Nanoantriebe Digital-Controller für piezobasierte Nanopositioniersysteme

Piezoaktoren arbeiten keineswegs linear. Dies widerspricht zwar den hohen Genauigkeitsanforderungen an Positioniersysteme, aber eine ausgeklügelte Ansteuerung oder Regelung kompensiert den Effekt mit dem Ergebnis: Höchste Präzision dank Digital-Controller.

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Wenn piezobasierte Nanopositioniersysteme hochgenau arbeiten müssen, dann sollten zwei Komponenten perfekt zusammenspielen: mechanische und elektronische. Denn aufgrund ihrer Funktionsweise arbeiten Piezoaktoren mit geringem Hub, typischerweise lediglich zwischen 10 und einigen 100 µm. Die Bewegung oder Auslenkung der Piezokeramik beim Anlegen einer Spannung ist nicht geradlinig, und der Zusammenhang zwischen Spannungsanstieg und Positionsänderung ist nicht linear. Das ist zwar keineswegs bei allen Anwendungen störend, die sich die hohe Dynamik und den kompakten Bauraum der Piezokeramik zunutze machen, jedoch ganz sicher im Bereich der Präzisionspositionierung, wo Nanometergenauigkeit gefordert ist.

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Kompensation prinzipbedingter Eigenschaften

Will man Piezos für die Nanopositionierung nutzen, muss man also diese drei Probleme lösen. Die beiden ersten, nicht geradlinige Bewegung und geringer Hub, bekommt man mit Hilfe mechanischer Führungssysteme in den Griff. Durch kombinierte Führungs- und Hebelmechanismen, zum Beispiel über reibungsfreie Festkörpergelenke, lässt sich die Auslenkung geraderichten und vervielfachen. Spannt man diese Führungssysteme vor, lässt sich gleichzeitig die Dynamik steigern. Bleibt die nichtlineare Auslenkungskennlinie: Sie erfordert eine Positionsregelung.

Eine entsprechende Regelelektronik kann also die nichtlinearen Eigenschaften wie Hysterese und Drifteffekte durch den Vergleich der Führungsgröße (Sollposition) mit der von einem Sensor ermittelten Messgröße (Istposition) ausregeln. Nun bestimmt nicht länger der Aktor, sondern der wesentlich linearere Sensor die Genauigkeit des Systems. Prinzipiell hat der Anwender schließlich die Wahl zwischen analoger und digitaler Regelungstechnik, wobei die jeweiligen Applikationsanforderungen bestimmen, was technisch und ökonomisch sinnvoll ist. Kommt es beispielsweise „nur“ auf Positionsstabilität an, hat Digitaltechnik kaum Vorteile, da die Positionsstabilität hauptsächlich von der Qualität des analogen Sensorsignals bestimmt wird.

Analogtechnik oder Digitaltechnik

Digitale Controller haben immer dann die Nase vorn, wenn höchste Linearität gefordert ist. Denn ihre „Intelligenz“ kann auf alle Bewegungsparameter durch Rechenalgorithmen gezielt Einfluss nehmen und nahezu beliebige Korrekturmodelle lassen sich hinterlegen. Analoger Technik sind hier gleich in mehrerlei Hinsicht Grenzen gesetzt: Das liegt zum einen an den verfügbaren Bauteilen, zum anderen aber auch daran, dass heute nur noch wenige Entwickler in der Lage sind, Analogtechnik bis aufs Letzte auszureizen, ganz abgesehen davon, ob ein solcher Aufwand überhaupt noch vertretbar wäre. Die Komplexität würde recht schnell die einer digitalen Lösung übersteigen, der Entwicklungsaufwand wäre sehr hoch, und insbesondere bei den kleinen Bewegungen würde die Beobachtung des Verhaltens und der Funktionsnachweis schwierig bis unmöglich.

Genauigkeit unter einem Nanometer

Während sich durch analoge Rechenschaltungen Linearitätsabweichungen der Sensoren bis zur 2. Ordnung (quadratische Fehler) auch praktisch noch abgleichen lassen, sind mit Digitaltechnik ohne Weiteres Berechnungen mit Polynomen bis zur 5. Ordnung realisierbar. Die ursprüngliche Nichtlinearität des Piezoaktors lässt sich mit Hilfe der Positionsregelung in der statischen Anwendung um einen Faktor 1000 und mehr auf Werte unter 0,001 % reduzieren, was bei einem Stellweg von 100 µm einer Genauigkeit unter einem Nanometer entspricht.

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