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Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Positionier-Vorrichtung und ein Positionier-Verfahren mittels einer derartigen piezoelektrischen Positionier-Vorrichtung.
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Piezoelektrische Aktoren sind bekannt und werden zur hochgenauen Positionierung von kinematischen Systemen eingesetzt. Die Ansteuerung piezoelektrischer Aktoren erfolgt über einen Digital-Analog-Wandler, so dass die Positioniergenauigkeit der piezoelektrischen Aktoren von den Quantisierungsstufen bzw. Spannungsstufen der analogen Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers abhängt. Anwenderseitig besteht ein stetiger Bedarf, die Positioniergenauigkeit von piezoelektrischen Aktoren zu erhöhen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Positionier-Vorrichtung mit mindestens einem piezoelektrischen Aktor zu schaffen, die auf einfache und zuverlässige Weise eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine piezoelektrische Positionier-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zur Ansteuerung des mindestens einen piezoelektrischen Aktors weist die Steuereinrichtung zwei Digital-Analog-Wandler auf. Der erste Digital-Analog-Wandler, der nachfolgend auch als Grob-Wandler bezeichnet ist, weist einen ersten Spannungsbereich ΔU1 auf, wohingegen der zweite Digital-Analog-Wandler, der nachfolgend auch als Fein-Wandler bezeichnet ist, einen kleineren zweiten Spannungsbereich ΔU2 aufweist. Der zweite Spannungsbereich ΔU2 überdeckt mindestens eine erste Spannungsstufe Δu1 des Grob-Wandlers, so dass die Positioniergenauigkeit des mindestens einen piezoelektrischen Aktors durch die zweiten Spannungsstufen Δu2 des Fein-Wandlers bestimmt wird. Da die zweiten Spannungsstufen Δu2 des Fein-Wandlers wesentlich kleiner als die ersten Spannungsstufen Δu1 des Grob-Wandlers sind, kann auf einfache und zuverlässige Weise die Positioniergenauigkeit der piezoelektrischen Positionier-Vorrichtung erhöht werden. Dadurch, dass der mindestens eine piezoelektrische Aktor potentialfrei betreibbar ist, können die Digital-Analog-Wandler in einfacher Weise mit den jeweiligen Anschlusskontakten verbunden werden. Vorzugweise ist der piezoelektrische Aktor als Piezo-Stapel ausgebildet.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 2 gewährleistet auf einfache Weise eine hohe Positioniergenauigkeit. Der Grob-Wandler weist eine maximale Spannungsungenauigkeit Δud in den ersten Spannungsstufen Δu1 auf, die als differenzielle Nichtlinearität bezeichnet ist und die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt. Dadurch, dass der zweite Spannungsbereich ΔU2 mindestens eine Summe einer ersten Spannungsstufe Δu1 und der maximalen Spannungsungenauigkeit Δud, insbesondere das Zweifache der maximalen Spannungsungenauigkeit Δud, abdeckt, kann der Fein-Wandler auch eine auftretende Spannungsungenauigkeit Δud zumindest teilweise kompensieren. Vorzugsweise deckt der zweite Spannungsbereich ΔU2 höchstens vierundsechzig erste Spannungsstufen Δu1, und insbesondere höchstens zweiunddreißig erste Spannungsstufen Δu1 ab, so dass die zweiten Spannungsstufen Δu2 zur Erzielung einer hohen Positioniergenauigkeit möglichst klein sind. Der zweite Spannungsbereich ΔU2 bestimmt sich aus der differenziellen Nichtlinearität und insbesondere aus dem Rauschen des Grob-Wandlers. Das Rauschen orientiert sich in der Regel an der Auflösung bzw. den ersten Spannungsstufen Δu1 des Grob-Wandlers. Da bei der Positionsregelung die Position im stationären bzw. stabilen Zustand hochgenau gehalten werden soll, müssen Umschaltvorgänge des Grob-Wandlers im stabilen Zustand weitestmöglich vermieden werden, damit die Positionsregelung nicht gestört wird. Hierzu wird der zweite Spannungsbereich ΔU2 des Fein-Wandlers so groß gewählt, wie es für die in der jeweiligen Anwendung geforderte Auflösung und das Rauschen zulässig ist. Dementsprechend wird der zweite Spannungsbereich ΔU2 unter der Bedingung, dass ein Nachstellen des Grob-Wandlers im stationären Zustand zuverlässig vermieden wird, so klein wie möglich gewählt.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 3 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit. Der jeweilige Spannungsverstärker kann optimal an den zugehörigen Digital-Analog-Wandler angepasst werden.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 4 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit. Der ohmsche Widerstand ist in Serie zu dem Fein-Wandler bzw. dem zugehörigen zweiten Spannungsverstärker geschaltet und dämpft das Rauschen des Grob-Wandlers und des Fein-Wandlers. Das Rauschen des Grob-Wandlers wird vorzugsweise durch einen Tiefpass-Filter gedämpft, so dass sich die Dimensionierung des ohmschen Serien-Widerstands am Rauschen des ersten Spannungsverstärkers auf der Analogseite, am Rauschen des Fein-Wandlers, an einer etwaig gewünschten Auflösung für eine Strommessung über den Serien-Widerstand zum Zwecke einer Ladungsregelung und an einer geforderten Bandbreite für die an dem piezoelektrischen Aktor anliegende Spannung, welche sich aus einer Bandbreitenanforderung der Regelung hinsichtlich des Ausregelns von Störungen ergibt, orientiert. Das Rauschen des zweiten Spannungsverstärkers kann gegenüber dem Rauschen des Fein-Wandlers in der Regel vernachlässig werden und hat dementsprechend keine Bedeutung für die Dimensionierung des Serien-Widerstands. Der Serien-Widerstand kann zudem als Shunt bzw. Mess-Widerstand genutzt werden, um den in den mindestens einen piezoelektrischen Aktor fließenden Strom zu messen und einer digitalen Regeleinheit zur Ladungsregelung zur Verfügung zu stellen.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 5 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit. Der Tiefpass-Filter dämpft das Rauschen und die Dynamik des Grob-Wandlers, wohingegen die Dynamik des Fein-Wandlers nicht beeinträchtigt wird. Hierdurch weist die Positionier-Vorrichtung eine hohe Dynamik und eine hohe Positioniergenauigkeit auf. Die Bestimmung der Grenzfrequenz des Tiefpass-Filters ergibt sich aus der geforderten maximalen Verfahrgeschwindigkeit, welche eine maximale Spannungsänderung am piezoelektrischen Aktor bedingt. Vorzugsweise ist in einer Berechnungseinheit zur Berechnung eines ersten Spannungswerts für den ersten Digital-Analog-Wandler und eines zweiten Spannungswert für den zweiten Digital-Analog-Wandler ein Kompensationstiefpass-Filter vorgesehen, so dass die tiefpassgedämpfte Dynamik der ersten Wandler-Verstärker-Schaltung durch die zweite Wandler-Verstärker-Schaltung ausgeglichen wird. Die Grenzfrequenz dieses Kompensationstiefpass-Filters ergibt sich entsprechend aus der geforderten maximalen Verfahrgeschwindigkeit.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 6 ermöglicht eine hochgenaue Positionsregelung. Der Positions-Messsensor stellt der Steuereinrichtung eine Ist-Position des mindestens einen piezoelektrischen Aktors und/oder des zu regelnden kinematischen Systems zur Verfügung.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 7 gewährleistet eine gewünschte Positioniergenauigkeit mit hoher Zuverlässigkeit. Die Positions-Regeleinheit ermöglicht die Regelung der gemessenen Ist-Position auf eine vorgegebene Soll-Position. Hierzu ist die Positions-Regeleinheit insbesondere derart ausgebildet, dass keine stationäre Regelabweichung auftritt. Insbesondere weist die Positions-Regeleinheit einen Regler mit einem integrierenden Anteil auf. Der Regler ist beispielsweise als PID-Regler ausgebildet. Vorzugsweise weist die Positions-Regeleinheit einen Sollwert-Filter auf, der eine Soll-Position unter Berücksichtigung der physikalischen Grenzen für eine Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit des mindestens einen piezoelektrischen Aktors vorgibt. Der Sollwert-Filter hat insbesondere die Funktion eines Bahngenerators.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 8 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit in Verbindung mit einer hohen Dynamik. Die Positions-Vorsteuereinheit stellt eine Vorsteuer-Stellgröße bereit, die die Digital-Analog-Wandler im Wesentlichen verzögerungsfrei in eine jeweilige Ausgangsspannung umsetzen. Hierdurch weist die Positions-Regelung eine hohe Dynamik auf. Die Positions-Vorsteuereinheit wirkt mit der Positions-Regeleinheit zusammen, so dass die Vorsteuer-Stellgröße und eine Regel-Stellgröße zu einer Gesamt-Stellgröße addiert werden.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 9 gewährleistet auf einfache und zuverlässige Weise eine hohe stationäre Genauigkeit der Positions-Regeleinheit. Die Detektionseinheit erzeugt ein Steuersignal, wenn ein vordefinierter Regelabweichungs-Grenzwert betragsmäßig unterschritten wird. Mit dem Steuersignal ist somit erkennbar, wenn die Positions-Regeleinheit bzw. die Positionsregelung in einen stationären bzw. stabilen Zustand gelangt. In Abhängigkeit des Steuersignals können beispielsweise Parameter der Positions-Regeleinheit und/oder einer Berechnungseinheit zur Ansteuerung des Grob- und des Fein-Wandlers verändert werden, um im stationären Zustand der Positionsregelung eine unerwünschte Veränderung der ersten Wandler-Ausgangsspannung U1 zu vermeiden. Vorzugsweise wird das Steuersignal erzeugt, wenn die Positions-Regelabweichung den vordefinierten Regelabweichungs-Grenzwert für eine Mindestzeitdauer unterschreitet. Wird ein Sollwert-Begrenzer und/oder ein Sollwert-Filter eingesetzt, so wird das Steuersignal vorzugsweise dann erzeugt, wenn zusätzlich die gefilterte Soll-Position der vorgegebenen Soll-Position oder der durch den Sollwert-Begrenzer begrenzten maximalen Soll-Position entspricht.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 10 gewährleistet auf einfache und zuverlässige Weise eine hohe Positioniergenauigkeit. Die Berechnungseinheit berechnet aus einem Spannungssollwert einen ersten Spannungswert für den Grob-Wandler und einen zweiten Spannungswert für den Fein-Wandler, die von dem Grob-Wandler bzw. dem Fein-Wandler als analoge Wandler-Ausgangsspannungen bereitgestellt werden müssen. Vorzugsweise wird zunächst der erste Spannungswert für den Grob-Wandler berechnet, so dass der erforderliche zweite Spannungswert des Fein-Wandlers zur Umsetzung des Spannungssollwerts im Wesentlichen mittig in dem zweiten Spannungsbereich ΔU2 liegt. Hierdurch hat der Fein-Wandler bei einer Veränderung des Spannungssollwerts in positiver und negativer Richtung einen gleichermaßen großen Spannungsbereich zur Verfügung, um die Veränderung des Spannungssollwerts über den zweiten Spannungswert umzusetzen. Hierdurch wird gewährleistet, dass der erste Spannungswert des Grob-Wandlers im Wesentlichen nur dann verändert wird, wenn die Veränderung des Spannungssollwerts nicht mehr über den zweiten Spannungswert bzw. den Fein-Wandler umgesetzt werden kann. Vorzugsweise berechnet die Berechnungseinheit in einem aktuellen Zeitschritt einen erforderlichen ersten Spannungswert und vergleicht diesen mit einem ersten Spannungswert, der in einem früheren Zeitschritt berechnet wurde. Überschreitet ein Differenzbetrag des Spannungssollwerts und des ersten Spannungswert zum früheren Zeitschritt einen Grenzwert, so wird der frühere erste Spannungswert durch den aktuellen ersten Spannungswert ersetzt. Der Grenzwert ist beispielsweise größer als Null, jedoch höchstens ΔU2/2.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 11 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit in einem stationären Zustand der Positionsregelung. Dadurch, dass der Grenzwert in einem stationären Zustand der Positionsregelung verändert bzw. erhöht wird, kann erzwungen werden, dass während der Positionsregelung an einer festen Position Änderungen in der Wandler-Ausgangsspannung des Grob-Wandlers äußerst unwahrscheinlich werden. Hierdurch können unerwünschte Änderungen in der Ausgangsspannung des Grob-Wandlers in einem stationären Zustand der Positionsregelung vermieden werden. Im dynamischen Zustand der Positionsregelung wird der Grenzwert beispielsweise auf ΔU2/4 gesetzt, so dass vor Erreichen bzw. Erkennen des stationären Zustands ein Nachjustieren des Grob-Wandlers erzwungen bzw. forciert wird. Wird ein stationärer Zustand erkannt, so wird der Grenzwert beispielsweise auf ΔU2/2 gesetzt, wodurch Änderungen in der Ausgangsspannung des Grob-Wandlers zum Ausregeln von Störungen unwahrscheinlich werden.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 12 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit. Dadurch, dass an dem ohmschen Widerstand bzw. Serien-Widerstand eine Mess-Spannung ermittelt wird, kann mit dieser Mess-Spannung eine Spannungsregelung oder eine Ladungsregelung für den mindestens einen piezoelektrischen Aktor aufgebaut werden. Die Spannungsregelung oder die Ladungsregelung stellt einen inneren Regelkreis bereit, der von der Positionsregelung als äußeren Regelkreis überlagert wird.
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Eine Positionier-Vorrichtung nach Anspruch 13 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit. Durch die Ladungs-Regeleinheit können Hystereseeffekte des mindestens einen piezoelektrischen Aktors vermieden bzw. kompensiert werden. Durch die Ladungs-Regeleinheit, die einen inneren Regelkreis bereitstellt, wird ein Ist-Ladungszustand des mindestens einen piezoelektrischen Aktors exakt einstellt, wobei der Soll-Ladungszustand insbesondere von der Positions-Regeleinheit vorgegeben wird, die einen äußeren Positions-Regelkreis bildet.
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Die piezoelektrische Positionier-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 kann in vorteilhafter Weise für eine Projektionsbelichtungsanlage angewendet werden. Hierdurch wird insbesondere das Positionieren mindestens eines Bauteils der Projektionsbelichtungsanlage, wie beispielsweise einer Linse, eines Spiegels und/oder einer zu verbiegenden Platte, mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Positionier-Verfahren zu schaffen, das auf einfache und zuverlässige Weise eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Positionier-Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Positionier-Verfahrens entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Positionier-Vorrichtung. Das Positionier-Verfahren kann insbesondere auch mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 13 weitergebildet werden. Vorzugsweise wird das Positionier-Verfahren bei einer Projektionsbelichtungsanlage gemäß Anspruch 14 eingesetzt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer piezoelektrischen Positionier-Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Aktor, der mit einem ersten Digital-Analog-Wandler und einem zweiten Digital-Analog-Wandler angesteuert wird,
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2 eine schematische Darstellung der Kennlinien der Digital-Analog-Wandler,
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3 einen Signalflussplan einer Positionsregelung für den piezoelektrischen Aktor mit einer Berechnungseinheit zur Berechnung von Spannungswerten für die Digital-Analog-Wandler, und
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4 einen Signalflussplan der Berechnungseinheit zur Berechnung eines ersten Spannungswerts für den ersten Digital-Analog-Wandler und eines zweiten Spannungswerts für den zweiten Digital-Analog-Wandler.
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Eine piezoelektrische Positionier-Vorrichtung 1 weist zur Positionierung eines kinematischen Systems 2 einen piezoelektrischen Aktor 3 auf. Der piezoelektrische Aktor 3 wirkt – elektrisch gesehen – als Kondensator mit einer Kapazität C und verändert in Abhängigkeit eines Ist-Ladungszustandes eine Längsabmessung. Die Veränderung der Längsabmessung wird mit Δx bezeichnet. Der piezoelektrische Aktor 3 ist bekannt und üblich und beispielsweise als Piezo-Stapel ausgebildet.
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Der piezoelektrische Aktor 3 ist über Anschlusskontakte 4, 5 mit einer Steuereinrichtung 6 verbunden. Die Steuereinrichtung 6 weist einen digitalen Signalprozessor 7 auf. Eine erste Wandler-Verstärker-Schaltung 8 ist in Signalverbindung mit dem digitalen Signalprozessor 7, jedoch von diesem mittels eines ersten Isolationselements 11 galvanisch getrennt. Die erste Wandler-Verstärker-Schaltung 8 ist mit dem ersten Anschlusskontakt 4 verbunden. Eine zweite Wandler-Verstärker-Schaltung 9 ist über einen ohmschen Serien-Widerstand 10 mit dem zweiten Anschlusskontakt 5 verbunden. Der Serien-Widerstand 10 hat den Widerstandswert R. Die zweite Wandler-Verstärker-Schaltung 9 ist in Signalverbindung mit dem digitalen Signalprozessor 7, jedoch von diesem mittels eines zweiten Isolationselements 11’ galvanisch getrennt.
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Die erste Wandler-Verstärker-Schaltung 8 weist einen ersten Digital-Analog-Wandler 12 auf, der über einen Tiefpass-Filter 13 mit einem ersten Spannungsverstärker 14 verbunden ist. Der erste Digital-Analog-Wandler 12 weist einen ersten Spannungsbereich ΔU1 auf und stellt in ersten Spannungsstufen Δu1 eine erste analoge Wandler-Ausgangsspannung U1 bereit. Die erste Wandler-Verstärker-Schaltung 8 ist an eine erste Spannungsquelle 15 angeschlossen, die eine erste Verschiebespannung bereitstellt. Durch die erste Verschiebespannung wird ein Bezugspotential der ersten Wandler-Verstärker-Schaltung 8 gegenüber dem Referenzpotential (GROUND GND) verschoben. Dies erfordert die galvanische Trennung durch das Isolationselement 11’ zwischen dem digitalen Signalprozessor 7 und der ersten Wandler-Verstärker-Schaltung 8.
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Die zweite Wandler-Verstärker-Schaltung 9 weist einen zweiten Digital-Analog-Wandler 16 auf, der mit einem zweiten Spannungsverstärker 17 verbunden ist. Der zweite Digital-Analog-Wandler 16 weist einen zweiten Spannungsbereich ΔU2 auf und stellt in zweiten Spannungsstufen Δu2 eine zweite analoge Wandler-Ausgangsspannung U2 bereit. Die zweite Wandler-Verstärker-Schaltung 9 ist an eine zweite Spannungsquelle 18 angeschlossen, die eine zweite Verschiebespannung bereitstellt. Durch die zweite Verschiebespannung wird ein Bezugspotential der zweiten Wandler-Verstärker-Schaltung 9 gegenüber dem Referenzpotential verschoben. Dies erfordert die galvanische Trennung durch das Isolationselement 11’ zwischen dem digitalen Signalprozessor 7 und der zweiten Wandler-Verstärker-Schaltung 9. Beträgt die zweite Verschiebespannung 0 V, so ist das zweite Isolationselement 11’ nicht erforderlich. Jedoch kann eine galvanische Trennung durch das Isolationselement 11’ aus Sicherheitsgründen sinnvoll sein, da auf diese Weise der digitale Signalprozessor 7 im Fehlerfall von möglicherweise Hochspannung führenden Bauteilen der zweiten Wandler-Verstärker-Schaltung 9 elektrisch getrennt ist. Entsprechendes gilt für die erste Verschiebespannung und das erste Isolationselement 11.
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Vorzugsweise wird die zweite Wandler-Verstärker-Schaltung 9 symmetrisch zu dem Referenzpotential betrieben, so dass eine galvanische Trennung durch das zweite Isolationselement 11’ entfallen kann. Hierzu wird die zweite Verschiebespannung auf 0 V gelegt. Dies ist einerseits vorteilhaft, da eine Strommessung über den ohmschen Serien-Widerstand 10 üblicherweise über einen Digital-Analog-Wandler mit differenziellen Eingang oder einen entsprechenden Vorverstärker erfolgt, wobei das Gleichtaktsignal des differenziellen Eingangs bzw. differenziellen Vorverstärkers üblicherweise auf +/–5 V gegenüber dem Referenzpotential begrenzt ist. Andererseits ist es aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, das Spannungspotential eines Anschlusskontakts 4, 5 in der Nähe des Referenzpotentials zu belassen. Falls einer der Anschlusskontakte 4, 5 beispielsweise bei einer Inbetriebnahmemessung versehentlich Kontakt mit dem Referenzpotential bzw. der Gehäusemasse der piezoelektrischen Positionier-Vorrichtung 1 bekommt, führt dies nicht zu einer Depolarisation oder Zerstörung des piezoelektrischen Aktors 3.
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Beträgt der Arbeitsbereich des piezoelektrischen Aktors 3 beispielsweise –20 V bis 120 V und der erste Spannungsbereich ΔU1 0 V bis 135 V und der zweite Spannungsbereich ΔU2 –2,5 V bis 2,5 V, so wird die erste Verschiebespannung auf –17,5 V und die zweite Verschiebespannung auf 0 V gelegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass im Fehlerfall – unabhängig davon, welcher Anschlusskontakt 4, 5 das Referenzpotential bzw. die Gehäusemasse berührt – maximal –17,5 V bis 117,5 V über dem piezoelektrischen Aktor 3 anliegen, also die im Fehlerfall anliegende Spannung in dem Arbeitsbereich des piezoelektrischen Aktors 3 liegt.
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Der erste Digital-Analog-Wandler 12 weist n bit auf, so dass ein erster digitaler Eingang 2n Eingangswerte d1 annehmen kann. Die ersten Spannungsstufen Δu1 werden durch den nersten Spannungsbereich ΔU1 und die 2 digitalen Eingangswerte d1 festgelegt. Entsprechend weist der zweite Digital-Analog-Wandler 16 m bit auf, so dass ein zweiter digitaler Eingang 2 m Eingangswerte d2 annehmen kann. Die zweiten Spannungsstufen Δu2 werden mdurch den zweiten Spannungsbereich ΔU2 und die 2 Eingangswerte d2 festgelegt. Der erste Digital-Analog-Wandler 12 dient zur Bereitstellung der Wandler-Ausgangsspannung U1 in einem großen Spannungsbereich ΔU1 und in großen Spannungsstufen Δu1, wohingegen der zweite Digital-Analog-Wandler 16 zur Bereitstellung der zweiten Wandler-Ausgangsspannung U2 in einem kleineren Spannungsbereich ΔU2 und in kleineren Spannungsstufen Δu2 dient. Dementsprechend ist der erste Digital-Analog-Wandler 12 nachfolgend auch als Grob-Wandler 12 bezeichnet, wohingegen der zweite Digital-Analog-Wandler 16 nachfolgend auch als Fein-Wandler 16 bezeichnet ist. Es gilt dementsprechend: ΔU1 > ΔU2 und Δu1 > Δu2.
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Der zweite Spannungsbereich ΔU2 deckt darüber hinaus mindestens eine erste Spannungsstufe Δu1 ab, so dass gilt: ΔU2 ≥ Δu1.
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Diese Beziehungen sind in 2 veranschaulicht.
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Die ersten Spannungsstufen Δu1 weisen in der Praxis eine Spannungsungenauigkeit auf. Eine maximale Spannungsungenauigkeit Δud ist in 2 beispielhaft veranschaulicht. Die maximale Spannungsungenauigkeit Δud kann im ungünstigsten Fall bei einer Spannungsstufe Δu1 in einer negativen Richtung und in einer nachfolgenden Spannungsstufe Δu1 in einer positiven Richtung auftreten. Dies ist in 2 beispielhaft für die Spannungsstufen Δu1 und 2·Δu1 veranschaulicht. Auftretende Spannungsungenauigkeiten sind bei Digital-Analog-Wandlern auch als differenzielle Nichtlinearitäten bekannt. Vorzugsweise gilt für den zweiten Spannungsbereich ΔU2 dementsprechend: ΔU2 ≥ Δu1 + Δud, insbesondere ΔU2 ≥ Δu1 + 2·Δud.
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Die Positioniergenauigkeit des piezoelektrischen Aktors 3 ist abhängig von den zweiten Spannungsstufen Δu2, also der Auflösung des Fein-Wandlers 16. Die Positioniergenauigkeit ist dementsprechend umso höher, je kleiner die zweiten Spannungsstufen Δu2 sind. Vorzugsweise gilt für den zweiten Spannungsbereich ΔU2: ΔU2 ≤ 64·Δu1, insbesondere ΔU2 ≤ 32·Δu1.
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Hierdurch werden bei einer gegebenen bit-Anzahl m möglichst kleine zweite Spannungsstufen Δu2 gewährleistet.
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Zur Messung einer zu regelnden Ist-Position x weist die Positionier-Vorrichtung 1 einen Positions-Messsensor 19 auf. Der Positions-Messsensor 19 misst beispielsweise die Ist-Position x eines zu positionierenden Bauteils des kinematischen Systems 2. Darüber hinaus kann der Positions-Messsensor 19 beispielsweise die Ist-Position x bzw. den Verstell-Weg des piezoelektrischen Aktors 3 messen. Der Positions-Messsensor 19 ist in Signalverbindung mit der Steuereinrichtung 6 und stellt dem digitalen Signalprozessor 7 über einen ersten Analog-Digital-Wandler 20 digitale Messwerte xm der Ist-Position x bereit.
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Der Serien-Widerstand 10 wird als Shunt bzw. Mess-Widerstand genutzt, um den zu dem piezoelektrischen Aktor 3 geflossenen Strom zu ermitteln. Hierzu weist die Positionier-Vorrichtung 1 einen Spannungs-Messsensor 21 auf, der eine an dem Serien-Widerstand 10 abfallende Spannung Um misst. Der Spannungs-Messsensor 21 ist in Signalverbindung mit der Steuereinrichtung 6 und stellt dem digitalen Signalprozessor 7 über einen zweiten Analog-Digital-Wandler 22 digitale Messwerte um der Spannung Um zur Verfügung.
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Mittels der Steuereinrichtung 6 erfolgt eine Positionsregelung der Ist-Position x und eine Ladungsregelung eines Ist-Ladungszustands Q des piezoelektrischen Aktors 3. Die Ladungsregelung bildet einen inneren Regelkreis, wohingegen die Positionsregelung einen diesen überlagernden äußeren Regelkreis bildet. Zur Positions- und Ladungsregelung bildet der digitale Signalprozessor 7 eine Positions-Regeleinheit 23, eine Positions-Vorsteuereinheit 24, eine Ladungs-Regeleinheit 25, eine Berechnungseinheit 26 und eine Detektionseinheit 27 aus.
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Eine Soll-Position XS wird in der Positions-Regeleinheit 23 zunächst einem Sollwert-Begrenzer 28 und eine etwaig begrenzte Soll-Position XS’ einem Sollwert-Filter 29 zugeführt. Der Sollwert-Filter 29 hat die Funktion eines Bahngenerators und berücksichtigt insbesondere physikalische Grenzen des piezoelektrischen Aktors 3. Der Sollwert-Filter 29 stellt ausgangsseitig eine berechnete zweite Soll-Position xS bereit. Mittels eines ersten Addierers 31 wird von der Soll-Position xS die gemessene und digitalisierte Ist-Position xm subtrahiert und eine Positions-Regelabweichung eX berechnet. Etwaige Totzeiten des kinematischen Systems 2 und/oder der Positionier-Vorrichtung 1 können über ein Totzeit-Element 30 vor dem Addierer 31 berücksichtigt werden. Die Positions-Regelabweichung eX wird einem Vor-Filter 32 und einem nachgeordneten Positions-Regler 33 zugeführt. Der Positions-Regler 33 stellt ausgangsseitig eine Regel-Stellgröße uR bereit. Die Positions-Regeleinheit 23 wirkt mit der Positions-Vorsteuereinheit 24 zusammen. Hierzu wird die Soll-Position xS als eine Vorsteuer-Stellgröße mit der Regel-Stellgröße uR mittels eines zweiten Addierers 34 zu einer Gesamt-Stellgröße uP addiert.
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Die Stellgröße uP stellt einen Soll-Ladungszustand QS für die Ladungs-Regeleinheit 25 bereit. Der Ladungs-Regeleinheit 25 wird zudem die digitalisierte Mess-Spannung um zugeführt, die in einem Umrechnungselement 35 mit dem Widerstandswert R in einen Strom im umgerechnet wird, der in einem Vor-Filter 36 gefiltert und anschließend mittels eines Integrators 37 aufintegriert wird. Der Integrator 37 stellt ausgangsseitig einen Ist-Ladungszustand Q des piezoelektrischen Aktors 3 bereit. Von dem Soll-Ladungszustand QS wird der Ist-Ladungszustand Q mittels eines dritten Addierers 38 subtrahiert, so dass der dritte Addierer 38 ausgangsseitig eine Ladungs-Regelabweichung eQ ausgibt. Die Ladungs-Regelabweichung eQ wird in einem zweiten Umrechungselement 39 in einen Spannungssollwert US umgerechnet, der von den Digital-Analog-Wandlern 12, 16 als Summe der analogen Wandler-Ausgangsspannungen U1 und U2 ausgegeben werden soll.
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Der Spannungssollwert US wird der Berechnungseinheit 26 zugeführt, die die digitalen Eingangswerte d1 und d2 für die Digital-Analog-Wandler 12 und 16 berechnet. Der Berechnungseinheit 26 wird zudem ein Steuersignal S zugeführt, das von der Detektionseinheit 27 generiert wird. Hierzu wird der Detektionseinheit 27 die Soll-Positionen XS, XS’ und xS und die Positions-Regelabweichung eX zugeführt. Die Detektionseinheit 27 ist derart ausgebildet, dass ein Steuersignal S erzeugt wird, wenn XS = xS bzw. XS’ = xS gilt und die Positions-Regelabweichung eX betragsmäßig einen vordefinierten Regelabweichungs-Grenzwert für eine Mindestzeitdauer unterschreitet. In diesem Fall erkennt die Detektions-einheit 27 einen stabilen bzw. stationären Zustand der Positionsregelung. Für das Steuersignal S gilt beispielsweise bei Erkennen eines stationären Zustands S = 1, anderenfalls S = 0.
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Die Berechnungseinheit 26 ist in 4 im Detail veranschaulicht. Um die Zeitschritte zu verdeutlichen, ist der aktuelle Zeitschritt als [k] und der vorherige Zeitschritt mit [k – 1] gekennzeichnet. Aus dem Spannungssollwert US[k] wird mittels eines Umrechnungselements 39 ein erforderlicher erster Spannungswert U1S[k] für den Grob-Wandler 12 berechnet. Der erste Spannungswert U1S[k] berücksichtigt die Parameter des Grob-Wandlers 12, wie beispielsweise den ersten Spannungsbereich ΔU1 und die ersten Spannungsstufen Δu1 bzw. die Auflösung. Dieser erste Spannungswert U1S[k] wird einem ersten Auswahlelement 40 zugeführt. Dem Auswahlelement 40 wird zudem ein Ausgangsspannungswert UA[k – 1] des Auswahlelements 40 zugeführt, der in einem Speicherelement 41 gespeichert ist.
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Das Auswahlelement 40 wählt in Abhängigkeit eines Schaltsignals SA[k] zwischen U1S[k] und UA[k – 1] aus. Ist SA[k] = 1, so wählt das Auswahlelement 40 als aktuellen Ausgangsspannungswert UA[k] den ersten Spannungswert U1S[k] aus, anderenfalls, also bei SA[k] = 0, den früheren Ausgangsspannungswert UA[k – 1]. Der Ausgangsspannungswert UA[k] gibt die von dem Grob-Wandler 12 auszugebende analoge erste Wandler-Ausgangsspannung U1 vor, wobei in dem Berechnungselement 42 der entsprechende digitale Eingangswert d1 für den Grob-Wandler 12 berechnet wird.
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Der Ausgangsspannungswert UA[k] wird weiterhin einem Kompensationstiefpass-Filter 50 zugeführt. Der Kompensationstiefpass-Filter 50 sorgt dafür, dass die aufgrund des Tiefpass-Filters 13 tiefpassgedämpfte Dynamik der ersten Wandler-Verstärker-Schaltung 8 durch die zweite Wandler-Verstärker-Schaltung 9 ausgeglichen wird. Dies bedeutet, dass im Kleinsignalverhalten für die Spannung am piezoelektrischen Aktor 3 die gesamte Dynamik zum Ausregeln von Störungen zur Verfügung steht. Die Grenzfrequenz des Tiefpass-Filters 13 und damit auch die Grenzfrequenz des Kompensationstiefpass-Filters 50 bestimmt sich aus der geforderten maximalen Verfahrgeschwindigkeit des piezoelektrischen Aktors 3.
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Mittels eines vierten Addierers 43 wird von dem Spannungssollwert US[k] der tiefpassgefilterte Ausgangsspannungswert UA[k] für den Grob-Wandler 12 subtrahiert, so dass der Addierer 43 einen zweiten Spannungswert U2S[k] ausgibt, der von dem Fein-Wandler 16 als zweite analoge Wandler-Ausgangsspannung U2 ausgegeben werden soll. In einem Berechnungselement 44 wird dieser zweite Spannungswert U2S[k] in den digitalen Eingangswert d2 für den Fein-Wandler 16 umgerechnet.
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Zur Berechnung des Schaltsignals SA[k] wird mittels eines fünften Addierers 45 von dem Spannungssollwert US[k] der Ausgangsspannungswert UA[k – 1] aus dem vorherigen Zeitschritt subtrahiert, der in einem Speicherelement 46 gespeichert ist. Der Addierer 45 gibt eine Spannungsdifferenz aus, zu der mittels eines Betragsbildners 47 ein Differenzbetrag ΔU[k] gebildet wird. Der Differenzbetrag ΔU[k] wird einem Vergleicher 48 zugeführt, der diesen mit einem Grenzwert L[k] vergleicht. Überschreitet der Differenzbetrag ΔU[k] den Grenzwert L[k] wird das Schaltsignal SA[k] = 1 ausgegeben, das in dem Auswahlelement 40 zur Auswahl des ersten Spannungswerts U1S[k] führt. Andernfalls wird das Schaltsignal SA[k] = 0 ausgegeben, das in dem Auswahlelement 40 zur Auswahl des früheren Ausgangsspannungswerts UA[k – 1] führt.
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Ein zweites Auswahlelement 49 wählt in Abhängigkeit des von der Detektionseinheit 27 bereitgestellten Steuersignals S[k] zwischen einem ersten Grenzwert LU und einem zweiten Grenzwert LS aus und stellt in Abhängigkeit der Auswahl den aktuellen Grenzwert L[k] bereit. Der erste Grenzwert LU wird ausgewählt, wenn das Steuersignal S[k] einen unstabilen bzw. dynamischen Zustand der Positionsregelung charakterisiert, wohingegen der zweite Grenzwert LS ausgewählt wird, wenn das Steuersignal S[k] einen stabilen bzw. stationären Zustand der Positionsregelung charakterisiert. Es gilt: LU < LS.
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Hierdurch wird gewährleistet, dass in einem stabilen Zustand der Positionsregelung eine Änderung der ersten Wandler-Ausgangsspannung U1 unwahrscheinlich wird.
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Die piezoelektrische Positionier-Vorrichtung 1 ist beispielsweise Teil einer Projektionsbelichtungsanlage, wobei mittels der piezoelektrischen Positionier-Vorrichtung 1 mindestens ein Bauteil der Projektionsbelichtungsanlage, wie beispielsweise ein Spiegel, eine Linse und/oder eine zu verbiegende Platte, hochgenau positionierbar ist.
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Die Funktionsweise der Positions-Vorrichtung 1 ist wie folgt:
Zur Einstellung einer gewünschten Soll-Position XS wird mittels des Sollwert-Begrenzers 28 und dem Sollwert-Filter 29 ein geeigneter Bahnverlauf und die zugehörige Soll-Position xS berechnet. Aus der Soll-Position xS und der digitalisierten Ist-Position xm, die mittels des Positions-Messsensors 19 ermittelt wurde, wird die Positions-Regelabweichung eX bestimmt und über den Vor-Filter 32 dem Positions-Regler 33 zugeführt, der die Regel-Stellgröße uR ausgibt. Der Positions-Regler 33 ist beispielsweise als PID-Regler ausgeführt. Zusätzlich wird über die Positions-Vorsteuereinheit 24 die Soll-Position xS aufaddiert und der resultierende Soll-Ladungszustand QS des piezoelektrischen Aktors 3 der Ladungs-Regeleinheit 25 zugeführt.
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Die Ladungs-Regeleinheit 25 berechnet eine Ladungs-Regelabweichung eQ und gibt ausgangsseitig den erforderlichen Spannungssollwert US aus, der durch die Digital-Analog-Wandler 12 und 16 in die analogen Wandler-Ausgangsspannungen U1 und U2 umgesetzt werden muss. Zur Berechnung der Ladungs-Regelabweichung eQ wird die digitalisierte Mess-Spannung um in einen Strom im umgerechnet und zu dem Ist-Ladungszustand Q aufintegriert.
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Mittels der Berechnungseinheit 46 werden in der bereits beschriebenen Weise aus dem Spannungssollwert US die digitalen Eingangswerte d1 und d2 für die Digital-Analog-Wandler 12, 16 berechnet. Hierbei befindet sich die Positionsregelung zunächst in einem dynamischen Zustand, so dass die Detektionseinheit 27 ein entsprechendes Steuersignal S an die Berechnungseinheit 26 übermittelt und diese den ersten Grenzwert LU für den Vergleicher 48 verwendet.
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Die Digital-Analog-Wandler 12, 16 stellen entsprechend den Eingangswerten d1 und d2 und ihren Kennlinien die gewünschten analogen Wandler-Ausgangsspannungen U1 und U2 bereit. Die Wandler-Ausgangsspannung U1 wird mittels des Tiefpass-Filters 13 gefiltert und anschließend in einer gewünschten Weise mittels des Spannungsverstärkers 14 verstärkt an den piezoelektrischen Aktor 3 angelegt. Durch den Tiefpass-Filter 13 und den Serien-Widerstand 10 wird ein Rauschsignal des Grob-Wandlers 12 gedämpft. Demgegenüber wird die Wandler-Ausgangsspannung U2 ohne Tiefpass-Filter mittels des zweiten Spannungsverstärkers 17 verstärkt und an den piezoelektrischen Aktor 3 angelegt, da die zweiten Spannungsstufen Δu2 deutlich kleiner sind als die ersten Spannungsstufen Δu1. Die Positioniergenauigkeit des piezoelektrischen Aktors 3 wird somit durch die zweiten Spannungsstufen Δu2 bestimmt.
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Der piezoelektrische Aktor 3 verändert in Folge der eingestellten Wandler-Ausgangsspannungen U1 und U2 seine Längenausdehnung um Δx und stellt somit die gewünschte Ist-Position x ein. Ist ein im Wesentlichen stationärer Zustand der Positionsregelung erreicht, so detektiert die Detektionseinheit 27 diesen und stellt der Berechnungseinheit 26 ein entsprechendes Steuersignal S bereit. Die Berechnungseinheit 26 verwendet für den Vergleicher dementsprechend den größeren zweiten Grenzwert LS, wodurch der Grob-Wandler 12 seine eingestellte Wandler-Ausgangsspannung U1 erst dann wieder verändert, wenn eine Änderung im Spannungssollwert US nicht über den Fein-Wandler 16 eingestellt werden kann.
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Der erste Grenzwert LU beträgt beispielsweise ΔU2/4, wodurch im dynamischen Zustand der Positionsregelung Änderungen des Grob-Wandlers 12 forciert werden. Demgegenüber beträgt der zweite Grenzwert LS beispielsweise ΔU2/2, wodurch der zweite Spannungsbereich ΔU2 des Fein-Wandlers 16 optimal ausgeschöpft wird.
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Die erfindungsgemäße Positionier-Vorrichtung und das erfindungsgemäße zweistufige Digital-Analog-Wandler-Konzept mit einem Grob- und einem Fein-Wandler ermöglicht somit eine hochgenaue Positionsregelung von piezoelektrischen Aktoren, insbesondere von Piezo-Stapeln, unter Verwendung einer Spannungs- oder Ladungsansteuerung. Vorzugsweise wird der gesamte Stell-Bereich bzw. Verfahr-Bereich über die Längenausdehnung eines einzigen Piezo-Stapels ermöglicht. Dadurch, dass Piezo-Stapel unmittelbar und direkt auf Spannungs- bzw. Ladungsänderungen reagieren, wird auch eine hochdynamische Positionsregelung ermöglicht. Vorzugsweise besteht der mindestens eine piezoelektrische Aktor bzw. der mindestens eine Piezo-Stapel aus einer Keramik, die nicht leitend ist. Hierdurch kann der piezoelektrische Aktor insbesondere potentialfrei betrieben werden. Durch die Messung an dem Serien-Widerstand können auch Systemfehler, wie beispielsweise Kabelbrüche und/oder Kurzschlüsse, diagnostiziert werden. Durch die Aufteilung in einen Grob-Wandler und einen Fein-Wandler können differenzielle Nichtlinearitäten gezielt vermieden werden, da kleine Positions-Regelabweichungen immer mit dem Fein-Wandler ausgeregelt werden können und die Wandler-Ausgangsspannung des Grob-Wandlers nur bei vergleichsweise großen Positionsänderungen verändert wird. Das Ansteuerkonzept für den Grob-Wandler und den Fein-Wandler ist grundsätzlich so, dass ein veränderter Spannungssollwert nach Möglichkeit über den Fein-Wandler eingestellt werden soll, so dass keine Veränderung des Grob-Wandlers erforderlich ist. Wenn dies nicht möglich ist, wird sowohl der Grob-Wandler als auch der Fein-Wandler verändert und so eingestellt, dass sich der Fein-Wandler möglichst nahe in seiner Mittelstellung bzw. mittig in seinem Spannungsbereich befindet. Dies wird durch die Berechnungseinheit gewährleistet. Die Anzahl der Sollwertänderungen des Grob-Wandlers wird durch die Berechnungseinheit minimiert, so dass die differenzielle Nichtlinearität des Grob-Wandlers nur punktuell als einmalige Störgröße im Positions-Regelkreis wirkt und problemlos von dem Positions-Regelkreis kompensiert werden kann. Durch die Verknüpfung der Berechnungseinheit mit der Detektionseinheit wird zudem gewährleistet, dass eine Veränderung des Grob-Wandlers nicht in einem stationären Zustand der Positionsregelung auftritt, wenn also die eingestellte Ist-Position exakt gehalten werden soll. Durch die Kombination der Sollwert-Verteilung auf den Grob-Wandler und den Fein-Wandler mit dem Bahngenerator der Positionsregelung wird der Grob-Wandler so justiert bzw. nachjustiert, dass mit dem Fein-Wandler ein möglichst gleicher Spannungsbereich in positiver Richtung und negativer Richtung zur Verfügung steht. Hierdurch können für das hochgenaue Halten der Ist-Position erforderlichen Spannungsänderungen allein vom Fein-Wandler aufgebracht werden.
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Durch die Wahl der Versorgungsspannungen kann die erfindungsgemäße Positionier-Vorrichtung einfach an den Spannungsbereich des piezoelektrischen Aktors angepasst werden und dieser zuverlässig vor Überspannungen geschützt werden. Durch die digitale Ladungsregelung können Hystereseeffekte des piezoelektrischen Aktors im Wesentlichen vermieden werden. Bei Verwendung von Piezo-Stapeln aus Niedervolt-Keramiken ist ein stromsparender und hochintegrierter Aufbau der Positionier-Vorrichtung möglich. Die Bauteilanzahl ist vergleichsweise gering, so dass eine Beeinträchtigung durch Rauschen, thermische Drift, Bauteil-Varianzen, niedrig ist.
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Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Positionier-Vorrichtung auf einfache und zuverlässige Weise eine hochgenaue und hochdynamische Positionsregelung. Die erfindungsgemäße Positionier-Vorrichtung eignet sich prinzipiell zur Positionierung von beliebigen kinematischen Systemen bzw. deren Bauteilen.
