piezosystemjena d-Drive User manual

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Bedienungsanleitung
Digitalsystem d-Drive®
instruction manual
digital system d-Drive®
Bitte lesen Sie sorgfältig die Bedienungsanleitung vor dem Einschalten des Gerätes. Beachten Sie
bitte insbesondere die Sicherheitshinweise!
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 ... 43
(deutsch)
instruction manual pages 44 ... 81
(english)
Deutsche Version: Letzte Änderung 13.10.2017 von MK
English version: last change 2017-10-13 by MK

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Inhaltsverzeichnis
1Gegenstand.......................................................................................................................4
2Zertifizierung von piezosystem jena GmbH......................................................................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 Digitalsystems d-Drive®......................................................................9
8.1 Allgemeines.......................................................................................................................9
8.2 Systemgehäuse 84TE mit Netzteil..................................................................................10
8.2.1 Funktion...........................................................................................................................10
8.2.2 Technische Daten Systemgehäuse mit Netzteil.............................................................10
8.3 Verstärkermodule EVD50, EVD125, EVD300................................................................11
8.3.1 Funktion...........................................................................................................................11
8.3.2 MOD / MON.....................................................................................................................15
8.3.3 Anschlussbelegungen.....................................................................................................17
8.3.4 Technische Daten EVDxxx.............................................................................................19
8.4 Interfacemodul EDS1, EDS2 ..........................................................................................20
8.4.1 Funktion...........................................................................................................................20
8.4.2 Menüführung EDS2.........................................................................................................21
8.4.3 Anschlussbelegungen.....................................................................................................22
8.4.4 Technische Daten EDSx.................................................................................................23
8.5 Kommunikation und Befehlssatz ....................................................................................23
8.5.1 Kommunikation RS232 ...................................................................................................23
8.5.2 Anleitung und Treiberinstallation für USB-Interface.......................................................24
8.5.3 Befehlssatz......................................................................................................................30
8.5.4 Statusregister..................................................................................................................34
8.6 Funktionsgenerator.........................................................................................................35
8.7 Ausgeben von Triggersignalen.......................................................................................36
8.8 Scanfunktion....................................................................................................................39
8.9 Datenrecorder .................................................................................................................41
9Bedienung.......................................................................................................................43
10 Reglereinstellung ............................................................................................................44
11 Fehlersuche.....................................................................................................................45
11.1 Fehlerregister..................................................................................................................46
12 Ihre Notizen.....................................................................................................................47

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Diese Bedienungsanleitung enthält wichtige Informationen für den Betrieb und
Umgang mit Piezoaktoren. 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 das Digitalsystem d-Drive®von piezosystem jena GmbH.
Weiterhin finden Sie Sicherheitshinweise beim Umgang mit Piezoelementen.
Bei Problemen wenden Sie sich bitte an den Hersteller des Gerätes:
piezosystem jena GmbH, Stockholmer Straße 12, 07747 Jena. Tel: [phone]
2 Zertifizierung von piezosystem jena GmbH
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 Konformitätserklärung für dieses Gerät finden Sie im Internet unter www.piezosystem.de.

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4 Lieferumfang
Bitte prüfen Sie nach Erhalt die Vollständigkeit der Lieferung, bestehend aus:
Digitalsystem d-Drive
Netzkabel
RS232-Kabel
USB-Kabel
Bedienungsanleitung
CD-ROM mit Treiber, Software und Bedienungsanleitung
5 Allgemeine Hinweise zu Piezo-Aktoren und Spannungsverstärkern
Piezo-Aktoren von piezosystem jena werden mit Spannungen bis 150V 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 Curietemperatur (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 zur Dejustage. 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.piezojena.de unter der Rubrik Repräsentanten.

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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 Piezoaktors aufgrund derartiger Einwirkungen können wir keine Garantie
übernehmen. Bitte gehen Sie deshalb sehr sorgfältig mit Ihrem Piezoaktor 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 verändert 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 einen mechanisch saubere Befestigung der
Piezoelemente, ausschließlich an den dafür vorgesehenen Befestigungsstellen!
Unter den nachfolgend aufgeführten Umständen müssen die Geräte sofort vom Netz getrennt
und ein Servicetechniker konsultiert 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
Warnung
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 Netzstecker, 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 2000 m
Temperaturbereich: 5 ... 35 °C
relative Luftfeuchte: 5 ... 95% (nicht kondensierend)
Die empfohlenen Einsatzbedingungen sind:
Verwendung nur in Innenräumen
bei einer Höhe bis zu 2000 m
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.
Sichtprüfung Aktor und Digitalsystem:
Kopf- und Deckplatte des Aktors (wenn vorhanden) müssen parallel zueinander stehen
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.
Netzschalter ist ausgeschaltet, vorhandene Betriebsspannung ist mit der am Gerät
angegebenen identisch
Schließen Sie die Stromversorgung an.
Schließen Sie das Piezoelement an den 15 pol. DSUB Stecker „PIEZO“ an.
Schalten Sie das Gerät mit Hilfe des Tasters an der Frontplatte in den ON-Betrieb. Es erfolgt
ein kurzer Selbsttest der Module.
Je nach Bestückung (Spannungsverstärker EVDxxx, Aktoren) blinken die gelben
Leuchtdioden „OVL“ und „UDL“ am EVDxxx. Die grüne „ON“-LED leuchtet permanent.
Steckt ein Aktor an dem 15pol. DSUB Stecker, erlöschen die gelben Leuchtdioden nach ca.
3 Sek. und der Verstärker ist funktionsbereit.
Das Interfacemodul EDS2 beendet seinen Selbsttest mit der Anzeige „Hauptmenü“, darunter
die möglichen und die belegten Verstärkerkanäle 1...6 (= Zeile 1...6). Steckt in Steckplatz 1
und 2 ein Verstärkermodul, so zeigt die Anzeige in Zeile 1 und 2 die Aktornamen „X“
(„Y“,“Z“...), „ol“ (open loop) und die Aktorausgangsspannung „-20,000 V“. Die Zeilen 3...6
sind leer, da an diesen Steckplätzen kein Verstärker bzw. Aktor angeschlossen ist.

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Ist das Gerät mit dem Interfacemodul EDS1 bestückt, kann über die RS232-Schnittstelle mit
dem Kommando „stat Enter“ der Status der EDS und der vorhandenen EVDxxx abgefragt
werden.
Drehen Sie das OFFSET-Potentiometer am EVDxxx nach rechts, bis auf der Anzeige ca.
130V stehen, der Aktor führt seinen maximal möglichen Hub aus.
Drehen Sie das OFFSET-Potentiometer nach links bis die Anzeige wieder auf ca. -20 V
steht, der Aktor führt seinen minimal möglichen Hub aus.
Schalten Sie die Regelung durch Druck auf das OFFSET-Potentiometer ein. Die
Leuchtdiode „OL/CL“ des EVDxxx leuchtet gelb. Auf der EDS2 ändert sich die Anzeige des
Kanals auf „cl“ (closed loop) und die Dehnung des Aktors ca. „0 μm“ wird angezeigt.
Drehen Sie das OFFSET-Potentiometer nach rechts bis sich auf dem Display der EDS2 die
Dehnung nicht mehr ändert, der Aktor führt seinen max. geregelten Hub lt. Datenblatt des
Aktors aus.
Drehen Sie das Potentiometer nach links bis auf „0 μm“ und schalten Sie die Regelung
durch Druck auf das OFFSET-Potentiometer aus.
Führen Sie diese Prozedur mit allen angeschlossenen Aktoren durch.
Schalten Sie das Gerät aus, indem Sie die POWER-Taste länger als 3 Sek. gedrückt halten.
Sollte das Gerät über längere Zeit (länger als 1 Tag) nicht betrieben werden, ist der
Netzschalter an der Rückseite des Gerätes auszuschalten.
Die Funktionskontrolle ist hiermit abgeschlossen.
Sollten während der Funktionskontrolle Unstimmigkeiten auftreten, lesen Sie bitte den
Absatz Fehlersuche.
8 Beschreibung des Digitalsystems d-Drive®
8.1 Allgemeines
Die digitale Steuerelektronik d-Drive®in Kombination mit den hochauflösenden piezoelektrischen
Antriebs- und Positioniersystemen ermöglicht die vollständig digitale Realisierung hochpräziser
Positionieraufgaben. Sie wurde speziell für mehrkanalige Feinpositionieraufgaben entwickelt. Dank
des schnellen Digitalen Signal Prozessors (DSP) und dem hohen Bedienkomfort setzt d-Drive®
neue Maßstäbe. Alle Parameter können über PC ferngesteuert und abgefragt bzw. am integrierten
Display des Datenaustauschmoduls EDS2 direkt eingegeben und angezeigt werden.
d-Drive®ermöglicht weiterhin erstmals die getrennte Austauschbarkeit von Aktor und
Steuerelektronik. Alle relevanten Daten sind eigenständig auf dem ID-Chip des Aktors gespeichert
und werden an den jeweiligen Verstärker übergeben. So ist es nun möglich, einen kalibrierten
Aktor von piezosystem jena wahlweise in verschiedenen Systemen einzusetzen.
Eine Vielzahl weiterer hilfreicher Features wurde implementiert. So sind standardmäßig ein
Notch-Filter und Tiefpassfilter sowie eine Anstiegsbegrenzung des Eingangssignals (slew rate) frei
programmierbar. Ein integrierter Funktionsgenerator ermöglicht Sinus-, Rechteck- und Dreieck-
Signalsteuerung sowie eine Rausch- und Wobbelfunktion zur Frequenzanalyse.
All diese Funktionen und die 20bit Auflösung mit 50kSPS Abtastrate (50kHz Samplefrequenz)
prädestinieren das d-Drive®besonders für Nanopositionierung im Bereich von Scann-
Anwendungen, Oberflächen–und Strukturanalyse, Mikroskopie und Halbleiterindustrie.
Das erweiterbare System beinhaltet das Systemgehäuse mit Weitbereichsschaltnetzteil in zwei
verschiedenen Leistungsklassen, ein Datenaustauschmodul mit oder ohne Display und 1 bis 6
Verstärkerkanäle mit digitaler Regelung in verschiedenen Leistungsklassen je nach Anwendung.

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8.2 Systemgehäuse 84TE mit Netzteil
8.2.1 Funktion
Es gibt zwei 19 Zoll 84TE-Systemgehäuse mit unterschiedlicher Leistung und unterschiedlicher
Gehäusetiefe. Diese beinhalten Weitbereichsnetzteile mit Power Faktor Regelung (PFC), die alle
im System benötigten Hoch- und Niederspannungen zur Verfügung stellen. Auf der Rückseite
befinden sich die Netzeingangsbuchse, die Sicherungslade mit 2 Sicherungen, der
Netzhauptschalter sowie ein Netzeingangsfilter. Das kurze Gehäuse mit geringerer Leistung ist
vorbereitet zur Aufnahme von max. 6 digitalen Piezoverstärkern EVD50 und einem
Datenaustauschmodul mit oder ohne Display. Das tiefe Gehäuse mit großer Leistung kann
maximal 3 digitale Piezoverstärker EVD300 und ein Datenaustauschmodul mit oder ohne Display
aufnehmen. Die Verbindung der Module geschieht über eine Rückverdrahtungsleiterplatte.
8.2.2 Technische Daten Systemgehäuse mit Netzteil
84TE 315mm tief
84TE 375mm tief
Eingangsspannung:
100 - 240 VAC / 50 - 60 Hz
Eingangsstrom:
typ. 0,9A @ 115V
typ. 0,5A @ 230V
typ. 1,7A @ 115V
typ. 1,0A @ 230V
Leistungsaufnahme:
typ. 120W
typ. 230W
Netzsicherung:
2x T6,3A / 250V 5x20mm
Netzanschluss
IEC-60320 C13
Ausgangsspannungen:
+145V / 300mA
-30V / 300mA
+15V / 500mA
-15V / 500mA
+5V / 2,2A
+145V / 450mA
-30V / 450mA
+15V / 500mA
-15V / 500mA
+5V / 2,2A
Maße (BxHxT) [mm]:
450 x 150 x 360
450 x 150 x 420
Gewicht [kg]:
4,8
7,3
Besonderheiten
aktive Kühlung
aktive Kühlung,
Auto Power On
Tabelle 1: Technische Daten

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8.3 Verstärkermodule EVD50, EVD125, EVD300
8.3.1 Funktion
Der Spannungsverstärker EVDxxx ist für Niedervoltpiezoelemente konzipiert und wird als 19 Zoll
Einschubmodul in 10TE (EVD50) bzw. 20TE Breite (EVD125, EVD300) gefertigt. Die Varianten
EVD50, EVD125 und EVD300 unterscheiden sich im Ausgangsstrom. Der EVD50 kann 50mA
Konstantstrom treiben, die Verstärker EVD125 und EVD300 entsprechend 125mA und 300mA. Es
können Aktoren mit und ohne integriertem Messsystem betrieben werden (Serie D). Die
Verstärkermodule bieten die Möglichkeit, das Piezoelement über einen analogen
Modulationseingang „ANALOG“ oder digital über das Datenaustauschmodul (EDS) zu steuern.
Mittels digitaler Sollwertvorgabe sind höchste Auflösung und Genauigkeiten erzielbar. Durch die
hervorragende Restwelligkeit von kleiner 0,5mVRMS eignet sich der Verstärker besonders gut für
Positionieraufgaben mit sub - nm Auflösung. Die Position des Aktors und Statusmeldungen werden
auf dem grafischen Display des Datenaustauschmoduls EDS2 angezeigt. Ist das Gerät mit dem
Interfacemodul EDS1 bestückt, kann über die RS232-Schnittstelle mit dem Kommando „stat Enter“
der Status der EDS und der vorhandenen EVDxxx abgefragt werden. Aktoren mit Messsystem
werden durch den integrierten digitalen PID-Regler drift- und hysteresefrei positioniert. Als voll
digital aufgebaute Einschubkassette wird eine schnelle Austauschbarkeit der Module und der
Aktoren im anspruchsvollen Industrieeinsatz gewährleistet.
Überlaufanzeigen
manuelle
Sollwertvorgabe
MOD/MON-Buchse
ol/cl Anzeigen
Anschluss
Aktor

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12
Im folgenden Blockschaltbild sind die Funktionsgruppen der Verstärkermodule dargestellt:

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Der Sollwert für den Digitalregler setzt sich aus der Addition von analogem Modulationssignal, dem
Digitalwert des OFFSET-Potentiometers und dem über den CAN-Bus vorgegebenen Digitalwert
zusammen und stellt diesen Wert dem Digitalen Signal Prozessor (DSP) als Führungsgröße zur
Verfügung. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann wahlweise durch eine einstellbare „slew rate“
Begrenzung oder durch einen Tiefpassfilter 4. Ordnung auf das jeweilige Gesamtsystem optimal
angepasst werden, d. h. Frequenzen, die das System in der Resonanz anregen könnten, werden
schon vor der eigentlichen Regelung unterdrückt. Der Regler errechnet die Regelabweichung (err)
zwischen Sollwert und dem Positionswert des Wegmesssystems.
err = soll –mess soll = Sollwert
mess = 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 entsteht ein PI-Regler. Gegenüber dem P-Regler
wird die bleibende 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 = 1/ki * err *Ts Ts = 1 / Samplefrequenz (50kHz)
1/ki * Ts = Nachstellzeit
1/ki = einstellbarer Faktor der Nachstellzeit
yi = Ausgangsspannung des I-Anteiles
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.
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.

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14
Die Reaktionen der Reglerkomponenten sind in folgendem Diagramm dargestellt:
Abbildung 2: Übertragungsfunktion
Ein besonderes Feature ist ein Kerbfilter (notch filter), der direkt vor die Endstufe geschaltet
werden kann. Dieser hat die Eigenschaft, die Hauptresonanzfrequenz des Gesamtsystems stark
zu bedämpfen. Das bedeutet im geregelten Zustand, dass Störungen von außen den Regelkreis
nicht zum Eigenschwingen bringen können. Im ungeregelten Betrieb wird die Frequenz
ausgeblendet, die den Aktor zum Schwingen anregen könnte. Die Kerbfrequenz und die
Bandbreite können frei eingestellt werden. Bei Verwendung des Kerbfilters kann ein erhöhtes
Positionsrauschen auftreten.
Zusätzlich stehen weitere Filter („errlpf“,“elpor“ und „tf“) einstellbar zur Verfügung.
Der Filter „errlpf“ wirkt als Tiefpass mit einstellbarer Ordnung auf den Positionsfehler, also auf die
Differenz von Soll- und Istwert. Die Ordnung wird über den Parameter „elpor=1…4“ eingestellt. Der
Positionsfehler stellt wiederum die Eingangsgröße für den PID-Regler dar. Der Tiefpass ist
werksseitig auf 180Hz Grenzfrequenz und 1. Ordnung eingestellt.
Der Filter „tf“ wirkt auf den Differenzial-Teil der Regelung und kann hier eine Rauschunterdrückung
bewirken. Typische Einstellwerte sind tf = 0.01 * kd. Aus Gründen der Kompatibilität zu
vorhergehenden Versionen wird er werksseitig mit tf=0 (deaktiviert) ausgeliefert.
Um die Bahnabweichungen besonders im kontinuierlichen Betrieb (z.B. sinusförmige Bewegungen
oder ähnliche) zu minimieren, kann eine Vorsteuerung des Systems (mit dem Sollwert) erfolgen.
Die Stärke der Vorsteuerung (pre control factor) kann mit „pcf,Wert“ eingestellt werden. Der
Wertebereich reicht von 0 (deaktiviert) bis max. 1 (100% des Sollwertes werden zur
Reglerausgangsgröße addiert). Abgängig von der Größe der aktorspezifischen Regelreserve
(Verhältnis von closed-loop-Hub zu open-loop-Hub) sind Werte um 0.75 für pcf (pre control factor)
anzusetzen. Werksseitig ist die Vorsteuerung deaktiviert (pcf,0).
Die reglerspezifischen Kennwerte kp, ki, kd sowie die Anstiegsgeschwindigkeit und die
Kerbfiltereigenschaften 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.

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8.3.2 MOD / MON
Modulationseingang: MOD
Die Position des Aktors kann über diesen Eingang analog gesteuert werden. Das
Modulationssignal muss im Bereich von 0 bis +10V liegen. Außerdem erfolgt eine Addition der an
der SUB-D Buchse anliegenden Spannung mit der vom OFFSET-Potentiometer generierten
Offsetspannung und dem digital vorgegebenen Sollwert. Bei Nichtbenutzung des analogen
Modulationseingangs sollte dieser abgeschaltet werden (modon,x,0 siehe 8.5.3 Befehlssatz).
Externe Störungen und Einstreuungen können somit vermieden werden. Im Modus
Funktionsgenerator ist der Modulationseingang permanent abgeschaltet.
Monitorausgang: MON
An diesem Ausgang können über ein Steuerkommando mit entsprechendem Parameter eine
Vielzahl von Systemsignalen im Spannungsbereich von 0...+10V ausgegeben und z. B. über ein
Oszilloskop kontrolliert werden. Das ist besonders bei dynamischer Ansteuerung empfehlenswert.
Bitte beachten Sie den Innenwiderstand des Monitorausgangs!
MON
Monitorausgang
(default = 0)
Umess[CL]
Usoll
Ustell
Uerr
Uerrabs
Uout
Umess[OL]
0 = Positionswert im geregelten Betrieb
1 = Sollwert
2 = Reglerausgangsspannung
3 = Regelabweichung mit Vorzeichen
4 = Betrag der Regelabweichung
5 = Aktorspannung
6 = Positionswert im ungeregelten Betrieb
Tabelle 4: Monitor
0) Umes[CL] Der Positionswert des Messsystems im geregelten Betrieb hängt vom jeweiligen
Aktor ab, d.h. ein Aktor mit einem kalibrierten geregelten Hub von 80μm erzeugt an
diesem Ausgang eine Spannung von 0...+10V (= 8μm/V bzw. 0,125V/μm).
1) Usoll Der Sollwert, der aus der Addition von Modulation, Offset und digitaler Vorgabe entsteht,
wird 1:1 ausgegeben.
2) Ustell Die Reglerausgangsspannung (Steuerspannung für die Endstufe) wird 1:1 ausgegeben.
3) Uerr Die Regelabweichung mit Vorzeichen, d. h. der Vergleich zwischen Soll- und Positionswert
kann positiv bzw. negativ sein.
Uerr = Usoll –Umess Usoll = 0V...+10V
Umes = 0V...+10V
Uerr = -10V...+10V
Da nur Spannungen im Bereich von 0...+10V ausgegeben werden können, wird die
Regelabweichung halbiert und um +5V angehoben. Die Regelabweichung kann wie folgt aus der
gemessenen Monitorspannung rückgerechnet werden:

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Uerr = (Umon –5V) * 2 Uerr = -10V...+10V
Umon = 0V...+10V
Im ausgeregelten Fall liegen +5V an.
Bei maximalem positiven Fehler +10V (bei einem Sollwertsprung Usoll von 0 auf +10V) ist im
Zeitpunkt t=0 Umess noch 0V -> Uerr = 10V -> Umon = +10V. Bei maximalem negativen Fehler 0V
(bei einem Sollwertsprung Usoll von +10V auf 0V)ist im Zeitpunkt t=0 Umess noch 10V -> Uerr = -
10V -> Umon = 0V.
4) Uerrabs Der Betrag der Regelabweichung ist interessant für Kunden, die zeitgenau wissen
wollen, wann eine bestimmte Schwelle der Regelabweichung unterschritten ist. +10V
ist entweder der maximale positive oder der maximale negative Fehler. Bei 0V ist die
Regelabweichung = 0
5) Uout Hier wird die direkt gemessene Aktorsteuerspannung (Ausgang Endstufe) ausgegeben.
Diese ist im Gegensatz zur Reglerausgangsspannung im Punkt (2) (Eingang Endstufe)
von der Dynamik der Endstufe und der Kapazität des Aktors abhängig. -20V...+130V
entsprechen 0V...+10V Monitorspannung. Die Aktorspannung kann wie folgt aus der
gemessenen Monitorspannung rückgerechnet werden:
Uaktor = (Umon * 15) –20V
6) Umes[OL] Im Gegensatz zum geregelten Betrieb, wo der Nullpunkt der Aktordehnung auf den
Positionswert = 0V kalibriert ist, liegt die minimale Dehnung im ungeregelten Betrieb
(OL) unter 0V (siehe unten). Damit diese Position und die max. ungeregelte
Dehnung im Bereich von 0...+10V dargestellt werden kann, wird der Positionswert
halbiert und um +2,5V angehoben. Der ungeregelte Positionswert kann wie folgt aus
der gemessenen Monitorspannung rückgerechnet werden:
Umes(OL) = (Umon –2,5V) * 2
Aktorhub geregelt
10V
0V
geregelt
Upos (0)
Umon
ungeregelt
Upos Original
Umon
10V
0V
Aktorhub ungeregelt Aktorhub scaliert
ungeregelt
Upos scaliert (6)
Werksseitig ist der Monitorausgang auf den Positionswert des Messsystems im geregelten Betrieb
eingestellt (Pkt. 0).

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8.3.3 Anschlussbelegungen
ANALOG: 9pol. SUB-D Buchse
Pin
Bezeichnung
Beschreibung
1
MON+
Monitorausgang 0 ... +10V
2
MON-
Signalmasse
4
MOD+
Modulationseingang 0 ... +10V
5
MOD-
Signalmasse
7
TRG+
Triggerausgang (low-aktiv)
8
TRG-
Digitalmasse für Trigger
Tabelle 3: Pinbelegung

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PIEZO: 15pol. SUB-D Stecker
Pin
Bezeichnung
Beschreibung
1,2,11
AGND
Analogmasse
3
+15V *
Betriebsspannung Messsystem +15V
4,14
GND
Digitalmasse
5
SDA
I²C Bus SDA
6
5Veeprom *
Betriebsspannung ID-Chip
7
Vout2
Aktorsteuerspannung 2 +130 ... -20V für nanoXTM
8
Vout
Aktorsteuerspannung -20 ... +130V
9
+MESS
Positionssignal -8 ... +8V
10
-15V *
Betriebsspannung Messsystem -15V
12
SCL
I²C Bus SCL
13
DETECT
Aktordetektor
15
Piezomasse
Aktormasse
Tabelle 5: Pinbelegung
[*] nicht für externen Gebrauch
Über diesen Stecker wird der Aktor angeschlossen. Es gehen gleichzeitig die Steuerspannung
zum Piezoaktor, 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 SUB-D Griffschale an der Frontplatte
angeschraubt sind. Sowohl die gefährlichen Spannungen als auch die übrigen
Versorgungsspannungen werden nur bei angestecktem Aktorstecker freigeschalten. Bei
abgezogenem Steckverbinder werden die gefährlichen Spannungen durch ein Sicherheitsrelais
von der Quelle getrennt.

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8.3.4 Technische Daten EVDxxx
EVD50
EVD125
EVD300
Ausgangsleistung:
7,5W (max. 15W
für nanoXTM
Aktoren)
16W (max. 32W für
nanoXTM Aktoren)
40W
Ausgangsspannungen:
-20V...+130V
+130V...-20V für nanoXTM Aktoren
Ausgangsstrom
(Konstantstrom):
50mA permanent
(2x 50mA für
nanoX)
125mA permanent
(2x 125mA für
nanoX)
300mA permanent
(2x 150mA für
nanoX)
Ausgangsspannungsrauschen:
<0,3mVRMS @
500Hz
<0,5mVRMS @ 500Hz
Aktor- / Messsystemstecker
„PIEZO“:
15pol. SUB-D Stecker
Monitorausgang:
0 ... +10V (Signalquelle programmierbar)
Ausgangsimpedanz:
50Ω
Modulationseingang:
0 ... +10V (abschaltbar)
Eingangsimpedanz:
25kΩ
Triggerausgang (low-aktiv)
5V/0V mit pull-up-Drainwiderstand 240Ω
Mod.-Mon. Buchse „ANALOG“:
9pol. SUB-D Buchse
Offsetspannung:
-20V ... +130V über Offset-Potentiometer
Überlastungsschutz:
kurzschlussfest, Temperatursicherung
Schutzschaltung
4 Schutzsicherungen F50mA / 250V 5x20mm
(Eingriff nur durch autorisiertes Servicepersonal)
Anzeigen (LED):
grün = betriebsbereit / open loop
gelb = closed loop
OVL (gelb) = Overload
UDL (gelb) = Underload
Masse (H B T):
3HE 10TE
3 HE 20TE
3HE 20TE
Gewicht:
0,35kg
0,9kg
1,03kg
Tabelle 2: Technische Daten

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8.4 Interfacemodul EDS1, EDS2
8.4.1 Funktion
Das Datenaustauschmodul stellt zum einen die Kommunikation zwischen den Komponenten der
Piezoverstärker und dem Kunden her, zum anderen zeigt es die wichtigsten Statusmeldungen und
momentanen Kennwerte des Systems auf einem grafischen TFT-Display an. Einige ausgewählte
Parameter können über die Eingabeelemente an der Frontplatte geändert werden. Im Unterschied
zur EDS2 hat die EDS1 kein Display und keine Bedientasten. Die Kommunikation und Steuerung
erfolgt ausschließlich über die RS232 - bzw. USB 1.1 - Schnittstelle.
Die Kommunikationskommandos sind gleich denen der EDS2. Zur komfortablen Auswertung und
Änderung aller Parameter wird empfohlen, die serielle Schnittstelle in Verbindung mit einem PC
oder Laptop zu nutzen. Der umfangreiche Befehlssatz ist in Punkt 8.5.3 erläutert.
Mit der POWER-Einschalttaste wird das Gerät eingeschaltet. Durch Druck länger als 2 Sek.
schaltet das Gerät ab. Die Betriebsbereitschaft wird durch die grüne READY LED angezeigt. Das
PC-Interface RS232 bzw. USB stellt die Verbindung zu einem PC bzw. Laptop her. Die Navigation
durch die Menüs erfolgt mit den Cursortasten. Durch Bestätigen mit der ENTER Taste erfolgt der
Sprung ins jeweilige Menü. Auf den Eingabepositionen kann mit Hilfe des kombinierten
Dreh-/Druckknopfes der Wert durch Drehen nach links oder rechts inkrementiert bzw.
dekrementiert werden (Stern vor dem Wert zeigt eine Werteänderung an). Durch Druck auf den
Knopf wird der Eingabewert übernommen (Stern vor dem Wert erlischt). Wird ohne
Wertebestätigung das Menü verlassen, werden die vorherigen Werte wieder hergestellt.
Betriebsbereitschaft
Einschalttaste
PC Interface
RS232
Navigation
in den Menüs
Menüwechsel-
bestätigung
Drehknopf Werteänderung / Druckknopf Wertebestätigung
PC Interface
USB