用於仿真致動器的設備和方法

2023-09-22 09:47:25

專利名稱：用於仿真致動器的設備和方法
技術領域：
本發明涉及用於仿真至少第一致動器的設備以及用於仿真第一致動器的方法，特 別是通過根據本發明的設備。
背景技術：
不同負載情況可被其通過致動器所仿真的設備在現有技術中是已知的。例如，JP 04140080A公開了一種用於對超音速引擎進行磨損測試的設備和方法。壓電振蕩器被使用 以將振動施加到與由引擎驅動的轉子滑動接觸的定子之上。這樣使得可以對磨損情況進行 仿真，就像其發生在實際情況中一樣。類似的磨損測試機制可自JP 2005164369A中找到。被測試元件由重力按壓緊靠 轉子。緊靠轉子的測試元件的接觸壓力從而由包含振蕩器的壓電元件所改變。然而，這些已知於JP 04140080A以及JP 2005164369A中的設備不允許確定致動 器(特別是壓電致動器)開發所需的數據。

發明內容
本發明提供用於仿真計劃的第一致動器的設備和方法，其使得以簡便而成本有效 的方式做出對涉及計劃的第一致動器的行為的預測成為可能。特別是，提供一種設備和方 法，其使得可以獨立於生產容差來儘可能綜合地來模擬計劃的第一致動器的行為。根據本發明的示例性實施方式，提供一種用於仿真至少第一致動器的設備，包括 至少一個可連接到至少一個電子控制電路的電氣網絡，其中電氣網絡通過至少第一控制單 元操作性地連接到至少第二致動器，並且其中此電氣網絡的至少第一參數可由第一控制單 元所改變。致動器，特別是壓電致動器的開發可以採用不同的方法解析建模、有限元方法 (finite element method，簡寫為FEM)、模擬以及通過原型樣機測試。每種方法具有它的優 點解析建模允許對致動器的基本機構中的最多洞悉。然而，知曉並對全部起作用的效應建 立模型可能是困難的或者也是不可能的。FEM模擬使得易於執行參數變化以及模擬到連接到致動器的負載的摩擦鎖定動力 傳輸。然而，模擬可能因此只能與其所基於的模型一樣良好。例如，目前的模擬程序(ANSYS， ABAQUS)，例如，不能夠模擬壓電陶瓷的非線性效應。對原型樣機的測試允許在現實中對在兩種前面的方法中所做出的假設進行快速 的和實用的測試。然而，分別由生產或者材料造成的原型樣機容差通常不能被完全探測出 來。由於費用和時間原因，此外一般地不能完全檢查致動器。通常僅幾個致動器(偶爾僅單獨一個致動器)被模擬、裝配並測量。
由此可特別地對第一致動器做出規定，以包括至少一個壓電致動器、至少一個內 燃機、至少一個電動機、至少一個電磁鐵、至少一個靜電致動器、至少一個磁阻致動器以及/ 或者至少一種電活性聚合物。在之前描述的實施方式的情況中，可對第二致動器做出規定以包括至少一個壓電 致動器、至少一個內燃機、至少一個電動機、至少一個電磁鐵、至少一個靜電致動器、至少一 個磁阻致動器以及/或者至少一種電活性聚合物。本發明還提出第一致動器和第二致動器 包括不同的作用機構。還對第二致動器提出特別是通過至少第一連接設備能夠連接到至少一個可由第 二致動器所驅動的負載。在之前提到的可替代情況中，本發明提出第一連接設備以至少一 個可互換尖端的形式來實施。根據本發明進一步能夠使第二壓電致動器包括至少一個壓電疊置致動器以及/ 或者使第二壓電致動器包括至少兩個壓電驅動機構成為可能。本發明的特定的實施方式提供第二致動器操作性地連接到至少一個傳感器，例如 連接到至少兩個傳感器，用於檢測第二致動器在至少一個空間方向上(例如在至少兩個方 向上，特別是正交空間方向上)的至少一個偏轉，以及/或者用於檢測第一連接設備的至少 一個軌跡。在之前提到的實施方式的情況中使得傳感器包括至少一個非接觸式，例如電容 性、電感性以及/或者光學的，特別是幹涉型範圍傳感器。本發明此外提出第二致動器包括至少一個共振頻率，其等於或大於第一致動器的 至少一個共振頻率。本發明的特定的實施方式提供包括無源部件和/或有源部件的電氣網 絡。本發明此外提供電阻抗，特別是第一致動器的電氣輸入阻抗，能夠由電氣網絡所 仿真，例如使設備包括響應於第二致動器的控制的第一致動器的電阻抗，特別是通過電子 控制電路來控制。本發明的特定的實施方式提供電氣網絡，包括至少一個基本單元以包括至少第 一，例如可變電容排布，特別是包括至少一個電容器，以及可並聯連接到第一電容排布的串 聯連接，包括至少一個，例如可變電感排布，特別是包括至少一個線圈、至少一個，例如可變 第二電容排布，特別是包括至少一個電容器和/或至少第一，例如可變電阻排布，特別是包 括至少一個電容。對於兩種之前提到的實施方式，本發明提出使電氣網絡包括至少兩個或多個基本 單元，其中至少兩個基本單元相互並聯連接。本發明還提出基本單元以及/或者基本單元的至少一個包括至少第二例如可變 電阻排布，其中例如第二電阻排布包括至少一個半導體部件，比如電晶體，例如至少一個場 效應電晶體，特別是以至少一個MOSFET的形式。根據本發明的設備此外的特點在於，作為第一參數，基本單元以及/或者至少一 個基本單元的第一電容排布以及/或者第二電容排布的至少一個電容值、電感排布的至少 一個電感值和/或第一電阻排布以及/或者第二電阻排布的至少一個電阻值，為可變的，特 別是在第二致動器的控制和/或移動之前或期間按時間順序可變。在這種實施方式的情況中，使第一電容排布和/或使第二電容排布包括至少兩個或多個特別地可相互並聯連接的單獨的電容器，使電感排布包括至少兩個或多個特別地可 相互串聯連接的單獨的電感器，以及/或者使第一電阻排布和使第二電阻排布包括至少兩 個或多個可相互串聯和/或並聯連接的歐姆性單獨的電阻器是可能的，其中至少兩個單獨 的電容器，例如，具有不同的電容值，至少兩個單獨的電感器具有不同的電感值以及/或者 至少兩個歐姆性單獨的電阻器具有不同的電阻值，以及/或者單獨的單容器、單獨的電感 器以及/或者單獨的電阻器的互連可由第一控制單元，特別是通過影響至少一個由第一電 容排布、第二電容排布、電感排布、第一電阻排布以及/或者第二電阻排布所組成的電路所 改變。本發明還提出使第一控制單元包括至少一個微控制器並且/或者操作性地連接 到電子控制電路、第二致動器、傳感器和/或負載。最後，根據本發明的設備的特點在於至少第二控制單元，其操作性地連接到電子 控制電路、第一控制單元、第二致動器、傳感器以及/或者負載，其中第二控制單元例如包 括至少一個計算機終端。本發明此外提供系統用於仿真至少第一致動器，包括至少一個仿真單元，其包括 至少一個根據本發明的設備。本發明從而提出不同的致動器，其可用於仿真單元中，特別是 用於驅動仿真單元的至少一個驅動單 元，使其能夠被設備所仿真。對於系統，本發明還提出使仿真單元為可移動的，特別是使仿真單元的至少一個 驅動單元能夠被設備的第二致動器所驅動，其中仿真單元可例如以至少一個機動車、至少 一個飛機、至少一個軌道車輛以及/或者至少一個船舶的形式來實施。本發明另外提出使系統進一步包括至少一個電源單元，其中電源單元可操作性地 連接到仿真單元，特別是用於為設備供電。在第一替代的實施方式中，可由此對電源單元做 出規定以使其至少由仿真單元部分地包括。在第二替代的實施方式中，可對電源單元做出規定使其相對於仿真系統分離地實 施，特別是以可以與仿真單元分離的車輛形式來實施，例如以機動車、飛機、軌道車輛和/ 或船舶的形式來實施，以及/或者使電源單元以及仿真單元以不同車輛類型的形式實施。對系統的發明另外提出使系統包括至少一個振動生成機構，其中振動可被傳遞到 仿真單元和/或仿真單元的驅動單元，特別是通過振動生成機構，並且/或者在次聲範圍、 在可聞範圍、在不可聞範圍和/或在超聲範圍中的振動可由振動生成機構所生成。根據本發明的系統的特點還在于振動生成機構可操作性地連接到第一控制單元、 第二控制單元、第二致動器以及/或者負載。本發明此外提供用於仿真至少第一致動器的方法，其中方法包括提供至少第二致 動器和至少一個可操作性地連接到第二致動器的、用以仿真第一致動器的至少一個阻抗的 電氣網絡，特別是通過提供根據本發明的設備和通過將電氣網絡的至少第一參數作為第一 致動器的至少第二參數的函數來調整。因此可以特別規定通過第一致動器的至少一個模擬 來確定第二參數，特別是有限元方法(FEM)模擬，通過第一致動器的至少一種解析建模以 及/或者通過至少一種測量，特別是對於至少一個原型樣機的測量以及/或者可從電流串 聯得到的第一致動器的拷貝的測量所確定的第二參數，以及/或者對被測定作為第二參數 的第一致動器的至少一個傳遞因子進行。在兩種之前提到的替代的實施方式的情況中，進一步提出對第一參數的調整以包括對下列的調整至少一個電容值，特別是電氣網絡的至少第一電容排布和/或至少第二 電容排布的電容值，至少一個電感值，特別是電氣網絡的電感排布的電感值，以及/或者至 少一個電阻值，特別是至少第一電阻排布和/或至少第二電阻排布的電阻值，例如通過可 操作性地連接到第二致動器和/或電氣網絡的第一控制單元。
對根據本發明的方法還提出使第二致動器進行至少第一特別是平移和/或旋轉 移動，跟隨對第一參數的調整，例如沿著至少第一預先確定的軌跡，特別是通過施加至少控 制信號到第二致動器，其中第二移動，特別是第一致動器的平移和/或旋轉移動，特別地被 第一移動所仿真。由此特別地使控制信號經由電氣網絡以及/或者至少一個電子控制電路 被施加於第二致動器成為可能。在之前提到的實施方式的情況中，本發明提出第一致動器的至少第三參數通過對 第二致動器的第一移動的評估/分析所確定，其中一方面，控制信號的至少一個電壓值、至 少一個頻率值以及/或者至少一個電流值，以及，另一方面，至少一個偏轉值、至少一個加 速度值、經由第二致動器建立的一個力的至少一個力值以及/或者第二致動器的至少一個 性能值之間的至少一個上下文，可被確定特別是作為第三參數。根據本發明的方法可進一 步具有至少一個負載在第一移動中可被施加到第二致動器的特點。本發明還提出使電氣網絡的第四參數在進行第二致動器的第一移動之前、期間和 /或之後被改變，特別是作為第三參數和/或施加於第二致動器的負載的函數。可以進一步進行規定使第四參數對應於第一參數以及/或者使第二電阻排布的 至少一個電阻值作為第四參數而被改變。對方法的發明還提出使第三參數被使用以執行模擬，特別是第一致動器的有限元 方法(FEM)模擬以及/或者第一致動器的至少一種解析建模，特別是使模擬和/或建模適 配於對第二參數的確定以及/或者使用第三參數來改變電氣電子控制電路的至少第五參 數。本發明另外提出至少一個壓電致動器、至少一個內燃機、至少一個電動機、至少一 個電磁鐵、至少一個磁阻致動器以及/或者至少一種電活性聚合物作為第一致動器被仿
直
ο可進一步為至少一個壓電致動器、至少一個內燃機、至少一個電動機、至少一個電 磁鐵、至少一個磁阻致動器以及/或者至少一種電活性聚合物做出規定以使其被提供作為
第二致動器。根據本發明的方法的特徵在於第一致動器的性能特徵，比如機械性能、振動特徵， 比如在可聞和/或不可聞範圍的振動，以及/或者驅動特徵，比如移動的恆定性，通過仿真 來進行仿真。除了第一致動器的仿真之外，可以至少操作性地間接連接到第一致動器的至少一 個額外的單元，比如至少一個傳動器、至少一個制動器和/或耦合器，可以通過本方法進行仿真。本發明此外提出通過影響第一參數、第二參數和/或第四參數以及/或者通過第 一控制單元來對額外單元進行仿真。最後，本發明提出不同的第一致動器在仿真過程中被仿真，特別是通過影響第一 參數、第二參數和/或第四參數，例如作為存儲於第一控制單元中的致動器簡檔的函數。
本發明因此基於以下令人驚訝的實現計劃的第一致動器的開發可被簡化以及關 於此計劃的第一致動器的行為的更佳預測可在同時做出，原因是提供了用於仿真第一致動 器的設備和方法，在其中待仿真的第一致動器或致動器的，被發現在解析或FEM描述或通 過測量原型樣機得到的相應的參數，被傳遞到包含可再現行為的機械系統之中。分別用於 仿真或模擬的設備因此包括經由第一控制單元，比如微控制器，相互連接的電氣和機械部 分。
具有電氣網絡形式的電氣部分服務於模擬被仿真的第一致動器的阻抗的目的，而 包括第二壓電致動器的機械部分模擬致動器相對於與被控制物體(=負載)的接觸點的移動。與模擬相反，甚至不能夠被模擬程序所檢測到的效應，比如壓電陶瓷的非線性效 應，也被通過根據本發明的設備和根據本發明的方法相應地仿真或模擬。這樣的原因是在 PC上的模擬由虛擬系統進行，而按照根據本發明的設備以及根據本發明的方法，對計劃的 第一致動器的行為的模擬由仿真器來進行，該仿真器包括現實的致動器、功能致動器以及 現實的、電子地可變阻抗。在根據本發明的方法的實施方式的情況中，可對下列進程做出規定分別通過解 析或FEM運算，或者通過測量計劃的致動器的原型樣機而獲得的、計劃的，特別是壓電致動 器的電動等效電路圖被計算並傳遞到特別包含至少一個微控制器並隨後相應地適配於電 氣網絡的第一控制單元。電氣網絡與第二，特別是壓電致動器間的耦合可由計算出的轉換 器常數來預先確定(如果希望)。因為兩個仿真器部分不被剛性地連接的事實，它們也可以 被相互完全獨立的使用。第二致動器的移動，特別是可連接到第二壓電致動器的尖端的移動，可被預先設 定用以進行計劃的致動器的仿真。第二致動器或者尖端的移動分別可被傳感器檢測。因此 穿過任何軌跡都是可能的。相較於計劃的致動器的原型樣機的測量，在第二致動器的形式中的、分別在現實 的或者仿真的致動器處穿過相應的軌跡，提供的可能性在於，仿真器的生產容差得到補償 並且不會有任何結果。特別是，不同的特徵，比如現有致動器的力、剛性以及移動次序可被 模擬(仿真)而新的致動器的特徵可進一步被預測。此外，負載相關力可被檢測並且可被 返回到電氣網絡之中(在最簡單的情況中作為可調整衰減)。本發明因此簡化了致動器，特別是壓電致動器的開發，因為關於計劃的致動器的 預計的行為的信息可以以相對簡單的方式來獲得，並且因為它的行為可被相應地適配。例 如，計劃的壓電致動器的電子控制電路可在例如由仿真獲得的數據的基礎上被適配，從而 確保在頻率範圍內對計劃的致動器的控制。特別是，計劃的，特別是壓電致動器的磨損跡象 可因此被最小化，因為待移動的(由於致動器的不充分偏轉造成)致動器與負載間的磨損 的出現可因此被避免。用於開發用於例如醫療技術的新穎儀器的壓電致動器的設計過程，可進一步被設 計的更加高效。特別是壓電驅動在腔內機械臂的狹小有效結構容積的情況中包含可能性。 然而，相較於電動力致動器，對壓電驅動的設計過程可能相當地更加大規模和更加複雜。由 於之前提到的原因，本發明導致重大的可能性，特別在用於醫療技術設備的壓電致動器的 開發的情況中。
包括在20mm/s的5N的性能數據的致動器迄今還不是已知的，特別是在理想的 40kff/m3的功率密度與大約IOOOmm3的有效結構容積的組合中，所以它們必須從根本上被重 新開發。具體而言，作為致動器開發過程(其基於模擬或者建模過程)的當前開發過程中 所具有的弱點分別地不夠充分，特別是，通過本發明可以克服模擬和實際情形之間的致動 器的機械耦合。


本發明的進一步特點和可能性由隨後的描述中產生，其中本發明的示例性實施方 式將通過示意附圖而被更加詳盡的闡明。圖1示出根據本發明的設備的示意框圖；圖2a示出在基於發明的，包括以平移的方式移動的負載的設備之上的透視頂視 圖；圖2b示出在基於圖2a的發明的，包括以旋轉方式移動的負載的設備之上的透視 頂視圖；圖3分別示出在圖2a或圖2b的設備之上的頂視圖；圖4a示出一般致動器的轉換器等效電路圖；圖4b示出壓電致動器的轉換器等效電路圖；圖5示出根據本發明的設備的電氣網絡的第一實施方式；圖6示出根據本發明的包括可調節電阻器的設備的電氣網絡的第二實施方式；圖7示出圖6的電氣網絡的可調節電阻器的可行實現的電路圖；圖8示出可被用在根據本發明的設備中，用於調節不同電容值的電容器排布的電 路圖；圖9示出可被根據本發明的設備的第二壓電致動器所通過的不同的軌跡的應用； 以及圖10示出根據本發明的設備的進一步實施方式的框架示意圖。
具體實施例方式根據本發明的設備和根據本發明的方法將通過壓電致動器的仿真由圖1至圖9所 明確。圖1示出以仿真器1形式的、根據本發明的設備的示意性設計。仿真器特別地服 務於分別地仿真特別是仍處於開發中的第一壓電驅動或致動器的行為。為了仿真待仿真的第一壓電致動器或壓電致動器的行為，仿真器1包含經由微控 制器5形式的第一控制單元連接到第二壓電致動器7的電氣網絡3。電氣網絡3可連接到 電子控制電路9。第二壓電致動器7可進一步連接到負載11。仿真器1此外分別包含具有 計算機終端或PC 13的形式的第二控制單元。儘管圖1隻標明用於PC 13與微控制器5進 行通信的一種可能，但PC 13使得可以經由未示出的連接由控制電子電路9來生成用於仿 真器1的控制信號。如將在以下被明確的，仿真器1使得對在之後的應用中連接到電子控 制電路9和負載11，而不是仿真器1的第一壓電致動器的行為的模擬成為可能。
圖2a示出在圖1的仿真器1的可行實現形式之上的頂視圖。用於可調節電阻抗 的電子器件以及用於控制致動器和範圍傳感器的電子器件被容納於圖2中所示出的總體 設計之中。如在圖2a中可見，第二壓電致動器7由此包括基本驅動體15，對此設置有疊置 致動器17形式的兩個壓電驅動機構。壓電致動器7可與負載11相接觸，特別是用於通過 未在圖2a中標明的可互換尖端形式的連接設備而移動負載11。示出於圖2a中的負載11 分別由仿真器1或第二致動器7以平移的方式移動。圖2b示出包括負載11，的圖2a的仿真器1的組合。負載11，為將以旋轉方式被 移動的負載。相反於基本上為針形的負載11，負載11』為碟形。負載11、11』可特定地為陶瓷元件，同時連接設備能夠以可互換金屬尖端的形式來 實施。用於容納電氣網絡3以及微控制器5的外殼19被布置在基本驅動體15之下。在外 殼19中排布的元件可經由埠 21，例如USB連接，而連接到未在圖2a和圖2b中示出的PC 13。通過圖3，圖2a和圖2b的第二壓電致動器7的運行模式將在以下明確。特別地， 圖3示出具有可互換金屬尖端23形式的連接設備，其可以與未在圖3中示出的負載接觸。 在圖3中示出的壓電致動器7特別地為致動器的仿真提供與負載的點狀或線狀接觸。如已 在上面提到的，壓電致動器7基本上包括在其中使用兩個壓電疊置致動器的機構。疊置致 動器17可相互獨立地運行。為了使可互換尖端23能夠分別通過多個不同移動或軌跡，疊置 致動器相互獨立運行並不在共振中。特別是，壓電致動器7被以這樣的方式設計使得尖端 可進行圓環形的、對稱的移動，其中尖端23離開待機位置的偏轉可在10 μ m的範圍內。為 了使得第二壓電致動器7能夠分別通過預先設定的移動或軌跡，可以做出規定使得尖端23 或者疊置致動器17的移動的調節分別在除仿真器1的疊置致動器17的純控制之外進行。 特別是，這樣的調節是必要的，以便觀察移動變化，該移動變化可以響應於穿過預定軌跡而 從尖端的負載所發生的改變中得到。當進行這種調節時，做出規定使得壓電致動器7包含可特別地以電容範圍傳感器 的形式被實現的傳感器。這些未在圖3中示出的傳感器，使得可以以準確到數納米來檢測 尖端23的移動。傳感器的使用此外提供能夠在一檢測到尖端23的移動就計算出尖端23的 速率和加速度。通過這些變量的知識，接下來可以特別地響應於與負載的接觸而計算出施 加在尖端23上的力，並且從中計算出功率，該功率必須施加從而執行尖端23的期望移動。因為之前提到的壓電致動器7的設計，任憑尖端23的移動的部分地極高的頻率， 可在大約IOOkHz的範圍內的調節通過由多個支撐位置預先設定的軌跡為頂端23的移動提 供初始調節，使得，由於範圍、速率和加速度的已知數值，不但可以以單獨振蕩過程的平均 值來確定軌跡，而且還可以精確地並且針對每一次的通過來保持每個單獨的軌跡。使得計劃的壓電致動器的行為由現實存在的第二壓電致動器7所分別地模擬或 仿真是本發明的中心思想，其中電氣網絡3服務於模擬第一壓電致動器的電氣特徵的目 的，特別是為控制電氣電路9提供計劃的壓電致動器的電阻抗。在示出於圖4a中的轉換器 等效電路圖的基礎上，示出於圖4b中的、分別用於壓電轉換器或者致動器的簡化的轉換器 等效電路圖可被假定用於確定電氣網絡3的參數。根據示出於圖4a中的轉換器等效電路圖，具有電壓u(t)和電流i(t)形式的控制 信號被施加於電氣網絡51。電氣網絡51分別結合轉換器或者致動器的電氣特徵。電氣網絡
1251經由耦合四極53連接到機械網絡55，該機械網絡55使得生成力F(t)形式和速度v(t) 形式的輸出信號。該轉換器等效電路圖允許分別描述任意變換器或致動器，其中電氣網絡 可包含電容特徵、電感特徵以及歐姆電阻特徵。響應於轉換入現實的網絡，這些可由有源以 及/或者無源部件所實現。例如，電氣網絡可包括引擎控制的複製用以仿真電動機。通過 耦合四極53，被應用在電氣網絡51的輸出的電壓信號u和電流信號i到速度值ν和力值F 的轉換通過平移耦合因子X和迴旋耦合因子Y來進行。在用於壓電致動器的圖4b的轉換器等效電路圖中，輸入電容C代表計劃的致動器 的電容，同時順從(compliance)!!代表跟隨h的機械接觸，而質量m以簡化的方式代表計劃 的致動器的機械特徵。Y代表壓電致動器的轉換器常數，其中它可被確定，根據

Se在此代表在恆定電場的情況中壓電致動器的擴展，d代表壓電電荷常數，亦即， 每個電壓單位的壓電致動器的擴展，l 。h代表壓電材料的厚度而Ael代表連接到壓電材料的 電極的表面積。從而假設Ael · Iel = Amech · Imech適用，其中Iel代表壓電元件的電極間的距離而Ame。h代表壓電材料的表面積。轉換 器常數Y因此基本上由幾何特徵和計劃的壓電致動器的壓電陶瓷的特徵所預先確定，並可 分別由計劃的壓電致動器的模擬計算或者測量原型樣機來確定。圖5示出圖4的轉換器等效電路圖的電子實現。圖5中示出的電路代表電氣網絡 3的可行實施方式，其中電路代表基本單元。這種基本單元特別包括具有電容器C形式的第 一電容排布，其與具有電感Lm形式的第一電感排布、具有電容Cn形式的第二電容排布以及 具有歐姆電阻R形式的電阻排布的串聯連接並聯切換。電氣網絡3的電路闡明壓電致動器 為迴轉器。這意味著壓電致動器代表雙逆變器，因此存在響應於電容性輸出負載的電感性 輸入行為，同時存在響應於電感性輸出負載的電容性輸入行為。當進行計劃的壓電致動器的仿真時，電氣網絡3的第一參數按照根據本發明的方 法被初始地調整。對此，特別是電容C、cn、電感LmW及電阻R被調整。特別是，這在仿真過 程進行之前被進行一次，其中這些數值可特定地從待開發的壓電致動器的轉換器常數Y中 被確定。為了確定電氣網絡3的參數，在仿真之前已知的、計劃的致動器的額外的參數可被 作為對其的替代或附加而使用。轉換器常數特定地由第一壓電致動器的模擬計算所確定或 者通過測量第一壓電致動器的原型樣機所確立。電氣網絡3特別地被調整使得轉換器常數 經由PC 13被傳遞至微控制器5，微控制器5隨後進行電氣網絡3的單獨元件的相應的適 配。響應於計劃的第一壓電致動器的隨後的仿真，用於沿預先設定軌跡移動第二壓電致動 器7的相應的信號經由電子控制電路9被應用於仿真器。這使得到目前為止尚未被模擬的 第一壓電致動器的移動圖案由第二壓電致動器7所通過，從而使第二壓電致動器7模仿計 劃的壓電致動器的移動成為可能。通過仿真器1，可以確定在預先設定控制信號處的計劃的 第一壓電作動器的預測的反應。圖5中示出的電氣網絡的實施方式代表用於調整仿真器1的靜態參數的基本形 式。在未示出出的實施方式中可做出規定使得電氣網絡包含多個串聯連接的基本單元，如 它們在圖5中被示出的。這樣特別地，不但能夠仿真第一壓電致動器的一個共振頻率，而且還能夠通過仿真器1來仿真更高的諧波共振。仿真器1進一步能夠分別仿真或模擬第一壓電致動器的負載狀態。這樣的模仿特 別地由圖6中所示出的電氣網絡的擴展所實現。具有可變電阻民形式的第二電阻排布被集 成到電氣網絡3之中。為了能夠仿真壓電致動器，可變電阻&的電阻值在由微控制器5進 行的仿真過程中被改變。這種改變可特定地由於尖端的距離測量可得的數據而做出。如已 在上面解釋的，距離測量使得可以計算尖端的速度和加速度，從中，特別是利用應用到尖端 的負載的知識，可以計算在尖端上施加的力以及移動該尖端所必須的功率。這使得可以執 行對具有電氣網絡形式的仿真器的電子側的反饋，其中負載作為可變電阻容納於電氣網絡 中。負載影響或振蕩負載例如可由此被模仿。可以通過仿真處理來進一步確定不能被確定 或者通過模擬或測量第一壓電致動器的原型樣機而進行不充分確定的計劃的第一壓電致 動器的至少第三參數。這可以是例如涉及計劃的致動器的壓電陶瓷的非線性效應的參數。 以這樣的方式被確定的第三參數可特別地被使用，以便被用於計劃的第一壓電致動器的更 新的模擬，以便提供對計劃的第一壓電致動器的更精確的模擬。圖7和圖8示出可變電阻RJ圖7)以及圖5和圖6的電路的電容排布(圖8)的 實現的可能性。根據圖7的可變電阻Rl通過受控的半導體，例如MOSFET而實現。根據圖 8，圖5和圖6的電路的相應的電容排布可通過單獨的電容器C」 C2, C3、C4的網絡而實現。 例如，電容器C1可包含1 μ F的電容值、電容器C2可包含2 μ F的電容值、電容器C3可包含 4μ F的電容值以及電容器C4可包含8μ F的電容值。不同電容值可通過電路Sp S2、S3、S4 的合適的致動而被以這樣的方式實現。響應於電路S4和S1的致動，由此可調節出5 μ F的 電容值。從這裡清楚顯示出，電容排布C、Cn或電感排布Lm，相應地，以及電阻排布R可從電 阻器、電容器和/或電感器的可變地切換的網絡中被實現。通過適當地切換網絡的元件，通過第一壓電致動器的解析描述或者通過第一壓電 致動器的模擬獲得的計劃的壓電致動器的阻抗可以通過電氣網絡3來模仿。儘管電氣網絡3的設計在上面通過無源部件所描述，但有源部件也可在電氣網絡 3中使用。圖9示出可被尖端23追蹤的示例性軌跡。軌跡(a)代表圓環形對稱移動。但是， 任意其他軌跡也可在平面之內被追蹤。例如，軌跡(b)示出橢圓形狀，其中響應於仿真過程 的軌跡可不為靜態，而也可以在時間上改變，例如，可順時針旋轉或者可以改變它的形狀。總結來說，仿真器1使得可以模仿任何的，特別是壓電驅動。特別地，使用具有PC 13形式的第二調整和/或控制單元使得可以通過測量技術來檢測不同驅動的簡檔，並且可 以使得簡檔存儲在PC上，從而可以立即訪問，使得在需要的時候加載到仿真器1上，特別地 加載到微控制器5中。仿真器1由此提供以下可能性即可以通過仿真器1來直接地模仿 希望的驅動，而沒有它的其他特徵，例如老化或磨損，而這對驅動的方針具有負面影響。特別是，仿真器1使得可以將仿真的焦點引導到計劃的壓電致動器的功能，而無 需考慮生產容差等等。特別地，致動器的相應功能是，計劃的驅動可以達到什麼樣的移動幅 度，以及這些對於期望的使用是否足夠；生產容差可能具有什麼樣的效應，以及致動器的磨 損可能會如何影響磨損接觸。例如，對計劃的壓電致動器或者從當前系列產品中獲取的致 動器的原型樣機進行測量允許在測試運行(通過仿真器來進行)所進行的現實致動器情況 下發生的容差的相關聲明。之前提到的新穎的致動器系統可被分別模仿或仿真，特別是當
14使用包含相應地高截止頻率或高共振頻率的第二壓電致動器時。儘管根據本發明的方法和根據本發明的設備由圖1到圖9通過壓電致動器的仿真而被描述，但本發明不限定於這樣的致動器的仿真。例如，根據本發明的設備和根據本發明 的方法提供對任意驅動的仿真，例如此外對內燃機、電動機、電磁鐵、靜電致動器、磁阻致動 器或者電活性聚合物的仿真。這些致動器的仿真因此不限定於致動器被仿真的情形，其中 在該情形中第二致動器或者仿真致動器分別為具有相同的運行原理的致動器。例如，可以 通過第二致動器或者具有電機形式的將被仿真的致動器來分別仿真第一致動器或者具有 內燃機形式的將被仿真的致動器。因此，正被仿真的或被仿真過的致動器或驅動分別必須 不包含相同的設計、配置或者相同的運行原理。然而，必須考慮參考例如將機械性能耦合到 負載或耦合到通往控制電子器件的電連接的定義埠或變量/特性的技術數據或者特徵。 第一致動器或仿真過的致動器分別以及正被仿真的致動器或第二致動器分別僅參照這些 定義埠必須為可比較的。正被仿真的致動器或者用於仿真的設備分別應該額外包含參考 於這些變量的相同的或改善的性能數據。從而，當不同致動器簡檔可被分別存儲在第一或第二控制單元內時，並當這些不 同的致動器簡檔可因此被根據本發明的設備調用並被使用於仿真過程時，這尤其是可行 的。因此可特別地做出規定使不同致動器簡檔之間的變化可在仿真過程中被進行。這意味 著尤其是電氣網絡的相應的參數作為被載入控制單元的致動器簡檔的函數被適配。不同致 動器簡檔的存儲可提供對用於評估性能的不同驅動可備選的選擇。例如，可以做出規定使 不同致動器由根據本發明的設備所仿真並且使合適的致動器被選擇為通過「反覆試驗」發 現滿足特定要求的致動器。根據本發明的設備或者根據本發明的方法的這種特徵分別提供以下可能性使得 可以不必將所需致動器或者客戶要求的致動器構建到最終設備中，從而檢查最終設備的特 徵。例如，根據本發明的設備可被集成於包括仿真單元的系統中。仿真單元因此特別地為 相應的最終設備，比如機動車輛。代替於將特定致動器安裝到最終設備中，根據本發明的設 備可以構建到仿真單元中，通過這樣，分別被提供用於最終設備(例如引擎車輛)的致動器 或者驅動備選可以被模擬。這種未向客戶銷售的仿真單元可以模仿所有提供的驅動備選的 特徵。為了這個目的，可被建立於仿真單元之內的根據本發明的設備可包含圖10中所 示出的設計。具有仿真器101形式的、根據本發明的設備包含電氣網絡103、具有微控制器 形式的第一控制單元105以及第二致動器107和第二控制單元113。仿真器101接收由 電子控制電路109產生的控制信號，並將機械性能傳遞到負載111，比如仿真單元的驅動單 元。第二仿真器107可特別地為電動機。然而，仿真器101適合於不但模仿包含與第二致動 器107相同的結構類型的致動器，而且還可以例如通過仿真器101來仿真內燃機。當將仿 真器101安裝至具有機動車輛的形式的仿真單元中時，不同的驅動備選在測試駕駛機動車 輛的同時可被調整，使得機動車輛的駕駛員可測試驅動的不同備選，例如4汽缸驅動或V12 驅動。為了不影響仿真系統或仿真單元特別是車輛的特徵，可做出規定使系統包含被實施 為從仿真單元分離的電源單元。例如，機動車輛的特徵，比如車輛的加速度，可被電源單元， 比如電池的重量和空間要求所影響，例如，響應於將馬達作為第二致動器使用。為了避免這 樣，可以將電源移除，從而例如設置在伴隨的車輛中，其中仿真單元或仿真車輛以及電源單元例如通過線纜互相連接。因此，特別有積極意義的是，當伴隨的車輛分別被仿真器參考相 對於仿真車輛的距離和相對速度來進行控制和調節時。然而，這樣的系統不止提供已有驅動的仿真，而還可特別地被用以確定待開發的 驅動上的需求。例如，仿真器可被建立於仿真單元之內，因為仿真器的特徵可被客戶隨機的 改變，特別是期望的性能和性能的細微差別可被確定。這些接下來可用於車輛，作為用於隨 後構建車輛驅動的最終條件。因此，特別地，該系統的特徵在於驅動備選的性能和性能細微 差別可以通過改變按照客觀和/或主觀標準來改變所遞送的仿真器性能來確定。在不同驅動概念的仿真的情況中，特別是根據本發明的仿真器而言，可以使得附 加單元(例如制動器、耦合器或傳動器)的特徵也可以通過以下來仿真確定所得的影響以 及通過考慮根據本發明的設備的這些影響因素。在本發明的特定實施方式中 ，致動器101 可包含可特別地操作性地連接到第一控制單元105的振動生成機構112。這可以使得將要 仿真的可聽和/或不可聽範圍內的附加振動在發生的時候(例如通過內燃機中活塞的移 動，扭矩波動或者致動器噪聲)能夠被模仿。直接的和客觀的比較可特此在由仿真致動器產生的有用特徵(比如力、扭矩和速 度)與可在機動車輛的車廂產生的寄生的或無用的特徵(例如，噪聲和機械振動)之間進 行。作為示例，仿真器101使奧託引擎與柴油引擎間的直接比較能夠進行。在之前描述中、在權利要求中以及在附圖中所公開的本發明的特性，單獨的以及 任意組合，對於本發明的實現可為重要的。應該指出，詞語「包括」、「包含」等不排除其他元件或步驟，而「一個」、「一種」等不 排除複數。並且結合於不同實施方式描述的元件可被組合。還應該指出，描述中的參考符號不應被詮釋為限定權利要求的範圍。參考標號表
權利要求
一種用於仿真至少一個第一致動器的設備(1、101)，包括可連接到至少一個電子控制電路(9、109)的至少一個電氣網絡(3、103)，其中所述電氣網絡(3、103)通過至少第一控制和/或調節單元(5、105)操作性地連接到至少第二致動器(7、107)，而其中所述電氣網絡(3、103)的至少第一參數可由所述第一控制和/或調節單元(5、105)所改變。
2.根據權利要求1的設備，其特徵在於，所述第一致動器包括至少一個壓電致動器、至 少一個內燃機、至少一個電動機、至少一個電磁鐵、至少一個靜電致動器、至少一個磁阻致 動器以及/或者至少一種電活性聚合物。
3.根據權利要求1或2的設備，其特徵在於，所述第二致動器包括至少一個壓電致動器 (7)、至少一個內燃機、至少一個電動機(107)、至少一個電磁鐵、至少一個靜電致動器、至少 一個磁阻致動器以及/或者至少一種電活性聚合物。
4.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，所述第一致動器和所述第二致 動器(107)具有不同的作用機構。
5.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，所述第二致動器(7)可以特別 地通過至少第一連接設備(23)而連接到可以被所述第二致動器(7)驅動的至少一個負載 (11,11')。
6.根據權利要求5的設備，其特徵在於，所述第一連接設備以至少一個尖端(23)的形 式來實現，其優選地可以交換。
7.根據權利要求2到6的任意一項的設備，其特徵在於，所述第二壓電致動器(7)包括 至少一個壓電疊置致動器(17)以及/或者所述第二壓電致動器(7)包括至少兩個壓電驅 動機構(17)。
8.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，所述第二致動器(7)操作性地 連接到至少一個傳感器，優選地到至少兩個傳感器，用以在至少一個空間方向中，優選地在 至少兩個，特別是在正交的空間方向中檢測所述第二致動器(7)的至少一個偏轉，以及/或 者用以檢測所述第一連接設備(23)的至少一個軌跡。
9.根據權利要求8的設備，其特徵在於，所述傳感器包括至少一個非接觸式，優選地為 電容性、電感性和/或光學的，特別是幹涉範圍傳感器。
10.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，所述第二致動器(7)具有至少 一個共振頻率，其等於或高於所述第一致動器的至少一個共振頻率。
11.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，所述電氣網絡(3、103)包括無 源部件和/或有源部件。
12.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，電阻抗，特別是所述第一致動 器的電氣輸入阻抗，能夠被電氣網絡(3、103)仿真，優選地，所述設備(1)包含響應於所述 第二致動器(7)的控制的所述第一致動器的電阻抗，特別是通過電子控制電路(9)。
13.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，所述電氣網絡(3)包括至少一 個基本單元，該基本單元包括至少第一，優選地可變電容排布，特別是包括至少一個電容器 (C)，以及串聯連接，其並聯連接到第一電容排布(C)，包括至少一個，優選地可變電感排布， 特別包括至少一個線圈(Lm)，至少一個，優選地可變第二電容排布，特別是包括至少一個電 容器(Cn)以及/或者至少第一，優選地可變電阻排布，特別是包括至少一個電阻(R)。
14.根據權利要求13的設備，其特徵在於，所述電氣網絡(3)包括至少兩個，優選地多個基本單元，其中至少兩個基本單元彼此並聯連接。
15.根據權利要求13或14的設備，其特徵在於，所述基本單元和/或基本單元中的 至少一個包括至少第二，優選地可變電阻排布(RJ，其中優選地第二電阻排布(RJ包括至 少一個半導體部件，比如電晶體，優選地至少一個場效應電晶體，特別是以至少一個MOSFET 的形式。
16.根據權利要求13到15的任意一項的設備，其特徵在於，作為第一參數，所述基本單 元和/或基本單元中的至少一個的第一電容排布(C)和/或第二電容排布(Cn)的至少一 個電容值，電感排布(Lm)的至少一個電感值以及/或者第一電阻排布(R)和/或第二電阻 排布(RJ的至少一個電阻值，為可變的，特別是在所述第二致動器(7)的控制和/或移動 之前和/或期間按時間順序可變。
17.根據權利要求16的設備，其特徵在於，所述第一電容排布(C)和/或所述第二電 容排布(Cn)包括至少兩個或多個單獨的電容器(CpCyQ、C4),其可特別地彼此並聯連接， 所述電感排布包括至少兩個，優選地多個單獨的電感，其可特別地彼此串聯連接，以及/或 者所述第一電阻排布和所述第二電阻排布包括至少兩個，優選地多個歐姆性單獨的電阻， 其可特別地彼此串聯或並聯連接，其中至少兩個單獨的電容器(C1X2X3X4)優選地包含不 同的電容值，至少兩個單獨的電感包含不同的電感值以及/或者至少兩個歐姆性單獨的電 阻包含不同的電阻值，以及/或者單獨的電容器(Cp C2, C3, C4)、單獨的電感和/或單獨的 電阻的互連可由第一控制和/或調節單元(5)來改變，特別是由影響可由所述第一電容排 布、所述第二電容排布、所述電感排布、所述第一電阻排布以及/或者所述第二電阻排布構 成的至少一個電路(Si、S2、S3、S4)來改變。
18.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，所述第一控制和/或調節單元 包括至少一個微控制器(5)並且/或者操作性地連接到所述電子控制電路(9)、第二致動器 (7)、傳感器和/或負載(11、11』)。
19.根據之前權利要求的任意一項的設備，其特徵在於，至少第二控制和/或調節單元 (13)操作性地連接到所述電子控制電路(9)、第一控制和/或調節單元(5)、第二致動器 (7)、傳感器以及/或者負載(11)，其中所述第二控制和/或調節單元優選地包括至少一個 計算機終端(PC)。
20.一種用於仿真至少第一致動器的系統，包括至少一個仿真單元，該仿真單元包括至 少一個根據之前權利要求的任意一項的設備(101)。
21.根據權利要求20的系統，其特徵在於，可以在所述仿真單元中特別地用於驅動所 述仿真單元的至少一個驅動單元的不同致動器能夠通過所述設備(101)來仿真。
22.根據權利要求20或21的系統，其特徵在於，所述仿真單元為可移動式，特別是所述 仿真單元的至少一個驅動單元能夠被所述設備(101)的第二致動器(107)驅動，其中所述 仿真單元可優選地以至少一個機動車輛、至少一個飛行器、至少一個軌道車輛以及/或者 至少一個船舶的形式來實施。
23.根據權利要求20到22的任意一項的系統，其特徵在於，所述系統進一步包括至少 一個電源單元，其中所述電源單元操作性地連接到所述仿真單元，特別是用以為所述設備 (101)供電。
24.根據權利要求23的系統，其特徵在於，所述電源單元至少部分的由所述仿真單元所包括。
25.根據權利要求23的系統，其特徵在於，所述電源單元分離於所述仿真單元來實現， 特別是以分離於所述仿真單元的車輛的形式來實現，比如以機動車輛、航空器、軌道車輛和 /或船舶的形式，並且/或者所述電源單元和所述仿真單元以不同車輛類型的形式來實現。
26.根據權利要求20到25的任意一項的系統，其特徵在於，所述系統包括至少一個振 動生成機構(112)，其中振動可特別通過所述振動生成機構(112)傳遞到所述仿真單元和/ 或所述仿真單元的驅動單元上，並且/或者在次聲範圍中、在可聞範圍中、在不可聞範圍中 以及/或者在超聲範圍中的振動可由所述振動生成機構(112)來生成。
27.根據權利要求26的系統，其特徵在於，所述振動生成機構(112)操作性地連接到所 述第一控制和/或調節單元(105)、第二控制和/或調節單元(113)，第二致動器(107)以 及/或者負載(111)。
28.一種用於仿真至少第一致動器的方法，其中所述方法包括提供至少第二致動器 (7,107)和操作性地連接到所述第二致動器(7、107)的至少一個電氣網絡(3、103)，用以仿 真所述第一致動器的至少一個阻抗，特別是通過提供根據權利要求1到19的任意一項的 設備(1)，以及通過作為所述第一致動器的至少第二參數的函數來調節所述電氣網絡(3、 103)的至少第一參數。
29.根據權利要求28的方法，其特徵在於，所述第二參數通過所述第一致動器的至少 一個模擬來確定，特別是通過有限元方法(FEM)模擬，通過所述第一致動器的至少一個解 析建模以及/或者通過對來自當前系列的所述第一致動器的至少一個原型樣機和/或副本 的至少一次測量，而且/或者所述第一致動器的至少一個傳遞因子(X、Y)被確定為第二參 數。
30.根據權利要求28或29的方法，其特徵在於，對所述第一參數的調整包括優選地通 過操作性地連接到所述第二致動器(5)和/或電氣網絡(3)的第一控制和/或調節單元 (5)，對至少一個電容值，特別是電氣網絡(3)的至少第一電容排布(C)和/或至少第二電 容排布(Cn)的電容值，對至少一個電感值，特別是電氣網絡(3)的電感排布(Lm)的電感值， 以及/或者對至少一個電阻值，特別是至少第一電阻排布(R)和/或至少第二電阻排布αυ 的電阻值進行調整。
31.根據權利要求28到30的任意一項的方法，其特徵在於，所述第二致動器(7)用於 特別是通過應用至少控制信號到所述第二致動器(7)，在第一參數的調整之後進行至少第 一，特別是平移和/或旋轉移動，優選地沿至少第一預先確定的軌跡，其中第二移動，特別 是所述第一致動器的平移和/或旋轉移動，特定地被第一移動所仿真。
32.根據權利要求31的方法，其特徵在於，所述控制信號經由所述電氣網絡(3、103)和 /或至少一個電子控制電路(9、109)被應用於所述第二致動器(7、107)。
33.根據權利要求31或32的方法，其特徵在於，所述第一致動器的至少第三參數由所 述第二致動器(7、107)的第一移動的估算/分析所確定，其中在一方面所述控制信號的至 少一個電壓值、至少一個頻率值和/或至少一個電流值與，在另一方面，經由所述第二致動 器建立的至少一個力以及/或者所述第二致動器(7、107)的至少一個性能值的至少一個偏 轉值、至少一個加速度值、至少一個力值之間的至少一個上下文被特別地被確定作為第三 參數。
34.根據權利要求31到33的任意一項的方法，其特徵在於，在第一移動期間至少一個 負載(11U1M11)被應用於所述第二致動器(7,107) 0
35.根據權利要求31到34的任意一項的方法，其特徵在於，所述電氣網絡(3、103)的 至少第四參數在進行所述第二致動器(7、107)的第一移動之前、期間和/或之後，特別是作 為第三參數以及/或者應用於所述第二致動器(7、107)的負載(11、11』、111)的函數而被 改變。
36.根據權利要求35的方法，其特徵在於，所述第四參數對應於第一參數並且/或者所 述第二電阻排布(RJ的至少一個電阻值作為第四參數而被改變。
37.根據權利要求33到36的任意一項的方法，其特徵在於，所述第三參數被用於執行 模擬，特別是對所述第一致動器的有限元方法(FEM)模擬和/或所述第一致動器的至少一 種解析建模，特別是以使得所述模擬和/或建模適配用於確定第二參數，以及/或者第三參 數被用於改變電氣電子控制電路(9)的至少第五參數。
38.根據權利要求28到37的任意一項的方法，其特徵在於，至少一個壓電致動器、至少 一個內燃機、至少一個電動機、至少一個電磁鐵、至少一個靜電致動器、至少一個磁阻致動 器以及/或者至少一種電活性聚合物作為第一致動器而被仿真。
39.根據權利要求28到38的任意一項的方法，其特徵在於，至少一個壓電致動器(7)、 至少一個內燃機、至少一個電動機(107)、至少一個電磁鐵、至少一個靜電致動器、至少一個 磁阻致動器以及/或者至少一種電活性聚合物被提供作為第二致動器。
40.根據權利要求28到39的任意一項的方法，其特徵在於，所述第一致動器的性能特 徵，比如機械性能、振動特徵，比如在可聞和/或不可聞範圍中的振動，以及/或者驅動特 徵，比如移動的恆定性，通過仿真來進行仿真。
41.根據權利要求28到40的任意一項的方法，其特徵在於，除對所述第一致動器的仿 真之外，至少與所述第一致動器操作性地間接連接的至少一個附加單元，比如至少一個傳 動器、至少一個制動器以及/或者耦合器通過所述方法來進行仿真。
42.根據權利要求41的方法，其特徵在於，通過影響第一參數、第二參數和/或第四參 數以及/或者通過第一控制和/或調節單元(5、105)來執行對附加單元的仿真。
43.根據權利要求28到42的任意一項的方法，其特徵在於，特別是通過影響第一參數、 第二參數和/或第四參數，優選地作為存儲於第一控制和/或調節單元內的致動器簡檔的 函數，在仿真過程中對不同的第一致動器進行仿真。
全文摘要
本發明涉及一種用於仿真至少一個第一致動器的設備，包括可連接到至少一個控制電子電路的至少一個電氣網絡，其中電氣網絡通過至少一個第一控制和/或調節單元操作性地連接到至少一個第二致動器，而電氣網絡的至少一個第一參數可通過第一控制和/或調節單元來改變，以及涉及一種用於仿真至少一個第一致動器的方法。
文檔編號G06F17/50GK101874313SQ200880117793
公開日2010年10月27日 申請日期2008年10月10日 優先權日2007年10月11日
發明者貝爾迪克特·舍默爾 申請人:貝爾迪克特·舍默爾