DE3809284A1 - Steuerschaltung fuer ein piezo-stellglied - Google Patents

Description

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

Eine derartige Steuerschaltung ist aus der GB-OS 21 78 619 bekannt. Zur Linearisierung der durch elektrische Ansteuerung hervorgerufenen Stellglied-Längenänderung ist dort ein Regelkreis ausgebildet, dessen Regler mit der Stellinformation und mit einer rückgeführten Ist- Information über die momentane Stellglied-Auslenkung beaufschlagt wird. Die Ist-Information wird aus der elektrischen Stellgröße für das Stellglied abgeleitet oder mittels eines berührungslosen Wegsensors tatsächlich gemessen. Aus Stabilitätsgründen ist eine solche Steuer­ schaltung mit Stellhub-Rückführung aber insbesondere dann recht funktionskritisch, wenn mittels sehr kleiner Stellglieder hochfre­ quente, periodische Stellbewegungen ausgeführt werden sollen. Auch ist der mechanische Aufwand für die Wegmessung insbesondere dann sehr groß, wenn das Stellglied eine Spiegelflächenzone verformen soll und der Hub einer bestimmten Spiegelflächenzone hinter der Spiegelfläche, also im Zentrum des Angriffsbereiches des Stellgliedes gemessen werden muß. Von der elektrischen Stellgröße für das Stell­ glied ist in der Betriebspraxis keine stabile Auslenkinformation ableitbar, weil die Proportionalitätskonstante zwischen elektrischer Ansteuerung und mechanischer Auslenkung des Stellgliedes temperatur­ abhängig, also betriebszeitabhängig ist. Außerdem ist es möglich, daß sich die geforderte Auslenkung während des Betriebs ändert, so daß nicht von einem sich stabil einstellenden thermischen Arbeits­ punkt ausgegangen werden kann.

Das ist besonders kritisch beim Einsatz einer solchen Steuerschaltung für sogenannte MDA- oder Laser-Modulationsspiegel mit vielen Piezo- Stellgliedern, die relativ hochfrequent mit verschiedenen Frequenzen angesteuert werden (vgl. GB-OS 21 62 713) und sich aufgrund ihres elektrischen Verlustfaktors besonders leicht erwärmen, wobei die Spiegelplatte jedoch plan bleiben muß.

Zusätzlich tritt noch Instabilität in Form einer Temperaturabhängig­ keit des Verlustfaktors auf; d.h. mit steigender Temperatur steigt auch der Verlustfaktor.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung gattungsgemäßer Art derart auszubilden, daß sich ein stabiler, reproduzierbarer Langzeitbetrieb realisieren läßt.

Diese Aufgabe wird erfindunggemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung gattungsgemäßer Art gemäß dem Kennzeichnungs­ teil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung wird das Betriebsverhalten der Steuerschaltung in Abhängigkeit von der momentanen Arbeitstemperatur des Stellgliedes derart verändert, daß mit Temperaturanstieg die Stellglied-Ansteuerung zurückgenommen, also die temperaturabhängige größere Ausdehnung elektrisch kompensiert wird. Dabei ist eine Verringerung der Modulations­ amplitude (durch Reduzierung der wirksamen Verstärkung der Steuer­ schaltung) möglich, um den erwärmungsabhängig vergrößerten Modulations­ hub durch reduzierte elektrische Modulationsansteuerung auf die ursprüngliche Modulationsamplitude des Stellgliedes zurückzuführen. Stattdessen oder zusätzlich ist eine temperaturabhängige Verringerung des Ausgangsgleichspannungsoffsets der Steuerschaltung und damit des der Modulationsinformation unterlegten Gleichspannungspegels möglich, um der temperaturabhängigen statischen Stellglied-Ausdehnung entgegenzuwirken.

Die erfindungsgemäße Lösung bedarf also keines stabilitätskritischen Regelkreises mit rückgeführter Stellgröße; stattdessen werden einfach bestimmte Betriebsparameter der Steuerschaltung in Abhängigkeit von der tatsächlichen momentanen Betriebstemperatur des Stellgliedes so beeinflußt, daß die elektrische Stellgröße in dem Maße zurück­ genommen wird, wie die ansteigende Betriebstemperatur bereits zu vergrößerter Länge und vergrößertem Hub des Stellgliedes führt und umgekehrt. Diese Steuerungsmaßnahme bedarf keiner besonderen, auf diesen Anwendungsfall abgestimmten Steuerschaltung, die nun aufgrund der vorhandenen thermischen Stabilisierung so ausgelegt sein kann, daß es möglich ist, mehrere Modulationsverstärker direkt parallel zu betreiben, wenn gemäß der Stellglied-Auslegung eine größere Modulationsleistung erforderlich ist, aus Kostengründen aber nur standardisierte Modulationsverstärker jeweils geringerer Ausgangs­ leistung bereitgestellt werden sollen. Eine solche direkte Parallel­ schaltung wäre aufgrund von Stabilitätsproblemen aber bei Istwert- Rückführungen an die Eingänge geregelter Steuerschaltungen nicht uneingeschränkt möglich.

Die aktuelle Betriebstemperatur des jeweiligen Stellgliedes läßt sich mittels einer Meßeinrichtung auf Basis eines miniaturisierten Thermoelementes gewinnen, das unmittelbar auf dem Stellglied angebracht wird. Aufgrund der kleinen Thermoelementen-Masse ist das auch bei den geringen Stellglied-Baugrößen realisierbar, wie sie für breit­ bandige Hochfrequenz-Kennung einer größeren Anzahl gegeneinander versetzter Stellglieder zum Einsatz kommen. Anstelle der unmittel­ baren Kontakt-Temperaturmessung kann aber auch am jeweiligen Stell­ glied eine berührungslose Temperaturmessung mittels eines Glasfaser- Temperatursensors realisiert werden, wie er etwa als ASEA-Abtastsystem 1110 mit Thermosensor FTPl am Markt ist.

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 Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Reali­ sierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt nach Art eines Blockschalt­ bildes eine temperaturabhängige Beeinflussung von Verstärker-Betriebs­ paramtern zur reduzierten Längen-Aussteuerung bei betriebsbedingter Erwärmung des Piezo-Stellgliedes.

Eine Spiegelplatte 11 für die Reflexion von Strahlen 12, insbesondere von Hochenergie-Laserstrahlen 12, ist rückwärtig mit einer Anzahl von Stellgliedern 13 ausgestattet, die aus Hochfrequenzquellen 14 zu Längenschwingungen angeregt werden, um die jeweils örtlich zuge­ ordnete Spiegelflächen-Zone 11.1 quer zu ihrer Oberfläche in Vibration zu versetzen. Daraus resultiert, daß der einfallende Strahl 12.2 bei seiner Reflexion in dieser Zone 11.1 zum Abgangsstrahl 12.3 eine Phasenmodulation gemäß der Schwingungsfrequenz und der Schwingungs­ amplitude erfährt, mit der das zugeordnete Stellglied 13 angesteuert wird. Die den einzelnen gegeneinander versetzten Spiegel-Zonen 11.1 zugeordneten Stellglieder 13 werden aus Quellen 14 mit unterschied­ lichen Frequenzen angesteuert, um die einzelnen Abgangs-Teilstrahlen 12.3 (vor und insbesondere nach Reflexion an einem Zielobjekt) für eine Strahlquerschnitts-Atmosphärenkorrektur mittels eines sogenannten MDA-Spiegels (vgl. oben) voneinander unterscheiden zu können.

Für eine große Genauigkeit und eine feine Auflösung der Spiegel­ platten-Zonen 11.1 gegeneinander ist anzustreben, daß die mechanische Spiegelzonen-Modulation möglichst hochfrequent erfolgt. Eine hoch­ frequente Ansteuerung der Stellglieder 13, insbesondere, wenn es sich gemäß der bevorzugten Realisierung um Piezo-Aktuatoren handelt, führt aber aufgrund molekolarer und elektrischer innerer Verluste zu einer spürbaren Betriebserwärmung der Stellglieder 13. Da die statische Länge des (nicht angesteuerten) Piezo-Stellgliedes 13 und außerdem dessen Auslenk-Proportionalitätsfaktor (also die aus einer definierten Spitzenspannungsänderung resultierende Längen­ änderung) temperaturabhängig sind, resultiert aus einem Anstieg der Betriebswärme der Stellglieder 13 eine nichtlineare elektro­ mechanische Empfindlichkeit der Stellglieder 13, also bei gleicher elektrischer Ansteuerung ein Anstieg des Stellglied-Hubes.

Das aber ist unerwünscht, weil damit die Kennungs-Modulation der einzelnen im Strahlquerschnitt gegeneinander versetzten Abgangs-Teil­ strahlen 12.3 einen betriebszeitabhängigen nichtlinearen Einfluß erfährt, der die Stabilität des Korrektur-Regelkreises zur Elimination von Übertragungs-Störeinflüssen auf die einzelnen Teilstrahlen 12.3 beeinträchtigt.

Um das zu vermeiden, ist jedem Stellglied 13 eine Temperaturmeßein­ richtung 15 zugeordnet. Über eine aktive Anpaßschaltung 16 wird damit eine temperaturabhängige Steuerinformation 17 gewonnen, die eine Steuerschaltung 18 für die Lieferung der Modulationsenergie 19 aus der Hochfrequenzquelle 14 beeinflußt.

Diese Beeinflussung mittels der temperaturabhängigen Steuerinformation 17 besteht, wie im Blockschaltbild angedeutet, bevorzugt in gleich­ zeitiger Rücknahme der wirksamen Verstärkungsfaktors V und der Ansprech- Schwellspannung 0 (DC-Offset) mit ansteigender Arbeitstemperatur des zugeordneten Stellgliedes 13. Dadurch wird die Amplitude der Modulationsspannung 19 (also der Modulationshub im Bereiche der Spiegel- Zone 11.1) zum Ausgleich der gestiegenen Proportionalitäts­ konstante reduziert; während gleichzeitig die temperaturabhängige statische Längenänderung des Stellgliedes 13 zurückgenommen wird, indem der der Modulationsenergie 19 unterlagerte Gleichspannungs­ anteil reduziert wird.

So ist durch einfachen Steuerungseingriff mittels einer rückgeführten Betriebstemperatur-Information 17 eine lange Betriebszeit mit konstanten elektromechanischen Betriebsbedingungen des jeweiligen Stellgliedes 13 erreichbar, indem die betriebszeitabhängige und modulationsfrequenz­ abhängige Stellglied-Erwärmung begrenzt wird.

Damit wird erreicht, daß die Spiegelplatte unabhängig von der Tempe­ ratur im zeitlichen Mittel plan bleibt.

Claims (5)

1. Steuerschaltung (18) für ein elektrisch ansteuerbares Stellglied (13), insbesondere für die bereichsweise mechanische Modulation einer verformbaren Spiegelplatte (11) mittels Piezo-Stellgliedern (13), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer ihrer Betriebsparameter (Verstärkungsfaktor V; Schwellenspannung 0) abhängig von der momentanen Betriebstemperatur des Stellgliedes (13) in dem Sinne verändert wird, daß die elektrisch hervorgerufene Stellgliedbeeinflussung, die in gleichem Sinne wie die temperaturabhängige Stellgliedbeeinflussung wirkt, reduziert wird.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Verstärkungsfaktor (V) mit steigender Temperatur reduziert wird.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihr der Modulation unterlegter Gleichspannungspegel (0) mit steigender Temperatur reduziert wird.

4. Steuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Kontakt-Temperaturmeßeinrichtung (15) eine temperaturabhängige Steuerungsinformation (17) gewonnen wird.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer berührungslosen Temperaturmeßeinrichtung (15) eine temperaturabhängige Steuerinformation (17) in dichter Umgebung des Stellgliedes (13) gewonnen wird.