DE102019200655B4

DE102019200655B4 - Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Aktuators und Piezo-Aktuator

Info

Publication number: DE102019200655B4
Application number: DE102019200655.8A
Authority: DE
Inventors: Mathias Richerzhagen
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2039-01-19
Also published as: DE102019200655A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Aktuators,wobei der Piezo-Aktuator einen Positionssensor zum Erfassen der Position des Piezo-Aktuators aufweist,wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:a) Ansteuern des Piezo-Aktuators durch ein elektrisches Signal in Form einer konvergierenden Wellenform,b) wobei die konvergierende Wellenform ausgehend von einem positiven und einem negativen Spannungsmaximum in Richtung einer Nullspannung und damit in Richtung der Ruheposition des Piezo-Aktuators konvergiert,c) Erfassen der Position des Piezo-Aktuators durch den Positionssensor,d) Kalibrieren des Positionssensors, indem der bei der Erfassung gemäß dem Verfahrensschritt c) erfasste Wert des Positionssensors als Nullwert angenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve der konvergierenden Wellenform entlang einer positiven und einer negativen Exponentialfunktion verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Aktuators sowie einen Piezo-Aktuator.
Beim Betrieb eines Piezo-Aktuators treten Hysteresefehler auf. Dies bedeutet, dass eine Bewegung des Aktuators von vorangegangenen Bewegungen abhängt. Für eine genauere Steuerung ist es bekannt, externe Positionssensoren zu verwenden, um den Piezo-Aktuator unter Verwendung einer Regelschleife zu steuern. Alternativ ist es möglich, den Hysteresefehler zu modellieren und den Steueralgorithmus zu berücksichtigen.
Die Genauigkeit der Steuerung eines Piezo-Aktuators kann lediglich so genau sein, wie der externe Positionssensor. Üblicherweise werden als Positionssensoren Dehnungsmessstreifen oder kapazitive Kraftsensoren verwendet, die sehr linear arbeiten. Diese weisen jedoch auf Grund der niedrigen Spannungen und der hierdurch notwendigen großen Verstärkung in der Messschaltung einen beträchtlichen Offset-Fehler auf.
In 1 ist eine typische Hysteresecharakteristik eines Piezo-Aktuators dargestellt. Entlang der X-Achse ist die Spannung am Aktuator dargestellt, während die Y-Achse die Position darstellt. In diesem Fall handelt es sich um die Winkelauslenkung, jedoch kann es sich auch um eine lineare Auslenkung handeln.
DE 10 2004 046 080 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Aktors, wobei durch gezielte Ansteuerung des Aktors durch eine Spannung ein gleichbleibendes Verhalten des Aktors erreicht werden soll.
WO 2012/012285 A2 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Aktors.
DE 10 2005 036956 A1 und DE 199 29 589 beschreiben die Nullpunktkalibrierung eines piezoelektrischen Aktors.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Piezo-Aktuator und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen bereitzustellen, wobei eine genauere Steuerung des Piezo-Aktuators ermöglicht wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Ansprüche 1 und 4.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Aktuators weist dieser einen Positionssensor zum Erfassen seiner Position auf. Hierbei kann es sich um eine Auslenkung in Rotationsrichtung oder um eine lineare Auslenkung handeln. Als Positionssensoren können sämtliche Sensoren verwendet werden, die aus dem Stand der Technik zur Bestimmung der Position von Piezo-Aktuatoren bekannt sind.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:

a) Der Piezo-Aktuator wird durch ein elektrisches Signal in Form einer konvergierenden Wellenform angesteuert.
b) Hierbei konvergiert die Wellenform ausgehend von einem positiven und einem negativen Spannungsmaximum in Richtung einer Nullspannung und damit in Richtung der Ruheposition des Piezo-Aktuators. Nach Abschluss des Konvergierens der Wellenform befindet sich somit der Piezo-Aktuator in jedem Fall in seiner Ruheposition oder Nulllage. Somit kann ein vorangegangener Offset oder Versatz, der durch die Ansteuerung des Piezo-Aktuators in der Vergangenheit verursacht wurde, eliminiert werden.
c) Die Position des Piezo-Aktuators wird durch den Positionssensor in üblicher Weise erfasst.
d) Hiernach erfolgt ein Kalibrieren des Positionssensors, indem der bei der Erfassung gemäß Verfahrensschritt c) erfasste Wert des Positionssensors als sein Nullwert angenommen wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann sichergestellt werden, dass der Positionssensor nach der Kalibrierung im Wesentlichen den Wert 0 anzeigen wird, sofern sich der Piezo-Aktuator in seiner Ruheposition befindet. Ein Offset-Fehler kann somit minimiert werden.
Erfindungsgemäß verläuft die Hüllkurve der konvergierenden Wellenform entlang einer positiven und einer negativen Exponentialfunktion. Die konvergierende Wellenform kann beispielsweise in Form einer Rechteckspannung mit abwechselnd positiver und negativer Amplitude ausgebildet sein, deren positive und negative Amplitude im Laufe der Zeit exponential abnimmt. Die Verwendung von anderen Wellenformen anstatt eines Rechtecks ist auch möglich z.B ein Trapezoid oder ein gefiltertes Rechteck.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die obere Grenze in der Hüllkurve der konvexen Wellenform durch die Funktion e^-t/τ definiert. Die untere Grenze der Hüllkurve der konvergierenden Wellenform ist durch die Funktion -e^-t/τ definiert.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Decay-Time der konvergierenden Wellenform 1 bis 10 Sekunden beträgt. Die bevorzugte Abklingzeit ist abhängig von der Dynamik des Aktuators. Beispielsweise kann für einen marktüblichen Aktuator eine Abklingzeit von 1 Sekunde bis 10 Sekunden verwendet werden. Für schnellere Aktuatoren kann die untere Grenze auch bei 0,1 Sekunden liegen. Längere Abklingzeiten sind zwar grundsätzlich möglich, aber nicht wirtschaftlich, da hierdurch die Kalibrationszeit sehr lang wird.
Die Erfindung betrifft ferner einen Piezo-Aktuator mit einem Positionssensor zum Erfassen der Position des Piezo-Aktuators sowie einer Steuervorrichtung zum Steuern des Piezo-Aktuators gemäß dem bisher diskutierten Verfahren. Der Piezo-Aktuator kann sämtliche Merkmale aufweisen, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 die Hysterescharakteristik eines Piezo-Aktuators gemäß dem Stand der Technik.
2: eine bespielhafte Darstellung einer konvergierenden Wellenform gemäß der vorliegenden Erfindung.
3: eine Darstellung der Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung.

1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
In 2 ist beispielhaft eine konvergierende Wellenform dargestellt, mit der der Piezo-Aktuator angesteuert werden kann, um in seine Ruheposition zu gelangen. Dieser Vorgang kann im Grundsatz mit einem Entmagnetisierungsvorgang verglichen werden, der bei magnetischen Systemen eingesetzt wird. Die konvergierende Wellenform weist in dem dargestellten Beispiel gemäß 2 die Form eines Rechtecks mit abwechselnd positiver und negativer Amplitude auf, der im Wesentlichen symmetrisch zur X-Achse verläuft. Die positiven und negativen Amplituden nehmen im Verlauf der Zeit exponential ab. Dies kann beispielsweise gemäß der Funktion e^-t/τ für die obere Grenze der Hüllkurve und e^-t/τ für die untere Grenze der Hüllkurve erfolgen.
Die Breite des Rechtecks ist mit t_H bezeichnet.
Um die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu überprüfen, wurde ein Versuch durchgeführt, dessen Ergebnisse in 3 dargestellt sind. Es wurde eine Messschleife mit 100 Iterationen durchgeführt. Jede Iteration weist die folgenden Schritte auf:

1. Anlegen einer zufälligen Spannung gemäß einer gleichmäßigen Verteilung zwischen -50 Volt und +50 Volt. Die Spannung wird für eine halbe Sekunde gehalten.
2. Anlegen einer Spannung von 0 Volt.
3. Erfassen des Positionswertes des externen Positionssensors, bei dem es sich im vorliegenden Fall um einen Dehnungsmessstreifen handelt. Die hierbei erfassten Positionswerte sind als gestrichelte Linien in 3 dargestellt. Die Y-Skala in 3 ist dieselbe wie in 1.
4. Kalibrieren des Positionssensors gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung der konvergierenden Wellenform.
5. Erneutes Erfassen des Positionswertes des Piezo-Aktuators durch den Positionssensor. Die hierbei ermittelten Positionswerte sind in 3 als durchgehende Linien dargestellt.

In 3 ist deutlich erkennbar, dass nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Werte des Positionssensors wesentlich genauer sind.
Die Erfindung kann in allen technischen Gebieten verwendete werden, in denen Piezo-Aktuatoren Anwendung finden, beispielsweise optische Kippspiegel, Nano-Stellglieder für wissenschaftliche Instrumente oder Industrieanlagen, Präzisionsausrichtung von Maschinen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Aktuators, wobei der Piezo-Aktuator einen Positionssensor zum Erfassen der Position des Piezo-Aktuators aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Ansteuern des Piezo-Aktuators durch ein elektrisches Signal in Form einer konvergierenden Wellenform, b) wobei die konvergierende Wellenform ausgehend von einem positiven und einem negativen Spannungsmaximum in Richtung einer Nullspannung und damit in Richtung der Ruheposition des Piezo-Aktuators konvergiert, c) Erfassen der Position des Piezo-Aktuators durch den Positionssensor, d) Kalibrieren des Positionssensors, indem der bei der Erfassung gemäß dem Verfahrensschritt c) erfasste Wert des Positionssensors als Nullwert angenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve der konvergierenden Wellenform entlang einer positiven und einer negativen Exponentialfunktion verläuft.
Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Aktuators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenze der Hüllkurve der konvergierenden Wellenform durch die Funktion e^-t/τ definiert ist und die untere Grenze der Hüllkurve der konvergierenden Wellenform durch die Funktion e^-t/τ definiert ist.
Verfahren zum Betreiben eines Piezo-Aktuators nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Decay-Time der konvergierenden Wellenform 1 bis 10 Sekunden beträgt.
Piezo-Aktuator, mit einem Positionssensor zum Erfassen der Position des Piezo-Aktuators, einer Steuervorrichtung zum Steuern des Piezo-Aktuators, wobei die Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 durchführt.