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Übersicht

Ansteuerung von Piezoaktoren und piezobasierten Positioniersystemen

PI OEM Piezo Controller Card
 

Piezotreiber und Motion Controller von PI bieten:

  • Hohe Linearität, hohe Langzeitstabilität
  • Positionierung mit Sub-Nanometer-Genauigkeit
  • Rauschen um 1 mV (RMS-Wert)
  • Niedrige Leistungsaufnahme
  • Notchfilter für höhere Bandbreite
  • Angepasste Ausgangsspannungen für verschiedene Piezoaktoren und Piezoantriebe
  • Analoge Schnittstellen zur schnellen, direkten Kommandierung in Echtzeit
  • Kurzschlussfestigkeit
Piezoverstärker

Rauscharme und driftfreie Piezoverstärker

Hohe Stellkräfte und schnelles Ansprechen sind charakteristische Eigenschaften von Piezoaktoren. Elektrisch betrachtet entspricht ein Piezoelement einer Kapazität. Eine schnelle Änderung der Betriebsspannung bewirkt eine schnelle Auslenkung des Aktors und damit eine Positionsänderung. Bei plötzlichem Anstieg der Steuerspannung kann der Piezoaktor seine nominale Auslenkung in wenigen Mikrosekunden erreichen. Voraussetzung dafür ist, dass die Spannungsquelle genügend Strom liefert, um die Kapazität zu laden. Im statischen Betrieb, also beim Halten einer bestimmten Position, ist zudem die Stabilität der Spannungsquelle entscheidend, da piezoelektrische Aktoren bereits auf die geringste Spannungsänderung mit einer Bewegung reagieren. Ein Rauschen oder Driften gilt es so weit wie möglich zu vermeiden.

Energierückgewinnung

Geschaltete Verstärker mit Energierückgewinnung für dynamische Daueranwendungen

Anwendungen unter hohen Lastzyklen gibt es zum Beispiel in der Materialverarbeitung oder im Maschinenbau bei der Werkzeugjustierung in Fräs- und Spanmaschinen. Die hierbei eingesetzten Aktoren arbeiten mit hohen Kräften und hoher Dynamik und besitzen in der Regel eine hohe elektrische Kapazität. Für deren Ansteuerung ist der Energieverbrauch des Verstärkers wichtig. PI bietet hierfür geschaltete Verstärkerelektroniken an, bei denen die Pulsweite des Ansteuerungssignals moduliert (PWM) und dadurch die Ausgangsspannung geregelt wird. Ein besonders hoher Wirkungsgrad ist die Folge.

Zusätzlich ist eine patentierte Schaltung zur Energierückgewinnung integriert: Sie speichert beim Entladen des Piezoaktors einen Teil der zurückfließenden Energie in einem kapazitiven Speicher und stellt sie für den nächsten Ladevorgang wieder zur Verfügung. Auf diese Weise lassen sich Energieeinsparungen von bis zu 80 Prozent realisieren. 

Im Gegensatz zu konventionellen Class D Schaltverstärkern sind die Schaltverstärker für Piezoelemente von PI strom- und spannungsgeregelt. Durch dieses patentierte System eignen sie sich auch für Applikationen im Bereich der aktiven Schwingungsdämpfung. Hier ist die Anpassung auf den aktuell geforderten dynamischen Bereich wichtig. 

Schutz des Piezoaktors durch Temperaturüberwachung

Hochleistungselektroniken können die Signale eines Temperatursensors am Piezo auswerten. Auf diese Weise wird die Keramik vor Überhitzung und vorzeitiger Alterung geschützt.

PI Piezocontroller
Bei gleicher Ausgangsleistung verbrauchen PI Verstärker mit patentierter Energierückgewinnung nur ca. 20 % des Bedarfs eines entsprechenden Linearverstärkers
PI Piezocontroller
Leistungsaufnahme eines Piezoverstärkers mit linearer und geschalteter Endstufe am Piezoausgang, kapazitive Last 1 μF. Die Messwerte zeigen deutlich, dass der pulsweiten-modulierte Verstärker eine wesentlich höhere Dynamik erlaubt als der klassisch linear arbeitende. Der Linearverstärker erreicht bei Frequenzen bis ca. 700 Hz die Obergrenze seiner Leistungsaufnahme, der geschaltete erst bei weit über 2 kHz

Anwendungsbeispiele

  • Beschleunigungstests
  • Strukturanalyse
  • Materialprüfung und Präzisionsmaschinenbau
  • Shock Tests
  • Maschinenprüfung
  • Aktive Schwingungsdämpfung
  • Schaltanwendungen
  • Einspritzventilsteuerung

Produkte

Hochleistungs-Piezoverstärker
Industrie- / OEM-Modul mit Energierückgewinnung für dynamische Daueranwendungen
Piezoverstärkermodul
Hohe Leistung, Piezocontrollersystem E-500
Modularer Piezocontroller
Flexibles System für Piezoaktoren und Nanopositionierer
Ladungsverstärker

Ladungsverstärker für Piezoauslenkung ohne Hysterese

Ladungssteuerung nutzt die Tatsache, dass bei Piezoaktoren der Zusammenhang zwischen elektrischer Ladung und Auslenkung sehr viel linearer ist, als der zwischen angelegter Spannung und Auslenkung. Die Abweichung beträgt im ersten Fall nur etwa zwei Prozent, während sie bei Spannungssteuerung etwa zwischen 10 bis 15 Prozent liegt.

PI Expansion of Piezo Actuators
Typische Auslenkungscharakteristik von Piezoaktoren im Verhältnis zur angelegten Spannung (links) und zur Ladung (rechts). Die Hysterese ist durch die Kontrolle der aufgebrachten Ladung deutlich reduziert

Mit Ladungssteuerung ist es daher in vielen Fällen möglich, die notwendige Präzision auch ohne Regelkreis zu erreichen. Das verbessert die Dynamik und ist preiswerter. Von der Ladungsregelung profitiert man aber keineswegs nur bei hochdynamischen Anwendungen, sondern bereits bei sehr geringen Betriebsfrequenzen.

Da die Positionsdrift des Piezoaktors nicht ausgeregelt wird, ersetzt die Ladungssteuerung den positionsgeregelten Betrieb nicht für Aufgaben, bei denen Positionen über längere Zeit gehalten werden müssen.

Anwendungsbeispiele

  • Aktive Schwingungsdämpfung
  • Ventilsteuerung (z. B. Pneumatik)
  • Adaptronik
  • Dosieren
  • Schnelle mechanische Schalter

Produkte

Linearized Piezo Amplifier
Improves Linearity Also Without Position Control
Modular Piezo Controller
Flexible System for Piezo Actuators and Nanopositioners
Positionsregelung

Positionsregelung: Die Regelelektronik optimiert die Systemeigenschaften

Eine Positionsregelung vergleicht die Positionsvorgabe (Sollwert) mit der vom Sensor gemessenen Position (Istwert) und kann so nichtlineare Eigenschaften des Piezoaktors wie Hysterese und Drifteffekte ausregeln.

Piezocontroller Blockschaltbild
Blockschaltbild eines typischen Piezocontrollers mit Positionsregelung

Die Positionsregelung ist ein speziell für den Piezobetrieb optimierter Proportional-Integral-Positionsregler. Ein oder mehrere einstellbare Notchfilter führen zu einer deutlichen Verbesserung der Bandbreite und Dynamik, da Randeffekte durch systemimmanente Resonanzen unterdrückt werden, bevor sie die Systemstabilität beeinträchtigen können.

Optimierte Regelalgorithmen minimieren die Einschwingzeiten, so dass positionsgeregelte Piezopositioniersysteme von PI Wiederholgenauigkeiten bis in den Sub-Nanometer-Bereich und Bandbreiten bis 10 kHz erreichen.

Kalibration

Controllerabgleich / Kalibration

Zur Optimierung des Abgleichs werden verschiedene Informationen über die Anwendung benötigt, wie die gewünschte Betriebsfrequenz, die Größe der bewegten Last oder die Federkonstante einer Vorlast bzw. des Materials, gegen das der Piezoaktor arbeitet.

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