Grundlagen zur Simulation einer auf Basis resonanter Effekte aufgebauten Sensor-/Aktorintegration
Final Report Abstract
Piezoelektrische Wandler lassen sich zeitsimultan als Aktor und als Sensor einsetzen. Im sensorischen Bereich weisen piezoelektrische Wandler bei Nutzung des direkten piezoelektrischen Effekts eine begrenzte Zeitkonstante auf, die lediglich die Erfassung dynamischer Signale erlaubt. Um statische Kräfte mittels piezoelektrischer Wandler zu erfassen, können jedoch resonante Effekte genutzt werden. Wird ein Wandler in der Nähe seiner Eigenfrequenz elektrisch angeregt, so ändert sich sein elektrisches Widerstands- bzw. Leitwertverhalten, was in einer Sensor-/Aktorintegration zu Erfassung statischer Belastungen genutzt werden kann. Die elektrischen und mechanischen Zusammenhänge und Einflussgrößen auf dieses Self-Sensing-Prinzip wurden jedoch bislang nicht untersucht und analysiert. Ziel des vorliegenden Projekts war es daher, mittels eines ganzheitlichen Simulationsansatzes der Wirkkette dieser Art Sensor-/Aktorintegration die wesentlichen Einflussgrößen und Parameter zu ermitteln und eine optimale Abstimmung aller Komponenten zu finden. In einem ersten Schritt wurde hierzu ein geeigneter Versuchsstand konzeptioniert und aufgebaut. Anschließend wurde untersucht, wie die erforderliche Spannungskopplung von aktorischer Gleichspannung bis 1 kV und Anregungsspannung mit kleinen Amplituden (bis 10 V) und hohen Frequenzen (10-60 kHz) erfolgen kann. Es wurden dazu drei einsetzbare Hochspannungskonzepte simulativ untersucht. Das beste Ergebnis bezüglich der Dynamik wurde hierbei für einen Hybridverstärker erreicht, der aus zwei Schaltverstärkerstufen besteht und eine Analogendstufe beinhaltet, die letztlich als Spannungskopplung dient. Weiterhin wurde eine sehr kosteneffiziente Möglichkeit der Spannungskopplung mittels Übertrager simulativ untersucht und charakterisiert. In einem nächsten Schritt wurde das wesentliche mechanischelektrische Verhalten piezoelektrischer Wandler unter resonanter Anregung im Versuchsstand analysiert und in geeigneten parametrischen Simulationsmodellen abgebildet. Mittels dieser Simulationen wurde eine Methode erarbeitet, die die Identifikation der optimalen Anregungsfrequenz erlaubt, um eine optimale Sensorsignalgüte zu erhalten. Weiterhin wurden folgende Eigenschaften und Merkmale mittels der Simulationsmodelle und der realen Versuchsstandsmessungen für diese Art Sensor-/Aktorintegration ermittelt: • Die mechanische Vorspannung der Wandler hat nur einen marginalen Einfluss auf die Sensorsignalgüte. • Die Steifigkeit der Wandler ändert sich unter resonanter Anregung der Wandler nur marginal. • Die Übertragertechnologie ist eine sehr kosteneffiziente Möglichkeit, die Parameter des mechanischelektrischen Verhaltens im Versuchsstand zu erfassen. Für eine reale Regelung sind die dynamischen Eigenschaften eines Übertragers jedoch hinderlich. Weiterhin wurden Regelungsstrategien für diese Sensor-/Aktorintegration erarbeitet. Hierzu wurde eine PI-Kennfeldregelung mit Hystereseumschaltung für eine Kraftregelung erarbeitet, die im Versuchsstand getestet wurde. Erreicht wurden hierbei Genauigkeiten von 20 N bei einem Regelungsfeld von 400 N und einer Gesamtkraft mit Vorspannung bis zu 1,8 kN. Aufgrund der eingesetzten Übertragertechnologie im Versuchsstand ist die erreichbare Regelungsdynamik jedoch noch auf wenige Hz beschränkt. Die eigentliche Sensorsignaldynamik ist jedoch sehr hoch. Mit dem aus der Simulation ermittelten optimalen hybriden Hochspannungsverstärkerkonzept kann dieses Potential noch weitaus besser genutzt werden. Im Verlauf der Arbeiten kam es zu zwei wesentlichen Änderungen gegenüber den im Antrag geplanten Arbeiten. Dies betraf einerseits die Auswertelektronik, die nicht auf Trägerfrequenzverstärker zurückgriff, sondern auf der Erfassung der Effektivwerte von Anregungsspannung und –strom aufbaute. Des Weiteren wurden die einzelnen Elemente der Wirkkette nicht wie geplant in einem einzigen Zustandsraummodell zusammengeführt, sondern in einer Co-Simulation aus den Programmen SPICE zur Leistungselektroniksimulation und Matlab/Simulink für das mechanisch-elektrische Verhalten der piezoelektrischen Wandler. Dies erwies sich als die zielführendsten Methoden. Eine Fortführung der Arbeiten seitens des Antragsstellers ist aufgrund der sehr guten Ergebnisse in jedem Fall geplant. Hierzu soll die erarbeitete Self-Sensing-Technologie inklusive der simulativ ermittelten optimalen Leistungselektronik in einer realen Werkzeugmaschinenkomponente umgesetzt werden. Angedacht ist hierzu ein adaptronischer Kugelgewindetrieb, der adaptiv den verschleißbedingten Vorspannungsverlust bauraum- und kosteneffizient nachregelt. Hierzu laufen bereits erste Voruntersuchungen am wbk.
Publications
- Extended measuring range for adaptronic control of quasi-/static forces and travels with piezoelectric transducers. ICMC 2010, 29.-30.09.2010, Chemnitz, Deutschland, Band, Sustainable Production for Resource Efficiency and Ecomobility, S. 913-920
Munzinger, C.; Weis, M.; Herder, S.
- Sensor/Actuator Integration on the Basis of Resonant Effects of Piezoelectric Transducers. ACTUATOR 2010, 14.06. - 16.06.2010, Bremen, Deutschland, ACTUATOR 2010 Conference Proceedings, S. 609 – 612
Munzinger, C.; Weis, M.; Herder, S.
- Sensor/actuator integration with piezoelectric transducers for static and quasistatic force control. Adaptronic Congress 2011, 7.-8.9.2011, Darmstadt, Deutschland, AC 2011 Conference Proceedings, S. 160-167, 2011
Fleischer, J.; Herder, S.; Dosch, S.
