DE3522994A1 - Steuerschaltung fuer ein piezostellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Steuerschaltung ist bekannt aus dem Aufsatz von F. Schmeißer "Piezoelektrische Aktuatoren: Kräftig und schnell" in ELEKTRONIK Heft 8/1984, Seiten 92 ff (dort insbesondere linke Spalte von Seite 93), wo die gesteuerte Ladung bzw. Entladung durch eingeprägte Ströme zu hysteresefreier Verformung eines solchen Piezostellgliedes erwähnt ist. Auf dem Gebiet der physikalischen Optik ist die Anwendung von Piezostellgliedern für kleine, mit fest vorgegebener Steigung zeitlich linear ablaufende Verschiebebewegungen von Interferometer- Spiegeln bekannt, wofür Konstantstromquellen über definierte Zeit­ spannen aufgeschaltet werden, um die Kapazität des Piezostellgliedes umzuladen, also mit konstanter Geschwindigkeit in bestimmte End­ stellungen einzufahren.

Nachteilig bei den vorbekannten Steuerschaltungen gattungsgemäßer Art sind insbesondere die dynamischen Einschränkungen bei der Ver­ stell-Ansteuerung. Der aktuelle Trend zu Impulsbetrieb-Steuerschaltungen eröffnet zwar größere schaltungstechnische Freizügigkeit; aber gerade bei Leistungsverstärkern, und für große Stellhübe, werden ganz erhebliche Zusatzaufwendungen zum Ausfiltern der aus dem diskontinuierlichen Betrieb resultierenden höherfrequenten Signalkomponenten erforderlich, die andernfalls wegen Kurzschlusses über die große Kapazität des Stellgliedes den Wirkungsgrad der Schaltung entscheidend beeinträchtigen würden. Ferner liegen insbesondere in Einsatzbereichen von Hochleistungs- Aktuatoren keine linearen Verhältnisse vor, da die Lasteingriffe für die Stellglieder nachgiebiges oder elastisches Verhalten zeigen, eine lineare Stellglied-Antwort also durch Vorgabe linearer Eingangs­ funktionen allein durchaus noch nicht gewährleistet ist.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung gattungsgemäßer Art derart auszulegen, daß sie bei gutem Wirkungsgrad und großer Dynamik die Vorgabe eines beliebigen Zeitverhaltens der Stellspannung für gleiches Zeitverhalten der Stellglied-Auslenkung erlaubt, also über einen extrem breiten Steuerfrequenzbereich linear arbeitet und hoch belastbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Steuerschaltung gattungsgemäßer Art im wesentlichen dadurch gelöst, daß sie gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung mit spannungsgesteuerten Stromquellen ergibt sich ein einfacher, aus wenigen standardisierten Schaltungsteilen kombinierbarer Aufbau; mit Kaskadierungsmöglichkeit im Falle des Bedarfes besonders hoher Steuerleistungen. Die Schaltung arbeitet analog, mit guter Linearität und ohne besonderes Erfordernis auf­ wendiger Filterschaltungen, über einen breiten Frequenzbereich der Eingangs-Stellspannung bis hinab zur Gleichspannung. Die Linearität läßt sich durch eine Rückführung der Verstärkerausgangsspannung am Piezostellglied über einen Gegenkopplungszweig noch verbessern. Etwaige Entkopplungserfordernisse zwischen der Hochspannungsseite und der eingangsseitigen Niederspannungsseite der Steuerschaltung entfallen, und noch besser lineares Gesamt-Verhalten ergibt sich, wenn für die Speisung des Gegenkopplungszweiges ein Auslenk-Sensor eingesetzt wird; als der sich insbesondere ein berührungslos ar­ beitender optronischer Glasfaser-Reflex-Wegmesser eignet, der un­ mittelbar die vom Stellglied hervorgerufene Auslenkung - also unge­ achtet etwaiger nicht-linearer Erscheinungen infolge z. B. der An­ kopplung des Stellgliedes - mißt.

Damit eignet sich die Ansteuerschaltung insbesondere für Hochleistungs- Piezostellglieder zur lokalen Verformung einer als Laser-Spiegel dienenden Platte für die Kompensation atmosphärischer Störungen der Strahlengeometrie, wie in der älteren eigenen Anmeldung P 34 22 232.4 vom 15.06.1984 näher beschrieben.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevor­ zugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Steuerschaltung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Blockschaltschaltbild die Steuer­ schaltung mit angeschlossenem Piezostellglied unter Berücksichtigung zweier unterschiedlicher Möglichkeiten der Gewinnung eines Gegen­ kopplungssignales.

Die dargestellte Steuerschaltung 10 dient der elektrischen Ansteuerung eines Piezostellgliedes 11; vorzugsweise eines Linear-Aktuators zur elektrisch steuerbaren Deformation des von ihm mechanisch beauf­ schlagten Bereiches 12 einer als Laser-Spiegel dienenden Metall­ platte 13, für die in der eigenen älteren Anmeldung P 35 02 025.3 vom 23.01.1985 bevorzugte Realisierungsbeispiele näher beschrieben sind (worauf hier zur Vermeidung von Wiederholungen voll-inhaltlich Bezug genommen wird).

Die Steuerschaltung 10 besteht aus zwei gleich aufgebauten Kanälen 10.1 zum gesteuerten Einspeisen von Strom (elektrischer Ladungsmenge) in das eine Kapazität darstellende Piezostellglied 11 und 10. 2 zum gesteuerten Abziehen von Strom, also gesteuerten Entladen der Kapazität des Piezostellgliedes 11; mit der Folge einer Dehnung bzw. Kontraktion des Stellgliedes 11 (hier in Richtung seiner Längsachse 14) für mehr oder weniger starke Deformation des Platten-Bereiches 12.

Die beiden Verstärker-Kanäle 10.1 und 10.2 sind beim Verstärker-Ein­ gang 15 parallel, aber mit ihren Ausgangsstufen 16 zwischen einer Hochspannungs-Gleichstromquelle 17 und Gerätemasse 18 in Serie ge­ schaltet.

Jede Ausgangsstufe 16 erfährt eine Stromansteuerung aus einer Steuer­ stufe 19, so daß sich insgesamt für jeden Kanal 10.1 und 10.2 eine Schaltungskonfiguration entsprechend einer Darlington-Schaltung ergibt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in der Zeichnung bipolare Transistoren für jede der Stufen 16, 19 angegeben; stattdessen können aber z. B. auch Leistungs-Feldeffekttransistoren (in der Zeichnung nicht berücksichtigt) Einsatz finden.

Jede Steuerstufe 19 ist über ein Widerstandsnetzwerk 20 in als solcher bekannter Weise auf einen derartigen Arbeitspunkt eingestellt, daß bei Ausbleiben eines Ansteuerungssignales von einem Verstärker 21 die jeweilige Ausgangsstufe 16 nicht aufgesteuert wird, also im nicht-angesteuerten Zustand kein Ruhestrom über die Ausgangsstufen 16.1 oder 16.2 fließt. Das bedeutet einen überaus günstigen Wirkungs­ grad, da der gesamte über allein die Stufe 16.1 der Hochspannungs­ quelle 17 entnommene Strom der Ladung der Kapazität des Stellgliedes 11, also der Stellgliedverformung dient; mit definierter Rückgängig­ machung der Verformung durch gesteuerte Entladung über die Ansteuerung der Ausgangsstufe 16.2.

Da die Kapazität des Piezostellgliedes 11 einer der Ausgangsstufen 16 - vorzugsweise der Ausgangsstufe 16.2, nämlich zur Anschlußmöglich­ keit an das definierte Potential der Gerätemasse 18 - parallelge­ schaltet ist, während die Ausgangsstufen 16.1-16.2 selbst in Serie liegen, dürfen diese (zur Vermeidung eines Kurzschlusses von der Hochspannungsquelle 17 zur Gerätemasse 18 hin) nicht gleichzeitig angesteuert werden. Diese ausgangsseitige Serienschaltung bedingt ein mit dem Potential am Verstärker-Ausgang 22 schwankendes Potential der internen Masse 23, und der Betriebsspannungsquelle 24.1 des potentialmäßig hochliegenden Kanales 10.1. Da beide Kanäle 10.1, 10.2 von derselben Signalspannung 45 am Eingang 15 angesteuert werden, ist in einem Kanal (hier: 10.2) ein Inverter 46 vorgesehen. Durch entsprechend verschobene Einstellungen von Offset-Beschaltungen 25, z. B. bei den Vorverstärkern 21, ist sichergestellt, daß auch dann keiner der Kanäle 10.1/10.2 aufsteuert, wenn die Eingangs-Signal­ spannung den Wert Null aufweist. Dadurch kann mit Sicherheit auch kein überlappender Betrieb also keine Kurzschlußbelastung der Hoch­ spannungsquelle 17 auftreten.

Beim gerätetechnischen Aufbau der Steuerschaltung 10 wird aus Gründen der Funktionssicherheit zweckmäßigerweise zwischen einer an die Hochspannungsquelle 17 angeschlossenen, also ausgangsseitigen Hoch­ spannungsseite 10.3 und einer eingangsseitigen Niederspannungsseite 10.4 unterschieden, zwischen denen jegliche galvanische Kopplung möglichst vermieden ist. An der galvanischen Trennstelle werden zweckmäßigerweise Optokoppler 27 für die Übertragung des Steuersignales 26 eingesetzt. Der schon erwähnte Verstärker 21 (für die Ansteuerung der Steuerstufe 19) dient dabei insbesondere auch als Ausgangsver­ stärker des dem jeweiligen Kanal 10.1, 10.2 zugeordneten Optokopplers 27; mit einer Rückführung 29 zum Optokoppler 27 für Linearisierung seines Signalübertragungsverhaltens.

Eine an den Schaltungseingängen 30 angelegte Stellspannung 31 wirkt über den Verstärkereingang 15 im einen Verstärkerkanal 10.1 direkt und im anderen 10.2 über den Inverter 46 auf einen Eingangsverstärker 32, der das Steuersignal 26 zur Ansteuerung eines Optokopplers 27 liefert.

Je nach der Polarität der Signalspannung 45 am Verstärkereingang 15 erfolgt also nur die Aufsteuerung des einen oder des anderen Kanals 10.1 bzw. 10.2; und damit die Durchsteuerung entweder der einen oder der anderen Ausgangsstufe 16.1 bzw. 16.2 zum elektrischen Laden oder Entladen der Kapazität des Piezostellgliedes 11. Dieses erfährt somit über die analog arbeitende Steuerschaltung 10 nach Maßgabe der unipolaren Stellspannung 31 eine Verformung.

Insoweit die Stellspannung 31 über die Steuerschaltung 10 einem in das Piezostellglied 11 eingeprägten Lade- oder Entlade-Strom 33 proportional ist, ist die stets angestrebte lineare Abhängigkeit der Deformation des Stellgliedes 11 vom Verlauf der Stellspannung 31 gegeben. Andererseits können jedoch bei der praktischen Auslegung, insbesondere des Zusammenwirkens der Steuerstufe 19 mit der Ausgangs­ stufe 16 im jeweiligen Kanal 10.1/10.2, nicht-lineare Verzerrungen auftreten, die die gewünschte Linearität beeinträchtigen. Dem läßt sich dadurch entgegenwirken, daß das Übertragungsverhalten durch ein für beide (abwechselnd aufsteuernde) Kanäle 10.1/10.2 gemeinsames Gegenkopplungssignal 34 linearisiert wird. Es wird der Stellspannung 31 entgegen auf einen als Regler dienenden Differenzverstärker 35 geführt, der für das Gegenkopplungssignal 34 mit einer Beschaltung 36 für Proportional-Verhalten versehen ist. Als Regelabweichung liegt dann am Verstärkereingang 15 die Signalspannung 45 an. Wenn also bei einer gegebenen Auslenkung z. B. die Stellspannung 31 ver­ ringert wird, da die Auslenkung des Stellgliedes 11 zurückgenommen werden soll, kehrt sich die Polarität der Signalspannung 45 zunächst um, und über den Inverter 46 wird nur der Entlade-Kanal 10.2 aufge­ steuert. Die Entlade-Kontraktion am Stellglied 11 ist beendet, wenn die Spannung 45, also die Regelabweichung, wieder zu Null geworden ist.

Als Lieferant des Gegenkopplungssignales 34 kann unmittelbar die Spannung am Schaltungs-Ausgang 22, und damit an der Kapazität des Piezostellgliedes 11, dienen, da diese der aufgenommenen elektrischen Ladungsmenge und damit der momentanen Auslenkung direkt proportional ist. Zweckmäßigerweise ist dann der Gegenkopplungszweig 37 ebenfalls über einen Oktokoppler galvanisch zwischen der Hochspannungsseite 10.3 und Niederspannungsseite 10.4 getrennt (in der Zeichnung nicht berücksichtigt).

Einen rein niederspannungsseitigen Gegenkopplungszweig 37 erhält man, wenn die tatsächliche Deformation des Bereiches 12 mittels eines gesonderten Sensors 38 gemessen wird, dessen Sensorsignal 39 die Spannung des Gegenkopplungssignales 34 liefert. Diese Lösung weist darüberhinaus den Vorteil auf, daß Nichtlinearitäten des Ver­ haltens des Piezostellgliedes 11, in seiner Ankopplung an die Platte 13 und aufgrund der Federwirkung der Platte 13, im Gegenkopplungs­ signal 34 und damit in der Signalspannung 45 berücksichtigt, also mit linearisiert werden, weil nun die tatsächlich erfolgende De­ formation des Bereiches 12 in Abhängigkeit von der momentanen Stell­ spannung 31 eingeht. Dadurch ist eine streng proportionale Abhängig­ keit zwischen der beliebig vorgebbaren und variierbaren Stellspannung 31 und der mechanischen Auslenkung des Platten-Bereiches 12 gewähr­ leistet; und das sogar über einen sehr breiten Frequenzbereich wegen analoger Arbeitsweise der Steuerschaltung 10, bei großer Dynamik mit günstigstem Wirkungsgrad wegen direkter Verwendung der Ströme der Ausgangsstufen 16.1 bzw. 16.2 als die praktisch rein kapazitiven Lade- bzw. Entlade-Ströme 33.1 bzw. 33.2 für das Stellglied 11.

Der Sensor 38 ist vorzugsweise als kontaktloser Wegmesser zur Be­ stimmung des momentanen Abstandes des Platten-Bereiches 12 von einem Referenz-Konstruktionsteil 40 ausgelegt. Hierfür eignet sich insbe­ sondere ein optronischer Glasfasersensor 41, wie er etwa als Typ MTI 1000 der Firma Mechanical Technology Inc (USA) handelsüblich ist. Dessen Glasfaser-Aufnehmer kann koaxial im Innern eines hohl­ zylindrischen Piezostellgliedes 11 (vgl. die Schnittskizze in der Zeichnung) direkt hinter dem zu verformenden Platten-Bereich 12 angeordnet und an eine abseits untergebrachte Auswerteschaltung 42, zur Lieferung einer Auslenkinformation als dem Signal 39 bzw. 34, angeschlossen sein. Damit wird die tatsächliche Auslenkung unmittel­ bar, im Bereiche 12 der mechanischen Krafteinkopplung, für das Gegen­ kopplungssignal 34 zugrundegelegt, so daß Signalverfälschungen durch nicht-lineares Verhalten beispielsweise eines Koppelmediums 43 zwischen Stellglied 11 und Platte 13 ausgeschlossen sind.

Vorzugsweise ist, wie in der Zeichnung berücksichtigt, für die Stell­ spannung 31 eine Tiefpass-Dämpfungsbeschaltung 44 vorgesehen, die als Schutzbeschaltung gegen hochfrequente Störeinflüsse (wie etwa Regelschwingungen) dient, für die die rein kapazitive Belastung des Schaltungs-Ausganges 22 sonst einen Kurzzschluß darstellen könnte.

Claims (9)

1. Steuerschaltung (10) für ein Piezostellglied (11), das zur Form­ änderung einen elektrischen Lade- oder Entlade-Strom (33) einge­ prägt erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei eingangsseitig parallelgeschaltete Verstärker-Kanäle (10.1, 10.2) vorgesehen sind, deren Ausgangsstufen (16.1, 16.2) als spannungsgesteuerte Stomquellen ausgelegt sind, die in Serie mit einer Hochspannungsquelle (17) liegen, wobei das Piezostell­ glied (11) einer der beiden Ausgangsstufen (16) parallelgeschaltet ist, von denen immer wenigstens eine nicht-aufgesteuert ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem gemeinsamen Verstärker-Eingang ( 15) beider Kanäle (10.1, 10.2) als Regler ein Differenzverstärker (35) für einerseits eine Stellspannung (31) und andererseits ein Gegenkopplungs­ signal (34) vorgeschaltet ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenkopplungssignal (34) die am Piezostellglied (11) momentan anliegende Ausgangsspannung des Verstärker-Ausganges (22 ) ist.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenkopplungssignal (34) dem von einem Auslenk-Sensor (38) unmittelbar beim Piezostellglied (11) ermittelte Auslenk-Meß­ wert proportional ist.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (38) ein berührungslos arbeitender Glasfaser-Reflex- Wegmesser ist.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (38) im Innern eines hohlzylindrischen Piezostell­ gliedes (11) gehaltert ist.

7. Steuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kanal (10.2) ein Inverter (46) vorgesehen ist.

8. Steuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie für jeden Kanal (10.1, 10.2) aus einer Hochspannungs­ seite (10.3) und einer Niederspannungsseite (10.4) getrennt voneinander aufgebaut ist, die über Optokoppler (27) zusammen­ wirken, welche über eine Rückführung (29) von einem nachgeschalteten Verstärker (21) linearisiert arbeiten.

9. Steuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem gemeinsamen Verstärker-Eingang (15) eine Tiefpass-Dämpfungs­ schaltung (44) vorgeschaltet ist.