Linearisierung hysteresebehafteter Aktoren

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Linearisierung hysteresebehafteter Aktuatoren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Linearisierungseinrichtung zur Linearisierung eines hysteresebehafteten Aktuators, die Verwendung einer Linearisierungseinrichtung in einem Luftfahrzeug, ein Luftfahrzeug mit einer Linearisierungseinrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines hysteresebehafteten Aktuators.

Technologischer Hintergrund

Viele Aktuatoren weisen bei ihrem Bewegungsablauf eine Hysterese auf. Dies bedeutet, dass der Aktuator sich bei Anlegen eines Steuersignals von dem nicht ausgelenkten Ausgangszustand in einen ausgelenkten Zustand bewegt. Wird das Steuersignal wieder auf Null zurückgefahren, kehrt aber der Aktuator nicht mehr vollständig in den nicht ausgelenkten Ausgangszustand zurück. Insbesondere beim Großsignalbetrieb piezoelektrischer Aktoren besteht ein nicht linearer, hysteresebehafteter Zusammenhang zwischen der angelegten Steuerspannung und dem gesteuerten Weg des Aktuators. Für viele Anwendungen ist dies störend.

Digitale Verfahren zur Linearisierung solcher Aktuatoren sind oft rechenzeitaufwändig .

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Linearisierung eines hysteresebehafteten Aktuators bereitzustellen.

Es sind eine Linearisierungseinrichtung zur Linearisierung eines hysteresebehafteten Aktuators, eine Verwendung, ein Luftfahrzeug und ein Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen gleichermaßen die Linearisierungseinrichtung, die Verwendung, das Luftfahrzeug und das Verfahren.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Linearisierungseinrichtung zur Linearisierung eines hysteresebehafteten Aktuators angegeben, wobei die Linearisierungseinrichtung eine Regelschleife mit einem Referenz- Aktuator und einem Regler aufweist. Die Regelschleife ist zur Erzeugung eines vorbestimmten Zusammenhangs zwischen einer an die Linearisierungseinrichtung angelegten Steuerspannung und einer Auslenkung des Referenz- Aktuators aus einem nicht ausgelenkten Zustand ausgeführt.

Der vorbestimmte Zusammenhang zwischen der Steuerspannung und der Auslenkung des Referenz-Aktuators erfolgt durch Rückkopplung. Indem durch die Regelschleife der vorbestimmte Zusammenhang zwischen der angelegten Steuerspannung und der Auslenkung des Referenz-Aktuators eingestellt wird, kann automatisch auch der Zusammenhang zwischen dem tatsächlichen Hauptaktuator (im Folgenden auch lediglich als Aktuator bezeichnet) und seiner entsprechenden Steuerspannung eingestellt werden.

Der vorbestimmte Zusammenhang kann hierbei, je nach Anwendungsfall, linear oder auch nicht linear sein. Beispielsweise mag es für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft sein, wenn die Auslenkung des Aktuators quadratisch oder exponentiell

mit zunehmender Steuerspannung ansteigt. Dieser Zusammenhang kann mit dem erfϊndundungsgemäßen Regelkreis der Linearisierungseinrichtung erreicht werden.

Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist der Referenz- Aktuator ein Hystereseverhalten auf, das mit einem Hystereseverhalten des (Haupt-) Aktuators, der beispielsweise linearisiert werden soll, korrespondiert.

Beispielsweise weisen die beiden Aktuatoren ein analoges, gleichförmiges Hystereseverhalten auf. Die beiden Aktuatoren können identische Aktuatoren sein. Auch mag es sich, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Referenz- Aktuator um einen geringer dimensionierten Aktuator handeln, dessen Hystereseverhalten aber dennoch in einem definierten Zusammenhang zu dem Hystereseverhalten des Hauptaktuators steht. In diesem Fall ist die Verstärkung der Steuerspannung im Regelkreis beispielsweise deutlich geringer, als die Verstärkung der Steuerspannung des Hauptaktuators.

Der Regelkreis kann als eigenständiges Bauteil elektrisch isoliert ausgeführt sein. Die Verstärkung der Steuerspannung im Regelkreis kann unabhängig von der Verstärkung der Steuerspannung des Aktuators erfolgen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der vorbestimmte Zusammenhang ein linearer Zusammenhang. So kann die Regelschleife derart eingestellt sein, dass eine Verdoppelung, Verdreifachung, etc. der Steuerspannung zu einer Verdoppelung, Verdreifachung, etc. der Auslenkung des Referenz- Aktuators und somit auch zu einer entsprechenden Auslenkung des Hauptaktuators führt. Auch kann die Linearisierungseinrichtung derart eingestellt sein, dass eine Verdoppelung, Verdreifachung, etc. der Steuerspannung zu einer Vervierfachung, Versechsfachung, etc. der Auslenkung des Referenz- Aktuators und somit auch zu einer entsprechenden

Auslenkung des Hauptaktuators führt. Auch sind andere Zusammenhänge, linear oder nichtlinear, möglich, je nach Anwendungsfall.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Regelschleife einen ersten Leistungsverstärker zur Verstärkung einer an den Referenz- Aktuator angelegten Spannung auf. Weiterhin weist der Hauptaktuator einen zweiten Leistungsverstärker zur Verstärkung einer an den Hauptaktuator angelegten Spannung auf.

Auf diese Weise kann bei einer verhältnismäßig geringen Steuerspannung bereits eine große Auslenkung der Aktuatoren erzielt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei den beiden Akutatoren um piezoelektrische Aktuatoren.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Linearisierungseinrichtung als analoge Linearisierungseinrichtung ausgeführt. Somit ist die Verwendung digitaler Bauteile nicht notwendig. Aufgrund der analogen Ausführung der Linearisierungseinrichtung können digitale, rechenzeitaufwändige Verfahren zur Linearisierung vermieden werden.

Auf diese Weise kann eine kostengünstige Linearisierungseinrichtung mit hoher Bandbreite bereitgestellt werden, welche flexibel einsetzbar ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein elektrischer Abgriff hinter dem Regler vorgesehen, wobei der Abgriff mit dem zweiten Leistungsverstärker des Hauptaktuators verbunden ist, so dass der erste

Leistungsverstärker des Referenz- Aktuators und der zweite Leistungsverstärker mit derselben Spannung versorgt sind.

Eine zur Linearisierung des Referenz- Aktuators erzeugte Spannung kann somit direkt an den Hauptaktuator weitergegeben werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Regelschleife weiterhin eine Messvorrichtung zur Messung des Zusammenhangs zwischen der an die Linearisierungseinrichtung angelegten Steuerspannung und der Auslenkung des Referenz- Aktuators aus dem nicht ausgelenkten Zustand auf.

Das resultierende Messsignal wird an den Regler weitergegeben, der daraufhin eine entsprechende Regelung der Spannung vornimmt, so dass der vorbestimmte Zusammenhang zwischen der Auslenkung und der Steuerspannung eingestellt wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Messvorrichtung zur Messung der Auslenkung des Referenz- Aktuators aus dem nicht ausgelenkten Zustand ausgeführt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Regelschleife als eigenständiges Bauteil zum Anschluß an den zu linearisierenden Aktuator ausgeführt. Die Regelschleife kann somit einfach nachgerüstet werden und wird dem Arbeitsaktuator (Hauptakuator) einfach vorgeschaltet.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verwendung einer oben beschriebenen Linearisierungseinrichtung in einem Luftfahrzeug angegeben.

Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist ein Luftfahrzeug mit einer oben beschriebenen Linearisierungseinrichtung angegeben.

Bei dem Luftfahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Flugzeug oder einen Helikopter. Gerade im Bereich der Luftfahrt ist die Verwendung einer oben beschriebenen Linearisierungseinrichtung vorteilhaft, weil durch die analoge Bauweise die Verwendung digitaler, aufwändiger Schaltkreise vermieden werden kann. Auf diese Weise können die Regelungsgeschwindigkeit der Einrichtung erhöht und die Ausfallwahrscheinlichkeit gesenkt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines hysteresebhafteten Aktuators angegeben, bei dem eine Steuerspannung an eine Linearisierungseinrichtung angelegt wird. Weiterhin wird ein Zusammenhang zwischen der an die Linearisierungseinrichtung angelegten Steuerspannung und einer Auslenkung eines Referenz- Aktuators aus einem nicht ausgelenkten Zustand gemessen und die Steuerspannung auf Basis der gemessenen Auslenkung geregelt. Die geregelte Steuerspannung wird dann zur Steuerung des hysteresebhafteten Aktuators verwendet.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Regelung der Steuerspannung analog.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung führt die Regelung der Steuerspannung zu einer Linearisierung einer Auslenkung des Aktuators.

Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines piezoelektrischen Aktuators mit einem Leistungsverstärker.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbildes eines Leistungsverstärkers gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 zeigt zwei Luftfahrzeuge gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbildes eines piezoelektrischen Aktuators 201. Der Aktuator 201 wird über die Zuleitung 101 mit einer Steuerspannung U _st versorgt. Die Steuerspannung wird an einem vorgeschalteten Leistungsverstärker 203 angelegt, der über die Leitung 102 mit dem Aktuator 201 verbunden ist. Beim Anlegen der Steuerspannung U _st wird der Aktuator 201 entsprechend ausgelenkt. Diese Auslenkung ist durch den Pfeil 215 symbolisiert.

Wird das Vorzeichen der Steuerspannung U _st umgekehrt, erfolgt die Auslenkung in entgegengesetzter Richtung. Aufgrund eines Hystereseeffekts kehrt der Aktuator 201, bei dem es sich z.B. um einen piezoelektrischen Aktuator handelt, bei Herunterfahren der Steuerspannung auf Null Volt nicht in die Ausgangsposition (sog.

nicht ausgelenkter Zustand) zurück. Möchte man den nicht ausgelenkten Zustand erreichen, muss zuerst eine entsprechende Gegenspannung angelegt werden.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Linearisierungseinrichtung 200 gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung, welche an einen Hauptaktuator 201 angeschlossen ist. Die Linearisierungseinrichtung 200 weist einen Regler 203, einen Verstärker 204, einen Referenz- Aktuator 202 sowie eine Messeinrichtung 206 auf.

An die Linearisierungseinrichtung 200 (welche nicht nur zur Linearisierung sondern ganz allgemein zur Erzeugung eines vorbestimmten Zusammenhangs zwischen der Steuerspannung U _st und der Auslenkung des Referenz- Aktuators 202 bzw. des Hauptaktuators 201 vorgesehen ist) wird eine Steuerspannung U _st über die Leitung 217 an den Kontakt 213 angelegt.

An den Kontakt 213 ist der Regler 203 angeschlossen, welcher über die Leitung 209 an den Verstärker 204 des Referenz- Aktuators 202 angeschlossen ist. Der Verstärker 204 und der Referenz- Aktuator 202 sind über die Leitung 210 miteinander verbunden. Durch Veränderung der Steuerspannung U _st wird der Referenz- Aktuator (beispielsweise ein piezoelektrischer Referenz- Aktuator) 202 ausgelenkt, wie durch den Pfeil 216 symbolisiert.

über die Leitung 211 ist der Referenz- Aktuator 202 an die Messeinrichtung 206 angeschlossen, welche zur Detektion der Auslenkung des Referenz- Aktuators 202 ausgeführt ist. Die Messeinrichtung 206 wiederum ist über die Leitung 212 an den Kontakt 213 angeschlossen, um den Regler 203 mit den entsprechenden Messwerten zu versorgen. Auf Basis der Messwerte regelt der Regler 203 die Spannung derart, dass der gewünschte Zusammenhang zwischen der Steuerspannung U _st und der Auslenkung des Referenz- Aktuators 202 erreicht wird.

Bei der Messeinrichtung 206 kann es sich auch um eine berührungslose Messeinrichtung handeln, welche nicht über die Leitung 211 mit dem Referenz- Aktuator 202 verbunden ist. Beispielsweise kann es sich um eine optische Messeinrichtung handeln, welche die Auslenkung des Referenz- Aktuators beispielsweise über eine Laserabtastung detektiert. Auch kann auf dem Referenz- Aktuator eine Art Maßstab angebracht sein, welcher bei Auslenkung des Referenz- Aktuators 202 gegenüber einem stationären Maßstab verschoben wird. Die relative Verschiebung der beiden Maßstäbe zueinander kann ebenfalls optisch detektiert werden, so dass auf die Auslenkung des Referenz- Aktuators 202 rückgeschlossen werden kann. Auch kann die Auslenkung des Referenz- Aktuators über Schleifkontakte in Verbindung mit einem veränderbaren Widerstand erfolgen. Alternativ kann die Messung der Auslenkung auch über die Veränderung einer Kapazität erfolgen.

Ein entsprechender Messwert wird, ggf. nach einer Aufbereitung oder Analyse, an den Regler 203 übermittelt. Die Aufbereitung oder Analyse des Messwerts kann auch im Regler 203 erfolgen.

Zwischen dem Regler 203 und dem Verstärker 204 ist ein Anschluss 207 vorgesehen, an dem die Steuerspannung U _st ' für den Leistungsverstärker 205 bzw. den Hauptaktuator 201 abgegriffen wird. Der Leistungsverstärker 205 und der Aktuator 201 sind über die Leitung 214 miteinander verbunden.

Der Referenz- Aktuator 202 und der Hauptaktuator 201 weisen ein analoges

Hystereseverhalten auf. Der Referenz- Aktuator wird in der Regelschleife betrieben. Durch die entsprechende Auslegung des Reglers 203 (hohe Schleifenverstärkung) wird erreicht, dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Ansteuerspannung

Ust und dem Weg des Referenz- Aktuators (siehe Pfeil 216) ergibt. Damit ist die Stellspannung U _st ' dieselbe Spannung, die auch den Hauptaktuator 201 linearisiert.

Die für die Linearisierung erforderliche hohe Schleifenverstärkung kann im Referenz-Zweig mit niedriger elektrischer Leistung realisiert werden.

Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Schritt 301 wird eine Steuerspannung U _st an eine Linearisierungseinrichtung angelegt. Daraufhin wird der Zusammenhang zwischen der an die Linearisierungseinrichtung angelegten Steuerspannung und einer

Auslenkung des Referenz- Aktuators aus einem nicht ausgelenkten Zustand gemessen (Schritt 302). In Schritt 303 wird dann die Steuerspannung auf Basis der gemessenen Auslenkung geregelt, so dass der Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Auslenkung einem vorbestimmten Zusammenhang folgt, beispielsweise einem linearen Zusammenhang. In Schritt 304 wird dann die eingeregelte Steuerspannung zur Steuerung des zu linearisierenden Aktuators verwendet.

Fig. 4 zeigt schematische Ausführungsbeispiele von Luftfahrzeugen gemäß der Erfindung. In dem ersten Luftfahrzeug 401, bei dem es sich um ein Flugzeug handelt, sind die Linearisierungseinrichtungen 200 im Flügel 403, im Rumpf 404 und im Leitwerk 405 untergebracht. Die zu linearisierenden Aktuatoren werden beispielsweise zur Dämpfung von Schwingungen oder Vibrationen oder zur Veränderung einer Materialverformung eingesetzt.

Bei dem Luftfahrzeug 402 handelt es sich um einen Helikopter, bei dem in den Rotorblättern 406 Linearisierungseinrichtungen 200 untergebracht sind, um beispielsweise Klappen im Rotor zu steuern.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend" und „aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.