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Entwicklung und Test einer Schaltung zur Ansteuerung und Regelung eines resonanten Antriebs

Matich, Sebastian :
Entwicklung und Test einer Schaltung zur Ansteuerung und Regelung eines resonanten Antriebs.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2010)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Elektronik für die Regelung eines resonanten Piezoantriebs entwickelt und realisiert. Die Elektronik soll eine resonante Anregung des Antriebs gewährleisten und die für die Ansteuerung der Piezoverstärker benötigten Signale erzeugen. Für den Aufbau einer Reglung sind die momentanen Größen des Drehmoments und der Drehzahl zu bestimmen. Eine intrinsische Messung des Drehmoments soll erfolgen. Die Drehzahl muss auf Basis der Signale eines Encoders des Typs HEDS-5600 von Agilent Technologies bestimmt werden. Eine Regelung des Motors ist zu implementieren.

Aufgrund der Anforderungen an die Elektronik ergeben sich die zentralen Teilprobleme. Diese werden theoretisch betrachtet. Auf Basis dieser Betrachtungen wird sich für eine Messung der Drehzahl mittels einer Impulsdauermessung entschieden. Die Signalerzeugung erfolgt über eine Direct Signal Synthesis. Ein theoretischer Hintergrund für eine intrinsische Messung des Drehmoments sowie für eine resonante Anregung des Motors wird erarbeitet. Aufgrund der angestellten Betrachtungen ergeben sich erste Lösungsansätze für eine Gewährleistung der resonanten Anregung des Antriebs und für eine intrinsische Drehmomentmessung. Die gefundenen Ansätze werden anhand von Messungen näher untersucht. Für das Durchführen der Messungen wird ein Messsystem bestehend aus einer Signalerfassung in Labview und einer Auswertung in Matlab realisiert. Mittels der Messungen kann gezeigt werden, dass sich die Resonanzfrequenz des Piezoantriebs aufgrund der Impedanz, des für den Antrieb verwendeten Stapelaktors, detektieren lässt. Hierzu wird ein Frequenzsweep innerhalb eines Bereichs von 22-24kHz mit einer Auflösung von 10Hz durchgeführt. Der Verlauf der Phasenlage zwischen dem Aktorstrom und der Spannung wird über der Frequenz erfasst. Für die Frequenz, bei der sich die minimale Phasenverschiebung einstellt, wird annähernd der Fall der mechanischen Resonanz erreicht. Der Fehler dieser Detektion beträgt 1,2%.

Der Nachweis für die Funktionsfähigkeit einer intrinsischen Messung des Drehmoments kann für den gewählten resonanten Antrieb erbracht werden. Hierfür wird eine kapazitive Brückenschaltung realisiert. Es zeigt sich, dass die Diagonalspannung UD abhängig von dem wirkenden Drehmoment ist. Die Auswertung der Differenzspannung umfasst im wesentlichen eine Betragsbildung und einen digitalen FIR-Tiefpassfilter. Die Empfindlichkeit der Messung kann für ein Drehmoment von 0 bis 22,5mNm mit 1,4mV/mNm angegeben werden.

Auf Basis der durchgeführten Messungen wird ein Konzept für eine Ansteuerungselektronik entwickelt. Zentrales Element ist dabei ein FPGA des Typs M1AGL1000 von Actel. In Zusammenarbeit mit dem AdRia Technologiebereich für eingebettete Systeme, werden auf diesem die notwendigen peripheren Elemente für eine Messung der Drehzahl, der Phasenlage und des Drehmoments implementiert. Auf dem FPGA wird zudem ein Softcore in Form eines 32-Bit ARM Cortex-M1 Prozessor realisiert. Dieser Prozessor kann in C programmiert werden. Ein Regelalgorithmus kann auf einfache Weise implementiert werden. Eine weitere Komponente der Elektronik ist eine Signalkonditionierungskette mit vier differenziellen Eingangsstufen und variabel einstellbaren Verstärkungsfaktoren. Die Erzeugung zweier sinusförmiger Signale mit variabler Frequenz, Amplitude und Phasenlage wird mittels der Direct Signal Synthesis realisiert. Zentrales Element der Signalerzeugung ist ein Mikrocontroller der C2000 Reihe von Texas Instruments. Dieser berechnet mit einer Frequenz von 300kHz und einer Genauigkeit von 28Bit die durch die D/A-Wandler einzustellenden Spannungswerte.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2010
Autor(en): Matich, Sebastian
Titel: Entwicklung und Test einer Schaltung zur Ansteuerung und Regelung eines resonanten Antriebs
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Elektronik für die Regelung eines resonanten Piezoantriebs entwickelt und realisiert. Die Elektronik soll eine resonante Anregung des Antriebs gewährleisten und die für die Ansteuerung der Piezoverstärker benötigten Signale erzeugen. Für den Aufbau einer Reglung sind die momentanen Größen des Drehmoments und der Drehzahl zu bestimmen. Eine intrinsische Messung des Drehmoments soll erfolgen. Die Drehzahl muss auf Basis der Signale eines Encoders des Typs HEDS-5600 von Agilent Technologies bestimmt werden. Eine Regelung des Motors ist zu implementieren.

Aufgrund der Anforderungen an die Elektronik ergeben sich die zentralen Teilprobleme. Diese werden theoretisch betrachtet. Auf Basis dieser Betrachtungen wird sich für eine Messung der Drehzahl mittels einer Impulsdauermessung entschieden. Die Signalerzeugung erfolgt über eine Direct Signal Synthesis. Ein theoretischer Hintergrund für eine intrinsische Messung des Drehmoments sowie für eine resonante Anregung des Motors wird erarbeitet. Aufgrund der angestellten Betrachtungen ergeben sich erste Lösungsansätze für eine Gewährleistung der resonanten Anregung des Antriebs und für eine intrinsische Drehmomentmessung. Die gefundenen Ansätze werden anhand von Messungen näher untersucht. Für das Durchführen der Messungen wird ein Messsystem bestehend aus einer Signalerfassung in Labview und einer Auswertung in Matlab realisiert. Mittels der Messungen kann gezeigt werden, dass sich die Resonanzfrequenz des Piezoantriebs aufgrund der Impedanz, des für den Antrieb verwendeten Stapelaktors, detektieren lässt. Hierzu wird ein Frequenzsweep innerhalb eines Bereichs von 22-24kHz mit einer Auflösung von 10Hz durchgeführt. Der Verlauf der Phasenlage zwischen dem Aktorstrom und der Spannung wird über der Frequenz erfasst. Für die Frequenz, bei der sich die minimale Phasenverschiebung einstellt, wird annähernd der Fall der mechanischen Resonanz erreicht. Der Fehler dieser Detektion beträgt 1,2%.

Der Nachweis für die Funktionsfähigkeit einer intrinsischen Messung des Drehmoments kann für den gewählten resonanten Antrieb erbracht werden. Hierfür wird eine kapazitive Brückenschaltung realisiert. Es zeigt sich, dass die Diagonalspannung UD abhängig von dem wirkenden Drehmoment ist. Die Auswertung der Differenzspannung umfasst im wesentlichen eine Betragsbildung und einen digitalen FIR-Tiefpassfilter. Die Empfindlichkeit der Messung kann für ein Drehmoment von 0 bis 22,5mNm mit 1,4mV/mNm angegeben werden.

Auf Basis der durchgeführten Messungen wird ein Konzept für eine Ansteuerungselektronik entwickelt. Zentrales Element ist dabei ein FPGA des Typs M1AGL1000 von Actel. In Zusammenarbeit mit dem AdRia Technologiebereich für eingebettete Systeme, werden auf diesem die notwendigen peripheren Elemente für eine Messung der Drehzahl, der Phasenlage und des Drehmoments implementiert. Auf dem FPGA wird zudem ein Softcore in Form eines 32-Bit ARM Cortex-M1 Prozessor realisiert. Dieser Prozessor kann in C programmiert werden. Ein Regelalgorithmus kann auf einfache Weise implementiert werden. Eine weitere Komponente der Elektronik ist eine Signalkonditionierungskette mit vier differenziellen Eingangsstufen und variabel einstellbaren Verstärkungsfaktoren. Die Erzeugung zweier sinusförmiger Signale mit variabler Frequenz, Amplitude und Phasenlage wird mittels der Direct Signal Synthesis realisiert. Zentrales Element der Signalerzeugung ist ein Mikrocontroller der C2000 Reihe von Texas Instruments. Dieser berechnet mit einer Frequenz von 300kHz und einer Genauigkeit von 28Bit die durch die D/A-Wandler einzustellenden Spannungswerte.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Piezoantrieb resonant, Stapelaktor piezoelektrisch, Drehmomentmessung sensorlos, Digitale Signalsynthese, Signalaufbereitung, Signalverarbeitung digital, Filter digital, Filter analog, Field Programmable Gate Array FPGA
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 07 Nov 2011 08:23
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1750

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 14-06-2010

Ende Datum: 13-12-2010

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1750
Gutachter / Prüfer: Pott, Dr. rer. n Peter ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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