Tobias DreherPiezoelektrische Antriebstechnologie für Kleinventile: Gesamtkonzept, Ansteuerelektroniken und inhärente Sensorfunktionen | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ISBN: | 978-3-8440-3835-4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Series: | Fluidmechatronische Systeme Herausgeber: Dresdner Verein zur Förderung der Fluidtechnik e.V. Dresden | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Keywords: | Piezoaktor; Kleinventil; Elektronik; Smart Actuator; inhärente Sensorfunktionen; Ladungsregelung | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Type of publication: | Thesis | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Language: | German | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pages: | 160 pages | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Figures: | 87 figures | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Weight: | 236 g | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Format: | 21 x 14,8 cm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Binding: | Paperback | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Price: | 48,80 € / 61,00 SFr | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Published: | August 2015 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Abstract: | Piezoaktoren besitzen ein große Leistungsdichte, hohe Steifigkeit sowie gute Energieeffizienz und bieten deshalb ein großes Potenzial für einen Antrieb von Mikround Miniaturventilen. Piezostapelaktoren besitzen aber auch ein nichtlineares Auslenkungsverhalten, nur wenige Mikrometer Auslenkung und eine relativ hohe Ansteuerspannung. Bisher sind daher am Markt nur piezoelektrische Ventile für Nischenanwendungen verfügbar. Der vorgestellte Entwurfsprozess fasst ein piezoelektrisches Kleinventil als fluidmechatronisches Gesamtsystem auf und ermöglicht es so, die aktorspezifischen Herausforderungen zu lösen und eine piezoelektrische Antriebstechnologie für Proportionalventile zu entwickeln. Das erarbeitete Ventilkonzept gliedert sich in die Teilmodule Ansteuerelektronik, Antriebssystem mit einem Piezostapel, Hebelsystem und Fluidstufe.
Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung einer piezoelektrischen Antriebstechnologie für Kleinventile. Der vorgestellte Entwurfsprozess fasst das Kleinventil als fluidmechatronisches Gesamtsystem auf und ermöglicht es so, die aktorspezifischen Herausforderungen zu lösen. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Entwicklung einer mit einer spezifischen Ansteuerelektronik für proportionale Anwendungen. Sie besitzt ein mehrstufiges Grundkonzept und zeichnet sich durch geringen Bauteilaufwand, kompakte Maße und eine sehr niedrige Leistungsaufnahme aus. Für die Ansteuerung eines Schaltventils wurde eine vereinfachte Elektronik entwickelt. Mit ihr kann der Benutzer den piezoelektrischen Antrieb wie einen herkömmlichen Schaltmagneten durch Anlegen einer niedrigen Versorgungsspannung ansteuern. Weiterhin wurden zwei Regelungsmethoden zum linearen Auslenken des Piezoaktors entwickelt und implementiert. Zum einen ist dies eine Ladungsregelung mit einer passiven Kompensation für die elektrische Drift und das mechanische Kriechen. Zum anderen wurde ein hybrides Regelungskonzept aus einer Ladungssteuerung und Spannungsregelung entworfen. Diese Methode verlagert die Funktionalität der Ladungsbestimmung in die Software des Mikrocontrollers und benötigt daher einen geringeren Schaltungsaufwand. Die entwickelte Ansteuerelektronik ermöglicht es, die inhärenten Sensorfunktionen des Piezoaktors in einem Ventil zu nutzen. Es wird die Rekonstruktion der am Aktor wirkenden Kräfte und der aktuellen Aktortemperatur demonstriert. Mit der gemessenen Aktortemperatur ist der Einsatzbereich durch den Ausgleich der Temperatureinflüsse erweiterbar. Durch die rekonstruierte Kraft werden Zusatzinformationen über Ventil und Antrieb gewonnen, die zur Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit dienen können. |