WO2013128030A2 - Verfahren zur ansteuerung eines mehraktorantriebs - Google Patents

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WO2013128030A2
WO2013128030A2 PCT/EP2013/054258 EP2013054258W WO2013128030A2 WO 2013128030 A2 WO2013128030 A2 WO 2013128030A2 EP 2013054258 W EP2013054258 W EP 2013054258W WO 2013128030 A2 WO2013128030 A2 WO 2013128030A2
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actuators
rotor
actuator
signals
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Axel Kortschack
Christoph Rass
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SmarAct Holding GmbH
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    • 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
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H02N2/025—Inertial sliding motors
    • 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
    • H02N2/101—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using intermittent driving, e.g. step motors

Definitions

  • the invention relates to a method for driving a linear or rotary multi-axis actuator with a relative to a stationary
  • Component driven runner whose positioning distance is greater than the strokes of participating, driving actuators, which are either directly or via a force-transmitted mechanism in permanent frictional contact with the rotor, the actuators are controlled with individual control signals having a same cycle time, according to claim 1.
  • Multi-actuator drives are known from the prior art, despite the short strokes of the individual actuators large displacement of the rotor
  • the inertial drives specifically the stick-slip drives, known from D.W. Pohl: “Dynamic Piezoelectric Translational Devices", in Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), January 1987, pages 54 to 57.
  • a piezoelectric actuator is provided, which is acted upon by a sawtooth-like periodic signal and an acceleration relative
  • the rotor follows the actuator due to the frictional engagement with a high acceleration of the piezoelectric actuator, however, the rotor slips relative to the actuator as soon as the inertial force of the rotor larger
  • macroscopic ones can be done
  • Inertia drives represent a mechanically simple way, over longer distances with a high Position movement resolution.
  • inertial drives have the disadvantage that during the sliding phase, braking, standstill or even a backward movement of the movable component occurs again and again. This behavior couples in vibrations, which is what happens
  • the representations according to FIG. 1 reveal the principle of inertial drives in which an actuator D is fastened on one side to a non-movable mass.
  • the body E is in frictional contact with the actuator D. If the actuator D is accelerated slightly by the application of a slowly changing voltage, the body E moves along, with a high acceleration of the actuator. D is the inertial force of the body E greater than the static friction, so that there is a relative movement between the body E and the actuator D.
  • the first multi-actuator drives were similar to such an inertial drive and initially differ in that two or more actuators are used.
  • Fig. 2a shows a basic structure of a linear multi-actuator drive and Fig. 2b shows the basic structure of a rotary multi-axis actuator.
  • Such drives consist of at least two or any number of actuators Ii, 1 2 , ... l n , which can be excited via a corresponding drive signal individually or in groups to a limited stroke.
  • the stroke is typically in the range of up to a few pm.
  • the actuators each have a friction point 2, which is in frictional contact with a rotor 3.
  • the actuators are fixed, connected to a support 4.
  • the friction point need not necessarily consist of only one plate, as shown, but it can also be mechanically complex constructions that perform several functions. So it is possible, for example, that this component is used to mechanically bias the actuator, which is common for example for piezoceramics.
  • FIG. 3 shows a typical voltage curve over time for the actuation of a plurality of actuators, which are actuated by a sawtooth, ie similar to a conventional inertial drive, with a time offset and the typical movement resulting therefrom for the rotor.
  • Inertia drives typical speed fluctuations and vibrations in a multi-actuator drive fail.
  • a special form of multi-actuator drive is set forth in WO 93/19494.
  • the individual friction surfaces are gradually brought to slippage by a rapid deformation of the piezoceramics. After that, all friction surfaces are deflected together in one direction by applying an identical voltage ramp. In this common deflection of the rotor does not slip relative to the friction surfaces, but is moved along.
  • the disadvantage is that the rotor is exposed to strong vibrations due to the constantly changing accelerations.
  • a drive based on piezo tubes with a plurality of friction surfaces is controlled in a time-shifted manner in order to achieve a movement.
  • the drive signals are selected so that a plurality of actuators propel a rotor to then gradually withdraw the actuators, so that the rotor is held in a position during the retraction by the plurality of non-moving friction surfaces, i. stationary.
  • this drive it always comes back to phases of movement and standstill for the rotor, so that continue to vibration and a uniform movement is not possible.
  • Another class of multi-actuator drives are so-called “inchworm drives”, which are drives in which a rotor to be moved is clamped alternately by actuators and the distance between the terminals is varied by means of a further actuator In the case of actuators, a runner can also be moved over long distances
  • This class of actuators basically causes disturbing vibrations since high-frequency movements that are orthogonal to the direction of movement are coupled in by the clamping processes.
  • the object of the present invention is to provide an improved method for driving multi-actuator drives, which significantly reduces the problem of disturbing vibrations and deviations from a desired position.
  • Cams are applied cyclically to the actuators, it is possible to move the runner over long distances.
  • Target movement provides a very good condition for an inventive SSE compensatory movement.
  • the compensation movement is a rectified compensation movement, which is preferably added to all actuators. These Compensation movement is able to compensate for a remaining deviation of the rotor movement to a desired movement via a local stroke.
  • the desired movement within a drive cycle is preferably a uniform movement. Particularly advantageous is a strictly monotonous movement. Although such strictly monotonous desired movement is not absolutely necessary, the strict monotony of a desired movement offers the advantage of simple control or even regulation of position and speed by taking the cycle time with which the control signals are passed through as a controlled variable.
  • Fig. 4 shows the elastic behavior of the mechanics and actuators of a
  • Multi-actuator drive with three actuators if a triangular signal without significant acceleration is applied to one of the three actuators.
  • a changing control signal Ul is applied in the form of a triangle, while the other two actuators are not controlled with a variable control signal (U2 is applied to the actuator 1 2 , U3 on the actuator 1 3 ).
  • U2 is applied to the actuator 1 2 , U3 on the actuator 1 3 .
  • the control signal Ul increases and in the phase H falls
  • Control signal Ul again until it reaches the output value.
  • phase F none of the control signals changes.
  • a changing drive signal Ul occurs between the friction surfaces of the actuators to a mechanical stress. This mechanical tension affects the entire drive and all the actuators involved and the mechanics of the drive.
  • the force of the actuator Ii on the friction contacts and the rotor is transferred to the other actuators, so that they are deformed.
  • the curve xL indicates the position of the runner.
  • phase G the control signal applied to the actuator Ii increases.
  • phase B the friction surface of the actuator Ii remains in the
  • the phase C of the frictional contact 1 is in the sliding phase.
  • the actuator Ii must no longer work against the rigidity of the actuators 1 2 and 1 3 in its further deflection, so that the position of the Reibköpers can now develop with a changed, larger pitch, although the drive signal Ul continues to bear with the same slope.
  • phase H the signal applied to the actuator Ii is withdrawn. Again, all the friction surfaces of the actuators are in the adhesion phase, so that in consequence the positions of the friction surfaces, and thus the rotor move synchronously relative to the carrier. As a result, the forces acting on the actuators break down during phase D. That is, the force acting on the actuator Ii force builds up, while the forces acting on the actuators 1 2 and 1 3 forces also decrease. For the transition from the phase D to E, the forces are completely reduced. This means that no more forces and the positions of the actuators act on the actuators
  • the compensation movement is performed equally by all actuators, so that no unwanted mechanical stresses are built up between the friction surfaces of the actuators.
  • actuators are preferably of the same type, such a compensating movement, which is carried out in the same way for all actuators, can be realized by adding to the control cams of the actuators a control signal which is equally variable for all actuators.
  • actuators behave differently, this must be taken into account accordingly in the control signals. If the actuators are e.g. installed in the opposite direction, so that the actuators move in opposite directions when applying a same control signal, this must of course be taken into account accordingly in the drive signals, e.g. by applying inverse control signals to these actuators.
  • Friction surfaces is built up.
  • Control signal for example, if a certain
  • the drive package of the multi-actuator consisting of the at least two or any number of actuators Ii, 1 2 / ... l n / and the friction contacts to be driven rotor, can be connected in series with another actuator, so that this additional actuator in the It is able to move the entire drive package, and thus also the runner, forward or backward, if the actuator in series is controlled by a corresponding drive signal.
  • Such an in-line actuator can be made to compensate for movement by applying appropriate control signals. That could be z. B. be advantageous if, in addition to a possible trouble-free movement of a drive and the available signal range of the control should be fully utilized. Another example is a possible need for a large possible compensation movement in the event of a reversal of movement of the runner or one.
  • Movement starts the runner.
  • control signals leading to the compensation movement are applied to the actuators of the multi-tractor package or to a possibly existing actuator in series, it is advantageous if the movement of the rotor resulting from the control cams is detected by a sensor over at least one cycle time is going to be that
  • the signal forms are applied cyclically to the actuators of the multi-actuator drive. Therefore, it is advantageous if signals are chosen so that the signal level at the beginning of a cycle are at the same level as at the end of a cycle. Only if the values per channel are at the same level at the beginning and at the end, the signals can be cyclically applied to the actuators without disturbing movements or even jumps during a cycle repetition. Jumps are to be avoided as a rule, since jumps for the compensatory movement lead to difficult compensable jamming movements.
  • a preferred variant to generate the same signal level per channel is to rotate the detected signal curves by subtracting a straight line from the respective cams, which are determined by the
  • the compensatory movements are to be performed only by the actuators of the multi-tractor drive package, then it makes sense to reserve a certain range of the available signal height of the drive signals for the compensatory movement to be added.
  • the waveforms of the applied signal curves should be selected so that a desired movement during a cycle is already modeled with only minor deviations.
  • the determined control signals are stored by the controller and then the
  • Requests are cyclically retrieved. For example, the faster a runner is to be moved, the faster the cyclic control signals are applied to the actuators.
  • Position sensor is measured and position deviations of Lä ufers over the cycle time are actively compensated. For example, the faster the runner is to be moved, the faster the cyclically applied control curves, including the added signals for the compensation movement, are traversed. If, on the other hand, the runner has reached a target position, the frequency with which the cycles are applied is reduced to zero.
  • the compensating movement can be used well. This is beneficial in some cases. For example, if the runner is held in position and only a slow forward and backward movement is to be compensated, it is very easy to realize this with a compensating movement. Particularly advantageous is the choice of compensating movement, because the relationship between signal and change in the rotor position in the Rule is unique. In the case of actuators, linear to one
  • Actuator signal change the runner also changes the position in this linear context.
  • control parameters "cycle time”, “accumulated compensation movement” and “waveform of the control signals” in combination and with different weighting that, for example, mass inertia and resonance effects play a role and have to be taken into account.
  • Actuators applied signal curves are adjusted, for. B. because the
  • the mirrored values preferably should not be applied abruptly, as this can lead to a jump in the movement of the runner.
  • the mirrored signals are preferably to be achieved by an inventive, temporal, uniform adaptation of the signals to the respective mirrored signal value, wherein ideally the sum of the signed
  • point-symmetric waveforms are used to control the actuators, the signals can alternatively be mirrored in time.
  • a temporal reflection should only be used if either the requirements for the accuracy during the direction reversal are not high or a large signal range is available for the compensatory movements according to the invention. This is due to the fact that in practice seldom point-symmetrical control curves result, in which the deviation of the movement of the rotor from a setpoint curve during the course of a control cycle is small. So if point-symmetric curves are selected, the deviations from the target movement are correspondingly large, so that a large compensation movement is required.
  • the signal changes are preferably achieved by an inventive, temporal, uniform adaptation of the signals to each new value, ideally the sum of the signed signal changes is equal to or near zero and thus the resulting movements of the movable component during the
  • a compensation movement according to the invention can be carried out during a change of direction.
  • Direction change carried out the above-described, temporal, gradual adjustment of the signals, during which a superimposed compensation movement can be applied to advance already during this change of signals the rotor in the desired direction, so that it does not have to wait until the change of signals completed , but an immediate reversal of movement is possible.
  • temporal adaptation of the signals already a movement are applied to the rotor by the relative movement of the actuators of the multi-actuator is selected to each other so that the rotor is driven in the desired direction.
  • Unwanted movements are also to be avoided at the beginning of a movement or when switching on or initial control of the actuators of the multi-actuator drive.
  • a preferred approach is to gradually bring the signals for the actuators of the multi-actuator, starting from the starting amplitudes to the target values. Ideally, the sum of the signed signal changes is zero and thus the
  • FIG. 1 schematic diagram of a known inertial drive with corresponding, typical shege leopardansteuu ng;
  • Fig. 2 a simplified representation of a linear multi-actuator drive
  • Fig. 2b simplified representation of a rotary multi-actuator drive
  • FIG. 3 shows a typical movement of a rotor of a multi-actuator drive when controlled via offset sawtooth-shaped signals according to FIG
  • Fig. 5 measured movement of a controlled via triangular signals without significant acceleration multi-axis actuator
  • Fig. 6a measured movement of a modified signals without
  • FIG. 6b shows a drive signal suitable for the compensation movement of the movement from FIG. 6a;
  • Fig. 7 multi-actuator drive with a further actuator B to the drive package in series;
  • FIG. 8 perturbations due to jumps between cyclically applied control signals compared to corrected control signals that can be cyclically applied without causing any jumps
  • Fig. 9a Mirroring of a point-symmetrical control curve for a
  • FIG. 9b mirroring of a non-point-symmetrical control curve by an amplitude value in order to produce a direction reversal in comparison with a temporal reflection which does not lead to a reversal of direction;
  • FIG. 9b mirroring of a non-point-symmetrical control curve by an amplitude value in order to produce a direction reversal in comparison with a temporal reflection which does not lead to a reversal of direction;
  • Fig.9c mirroring another non-point symmetric control curve by an amplitude value to produce a direction reversal compared to a temporal reflection that does not result in a direction reversal;
  • Fig. 10b temporally gradual mirroring of exemplary signal curves for. Reversal.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of an inertial drive with corresponding, typical shege leopardan horrung.
  • an actuator (D) is provided with a sawtooth-like, periodic signal
  • FIG. 2a shows an exemplary linear multi-actuator drive.
  • Drives consist of at least two or any number of actuators Ii, 1 2 , ... l n , which can be excited via a corresponding drive signal individually or in groups to a limited stroke.
  • Fig.2a three actuators Ii to 1 3 are shown.
  • the actuators each have a friction point 2i to 2 3 , which is in frictional contact with a rotor 3.
  • the actuators are connected to a carrier 4.
  • the runner can be at a suitable
  • Actuation of the actuators are moved macroscopically relative to the carrier along the double arrow.
  • FIG. 2b shows an exemplary rotary multi-actuator drive.
  • Such drives consist of at least two or any number of actuators Ii, 1 2 / ... l n , which can be excited via a corresponding drive signal individually or in groups to a limited stroke.
  • three actuators Ii to 1 3 are shown.
  • the actuators each have a friction point 2i to 2 3 , which is in frictional contact with a rotor 3.
  • the actuators are connected to a carrier 4.
  • the rotor can be rotated with suitable control of the actuators.
  • FIG. 3 shows a typical according to the prior art, resulting
  • FIG. 4 shows by way of example the elastic behavior of the mechanics and the principles of a multi-actuator drive with three actuators when a triangular signal is applied to one of the three actuators. It is a simplified, not to scale representation. For the designation of the components, reference is made to the labeled, sketchy multi-actuator drive of Figure 2a.
  • a control signal U1 in the form of a triangle is applied to the actuator I.
  • the other two actuators are controlled by a constant control signal (U2 is applied to the actuator 1 2 , U3 to the actuator 1 3 ).
  • the diagram shows different phases. The different phases are described below.
  • phase A all control signals are constant.
  • the control signal Ul increases and in the phase H, the control signal Ul falls again until it reaches the beginning of the phase F, the output value.
  • phase F none of the control signals changes.
  • the curves xl, x2 and x3 show the positions of the friction surfaces of the actuators li, l 2 and 1 3 with respect to the carrier 4.
  • the curves Fl, F2 and F3, however, show the effect on the actuators li, l 2 and 1 3 forces.
  • Position of the runner is shown by the curve xL.
  • the control signal applied to the actuator l t increases .
  • the friction surface of the actuator Ii remains in the static friction, since the force is insufficient to release the friction surface 1 from the adhesion phase. Therefore, the build-up force acts on all three actuators, so that the friction surfaces move synchronously, and thus the rotor is synchronously moved in this phase.
  • the force curves (Fl, F2 and F3) show that an upsetting force acts on the actuator Ii, while the counterforce is divided between the actuators 1 2 and 1 3 and stretches them accordingly.
  • Adhesive phase so that move as a result, the positions of the friction surfaces, and thus the rotor synchronously relative to the carrier. Therefore, during phase D, the forces acting on the actuators break down.
  • the force acting on the actuator Ii force decreases, while the forces acting on the actuators 1 2 and 1 3 forces are also reduced.
  • phase E the forces are completely dissipated, so that act on the actuators no more forces.
  • the positions of the actuators.1 2 and 1 3 , as well as the position of the rotor are back in the starting position (as for phase A).
  • the position of the friction body of the actuator Ii is not in the starting position. This is because the friction surface of the actuator Ii has slipped through in the phase B. As a result, the position of the friction surface of the actuator Ii has shifted in relation to the friction surfaces of the actuators 1 2 and 1 3 .
  • the drive signal U1 is gradually reduced to the output level.
  • the actuator Ii continues to contract. Since no forces between the friction surfaces acted more during the phase transition from D to E, mechanical stresses now build up again between the friction surfaces acting on the actuators. ie Actuator Ii is stretched with further decreasing drive voltage U l, while on the other actuators acts on both actuators dividing, upsetting force. As long as the actuators are still in the static friction, all the friction surfaces and the rotor continue to move synchronously relative to the carrier.
  • Fig. 5 shows, based on concrete measurement for that described in Fig. 4
  • Triangular signal like a macroscopic motion of the runner of a
  • Multi-tractor drive is achieved without being affected by the cams
  • the curves are preferably to be optimized, with the aim of achieving a smaller deviation from a desired movement.
  • 6a shows on the basis of concrete measurements that small deviations from a desired movement for the rotor can be achieved by the variation of the interpolation points of the various control cams.
  • Fig. 6b shows the deviation of the measured rotor movement from the
  • Rotor movement and the desired movement is shown in the lower part of the figure.
  • the actuators are almost linear on a signal change
  • this deviation can be applied to the actuators as a compensation signal. If these signals are preferably applied simultaneously to all actuators as described, then the rotor of the multi-actuator drive executes corresponding compensating movements, so that the rotor follows the nominal movement represented by dashed lines.
  • Fig. 7 shows a multi-actuator, in which the drive package is in series with another actuator B.
  • the actuator B is able to do that
  • Fig. 8 shows that waveforms for the control signals to jump
  • Disturbing movements lead if they are applied cyclically to a multi-actuator and the start amplitude is not equal to the end-Am amplitude of the curve.
  • the bright line connects the starting point with the end point of the control curve. If the control curve is cyclically applied to the actuator, the situation shown on the top right results. D.h. every cycle repetition causes a jump from the end amplitude of the control cam to the start amplitude.
  • the curve shapes of the drive curves can and should preferably be corrected so that the above-mentioned jumps are avoided.
  • the determined signal curves are rotated so far, so that the beginning and the end of the respective control curve by the same amplitude value goes.
  • the rotation takes place, as shown in the middle graph, by subtracting a straight line from the control curve, with the slope of the straight line passing through the initial value and the end value of the respective signal curve. This line is represented by the light gray line in the graph at the top left.
  • FIGS. 9 a, b and c show in a greatly simplified manner how preferably a direction reversal is to be implemented for the method according to the invention.
  • 9a shows, with the graph at the top left, an initial point-symmetrical control curve for controlling a single actuator of a multi-actuator drive.
  • the same control curves are obtained, regardless of whether a temporal reflection or a reflection is selected by an amplitude value.
  • Fig. Fig. 9b shows the case of an exemplary non-point symmetric control curve.
  • the upper left corner shows the initial control curve. It can be clearly seen that the time-mirrored control curve (top right) no longer corresponds to the control curve at the bottom left (mirrored by an amplitude value). In order to achieve a reversal of direction, it is no longer possible, one
  • Fig. 9c shows particularly clearly how different the resulting control curves are if the initial curve shape (top left) is mirrored once (top right) and alternatively mirrored by a signal amplitude (bottom left).
  • the initial curve shape top left
  • top right top right
  • a signal amplitude bottom left
  • no new waveform would be created for the case of temporal mirroring because the resulting curve is again equal to the initial waveform.
  • Only the curve mirrored by a signal amplitude leads to a control curve which has a signal curve shape change necessary for the direction reversal.
  • FIG. 10a shows a direction reversal for exemplary drive curves of a multi-actuator drive with three actuators.
  • the signals are mirrored by an amplitude value, in this example by 0.5.
  • the actuator moves in the opposite direction than before.
  • the disadvantage of such a sudden direction reversal is that disturbing accelerations can be introduced to the rotor. 1
  • FIG. 10 b shows an approach in which the amplitude-mirrored value for each drive curve is not reached abruptly, but gradually, ideally the sum of the signed ones

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines linearen oder rotatorischen Mehraktorantriebs mit einem relativ zu einer stationären Komponente angetriebenen Läufer, dessen Positionierstrecke größer ist als die Hübe der beteiligten, antreibenden Aktoren, die, entweder direkt oder über eine kraftübertragende Mechanik, im permanenten Reibkontakt mit dem Läufer stehen. Die Relativbewegung zwischen stationärer Komponente und Läufer wird über die Aktuatoren erzeugt, wobei hierfür Ansteuersignale für die Aktuatoren genutzt werden, die einen unterschiedlichem Verlauf aufweisen können, aber eine gleiche Zykluszeit haben. Diese Signalformen werden zyklisch an die Aktoren angelegt. Innerhalb eines Zyklus auftretende Abweichungen von einer Zielbewegung werden durch eine aufaddierte Ausgleichsbewegung reduziert oder eliminiert.

Description

Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines linearen oder rotatorischen Mehraktorantriebs mit einem relativ zu einer stationären
Komponente angetriebenen Läufer, dessen Positionierstrecke größer ist als die Hübe der beteiligten, antreibenden Aktoren, die entweder direkt oder über eine kraftübertragene Mechanik im permanenten Reibkontakt mit dem Läufer stehen, wobei die Aktoren mit individuellen Steuersignalen angesteuert werden, die eine gleiche Zykluszeit aufweisen, gemäß Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Mehraktorantriebe bekannt, die trotz der kurzen Hübe der einzelnen Aktoren große Verstellwege des Läufers
ermöglichen . Diese lassen sich in verschiedene Varianten unterteilen .
Vorläufer der Mehraktorantriebe sind die Trägheitsantriebe, hier konkret die Stick-Slip-Antriebe, bekannt aus D.W. Pohl :„Dynamic piezoelectric translation devices", in Review of Scientific Instruments, vol . 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57. Es ist zunächst ein piezoelektrischer Aktor vorgesehen, der mit einem sägezahnähnlichen periodischen Signal beaufschlagt wird und eine Beschleunigung relativ zu einem reibschlüssig mit dem Aktor verbundenen beweglich gelagerten Läufer bewirkt. Bei einer niedrigen Beschleunigung des piezoelektrischen Aktors folgt der Läufer aufgrund des Reibschlusses dem Aktor. Bei einer hohen Beschleunigung des piezoelektrischen Aktors hingegen rutscht der Läufer relativ zum Aktor durch, sobald die Trägheitskraft des Läufers größer als die Reibungskraft zwischen Läufer und Aktor wird . Wenn mehrere Schritte durchgeführt werden, können auch makroskopische
Bewegungen realisiert werden. Trägheitsantriebe stellen eine mecha nisch einfache Möglichkeit dar, über größere Distanzen mit einer hohen Bewegungsauflösung zu positionieren. Trägheitsantriebe haben jedoch den Nachteil, dass es während der Gleitphase immer wieder zum Abbremsen, Stillstand oder sogar einer Rückwärtsbewegung der beweglichen Komponente kommt. Dieses Verhalten koppelt Vibrationen ein, was bei
Präzisionspositionieraufgaben störend ist.
Die Darstellungen gemäß Fig. 1 lassen das Prinzip von Trägheitsantrieben erkennen, bei denen ein Aktor D auf einer Seite an einer nicht beweglichen Masse befestigt ist. Der Körper E steht mit dem Aktor D in Reibkontakt. Wenn der Aktor D durch das Anlegen einer sich langsam ändernden Spannung gering beschleunigt wird, so erfolgt ein Mitbewegen des Körpers E. Bei einer hohen Beschleunigung des Aktors. D ist die Trägheitskraft des Körpers E größer als die Haftreibung, so dass es zu einer relativen Bewegung zwischen dem Körper E und dem Aktor D kommt.
Die ersten Mehraktorantriebe waren einem solchen Trägheitsantrieb ähnlich und unterscheiden sich zunächst dadurch, dass zwei oder mehr Aktoren zum Einsatz kommen.
Fig. 2a zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines linearen Mehraktorantriebs und Fig. 2b den prinzipiellen Aufbau eines rotatorischen Mehraktorantriebs.
Derartige Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren Ii, 12, ... ln, die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. Im Fall des Einsatzes von Piezoaktoren liegt der Hub typischerweise im Bereich von bis zu einigen pm. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2 auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren fest, mit einem Träger 4 verbunden. Die Reibstelle muss nicht notwendigerweise nur aus einer Platte bestehen, so wie dargestellt, sondern es können auch mechanisch komplexe Konstruktionen sein, die mehrere Funktionen übernehmen. So ist es z.B. möglich, dass dieses Bauteil genutzt wird, um auch den Aktor mechanisch vorzuspannen, was z.B. für Piezokeramiken üblich ist.
Selbstverständlich kann der Aufbau von Mehraktorantrieben auch umgedreht werden, so dass der Läufer zur stationären Komponente wird und der Träger zur beweglichen Komponente. Es handelt sich dabei weiterhin um das gleiche Antriebsprinzip. Die Fig. 3 zeigt einen üblichen Spannungsverlauf über der Zeit zur Ansteue- rung von mehreren Aktoren, die zeitversetzt über einen Sägezahn, also ähnlich einem klassischen Trägheitsantrieb, angesteuert werden, und die daraus für den Läufer resultierende typische Bewegung .
Für konkrete Realisierungen sei auf die Veröffentlichung von Jean Marc
Berguet:„Actionneurs„Stick and Slip" pour Micro-Manipulators"; EPFL, 1998, verwiesen . Dort wird für nach EP 0750 356 AI basierenden Mehraktora ntrieben mit zwei, drei und vier Aktoren je Antrieb dargelegt, dass die für die
Trägheitsantriebe typischen Geschwindigkeitsschwankungen und Vibrationen bei einem Mehraktorantrieb geringer ausfallen .
Es kommt bei solchen Antrieben bei einem Überga ng eines Aktors in die Gleitphase prinzipbedingt zu einer unerwünschten Rückwärtsbewegung, einem Stopp oder einem Abbremsen des Läufers. In der Fig . 3 ist der Fall der leichten Rückwärtsbewegung visualisiert.
Eine Sonderform eines Mehraktorantriebs ist in der WO 93/19494 dargelegt. Dort werden die einzelnen Reibflächen nach und nach durch ein schnelles Verformen der Piezokeramiken zum Durchrutschen gebracht. Im Anschl uss daran werden alle Reibflächen durch Anlegen einer identischen Spannungsrampe gemeinsam in eine Richtung ausgelenkt. Bei diesem gemeinsamen Auslenken rutscht der Läufer nicht relativ zu den Reibflächen durch, sondern wird mitbewegt. Nachteilig ist es jedoch, dass der Läufer aufgrund der dauernd wechselnden Beschleunigungen starken Vibrationen ausgesetzt ist.
Gemäß der DE 10 2009 013 849 AI wird ein auf Piezoröhrchen basierender Antrieb mit mehreren Reibflächen zeitversetzt angesteuert, um eine Bewegung zu erzielen. Die Ansteuersignale sind so gewählt, dass mehrere Aktoren einen Läufer vorantreiben, um dann die Aktoren nach und nach zurückzuziehen, so dass der Läufer während des Zurückziehens durch die Mehrzahl der nicht bewegten Reibflächen in einer Position gehalten wird, d .h . stillsteht. Bei diesem Antrieb kommt es immer wieder zu Phasen der Bewegung und des Stillstands für den Läufer, so dass weiterhin Vibrationen auftreten und eine gleichmäßige Bewegung nicht möglich ist. Eine weitere Klasse von Mehraktorantrieben sind sogenannte„Inchworm- antriebe". Dabei handelt es sich um Antriebe, bei denen ein zu bewegender Läufer durch Aktoren im Wechsel geklemmt wird und der Abstand der Klemmen durch einen weiteren Aktor variiert wird . Durch ein geeignetes, zyklisches Ansteuern der Aktoren kann ein Läufer auch über große Distanzen bewegt werden . Diese Klasse von Aktoren verursacht prinzipiell störende Vibrationen, da hochfrequente, orthogonal zur Bewegungsrichtung wirkende Bewegungen durch die Klemmvorgänge eingekoppelt werden.
Bei allen bekannten Mehraktorantrieben kommt es zu unerwünschten
Vibrationen und Abweichungen der Istposition des Läufers von der
Sollposition .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ansteuern von Mehraktorantrieben zu schaffen, welches das Problem der störenden Vibrationen und Abweichungen von einer Sollposition deutlich reduziert.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Lehre nach
Ratentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen .
Es hat sich in Versuchen in überraschender Weise herausgestellt, dass es unter Ausnutzung der Elastizitäten in der Mechanik und Aktorik möglich ist, an einen Mehraktorantrieb Ansteuerkurven bzw. Signale anzulegen, die den Läufer bewegen, ohne dass es zu hochfrequenten Vibrationen kommt, und ohne dass die Bewegung des Läufers eine große Abweichung von einer Sollbewegung - beispielsweise einer konstanten Bewegung - aufweist. Indem geeignete
Steuerkurven zyklisch an die Aktoren angelegt werden ist es möglich, den Läufer über große Strecken zu bewegen .
Ein vibrationsarmes Verhalten mit einer Bewegung dicht entlang einer
Sollbewegung bietet eine sehr gute Voraussetzung für eine erfindungsgemä ße Ausgleichsbewegung .
Bei der Ausgleichsbewegung handelt es sich um eine vorzugsweise auf alle Aktoren aufaddierte, gleichgerichtete Ausgleichsbewegung . Diese Ausgleichsbewegung ist in der Lage, über einen lokalen Hub eine verbleibende Abweichung der Läuferbewegung zu einer Sollbewegung auszugleichen.
Bei der Sollbewegung innerhalb eines Ansteuerzyklus handelt es sich vorzugsweise um eine gleichmäßige Bewegung. Besonders vorteilhaft ist eine streng monotone Bewegung. Eine solche streng monotone Sollbewegung ist zwar nicht zwingend notwendig, jedoch bietet die strenge Monotonie einer Sollbewegung den Vorteil einer einfachen Steuerung oder sogar Regelung der Position und Geschwindigkeit, indem die Zykluszeit, mit der die Steuersignale durchlaufen werden, als Regelgröße herangezogen wird.
Die Zusammenhänge der mechanischen Spannung und die Wirkung auf die Bewegung des Läufers wird zur Verdeutlichung an einem stark vereinfachten Beispiel erklärt. Um mit der Ausgleichsbewegung eine Abweichung der
Läuferbewegung zu einer Sollbewegung zu kompensieren ist es wichtig, dass eine vibrationsarme Bewegung vorliegt, die bereits dicht einer Sollbewegung folgt.
Vibrationen sind zu vermeiden, da Sprünge und schnelle Bewegungsabweichungen nur schwer regelungstechnisch ausgeglichen werden können. Ein dichtes Folgen einer Sollbewegung ist von Vorteil, da die Ausgleichsbewegung dann nur geringe Bewegungsamplituden benötigt.
Fig. 4 zeigt das elastisches Verhalten der Mechanik und Aktorik eines
Mehraktorantriebs mit drei Aktoren, wenn an einem der drei Aktoren ein Dreiecksignal ohne nennenswerte Beschleunigung angelegt wird. Als
Vorrichtung wird in dem Beispiel auf den skizzenhaften Mehraktorantrieb aus der Fig. 2a zurückgegriffen.
An den Aktor Ii (siehe Fig. 2a) wird ein sich änderndes Steuersignal Ul in Form eines Dreiecks angelegt, während die anderen zwei Aktoren nicht mit einem veränderlichen Steuersignal angesteuert werden (U2 liegt am Aktor 12 an, U3 am Aktor 13). In der Phase A ändert sich keines der Steuersignale. In der Phase G steigt das Steuersignal Ul an und in der Phase H fällt das
Steuersignal Ul wieder ab, bis es den Ausgangswert erreicht. In der Phase F ändert sich keines der Steuersignale. Durch das Anlegen eines sich ändernden Ansteuersignais Ul kommt es zwischen den Reibflächen der Aktoren zu einer mechanische Spannung. Diese mechanische.Spannung wirkt sich auf den ganzen Antrieb und alle beteiligten Aktoren und die Mechanik des Antriebs aus. So überträgt sich die Kraft des Aktors Ii über die Reibkontakte und den Läufer auf die anderen Aktoren, so dass diese verformt werden.
Im Detail:
Die Kurven xl, x2 und x3 zeigen die sich verändernden Positionen der
Reibflächen der Aktoren li,l2 und 13 in Bezug auf den Träger 4.
Die Kurven Fl, F2 und F3 zeigen die auf die Aktoren li,l2 und 13 wirkenden
Kräfte.
Die Kurve xL zeigt die Position des Läufers an.
In der Phase G steigt das an den Aktor Ii angelegte Steuersignal an. In einem ersten Teil, der Phase B, bleibt die Reibfläche des Aktors Ii in der
Haftreibung, da die Kraft nicht ausreicht, dass die Reibfläche 1 von der Haftin die Gleitphase übergeht. Als Folge dessen überträgt sich die aufbauende Kraft auf alle drei Aktoren, so dass sich die Reibflächen synchron bewegen, und somit auch der Läufer in dieser Phase synchron mitbewegt wird. Der Läufer bewegt sich also, obwohl nur einer der Aktoren angesteuert wird und ohne, dass einer der Aktoren durchrutscht. Wie anhand der Kraftkurven (Fl, F2 und F3) zu erkennen ist, wirkt auf den Aktor Ii eine stauchende Kraft, während sich die Gegenkraft auf die Aktoren 12 und 13 aufteilt und diese entsprechend streckt.
Zu Beginn, der Phase C geht der Reibkontakt 1 in die Gleitphase über. Somit muss der Aktor Ii bei seiner weiteren Auslenkung nicht mehr gegen die Steifigkeit der Aktoren 12 und 13 arbeiten, so dass sich die Position des Reibköpers nun mit einer veränderten, größeren Steigung entwickeln kann, obwohl das Ansteuersignal Ul weiterhin mit gleicher Steigung anliegt.
Aufgrund des Übergangs in die Gleitreibung bleiben die auf die Aktoren wirkenden Kräfte in überraschender Weise nahezu konstant. Das heißt, dass sich die Reibflächen 2 und 3 nicht wesentlich relativ zum Träger bewegen. Dieser Effekt ist sehr vorteilhaft, da nun keine Vibrationen aufgrund des Übergangs von Haftphase zu Gleitphase eingekoppelt werden.
Ab Beginn der Phase H, wird das am Aktor Ii anliegende Signal wieder zurückgenommen. Dabei befinden sich wieder alle Reibflächen der Aktoren in der Haftphase, so dass sich in Folge dessen die Positionen der Reibflächen, und damit auch der Läufer synchron relativ zum Träger bewegen. In Folge dessen bauen sich während der Phase D die auf die Aktoren wirkenden Kräfte ab. D.h. die auf den Aktor Ii stauchend wirkende Kraft baut sich ab, während die auf die Aktoren 12 und 13 streckend wirkenden Kräfte sich ebenfalls abbauen. Zum Übergang von der Phase D auf E sind die Kräfte vollständig abgebaut. Dass heißt, auf die Aktoren wirken keine Kräfte mehr und die Positionen der Aktoren
12 und 13, als auch die Position des Läufers befinden sich wieder in der
Ausgangslage wie während der Phase A. Das ist nicht der Fall für die Position des Reibkörpers des Aktors Ii. Schließlich ist die Reibfläche des Aktors Ii in der Phase B durchgerutscht, und in Folge dessen hat sich die Position der Reibfläche des Aktors Ii im Verhältnis zu den Reibflächen der Aktoren 12 und
13 entlang des Läufers verschoben. In der Phase E wird das Ansteuersignal Ul weiter reduziert, bis es wieder den Ausgangspegel erreicht hat. In Folge dessen zieht sich der Aktor Ii weiter zusammen. Da jedoch beim Phasenübergang von D zu E keine Kräfte zwischen den Reibflächen mehr gewirkt haben, bauen sich nun wieder Kräfte zwischen den Reibflächen auf, die auf die Aktoren wirken. D.h. auf den Aktor Ii wirkt mit weiter abnehmender Ansteuerspannung Ul eine streckende Kraft, während auf den anderen Aktoren eine sich auf beide Aktoren aufteilende, stauchende Kraft wirkt. Da sich der Aktor Ii weiterhin in der Haftreibung befindet, bewegen sich alle Reibflächen und der Läufer weiterhin synchron relativ zum Träger. Also wird der Läufer über seine ursprüngliche Lage hinaus bewegt. Am Ende des an den Aktor Ii
angelegten Signals ergibt sich also eine Nettoverschiebung des Läufers.
Es konnte anhand des oben genannten Beispiels gezeigt werden, dass es nach dem Durchlauf dieses Zyklus zu einer verbleibenden Bewegung des Läufers kommt. Es wurde ebenfalls, wenn auch vereinfacht, dargelegt, wie die mechanischen Spannungen zwischen den Reibflächen auf den Läufer wirken. Im Falle von drei oder mehr Aktoren, die alle mit Steuerkurven beaufschlagt werden, sind die Zusammenhänge sehr viel komplizierter. Die Zusammenhänge lassen sich zwar technisch-mathematisch nachvollziehen, es ist in der Praxis jedoch vorteilhaft, wenn geeignete Kurven experimentell und möglichst mittels Optimierungsalgorithmen ermittelt werden. Dafür ist es mit drei oder mehr Aktoren möglich, eine Bewegung zu erzielen, die bereits sehr eng einer vorgegebenen Sollbewegung folgt. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bewegung zu erzielen ist, die kaum noch Vibrationen aufweist, kann die Ausgleichsbewegung sehr gut herangezogen werden, um eine noch vorhandene Abweichung zwischen einer Sollbewegung und der tatsächlichen Bewegung des Läufers auszugleichen.
Idealerweise wird die Ausgleichsbewegung durch alle Aktoren gleichermaßen ausgeführt, so dass zwischen den Reibflächen der Aktoren keine ungewollten mechanischen Spannungen aufgebaut werden.
Handelt es sich bei den Aktoren um vorzugsweise gleiche Bautypen, kann eine solche für alle Aktoren gleichermaßen ausgeführte Ausgleichsbewegung realisiert werden, in dem den Steuerkurven der Aktoren ein für alle Aktoren gleichermaßen veränderliches Steuersignal aufaddiert wird.
Verhalten sich die Aktoren unterschiedlich, muss das in den Ansteuersignalen entsprechend berücksichtigt werden. Sind die Aktoren z.B. entgegengerichtet eingebaut, so dass sich die Aktoren bei dem Anlegen eines gleichen Steuersignals entgegengesetzt bewegen, so muss das selbstverständlich bei den Ansteuersignalen entsprechend berücksichtigt werden, z.B. indem inverse Steuersignale an diese Aktoren angelegt werden.
Besonders vorteilhaft ist in solchen Fällen derartige Signale an die Aktoren anzulegen, so dass die Reibstellen aller Aktoren eine gleiche Bewegung durchführen und keine weitere mechanische Spannung zwischen den
Reibflächen aufgebaut wird.
Es ist möglich, lediglich einen Teil der Aktoren mit dem aufaddierten
Steuersignal zu beaufschlagen, beispielsweise, wenn eine gewisse
mechanische Spannung zwischen den Aktoren aufgebaut werden soll, oder z.B. wenn ein einzelner Aktor oder eine Gruppe von Aktoren nicht mit dem
aufaddierten Steuersignal beaufschlagt werden soll.
Das Antriebspaket des Mehraktorantriebs, bestehend aus den mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren Ii, 12/ ... ln/ und den Reibkontakten zum anzutreibenden Läufer, kann mit einem weiteren Aktor in Reihe geschaltet sein, so dass dieser zusätzliche Aktor in der Lage ist, das gesamte Antriebspaket, und damit auch den Läufer, gezielt vor- oder zurückzubewegen, wenn der in Reihe befindliche Aktor durch ein entsprechendes Ansteuersignal angesteuert wird . Ein solcher, in Reihe befindlicher Aktor kann zu einer Ausgleichsbewegung angeregt werden, indem geeignete Steuersignale angelegt werden. Das könnte z. B. dann von Vorteil sein, wenn neben einer möglichst störfreien Bewegung eines Antriebs auch der zur Verfügung stehende Signalbereich der Ansteuerung voll ausgenutzt werden soll. Ein weiteres Beispiel ist ein möglicher Bedarf für eine große mögliche Ausgleichsbewegung im Falle einer Bewegungsumkehr des Läufers oder eines .
Bewegungsstarts des Läufers.
Unabhängig davon, ob die zur Ausgleichsbewegung führenden Steuersignale an die Aktoren des Mehraktorpakets oder an einen möglicherweise vorhandenen in Reihe befindliche Aktor angelegt werden, ist es von Vorteil, wenn die aufgrund- der angelegten Steuerkurven resultierende Bewegung des Läufers über mindestens eine Zykluszeit mit einem Sensor erfasst wird, um die
Abweichung der gemessenen Bewegung von einer Sollbewegung als
Optimierungskriterium für die Anpassung der Ansteuerkurven zu verwenden, mit dem Ziel die Abweichung so gering wie möglich werden zu lassen. Je geringer die Abweichung ist, desto kleiner fällt die notwendige Ausgleichsbewegung aus.
Die Signalformen werden zyklisch an die Aktoren des Mehraktorantriebs angelegt. Daher ist es vorteilhaft, wenn Signale so gewählt werden, dass die Signalhöhe zu Beginn eines Zyklus auf gleicher Höhe liegen wie zum Ende eines Zyklus. Nur wenn die Werte je Kanal zu Beginn und zum Ende auf gleicher Höhe liegen, können die Signale zyklisch an die Aktoren angelegt werden, ohne dass es zu störenden Bewegungen oder gar Sprüngen bei einer Zykluswiederholung kommt. Sprünge sind in der Regel zu vermeiden, da Sprünge für die Ausgleichsbewegung zu schwer kompensierbaren Störbewegungen führen .
Eine bevorzugte Variante um eine gleiche Signalhöhe je Kanal zu erzeugen liegt darin, die ermittelten Signalkurven zu drehen, indem eine Subtraktion einer Geraden von den jeweiligen Steuerkurven erfolgt, die durch den
Anfangswert und den Endwert der jeweiligen Signalkurve geht.
Anhand der Fig . 8 kann ein solcher Vorgang nachvollzogen werden . Sollen die Ausgleichsbewegungen nur von den Aktoren des Mehraktorantriebs- paketes durchgeführt werden, so ist es sinnvoll, einen gewissen Bereich der zur Verfügung stehenden Signalhöhe der Ansteuersignale für die aufzuaddierende Ausgleichsbewegung zu reservieren .
Je exakter die Bewegung aufgrund der ermittelten Kurvenformen der Sollbewegung entspricht, desto geringer kann der für die Ausgleichsbewegung zu reservierende Bereich der Signalhöhe ausfallen . Daher sollten vorzugsweise die Kurvenformen der angelegten Signalkurven so gewählt werden, dass eine Sollbewegung während eines Zyklus bereits mit nur geringen Abweichungen nachgebildet wird.
Es hat sich herausgestellt, dass einmal ermittelte Kurvenformen, also auch Kurvenformen mit den aufaddierten, zur Ausgleichsbewegung führenden
Signalen, an die Aktoren angelegt werden können und je Zykl us zu immer wiederkehrenden Bewegungen des Läufers führen .
Das kann z. B. genutzt werden um Positionieraufgaben durchzuführen, ohne dass ein Positionssensor eingesetzt werden muss. Idealerweise werden die ermittelten Steuersignale von der Steuerung gespeichert und dann den
Anforderungen entsprechend zyklisch abgerufen . Z. B. Je schneller ein Läufer bewegt werden soll, desto schneller werden die zyklischen Steuersignale an die Aktoren angelegt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bewegung des Läufers von einem
Positionssensor gemessen wird und Positionsabweichungen des Lä ufers über die Zyklusdauer aktiv ausgeregelt werden . Z. B. je schneller der Läufer bewegt werden soll, desto zügiger werden die zyklisch angelegten Steuerkurven inklusive der aufaddierten Signale für die Ausgleichsbewegung durchlaufen. Hat der Läufer hingegen eine Sollposition erreicht, wird die Frequenz, mit der die Zyklen angelegt werden, auf Null reduziert.
Für kleine, bzw. zügig auftretende Abweichungen, die über einen Positionssensor festgestellt werden, kann gut die Ausgleichsbewegung herangezogen werden . Das ist in einigen Fällen von Vorteil . Z.B. wenn der Läufer in Position gehalten wird und lediglich ein langsames Vor- und Zurückbewegen ausgeglichen werden soll, ist es sehr einfach, dieses mit einer Ausgleichsbewegung zu realisieren . Besonders vorteilhaft ist die Wahl der Ausgleichsbewegung, weil der Zusammenhang zwischen Signal und Veränderung der Läuferposition in der Regel eindeutig ist. Im Falle von Aktoren, die linear auf eine
Ansteuersignaländerung reagieren, verändert auch der Läufer die Position in diesem linearen Zusammenhang.
Statt die Zyklusfrequenz oder die Ausgleichsbewegung als Regelparameter zu verwenden ist es auch möglich, die Form der Steuersignale zu variieren.
Es ist auch möglich die drei genannten Regelparameter,„Zykluszeit", „aufaddierte Ausgleichsbewegung" und„Kurvenform der Steuersignale" in Kombination und in unterschiedlicher Gewichtung zu nutzen . Das kann z. B. nötig werden, wenn weite Geschwindigkeitsbereiche des Mehraktorantriebs durchfahren werden, so dass z. B. Masseträgheiten und Resonanzeffekte eine Rolle spielen und berücksichtigt werden müssen .
In einigen Fäl len müssen die sich mit ändernder Zyklusfrequenz an den
Aktoren anliegenden Signalkurven angepasst werden, z. B. weil sich die
Übertragung der elektrisch an die Aktoren angelegten Signale und die resultierende Aktorbewegung bis hin zur resultierenden Läuferbewegung aufgru nd der Frequenzveränderung deutlich verschieben können. Da die auftretenden Änderungen in der Regel kontinuierlich und nicht sprunghaft auftreten, ist eine solche Anpassung gut zu realisieren und wichtig für
Antriebe, die einen großen Geschwindigkeitsbereich durchfahren müssen .
Es hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die ermittelten Ansteuerkurven inklusive der Signalformen für die Ausgleichbewegung so detailliert aufgenommen werden, dass hochfrequente Abweichungen innerhalb eines Zyklus nicht mehr auftreten . Niederfrequente Abweichungen, z.B.
Aufgrund externer Einfl üsse oder nicht perfekter Korrektur in den
Steuerkurven, können dann sehr gut über einen der oben beschriebenen Regelkreise beseitigt werden.
Für die neuartige Ansteuerung muss ein spezielles Vorgehen für die Richtungsumkehr des beweglichen Läufers gewählt werden, da es bei diesem Verfahren in der Regel nicht möglich ist, die zyklisch an den Aktoren anliegenden Signale „lediglich" rückwärts ablaufen zu lassen, um so die Richtung umzukehren . Statt dessen werden für eine erfindungsgemäße Richtungsumkehr des Läufers die an den Aktoren anliegenden Ansteuersignale um eine konstante Signalamplitude gespiegelt. Idealerweise liegt die Höhe der Signalamplitude im mittleren Bereich der zur Verfügung stehenden Signalhöhe.
Um bei der Richtungsumkehr einen Sprung zu vermeiden, sollen die
gespiegelten Werte vorzugsweise nicht sprunghaft angelegt werden, da das zu einem Sprung in der Bewegung des Läufers führen kann . Statt dessen sind die gespiegelten Signale vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße, zeitliche, gleichmäßige Anpassung der Signale zum jeweils gespiegelten Signalwert zu erreichen, wobei idealerweise die Summe der vorzeichenbehafteten
Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null ist.
Werden punktsymmetrische Kurvenformen zur Ansteuerung der Aktoren verwendet, können die Signale alternativ zeitlich gespiegelt werden . Jedoch sollte eine zeitliche Spiegelung nur genutzt werden, wenn entweder die Anforderungen an die Genauigkeit während der Richtungsumkehr nicht hoch sind oder ein großer Signalbereich für die erfindungsgemäßen Ausgleichsbewegungen zur Verfügung steht. Das liegt darin begründet, dass sich in der Praxis nur selten punktsymmetrische Ansteuerkurven ergeben, bei denen die Abweichung der Bewegung des Läufers von einer Sollkurve während des Ablaufs eines Steuerzyklus gering sind. Werden also punktsymmetrische Kurven gewählt, werden die Abweichungen von der Sollbewegung entsprechend groß, so dass eine große Ausgleichsbewegung erforderlich wird.
Alternativ kann zur Richtungsumkehr a uf zwei Sätze von Ansteuerkurven zurückgegriffen werden . Während ein Satz den Läufer vorantreibt, wenn die entsprechenden Signale an die Aktoren angelegt werden, wird der Läufer durch das Anlegen des zweiten Satzes in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Um von einem Satz an Steuerkurven auf den zweiten Satz an
Steuerkurven zu wechseln, sind die Signalwechsel vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße, zeitliche, gleichmäßige Anpassung der Signale zum jeweils neuen Wert zu erreichen, wobei idealerweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente während des
Wechsels nahezu Null ist.
Grundsätzlich kann während eines Richtungswechsels eine erfindungsgemäße Ausgleichsbewegung durchgeführt werden . Wird beispielsweise beim Richtungswechsel die oben beschriebene, zeitliche, allmähliche Anpassung der Signale durchgeführt, kann während dessen eine überlagerte Ausgleichsbewegung angelegt werden, um schon während dieses Wechsels der Signale den Läufer in die gewünschte Richtung voranzutreiben, so dass nicht abgewartet werden muss, bis der Wechsel der Signale vollzogen, sondern eine sofortige Bewegungsrichtungsumkehr möglich ist.
In einer weiteren Variante der Richtungsumkehr kann während der
erfindungsgemäßen, zeitlichen Anpassung der Signale bereits eine Bewegung auf den Läufer beaufschlagt werden, indem die Relativbewegung der Aktoren des Mehraktorantriebs zueinander so gewählt wird, dass der Läufer in die gewünschte Richtung vorangetrieben wird.
Die verschiedenen Varianten der Richtungsumkehr können miteinander in Kombination genutzt werden.
Ungewollte Bewegungen sind auch zu Beginn einer Bewegung bzw. bei dem Einschalten oder initialen Ansteuern der Aktoren des Mehraktorantriebs zu vermeiden. Ein vorzugsweise zu verwendender Ansatz ist es, die Signale für die Aktoren des Mehraktorantriebs, ausgehend von den Startamplituden allmählich auf die Zielwerte zu bringen. Idealerweise ist dabei die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null und damit die
resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null.
Ansonsten gelten für den Einschaltvorgang die gleichen Ansätze wie bei der Richtungsumkehr.
Um zu verhindern, dass ein Mehraktorantrieb, um eine Position zu halten, einen permanenten Richtungswechsel vollzieht, ist es vorteilhaft, wenn eine Ausgleichsbewegung genutzt wird, um lokale Abweichungen auszugleichen.
Unterschiedliche Ansteuerverfahren bewirken stark unterschiedliche Verhalten der Mehraktorantriebe. Einige Verfahren haben ihre Stärken z.B. bei der erzielbaren Kraft, andere wiederum bei der erzielbaren Positionierauflösung. Daher ist es vorteilhaft, wenn bei der Ansteuerung eines Mehraktorantriebs, je nach Situation zwischen der erfindungsgemäßen und alternativen Ansteuerstrategien gewechselt werden kann. Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden .
Hierbei zeigen :
Fig . 1 Prinzipskizze eines bekannten Trägheitsantriebs mit entsprechender, typischer Sägezahnansteueru ng;
Fig . 2a vereinfachte Darstellung eines linearen Mehraktorantriebs;
Fig . 2b vereinfachte Darstellung eines rotatorischen Mehraktorantriebs;
Fig . 3 eine typische Bewegung eines Läufers eines Mehraktorantriebs bei einer Ansteuerung über versetzte sägezahnförmige Signale gemäß Stand der
Technik;
Fig . 4 Grafik zum elastischen Verhalten der Mechanik und Aktorik eines
Mehraktorantriebs;
Fig . 5 gemessene Bewegung eines über Dreiecksignale ohne nennenswerte Beschleunigung angesteuerten Mehraktorantriebs;
Fig . 6a gemessene Bewegung eines über modifizierte Signale ohne
nennenswerte Beschleunigung angesteuerten Mehraktorantriebs;
Fig . 6b ein für die Ausgleichsbewegung der Bewegung aus Fig. 6a geeignetes Ansteuersignal;
Fig . 7 Mehraktorantrieb mit einem zum Antriebspaket in Serie befindlichen weiteren Aktor B;
Fig. 8 Störbewegungen a ufgrund von Sprüngen zwischen zyklisch angelegten Steuersignalen im Vergleich zu korrigierten Steuersignalen, die zyklisch angelegt werden können, ohne dass es zu Sprüngen kommt;
Fig . 9a Spiegelung einer punktsymmetrischen Steuerkurve für eine
Richtungsumkehr; Fig.9b Spiegelung einer nicht punktsymmetrischen Steuerkurve um einen Amplitudenwert, um eine Richtungsumkehr zu erzeugen im Vergleich zu einer zeitlichen Spiegelung, die nicht zu einer Richtungsumkehr führt;
Fig.9c Spiegelung einer weiteren, nicht punktsymmetrischen Steuerkurve um einen Amplitudenwert, um eine Richtungsumkehr zu erzeugen im Vergleich zu einer zeitlichen Spiegelung, die nicht zu einer Richtungsumkehr führt;
Fig. 10a sprunghafte Spiegelung von beispielhaften Signalkurven zur
Richtungsumkehr und
Fig. 10b zeitlich allmähliche Spiegelung von beispielhaften Signalkurven zur. Richtungsumkehr.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Trägheitsantriebs mit entsprechender, typischer Sägezahnansteuerung. In solchen Antrieben ist ein Aktor (D) vorgesehen, der mit einem sägezahnähnlichen, periodischen Signal
beaufschlagt wird und eine Beschleunigung auf den relativ zu einem
reibschlüssig mit dem Aktor verbundenen beweglichen gelagerten Läufer (E) aufbringt.
Fig.2a zeigt einen beispielhaften linearen Mehraktorantrieb. Derartige
Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren Ii, 12, ... ln, die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. In der Fig.2a sind drei Aktoren Ii bis 13 dargestellt. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2i bis 23 auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren mit einem Träger 4 verbunden. Der Läufer kann bei einer geeigneten
Ansteuerung der Aktoren relativ zum Träger entlang des Doppelpfeils makroskopisch bewegt werden.
Fig.2b zeigt einen beispielhaften rotatorischen Mehraktorantrieb. Derartige Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren Ii, 12/ ... ln, die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. In der Fig.2b sind drei Aktoren Ii bis 13 dargestellt. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2i bis 23 auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren mit einem Träger 4 verbunden. Der Läufer kann bei geeigneter Ansteuerung der Aktoren rotiert werden.
Fig.3 zeigt eine gemäß dem Stand der Technik typische, resultierende
Bewegung eines Läufers bei einer sägezahnförmigen Ansteuerung der Aktoren eines Mehraktorantriebs. Kennzeichnend ist die störende, periodische
Rückbewegung des Läufers, ausgelöst jeweils durch die Rückbewegung eines Aktors.
Fig.4 zeigt exemplarisch das elastische Verhalten der Mechanik und Äktorik eines Mehraktorantriebs mit drei Aktoren, wenn an einen der drei Aktoren ein Dreiecksignal angelegt wird. Es handelt sich um eine vereinfachte, nicht maßstabsgerechte Darstellung. Für die Bezeichnung der Komponenten wird auf den beschrifteten, skizzenhaften Mehraktorantrieb aus der Fig.2a verwiesen.
Es wird ein Steuersignal Ul in Form eines Dreiecks an den Aktor I angelegt. Die anderen zwei Aktoren werden mit einem konstanten Steuersignal angesteuert (U2 liegt am Aktor 12 an, U3 am Aktor 13).
In der Grafik sind verschiedene Phasen dargestellt. Die verschiedenen Phasen werden im Folgenden beschrieben.
In der Phase A sind alle Steuersignale konstant. In der Phase G steigt das Steuersignal Ul an und in der Phase H fällt das Steuersignal Ul wieder ab, bis es zum Anfang der Phase F den Ausgangswert erreicht. In der Phase F ändert sich keines der Steuersignale.
Da das sich ändernde Ansteuersignal Ul nur an einen der Aktoren angelegt wird, kommt es zwischen den Reibflächen der Aktoren zu einer mechanischen Spannung, die sich auf den ganzen Antrieb und alle beteiligten Aktoren und die Mechanik des Antriebs auswirkt. So überträgt sich die Kraft des Aktors Ii über die Reibkontakte und den Läufer auf die anderen Aktoren und deren Mechanik, so dass diese verformt werden. Dieser Zusammenhang wird im Folgenden, ebenfalls anhand der Fig.4 genauer beschrieben:
Dabei zeigen die Kurven xl, x2 und x3 die Positionen der Reibflächen der Aktoren li,l2 und 13 in Bezug auf den Träger 4. Die Kurven Fl, F2 und F3 hingegen zeigen die auf die Aktoren li,l2 und 13 wirkenden Kräfte. Die
Position des Läufers wird durch die Kurve xL gezeigt. In der Phase G steigt das an den Aktor lt angelegte Steuersignal. Dabei bleibt im ersten Teil der Phase B die Reibfläche des Aktors Ii in der Haftreibung, da die Kraft nicht ausreicht, um die Reibfläche 1 aus der Haftphase zu lösen. Daher wirkt die sich aufbauende Kraft auf alle drei Aktoren, so dass sich die Reibflächen synchron bewegen, und somit auch der Läufer in dieser Phase synchron mitbewegt wird. Die Kraftkurven (Fl, F2 und F3) zeigen, dass auf den Aktor Ii eine stauchende Kraft wirkt, während sich die Gegenkraft auf die Aktoren 12 und 13 aufteilt und diese entsprechend streckt.
Mit der Phase C geht der Reibkontakt 1 in die Gleitphase über. In Folge dessen muss der Aktor Ii bei seiner weiteren Auslenkung nicht mehr gegen die
Steifigkeit der Aktoren 12 und 13 arbeiten, so dass sich die Position des
Reibköpers mit einer veränderten, größeren Steigung entwickeln kann, obwohl das Ansteuersignal Ul weiterhin mit gleicher Steigung anliegt. Beim Übergang in die Gleitreibung des Reibkontakts 1 bleiben die auf die Aktoren wirkenden Kräfte nahezu konstant, so dass sich die Reibflächen 2 und 3 nicht wesentlich relativ zum Träger bewegen.
Mit der Phase H, wird das am Aktor Ii anliegende Signal wieder reduziert. Dabei befinden sich zunächst wieder alle Reibflächen der Aktoren in der.
Haftphase, so dass sich in Folge dessen die Positionen der Reibflächen, und damit auch der Läufer synchron relativ zum Träger bewegen. Daher bauen sich während der Phase D die auf die Aktoren wirkenden Kräfte ab. Im Detail: Die auf den Aktor Ii stauchend wirkende Kraft baut sich ab, während die auf die Aktoren 12 und 13 streckend wirkenden Kräfte ebenfalls abgebaut werden.
Zum Beginn der Phase E sind die Kräfte vollständig abgebaut, so dass auf die Aktoren keine Kräfte mehr wirken. Die Positionen der Aktoren.12 und 13, als auch die Position des Läufers befindet sich wieder in der Ausgangslage (wie zur Phase A). Die Position des Reibkörpers des Aktors Ii jedoch befindet sich nicht in der Ausgangslage. Das liegt daran, dass die Reibfläche des Aktors Ii in der Phase B durchgerutscht ist. In Folge dessen hat sich die Position der Reibfläche des Aktors Ii im Verhältnis zu den Reibflächen der Aktoren 12 und 13 verschoben.
In der Phase E wird das Ansteuersignal Ul allmählich auf den Ausgangspegel reduziert. Als Reaktion auf das Ansteuersignal Ul zieht sich der Aktor Ii weiter zusammen. Da beim Phasenübergang von D zu E keine Kräfte zwischen den Reibflächen mehr gewirkt haben, bauen sich nun wieder mechanische Spannungen zwischen den Reibflächen auf, die auf die Aktoren wirken. D.h. Aktor Ii wird mit weiter abnehmender Ansteuerspannung U l gestreckt, während auf den anderen Aktoren eine sich auf beide Aktoren aufteilende, stauchende Kraft wirkt. Solange sich die Aktoren weiterhin in der Haftreibung befinden, bewegen sich alle Reibflächen und der Läufer weiterhin synchron relativ zum Träger.
Somit wird der Läufer über seine ursprüngliche Lage hinaus bewegt, wie anhand der Kurve xL nachvol lzogen werden kann. Fazit: Es ergibt sich eine bleibende Verschiebung des Läufers, nachdem ein Dreiecksignal an den Aktor Ii angelegt wurde. Die sich ergebende Bewegung weist keine hochfrequenten Vibrationen auf.
Fig . 5 zeigt, anhand konkreter Messung für das in Fig. 4 beschriebene
Dreiecksignal, wie eine makroskopische Bewegung des Läufers eines
Mehraktorantriebs zu erzielen ist, ohne dass durch die Steuerkurven
nennenswerte Beschleunigungen oder Vibrationen eingekoppelt werden. Bei diesem Verfahren bauen sich zwischen den Reibflächen mechanische
Spannungen auf und ab und es treten keine hochfrequenten Vibrationen im Betrieb auf. Die niederfrequenten Abweichungen sind jedoch noch recht groß, so dass eine sehr große Ausgleichsbewegung notwendig wäre, um eine monotone Bewegung des Läufers zu erzielen . Daher sind vorzugsweise die Kurvenverläufe zu optimieren, mit dem Ziel eine geringere Abweichung von einer Sollbewegung zu erzielen .
Fig 6a zeigt anhand konkreter Messungen, dass durch die Variation der Stützpunkte der verschiedenen Steuerkurven geringe Abweichungen von einer Sollbewegung für den Läufer erzielbar sind .
Bei der dargestellten, beispielhaften Ansteuerung, bei der mechanische Spannungen zwischen den Reibflächen auf- und abgebaut werden, ist die Abweichung von der Sollbewegung bereits sehr viel geringer als in Fig . 5. Somit muss eine Ausgleichsbeweg ung deutlich geringer a usfallen. Zu
Visualisierungzwecken wurden die Kurvenformen auf wenige Stützpunkte beschränkt. Es können hohe Dichten an Stützpunkten für die Kurvenformen gewählt werden, so dass die Flexibilität größer wird und damit auch bessere Resultate für die zu erzielende Bewegung des Läufers innerhalb eines Zyklus für den Läufer möglich sind . Fig . 6b zeigt die Abweichung der gemessen Läuferbewegung von der
gestrichelt dargestellten Sollbewegung. Die Differenz zwischen der
Läuferbewegung u nd der Soll bewegung ist im unteren Teil der Abbildung dargestellt. Wenn die Aktoren nahezu linear auf eine Signaländerung
reagieren, wie es z.B. bei Piezoaktoren der Fall ist, kann diese Abweichung als Ausgleichssignal an die Aktoren angelegt werden . Wenn diese Signale wie beschrieben vorzugsweise an alle Aktoren gleichzeitig angelegt werden, dann führt der Läufer des Mehraktorantriebs entsprechende Ausgleichsbewegungen aus, so dass der Läufer der gestrichelt dargestellten Sollbewegung folgt.
Fig. 7 zeigt einen Mehraktorantrieb, bei dem sich das Antriebspaket in Reihe mit einem weiteren Aktor B befindet. Der Aktor B ist in der Lage, das
Antriebspaket über eine Verfahrstrecke, die dem Hub von Aktor B entspricht relativ zum Träger C zu bewegen . Wenn der Aktor B das Antriebspaket in Richtung a+ oder a- verschiebt, folgt der Läufer der Bewegung, da dieser über die Reibkontakte des Antriebspaketes an die Bewegung gekoppelt ist. Im mer wenn der Läufer in Richtung a+ hinterher eilt, schiebt der Aktor B das
Antriebspaket in Richtung a+, eilt der Läufer jedoch in Richtung a+ vor, so zieht der Aktor B das Aktorpaket etwas zurück in Richtung a-.
Fig. 8 zeigt, dass Kurvenformen für die Steuersignale zu Sprüngen und
Störbewegungen führen, wenn diese zyklisch an einen Mehraktorantrieb angelegt werden und die Startamplitude ungleich der End-Am plitude der Kurve ist.
Im Graph oben links ist als d unkle Linie eine beispielhafte Ansteuerku rve für einen der Aktoren des Mehraktorantriebs dargestellt.
Die helle Linie verbindet den Startpunkt mit dem Endpunkt der Ansteuerkurve. Wird die Steuerkurve zyklisch an den Aktor angelegt, so ergibt sich die oben rechts dargestellte Situation. D.h . bei jeder Zykluswiederholung kommt es zu einem Sprung von der End-Amplitude der Steuerkurve zur Startamplitude.
Solche Sprünge sind möglichst zu vermeiden, da diese Störbewegungen und Vibrationen in das System bringen, die nur schwer zu kompensieren sind .
Die Kurvenformen der Ansteuerkurven können u nd sollten vorzugsweise so korrigiert werden, dass oben genannte Sprünge vermieden werden.
Hierzu werden die ermittelten Signalkurven soweit gedreht, so dass der Anfang und das Ende der jeweiligen Steuerkurve durch den gleichen Amplitudenwert geht. Die Drehung erfolgt, wie in der mittleren Graphik dargestellt wird, indem von der Steuerkurve eine Gerade abgezogen wird, mit der Steigung der Geraden, die durch den Anfangswert und den Endwert der jeweiligen Signalkurve geht. Diese Gerade ist dargestellt durch die hellgraue Gerade in dem Graphen ganz oben links.
Wenn die so gekippte Ansteuerkurve, die in dem Graphen unten links dargestellt ist, zyklisch an den Aktor angelegt wird, kommt es nicht mehr zu den unerwünschten Sprüngen bei jedem Zyklusdurchgang, so dass eine wesentliche Voraussetzung für einen vibrationsfreien Betrieb vorliegt.
Fig. 9 a, b und c zeigen stark vereinfacht, wie für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise eine Richtungsumkehr zu implementieren ist.
Nur für eine Sonderform von Steuerkurven ist es möglich, wie bisher für Trägheitsantriebe üblich, eine Richtungsumkehr zu implementieren, indem Steuerkurven rückwärts ablaufen. Ein„rückwärts Ablaufen" entspricht einer zeitlichen Spiegelung der Steuerkurven. Um eine Richtungsumkehr für alle Typen von Steuerkurven zu erhalten, ist es sinnvoll, die Steuerkurven um einen Amplitudenwert der Steuersignale zu spiegeln.
Fig. 9a zeigt mit dem Graphen oben links eine initiale punktsymmetrische Steuerkurve zur Ansteuerung eines einzelnen Aktors eines Mehraktorantriebs. Für punktsymmetrische Kurven ergeben sich gleiche Steuerkurven, unabhängig davon, ob eine zeitliche Spiegelung oder eine Spiegelung um einen Amplitudenwert gewählt wird.
Im Falle einer für Mehraktorantriebe dem Stand der Technik entsprechenden zeitlichen Spiegelung ergibt sich die Kurve oben rechts. Wird die initiale Kurve jedoch um einen Amplitudenwert gespiegelt, dann ergibt sich die Kurve unten links.
Die Kurven oben rechts und unten links haben einen gleichen Verlauf. Die steile und die flache Flanke zeigen jeweils für beide Kurven in die gleiche Richtung. Somit ist es für den Antrieb unerheblich, ob die Kurvenform für die Richtungsumkehr über eine zeitliche Spiegelung oder eine Spiegelung um einen Amplitudenwert erzielt wird. Das gilt aber nur für punktsymmetrische Kurven.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahren werden in fast allen Fällen nicht punktsymmetrische Ansteuerkurven verwendet. Fig . 9b zeigt den Fall einer beispielhaften nicht punktsymmetrischen Steuerkurve. Oben links ist die initiale Steuerkurve dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die zeitlich gespiegelte Steuerkurve (oben rechts) nicht mehr der Steuerkurve unten links (gespiegelt um einen Amplitudenwert) entspricht. Um eine Richtungsumkehr zu erzielen, ist es nicht mehr möglich, eine
Kurvenform schlicht rückwärts abzulaufen, so wie es dem Fachmann bekannt ist, und so wie es vom Fachmann erwartet wird. Statt dessen sind die
Steuerkurven des Mehraktorantriebs um einen Amplitudenwert zu spiegeln .
Fig . 9c zeigt besonders deutlich, wie unterschiedlich die sich ergebenden Steuerkurven sind, wenn die initiale Kurvenform (oben links) einmal zeitlich gespiegelt wird (oben rechts) und alternativ um eine Signalamplitude gespiegelt wird (unten links). Für diese Beispielkurve würde für den Fall einer zeitlichen Spiegelung keine neue Kurvenform angelegt werden, da die sich ergebende Kurve wieder gleich der initialen Kurvenform ist. Nur die um eine Signalamplitude gespiegelte Kurve führt zu einer Steuerkurve, die eine für die Richtungsumkehr notwendige Signalkurvenformänderung aufweist.
Fig . 10a zeigt für beispielhafte Ansteuerkurven eines Mehraktorantriebs mit drei Aktoren eine Richtungsumkehr. Zum Zeitpunkt 3,25 werden die Signale um einen Amplitudenwert, in diesem Beispiel um 0,5 gespiegelt. Nach der Spiegelung fährt der Aktuator in die entgegengesetzte Richtung als zuvor. Nachteilig an einer solchen sprunghaften Richtungsumkehr ist, dass störende Beschleunigungen auf den Läufer eingebracht werden können.1
Fig . 10b zeigt demgegenüber einen Ansatz, bei dem der um die Amplitude gespiegelte Wert für jede Ansteuerkurve nicht sprunghaft, sondern allmählich erreicht wird, wobei idealerweise die Summe der vorzeichenbehafteten
Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null ist. Eine solche
Signaländerung ist für eine präzise Richtungsumkehr sehr vorteilhaft.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern eines linearen oder rotatorischen Mehraktör- antriebs mit einem anzutreibenden Läufer, dessen Positionierstrecke größer ist als die H übe der beteiligten Aktoren, die, entweder direkt oder über eine kraftübertragende Mechanik, im permanenten Reibkontakt mit dem Läufer · stehen, wobei die Aktoren mit individuellen Steuersignalen angesteuert werden, die eine gleiche Zykluszeit aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine verbleibende periodische Abweichung der Bewegung des Läufers zu einer Sollbewegung durch eine Ausgleichs- oder Korrekturbewegung ausgeglichen wird, welche den Läufer stets zur Fehlpositionierung entgegengesetzt bewegt.
2. Verfa hren zur Ansteuerung eines Meh raktorantriebs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die verbleibende Abweichung der Bewegung des Läufers zu einer Sollbewegung durch ein a uf die Steuersignale aufaddiertes Korrektursignal ausgeglichen wird, welches den Läufer stets zur Fehlpositionierung entgegengesetzt bewegt.
3. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichsbewegung auf alle beteiligten Aktoren gleichermaßen aufaddiert wird, so dass keine wesentlichen mechanischen Span nungen zwischen den Reibflächen der Reibkontakte aufgebaut werden.
4. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichsbewegung durch ein Steuersignal, welches an einen zum
Mehraktorantriebspaket in Reihe liegenden Aktor angelegt wird, erzeugbar ist.
5. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der■ vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
neben den periodisch auftretenden Abweichungen auch sonstige
Positionsabweichungen mittels Ausgleichsbewegung ausgeglichen werden.
6. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die resultierende Bewegung des Läufers aufgrund der an den Aktoren angelegten Steuersignale mindestens über mindestens einen Ansteuerzyklus mit mindestens einem Sensor erfasst wird, um die Abweichung der
Läuferbewegung von einer Sollbewegung als Optimierungskriterium für die Anpassung der individuellen Steuersignale heranzuziehen.
7. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Signalhöhe der zyklisch an den Aktoren anliegenden Steuersignale für jeden Aktorkanal am Anfang und am Ende eines Zyklus möglichst gleiche Werte aufweist, um eine sprungfreie Zykluswiederholung zu erzielen.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zyklisch an den Aktoren anliegenden Steuersigna le vorzugsweise zusammen mit den Steuersignalen für die Ausgleichsbewegung abgespeichert und zum Bewegen des Läufers zyklisch wiederholt werden .
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Positionssensorik die Abweichung der Läuferposition von einer Sollposition zur Laufzeit feststellt und die Abweichung ausregelt, indem die Zyklusdauer oder die Ausgleichsbewegung oder Zyklusdauer und
Ausgleichsbewegung in Kombination als Stellgröße verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kurvenformen der zyklisch an die Aktoren angelegten individuellen Steuersignalkurven mit veränderlicher Zyklusfrequenz angepasst werden, um eine möglichst störfreie Bewegung auch über weite Geschwindigkeitsbereiche zu ermöglichen .
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
für eine Bewegungsrichtungsumkehr des Läufers die Steuersignale gespiegelt werden und die gespiegelten Signale nicht sprunghaft, sondern durch eine zeitliche, allmähliche Anpassu ng der Signale zum gespiegelten Signalwert angelegt werden, wobei vorzugsweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null ist und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
für jede Bewegungsrichtung des Läufers ein eigener. Satz von Steuersignalen vorliegt, und bei Bewegungsrichtungswechel von einem ersten Satz auf einen zweiten Satz gewechselt wird, wobei der Wechsel der Signale vorzugsweise nicht sprunghaft, sondern durch eine zeitliche, allmähliche Anpassung der Signale zum neuen Signalwert angelegt wird, wobei vorzugsweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null ist und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
während eines Richtungswechsels eine Ausgleichsbewegung in die gewünschte Bewegungsrichtung durchgeführt wird, so dass schon während des Wechsels der Richtung über die angelegten Kurvenformen oder Steuersignale eine gewünschte Bewegungsrichtung des Läufers zu .erzielen ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
währenden eines Einschaltvorganges, einer initialen Ansteuerung oder zu Beginn einer Bewegung die an die Aktoren anliegenden Signale allmählich auf einen Zielwert gebracht werden.
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