Piezoansteuereinheit mit Energierückgewinnung : Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik

Piezoansteuereinheit mit Energierückgewinnung

Abb. 1: Prototyp eines Kompaktmoduls zur Spannungsansteuerung von Piezoaktoren Gerätetechnische Umsetzung: DIGALOG GmbH, Berlin.

Problemstellung

In der Abteilung Adaptronik und Akustik des Fraunhofer IWU werden Systeme für den Maschinen- und Fahrzeugbau auf der Basis von sogenannten „smart materials“ entwickelt. Stellglieder mit piezoelektrisch Aktoren haben für Feinpositionierung, Verformungskompensation und die Schwingungskompensation einen festen Platz eingenommen. Der Arbeitsbereich umfasst Stellwege bis 200 µm und Stellkräfte bis zu 100 kN bei Hochlastausführungen. Durch zusätzliche Wegübersetzer kann Stellkraft in Stellweg „getauscht“ werden. Die spezifischen Einsatzbedingungen erfordern eine angepasste Ansteuerung. Im Schaltbetrieb arbeitende handelsübliche Ansteuergeräte ermöglichen beim Entladevorgang die teilweise Rückgewinnung der dem Aktor vorher zugeführten Energie, sind aber meist universell ausgelegt und stellen damit auch einen erheblichen Kostenfaktor dar.

Abb. 2: Prinzipschaltung der Leistungsendstufe.

Lösungsweg

Ein wesentlicher Kostenbestandteil der Ansteuertechnik ist die Leistungsstufe zum kontinuierlichen oder geschalteten Laden beziehungsweise Entladen des Piezoaktors, der in grober Näherung eine elektrische Kapazität darstellt. Die Stellweg- oder Stellkraftauflösung ist direkt von der Auflösbarkeit der elektrischen Ansteuerspannung abhängig. Eine hohe Stelldynamik kann nur durch stromintensives Laden und Entladen erreicht werden. Die am Fraunhofer IWU entwickelte Lösung für eine im Schaltbetrieb arbeitende Leistungsendstufe und deren Ansteuerlogik ist durch die softwareunterstützte Optimierung wesentlicher elektrischer Schaltungsparameter so auf den verwendeten Piezoaktor abstimmbar, dass mit vertretbarem elektronischen Aufwand bei Bedarf eine sehr hohe Stelldynamik bei hohem Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Abb. 3: Beispiel für schnelles Laden und Entladen eines Piezoaktors mit 3,4µ Eigenkapazität zwischen null Volt und 200 Volt mit 840 Hz bei Sollwertsprung Sollwert - grün; Spannung am Piezoaktor - rot; Aktorstrom - blau.

Ergebnisse

In der Abbildung 2 ist die Prinzipschaltung der Leistungsendstufe dargestellt.
Abbildung 3 zeigt beispielhaft die erreichbare Stelldynamik. Die durch das Arbeitsprinzip bedingte Welligkeit der Stellspannung ist vorgebbar. Es können Piezoaktoren sowohl in Hochvoltausführung (maximal 1000 V) als auch in Niedervoltausführung (typisch 150 bis 200 V) angesteuert werden. Im genannten Niedervoltbereich sind Aktor-Arrays mit bis zu 1000 Mikrofarad Gesamtkapazität betreibbar. Der Endstufenausgang ist spannungsgeführt. Für den internen Regelkreis wurde als Bindeglied zur Ansteuerlogik der elektronischen Leistungsschalter ein sehr schneller Umsetzer entwickelt. Dadurch kann die elektrische Spannung am Aktor hochauflösend gestellt werden. Abbildung 1 zeigt den Prototyp eines Kompaktmoduls.

Projekte