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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktorantriebschaltung
mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 bzw. auf ein Festkörperaktorantriebs-Auswerteverfahren
mit den oberbegrifflichen Merkmalen gemäß Patentanspruch 10.
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DE 199 52 946 A1 beschreibt
einen elektromechanischen Festkörperaktorantrieb, bei welchem eine
anzutreibende Welle durch einen ringförmigen Antriebskörper
geführt ist. Der Antriebskörper ist über
zwei piezoelektrische Aktoren, welche unter einem Winkel von 90° zueinander
angeordnet am Antriebskörper befestigt sind, gegenüber
einem Gehäuse antreibbar. Durch die Festkörperaktoren
wird der Antriebskörper in eine translatorisch-kreisförmige Bewegung
versetzt, so dass die in seinem Innenumfang ablaufende Welle in
Rotation versetzbar ist.
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DE 10 2006 044 000
A1 beschreibt einen piezoelektrischen Mikroschrittantrieb,
bei welchem piezoelektrische Biegeaktoren zum Antrieben des Antriebskörpers
eingesetzt sind. Die Biegeaktoren liegen mit ihrer Längserstreckung
in der selben Ebene wie der Antriebskörper und greifen
mit ihren außenseitigen und relativ zu einem Gehäuse
biegbaren Ende seitlich am Antriebskörper an. Der Antriebskörper
weist auf seiner innenseitigen und der Welle zugewandten Oberfläche
eine Zahnung auf. Auch die Welle weist auf ihrem Außenumfang
eine dementsprechende Zahnung auf, so dass ein Mikro-Schrittmotor
ausgebildet wird. Die besonderen Vorteile dieses Antriebs bestehen
in einer einfachen Herstellung mit wenigen Prozessschritten, einer
geringen Teilezahl, eine inhärent hohe Auflösung,
eine Möglichkeit der Selbstblockierung und vorteilhafte
Sensoreigenschaften der Aktoren. All diese Eigenschaften lassen die sen
Antrieb besonders geeignet für den Einsatz als preisgünstigen,
hochgenauen Zeigerantrieb erscheinen.
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Da
die mechanische Kopplung zwischen Aktoren und Antriebswelle verhältnismäßig
weich ist, lassen sich bisher die sensorischen Eigenschaften der
piezoelektrischen Aktoren bei diesem Antrieb nur schwer nutzbar
machen. Die weiche Kopplung dämpft das Sensorsignal, wodurch
die Trennung von Ansteuerungs- und Sensorsignal erschwert wird.
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DE 10 2006 029 925
A1 beschreibt ein einfaches Verfahren bzw. eine Schaltung
zur Überlastdetektion unter Ausnutzung der Erfassung eines Schlupfes
oder eines Zahnübersprungs bei einem derartigen Antrieb.
Unter einem Schlupf wird dabei insbesondere ein kontinuierliches
Rutschen verstanden, bei welchem die neue Winkelposition der Welle relativ
zum Antriebskörper unbekannt ist. Die Schaltung besteht
im Wesentlichen aus einer in Reihe geschalteten Anzahl von Komponenten
in Form einer Treiberstufe, die mit dem Aktor verbunden ist, um
diesen anzusteuern, sowie dem Aktor nachgeschalteten Komponenten.
Die dem Aktor in Reihe nachgeschalteten Komponenten sind insbesondere
ein Hochpassfilter, ein erster Komparator, dann ein Tiefpassfilter
und anschließend ein zweiter Komparator. Für den
Mikroschrittantrieb nach
DE 10 2006 044 000 A1 ist dieses Konzept
jedoch nicht geeignet, da ein Drehmoment an der Welle nur ein sehr
kleines Signal an den Aktoren verursacht.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein einfaches und sicheres
Verfahren zur Überlastdetektion bzw. zur Detektion eines
Zahnübersprungs am piezoelektrischen Schrittantrieb vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Festkörperaktorantriebs-Schaltung
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw.
durch ein Festkörperaktorantriebs-Auswerteverfahren mit
den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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Bevorzugt
wird demgemäß ausgegangen von einer Festkörperaktorantriebs-Schaltung
mit zumindest einem ersten und einem zweiten als Festkörperaktoren
ausgebildeten Aktor, welche an einem Antriebskörper angeordnet
sind, mittels dem Antriebskörper eine Welle zu einer Drehbewegung
anzutreiben, wobei einander gegenüberliegende Oberflächen
des Antriebskörpers und der Welle eine Verzahnung aufweisen,
mit einer Signalquelle, die zum Anlegen eines Ansteuersignals an
zumindest den ersten der Aktoren geschaltet ist zum Versetzen des Antriebskörpers
in eine translatorisch kreisförmige Bewegung relativ zu
der Welle zum Antreiben der Welle, und mit Schaltungskomponenten
zum Detektieren eines Zahnübersprungs der Verzahnung beim Antreiben
der Welle. Vorteilhaft wird diese Schaltung dadurch, dass zwischen
die Schaltungskomponenten zum Detektieren einerseits und andererseits
die Signalquelle parallel zueinander ein Aktorzweig und ein Vergleichszweig
geschaltet sind, wobei der Aktorzweig den ersten Aktor aufweist
und der Vergleichszweig eine zu dem Aktor vergleichbare Vergleichskomponente
aufweist.
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Die
Vergleichskomponente weist dabei zu dem Aktor vergleichbare physikalische
Eigenschaften auf und insbesondere in zumindest einem Betriebszustand
der Schaltung zu dem Aktor gleiche physikalische Eigenschaften auf.
Insbesondere in einem lastfreien Zustand wird der Aktor so in dem
Vergleichszweig durch eine physikalisch gleich wirkende Vergleichskomponente
nachgebildet. Bei der Vergleichskomponente handelt es sich je nach
Aktortyp insbesondere einen Kondensator, aber auch ein weiterer
und nicht an den Antriebskörper angelegter Aktor gleichen
Typs kann als Vergleichskomponente eingesetzt werden.
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In
dem Aktorzweig ist bevorzugt eine Messimpedanz zwischen einen von
der Signalquelle abgewandten Anschluss des Aktors und eine Bezugsspannung
geschaltet und in dem Vergleichszweig ist entsprechend eine Vergleichsimpedanz
zwischen einen von der Signalquelle abgewandten Anschluss der Vergleichskomponente
und die Bezugsspannung geschaltet, wobei die Ver gleichsimpedanz
vergleichbare, insbesondere gleiche physikalische Eigenschaften
hat wie die Messimpedanz. Dieser Aufbau führt zu einer
starken Dämpfung des Ansteuersignals, aber noch nicht zu
dessen Auslöschung.
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Zumindest
die Messimpedanz, zweckmäßig aber auch die Vergleichsimpedanz,
ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass ein Spannungsabfall über dem
Aktor durch das Hinzufügen von der Messimpedanz um nicht
mehr als 80% verringert wird. Die Messimpedanz und die Vergleichsimpedanz
sind bevorzugt jeweils gleichwirkend durch einen ohmschen Widerstand,
eine Kapazität, eine induktive Komponente oder einen sonstigen
komplexen Widerstand ausgebildet. Die Messimpedanz ist bevorzugt
in einer Betriebsart zum Antreiben der Welle vollständig überbrückbar
oder über einen Widerstand reduziert überbrückbar
schaltbar. Dies ermöglicht, die gesamte Antriebsleistung
der Signalquelle für die Antriebsleistung des Aktors zur
Verfügung zu stellen.
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Der
Aktorzweig und der Vergleichszweig sind bevorzugt an deren von der
Signalquelle abgewandten Enden an einen Subtrahierer oder Komparator
geschaltet sind zum Bilden eines Differenzwertes zwischen einem
Messsignal am Ausgang des Aktors und einem Vergleichssignal am Ausgang
der Vergleichskomponente.
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Dem
Subtrahierer oder Komparator sind bevorzugt ein Hochpassfilter und
ein Komparator und/oder Verstärker nachgeschaltet zum Ausgeben eines
Ausgangssignals am Ausgang des Komparators und/oder Verstärkers.
Infolge dessen ist die Abtrennung des Messsignals Vb1 durch Hochpassfilterung
mittels des Hochpassfilters 5 möglich. Durch den
Komparator 6 wird das isolierte Messsignal dann in einen
definierten Impuls umgesetzt und ausgegeben.
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Bevorzugt
wird entsprechend auch ein Festkörperaktorantriebs-Auswerteverfahren,
bei dem eine derartige Festkörperaktorantriebs-Schaltung mittels
einer Signalquelle zum Anlegen eines Ansteuersignals an zumindest
den ersten der Aktoren zum Versetzen des Antriebskörpers
in eine translatorisch kreisförmige Bewegung relativ zu
der Welle zum Antreiben der Welle angetrieben wird und bei dem ein Zahnübersprung
einer Verzahnung beim Antreiben der Welle detektiert wird. Vorteilhaft
ist dabei, wenn zwischen die Schaltungskomponenten zum Detektieren
einerseits und andererseits die Signalquelle parallel zueinander
ein Aktorzweig und ein Vergleichszweig geschaltet wird, wobei der
Aktorzweig den ersten Aktor aufweist und der Vergleichszweig eine
Vergleichskomponente mit zu dem Aktor vergleichbare physikalische
Eigenschaften aufweist, und wobei ein Differenzwert von Ausgangssignalen
des Aktorzweigs und des Vergleichszweigs gebildet wird.
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Bevorzugt
wird insbesondere, wenn zumindest in dem Aktorzweig eine Messimpedanz
zwischen einen von der Signalquelle abgewandten Anschluss des Aktors
und eine Bezugsspannung geschaltet ist und die Messimpedanz in einer
Betriebsart zum Antreiben der Welle vollständig überbrückbar oder über
einen Widerstand reduziert überbrückbar geschaltet
wird.
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Der
z. B. in
DE 10
2006 044 000 A1 beschriebene Antrieb ist quasistatisch.
Das heißt, die Betriebsfrequenz ist wesentlich niedriger
als die Resonanzfrequenz. Zur Überlastdetektion machen
sich die Schaltung bzw. das entsprechende Verfahren dieses Merkmal
auf einfache Weise zu Nutze. Das Überspringen eines Zahnes
entspricht der Anregung des mechanischen Aufbaus einer mechanischen
Oszillation bei der Resonanzfrequenz des mechanischen Aufbaus. Diese
Oszillation hat damit eine weit höhere Frequenz als die
Ansteuerfunktion der Aktoren des Antriebes. Diese Oszillation wird
durch die Sensorfunktion der Festkörperaktoren in ein äquivalentes
elektrisches Signal gewandelt. Vorliegend wird das in der Signalstärke
sehr viel schwächer enthaltene Sensorsignal von dem Ansteuersignal
durch Frequenzfilterung getrennt.
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Ausgenutzt
werden somit vorzugsweise verschiedene spezielle Eigenschaften der
Antriebskinematik mit einer Mikroverzah nung, insbesondere dass diese
selbstblockierend ist, dass ein steifer Kraftübertragungspfad
vom Aktor zur Antriebswelle und somit eine hohe mechanische Resonanzfrequenz
gegeben ist, so dass die Antriebskomponenten bei Überlast überspringen
und einen hochfrequenten Messimpuls erzeugen. Der Überlastfall,
das Überspringen eines Zahnes, entspricht somit einer mechanischen
Impulsanregung. Da die Festkörperaktoren sensorische Eigenschaften
haben, kann die elektrische Rückwirkung der Impulsanregung
während des Aktorbetriebes erfasst und vom überlagerten
Ansteuersignal abgetrennt werden, wozu insbesondere eine Hochpassfilterung
einsetzbar ist.
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Beim
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das hochfrequente Überlastsignal
in einem zweistufigen Verfahren vom Ansteuersignal abgetrennt. Ein
hervorzuhebender Aspekt ist insbesondere eine zwischen einerseits
einer Aktorschicht bei einem kapazitiven Aktor oder einer Aktorwicklung
bei einem induktiven Aktor und andererseits dem Bezugpotential geschaltete
Messimpedanz. Geschaltet ist ein zum Aktorzweig, bestehend aus Aktor
und Messimpedanz, parallelgeschalteter Vergleichszweig, dessen Bauteile
so ausgelegt sind, dass die Spannungsabfälle insbesondere
bezüglich Zeitverhalten und Amplitude über die
Kapazität und die Impedanz des Aktorzweiges zu den Spannungsabfällen
des Vergleichszweiges eine Abweichung, d. h. einen relativen Fehler
von weniger 50% aufweisen. Nachgeschaltet werden dieser Anordnung
aus den beiden Zweigen vorzugsweise ein Subtrahierer, ein Hochpassfilter
und ein Verstärker mit Komparatorfunktion.
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Somit
kann das Überspringen eines Zahnes der Mikroverzahnung
der Kinematik eines piezoelektrischen Mikroschrittantriebes durch
Pulsstrommessung während des Betriebes detektiert werden.
Dazu wird durch eine geeignete, einfache elektrische Schaltung der
durch das Überspringen eines Zahnes im piezoelektrischen
Aktor generierte Strompuls gefiltert, verstärkt und gemessen.
Der Messstromimpuls wird dabei vom überlagerten und um
Größenordnungen größeren Betriebsstromsignal
abgetrennt.
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Die
Schaltung und das Verfahren ermöglichen somit eine einfache,
preiswerte Abtrennung des Sensorsignals und eine sichere Überlasterkennung. Die Überlastdetektion
lässt sich insbesondere zur Anschlagserkennung oder Nullpunktsdetektion
nutzen.
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Einsatzfelder
befinden sich insbesondere im Bereich der Medizintechnik, aber auch
in anderen technischen Gebieten.
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Ein
Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
Komponenten einer Festkörperaktorantriebs-Schaltung zur
Veranschaulichung eines besonders bevorzugten Aufbaus,
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2 eine
erste beispielhafte Schaltungsanordnung zur Umsetzung des Prinzips
gemäß 1,
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3 zwei
Diagramme zur Veranschaulichung eines Messsignals am Ausgang eines
Festkörperaktors bzw. eines Ausgangssignals am Ausgang
der Schaltung nach einer Signalverarbeitung zum Feststellen eines
Zahnübersprungs,
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4 eine
modifizierte Schaltungsanordnung,
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5 eine
noch weiter modifizierte Schaltungsanordnung mit zwei an der Schaltungsanordnung
angeschlossenen Aktoren und
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6 eine
gegenüber 5 modifizierte Schaltungsanordnung.
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1 zeigt
eine Signalquelle 1, welche ein Ansteuersignal für
einen Aktor CA bereitstellt. Die Signalquelle 1 ist zwischen
eine Bezugsspannung 0, beispielsweise einen Masseanschluss,
und einen ersten Anschluss des Aktors CA geschaltet.
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Bei
dem Aktor CA handelt es sich um einen Festkörperaktor,
insbesondere um einen piezoelektrischen Festkörperaktor.
Der Aktor CA befindet sich in einem Aktorzweig 2, welcher
von der Signalquelle 1 zu einem ersten Eingang eines Subtrahierers 4 führt.
Zwischen einen zweiten Anschluss des Aktors CA und die Bezugsspannung 0 ist
eine Impedanz ZA geschaltet. Unter Impedanz ZA wird eine Komponente
mit einer Impedanzwirkung verstanden. Der zweite Aktorzweig 2 weist
somit einen Knoten auf, welcher zwischen den Aktor CA, die Impedanz
ZA und den Subtrahierer 4 geschaltet ist, um diese miteinander zu
verbinden. An dem Knoten bzw. am Ausgang des Aktorzweiges 2 ist
ein Messsignal Vb1 abgreifbar.
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Außerdem
führt ein Vergleichszweig 3 als wesentliche weitere
Komponente von der Signalquelle 1 bzw. dem Eingang des
Aktors CA zu einem zweiten Eingang des Subtrahierers 4.
Einer der beiden Eingänge des Subtrahierers 4,
insbesondere der Eingang mit dem zweiten Vergleichszweig 3,
ist als subtrahierender Eingang ausgestaltet. Der Vergleichszweig 3 weist
eine Vergleichskomponente CR anstelle des Aktors CA auf, wobei die
Vergleichskomponente CR den Aktor CA für einen vorgegebenen
Betriebszustand möglichst ideal nachbildet. Entsprechend
ist zwischen die Signalquelle 1 und den zweiten Eingang
des Subtrahierers 4 die Vergleichskomponente CR geschaltet.
Von einem Knoten zwischen der Vergleichskomponente CR und dem zweiten
Eingang des Subtrahierers 4 ist außerdem eine
Vergleichsimpedanz ZR auf Bezugsspannung 0 geschaltet.
Die Vergleichsimpedanz ZR ist vorzugsweise hinsichtlich der Kennzahlen
gleich der Messimpedanz ZA.
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Ein
Subtraktionsergebnis des Subtrahierers 4 wird von dessen
Ausgang an einen Hochpassfilter 5 angelegt. Ein Ausgangssignal
des Hochpassfilters 5 wird an einen Komparator und Verstärker 6 angelegt,
dessen Ausgang ein Ausgangssignal Vo, insbesondere eine Ausgangsspannung
gegenüber der Bezugsspannung 0 bereitstellt.
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In
für sich bekannter Art und Weise ist der Aktor CA an einem
Antriebskörper 20 angeordnet, um den Antriebskörper 20 als
einer von mehreren, zumindest zwei Festkörperaktoren CA,
CA* in eine translatorisch kreisförmige Bewegung relativ
zu einer Welle 21 zu versetzen. Die einander gegenüberliegenden
Oberflächen des Antriebskörpers 20 und
der Welle 21 weisen bevorzugt eine Mikro-Verzahnung 23 auf,
so dass die Welle 21 durch die Bewegung des Antriebskörpers 20 in
eine Rotation versetzbar ist. Durch die Verzahnung 24 wird
ein Mikro-Schrittantrieb ausgebildet. Die Aktoren CA, 23 sind
vorzugsweise als Biegeaktoren ausgebildet.
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Bei
dieser Ausgestaltung wird in dem Aktorzweig 2 mindestens
ein Festkörperaktor oder eine Festkörperaktorschicht
bzw. -Wicklung als der Aktor CA neben der Signalquelle 1,
welche ein Ansteuersignal liefert, über die Messimpedanz
ZA, insbesondere einen ohmschen Widerstand, eine Kapazität,
Induktivität oder einen sonstigen komplexen Widerstand,
gegen die gewünschte Bezugsspannung 0, insbesondere
Masse, geschaltet. Demnach fällt über dieser Messimpedanz
ZA ein Messsignal Vb1, z. B. eine Messspannung ab.
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In
dem Vergleichszweig 3 wird der Festkörperaktor
durch die Vergleichskomponente CR aus der „idealen” kapazitiven
Komponente, wenn der Aktor CA ein kapazitives Element ist, und/oder
durch die induktive Komponente, wenn der Aktor CA ein induktives
Element ist, nachgebildet. Diese Ersatzlast wird neben der Signalquelle 1 mit
der Messimpedanz ZR auch gegen die gewünschte Bezugsspannung 0 geschaltet.
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Beide
Zweige, der Aktorzweig 2 und der Vergleichszweig 3,
weisen bei einem solchen Aufbau bei fehlendem Lastdrehmoment am
Antrieb bzw. an dessen Welle 21 bezüglich der
in den Knoten der Schaltung auftretenden Signale im Rahmen einer
Toleranz bzw. Ungenauigkeit „gleiche” Eigenschaften
auf und führen zu einem nahezu „identischen” Signal über den
Messimpedanzen. Die Toleranz entspricht dabei einer maximal zulässi gen
relativen Abweichung der Signale des Aktorzweiges 2 zu
den Signalen des Vergleichszweiges 3.
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Vom
Messsignal Vb1 des Aktorzweiges 2 wird mittels des Subtrahierers 4 das
Messsignal des Vergleichszweiges 3 subtrahiert. Dieser
Aufbau führt zu einer starken Dämpfung des Ansteuersignals, aber
noch nicht zu dessen Auslöschung. Dazu können
weitere Malnahmen zur Abtrennung des Sensorsignals ergriffen werden,
welche die besonderen Eigenschaften der Kinematik des Mikroschrittantriebes nutzen,
bei welchem der Antriebskörper 20 und die Welle 21 in
der kreisförmig translatorischen Bewegung aneinander abrollen.
Zum einen ist die Kinematik des Antriebes selbstblockierend mit
einem im Vergleich zum Betriebsmoment höheren Haltemoment und
zum anderen ist der Kraftübertragungspfad vom Aktor CA
zur Antriebswelle 21 steifer als bei elektromagnetischen
Antrieben der gleichen Leistungsklasse. Das Überspringen
eines Zahnes der Mikroverzahnung 24 der Antriebs-Kinematik
stellt daher ein massives Ereignis dar, bei dem aufgrund der Steifheit des
Kraftübertragungspfades und der kleinen angekoppelten Massen
ein hochfrequenter Messsignalimpuls erzeugt wird. Der Frequenzbereich
in dem der Messpuls zu erwarten ist, liegt insbesondere im Kilohertzbereich
und ist wesentlich höher als die Ansteuerfrequenz des Aktors
CA. Infolge dessen ist die Abtrennung des Messsignals Vb1 durch
Hochpassfilterung mittels des Hochpassfilters 5 möglich.
Durch den Komparator 6 wird das isolierte Messsignal dann in
einen definierten Impuls Umgesetzt und ausgegeben.
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Ein
vorteilhafter Aspekt ist dabei eine Messimpedanz ZA des Aktors,
die so ausgelegt ist, dass der Spannungsabfall über dem
Aktor durch das Hinzufügen von der Messimpedanz ZA mit
ZA ≠ 0 um nicht mehr als 80% verringert wird. Die Messimpedanz
ZA kann in der Schaltung optional durch einen nicht dargestellten
Schalter kurzgeschlossen werden, was ZA = 0 entspricht, so dass
im Wechsel zu einem Messmodus für einen Betriebsmodus die
volle Leistung auf den Aktor CA gelegt werden kann.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform stellt die Schaltung nach 2 für
einen piezoelektrischen Aktor als dem Aktor CA dar. Wie nach dem
im 1 dargestellten schematischen Aufbau gibt es auch hier
den Aktorzweig 2 bestehend aus der Aktorkapazität
CA und der Messimpedanz ZA und den Vergleichszweig 3 bestehend
aus einem „idealen” Kondensator als der Vergleichskomponente
CR und der Messimpedanz ZR.
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Eine
besonders einfache und aufgrund ihrer geringen Bauteilzahl preiswerte
Schaltung besteht aus einem Transistor Q1, insbesondere Bipolartransistor
oder FET, einem Kondensator C1 und den Widerständen R1,
R2.
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Hinsichtlich
der Bezeichnung der Komponenten werden wieder die entsprechenden
Bezugszeichen gemäß der Ausgestaltung in 1 verwendet.
Dargestellt sind wieder der Aktorzweig 2 und der dazu parallel
geschaltete Vergleichszweig 3, welche mit ihren Eingängen
an die Signalquelle 1 geschaltet sind. Die Signalquelle
legt eine Spannung V2 gegenüber der Bezugsspannung 0 an.
Der Aktorzweig 2 besteht wiederum aus dem Aktor CA und
der Messimpedanz ZA, welche in Reihe zwischen die Signalquelle 1 und
die Bezugsspannung 0 geschaltet sind. Entsprechend sind
in dem Vergleichszweig 3 als Vergleichskomponente CR ein
Kondensator und die Vergleichsimpedanz ZR zwischen die Signalquelle 1 und die
Bezugsspannung 0 geschaltet.
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Zwischen
den Knoten zwischen der Vergleichskomponente CR und der Vergleichsimpedanz ZR
einerseits und andererseits einem Basisanschluss eines Transistors
Q1 ist ein erster Kondensator C1 geschaltet. Zwischen den ersten
Kondensator C1 und die Basis des Transistors Q1 einerseits und eine
weitere Spannungsquelle, welche eine Spannung V1 gegenüber
Bezugsspannung 0 bereitstellt, sind in Reihe zwei Widerstände
R2, R1 geschaltet. Eine Transistor-Emitter-Strecke des Transistors
Q1 ist zwischen einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen des Ausgangssignals
Vo und den Knoten geschaltet, welcher zwischen den Aktor CA und
die Messimpedanz ZA geschaltet ist.
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Außerdem
ist der Ausgangsanschluss mit einem Knoten zwischen dem ersten und
dem zweiten Widerstand R1, R2 verbunden.
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In
diesen wenigen Bauteilen werden die Funktionalitäten des
Subtrahierers, des Komparators und Verstärkers dargestellt.
Die Komparator-, Subtrahier- und Verstärkungsfunktion ist
durch den Transistor Q1 realisiert, während über
den ersten Kondensator C1, den zweiten Widerstand R2 sowie die Eingangsimpedanz
des Transistors Q1 der Hochpassfilter dargestellt wird. Über
den ersten Widerstand R1 und durch die Stromquelle V1 wird der Transistor
Q1 mit einem Arbeitsstrom versorgt.
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Diese
sehr einfache und damit auch preisgünstige Ausführungsform
zur Umsetzung des bevorzugten Verfahrens ermöglicht die
Detektion des Überlastfalls eines derartigen Antriebes
auch während des normalen Betriebes unter Nutzung der sensorischen
Eigenschaften der Festkörperaktoren.
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3 zeigt
ein Simulationsergebnis einer Simulationsschaltung zur Veranschaulichung
der Messspannung als dem Messsignal Vb1 in dem oberen Diagramm gegenüber
der Ausgangsspannung als dem Ausgangssignal Vo im unteren Diagramm. Der
Aktor CA ist bei der Simulation ersetzt durch eine Kapazität
und eine Impulsstromquelle zur Nachbildung eines Überlastfalls.
Der Überlastfall wird durch einen Stromimpuls mit einer
Impulsdauer von 1 ms nachgebildet. Die Messimpedanzen sind durch
reine ohmsche Widerstände ausgeführt und realisieren
damit eine Strommessung.
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Im
nicht signalverarbeiteten Messsignal Vb1 als dem über der
Zeit aufgetragenen Spannungssignal ist der durch die Überlast
verursachte Stromimpuls durch das überlagerte Ansteuersignal
nahezu unsichtbar. In der Zeitfunktion des Ausgangssignals Vo ist
hingegen deutlich die durch die Schaltung erreichte sehr gute Trennung
der Sensorsignals vom Aktor- bzw. Messsignal Vb1 des Festkörperaktors sichtbar.
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4 zeigt
eine modifizierte Schaltungsanordnung, welche nahezu identisch zu
der Schaltungsanordnung gemäß 2 ist.
Beschrieben werden daher nachfolgend lediglich Unterschiede unter Verweis
auf 2 bezüglich der übrigen Komponenten
und deren Funktionalität. Bei der Ausgestaltung gemäß 4 sind
als Impedanzen, das heißt als Vergleichsimpedanz ZR° und
als Messimpedanz ZA° kapazitive Komponenten in Form von
Kondensatoren eingesetzt. Diese kapazitiven Impedanzen ermöglichen
eine Ladungsmessung anstelle der gemäß 2 mit
rein ohmschen Mess- und Vergleichsimpedanzen ZA, ZR zur Messung
des Aktorstromes umgesetzten Strommessung.
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5 zeigt
eine noch weiter modifizierte Ausgestaltung, wobei wiederum lediglich
Unterschiede gegenüber der Ausgestaltung gemäß 4 beschrieben
werden. Bei dieser Schaltungsanordnung ist zusätzlich zu
dem Aktor CA ein weiterer Aktor CA* in Form eines weiteren Festkörperaktors
an den Antriebskörper geschaltet. Dieser weitere Aktor
CA* ist dabei zwischen den Ausgang der Signalquelle 1 und eine
noch weitere Spannungsquelle V2* geschaltet.
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6 zeigt
eine gegenüber 5 modifizierte Schaltungsanordnung
mit ebenfalls einem weiteren Aktor CA*. Unterschiedlich gegenüber 5 ist die
Ausgestaltung der Vergleichsimpedanz ZR und der Messimpedanz ZA,
welche wieder gemäß der Ausführung in 2 ausgestaltet
sind, um eine Strommessung zu ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19952946
A1 [0002]
- - DE 102006044000 A1 [0003, 0005, 0016]
- - DE 102006029925 A1 [0005]