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Hochdynamische Regelung von Ultraschallwandlern

Hochdynamische Regelung von Ultraschallwandlern

Leitung:  Dr.-Ing. Jens Twiefel
E-Mail:  twiefel@ids.uni-hannover.de
Jahr:  2019

Beim ultraschallunterstützten Drehen ändern sich die Prozessgrößen mit einer relativ hohen Dynamik. In diesem Fall ist es unerlässlich, eine ausreichend schnelle Regelung zu implementieren. Bei fremderregten Systemen werden Ultraschallwandler oft mit Hilfe einer überlagerten Phasen- und Amplitudenregelung betrieben. Hierbei gewährleistet die Phasenregelung den Resonanzbetrieb und die Amplitudenregelung eine konstante Schwingungsamplitude. Aufgrund der hohen Resonanzfrequenzen der Ultraschallwandler, im Bereich von 20 bis 100kHz, muss eine ausreichend schnelle und dennoch exakte Phasen- und Amplitudenbestimmung erfolgen. Die hochdynamische Regelung benötigt eine schnelle Datenerfassung und -verarbeitung, die innerhalb einer Schwingungsperiode die erfassten Daten dem Regelalgorithmus zur Verfügung stellen kann.

Das Ultraschallwerkzeug in Abbildung 30 basiert auf einem piezoelektrischen Transducer, der mit einer Wechselspannung bei einer Frequenz von 20kHz betrieben wird. Das Design des Werkzeugs erfolgte nach schwingungstechnischen Gesichtspunkten mit dem Ziel einer möglichst großen Schwingungsamplitude in Schnittrichtung. Das Ultraschallwerkzeug besitzt zwei Schwingungsknoten. Die Lagerung liegt in einem der Schwingungsknoten, um möglichst wenig Schwingungsenergie in die Lagerstelle zu übertragen.

Die in Abbildung 31 gezeigte Hardware benutzt die phasenempfindliche Demodulation, um die Klemmgrößen am Ultraschallwerkzeug auszuwerten. Die innerhalb einer Schwingungsperiode ermittelte Phase und Amplitude werden dem Regler zur Verfügung gestellt. Die Plattform basiert auf einem mit 300 MHz getakteten Mikrocontroller, dem AD-Converter mit einer Abtastfrequenz von 2 MHz, der die Strom- und Spannungswerte liefert. Mit dieser Hardware können Reglertaktungen von bis zu 10kHz realisiert werden.

Die verwendete Plattform basiert auf der DPC 500/100k und besteht aus AD-Wandlern, Mikrocontroller sowie DA-Wandlern und eignet sich für eine Vielzahl an Einsatzgebieten, die im Bereich von Regelung, Datenauswertung sowie Ansteuerung verschiedenster Verstärkertypen liegen. Diese Hardware ergänzt die DPC 500/100k für hochdynamische Systeme.