WO2008141908A2 - Schaltung zum regeln zumindest eines festkörperaktors einer festkörperaktor-antriebsvorrichtung - Google Patents

Schaltung zum regeln zumindest eines festkörperaktors einer festkörperaktor-antriebsvorrichtung Download PDF

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WO2008141908A2
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control
solid state
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Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Juan Manuel Roldan Gomez
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors

Definitions

  • the invention relates to a circuit for controlling at least one Festkorperaktors a Festkorperaktor- drive device with the Oberbegriffliehen features according to claim 1.
  • a piezoelectric drive which is also referred to as a piezo ring motor.
  • This forms a form of a solid state actuator drive device and consists of a housing which accommodates further components.
  • a shaft is supported by means of a bearing arrangement, wherein a shaft axis of the shaft extends in the axial direction out of the housing.
  • a drive device is used for displacing the shaft about the shaft axis into a shaft rotation.
  • the drive device consists essentially of preferably two or more solid-state actuators and a drive body, which is mechanically rigidly connected to an inner wall of the housing via the solid-state actuators.
  • the solid state actuators are arranged to translate the drive body relative to the housing into translational motion in a plane perpendicular to the axial direction.
  • the drive body has an opening as fürgangso réelle. Through the opening, the shaft passes through, wherein the outer diameter of the shaft is slightly smaller than the inner diameter of the opening.
  • the drive body is adjusted by the Festkorperaktoren so that a shaft outer wall with a Antriebskorper- inner wall is in frictional and form-fitting, that is offset by the movement of the drive body, the shaft in the shaft rotation.
  • the control of the first and the second of Festkorperaktoren are arranged in their direction of action perpendicular to each other in the plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft.
  • To drive the solid state actuators is a control device which controls the individual solid-state actuators with voltages or charges via conductors. Corresponding to the voltages or charges, the solid-state actuators expand accordingly or possibly contract. solid-state actuator
  • Such a piezo ring motor is characterized among other things by a high torque, a high positioning accuracy, a flat design and inherent sensor properties.
  • the combination of these positive properties is unique among actuators. So far, however, it has only been insufficiently possible to fully utilize the positioning accuracy from the combination of the piezoelectric solid state actuators and the kinematics.
  • An analogue power output stage for the control of the solid-state actuators offers an excellent signal quality, however, it is only able to operate stable under voltage control.
  • Voltage-controlled solid-state actuators exhibited a strong non-linearity between drive signal and deflection, hysteresis and hunting.
  • a pure charge control is unstable due to the integral behavior with respect to the solid-state actuator current.
  • a constant leakage current or charge generated by temperature change can shift the solid-state actuator into an inadmissible operating voltage range.
  • the object of the invention is to provide a circuit for controlling at least one Festkorperaktors a Festkorperak- tor drive device, which reduces the problem of unstable charge control in an analog or hybrid driver stage for particular piezoelectric Festkorperaktoren or lost.
  • a circuit for controlling at least one solid state factor of a solid state actuator driving device in a Regelschlei- Fe the at least one Festkorperaktor, a Verstarkeran- order for applying a drive signal to the at least one Festkorperaktor, a capacitive voltage divider, the Series connected at least one Festkorperaktor and a capacitive component, and a resitive voltage divider, which has in series at least a first and a second resistors, wherein a common node between both the at least one solid state factor and the capacitive component and between see the first and the second of the resistors is connected and electrically connecting them and wherein the common circuit point provides a feedback signal as a controlled variable for the amplifier arrangement.
  • the solid-state actuator is preferably constructed by the circuit of the first and the second resistor and the capacitive component of a feedback circuit, which causes a low-pass behavior for a reaction of a Festoresaktor- voltage and a high-pass behavior for a feedback of the solid-state actuator charge. That the DC component of the piezo control signal is voltage feedback and the AC component of the piezo control signal is charge coupled back.
  • the solid-state actuator, the first resistor, the second resistor and the capacitive component are connected as a combined charge and voltage feedback control such that a voltage feedback for the control of a DC component of the drive signal for the Fest stressesak- tor and a charge feedback for the control of an alternating component the drive signal for the solid state actuator is connected.
  • At least a portion of the components of the first resistor, the second resistor, and the capacitive component is preferably variably adjustable in terms of their resistance or capacitance values for setting the control parameters of the circuit.
  • the resistance or capacitance values can preferably be variably set for mutually independent setting of the control parameters of the circuit.
  • a sample and hold element may advantageously be connected in the amplifier arrangement for holding a current value at the solid-state actuator when the operation of the solid-state actuator is stopped and for applying the held voltage value to the control loop when the solid-state actuator starts up by switching on the feedback. Thereby the sinusoidal drive signal is started at the last phase value.
  • Such a circuit may be connected as part of an analog or hybrid driver stage for driving the at least one Festkorperaktors.
  • a solid state actuator drive device with at least one circuit constructed in this way is independently advantageous.
  • a Festkorperaktor drive device with a Antriebskorper an opening in the Antriebskorper, at least one in the opening shaft and at least a first and a second Festkorperaktor for driving the Antriebskorpers to a shaft in rotation offset translational movement , wherein the Festkorperaktoren are connected via a common or via their own such control circuit controllable.
  • the solid state factor are piezoelectric
  • control circuit allows a combined charge and voltage controlled control of Festkorperaktors by a simple structure.
  • control parameters can be influenced independently of each other.
  • the circuit in particular control circuit solves in a surprisingly simple way the problem of unstable charge control in an analog or hybrid driver stage for particular piezoelectric Festkorperaktoren.
  • a feedback circuit is set up by means of a resistor circuit and capacitors, which has a low-pass behavior for the recoil effect of the piezoelectric voltage and a high-pass behavior for the feedback of the piezoelectric charge.
  • the DC component of the piezo control signal is voltage-feedback coupled and the alternating component of the piezo control signal is charge coupled.
  • This type of signal processing is particularly suitable for the piezoelectric ring motor, since this is driven by an offset-shifted sine signal. Less suitable is this type of feedback only during the transition from a movement to a stop of the ring motor.
  • a sample and hold element is inserted in the signal chain which "freezes" the current voltage value on the solid state actuator when the drive or ring motor is stopped, thus also stopping the motor from stalling the feedback is stopped by a sample and hold element inserted in the signal chain (hold) and the last voltage value is held by the piezoelectric solid state actuator Sinusoidal control signal started at the last phase value.
  • analogue voltage and charge control combined in this way are a lacking drift problem, a very simple structure and a very high signal quality.
  • Fields of application are, in particular, highly accurate drives. be for robotics, z.
  • For a human-machine interaction for automotive engineering, e.g. B. for a flap adjustment with integrated air mass senor, or for aerospace engineering, z.
  • FIG. 1 shows a solid-state actuator drive device with a preferred control circuit for controlling a solid-state actuator in such Festissonaktor- Antriebsvorriehtung.
  • Fig. IA is an enlarged view of the control circuit of Fig. 1;
  • Fig. 2 is a simulation circuit for illustrating
  • Fig. 1 shows a solid-state actuator drive device 0 with a control circuit 8 for controlling a solid-state actuator Pl in such a solid-state actuator drive device 0.
  • P2 of such solid-state actuator drive device 0 is also a corresponding control circuit or a common arranged combined control circuit.
  • the exemplary solid-state actuator drive device 0 consists of a large number of individual components, wherein the illustrated components can be supplemented by further components or can be exchanged for components of the same type with the same effect.
  • the solid-state actuator drive device 0 has a housing 1, which accommodates the further components.
  • a shaft 2 is mounted by means of a bearing arrangement, wherein a shaft axis X of the shaft 2 in the axial direction z extends out of the housing 1 out.
  • the drive device consists essentially of preferably two or more solid state actuators P 1, P 2 and a drive body 3.
  • the drive body 3 is connected mechanically, in particular mechanically rigidly, to a wall of the housing 1 via the solid state actuators P 1, P 2.
  • the Festkorperaktoren Pl, P2 are fastened via bearing elements 7 on the housing.
  • the Festkorperaktoren Pl, P2 are arranged such that they move the Antriebskorper 3 relative to the housing 1 in a translational movement in a plane x, y perpendicular to the axial direction z.
  • the translational movement causes the Antriebskorper 3 while in a reciprocating motion, advantageously a circular movement.
  • the Antriebskorper 3 has an opening 5, which is in particular designed as fürgangso réelle.
  • the shaft 2 passes through the opening 5 of the drive body 3, the outside diameter of the shaft 2 being smaller than the inside diameter of the opening 5 of the drive body 3.
  • the Antriebskorper 3 is adjusted by the Festkorperaktoren Pl, P2 such that a shaft outer wall is preferably continuous with a drive body inner wall in frictional and positive fit, so that the shaft 2 is placed in the shaft rotation by the movement of the drive body ,
  • P2 are arranged perpendicular to each other in the plane x, y perpendicular to the axis of rotation of the shaft 2 in their effective direction.
  • a separate such control device is provided for each of the solid state actuators. According to the voltages or charges, the solid-state actuators Pl, P2 expand accordingly or possibly contract.
  • these conductors 60 or additional conductors can serve to transmit signals, in particular voltages or charges, from the solid-state actuators P1, P2 in the reverse direction to the control device 6. This makes it possible to exploit the dual functionality of the solid-state actuators P1, P2, not only as solid-state actuators, but also as solid state actuators
  • FIG. 1 and FIG. 1A show the particularly preferred control circuit 8, which may be provided independently or as part of a higher-level control device 6. However, only the control part of the control and regulating circuit 8 is essential to the present invention.
  • the control or drive signal for effecting the drive movement of the corresponding solid-state actuator P1 can be generated in the control part of the control and regulating circuit 8 in a manner otherwise known per se taking into account the control component become.
  • the control circuit 8 of FIG. 1 consists of a signal generator 11, a variable gain amplifier 12, a sample & hold member 13, a power amplifier 14 and the piezoelectric solid-state actuator Pl with feedback to the control amplifier via a capacitor Cl as a capacitive element and a first and a second resistor Rl or R2 as ohmic elements.
  • the signal generator 11 is connected between a ground connection or another ground connection and a positive input of the control amplifier 12.
  • An output of the control amplifier 12 is connected to a first input of the sample and hold element 13.
  • At the second input there is a connection for applying a hold signal h.
  • An output of the sample & hold gate 13 is applied to an input of the power amplifier 14.
  • the power amplifier 14 has two outputs. The first output provides a drive signal out_r and is applied to a first terminal of the first solid-state actuator Pl and to a first terminal of the first resistor Rl.
  • the second output of the power amplifier 14 is connected to a first terminal of the capacitor Cl and to a first terminal of the second resistor R2.
  • the respective second terminals of the first solid-state actuator Pl, the capacitor Cl and the two resistors Rl, R2 are switched back to a second, negatively switched input of the control amplifier 12 to the control amplifier 12 to apply a feedback signal fb (engl, feedback).
  • FIG. 1 shows a differential power amplifier 14 *
  • a power amplifier 14 with only one output is shown by way of example.
  • the first terminal of the capacitor Cl and the second resistor R2 are connected to a common base potential, ground or the ground terminal.
  • the circuit consisting of the solid-state actuator Pl and the capacitor Cl forms a simplified circuit, which is known per se as Sawyer Tower Circuit.
  • the solid-state actuator current flowing through the corresponding solid-state actuator P1 is integrated and converted into a proportional voltage via the capacitor C1.
  • the measuring circuit formed in this way has a first resistor R 1 connected in parallel, which is substantially smaller than a parasitic internal resistance of the solid-state actuator P 1, this leads to a high-pass behavior of the measuring circuit. Only the alternating part of the piezoelectric charge can be measured undamped at the capacitor Cl.
  • the time constant of the circuit is: and the cutoff frequency is with it
  • the two resistors R1 and R2 form a measuring circuit, in the form, in particular, of a voltage divider, for the voltage u at the piezoelectric solid-state actuator P1.
  • the impedance of the connected Sawyer tower circuit is infinite. That is, in this case, the charge measurement does not affect the voltage measurement.
  • the circuit has a low-pass behavior.
  • the cutoff frequency is identical to that of the charge measurement circuit.
  • the circuit consisting of the solid-state actuator Pl, the capacitor Cl and the resistors Rl and R2 couples a measurement voltage back to the control amplifier 12, which controls the power amplifier 14 via the sample and hold member 13.
  • the control amplifier 12 controls the power amplifier 14 via the sample and hold member 13.
  • Solid-state actuator Pl operated with charge control, operated voltage-controlled at low frequencies.
  • a drift of Festkorperaktorschreib is thereby reduced, in particular effectively prevented.
  • a cut-off frequency can be easily adjusted by the parameters of the components of the control and regulating circuit 8, ie, the Festkorperaktor Pl, the capacitor Cl and the resistors Rl and R2.
  • the sample and hold member 13 is inserted into the formed signal chain.
  • the sample and hold member 13 is inserted into the formed signal chain.
  • the power amplifier 14 generates, in addition to the signal components for the described control as further signal component, the per se known control or drive signal for effecting the drive movement of the corresponding solid-state actuator P1. In principle, however, such a control or drive signal could be used to effect the drive movement also in a separate control circuit, which is then connected in parallel to the control circuit, are generated.
  • Fig. 2 shows a simulation circuit.
  • 2 shows a simulation circuit in which a solid-state actuator P1 as the first solid-state actuator P1 is reproduced by a plurality of components, so that the other components are tested for use with a realistic solid-state actuator of a solid-state actuator driving device for electromechanically driving a body can.
  • At an output node out are the first terminal of the first
  • the solid-state actuator P1 is formed of a plurality of parallel circuit members between the two nodes.
  • these are for example an eighth capacitor C8, an eighth resistor R8, a series circuit of a first diode Dl and a second capacitor C2 and two further series circuits, which consist of a third diode D3 and a seventh capacitor C7 and a second diode D2 and a sixth capacitor C6 are formed.
  • V 1 -V 4 are used for the voltage supply, the input signal being provided for the control amplifier 12 by the fourth of the voltage sources V 4.
  • the negative inputs of the first, second and fourth voltage sources V1, V2, V4 and the positive terminal of the third voltage source V3 are connected to ground or a ground connection.
  • the variable gain amplifier 12 is formed by a seventh resistor R7 as an input resistor and in series therewith a sixth resistor R6 and a fourth capacitor C4. The further connection of the fourth capacitor C4 also forms the output of the control amplifier 12.
  • the control amplifier 12 has an operational amplifier Ul, at the positive input of the feedback signal fb is applied. Connected to the negative input of the operational amplifier U1 is a node connected between the sixth and the seventh resistor R6, R7. An output of the operational amplifier U1 is applied to the output of the control amplifier 12 and, together with the fourth capacitor C4, forms the output of the control amplifier 12. Power supply of the operational amplifier Ul serve the second and third voltage source V2, V3.
  • the power amplifier 14 is connected to the output of the crizverstarkers 12 with a third resistor R3.
  • a current or voltage value applied via the third resistor R3 is connected to a base terminal of a second transistor Q2. Its emitter is connected to ground.
  • a collector of the second transistor Q2 is connected to a node to which respective base terminals of a first and a third transistor Q1 and Q3 are connected.
  • a fourth resistor R4 and, in parallel thereto, a third capacitor C3 are connected between these nodes and a positive voltage connection of the first voltage source V1.
  • the positive terminal of the first voltage source Vl is also applied to the collector of the first transistor Cl.
  • the emitter terminal of the first transistor Q1 and the emitter terminal of the third transistor Q3 are connected to one another and output an output signal out_r to a fifth resistor R5.
  • the further terminal of the fifth resistor R5 is connected to the first node out of Festkorperaktors Pl or of its replica circuit.
  • the third transistor Q3 is connected to the negative terminal of the third voltage source V3.
  • control amplifier 12 is thus modeled by the sixth resistor R6, the seventh resistor R7, the fourth capacitor C4 and the operational amplifier U1.
  • the power amplifier 14 is composed of the third, fourth and fifth resistors
  • a solid state voltage measurement is represented by the first and second resistors R1, R2.
  • a charge measurement is based on the first capacitor Cl.
  • the piezoelectric solid state factor Pl is complexly modeled as a non-linear capacitance.
  • the eighth capacitor C8 is used as an In order to determine a basic solid-state capacitor as a function of the solid-state actuator voltage, further capacitors are connected in parallel via the second, sixth and seventh capacitors C2, C6 and C7, respectively, to the solid-state actuator capacitance capacitor.
  • a leakage current is generated via the eighth resistor R8.
  • a realistic value of the eighth resistor R8 would be 10 M ⁇ for the sizing of the various components indicated in the circuit. In the present case, however, the value is reduced in order to obtain a clearer result in the simulation, so that the drift is artificially increased.
  • a charge pressure coupling is ensured by the first connection A and a voltage-pressure coupling is ensured by the second connection B, wherein the combination of the two connections A and B leads to the structure of the control and regulation circuit.
  • the transient response is shown at voltage feedback coupling without the preferred embodiment. In fact, the unrestricted drift of the charge can be recognized. In Fig. 4 the transient response is shown in pure charge coupling without the preferred embodiment. Again, there is unlimited drift Festkorperaktorportion, which can lead to the destruction of Festkorperaktor by overvoltage.
  • Fig. 5 the simulation result of the preferred embodiment is shown. After a settling time of approx. 4 s, a stable course is achieved both for the piezo charge and for the piezo voltage.

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Regeln zumindest eines Festkörperaktors (P1) einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, die in einer Regelschleife den zumindest einen Festkörperaktor (P1) aufweist sowie eine Verstärkeranordnung (12, 14*) zum, Anlegen eines Ansteuersignals (out_r) an den zumindest einen Festkörperaktor (P1), einen kapazitiven Spannungsteiler, der in Reihe geschaltet den zumindest einen Festkörperaktor (P1) und eine kapazitive Komponente aufweist, und einen resistiven Spannungsteiler, der in Reihe geschaltet zumindest einen ersten und einen zweiten Widerstand (R1, R2) aufweist, wobei ein gemeinsamer Schaltungspunkt (N) sowohl zwischen den zumindest einen Festkörperaktor (P1) und die kapazitive Komponente als auch zwischen den ersten und den zweiten der Widerstände (R1, R2) geschaltet ist und diese elektrisch miteinander verbindet und wobei der. gemeinsame Schaltungspunkt (N) ein Rückführungssignal (fb) als Regelgröße für die Verstärkeranordnung (12, 14*) bereitstellt.

Description

Beschreibung
Schaltung zum Regeln zumindest eines Festkorperaktors einer Festkorperaktor-AntriebsVorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Regeln zumindest eines Festkorperaktors einer Festkorperaktor- Antriebsvorrichtung mit den Oberbegriffliehen Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
Aus DE 199 52 946 Al ist ein piezoelektrischer Antrieb bekannt, der auch als Piezoringmotor bezeichnet wird. Dieser bildet eine Form einer Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung aus und besteht aus einem Gehäuse, welches weitere Komponen- ten aufnimmt. In dem Gehäuse ist mittels einer Lageranordnung eine Welle gelagert, wobei sich eine Wellenachse der Welle in axialer Richtung aus dem Gehäuse heraus erstreckt. Zum Versetzen der Welle um die Wellenachse in eine Wellenrotation dient eine Antriebsvorrichtung. Die Antriebsvorrichtung be- steht im Wesentlichen aus vorzugsweise zwei oder mehr Fest- korperaktoren und einem Antriebskorper, welcher über die Festkorperaktoren mechanisch steif mit einer Innenwandung des Gehäuses verbunden ist. Die Festkorperaktoren sind derart angeordnet, dass sie den Antriebskorper relativ zu dem Gehäuse in eine Translationsbewegung in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung versetzen. Der Antriebskorper weist eine Öffnung als Durchgangsoffnung auf. Durch die Öffnung fuhrt die Welle hindurch, wobei der Außendurchmesser der Welle etwas geringer als der Innendurchmesser der Öffnung ist. Der Antriebskorper wird durch die Festkorperaktoren so verstellt, dass eine Wellen-Außenwandung mit einer Antriebskorper- Innenwandung so in Reib- und Formschluss steht, dass durch die Bewegung des Antriebskorpers die Welle in die Wellenrotation versetzt wird. Hinsichtlich der Ansteuerung sind der erste und der zweite der Festkorperaktoren in ihrer Wirkrichtung senkrecht zueinander in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse der Welle angeordnet. Zum Ansteuern der Festkörperaktoren dient eine Steuereinrichtung, welche über Leiter die einzelnen Festkörperaktoren mit Spannungen bzw. Ladungen ansteuert. Entsprechend der Spannungen bzw. Ladungen dehnen sich die Festkörperaktoren entspre- chend aus bzw. ziehen sich gegebenenfalls zusammen. Festkörperaktor
Ein solcher Piezoringmotor zeichnet sich unter anderem durch ein hohes Drehmoment, eine hohe Stellgenauigkeit, eine flache Bauform und inhärente Sensoreigenschaften aus. Die Kombination dieser positiven Eigenschaften ist unter Stellantrieben einzigartig. Bisher war es jedoch nur unzureichend möglich, die Stellgenauigkeit aus der Kombination der piezoelektrischen Festkörperaktoren und der Kinematik voll nutzbar zu ma- chen .
Eine analoge Leistungsendstufe zur Ansteuerung der Festkörperaktoren bietet eine ausgezeichnete Signalqualität ist jedoch nur spannungsgeregelt stabil zu betreiben. Spannungsgeregelte Festkörperaktoren wiesen eine starke Nichtlinearität zwischen Ansteuersignal und Auslenkung, eine Hysterese und Nachlaufen auf. Eine reine Ladungsregelung hingegen ist durch das integrale Verhalten bezüglich des Festkörperaktorstromes instabil. Ein ständiger Leckstrom oder durch Temperaturänderung gene- rierte Ladung können den Festkörperaktor in einen unzulässigen Betriebsspannungsbereich verschieben.
Daher ist es notwendig eine Spannungsregelung übergeordnet zur Ladungsregelung anzuwenden. Ein solcher Aufbau ist rege- lungstechnisch sehr komplex.
Allgemein bekannt sind ladungsgeregelte Ansteuerungen von piezoelektrischen Festkörperaktoren durch Schaltnetzteilendstufen unter z.B. der Bezeichnung Buck-Boost, Sepie oder FIy- Back. Von Nachteil ist die diskontinuierliche Ansteuerung der Festkörperaktoren, die zu erhöhter Schallabstrahlung und Un- genauigkeiten in der Auslenkung des Festkörperaktors führt. Eine analoge oder hybride Ansteuerung bietet sehr gute Sig- nalqualitaten, ist aber zumeist spannungsgeregelt ausgeführt. Bei Spannungsregelung kommt ein stark nichtlineares Verhalten der Festkorperaktorauslenkung bzgl. des Ansteuersignals zum Tragen. Eine Ladungsregelung ist daher auch für einen analo- gen Piezotreiber wünschenswert. Der Aufbau eines analogen
Reglers bezuglich der Ladung fuhrt jedoch zu einer Drift, da nicht nur der Ansteuerstrom integriert wird, sondern auch der Leckstrom. Die Regelung ist daher ohne aufwendige Kompensation der Fehlerstrome nicht stabil. Insbesondere bei Festkorpe- raktoren, die an den Grenzen der Spannungsbelastbarkeit betrieben werden, kann es zu Überspannungen und zur Zerstörung der Festkorperaktoren kommen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung zum Regeln zumindest eines Festkorperaktors einer Festkorperak- tor-Antriebsvorrichtung vorzuschlagen, welche das Problem der instabilen Ladungsregelung bei einer analogen oder hybriden Treiberstufe für insbesondere piezoelektrische Festkorperaktoren verringert oder lost.
Diese Aufgabe wird gelost durch eine Schaltung zum Regeln zumindest eines Festkorperaktors einer Festkorperaktor- Antriebsvorrichtung mit den Oberbegriffliehen Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegens- tand abhangiger Ansprüche.
Bevorzugt wird somit eine Schaltung, insbesondere Regelungs- Schaltung zum Regeln zumindest eines Festkorperaktors einer Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung mit in einer Regelschlei- fe dem zumindest einen Festkorperaktor, einer Verstarkeran- ordnung zum Anlegen eines Ansteuersignals an den zumindest einen Festkorperaktor, einem kapazitiven Spannungsteiler, der in Reihe geschaltet den zumindest einen Festkorperaktor und eine kapazitive Komponente aufweist, und einem resitiven Spannungsteiler, der in Reihe geschaltet zumindest einen ersten und einen zweiten Widerstände aufweist, wobei ein gemeinsamer Schaltungspunkt sowohl zwischen den zumindest einen Festkorperaktor und die kapazitive Komponente als auch zwi- sehen den ersten und den zweiten der Widerstände geschaltet ist und diese elektrisch miteinander verbindet und wobei der gemeinsame Schaltungspunkt ein Rückführungssignal als Regelgröße für die Verstärkeranordnung bereitstellt.
Am Festkörperaktor ist bevorzugt durch die Beschaltung aus dem ersten und dem zweiten Widerstand und der kapazitiven Komponente eine Rückkoppelschaltung aufgebaut, welche ein Tiefpassverhalten für eine Rückwirkung einer Festkörperaktor- Spannung und ein Hochpassverhalten für eine Rückkopplung der Festkörperaktor-Ladung bewirkt. D.h. der Gleichanteil des Piezosteuersignales wird spannungsrückgekoppelt und der Wechselanteil des Piezosteuersignales wird ladungsrückgekoppelt.
Bevorzugt sind der Festkörperaktor, der erste Widerstand, der zweite Widerstand und die kapazitive Komponente als eine kombinierte ladungs- und spannungsrückgekoppelte Regelung derart geschaltet, dass eine Spannungsrückkopplung für die Regelung eines Gleichanteils des Ansteuersignals für den Festkörperak- tor und eine Ladungsrückkopplung für die Regelung eines Wechselanteils des Ansteuersignals für den Festkörperaktor geschaltet ist.
Zumindest ein Teil der Komponenten aus dem ersten Widerstand, dem zweiten Widerstand und der kapazitiven Komponente ist bevorzugt hinsichtlich deren Widerstands- bzw. Kapazitätswerte veränderbar einstellbar zum Einstellen der Regelparameter der Schaltung. Bevorzugt sind dabei die Widerstands- bzw. Kapazitätswerte veränderbar einstellbar zum voneinander unabhängi- gen Einstellen der Regelparameter der Schaltung.
Ein Sample- und Hold-Glied kann vorteilhaft in die Verstärkeranordnung geschaltet sein zum Halten eines am Festkörperaktor aktuellen Spannungswerts, wenn der Betrieb des Fest- körperaktors gestoppt wird, und zum Anlegen des gehaltenen Spannungswerts an die Regelschleife beim Anfahren des Festkörperaktors durch Einschalten der Rückkopplung. Dadurch wird das sinusförmige Ansteuersignal beim letzten Phasenwert gestartet .
Eine solche Schaltung kann als Bestandteil einer analogen oder hybriden Treiberstufe zum Ansteuern des zumindest einen Festkorperaktors geschaltet sein.
Eigenständig vorteilhaft ist insbesondere eine Festkorperak- tor-Antriebsvorrichtung mit zumindest einer derartig aufge- bauten Schaltung. Besonders bevorzugt wird dabei der Einsatz als eine solche Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung mit einem Antriebskorper, einer Öffnung in dem Antriebskorper, einer in die Öffnung zumindest hineinfuhrenden Welle und zumindest einem ersten und einem zweiten Festkorperaktor zum Antreiben des Antriebskorpers zu einer die Welle in Rotation versetzenden translatorischen Bewegung, wobei die Festkorperaktoren über eine gemeinsame oder über jeweils eine eigene solche Regelungs-Schaltung ansteuerbar geschaltet sind.
Bevorzugt sind der Festkorperaktor als piezoelektrischer
Festkorperaktor ausgebildet und/oder die kapazitive Komponente durch einen Kondensator ausgebildet.
Ein Aufbau mit einer solchen Schaltung, insbesondere Rege- lungs-Schaltung erlaubt eine kombiniert ladungs- und spannungsgeregelte Ansteuerung des Festkorperaktors durch einen einfachen Aufbau. Außerdem lassen sich die Regelparameter unabhängig voneinander beeinflussen.
Die Schaltung, insbesondere Regelungs-Schaltung lost auf überraschend einfache Art und Weise das Problem der instabilen Ladungsregelung bei einer analogen oder hybriden Treiberstufe für insbesondere piezoelektrische Festkorperaktoren. Direkt am Festkorperaktor wird durch eine Beschaltung aus Wi- derstanden und Kondensatoren eine Ruckkoppelschaltung aufgebaut, die ein Tiefpassverhalten für die Ruckwirkung der Pie- zospannung und ein Hochpassverhalten für die Ruckkopplung der Piezoladung aufweist. D.h. der Gleichanteil des Piezosteuer- signales wird spannungsruckgekoppelt und der Wechselanteil des Piezosteuersignales wird ladungsruckgekoppelt . Insbesondere ist somit hervorzuheben eine Verschaltung von Widerstanden und Kondensatoren am piezoelektrischen Festkorperaktor zum Zwecke einer kombinierten ladungs- und spannungsruckge- koppelten Regelung, wobei die Spannungsruckkopplung für die Regelung des Gleichanteils des Piezo- bzw. Festkorperaktor- Ansteuersignales und die Ladungsruckkopplung für Regelung des Wechselanteils des Piezosteuersignales verantwortlich ist.
Diese Art der Signalverarbeitung ist besonders für den piezoelektrischen Ringmotor geeignet, da dieser mit einem offset- verschobenen Sinussignal angesteuert wird. Weniger geeignet ist diese Art der Ruckkopplung nur wahrend des Überganges von einer Bewegung zum Stillstand des Ringmotors. Für diesen Zu- standsbereich ist ein Sample- und Hold-Glied in die Signalkette eingefugt, welches den aktuellen Spannungswert am Festkorperaktor „einfriert" wenn der Antrieb bzw. Ringmotor gestoppt wird. Somit wird des Weiteren beim Übergang von Bewe- gung zum Stillstand des Motors die Ruckkopplung über ein in die Signalkette eingefugtes Sample- und Holdglied unterbrochen (Hold) und der letzte Spannungswert am piezoelektrischen Festkorperaktor gehalten. Das sinusförmige Ansteuersignal wird bei der entsprechenden Phase gestoppt. Zum Anfahren wird die Regelschleife durch Einschalten der Ruckkopplung (Sample) aktiviert und das sinusförmige Ansteuersignal beim letzten Phasenwert gestartet.
Neben Festkorperaktoren in insbesondere mehrschichtiger PMA- Bauweise als piezoelektrische Aktoren sind auch Ausfuhrungen mit andersartigen kapazitiv wirksamen Festkorperaktoren einsetzbar .
Vorteile der derart kombinierten analogen Spannungs- und La- dungsregelung bestehen in einer entfallenden Driftproblematik, einem sehr einfachen Aufbau und einer sehr hohen Signal- qualitat. Einsatzfelder sind insbesondere hoch genaue Antrie- be für die Robotik, z. B. für eine Mensch-Maschine-Interaktion, für die Automobiltechnik, z. B. für eine Klappenverstellung mit integrierten Luftmassensenor, oder für die Luft- und Raumfahrttechnik, z. B. für einen intelligenten Steuer- klappenantrieb für einen Abgasstrahl.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer bevorzugten Regelungs-Schaltung zum Regeln eines Festkörperaktors in einer solchen Festkörperaktor- Antriebsvorriehtung;
Fig. IA vergrößert dargestellt die Regelungs-Schaltung aus Fig. 1;
Fig. 2 eine Simulationsschaltung zum Veranschaulichen von
Signalverläufen;
Fig. 3 ein Einschwingverhalten bei Spannungsrückkopplung entsprechend einer bekannten Ausführungsform;
Fig. 4 ein Einschwingverhalten bei reiner Ladungsrückkopp- lung entsprechend einer bekannten Ausführungsform; und
Fig. 5 ein Simulationsergebnis zum Veranschaulichen von
Signalverläufen entsprechend der bevorzugten Aus- führungsform.
Fig. 1 zeigt eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 mit einer Regelungs-Schaltung 8 zum Regeln eines Festkörperaktors Pl in einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0. Zweckmäßigerweise ist auch für weitere Festkörperaktoren P2 einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 jeweils eine entsprechende Regelungs-Schaltung oder eine gemeinsame kombinierte Regelungs-Schaltung angeordnet. Wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die beispielhafte Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung 0 aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, wobei die dargestellten Komponenten um weitere Komponenten erganzbar sind bzw. gegen gleich wirkende Komponenten anderer Bauart austauschbar sind. Die Festkorpe- raktor-Antriebsvorrichtung 0 weist ein Gehäuse 1 auf, welches die weiteren Komponenten aufnimmt.
In dem Gehäuse 1 ist mittels einer Lageranordnung eine Welle 2 gelagert, wobei sich eine Wellenachse X der Welle 2 in axialer Richtung z aus dem Gehäuse 1 heraus erstreckt. Zum Versetzen der Welle 2 in eine Wellenrotation um die Wellenachse X herum dient eine Antriebsvorrichtung. Die Antriebsvorrich- tung besteht im Wesentlichen aus vorzugsweise den zwei oder mehr Festkorperaktoren Pl, P2 und einem Antriebskorper 3. Der Antriebskorper 3 ist über die Festkorperaktoren Pl, P2 mechanisch, insbesondere mechanisch steif mit einer Wandung des Gehäuses 1 verbunden. Insbesondere sind die Festkorperaktoren Pl, P2 über Lagerelemente 7 am Gehäuse befestigt. Die Festkorperaktoren Pl, P2 sind dabei derart angeordnet, dass sie den Antriebskorper 3 relativ zu dem Gehäuse 1 in eine Translationsbewegung in einer Ebene x, y senkrecht zur axialen Richtung z versetzen. Die Translationsbewegung versetzt den Antriebskorper 3 dabei in eine Hin- und Herbewegung, vorteilhafterweise eine kreisförmige Bewegung. Der Antriebskorper 3 weist eine Öffnung 5 auf, welche insbesondere als Durchgangsoffnung ausgebildet ist. Durch die Öffnung 5 des Antriebskor- pers 3 fuhrt die Welle 2 hindurch, wobei der Außendurchmesser der Welle 2 geringer als der Innendurchmesser der Öffnung 5 des Antriebskorpers 3 ist. Der Antriebskorper 3 wird durch die Festkorperaktoren Pl, P2 derart verstellt, dass eine Wellen-Außenwandung vorzugsweise durchgehend mit einer Antriebs- korper-Innenwandung in Reib- und Formschluss steht, so dass durch die Bewegung des Antriebskorpers 3 die Welle 2 in die Wellenrotation versetzt wird. Hinsichtlich der Ansteuerung sind der erste und der zweite der Festkörperaktoren Pl, P2 in ihrer Wirkrichtung senkrecht zueinander in der Ebene x, y senkrecht zur Rotationsachse der Welle 2 angeordnet.
Zum Ansteuern der Festkörperaktoren Pl, P2 dient zumindest eine Steuereinrichtung 6, welche über Leiter 60 die einzelnen Festkörperaktoren Pl, P2 mit Spannungen bzw. Ladungen ansteuert. Vorzugsweise ist für jeden der Festkörperaktoren eine eigene derartige Steuereinrichtung bereitgestellt. Entsprechend der Spannungen bzw. Ladungen dehnen sich die Festkörperaktoren Pl, P2 entsprechend aus bzw. ziehen sich gegebenenfalls zusammen.
Außerdem können diese Leiter 60 oder zusätzliche Leiter dazu dienen, von den Festkörperaktoren Pl, P2 in umgekehrter Richtung Signale, insbesondere Spannungen oder Ladungen, zu der Steuereinrichtung 6 zu übertragen. Dies ermöglich die Ausnutzung der Doppelfunktionalität der Festkörperaktoren Pl, P2, um diese nicht nur als Festkörperaktoren sondern auch als
Sensoren einzusetzen. Auf die Festkörperaktoren Pl, P2 einwirkende Kräfte verursachen in diesen eine Ladungsverschiebung bzw. Potenzialänderung.
Fig. 1 und Fig. IA zeigen die besonders bevorzugte Steuer- und Regelungs-Schaltung 8, welche eigenständig oder als Bestandteil einer übergeordneten Steuereinrichtung 6 bereitgestellt sein kann. Erfindungswesentlich ist vorliegend jedoch nur der Regelungsteil der Steuer- und Regelungsschaltung 8. Das Steuer- bzw. Antriebssignal zum Bewirken der Antriebsbewegung des entsprechenden Festkörperaktors Pl kann unter Berücksichtigung des Regelanteils in ansonsten für sich bekannter Art und Weise im Steuerteil der Steuer- und Regelungsschaltung 8 erzeugt werden.
Die Steuer- und Regelungs-Schaltung 8 gemäß Fig. 1 besteht aus einem Signalgenerator 11, einem Regelverstärker 12, einem Sample- & Hold-Glied 13, einem Leistungsverstärker 14 und dem piezoelektrischen Festkörperaktor Pl mit Rückkopplung zum Regelverstärker über einen Kondensator Cl als kapazitiv wirkendem Element sowie ein erster und ein zweiter Widerstand Rl bzw. R2 als Ohmschen Elementen.
Beispielhaft ist der Signalgenerator 11 dabei zwischen einen Erdanschluss oder sonstigen Masseanschluss und einen positiven Eingang des Regelverstärkers 12 geschaltet. Ein Ausgang des Regelverstärkers 12 ist an einen ersten Eingang des Sam- ple- & Hold-Glieds 13 geschaltet. An dessen zweitem Eingang liegt ein Anschluss zum Anlegen eines Hold-Signals h an. Ein Ausgang des Sample- & Hold-Glieds 13 liegt an einem Eingang des Leistungsverstärkers 14 an. Bei einem Stoppen des Betriebs der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung bzw. des gere- gelten Festkörperaktors Pl wird ein aktueller Spannungswert h gehalten und später, beim erneuten Anfahren, als Regelgröße wieder angelegt. Der Leistungsverstärker 14 weist zwei Ausgänge auf. Der erste Ausgang stellt ein Ansteuersignal out_r bereit und liegt an einem ersten Anschluss des ersten Festkörperaktors Pl und an einem ersten Anschluss des ersten Widerstands Rl an. Der zweite Ausgang des Leistungsverstärkers 14 liegt an einem ersten Anschluss des Kondensators Cl und an einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands R2 an. Die jeweils zweiten Anschlüsse des ersten Festkörperaktors Pl, des Kondensators Cl und der beiden Widerstände Rl, R2 sind an einen zweiten, negativ geschalteten Eingang des Regelverstärkers 12 zurückgeschaltet, um dem Regelverstärker 12 ein Rückführungssignal fb (engl, feedback) anzulegen.
Im Vergleich zu Fig. 1 zeigt Fig. IA eine leicht modifizierte Ausführungsform. Während Fig. 1 einen differenziellen Leistungsverstärker 14* zeigt, ist bei der Schaltung gemäß Fig. IA beispielhaft ein Leistungsverstärker 14 mit nur einem Ausgang dargestellt. Entsprechend sind der erste Anschluss des Kondensators Cl und des zweiten Widerstands R2 auf ein gemeinsames Basispotential, Masse bzw. den Erdanschluss gelegt. Die Schaltung bestehend aus dem Festkörperaktor Pl und der Kondensator Cl bildet eine vereinfachte Schaltung, welche als Sawyer-Tower-Circuit für sich genommen bekannt ist. Durch diesen Messkreis wird der durch den entsprechenden Festkörpe- raktor Pl fließende Festkörperaktorstrom integriert und über den Kondensator Cl in eine proportionale Spannung gewandelt.
Wenn dem so ausgebildeten Messkreis ein erster Widerstand Rl parallel geschaltet ist, der wesentlich kleiner als ein para- sitärer Innenwiderstand des Festkörperaktors Pl ist, führt dies zu einem Hochpass-Verhalten des Messkreises. Nur der Wechselanteil der Piezoladung ist ungedämpft am Kondensator Cl messbar. Die Zeitkonstante der Schaltung ist:
Figure imgf000013_0001
und die Grenzfrequenz ist damit
Figure imgf000013_0002
Die beiden Widerstände Rl und R2 formen hingegen eine Mess- Schaltung, in Form insbesondere eines Spannungsteilers, für die Spannung u am piezoelektrischen Festkörperaktor Pl. Bezüglich des Gleichanteils des Ansteuersignales des Festkörperaktors Pl ist die Impedanz der angeschlossenen Sawyer-Tower- Circuit unendlich. Das heißt, in diesem Fall beeinflusst die Ladungsmessung nicht die Spannungsmessung. Die Schaltung weist ein Tiefpass-Verhalten auf. Die Grenzfrequenz ist identisch zu der der Ladungsmessschaltung.
Die Schaltung bestehend aus dem Festkörperaktor Pl, dem Kon- densator Cl und den Widerständen Rl und R2 koppelt eine Messspannung auf den Regelverstärker 12 zurück, der über das Sample- und Holdglied 13 den Leistungsverstärker 14 steuert. Durch diesen Aufbau wird eine frequenzabhängige Ladungsregelung dargestellt. Bei hohen Frequenzen des Vorgabesignals aus dem Generator, insbesondere Signalgenerator 11, wird der
Festkörperaktor Pl ladungsgeregelt betrieben, bei niedrigen Frequenzen spannungsgeregelt betrieben. Eine Drift der Festkorperaktorspannung wird dadurch reduziert, insbesondere wirksam verhindert. Eine Grenzfrequenz lasst sich einfach durch die Parameter der Bauteile der Steuer- und Regelungs- Schaltung 8, d.h. den Festkorperaktor Pl, den Kondensator Cl und die Widerstände Rl und R2 einstellen.
Um beim Übergang von aktiver Ansteuerung, d.h. einer Bewegung des Motors bzw. der Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung, zu Stillstand ein Einschwingen der Schaltung auf einen span- nungsgeregelten quasistabilen Zustand zu verhindern, ist vorzugsweise das Sample- und Hold-Glied 13 in die gebildete Signalkette eingefugt. Damit ist es möglich, die Schaltung augenblicklich auf dem letzten Zustand „einzufrieren". Durch diesen Aufbau wird eine Änderung der Festkorperaktorladung beim Übergang von Ladungs- zu Spannungsregelung im Falle des Abschaltens der Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung verhindert.
Der Leistungsverstarker 14 erzeugt zusatzlich zu den Signal- anteilen zur beschriebenen Regelung als weitere Signalkomponente das für sich bekanntes Steuer- bzw. Antriebssignal zum Bewirken der Antriebsbewegung des entsprechenden Festkorpe- raktors Pl. Prinzipiell konnte ein solches Steuer- bzw. Antriebssignal zum Bewirken der Antriebsbewegung aber auch in einer eigenständigen Steuerschaltung, welche dann zu der Regelungs-Schaltung parallel geschaltet ist, erzeugt werden.
Fig. 2 zeigt eine Simulationsschaltung. Fig. 2 zeigt eine Simulationsschaltung, bei welcher ein Festkorperaktor Pl als der erste Festkorperaktor Pl durch eine Vielzahl von Komponenten nachgebildet wird, so dass die weiteren Komponenten für einen Einsatz mit einem realistischen Festkorperaktor einer Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung zum elektromechani- schen Antreiben eines Korpers getestet werden können. An ei- nem Ausgangsknoten out sind der erste Anschluss des ersten
Widerstands Rl sowie der Ausgangsanschluss des Leistungsver- starkers 14 angeschlossen. An einem zweiten Knoten bzw. einer Vielzahl untereinander kurzgeschlossener zweiter Knoten sind der erste Kondensator Cl und eine erste Verbindung A angeschlossen. Eine zweite Verbindung B ist an den Knoten zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand Rl, R2 geschaltet. Die beiden Verbindungen A, B sind als Messstrecken aus- gestaltete Verbindungen zu dem entsprechenden Eingang des Regelverstärkers 12.
Der Festkörperaktor Pl wird im Einzelnen aus einer Vielzahl zueinander paralleler Schaltungsglieder zwischen den beiden Knoten ausgebildet. Im einzelnen sind dies beispielhaft ein achter Kondensator C8, ein achter Widerstand R8, eine Reihenschaltung aus einer ersten Diode Dl und einem zweiten Kondensator C2 und zwei weitere Reihenschaltungen, welche aus einer dritten Diode D3 und einem siebten Kondensator C7 bzw. einer zweiten Diode D2 und einem sechsten Kondensator C6 ausgebildet sind.
Zur Spannungsversorgung dienen beispielhaft vier Spannungsquellen Vl - V4, wobei das Eingangssignal in für den Regel- Verstärker 12 durch die vierte der Spannungsquellen V4 bereitgestellt wird. Dabei sind die negativen Eingänge der ersten, zweiten und vierten Spannungsquelle Vl, V2, V4 sowie der positive Anschluss der dritten Spannungsquelle V3 auf Masse bzw. einen Erdanschluss geschaltet.
Der Regelverstärker 12 wird durch einen siebten Widerstand R7 als einem Eingangswiderstand sowie damit in Reihe geschaltet einem sechsten Widerstand R6 und einem vierten Kondensator C4 ausgebildet. Der weitere Anschluss des vierten Kondensators C4 bildet zugleich den Ausgang des Regelverstärkers 12. Außerdem weist der Regelverstärker 12 einen Operationsverstärker Ul auf, an dessen positivem Eingang das Rückführungssignal fb angelegt wird. An den negativen Eingang des Operationsverstärkers Ul ist ein zwischen den sechsten und den sieb- ten Widerstand R6, R7 geschalteter Knoten angeschlossen. Ein Ausgang des Operationsverstärkers Ul liegt am Ausgang des Regelverstärkers 12 an und bildet zusammen mit dem vierten Kondensator C4 den Ausgang des Regelverstärkers 12. Zur Span- nungsversorgung des Operationsverstärkers Ul dienen die zweite und die dritte Spannungsquelle V2, V3.
Der Leistungsverstarker 14 ist mit einem dritten Widerstand R3 an den Ausgang des Regelverstarkers 12 angeschlossen. Ein über den dritten Widerstand R3 angelegter Strom- oder Spannungswert ist an einen Basisanschluss eines zweiten Transistors Q2 geschaltet. Dessen Emitter ist an Masse geschaltet. Ein Kollektor des zweiten Transistors Q2 ist an einen Knoten geschaltet, an welchem jeweilige Basisanschlusse eines ersten und eines dritten Transistors Ql bzw. Q3 geschaltet sind. Außerdem sind ein vierter Widerstand R4 und parallel dazu ein dritter Kondensator C3 zwischen diesen Knoten und einen positiven Spannungsanschluss der ersten Spannungsquelle Vl ge- schaltet. Der positive Anschluss der ersten Spannungsquelle Vl liegt außerdem am Kollektor des ersten Transistors Cl an. Der Emitteranschluss des ersten Transistors Ql und der Emit- teranschluss des dritten Transistors Q3 sind miteinander verschaltet und geben ein Ausgangssignal out_r an einen fünften Widerstand R5 aus. Der weitere Anschluss des fünften Widerstands R5 ist an den ersten Knoten out des Festkorperaktors Pl bzw. von dessen Nachbildungsschaltung geschaltet. Mit Kollektor ist der dritte Transistor Q3 an den negativen Anschluss der dritten Spannungsquelle V3 geschaltet.
Bei dieser beispielhaften Simulationsschaltung wird somit der Regelverstarker 12 durch den sechsten Widerstand R6, den siebten Widerstand R7, den vierten Kondensator C4 und den Operationsverstärker Ul nachgebildet. Der Leistungsverstarker 14 besteht aus dem dritten, vierten und fünften Widerstand
R3, R4 bzw. R5, dem dritten Kondensator C3 und den drei Transistoren Ql - Q3. Eine Festkorperaktor-Spannungsmessung wird durch den ersten und den zweiten Widerstand Rl, R2 dargestellt. Eine Ladungsmessung basiert auf dem ersten Kondensa- tor Cl. Bei dieser Simulationsschaltung ist der piezoelektrische Festkorperaktor Pl komplex als nichtlineare Kapazität nachgebildet. Über die Dioden Dl - D3 mit unterschiedlichen Durchbruchspannungen werden dem achten Kondensator C8 als ei- nem Festkorperaktor-Grundkapazitats-Kondensator zur Bestimmung einer Festkorperaktor-Grundkapazitat in Abhängigkeit von der Festkorperaktorspannung weitere Kapazitäten über den zweiten, sechsten und siebten Kondensator C2, C6 bzw. C7 pa- rallel geschaltet.
Über den achten Widerstand R8 wird ein Leckstrom generiert. Ein realistischer Wert des achten Widerstands R8 wurde bei den in der Schaltung angezeigten Dimensionierungen der ver- schiedenen Komponenten 10 MΩ betragen. Der Wert ist vorliegend jedoch reduziert, um bei der Simulation ein deutlicheres Ergebnis zu erhalten, so dass die Drift kunstlich erhöht wird. Eine Ladungsruckkopplung wird durch die erste Verbindung A gewahrleistet und eine Spannungsruckkopplung wird durch die zweite Verbindung B gewahrleistet, wobei die Kombination aus den beiden Verbindungen A und B zum Aufbau der Steuer- und Regelungs-Schaltung fuhrt.
Mit dieser Simulationsschaltung wurden drei Simulationen zum Einschwingen der Schaltung bei allen Ruckkopplungsvariationen durchgeführt .
In Fig. 3 ist das Einschwingverhalten bei Spannungsruckkopplung ohne die bevorzugte Ausfuhrungsform dargestellt. Deut- lieh ist die unbeschrankte Drift der Ladung zu erkennen. In Fig. 4 ist das Einschwingverhalten bei reiner Ladungsruckkopplung ohne die bevorzugte Ausfuhrungsform dargestellt. Auch hier kommt es zu unbegrenzter Drift der Festkorperaktorspannung, was durch Überspannung zur Zerstörung des Festkorperaktors fuhren kann.
In Fig. 5 ist das Simulationsergebnis der bevorzugten Ausfuhrungsform dargestellt. Nach einer Einschwingzeit von ca. 4 s wird ein stabiler Verlauf sowohl für die Piezoladung, als auch für die Piezospannung erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltung zum Regeln zumindest eines Festkörperaktors (Pl) einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit in einer Regelschleife
- dem zumindest einen Festkörperaktor (Pl),
- einer Verstärkeranordnung (12, 14; 12, 14*) zum Anlegen eines Ansteuersignals (out r) an den zumindest einen Festkörperaktor (Pl) , - einem kapazitiven Spannungsteiler, der in Reihe geschaltet den zumindest einen Festkörperaktor (Pl) und eine kapazitive Komponente aufweist, und
- einem resitiven Spannungsteiler, der in Reihe geschaltet zumindest einen ersten und einen zweiten Widerstände (Rl, R2) aufweist,
- wobei ein gemeinsamer Schaltungspunkt (N) sowohl zwischen den zumindest einen Festkörperaktor (Pl) und die kapazitive Komponente als auch zwischen den ersten und den zweiten der Widerstände (Rl, R2) geschaltet ist und diese elektrisch mit- einander verbindet und
- wobei der gemeinsame Schaltungspunkt (N) ein Rückführungssignal (fb) als Regelgröße für die Verstärkeranordnung (12, 14; 12, 14*) bereitstellt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher am Festkörperaktor (Pl) durch die Beschaltung aus dem ersten und dem zweiten Widerstand (Rl, R2) und der kapazitiven Komponente eine Rückkoppelschaltung aufgebaut ist, welche ein Tiefpassverhalten für eine Rückwirkung einer Festkörperaktor-Spannung und ein Hochpassverhalten für eine Rückkopplung der Festkörperaktor- Ladung bewirkt.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Festkörperaktor (Pl), der erste Widerstand (Rl), der zweite Wi- derstand (R2) und die kapazitive Komponente als eine kombinierte ladungs- und spannungsrückgekoppelte Regelung derart geschaltet sind, dass eine Spannungsrückkopplung für die Regelung eines Gleichanteils des Ansteuersignals (out r) für den Festkorperaktor (Pl) und eine Ladungsruckkopplung für die Regelung eines Wechselanteils des Ansteuersignals (out r) für den Festkorperaktor (Pl) geschaltet ist.
4. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch, bei welcher zumindest ein Teil des ersten Widerstands (Rl), des zweiten Widerstands (R2) und der kapazitiven Komponente hinsichtlich deren Widerstands- bzw. Kapazitatswerte veränderbar einstellbar sind zum Einstellen der Regelparameter der Schaltung.
5. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch 4, bei welcher die Widerstands- bzw. Kapazitatswerte veränderbar einstellbar sind zum voneinander unabhängigen Einstellen der Regelparameter der Schaltung.
6. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch, bei welcher ein Sample- und Hold-Glied (13) in die Verstarkeranordnung
(12, 14; 12, 14*) geschaltet ist zum Halten eines am Festkorperaktor (Pl) aktuellen Spannungswerts (h) , wenn der Betrieb des Festkorperaktors (Pl) gestoppt wird, und zum Anlegen des gehaltenen Spannungswerts (h) an die Regelschleife beim Anfahren des Festkorperaktors (Pl) durch Einschalten der Ruckkopplung.
7. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch als Bestandteil einer analogen oder hybriden Treiberstufe zum Ansteuern des zumindest einen Festkorperaktors (Pl) .
8. Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung mit zumindest einer Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch.
9. Festkorperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 mit
- einem Antriebskorper (3) ,
- einer Öffnung (5) in dem Antriebskorper (3), - einer in die Öffnung (5) zumindest hineinfuhrenden Welle (2) und
- zumindest einem ersten und einem zweiten Festkorperaktor (Pl, P2) zum Antreiben des Antriebskorpers (3) zu einer die Welle (2) in Rotation versetzenden translatorischen Bewegung, - wobei die Festkörperaktoren (Pl, P2) über eine gemeinsame oder über jeweils eine eigene solche Schaltung ansteuerbar geschaltet sind.
10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Festkörperaktor (Pl) als piezoelektrischer Festkörperaktor ausgebildet ist.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 oder Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche
9 bis 12, wobei die kapazitive Komponente durch einen Kondensator (Cl) ausgebildet ist.
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