Nanoantriebe

Digital-Controller für piezobasierte Nanopositioniersysteme

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Alle Freiheitsgrade gleichzeitig überwachen

Dabei ist es für eine optimale Genauigkeit wünschenswert, dass eine geeignete Sensorik direkt und berührungslos die Lage der bewegten Plattform gegenüber einer Basis misst (Direktmetrologie). Die Sensorik kann bei parallelkinematischen Systemen alle geregelten Freiheitsgrade gleichzeitig überwachen (Parallelmetrologie) und der Controller kann Führungsfehler in Echtzeit kompensieren. Das Resultat sind deutlich bessere Bahntreue, Wiederholbarkeit und Ablaufebenheit. Die höchste Genauigkeit lässt sich derzeit meist mit kapazitiven Sensoren erreichen.

Die Abstimmung ist wichtig

Bei allen Vorteilen der digitalen Technik sollte man allerdings bedenken, dass man dabei immer Rechenzeiten in Kauf nehmen muss. Analogtechnik liefert Ergebnisse mit einem festen und einfach messbaren Zeitversatz, der sich durch die begrenzte Bandbreite ergibt. Zu diesem addieren sich bei der Digitaltechnik Zeiten für die Analog-Digitalwandlung, eventuelle digitale Schnittstellen und die Abtastung selbst. Zwar besitzen moderne, auf piezobasierte Nanopositioniersysteme ausgelegte Digital-Controller dank schneller Prozessoren Regelzyklen von 25 kHz und mehr, sodass sie in puncto „Echtzeitfähigkeit“ analogen Lösungen häufig kaum nachstehen. In der Praxis ist es jedoch wichtig, das digitale Konzept gut zu durchdenken und alle Komponenten aufeinander abzustimmen.

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Möglichst kurze Latenzzeit

Die wichtigsten Kriterien sind Auflösung und Geschwindigkeit. PI setzt deshalb in den leistungsfähigsten Controllern für mehrachsige, hochauflösende Positioniersysteme Datenwandler mit mindestens 20 Bit Auflösung und möglichst kurzer Latenzzeit ein. Dadurch werden analoge Signale in über 1 Million Datenpunkte aufgelöst. Die Bitbreite ist dabei nicht alleine entscheidend, vor allem müssen Sensoraufbereitung, Verstärker und Stromversorgung ausreichend rauscharm sein. Bei den analogen Eingangssignalen lässt sich oftmals durch Algorithmen in der Signalverarbeitung noch eine entscheidende Verbesserung erzielen, wenn keine ausgeprägten Störungen im relevanten Frequenzband vorliegen. Der hochgradig sensitive Piezoaktor jedoch würde jede noch so kleine Rauschspannung direkt in eine Bewegung umsetzen. Bei der häufig genutzten Ansteuerung von etwa 100 V werden in der Praxis Rauschwerte herunter bis zu 0,1 Millivolt erreicht.

Daten schnell und gleichmäßig verarbeiten

Die eingehenden Datenmengen müssen zudem schnell und vor allem gleichmäßig verarbeitet werden, um den klassischen analogen Controllern im Punkt „Echtzeit“ nicht wesentlich nachzustehen. Hierzu sind schnelle Prozessoren erforderlich: je nach Aufgabenstellung des Controllers moderne DSPs oder leistungsfähige PC-Lösungen. Ein Zyklus wird so zum Beispiel in 20 µs abgearbeitet; das entspricht einer Regelrate von 50 kHz. Entsprechend müssen natürlich dann auch aktualisierte Sensordaten und Steuersignale bereitgestellt werden.

Dipl.-Ing. (FH) Bernhard Geyer, Leiter Elektronikentwicklung bei Physik Instrumente (PI), Karlsruhe, Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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