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Übersicht

Digitale Motion Controller für Präzision, Dynamik und Bedienkomfort

Digitale Controller haben gegenüber analogen Verstärkerelektroniken Vorteile, die vor allem bei hochpräzisen Positionieraufgaben zum Tragen kommen: So kann auf die Linearität und das Einschwingverhalten durch Rechenalgorithmen gezielt Einfluss genommen werden. Dies dient der Steigerung der Präzision und der dynamischen Eigenschaften.

Regelung in digitalen Controllern
 
Linearisierung

Linearisierung zur Optimierung der Positioniergenauigkeit

Linearisierung der Mechanik

Die Linearität des Gesamtsystems ist ein Maß für seine Positioniergenauigkeit. Piezoaktoren an sich besitzen eine Nichtlinearität von 10 bis 15 % des Stellwegs, der durch die Ansteuerung und Regelung ausgeglichen werden muss, damit das System die Position möglichst präzise erreicht.

Die Nichtlinearität der Bewegung wird bei digitalen Controllern durch Berechnungen mit Polynomen höherer Ordnung auf Werte unter 0,001 % reduziert – was bei einem Stellweg von 100 μm einer Genauigkeit unter einem Nanometer entspricht.

Linearisierung der Elektronik

Alle digitalen PI Controller für die Nanopositionierung verhalten sich gleich. Dadurch ist es möglich, beliebige auf eine digitale Steuerung abgestimmte Piezomechaniken auch an anderen Controllern ohne Performanceverluste zu betreiben. Die erforderlichen Abgleichdaten werden auf einem ID-Chip im Versteller gespeichert und vom Controller bei der Inbetriebnahme abgerufen.

Dynamische Linearisierung

Digitale Dynamische Linearisierung

Die digitale dynamische Linearisierung (DDL) reduziert zusätzlich noch während der Bewegung die Abweichung von sich periodisch wiederholenden Bahnkurven.

Dies ist relevant für Scanning-Anwendungen, bei denen es darum geht, eine bestimmte Position zu identifizieren und präzise wieder anzufahren, oder für Anwendungen, bei denen die Bahnkurve für Bearbeitungsschritte eingehalten werden muss.

Elliptischer Scan
Elliptischer Scan (für Laser-Mikrobohranwendung) mit einem XY-Piezoscantisch und konventionellem PID Controller. Die äußere Kurve beschreibt die Sollposition, die innere zeigt die tatsächliche Bewegung des Tisches
Elliptischer Scan
Gleicher Scan wie links, jedoch mit DDL-Controller. Der Trackingfehler ist auf wenige Nanometer reduziert, Soll- und Istposition sind in der Grafik nicht zu unterscheiden
Regler

Regler und Regelverfahren

Die Aufgabe des Reglers ist, Abweichungen von Soll- und Istposition auszugleichen. Klassisch werden PI Regler mit Notchfiltern verwendet. Abhängig von der Anwendung können aber auch andere Regelkonzepte in Kombination mit Linearisierungsalgorithmen zu besseren Ergebnissen führen. Digitale Filter vermeiden unerwünschte Anregungen, unterdrücken Rauschen und erhöhen somit die Auflösung des Systems.

Zustandsregler

Für Nanopositioniersysteme wird ein alternatives Regelkonzept angeboten: Advanced Piezo Control. Ihm liegt ein Zustandsregler zugrunde, der auf einem Modell des Positioniersystems beruht. Advanced Piezo Control dämpft die Resonanzfrequenz aktiv, im Gegensatz zum klassischen PID Regler mit Notchfilter (Kerbfilter), bei dem die mechanische Resonanz aus dem Anregungsspektrum herausgeschnitten wird. Die Folge sind schnellere Einschwingzeiten und eine geringere Empfindlichkeit gegen Störungen von außen. Die Phasentreue ist wesentlich besser als durch die Dämpfung mit einem oder gar zwei Notchfiltern. Dies hat unmittelbare Auswirkungen auf die Bahntreue und das Einschwingverhalten.

Einschwingverhalten
Einschwingverhalten eines Systems mit optimierten PID Parametern (blau) und Advanced Piezo Control (rosa)

Besitzt das mechanische System zu viele Resonanzen nahe beieinander oder liegt die zu dämpfende Resonanzfrequenz um 1 kHz oder höher, besitzt der Zustandsregler in dieser Form keine Vorteile mehr gegenüber der klassischen PID Regelung. Diskutieren Sie Ihre Anwendung mit uns:

ID-Chip

Plug-and-Play: ID-Chip

Der ID-Chip enthält relevante Daten des Verstellers und ermöglicht so die schnelle Konfiguration am Motion Controller, der den ID-Chip unterstützt. Je nach Antriebsart, werden Daten vom Verstellertyp bis hin zu individuellen Betriebsparametern ausgelesen. Bei piezobasierten Positioniersystemen erzielt man durch den individuellen Abgleich verschiedener Betriebsparameter die besten Ergebnisse. Diese hängen vom einzelnen Versteller ab.

Ist ein Abgleich einmal für eine digitale Elektronik erfolgt, werden diese Parameter im ID-Chip des Verstellers gespeichert. Sie stehen so für den Betrieb an einer anderen digitalen Steuerung automatisch wieder zu Verfügung, ohne dass hier eine Anpassung neu erfolgen muss. Diese Austauschbarkeit zwischen Versteller und Controller ist ein wesentlicher Fortschritt für den flexiblen Einsatz der Systeme.

Bedienkomfort

Bedienkomfort digitaler Controller

Rechenleistung und Speicherplatz, die die digitalen Steuerungen mit sich bringen, erlauben die Implementierung nützlicher Zusatzfunktionen.

PI Bode Diagram Unregulated System
Bode-Diagramm eines unbelasteten, ungeregelten Systems
PI Bode Diagram Notch Filter
Bode-Diagramm eines geregelten Systems mit einem Notchfilter auf der ersten Resonanz
PI Bode Diagram Advanced Piezo Control
Bode-Diagramm eines geregelten Systems mit Advanced Piezo Control. Die Resonanzen sind weitergehend unterdrückt, die Phasenverschiebung geringer als bei der Unterdrückung durch einen Notch-Filter
PI Motion Profile
Komplexe Bewegungsprofile können mit dem Funktionsgenerator erzeugt, gespeichert und umgesetzt werden
  • Software-Zugriff auf alle Bewegungsparameter und die grafische Darstellung der Effekte
  • Koordinatentransformation für parallele Kinematiken zur einfachen Kommandierung in kartesischen Koordinaten
  • Makrospeicher um extern triggerbare Bewegungsablaufe zu speichern und abzurufen
  • Funktionsgenerator und Kurvenspeicher für den Abruf vorgefertigter Bewegungskurven und zur Erzeugung von eigenen Wellenformen
  • Datenrecorder zeichnen Sensor- und Steuerwerte für die spätere Bearbeitung auf

Nicht jede Funktionalität steht für alle Controller zur Verfügung. Details finden Sie in den jeweiligen Produktdatenblättern.

Downloads

Technologie Digitale Motion-Controller
Performancesteigerung durch Digitale Prozesse
Pdf 226 K 12/03/26.0