DE19810321A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten und deren Verwendung - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten und deren VerwendungInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung von Lasten (2) angegeben, mit einer Stromquelle, die einen konstanten Strom zur Verfügung stellt und mit durch eine Steuereinrichtung im Gleitbetrieb gesteuerten Transistorpulssteller (3). DOLLAR A Die Pulsung des Stromes erfolgt nach dem Prinzip des schaltenden Verstärkers. Dazu vergleicht eine Stabilisierungseinrichtung (4) oder ein Stabilisierungsalgorithmus zwei Rückmeldesignale einer derartigen Schaltungsanordnung oder ein Rückmeldesignal (7) und dessen integriertes Signal mit einem externen Sollwert oder Referenzsignal (6) und betätigt im Gleitbetrieb die Schaltelemente des Transistorpulsstellers (3) in Abhängigkeit der Differenz der beiden Signale zum Referenzsignal. Je nach Zustand der Schaltelemente ändert sich die Stromrichtung an der kapazitiven Last (2), so daß diese entweder aufgeladen oder entladen wird. Beim Entladen der kapazitiven Last (2) wird die Energie in einer Induktivität zwischengespeichert und steht beim Aufladeprozeß wieder zur Verfügung. DOLLAR A Mit einem derartigen Verfahren und einer solchen Schaltungsanordnung kann das Auf- und Entladen einer kapazitiven Last (2) effektiv geregelt werden und zur hochdynamischen und hochpräzisen Lageregelung von Piezoaktoren und zur aktiven Schwingungsdämpfung an Maschinen und Geräten mit Piezoaktoren im Bereich einiger Kilohertz genutzt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten
wie z. B. Piezoaktoren, insbesondere im kHz-Bereich, mittels einer technischen Stromquelle
und eines Transistorpulsstellers, der die kapazitive Last ansteuert. Die Erfindung betrifft
weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten
wie z. B. Piezoaktoren, insbesondere im kHz-Bereich, bestehend aus einer Induktivität zum
Konstanthalten des Stromes und einem Transistorpulssteller, der die kapazitive Last ansteuert.
Die Erfindung ist bevorzugt einsetzbar, um eine Strom- und Ladungsregelung von
Piezoaktoren im kHz-Bereich zu realisieren. Sie kann bevorzugt zur hochdynamischen und
hochpräzisen Positionierung von Piezoaktoren und/oder zur aktiven Schwingungsdämpfung
an Maschinen und Geräten mit Piezoaktoren im Bereich einiger Kilohertz verwendet werden.
Die Eigenschaften von leistungselektronischen Stellgliedern für kapazitive Lasten, wie z. B.
Piezoaktoren, bestimmen wesentlich das Betriebsverhalten des Gesamtsystems. Bei der Wahl
des Stellgliedes sind folgende wesentliche Forderungen zu beachten:
- - Strom- und Spannungsbegrenzung des speisenden Leistungsverstärkers,
- - hoher Durchlaßbereich (bis in den kHz-Bereich),
- - Belastung durch ohmsche-kapazitive Last,
- - Notwendigkeit der Stromumkehr,
- - Energierückgewinnung.
Beim Entwurf des elektrischen Stellgliedes zur Speisung von hochdynamischen Piezoaktoren
ist insbesondere die Forderung zu beachten, in minimaler Zeit einen dosierten
Ladungsmengeneintrag in den Piezoaktor zu realisieren.
Diese Aufgabe kann mit verschiedenen Schaltungskonzeptionen gelöst werden. Die
Einordnung bekannter schaltungstechnischer Lösungen von Stromquellen unter besonderer
Berücksichtigung der Speisung kapazitiver Lasten kann nach folgenden Gesichtspunkten
erfolgen:
- - Schaltungen auf der Grundlage kontinuierlicher Spannungsquellen
- - Schaltungen mit Pulsbreitenmodulation (PWM)
- - Schaltungen zur Energierückgewinnung
- - Ansteuerungsmethoden.
In vielen Fällen liegt Schaltungen auf der Grundlage kontinuierlicher Spannungsquellen direkt
oder indirekt das Stromquellenmodell zugrunde. Die technische Realisierung der Stromquelle
erfolgt über eine kontinuierliche Spannungsquelle. Prinziplösungen, die sich hier einordnen
lassen sind z. B. in. DE 35 22 994 beschrieben.
PWM gesteuerte Stromrichter zur Speisung induktiver Lasten sind in der Praxis weit
verbreitet. Stromquellengesteuerte elektrische Antriebe (CSI-Antriebe) sind hierfür typische
Anwendungsfälle. Der Stromquellencharakter des Stellgliedes wird hierbei durch hinreichend
große Induktivitäten im Laststromkreis und/oder durch unterlagerte Stromregelkreise erreicht.
Derartige Lösungen sind z. B. in der DE 195 29 662 beschrieben.
Zur Realisierung eines 4-Quadranten Betriebes von Piezoaktoren muß ein Energiefluß in
beiden Richtungen schaltungstechnisch gewährleistet sein. Es sind Schaltungen zur
Energierückgewinnung bekannt, bei denen die Energie beim Entladen des kapazitiven
Piezoaktors zwischengespeichert wird, um danach der Energiequelle oder dem Piezoaktor
wieder zugeführt zu werden. Lösungen nach diesem Prinzip werden z. B. in der DE 42 37 509
behandelt. Der Stromquellenaspekt wird hierbei aber nicht explizit betrachtet.
Eine Reihe von Veröffentlichungen beinhaltet Ansteuerungsverfahren und
Schaltungsvarianten zur technischen Realisierung der Ansteuerung von Leistungsverstärkern
in Pulsbreitenmodulation. Hier läßt sich z. B. die EP 0701748 einordnen.
Kommerziell angebotene Stellglieder erfüllen bei weitem nicht die geforderten dynamischen
Anforderungen. Speziell für Piezoaktoren ausgelegte Stellglieder werden den Anforderungen
zwar weitgehend gerecht, bleiben jedoch prinzipiell unter den theoretisch und praktisch
erreichbaren Parametern. Der Grund liegt in der Anwendung des Spannungsquellenprinzips.
Eigene Untersuchungen belegen, daß der stromgesteuerte Piezoaktor sich auszeichnet durch:
- - weitgehende Linearität zwischen der Stellgröße Ladung und seiner Dehnung
- - maximale Ausnutzung der Energiereserve des Stellgliedes durch Pulsbreitenmodulation des Stromes und
- - einfache Regelstruktur des Gesamtsystems durch Anwendung des Prinzips der veränderlichen Struktur (sliding mode).
Das Prinzip der pulsbreitenmodulierten Stromquelle ist nicht neu und wird in der
Elektroantriebstechnik beispielsweise in stromwechselrichtergespeisten Drehstromantrieben
angewendet. Obwohl die meisten Schaltungen von ladungsgesteuerten Stellgliedern für
Piezoaktoren dieser Konzeption recht nahe kommen, ist jedoch insgesamt festzustellen, daß
sie die sich daraus ergebenden dynamischen Vorteile nicht konsequent für die
regelungstechnische Optimierung des Gesamtsystems ausnutzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung zu entwickeln, die hohen
dynamischen Anforderungen gerecht werden und es insbesondere ermöglichen, die
dynamischen Leistungsfähigkeit von Piezoaktoren voll auszunutzen. Die zu schaffende
Lösung soll insbesondere für die Lageregelung von Piezoaktoren sowie für den Einsatz von
Piezoaktoren zur Schwingungsdämpfung im Bereich bis zu einigen kHz geeignet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
sowie des Anspruchs 3 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Lösung ergeben
sich aus den zugehörigen Unteransprüchen.
Eigene Untersuchungen bestätigen, daß mit der erfindungsgemäßen Lösung unter
Verwendung der Technik des Gleitbetriebes Frequenzen bis weit über die mechanische
Resonanzfrequenz des Aktorsystems praktisch beherrscht werden können. Als Lageregler
wurde dabei ein P-Regler eingesetzt. Die Auswahl des Verstärkungsfaktors ist hierbei
unkritisch und steht in direktem Zusammenhang mit der Dimensionierung des
Stabilisierungsgliedes entweder als Einrichtung oder als Algorithmus. Entscheidend ist, daß
zu jedem Zeitpunkt für das Stabilisierungsglied die Bedingungen des Gleitbetriebes
eingehalten werden, d. h. daß die Energiereserve (Strom) des Stellgliedes groß genug sein
muß, um den Piezoaktor soweit zu beschleunigen, daß das System in den Gleitbetrieb
überführt wird.
Damit kann der Piezoaktor als idealer Folgeantrieb aufgefaßt werden, der seine
Eingangsgröße nahezu fehlerfrei reproduziert. Dieses Verhalten ist bei der späteren
Einbindung des Piezoaktors in eine Gesamtstruktur z. B. zur Schwingungsdämpfung von
wesentlicher Bedeutung.
Im folgenden sind die wesentlichen Merkmale der Erfindung anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen mit weiteren
Einzelheiten näher erläutert.
Dabei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Stabilisierungseinrichtung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Verstärkerschaltung unter Verwendung der
Erfindung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Lageregelung eines Piezoaktors
unter Verwendung der Erfindung.
In der Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten im
Gleitbetrieb, dargestellt in Fig. 1, wird ein Referenzsignal der Ladung (6) vorgegeben, daß mit
einem Ausgangssignal der Stabilisierungseinrichtung (4) in einem Komparator (5) verglichen
wird. Entsprechend der Differenz dieser beiden Größen wird ein Signal auf den
Impulsverteiler (11) gegeben, der den Transistorpulssteller (3) im Gleitbetrieb ansteuert.
Entsprechend der Ansteuerung der Schaltelemente des Transistorpulsstellers (3) ändert sich
die Stromrichtung, so daß die kapazitive Last (2) entweder aufgeladen oder entladen wird. Als
Eingangsgröße für die Stabilisierungseinrichtung (4) werden Strom und Ladung gemessen.
Steht nur der Strom (7) als Meßsignal zur Verfügung, wird dieser in der
Stabilisierungseinrichtung (4) integriert, damit auch das Signal der Ladung vorliegt. Beide
Signale werden in der Stabilisierungseinrichtung (4) zu einem Ausgangssignal verarbeitet.
Beim Verfahren zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten im Gleitbetrieb,
dargestellt in Fig. 2, wird ein Referenzsignal der Ladung (6) vorgegeben, daß mit einem
Signal des Stabilisierungsalgorithmus (8) verglichen wird. Die Differenz dieser beiden Größen
wird auf einen Schaltalgorithmus (9) gegeben, der den Transistorpulssteller (3) im
Gleitbetrieb ansteuert. Entsprechend der Ansteuerung der Schaltelemente des
Transistorpulsstellers (3) ändert sich die Stromrichtung, so daß die kapazitive Last (2)
entweder aufgeladen oder entladen wird. Als Eingangsgröße für den
Stabilisierungsalgorithmus (8) werden Strom und Ladung gemessen. Steht nur der Strom (7)
als Meßsignal zur Verfügung, wird dieser im Stabilisierungsalgorithmus (8) integriert, damit
auch das Signal der Ladung vorliegt. Beide Signale werden hier verarbeitet. Die geschilderten
Algorithmen sind rechentechnisch in einer Steuereinrichtung (10) realisiert. Die
Eingangsgrößen der Steuereinrichtung (10) sind das Referenzsignal der Ladung (6) und
die/das Meßsignale/Meßsignal, während die Ausgangsgröße die Schaltelemente des
Transistorpulsstellers (3) ansteuert.
Fig. 4 zeigt das Schaltbild der Verstärkerschaltung. Über den Transistor T0 (20) wird die
Zwischenkreisinduktivität L0 (21) durch Kurzschluß eines der beiden oder beider
Transistorzweige T1-T2 (22, 23) oder/und T3-T4 (24, 25) auf einen konstanten Strom
"aufgeladen". Danach wird dieser Strom durch Schließen der Diagonalzweige T1-T4 (22, 25)
oder T3-T4 (23, 24) in der gewünschten Richtung auf den Piezoaktor gegeben. Voraussetzung
für die Anwendbarkeit der Stromquellenbetrachtung ist, daß sich während der Taktzeit der
Strom in der Induktivität (21) nicht oder nicht wesentlich ändert. Das setzt eine im Vergleich
zur Kapazität des Aktors (2) große Induktivität L0 (21) und kleine Taktzeiten voraus.
Untersuchungen wurden mit L0 = 50 mH und f = 500 kHz durchgeführt. Im Normalbetrieb ist
T0 (20) geöffnet, so daß der Aktor (2) beim Aufladen seine Energie aus der Induktivität
bezieht und beim Entladen über D0 (26) wieder an die Induktivität (21) abgibt. Verluste
werden durch zwischenzeitliches Takten des Zwischenkreistransistors T0 (20) kompensiert. Es
ist offensichtlich, daß mit der gewählten Schaltung der Piezoaktor auch umgeladen werden
könnte. Gegen diese Betriebsart muß der Aktor durch steuerungstechnische Maßnahmen
geschützt werden. Das läßt sich leicht durch ein entsprechendes Pulsmuster realisieren. Da die
Spannung über dem Aktor erst über den eingeprägten Strom aufgebaut wird, kann sie sehr
leicht kontrolliert und auf positive Werte beschränkt werden (unipolarer Betrieb). Die
Zwischenkreisinduktivität übernimmt in diesem Fall auch eine Schutzfunktion gegen das
Zuschalten einer möglichen negativen Zwischenkreisspannung beim "Aufladen" der
Induktivität. Zusätzlich kann der Aktor noch durch eine entsprechende Schutzbeschaltung
geschützt werden.
In der Stabilisierungseinrichtung (4) oder im -algorithmus (8) werden die gemessenen Signale
des Stromes und der Ladung verarbeitet. Steht nur das Meßsignal des Stromes (7) zur
Verfügung wird dieses integriert (13), um so die Ladung zu erhalten. Diese Signale werden
dann jeweils mit einem PT-1 Glied oder mit PT-1 Verhalten (14, 15) verzögert. Die Parameter
der PT-1 Glieder / PT-1 Funktionen müssen so dimensioniert sein, daß sie die Bedingungen
zur Entstehung des Gleitbetriebes erfüllen. Dabei muß berücksichtigt werden, daß das
Übertragungsverhalten des Zweipunktgliedes (9) im Gleitbetrieb gegen unendlich geht. Bei
der Wahl des Verhältnisses der Verstärkungsfaktoren der beiden PT-1 Glieder / PT-1 Funktio
nen gleich ihrer Zeitkonstante kann erreicht werden, daß der zeitliche Verlauf der Ladung
entsprechend einem Referenzsignal (6) optimal ist. Durch Variieren dieses Verhältnisses
können andere gewünschte, zeitliche Verläufe der Ladung realisiert werden. Die mit der
Stabilisierungseinrichtung / dem Stabilisierungsalgorithmus verzögerten Signale des Stromes
und der Ladung werden addiert, um mit dem Referenzsignal der Ladung (6) verglichen zu
werden. Diese Struktur, die in Fig. 3 abgebildet ist, stellt eine Ladungsregelung dar, wobei der
Regler ein Zweipunktglied (9) ist und in der Rückführung die Größen Strom und Ladung
durch eine Stabilisierungseinrichtung / mit einem Stabilisierungsalgorithmus verzögert
werden.
Fig. 5 zeigt das Schaltbild des lagegeregelten Piezoaktors im Gleitbetrieb. Das Zuschalten der
einzelnen Diagonalzweige des Leistungsverstärkers (12) wird durch ein Zweipunktglied (9)
mit den entsprechenden Ausgangswerten ± imax berücksichtigt.
Aus den Untersuchungen, die unter Verwendung der Erfindung durchgeführt wurden, lassen
sich folgende wesentlichen Schlußfolgerungen ziehen:
- - Durch Einsatz des Gleitbetriebes kann ein Systemverhalten erreicht werden, bei dem das Übertragungsverhalten des Stellgliedes zwischen der Ausgangsgröße des Lagereglers und der elektrischen Ladung als verzögerungsfrei betrachtet werden kann. Durch zweckmäßige Auswahl der Regelparameter kann sogar ein leichtes Vorhaltverhalten erzielt werden. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß eine hinreichend große Energiereserve zur Abarbeitung des Sollsignales vorhanden ist, um den Gleitbetrieb zu garantieren.
- - Durch die Kompensation der Trägheit der elektrischen Ladung und der Ausschaltung des Einflusses der Hysterese kann im Lageregler mit größeren Verstärkungen bzw. mit einem zusätzlichen I-Anteil zur Verbesserung des Folgeverhaltens gearbeitet werden.
- - Werden für den Entwurf des Lagereglers lineare Methoden angewendet und wird aus praktischen Gründen auf differenzierende Anteile verzichtet, sind die realisierbaren Schnittfrequenzen auf (ca. 0,5 . . . 0,7) ωres begrenzt.
- - Aufgrund der notwendigen hohen Frequenzen im Gleitbetrieb wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf den Einsatz analoger Technik für die piezoaktornahe Informationstechnik orientiert.
Claims (6)
1. Verfahren zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten wie z. B.
Piezoaktoren, insbesondere im kHz-Bereich, mittels einer technischen Stromquelle
und eines Transistorpulsstellers, der die kapazitive Last (2) ansteuert, dadurch
gekennzeichnet, daß die Momentanwerte von Strom und Ladung der kapazitiven
Last (2) bzw. vom Strom und seinem Integral erfaßt und mittels eines
Stabilisierungsalgorithmus (8) verzögert werden, die Ausgangsgröße des
Stabilisierungsalgorithmus (8) mit einem Referenzsignal der Ladung verglichen und
die Differenz einem Schaltalgorithmus (9) zugeführt wird, der einen
Transistorpulssteller (3) im Gleitbetrieb angesteuert, wobei die Dimensionierung des
Stabilisierungsalgorithmus (8) nach den Bedingungen zur Entstehung des
Gleitbetriebes erfolgt und die Stromquelle so dimensioniert ist, daß für das Auf- und
Entladen der kapazitiven Last (2) im Gleitbetrieb die geforderten Ströme zur
Verfügung stehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Stabilisierungsalgorithmus (8) Verzögerungsfunktionen, mit z. B. PT-1 Verhalten,
realisiert.
3. Schaltungsanordnung zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten wie
z. B. Piezoaktoren, insbesondere im kHz-Bereich, bestehend aus einer Induktivität
zum Konstanthalten des Stromes und einem Transistorpulssteller, der die kapazitive
Last ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. eine Stabilisierungseinrichtung (4) zum Verzögern ihrer Eingangsgrößen vorgesehen ist, wobei die Eingangsgrößen der Stabilisierungseinrichtung (4) Momentanwerte von Strom und Ladung der kapazitiven Last (2) bzw. nur vom Strom sind und die Parameter der Stabilisierungseinrichtung (4) die Bedingungen zur Entstehung des Gleitbetriebes erfüllen,
- 2. der Ausgang der Stabilisierungseinrichtung (4) auf einen Komparator (5) geschaltet ist, der die Ausgangsgröße der Stabilisierungseinrichtung (4) mit einem Referenzsignal der Ladung vergleicht,
- 3. der Ausgang des Komparators (5) auf einen Impulsverteiler (11) geschaltet ist, der den Transistorpulsstellers (3) im Gleitbetrieb ansteuert.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Induktivität (21) der Stromquelle so dimensioniert ist, daß für das Auf- und Entladen
der kapazitiven Last (2) im Gleitbetrieb die geforderten Ströme zur Verfügung
stehen.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stabilisierungseinrichtung (4) Baugruppen, wie z. B. PT-1 Glieder, zum Verzögern
ihrer Eingangsgrößen enthält.
6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 oder der Schaltungsanordnung
nach einem der Ansprüche 3 bis 5 zur hochdynamischen und hochpräzisen
Positionierung von Piezoaktoren und/oder zur aktiven Schwingungsdämpfung an
Maschinen und Geräten mit Piezoaktoren im Bereich einiger Kilohertz.
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