Digital-Controller für piezobasierte Nanopositioniersysteme

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Digitale dynamische Linearisierung und Advanced Piezo Control

Häufig werden piezobasierte Systeme für dynamische Bewegungen und Scans eingesetzt. Bedingt durch die Bandbreitenbegrenzung und Phasenabweichung jedes Regelkreises macht sich bei zunehmender Signalfrequenz die Nichtlinearität der Regelstrecke immer stärker bemerkbar. Die Folge ist, dass die Endposition mit klassischen Reglern zwar zuverlässig erreicht wird, der Weg dorthin von der gewünschten Bahnkurve jedoch abweicht. Eine Zuordnung von Zeit- und Positionsdaten während der Bewegung ist nicht einfach möglich.

Beispielhaft lassen sich mit digitaler Technik die Phasenverschiebung und Bahnfehler bei dynamisch-periodischen Anwendungen auf ein nicht wahrnehmbares Maß senken. Das ist gerade für Scanning-Anwendungen wichtig, bei denen es darum geht, eine bestimmte Position zu identifizieren und präzise wieder anzufahren, oder für Anwendungen, bei denen die Bahnkurve für Bearbeitungsschritte oder die Synchronisierung mit einem anderen Prozess eingehalten werden muss. Die digitale dynamische Linearisierung, die als Option für Digital-Controller angeboten wird, reduziert bei solchen periodischen Bahnprofilen Fehler zwischen Soll- und Ist-Position auf praktisch nicht mehr messbare Werte. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung in der dynamischen Linearität und effektiv nutzbaren Bandbreite um bis zu drei Größenordnungen. Profitieren kann man davon sowohl bei einachsigen als auch bei mehrachsigen Systemen.

Die Resonanzfrequenz aktiv eindampfen

Ein weiteres Beispiel für die Möglichkeiten, die Digital-Controller erschließen, ist das so genannte Advanced Piezo Control. Diesem Regelkonzept liegt ein Zustandsregler zugrunde, der auf einem mathematischen Modell des eingesetzten Piezosystems basiert. Das Verfahren dämpft die Resonanzfrequenz aktiv, im Gegensatz zu klassischen PID-Reglern mit Notchfilter, bei dem die mechanische Resonanz aus dem Anwendungsspektrum herausgeschnitten wird. Die Folge davon sind schnelle Einschwingzeiten, eine erheblich besseres Störverhalten und bessere Phasentreue. Letzteres hat unmittelbare Auswirkungen auf Bahntreue und Einschwingverhalten. Allerdings bietet das Verfahren nur dann Vorteile, wenn das mechanische System deutlich getrennte Eigenfrequenzen hat und die zu dämpfende Resonanzfrequenz eine bestimmte Höhe (etwa 1 kHz) nicht überschreitet.

Ein Controller für mehrere Achsen

Ein Bereich, in dem die Vorteile digitaler Controller ganz besonders zum Tragen kommen, sind mehrachsige Systeme (Bild 5). Die klassische Antriebstechnik ist seriell einkanalig aufgebaut: Für eine Bewegung in „n“ Dimensionen, werden „n“ Achsen gestapelt, wofür man dann auch „n“ Regler benötigt. Digital-Controller lassen sich nun relativ einfach für mehrere Achsen, also mehrkanalig auslegen. Prinzipiell braucht man dazu nur die Rechenleistung aufstocken. Um die notwendige Präzision zu erreichen, muss allerdings das komplette System gut zusammenarbeiten. Auf der mechanischen Seite bieten sich Parallelkinematiken an, bei denen die einzelnen Piezoaktoren auf eine gemeinsame Plattform wirken und bis zu sechs Bewegungsachsen ermöglichen, drei lineare und drei rotatorische. Dies bringt Vorteile hinsichtlich Baugröße und Genauigkeit im Raum gegenüber gestapelten Achsen.

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