piezosystemjena 24DV40 User manual

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Bedienungsanleitung
Digitaler Piezoverstärker
24DV40
instruction manual
digital piezo amplifier
24DV40
Bitte lesen Sie sorgfältig die Bedienungsanleitung vor dem Einschalten des Gerätes. Beachten Sie
bitte insbesondere die Sicherheitshinweise!
Please read carefully before switching on the power! Please see safety instructions for using
piezoelectric actuators and power supplies!

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Bedienungsanleitung Seite 3 ... 20
(deutsch)
instruction manual pages 21 ... 38
(english)
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Inhaltsverzeichnis
1Gegenstand.......................................................................................................................4
2Zertifizierung von piezosystem jena ...............................................................................4
3Konformitätserklärung.......................................................................................................4
4Lieferumfang .....................................................................................................................5
5Allgemeine Hinweise zu Piezo-Aktoren und Spannungsverstärkern...............................5
6Sicherheitshinweise ..........................................................................................................6
6.1 Installation, Stromanschluss.............................................................................................7
6.2 Betrieb...............................................................................................................................7
6.3 Pflege und Wartung ..........................................................................................................8
6.4 Umgebungsbedingungen..................................................................................................8
7Kurzanleitung, Funktionskontrolle ....................................................................................8
8Beschreibung des digitalen Piezoverstärkers 24DV40....................................................9
8.1 Allgemeines.......................................................................................................................9
8.2 Anschlüsse........................................................................................................................9
8.3 Funktion...........................................................................................................................10
8.4 Technische Daten...........................................................................................................13
8.5 Anschlussbelegungen.....................................................................................................14
8.6 Kommunikation ...............................................................................................................15
8.7 Befehlssatz......................................................................................................................16
8.8 Statusregister..................................................................................................................17
8.9 Fehlermeldungen............................................................................................................17
9Bedienung.......................................................................................................................18
10 Reglereinstellung ............................................................................................................18
11 Fehlersuche.....................................................................................................................19
12 Ihre Notizen.....................................................................................................................20

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4
Diese Bedienungsanleitung enthält wichtige Informationen für den Betrieb und
Umgang mit Piezoaktoren und Elektroniken. Bitte nehmen Sie sich die Zeit, diese
Informationen zu lesen. Piezopositioniersysteme sind mechanische System von
höchster Präzision. Durch den richtigen Umgang stellen Sie sicher, dass das
System die geforderte Präzision auch über lange Zeit einhält.
1 Gegenstand
Diese Anleitung beschreibt die digitalen Piezoverstärker der Serie 24DV40 von piezosystem jena.
Weiterhin finden Sie Sicherheitshinweise beim Umgang mit Piezoelementen.
Bei Problemen wenden Sie sich bitte an den Hersteller des Gerätes:
piezosystem jena, Stockholmer Str. 12, 07747 Jena. Tel: [phone]
2 Zertifizierung von piezosystem jena
Die Firma piezosystem jena GmbH arbeitet seit 1999 nach einem nach DIN EN ISO 9001
zertifizierten Qualitätsmanagementsystem, dessen Wirksamkeit durch regelmäßige Audits durch
den TÜV geprüft und nachgewiesen wird.
3 Konformitätserklärung
Die CE-Konformitätserklärung für dieses Gerät ist im Internet unter www.piezosystem.de
einsehbar.

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4 Lieferumfang
Bitte prüfen Sie nach Erhalt die Vollständigkeit der Lieferung, bestehend aus:
•Spannungsverstärker 24DV40
•Weitbereichsnetzteil 24VDC
•USB-Kabel
•Bedienungsanleitung
Eventuell benötigte Treiber und verfügbare Software finden Sie auf unserer Homepage.
5 Allgemeine Hinweise zu Piezo-Aktoren und Spannungsverstärkern
•Piezo-Aktoren von piezosystem jena werden mit Spannungen bis 130 V angesteuert.
Beachten Sie bitte die Sicherheitsvorschriften beim Umgang mit diesen Spannungen.
•Nach dem Transport von Piezo-Aktoren sollten sich diese vor dem Einschalten ca. 2h der
Raumtemperatur anpassen können.
•Piezo-Aktoren sind stoß- und schlagempfindlich (Bruchgefahr). Vermeiden Sie auch bei
eingebauten Piezo-Aktoren derartige Einwirkungen. Durch den piezoelektrischen Effekt
können bei Stoß- oder Schlageinwirkungen Spannungen erzeugt werden, die zu
Überschlägen führen können.
•Piezo-Aktoren sind mit hohen Druckkräften belastbar. Ohne Vorspannung dürfen sie nicht
auf Zug belastet werden. Beachten Sie, dass bei Stoßeinwirkungen (z.B. Herunterfallen) und
bei hochdynamischen Anwendungen Beschleunigungen des Keramikmaterials und somit
auch Zugkräfte auftreten. Piezo-Aktoren mit mechanischer Vorspannung können im Rahmen
der Vorspannung auf Zug belastet werden.
•Bei Ansteuerung der Aktoren mit einer Spannung im oberen Stellbereich kann bei
Abschaltung der Steuerspannung allein durch die noch erfolgende Bewegung der Keramik
eine beträchtliche elektrische Gegenspannung erzeugt werden, die zu Überschlägen führen
kann.
•Durch strukturbedingte Verlustprozesse innerhalb der Keramik kommt es zu einer
Erwärmung beim dynamischen Betrieb. Bei ungenügenden Kühlungsmaßnahmen kann es
zu Ausfällen kommen. Eine Erwärmung über der Curie-Temperatur (übliche Werte ca.
140°C –250°C) lässt den piezoelektrischen Effekt verschwinden.
•Piezo-Aktoren können elektrisch als Kondensatoren angesehen werden. Die
Entladungszeiten liegen im Bereich von Stunden bis Tagen. Deshalb können auch nach
Trennung der Piezo-Aktoren von der Spannungsversorgung hohe Spannungen anliegen.
Bleibt der Aktor mit der Elektronik verbunden, so wird er innerhalb einer Sekunde nach dem
Abschalten auf ungefährliche Spannungswerte entladen.
•Piezo-Aktoren können durch Erwärmung oder Abkühlung und der damit verbundenen
Längenänderung eine Spannung an den Anschlüssen erzeugen. Bedingt durch die
Eigenkapazität ist das Entladungspotential nicht zu vernachlässigen. Bei üblicher
Raumtemperatur ist dieser Effekt unbedeutend.
•Piezo-Aktoren von piezosystem jena sind justiert und verklebt. Ein Öffnen der
Stellelemente führt zu deren Verstellung. Eine Beschädigung des inneren Aufbaus ist dabei
nicht auszuschließen. Dieses kann zur Funktionsunfähigkeit führen. Geräte von
piezosystem jena dürfen deshalb nicht geöffnet werden. Ein Öffnen führt zum
Garantieverlust!
•Verwenden Sie nur mitgelieferte Kabel und Verlängerungen. So können Geräteausfälle
durch eventuell falsche Verbindungen verhindert werden.
•Bei Problemen wenden Sie sich bitte an piezosystem jena oder an den jeweiligen Händler.
Die für die jeweiligen Länder verantwortlichen Repräsentanten finden Sie auf unserer
Webseite http://www.piezosystem.de im Bereich „Unternehmen“

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Achtung! Trotz mechanischer Vorspannung können Stoßkräfte (z.B. Fallenlassen oder Anstoßen)
zu einer Beschädigung des eingebauten Keramikelementes führen. Bei Beschädigungen des
Piezo-Aktors aufgrund derartiger Einwirkungen können wir keine Garantie übernehmen. Bitte
gehen Sie deshalb sehr sorgfältig mit Ihrem Piezo-Aktor um.
6 Sicherheitshinweise
Symbole:
•GEFAHR! Dieses Symbol weist auf die Gefahr von Elektrounfällen hin. Damit
verbundene Warnhinweise sind unbedingt zu beachten.
ACHTUNG! Dieses Symbol weist auf zu beachtende Anweisungen in der
Bedienungsanleitung hin, die zusätzliche Hinweise zur Bedienung und Warnung
enthalten.
GEFAHR
•Öffnen Sie das Gerät in keinem Fall! Im Inneren des Gerätes befinden sich keine Teile, die
vom Benutzer selbst gewartet werden können. Das Öffnen oder Entfernen der Abdeckungen
könnte einen elektrischen Schlag verursachen oder zu anderen gefährlichen Situationen
führen. Reparaturarbeiten dürfen nur von qualifiziertem technischen Personal durchgeführt
werden.
•Vermeiden Sie das Eindringen von Flüssigkeiten in die Geräte! Diese können zu einem
elektrischen Schlag, Brand oder Fehlfunktionen des Gerätes führen.
ACHTUNG
•Achten Sie auf ausreichende Belüftung der Steuerelektronik. Lüftungsschlitze dürfen nicht
blockiert werden. Die Geräte sollten nicht in unmittelbarer Nähe von Wärmequellen (z.B.
Heizung, Ofen usw.) aufgestellt werden.
•Betreiben Sie die Geräte von piezosystem jena nur in sauberer und trockener Umgebung.
Nur dafür speziell vorgesehene Geräte und Piezoelemente dürfen unter abweichenden
Umgebungsbedingungen betrieben werden.
•piezosystem jena übernimmt keine Garantie bei Fehlfunktionen durch fremdes Zubehör.
Besonders geregelte Systeme sind nur in dem von piezosystem jena ausgelieferten
Zustand voll funktionstüchtig. Das Verwenden zusätzlicher Kabel oder abweichender
Stecker verändern die Kalibrierung und andere spezifizierte Daten. Dieses kann bis zur
Fehlfunktion der Geräte führen.
•Piezoelemente sind empfindliche Präzisionsgeräte von großem Wert. Bitte behandeln Sie
die Geräte dementsprechend. Achten Sie auf eine mechanisch saubere Befestigung der
Piezoelemente und nutzen ausschließlich die dafür vorgesehenen Befestigungsstellen!
Unter den nachfolgend aufgeführten Umständen müssen die Geräte sofort vom Netz getrennt
werden:
•beschädigte Kabel (z.B. Netzkabel)
•Flüssigkeiten sind in das Gerät gelangt
•das Gerät war Regen ausgesetzt oder ist mit Wasser in Berührung gekommen
•das Gerät funktioniert bei Bedienung entsprechend der Bedienungsanleitung nicht
ordnungsgemäß

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6.1 Installation, Stromanschluss
GEFAHR
•Greifen Sie niemals mit nassen Händen an den Netzstecker. Es besteht die Gefahr eines
elektrischen Schlages.
•Nicht in Räumen installieren, in denen leicht entzündliche Substanzen gelagert werden.
Kommen leicht entzündliche Substanzen mit elektrischen Bauteilen in Kontakt, besteht die
Gefahr von Feuer oder einem elektrischen Schlag.
•Nehmen Sie keine Veränderungen am Netzkabel vor. Stellen Sie keine schweren
Gegenstände auf das Netzkabel und verlegen Sie es so, dass es nicht übermäßig gespannt
oder geknickt ist. Das Netzkabel könnte sonst beschädigt werden, und es besteht die Gefahr
eines elektrischen Schlages bzw. Brandgefahr.
•Ziehen Sie niemals am Kabel, um den Netzstecker zu ziehen. Dadurch könnte das
Netzkabel beschädigt werden und es besteht die Gefahr eines elektrischen Schlages oder
Brandgefahr.
ACHTUNG
•Verwenden Sie nur das mitgelieferte Zubehör. Stecken Sie die Netzkabel ausschließlich in
Schutzleitersteckdosen.
•Stellen Sie das Gerät niemals an einem Platz auf, an dem das Netzkabel beschädigt oder
zur Stolperfalle werden kann. Stellen Sie niemals Geräte auf das Netzkabel.
•Stellen Sie das Gerät so auf, dass die Lüftungsschlitze nicht blockiert werden und eine
ausreichende Belüftung der Steuerelektronik gewährleistet wird.
•Stecken Sie den Netzstecker vollständig in die Schutzleitersteckdose, damit es sich nicht
versehentlich lösen kann.
•Halten Sie den Netzstecker immer frei zugänglich, damit er im Notfall gezogen werden kann.
•Stellen Sie das System so auf, dass der Schalter ohne Probleme betätigt werden kann.
•Der Netzstecker ist die Trennstelle vom Versorgungsnetz
6.2 Betrieb
Gefahr
•Öffnen Sie das Gerät in keinem Fall! Im Inneren des Gerätes befinden sich keine Teile, die
vom Benutzer selbst gewartet werden können. Das Öffnen oder Entfernen der Abdeckungen
könnte einen elektrischen Schlag verursachen oder zu anderen gefährlichen Situationen
führen. Reparaturarbeiten dürfen nur von qualifiziertem technischen Personal durchgeführt
werden.
•Achten Sie darauf, dass kein Wasser oder entflammbare Flüssigkeiten ins Innere des
Gerätes gelangen. Kommen elektrische Bauteile mit diesen Substanzen in Kontakt besteht
Feuergefahr und die Gefahr eines elektrischen Schlages.
ACHTUNG
•Falls Sie Rauchentwicklung, starke Hitze oder einen ungewöhnlichen Geruch am Gerät
feststellen, schalten Sie es bitte sofort aus und ziehen Sie den Netzstecker. Nehmen Sie mit
unseren technischen Service Kontakt auf.

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6.3 Pflege und Wartung
ACHTUNG
•Schalten Sie das Gerät immer aus und ziehen Sie den Stecker, bevor Sie das äußere
Gehäuse reinigen.
•Verwenden Sie zum Reinigen ein gut ausgewrungenes Tuch. Verwenden Sie niemals
Alkohol, Benzin, Verdünner oder andere leicht entflammbare Substanzen. Ansonsten
besteht Feuergefahr oder die Gefahr eines elektrischen Schlages.
6.4 Umgebungsbedingungen
Das Gerät ist unter folgenden Umgebungsbedingungen einsetzbar:
•Verwendung nur in Innenräumen
•bei einer Höhe bis zu 2000m
•Temperaturbereich: 5...35°C
•relative Luftfeuchte: 5...95% (nicht kondensierend)
Die empfohlenen Einsatzbedingungen sind:
•Verwendung nur in Innenräumen
•bei einer Höhe bis zu 2000m
•Temperaturbereich: 20...22°C
•relative Luftfeuchte: 5...80% (nicht kondensierend)
7 Kurzanleitung, Funktionskontrolle
Bitte überprüfen Sie die Lieferung auf Vollständigkeit (siehe Packliste) und auf Unversehrtheit
aller angegebenen Lieferpositionen. Es folgt eine Sichtprüfung von Aktor und Verstärker:
•Kopf- und Deckplatte des Aktors (wenn vorhanden) müssen parallel zueinander sein
•keine Kratzer auf Grund- und Deckplatte
•Bitte informieren Sie piezosystem jena sofort bei Beschädigungen des Systems.
•Bitte lassen Sie sich Transportschäden vom Lieferanten (Paketdienst o.ä.) bestätigen.
•Schließen Sie das Piezoelement an den 15 pol. D-Sub Stecker „PIEZO“ an.
•Verbinden Sie das Gerät über das USB Kabel mit einem PC
•Schließen Sie die Stromversorgung an (24VDC).
•Der PC installiert erforderliche Treiber in der Regel automatisch
•Die Leuchtdiode leuchtet nach erfolgter Initialisierung grün (Positionsregelung aus) bzw.
orange (Positionsregelung an)
•Sollten während der Funktionskontrolle Unstimmigkeiten auftreten, lesen Sie bitte den
Absatz Fehlersuche.

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8 Beschreibung des digitalen Piezoverstärkers 24DV40
8.1 Allgemeines
Der digitale Verstärker 24DV40 wurde zur Ansteuerung der D-Aktuatoren von piezosystem jena
konzipiert. Wahlweise können Aktoren mit und ohne integriertes Messsystem betrieben werden.
Aktoren mit integriertem Messsystem werden durch den digitalen PID-Regler frei von Drift und
Hysterese positioniert.
Der Verstärker wird ausschließlich über USB gesteuert und erreicht eine Auflösung von 16-bit. Von
piezosystem jena werden die Treiber für Windows® zur Verfügung gestellt.
Der integrierte Digitalregler ist als PID-Regler ausgelegt, zusätzlich stehen eine Anstiegs-
begrenzung (slew rate) und ein Tiefpassfilter 4. Ordnung zur Sollwertfilterung zur Verfügung.
Der digitale Piezoverstärker 24DV40 ermöglicht die getrennte Austauschbarkeit von Aktor und
Steuerelektronik. Alle relevanten Daten sind eigenständig auf einem ID-Chip im Aktor-Stecker
gespeichert und werden beim Einschalten an den Verstärker übergeben.
8.2 Anschlüsse
Anschluss
Piezo-Aktor
USB
Anschluss
Stromversorgungs-
Anschluss
(beide parallel
geschaltet)
LED
Anzeige

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8.3 Funktion
Im folgenden Blockschaltbild sind die Funktionsgruppen des Verstärkers dargestellt:
Abbildung 1: Funktionsgruppen des Verstärkers

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Im Betrieb werden zwei Modi unterschieden: der ungeregelte Betrieb und der geregelte Betrieb. Im
ungeregelten Betrieb (auch OL für Open Loop abgekürzt) wird der Piezoaktuator mit einer
Spannung zwischen -20 und +130V angesteuert. Die Auslenkung ergibt sich aus der Kennlinie des
Piezoelements. Sie unterliegt Drift und Hysterese. Im OL-Betrieb stehen die Filter Slew Rate und
Tiefpass (4. Ordnung) zur Verfügung. In der zweiten Betriebsart „geregelt“ (Cl für Closed Loop
abgekürzt) werden durch die Regelung auf den Positionswert oben genannte Effekte unterdrückt.
Die Funktionsblöcke für den CL-Betrieb werden nachfolgend erklärt: Der Sollwert für den
Digitalregler wird über USB (set-Kommando) vorgegeben und steht dem Regler als
Führungsgröße zur Verfügung. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann wahlweise durch eine
einstellbare „Slew Rate“ Begrenzung oder durch einen Tiefpassfilter 4. Ordnung auf das jeweilige
Gesamtsystem angepasst werden, d. h. Frequenzen, die das System in der Resonanz anregen
könnten, werden schon vor der eigentlichen Regelung unterdrückt.
Nun zum eigentlichen PID-Regler:
Der Regler errechnet die Regelabweichung (err) zwischen Sollwert und dem Positionswert des
Wegmesssystems.
err = set point –real position set point = Sollwert
real position = Positionswert des Messsystems
Der Proportional-Anteil (P-Term) verstärkt den Fehlerwert frequenzunabhängig und steuert damit
das Stellglied so lange, bis sich der Positionswert dem vorgegebenen Sollwert angleicht:
yp = kp * err kp = einstellbare Proportionalverstärkung
yp = Ausgangsspannung des P-Anteiles
Typisch für das Verhalten eines reinen P-Reglers ist, dass er Positionsänderungen nicht
vollständig ausregelt und somit eine bleibende Regelabweichung hinterlässt, die zur proportionalen
Steuerung des Stellgliedes gebraucht wird.
Durch Überlagerung eines Integral –Anteiles wird diese Regelabweichung beseitigt. Die
charakteristische Kenngröße des I-Anteiles ist die Nachstellzeit (ki). Das ist die Zeit, die der I-Anteil
bei einer sprunghaften Änderung der Regelabweichung benötigt, um das Stellglied in die
vorgegebene Position zu bringen. Die Eingabe großer Werte von ki ergeben kleine Nachstellzeiten
und damit kürzere Regelzeiten.
yi = yi + ki * err * Ts *2 Ts = 1 / Samplefrequenz (20kHz)
1/ki = Nachstellzeit
yi = Ausgangsspannung des I-Anteiles
2 = Faktor für Kompatibilität älterer Geräte
Um die Reaktionsgeschwindigkeit eines PI-Reglers zu erhöhen, kann ein D-Regler zugeschaltet
werden. Der Differential-Anteil (D-Term) erzeugt ein Signal, das der Änderungsgeschwindigkeit
des Fehlerwertes proportional ist, d. h. die Reaktionsstärke richtet sich nach der Geschwindigkeit
der Regelabweichung. In der Praxis wirkt sich der D-Anteil als Verminderung der höherfrequenten
Schwinganteile auf der Einschwingkurve aus.
yd = kd * 1/Ts * (err –err[n-1]) err[n-1] = Fehlerwert vorheriges Sample
kd*1/Ts =1/ Vorhaltezeit
kd = einstellbarer Faktor
yd = Ausgangsspannung des D-Anteiles
Beim Einsatz eines D-Anteiles besteht jedoch die Gefahr, dass kleine durch stochastische
Störungen (z.B. Rauschen) bedingte Änderungen der Regelabweichung eine zu starke Reaktion
der Stellgröße hervorrufen.

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Die Summe dieser drei Terme ergibt die Eigenschaften eines PID-Reglers. Das erzeugte Signal
wird als Stellgröße der Endstufe zugeführt, welche den Piezoaktor steuert.
y = yp + yi + yd y = Ausgangsspannung des PID-Reglers
Im ungeregelten Betrieb (Open Loop) wird der PID-Regler überbrückt, d.h. der Sollwert wird als
Stellgröße ausgegeben.
Die Reaktionen der Komponenten des Reglers sind in folgendem Diagramm dargestellt:
Abbildung 1: Übertragungsfunktion
Die spezifischen Kennwerte kp, ki, kd des Reglers, sowie verschiedenen Filterparameter sind im
ID-Chip des Aktors standardmäßig voreingestellt. Diese sind aber meist keine optimalen
Einstellungen, da sich mit dem kundenspezifischen Anbau und zusätzlich aufgebrachten Massen
die Charakteristik des Aktors ändert. Bei Bedarf können diese Parameter durch den Kunden
angepasst werden.

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8.4 Technische Daten
24DV40
Eingangsspannung:
24VDC
Betriebsspannungsbuchse:
Kleinspannungsbuchse mit 2,1mm Stift
Eingangsstrom:
max. 0,3A @ 24V,
Ruhestrom: 90mA
Leistungsaufnahme:
max. 7,2W
Ausgangsleistung:
6W (max. 12W für NanoX® Aktoren)
Ausgangsspannungen:
-20V ... +130V
Ausgangsstrom:
40mA (maximal)
(2x 40mA für NanoX® Aktoren)
Ausgangsspannungsrauschen:
0,7mVRMS @ 500Hz Bandbreite
Aktor- / Messsystemstecker
„PIEZO“:
15pol. D-Sub Stecker
Überlastungsschutz:
kurzschlussfest, Temperatursicherung
Anzeigen (LED):
grün / orange / rot
Schnittstelle:
USB
USB Anschluss
mini USB
Kühlung:
passiv
Masse (B x H x T):
124 x 105 x 35mm³
Gewicht:
0,35kg
Tabelle: Technische Daten

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8.5 Anschlussbelegungen
PIEZO: 15pol. D-Sub Stecker
Pin
Bezeichnung
Beschreibung
1, 2, 11
AGND
Analogmasse
3
+15V*
Betriebsspannung Messsystem +15V
4, 14
GND
Digitalmasse
5
SDA
I²C Bus SDA
6
3,3Veeprom*
Betriebsspannung ID-Chip
7
Vout2
Steuerspannung Aktor 2 +130 ... -20 V für NanoX®
8
Vout
Aktorsteuerspannung -20 ... +130 V
9
+MESS
Positionssignal -8 ... +8V
10
-15V*
Betriebsspannung Messsystem -15 V
12
SCL
I²C Bus SCL
13
DETECT
Aktordetektor
15
Piezomasse
Aktormasse
Tabelle: Pinbelegung
[*] nicht für externen Gebrauch
Über den 15pol. D-Sub Stecker wird der Aktor angeschlossen. Es gehen gleichzeitig die
Steuerspannung zum Piezo-Aktor, das vom integrierten Messsystem generierte Positionssignal
zum digitalen Regler und die im ID-Chip des Aktors gespeicherten spezifischen Kennwerte seriell
zum Steuerprozessor. Wichtig ist, dass die Verriegelungsschrauben der D-Sub Griffschale an der
Frontplatte angeschraubt sind. Sowohl die gefährlichen Spannungen als auch die übrigen
Versorgungsspannungen werden nur bei angestecktem Aktor (via D-Sub Stecker) freigeschalten.
Bei abgezogenem Steckverbinder werden die gefährlichen Spannungen durch ein
Sicherheitsrelais von der Quelle getrennt.

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8.6 Kommunikation
Die Kommunikation mit dem 24DV40 kann über den PC mit Hilfe eines beliebigen
Terminalprogramms (z.B. HTerm) hergestellt werden. Notwendig ist ein USB Verbindungskabel
zwischen PC und Verstärker. Die Eigenschaften der Verbindung sind wie folgt zu setzen: 115200
Baud, 8 bit, keine Parität, 1 Stoppbit, Flusssteuerung Software (XON/XOFF).
Abbildung 2: Terminal-Einstellungen am Beispiel des Programms „HTerm“
Ist das Gerät angeschaltet und verbunden, so antwortet es auf den Empfang eines CR-Zeichens
(Enter Taste) mit dem Prompt „PSJ>“.

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8.7 Befehlssatz
Befehle mit Werteingabe: <Befehl>,<Wert> Enter
Befehl
Beschreibung
Wertebereich
nach dem
Einschalten
automatisch
gesetzt
fenable
Aktorformatierung (Softstart)
nach dem Einschalten
aktivieren
0= Aktorformatierung deaktiviert
1= Aktorformatierung aktiv
x
sinit
Initialposition des Aktuators
nach dem Einschalten
0…100%
x
set
Wertevorgabe:
Aktorspannung (ol)
Dehnung (cl)
-20...130.000 [V] im open loop
Modus
0...xxx.xxx [μm] (Maximalhub des
Aktors siehe Datenblatt Aktor) im
closed loop Modus
-
cl
ungeregelt / geregelt
(open loop / closed loop)
0 = ungeregelt
1 = geregelt
x
sr
Anstiegsgeschwindigkeit
der Sollwertes (slew rate)
0.0000008...2000.0 [%/ms]
x
kp
Proportional Anteil (PID
Regler)
0...10000
x
ki
Integral Anteil (PID Regler)
0...10000
x
kd
Differential Anteil (PID Regler)
0...10000
x
Ipon
Tiefpassfilter für Sollwert ein- /
ausschalten
0 = ausgeschaltet
1 = eingeschaltet
x
Ipf
Tiefpass Grenzfrequenz (für
Sollwert)
1...10000 [Hz]
x
meas
Abfrage der aktuellen
Akorposition
V (Aktoren ohne Positionssensor) /
Aktoreinheit (Aktoren mit
Positionssensor)
-
stat
Abfrage des Gerätestatus
-
-
s
Abfrage der Kommandoliste
-
-
Tabelle: Befehle

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8.8 Statusregister
Das Statusregister ist ein 16bit Register, wobei die einzelnen Bits die verschiedenen Einstellungen
des Verstärkers bzw. Aktors beschreiben. Abgefragt wird dieses Register mit dem stat Befehl. Die
Summe der Bitwertigkeiten ergibt den Wert des Statusregisters:
Bit
Wertigkeit
Beschreibung
Dezimal
0
20
0 - Aktor nicht angesteckt
1 - Aktor angesteckt
0
1
2,1
22, 21
0, 0 –Aktor ohne Positionssensor
0, 1 –Dehnmessstreifen
1, 0 –kapazitives Messsystem
0
2
4
3
23
0 –ungeregelt - open loop
1 –geregelt - closed loop
0
8
4
24
0 –Tiefpassfilter aus
1 –Tiefpassfilter an
0
16
5
25
reserviert
0
6
26
reserviert
0
7
27
1 –Echtzeitverarbeitung an (ist immer an)
128
…
…
…
…
12
212
interner Speicherfehler
4096
13
213
I²C-Fehler (ID-chip, interner EEProm)
8192
14
214
underload*
16384
15
215
overload*
32768
Tabelle: Statusregister
* Definition zu overload und underload:
Kann ein Piezoaktor im geregelten Betrieb aufgrund von übermäßiger Belastung bzw. Defekt eine
gewünschte Dehnung nicht erreichen (aktuelle Position ist kleiner als die Gewünschte) entspricht
das einer Überlastung →„overload“ Kondition. Kann ein Aktor sich nicht auf einen kleineren Wert
zusammenziehen (aktuelle Position ist größer als die Gewünschte) so entspricht das der →
“underload“ Kondition.
8.9 Fehlermeldungen
Bei Fehleingaben durch den Benutzer gibt das Gerät eine Fehlermeldung der Form „error,x“ ab.
Die Fehlernummern x bedeuten:
1 Fehler nicht spezifiziert
2 Unbekanntes Kommando
3 fehlender Parameter
4 Parameter außerhalb des Wertebereiches
5 zu viele Parameter
6 Parameter gesperrt

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9 Bedienung
Der Aktor wird über den „PIEZO“-Stecker an den Verstärker angeschlossen. Um den Verstärker
digital über die USB Schnittstelle zu steuern, verbinden Sie bitte Ihren PC über das mitgelieferte
Kabel mit der USB Buchse des Verstärkers und starten Sie ein Terminalprogramm
(siehe Kommunikation).
Nach dem Einschalten führt der Verstärker ca. 3 Sekunden lang einen Selbsttest durch. Dies wird
durch rotes Leuchten der LED angezeigt. Während dieser Zeit übergibt der angeschlossene Aktor
seine im ID-Chip gespeicherten Kennwerte (Regler-Parameter) an den Controller. Ist kein Aktor
angeschlossen, bleibt die LED rot.
Nach dem Selbsttest bewegt sich der Aktor zur gespeicherten Initialposition (je nachdem ob das
System geregelt oder ungeregelt betrieben wird zu einer Spannung oder zu einer Position).
Allgemeines zum Verständnis der Betriebsarten ungeregelt: „open loop (CL)“ und geregelt „closed
loop (CL)“. Im ungeregelten Betrieb wird der Aktuator mit einer Spannung zwischen -20 V und 130
V betrieben. Die erreichte Dehnung (Pos.1 bis Pos.4) ist dem Kalibrierprotokoll des Aktuators zu
entnehmen. Sie ist nicht linear, hysteresebehaftet und u.a. abhängig von der Belastung des
Aktuators. Sie wird bei größerer Belastung geringer. Um definiert Positionen anfahren zu können,
werden geregelte Aktuatoren mit integriertem Messsystem benutzt. Diese erzeugen im geregelten
Betrieb eine geringere Dehnung, der verbleibende, nicht genutzte Teil wird als Regelreserve
bezeichnet und garantiert, dass auch unter einer (zulässigen) Belastung die geregelten
Endpositionen (Pos.2 bis Pos.3) erreicht werden können.
Kann innerhalb 0,5s nach einem Kommando die Sollposition nicht erreicht werden, so setzt das
Gerät das entsprechende Flag (underload oder overload) im Stausregister. Kann die gewünschte
Position erreicht werden bzw. wird eine neue Sollposition gesetzt, so werden eventuell gesetzte
overload- oder underload- Flags gelöscht und die Erkennung startet von neuem. Eine Abfrage der
Flags ist mit dem Auslesen des Statusworts möglich.
10 Reglereinstellung
Sobald ein Piezo-Aktor von piezosystem jena an den Verstärker 240DV40 angesteckt ist, werden
die Aktor-spezifischen Kennwerte aus dem ID-Chip des Aktors ausgelesen. Der Digitale Signal
Prozessor (DSP) des Verstärkers wird mit diesen Parametern automatisch eingestellt. Diese
Kennwerte wurden im piezosystem jena-Labor ermittelt und gewährleisten eine sichere Funktion
des Piezoelementes.
Für Piezo-Aktoren ohne integriertes Messsystem gibt es keine kp-, ki- und kd- Reglerwerte, da ein
geregelter Betrieb in dieser Konfiguration nicht möglich ist. Die „closed loop“ Funktion ist
automatisch ausgeschaltet.
Um die Reglereigenschaften eines Aktors auf die spezielle Applikation anzupassen, geht man von
Abbildung 3: ungeregelt / geregelt

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den voreingestellten Werten aus. Zuerst schaltet man den geregelten Betrieb mit dem Befehl cl,1
ein. Man verändert schrittweise immer einen Parameter und überprüft das Ergebnis. Hierzu ist
gegebenenfalls ein zusätzliches externes Meßsystem zu benutzen.
Prinzipiell ist ein Parameter in kleinen Schritten zu ändern und je nach Reaktion des Elementes die
Schrittweite zu erhöhen. Kommt es zum Aufschwingen, dann bitte sofort die Regelung ausschalten
(cl,0) und die Werteänderung rückgängig machen!
Niedrigdynamische Anwendungen benötigen ausschließlich einen I-Regler, dieser wird mit dem
Parameter ki eingestellt. P und D-Anteile können auf 0 gesetzt bleiben.
Zur Sollwertfilterung steht eine Anstiegsbegrenzung des Sollwertes (sr, slew rate) zur Verfügung.
Sie wird in der Einheit %/ms angegeben, d.h. ein Wert von 1 würde 1 %/ms bedeuten. Ein Sprung
über den gesamten Bewegungsbereich von 100 % würde demnach in eine linear ansteigende
Rampe von 100ms Dauer überführt werden.
Die vom Gerät maximal erreichte Anstiegsgeschwindigkeit ist abhängig vom Maximalstrom der
Endstufen und der Aktuatorkapazität. Diese kann, unabhängig vom eingestellten sr-Wert, nicht
überschritten werden.
Um hohe Frequenzanteile (im Bereich der Resonanzfrequenz und darüber) aus dem Sollwert zu
filtern, verfügt das System über einen Tiefpassfilter 4. Ordnung für den Sollwert. Dieser Filter ist
mit „lpon,0/1“aus- oder einzuschalten. Mit „lpf,wert“ kann die Grenzfrequenz in Hz eingestellt
werden.
11 Fehlersuche
Bei Nicht- oder Fehlfunktion des Gerätes trotz scheinbar intakter Anzeigen kontrollieren Sie bitte
die Kabel auf Beschädigung oder Kurzschlüsse. Starke Zugbelastungen an den Steckern können
zu Unterbrechungen führen.
Fehler
Mögliche Abhilfe
LED leuchtet rot
Überprüfen Sie die elektrische Verbindung zwischen Aktor und
Controller, schalten Sie die Betriebsspannung aus und wieder
ein.
Aktor schwingt bei „closed
loop”in Resonanzfrequenz
Reglereinstellungen überprüfen, ki reduzieren, kd reduzieren
über die Schnittstelle kann
nicht kommuniziert werden
- ziehen sie das USB –Kabel ab und stecken es wieder an,
das Terminalprogramm muss danach neu verbunden /
neu gestartet werden
- Prüfen Sie im Gerätemanager, ob ein Treiber geladen
wurde
- Prüfen sie die korrekten Schnittstelleneigenschaften:
115200baud, 8bits, 1 Stopp bit, keine Parität, ggf.
Softwarehandshake.
Trotz der USB-Schnittstelle muss die korrekte Baudrate
eingestellt sein!
Tabelle: mögliche Fehlerursachen

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