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.