Forschungsprojekt

Schaltverstärker: Schnelle Piezoansteuerung mit Energierückgewinnung

Zielbranchen

Fahrzeug- und Verkehrstechnologien, auch: Antriebstechnik, Maschinenbau

Problemstellung

Der Arbeitsbereich im Maschinen- und Fahrzeugbau umfasst Stellwege bis 200 µm und Stellkräfte bis zu 100 kN für den Einzelaktor bei Hochlastausführungen. Durch zusätzliche Wegübersetzer kann die Stellkraft in Stellweg getauscht werden. Die spezifischen Einsatzbedingungen erfordern eine angepasste Auslegung einschließlich der elektrischen Ansteuerung. Im Schaltbetrieb arbeitende handelsübliche Ansteuergeräte ermöglichen beim Entladevorgang die teilweise Rückgewinnung der dem Aktor vorher zugeführten Energie, sind aber meist universell ausgelegt und stellen damit auch einen erheblichen Kostenfaktor dar. Daraus resultiert der Bedarf an preisgünstigen, vor Ort integrierbaren Ansteuermodulen.

Ein wesentlicher Kostenbestandteil der Ansteuertechnik ist die Leistungsstufe zum kontinuierlichen oder geschalteten Laden beziehungsweise Entladen des Piezoaktors, der in grober Näherung eine elektrische Kapazität darstellt. Die Stellweg- oder Stellkraftauflösung ist direkt von der Auflösbarkeit der elektrischen Ansteuerspannung oder der elektrischen Ladungsmenge abhängig. Eine hohe Stelldynamik kann nur durch stromintensives Laden und Entladen erreicht werden.

Lösung

Die am Fraunhofer IWU entwickelte Lösung für eine im Schaltbetrieb arbeitende Leistungsendstufe und deren Ansteuerlogik ist durch die softwareunterstützte Optimierung wesentlicher elektrischer Schaltungsparameter so auf den verwendeten Piezoaktor abstimmbar, dass mit vertretbarem elektronischen Aufwand eine sehr hohe Stelldynamik bei hohem Wirkungsgrad erzielt wird. Der Endstufenausgang ist spannungsgeführt. Es können Piezoaktoren in Hoch- als auch in Niedervoltausführung angesteuert werden. Im Niedervoltbereich sind Aktor-Arrays zur Erzeugung von Stellkräften größer 100 kN mit bis zu 1000 µF Gesamtkapazität betreibbar. Ein Prototyp für den Niedervoltbereich wurde in Zusammenarbeit mit der DIGALOG GmbH Berlin realisiert.

© Fraunhofer IWU