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Modellierung und Regelung von dielektrischen Mehrschicht-Elastomerwandlern

Hoffstadt, Thorben

Advances in Mechatronic Systems

Electromechanical transducers based on dielectric elastomers (DE) can be operated as actuators, generators and sensors. Compared to classic electromagnetic actuators the intrinsic material properties offer significant advantageous e.g. concerning the energy efficiency and density enabling amongst others miniaturization potentials. Researching intelligent supply and control concepts, for example for a combined actuator-sensor-operation, allow to exploit the full potential of these novel transducers with the corresponding benefits compared to conventional transducer systems. For this purpose, within this thesis novel estimator and control concepts based on a holistic transducer model including the driving power electronics and the DE transducer are carried out that enable a combined actuator-sensor-operation in closed loop. In particular, multilayer DE stack-transducers are considered here. They represent a transducer class with high force density as they almost completely consist of active material. Their capacitive behavior requires a particular driving electronics to supply the transducers with high electric field strengths resulting in voltages in the lower kilovolt range. Here, a bidirectional flyback converter is used for this purpose enabling a high energy efficiency due to the bidirectional energy flow. At first, model based control concepts for the closed loop current and voltage control are designed and validated. The superimposed, application specific control of the DE transducer uses this inner control as interface. In order to reduce the measurement instrumentation and effort, control quantities are estimated with a model so that no current measurement is necessary for the closed loop operation of the converter. Afterwards, an analytical DE transducer model is derived, parameterized and experimentally validated. The model is based on a power balance to combine the mechanical dynamics of the elastomer material with the electrical dynamics of the overall transducer. On the one hand, the model is used for the design of the final control concepts. On the other hand, state and disturbance estimators are developed based on this model and an extended Kalman filter. These estimators are required for the operation of the DE transducer in closed loop. Beside a sensor based estimator, that uses the measured terminal voltage and the transducer deformation, also a self-sensing estimator for the combined actuator-sensor-operation is derived, that estimates the mechanical transducer state using the measured terminal voltage and current. In contrast to existing approaches, here no superimposed excitation is required. Finally, a position as well as a universal energy control are designed. The latter allows to control the force, deformation or voltage of the DE transducer. Due to the utilized switched mode power supply the sliding mode control approach is carried out, as it is well suited for the particular properties of the control plant. Novel optimizations and adaptations enable highly dynamic sensor based and self-sensing closed loop operation with a maximum bandwidth of up to 300 Hz, as well as high accuracy during steady state and significantly reduced switching frequencies.
Elektromechanische Wandler auf Basis Dielektrischer Elastomere (DE) lassen sich als Aktoren, Generatoren und Sensoren vielfältig einsetzen. Die intrinsischen Materialeigenschaften bieten deutliche Vorteile gegenüber konventionellen elektromagnetischen Wandlern, u.a. hinsichtlich der Energieeffizienz und -dichte sowie der damit verbundenen Miniaturisierungsmöglichkeit. Durch die Erforschung intelligenter Ansteuerungs- und Regelungsverfahren, z.B. für einen kombinierten Aktor-Sensor-Betrieb, können das Potential der neuartigen Wandler und die damit verbundenen Vorteile weiter ausgeschöpft werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden durch ganzheitliche Betrachtung des Gesamtsystems aus Ansteuerelektronik und DE-Wandler neue, modellbasierte Schätzer und Regelungen entwickelt, die den Aktor-Sensor-Betrieb im geschlossenen Regelkreis ermöglichen. Mit den DE-Stapelwandlern werden nachfolgend mehrschichtige Wandler herangezogen, die sich gegenüber anderen Ausführungsformen durch hohe Kraftdichten auszeichnen. Aufgrund des kapazitiven Verhaltens der DE-Wandler wird zu deren Ansteuerung ein auf das elektrische Verhalten abgestimmter, bidirektionaler Sperrwandler eingesetzt. Dieser ist in der Lage, die hohen erforderlichen Feldstärken und die damit verbundenen Spannungen im unteren Kilovoltbereich energieeffizient im bidirektionalen Betrieb bereitzustellen. Zunächst werden modellbasierte Regelungskonzepte für die Strom- und Spannungsregelung des Sperrwandlers entworfen und validiert, die von den anwendungsspezifischen Regelungen des DE-Wandlers als Schnittstelle verwendet werden. Ein Fokus der modellbasierten Regelung liegt dabei auf der Reduzierung der erforderlichen Messtechnik, indem benötigte (Regel-) Größen mit dem Modell geschätzt werden, sodass auf die Strommessung für den geregelten Betrieb des Sperrwandlers verzichtet werden kann. Anschließend wird ein valides Modell des DE-Wandlers hergeleitet und parametriert, welches auf der Betrachtung einer Leistungsbilanz beruht, um das dynamische, mechanische Verhalten des Elastomers mit dem elektrischen Verhalten des DE-Wandlers vorteilhaft zu koppeln. Dieses Modell bildet einerseits die Grundlage für den Entwurf der Regelungskonzepte. Andererseits werden die für den Betrieb der Regelungen erforderlichen Zustands- und Störgrößen ebenfalls mithilfe modellbasierter Schätzer auf Basis eines erweiterten Kalman-Filters bestimmt. Neben einer sensorbasierten Ausführung des Schätzers, dem die Klemmenspannung und die Verformung des DE-Wandlers als Messgrößen zur Verfügung stehen, wird auch ein selbstsensierender Schätzer für den kombinierten Aktor-Sensor-Betrieb entwickelt, der aus den gemessenen elektrischen Klemmengrößen das mechanische Wandlerverhalten schätzt. Im Gegensatz zu existierenden Verfahren erfordert dieser Ansatz keine überlagerte Spannungsanregung für die Schätzung. Abschließend werden eine Positions- sowie eine universale Energieregelung entworfen, mit der die Aktorkraft, Verformung oder Spannung durch eine Vorsteuerung geregelt werden kann. Aufgrund des schaltenden Verhaltens des Sperrwandlers werden Gleitzustandsregelungen ausgelegt. Diese stellen ein für die spezifische Strecke prädestiniertes Entwurfsverfahren dar. Neue Optimierungen und Arbeitspunktadaptierungen erlauben hoch dynamische sensorbasierte und selbstsensierende Regelungsvorgänge mit Bandbreiten von bis zu 300 Hz bei hoher stationärer Regelgüte und deutlich reduzierter Schalthäufigkeit.
Published by Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3182-2 EISSN 2702-1203
  • Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3181-5 (ISSN 2702-119X)