WO2016083345A1 - Piezoelektrische positionier-vorrichtung und positionier-verfahren mittels einer derartigen piezoelektrischen positionier-vorrichtung - Google Patents

Piezoelektrische positionier-vorrichtung und positionier-verfahren mittels einer derartigen piezoelektrischen positionier-vorrichtung Download PDF

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    • G05D3/20—Control of position or direction using feedback using a digital comparing device
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    • H02N2/0075—Electrical details, e.g. drive or control circuits or methods

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric positioning device and a positioning method by means of such a piezoelectric positioning onier device.
  • Piezoelectric actuators are known and are used for highly accurate positioning of kinematic systems.
  • the actuation of piezoelectric actuators via a digital-to-analog converter so that the positioning accuracy of the piezoelectric actuators of the quantization stages or voltage levels of the analog output voltage of the digital-to-analog converter depends.
  • the invention is therefore based on the object to provide a piezoelectric positioning device with at least one piezoelectric actuator, which allows a simple and reliable way a high positioning accuracy. This object is achieved by a piezoelectric positioning device having the features of claim 1.
  • the control device has two digital-analog converters.
  • the first digital-to-analog converter which is also referred to below as a coarse converter, has a first voltage range AUi
  • the second digital-to-analog converter which is also referred to below as a fine converter, has a smaller second voltage range AU 2 .
  • the second voltage range AU 2 covers at least one first voltage level Aui of the coarse converter, so that the positioning accuracy of the at least one piezoelectric actuator is determined by the second voltage levels Au 2 of the fine converter.
  • the positioning accuracy of the piezoelectric positioning device can be increased in a simple and reliable manner.
  • the at least one piezoelectric actuator is operated floating, the digital-to-analog converter can be easily connected to the respective terminal contacts.
  • the piezoelectric actuator is designed as a piezo stack.
  • a positioning device ensures in a simple manner a high positioning accuracy.
  • the coarse converter has a maximum voltage inaccuracy Au d in the first voltage stages Aui, which is referred to as differential nonlinearity and which impairs the positioning accuracy. Because of that, the second voltage range
  • the fine converter can also compensate for an occurring voltage inaccuracy Au d at least partially.
  • the second voltage range AU 2 covers at most sixty-four first voltage levels Au i? and in particular at most thirty-two first voltage stages Aui, so that the second voltage stages Au 2 are as small as possible in order to achieve a high positioning accuracy.
  • the second voltage range AU 2 is determined the differential non-linearity and in particular the noise of the coarse transducer. The noise is usually based on the resolution or the first voltage levels Aui of the coarse converter.
  • the second voltage range AU 2 of the fine converter is selected to be as large as is permissible for the resolution and noise required in the respective application. Accordingly, the second voltage range AU 2 is selected to be as small as possible under the condition that readjustment of the coarse converter in the stationary state is reliably avoided.
  • a positioning device ensures a high positioning accuracy.
  • the respective voltage amplifier can be optimally adapted to the associated digital-to-analog converter.
  • a positioning device ensures a high positioning accuracy.
  • the ohmic resistor is connected in series with the fine converter or the associated second voltage amplifier and attenuates the noise of the coarse converter and the fine converter.
  • the noise of the coarse converter is preferably attenuated by a low-pass filter, so that the dimensioning of the ohmic series resistor to the noise of the first voltage amplifier on the analogue side, the noise of the fine converter, at a possibly desired resolution for a Current measurement via the series resistance for the purpose of charge regulation and at a required bandwidth for the voltage applied to the piezoelectric actuator, which is based on a bandwidth requirement of the regulation with regard to the excitation of disturbances. results, oriented.
  • the noise of the second voltage amplifier can be neglected with respect to the noise of the fine converter in the rule and therefore has no significance for the dimensioning of the series resistance.
  • the series resistor can also be used as a shunt or measuring resistor to measure the current flowing in the at least one piezoelectric actuator current and provide a digital control unit for charge control.
  • a positioning device ensures a high positioning accuracy.
  • the low pass filter attenuates the noise and dynamics of the coarse transducer, while not affecting the dynamics of the fine transducer. As a result, the positioning device has high dynamics and high positioning accuracy.
  • the determination of the cut-off frequency of the low-pass filter results from the required maximum travel speed, which causes a maximum voltage change at the piezoelectric actuator.
  • a compensation low-pass filter is provided, so that the low-pass-damped dynamics of the first converter amplifier circuit is compensated by the second converter-amplifier circuit. The cutoff frequency of this compensation low-pass filter results accordingly from the required maximum travel speed.
  • a positioning device enables a highly accurate position control.
  • the position measuring sensor provides the control device with an actual position of the at least one piezoelectric actuator and / or of the kinematic system to be controlled.
  • a positioning device ensures a desired positioning accuracy with high reliability.
  • the position control unit allows the control of the measured actual position to a predetermined desired position.
  • the position control unit is in particular designed such that no stationary control deviation occurs.
  • the position control unit has a controller with an integrating component.
  • the controller is designed for example as a PID controller.
  • the position control unit preferably has a setpoint filter which predetermines a setpoint position taking into account the physical limits for an acceleration and / or speed of the at least one piezoelectric actuator.
  • the setpoint filter in particular has the function of a path generator.
  • a positioning device ensures a high positioning accuracy in conjunction with a high dynamics.
  • the position pre-control unit provides a pre-control manipulated variable, which convert the digital-to-analog converter substantially instantaneously in a respective output voltage. As a result, the position control has a high dynamic.
  • the Po tion pilot unit interacts with the position control unit, so that the pilot control variable and a control manipulated variable are added to a total manipulated variable.
  • a positioning device ensures in a simple and reliable manner a high stationary accuracy of the position control unit.
  • the detection unit generates a control signal when a predefined control deviation limit value is undercut. With the control signal is thus recognizable when the position control unit or the position control in a stationary or stable State passes.
  • parameters of the position control unit and / or a calculation unit for controlling the coarse and fine converters can be changed, for example, in order to avoid an undesired change in the first converter output voltage Ui in the stationary state of the position control.
  • the control signal is generated when the position control deviation is less than the predefined control deviation limit value for a minimum period of time. If a setpoint limiter and / or a setpoint filter is used, the control signal is preferably generated when the filtered setpoint position additionally corresponds to the predefined setpoint position or the maximum setpoint position bounded by the setpoint limiter.
  • a positioning device ensures a simple and reliable way a high positioning accuracy.
  • the calculation unit calculates from a voltage setpoint a first voltage value for the coarse converter and a second voltage value for the fine converter, which must be provided by the coarse converter or the fine converter as analog converter output voltages.
  • the first voltage value for the coarse converter is first calculated, so that the required second voltage value of the fine converter for conversion of the voltage setpoint lies substantially in the middle in the second voltage range AU 2 .
  • the fine converter has an equally large voltage range for a change in the voltage setpoint in the positive and negative directions
  • the calculation unit preferably calculates a required first voltage value in a current time step and compares this with a first voltage value that was calculated in an earlier time step. If a difference between the voltage setpoint and the first voltage value at the earlier time step exceeds a limit, the earlier first voltage value is replaced by the current first voltage value.
  • the limit for example, greater than zero, but not more than Au 2/2.
  • a positioning device ensures a high positioning accuracy in a stationary state of the position control.
  • the fact that the limit value is changed or increased in a stationary state of the position control it can be forced that during the position control at a fixed position changes in the converter output voltage of the coarse converter are extremely unlikely. As a result, undesirable changes in the output voltage of the coarse converter in a stationary state of the position control can be avoided.
  • the limit value is set, for example, to AU 2/4 , so that a readjustment of the coarse converter is forced or forced before reaching or detecting the stationary state. If a stationary state is detected, the limit value is set to AU 2/2, for example, whereby changes in the output voltage of the coarse converter are unlikely to correct disturbances.
  • a positioning device ensures a high positioning accuracy. Characterized in that a measuring voltage is determined at the ohmic resistance or series resistance, can with this Measuring voltage, a voltage regulation or a charge control for the at least one piezoelectric actuator are constructed. The voltage regulation or the charge regulation provides an inner control loop which is superimposed by the position control as outer control loop.
  • a positioning device ensures a high positioning accuracy.
  • the charge control unit hysteresis effects of the at least one piezoelectric actuator can be avoided or compensated.
  • the charge control unit which provides an inner control loop, an actual charge state of the at least one piezoelectric actuator is set exactly, wherein the target charge state is specified in particular by the position control unit, which forms an outer position control loop.
  • the piezoelectric positioning device can be advantageously applied to a projection exposure apparatus.
  • this makes it possible to position at least one component of the projection exposure apparatus, such as a lens, a mirror and / or a plate to be bent, with high accuracy.
  • the invention is also based on the object to provide a positioning method that allows a simple and reliable way niergenau réelle a high positioning.
  • the advantages of the positioning method according to the invention correspond to the already described advantages of the invention.
  • piezoelectric positioning device To the invention piezoelectric positioning device.
  • the positioning method can in particular also be developed with the features of claims 1 to 13.
  • the positioning method is used in a projection exposure apparatus according to claim 14.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the structure of a piezoelectric positioning device with a piezoelectric actuator, which is driven by a first digital-to-analog converter and a second digital-to-analog converter,
  • a piezoelectric positioning device 1 has a piezoelectric actuator 3 for positioning a kinematic system 2.
  • the piezoelectric actuator 3 acts - seen electrically - as a capacitor with a capacitance C and changes in response to an actual charge state, a longitudinal dimension. The change in the longitudinal dimension is denoted by ⁇ .
  • the piezoelectric actuator 3 is known and customary and designed, for example, as a piezo stack.
  • the piezoelectric actuator 3 is connected via connection contacts 4, 5 with a control device 6.
  • the control device 6 has a digital signal processor 7.
  • a first converter-amplifier circuit 8 is in signal communication with the digital signal processor 7, but galvanically separated from it by means of a first insulating element 1 1. Dermony Wandler-Amplifier-Scchez 8 ist mit dem Known Isolationselement 1 1sky.
  • the first converter-amplifier circuit 8 is connected to the first terminal contact 4.
  • a second converter amplifier circuit 9 is connected via a series resistor 10 to the second terminal contact 5.
  • the series resistor 10 has the resistance value.
  • the second converter-amplifier circuit 9 is in signal connection with the digital signal processor 7, but of this by means of a second Isolationsele- element 1 1 'galvanically isolated.
  • the first converter-amplifier circuit 8 has a first digital-to-analog converter 12, which is connected via a low-pass filter 13 to a first voltage amplifier 14.
  • the first digital-to-analog converter 12 has a first voltage range AUi and provides a first analog converter output voltage Ui in first voltage stages Aui.
  • the first converter-amplifier circuit 8 is connected to a first voltage source 15, which provides a first shift voltage. Due to the first displacement voltage, a reference potential of the first wall amplifier amplifier circuit 8 relative to the reference potential (GROUND GND) shifted. This requires galvanic isolation by the isolation element 11 'between the digital signal processor 7 and the first converter-amplifier circuit 8.
  • the second converter amplifier circuit 9 has a second digital-to-analog converter 16, which is connected to a second voltage amplifier 17.
  • the second digital-to-analog converter 16 has a second voltage range AU 2 and provides a second analog converter output voltage U 2 in second voltage stages Au 2 .
  • the second converter-amplifier circuit 9 is connected to a second voltage source 18, which provides a second shift voltage. By the second shift voltage, a reference potential of the second converter-amplifier circuit 9 is shifted relative to the reference potential. This requires the galvanic isolation by the isolation element 1 1 'between the digital signal processor 7 and the second converter amplifier circuit 9. If the second shift voltage 0 V, the second insulation element 1 1' is not required.
  • the isolation element 1 1 for reasons of security be useful because in this way the digital signal processor 7 is electrically isolated in case of failure of possibly high voltage leading components of the second converter amplifier circuit 9.
  • the second converter amplifier circuit 9 is operated symmetrically to the reference potential, so that a galvanic isolation by the second insulation element 1 1 'can be omitted.
  • the second displacement voltage is set to 0 V.
  • this is advantageous because a current measurement via the ohmic series resistor 10 is Licher way via a digital-to-analog converter with differential input or a corresponding preamplifier takes place, wherein the common mode signal of the differential input or differential preamplifier is usually limited to +/- 5 V from the reference potential.
  • it is advantageous for safety reasons to leave the voltage potential of a connection contact 4, 5 in the vicinity of the reference potential. If one of the connection contacts 4, 5 gets inadvertently in contact with the reference potential or the housing ground of the piezoelectric positioning device 1, for example during a commissioning measurement, this does not lead to a depolarization or destruction of the piezoelectric actuator 3.
  • the first shift voltage is set to -17, 5V and the second shift voltage set to 0V. This ensures that in the event of a fault - regardless of which terminal contact 4, 5 touches the reference potential or the housing ground - maximum -17.5 V to 1 17.5 V are applied to the piezoelectric actuator 3, ie the voltage applied in the event of a fault in the working range of the piezoelectric actuator 3 is located.
  • the first digital-to-analogue converter 12 has n bits, so that a first digital input 2 can assume n input values di.
  • the first voltage levels Aui are defined by the first voltage range AUi and the 2 n digital input values di.
  • the second digital-to-analog converter has 16 m bits, so that a second digital input can assume 2 m input values d 2 .
  • the second voltage stages Au 2 are divided by the second voltage range AU 2 and the 2 m input voltage. values d 2 are set.
  • the first digital-to-analog converter 12 serves to provide the converter output voltage Ui in a large voltage range AUi and in large voltage levels Au i?
  • the first digital-to-analog converter 12 is also referred to below as a coarse converter 12
  • the second digital-to-analog converter 16 is also referred to below as a fine converter 16. It applies accordingly:
  • the second voltage range AU 2 moreover covers at least one first voltage level Aui, so that the following applies:
  • the first voltage levels Aui have a voltage inaccuracy in practice.
  • a maximum voltage inaccuracy Au d is exemplified in FIG.
  • the maximum voltage inaccuracy Au d can occur in the worst case at a voltage level Aui in a negative direction and in a subsequent voltage level Aui in a positive direction. This is illustrated in FIG. 2 by way of example for the voltage levels Aui and 2-Aui.
  • Occurring voltage inaccuracies are also known as differential nonlinearities in digital-to-analog converters. The following applies accordingly for the second voltage range AU 2 : AU 2 > Aui + Aua, in particular AU 2 > Aui + 2 Au d .
  • the positioning accuracy of the piezoelectric actuator 3 is dependent on the second voltage levels Au 2 , so the resolution of the fine transducer 16.
  • the positioning accuracy is accordingly higher, the smaller the second voltage levels Au 2 .
  • the second voltage range AU 2 for the second voltage range AU 2 :
  • the positioning device 1 For measuring an actual position x to be controlled, the positioning device 1 has a position measuring sensor 19.
  • the position measuring sensor 19 measures, for example, the actual position x of a component of the kinematic system 2 to be positioned.
  • the position measuring sensor 19 can measure, for example, the actual position x or the displacement path of the piezoelectric actuator 3.
  • the position measuring sensor 19 is in signal connection with the control device 6 and provides the digital signal processor 7 with digital measured values x m of the actual position x via a first analog-to-digital converter 20.
  • the series resistor 10 is used as a shunt or measuring resistor in order to determine the current flowing to the piezoelectric actuator 3.
  • the positioning device 1 has a voltage measuring sensor 21 which has a voltage U m dropping across the series resistor 10 measures.
  • the voltage measuring sensor 21 is in signal connection with the control device 6 and provides the digital signal processor 7 with digital measured values u m of the voltage U m via a second analog-to-digital converter 22.
  • the control device 6 takes place a position control of the actual position x and a charge control of an actual charge state Q of the piezoelectric actuator 3.
  • the charge control forms an inner loop, whereas the position control forms a superimposed this outer control loop.
  • the digital signal processor 7 forms a position control unit 23, a position control unit 24, a charge control unit 25, a calculation unit 26 and a detection unit 27.
  • a desired position X s is in the position control unit 23 initially a setpoint limiter 28 and a possibly limited setpoint position X s ' a setpoint filter 29 is supplied.
  • the setpoint value filter 29 has the function of a path generator and takes into account in particular physical limits of the piezoelectric actuator 3.
  • the setpoint value filter 29 provides on the output side a calculated second setpoint position x s .
  • a first adder 31 By means of a first adder 31, the measured and digitized actual position x m is subtracted from the desired position x s and a position control deviation e x calculated. Any dead times of the kinematic system 2 and / or the positioning device 1 can be considered via a dead time element 30 before the adder 31.
  • the position control deviation e x is fed to a pre-filter 32 and a downstream position controller 33.
  • the position controller 33 provides on the output side a control manipulated variable u R ready.
  • the position control unit 23 cooperates with the position pilot control unit 24.
  • the desired position x s as a pilot control variable with the control manipulated variable u R by means of a second adder 34 added to a total manipulated variable u P.
  • the manipulated variable u P provides a desired charge state Q s for the charge control unit 25.
  • the charge control unit 25 is also supplied with the digitized measurement voltage u m , which is converted in a conversion element 35 with the resistance value R into a current i m , which is filtered in a pre-filter 36 and subsequently integrated by means of an integrator 37.
  • the integrator 37 provides an actual charge state Q of the piezoelectric actuator 3 on the output side. From the nominal charge state Q s , the actual charge state Q is subtracted by means of a third adder 38, so that the third adder 38 outputs a charge control deviation e Q on the output side.
  • the charge control deviation e Q is converted in a second conversion element 39 into a voltage setpoint U s , which is to be output by the digital-to-analog converters 12, 16 as the sum of the analog converter output voltages Ui and U 2 .
  • the voltage setpoint U s is supplied to the calculation unit 26, which calculates the digital input values di and d 2 for the digital-to-analog converters 12 and 16.
  • the calculation unit 26 is also supplied with a control signal S, which is generated by the detection unit 27.
  • the detection unit 27 the target positions X s , X s ' and x s and the position control deviation e x supplied.
  • the calculation unit 26 is illustrated in detail in FIG. 4. To illustrate the time steps, the current time step is marked [k] and the previous time step is [k - 1]. From the voltage setpoint U ⁇ [k], a required first voltage value U iS [k] for the coarse converter 12 is calculated by means of a conversion element 39.
  • the first voltage value U iS [k] takes into account the parameters of the coarse converter 12, such as the first voltage range AUi and the first voltage levels Aui or the resolution.
  • This first voltage value U iS [k] is supplied to a first selection element 40.
  • the selection element 40 is additionally supplied with an output voltage value U A [k-1] of the selection element 40, which is stored in a memory element 41.
  • the output voltage value U A [k] predetermines the analog first converter output voltage Ui to be output by the coarse converter 12, wherein in the calculation element 42 the corresponding digital input value di for the coarse converter 12 is calculated.
  • the output voltage value U A [k] is further supplied to a compensation low-pass filter 50.
  • the compensation low pass filter 50 ensures that the due to the low-pass filter 13 low-pass-damped dynamics of the first converter-amplifier circuit 8 is compensated by the second converter amplifier circuit 9. This means that in the small signal Behavior for the voltage at the piezoelectric actuator 3, the entire dynamics for the correction of disturbances is available.
  • the cut-off frequency of the low-pass filter 13 and thus also the cut-off frequency of the compensation low-pass filter 50 are determined from the required maximum travel speed of the piezoelectric actuator 3.
  • the low-pass-filtered output voltage value U A [k] for the coarse converter 12 is subtracted from the voltage setpoint U s [k], so that the adder 43 outputs a second voltage value U 2 s [k] which differs from the fine - Transducer 16 is to be output as a second analog converter output voltage U 2 .
  • this second voltage value U 2S [k] is converted into the digital input value d 2 for the fine converter 16.
  • the output voltage value U A [k-1] is subtracted from the previous time step by means of a fifth adder 45 from the voltage setpoint U s [k], which is stored in a memory element 46.
  • the adder 45 outputs a voltage difference to which a difference amount AU [k] is formed by means of an absolute value generator 47.
  • a second selection element 49 selects between a first one as a function of the control signal S [k] provided by the detection unit 27 Limit value Lu and a second limit value L s and provides depending on the selection of the current limit value L [k].
  • the first limit value Lu is selected when the control signal S [k] characterizes an unstable dynamic state of the position control
  • the second limit value L s is selected when the control signal S [k] characterizes a steady state of the position control.
  • the piezoelectric positioning device 1 is for example part of a projection exposure apparatus, wherein at least one component of the projection exposure apparatus, such as a mirror, a lens and / or a plate to be bent, can be positioned with high precision by means of the piezoelectric positioning device 1.
  • the operation of the Po sitions- device 1 is as follows:
  • a suitable path profile and the associated setpoint position x s are calculated by means of the setpoint limiter 28 and the setpoint value filter 29. From the desired position x s and the digitized actual position x m , which was determined by means of the position measuring sensor 19, the position control deviation e x is determined and fed via the pre-filter 32 to the position controller 33, the Control variable u R outputs.
  • the position controller 33 is, for example, as a PID controller.
  • the desired position x s is added up via the position pilot control unit 24 and the resulting desired charge state Q s of the piezoelectric actuator 3 is fed to the charge control unit 25.
  • the charge control unit 25 calculates a charge control deviation e Q and outputs on the output the required voltage setpoint U s , which must be converted by the digital-to-analog converter 12 and 16 in the analog converter output voltages Ui and U 2 .
  • the charge control deviation e Q the digitized measurement voltage u m is converted into a current i m and integrated into the actual charge state Q.
  • the digital input values di and d 2 for the digital-analog converters 12, 16 are calculated in the manner already described from the voltage setpoint U s .
  • the position control is initially in a dynamic state, so that the detection unit 27 transmits a corresponding control signal S to the calculation unit 26 and this uses the first limit value Lu for the comparator 48.
  • the digital-to-analog converters 12, 16 provide the desired analog converter output voltages Ui and U 2 in accordance with the input values di and d 2 and their characteristics.
  • the converter output voltage Ui is filtered by means of the low-pass filter 13 and then applied in a desired manner by means of the voltage amplifier 14 amplified to the piezoelectric actuator 3.
  • the low-pass filter 13 and the series resistor 10 By the low-pass filter 13 and the series resistor 10, a noise signal of the coarse transducer 12 is attenuated.
  • the piezoelectric actuator 3 changes its longitudinal extent by ⁇ and thus sets the desired actual position x. If a substantially stationary state of the position control is reached, the detection unit 27 detects this and provides the calculation unit 26 with a corresponding control signal S. The calculation unit 26 accordingly uses the larger second limit value L s for the comparator, as a result of which the coarse converter 12 does not change its set converter output voltage Ui until a change in the voltage setpoint U s can not be set via the fine converter 16.
  • the first limit Lu is, for example, AU 2/4 , whereby changes in the coarse converter 12 are forced in the dynamic state of the position control.
  • the second limit value L s for example, AU 2/2 , whereby the second voltage range AU 2 of the fine converter 16 is optimally utilized.
  • the positioning device according to the invention and the inventive two-stage digital-analog converter concept with a coarse and a fine converter thus enables a highly accurate position control of piezoelectric actuators, in particular of piezoelectric stacks, using a voltage or charge drive.
  • the entire setting range or travel range over the length dimension allows a single piezo stack.
  • piezoelectric stacks react directly and directly to changes in voltage or charge also enables highly dynamic position regulation.
  • the at least one piezoelectric actuator or the at least one piezoelectric stack consists of a ceramic which is not conductive. In this way, the piezoelectric actuator can be operated in particular floating.
  • the measurement on the series resistor can also diagnose system faults, such as cable breaks and / or short circuits. Due to the division into a coarse-converter and a fine-converter differential non-linearities can be specifically avoided, since small position-control deviations can always be compensated with the fine converter and the converter output voltage of the coarse converter is changed only with relatively large changes in position ,
  • the control concept for the coarse converter and the fine converter is basically such that a changed voltage setpoint is to be set as far as possible via the fine converter, so that no change in the coarse converter is required. If this is not possible, both the coarse converter and the fine converter are changed and set so that the fine converter is as close as possible to its middle position or in the center of its voltage range. This is ensured by the calculation unit.
  • the number of setpoint changes of the coarse converter is minimized by the calculation unit, so that the differential nonlinearity of the coarse converter only occasionally acts as a unique disturbance in the position control loop and can be easily compensated by the position control loop.
  • By linking the calculation unit with the detection unit is also ensured that a change in the coarse transducer does not occur in a stationary state of the position control, so if the set actual position should be kept accurate.
  • the coarse transducer is adjusted or readjusted so that with the fine converter a possible same voltage range in the positive direction and negative direction is available. As a result, voltage changes required for the highly accurate holding of the actual position can be applied solely by the fine converter.
  • the positioning device according to the invention can be easily adapted to the voltage range of the piezoelectric actuator see and this be reliably protected against overvoltages.
  • the digital charge control hysteresis effects of the piezoelectric actuator can be substantially avoided.
  • piezoelectric stacks of low-voltage ceramics a power-saving and highly integrated design of the positioning device is possible.
  • the number of components is comparatively low, so that interference by noise, thermal drift, component variances, is low.
  • the positioning device according to the invention enables a highly accurate and highly dynamic position control in a simple and reliable manner.
  • the positioning device according to the invention is suitable in principle for the positioning of any kinematic systems or their components.

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Abstract

Eine piezoelektrische Positionier-Vorrichtung (1) umfasst mindestens einen piezoelektrischen Aktor (3) mit einem ersten Anschlusskontakt (4) und einem zweiten Anschlusskontakt (5). Zur Ansteuerung des mindestens einen piezoelektrischen Aktors (3) dient eine Steuereinrichtung (6), die mit den Anschlusskontakten (4, 5) verbundene Digital-Analog-Wandler (12, 6) umfasst. Ein Fein-Wandler (16) weist gegenüber einem Grob-Wandler (12) einen vergleichsweise kleineren Spannungsbereich und kleinere Spannungsstufen auf, so dass eine hohe Positioniergenauigkeit erzielbar ist.

Description

Piezoelektrische Positionier-Vorrichtung und Positionier-Verfahren mittels einer derartigen piezoelektrischen Positionier-Vorrichtung
Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Pa- tentanmeldung DE 10 2014 224 220.7 in Anspruch, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Positionier-Vorrichtung und ein Positionier-Verfahren mittels einer derartigen piezoelektrischen Positi- onier- Vorrichtung.
Piezoelektrische Aktoren sind bekannt und werden zur hochgenauen Positionierung von kinematischen Systemen eingesetzt. Die Ansteuerung piezoelektrischer Aktoren erfolgt über einen Digital- Analog- Wandler, so dass die Positioniergenauigkeit der piezoelektrischen Aktoren von den Quantisierungsstufen bzw. Spannungsstufen der analogen Ausgangsspannung des Digital- Analog- Wandlers abhängt. Anwenderseitig besteht ein stetiger Bedarf, die Positioniergenauigkeit von piezoelektrischen Aktoren zu erhöhen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Positionier-Vorrichtung mit mindestens einem piezoelektrischen Aktor zu schaffen, die auf einfache und zuverlässige Weise eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine piezoelektrische Positionier-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zur Ansteuerung des mindestens einen piezoelektrischen Aktors weist die Steuereinrichtung zwei Digital- Analog- Wandler auf. Der erste Digital- Analog- Wandler, der nachfolgend auch als Grob-Wandler bezeichnet ist, weist einen ersten Spannungs- bereich AUi auf, wohingegen der zweite Digital- Analog- Wandler, der nachfolgend auch als Fein- Wandler bezeichnet ist, einen kleineren zweiten Spannungsbereich AU2 aufweist. Der zweite Spannungsbereich AU2 überdeckt mindestens eine erste Spannungsstufe Aui des Grob-Wandlers, so dass die Positioniergenauigkeit des mindestens einen piezoelektrischen Aktors durch die zweiten Spannungsstufen Au2 des Fein- Wandlers bestimmt wird. Da die zweiten Spannungsstufen Au2 des Fein- Wandlers wesentlich kleiner als die ersten Spannungsstufen Aui des Grob-Wandlers sind, kann auf einfache und zuverlässige Weise die Positioniergenauigkeit der piezoelektrischen Positionier- Vorrichtung erhöht werden. Dadurch, dass der mindestens eine piezoelektrische Aktor potentialfrei betreibbar ist, können die Digital- Analog- Wandler in einfacher Weise mit den jeweiligen Anschlusskontakten verbunden werden. Vorzugweise ist der piezoelektrische Aktor als Piezo- Stapel ausgebildet.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 2 gewährleistet auf einfache Weise eine hohe Positioniergenauigkeit. Der Grob-Wandler weist eine maximale Spannungsungenauigkeit Aud in den ersten Spannungsstufen Aui auf, die als differenzielle Nichtlinearität bezeichnet ist und die Positionier- genauigkeit beeinträchtigt. Dadurch, dass der zweite Spannungsbereich
AU2 mindestens eine Summe einer ersten Spannungsstufe Aui und der maximalen Spannungsungenauigkeit Aud, insbesondere das Zweifache der maximalen Spannungsungenauigkeit Aud, abdeckt, kann der Fein- Wandler auch eine auftretende Spannungsungenauigkeit Aud zumindest teilweise kompensieren. Vorzugsweise deckt der zweite Spannungsbereich AU2 höchstens vierundsechzig erste Spannungsstufen Aui ? und insbesondere höchstens zweiunddreißig erste Spannungsstufen Aui ab, so dass die zweiten Spannungsstufen Au2 zur Erzielung einer hohen Positioniergenauigkeit möglichst klein sind. Der zweite Spannungsbereich AU2 bestimmt sich aus der differenziellen Nichtlinearität und insbesondere aus dem Rauschen des Grob-Wandlers. Das Rauschen orientiert sich in der Regel an der Auflösung bzw. den ersten Spannungsstufen Aui des Grob-Wandlers. Da bei der Positionsregelung die Position im stationären bzw. stabilen Zustand hoch- genau gehalten werden soll, müssen Umschaltvorgänge des Grob-Wandlers im stabilen Zustand weitestmöglich vermieden werden, damit die Positionsregelung nicht gestört wird. Hierzu wird der zweite Spannungsbereich AU2 des Fein- Wandlers so groß gewählt, wie es für die in der jeweiligen Anwendung geforderte Auflösung und das Rauschen zulässig ist. Dement- sprechend wird der zweite Spannungsbereich AU2 unter der Bedingung, dass ein Nachstellen des Grob-Wandlers im stationären Zustand zuverlässig vermieden wird, so klein wie möglich gewählt.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 3 gewährleistet eine hohe Po- sitioniergenauigkeit. Der jeweilige Spannungsverstärker kann optimal an den zugehörigen Digital- Analog- Wandler angepasst werden.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 4 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit. Der ohmsche Widerstand ist in Serie zu dem Fein- Wandler bzw. dem zugehörigen zweiten Spannungsverstärker geschaltet und dämpft das Rauschen des Grob-Wandlers und des Fein- Wandlers. Das Rauschen des Grob-Wandlers wird vorzugsweise durch einen Tiefpass- Filter gedämpft, so dass sich die Dimensionierung des ohmschen Serien- Widerstands am Rauschen des ersten Spannungsverstärkers auf der Ana- logseite, am Rauschen des Fein- Wandlers, an einer etwaig gewünschten Auflösung für eine Strommessung über den Serien- Widerstand zum Zwecke einer Ladungsregelung und an einer geforderten Bandbreite für die an dem piezoelektrischen Aktor anliegende Spannung, welche sich aus einer Bandbreitenanforderung der Regelung hinsichtlich des Ausregeins von Stö- rungen ergibt, orientiert. Das Rauschen des zweiten Spannungsverstärkers kann gegenüber dem Rauschen des Fein- Wandlers in der Regel vernachlässig werden und hat dementsprechend keine Bedeutung für die Dimensionierung des Serien- Widerstands. Der Serien- Widerstand kann zudem als Shunt bzw. Mess-Widerstand genutzt werden, um den in den mindestens einen piezoelektrischen Aktor fließenden Strom zu messen und einer digitalen Regeleinheit zur Ladungsregelung zur Verfügung zu stellen.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 5 gewährleistet eine hohe Po- sitioniergenauigkeit. Der Tiefpass-Filter dämpft das Rauschen und die Dynamik des Grob- Wandlers, wohingegen die Dynamik des Fein- Wandlers nicht beeinträchtigt wird. Hierdurch weist die Positionier- Vorrichtung eine hohe Dynamik und eine hohe Positioniergenauigkeit auf. Die Bestimmung der Grenzfrequenz des Tiefpass-Filters ergibt sich aus der geforderten ma- ximalen Verfahrgeschwindigkeit, welche eine maximale Spannungsänderung am piezoelektrischen Aktor bedingt. Vorzugsweise ist in einer Berechnungseinheit zur Berechnung eines ersten Spannungswerts für den ersten Digital- Analog- Wandler und eines zweiten Spannungswert für den zweiten Digital- Analog- Wandler ein Kompensationstiefpass-Filter vorge- sehen, so dass die tiefpassgedämpfte Dynamik der ersten Wandler- Verstärker- Schaltung durch die zweite Wandler- Verstärker- Schaltung ausgeglichen wird. Die Grenzfrequenz dieses Kompensationstiefpass-Filters ergibt sich entsprechend aus der geforderten maximalen Verfahrgeschwindigkeit.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 6 ermöglicht eine hochgenaue Positionsregelung. Der Positions-Messsensor stellt der Steuereinrichtung eine Ist-Position des mindestens einen piezoelektrischen Aktors und/oder des zu regelnden kinematischen Systems zur Verfügung. Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 7 gewährleistet eine gewünschte Positioniergenauigkeit mit hoher Zuverlässigkeit. Die Positions- Regeleinheit ermöglicht die Regelung der gemessenen Ist-Position auf eine vorgegebene Soll-Position. Hierzu ist die Positions-Regeleinheit insbesondere derart ausgebildet, dass keine stationäre Regelabweichung auftritt. Insbesondere weist die Positions-Regeleinheit einen Regler mit einem integrierenden Anteil auf. Der Regler ist beispielsweise als PID-Regler ausgebildet. Vorzugsweise weist die Positions-Regeleinheit einen Sollwert- Filter auf, der eine Soll-Position unter Berücksichtigung der physikalischen Grenzen für eine Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit des mindestens einen piezoelektrischen Aktors vorgibt. Der Sollwert-Filter hat insbesondere die Funktion eines Bahngenerators. Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 8 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit in Verbindung mit einer hohen Dynamik. Die Positi- ons- Vorsteuereinheit stellt eine Vorsteuer- Stellgröße bereit, die die Digital- Analog- Wandler im Wesentlichen verzögerungsfrei in eine jeweilige Ausgangsspannung umsetzen. Hierdurch weist die Positions-Regelung eine hohe Dynamik auf. Die Po sitions- Vorsteuereinheit wirkt mit der Positions- Regeleinheit zusammen, so dass die Vorsteuer-Stellgröße und eine Regel- Stellgröße zu einer Gesamt-Stellgröße addiert werden.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 9 gewährleistet auf einfache und zuverlässige Weise eine hohe stationäre Genauigkeit der Positions- Regeleinheit. Die Detektionseinheit erzeugt ein Steuersignal, wenn ein vordefinierter Regelabweichungs-Grenzwert betragsmäßig unterschritten wird. Mit dem Steuersignal ist somit erkennbar, wenn die Positions- Regeleinheit bzw. die Positionsregelung in einen stationären bzw. stabilen Zustand gelangt. In Abhängigkeit des Steuersignals können beispielsweise Parameter der Positions-Regeleinheit und/oder einer Berechnungseinheit zur Ansteuerung des Grob- und des Fein- Wandlers verändert werden, um im stationären Zustand der Positionsregelung eine unerwünschte Verände- rung der ersten Wandler- Ausgangsspannung Ui zu vermeiden. Vorzugsweise wird das Steuersignal erzeugt, wenn die Positions-Regelabweichung den vordefmierten Regelabweichungs-Grenzwert für eine Mindestzeitdauer unterschreitet. Wird ein Sollwert-Begrenzer und/oder ein Sollwert-Filter eingesetzt, so wird das Steuersignal vorzugsweise dann erzeugt, wenn zu- sätzlich die gefilterte Soll-Position der vorgegebenen Soll-Position oder der durch den Sollwert-Begrenzer begrenzten maximalen Soll-Position entspricht.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 10 gewährleistet auf einfache und zuverlässige Weise eine hohe Positioniergenauigkeit. Die Berechnungseinheit berechnet aus einem Spannungssollwert einen ersten Spannungswert für den Grob-Wandler und einen zweiten Spannungswert für den Fein- Wandler, die von dem Grob-Wandler bzw. dem Fein- Wandler als analoge Wandler- Ausgangsspannungen bereitgestellt werden müssen. Vor- zugsweise wird zunächst der erste Spannungswert für den Grob-Wandler berechnet, so dass der erforderliche zweite Spannungswert des Fein- Wandlers zur Umsetzung des Spannungssollwerts im Wesentlichen mittig in dem zweiten Spannungsbereich AU2 liegt. Hierdurch hat der Fein- Wandler bei einer Veränderung des Spannungs Sollwerts in positiver und negativer Richtung einen gleichermaßen großen Spannungsbereich zur
Verfügung, um die Veränderung des Spannungssollwerts über den zweiten Spannungswert umzusetzen. Hierdurch wird gewährleistet, dass der erste Spannungswert des Grob-Wandlers im Wesentlichen nur dann verändert wird, wenn die Veränderung des Spannungssollwerts nicht mehr über den zweiten Spannungswert bzw. den Fein- Wandler umgesetzt werden kann. Vorzugsweise berechnet die Berechnungseinheit in einem aktuellen Zeitschritt einen erforderlichen ersten Spannungswert und vergleicht diesen mit einem ersten Spannungswert, der in einem früheren Zeitschritt berechnet wurde. Überschreitet ein Differenzbetrag des Spannungssollwerts und des ersten Spannungswert zum früheren Zeitschritt einen Grenzwert, so wird der frühere erste Spannungswert durch den aktuellen ersten Spannungswert ersetzt. Der Grenzwert ist beispielsweise größer als Null, jedoch höchstens AU2/2.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 1 1 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit in einem stationären Zustand der Positionsregelung. Dadurch, dass der Grenzwert in einem stationären Zustand der Positionsregelung verändert bzw. erhöht wird, kann erzwungen werden, dass während der Positionsregelung an einer festen Position Änderungen in der Wandler- Ausgangsspannung des Grob-Wandlers äußerst unwahrscheinlich werden. Hierdurch können unerwünschte Änderungen in der Ausgangsspannung des Grob-Wandlers in einem stationären Zustand der Positionsregelung vermieden werden. Im dynamischen Zustand der Positionsregelung wird der Grenzwert beispielsweise auf AU2/4 gesetzt, so dass vor Erreichen bzw. Erkennen des stationären Zustands ein Nachjustieren des Grob-Wandlers erzwungen bzw. forciert wird. Wird ein stationärer Zustand erkannt, so wird der Grenzwert beispielsweise auf AU2/2 gesetzt, wodurch Änderungen in der Ausgangsspannung des Grob-Wandlers zum Ausregeln von Stö- rungen unwahrscheinlich werden.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 12 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit. Dadurch, dass an dem ohmschen Widerstand bzw. Serien- Widerstand eine Mess-Spannung ermittelt wird, kann mit dieser Mess-Spannung eine Spannungsregelung oder eine Ladungsregelung für den mindestens einen piezoelektrischen Aktor aufgebaut werden. Die Spannungsregelung oder die Ladungsregelung stellt einen inneren Regelkreis bereit, der von der Positionsregelung als äußeren Regelkreis überla- gert wird.
Eine Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 13 gewährleistet eine hohe Positioniergenauigkeit. Durch die Ladungs-Regeleinheit können Hystereseeffekte des mindestens einen piezoelektrischen Aktors vermieden bzw. kompensiert werden. Durch die Ladungs-Regeleinheit, die einen inneren Regelkreis bereitstellt, wird ein Ist-Ladungszustand des mindestens einen piezoelektrischen Aktors exakt einstellt, wobei der Soll-Ladungszustand insbesondere von der Positions-Regeleinheit vorgegeben wird, die einen äußeren Positions-Regelkreis bildet.
Die piezoelektrische Positionier- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 kann in vorteilhafter Weise für eine Projektionsbelichtungsanlage angewendet werden. Hierdurch wird insbesondere das Positionieren mindestens eines Bauteils der Projektionsbelichtungsanlage, wie beispielsweise einer Linse, eines Spiegels und/oder einer zu verbiegenden Platte, mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Positionier- Verfahren zu schaffen, das auf einfache und zuverlässige Weise eine hohe Positio- niergenauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Positionier- Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Positionierverfahrens entsprechen den bereits beschriebenen Vorteilen der erfin- dungsgemäßen piezoelektrischen Positionier- Vorrichtung. Das Positionier- Verfahren kann insbesondere auch mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 13 weitergebildet werden. Vorzugsweise wird das Positionier- Verfahren bei einer Projektionsbelichtungsanlage gemäß Anspruch 14 eingesetzt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer piezoelektrischen Positionier- Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Aktor, der mit einem ersten Digital- Analog- Wandler und einem zweiten Digital- Analog- Wandler angesteuert wird,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Kennlinien der Digital-
Analog- Wandler, einen Signalflussplan einer Positionsregelung für den piezoelektrischen Aktor mit einer Berechnungseinheit zur Berechnung von Spannungswerten für die Digital-Analog- Wandler, und einen Signalflussplan der Berechnungseinheit zur Berechnung eines ersten Spannungswerts für den ersten Digital- Analog- Wandler und eines zweiten Spannungswerts für den zweiten Digital- Analog- Wandler. Eine piezoelektrische Positionier- Vorrichtung 1 weist zur Positionierung eines kinematischen Systems 2 einen piezoelektrischen Aktor 3 auf. Der piezoelektrische Aktor 3 wirkt - elektrisch gesehen - als Kondensator mit einer Kapazität C und verändert in Abhängigkeit eines Ist- Ladungszustandes eine Längsabmessung. Die Veränderung der Längsabmessung wird mit Δχ bezeichnet. Der piezoelektrische Aktor 3 ist bekannt und üblich und beispielsweise als Piezo-Stapel ausgebildet.
Der piezoelektrische Aktor 3 ist über Anschlusskontakte 4, 5 mit einer Steuereinrichtung 6 verbunden. Die Steuereinrichtung 6 weist einen digitalen Signalprozessor 7 auf. Eine erste Wandler- Verstärker- Schaltung 8 ist in Signalverbindung mit dem digitalen Signalprozessor 7, jedoch von diesem mittels eines ersten Isolationselements 1 1 galvanisch getrennt. Die erste Wandler- Verstärker- Schaltung 8 ist mit dem ersten Anschlusskontakt 4 verbunden. Eine zweite Wandler- Verstärker- Schaltung 9 ist über einen ohmschen Serien- Widerstand 10 mit dem zweiten Anschlusskontakt 5 verbunden. Der Serien- Widerstand 10 hat den Widerstandswert . Die zweite Wandler- Verstärker- Schaltung 9 ist in Signalverbindung mit dem digitalen Signalprozessor 7, jedoch von diesem mittels eines zweiten Isolationsele- ments 1 1 ' galvanisch getrennt.
Die erste Wandler- Verstärker- Schaltung 8 weist einen ersten Digital- Analog- Wandler 12 auf, der über einen Tiefpass-Filter 13 mit einem ersten Spannungsverstärker 14 verbunden ist. Der erste Digital- Analog- Wandler 12 weist einen ersten Spannungsbereich AUi auf und stellt in ersten Spannungsstufen Aui eine erste analoge Wandler-Ausgangsspannung Ui bereit. Die erste Wandler- Verstärker- Schaltung 8 ist an eine erste Spannungsquelle 15 angeschlossen, die eine erste Verschiebespannung bereitstellt. Durch die erste Verschiebespannung wird ein Bezugspotential der ersten Wand- ler- Verstärker- Schaltung 8 gegenüber dem Referenzpotential (GROUND GND) verschoben. Dies erfordert die galvanische Trennung durch das Isolationselement 1 1 ' zwischen dem digitalen Signalprozessor 7 und der ersten Wandler- Verstärker- Schaltung 8.
Die zweite Wandler- Verstärker- Schaltung 9 weist einen zweiten Digital- Analog- Wandler 16 auf, der mit einem zweiten Spannungsverstärker 17 verbunden ist. Der zweite Digital- Analog- Wandler 16 weist einen zweiten Spannungsbereich AU2 auf und stellt in zweiten Spannungsstufen Au2 eine zweite analoge Wandler- Ausgangsspannung U2 bereit. Die zweite Wandler-Verstärker-Schaltung 9 ist an eine zweite Spannungsquelle 18 angeschlossen, die eine zweite Verschiebespannung bereitstellt. Durch die zweite Verschiebespannung wird ein Bezugspotential der zweiten Wandler-Verstärker-Schaltung 9 gegenüber dem Referenzpotential verschoben. Dies erfordert die galvanische Trennung durch das Isolationselement 1 1 ' zwischen dem digitalen Signalprozessor 7 und der zweiten Wandler- Verstärker- Schaltung 9. Beträgt die zweite Verschiebespannung 0 V, so ist das zweite Isolationselement 1 1 ' nicht erforderlich. Jedoch kann eine galvanische Trennung durch das Isolationselement 1 1 ' aus Sicherheitsgründen sinnvoll sein, da auf diese Weise der digitale Signalprozessor 7 im Fehlerfall von möglicherweise Hochspannung führenden Bauteilen der zweiten Wandler- Verstärker- Schaltung 9 elektrisch getrennt ist. Entsprechendes gilt für die erste Verschiebespannung und das erste Isolationselement 1 1. Vorzugsweise wird die zweite Wandler- Verstärker- Schaltung 9 symmetrisch zu dem Referenzpotential betrieben, so dass eine galvanische Trennung durch das zweite Isolationselement 1 1 ' entfallen kann. Hierzu wird die zweite Verschiebespannung auf 0 V gelegt. Dies ist einerseits vorteilhaft, da eine Strommessung über den ohmschen Serien- Widerstand 10 üb- licherweise über einen Digital- Analog- Wandler mit differenziellen Eingang oder einen entsprechenden Vorverstärker erfolgt, wobei das Gleichtaktsignal des differenziellen Eingangs bzw. differenziellen Vorverstärkers üblicherweise auf +/-5 V gegenüber dem Referenzpotential begrenzt ist. Andererseits ist es aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, das Spannungspotential eines Anschlusskontakts 4, 5 in der Nähe des Referenzpotentials zu belassen. Falls einer der Anschlusskontakte 4, 5 beispielsweise bei einer Inbetriebnahmemessung versehentlich Kontakt mit dem Referenzpotential bzw. der Gehäusemasse der piezoelektrischen Positionier- Vorrichtung 1 bekommt, führt dies nicht zu einer Depolarisation oder Zerstörung des piezoelektrischen Aktors 3.
Beträgt der Arbeitsbereich des piezoelektrischen Aktors 3 beispielsweise -20 V bis 120 V und der erste Spannungsbereich AUi 0 V bis 135 V und der zweite Spannungsbereich AU2 -2,5 V bis 2,5 V, so wird die erste Verschiebespannung auf -17,5 V und die zweite Verschiebespannung auf 0 V gelegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass im Fehlerfall - unabhängig davon, welcher Anschlusskontakt 4, 5 das Referenzpotential bzw. die Gehäusemasse berührt - maximal -17,5 V bis 1 17,5 V über dem piezoelektrischen Aktor 3 anliegen, also die im Fehlerfall anliegende Spannung in dem Arbeitsbereich des piezoelektrischen Aktors 3 liegt.
Der erste Digital- Analog- Wandler 12 weist n bit auf, so dass ein erster digitaler Eingang 2n Eingangswerte di annehmen kann. Die ersten Span- nungsstufen Aui werden durch den ersten Spannungsbereich AUi und die 2n digitalen Eingangswerte di festgelegt. Entsprechend weist der zweite Digital- Analog- Wandler 16 m bit auf, so dass ein zweiter digitaler Eingang 2m Eingangswerte d2 annehmen kann. Die zweiten Spannungsstufen Au2 werden durch den zweiten Spannungsbereich AU2 und die 2m Eingangs- werte d2 festgelegt. Der erste Digital- Analog- Wandler 12 dient zur Bereitstellung der Wandler- Ausgangsspannung Ui in einem großen Spannungsbereich AUi und in großen Spannungsstufen Aui ? wohingegen der zweite Digital- Analog- Wandler 16 zur Bereitstellung der zweiten Wandler- Ausgangsspannung U2 in einem kleineren Spannungsbereich AU2 und in kleineren Spannungsstufen Au2 dient. Dementsprechend ist der erste Digital- Analog- Wandler 12 nachfolgend auch als Grob- Wandler 12 bezeichnet, wohingegen der zweite Digital- Analog- Wandler 16 nachfolgend auch als Fein- Wandler 16 bezeichnet ist. Es gilt dementsprechend:
Figure imgf000015_0001
Der zweite Spannungsbereich AU2 deckt darüber hinaus mindestens eine erste Spannungsstufe Aui ab, so dass gilt:
AU2 > Au!.
Diese Beziehungen sind in Fig. 2 veranschaulicht. Die ersten Spannungsstufen Aui weisen in der Praxis eine Spannungsunge- nauigkeit auf. Eine maximale Spannungsungenauigkeit Aud ist in Fig. 2 beispielhaft veranschaulicht. Die maximale Spannungsungenauigkeit Aud kann im ungünstigsten Fall bei einer Spannungsstufe Aui in einer negativen Richtung und in einer nachfolgenden Spannungsstufe Aui in einer positi- ven Richtung auftreten. Dies ist in Fig. 2 beispielhaft für die Spannungsstufen Aui und 2-Aui veranschaulicht. Auftretende Spannungsungenauigkei- ten sind bei Digital- Analog- Wandlern auch als differenzielle Nichtlineari- täten bekannt. Vorzugsweise gilt für den zweiten Spannungsbereich AU2 dementsprechend: AU2 > Aui + Aua, insbesondere AU2 > Aui + 2-Aud.
Die Positioniergenauigkeit des piezoelektrischen Aktors 3 ist abhängig von den zweiten Spannungsstufen Au2, also der Auflösung des Fein- Wandlers 16. Die Positioniergenauigkeit ist dementsprechend umso höher, je kleiner die zweiten Spannungsstufen Au2 sind. Vorzugsweise gilt für den zweiten Spannungsbereich AU2:
AU2 < 64-Aui, insbesondere AU2 < 32-Aui.
Hierdurch werden bei einer gegebenen bit- Anzahl m möglichst kleine zweite Spannungsstufen Au2 gewährleistet.
Zur Messung einer zu regelnden Ist-Position x weist die Positionier- Vorrichtung 1 einen Positions-Messsensor 19 auf. Der Positions- Messsensor 19 misst beispielsweise die Ist-Position x eines zu positionierenden Bauteils des kinematischen Systems 2. Darüber hinaus kann der Positions-Messsensor 19 beispielsweise die Ist-Position x bzw. den Verstell- Weg des piezoelektrischen Aktors 3 messen. Der Positions- Messsensor 19 ist in Signalverbindung mit der Steuereinrichtung 6 und stellt dem digitalen Signalprozessor 7 über einen ersten Analog-Digital- Wandler 20 digitale Messwerte xm der Ist-Position x bereit.
Der Serien- Widerstand 10 wird als Shunt bzw. Mess-Widerstand genutzt, um den zu dem piezoelektrischen Aktor 3 geflossenen Strom zu ermitteln. Hierzu weist die Positionier- Vorrichtung 1 einen Spannungs-Messsensor 21 auf, der eine an dem Serien- Widerstand 10 abfallende Spannung Um misst. Der Spannungs-Messsensor 21 ist in Signalverbindung mit der Steuereinrichtung 6 und stellt dem digitalen Signalprozessor 7 über einen zweiten Analog-Digital- Wandler 22 digitale Messwerte um der Spannung Um zur Verfügung.
Mittels der Steuereinrichtung 6 erfolgt eine Positionsregelung der Ist- Position x und eine Ladungsregelung eines Ist-Ladungszustands Q des piezoelektrischen Aktors 3. Die Ladungsregelung bildet einen inneren Regelkreis, wohingegen die Positionsregelung einen diesen überlagernden äuße- ren Regelkreis bildet. Zur Positions- und Ladungsregelung bildet der digitale Signalprozessor 7 eine Positions-Regeleinheit 23, eine Positions-Vor- steuereinheit 24, eine Ladungs-Regeleinheit 25, eine Berechnungseinheit 26 und eine Detektionseinheit 27 aus. Eine Soll-Position Xs wird in der Positions-Regeleinheit 23 zunächst einem Sollwert-Begrenzer 28 und eine etwaig begrenzte Soll-Position Xs' einem Sollwert-Filter 29 zugeführt. Der Sollwert-Filter 29 hat die Funktion eines Bahngenerators und berücksichtigt insbesondere physikalische Grenzen des piezoelektrischen Aktors 3. Der Sollwert-Filter 29 stellt ausgangsseitig eine berechnete zweite Soll-Position xs bereit. Mittels eines ersten Addierers 31 wird von der Soll-Position xs die gemessene und digitalisierte Ist- Position xm subtrahiert und eine Positions-Regelabweichung ex berechnet. Etwaige Totzeiten des kinematischen Systems 2 und/oder der Positionier- Vorrichtung 1 können über ein Totzeit-Element 30 vor dem Addierer 31 berücksichtigt werden. Die Positions-Regelabweichung ex wird einem VorFilter 32 und einem nachgeordneten Positions-Regler 33 zugeführt. Der Positions-Regler 33 stellt ausgangsseitig eine Regel- Stellgröße uR bereit. Die Positions-Regeleinheit 23 wirkt mit der Positions-Vorsteuereinheit 24 zusammen. Hierzu wird die Soll-Position xs als eine Vorsteuer-Stellgröße mit der Regel- Stellgröße uR mittels eines zweiten Addierers 34 zu einer Gesamt-Stellgröße uP addiert.
Die Stellgröße uP stellt einen Soll-Ladungszustand Qs für die Ladungs- Regeleinheit 25 bereit. Der Ladungs-Regeleinheit 25 wird zudem die digitalisierte Mess-Spannung um zugeführt, die in einem Umrechnungselement 35 mit dem Widerstandswert R in einen Strom im umgerechnet wird, der in einem Vor-Filter 36 gefiltert und anschließend mittels eines Integrators 37 aufmtegriert wird. Der Integrator 37 stellt ausgangsseitig einen Ist-La- dungszustand Q des piezoelektrischen Aktors 3 bereit. Von dem Soll- Ladungszustand Qs wird der Ist-Ladungszustand Q mittels eines dritten Addierers 38 subtrahiert, so dass der dritte Addierer 38 ausgangsseitig eine Ladungs-Regelabweichung eQ ausgibt. Die Ladungs-Regelabweichung eQ wird in einem zweiten Umrechungselement 39 in einen Spannungssollwert Us umgerechnet, der von den Digital- Analog- Wandlern 12, 16 als Summe der analogen Wandler- Ausgangsspannungen Ui und U2 ausgegeben werden soll.
Der Spannungssollwert Us wird der Berechnungseinheit 26 zugeführt, die die digitalen Eingangswerte di und d2 für die Digital- Analog- Wandler 12 und 16 berechnet. Der Berechnungseinheit 26 wird zudem ein Steuersignal S zugeführt, das von der Detektionseinheit 27 generiert wird. Hierzu wird der Detektionseinheit 27 die Soll-Positionen Xs, Xs' und xs und die Positions-Regelabweichung ex zugeführt. Die Detektionseinheit 27 ist derart ausgebildet, dass ein Steuersignal S erzeugt wird, wenn Xs = xs bzw. Xs' = xs gilt und die Positions-Regelabweichung ex betragsmäßig einen vordefinierten Regelabweichungs-Grenzwert für eine Mindestzeitdauer unterschreitet. In diesem Fall erkennt die Detektions-einheit 27 einen stabilen bzw. stationären Zustand der Positionsregelung. Für das Steuersignal S gilt beispielsweise bei Erkennen eines stationären Zustands S = 1 , anderenfalls S = 0.
Die Berechnungseinheit 26 ist in Fig. 4 im Detail veranschaulicht. Um die Zeitschritte zu verdeutlichen, ist der aktuelle Zeitschritt als [k] und der vorherige Zeitschritt mit [k - 1] gekennzeichnet. Aus dem Spannungssollwert U§[k] wird mittels eines Umrechnungselements 39 ein erforderlicher erster Spannungswert UiS[k] für den Grob- Wandler 12 berechnet. Der erste Spannungswert UiS[k] berücksichtigt die Parameter des Grob-Wandlers 12, wie beispielsweise den ersten Spannungsbereich AUi und die ersten Spannungsstufen Aui bzw. die Auflösung. Dieser erste Spannungswert UiS[k] wird einem ersten Auswahlelement 40 zugeführt. Dem Auswahlelement 40 wird zudem ein Ausgangs spannungswert UA[k - 1] des Auswahlelements 40 zugeführt, der in einem Speicherelement 41 gespeichert ist.
Das Auswahlelement 40 wählt in Abhängigkeit eines Schaltsignals SA[k] zwischen UiS[k] und UA[k - 1] aus. Ist SA[k] = 1, so wählt das Auswahlelement 40 als aktuellen Ausgangsspannungswert UA[k] den ersten Spannungswert UiS[k] aus, anderenfalls, also bei SA[k] = 0, den früheren Aus- gangsspannungswert UA[k - 1]. Der Ausgangsspannungswert UA[k] gibt die von dem Grob- Wandler 12 auszugebende analoge erste Wandler- Ausgangsspannung Ui vor, wobei in dem Berechnungselement 42 der entsprechende digitale Eingangswert di für den Grob-Wandler 12 berechnet wird. Der Ausgangsspannungswert UA [k] wird weiterhin einem Kompensations- tiefpass-Filter 50 zugeführt. Der Kompensationstiefpass-Filter 50 sorgt dafür, dass die aufgrund des Tiefpass-Filters 13 tiefpassgedämpfte Dynamik der ersten Wandler- Verstärker- Schaltung 8 durch die zweite Wandler- Verstärker- Schaltung 9 ausgeglichen wird. Dies bedeutet, dass im Kleinsignal- verhalten für die Spannung am piezoelektrischen Aktor 3 die gesamte Dynamik zum Ausregeln von Störungen zur Verfügung steht. Die Grenzfrequenz des Tiefpass-Filters 13 und damit auch die Grenzfrequenz des Kom- pensationstiefpass-Filters 50 bestimmt sich aus der geforderten maximalen Verfahrgeschwindigkeit des piezoelektrischen Aktors 3.
Mittels eines vierten Addierers 43 wird von dem Spannungssollwert Us[k] der tiefpassgefilterte Ausgangsspannungswert UA[k] für den Grob-Wandler 12 subtrahiert, so dass der Addierer 43 einen zweiten Spannungswert U2s[k] ausgibt, der von dem Fein- Wandler 16 als zweite analoge Wandler- Ausgangsspannung U2 ausgegeben werden soll. In einem Berechnungselement 44 wird dieser zweite Spannungswert U2S[k] in den digitalen Eingangswert d2 für den Fein- Wandler 16 umgerechnet. Zur Berechnung des Schaltsignals SA[k] wird mittels eines fünften Addierers 45 von dem Spannungssollwert Us[k] der Ausgangsspannungswert UA[k - 1] aus dem vorherigen Zeitschritt subtrahiert, der in einem Speicherelement 46 gespeichert ist. Der Addierer 45 gibt eine Spannungsdifferenz aus, zu der mittels eines Betragsbildners 47 ein Differenzbetrag AU[k] gebildet wird. Der Differenzbetrag AU[k] wird einem Vergleicher 48 zugeführt, der diesen mit einem Grenzwert L[k] vergleicht. Überschreitet der Differenzbetrag AU[k] den Grenzwert L[k] wird das Schaltsignal SA[k] = 1 ausgegeben, das in dem Auswahlelement 40 zur Auswahl des ersten Spannungswerts UiS[k] führt. Andernfalls wird das Schaltsignal SA[k] = 0 aus- gegeben, das in dem Auswahlelement 40 zur Auswahl des früheren Ausgangsspannungswerts UA[k-l] führt.
Ein zweites Auswahlelement 49 wählt in Abhängigkeit des von der Detek- tionseinheit 27 bereitgestellten Steuersignals S[k] zwischen einem ersten Grenzwert Lu und einem zweiten Grenzwert Ls aus und stellt in Abhängigkeit der Auswahl den aktuellen Grenzwert L[k] bereit. Der erste Grenzwert Lu wird ausgewählt, wenn das Steuersignal S[k] einen unstabilen bzw. dynamischen Zustand der Positionsregelung charakterisiert, wohingegen der zweite Grenzwert Ls ausgewählt wird, wenn das Steuersignal S[k] einen stabilen bzw. stationären Zustand der Positionsregelung charakterisiert. Es gilt:
Lu < Ls.
Hierdurch wird gewährleistet, dass in einem stabilen Zustand der Positionsregelung eine Änderung der ersten Wandler-Ausgangsspannung Ui unwahrscheinlich wird. Die piezoelektrische Positionier- Vorrichtung 1 ist beispielsweise Teil einer Projektionsbelichtungsanlage, wobei mittels der piezoelektrischen Positionier- Vorrichtung 1 mindestens ein Bauteil der Projektionsbelichtungsanlage, wie beispielsweise ein Spiegel, eine Linse und/oder eine zu verbiegende Platte, hochgenau positionierbar ist.
Die Funktionsweise der Po sitions- Vorrichtung 1 ist wie folgt:
Zur Einstellung einer gewünschten Soll-Position Xs wird mittels des Sollwert-Begrenzers 28 und dem Sollwert-Filter 29 ein geeigneter Bahnverlauf und die zugehörige Soll-Position xs berechnet. Aus der Soll-Position xs und der digitalisierten Ist-Position xm, die mittels des Positions- Messsensors 19 ermittelt wurde, wird die Positions-Regelabweichung ex bestimmt und über den Vor-Filter 32 dem Positions-Regler 33 zugeführt, der die Regel- Stellgröße uR ausgibt. Der Positions-Regler 33 ist beispiels- weise als PID-Regler ausgeführt. Zusätzlich wird über die Positions- Vorsteuereinheit 24 die Soll-Position xs aufaddiert und der resultierende Soll-Ladungszustand Qs des piezoelektrischen Aktors 3 der Ladungs- Regeleinheit 25 zugeführt.
Die Ladungs-Regeleinheit 25 berechnet eine Ladungs-Regelabweichung eQ und gibt ausgangsseitig den erforderlichen Spannungssollwert Us aus, der durch die Digital- Analog- Wandler 12 und 16 in die analogen Wandler- Ausgangsspannungen Ui und U2 umgesetzt werden muss. Zur Berechnung der Ladungs-Regelabweichung eQ wird die digitalisierte Mess-Spannung um in einen Strom im umgerechnet und zu dem Ist-Ladungszustand Q aufm- tegriert.
Mittels der Berechnungseinheit 46 werden in der bereits beschriebenen Weise aus dem Spannungssollwert Us die digitalen Eingangswerte di und d2 für die Digital- Analog- Wandler 12, 16 berechnet. Hierbei befindet sich die Positionsregelung zunächst in einem dynamischen Zustand, so dass die Detektionseinheit 27 ein entsprechendes Steuersignal S an die Berechnungseinheit 26 übermittelt und diese den ersten Grenzwert Lu für den Vergleicher 48 verwendet.
Die Digital- Analog- Wandler 12, 16 stellen entsprechend den Eingangswerten di und d2 und ihren Kennlinien die gewünschten analogen Wandler- Ausgangsspannungen Ui und U2 bereit. Die Wandler-Ausgangsspannung Ui wird mittels des Tiefpass-Filters 13 gefiltert und anschließend in einer gewünschten Weise mittels des Spannungsverstärkers 14 verstärkt an den piezoelektrischen Aktor 3 angelegt. Durch den Tiefpass-Filter 13 und den Serien- Widerstand 10 wird ein Rauschsignal des Grob- Wandlers 12 gedämpft. Demgegenüber wird die Wandler- Ausgangsspannung U2 ohne Tiefpass-Filter mittels des zweiten Spannungsverstärkers 17 verstärkt und an den piezoelektrischen Aktor 3 angelegt, da die zweiten Spannungsstufen Au2 deutlich kleiner sind als die ersten Spannungsstufen Aui. Die Positioniergenauigkeit des piezoelektrischen Aktors 3 wird somit durch die zwei- ten Spannungsstufen Au2 bestimmt.
Der piezoelektrische Aktor 3 verändert in Folge der eingestellten Wandler- Ausgangsspannungen Ui und U2 seine Längenausdehnung um Δχ und stellt somit die gewünschte Ist-Position x ein. Ist ein im Wesentlichen stationärer Zustand der Positionsregelung erreicht, so detektiert die Detektionseinheit 27 diesen und stellt der Berechnungseinheit 26 ein entsprechendes Steuersignal S bereit. Die Berechnungseinheit 26 verwendet für den Vergleicher dementsprechend den größeren zweiten Grenzwert Ls, wodurch der Grob- Wandler 12 seine eingestellte Wandler- Ausgangsspannung Ui erst dann wieder verändert, wenn eine Änderung im Spannungssollwert Us nicht über den Fein- Wandler 16 eingestellt werden kann.
Der erste Grenzwert Lu beträgt beispielsweise AU2/4, wodurch im dynamischen Zustand der Positionsregelung Änderungen des Grob-Wandlers 12 forciert werden. Demgegenüber beträgt der zweite Grenzwert Ls beispielsweise AU2/2, wodurch der zweite Spannungsbereich AU2 des Fein- Wandlers 16 optimal ausgeschöpft wird.
Die erfindungsgemäße Positionier- Vorrichtung und das erfindungsgemäße zweistufige Digital- Analog- Wandler-Konzept mit einem Grob- und einem Fein- Wandler ermöglicht somit eine hochgenaue Positionsregelung von piezoelektrischen Aktoren, insbesondere von Piezo-Stapeln, unter Verwendung einer Spannungs- oder Ladungsansteuerung. Vorzugsweise wird der gesamte Stell-Bereich bzw. Verfahr-Bereich über die Längenausdehnung eines einzigen Piezo-Stapels ermöglicht. Dadurch, dass Piezo-Stapel unmittelbar und direkt auf Spannungs- bzw. Ladungsänderungen reagieren, wird auch eine hochdynamische Positionsregelung ermöglicht. Vorzugsweise besteht der mindestens eine piezoelektrische Aktor bzw. der mindes- tens eine Piezo-Stapel aus einer Keramik, die nicht leitend ist. Hierdurch kann der piezoelektrische Aktor insbesondere potentialfrei betrieben werden. Durch die Messung an dem Serien- Widerstand können auch Systemfehler, wie beispielsweise Kabelbrüche und/oder Kurzschlüsse, diagnostiziert werden. Durch die Aufteilung in einen Grob-Wandler und einen Fein- Wandler können differenzielle Nichtlinearitäten gezielt vermieden werden, da kleine Positions-Regelabweichungen immer mit dem Fein- Wandler ausgeregelt werden können und die Wandler- Ausgangsspannung des Grob- Wandlers nur bei vergleichsweise großen Positionsänderungen verändert wird. Das Ansteuerkonzept für den Grob-Wandler und den Fein- Wandler ist grundsätzlich so, dass ein veränderter Spannungssollwert nach Möglichkeit über den Fein- Wandler eingestellt werden soll, so dass keine Veränderung des Grob-Wandlers erforderlich ist. Wenn dies nicht möglich ist, wird sowohl der Grob-Wandler als auch der Fein- Wandler verändert und so eingestellt, dass sich der Fein- Wandler möglichst nahe in seiner Mittel- Stellung bzw. mittig in seinem Spannungsbereich befindet. Dies wird durch die Berechnungseinheit gewährleistet. Die Anzahl der Sollwertänderungen des Grob-Wandlers wird durch die Berechnungseinheit minimiert, so dass die differenzielle Nichtlinearität des Grob-Wandlers nur punktuell als einmalige Störgröße im Positions-Regelkreis wirkt und problemlos von dem Positions-Regelkreis kompensiert werden kann. Durch die Verknüpfung der Berechnungseinheit mit der Detektionseinheit wird zudem gewährleistet, dass eine Veränderung des Grob-Wandlers nicht in einem stationären Zustand der Positionsregelung auftritt, wenn also die eingestellte Ist- Position exakt gehalten werden soll. Durch die Kombination der Sollwert- Verteilung auf den Grob-Wandler und den Fein- Wandler mit dem Bahngenerator der Positionsregelung wird der Grob-Wandler so justiert bzw. nachjustiert, dass mit dem Fein- Wandler ein möglichst gleicher Spannungsbereich in positiver Richtung und negativer Richtung zur Verfügung steht. Hierdurch können für das hochgenaue Halten der Ist-Position erforderlichen Spannungsänderungen allein vom Fein- Wandler aufgebracht werden.
Durch die Wahl der Versorgungsspannungen kann die erfindungsgemäße Positionier- Vorrichtung einfach an den Spannungsbereich des piezoelektri- sehen Aktors angepasst werden und dieser zuverlässig vor Überspannungen geschützt werden. Durch die digitale Ladungsregelung können Hystereseeffekte des piezoelektrischen Aktors im Wesentlichen vermieden werden. Bei Verwendung von Piezo- Stapeln aus Niedervolt-Keramiken ist ein stromsparender und hochintegrierter Aufbau der Positionier- Vorrichtung möglich. Die Bauteilanzahl ist vergleichsweise gering, so dass eine Beeinträchtigung durch Rauschen, thermische Drift, Bauteil- Varianzen, niedrig ist.
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Positionier- Vorrichtung auf einfache und zuverlässige Weise eine hochgenaue und hochdynamische Positionsregelung. Die erfindungsgemäße Positionier- Vorrichtung eignet sich prinzipiell zur Positionierung von beliebigen kinematischen Systemen bzw. deren Bauteilen.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrische Positionier- Vorrichtung, umfassend:
mindestens einen piezoelektrischen Aktor (3) mit jeweils einem ersten Anschlusskontakt (4) und einem zweiten Anschlusskontakt
(5),
eine Steuereinrichtung (6) zur Ansteuerung des mindestens einen piezoelektrischen Aktors (3), mit
— einem ersten Digital- Analog- Wandler (12), der mit dem ersten Anschlusskontakt (4) verbunden ist und in einem ersten Spannungsbereich AUi in ersten Spannungsstufen Aui eine erste analoge Wandler-Ausgangsspannung Ui bereitstellt,
— einem zweiten Digital- Analog- Wandler (16), der mit dem
zweiten Anschlusskontakt (5) verbunden ist und in einem zweiten Spannungsbereich AU2 in zweiten Spannungsstufen
Au2 eine zweite analoge Wandler-Ausgangsspannung U2 bereitstellt,
wobei gilt: AUi >AU2 > Aui >Au2.
2. Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Spannungsstufen Aui eine maximale Spannungsunge- nauigkeit Aud aufweisen, wobei gilt: AU2 > Aui + Aud, insbesondere AU2 > Aui + 2-Aud , und/oder AU2 < 64-Aui, insbesondere AU2 < 32-Au!.
3. Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Digital- Analog- Wandler (12) ein erster Spannungsverstärker (14) und dem zweiten Digital- Analog- Wandler (16) ein zweiter Spannungsverstärker (17) nachgeordnet ist.
4. Positionier- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den zweiten Digital- Analog- Wandler (16), insbesondere zwischen den zweiten Spannungsverstärker (17), und den zweiten Anschlusskontakt (5) ein ohmscher Widerstand (10) geschaltet ist.
5. Positionier- Vorrichtung nach Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den ersten Digital- Analog- Wandler (12) und den ersten Spannungsverstärker (14) ein Tiefpass-Filter (13) geschaltet ist.
6. Positionier- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch einen Positions-Messsensor (19) zur Messung einer mittels des mindestens einen piezoelektrischen Aktors (3) zu regelnden Ist- Position (x).
7. Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eine Positions-Regeleinheit (23) zur Regelung der Ist-Position (x) aufweist, wobei die Positions-Regeleinheit (23) insbesondere einen Sollwert-Filter (29) umfasst.
8. Positionier- Vorrichtung nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eine Positions-Vorsteuereinheit (24) umfasst, die mit der Positions- egeleinheit (23) zusammenwirkt.
9. Positionier- Vorrichtung nach einem Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (6) eine Detektionseinheit (27) umfasst, die derart ausgebildet ist, dass ein Steuersignal (S) erzeugt wird, wenn eine Positions-Regelabweichung (ex) einen vordefinierten Regelabweichungs-Grenzwert betragsmäßig unterschreitet.
10. Positionier- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung (6) eine Berechnungseinheit (26) zur Berechnung eines ersten Eingangswerts (di) für den ersten Digital- Analog- Wandler (12) und eines zweiten Eingangswert (d2) für den zweiten Digital- Analog- Wandler (16) aus einem Spannungssollwert (Us) aufweist, wobei die Berechnungseinheit (26) insbesondere derart ausgebildet ist, dass ein in einem aktuellen Zeitschritt (k) berechneter erster Spannungswert (Ui§) einen in einem früheren Zeitschritt (k-1) berechneten ersten Spannungswert (UA) ersetzt, wenn ein Differenzbetrag (AU) des Spannungssollwerts (US) und des ersten Spannungswerts (UA) in dem früheren Zeitschritt (k-1) einen Grenzwert (L) überschreitet.
1 1. Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (26) derart ausgebildet ist, dass der Grenzwert (L) in Abhängigkeit des Steuersignals (S) verändert wird.
12. Positionier- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 1 1, gekennzeichnet durch einen Spannungs-Messsensor (21) zur Ermittlung einer Mess-Spannung (um), die einer an dem ohmschen Widerstand (10) abfallenden Spannung (Um) entspricht.
13. Positionier- Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) eine Ladungs- egeleinheit (25) zur Regelung eines Ist-Ladungszustands (Q) des mindestens einen piezoelektrischen Aktors (3) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass aus der Mess-Spannung (um) der Ist-Ladungszustand (Q) ermittelt und mit einem Soll-Ladungszustand (Qs) verglichen wird, wobei der Soll- Ladungszustand (Qs) insbesondere von der Positions-Regeleinheit (23) vorgegeben wird.
14. Projektionsbelichtungsanlage mit mindestens einer piezoelektrischen Positionier- Vorrichtung () nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Positionier- Verfahren mit folgenden Schritten:
Bereitstellen einer piezoelektrischen Positionier- Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, und
Betätigen der piezoelektrischen Positionier- Vorrichtung (1) durch Anlegen der ersten analogen Wandler-Ausgangsspannung (Ui) und der zweiten analogen Wandler- Ausgangsspannung (U2)an den mindestens einen piezoelektrischen Aktor (3).
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109560720B (zh) * 2019-01-09 2023-08-29 桂林电子科技大学 一种菱形陶瓷驱动器
US11810749B2 (en) 2021-12-06 2023-11-07 Carl Zeiss Smt Gmbh Charged particle beam system, method of operating a charged particle beam system, method of recording a plurality of images and computer programs for executing the methods
DE102022203257A1 (de) 2022-04-01 2023-10-05 Carl Zeiss Smt Gmbh Ansteuervorrichtung, optisches system, lithographieanlage und verfahren
DE102022203255A1 (de) 2022-04-01 2023-10-05 Carl Zeiss Smt Gmbh Ansteuervorrichtung, optisches system und lithographieanlage
DE102024204700A1 (de) * 2024-05-22 2025-11-27 Carl Zeiss Smt Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Festkörperaktuators in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, adaptives optisches Element und Projektionsbelichtungsanlage

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6378582A (ja) * 1986-09-22 1988-04-08 Hitachi Ltd 電気機械変換素子
JPH02141694A (ja) * 1988-11-22 1990-05-31 Ntn Corp 微小位置決め装置
DE19923462C1 (de) * 1999-04-20 2000-11-16 Physik Instr Pi Gmbh & Co Positioniervorrichtung
US6215224B1 (en) * 1997-12-12 2001-04-10 Canon Kabushiki Kaisha Control device for vibration type actuator

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0710174B2 (ja) * 1989-05-29 1995-02-01 三菱電機株式会社 Ｐｗｍコンバータ装置
US5268621A (en) * 1992-09-29 1993-12-07 Wisconsin Alumni Research Foundation Digital controller for inchworm piezoelectric translator
US5361014A (en) * 1993-11-10 1994-11-01 Caterpillar Inc. Apparatus for driving a piezoelectric actuator
JP3484583B2 (ja) * 1995-03-30 2004-01-06 太平洋セメント株式会社 精密位置決め制御方法
JP2000082244A (ja) 1998-09-04 2000-03-21 Canon Inc ２平面を平行制御する情報処理装置、および情報処理方法
JP2000207027A (ja) * 1999-01-19 2000-07-28 Nikon Corp 位置決め装置および干渉測定装置
US6388452B1 (en) 2000-04-20 2002-05-14 Hewlett-Packard Company Device for sensing media thickness using capacitance measurements
SE0002884D0 (sv) * 2000-08-11 2000-08-11 Piezomotor Uppsala Ab Switched actuator control
JP2005347484A (ja) * 2004-06-02 2005-12-15 Nano Control:Kk 積層型圧電アクチュエータ素子、位置決め装置および位置決め方法
US7203569B2 (en) * 2004-08-31 2007-04-10 General Electric Company Machine tool control methods and designs for fabricating mesoscopic surface structures on substrates
WO2007022326A2 (en) 2005-08-16 2007-02-22 Infotonics Technology Center Inc. Tunable light filter
US20090015268A1 (en) 2007-07-13 2009-01-15 Gardner Delrae H Device and method for compensating a capacitive sensor measurement for variations caused by environmental conditions in a semiconductor processing environment
DE102007047716A1 (de) 2007-10-05 2009-04-09 Robert Bosch Gmbh Sensoreinrichtung zur kapazitiven Abstandsermittlung
US7786687B2 (en) * 2008-04-25 2010-08-31 Gm Global Technology Operations, Inc. Apparatus and method for control of an active front steering (AFS) system
CN101574868B (zh) * 2008-05-08 2012-01-25 金宝电子工业股份有限公司 喷墨头的定位方法
JP5740879B2 (ja) * 2009-09-18 2015-07-01 株式会社村田製作所 圧電アクチュエーター駆動回路
CN102064732B (zh) * 2010-11-17 2013-03-06 北京理工大学 一种压电陶瓷驱动电源及其控制方法
KR101357848B1 (ko) * 2012-04-17 2014-02-04 크루셜칩스 주식회사 차동위상 구동기
KR20150077933A (ko) * 2013-12-30 2015-07-08 삼성전기주식회사 피에조 구동 장치 및 방법
KR20150134627A (ko) * 2014-05-22 2015-12-02 삼성전기주식회사 피에조 액추에이터 구동 장치 및 그 구동 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6378582A (ja) * 1986-09-22 1988-04-08 Hitachi Ltd 電気機械変換素子
JPH02141694A (ja) * 1988-11-22 1990-05-31 Ntn Corp 微小位置決め装置
US6215224B1 (en) * 1997-12-12 2001-04-10 Canon Kabushiki Kaisha Control device for vibration type actuator
DE19923462C1 (de) * 1999-04-20 2000-11-16 Physik Instr Pi Gmbh & Co Positioniervorrichtung

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