DE19923462C1 - Positioning device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a positioning device according to the Preamble of claim 1.
Positioniervorrichtungen dieser Art dienen zur Feinstpositio nierung auf den verschiedensten Gebieten der Technik, bei spielsweise zur Positionierung von Werkzeugen für die spanab hebende Formgebung von Präzisionsteilen, zur Positionierung von optischen Bauteilen wie Spiegeln und Strahlteilern oder neuerdings auch zur hochpräzisen Positionierung bei minimal invasiven chirurgischen Eingriffen. Sie haben üblicherweise einen Stellbereich zwischen einigen µm und einigen hundert µm bei einer Auflösung bzw. Schrittweite bis hinab zu einem Nanometer und darunter. Verbreitet sind insbesondere Vorrich tungen, bei denen piezokeramische Elemente eingesetzt werden und die unter dem Stichwort "Piezoaktorik" zusammengefaßt werden, oder Vorrichtungen unter Einsatz magnetischer Akto ren.Positioning devices of this type are used for fine positioning nation in the most diverse areas of technology for example for positioning tools for the chip removal lifting shape of precision parts, for positioning of optical components such as mirrors and beam splitters or recently also for high-precision positioning at minimal invasive surgery. You usually have a setting range between a few µm and a few hundred µm with a resolution or increment down to one Nanometers and below. Vorrich are particularly widespread in which piezoceramic elements are used and summarized under the keyword "Piezo Actuators" be, or devices using magnetic Akto ren.
Aufgrund der bewegten Massen, der physikalisch bedingten Zeitkonstanten der Aktoren und der Übertragungsfunktion des Systems für unterschiedliche Eingangssignalfrequenzen treten bei diesen bekannten Positioniersystemen Differenzen in der Amplitude und Phasenlage zwischen dem Steuersignal am Eingang und der realen Bewegungsbahn ("Ausgang") auf. Piezokeramische Aktoren - vielfach auch kurz als PZT-Elemente bezeichnet - weisen darüber hinaus eine durch die ferroelektrischen Eigen schaften der Keramik bedingte Hysterese auf.Because of the moving masses, the physical ones Time constants of the actuators and the transfer function of the Systems for different input signal frequencies occur in these known positioning systems differences in the Amplitude and phase position between the control signal at the input and the real trajectory ("exit"). Piezoceramic Actuators - often referred to briefly as PZT elements - also have one due to the ferroelectric properties hysteresis caused by the ceramic.
Der grundsätzlich negative und für viele konkrete Anwendungen auch nur unvollkommen theoretisch abschätzbare Effekt dieser Größen, darunter auch der der physikalisch bedingten Trägheit des Positionierantriebs, kann nur bis zu einem gewissen Grad mit bekannten regelungstechnischen Maßnahmen verringert wer den. Die bekannten Positionierantriebe haben daher eine be stimmte Grenzfrequenz, oberhalb der die Verzerrungen am Ausgang, z. B. bei der Bewegung einer Plattform, an einem Drehmeißel oder bei der Kippbewegung eines Spiegels, into lerabel groß werden. Diese Verzerrungen umfassen Signalver formungen, aber auch Phasenverschiebungen. Die Signalverfor mung ist vielfach amplitudenabhängig und die Phasenverschie bung insbesondere frequenzabhängig. Es kann daher nicht mit einer konstanten, einmal eingestellten Entzerrung gearbeitet werden.The fundamentally negative and for many concrete applications even imperfectly predictable effect of this Sizes, including that of physically induced inertia of the positioning drive, can only to a certain extent with known control engineering measures who reduced the. The known positioning drives therefore have a be tuned cutoff frequency above which the distortion at Output, e.g. B. when moving a platform on one Lathe chisel or when tilting a mirror, into grow great. These distortions include signal ver formations, but also phase shifts. The signal verfor Mung is often dependent on the amplitude and the phase shift Exercise particularly frequency-dependent. It can not therefore with a constant equalization, once set become.
Aus K. J. Aström: "Computer-Controlled Systems", Prentice-Hall International Editions, S. 150: Reduction by Feedforward, ist es bekannt, mit speziellen Feedforward-Termen im Regler eine weitgehende Korrektur des Phasengangs vorzunehmen. Diese Kor rektur geht jedoch auf Kosten der Amplitudentreue der Signal form; insbesondere weist die Bewegung des Positionierers starke Überschwinger auf.From K. J. Aström: "Computer-Controlled Systems", Prentice-Hall International Editions, p. 150: Reduction by Feedforward known, with special feed forward terms in the controller make extensive correction of the phase response. This cor rectification, however, comes at the expense of the accuracy of the signal shape; in particular indicates the movement of the positioner strong overshoots.
Aus Ping Ge, M. Jouaneh: "Modelling Hysteresis in Piezocera mic Actuators", Precision Engineering 17, 211-221 (1995), ist es bekannt, das Hystereseverhalten von piezokeramischen Akto ren aufgrund eines von Ferromagnetika her bekannten Modells zu simulieren und mit einem entsprechenden Modell den Regler zu linearisieren. Hiermit können Verbesserungen im Frequenz verhalten von bis zu 50% erreicht werden.From Ping Ge, M. Jouaneh: "Modeling hysteresis in Piezocera mic Actuators ", Precision Engineering 17, 211-221 (1995) it known the hysteresis behavior of piezoceramic Akto ren based on a model known from ferromagnetics to simulate and with a corresponding model the controller to linearize. This allows improvements in frequency behavior of up to 50% can be achieved.
Durch R. Glöß: "New Methods of Signal Preshaping Strongly Increase Bandwidth of Closed Loop PZT Actuators", Actuator 98, 6th Intern. Conf. on New Actuators, S. 285-287, ist des weiteren ein Verfahren der Signalvorformung ("Signal Preshaping") bekannt, bei dem in zwei aufeinanderfolgenden Lernphasen die Übertragungsfunktion der Positioniervorrich tung bezüglich des Amplituden- und Phasenverhaltens und anschließend der Einfluß nichtlinearer Verzerrungen ermittelt und bei einem anschließenden Positioniervorgang durch eine entsprechende Vorab-Deformation des Steuersignals berücksich tigt werden. Dieses Verfahren ist für bestimmte Anwendungs fälle - beispielsweise bei sich stark ändernden Eingangssig nalen - höchst vorteilhaft anwendbar, aber relativ zeitauf wendig, und auf aktuelle Änderungen im System während, des eigentlichen Positioniervorganges (also nach Abschluß der Lernphase) kann damit nicht reagiert werden.By R. Glöß: "New Methods of Signal Preshaping Strongly Increase Bandwidth of Closed Loop PZT Actuators", Actuator 98, 6 th Intern. Conf. on New Actuators, pp. 285-287, a method of signal pre-shaping ("signal preshaping") is also known, in which the transfer function of the positioning device with respect to the amplitude and phase behavior and then the influence of nonlinear distortions are determined in two successive learning phases and be taken into account in a subsequent positioning process by a corresponding advance deformation of the control signal. This method can be used for certain applications - for example, with strongly changing input signals - in a highly advantageous manner, but is relatively time-consuming, and cannot be used to react to current changes in the system during the actual positioning process (i.e. after completion of the learning phase).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbes serte, flexibel einsetzbare und auf Systemänderungen reagie rende Positioniervorrichtung bereitzustellen.The invention is therefore based on the object, a verbes Serte, flexible to use and react to system changes rende positioning device to provide.
Diese Aufgabe wird durch eine Positioniervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is performed by a positioning device with the Features of claim 1 solved.
Die Erfindung schließt den grundlegenden technischen Gedanken ein, für die dynamische Ansteuerung eines Positionierantrie bes, insbesondere eines Piezo- oder Magnetoaktors, ein in einem steuerbaren Filter online vorbearbeitetes Sollposi tions-Steuersignal als Stellsignal zu nutzen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, die Berechnung der Filterkoeffizien ten des Filters quasi in Echtzeit vorzunehmen, und zwar im Ergebnis einer Verarbeitung des genannten Sollpositions- Steuersignals mit einem von einem Positionssensor gelieferten Ist- Positionssignal.The invention closes the basic technical idea on, for the dynamic control of a positioning drive bes, in particular a piezo or magneto actuator, an in a controllable filter pre-processed target position online tion control signal to be used as a control signal. she closes continue the thought of calculating the filter coefficients ten of the filter in real time, in fact Result of processing the specified target position Control signal with an actual value supplied by a position sensor Position signal.
Mit diesen Überlegungen wird eine Positioniervorrichtung ge schaffen, die höchst flexibel sowohl auf differenzierte vor bestimmte Einsatzanforderungen als auch auf Systemänderungen während des Positioniervorganges (beispielsweise auf Tempera turänderungen oder Materialinhomogenitäten des bearbeiteten Werkstücks) reagiert. Die vorgeschlagene Positioniervorrich tung ist grundsätzlich ohne Initialisierung betriebsbereit und erlernt die geeigneten Filterkoeffizienten (bei Einsatz von zum Anmeldezeitpunkt verfügbarer Standard-Prozeßrechen technik) typischerweise in weniger als 50 ms, ausgehend von durchgehend auf Null gesetzten Filterkoeffizienten.With these considerations, a positioning device is used create the most flexible both on differentiated before certain operational requirements as well as system changes during the positioning process (e.g. on tempera changes or material inhomogeneities of the processed Workpiece) reacts. The proposed positioning device is basically ready for operation without initialization and learns the appropriate filter coefficients (when used of standard process screens available at the time of registration technology) typically in less than 50 ms, starting from filter coefficients set to zero throughout.
In einer bevorzugten Ausführung erfolgt die Berechnung der Filterkoeffizienten nach dem Verfahren der kleinsten Fehler quadrate bzw. dem NLMS (Normalized Least Mean Square)-Algo rithmus. Da dieser Algorithmus sehr stabil ist und ein gutes Führungsverhalten besitzt, aber träge auf Systemänderungen reagiert, wird zur Verbesserung des Störverhaltens insbeson dere bei dieser Ausführung in die Regelschleife zusätzlich ein PI-Regler (Proportional-Integral-Regler) eingeschaltet.In a preferred embodiment, the calculation of the Filter coefficients according to the smallest error method squares or the NLMS (Normalized Least Mean Square) algo rhythm. Because this algorithm is very stable and a good one Has leadership behavior, but sluggish on system changes reacts, in particular to improve the interference behavior in this version also in the control loop a PI controller (proportional integral controller) switched on.
Speziell für Aktoren mit nichtlinearem Verhalten, beispiels weise die oben erwähnten hysteresebehafteten Piezoaktoren, weist die Regelschleife in einer zweckmäßigen Ausführung zu dem eine Linearisierungseinrichtung, insbesondere eine Hyste resekompensationseinrichtung, zur Linearisierung des Übertra gungsverhaltens auf.Especially for actuators with non-linear behavior, for example the above-mentioned hysteresis-prone piezo actuators, assigns the control loop in an appropriate execution a linearization device, in particular a hyster re-compensation device, for linearization of the transfer behavior.
Das steuerbare Filter ist bevorzugt ein Digitalfilter, insbe sondere ein FIR-Filter (Finite Impulse Response)-Filter, und zur Bearbeitung analoger Sollpositions-Steuersignale ist ihm dann ein A/D-Wandler vorgeschaltet und zur Ausgabe analoger Ansteuer- bzw. Stellsignale ein D/A-Wandler nachgeschaltet. Der zusätzliche Aufwand für die Analog-Digital- bzw. Digital- Analog-Wandlung wird durch die Gebrauchswert- und Kostenvor teile des FIR-Filters ohne weiteres kompensiert. Die sehr kurze, in der Praxis in keiner Weise störende Ansprechzeit des vorab nicht initialisierten Systems wird durch den Ein satz eines Digitalfilters mit Prozessor-Ansteuerung überhaupt erst möglich.The controllable filter is preferably a digital filter, in particular in particular a FIR filter (Finite Impulse Response) filter, and for processing analog target position control signals then an A / D converter upstream and analog output Control or control signals are connected downstream of a D / A converter. The additional effort for the analog-digital or digital Analog conversion is preceded by the utility value and cost parts of the FIR filter easily compensated. The very short response time, which is in no way disturbing in practice of the previously uninitialized system is replaced by the A Set of a digital filter with processor control at all only possible.
Die vorgeschlagene Positioniervorrichtung sieht in einer zweckmäßigen Ausführung eine zueinander synchrone Bereitstel lung des Sollpositions-Steuersignals und des Ist-Positionssignals des Positionssensors jeweils zu vorbestimmten Abtastzeitpunk ten bzw. mit vorbestimmten Abtastintervallen vor. Die Syn chronisation kann in vorteilhafter Weise durch einen gemein sam getakteten Betrieb des oben erwähnten A/D-Wandlers für das Sollpositions-Steuersignal mit einem dem Positionssensor nachgeschalteten weiteren A/D-Wandler erfolgen.The proposed positioning device looks in one expedient execution of a synchronous provision development of the target position control signal and the actual position signal of the position sensor at a predetermined sampling time ten or with predetermined sampling intervals. The syn Chronization can advantageously be done by a common sam clocked operation of the above-mentioned A / D converter for the target position control signal with a position sensor downstream additional A / D converter.
Der erfindungsgemäß vorgesehenen Filterkoeffizienten-Berech
nungseinheit wird über einen ersten Eingang ein gegenüber dem
Sensorsignal um ein Abtastintervall verzögertes Sollposi
tionssignal und über einen zweiten Eingang ein Differenzsig
nal zugeführt, das aus diesem verzögerten Positionssignal und
dem Sensorsignal nach der Beziehung
The filter coefficient calculation unit provided according to the invention is supplied via a first input with a setpoint signal which is delayed by a sampling interval with respect to the sensor signal and via a second input with a difference signal which is derived from this delayed position signal and the sensor signal according to the relationship
e[n - 1] = s[n] - x[n - 1] (1)
e [n - 1] = s [n] - x [n - 1] (1)
gebildet ist, wobei x[n - 1] das verzögerte Sollpositionssignal und s[n] das letzte Sensorsignal sowie e[n - 1] der Ausgangs fehler sind. is formed, where x [n - 1] the delayed set position signal and s [n] the last sensor signal and e [n - 1] the output are mistakes.
Die Filterkoeffizienten-Berechnungseinheit realisiert den
NLMS-Algorithmus zur Optimierung der Filterkoeffizienten
cis mit i = 0, 1, . . ., N-1 nach der Gleichung
The filter coefficient calculation unit implements the NLMS algorithm for optimizing the filter coefficients c is with i = 0, 1,. . ., N-1 according to the equation
Die optional vorgesehene Hysteresekompensationseinrichtung nutzt insbesondere das an sich bekannte Preisach-Modell zur Berechnung einer inversen Hysteresecharakteristik, die dem Sollpositions-Steuersignal zur Kompensation der realen Hyste resecharakteristik des Aktors aufgeprägt wird.The optional hysteresis compensation device uses in particular the well-known Preisach model Calculation of an inverse hysteresis characteristic that the Set position control signal to compensate for the real hyster residual characteristic of the actuator is impressed.
Der - ebenfalls optional vorgesehene - PI-Regler ist dem steuerbaren Filter insbesondere über eine Additionsstufe nachgeschaltet, in der das Filterausgangssignal und das Ist-Posi tionssignal des Positionssensors zur Verarbeitung durch den PI-Regler aufsummiert werden.The - also optionally provided - PI controller is the controllable filter, in particular via an addition stage downstream, in which the filter output signal and the actual posi tion signal of the position sensor for processing by the PI controller can be added up.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Figuren deutlich. Von diesen zeigen:Advantages and advantages of the invention will be the rest from the subclaims and the description below two exemplary embodiments with reference to the figures. Of show this:
Fig. 1 ein Funktions-Blockschaltbild einer Positioniervor richtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfin dung, Fig. 1 is a functional block diagram of a Positioniervor device according to a first embodiment of the OF INVENTION dung,
Fig. 2 ein Funktions-Blockschaltbild einer Positioniervor richtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, Fig. 2 is a functional block diagram of a Positioniervor direction according to a second embodiment,
Fig. 3 eine Detailskizze eines Funktionsblockes aus Fig. 1 bzw. 2, Fig. 3 is a detail sketch of a functional block of FIG. 1 or 2,
Fig. 4 die Darstellung eines Signalverlaufs von Ein- und Aus gangssignal sowie des Differenzsignals zwischen beiden bei einer herkömmlichen Positioniervorrichtung, Fig. 4 shows the representation of a waveform of the on and off input signal and the difference signal between the two with a conventional positioning device,
Fig. 5 die Darstellung eines Signalverlaufs von Ein- und Aus gangssignal sowie des Differenzsignals zwischen beiden bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Posi tioniervorrichtung und Fig. 5 shows a waveform of input and output signal and the difference signal between the two tioning device in one embodiment of the inventive posi and
Fig. 6 die Darstellung eines Signalverlaufs von Ein- und Aus gangssignal sowie des Differenzsignals zwischen beiden bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Fig. 6 shows a waveform of input and output signal and the difference signal between the two in a further embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eines Funk tions-Blockschaltbildes eine Positioniervorrichtung 100 die eine Sollpositionsdaten-Eingabeeinrichtung 101, einen in sei nem dynamischen Verhalten als linear anzunehmenden Positio nierantrieb 103 und einen dem Positionierantrieb zugeordneten Positionssensor 105 aufweist. Der Ausgang der Sollpositions daten-Eingabeeinrichtung 101 ist über einen ersten A/D-Wand ler 107 mit dem Eingang eines schnell veränderbaren Filters 109 verbunden, dessen Ausgang über einen D/A-Wandler 111 mit dem Positionierantrieb 103 verbunden ist. Der Ausgang des Sensors 105 ist über einen zweiten A/D-Wandler 113 mit einem ersten Eingang einer Filterkoeffizienten-Berechnungseinheit 115 verbunden, die über einen zweiten Eingang mit dem Ausgang des ersten A/D-Wandlers 107 und über einen Steuerausgang mit einem Steuereingang des veränderbaren Filters 109 verbunden ist. Fig. 1 shows a highly simplified representation of a functional block diagram of a positioning device 100 which has a target position data input device 101 , a positioning drive in its dynamic behavior as a linear positioning drive 103 and a position sensor 105 assigned to the positioning drive. The output of the target position data input device 101 is connected via a first A / D converter 107 to the input of a quickly changeable filter 109 , the output of which is connected to the positioning drive 103 via a D / A converter 111 . The output of the sensor 105 is connected via a second A / D converter 113 to a first input of a filter coefficient calculation unit 115 , which is connected to the output of the first A / D converter 107 via a second input and to a control input of the changeable filter 109 is connected.
Das veränderbare Filter 109 ist speziell als digitales FIR- Filter ausgeführt, das sich dadurch auszeichnet, daß für seine Impulsantwort durch entsprechende Vorgabe der Filter koeffizienten ein frei wählbarer Verlauf vorgegeben werden kann. In dem FIR-Filter 109 erfolgt eine hier als "Adaptive Signal Preshaping" gekennzeichnete Verarbeitung des Sollposi tions-Steuersignals zu einem Ansteuersignal für den Positio nierantrieb 103, welches das Übertragungsverhalten des Sys tems sozusagen antizipiert und damit die weitgehend exakte dynamische Positionierung eines Werkzeugs, optischen Elements o. ä. ermöglicht.The changeable filter 109 is specially designed as a digital FIR filter, which is characterized in that a freely selectable course can be specified for its impulse response by corresponding specification of the filter coefficients. In the FIR filter 109 , processing of the target position control signal, referred to here as "adaptive signal preshaping", takes place to a control signal for the positioning drive 103 , which anticipates the transmission behavior of the system, so to speak, and thus the largely exact dynamic positioning of a tool, optical Elements or the like.
Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Ausführung einer Positioniervorrichtung 200, die speziell einen Positio nierantrieb 203 unter Einsatz eines Piezoaktors aufweist, welcher bekanntlich aufgrund von Hystereseeffekten ein nicht- lineares Verhalten zeigt. Die Positioniervorrichtung 200 weist sämtliche Komponenten der oben beschriebenen ersten Ausführungsform auf, die in Fig. 2 mit zu Fig. 1 korrespon dierenden Bezugsziffern bezeichnet sind und nachfolgend nicht nochmals erläutert werden. Das Kernstück auch der Positio niervorrichtung 200 bildet folglich ein FIR-Filter 209 mit zugeordneter Filterkoeffizienten-Berechnungseinheit 215, de ren Funktion weiter unten genauer beschrieben wird. Fig. 2 shows a modified from Fig. 1 embodiment of a positioning device 200 , which specifically has a positioning drive 203 using a piezo actuator, which is known to show non-linear behavior due to hysteresis effects. The positioning device 200 has all the components of the first embodiment described above, which are designated in FIG. 2 by reference numerals corresponding to FIG. 1 and are not explained again below. The centerpiece of the positioning device 200 is consequently an FIR filter 209 with an associated filter coefficient calculation unit 215 , the function of which is described in more detail below.
Zusätzlich umfaßt die Regelschleife bei der Positioniervor richtung 200 eine Additionsstufe 217, in der das digitali sierte Positionssignal des Sensors 205 mit dem Ausgangssignal des FIR-Filters 209 aufsummiert wird und deren Ausgang mit dem Eingang eines PI-Reglers 219 verbunden ist, in dem eine das zeitliche Ansprechverhalten des Systems verbessernde Sig nalnachbearbeitung erfolgt. Die Funktionsweise eines PI-Reg lers ist als bekannt vorauszusetzen und wird daher hier nicht erläutert. Dem PI-Regler 219 ist eine Hysteresekompensations stufe 221 nachgeschaltet, in der das gefilterte und primär nachbearbeitete Sollpositions-Steuersignal einer sekundären Nachbearbeitung zur Kompensation des Hystereseverhaltens des Piezoaktors unterzogen wird. Hierzu wird in der Hysteresekom pensationsstufe 221 das Hystereseverhalten unter Nutzung des Preisach-Modells modelliert und die hieraus gewonnene inverse Hysteresecharakteristik dem primär nachbearbeiteten Signal aufgeprägt. Dem Ausgang der Hysteresekompensationsstufe 221 ist ein Notchfilter 223 nachgeschaltet, das durch Ausfilte rung der Resonanzfrequenz des Systems eine tertiäre Signal nachbearbeitung vornimmt und dessen Ausgang schließlich über den D/A-Wandler 211 mit dem Positionierantrieb verbunden ist.In addition, the control loop in the Positioniervor direction 200 includes an addition stage 217 , in which the digitized position signal of the sensor 205 is summed with the output signal of the FIR filter 209 and whose output is connected to the input of a PI controller 219 , in which one Signal post-processing to improve the system's response time occurs. The operation of a PI controller is assumed to be known and is therefore not explained here. The PI controller 219 is followed by a hysteresis compensation stage 221 , in which the filtered and primarily post-processed desired position control signal is subjected to secondary post-processing to compensate for the hysteresis behavior of the piezo actuator. For this purpose, the hysteresis behavior is modeled in the hysteresis compensation stage 221 using the Preisach model and the inverse hysteresis characteristic obtained therefrom is impressed on the primarily post-processed signal. The output of the hysteresis compensation stage 221 is followed by a notch filter 223 , which carries out a tertiary signal postprocessing by filtering out the resonance frequency of the system and whose output is finally connected via the D / A converter 211 to the positioning drive.
In Fig. 3 wird zur Erläuterung der Funktion des FIR-Filters und der zugehörigen Filterkoeffizienten-Berechnungseinheit bei den Positioniervorrichtungen 100 gemäß Fig. 1 bzw. 200 gemäß Fig. 2 die Ein-/Ausgangskonstellation dieser Komponenten etwas genauer gezeigt. Das FIR-Filter ist hier (in Korrespon denz zu den in Fig. 1 und 2 gewählten Bezugsziffern) mit der Ziffer 9 bezeichnet und die Filterkoeffizienten-Berechnungs einheit mit der Ziffer 15. Das Eingangssignal des FIR-Filters 9 ist, wie oben bereits erwähnt, ein Sollpositions-Steuersi gnal X[n], und sein Ausgangssignal ist ein gefiltertes Soll positions-Steuersignal Y[n], das bei der Ausführung nach Fig. 1 zugleich das Ansteuersignal für den Positionierantrieb dar stellt, bei der Ausführung nach Fig. 2 aber noch der oben erwähnten Nachbearbeitung unterzogen wird.In FIG. 3, to explain the function of the FIR filter and the associated filter coefficient calculation unit in the positioning devices 100 according to FIG. 1 and 200 according to FIG. 2, the input / output constellation of these components is shown somewhat more precisely. The FIR filter is designated here (in correspondence to the reference numerals chosen in FIGS . 1 and 2) with the number 9 and the filter coefficient calculation unit with the number 15 . The input signal of the FIR filter 9 is, as already mentioned above, a set position control signal X [n], and its output signal is a filtered set position control signal Y [n], which in the embodiment according to FIG. 1 is also the control signal represents for the positioning drive, but is still subjected to the above-mentioned post-processing in the embodiment according to FIG. 2.
An einem dem FIR-Filter 9 vorgeschalteten Knoten 9a verzweigt sich der Eingangssignalpfad in ein Verzögerungsglied 15a, das ausgangsseitig über einen ersten Eingang 15b der Filter koeffizienten-Berechnungseinheit 15 direkt mit dieser und zu dem mit einem ersten Eingang einer Subtraktionsstufe 15c ver bunden ist. Letztere ist über einen zweiten Eingang mit dem (hier nicht gezeigten) Positionssensor verbunden und empfängt von dort ein Ist-Positionssignal S[n]. Sie bildet gemäß der oben angegebenen Gl. (1) ein Differenzsignal E[n-1] aus dem aktuellen Ist-Positionssignal und dem zeitverzögerten Sollposi tionssignal und führt dieses über einen zweiten Eingang 15d der Filterkoeffizienten-Berechnungseinheit 15 zu. In der Fil terkoeffizienten-Berechnungseinheit wird aufgrund der eben falls oben angegebenen Gl. (2) ein Satz von (N-1) Filter koeffizienten zur Filterung des Sollpositions-Steuersignals gemäß der aktuellen Übertragungscharakteristik des Systems nahezu in Echtzeit berechnet und das FIR-Filter 9 entspre chend eingestellt.At a node 9 a upstream of the FIR filter 9 , the input signal path branches into a delay element 15 a, which on the output side via a first input 15 b of the filter coefficient calculation unit 15 ver directly with this and to that with a first input of a subtraction stage 15 c is bound. The latter is connected to the position sensor (not shown here) via a second input and receives an actual position signal S [n] from there. According to Eq. ( 1 ) a difference signal E [n-1] from the current actual position signal and the time-delayed target position signal and feeds this via a second input 15 d to the filter coefficient calculation unit 15 . In the filter coefficient calculation unit, due to Eq. ( 2 ) a set of (N-1) filter coefficients for filtering the target position control signal according to the current transfer characteristic of the system is calculated almost in real time and the FIR filter 9 is set accordingly.
Die Fig. 4 bis 6 verdeutlichen, in welchem Ausmaß die vor geschlagene Positioniervorrichtung eine Verbesserung der Po sitioniergenauigkeit ermöglicht. In allen Figuren ist auf der x-Achse die Abtastintervallnummer und auf der y-Achse die Amplitude in relativen Einheiten aufgetragen. FIGS. 4 to 6 illustrate the extent to which the whipped before positioning allows an improvement in the positioning accuracy Po. In all figures, the sampling interval number is plotted on the x-axis and the amplitude in relative units on the y-axis.
Fig. 4 zeigt den (digital abgetasteten) zeitlichen Verlauf des Sollpositions-Steuersignals (50Hz-Sinuswelle - Kurve A1) zusammen mit dem zeitlichen Verlauf des am Sensor erfaßten Ist- Positionssignals (Kurve B1) sowie den zeitlichen Verlauf der Differenz aus beiden (Kurve C1) bei einer herkömmlichen Posi tioniervorrichtung ohne "Adaptive Signal Preshaping". Fig. 4 shows the (digitally sampled) time course of the target position control signal (50 Hz sine wave - curve A 1 ) together with the time course of the actual position signal detected on the sensor (curve B 1 ) and the time course of the difference between the two ( Curve C 1 ) in a conventional positioning device without "adaptive signal preshaping".
Fig. 5 zeigt die entsprechenden Zeitverläufe A2, B2 und C2 bei einer Ausführungsform der Erfindung (ebenfalls anhand eines 50Hz-Steuersignals), und Fig. 6 zeigt in entsprechender Weise Kurvenverläufe A3, B3 sowie C3 für das Anwendungsbeispiel eines Kolbenprofildrehens mittels eines durch den Positio nierantrieb betätigten Drehmeißels bei einer Ansteuerfrequenz von 40 Hz (entsprechend 2400 min-1) bei einer weiteren Aus führungsform der Erfindung. Es ist zu erkennen, daß im Ergeb nis der online vorgenommenen adaptiven Signalvorformung praktisch kein Positionierfehler mehr auftritt. FIG. 5 shows the corresponding time profiles A 2 , B 2 and C 2 in one embodiment of the invention (likewise using a 50 Hz control signal), and FIG. 6 shows curve profiles A 3 , B 3 and C 3 for the application example of a correspondingly Piston profile turning by means of a rotary chisel operated by the positioning drive at a control frequency of 40 Hz (corresponding to 2400 min -1 ) in a further embodiment of the invention. It can be seen that in the result of the adaptive signal preforming carried out online there is practically no positioning error anymore.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern auch in einer Viel zahl von Abwandlungen möglich. Insbesondere ist das Vorsehen eines Proportional-Integral-Reglers, einer Linearisierungs stufe und/oder eines Notchfilters oder der Verzicht auf diese Komponenten abhängig von den konkreten Systemparametern des Positionierantriebes, insbesondere von der Linearität bzw. Nichtlinearität des Aktors, sowie von den Einsatzbedingungen vorzugeben. Die - in der Praxis allerdings wenig relevante - Bearbeitung von oberwellenreichen Steuersignalen (etwa Säge zahn- oder Rechteckimpulsen) auf die vorgeschlagene Weise erfolgt zweckmäßigerweise im Anschluß an eine die Oberwellen anteile reduzierende Vorbearbeitung derartiger Signale, die dem Fachmann vertraut ist und daher hier nicht erläutert wird. The implementation of the invention is not based on those described Embodiments limited, but also in a lot number of modifications possible. In particular, the provision a proportional-integral controller, a linearization level and / or a notch filter or the waiver of these Components depending on the specific system parameters of the Positioning drive, in particular on the linearity or Non-linearity of the actuator and the operating conditions to specify. The - in practice, however, not very relevant - Processing of harmonic-rich control signals (such as a saw tooth or square pulses) in the proposed way expediently follows the harmonics proportion-reducing pre-processing of such signals, the is familiar to the expert and is therefore not explained here becomes.
100100
; ;
200200
Positioniervorrichtung
Positioning device
101101
; ;
201201
Sollpositionsdaten-Eingabeeinrichtung
Target position data input device
103103
; ;
203203
Positionierantrieb
Positioning drive
105105
; ;
205205
Positionssensor
Position sensor
107107
, ,
113113
; ;
207207
, ,
213213
A/D-Wandler
A / D converter
99
; ;
109109
; ;
209209
veränderbares Filter (FIR-Filter)
changeable filter (FIR filter)
99
a Knoten
a knot
111111
; ;
211211
D/A-Wandler
D / A converter
1515
; ;
115115
; ;
215215
Filterkoeffizienten-Berechnungseinheit
Filter coefficient calculation unit
1515
a Verzögerungsglied
a delay element
1515
b erster Eingang
b first entrance
1515
c Subtraktionsstufe
c Subtraction level
1515
d zweiter Eingang
d second entrance
217217
Additionsstufe
Addition level
219219
PI-Regler
PI controller
221221
Hysteresekompensationsstufe
Hysteresis compensation level
223223
Notchfilter
A1 Notch filter
A 1
, B1 , B 1
, C1 , C 1
Signal-Zeitverläufe
A2 Signal time courses
A 2
, B2 , B 2
, C2 , C 2
Signal-Zeitverläufe
A3 Signal time courses
A 3
, B3 , B 3
, C3 , C 3
Signal-Zeitverläufe
S[n], S[n-1] Ist-Positionssignal
X[n] Sollpositions-Steuersignal
E[n-1] Differenzsignal
Signal time courses
S [n], S [n-1] actual position signal
X [n] target position control signal
E [n-1] difference signal
Claims (13)
- - einem insbesondere einen Piezokeramik-Aktor aufweisen den Positionierantrieb (103; 203),
- - einem Positionssensor (105; 205) und
- - einer eingangsseitig mit einer Steuersignal- Eingabe einrichtung (101; 210) sowie in einer geschlossenen Regelschleife mit dem Positionssensor verbundenen Ansteuereinrichtung (9, 13; 107-115; 207-223) für den Positionierantrieb, die zur Ausgabe vorgeformter Ansteuersignale an den Positionierantrieb ausgebildet ist,
- the positioning drive ( 103 ; 203 ) has, in particular, a piezoceramic actuator,
- - A position sensor ( 105 ; 205 ) and
- - An input side with a control signal input device ( 101 ; 210 ) and in a closed control loop with the position sensor connected control device ( 9 , 13 ; 107-115 ; 207-223 ) for the positioning drive, which are designed to output pre-formed control signals to the positioning drive is
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Effective date: 20121201 |