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Das dynamische Verhalten von Piezomechaniken hängt u.a. von der Resonanzfrequenz des Systems, dem Positionssensor und dem verwendeten Regler ab. Einfache Regler limitieren die geregelte Trackingbandbreite auf etwa 10% der Resonanzfrequenz. PI bietet verschiedene Controller an, die die dynamischen Eigenschaften von Piezomechanik-Systemen deutlich verbessern (s. Tabelle). Zwei der Verfahren werden im Folgenden beschrieben, weitere Informationen sind auf Anfrage verfügbar.
InputShaping verhindert Resonanz-Überschwingen bei schnellen Bewegungen
InputShaping, ein neues patentiertes Echtzeit-Feedforwardverfahren, eliminiert Resonanzen auch außerhalb des Regelkreises und schaltet die übliche Einschwingphase praktisch aus. Das Verfahren erfordert das Ermitteln aller kritischen Resonanzfrequenzen im System. Besonders gut eignet sich zur Messung ein kontaktloses Laser Doppler Vibrometer, z.B. von Polytec. Die Werte - vor allen Dingen die Resonanzfrequenz der Probe auf dem Scantisch - werden dann in den InputShaping Signalprozessor eingegeben. Dort sorgt eine komplexe Signalaufbereitung dafür, dass keine der unerwünschten Resonanzen im System und der Umgebung mehr angeregt wird. Da der Prozessor außerhalb des Regelkreises liegt, funktioniert das Verfahren auch im ungeregelten Betrieb.
Das Resultat ist schnellstmögliches Erreichen der Sollposition innerhalb einer Periodendauer der niedrigsten Resonanzfrequenz im System. Input Shaping basiert auf Forschungsarbeiten am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und wird von Convolve, Inc. (www.Convolve.com) kommerziell vertrieben. Es ist als Option für verschiedene Piezocontroller von PI verfügbar.
Signal-Preshaping / Dynamic Digital Linearization
Preshaping, ein patentiertes Verfahren, hilft bei Anwendungen mit periodischen Bewegungen, den Phasenfehler, Amplitudenabfall und die dynamische Hysterese im System stark zu reduzieren. Das Ergebnis ist eine deutlich erhöhte effektive Bandbreite besonders bei Trackinganwendungen wie z.B. dem Unrundbearbeiten von Präzisionsmechaniken oder Optiken. Preshaping ist ein Softwareverfahren zur Modifizierung der Sollwertdaten, die den Bewegungsablauf beschreiben. Es basiert auf einer analytischen Methode, die die komplexe Übertragungsfunktion des Systems ermittelt, dann transformiert und durch Feedforward die Trackingfehler im System kompensiert.
Preshaping ist wesentlich effektiver als reine phasenkorrigierende Verfahren und kann die nutzbare Systembandbreite in Mehrfrequenzanwendungen um einige Größenordnungen verbessern.
In zwei Schritten werden per FFT (Fast Fourier Transformation) das Frequenzverhalten und die Oberwellen des Systems, die durch Nichtlinearität des Piezoeffektes verursacht werden, ermittelt und damit die neuen Sollwerte für den Bewegungsablauf berechnet. Die neuen Sollwerte kompensieren die Nichtlinearitäten im System.
Bei einer Piezomechanik mit 400 Hz Resonanzfrequenz kann z.B. die Kommando-Übertragungsfunktion mit diesem Verfahren in Amplitude und Phase von 20 Hz auf 200 Hz erhöht werden ohne die Systemstabilität zu beeinflussen. Gleichzeitig wird der Trackingfehler um den Faktor 50 reduziert.
Dynamic Digital Linearization (DDL)
Dynamic Digital Linearization leistet ähnliches wie Preshaping, ist jedoch deutlich einfacher in der Anwendung. Darüber hinaus ermöglicht es die Optimierung von mehrachsigen Bewegungen, z.B. Ellipsen, Rasterscans etc. Das Verfahren benötigt keine externe Messtechnik und Signalverarbeitung, sondern ist in den Digitalcontrollern der Serie E-710 und E-711 integriert. DDL wertet die Positionsinformation der in der Piezomechanik integrierten kapazitiven Sensoren aus (funktioniert nur mit Direktmetrologie) und errechnet daraus die optimierten neuen Sollwerte. Das Ergebnis ist ebenfalls eine Verbesserung der Linearität und Trackinggenauigkeit um bis zu 3 Größenordnungen.
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