte Ausgleichsbewegung realisiert werden, in dem den Steuerkurven der Aktoren ein für alle Aktoren gleichermaßen veränderliches Steuersignal aufaddiert wird.
Verhalten sich die Aktoren unterschiedlich, muss das in den Ansteuersignalen entsprechend berücksichtigt werden. Sind die Aktoren z. B. entgegengerichtet eingebaut, so dass sich die Aktoren bei dem Anlegen eines gleichen Steuersignals entgegengesetzt bewegen, so muss das selbstverständlich bei den Ansteuersignalen entsprechend berücksichtigt werden, z. B. indem inverse Steuersignale an diese Aktoren angelegt werden.
Besonders vorteilhaft ist in solchen Fällen derartige Signale an die Aktoren anzulegen, so dass die Reibstellen aller Aktoren eine gleiche Bewegung durchführen und keine weitere mechanische Spannung zwischen den Reibflächen aufgebaut wird.
Es ist möglich, lediglich einen Teil der Aktoren mit dem aufaddierten Steuersignal zu beaufschlagen, beispielsweise, wenn eine gewisse mechanische Spannung zwischen den Aktoren aufgebaut werden soll, oder z. B. wenn ein einzelner Aktor oder eine Gruppe von Aktoren nicht mit dem aufaddierten Steuersignal beaufschlagt werden soll.
Das Antriebspaket des Mehraktorantriebs, bestehend aus den mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren 1 ₁, 1 ₂, ... 1 _n, und den Reibkontakten zum anzutreibenden Läufer, kann mit einem weiteren Aktor in Reihe geschaltet sein, so dass dieser zusätzliche Aktor in der Lage ist, das gesamte Antriebspaket, und damit auch den Läufer, gezielt vor- oder zurückzubewegen, wenn der in Reihe befindliche Aktor durch ein entsprechendes Ansteuersignal angesteuert wird. Ein solcher, in Reihe befindlicher Aktor kann zu einer Ausgleichsbewegung angeregt werden, indem geeignete Steuersignale angelegt werden. Das könnte z. B. dann von Vorteil sein, wenn neben einer möglichst störfreien Bewegung eines Antriebs auch der zur Verfügung stehende Signalbereich der Ansteuerung voll ausgenutzt werden soll. Ein weiteres Beispiel ist ein möglicher Bedarf für eine große mögliche Ausgleichsbewegung im Falle einer Bewegungsumkehr des Läufers oder eines Bewegungsstarts des Läufers.
Unabhängig davon, ob die zur Ausgleichsbewegung führenden Steuersignale an die Aktoren des Mehraktorpakets oder an einen möglicherweise vorhandenen in Reihe befindliche Aktor angelegt werden, ist es von Vorteil, wenn die aufgrund der angelegten Steuerkurven resultierende Bewegung des Läufers über mindestens eine Zykluszeit mit einem Sensor erfasst wird, um die Abweichung der gemessenen Bewegung von einer Sollbewegung als Optimierungskriterium für die Anpassung der Ansteuerkurven zu verwenden, mit dem Ziel die Abweichung so gering wie möglich werden zu lassen. Je geringer die Abweichung ist, desto kleiner fällt die notwendige Ausgleichsbewegung aus.
Die Signalformen werden zyklisch an die Aktoren des Mehraktorantriebs angelegt. Daher ist es vorteilhaft, wenn Signale so gewählt werden, dass die Signalhöhe zu Beginn eines Zyklus auf gleicher Höhe liegen wie zum Ende eines Zyklus. Nur wenn die Werte je Kanal zu Beginn und zum Ende auf gleicher Höhe Liegen, können die Signale zyklisch an die Aktoren angelegt werden, ohne dass es zu störenden Bewegungen oder gar Sprüngen bei einer Zykluswiederholung kommt. Sprünge sind in der Regel zu vermeiden, da Sprünge für die Ausgleichsbewegung zu schwer kompensierbaren Störbewegungen führen.
Eine bevorzugte Variante um eine gleiche Signalhöhe je Kanal zu erzeugen liegt darin, die ermittelten Signalkurven zu drehen, indem eine Subtraktion einer Geraden von den jeweiligen Steuerkurven erfolgt, die durch den Anfangswert und den Endwert der jeweiligen Signalkurve geht.
Anhand der 8 kann ein solcher Vorgang nachvollzogen werden.
Sollen die Ausgleichsbewegungen nur von den Aktoren des Mehraktorantriebspaketes durchgeführt werden, so ist es sinnvoll, einen gewissen Bereich der zur Verfügung stehenden Signalhöhe der Ansteuersignale für die aufzuaddierende Ausgleichsbewegung zu reservieren.
Je exakter die Bewegung aufgrund der ermittelten Kurvenformen der Sollbewegung entspricht, desto geringer kann der für die Ausgleichsbewegung zu reservierende Bereich der Signalhöhe ausfallen. Daher sollten vorzugsweise die Kurvenformen der angelegten Signalkurven so gewählt werden, dass eine Sollbewegung während eines Zyklus bereits mit nur geringen Abweichungen nachgebildet wird.
Es hat sich herausgestellt, dass einmal ermittelte Kurvenformen, also auch Kurvenformen mit den aufaddierten, zur Ausgleichsbewegung führenden Signalen, an die Aktoren angelegt werden können und je Zyklus zu immer wiederkehrenden Bewegungen des Läufers führen.
Das kann z. B. genutzt werden um Positionieraufgaben durchzuführen, ohne dass ein Positionssensor eingesetzt werden muss. Idealerweise werden die ermittelten Steuersignale von der Steuerung gespeichert und dann den Anforderungen entsprechend zyklisch abgerufen. Z. B. Je schneller ein Läufer bewegt werden soll, desto schneller werden die zyklischen Steuersignale an die Aktoren angelegt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bewegung des Läufers von einem Positionssensor gemessen wird und Positionsabweichungen des Läufers über die Zyklusdauer aktiv ausgeregelt werden. Z. B. je schneller der Läufer bewegt werden soll, desto zügiger werden die zyklisch angelegten Steuerkurven inklusive der aufaddierten Signale für die Ausgleichsbewegung durchlaufen.
Hat der Läufer hingegen eine Sollposition erreicht, wird die Frequenz, mit der die Zyklen angelegt werden, auf Null reduziert.
Für kleine, bzw. zügig auftretende Abweichungen, die über einen Positionssensor festgestellt werden, kann gut die Ausgleichsbewegung herangezogen werden. Das ist in einigen Fällen von Vorteil. Z. B. wenn der Läufer in Position gehalten wird und lediglich ein langsames Vor- und Zurückbewegen ausgeglichen werden soll, ist es sehr einfach, dieses mit einer Ausgleichsbewegung zu realisieren. Besonders vorteilhaft ist die Wahl der Ausgleichsbewegung, weil der Zusammenhang zwischen Signal und Veränderung der Läuferposition in der Regel eindeutig ist. Im Falle von Aktoren, die linear auf eine Ansteuersignaländerung reagieren, verändert auch der Läufer die Position in diesem linearen Zusammenhang.
Statt die Zyklusfrequenz oder die Ausgleichsbewegung als Regelparameter zu verwenden ist es auch möglich, die Form der Steuersignale zu variieren.
Es ist auch möglich die drei genannten Regelparameter, „Zykluszeit”, „aufaddierte Ausgleichsbewegung” und „Kurvenform der Steuersignale” in Kombination und in unterschiedlicher Gewichtung zu nutzen. Das kann z. B. nötig werden, wenn weite Geschwindigkeitsbereiche des Mehraktorantriebs durchfahren werden, so dass z. B. Masseträgheiten und Resonanzeffekte eine Rolle spielen und berücksichtigt werden müssen.
In einigen Fällen müssen die sich mit ändernder Zyklusfrequenz an den Aktoren anliegenden Signalkurven angepasst werden, z. B. weil sich die Übertragung der elektrisch an die Aktoren angelegten Signale und die resultierende Aktorbewegung bis hin zur resultierenden Läuferbewegung aufgrund der Frequenzveränderung deutlich verschieben können. Da die auftretenden Änderungen in der Regel kontinuierlich und nicht sprunghaft auftreten, ist eine solche Anpassung gut zu realisieren und wichtig für Antriebe, die einen großen Geschwindigkeitsbereich durchfahren müssen.
Es hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die ermittelten Ansteuerkurven inklusive der Signalformen für die Ausgleichbewegung so detailliert aufgenommen werden, dass hochfrequente Abweichungen innerhalb eines Zyklus nicht mehr auftreten. Niederfrequente Abweichungen, z. B. Aufgrund externer Einflüsse oder nicht perfekter Korrektur in den Steuerkurven, können dann sehr gut über einen der oben beschriebenen Regelkreise beseitigt werden.
Für die neuartige Ansteuerung muss ein spezielles Vorgehen für die Richtungsumkehr des beweglichen Läufers gewählt werden, da es bei diesem Verfahren in der Regel nicht möglich ist, die zyklisch an den Aktoren anliegenden Signale „lediglich” rückwärts ablaufen zu lassen, um so die Richtung umzukehren.
Statt dessen werden für eine erfindungsgemäße Richtungsumkehr des Läufers die an den Aktoren anliegenden Ansteuersignale um eine konstante Signalamplitude gespiegelt. Idealerweise liegt die Höhe der Signalamplitude im mittleren Bereich der zur Verfügung stehenden Signalhöhe.
Um bei der Richtungsumkehr einen Sprung zu vermeiden, sollen die gespiegelten Werte vorzugsweise nicht sprunghaft angelegt werden, da das zu einem Sprung in der Bewegung des Läufers führen kann. Statt dessen sind die gespiegelten Signale vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße, zeitliche, gleichmäßige Anpassung der Signale zum jeweils gespiegelten Signalwert zu erreichen, wobei idealerweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null ist.
Werden punktsymmetrische Kurvenformen zur Ansteuerung der Aktoren verwendet, können die Signale alternativ zeitlich gespiegelt werden. Jedoch sollte eine zeitliche Spiegelung nur genutzt werden, wenn entweder die Anforderungen an die Genauigkeit während der Richtungsumkehr nicht hoch sind oder ein großer Signalbereich für die erfindungsgemäßen Ausgleichsbewegungen zur Verfügung steht. Das liegt darin begründet, dass sich in der Praxis nur selten punktsymmetrische Ansteuerkurven ergeben, bei denen die Abweichung der Bewegung des Läufers von einer Sollkurve während des Ablaufs eines Steuerzyklus gering sind. Werden also punktsymmetrische Kurven gewählt, werden die Abweichungen von der Sollbewegung entsprechend groß, so dass eine große Ausgleichsbewegung erforderlich wird.
Alternativ kann zur Richtungsumkehr auf zwei Sätze von Ansteuerkurven zurückgegriffen werden. Während ein Satz den Läufer vorantreibt, wenn die entsprechenden Signale an die Aktoren angelegt werden, wird der Läufer durch das Anlegen des zweiten Satzes in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Um von einem Satz an Steuerkurven auf den zweiten Satz an Steuerkurven zu wechseln, sind die Signalwechsel vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße, zeitliche, gleichmäßige Anpassung der Signale zum jeweils neuen Wert zu erreichen, wobei idealerweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente während des Wechsels nahezu Null ist.
Grundsätzlich kann während eines Richtungswechsels eine erfindungsgemäße Ausgleichsbewegung durchgeführt werden. Wird beispielsweise beim Richtungswechsel die oben beschriebene, zeitliche, allmähliche Anpassung der Signale durchgeführt, kann während dessen eine überlagerte Ausgleichsbewegung angelegt werden, um schon während dieses Wechsels der Signale den Läufer in die gewünschte Richtung voranzutreiben, so dass nicht abgewartet werden muss, bis der Wechsel der Signale vollzogen, sondern eine sofortige Bewegungsrichtungsumkehr möglich ist.
In einer weiteren Variante der Richtungsumkehr kann während der erfindungsgemäßen, zeitlichen Anpassung der Signale bereits eine Bewegung auf den Läufer beaufschlagt werden, indem die Relativbewegung der Aktoren des Mehraktorantriebs zueinander so gewählt wird, dass der Läufer in die gewünschte Richtung vorangetrieben wird.
Die verschiedenen Varianten der Richtungsumkehr können miteinander in Kombination genutzt werden.
Ungewollte Bewegungen sind auch zu Beginn einer Bewegung bzw. bei dem Einschalten oder initialen Ansteuern der Aktoren des Mehraktorantriebs zu vermeiden. Ein vorzugsweise zu verwendender Ansatz ist es, die Signale für die Aktoren des Mehraktorantriebs, ausgehend von den Startamplituden allmählich auf die Zielwerte zu bringen. Idealerweise ist dabei die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null.
Ansonsten gelten für den Einschaltvorgang die gleichen Ansätze wie bei der Richtungsumkehr.
Um zu verhindern, dass ein Mehraktorantrieb, um eine Position zu halten, einen permanenten Richtungswechsel vollzieht, ist es vorteilhaft, wenn eine Ausgleichsbewegung genutzt wird, um lokale Abweichungen auszugleichen.
Unterschiedliche Ansteuerverfahren bewirken stark unterschiedliche Verhalten der Mehraktorantriebe. Einige Verfahren haben ihre Stärken z. B. bei der erzielbaren Kraft, andere wiederum bei der erzielbaren Positionierauflösung.
Daher ist es vorteilhaft, wenn bei der Ansteuerung eines Mehraktorantriebs, je nach Situation zwischen der erfindungsgemäßen und alternativen Ansteuerstrategien gewechselt werden kann.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 Prinzipskizze eines bekannten Trägheitsantriebs mit entsprechender, typischer Sägezahnansteuerung;
2a vereinfachte Darstellung eines linearen Mehraktorantriebs;
2b vereinfachte Darstellung eines rotatorischen Mehraktorantriebs;
3 eine typische Bewegung eines Läufers eines Mehraktorantriebs bei einer Ansteuerung über versetzte sägezahnförmige Signale gemäß Stand der Technik;
4 Grafik zum elastischen Verhalten der Mechanik und Aktorik eines Mehraktorantriebs;
5 gemessene Bewegung eines über Dreiecksignale ohne nennenswerte Beschleunigung angesteuerten Mehraktorantriebs;
6a gemessene Bewegung eines über modifizierte Signale ohne nennenswerte Beschleunigung angesteuerten Mehraktorantriebs;
6b ein für die Ausgleichsbewegung der Bewegung aus 6a geeignetes Ansteuersignal;
7 Mehraktorantrieb mit einem zum Antriebspaket in Serie befindlichen weiteren Aktor B;
8 Störbewegungen aufgrund von Sprüngen zwischen zyklisch angelegten Steuersignalen im Vergleich zu korrigierten Steuersignalen, die zyklisch angelegt werden können, ohne dass es zu Sprüngen kommt;
9a Spiegelung einer punktsymmetrischen Steuerkurve für eine Richtungsumkehr;
9b Spiegelung einer nicht punktsymmetrischen Steuerkurve um einen Amplitudenwert, um eine Richtungsumkehr zu erzeugen im Vergleich zu einer zeitlichen Spiegelung, die nicht zu einer Richtungsumkehr führt;
9c Spiegelung einer weiteren, nicht punktsymmetrischen Steuerkurve um einen Amplitudenwert, um eine Richtungsumkehr zu erzeugen im Vergleich zu einer zeitlichen Spiegelung, die nicht zu einer Richtungsumkehr führt;
10a sprunghafte Spiegelung von beispielhaften Signalkurven zur Richtungsumkehr und
10b zeitlich allmähliche Spiegelung von beispielhaften Signalkurven zur Richtungsumkehr.
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Trägheitsantriebs mit entsprechender, typischer Sägezahnansteuerung. In solchen Antrieben ist ein Aktor (D) vorgesehen, der mit einem sägezahnähnlichen, periodischen Signal beaufschlagt wird und eine Beschleunigung auf den relativ zu einem reibschlüssig mit dem Aktor verbundenen beweglichen gelagerten Läufer (E) aufbringt.
2a zeigt einen beispielhaften linearen Mehraktorantrieb. Derartige Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren 1 ₁, 1 ₂, ... 1 _n, die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. In der 2a sind drei Aktoren 1 ₁ bis 1 ₃ dargestellt. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2 ₁ bis 2 ₃ auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren mit einem Träger 4 verbunden. Der Läufer kann bei einer geeigneten Ansteuerung der Aktoren relativ zum Träger entlang des Doppelpfeils makroskopisch bewegt werden.
2b zeigt einen beispielhaften rotatorischen Mehraktorantrieb. Derartige Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren 1 ₁, 1 ₂, ... 1 _n, die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. In der 2b sind drei Aktoren 1 ₁ bis 1 ₃ dargestellt. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2 ₁ bis 2 ₃ auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren mit einem Träger 4 verbunden. Der Läufer kann bei geeigneter Ansteuerung der Aktoren rotiert werden.
3 zeigt eine gemäß dem Stand der Technik typische, resultierende Bewegung eines Läufers bei einer sägezahnförmigen Ansteuerung der Aktoren eines Mehraktorantriebs. Kennzeichnend ist die störende, periodische Rückbewegung des Läufers, ausgelöst jeweils durch die Rückbewegung eines Aktors.
4 zeigt exemplarisch das elastische Verhalten der Mechanik und Aktorik eines Mehraktorantriebs mit drei Aktoren, wenn an einen der drei Aktoren ein Dreiecksignal angelegt wird. Es handelt sich um eine vereinfachte, nicht maßstabsgerechte Darstellung. Für die Bezeichnung der Komponenten wird auf den beschrifteten, skizzenhaften Mehraktorantrieb aus der 2a verwiesen.
Es wird ein Steuersignal U1 in Form eines Dreiecks an den Aktor 1 ₁ angelegt.
Die anderen zwei Aktoren werden mit einem konstanten Steuersignal angesteuert (U2 liegt am Aktor 1 ₂ an, U3 am Aktor 1 ₃).
In der Grafik sind verschiedene Phasen dargestellt. Die verschiedenen Phasen werden im Folgenden beschrieben.
In der Phase A sind alle Steuersignale konstant. In der Phase G steigt das Steuersignal U1 an und in der Phase H fällt das Steuersignal U1 wieder ab, bis es zum Anfang der Phase F den Ausgangswert erreicht. In der Phase F ändert sich keines der Steuersignale.
Da das sich ändernde Ansteuersignal U1 nur an einen der Aktoren angelegt wird, kommt es zwischen den Reibflächen der Aktoren zu einer mechanischen Spannung, die sich auf den ganzen Antrieb und alle beteiligten Aktoren und die Mechanik des Antriebs auswirkt. So überträgt sich die Kraft des Aktors 1 ₁ über die Reibkontakte und den Läufer auf die anderen Aktoren und deren Mechanik, so dass diese verformt werden. Dieser Zusammenhang wird im Folgenden, ebenfalls anhand der 4 genauer beschrieben:
Dabei zeigen die Kurven x1, x2 und x3 die Positionen der Reibflächen der Aktoren 1 ₁, 1 ₂ und 1 ₃ in Bezug auf den Träger 4. Die Kurven F1, F2 und F3 hingegen zeigen die auf die Aktoren 1 ₁, 1 ₂ und 1 ₃ wirkenden Kräfte. Die Position des Läufers wird durch die Kurve xL gezeigt.
In der Phase G steigt das an den Aktor 1 ₁ angelegte Steuersignal. Dabei bleibt im ersten Teil der Phase B die Reibfläche des Aktors 1 ₁ in der Haftreibung, da die Kraft nicht ausreicht, um die Reibfläche 1 aus der Haftphase zu lösen.
Daher wirkt die sich aufbauende Kraft auf alle drei Aktoren, so dass sich die Reibflächen synchron, bewegen, und somit auch der Läufer in dieser Phase synchron mitbewegt wird. Die Kraftkurven (F1, F2 und F3) zeigen, dass auf den Aktor 1 ₁ eine stauchende Kraft wirkt, während sich die Gegenkraft auf die Aktoren 1 ₂ und 1 ₃ aufteilt und diese entsprechend streckt.
Mit der Phase C geht der Reibkontakt 1 in die Gleitphase über. In Folge dessen muss der Aktor 1 ₁ bei seiner weiteren Auslenkung nicht mehr gegen die Steifigkeit der Aktoren 1 ₂ und 1 ₃ arbeiten, so dass sich die Position des Reibköpers mit einer veränderten, größeren Steigung entwickeln kann, obwohl das Ansteuersignal U1 weiterhin mit gleicher Steigung anliegt. Beim Übergang in die Gleitreibung des Reibkontakts 1 bleiben die auf die Aktoren wirkenden Kräfte nahezu konstant, so dass sich die Reibflächen 2 und 3 nicht wesentlich relativ zum Träger bewegen.
Mit der Phase H, wird das am Aktor 1 ₁ anliegende Signal wieder reduziert.
Dabei befinden sich zunächst wieder alle Reibflächen der Aktoren in der Haftphase, so dass sich in Folge dessen die Positionen der Reibflächen, und damit auch der Läufer synchron relativ zum Träger bewegen. Daher bauen sich während der Phase D die auf die Aktoren wirkenden Kräfte ab. Im Detail: Die auf den Aktor 1 ₁ stauchend wirkende Kraft baut sich ab, während die auf die Aktoren 1 ₂ und 1 ₃ streckend wirkenden Kräfte ebenfalls abgebaut werden.
Zum Beginn der Phase E sind die Kräfte vollständig abgebaut, so dass auf die Aktoren keine Kräfte mehr wirken. Die Positionen der Aktoren 1 ₂ und 1 ₃, als auch die Position des Läufers befindet sich wieder in der Ausgangslage (wie zur Phase A). Die Position des Reibkörpers des Aktors 1 ₁ jedoch befindet sich nicht in der Ausgangslage. Das liegt daran, dass die Reibfläche des Aktors 1 ₁ in der Phase B durchgerutscht ist. In Folge dessen hat sich die Position der Reibfläche des Aktors 1 ₁ im Verhältnis zu den Reibflächen der Aktoren 1 ₂ und 1 ₃ verschoben.
In der Phase E wird das Ansteuersignal U1 allmählich auf den Ausgangspegel reduziert. Als Reaktion auf das Ansteuersignal U1 zieht sich der Aktor 1 ₁ weiter zusammen. Da beim Phasenübergang von D zu E keine Kräfte zwischen den Reibflächen mehr gewirkt haben, bauen sich nun wieder mechanische Spannungen zwischen den Reibflächen auf, die auf die Aktoren wirken. D. h. Aktor 1 ₁ wird mit weiter abnehmender Ansteuerspannung U1 gestreckt, während auf den anderen Aktoren eine sich auf beide Aktoren aufteilende, stauchende Kraft wirkt. Solange sich die Aktoren weiterhin in der Haftreibung befinden, bewegen sich alle Reibflächen und der Läufer weiterhin synchron relativ zum Träger.
Somit wird der Läufer über seine ursprüngliche Lage hinaus bewegt, wie anhand der Kurve xL nachvollzogen werden kann. Fazit: Es ergibt sich eine bleibende Verschiebung des Läufers, nachdem ein Dreiecksignal an den Aktor 1 ₁ angelegt wurde. Die sich ergebende Bewegung weist keine hochfrequenten Vibrationen auf.
5 zeigt, anhand konkreter Messung für das in 4 beschriebene Dreiecksignal, wie eine makroskopische Bewegung des Läufers eines Mehraktorantriebs zu erzielen ist, ohne dass durch die Steuerkurven nennenswerte Beschleunigungen oder Vibrationen eingekoppelt werden. Bei diesem Verfahren bauen sich zwischen den Reibflächen mechanische Spannungen auf und ab und es treten keine hochfrequenten Vibrationen im Betrieb auf. Die niederfrequenten Abweichungen sind jedoch noch recht groß, so dass eine sehr große Ausgleichsbewegung notwendig wäre, um eine monotone Bewegung des Läufers zu erzielen. Daher sind vorzugsweise die Kurvenverläufe zu optimieren, mit dem Ziel eine geringere Abweichung von einer Sollbewegung zu erzielen.
6a zeigt anhand konkreter Messungen, dass durch die Variation der Stützpunkte der verschiedenen Steuerkurven geringe Abweichungen von einer Sollbewegung für den Läufer erzielbar sind.
Bei der dargestellten, beispielhaften Ansteuerung, bei der mechanische Spannungen zwischen den Reibflächen auf- und abgebaut werden, ist die Abweichung von der Sollbewegung bereits sehr viel geringer als in 5.
Somit muss eine Ausgleichsbewegung deutlich geringer ausfallen. Zu Visualisierungzwecken wurden die Kurvenformen auf wenige Stützpunkte beschränkt. Es können hohe Dichten an Stützpunkten für die Kurvenformen gewählt werden, so dass die Flexibilität größer wird und damit auch bessere Resultate für die zu erzielende Bewegung des Läufers innerhalb eines Zyklus für den Läufer möglich sind.
6b zeigt die Abweichung der gemessen Läuferbewegung von der gestrichelt dargestellten Sollbewegung. Die Differenz zwischen der Läuferbewegung und der Sollbewegung ist im unteren Teil der Abbildung dargestellt. Wenn die Aktoren nahezu linear auf eine Signaländerung reagieren, wie es z. B. bei Piezoaktoren der Fall ist, kann diese Abweichung als Ausgleichssignal an die Aktoren angelegt werden. Wenn diese Signale wie beschrieben vorzugsweise an alle Aktoren gleichzeitig angelegt werden, dann führt der Läufer des Mehraktorantriebs entsprechende Ausgleichsbewegungen aus, so dass der Läufer der gestrichelt dargestellten Sollbewegung folgt.
7 zeigt einen Mehraktorantrieb, bei dem sich das Antriebspaket in Reihe mit einem weiteren Aktor B befindet. Der Aktor B ist in der Lage, das Antriebspaket über eine Verfahrstrecke, die dem Hub von Aktor B entspricht relativ zum Träger C zu bewegen. Wenn der Aktor B das Antriebspaket in Richtung a+ oder a– verschiebt, folgt der Läufer der Bewegung, da dieser über die Reibkontakte des Antriebspaketes an die Bewegung gekoppelt ist. Immer wenn der Läufer in Richtung a+ hinterher eilt, schiebt der Aktor B das Antriebspaket in Richtung a+, eilt der Läufer jedoch in Richtung a+ vor, so zieht der Aktor B das Aktorpaket etwas zurück in Richtung a–.
8 zeigt, dass Kurvenformen für die Steuersignale zu Sprüngen und Störbewegungen führen, wenn diese zyklisch an einen Mehraktorantrieb angelegt werden und die Startamplitude ungleich der End-Amplitude der Kurve ist.
Im Graph oben links ist als dunkle Linie eine beispielhafte Ansteuerkurve für einen der Aktoren des Mehraktorantriebs dargestellt.
Die helle Linie verbindet den Startpunkt mit dem Endpunkt der Ansteuerkurve.
Wird die Steuerkurve zyklisch an den Aktor angelegt, so ergibt sich die oben rechts dargestellte Situation. D. h. bei jeder Zykluswiederholung kommt es zu einem Sprung von der End-Amplitude der Steuerkurve zur Startamplitude.
Solche Sprünge sind möglichst zu vermeiden, da diese Störbewegungen und Vibrationen in das System bringen, die nur schwer zu kompensieren sind.
Die Kurvenformen der Ansteuerkurven können und sollten vorzugsweise so korrigiert werden, dass oben genannte Sprünge vermieden werden. Hierzu werden die ermittelten Signalkurven soweit gedreht, so dass der Anfang und das Ende der jeweiligen Steuerkurve durch den gleichen Amplitudenwert geht. Die Drehung erfolgt, wie in der mittleren Graphik dargestellt wird, indem von der Steuerkurve eine Gerade abgezogen wird, mit der Steigung der Geraden, die durch den Anfangswert und den Endwert der jeweiligen Signalkurve geht. Diese Gerade ist dargestellt durch die hellgraue Gerade in dem Graphen ganz oben links.
Wenn die so gekippte Ansteuerkurve, die in dem Graphen unten links dargestellt ist, zyklisch an den Aktor angelegt wird, kommt es nicht mehr zu den unerwünschten Sprüngen bei jedem Zyklusdurchgang, so dass eine wesentliche Voraussetzung für einen vibrationsfreien Betrieb vorliegt.
9a, b und c zeigen stark vereinfacht, wie für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise eine Richtungsumkehr zu implementieren ist.
Nur für eine Sonderform von Steuerkurven ist es möglich, wie bisher für Trägheitsantriebe üblich, eine Richtungsumkehr zu implementieren, indem Steuerkurven rückwärts ablaufen. Ein „rückwärts Ablaufen” entspricht einer zeitlichen Spiegelung der Steuerkurven. Um eine Richtungsumkehr für alle Typen von Steuerkurven zu erhalten, ist es sinnvoll, die Steuerkurven um einen Amplitudenwert der Steuersignale zu spiegeln.
9a zeigt mit dem Graphen oben links eine initiale punktsymmetrische Steuerkurve zur Ansteuerung eines einzelnen Aktors eines Mehraktorantriebs.
Für punktsymmetrische Kurven ergeben sich gleiche Steuerkurven, unabhängig davon, oh eine zeitliche Spiegelung oder eine Spiegelung um einen Amplitudenwert gewählt wird.
Im Falle einer für Mehraktorantriebe dem Stand der Technik entsprechenden zeitlichen Spiegelung ergibt sich die Kurve oben rechts. Wird die initiale Kurve jedoch um einen Amplitudenwert gespiegelt, dann ergibt sich die Kurve unten links.
Die Kurven oben rechts und unten links haben einen gleichen Verlauf. Die steile und die flache Flanke zeigen jeweils für beide Kurven in die gleiche Richtung. Somit ist es für den Antrieb unerheblich, ob die Kurvenform für die Richtungsumkehr über eine zeitliche Spiegelung oder eine Spiegelung um einen Amplitudenwert erzielt wird. Das gilt aber nur für punktsymmetrische Kurven.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahren werden in fast allen Fällen nicht punktsymmetrische Ansteuerkurven verwendet.
9b zeigt den Fall einer beispielhaften nicht punktsymmetrischen Steuerkurve. Oben links ist die initiale Steuerkurve dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die zeitlich gespiegelte Steuerkurve (oben rechts) nicht mehr der Steuerkurve unten links (gespiegelt um einen Amplitudenwert) entspricht.
Um eine Richtungsumkehr zu erzielen, ist es nicht mehr möglich, eine Kurvenform schlicht rückwärts abzulaufen, so wie es dem Fachmann bekannt ist, und so wie es vom Fachmann erwartet wird. Statt dessen sind die Steuerkurven des Mehraktorantriebs um einen Amplitudenwert zu spiegeln.
9c zeigt besonders deutlich, wie unterschiedlich die sich ergebenden Steuerkurven sind, wenn die initiale Kurvenform (oben links) einmal zeitlich gespiegelt wird (oben rechts) und alternativ um eine Signalamplitude gespiegelt wird (unten links). Für diese Beispielkurve würde für den Fall einer zeitlichen Spiegelung keine neue Kurvenform angelegt werden, da die sich ergebende Kurve wieder gleich der initialen Kurvenform ist. Nur die um eine Signalamplitude gespiegelte Kurve führt zu einer Steuerkurve, die eine für die Richtungsumkehr notwendige Signalkurvenformänderung aufweist.
10a zeigt für beispielhafte Ansteuerkurven eines Mehraktorantriebs mit drei Aktoren eine Richtungsumkehr. Zum Zeitpunkt 3,25 werden die Signale um einen Amplitudenwert, in diesem Beispiel um 0,5 gespiegelt. Nach der Spiegelung fährt der Aktuator in die entgegengesetzte Richtung als zuvor.
Nachteilig an einer solchen sprunghaften Richtungsumkehr ist, dass störende Beschleunigungen auf den Läufer eingebracht werden können.
10b zeigt demgegenüber einen Ansatz, bei dem der um die Amplitude gespiegelte Wert für jede Ansteuerkurve nicht sprunghaft, sondern allmählich erreicht wird, wobei idealerweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null ist. Eine solche Signaländerung ist für eine präzise Richtungsumkehr sehr vorteilhaft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0750356 A1 [0010]
WO 93/19494 [0012]
DE 102009013849 A1 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. W. Pohl: „Dynamic piezoelectric translation devices”, in Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57 [0003]
Jean Marc Berguet: „Actionneurs „Stick and Slip” pour Micro-Manipulators”; EPFL, 1998, [0010]

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines linearen oder rotatorischen Mehraktorantriebs mit einem anzutreibenden Läufer, dessen Positionierstrecke größer ist als die Hübe der beteiligten Aktoren, die, entweder direkt oder über eine kraftübertragende Mechanik, im permanenten Reibkontakt mit dem Läufer stehen, wobei die Aktoren mit individuellen Steuersignalen angesteuert werden, die eine gleiche Zykluszeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine verbleibende periodische Abweichung der Bewegung des Läufers zu einer Sollbewegung durch eine Ausgleichs- oder Korrekturbewegung ausgeglichen wird, welche den Läufer stets zur Fehlpositionierung entgegengesetzt bewegt.
Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verbleibende Abweichung der Bewegung des Läufers zu einer Sollbewegung durch ein auf die Steuersignale aufaddiertes Korrektursignal ausgeglichen wird, welches den Läufer stets zur Fehlpositionierung entgegengesetzt bewegt.
Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsbewegung auf alle beteiligten Aktoren gleichermaßen aufaddiert wird, so dass keine wesentlichen mechanischen Spannungen zwischen den Reibflächen der Reibkontakte aufgebaut werden.
Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsbewegung durch ein Steuersignal, welches an einen zum Mehraktorantriebspaket in Reihe liegenden Aktor angelegt wird, erzeugbar ist.
Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben den periodisch auftretenden Abweichungen auch sonstige Positionsabweichungen mittels Ausgleichsbewegung ausgeglichen werden.
Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Bewegung des Läufers aufgrund der an den Aktoren angelegten Steuersignale mindestens über mindestens einen Ansteuerzyklus mit mindestens einem Sensor erfasst wird, um die Abweichung der Läuferbewegung von einer Sollbewegung als Optimierungskriterium für die Anpassung der individuellen Steuersignale heranzuziehen.
Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalhöhe der zyklisch an den Aktoren anliegenden Steuersignale für jeden Aktorkanal am Anfang und am Ende eines Zyklus möglichst gleiche Werte aufweist, um eine sprungfreie Zykluswiederholung zu erzielen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklisch an den Aktoren anliegenden Steuersignale vorzugsweise zusammen mit den Steuersignalen für die Ausgleichsbewegung abgespeichert und zum Bewegen des Läufers zyklisch wiederholt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionssensorik die Abweichung der Läuferposition von einer Sollposition zur Laufzeit feststellt und die Abweichung ausregelt, indem die Zyklusdauer oder die Ausgleichsbewegung oder Zyklusdauer und Ausgleichsbewegung in Kombination als Stellgröße verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenformen der zyklisch an die Aktoren angelegten individuellen Steuersignalkurven mit veränderlicher Zyklusfrequenz angepasst werden, um eine möglichst störfreie Bewegung auch über weite Geschwindigkeitsbereiche zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Bewegungsrichtungsumkehr des Läufers die Steuersignale gespiegelt werden und die gespiegelten Signale nicht sprunghaft, sondern durch eine zeitliche, allmähliche Anpassung der Signale zum gespiegelten Signalwert angelegt werden, wobei vorzugsweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null ist und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente- nahezu Null wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Bewegungsrichtung des Läufers ein eigener Satz von Steuersignalen vorliegt, und bei Bewegungsrichtungswechel von einem ersten Satz auf einen zweiten Satz gewechselt wird, wobei der Wechsel der Signale vorzugsweise nicht sprunghaft, sondern durch eine zeitliche, allmähliche Anpassung der Signale zum neuen Signalwert angelegt wird, wobei vorzugsweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null ist und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Richtungswechsels eine Ausgleichsbewegung in die gewünschte Bewegungsrichtung durchgeführt wird, so dass schon während des Wechsels der Richtung über die angelegten Kurvenformen oder Steuersignale eine gewünschte Bewegungsrichtung des Läufers zu erzielen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass währenden eines Einschaltvorganges, einer initialen Ansteuerung oder zu Beginn einer Bewegung die an die Aktoren anliegenden Signale allmählich auf einen Zielwert gebracht werden.