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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag September 25, 2009

Inverse Steuerung für den Großsignalbetrieb von Piezoaktoren (Inverse Feedforward Control for the Large Signal Operation of Piezoelectric Actuators)

Klaus Kuhnen and Hartmut Janocha
From the journal

Der vorliegende Beitrag beschreibt ein neuartiges Steuerungskonzept für den Großsignalbetrieb von piezoelektrischen Aktoren, das die Abhängigkeit der Aktorauslenkung von der mechanischen Belastung, die infolge der endlichen Steifigkeit des Aktorwerkstoffes auftritt, kompensiert. Die zur Realisierung dieser Funktionalität benötigte Kenntnis über die momentane mechanische Belastung des Aktors gewinnt die Steuerung allein durch Rekonstruktion der Aktorbelastung aus den Messwerten der elektrischen Größen Spannung und Ladung, sodass keine zusätzlichen externen Sensoren benötigt werden. Zur Rekonstruktion der mechanischen Belastung greift die Steuerung auf die inhärenten sensorischen Eigenschaften des piezoelektrischen Werkstoffes zurück und verwendet ein auf Hysterese-, Kriech- und Superpositionsoperatoren basierendes Signalverarbeitungskonzept, um die Messinformation, die aufgrund der elektrischen Großsignalansteuerung durch Hysterese-, Kriech- und Sättigungseffekte verfälscht ist, aus den elektrischen Messsignalen herauszufiltern. Als Ergebnis wird durch diesen neuartigen Steuerungstyp der durch Hysterese-, Kriech- und Sättigungseffekte sowie durch die Lastabhängigkeit verursachte Steuerungsfehler um etwa eine Größenordnung reduziert.

The paper describes a new feedforward control concept which permits the control of piezoelectric actuators in large-signal operation. The control compensates the mechanical load dependence resulting from the limited stiffness of the actuator material. The controller determines the momentary mechanical load on the actuator based on the measured electrical parameters voltage and charge ‐ no additional sensor is needed. To reconstruct the value of the mechanical load, the controller makes use of the inherent sensory properties of the piezoelectric ceramic and a signal processing concept based on hysteresis, creep and superposition operators to filter the electrical signals of the distortion caused by hysteresis, creep and saturation. The controller error resulting from hysteresis, creep and saturation effects and the actuator load dependence is reduced of about one order of magnitude using this new feedforward control concept.

Published Online: 2009-09-25
Published in Print: 2002-09