DE19810321C2 - 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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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 dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden DE 42 37 509 behandelt, die das Auf-
und Entladen einer kapazitiven Last, insbesondere eines piezoelektrischen Betätigungselements,
beschreibt. Hierzu werden mit einem Pulssteller Lade- und Entladeimpulse erzeugt. Durch die
verwendeten Speicherdrosseln ist der Charakter einer technischen Stromquelle gegeben. Der
Strom durch die Last und die Spannung an der Last werden gemessen. Statt der Spannung wird
alternativ das Stromintegral als Maß für die Ladung der kapazitiven Last ermittelt. Diese
ermittelte Ladung wird mit einem Soll-Wert verglichen und einem Regler mit Zweipunkt-
Charakteristik zugeführt. Der Stromquellenaspekt wird hierbei 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.
Es sind auch eine Reihe von Regelanordnungen für (kapazitive) Piezoaktoren bekannt, in denen
die als "sliding mode" (vgl. hierzu z. B. in Utkin, V. J.: Variable Structure Systems with Sliding
Modes, IEEE transactions on Automatic Control, Vol. AC-22, No. 2, April 1977, pp. 212-222)
bezeichnete Regelstrategie verwendet wird. Die Anwendung des sliding mode zur Speisung von
kapazitiven Lasten bzw. von Piezoaktoren ist beispielsweise Gegenstand der Veröffentlichungen
S. B. Choi, Y. K. Park and C. C. Cheong: Active Vibration Control of Hybrid Smart Structures
Featuring Piezoelectric Films and Electro-Rheological Fluids, SPIE, Vol. 2717, pp. 544-552;
Seung-Bok Choi, Chul-Hee Lee: Force Tracking Control of a Flexible Gripper Driven by
Piezoceramic Actuators, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, September
1997, Vol. 119, pp. 434-446 und J. L. von Niekerk, B. H. Tongue: Active Control of a Circular
Membrane to Reduce Transient Noise Transmission, Transactions of the ASME, Vol. 117, July
1995, pp. 252-258. Der sliding mode wird hier jedoch im geschlossenen Lageregelkreis realisiert
und basiert auf Einsatz eines spannungsgesteuerten Piezoaktors. Insofern arbeiten alle diese
Regelanordnungen mit Spannungsquellen, wodurch sie sich wesentlich von unserer nachfolgend
beschriebenen Erfindung unterscheiden, bei der der stromgesteuerte Piezoaktor betrachtet wird
und eine Ladungsregelung im sliding mode erfolgt.
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 Stabilisierungsschaltung,
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 Stabilisierungsschaltung (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
Stabilisierungsschaltung (4) werden Strom und Ladung gemessen. Steht nur der Strom (7) als
Meßsignal zur Verfügung, wird dieser in der Stabilisierungsschaltung (4) integriert, damit auch
das Signal der Ladung vorliegt. Beide Signale werden in der Stabilisierungsschaltung (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 Stabilisierungsschaltung (4) oder im -algorithmus (8) werden die gemessenen Signale des
Stromes und der Ladung verarbeitet. Steht nur das Meßsignal des Stromes (7) zur Verfügung
wird dieses integriert (13), um so die Ladung zu erhalten. Diese Signale werden dann jeweils mit
einem PT-1 Glied oder mit PT-1 Verhalten (14, 15) verzögert. Die Parameter der PT-
1 Glieder/PT-1 Funktionen müssen so dimensioniert sein, daß sie die Bedingungen zur
Entstehung des Gleitbetriebes erfüllen. Dabei muß berücksichtigt werden, daß das
Übertragungsverhalten des Zweipunktgliedes (9) im Gleitbetrieb gegen unendlich geht. Bei der
Wahl des Verhältnisses der Verstärkungsfaktoren der beiden PT-1 Glieder/PT-1 Funktionen
gleich ihrer Zeitkonstante kann erreicht werden, daß der zeitliche Verlauf der Ladung
entsprechend einem Referenzsignal (6) optimal ist. Durch Variieren dieses Verhältnisses können
andere gewünschte, zeitliche Verläufe der Ladung realisiert werden. Die mit der
Stabilisierungsschaltung/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
Stabilisierungsschaltung/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 (5)
1. Verfahren zur Strom- und Ladungsregelung von kapazitiven Lasten wie z. B. Piezoaktoren,
insbesondere im kHz-Bereich, mittels einer technischen Stromquelle und eines Pulsstellers,
der die kapazitive Last ansteuert, wobei die Momentanwerte von Strom und Ladung der
kapazitiven Last bzw. vom Strom und seinem Integral erfaßt und mit einem Referenzsignal
der Ladung verglichen werden und die Differenz einem Steueralgorithmus mit
Zweipunktverhalten für den Pulssteller zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Momentanwerte von Strom und Ladung der kapazitiven Last bzw. vom Strom und seinem Integral mittels eines Stabilisierungsalgorithmus verzögert und aufsummiert werden,
- - der Steueralgorithmus und der Stabilisierungsalgorithmus für das Arbeiten im Gleitbetrieb (sliding mode) ausgelegt sind und
- - die Stromquelle so dimensioniert ist, daß für das Auf- und Entladen der kapazitiven Last die im Gleitbetrieb (sliding mode) erforderlichen definierten, über die Pulsdauer konstanten Ströme zur Verfügung stehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungsalgorithmus
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, mittels einer technischen Stromquelle und
eines Pulsstellers, der die kapazitive Last ansteuert, wobei die Momentanwerte von Strom
und Ladung der kapazitiven Last bzw. vom Strom und seinem Integral erfaßt und mit einem
Referenzsignal der Ladung verglichen werden und die Differenz einer Steuerschaltung mit
Zweipunktverhalten für den Pulssteller zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. die Momentanwerte von Strom und Ladung der kapazitiven Last bzw. vom Strom und seinem Integral mittels einer Stabilisierungsschaltung verzögert und aufsummiert werden,
- 2. die Steuerschaltung und die Stabilisierungsschaltung nach Steueralgorithmen für den Gleitbetrieb (sliding mode) arbeiten und
- 3. die Stromquelle so dimensioniert ist, daß für das Auf- und Entladen der kapazitiven Last die im Gleitbetrieb (sliding mode) erforderlichen definierten, über die Pulsdauer konstanten Ströme zur Verfügung stehen.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stabilisierungsschaltung Baugruppen, wie z. B. PT-1 Glieder, zum Verzögern ihrer
Eingangsgrößen enthält.
5. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 oder der Schaltungsanordnung nach
Anspruch 3 oder 4 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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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19810321A1 (de) | 1999-09-16 |
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