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Nachführung der Resonanzfrequenzen eines piezoelektrischen Ultraschallaktors

Decker, Jona :
Nachführung der Resonanzfrequenzen eines piezoelektrischen Ultraschallaktors.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2009)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen wird ein haptisches Assistenzsystem für Katheterisierungen entwickelt. Ein piezoelektrischer Ultraschallaktor mit Resonator soll als Kraftquelle eingesetzt werden. Der Aktor dient dazu, eine haptische Rückmeldung zu erzeugen.

Ausgewählte Eigenmoden des Resonators müssen angeregt werden, um die Aktorspitze in eine definierte Schwingung zu versetzten. Damit die Spitze eine maximale Auslenkung erfährt, muss der Aktor in Resonanz angesteuert werden. Die Resonanzfrequenzen des Piezoschwingers verschieben sich im Betrieb auf Grund von Belastung, Temperatur und Verschleiß. Ziel der Studienarbeit ist es deshalb, eine Nachführung der Resonanzfrequenzen im Betrieb zu realisieren.

Die sensorischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials können sich zu Nutze gemacht werden. Sie ermöglichen durch die Messung der elektrischen Größen Spannung und Strom am Aktor, auf die Lage der Resonanzfrequenzen zurückzuschließen.

Die Simulation des analytischen Modell des piezoelektrischen Aktors zeigt, dass die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung Rückschlüsse auf die Resonanzfrequenzen des Aktors zulässt. Da das Verhalten der Phase nicht abschließend geklärt werden konnte, werden zwei Konzepte entwickelt und aufgebaut.

Im Folgenden wird das Wirkleistungskonzept beschrieben.

Am Eingang des Systems werden die Signale durch Filterung auf einen Frequenzbereich beschränkt. Aus Aktorspannung und Aktorstrom wird die Wirkleistung ermittelt. Das Signal wird differenziert. Über einen Komparator wird entschieden, ob eine positive oder negative Änderung der Wirkleistung vorliegt. Eine Logik setzt diese Information zu einem Signal um, das als Regelabweichung für die Frequenznachführung dient. Daraus wird eine Stellgröße mittels Integrator erzeugt. Zuletzt wird eine Spannungs-Frequenz-Wandlung vollzogen. Die Ausgangsgröße ist ein Sinussignal mit variabler Frequenz, die durch die Stellgröße bestimmt wird.

Im zweiten Konzept wird nach der Frequenzfilterung die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom ausgewertet. Dazu werden die Eingangssignale in Rechtecksignale umgeformt und verglichen. Die Information über die Größe der Phasendifferenz ist in der Pulsbreite des entstehenden Signals enthalten. Es wird ermittelt, ob der Strom vor- oder nacheilt, um über das Vorzeichen der Phasenverschiebung zu entscheiden. Erzeugung der Stellgröße und Spannungs-Frequenz-Wandlung sind identisch zum Wirkleistungskonzept.

Beide Konzepte wurden aufgebaut und sind funktionsfähig. Für die Funktionstests wird eine Änderung der Wirkleistung durch das Verändern der Amplitude der Eingangssignale simuliert. Zum Test der Phasendifferenzauswertung wird ein Allpass verwendet, um eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen einzustellen.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2009
Autor(en): Decker, Jona
Titel: Nachführung der Resonanzfrequenzen eines piezoelektrischen Ultraschallaktors
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen wird ein haptisches Assistenzsystem für Katheterisierungen entwickelt. Ein piezoelektrischer Ultraschallaktor mit Resonator soll als Kraftquelle eingesetzt werden. Der Aktor dient dazu, eine haptische Rückmeldung zu erzeugen.

Ausgewählte Eigenmoden des Resonators müssen angeregt werden, um die Aktorspitze in eine definierte Schwingung zu versetzten. Damit die Spitze eine maximale Auslenkung erfährt, muss der Aktor in Resonanz angesteuert werden. Die Resonanzfrequenzen des Piezoschwingers verschieben sich im Betrieb auf Grund von Belastung, Temperatur und Verschleiß. Ziel der Studienarbeit ist es deshalb, eine Nachführung der Resonanzfrequenzen im Betrieb zu realisieren.

Die sensorischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials können sich zu Nutze gemacht werden. Sie ermöglichen durch die Messung der elektrischen Größen Spannung und Strom am Aktor, auf die Lage der Resonanzfrequenzen zurückzuschließen.

Die Simulation des analytischen Modell des piezoelektrischen Aktors zeigt, dass die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung Rückschlüsse auf die Resonanzfrequenzen des Aktors zulässt. Da das Verhalten der Phase nicht abschließend geklärt werden konnte, werden zwei Konzepte entwickelt und aufgebaut.

Im Folgenden wird das Wirkleistungskonzept beschrieben.

Am Eingang des Systems werden die Signale durch Filterung auf einen Frequenzbereich beschränkt. Aus Aktorspannung und Aktorstrom wird die Wirkleistung ermittelt. Das Signal wird differenziert. Über einen Komparator wird entschieden, ob eine positive oder negative Änderung der Wirkleistung vorliegt. Eine Logik setzt diese Information zu einem Signal um, das als Regelabweichung für die Frequenznachführung dient. Daraus wird eine Stellgröße mittels Integrator erzeugt. Zuletzt wird eine Spannungs-Frequenz-Wandlung vollzogen. Die Ausgangsgröße ist ein Sinussignal mit variabler Frequenz, die durch die Stellgröße bestimmt wird.

Im zweiten Konzept wird nach der Frequenzfilterung die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom ausgewertet. Dazu werden die Eingangssignale in Rechtecksignale umgeformt und verglichen. Die Information über die Größe der Phasendifferenz ist in der Pulsbreite des entstehenden Signals enthalten. Es wird ermittelt, ob der Strom vor- oder nacheilt, um über das Vorzeichen der Phasenverschiebung zu entscheiden. Erzeugung der Stellgröße und Spannungs-Frequenz-Wandlung sind identisch zum Wirkleistungskonzept.

Beide Konzepte wurden aufgebaut und sind funktionsfähig. Für die Funktionstests wird eine Änderung der Wirkleistung durch das Verändern der Amplitude der Eingangssignale simuliert. Zum Test der Phasendifferenzauswertung wird ein Allpass verwendet, um eine Phasenverschiebung zwischen den Signalen einzustellen.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Eigenfrequenz Ultraschallaktor, Filter aktiv, Frequenzregelung, Phasenverschiebung Messung, Sensor-Aktor-System
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 05 Sep 2011 13:59
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1696

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 01-10-2008

Ende Datum: 17-02-2009

Querverweis: 17/24 EMKS 1579

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1696
Gutachter / Prüfer: Klages/Sindlinger, Dipl.-Ing. Stephanie ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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