WO2013128032A1 - Verfahren zur ansteuerung eines mehraktorantriebs - Google Patents

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WO2013128032A1
WO2013128032A1 PCT/EP2013/054264 EP2013054264W WO2013128032A1 WO 2013128032 A1 WO2013128032 A1 WO 2013128032A1 EP 2013054264 W EP2013054264 W EP 2013054264W WO 2013128032 A1 WO2013128032 A1 WO 2013128032A1
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WO
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actuators
movement
actuator
rotor
drive
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PCT/EP2013/054264
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English (en)
French (fr)
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Axel Kortschack
Christoph Rass
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SMARACT HOLDING GmbH
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H02N2/025—Inertial sliding motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/101—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using intermittent driving, e.g. step motors

Definitions

  • the invention relates to a method for driving a linear or rotary multi-axis actuator with a relative to a stationary
  • Component driven rotor whose positioning distance is greater than the strokes of participating, driving actuators, which are in direct frictional contact with the rotor directly or via a force-transmitting mechanism, according to claim 1.
  • Multi-actuator drives are known from the prior art, despite the short strokes of the individual actuators large. Adjustment of the runner
  • the inertial drives specifically the stick-slip drives, known from D.W. Pohl: “Dynamic Piezoelectric Translational Devices", in Review of Scientific Instruments, vol. 58 (1), January 1987, pages 54 to 57.
  • a piezoelectric actuator is provided, which is acted upon by a sawtooth-like periodic signal and an acceleration relative
  • the rotor follows the actuator due to the frictional engagement with a high acceleration of the piezoelectric actuator, however, the rotor slips relative to the actuator as soon as the inertial force of the rotor larger
  • macroscopic ones can be done
  • Inertia drives are a mechanically simple way, over long distances with a high Position movement resolution.
  • inertial drives have the disadvantage that during the sliding phase again and again. Braking, stoppage or even a backward movement of the movable component comes. This behavior couples vibrations, which is annoying in precision positioning tasks.
  • the representations according to FIG. 1 reveal the principle of inertial drives in which an actuator D is fastened on one side to a non-movable mass.
  • the body E is in frictional contact with the actuator D.
  • the actuator D is slightly accelerated by the application of a slowly changing voltage, the body E moves along.
  • the inertial force of the body E is greater than the static friction, resulting in a relative movement between the body E and the actuator D comes.
  • the first multi-actuator drives were similar to such an inertial drive and initially differ in that two or more actuators are used.
  • FIG. 2a shows a basic structure of a linear multi-actuator drive and Fig. 2b shows the basic structure of a rotary multi-actuator drive.
  • Such drives consist of at least two or any number of actuators Ii, 1 2 , ... l n / which can be excited via a corresponding drive signal individually or in groups to a limited stroke.
  • the stroke is typically in the range of up to a few pm.
  • the actuators each have a friction point 2, which is in frictional contact with a rotor 3. Furthermore, the actuators are fixed with one
  • the friction point need not necessarily consist of only one plate, as shown, but it can also be mechanically complex constructions that perform several functions. So it is e.g. possible that this component is used to mechanically bias the actuator as well, e.g. is usual for piezoceramics.
  • FIG. 3 shows a typical voltage curve over time for controlling a plurality of actuators which are actuated by a sawtooth, ie similar to a conventional inertial drive, with a time offset, and the typical movement resulting therefrom for the rotor.
  • Inertia drives typical speed fluctuations and vibrations in a multi-actuator drive fail.
  • a drive based on piezo tubes with a plurality of friction surfaces is controlled in a time-shifted manner in order to achieve a movement.
  • the drive signals are selected so that a plurality of actuators propel a rotor to then gradually withdraw the actuators, so that the rotor is held in a position during the retraction by the plurality of non-moving friction surfaces, d. H . stationary.
  • this drive it always comes back to phases of movement and standstill for the rotor, so that continue to vibration and a uniform movement is not possible.
  • Another class of multi-actuator drives are so-called “inchworm drives”, which are drives in which a rotor to be moved is clamped alternately by actuators and the distance between the terminals is varied by means of a further actuator In the case of actuators, a runner can also be moved over long distances
  • This class of actuators basically causes disturbing vibrations since high-frequency movements that are orthogonal to the direction of movement are coupled in by the clamping processes.
  • Object of the present invention is to provide an improved method for driving a multi-actuator, which solves the problem of disturbing vibrations and the deviations of the actual position from the desired position or at least has significantly improved properties.
  • Such a movement behavior can be realized by the control according to the invention.
  • the existing between the plurality of friction contacts elasticity of drive and mechanics is used to build up a mechanical stress between these friction surfaces.
  • Such a mechanical stress acts both on the actuators and on the rotor to be driven.
  • Suitable mechanical stresses can be established by local relative movements in relation to at least one further actuator located in the adhesion phase being realized by the individual actuation of at least one actuator located in the adhesion phase. For example, by controlling an actuator at a different speed or with an individual control cam.
  • actuators are involved in the construction of the mechanical stresses.
  • the signed signal changes of the amplitudes applied to the actuators are equal to zero in the sum, they can tend to be
  • the mechanical stresses between the friction surfaces have a great influence on the movement behavior of the multi-actuator drive.
  • the mechanical stresses between the friction surfaces can be adjusted, for example, whether individual actuators are close to slipping or are safe in the adhesion phase.
  • Friction surfaces mechanical stresses are built up and dismantled.
  • curve shapes are selected that produce a movement of the rotor that is already close to a desired movement.
  • the rotor can be moved with little vibration and close to a predetermined desired movement. According to the prior art, it has not yet been possible to achieve a low-vibration movement of the rotor with a realized multi-actuator drive.
  • a changing control signal Ul is applied in the form of a triangle, while the other two actuators are not driven with a variable control signal. (U2 is applied to the actuator 1 2 , U3 to the actuator 1 3 ). In phase A, none of the control signals changes. In the phase G, the control signal Ul increases and in the phase H falls
  • Control signal Ul again until it reaches the output value.
  • phase F none of the control signals changes.
  • the application of a changing drive signal U1 causes a mechanical stress between the friction surfaces of the actuators. This mechanical stress affects the entire drive and all involved actuators and the mechanics of the drive.
  • the force of the actuator Ii transmits over the friction contacts and the rotor on ' the other actuators, so that they are deformed.
  • the curve xL indicates the position of the runner.
  • phase G the control signal applied to the actuator Ii increases.
  • phase B the friction surface of the actuator Ii remains in the static friction, since the force is insufficient that the friction surface 1 passes from the adhesive to the sliding phase.
  • the building force is transmitted to all three actuators, so that the friction surfaces move synchronously, and thus the rotor is synchronously moved in this phase.
  • the rotor thus moves, although only one of the actuators is driven and without one of the actuators slipping.
  • ' acts on the actuator Ii a compressive force, while the ' opposing force on the actuators 1 2 and 1 3 divides and this stretches accordingly.
  • control curves or control signals are applied to the actuators, the inventive mechanical stresses between the friction surfaces and dismantle but have a same cycle time.
  • the deviation of the resulting movement of the rotor within a cycle of a known desired movement is low. It is particularly advantageous if the desired movement within a cycle corresponds to a monotonous, ideally a strictly monotonous movement.
  • a strictly monotonic motion of the rotor within a cycle allows the speed of the multi-actuator to be controlled or even controlled over the cycle frequency at which the control signals are passed.
  • the desired movement is preferably a constant one
  • This remaining, slowly changing jamming motion provides a very good condition for implementing a compensatory motion added to the actuators.
  • the compensation movement compensates a remaining deviation of the rotor movement to a desired movement.
  • the compensating movement is performed equally by all the actuators, so that no further mechanical stresses are built up between the friction surfaces of the actuators. Is it the actors? preferably identical construction types, such a compensation movement executed equally for all actuators can be realized, in which the control curves of the actuators a control signal that is equally variable for all actuators is added.
  • the drive package of the multi-actuator consisting of the actuators Ii, 1 2 , ... l n , and the Reibumbleen including the mechanics may be connected in series with another actuator, so that this additional actuator is capable of the entire drive package , and thus also the rotor, to selectively move back or forth when the actuator in series is controlled by a corresponding drive signal.
  • Such an in-line actuator can be made to compensate for movement by applying appropriate control signals. This can be of advantage, for example, if, in addition to the smoothest possible movement of a drive, you can also use the
  • a deviation from the constant speed is minimal too hold . It is particularly advantageous if it is taken into account that high step sizes per cycle are positive, so that not only optimized in the direction of constant movement in the optimization, but also the criterion of the widest possible step size per cycle is taken into account.
  • the signal frames are ideally applied cyclically to the actuators of the multi-actuator drive. Therefore, it is advantageous if signals per actuator are selected so that the signal level at the beginning of a cycle are at the same level as at the end of a cycle. If the values for each control channel are at the same level at the beginning and at the end, the signals can be cyclically applied to the actuators without disturbing movements or even jumps in the case of a cycle repetition. Jumps are to be avoided as a rule, since jumps lead to difficult compensable disturbing movements.
  • One way to generate the same signal level per channel is to rotate the detected signal curves by subtracting a straight line from the respective cams that goes through the initial value and the end value of the respective signal curve. With reference to FIG. 8, such an operation can be understood.
  • the compensation movements are to be performed only by the actuators of the multi-tractor drive package, then it makes sense to have a certain amount
  • the waveforms of the applied signal curves should be chosen so that a target curve is already replicated during a cycle with only minor deviations.
  • the determined control signals are stored by the controller and then the
  • Requests are cyclically retrieved. For example, The faster a rotor is to be moved, the faster the cyclic control signals are applied to the actuators.
  • the signal curve determined as part of a calibration compensates for high-frequency deviations from a desired movement, so that remaining, low-frequency deviations can be compensated by one over one
  • Position sensor closed loop can be compensated.
  • a controlled variable for example, the cycle duration of the drive curves or the
  • Compensatory movements are used. Also, a combination of cycle time and compensation movement is possible.
  • the cams that are applied to the actuators may vary depending on
  • control curves can also be described mathematically, so that the necessary interpolation points are calculated in each case, preferably in the runtime.
  • Positioning of the runner to regulate For example, the faster the runner moves the cyclically applied control curves, eg also including the added signals for the compensation movement, are passed through more quickly. When the runner has reached a target position, the frequency with which the cycles are applied is reduced to zero.
  • the compensation movement can also be used as a control parameter. It is also possible to set both parameters in
  • the compensation movement for compensation. This can be beneficial in some cases. For example, if the runner is held in position and only a slow back and forth on a small distance to be compensated. This is easier to implement with a compensation movement than by applying the cyclic signals.
  • compensation movement As a control parameter, it is also possible to vary the shape of the control signals themselves. However, it has been found that it is simpler and more targeted in the runtime, the frequency of the cycles. and to use the compensation movement.
  • control parameters "cycle time”, "accumulated compensatory movement” and “waveform of the control signals” in combination and in different weightings, which may be necessary, for example, if wide speed ranges of the multi-actuator drive are traversed.
  • B. inertia and resonance effects play a role and must be taken into account.
  • the signal curves applied to the actuators must be adjusted> when the cycle frequency is changed. That's for example the case when the transmission of the signals applied electrically to the actuators and the resulting actuator movement to the resulting rotor movement due to the frequency change significantly shifts. Since the changes that occur usually occur continuously and not abruptly, such an adaptation is easy to implement. For drives that have to pass through a large speed range, such
  • control signals applied to the actuators are mirrored by a constant signal amplitude.
  • the height of the signal amplitude to be mirrored is in the middle range of the available signal level;
  • the mirrored values preferably should not be applied abruptly, as this can lead to a jump in the movement of the runner.
  • the mirrored signals are preferably to be achieved by an inventive, temporal, uniform adaptation of the signals to the respective mirrored signal value, ideally the sum of the signed ones
  • the 'signals can alternatively be flipped in time.
  • a temporal reflection should only be used if either the requirements for the accuracy during the direction reversal are not high or a large signal range is available for the compensatory movements according to the invention. This is due to the fact that in practice seldom point-symmetrical control curves result, in which the deviation of the movement of the rotor from a setpoint curve during the course of a control cycle is small. If point-symmetric curves are selected, the deviations from the target movement will usually be correspondingly large, so that a large compensation movement is required when the deviations per cycle need to be kept low to meet high accuracy requirements.
  • two different sets of drive curves can be used for direction reversal. While one set advances the runner when the corresponding signals are applied to the actuators, the runner is moved in the opposite direction by the application of the second set.
  • the signal changes are preferably achieved by an inventive, temporal, gradual adaptation of the signals to each new value, ideally the Su mme of the signed signal changes is equal to or near zero and so that the resulting movements of the moving component during the
  • a compensation movement can also be carried out during a change of direction.
  • a compensation movement can also be carried out during a change of direction.
  • temporal adaptation of the signals already a movement are applied to the rotor by the relative movement of the actuators of the multi-actuator is selected to each other so that the rotor is driven in the desired direction.
  • Unwanted movements are also to be avoided at the beginning of a movement or when switching on or initial control of the actuators of the multi-actuator drive.
  • a preferred approach is to use the signals for the actuators of the multi-actuator drive, starting from the starting amplitudes gradually to the target values. Ideally, the sum of the signed signal changes is zero and thus the
  • an inverted control signal is suitable for a linear behavior of the actuators.
  • FIG. 1 schematic diagram of a known inertial drive with corresponding, typical sawtooth control
  • Fig. 2 a simplified representation of a linear multi-actuator drive
  • 2b shows a simplified representation of a rotary multi-actuator drive
  • FIG. 3 shows a typical movement of a rotor of a multi-actuator drive when actuated by offset sawtooth-shaped signals according to the prior art
  • FIG. 5 shows measured movement of a multi-axis drive driven by triangular signals without appreciable acceleration
  • FIG. 6 shows measured movement of a multi-axis drive driven via modified signals without appreciable acceleration
  • FIG. 7 shows a multi-actuator drive with a further actuator B in series with the drive package
  • Fig. 8 jamming movements due to jumps between cyclically applied control signals compared to corrected control signals that can be cyclically applied without causing any jumps;
  • Fig. 9b mirroring a non-point symmetric control curve to produce an amplitude value around a direction reversal compared to a temporal reflection that does not lead to a reversal of direction;
  • Fig. 9c mirroring another non-point-symmetric control curve to produce an amplitude value around a reversal of direction as compared to a temporal reflection that does not lead to a reversal of direction;
  • Fig. 10b temporally gradually converted mirroring exemplary
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of an inertial drive with corresponding, typical shege leopardan horrung.
  • an actuator (D) is provided with a sawtooth-like, periodic signal
  • FIG. 2a shows an exemplary linear multi-actuator drive.
  • Fig.2a three actuators Ii to 1 3 are shown.
  • the actuators each have a friction point 2i to 2 3 , which is in frictional contact with a rotor 3.
  • the actuators are connected to a carrier 4.
  • the runner can be at a suitable
  • Actuation of the actuators are moved macroscopically relative to the carrier along the double arrow.
  • FIG. 2b shows an exemplary rotary multi-actuator drive.
  • Such drives consist of at least two or any number of actuators Ii, 1 2 , ... l n , which can be excited via a corresponding drive signal individually or in groups to a limited stroke.
  • three actuators Ii to 1 3 are shown.
  • the actuators each have a friction point 2i to 2 3 , which is in frictional contact with a rotor 3.
  • the actuators are connected to a carrier 4.
  • the rotor can be rotated with suitable control of the actuators.
  • FIG. 3 shows a typical according to the prior art, resulting
  • Characteristic is the disturbing, periodic Return movement of the rotor, triggered in each case by the return movement of an actuator.
  • FIG. 4 shows an example of the elastic behavior of the mechanics and actuators of a multi-actuator drive with three actuators when a triangular signal is applied to one of the three actuators. It is a simplified, not to scale representation. For the designation of the components, reference is made to the labeled, sketchy multi-actuator drive of FIG. 2a.
  • a control signal U1 is applied in the form of a triangle to the actuator Ii.
  • the other two actuators are controlled by a constant control signal (U2 is applied to the actuator 1 2 , U3 to the actuator 1 3 ).
  • the diagram shows different phases. The different phases are described below.
  • phase A all control signals are constant.
  • the control signal Ul increases and in the phase H, the control signal Ul falls again until it reaches the beginning of the phase F, the output value.
  • phase F none of the control signals changes.
  • the changing control signal Ul Since the changing control signal Ul is applied only to one of the actuators, it comes between the friction surfaces of the actuators to a mechanical tension that affects the entire drive and all actors involved and the mechanics of the drive. Thus, the force of the actuator Ii transmits over the friction contacts and the rotor on the other actuators and their mechanics, so that they are deformed. This relationship is described in more detail below, likewise with reference to FIG. 4:
  • the curves xl, x2 and x3 show the positions of the friction surfaces of the actuators li, l 2 and 1 3 with respect to the carrier 4.
  • the curves Fl, F2 and F3, however, show the effect on the actuators li, l 2 and 1 3 forces.
  • phase G the control signal applied to the actuator Ii increases.
  • phase B the friction surface of the actuator Ii remains in the static friction, since the force is insufficient to release the friction surface 1 from the adhesion phase. Therefore, the build-up force acts on all three actuators, so that the friction surfaces move synchronously, and thus the rotor is synchronously moved in this phase.
  • the force curves (Fl, F2 and F3) show that on the actuator Ii acts a compressive force, while the opposing force on the actuators 1 2 and 1 3 divides and this stretches accordingly.
  • phase H the signal applied to the actuator Ii is reduced again.
  • all of the friction surfaces of the actuators are initially in the adhesion phase, so that, as a result, the positions of the friction surfaces and thus also the rotor move synchronously relative to the carrier. Therefore, during phase D, the forces acting on the actuators break down.
  • the force acting on the actuator Ii force decreases, while the forces acting on the actuators 1 2 and 1 3 forces are also reduced.
  • phase E the forces are completely dissipated, so that act on the actuators no more forces.
  • the positions of the actuators 1 2 and 1 3 , as well as the position of the rotor are back in the starting position (as for phase A).
  • the position of the friction body of the actuator Ii is not in the starting position. This is because the friction surface of the actuator Ii has slipped through in the phase B. As a result, the position of the friction surface of the actuator Ii has shifted in relation to the friction surfaces of the actuators 1 2 and 1 3 .
  • the drive signal Ul is gradually reduced to the output level.
  • the actuator Ii continues to contract. Since no forces between the friction surfaces acted more during the phase transition from D to E, mechanical stresses now build up again between the friction surfaces acting on the actuators. That Actuator Ii is stretched with further decreasing drive voltage U L, while on the other actuators acts on both actuators dividing, upsetting force. As long as the actuators are still in the static friction, all the friction surfaces and the rotor continue to move synchronously relative to the carrier.
  • Fig. 5 shows, based on concrete measurement for that described in Fig. 4
  • Triangular signal how to achieve a movement of the rotor of a multi-tractor drive without significant acceleration or vibration being coupled in by the control cams.
  • the curves are preferably too
  • FIG. 6 shows, on the basis of concrete measurements, that the variation of the
  • the waveforms have been limited to a few vertices. It is possible to choose high densities of support points for the curve shapes, so that the flexibility becomes greater and thus better results for the movement of the rotor to be achieved within a cycle for the runner are possible.
  • Fig. 7 shows a multi-actuator, in which the drive package is in series, with a further actuator B.
  • the actuator B is able to do that
  • Fig. 8 shows that waveforms for the control signals jump
  • Disturbing movements lead if they are applied cyclically to a multi-actuator and the start amplitude is not equal to the final amplitude of the curve.
  • top left is shown as a dark line an exemplary drive curve for one of the actuators of the multi-axis actuator.
  • the bright line connects the starting point with the end point of the control curve. If the control curve is cyclically applied to the actuator, the situation shown on the top right results. That every cycle repetition causes a jump from the end amplitude of the control cam to the start amplitude. Such jumps should be avoided as far as possible, because they bring disturbing movements and vibrations into the system, which are difficult to compensate.
  • the curve shapes of the drive curves can and should preferably be corrected so that the above-mentioned jumps are avoided.
  • the determined signal curves are rotated so far, so that the beginning and the end of the respective control curve goes through the same amplitude value.
  • the rotation takes place, as shown in the middle graph, by deducting a straight line from the control curve, with the slope of the
  • FIGS. 9 a, b and c show in a greatly simplified manner how preferably a direction reversal is to be implemented for the method according to the invention.
  • Amplitude value is selected.
  • Fig. 9b shows the case of an exemplary non-point symmetrical
  • Fig. 9c shows particularly clearly how different the resulting control curves are when the initial waveform (top left) is mirrored once (top right) and alternatively by a signal amplitude
  • FIG. 10a shows a direction reversal for exemplary drive curves of a multi-actuator drive with three actuators.
  • the signals are mirrored by an amplitude value, in this example by 0.5. After Reflection moves the actuator in the opposite direction than before.
  • the disadvantage of such a sudden direction reversal is that disturbing accelerations can be introduced to the rotor.
  • Fig. 10b shows an approach in which the amplitude-mirrored value for each drive curve is not jumped but gradually reached, ideally the sum of the predicacious signal changes becomes equal to or near zero, and thus the resulting movements of the movable component are almost Is zero.
  • Such a signal change is very advantageous for precise direction reversal.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines linearen oder rotatorischen Mehraktorantriebs mit einem relativ zu einer stationären
Komponente angetriebenen Läufer, dessen Positionierstrecke größer ist als die Hübe der beteiligten, antreibenden Aktoren, die direkt oder über eine kraftübertragene Mechanik im permanenten Reibkontakt mit dem Läufer stehen, gemäß Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Mehraktorantriebe bekannt, die trotz der kurzen Hübe der einzelnen Aktoren große. Verstellwege des Läufers
ermöglichen. Diese lassen sich in verschiedene Varianten unterteilen .
Vorläufer der Mehraktorantriebe sind die Trägheitsantriebe, hier konkret die Stick-Slip-Antriebe, bekannt aus D.W. Pohl :„Dynamic piezoelectric translation devices", in Review of Scientific Instruments, vol . 58 (1), Januar 1987, Seiten 54 bis 57. Es ist zunächst ein piezoelektrischer Aktor vorgesehen, der mit einem sägezahnähnlichen periodischen Signal beaufschlagt wird und eine Beschleunigung relativ zu einem reibschlüssig mit dem Aktor verbundenen beweglich gelagerten Läufer bewirkt. Bei einer niedrigen Beschleunigung des piezoelektrischen Aktors folgt der Läufer aufgrund des Reibschlusses dem Aktor. Bei einer hohen Beschleunigung des piezoelektrischen Aktors hingegen rutscht der Läufer relativ zum Aktor durch, sobald die Trägheitskraft des Läufers größer als die Reibungskraft zwischen Läufer und Aktor wird . Wenn mehrere Schritte durchgeführt werden, können auch makroskopische
Bewegungen realisiert werden. Trägheitsantriebe stellen eine mechanisch einfache Möglichkeit dar, über größere Distanzen mit einer hohen Bewegungsauflösung zu positionieren. Trägheitsantriebe haben jedoch den Nachteil, dass es während der Gleitphase immer wieder zum. Abbremsen, Stillstand oder sogar einer Rückwärtsbewegung der beweglichen Komponente kommt. Dieses Verhalten koppelt Vibrationen ein, was bei Präzisionspositionieraufgaben störend ist.
Die Darstellungen gemäß Fig. 1 lassen das Prinzip von Trägheitsantrieben erkennen, bei denen ein Aktor D auf einer Seite an einer nicht beweglichen Masse befestigt ist. Der Körper E steht mit dem Aktor D in Reibkontakt. Wenn der Aktor D durch das Anlegen einer sich langsam ändernden Spannung gering beschleunigt wird,- so erfolgt ein Mitbewegen des Körpers E. Bei einer hohen Beschleunigung des Aktors D ist die Trägheitskraft des Körpers E größer als die Haftreibung, so dass es zu einer relativen Bewegung zwischen dem Körper E und dem Aktor D kommt.
Die ersten Mehraktorantriebe waren einem solchen Trägheitsantrieb ähnlich und unterscheiden sich zunächst dadurch, dass zwei oder mehr Aktoren zum Einsatz kommen.
Fig.2a zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines linearen Mehraktorantriebs und Fig. 2b den prinzipiellen Aufbau eines rotatorischen Mehraktorantriebs.
Derartige Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren Ii, 12, ... ln/ die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. Im Fall des Einsatzes von Piezoaktoren liegt der Hub typischerweise im Bereich von bis zu einigen pm. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2 auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren fest mit einem
Träger 4 verbunden. Die Reibstelle muss nicht notwendigerweise nur aus einer Platte bestehen, so wie dargestellt, sondern es können auch mechanisch komplexe Konstruktionen sein, die mehrere Funktionen übernehmen. So ist es z.B. möglich, dass dieses Bauteil genutzt wird, um auch den Aktor mechanisch vorzuspannen, was z.B. für Piezokeramiken üblich ist.
Selbstverständlich kann der Aufbau von Mehraktorantrieben auch umgedreht werden, so dass der Läufer zur stationären Komponente wird und der Träger zur beweglichen Komponente. Es handelt sich dabei weiterhin um das gleiche Antriebsprinzip. Die Fig. 3 zeigt einen üblichen Spannungsverlauf über der Zeit zur Ansteuerung von mehreren Aktoren, die zeitversetzt über einen Sägezahn, also ähnlich einem klassischen Trägheitsantrieb, angesteuert werden, und die daraus für den Läufer resultierende typische Bewegung .
Für konkrete Realisierungen sei auf die Veröffentlichung von Jean Marc
Berguet:„Actionneurs„Stick and Slip" pour Micro-Manipulators"; EPFL, 1998,- verwiesen . Dort wird für nach EP 0750 356 AI basierenden Mehraktorantrieben mit zwei, drei und vier Aktoren je Antrieb dargelegt, dass die für die
Trägheitsantriebe typischen Geschwindigkeitsschwankungen und Vibrationen bei einem Mehraktorantrieb geringer ausfallen .
Es kommt bei solchen Antrieben bei einem Übergang eines Aktors in die Gleitphase prinzipbedingt zu einer unerwünschten Rückwärtsbewegung, einem Stopp oder einem Abbremsen des Läufers. In der Fig. 3 ist der Fall der leichten Rückwärtsbewegung visualisiert.
Eine Sonderform eines Mehraktorantriebs ist in der WO 93/19494 dargelegt. Dort werden die einzelnen Reibflächen nach und nach durch ein schnelles Verformen der Piezokeramiken zum Durchrutschen gebracht. Im Anschluss daran werden alle Reibflächen durch Anlegen einer identischen
Spannungsrampe gemeinsam in eine Richtung ausgelenkt. Bei diesem
gemeinsamen Auslenken rutscht der Läufer nicht relativ zu den Reibflächen durch, sondern wird mitbewegt. Nachteilig ist es jedoch, dass. der Läufer aufgrund der dauernd wechselnden Beschleunigungen starken. Vibrationen ausgesetzt ist.
Gemäß der DE 10 2009 013 849 AI wird ein auf Piezoröhrchen basierender Antrieb mit mehreren Reibflächen zeitversetzt angesteuert, um eine Bewegung zu erzielen . Die Ansteuersignale sind so gewählt, dass mehrere Aktoren einen Läufer vorantreiben, um dann die Aktoren nach und nach zurückzuziehen, so dass der Läufer während des Zurückziehens durch die Mehrzahl der nicht bewegten Reibflächen in einer Position gehalten wird, d . h . stillsteht. Bei diesem Antrieb kommt es immer wieder zu Phasen der Bewegung und des Stillstands für den Läufer, so dass weiterhin Vibrationen auftreten und eine gleichmäßige Bewegung nicht möglich ist. Eine weitere Klasse von Mehraktorantrieben sind sogenannte„Inchworm- antriebe". Dabei handelt es sich um Antriebe, bei denen ein zu bewegender Läufer durch Aktoren im Wechsel geklemmt wird und der Abstand der Klemmen durch einen weiteren Aktor variiert wird. Durch ein geeignetes, zyklisches Ansteuern der Aktoren kann ein Läufer auch über große Distanzen bewegt werden. Diese Klasse von Aktoren verursacht prinzipiell störende Vibrationen, da hochfrequente, orthogonal zur Bewegungsrichtung wirkende Bewegungen durch die Klemmvorgänge eingekoppelt werden.
Bei allen bekannten Mehraktorantrieben kommt es zu unerwünschten
Vibrationen und Abweichungen der Istposition des Läufers von der
Sollposition.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Ansteuern eines Mehraktorantriebs zu schaffen, welches das Problem der störenden Vibrationen und der Abweichungen der Ist- von der Sollposition löst oder zumindest deutlich verbesserte Eigenschaften aufweist.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Lehre nach
Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen .
Es hat sich in Versuchen in überraschender Weise herausgestellt, dass es möglich ist, unter Ausnutzung der Elastizitäten in der Mechanik und Aktorik, an einen Mehraktorantrieb Ansteuerkurven bzw. Ansteuersignale anzulegen, die den Läufer bewegen, ohne dass es zu hochfrequenten Vibrationen kommt, und ohne dass die Bewegung des Läufers eine große Abweichung von einer Sollbewegung - beispielsweise einer konstanten Bewegung - aufweist. Je nach angestrebter Qualität ist es möglich, die Signale so zu wählen, dass sich eine Bewegung mit einem monotonen oder sogar streng monotonen Verhalten ergibt.
Eine solches Bewegungsverhalten lässt sich durch die erfindungsgemäße Ansteuerung realisieren . Dabei wird für die in der Haftphase befindlichen Aktoren die zwischen den mehreren Reibkontakten vorhandene Elastizität von Antrieb und Mechanik verwendet,, um zwischen diesen Reibflächen eine mechanische Spannung aufzubauen . Eine solche mechanische Spannung wirkt sowohl auf die Aktoren als auch auf den anzutreibenden Läufer.
Geeignete mechanische Spannungen können aufgebaut werden, indem durch die individuelle Ansteuerung mindestens eines in der Haftphase befindlichen Aktors lokale Relativbewegungen in Bezug zu mindestens einem weiteren in der Haftphase befindlichen Aktor realisiert wird . Z.B. indem ein Aktor mit einer anderen Geschwindigkeit oder mit einer individuellen Steuerkurve angesteuert wird.
Vorzugsweise sind mehrere Aktoren am Aufbau der mechanischen Spannungen beteiligt.
Aufgrund der Elastizität in den Aktoren und der Mechanik bleiben die
mechanischen Spannungen erhalten, bis die Bewegungen der Aktoren der aufgebauten mechanischen Spannung entgegenwirken oder ein Aktor oder mehrere Aktoren ins Durchrutschen geraten, wobei im letzteren Fall die mechanischen Spannungen üblicherweise nicht vollständig abgebaut werden . Solche mechanischen Spannungen können die Aktoren und die beteiligte Mechanik je nach Vorzeichen der Wirkung strecken oder stauchen . Diese mechanischen Spannungen wirken jeweils über den Läufer auf die mit dem Läufer in Reibkontakt stehenden Aktoren.
Diese gegenseitige Beeinflussung hat zur Folge, dass der Läufer bewegt wird, wenn sich die Relativbewegungen der Aktoren nicht genau gegenseitig aufheben . Das heißt, der Läufer wird lokal bewegt, ohne dass es zum
Durchrutschen der beteiligten Reibflächen kommt.
Sind hingegen die vorzeichenbehafteten Signaländerungen der an die Aktoren angelegten Amplituden in der Summe gleich Null, können tendenziell
mechanische Spannungen aufgebaut werden, ohne dass der Läufer bewegt wird.
Die mechanischen Spannungen zwischen den Reibflächen haben einen großen Einfluss auf das Bewegungsverhalten des Mehraktorantriebs. Durch die mechanischen Spannungen zwischen den Reibflächen kann z.B. eingestellt werden, ob sich einzelne Aktoren dicht vor dem Durchrutschen befinden oder sicher in der Haftphase sind.
Ebenfalls lässt sich beispielsweise einstellen, wie stark eine resultierende Bewegung des Läufers aufgrund einer Signaländerung der Steueramplitude eines Aktors ausfällt.
Aufgrund des großen Einflusses auf die Bewegung des Läufers, kann die mechanische Spannung zwischen den Reibflächen als zusätzlicher Steuerparameter eingesetzt werden.
Es ergibt sich eine unbegrenzte Schar an geeigneten Ansteuerkurven, die sich dadurch auszeichnen, dass zwischen den in der Haftphase befindlichen
Reibflächen mechanische Spannungen auf- und abgebaut werden. Durch Variation der Verläufe der Ansteuerkurven kann auf die resultierende
Bewegung des Läufers Einfluss genommen werden. Idealerweise werden dabei Kurvenformen gewählt, die eine Bewegung des Läufers erzeugen, die bereits nahe einer Sollbewegung liegt.
Mit derartigen Ansteuerungen lässt sich der Läufer vibrationsarm und nahe einer vorgegebenen Sollbewegung bewegen. Dem Stand der Technik nach ist es zuvor noch nicht gelungen, mit einem realisierten Mehraktorantrieb eine vibrationsarme Bewegung des Läufers zu erzielen.
Die Zusammenhänge der mechanischen Spannung und die Wirkung auf die Bewegung des Läufers wird zur Verdeutlichung an einem stark vereinfachten Beispiel diskutiert.
Hierzu zeigt Fig.4 das elastisches Verhalten der Mechanik und Aktorik eines Mehraktorantriebs mit drei Aktoren, wenn an einem der drei Aktoren ein Dreiecksignal ohne nennenswerte Beschleunigung angelegt wird. Als
Vorrichtung wird auf den skizzenhaften Mehraktorantrieb aus der Fig.2a zurückgegriffen.
An den Aktor Ii (siehe Fig.2a) wird ein sich änderndes Steuersignal Ul in Form eines Dreiecks angelegt, während die anderen zwei Aktoren nicht mit einem veränderlichen Steuersignal angesteuert werden. (U2 liegt am Aktor 12 an, U3 am Aktor 13). In der Phase A ändert sich keines der Steuersignale. In der Phase G steigt das Steuersignal Ul an und in der Phase H fällt das
Steuersignal Ul wieder ab, bis es den Ausgangswert erreicht. In der Phase F ändert sich keines der Steuersignale. Durch das Anlegen eines sich ändernden Ansteuersignais Ul kommt es zwischen den Reibflächen der Aktoren zu einer mechanischen Spannung. Diese mechanische Spannung wirkt sich auf den ganzen Antrieb und alle beteiligten Aktoren und die Mechanik des Antriebs aus. So überträgt sich die Kraft des Aktors Ii über die Reibkontakte und den Läufer auf'die anderen Aktoren, so dass diese verformt werden.
Im Detail:
Die Kurven xl, x2 und x3 zeigen die sich verändernden Positionen der
Reibflächen der Aktoren li,l2 und 13 in Bezug auf den Träger 4.
Die Kurven Fl, F2 und F3 zeigen die auf die Aktoren li,l2 und 13 wirkenden
Kräfte.
Die Kurve xL zeigt die Position des Läufers an.
In der Phase G steigt das an den Aktor Ii angelegte Steuersignal an. In einem ersten Teil, der Phase B, bleibt die Reibfläche des Aktors Ii in der Haftreibung, da die Kraft nicht ausreicht, dass die Reibfläche 1 von der Haft- in die Gleitphase übergeht. Als Folge dessen überträgt sich die aufbauende Kraft auf alle drei Aktoren, so dass sich die Reibflächen synchron bewegen, und somit auch der Läufer in dieser Phase synchron mitbewegt wird. Der Läufer bewegt sich also, obwohl nur einer der Aktoren angesteuert wird und ohne, dass einer der Aktoren durchrutscht. Wie anhand der Kraftkurven (Fl, F2 und F3) zu erkennen ist,' wirkt auf den Aktor Ii eine stauchende Kraft, während sich die' Gegenkraft auf die Aktoren 12 und 13 aufteilt und diese entsprechend streckt.
Zu Beginn der Phase C geht der Reibkontakt 1 in die Gleitphase über. Somit muss der Aktor Ii bei seiner weiteren Auslenkung nicht mehr gegen die Steifigkeit der Aktoren 12 und 13 arbeiten, so dass sich die Position des
Reibköpers nun mit einer veränderten, größeren Steigung entwickeln kann, obwohl das Ansteuersignal Ul weiterhin mit gleicher Steigung anliegt.
Aufgrund des Übergangs in die Gleitreibung bleiben die auf die Aktoren wirkenden Kräfte in überraschender Weise nahezu konstant. Das heißt, dass sich die Reibflächen 2 und 3 nicht wesentlich relativ zum Träger bewegen. Dieser Effekt ist sehr vorteilhaft, da nun keine Vibrationen aufgrund des Übergangs von Haftphase zu Gleitphase eingekoppelt werden. Ab Beginn der Phase H, wird das am Aktor Ii anliegende Signal wieder zurückgenommen.
Dabei befinden sich wieder alle Reibflächen der Aktoren in der Haftphase, so dass sich in Folge dessen die Positionen der Reibflächen, und damit auch der Läufer synchron relativ zum Träger bewegen. In Folge dessen bauen sich während der Phase D die auf die Aktoren wirkenden Kräfte ab. D.h. die auf den Aktor Ii stauchend wirkende Kraft baut sich ab, während die auf die Aktoren 12 und 13 streckend wirkenden Kräfte sich ebenfalls, abbauen. Zum Übergang von der Phase D auf E, sind die Kräfte vollständig abgebaut. Dass heißt, auf die Aktoren wirken keine Kräfte mehr und die Positionen der Aktoren
12 und 13, als auch die Position des Läufers befinden sich wieder in der
Ausgangslage wie während der Phase A. Das ist nicht der Fall für die Position des Reibkörpers des Aktors Ii. Schließlich ist die Reibfläche des Aktors Ii in der Phase B durchgerutscht, und in Folge dessen hat sich die Position der. Reibfläche des Aktors Ii im Verhältnis zu den Reibflächen der Aktoren 12 und
13 entlang des Läufers verschoben. In der Phase E wird das Ansteuersignal Ul weiter reduziert, bis es wieder den Ausgangspegel erreicht hat. In Folge ■dessen zieht sich der Aktor Ii weiter zusammen. Da jedoch beim Phasenübergang von D zu E keine Kräfte zwischen den Reibflächen mehr gewirkt haben, bauen sich nun wieder Kräfte zwischen den Reibflächen auf, die auf die Aktoren wirken. Das heißt, auf den Aktor Ii wirkt mit weiter abnehmender Ansteuerspannung Ul eine streckende Kraft, während auf den anderen Aktoren eine sich auf beide Aktoren aufteilende, stauchende Kraft wirkt. Da sich der Aktor Ii weiterhin in der Haftreibung befindet, bewegen sich alle Reibflächen und der Läufer weiterhin synchron relativ zum Träger. Also wird der Läufer über seine ursprüngliche Lage hinaus bewegt. Am Ende des an den Aktor Ii angelegten Signals ergibt sich also eine Nettoverschiebung des Läufers.
Es konnte anhand des oben genannten Beispiels gezeigt werden, dass es nach dem Durchlauf dieses Zyklus zu einer verbleibenden Bewegung des Läufers kommt. Es wurde ebenfalls, wenn auch vereinfacht, dargelegt, wie die mechanischen Spannungen zwischen den Reibflächen auf den Läufer wirken.
Im Falle von drei oder mehr Aktoren, die alle mit Steuerkurven beaufschlagt werden, sind die Zusammenhänge sehr viel komplizierter. Die Zusammenhänge lassen sich zwar technisch-mathematisch nachvollziehen, es ist in der Praxis jedoch vorteilhaft, wenn geeignete Kurven experimentell und möglichst mittels Optimierungsalgorithmen ermittelt werden.
Vorzugsweise werden Ansteuerkurven bzw. Ansteuersignale an die Aktoren angelegt, die erfindungsgemäße mechanische Spannungen zwischen den Reibflächen auf- und abbauen aber eine gleiche Zykluszeit haben.
Das ermöglicht es beispielsweise mit immer wiederholenden Signalkurven den Läufer über weite Strecken zu bewegen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Abweichung der resultierenden Bewegung des Läufers innerhalb eines Zyklus von einer bekannten Sollbewegung gering ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sollbewegung innerhalb eines Zyklus einer monotonen, idealerweise einer streng monotonen Bewegung entspricht.
Eine streng monotone Bewegung des Läufers innerhalb eines Zyklus erlaubt es, die Geschwindigkeit des Mehraktorantriebs über die Zyklusfrequenz, mit der die Steuersignale durchlaufen werden, zu steuern oder sogar zu regeln. Bei der Sollbewegung handelt es sich vorzugsweise um eine konstante
Geschwindigkeit bei einer vorgegebenen Zyklusfrequenz. Ein solcher linearer Zusammenhang ermöglicht eine besonders einfache Positionier- oder
Geschwindigkeitsregelung für den Läufer, indem die Zyklusfrequenz variiert wird.
Es sind selbstverständlich auch andere Kurvenformen für die Sollbewegung möglich. Vorteilhaft ist es, wenn diese ein monotones Verhalten zeigen.
Sind keine perfekten Kurvenformen ermittelt, verbleiben kleine Abweichungen der resultierenden Bewegung von der Sollbewegung übrig. Üblicherweise sind diese noch vorhandenen Abweichungen langsam und nicht hochfrequent.
Diese verbleibende, langsam veränderliche Störbewegung bietet eine sehr gute Voraussetzung für eine Implementierung einer auf die Aktoren aufaddierten Ausgleichsbewegung. Die Ausgleichsbewegung kompensiert eine verbleibende Abweichung der Läuferbewegung zu einer Sollbewegung.
Vorzugsweise wird die Ausgleichsbewegung durch alle Aktoren gleichermaßen ausgeführt, so dass zwischen den Reibflächen der Aktoren keine weiteren mechanischen Spannungen aufgebaut werden. Handelt es sich bei den Aktoren um vorzugsweise gleiche Bautypen, kann eine solche für alle Aktoren gleichermaßen ausgeführte Ausgleichsbewegung realisiert werden, in dem den Steuerkurven der Aktoren ein für alle Aktoren gleichermaßen veränderliches Steuersignal aufaddiert wird.
Es ist alternativ möglich, lediglich einen Teil der Aktoren mit dem aufzuaddierenden Steuersignal zu beaufschlagen, beispielsweise, wenn eine weitere mechanische Spannung zwischen den Aktoren aufgebaut werden soll.
Es ist möglich, die Ansteuersignale so zu wählen, dass lokale Bewegungen des Läufers, die aufgrund der zwischen den Reibflächen aufgebauten mechanischen Spannungen durchgeführt werden, den Abweichungen von einer Sollbewegung entgegenwirken, jedoch lässt sich eine Ausgleichsbewegung über eine auf die Aktoren aufaddierte Steueramplitude bzw. Amplituden- kurvenform sehr viel einfacher realisieren, da die Zusammenhänge sehr viel einfacher sind. Je nach eingesetztem Aktortyp können die Zusammenhänge sogar einfach linear sein.
Das Antriebspaket des Mehraktorantriebs, bestehend aus den Aktoren Ii, 12, ... ln, und den Reibkontakten inklusive der Mechanik, kann mit einem weiteren Aktor in Reihe geschaltet sein, so dass dieser zusätzliche Aktor in der Lage ist, das gesamte Antriebspaket, und damit auch dem Läufer, gezielt vor- oder zurückzubewegen, wenn der in Reihe befindliche Aktor durch ein entsprechendes Ansteuersignal angesteuert wird. Ein solcher, in Reihe befindlicher Aktor kann zu einer Ausgleichsbewegung angeregt werden, indem geeignete Steuersignale angelegt werden. Dass kann z.B. dann von Vorteil sein, wenn neben einer möglichst störfreien Bewegung eines Antriebs auch der zur
Verfügung stehende Signalbereich der Ansteuerung des Antriebspaketes voll ausgenutzt werden soll, um eine hohe Kraft zu erzielen.
Es ist von Vorteil, wenn die Bewegung des Läufers über mindestens einen Zyklus mit einem Sensor erfasst wird, um die Abweichung der gemessenen Bewegung von einer Sollbewegung als Optimierungskriterium für die
Anpassung der Ansteuerkurven zu verwenden. Ein vorteilhaftes Ziel ist dabei die Abweichung so gering wie möglich werden zu lassen.
Z.B. bei einer Bewegung mit einer konstanten Geschwindigkeit als Sollbewegung ist eine Abweichung von der konstanten Geschwindigkeit minimal zu halten . Besonders vorteilhaft ist es, wenn dabei berücksichtigt wird, dass hohe Schrittweiten je Zyklus positiv sind, so dass bei der Optimierung nicht nur in Richtung konstanter Bewegung optimiert, sondern auch das Kriterium einer möglichst weiten Schrittweite je Zyklus berücksichtigt wird.
Die Signalfo.rmen werden idealerweise zyklisch an die Aktoren des Mehraktorantriebs angelegt. Daher ist es vorteilhaft, wenn Signale je Aktor so gewählt werden, dass die Signalhöhe zu Beginn eines Zyklus auf gleicher Höhe liegen wie zum Ende eines Zyklus. Wenn die Werte je Steuerkanal zu Beginn und zum Ende auf gleicher Höhe liegen, können die Signale zyklisch an die Aktoren angelegt werden, ohne dass es zu störenden Bewegungen oder gar Sprüngen bei einer Zykluswiederholung kommt. Sprünge sind in der Regel zu vermeiden, da Sprünge zu schwer kompensierbaren Störbewegungen führen .
Eine Möglichkeit, um eine gleiche Signalhöhe je Kanal zu erzeugen ist, die ermittelten Signalkurven zu drehen, indem eine Subtraktion einer Geraden von den jeweiligen Steuerkurven erfolgt, die durch den Anfangswert und den Endwert der jeweiligen Signalkurve geht. Anhand der Fig . 8 kann ein solcher Vorgang nachvollzogen werden .
Sollen die Ausgleichsbewegungen nur von den Aktoren des Mehraktor- antriebspaketes durchgeführt werden, so ist es sinnvoll, einen gewissen
Bereich der zur Verfügung stehenden Signalhöhe der Ansteuersignale für die aufzuaddierende Ausgleichsbewegung zu reservieren .
Je besser die ermittelten Kurvenformen einer Zielkurve, wie z. B. der
vorzugsweise zu wählenden Geraden angepasst sind, desto geringer kann der für die Ausgleichsbewegung zu reservierende Bereich der Signalhöhe ausfallen. Daher sollten die Kurvenformen der angelegten Signalkurven so gewählt werden, dass eine Zielkurve während eines Zyklus bereits mit nur geringen Abweichungen nachgebildet wird .
Wird hingegen ein Aktor für die Ausgleichsbewegung herangezogen, der mit dem Antriebspaket in Reihe liegt, dann kann der volle zur Verfügung stehende Amplitudenbereich für die zyklische Ansteuerung des Aktorpaketes verwendet werden . Es hat sich herausgestellt, dass einmal ermittelte Kurvenformen je Zyklus zu immer wiederkehrenden Bewegungen des Läufers führen.
Das gilt sowohl für die erfindungsgemäße Ansteuerung, bei der die
mechanischen Spannungen zwischen den Reibkörpern auf- und abgebaut werden, als auch für die Kombination dieser Ansteuerung mit der aufaddierten
Ausgleichsbewegung.
Dies kann genutzt werden, um Pösitionieraufgaben durchzuführen, ohne dass ein Positionssensor eingesetzt werden muss. Idealerweise werden die ermittelten Steuersignale von der Steuerung gespeichert und dann den
Anforderungen entsprechend zyklisch abgerufen. Z.B. Je schneller ein Läufer bewegt werden soll, desto schneller werden die zyklischen Steuersignale an die Aktoren angelegt.
Es ist möglich, dass im Rahmen einer Kalibrierung ermittelte Signalkurveh hochfrequente Abweichungen von einer Sollbewegung kompensieren, so dass verbleibende, niederfrequente Abweichungen durch einen über einen
Positionssensor geschlossenen Regelkreis kompensiert werden. Als Regelgröße können beispielsweise die Zyklusdauer der Ansteuerkurven oder die
Ausgleichsbewegungen herangezogen werden. Auch ist eine Kombination von Zyklusdauer und Ausgleichsbewegung möglich.
Die Steuerkurven, die an die Aktoren angelegt werden, können je nach
Anforderung unterschiedlich viele Stützpunkte aufweisen. Je exakter die Bewegung ausfallen soll, desto mehr Stützpunkte sind in der Regel notwendig. Neben abgespeicherten Stützpunkten sind auch andere Varianten möglich, um Steuerkurven abzuspeichern und dann ablaufen zu lassen. So ist es z.B.
möglich Steuerkurven mit recht groben Stützpunkten zu speichern und dann zwischen den Punkten zu interpolieren. Ebenfalls können die Steuerkurven mathematisch beschrieben werden, so dass die notwendigen Stützpunkte jeweils, vorzugsweise in der Laufzeit, berechnet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bewegung des Läufers des Mehraktorantriebs von einem Positionssensor gemessen wird und die Messdaten herangezogen werden, um eine Positionsabweichungen des Läufers
auszuregeln.
Es ist möglich, über die Zyklusdauer der angelegten Steuersignale die
Positionierung des Läufers zu regeln. Z.B. je schneller der Läufer bewegt werden soll, desto zügiger werden die zyklisch angelegten Steuerkurven, z.B. auch inklusive der aufaddierten Signale für die Ausgleichsbewegung, durchlaufen. Hat der Läufer hingehen eine Sollposition erreicht, wird die Frequenz, mit der die Zyklen angelegt werden, auf Null reduziert.
Es bietet sich an, typische bekannte Regelstrategien zu verwenden.
Neben der Zyklusfrequenz kann auch die Ausgleichsbewegung als Regelparameter genutzt werden. Es ist auch möglich, beide Parameter in
Kombination in der Regelung zu verwenden, wobei sich hier ein kaskadierter Regelkreis besonders gut eignet.
Für kleine Abweichungen, die über einen Positionssensor festgestellt werden, lässt sich vorteilhaft die Ausgleichsbewegung zur Kompensation verwenden . Das kann in einigen Fällen von Vorteil sein . Z. B. wenn der Läufer in Position gehalten wird und lediglich ein langsames Vor- und Zurückbewegen auf kleiner Strecke ausgeglichen werden soll . Das ist dann leichter mit einer Ausgleichsbewegung zu realisieren als über das Anlegen der zyklischen Signale.
Statt die Frequenz der zyklisch anzulegenden Signalformen oder die
Ausgleichsbewegung als Regelparameter zu verwenden, ist es auch möglich, die Form der Steuersignale selber zu variieren. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es in der Laufzeit einfacher und zielgerichteter ist, die Frequenz der Zyklen . und die Ausgleichsbewegung zu nutzen.
Jedoch kann es sinnvoll sein die Signalformen zu variieren, wenn sich die Reaktion der Läuferbewegung auf die Steuersignale ändert, z.B. aufgrund Temperaturänderungen oder Verschleiß.
Es ist auch möglich, die drei genannten Regelparameter„Zykluszeit", „aufaddierte Ausgleichsbewegung" und„Kurvenform der Steuersignale" in Kombination und in unterschiedlicher Gewichtung zu nutzen. Das kann z.B. nötig werden, wenn weite Geschwindigkeitsbereiche des Mehraktorantriebs durchfahren werden, so dass z. B. Masseträgheiten und Resonanzeffekte eine Rolle spielen und berücksichtigt werden müssen.
In einigen Fällen müssen die an den Aktoren anliegenden Signalkurven angepasst werden> wenn die Zyklusfrequenz verändert wird. Dass ist z.B. dann der Fall, wenn sich die Übertragung der elektrisch an die Aktoren angelegten Signale und die resultierende Aktorbewegung bis hin zur resultierenden Läuferbewegung aufgrund der Frequenzveränderung deutlich verschiebt. Da die auftretenden Änderungen in der Regel kontinuierlich und nicht sprunghaft auftreten, ist eine solche Anpassung gut zu realisieren. Für Antriebe, die einen großen Geschwindigkeitsbereich durchfahren müssen, kann eine solche
Anpassung sehr vorteilhaft sein.
Für die neuartige Ansteuerung muss ein spezielles Vorgehen für die
Richtungsumkehr des beweglichen Läufers gewählt werden, da es bei diesem Verfahren in der Regel nicht möglich ist, die zyklisch an den Aktoren
anliegenden Signale„lediglich" rückwärts ablaufen zu lassen, um so die
Richtung umzukehren.
Für eine erfindungsgemäße Richtungsumkehr des Läufers werden die an den Aktoren anliegenden Ansteuersignale um eine konstante Signalamplitude, gespiegelt. Idealerweise liegt die Höhe der Signalamplitude, um die gespiegelt wird, im mittleren Bereich der zur Verfügung stehenden Signalhöhe;
Um bei der Richtungsumkehr einen Sprung zu vermeiden sollen die
gespiegelten Werte vorzugsweise nicht sprunghaft angelegt werden, da das zu einem Sprung in der Bewegung des Läufers führen kann. Statt dessen sind, die gespiegelten Signale vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße, zeitliche, gleichmäßige Anpassung der Signale zum jeweils gespiegelten Signalwert zu erreichen, wobei idealerweise die Summe der vorzeichenbehafteten
Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null ist.
Werden punktsymmetrische Kurvenformeri zur Ansteuerung der Aktoren verwendet, können die'Signale alternativ zeitlich gespiegelt werden.
Jedoch sollte eine zeitliche Spiegelung nur genutzt werden, wenn entweder die Anforderungen an die Genauigkeit während der Richtungsumkehr nicht hoch sind oder ein großer Signalbereich für die erfindungsgemäßen Ausgleichsbewegungen zur Verfügung steht. Das liegt darin begründet, dass sich in der Praxis nur selten punktsymmetrische Ansteuerkurven ergeben, bei denen die Abweichung der Bewegung des Läufers von einer Sollkurve während des Ablaufs eines Steuerzyklus gering sind. Werden punktsymmetrische Kurven gewählt, so werden in der Regel die Abweichungen von der Zielbewegung entsprechend groß sein, so dass eine große Ausgleichsbewegung erforderlich wird, wenn die Abweichungen je Zyklus gering gehalten werden müssen, um hohen Genauigkeitsanforderungen zu entsprechen .
Alternativ kann zur Richtungsumkehr auf zwei unterschiedliche Sätze von Ansteuerkurven zurückgegriffen werden. Während ein Satz den Läufer vorantreibt, wenn die entsprechenden Signale an die Aktoren angelegt werden, wird der Läufer durch das Anlegen des zweiten Satzes in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Um von einem Satz an Steuerkurven auf den zweiten Satz an Steuerkurven zu wechseln, sind die Signalwechsel vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße, zeitliche, allmähliche Anpassung der Signale zum jeweils neuen Wert zu erreichen, wobei idealerweise die Su mme der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente während des
Wechsels nahezu Null ist.
Grundsätzlich kann während eines Richtungswechsels auch eine Ausgleichsbewegung durchgeführt werden . Wird beispielsweise beim Richtungswechsel die oben beschriebene, zeitliche, gleichmäßige Anpassung der Signale
durchgeführt, kann während dessen eine überlagerte Ausgleichsbewegung angelegt werden, um schon während des Wechsels der Signale den Läufer in die gewünschte Richtung voranzutreiben, so dass nicht abgewartet werden muss, bis der Wechsel der Signale vollzogen, sondern, eine sofortige
Bewegungsrichtungsumkehr möglich ist.
In einer weiteren Variante der Richtungsumkehr kann während der
erfindungsgemäßen, zeitlichen Anpassung der Signale bereits eine Bewegung auf den Läufer beaufschlagt werden, indem die Relativbewegung der Aktoren des Mehraktorantriebs zueinander so gewählt wird, dass der Läufer in die gewünschte Richtung vorangetrieben wird.
Die verschiedenen Varianten der Richtungsumkehr können miteinander in Kombination genutzt werden .
Ungewollte Bewegungen sind auch zu Beginn einer Bewegung bzw. bei dem Einschalten oder initialen Ansteuern der Aktoren des Mehraktorantriebs zu vermeiden . Ein vorzugsweise zu verwendender Ansatz ist es, die Signale für die Aktoren des Mehraktorantriebs, ausgehend von den Startamplituden allmählich auf die Zielwerte zubringen. Idealerweise ist dabei die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null und damit die
resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null.
Ansonsten können für den Einschaltvorgang die. gleichen Ansätze wie bei der Richtungsumkehr gewählt werden.
Um zu verhindern, dass ein Mehraktorantrieb, um eine Position zu halten, einen permanenten Richtungswechsel vollzieht, ist es vorteilhaft, wenn vorrangig eine Ausgleichsbewegung genutzt wird, um lokale Abweichungen auszugleichen.
Eine besonders einfache Ansteuerung ergibt sich für einen Mehraktorantrieb, wenn die Aktoren paarweise invertiert eingebaut werden. Das bringt
symmetrische Vorteile. Z.B. sind die gegeneinander wirkenden Aktoren für das Einschaltverhalten eines derartigen Mehraktorantriebs von Vorteil, da sich die Bewegungen der Aktoren gegenseitig aufheben.
Sind Aktoren gegengerichtet eingebaut, so ist das selbstverständlich durch die Ansteuersignale zu berücksichtigen.
Soll z.B. eine auf alle Aktoren aufaddierte Ausgleichsbewegung durchgeführt werden, so müssen solche Signale an die Aktoren angelegt werden, dass bei der Bewegung der Aktoren für die Ausgleichsbewegung keine weitere
mechanische Spannung zwischen den Reibflächen aufgebaut wird.
Z.B. im Falle eines gegengerichteten Einbaus der Aktoren bietet sich bei einem linearen Verhalten der Aktoren ein invertiertes Steuersignal an.
Unterschiedliche Ansteuerverfahren bewirken stark unterschiedliche Verhalten der Mehraktorantriebe. Einige Verfahren haben ihre Stärken z.B. bei der erzielbaren Kraft, andere wiederum bei der erzielbaren Positionierauflösung. Daher ist es vorteilhaft, wenn bei der Ansteuerung eines Mehraktorantriebs je nach Situation zwischen der erfindungsgemäßen und alternativen
Ansteuerstrategien gewechselt werden kann.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen: Fig. 1 Prinzipskizze eines bekannten Trägheitsantriebs mit entsprechender, typischer Sägezahnsteuerung;
Fig. 2a vereinfachte Darstellung eines linearen Mehraktorantriebs
Fig 2b vereinfachte Darstellung eines rotatorischen Mehraktorantriebs;
Fig.3 eine typische Bewegung eines Läufers eines Mehraktorantriebs bei einer Ansteuerung über versetzte sägezahnförmige Signale gemäß Stand der Technik;
Fig. 4 Grafik zum elastischen Verhalten der Mechanik und Aktorik eines Mehraktorantriebs;
Fig. 5 gemessene Bewegung eines über Dreiecksignale ohne nennenswerte Beschleunigung angesteuerten Mehraktorantriebs;
Fig. 6 gemessene Bewegung eines über modifizierte Signale ohne nennenswerte Beschleunigung angesteuerten Mehraktorantriebs;
Fig. 7 Mehraktorantrieb mit einem zum Antriebspaket in Serie befindlichen weiteren Aktor B;
Fig . 8 Störbewegungen aufgrund von Sprüngen zwischen zyklisch angelegten Steuersignalen im Vergleich zu korrigierten Steuersignalen, die zyklisch angelegt werden können, ohne dass es zu Sprüngen kommt;
Fig. 9a Spiegelung einer punktsymmetrischen Steuerkurve für eine
Richtungsumkehr;
Fig . 9b Spiegelung einer nicht punktsymmetrischen Steuerkurve um einen Amplitudenwert um eine Richtungsumkehr zu erzeugen im Vergleich zu einer zeitlichen Spiegelung, die nicht zu einer Richtungsumkehr führt;
Fig . 9c Spiegelung einer weiteren nicht punktsymmetrischen Steuerkurve um einen Amplitudenwert um eine Richtungsumkehr zu erzeugen im Vergleich zu einer zeitlichen Spiegelung, die nicht zu einer Richtungsumkehr führt; Fig. 10a sprunghafte Spiegelung von beispielhaften Signalkurven zur
Richtungsumkehr und
Fig. 10b zeitlich allmählich umgesetzten Spiegelung von beispielhaften
Signalkurven zur Richtungsumkehr.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Trägheitsantriebs mit entsprechender, typischer Sägezahnansteuerung. In solchen Antrieben ist ein Aktor (D) vorgesehen, der mit einem sägezahnähnlichen, periodischen Signal
beaufschlagt wird und eine Beschleunigung auf den relativ zu einem
reibschlüssig mit dem Aktor verbundenen beweglichen gelagerten Läufer (E) aufbringt.
Fig.2a zeigt einen beispielhaften linearen Mehraktorantrieb. Derartige
Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren llr 12, ... ln, die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. In der Fig.2a sind drei Aktoren Ii bis 13 dargestellt. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2i bis 23 auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren mit einem Träger 4 verbunden. Der Läufer kann bei einer geeigneten
Ansteuerung der Aktoren relativ zum Träger entlang des Doppelpfeils makroskopisch bewegt werden.
Fig.2b zeigt einen beispielhaften rotatorischen Mehraktorantrieb. Derartige Antriebe bestehen aus mindestens zwei bzw. beliebig vielen Aktoren Ii, 12, ... ln, die über ein entsprechendes Ansteuersignal individuell oder in Gruppen zu einem begrenzten Hub angeregt werden können. In der Fig.2b sind drei Aktoren Ii bis 13 dargestellt. Die Aktoren weisen jeweils eine Reibstelle 2i bis 23 auf, die mit einem Läufer 3 in Reibkontakt steht. Weiterhin sind die Aktoren mit einem Träger 4 verbunden. Der Läufer kann bei geeigneter Ansteuerung der Aktoren rotiert werden.
Fig.3 zeigt eine gemäß dem Stand der Technik typische, resultierende
Bewegung eines Läufers bei einer sägezahnförmigen Ansteuerung der Aktoren eines Mehraktorantriebs. Kennzeichnend ist die störende, periodische ückbewegung des Läufers, ausgelöst jeweils durch die Rückbewegung eines Aktors.
Fig.4 zeigt exemplarisch das elastische Verhalten der Mechanik und Aktorik eines Mehraktorantriebs mit drei Aktoren, wenn an einen der drei Aktoren ein Dreiecksignal angelegt wird. Es handelt sich um eine vereinfachte, nicht maßstabsgerechte Darstellung. Für die Bezeichnung der Komponenten wird auf den beschrifteten, skizzenhaften Mehraktorantrieb aus der Fig. 2a verwiesen.
Es wird ein Steuersignal Ul in Form eines Dreiecks an den Aktor Ii angelegt. Die anderen zwei Aktoren werden mit einem konstanten Steuersignal angesteuert (U2 liegt am Aktor 12 an, U3 am Aktor 13).
In der Grafik sind verschiedene Phasen dargestellt. Die verschiedenen Phasen werden im Folgenden beschrieben.
In der Phase A sind alle Steuersignale konstant. In der Phase G steigt das Steuersignal Ul an und in der Phase H fällt das Steuersignal Ul wieder ab, bis es zum Anfang der Phase F den Ausgangswert erreicht. In der Phase F ändert sich keines der Steuersignale.
Da das sich ändernden Ansteuersignais Ul nur an einen der Aktoren angelegt wird, kommt es zwischen den Reibflächen der Aktoren zu einer mechanische Spannung, die sich auf den ganzen Antrieb und alle beteiligten Aktoren und die Mechanik des Antriebs auswirkt. So. überträgt sich die Kraft des Aktors Ii über die Reibkontakte und den Läufer auf die anderen Aktoren und deren Mechanik, so dass diese verformt werden. Dieser Zusammenhang wird im Folgenden, ebenfalls anhand der Fig. 4 genauer beschrieben:
Dabei zeigen die Kurven xl, x2 und x3 die Positionen der Reibflächen der Aktoren li,l2 und 13 in Bezug auf den Träger 4. Die Kurven Fl, F2 und F3 hingegen zeigen die auf die Aktoren li,l2 und 13 wirkenden Kräfte. Die
Position des Läufers wird durch die Kurve xL gezeigt.
In der Phase G steigt das an den Aktor Ii angelegte Steuersignal. Dabei bleibt im ersten Teil, der Phase B, die Reibfläche des Aktors Ii in der Haftreibung,, da die Kraft nicht ausreicht um die Reibfläche 1 aus der Haftphase zu lösen. Daher wirkt die sich aufbauende Kraft auf alle drei Aktoren, so dass sich die Reibflächen synchron bewegen, und somit auch der Läufer in dieser Phase synchron mitbewegt wird. Die Kraftkurven (Fl, F2 und F3) zeigen, dass auf den Aktor Ii eine stauchende Kraft wirkt, während sich die Gegenkraft auf die Aktoren 12 und 13 aufteilt und diese entsprechend streckt.
Mit der Phase C geht der Reibkontakt 1 in die Gleitphase über. In Folge dessen muss der Aktor Ii bei seiner weiteren Auslenkung nicht mehr gegen die
Steifigkeit der Aktoren 12 und 13 arbeiten, so dass sich die Position des
Reibköpers mit einer veränderten, größeren Steigung entwickeln kann, obwohl das Ansteuersignal Ul weiterhin mit gleicher Steigung anliegt. Beim Übergang in die Gleitreibung des Reibkontakts 1 bleiben die auf die Aktoren wirkenden Kräfte nahezu konstant, so dass sich die Reibflächen 2 und 3 nicht wesentlich relativ zum Träger bewegen.
Mit der Phase H, wird das am Aktor Ii anliegende Signal wieder reduziert. Dabei befinden sich zunächst wieder alle Reibflächen der Aktoren in der Haftphase, so dass sich in Folge dessen die Positionen der Reibflächen und damit auch der Läufer synchron relativ zum Träger bewegen. Daher bauen sich während der Phase D die auf die Aktoren wirkenden Kräfte ab. Im Detail: Die auf den Aktor Ii stauchend wirkende Kraft baut sich ab, während die auf die Aktoren 12 und 13 streckend wirkenden Kräfte ebenfalls abgebaut werden. Zum Beginn der Phase E sind die Kräfte vollständig abgebaut, so dass auf die Aktoren keine Kräfte mehr wirken. Die Positionen der Aktoren 12 und 13, als auch die Position des Läufers befinden sich wieder in der Ausgangslage (wie zur Phase A). Die Position des Reibkörpers des Aktors Ii jedoch befindet sich nicht in der Ausgangslage. Das liegt daran, dass die Reibfläche des Aktors Ii in der Phase B durchgerutscht ist. In Folge dessen hat sich die Position der Reibfläche des Aktors Ii im Verhältnis zu den Reibflächen der Aktoren 12 und 13 verschoben.
In der Phase E wird das Ansteuersignal Ul allmählich auf den- Ausgangspegel reduziert. Als Reaktion auf das Ansteuersignal Ul zieht sich der Aktor Ii weiter zusammen. Da beim Phasenübergang von D zu E keine Kräfte zwischen den Reibflächen mehr gewirkt haben, bauen sich nun wieder mechanische Spannungen zwischen den Reibflächen auf, die auf die Aktoren wirken. D.h. Aktor Ii wird mit weiter abnehmender Ansteuerspannung Ul gestreckt, während auf den anderen Aktoren eine sich auf beide Aktoren aufteilende, stauchende Kraft wirkt. Solange sich die Aktoren weiterhin in der Haftreibung befinden, bewegen sich alle Reibflächen und der Läufer weiterhin synchron relativ zum Träger.
Somit wird der Läufer über seine ursprüngliche Lage hinaus bewegt, wie anhand der Kurve xL nachvollzogen werden kann. Fazit: Es ergibt sich eine bleibende Verschiebung des Läufers, nachdem ein Dreieckssignal an den Aktor Ii angelegt wurde.
Fig. 5 zeigt, anhand konkreter Messung für das in Fig. 4 beschriebene
Dreiecksignal, wie eine Bewegung des Läufers eines Mehraktorantriebs zu erzielen ist, ohne dass durch die Steuerkurven nennenswerte Beschleunigungen oder Vibrationen eingekoppelt werden. Die niederfrequenten
Abweichungen sind jedoch noch recht groß, so dass eine sehr große
Ausgleichsbewegung notwendig wäre, um eine monotone Bewegung des
Läufers zu erzielen. Daher sind vorzugsweise die Kurvenverläufe zu
optimieren, mit dem Ziel, eine geringere Abweichung von einer Sollbewegung zu erzielen.
Fig 6 zeigt anhand konkreter Messungen, dass durch die Variation der
Stützpunkte der verschiedenen Steuerkurven geringe Abweichungen von einer monotonen Bewegungskurve für den Läufer erzielbar sind.
Bei der dargestellten, beispielhaften Ansteuerung, bei der mechanische
Spannungen zwischen den Reibflächen auf- und abgebaut werden, ist die Abweichung von der Sollbewegung bereits sehr viel geringer als in Fig. 5.
Somit muss eine Ausgleichsbewegung deutlich geringer ausfallen. Es sei darauf hingewiesen, dass zu Visualisierungzwecken die Kurvenformen auf wenige Stützpunkte beschränkt wurden. Es können hohe Dichten an Stützpunkten für die Kurvenformen gewählt werden, so dass die Flexibilität größer wird und damit auch bessere Resultate für die zu erzielende Bewegung des Läufers innerhalb eines Zyklus für den Läufer möglich sind.
Fig. 7 zeigt einen Mehraktorantrieb, bei dem sich das Antriebspaket in Reihe, mit einem weiteren Aktor B befindet. Der Aktor B ist in der Lage, das
Antriebspaket über eine Verfahrstrecke, die dem Hub von Aktor B entspricht, relativ zum Träger C zu bewegen. Wenn der Aktor B das Antriebspaket in Richtung a+ oder a- verschiebt, folgt der Läufer der Bewegung, da dieser über die Reibkontakte des Antriebspaketes an die Bewegung gekoppelt ist. Immer wenn der Läufer in Richtung a+ hinterher eilt, schiebt der Aktor B das
An'triebspaket in Richtung a+, eilt der Läufer jedoch in Richtung a+ vor, so zieht der Aktor B das Aktorpaket etwas. zurück in Richtung a-. Fig . 8 zeigt, dass Kurvenformen für die Steuersignale zu Sprüngen und
Störbewegungen führen, wenn diese zyklisch an einen Mehraktorantrieb angelegt werden und die Startamplitude ungleich der End-Amplitude der Kurve ist.
Im Graph oben links ist als dunkle Linie eine beispielhafte Ansteuerkurve für einen der Aktoren des Mehraktorantriebs dargestellt.
Die helle Linie verbindet den Startpunkt mit dem Endpunkt der Ansteuerkurve. Wird die Steuerkurve zyklisch an den Aktor angelegt, so ergibt sich die oben rechts dargestellte Situation. D.h. bei jeder Zykluswiederholung kommt es zu einem Sprung von der End-Amplitude der Steuerkurve zur Startamplitude. Solche Sprünge sind möglichst zu vermeiden, da diese Störbewegungen und Vibrationen in das System bringen, die nur schwer zu kompensieren sind.
Die Kurvenformen der Ansteuerkurven können und sollten vorzugsweise so korrigiert werden, dass oben genannte Sprünge vermieden werden .
Hierzu werden die ermittelten Signalkurven soweit gedreht, so dass der Anfang und das Ende der jeweiligen Steuerkurve durch den gleichen Amplitudenwert geht. Die Drehung erfolgt, wie in der mittleren Graphik dargestellt wird, indem von der Steuerkurve eine Gerade abgezogen wird, mit der Steigung der
Geraden, die durch den Anfangswert und den Endwert der jeweiligen
Signalkurve geht. Diese Gerade ist dargestellt durch die hellgraue Gerade in dem Graphen ganz oben links.
Wenn die so gekippte Ansteuerkurve, die in dem Graphen unten links, dargestellt ist, zyklisch an den Aktor angelegt wird, kommt es nicht mehr zu den unerwünschten Sprüngen bei jedem Zyklusdurchgang, so dass eine wesentliche Voraussetzung für einen vibrationsfreien Betrieb vorliegt.
Fig. 9 a, b und c zeigen stark vereinfacht, wie für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise eine Richtungsumkehr zu implementieren ist.
Nur für eine Sonderform von Steuerkurven ist es möglich, wie bisher für Trägheitsantriebe üblich, eine Richtungsumkehr zu implementieren, indem Steuerkurven rückwärts ablaufen. Ein„rückwärts Ablaufen" entspricht einer zeitlichen Spiegelung der Steuerkurven. Um eine Richtungsumkehr für alle Typen von Steuerkurven zu erhalten ist es sinnvoll die Steuerkurven um einen Amplitudenwert der Steuersignale zu spiegeln .
Fig. 9a zeigt mit dem Graphen oben links eine initiale punktsymmetrische Steuerkurve zur Ansteuerung eines einzelnen Aktors eines Mehraktorantriebs. Für punktsymmetrische Kurven ergeben sich gleiche Steuerkurven, unabhängig davon, ob eine zeitliche Spiegelung oder eine Spiegelung um einen
Amplitudenwert gewählt wird.
Im Falle einer für Mehraktorantriebe dem Stand der Technik entsprechenden zeitlichen Spiegelung ergibt sich die Kurve oben rechts. Wird die initiale Kurve jedoch um einen Amplitudenwert gespiegelt, dann ergibt sich die Kurve unten links.
Die Kurven oben rechts und unten links haben einen gleichen Verlauf. Die steile und die flache Flanke zeigen jeweils für beide Kurven in die gleiche Richtung. Somit ist es für den Antrieb unerheblich, ob die Kurvenform für die Richtungsumkehr über eine zeitliche Spiegelung oder eine Spiegelung um einen Amplitudenwert erzielt wird. Das gilt aber nur für punktsymmetrische Kurven.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahren werden in fast allen Fällen nicht punktsymmetrische Ansteuerkurven verwendet.
Fig. 9b zeigt den Fall einer beispielhaften nicht punktsymmetrischen
Steuerkurve. Oben links ist die initiale Steuerkurve dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die zeitlich gespiegelte Steuerkurve (oben rechts) nicht mehr der Steuerkurve unten links (gespiegelt um einen Amplitudenwert) entspricht. Um eine Richtungsumkehr zu erzielen, ist es nicht mehr möglich, eine Kurvenform schlicht rückwärts abzulaufen, so wie es dem Fachmann bekannt ist, und so wie es vom Fachmann erwartet wird. Statt dessen sind die Steuerkurven des Mehraktorantriebs um einen Amplitudenwert zu spiegeln.
Fig. 9c zeigt besonders deutlich, wie unterschiedlich die sich ergebenden Steuerkurven sind, wenn die initiale Kurvenform (oben links) einmal zeitlich gespiegelt wird (oben rechts) und alternativ um eine Signalamplitude
gespiegelt wird (unten links). Für diese Beispielkurve würde für den Fall einer zeitlichen Spiegelung keine neue Kurvenform angelegt werden, da die sich ergebende Kurve wieder gleich der initialen Kurvenform ist. Nur die um eine Signalamplitude gespiegelte Kurve führt zu einer Steuerkurve, die eine für die Richtungsumkehr notwendige Signalkurvenformänderung aufweist.
Fig. 10a zeigt für beispielhafte Ansteuerkurven eines Mehraktorantriebs mit drei Aktoren eine Richtungsumkehr. Zum Zeitpunkt 3,25 werden die Signale um einen Amplitudenwert, in diesem Beispiel um 0,5 gespiegelt. Nach der Spiegelung fährt der Aktuator in die entgegengesetzte Richtung als zuvor. Nachteilig an einer solchen sprunghaften Richtungsumkehr ist, dass störende Beschleunigungen auf den Läufer eingebracht werden können.
Fig. 10b zeigt demgegenüber einen Ansatz, bei dem der um die Amplitude gespiegelte Wert für jede Ansteuerkurve nicht sprunghaft, sondern allmählich erreicht wird, wobei idealerweise die Summe der vorzei.chenbehafteten Signaländerungen gleich oder nahezu Null wird und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null ist. Eine solche Signaländerung ist für eine präzise Richtungsumkehr sehr vorteilhaft.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern eines linearen oer rotatorischen Mehraktorantriebs mit einem relativ zu einer stationären Komponente angetriebenen Läufer, dessen Positionierstrecke größer ist als die Hübe der beteiligten, antreibenden Aktoren, die, entweder direkt oder über eine kraftübertragende Mechanik, im permanenten Reibkontakt mit dem Läufer stehen, auf der Basis von Ansteuerkurven und diesbezüglichen Ansteuersignalen,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen den in Haftreibung befindlichen Reibkontakten unter Ausnutzung der Elastizität in den Aktoren und der Mechanik gezielt mechanische Spannungen aufgebaut wird, indem mindestens einer der in der Haftphase befindlichen Aktoren zu einer anderen Bewegung als die übrigen in der Haftphase befindlichen Aktoren veranlasst wird.
2. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ansteuerkurven eine gleiche Zykluszeit aufweisen und zum Bewegen des Läufers über große Strecken zyklisch an die Aktoren angelegt werden.
3. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die resultierende Läuferbewegung innerhalb eines Ansteuerzyklus eine monotone Bewegung und vorzugsweise eine streng monotone Bewegung darstellt.
4.. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine verbleibende Abweichung der resultierenden Bewegung des Läufers zu einer Sollbewegung innerhalb eines Ansteuerzyklus durch eine aufaddierte Ausgleichsbewegung kompensiert wird, wobei diese Ausgleichsbewegung vorzugsweise auf alle beteiligten Aktoren gleichermaßen aufaddiert wird, so dass keine weitere mechanische Spannung zwischen den Reibflächen
aufgebaut wird.
5. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einer der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bewegung des Läufers aufgrund der an den Aktoren angelegten
Ansteuerkurven mindestens über einen Zyklus mit einem Sensor erfasst und eine festgestellte Abweichung der Bewegung des Läufers von einer Sollbewegung als Optimierungskriterium für die Anpassung der Ansteuerkurven verwendet wird.
6. Verfahren zur Ansteuerung eines Mehraktorantriebs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,- dass die Signalhöhe der zyklisch an den Aktoren anliegenden Ansteuersignale je Ansteuerkanal am Anfang und am Ende eines Zyklus nahezu gleiche, bzw. vorzugsweise identische Werte aufweist, um so einen Sprung in der Bewegung der Aktoren bei einer Zykluswiederholung zu vermeiden .
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Positionssensorik die Abweichungen des Läufers von der Sollposition feststellt und wahlweise über die Zyklusdauer der zyklisch an den Aktoren anliegenden Ansteuerkurven oder einer Ausgleichsbewegung oder einer Kombination beider Parameter die Abweichung kompensiert.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
für eine Bewegungsrichtungsumkehr des Läufers die Ansteuersignale um eine Signalamplitude gespiegelt werden, wobei die gespiegelten Signale
vorzugsweise nicht sprunghaft angelegt werden, sondern durch eine zeitliche, gleichmäßige Anpassung der Signale zum gespiegelten Signalwert, wobei vorzugsweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null, ist und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen
Komponente nahezu Null werden .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
für jede Bewegungsrichtung des Läufers ein eigener Satz an Ansteuerkurven vorliegt, und bei Bewegungsrichtungswechel von einem ersten Satz auf einen zweiten Satz gewechselt wird, wobei der Wechsel der Signale vorzugsweise nicht sprunghaft, sondern durch eine zeitliche, gleichmäßige Anpassung der Signale zum neuen Signalwert erfolgt, wobei vorzugsweise die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen gleich Null ist und damit die
resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null werden .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
während eines Richtungswechsels eine Ausgleichsbewegung in die gewünschte Bewegungsrichtung durchgeführt wird, so dass schon während des zeitlichen Wechsels der Richtung über die angelegten Kurvenformen ein gewünschte Bewegungsrichtung des Läufers zu erzielen ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
währenden eines Einschaltvorganges, einer initialen Ansteuerung oder zu B g inn einer Bewegung die an die Aktoren anliegenden Signöle allmählich auf einen Zielwert gebracht Werden, wobei die Summe der vorzeichenbehafteten Signaländerungen dabei vorzugsweise gleich Null und damit die resultierenden Bewegungen der beweglichen Komponente nahezu Null ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichsbewegung durch ein Steuersignal erzeugt wird, welches an einen zum Mehrakttorantriebspaket in Reihe liegenden Aktor angelegt wird.
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