DE3809284A1 - Steuerschaltung fuer ein piezo-stellglied - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Eine derartige Steuerschaltung ist aus der GB-OS 21 78 619 bekannt.
Zur Linearisierung der durch elektrische Ansteuerung hervorgerufenen
Stellglied-Längenänderung ist dort ein Regelkreis ausgebildet, dessen
Regler mit der Stellinformation und mit einer rückgeführten Ist-
Information über die momentane Stellglied-Auslenkung beaufschlagt
wird. Die Ist-Information wird aus der elektrischen Stellgröße für
das Stellglied abgeleitet oder mittels eines berührungslosen Wegsensors
tatsächlich gemessen. Aus Stabilitätsgründen ist eine solche Steuer
schaltung mit Stellhub-Rückführung aber insbesondere dann recht
funktionskritisch, wenn mittels sehr kleiner Stellglieder hochfre
quente, periodische Stellbewegungen ausgeführt werden sollen. Auch
ist der mechanische Aufwand für die Wegmessung insbesondere dann
sehr groß, wenn das Stellglied eine Spiegelflächenzone verformen
soll und der Hub einer bestimmten Spiegelflächenzone hinter der
Spiegelfläche, also im Zentrum des Angriffsbereiches des Stellgliedes
gemessen werden muß. Von der elektrischen Stellgröße für das Stell
glied ist in der Betriebspraxis keine stabile Auslenkinformation
ableitbar, weil die Proportionalitätskonstante zwischen elektrischer
Ansteuerung und mechanischer Auslenkung des Stellgliedes temperatur
abhängig, also betriebszeitabhängig ist. Außerdem ist es möglich,
daß sich die geforderte Auslenkung während des Betriebs ändert,
so daß nicht von einem sich stabil einstellenden thermischen Arbeits
punkt ausgegangen werden kann.
Das ist besonders kritisch beim Einsatz einer solchen Steuerschaltung
für sogenannte MDA- oder Laser-Modulationsspiegel mit vielen Piezo-
Stellgliedern, die relativ hochfrequent mit verschiedenen Frequenzen
angesteuert werden (vgl. GB-OS 21 62 713) und sich aufgrund ihres
elektrischen Verlustfaktors besonders leicht erwärmen, wobei die
Spiegelplatte jedoch plan bleiben muß.
Zusätzlich tritt noch Instabilität in Form einer Temperaturabhängig
keit des Verlustfaktors auf; d.h. mit steigender Temperatur steigt
auch der Verlustfaktor.
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Steuerschaltung gattungsgemäßer Art derart auszubilden,
daß sich ein stabiler, reproduzierbarer Langzeitbetrieb realisieren
läßt.
Diese Aufgabe wird erfindunggemäß im wesentlichen dadurch gelöst,
daß die Steuerschaltung gattungsgemäßer Art gemäß dem Kennzeichnungs
teil des Anspruches 1 ausgelegt ist.
Nach dieser Lösung wird das Betriebsverhalten der Steuerschaltung
in Abhängigkeit von der momentanen Arbeitstemperatur des Stellgliedes
derart verändert, daß mit Temperaturanstieg die Stellglied-Ansteuerung
zurückgenommen, also die temperaturabhängige größere Ausdehnung
elektrisch kompensiert wird. Dabei ist eine Verringerung der Modulations
amplitude (durch Reduzierung der wirksamen Verstärkung der Steuer
schaltung) möglich, um den erwärmungsabhängig vergrößerten Modulations
hub durch reduzierte elektrische Modulationsansteuerung auf die
ursprüngliche Modulationsamplitude des Stellgliedes zurückzuführen.
Stattdessen oder zusätzlich ist eine temperaturabhängige Verringerung
des Ausgangsgleichspannungsoffsets der Steuerschaltung und damit
des der Modulationsinformation unterlegten Gleichspannungspegels
möglich, um der temperaturabhängigen statischen Stellglied-Ausdehnung
entgegenzuwirken.
Die erfindungsgemäße Lösung bedarf also keines stabilitätskritischen
Regelkreises mit rückgeführter Stellgröße; stattdessen werden einfach
bestimmte Betriebsparameter der Steuerschaltung in Abhängigkeit
von der tatsächlichen momentanen Betriebstemperatur des Stellgliedes
so beeinflußt, daß die elektrische Stellgröße in dem Maße zurück
genommen wird, wie die ansteigende Betriebstemperatur bereits zu
vergrößerter Länge und vergrößertem Hub des Stellgliedes führt und
umgekehrt. Diese Steuerungsmaßnahme bedarf keiner besonderen, auf
diesen Anwendungsfall abgestimmten Steuerschaltung, die nun aufgrund
der vorhandenen thermischen Stabilisierung so ausgelegt sein kann,
daß es möglich ist, mehrere Modulationsverstärker direkt parallel
zu betreiben, wenn gemäß der Stellglied-Auslegung eine größere
Modulationsleistung erforderlich ist, aus Kostengründen aber nur
standardisierte Modulationsverstärker jeweils geringerer Ausgangs
leistung bereitgestellt werden sollen. Eine solche direkte Parallel
schaltung wäre aufgrund von Stabilitätsproblemen aber bei Istwert-
Rückführungen an die Eingänge geregelter Steuerschaltungen nicht
uneingeschränkt möglich.
Die aktuelle Betriebstemperatur des jeweiligen Stellgliedes läßt
sich mittels einer Meßeinrichtung auf Basis eines miniaturisierten
Thermoelementes gewinnen, das unmittelbar auf dem Stellglied angebracht
wird. Aufgrund der kleinen Thermoelementen-Masse ist das auch bei
den geringen Stellglied-Baugrößen realisierbar, wie sie für breit
bandige Hochfrequenz-Kennung einer größeren Anzahl gegeneinander
versetzter Stellglieder zum Einsatz kommen. Anstelle der unmittel
baren Kontakt-Temperaturmessung kann aber auch am jeweiligen Stell
glied eine berührungslose Temperaturmessung mittels eines Glasfaser-
Temperatursensors realisiert werden, wie er etwa als ASEA-Abtastsystem
1110 mit Thermosensor FTPl am Markt ist.
Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen
und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung,
aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung
auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Reali
sierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt nach Art eines Blockschalt
bildes eine temperaturabhängige Beeinflussung von Verstärker-Betriebs
paramtern zur reduzierten Längen-Aussteuerung bei betriebsbedingter
Erwärmung des Piezo-Stellgliedes.
Eine Spiegelplatte 11 für die Reflexion von Strahlen 12, insbesondere
von Hochenergie-Laserstrahlen 12, ist rückwärtig mit einer Anzahl
von Stellgliedern 13 ausgestattet, die aus Hochfrequenzquellen 14
zu Längenschwingungen angeregt werden, um die jeweils örtlich zuge
ordnete Spiegelflächen-Zone 11.1 quer zu ihrer Oberfläche in Vibration
zu versetzen. Daraus resultiert, daß der einfallende Strahl 12.2
bei seiner Reflexion in dieser Zone 11.1 zum Abgangsstrahl 12.3
eine Phasenmodulation gemäß der Schwingungsfrequenz und der Schwingungs
amplitude erfährt, mit der das zugeordnete Stellglied 13 angesteuert
wird. Die den einzelnen gegeneinander versetzten Spiegel-Zonen 11.1
zugeordneten Stellglieder 13 werden aus Quellen 14 mit unterschied
lichen Frequenzen angesteuert, um die einzelnen Abgangs-Teilstrahlen
12.3 (vor und insbesondere nach Reflexion an einem Zielobjekt) für
eine Strahlquerschnitts-Atmosphärenkorrektur mittels eines sogenannten
MDA-Spiegels (vgl. oben) voneinander unterscheiden zu können.
Für eine große Genauigkeit und eine feine Auflösung der Spiegel
platten-Zonen 11.1 gegeneinander ist anzustreben, daß die mechanische
Spiegelzonen-Modulation möglichst hochfrequent erfolgt. Eine hoch
frequente Ansteuerung der Stellglieder 13, insbesondere, wenn es
sich gemäß der bevorzugten Realisierung um Piezo-Aktuatoren handelt,
führt aber aufgrund molekolarer und elektrischer innerer Verluste
zu einer spürbaren Betriebserwärmung der Stellglieder 13. Da die
statische Länge des (nicht angesteuerten) Piezo-Stellgliedes 13
und außerdem dessen Auslenk-Proportionalitätsfaktor (also die aus
einer definierten Spitzenspannungsänderung resultierende Längen
änderung) temperaturabhängig sind, resultiert aus einem Anstieg
der Betriebswärme der Stellglieder 13 eine nichtlineare elektro
mechanische Empfindlichkeit der Stellglieder 13, also bei gleicher
elektrischer Ansteuerung ein Anstieg des Stellglied-Hubes.
Das aber ist unerwünscht, weil damit die Kennungs-Modulation der
einzelnen im Strahlquerschnitt gegeneinander versetzten Abgangs-Teil
strahlen 12.3 einen betriebszeitabhängigen nichtlinearen Einfluß
erfährt, der die Stabilität des Korrektur-Regelkreises zur Elimination
von Übertragungs-Störeinflüssen auf die einzelnen Teilstrahlen 12.3
beeinträchtigt.
Um das zu vermeiden, ist jedem Stellglied 13 eine Temperaturmeßein
richtung 15 zugeordnet. Über eine aktive Anpaßschaltung 16 wird
damit eine temperaturabhängige Steuerinformation 17 gewonnen, die
eine Steuerschaltung 18 für die Lieferung der Modulationsenergie
19 aus der Hochfrequenzquelle 14 beeinflußt.
Diese Beeinflussung mittels der temperaturabhängigen Steuerinformation
17 besteht, wie im Blockschaltbild angedeutet, bevorzugt in gleich
zeitiger Rücknahme der wirksamen Verstärkungsfaktors V und der Ansprech-
Schwellspannung 0 (DC-Offset) mit ansteigender Arbeitstemperatur
des zugeordneten Stellgliedes 13. Dadurch wird die Amplitude der
Modulationsspannung 19 (also der Modulationshub im Bereiche der
Spiegel- Zone 11.1) zum Ausgleich der gestiegenen Proportionalitäts
konstante reduziert; während gleichzeitig die temperaturabhängige
statische Längenänderung des Stellgliedes 13 zurückgenommen wird,
indem der der Modulationsenergie 19 unterlagerte Gleichspannungs
anteil reduziert wird.
So ist durch einfachen Steuerungseingriff mittels einer rückgeführten
Betriebstemperatur-Information 17 eine lange Betriebszeit mit konstanten
elektromechanischen Betriebsbedingungen des jeweiligen Stellgliedes
13 erreichbar, indem die betriebszeitabhängige und modulationsfrequenz
abhängige Stellglied-Erwärmung begrenzt wird.
Damit wird erreicht, daß die Spiegelplatte unabhängig von der Tempe
ratur im zeitlichen Mittel plan bleibt.
Claims (5)
1. Steuerschaltung (18) für ein elektrisch ansteuerbares Stellglied
(13), insbesondere für die bereichsweise mechanische Modulation
einer verformbaren Spiegelplatte (11) mittels Piezo-Stellgliedern
(13),
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens einer ihrer Betriebsparameter (Verstärkungsfaktor V;
Schwellenspannung 0) abhängig von der momentanen Betriebstemperatur
des Stellgliedes (13) in dem Sinne verändert wird, daß die elektrisch
hervorgerufene Stellgliedbeeinflussung, die in gleichem Sinne
wie die temperaturabhängige Stellgliedbeeinflussung wirkt, reduziert
wird.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ihr Verstärkungsfaktor (V) mit steigender Temperatur reduziert
wird.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ihr der Modulation unterlegter Gleichspannungspegel (0)
mit steigender Temperatur reduziert wird.
4. Steuerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels einer Kontakt-Temperaturmeßeinrichtung (15) eine
temperaturabhängige Steuerungsinformation (17) gewonnen wird.
5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels einer berührungslosen Temperaturmeßeinrichtung (15)
eine temperaturabhängige Steuerinformation (17) in dichter Umgebung
des Stellgliedes (13) gewonnen wird.
Priority Applications (2)
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