WO2008141909A1 - Festkörperaktor-antriebsvorrichtung mit einer schaltung zum erfassen eines aktorsignals eines festkörperaktors - Google Patents

Festkörperaktor-antriebsvorrichtung mit einer schaltung zum erfassen eines aktorsignals eines festkörperaktors Download PDF

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WO2008141909A1
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WO
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solid
signal
state actuator
drive device
state
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PCT/EP2008/055432
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French (fr)
Inventor
Andreas Kappel
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
Bernhard Gottlieb
Juan Manuel Roldan Gomez
Jürgen SCHEMEL
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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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
    • H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
    • H02N2/142—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. speed, torque, starting, stopping, reversing

Definitions

  • Solid-state actuator drive device with a circuit for detecting an actuator signal of a solid-state actuator
  • the invention relates to a solid-state actuator drive device with a circuit for detecting an actuator signal of a solid-state actuator with the Oberbegriffliehen features according to claim 1 or to a circuit for detecting an actuator signal of a solid-state actuator of such a solid-state actuator drive device.
  • 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.
  • the drive device consists essentially of preferably two or more solid state actuators and a drive body, which is mechanically rigidly connected via the solid state actuators with an inner wall of the housing.
  • 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 a passage opening. 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 solid-state actuators so that a shaft outer wall with a drive body inner wall in frictional and form-fitting is such that the shaft is set into the shaft rotation by the movement of the drive body.
  • the first and the second of the solid state actuators are in their effective direction arranged 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. According to the voltages or charges, the solid-state actuators expand accordingly or possibly contract together.
  • 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 insufficiently possible to make full use of the sensor properties inherent in the piezoelectric actuators used during engine operation.
  • a method for measuring the load torque on a piezo ring motor by setting up the power balance / energy balance on the piezoelectric solid state actuators is generally known.
  • the high charging and discharging power of the piezoelectric solid state actuators is offset by at least one order of magnitude lower emitted mechanical power.
  • the measuring signal is covered by a powerful control signal.
  • the charge measurement as a measurement of the current integral over time is often overlaid by a strong drift.
  • Another method of torque measurement in engine operation is based on the measurement of a phase shift. However, it is only applicable during ongoing engine operation.
  • the object of the invention is to propose a solid-state actuator drive device with a circuit for detecting an actuator signal of a solid-state actuator or on a corresponding circuit, which provides monitoring of operating states and more extensive inference information. speeds on occurring mechanical and / or electrical loads.
  • a solid-state actuator drive device with a circuit for detecting an actuator signal of a solid-state actuator having the features according to claim 1 or to a circuit for detecting an actuator signal of a solid-state actuator of such a solid-state actuator drive device.
  • Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.
  • a solid-state actuator drive device having a drive body, an opening in the drive body, a shaft leading into the opening, a first solid-state actuator and at least one further solid-state actuator for driving the drive body to a translatory movement that rotates the shaft, a driver circuit for Driving the solid state actuators by means of a driver signal and circuit components in the driver circuit or another circuit for detecting an actuator signal of the first of the solid state actuators, wherein the circuit components are designed as a detection arrangement for detecting a measurement signal as the actuator signal and for determining an electrical and / or mechanical Reso - Nanzfrequenz the solid-state actuator drive device from the measurement signal.
  • the resonant frequency is preferably determined during operation of the solid state actuator drive device, but may be e.g. For external forces, which act at a standstill on the solid-state actuator drive device to be determined even at a standstill.
  • the solid-state actuator drive device preferably has a signal generator which outputs a sinusoidal signal with a frequency which changes during operation, which is applied as an excitation signal via a transformer arrangement to the solid state actuator in addition to the driver signal.
  • the signal generator preferably outputs the sinusoidal signal with a continuously changing frequency in such a way that the frequency changes during one cycle from a start frequency to an end frequency and optionally also back again.
  • the signal generator changes a frequency value of the changing frequency.
  • the signal generator outputs a current sample of the sinusoidal signal to a digital-to-analog converter, wherein the digital-to-analog converter converts the excitation signal analogously converted from the sinusoidal signal via the transformer arrangement to the solid-state actuator create.
  • the sinusoidal signal is advantageously dimensioned sufficiently weak relative to the driver signal, not to put the solid-state actuator in deviation to a driven by the driver signal movement in motion.
  • the transformer arrangement has in particular two inductive elements
  • Components which are magnetically coupled to apply the excitation signal to the solid-state actuator are magnetically coupled to apply the excitation signal to the solid-state actuator.
  • the detection arrangement preferably has an input low-pass and an analog-to-digital converter which are designed to pick up a received signal from the solid-state actuator via two inductive components set up in the transformer arrangement and filtered and digitized as the measurement signal ready for the frequency range of the excitation signal - to deliver.
  • the detection arrangement has a signal processor, which is designed to determine the resonant frequency of the solid-state actuator drive device from the measurement signal and / or to determine a physical variable which contains the resonant frequency relative to the excitation signal in the form of a level and / or a phase the measuring signal.
  • the signal processor is designed in particular for performing a Fourier transformation.
  • a clock source preferably provides a clock for commonly clocking both the signal generator to provide the excitation signal and the analog-to-digital converter to provide the measurement signal.
  • a measurement cycle of the resonance measurement is expediently synchronized with a phase angle of the drive signal of the solid-state actuator and / or a rotational frequency of the drive body and / or the shaft is sufficiently small, so that the resonance measurement takes place in such a small time window that the change in the rotational angle of the drive body and / / or the wave is negligible. It is advantageous to limit the frequency range of the resonance measurement to less than 200 kHz, preferably less than 100 kHz, in particular to 10 kHz to 50 kHz.
  • a circuit, in particular integrated circuit, with these circuit components of such a solid-state actuator drive device for detecting the measurement signal as the actuator signal and for determining the electrical and / or mechanical resonance frequency of the solid-state actuator drive device during operation of the solid-state actuator drive device is advantageously advantageous the measuring signal.
  • the solid state actuator is particularly preferably designed as a piezoelectric solid state actuator.
  • a measurement of electrical and mechanical resonance frequencies of a piezoelectric actuator is also carried out during operation by using an integrated circuit for impedance measurement.
  • an impedance measuring circuit consists in particular of a variable-frequency sine-wave generator and a pick-up circuit for measuring a sine signal in terms of level and phase with respect to the sine-wave generator.
  • Hervorzuhe- Ben is an electrical transformer arrangement for coupling and decoupling the measurement signal in a drive circuit of the piezoelectric actuator. It is also particularly advantageous if at least one of the inductances of the transformer arrangement is connected in series with the correspondingly wired solid-state actuator.
  • the preferred method thus provides further access to information from, in particular, a piezoelectric motor as an exemplary solid-state actuator drive device during engine operation. Not only is the solid-state actuator analyzed, but also mechanical and electrical components coupled to the solid-state actuator are analyzed.
  • the method thereby presents a new approach for obtaining measured values from e.g.
  • the basis is the measurement of the electrical and mechanical resonance frequencies of the piezoelectric solid state actuators installed in the piezo ring motor with the coupled mechanism.
  • the electrical resonance frequency is determined by the electrical properties of the solid state actuator and the circuit in which the solid state actuator is operated.
  • the mechanical resonances are determined by the masses, spring constants and lever lengths coupled to the solid-state actuator.
  • Advantages of the resonance measurement on the solid-state actuator drive device are in particular that different components of the solid-state actuator drive device have different resonances and are therefore distinguishable, resulting in a high information content.
  • Such an arrangement and circuit offers a high sensitivity. Since amplitude measurement is not required, a corresponding arrangement and circuit is therefore insensitive to amplitude drift.
  • a solid-state actuator drive device is understood to mean a drive device which converts an electrical drive signal into a mechanical movement of a driven body with the aid of excited solid state actuators.
  • solid state actuators in particular multi-layer PMA design as piezoelectric actuators and versions with other types of solid state actuators are used, for example, magnetostrictive, electrostrictive or electromagnetically acting solid state actuators.
  • Advantages of the thus constructed circuit or such a procedure when operating such a drive device consist in a use of the sensor properties in particular piezoelectric drives for measuring aging, Justa geproblemen and acting loads in applications such as robotics, z.
  • automotive technology z. B. for a flap adjustment with integrated air mass sensor, or aerospace engineering, z. B. in conjunction with control flaps for an exhaust jet.
  • FIG. 1 shows a solid-state actuator drive device with a preferred circuit for performing a resonance measurement of a solid-state actuator in such a solid-state actuator drive device
  • Fig. 3 is an enlarged view of the drive circuit of Fig. 1;
  • FIGS. 1 and 3 shows a simulation circuit for the construction according to FIGS. 1 and 3;
  • FIG. 5 is a simulation result illustrating signal waveforms according to the preferred embodiment.
  • FIG. 1 shows a solid-state actuator drive device 0 with a drive circuit 8 for driving a solid-state actuator P1 in such a solid-state actuator drive device.
  • a corresponding drive circuit is also provided for other solid state actuators P2 of such a solid-state actuator drive device 0 arranged a common combined drive circuit.
  • the exemplary solid-state actuator drive device 0 consists of a multiplicity of individual components, wherein the illustrated components can be supplemented by further components or can be exchanged for equivalent components of another design.
  • the solids peractor drive device 0 has a housing 1, which receives the other 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.
  • a solid-state actuator drive device is used to set the shaft 2 in a shaft rotation about the shaft axis X.
  • the drive device consists essentially of preferably the two or more solid-state actuators 8, 8 * and a drive body 3.
  • the drive body 3 is connected via the solid-state actuators 8, 8 * mechanically, in particular mechanically rigidly connected to a wall of the housing 1.
  • the solid state actuators 8, 8 * are fastened to the housing via bearing elements 7.
  • the solid state actuators 8, 8 * are arranged such that they move the drive body 3 relative to the housing 1 in a translational movement in a plane x, y perpendicular to the axial direction z.
  • the translational movement sets the drive body 3 in a reciprocating motion, advantageously a circular movement.
  • the drive body 3 has an opening 5, which is formed in particular as a passage opening. Through the opening 5 of the drive body 3, the shaft 2 passes, wherein the outer diameter of the shaft 2 is less than the inner diameter of the opening 5 of the drive body 3.
  • the drive body 3 is adjusted by the solid state actuators 8, 8 * such that a shaft outer wall is preferably continuous with a drive body inner wall in friction and form fit, so that the shaft 2 is put into the shaft rotation by the movement of the drive body 3 becomes.
  • the solid state actuators 8, 8 * At least serves a control device 6, which via conductors 60, the individual Solid state actuators 8, 8 * with voltages u, in particular v (t) or charges drives.
  • a separate such control device is provided for each of the solid state actuators 8, 8 *. According to the voltages u and charges, the solid-state actuators 8, 8 * expand accordingly or possibly contract together.
  • conductors 60 or additional conductors can be used to signal, in particular voltages or charges, the solid-state actuators 8, 8 * in the opposite direction
  • Control device 6 to transmit. This makes it possible to utilize the dual functionality of the solid-state actuators 8, 8 * in order to use them not only as solid-state actuators but also as sensors. On the solid state actuators 8, 8 * acting forces cause in these a charge shift or
  • FIGS. 1 and 3 show a particularly preferred circuit component 10, which may be provided independently or as part of the control device 6.
  • FIG. 1 the functionally important components of an exemplary piezoring motor are shown in the form of a ring as the drive body 3, the shaft 2 and two piezoelectric actuators in a motor housing as the housing 1 in an axial sectional view from the perspective of the shaft 2 the solid state actuators 8, 8 *.
  • the flexurally rigid shaft 2 is rotatable but transversal, ie rigidly mounted in the housing 1 perpendicular to its cylindrical axis, for example by sliding or roller bearings.
  • the shaft 2 is surrounded by the mechanically rigid and cylindrical configured ring whose inner diameter exceeds the shaft diameter by, for example, currently typically 10 microns - 30 microns.
  • the both piezoelectric solid state actuators 8, 8 * are connected at an angle of 90 ° relative to each other mechanically rigidly connected at one end to the drive body 3 in the form of the ring and, for example by welding, a screw or a clamp connection at the opposite end to the housing 1 ,
  • the shaft 2 rolls, driven by the translation of the drive body 3, on the inner surface of the drive body 3, as is exemplified with reference to FIG. 2 for generating a left turn in the piezomotor.
  • the direction of rotation of the shaft 2 is controlled.
  • the sketched in Fig. 1 and 3 schematic circuit 10 consists of three blocks, which are brought together via a transformer assembly 20.
  • the three blocks are a driver circuit 19 with the downstream solid-state actuator 8, a signal generator circuit and a detection arrangement.
  • the driver circuit 19 has a voltage source v (t) or a current source and is designed, in particular, as a piezo driver for driving the solid-state actuator 8, which is designed as a piezoelectric solid-state actuator 8, by means of a drive signal tr (t).
  • the drive signal tr (t) causes the solid-state actuator 8 sets the drive body with the corresponding direction component in its translational movement.
  • the solid-state actuator 8 is connected at its second terminal to a first coil L 1 or inductive component of the transformer arrangement 20.
  • the first coil L1 is connected with its second connection to a base voltage, in particular ground or a ground connection.
  • the signal generator circuit is designed to generate a sinusoidal signal s (t) and consists of a digital signal generator 15 or DDS (Direct Digital Synthesis) and a downstream digital-to-analog converter DAC 16.
  • the digital-to-analog converter DAC 16 sets the digital sinusoidal signal s (t) of the signal generator 15 in an analog signal and applies this as an excitation signal as (t) to a first terminal of a second coil L2 or inductive component of the transformer assembly 20 at.
  • the second coil L2 is connected with its second connection to the base voltage, in particular ground or the ground connection.
  • the first coil L1 of the transformer arrangement 20 receives analog measuring signal ms (t) from the digital-to-analog converter DAC 16 or the second coil L2 and transmits this excitation signal as (t) to the solid-state actuator 8.
  • the digital signal generator 15 is designed to generate the sinusoidal signal s (t) with continuously changing frequency, a so-called sweep.
  • the frequency changes during a cycle from a start frequency to a final frequency.
  • the frequency thereafter changes back from the end frequency to the start frequency during the cycle.
  • the rate of change is determined structurally by correspondingly dimensioned components or can be set by setting a variable frequency increase or frequency decrease value.
  • the detection arrangement is designed for the measurement signal recording of a measurement signal ms (t), for the evaluation of the measurement signal ms (t) and for communication with further, in particular re to the circuit externally arranged components.
  • the detection arrangement consists of an input low-pass filter 17, which is followed by an analog-to-digital converter ADC or 14, a signal processor 12 or a suitable circuit for performing a discrete Fourier transform DFT and an interface 11.
  • the input low-pass filter 17 is connected to a connected first terminal of a third coil L3 or inductive component of the transformer assembly 20 and receives from this a received signal e (t), which serves as a basis for the measurement signal ms (t).
  • the third coil L3 is connected with its second connection to the base voltage, in particular ground or the ground connection.
  • the signal processor 12 is connected downstream of the analog-to-digital converter 14.
  • the analog-to-digital converter ADC or 14 converts the currently applied filtered received signal ef (t) into the actual measured signal ms (t) and provides this to the signal processor 12.
  • the interface 11 is designed in particular as a user interface UI and designed to output one or more output signals provided by the signal processor 12.
  • the third coil L3 of the transformer assembly 20 receives analog signals from the solid-state actuator 8 and the first coil L1, respectively, and transmits them as the reception signals e (t) to the input low-pass filter 17.
  • a central oscillator 13 serves as the clock source 13 or as a time base for the signal generator 15 and the analog-to-digital converter 14 and applies this to the clock t.
  • a further central element for the signal processing is the signal processor 12.
  • the signal processor 12 can be designed by a circuit for performing a Fourier transformation, in particular a discrete Fourier transformation DFT.
  • the signal processor 12 outputs a frequency-dependent signal as the or the output signals f off.
  • the signal processor 12 determines or calculates from the analog measurement signal ma (t) as the one or more output signals f the level and the phase with respect to the signal of the signal generator 15. From both values, one resonance frequency rf or several resonance frequencies can be obtained in the frequency response determine rf (see Fig. 5).
  • the function of resonance measurement at the e.g. piezoelectric solid-state actuator 8 described.
  • the boundary conditions are kept constant from measurement to measurement.
  • the essential influence on the resonances has as a decisive such boundary condition z.
  • the measurement cycle of the resonance measurement is synchronized with the phase angle ⁇ of the drive functions of the solid-state actuator 8 and / or the rotation frequency of the motor is sufficiently small so that it is quasi static with respect to the resonance measurement.
  • quasi-static is meant that the resonance measurement in such a small
  • Time window expires that the change in the motor rotation angle as the solid-state actuator drive device 0 can be neglected.
  • the measuring time for recording the resonances can be a problem and should be kept as short as possible for problem reduction or problem avoidance.
  • a limitation of the frequency range of the resonance measurement can be made.
  • the limitation of the frequency range of the resonance measurement is carried out, for example, in the signal generator 15 by the definition of a start and end frequency and optionally a variable Frequenzanctions- or Frequenzabfallswert.
  • Fig. 4 shows a simulation circuit of a preferred circuit construction.
  • a solid-state actuator Pl * as the first
  • Solid state actuator 8 is simulated therein by a variety of components, so that the other components can be tested for use with a realistic solid state actuator of a solid state actuator drive device for electromechanically driving a body.
  • the simplified circuit of the simulation circuit consists of three blocks with the piezo driver stage, the model of the piezoelectric actuator as the solid state actuator 8 with coupled mechanical load and the circuit for resonance measurement.
  • the solid-state actuator 8 is modeled as a simplified model as a capacitive arrangement. Between ground and a first node, a first and a fourth capacitor Cl, C4 are connected in series. Parallel to the first capacitor Cl, a coil L4 is connected between ground and the fourth capacitor C4. In addition, a second capacitor C2 is connected between the node and the driver stage. Parasitic parallel and series resistances are neglected here.
  • the mechanical load coupled to the solid state actuator 8 is determined by the sensor effect of e.g. Piezoceramic also electrically coupled to the solid state actuator 8. Via the fourth capacitor C4, this coupling is taken into account in the simulation circuit according to FIG.
  • the mechanical resonance, the masses coupled to the solid-state actuator 8, is simulated by the resonant circuit consisting of the elements of the fourth coil L4 and the first capacitor C1.
  • the piezo driver stage or driver circuit 19 is designed as an emitter follower and enables a voltage-controlled Driving the solid-state actuator 8 via the second capacitor C2.
  • the piezo driver stage is simplified in two transistors Ql, Q2 whose base terminals are connected to the positive pole of a second, grounded voltage source V2.
  • a third voltage source V3 is connected between ground and collector of the first transistor Ql.
  • Emitter of the first transistor Ql and emitter of the second transistor Q2 are electrically connected and connected via a first resistor Rl to the second capacitor C2.
  • the collector of the second transistor Q2 is grounded.
  • the resonance measurement is implemented as a resonance measurement circuit 10.
  • a sinusoidal signal is coupled through the transformer arrangement 20, consisting of three magnetically coupled inductors or the coils L1, L2 and L3, via the second coil L2 into the piezo driver circuit and coupled out again by the third coil L3.
  • a voltage source Vl connected to the second coil L2 represents the signal generator 15 for the sinusoidal test signal.
  • a resistor R3 connected to the third coil L3 represents the load as representative of the actual measuring circuit.
  • the exact structure, the components of the resonance measurement, FIG 3 are taken. The structure shown is purely borrowed for simulation.
  • the analysis of the resonance frequencies by calculating the level and phase frequency response from the voltages Vin and Vout is carried out by a simulation software. In the real construction, these calculations are performed by building blocks as shown in FIG.
  • the core of the resonance measurement is an integrated network analyzer.
  • Such an integrated circuit consists of a signal source, a digital signal generator with a digital-to-analog converter.
  • a controller uses a sinusoidal signal generated with increasing frequency.
  • the sinusoidal signal is amplified provided at an output and forms the voltage source Vl in Fig. 4 from.
  • the second part of the integrated circuit is a receiving part for receiving the sinusoidal measuring signal.
  • the input of this circuit is here represented by the third resistor R3.
  • the signal is filtered, the amplitude and the phase measured with respect to the generator signal.
  • the amplitude and phase response is output via a digital interface and can be evaluated with a computer.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals zumindest eines Festkörperaktors bzw. auf eine solche Schaltung. Die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung (0) ist ausgebildet mit einem Antriebskörper (3), einer Öffnung (5) in dem Antriebskörper (3), einer in die Öffnung (5) hineinführenden Welle (2), Festkörperaktoren (8, 8*) zum Antreiben des Antriebskörpers (3) zu einer die Welle (2) in Rotation versetzenden translatorischen Bewegung, einer Treiberschaltung (19) zum Ansteuern der Festkörperaktoren (8, 8*) mittels eines Treibersignals (tr(t)) und Schaltungskomponenten (10) zum Erfassen eines Aktorsignals eines der Festkörperaktoren (8), wobei die Schaltungskomponenten ausgelegt sind als Erfassungsanordnung zum Erfassen eines Mess-Signals (ms (t) ) als dem Aktorsignal und zum Bestimmen einer elektrischen und/oder mechanischen Resonanzfrequenz (fr) der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung (0) während des Betriebs der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung (0) aus dem Mess-Signal (ms (t) ).

Description

Beschreibung
Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors mit den Oberbegriffliehen Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. auf eine Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors einer solchen Festkörperaktor-AntriebsVorrichtung.
Aus DE 199 52 946 Al ist ein piezoelektrischer Antrieb bekannt, der auch als Piezoringmotor bezeichnet wird. Dieser bildet eine Form einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung aus und besteht aus einem Gehäuse, welches weitere Komponenten 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 Ver- setzen der Welle um die Wellenachse in eine Wellenrotation dient eine Antriebsvorrichtung. Die Antriebsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus vorzugsweise zwei oder mehr Festkörperaktoren und einem Antriebskörper, welcher über die Festkörperaktoren mechanisch steif mit einer Innenwandung des Gehäuses verbunden ist. Die Festkörperaktoren sind derart angeordnet, dass sie den Antriebskörper relativ zu dem Gehäuse in eine Translationsbewegung in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung versetzen. Der Antriebskörper weist eine Öffnung als Durchgangsöffnung auf. Durch die Öffnung führt die Welle hindurch, wobei der Außendurchmesser der Welle etwas geringer als der Innendurchmesser der Öffnung ist. Der Antriebskörper wird durch die Festkörperaktoren so verstellt, dass eine Wellen-Außenwandung mit einer Antriebskörper-Innenwandung so in Reib- und Formschluss steht, dass durch die Be- wegung des Antriebskörpers die Welle in die Wellenrotation versetzt wird. Hinsichtlich der Ansteuerung sind der erste und der zweite der Festkörperaktoren in ihrer Wirkrichtung senkrecht zueinander in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse der Welle angeordnet.
Zum Ansteuern der Festkörperaktoren dient eine Steuereinrich- tung, welche über Leiter die einzelnen Festkörperaktoren mit Spannungen bzw. Ladungen ansteuert. Entsprechend der Spannungen bzw. Ladungen dehnen sich die Festkörperaktoren entsprechend aus bzw. ziehen sich gegebenenfalls zusammen.
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 durch die verwendeten piezoelektrischen Aktoren inhärenten Sensoreigenschaften während des Motorbetriebes im vollen Umfang nutzbar zumachen.
Bekannt ist allgemein ein Verfahren zur Messung des Lastmo- mentes an einem Piezoringmotor durch Aufstellen der Leistungsbilanz/Energiebilanz an den piezoelektrischen Festkörperaktoren. Bei einer solchen Messung steht den hohen Lade- und Entladeleistung an den piezoelektrischen Festkörperaktoren eine um mindestens eine Größenordnung kleinere abgegebene me- chanische Leistung gegenüber. Das Mess-Signal wird durch ein leistungsstarkes Ansteuersignal überdeckt. Des Weiteren ist die Ladungsmessung als Messung des Stromintegrals über der Zeit oft von einer starken Drift überlagert. Ein weiteres Verfahren zur Drehmomentmessung im Motorbetrieb beruht auf der Messung einer Phasenverschiebung. Es ist jedoch nur im laufenden Motorbetrieb anwendbar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer Schaltung zum Erfassen ei- nes Aktorsignals eines Festkörperaktors bzw. auf eine entsprechende Schaltung vorzuschlagen, welche eine Überwachung von Betriebszuständen und umfangreichere Rückschlussmöglich- keiten auf auftretende mechanische und/oder elektrische Lasten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Festkörperaktor- Antriebsvorrichtung mit einer Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. auf eine Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals eines Festkörperaktors einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Bevorzugt wird somit eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einem Antriebskörper, einer Öffnung in dem Antriebskörper, einer in die Öffnung zumindest hineinführenden Welle, einem ersten Festkörperaktor und zumindest einem weiteren Festkörperaktor zum Antreiben des Antriebskörpers zu einer die Welle in Rotation versetzenden translatorischen Bewegung, einer Treiberschaltung zum Ansteuern der Festkörperaktoren mittels eines Treibersignals und Schaltungskomponenten in der Treiberschaltung oder einer weiteren Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals des ersten der Festkörperaktoren, wobei die Schaltungskomponenten ausgelegt sind als Erfassungsanordnung zum Erfassen eines Mess-Signals als dem Aktorsignal und zum Bestimmen einer elektrischen und/oder mechanischen Reso- nanzfrequenz der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung aus dem Mess-Signal. Das Bestimmen der Resonanzfrequenz erfolgt vorzugsweise während des Betriebs der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung, kann aber z.B. bei externen Kräften, welche im Stillstand auf die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung ein- wirken, auch im Stillstand bestimmt werden.
Bevorzugt weist die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung einen Signalgenerator auf, der ein sinusförmiges Signal mit einer sich während des Betriebs verändernden Frequenz ausgibt, wel- ches als ein Anregungssignal über eine Übertrageranordnung an den Festkörperaktor zusätzlich zu dem Treibersignal angelegt wird. Der Signalgenerator gibt das sinusförmige Signal bevorzugt mit sich kontinuierlich verändernder Frequenz derart aus, dass sich die Frequenz während eines Zyklus von einer Startfrequenz zu einer Endfrequenz und optional auch wieder zurück ändert. Der Signalgenerator ändert insbesondere beim Anlegen eines Takts eines Taktsignals an den Signalgenerator einen Frequenzwert der sich verändernden Frequenz.
Der Signalgenerator gibt insbesondere bei jedem Anlegen eines Taktes eines Taktsignals an den Signalgenerator einen momentanen Abtastwert des sinusförmigen Signals an einen Digital- Analog-Umsetzer aus, wobei der Digital-Analog-Umsetzer das aus dem sinusförmigen Signal analog umgesetzte Anregungssignal über die Übertrageranordnung an den Festkörperaktor an- legt. Das sinusförmige Signal ist vorteilhaft relativ zu dem Treibersignal ausreichend schwach dimensioniert ist, den Festkörperaktor nicht abweichend zu einer von dem Treibersignal angesteuerten Bewegung in Bewegung zu versetzen.
Die Übertrageranordnung weist insbesondere zwei induktive
Komponenten auf, die magnetisch gekoppelt geschaltet sind zum Anlegen des Anregungssignals an den Festkörperaktor.
Die Erfassungsanordnung weist bevorzugt einen Eingangstief- pass und einen Analog-Digital-Umsetzer auf, die ausgestaltet sind, über zwei in der Übertrageranordnung eingerichtete induktive Komponenten ein Empfangssignal von dem Festkörperaktor abzugreifen und auf den Frequenzbereich des Anregungssignals gefiltert und digitalisiert als das Mess-Signal bereit- zustellen.
Die Erfassungsanordnung weist insbesondere einen Signalprozessor auf, welcher ausgestaltet ist zum Bestimmen der Resonanzfrequenz der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung aus dem Mess-Signal und/oder zum Bestimmen einer die Resonanzfrequenz relativ zu dem Anregungssignal auslesbar enthaltenden physikalischen Größe in Form eines Pegels und/oder einer Phase aus dem Mess-Signal. Der Signalprozessor ist dazu insbesondere ausgelegt zum Durchführen einer Fourier-Transformation .
Eine Taktquelle stellt vorzugsweise einen Takt bereit zum ge- meinsamen Takten sowohl des Signalgenerators zum Bereitstellen des Anregungssignals als auch des Analog-Digital-Umsetzers zum Bereitstellen des Mess-Signals .
Ein Messzyklus der Resonanzmessung ist zweckmäßig mit einem Phasenwinkel des Treibersignals des Festkörperaktors synchronisiert und/oder eine Rotationsfrequenz des Antriebskörpers und/oder der Welle ist genügend klein, so dass die Resonanzmessung in einem so kleinen Zeitfenster abläuft, dass die Veränderung des Drehwinkels des Antriebskörpers und/oder der Welle vernachlässigbar ist. Vorteilhaft ist eine Begrenzung des Frequenzbereiches der Resonanzmessung auf weniger als 200 kHz, vorzugsweise weniger als 100 kHz, insbesondere auf 10 kHz bis 50 kHz.
Eigenständig vorteilhaft ist eine Schaltung, insbesondere integrierte Schaltung, mit diesen Schaltungskomponenten einer solchen der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung zum Erfassen des Mess-Signals als dem Aktorsignal und zum Bestimmen der elektrischen und/oder mechanischen Resonanzfrequenz der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung während des Betriebs der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung aus dem Mess-Signal.
Der Festkörperaktor ist besonders bevorzugt als piezoelektrischer Festkörperaktor ausgebildet.
Verfahrensgemäß wird somit eine Messung von elektrischen und mechanischen Resonanzfrequenzen eines piezoelektrischen Aktors auch während des Betriebes durch Verwendung einer integrierten Schaltung zur Impedanzmessung durchgeführt. Eine sol- che Schaltung zur Impedanzmessung besteht insbesondere aus einem Sinus-Generator mit veränderlicher Frequenz und einer Aufnahmeschaltung zur Messung eines Sinus-Signales bezüglich Pegel und Phase in Bezug auf den Sinus-Generator. Hervorzuhe- ben ist eine elektrische Übertrageranordnung zur Ein- und Auskopplung des Mess-Signals in eine Ansteuerschaltung des piezoelektrischen Aktors. Weiter von besonderem Vorteil ist, wenn mindestens eine der Induktivitäten der Übertrageranord- nung in Serie zum entsprechend beschalteten Festkörperaktor geschaltet ist.
Das bevorzugte Verfahren stellt somit einen weiteren Zugang zu Informationen aus insbesondere einem piezoelektrischen Mo- tor als einer beispielhaften Festkörperaktor- Antriebsvorrichtung während des Motorbetriebes dar. Dabei wird nicht nur der Festkörperaktor analysiert, sondern es werden auch mechanisch und elektrisch an den Festkörperaktor gekoppelte Komponenten analysiert.
Das Verfahren stellt dabei einen neuen Ansatz zur Gewinnung von Messwerten aus z.B. dem piezoelektrischen Ringmotor als der beispielhaften Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung dar. Grundlage bildet die Messung der elektrischen und mechani- sehen Resonanzfrequenzen der im Piezo-Ringmotor verbauten piezoelektrischen Festkörperaktoren mit der gekoppelten Mechanik. Die elektrische Resonanzfrequenz wird bestimmt durch die elektrischen Eigenschaften des Festkörperaktors und die Schaltung in welcher der Festkörperaktor betrieben wird. Die mechanischen Resonanzen werden durch die an den Festkörperaktor gekoppelten Massen, Federkonstanten und Hebellängen bestimmt. So verkürzt eine auf den Festkörperaktor wirkende Kraft den Festkörperaktor und vergrößert so dessen Kapazität, wodurch die elektrische Resonanzfrequenz hin zu tieferen Fre- quenzen verschoben wird. Vorteilhaft wird diese Erkenntnis vorliegend durch eine Resonanzmessung für einen piezoelektrischen Motor umgesetzt.
Somit ergeben sich deutliche Vorteile gegenüber dem derzeit weniger vorteilhaft komplizierten Aufbau. Jedoch bietet der Aufbau die Möglichkeit zur Integration, z. B. im Rahmen eines integrierten Impedanz-Konverters .
Vorteile der Resonanzmessung an der Festkörperaktor- Antriebsvorrichtung, insbesondere dem Piezoringmotor, bestehen insbesondere darin, dass verschiedene Komponenten der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung unterschiedliche Resonanzen haben und daher unterscheidbar sind, wodurch sich ein großer Informationsgehalt ergibt. Eine solche Anordnung und Schaltung bietet eine hohe Empfindlichkeit. Da Amplitudenmessung nicht erforderlich ist, ist eine entsprechende Anordnung und Schaltung daher unempfindlich gegenüber einer Amplitudendrift.
Dabei wird unter einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung eine Antriebsvorrichtung verstanden, welche mit Hilfe von in Erregung versetzten Festkörperaktoren ein elektrisches Ansteuersignal in eine mechanische Bewegung eines anzutreibenden Körpers umsetzt.
Neben Festkörperaktoren in insbesondere mehrschichtiger PMA- Bauweise als piezoelektrische Aktoren sind auch Ausführungen mit andersartigen Festkörperaktoren einsetzbar, beispielsweise magnetostriktive, elektrostriktive oder elektromagnetisch wirkende Festkörperaktoren.
Vorteile der derart aufgebauten Schaltung bzw. einer solchen Verfahrensweise beim Betreiben einer solchen Antriebsvorrichtung bestehen in einer Nutzung der Sensoreigenschaften bei insbesondere Piezoantrieben zur Messung von Alterung, Justa- geproblemen und einwirkenden Lasten in Anwendungsfelder wie beispielsweise der Robotik, z. B. im Rahmen einer Mensch- Maschine-Interaktion, der Automobiltechnik, z. B. für eine Klappenverstellung mit integriertem Luftmassensensor, oder der Luft- und Raumfahrttechnik, z. B. in Verbindung mit Steuerklappen für einen Abgasstrahl.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer bevorzugten Schaltung zum Durchführen einer Resonanzmessung eines Festkörperaktors in einer solchen Festkörperaktor-AntriebsVorrichtung;
Fig. 2 eine Erzeugung einer Linksdrehung in einer solchen Festkörperaktor-AntriebsVorrichtung,•
Fig. 3 vergrößert dargestellt die Ansteuer-Schaltung aus Fig. 1;
Fig. 4 eine Simulationsschaltung zum Aufbau gemäß Fig. 1 und 3; und
Fig. 5 ein Simulationsergebnis zum Veranschaulichen von Signalverläufen entsprechend der bevorzugten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 mit einer Ansteuer-Schaltung 8 zum Ansteuern eines Festkörperaktors Pl in einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0. Zweckmäßigerweise ist auch für weitere Festkörperaktoren P2 einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 je- weils eine entsprechende Ansteuer-Schaltung oder eine gemeinsame kombinierte Ansteuer-Schaltung angeordnet.
Wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die beispielhafte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, wobei die dargestellten Komponenten um weitere Komponenten ergänzbar sind bzw. gegen gleich wirkende Komponenten anderer Bauart austauschbar sind. Die Festkör- peraktor-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 Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung. Die Antriebsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus vorzugsweise den zwei oder mehr Festkörperaktoren 8, 8* und einem Antriebskörper 3. Der Antriebskörper 3 ist über die Festkörperaktoren 8, 8* mechanisch, insbesondere mechanisch steif mit einer Wandung des Gehäuses 1 verbunden. Insbesondere sind die Festkörperaktoren 8, 8* über Lagerelemente 7 am Gehäuse be- festigt. Die Festkörperaktoren 8, 8* sind dabei derart angeordnet, dass sie den Antriebskörper 3 relativ zu dem Gehäuse 1 in eine Translationsbewegung in einer Ebene x, y senkrecht zur axialen Richtung z versetzen. Die Translationsbewegung versetzt den Antriebskörper 3 dabei in eine Hin- und Herbewe- gung, vorteilhafterweise eine kreisförmige Bewegung. Der Antriebskörper 3 weist eine Öffnung 5 auf, welche insbesondere als Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Durch die Öffnung 5 des Antriebskörpers 3 führt die Welle 2 hindurch, wobei der Außendurchmesser der Welle 2 geringer als der Innendurchmes- ser der Öffnung 5 des Antriebskörpers 3 ist. Der Antriebskörper 3 wird durch die Festkörperaktoren 8, 8* derart verstellt, dass eine Wellen-Außenwandung vorzugsweise durchgehend mit einer Antriebskörper-Innenwandung in Reib- und Form- schluss steht, so dass durch die Bewegung des Antriebskörpers 3 die Welle 2 in die Wellenrotation versetzt wird.
Hinsichtlich der Ansteuerung sind der erste und der zweite der Festkörperaktoren 8, 8* in ihrer Wirkrichtung senkrecht zueinander in der Ebene x, y senkrecht zur Rotationsachse der Welle 2 angeordnet.
Zum Ansteuern der Festkörperaktoren 8, 8* dient zumindest eine Steuereinrichtung 6, welche über Leiter 60 die einzelnen Festkörperaktoren 8, 8* mit Spannungen u, insbesondere v(t) bzw. Ladungen ansteuert. Vorzugsweise ist für jeden der Festkörperaktoren 8, 8* eine eigene derartige Steuereinrichtung bereitgestellt. Entsprechend der Spannungen u bzw. Ladungen dehnen sich die Festkörperaktoren 8, 8* entsprechend aus bzw. ziehen sich gegebenenfalls zusammen.
Außerdem können diese Leiter 60 oder zusätzliche Leiter dazu dienen, von den Festkörperaktoren 8, 8* in umgekehrter Rich- tung Signale, insbesondere Spannungen oder Ladungen, zu der
Steuereinrichtung 6 zu übertragen. Dies ermöglich die Ausnutzung der Doppelfunktionalität der Festkörperaktoren 8, 8*, um diese nicht nur als Festkörperaktoren sondern auch als Sensoren einzusetzen. Auf die Festkörperaktoren 8, 8* einwirkende Kräfte verursachen in diesen eine Ladungsverschiebung bzw.
Potenzialänderung, welche dem von der Steuereinrichtung 6 angelegten Spannungs- oder Ladungswert überlagert wird.
Fig. 1 und 3 zeigen eine besonders bevorzugte Schaltungskom- ponenten 10, welche eigenständig oder als Bestandteil der Steuereinrichtung 6 bereitgestellt sein können.
In Fig. 1 sind somit in einem Motorgehäuse als dem Gehäuse 1 in aus Sicht der Welle 2 axialer Schnittansicht die funkti- onswichtigen Bestandteile eines beispielhaften Piezoringmo- tors aufgenommen dargestellt in Form eines Rings als dem Antriebskörper 3, der Welle 2 und zwei piezoelektrische Aktoren als den Festkörperaktoren 8, 8*. Die biegesteife Welle 2 ist drehbar aber transversal, d. h. senkrecht zu ihrer Zylinder- achse, z.B. durch Gleit- oder Wälzlager steif in dem Gehäuse 1 eingebaut. Die Welle 2 wird von dem mechanisch steifen und zylindrischen ausgestalteten Ring umfasst, dessen Innendurchmesser den Wellendurchmesser um z.B. derzeit typisch 10 μm - 30 μm übersteigt. Um ein möglichst hohes Antriebs- Drehmoment erreichen zu können, wird ein Übermaß des Ring- Innendurchmessers wesentlich kleiner als die maximal erreichbare Auslenkung als einem Stellweg der piezoelektrischen Linearaktoren von derzeit typisch 50 μm-90 μm gehalten. Die beiden piezoelektrische Festkörperaktoren 8, 8* sind im Winkel von 90° relativ zueinander mechanisch steif an einem Ende mit dem Antriebskörper 3 in Form des Rings und z.B. durch Schweißen, eine Schraub- oder eine Klemmverbindung am entge- gen gesetzten Ende mit dem Gehäuse 1 verbunden. Durch die Ansteuerung der Festkörperaktoren 8, 8* mit zwei sinusförmigen Spannnungs-Zeit-Funktionen mit einem Phasenversatz von Δγ = +/- 90° wird der Antriebskörper 3 kreisförmig transla- tiert. Die Welle 2 rollt, getrieben von der Translation des Antriebskörpers 3, auf der Innenfläche des Antriebskörpers 3 ab, wie dies anhand Fig. 2 beispielhaft zur Erzeugung einer Linksdrehung im Piezomotor skizziert ist. Über das Vorzeichen des Phasenversatzes Δγ wird die Drehrichtung der Welle 2 kontrolliert .
Die in Fig. 1 und 3 skizzierte schematische Schaltung 10 besteht aus drei Blöcken, die über eine Übertrageranordnung 20 zusammengeführt werden. Die drei Blöcke sind eine Treiberschaltung 19 mit dem nachgeschalteten Festkörperaktor 8, ei- ner Signalgeneratorschaltung und eine Erfassungsanordnung.
Die Treiberschaltung 19 weist eine Spannungsquelle v(t) oder eine Stromquelle auf und ist insbesondere als ein Piezo- Treiber zum Antreiben des als piezoelektrischer Festkörperak- tor 8 ausgestalteten Festkörperaktors 8 mittels eines Treibersignals tr(t) ausgebildet. Das Treibersignal tr(t) bewirkt, dass der Festkörperaktor 8 den Antriebskörper mit der entsprechenden Richtungskomponente in dessen translatorische Bewegung versetzt. Der Festkörperaktor 8 ist mit seinem zwei- ten Anschluss mit einer ersten Spule Ll bzw. induktiven Komponente der Übertrageranordnung 20 verbunden. Die erste Spule Ll ist mit ihrem zweiten Anschluss an eine Basisspannung, insbesondere Masse bzw. einen Erdanschluss geschaltet. Die Signalgeneratorschaltung ist zur Erzeugung eines sinusförmigen Signals s (t) ausgebildet und besteht aus einem digitalen Signalgenerator 15 bzw. DDS (Direct Digital Synthesis) und einem diesem nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler DAC 16. Der Digital-Analog-Wandler DAC 16 setzt das digitale sinusförmige Signal s (t) des Signalgenerators 15 in ein analoges Signal um und legt dieses als ein Anregungssignal as (t) an einen ersten Anschluss einer zweiten Spule L2 bzw. induktiven Komponente der Übertrageranordnung 20 an. Die zweite Spule L2 ist mit ihrem zweiten Anschluss an die Basisspannung, insbesondere Masse bzw. den Erdanschluss geschaltet. Die erste Spule Ll der Übertrageranordnung 20 empfängt analoge Mess-Signal ms (t) von dem Digital-Analog-Wandler DAC 16 bzw. der zweiten Spule L2 und überträgt dieses Anregungssig- nal as (t) an den Festkörperaktor 8.
Der digitale Signalgenerator 15 ist ausgelegt, das sinusförmige Signal s (t) mit sich kontinuierlich verändernder Frequenz, einen sogenannten Sweep, zu erzeugen. Dabei ändert sich die Frequenz während eines Zyklus von einer Startfrequenz zu einer Endfrequenz. Vorzugsweise, aber nicht notwendig ändert sich die Frequenz danach während des Zyklus von der Endfrequenz zur Startfrequenz wieder zurück. Die Änderungsrate wird dabei konstruktiv durch entsprechend dimensio- nierte Komponenten fest vorgegeben oder kann durch Einstellung eines variablen Frequenzanstiegs- bzw. Frequenzabfallswert eingestellt werden. Bei jedem Anlegen eines Taktes t, der von einer Taktquelle 13 bereitgestellt wird, wird ein momentaner Abtastwert des sinusförmigen Signals s (t) ausgege- ben.
Die Erfassungsanordnung ist ausgebildet zur Mess-Signal- aufnahme eines Mess-Signals ms (t) , zur Auswertung des Mess- Signals ms (t) und zur Kommunikation mit weiteren, insbesonde- re zur Schaltung extern angeordneten Komponenten. Die Erfassungsanordnung besteht aus einem Eingangstiefpass 17, dem ein Analog-Digital-Umsetzer ADC bzw. 14 nachgeschaltet ist, einem Signalprozessor 12 oder einer geeigneten Schaltung zur Durch- führung einer diskreten Fourier-Transformation DFT und einer Schnittstelle 11. Der Eingangstiefpass 17 ist an einen ersten Anschluss einer dritten Spule L3 bzw. induktiven Komponente der Übertrageranordnung 20 angeschlossen und empfängt von diesem einen Empfangssignal e (t) , welches als Basis für das Mess-Signal ms (t) dient. Die dritte Spule L3 ist mit ihrem zweiten Anschluss an die Basisspannung, insbesondere Masse bzw. den Erdanschluss geschaltet. Der Signalprozessor 12 ist dem Analog-Digital-Umsetzer 14 nachgeschaltet. Der Analog- Digital-Umsetzer ADC bzw. 14 setzt das momentan anliegende gefilterte Empfangssignal ef (t) in das eigentliche Mess- Signal ms (t) um und stellt dieses dem Signalprozessor 12 bereit. Die Schnittstelle 11 ist insbesondere als ein Benutzerinterface UI ausgestaltet und ausgelegt zur Ausgabe von einem oder mehreren vom Signalprozessor 12 bereitgestellten Ausga- be-Signalen. Die dritte Spule L3 der Übertrageranordnung 20 empfängt analoge Signale von dem Festkörperaktor 8 bzw. der ersten Spule Ll und überträgt diese als die Empfangsignale e(t) an den Eingangstiefpass 17.
Ein zentraler Oszillator 13 dient als die Taktquelle 13 bzw. als eine Zeitbasis für den Signalgenerator 15 und den Analog- Digital-Wandler 14 und legt diesen den Takt t an.
Ein weiteres zentrales Element für die Signalverarbeitung ist der Signalprozessor 12. Auf einfache Art kann der Signalprozessor 12 durch eine Schaltung zur Durchführung einer Fourier-Transformation, insbesondere diskreten Fourier-Trans- formation DFT ausgestaltet sein. In diesem Fall gibt der Signalprozessor 12 ein frequenzabhängiges Signal als das oder die Ausgabe-Signale f aus. Vorzugsweise bestimmt oder berechnet der Signalprozessor 12 aus dem analogen Mess-Signal ma(t) als das oder die Ausgabe-Signale f den Pegel und die Phase bezüglich des Signals des Signalgenerators 15. Aus beiden Werten lassen sich im Frequenzgang eine Resonanzfrequenz rf oder mehrere Resonanzfrequenzen rf (siehe Fig. 5) bestimmen.
Nachfolgend wird die Funktion der Resonanzmessung an dem z.B. piezoelektrischen Festkörperaktor 8 beschrieben. Zur genauen Messung der Resonanzfrequenzen rf werden die Randbedingungen von Messung zu Messung konstant gehalten. Wesentlichen Ein- fluss auf die Resonanzen hat als eine entscheidende solche Randbedingung z. B. die Lage des in Fig. 1 und 2 gezeigten Berührungs- bzw. Kontaktpunktes k zwischen Welle 2 und An- triebskörper 3. Daher wird der Messzyklus der Resonanzmessung mit dem Phasenwinkel γ der Ansteuerfunktionen des Festkörperaktors 8 synchronisiert und/oder die Rotationsfrequenz des Motors ist genügend klein, so dass sie bezüglich der Resonanzmessung quasi statisch ist. Unter quasi statisch wird verstanden, dass die Resonanzmessung in einem so kleinen
Zeitfenster abläuft, dass die Veränderung des Motordrehwinkels als der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung 0 vernachlässigt werden kann.
In jedem Fall kann die Messzeit zur Aufnahme der Resonanzen ein Problem darstellen und sollte zur Problemreduzierung oder Problemvermeidung möglichst kurz gehalten werden. Um die Messzeit möglichst kurz zu halten kann z. B. eine Begrenzung des Frequenzbereiches der Resonanzmessung vorgenommen werden. Die Begrenzung des Frequenzbereiches der Resonanzmessung erfolgt z.B. in dem Signalgenerator 15 durch die Festlegung einer Start- und Endfrequenz und gegebenenfalls einem variablen Frequenzanstiegs- bzw. Frequenzabfallswert. Bei der in Fig. 5 beispielhaften Simulation wurde lediglich beispielhaft ein Frequenzbereich von 100 Hz bis 100 kHz gewählt, welcher für derzeit typisch dimensionierte Piezoringmotoren geeignet ist.
Fig. 4 zeigt eine Simulationsschaltung eines bevorzugten Schaltungsaufbaus. Ein Festkörperaktor Pl* als der erste
Festkörperaktor 8 ist darin durch eine Vielzahl von Komponenten nachgebildet, so dass die weiteren Komponenten für einen Einsatz mit einem realistischen Festkörperaktor einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung zum elektromechanischen Antreiben eines Körpers getestet werden können. Die vereinfachte Schaltung der Simulationsschaltung besteht aus drei Blöcken mit der Piezo-Treiberstufe, dem Model des piezoelektrischen Aktors als dem Festkörperaktor 8 mit angekoppelter mechanischer Last und der Schaltung zur Resonanzmessung.
Der Festkörperaktor 8 ist als Modell vereinfacht nachgebildet als eine kapazitive Anordnung. Zwischen Masse und einen ersten Knoten sind ein erster und ein vierter Kondensator Cl, C4 in Reihe geschaltet. Parallel zum ersten Kondensator Cl ist zwischen Masse und den vierten Kondensator C4 eine Spule L4 geschaltet. Außerdem ist ein zweiter Kondensator C2 zwischen den Knoten und die Treiberstufe geschaltet. Parasitäre Parallel- und Serienwiderstände werden hier vernachlässigt. Die an den Festkörperaktor 8 gekoppelte mechanische Last ist über den Sensoreffekt der z.B. Piezokeramik auch elektrisch an den Festkörperaktor 8 gekoppelt. Über den vierten Kondensator C4 ist diese Kopplung in der Simulationsschaltung nach Fig. 4 berücksichtigt. Die mechanische Resonanz, der an den Festkörperaktor 8 gekoppelten Massen ist durch den Resonanz- kreis bestehend aus den Elementen der vierten Spule L4 und den ersten Kondensator Cl nachgebildet.
Die Piezo-Treiberstufe bzw. Treiberschaltung 19 ist als Emit- terfolger ausgeführt und ermöglicht eine spannungsgeregelte Ansteuerung des Festkörperaktors 8 über den zweiten Kondensator C2. Die Piezo-Treiberstufe besteht vereinfacht aus zwei Transistoren Ql, Q2, deren Basisanschlüsse an den positiven Pol einer zweiten, auf Masse geschalteten Spannungsquelle V2 geschaltet sind. Eine dritte Spannungsquelle V3 ist zwischen Masse und Kollektor des ersten Transistors Ql geschaltet. Emitter des ersten Transistors Ql und Emitter des zweiten Transistors Q2 sind elektrisch verbunden und über einen ersten Widerstand Rl auf den zweiten Kondensator C2 geschaltet. Der Kollektor des zweiten Transistors Q2 ist auf Masse geschaltet .
Die Resonanzmessung wird als Resonanzmess-Schaltung 10 umgesetzt. Dazu wird durch die Übertrageranordnung 20, bestehend aus drei magnetisch gekoppelten Induktivitäten bzw. den Spulen Ll, L2 und L3, über die zweite Spule L2 ein sinusförmiges Signal in die Piezo-Treiberschaltung eingekoppelt und durch die dritte Spule L3 wieder ausgekoppelt. Eine an die zweite Spule L2 geschaltete Spannungsquelle Vl stellt den Signalge- nerator 15 für das sinusförmige Testsignal dar. Ein an die dritte Spule L3 geschalteter Widerstand R3 stellt die Last stellvertretend für die eigentliche Messschaltung dar. Der genaue Aufbau, die Komponenten der Resonanzmessung können Fig. 3 entnommen werden. Der dargestellte Aufbau dient ledig- lieh zur Simulation. Die Analyse der Resonanzfrequenzen durch Berechnung des Pegel- und Phasenfrequenzganges aus den Spannungen Vin und Vout erfolgt durch eine Simulationssoftware. Im realen Aufbau werden diese Berechnungen durch Baublöcke wie in Fig. 3 dargestellt ausgeführt.
Kern der Resonanzmessung ist ein integrierter Netzwerkanaly- sator. Ein solcher integrierter Schaltkreis besteht aus einer Signalquelle, einem digitalen Signalgenerator mit einem Digi- tal-Analog-Wandler . Über eine Steuerung wird ein sinusförmi- ges Signal mit steigender Frequenz generiert. Das sinusförmige Signal wird verstärkt an einem Ausgang zur Verfügung gestellt und bildet die Spannungsquelle Vl in Fig. 4 aus. Zweiter Teil der integrierten Schaltung ist ein Empfangsteil zur Aufnahme des sinusförmigen Mess-Signals . Der Eingang dieser Schaltung ist hier durch den dritten Widerstand R3 repräsentiert. Das Signal wird gefiltert, die Amplitude und die Phase bezüglich des Generatorsignals gemessen. Über eine digitale Schnittstelle wird der Amplituden- und Phasenfrequenzgang ausgegeben und kann mit einem Computer ausgewertet werden.
In Fig. 5 ist ein Simulationsergebnis der Simulation der Schaltung nach Fig. 4 dargestellt. Deutlich ist die Resonanz im Amplituden- und Phasenfrequenzgang bei einer Frequenz von f = 19 kHz zu sehen.

Claims

Patentansprüche
1. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung (0) mit
- einem Antriebskörper (3), - einer Öffnung (5) in dem Antriebskörper (3) ,
- einer in die Öffnung (5) zumindest hineinführenden Welle (2),
- einem Festkörperaktor (8) und zumindest einem weiteren Festkörperaktor (8*) zum Antreiben des Antriebskörpers (3) zu einer die Welle (2) in Rotation versetzenden translatorischen Bewegung,
- einer Treiberschaltung (19) zum Ansteuern der Festkörperaktoren (8, 8*) mittels eines Treibersignals (tr(t)) und
- Schaltungskomponenten in der Treiberschaltung oder einer weiteren Schaltung zum Erfassen eines Aktorsignals des
Festkörperaktors (8), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Schaltungskomponenten (10) ausgelegt sind als Erfassungsanordnung zum Erfassen eines Mess-Signals (ms (t) ) als dem Aktorsignal und zum Bestimmen einer elektrischen und/oder mechanischen Resonanzfrequenz (fr) der Festkörperaktor- Antriebsvorrichtung (0) aus dem Mess-Signal (ms (t) ) .
2. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Signalgenerator (15), der ein sinusförmiges Signal
(s (t) ) mit einer sich während des Betriebs verändernden Frequenz ausgibt, welches als ein Anregungssignal (as (t) ) über eine Übertrageranordnung (20) an den Festkörperaktor (8) zusätzlich zu dem Treibersignal angelegt wird.
3. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Signalgenerator (15) das sinusförmige Signal
(s (t) ) mit sich kontinuierlich verändernder Frequenz derart ausgibt, dass sich die Frequenz während eines Zyklus von ei- ner Startfrequenz zu einer Endfrequenz ändert.
4. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher der Signalgenerator (15) beim Anlegen eines Takts (t) eines Taktsignals an den Signalgenerator (15) einen Frequenzwert der sich verändernden Frequenz ändert.
5. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der An- sprüche 2 bis 4, bei welcher der Signalgenerator (15) bei jedem Anlegen eines Taktes (t) eines Taktsignals an den Signalgenerator (15) einen momentanen Abtastwert des sinusförmigen Signals (s (t) ) an einen Digital-Analog-Umsetzer (14) ausgibt, wobei der Digital-Analog-Umsetzer (14) das aus dem sinusför- migen Signal (s (t) ) analog umgesetzte Anregungssignal (as (t) ) über die Übertrageranordnung (20) an den Festkörperaktor (8) anlegt .
6. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der An- sprüche 2 bis 5, bei welcher das sinusförmige Signal (s (t) ) relativ zu dem Treibersignal (tr(t)) ausreichend schwach dimensioniert ist, den Festkörperaktor (8) nicht abweichend zu einer von dem Treibersignal (tr(t)) angesteuerten Bewegung in Bewegung zu versetzen.
7. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei welcher die Übertrageranordnung (20) zwei induktive Komponenten aufweist, die magnetisch gekoppelt geschaltet sind zum Anlegen des Anregungssignals (as (t) ) an den Festkörperaktor (8).
8. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei welcher die Erfassungsanordnung einen Eingangstiefpass (17) und einen Analog-Digital-Umsetzer (14) aufweist, die ausgestaltet sind, über zwei in der Übertrageranordnung (20) eingerichtete induktive Komponenten ein Empfangssignal (e (t) ) von dem Festkörperaktor (8) abzugreifen und auf den Frequenzbereich des Anregungssignals (as (t) ) gefiltert und digitalisiert als das Mess-Signal (ms (t) ) bereit- zustellen.
9. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welcher die Erfassungsanordnung einen Signalprozessor (12) aufweist, welcher ausgestaltet ist zum Bestimmen der Resonanzfrequenz (fr) der Festkörperaktor- Antriebsvorrichtung (0) aus dem Mess-Signal (ms (t) ) und/oder zum Bestimmen einer die Resonanzfrequenz (fr) relativ zu dem Anregungssignal (as (t) ) auslesbar enthaltenden physikalischen Größe in Form eines Pegels und/oder einer Phase aus dem Mess- Signal (ms (t) ) .
10. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der Signalprozessor (12) ausgelegt ist zum Durchführen einer Fourier-Transformation (DFT) .
11. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei welcher eine Taktquelle (13) einen Takt (t) bereitstellt zum gemeinsamen Takten sowohl des Signalgenerators (15) zum Bereitstellen des Anregungssignals als auch eines/des Analog-Digital-Umsetzers (14) zum Bereitstellen des Mess-Signals (ms (t) ) .
12. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei welcher ein Messzyklus der Resonanzmessung mit einem Phasenwinkel des Treibersignals (tr(t)) des Festkörperaktors (8) synchronisiert ist und/oder eine Rotationsfrequenz des Antriebskörpers (3) und/oder der Welle (2) genügend klein ist, so dass die Resonanzmessung in einem so kleinen Zeitfenster abläuft, dass die Veränderung des Drehwinkels des Antriebskörpers (3) und/oder der Welle (2) vernachlässigbar ist.
13. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, welche eine Begrenzung des Frequenzbereiches der Resonanzmessung vornimmt auf weniger als 200 kHz, insbesondere auf 10 Hz bis 50 kHz.
14. Schaltung, insbesondere integrierte Schaltung, mit den Schaltungskomponenten (10) der Festkörperaktor- Antriebsvorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch zum Erfassen des Mess-Signals (ms (t) ) als dem Aktorsignal und zum Bestimmen der elektrischen und/oder mechanischen Resonanzfrequenz (fr) der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung (0) während des Betriebs der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung (O] aus dem Mess-Signal (ms (t) ) .
15. Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder Schaltung nach Anspruch 14, wobei der Festkörperaktor (8) als piezoelektrischer Festkörperaktor ausgebildet ist.
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DE102012015408A1 (de) * 2012-08-01 2014-02-06 Kuka Roboter Gmbh Antrieb, insbesondere Roboterantrieb, mit Linearaktoren

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