Piezopedia - Closed Loop Systems

Auf Grund ihrer nahezu unbegrenzten Auflösung in der Bewegung, eignen sich piezoelektrische Aktoren hervorragend für die hochpräzise Positionierung vom µm-Bereich bis zum nm-Bereich.
Die absolute Positioniergenauigkeit wird aber beschränkt durch die Eigenschaft der Hysterese und durch Drifteffekte.

Für verschiedene Probleme, die gerade die hohe Auflösung der Bewegung erfordern, nicht aber eine absolute Position, wirken sich diese Nebeneffekte nicht störend aus. Klassisches Beispiel ist die Kopplung von Lichtleitfasern. Ziel ist eine maximale Überkopplung des Lichtes von einem Wellenleiter in den anderen. Das Ergebnis wird in der maximalen Lichtausbeute am Ausgang des zweiten Wellenleiters kontrolliert, die absolute Position der Lichtleiter ist unbedeutend.

Ein weiteres Beispiel:
Bei dynamischen Ansteuerungen spielt die Drift eine untergeordnete Rolle. Bei periodisch wiederkehrenden Bewegungen liegt immer ein gleiches Driftverhalten vor. Bei schnell wechselnden Positionen kann das Driftverhalten oft vernachlässigt werden (siehe auch Kapitel 3.8).
Anwendungen, die es erlauben, nach jedem Positioniervorgang in die Nulllage zurückzukehren, umgehen die Hysterese weitgehend.

Ein weiteres Beispiel: Wenn es möglich ist, nach jedem Positionierungsereignis (Transaktion) in die 0-Spannungsposition zurückzukehren, hat die Hysterese keinen Einfluss auf das Ereignis (siehe auch Kapitel 3.8.).

Es gibt natürlich eine Reihe von Anwendungen, die eine eindeutige Positionierung mittels des verwendeten Piezoelementes erfordern. Hier stellt die Integration eines Wegmesssystems in das Piezo-Positioniersystem eine optimale Lösung dar. Aufgrund ihrer hohen Dynamik sind piezoelektrische Aktoren gut für einen geschlossenen Regelkreis mit einem Messsystem geeignet.

Für diese Aufgaben stehen verschiedene Wegmesssysteme zur Auswahl. Der Genauigkeitsbereich von 0,1-0,2% kann durch den Einsatz von DMS – Dehnmessstreifen erreicht werden. Höhere Genauigkeiten erzielt man mit speziellen induktiven und kapazitiven Sensoren. Beide Sensortypen werden von piezosystem jena verwendet und sind auf das jeweilige Piezoelement optimal abgestimmt.

Unabhängig vom Messsystem können diese Genauigkeitsbereiche nur unter Beachtung der äußeren Bedingungen (z.B. Temperaturverhältnisse) erreicht werden. Auch sollte das Messsystem möglichst am Endpunkt der Bewegung angeordnet sein, da das Messsystem die Bewegung an der Stelle misst, wo es platziert ist.

piezosystem jena bietet zu den Piezoelementen mit einem Messsystem auch die komplette Ansteuer- und Auswerteelektronik an. Die Kombination von Piezoelement mit integriertem Messsystem und der dazugehörigen Steuerelektronik wird als „closed loop“ System bezeichnet. Der Piezoverstärker wird von einem PI oder PID-Regelkreis gesteuert.
Der Regelvorgang im “closed loop“ erfolgt entsprechend dem Schema in Bild 8.1:

Abb. 8.1. Prinzipskizze der „closed loop“ Steuerung

Bitte beachten Sie

Oft ist es nicht möglich, ein piezoelektrisches Element mit einem Messsystem zu verbreitern. Daher ist es wichtig, sorgfältig zu prüfen, ob ein integriertes Messsystem wirklich erforderlich ist. Ein geschlossener Regelkreis mit Sensoren ist komplizierter und teurer als ein piezoelektrisches System ohne Messsystem.

Wird ein Messsystem in einem geschlossenen Regelkreis eingesetzt, so wird der gesamte Bewegungsbereich um ca. 10 – 20 % verkleinert, um die Dynamik des geschlossenen Regelkreises zu erhalten.

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