Modellierung und Regelung von dielektrischen Mehrschicht-Elastomerwandlern

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.