用于仿真致动器的设备和方法

专利名称：用于仿真致动器的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于仿真至少第一致动器的设备以及用于仿真第一致动器的方法，特 别是通过根据本发明的设备。
背景技术：
不同负载情况可被其通过致动器所仿真的设备在现有技术中是已知的。例如，JP 04140080A公开了一种用于对超音速引擎进行磨损测试的设备和方法。压电振荡器被使用 以将振动施加到与由引擎驱动的转子滑动接触的定子之上。这样使得可以对磨损情况进行 仿真，就像其发生在实际情况中一样。类似的磨损测试机制可自JP 2005164369A中找到。被测试元件由重力按压紧靠 转子。紧靠转子的测试元件的接触压力从而由包含振荡器的压电元件所改变。然而，这些已知于JP 04140080A以及JP 2005164369A中的设备不允许确定致动 器(特别是压电致动器)开发所需的数据。

发明内容
本发明提供用于仿真计划的第一致动器的设备和方法，其使得以简便而成本有效 的方式做出对涉及计划的第一致动器的行为的预测成为可能。特别是，提供一种设备和方 法，其使得可以独立于生产容差来尽可能综合地来模拟计划的第一致动器的行为。根据本发明的示例性实施方式，提供一种用于仿真至少第一致动器的设备，包括 至少一个可连接到至少一个电子控制电路的电气网络，其中电气网络通过至少第一控制单 元操作性地连接到至少第二致动器，并且其中此电气网络的至少第一参数可由第一控制单 元所改变。致动器，特别是压电致动器的开发可以采用不同的方法解析建模、有限元方法 (finite element method，简写为FEM)、模拟以及通过原型样机测试。每种方法具有它的优 点解析建模允许对致动器的基本机构中的最多洞悉。然而，知晓并对全部起作用的效应建 立模型可能是困难的或者也是不可能的。FEM模拟使得易于执行参数变化以及模拟到连接到致动器的负载的摩擦锁定动力 传输。然而，模拟可能因此只能与其所基于的模型一样良好。例如，目前的模拟程序(ANSYS， ABAQUS)，例如，不能够模拟压电陶瓷的非线性效应。对原型样机的测试允许在现实中对在两种前面的方法中所做出的假设进行快速 的和实用的测试。然而，分别由生产或者材料造成的原型样机容差通常不能被完全探测出 来。由于费用和时间原因，此外一般地不能完全检查致动器。通常仅几个致动器(偶尔仅单独一个致动器)被模拟、装配并测量。
由此可特别地对第一致动器做出规定，以包括至少一个压电致动器、至少一个内 燃机、至少一个电动机、至少一个电磁铁、至少一个静电致动器、至少一个磁阻致动器以及/ 或者至少一种电活性聚合物。在之前描述的实施方式的情况中，可对第二致动器做出规定以包括至少一个压电 致动器、至少一个内燃机、至少一个电动机、至少一个电磁铁、至少一个静电致动器、至少一 个磁阻致动器以及/或者至少一种电活性聚合物。本发明还提出第一致动器和第二致动器 包括不同的作用机构。还对第二致动器提出特别是通过至少第一连接设备能够连接到至少一个可由第 二致动器所驱动的负载。在之前提到的可替代情况中，本发明提出第一连接设备以至少一 个可互换尖端的形式来实施。根据本发明进一步能够使第二压电致动器包括至少一个压电叠置致动器以及/ 或者使第二压电致动器包括至少两个压电驱动机构成为可能。本发明的特定的实施方式提供第二致动器操作性地连接到至少一个传感器，例如 连接到至少两个传感器，用于检测第二致动器在至少一个空间方向上(例如在至少两个方 向上，特别是正交空间方向上)的至少一个偏转，以及/或者用于检测第一连接设备的至少 一个轨迹。在之前提到的实施方式的情况中使得传感器包括至少一个非接触式，例如电容 性、电感性以及/或者光学的，特别是干涉型范围传感器。本发明此外提出第二致动器包括至少一个共振频率，其等于或大于第一致动器的 至少一个共振频率。本发明的特定的实施方式提供包括无源部件和/或有源部件的电气网 络。本发明此外提供电阻抗，特别是第一致动器的电气输入阻抗，能够由电气网络所 仿真，例如使设备包括响应于第二致动器的控制的第一致动器的电阻抗，特别是通过电子 控制电路来控制。本发明的特定的实施方式提供电气网络，包括至少一个基本单元以包括至少第 一，例如可变电容排布，特别是包括至少一个电容器，以及可并联连接到第一电容排布的串 联连接，包括至少一个，例如可变电感排布，特别是包括至少一个线圈、至少一个，例如可变 第二电容排布，特别是包括至少一个电容器和/或至少第一，例如可变电阻排布，特别是包 括至少一个电容。对于两种之前提到的实施方式，本发明提出使电气网络包括至少两个或多个基本 单元，其中至少两个基本单元相互并联连接。本发明还提出基本单元以及/或者基本单元的至少一个包括至少第二例如可变 电阻排布，其中例如第二电阻排布包括至少一个半导体部件，比如晶体管，例如至少一个场 效应晶体管，特别是以至少一个MOSFET的形式。根据本发明的设备此外的特点在于，作为第一参数，基本单元以及/或者至少一 个基本单元的第一电容排布以及/或者第二电容排布的至少一个电容值、电感排布的至少 一个电感值和/或第一电阻排布以及/或者第二电阻排布的至少一个电阻值，为可变的，特 别是在第二致动器的控制和/或移动之前或期间按时间顺序可变。在这种实施方式的情况中，使第一电容排布和/或使第二电容排布包括至少两个或多个特别地可相互并联连接的单独的电容器，使电感排布包括至少两个或多个特别地可 相互串联连接的单独的电感器，以及/或者使第一电阻排布和使第二电阻排布包括至少两 个或多个可相互串联和/或并联连接的欧姆性单独的电阻器是可能的，其中至少两个单独 的电容器，例如，具有不同的电容值，至少两个单独的电感器具有不同的电感值以及/或者 至少两个欧姆性单独的电阻器具有不同的电阻值，以及/或者单独的单容器、单独的电感 器以及/或者单独的电阻器的互连可由第一控制单元，特别是通过影响至少一个由第一电 容排布、第二电容排布、电感排布、第一电阻排布以及/或者第二电阻排布所组成的电路所 改变。本发明还提出使第一控制单元包括至少一个微控制器并且/或者操作性地连接 到电子控制电路、第二致动器、传感器和/或负载。最后，根据本发明的设备的特点在于至少第二控制单元，其操作性地连接到电子 控制电路、第一控制单元、第二致动器、传感器以及/或者负载，其中第二控制单元例如包 括至少一个计算机终端。本发明此外提供系统用于仿真至少第一致动器，包括至少一个仿真单元，其包括 至少一个根据本发明的设备。本发明从而提出不同的致动器，其可用于仿真单元中，特别是 用于驱动仿真单元的至少一个驱动单 元，使其能够被设备所仿真。对于系统，本发明还提出使仿真单元为可移动的，特别是使仿真单元的至少一个 驱动单元能够被设备的第二致动器所驱动，其中仿真单元可例如以至少一个机动车、至少 一个飞机、至少一个轨道车辆以及/或者至少一个船舶的形式来实施。本发明另外提出使系统进一步包括至少一个电源单元，其中电源单元可操作性地 连接到仿真单元，特别是用于为设备供电。在第一替代的实施方式中，可由此对电源单元做 出规定以使其至少由仿真单元部分地包括。在第二替代的实施方式中，可对电源单元做出规定使其相对于仿真系统分离地实 施，特别是以可以与仿真单元分离的车辆形式来实施，例如以机动车、飞机、轨道车辆和/ 或船舶的形式来实施，以及/或者使电源单元以及仿真单元以不同车辆类型的形式实施。对系统的发明另外提出使系统包括至少一个振动生成机构，其中振动可被传递到 仿真单元和/或仿真单元的驱动单元，特别是通过振动生成机构，并且/或者在次声范围、 在可闻范围、在不可闻范围和/或在超声范围中的振动可由振动生成机构所生成。根据本发明的系统的特点还在于振动生成机构可操作性地连接到第一控制单元、 第二控制单元、第二致动器以及/或者负载。本发明此外提供用于仿真至少第一致动器的方法，其中方法包括提供至少第二致 动器和至少一个可操作性地连接到第二致动器的、用以仿真第一致动器的至少一个阻抗的 电气网络，特别是通过提供根据本发明的设备和通过将电气网络的至少第一参数作为第一 致动器的至少第二参数的函数来调整。因此可以特别规定通过第一致动器的至少一个模拟 来确定第二参数，特别是有限元方法(FEM)模拟，通过第一致动器的至少一种解析建模以 及/或者通过至少一种测量，特别是对于至少一个原型样机的测量以及/或者可从电流串 联得到的第一致动器的拷贝的测量所确定的第二参数，以及/或者对被测定作为第二参数 的第一致动器的至少一个传递因子进行。在两种之前提到的替代的实施方式的情况中，进一步提出对第一参数的调整以包括对下列的调整至少一个电容值，特别是电气网络的至少第一电容排布和/或至少第二 电容排布的电容值，至少一个电感值，特别是电气网络的电感排布的电感值，以及/或者至 少一个电阻值，特别是至少第一电阻排布和/或至少第二电阻排布的电阻值，例如通过可 操作性地连接到第二致动器和/或电气网络的第一控制单元。
对根据本发明的方法还提出使第二致动器进行至少第一特别是平移和/或旋转 移动，跟随对第一参数的调整，例如沿着至少第一预先确定的轨迹，特别是通过施加至少控 制信号到第二致动器，其中第二移动，特别是第一致动器的平移和/或旋转移动，特别地被 第一移动所仿真。由此特别地使控制信号经由电气网络以及/或者至少一个电子控制电路 被施加于第二致动器成为可能。在之前提到的实施方式的情况中，本发明提出第一致动器的至少第三参数通过对 第二致动器的第一移动的评估/分析所确定，其中一方面，控制信号的至少一个电压值、至 少一个频率值以及/或者至少一个电流值，以及，另一方面，至少一个偏转值、至少一个加 速度值、经由第二致动器建立的一个力的至少一个力值以及/或者第二致动器的至少一个 性能值之间的至少一个上下文，可被确定特别是作为第三参数。根据本发明的方法可进一 步具有至少一个负载在第一移动中可被施加到第二致动器的特点。本发明还提出使电气网络的第四参数在进行第二致动器的第一移动之前、期间和 /或之后被改变，特别是作为第三参数和/或施加于第二致动器的负载的函数。可以进一步进行规定使第四参数对应于第一参数以及/或者使第二电阻排布的 至少一个电阻值作为第四参数而被改变。对方法的发明还提出使第三参数被使用以执行模拟，特别是第一致动器的有限元 方法(FEM)模拟以及/或者第一致动器的至少一种解析建模，特别是使模拟和/或建模适 配于对第二参数的确定以及/或者使用第三参数来改变电气电子控制电路的至少第五参 数。本发明另外提出至少一个压电致动器、至少一个内燃机、至少一个电动机、至少一 个电磁铁、至少一个磁阻致动器以及/或者至少一种电活性聚合物作为第一致动器被仿
直
ο可进一步为至少一个压电致动器、至少一个内燃机、至少一个电动机、至少一个电 磁铁、至少一个磁阻致动器以及/或者至少一种电活性聚合物做出规定以使其被提供作为
第二致动器。根据本发明的方法的特征在于第一致动器的性能特征，比如机械性能、振动特征， 比如在可闻和/或不可闻范围的振动，以及/或者驱动特征，比如移动的恒定性，通过仿真 来进行仿真。除了第一致动器的仿真之外，可以至少操作性地间接连接到第一致动器的至少一 个额外的单元，比如至少一个传动器、至少一个制动器和/或耦合器，可以通过本方法进行仿真。本发明此外提出通过影响第一参数、第二参数和/或第四参数以及/或者通过第 一控制单元来对额外单元进行仿真。最后，本发明提出不同的第一致动器在仿真过程中被仿真，特别是通过影响第一 参数、第二参数和/或第四参数，例如作为存储于第一控制单元中的致动器简档的函数。
本发明因此基于以下令人惊讶的实现计划的第一致动器的开发可被简化以及关 于此计划的第一致动器的行为的更佳预测可在同时做出，原因是提供了用于仿真第一致动 器的设备和方法，在其中待仿真的第一致动器或致动器的，被发现在解析或FEM描述或通 过测量原型样机得到的相应的参数，被传递到包含可再现行为的机械系统之中。分别用于 仿真或模拟的设备因此包括经由第一控制单元，比如微控制器，相互连接的电气和机械部 分。
具有电气网络形式的电气部分服务于模拟被仿真的第一致动器的阻抗的目的，而 包括第二压电致动器的机械部分模拟致动器相对于与被控制物体(=负载)的接触点的移动。与模拟相反，甚至不能够被模拟程序所检测到的效应，比如压电陶瓷的非线性效 应，也被通过根据本发明的设备和根据本发明的方法相应地仿真或模拟。这样的原因是在 PC上的模拟由虚拟系统进行，而按照根据本发明的设备以及根据本发明的方法，对计划的 第一致动器的行为的模拟由仿真器来进行，该仿真器包括现实的致动器、功能致动器以及 现实的、电子地可变阻抗。在根据本发明的方法的实施方式的情况中，可对下列进程做出规定分别通过解 析或FEM运算，或者通过测量计划的致动器的原型样机而获得的、计划的，特别是压电致动 器的电动等效电路图被计算并传递到特别包含至少一个微控制器并随后相应地适配于电 气网络的第一控制单元。电气网络与第二，特别是压电致动器间的耦合可由计算出的转换 器常数来预先确定(如果希望)。因为两个仿真器部分不被刚性地连接的事实，它们也可以 被相互完全独立的使用。第二致动器的移动，特别是可连接到第二压电致动器的尖端的移动，可被预先设 定用以进行计划的致动器的仿真。第二致动器或者尖端的移动分别可被传感器检测。因此 穿过任何轨迹都是可能的。相较于计划的致动器的原型样机的测量，在第二致动器的形式中的、分别在现实 的或者仿真的致动器处穿过相应的轨迹，提供的可能性在于，仿真器的生产容差得到补偿 并且不会有任何结果。特别是，不同的特征，比如现有致动器的力、刚性以及移动次序可被 模拟(仿真)而新的致动器的特征可进一步被预测。此外，负载相关力可被检测并且可被 返回到电气网络之中(在最简单的情况中作为可调整衰减)。本发明因此简化了致动器，特别是压电致动器的开发，因为关于计划的致动器的 预计的行为的信息可以以相对简单的方式来获得，并且因为它的行为可被相应地适配。例 如，计划的压电致动器的电子控制电路可在例如由仿真获得的数据的基础上被适配，从而 确保在频率范围内对计划的致动器的控制。特别是，计划的，特别是压电致动器的磨损迹象 可因此被最小化，因为待移动的(由于致动器的不充分偏转造成)致动器与负载间的磨损 的出现可因此被避免。用于开发用于例如医疗技术的新颖仪器的压电致动器的设计过程，可进一步被设 计的更加高效。特别是压电驱动在腔内机械臂的狭小有效结构容积的情况中包含可能性。 然而，相较于电动力致动器，对压电驱动的设计过程可能相当地更加大规模和更加复杂。由 于之前提到的原因，本发明导致重大的可能性，特别在用于医疗技术设备的压电致动器的 开发的情况中。
包括在20mm/s的5N的性能数据的致动器迄今还不是已知的，特别是在理想的 40kff/m3的功率密度与大约IOOOmm3的有效结构容积的组合中，所以它们必须从根本上被重 新开发。具体而言，作为致动器开发过程(其基于模拟或者建模过程)的当前开发过程中 所具有的弱点分别地不够充分，特别是，通过本发明可以克服模拟和实际情形之间的致动 器的机械耦合。


本发明的进一步特点和可能性由随后的描述中产生，其中本发明的示例性实施方 式将通过示意附图而被更加详尽的阐明。图1示出根据本发明的设备的示意框图；图2a示出在基于发明的，包括以平移的方式移动的负载的设备之上的透视顶视 图；图2b示出在基于图2a的发明的，包括以旋转方式移动的负载的设备之上的透视 顶视图；图3分别示出在图2a或图2b的设备之上的顶视图；图4a示出一般致动器的转换器等效电路图；图4b示出压电致动器的转换器等效电路图；图5示出根据本发明的设备的电气网络的第一实施方式；图6示出根据本发明的包括可调节电阻器的设备的电气网络的第二实施方式；图7示出图6的电气网络的可调节电阻器的可行实现的电路图；图8示出可被用在根据本发明的设备中，用于调节不同电容值的电容器排布的电 路图；图9示出可被根据本发明的设备的第二压电致动器所通过的不同的轨迹的应用； 以及图10示出根据本发明的设备的进一步实施方式的框架示意图。
具体实施例方式根据本发明的设备和根据本发明的方法将通过压电致动器的仿真由图1至图9所 明确。图1示出以仿真器1形式的、根据本发明的设备的示意性设计。仿真器特别地服 务于分别地仿真特别是仍处于开发中的第一压电驱动或致动器的行为。为了仿真待仿真的第一压电致动器或压电致动器的行为，仿真器1包含经由微控 制器5形式的第一控制单元连接到第二压电致动器7的电气网络3。电气网络3可连接到 电子控制电路9。第二压电致动器7可进一步连接到负载11。仿真器1此外分别包含具有 计算机终端或PC 13的形式的第二控制单元。尽管图1只标明用于PC 13与微控制器5进 行通信的一种可能，但PC 13使得可以经由未示出的连接由控制电子电路9来生成用于仿 真器1的控制信号。如将在以下被明确的，仿真器1使得对在之后的应用中连接到电子控 制电路9和负载11，而不是仿真器1的第一压电致动器的行为的模拟成为可能。
图2a示出在图1的仿真器1的可行实现形式之上的顶视图。用于可调节电阻抗 的电子器件以及用于控制致动器和范围传感器的电子器件被容纳于图2中所示出的总体 设计之中。如在图2a中可见，第二压电致动器7由此包括基本驱动体15，对此设置有叠置 致动器17形式的两个压电驱动机构。压电致动器7可与负载11相接触，特别是用于通过 未在图2a中标明的可互换尖端形式的连接设备而移动负载11。示出于图2a中的负载11 分别由仿真器1或第二致动器7以平移的方式移动。图2b示出包括负载11，的图2a的仿真器1的组合。负载11，为将以旋转方式被 移动的负载。相反于基本上为针形的负载11，负载11’为碟形。负载11、11’可特定地为陶瓷元件，同时连接设备能够以可互换金属尖端的形式来 实施。用于容纳电气网络3以及微控制器5的外壳19被布置在基本驱动体15之下。在外 壳19中排布的元件可经由端口 21，例如USB连接，而连接到未在图2a和图2b中示出的PC 13。通过图3，图2a和图2b的第二压电致动器7的运行模式将在以下明确。特别地， 图3示出具有可互换金属尖端23形式的连接设备，其可以与未在图3中示出的负载接触。 在图3中示出的压电致动器7特别地为致动器的仿真提供与负载的点状或线状接触。如已 在上面提到的，压电致动器7基本上包括在其中使用两个压电叠置致动器的机构。叠置致 动器17可相互独立地运行。为了使可互换尖端23能够分别通过多个不同移动或轨迹，叠置 致动器相互独立运行并不在共振中。特别是，压电致动器7被以这样的方式设计使得尖端 可进行圆环形的、对称的移动，其中尖端23离开待机位置的偏转可在10 μ m的范围内。为 了使得第二压电致动器7能够分别通过预先设定的移动或轨迹，可以做出规定使得尖端23 或者叠置致动器17的移动的调节分别在除仿真器1的叠置致动器17的纯控制之外进行。 特别是，这样的调节是必要的，以便观察移动变化，该移动变化可以响应于穿过预定轨迹而 从尖端的负载所发生的改变中得到。当进行这种调节时，做出规定使得压电致动器7包含可特别地以电容范围传感器 的形式被实现的传感器。这些未在图3中示出的传感器，使得可以以准确到数纳米来检测 尖端23的移动。传感器的使用此外提供能够在一检测到尖端23的移动就计算出尖端23的 速率和加速度。通过这些变量的知识，接下来可以特别地响应于与负载的接触而计算出施 加在尖端23上的力，并且从中计算出功率，该功率必须施加从而执行尖端23的期望移动。因为之前提到的压电致动器7的设计，任凭尖端23的移动的部分地极高的频率， 可在大约IOOkHz的范围内的调节通过由多个支撑位置预先设定的轨迹为顶端23的移动提 供初始调节，使得，由于范围、速率和加速度的已知数值，不但可以以单独振荡过程的平均 值来确定轨迹，而且还可以精确地并且针对每一次的通过来保持每个单独的轨迹。使得计划的压电致动器的行为由现实存在的第二压电致动器7所分别地模拟或 仿真是本发明的中心思想，其中电气网络3服务于模拟第一压电致动器的电气特征的目 的，特别是为控制电气电路9提供计划的压电致动器的电阻抗。在示出于图4a中的转换器 等效电路图的基础上，示出于图4b中的、分别用于压电转换器或者致动器的简化的转换器 等效电路图可被假定用于确定电气网络3的参数。根据示出于图4a中的转换器等效电路图，具有电压u(t)和电流i(t)形式的控制 信号被施加于电气网络51。电气网络51分别结合转换器或者致动器的电气特征。电气网络
1251经由耦合四极53连接到机械网络55，该机械网络55使得生成力F(t)形式和速度v(t) 形式的输出信号。该转换器等效电路图允许分别描述任意变换器或致动器，其中电气网络 可包含电容特征、电感特征以及欧姆电阻特征。响应于转换入现实的网络，这些可由有源以 及/或者无源部件所实现。例如，电气网络可包括引擎控制的复制用以仿真电动机。通过 耦合四极53，被应用在电气网络51的输出的电压信号u和电流信号i到速度值ν和力值F 的转换通过平移耦合因子X和回旋耦合因子Y来进行。在用于压电致动器的图4b的转换器等效电路图中，输入电容C代表计划的致动器 的电容，同时顺从(compliance)!!代表跟随h的机械接触，而质量m以简化的方式代表计划 的致动器的机械特征。Y代表压电致动器的转换器常数，其中它可被确定，根据

Se在此代表在恒定电场的情况中压电致动器的扩展，d代表压电电荷常数，亦即， 每个电压单位的压电致动器的扩展，l 。h代表压电材料的厚度而Ael代表连接到压电材料的 电极的表面积。从而假设Ael · Iel = Amech · Imech适用，其中Iel代表压电元件的电极间的距离而Ame。h代表压电材料的表面积。转换 器常数Y因此基本上由几何特征和计划的压电致动器的压电陶瓷的特征所预先确定，并可 分别由计划的压电致动器的模拟计算或者测量原型样机来确定。图5示出图4的转换器等效电路图的电子实现。图5中示出的电路代表电气网络 3的可行实施方式，其中电路代表基本单元。这种基本单元特别包括具有电容器C形式的第 一电容排布，其与具有电感Lm形式的第一电感排布、具有电容Cn形式的第二电容排布以及 具有欧姆电阻R形式的电阻排布的串联连接并联切换。电气网络3的电路阐明压电致动器 为回转器。这意味着压电致动器代表双逆变器，因此存在响应于电容性输出负载的电感性 输入行为，同时存在响应于电感性输出负载的电容性输入行为。当进行计划的压电致动器的仿真时，电气网络3的第一参数按照根据本发明的方 法被初始地调整。对此，特别是电容C、cn、电感LmW及电阻R被调整。特别是，这在仿真过 程进行之前被进行一次，其中这些数值可特定地从待开发的压电致动器的转换器常数Y中 被确定。为了确定电气网络3的参数，在仿真之前已知的、计划的致动器的额外的参数可被 作为对其的替代或附加而使用。转换器常数特定地由第一压电致动器的模拟计算所确定或 者通过测量第一压电致动器的原型样机所确立。电气网络3特别地被调整使得转换器常数 经由PC 13被传递至微控制器5，微控制器5随后进行电气网络3的单独元件的相应的适 配。响应于计划的第一压电致动器的随后的仿真，用于沿预先设定轨迹移动第二压电致动 器7的相应的信号经由电子控制电路9被应用于仿真器。这使得到目前为止尚未被模拟的 第一压电致动器的移动图案由第二压电致动器7所通过，从而使第二压电致动器7模仿计 划的压电致动器的移动成为可能。通过仿真器1，可以确定在预先设定控制信号处的计划的 第一压电作动器的预测的反应。图5中示出的电气网络的实施方式代表用于调整仿真器1的静态参数的基本形 式。在未示出出的实施方式中可做出规定使得电气网络包含多个串联连接的基本单元，如 它们在图5中被示出的。这样特别地，不但能够仿真第一压电致动器的一个共振频率，而且还能够通过仿真器1来仿真更高的谐波共振。仿真器1进一步能够分别仿真或模拟第一压电致动器的负载状态。这样的模仿特 别地由图6中所示出的电气网络的扩展所实现。具有可变电阻民形式的第二电阻排布被集 成到电气网络3之中。为了能够仿真压电致动器，可变电阻&的电阻值在由微控制器5进 行的仿真过程中被改变。这种改变可特定地由于尖端的距离测量可得的数据而做出。如已 在上面解释的，距离测量使得可以计算尖端的速度和加速度，从中，特别是利用应用到尖端 的负载的知识，可以计算在尖端上施加的力以及移动该尖端所必须的功率。这使得可以执 行对具有电气网络形式的仿真器的电子侧的反馈，其中负载作为可变电阻容纳于电气网络 中。负载影响或振荡负载例如可由此被模仿。可以通过仿真处理来进一步确定不能被确定 或者通过模拟或测量第一压电致动器的原型样机而进行不充分确定的计划的第一压电致 动器的至少第三参数。这可以是例如涉及计划的致动器的压电陶瓷的非线性效应的参数。 以这样的方式被确定的第三参数可特别地被使用，以便被用于计划的第一压电致动器的更 新的模拟，以便提供对计划的第一压电致动器的更精确的模拟。图7和图8示出可变电阻RJ图7)以及图5和图6的电路的电容排布(图8)的 实现的可能性。根据图7的可变电阻Rl通过受控的半导体，例如MOSFET而实现。根据图 8，图5和图6的电路的相应的电容排布可通过单独的电容器C” C2, C3、C4的网络而实现。 例如，电容器C1可包含1 μ F的电容值、电容器C2可包含2 μ F的电容值、电容器C3可包含 4μ F的电容值以及电容器C4可包含8μ F的电容值。不同电容值可通过电路Sp S2、S3、S4 的合适的致动而被以这样的方式实现。响应于电路S4和S1的致动，由此可调节出5 μ F的 电容值。从这里清楚显示出，电容排布C、Cn或电感排布Lm，相应地，以及电阻排布R可从电 阻器、电容器和/或电感器的可变地切换的网络中被实现。通过适当地切换网络的元件，通过第一压电致动器的解析描述或者通过第一压电 致动器的模拟获得的计划的压电致动器的阻抗可以通过电气网络3来模仿。尽管电气网络3的设计在上面通过无源部件所描述，但有源部件也可在电气网络 3中使用。图9示出可被尖端23追踪的示例性轨迹。轨迹(a)代表圆环形对称移动。但是， 任意其他轨迹也可在平面之内被追踪。例如，轨迹(b)示出椭圆形状，其中响应于仿真过程 的轨迹可不为静态，而也可以在时间上改变，例如，可顺时针旋转或者可以改变它的形状。总结来说，仿真器1使得可以模仿任何的，特别是压电驱动。特别地，使用具有PC 13形式的第二调整和/或控制单元使得可以通过测量技术来检测不同驱动的简档，并且可 以使得简档存储在PC上，从而可以立即访问，使得在需要的时候加载到仿真器1上，特别地 加载到微控制器5中。仿真器1由此提供以下可能性即可以通过仿真器1来直接地模仿 希望的驱动，而没有它的其他特征，例如老化或磨损，而这对驱动的方针具有负面影响。特别是，仿真器1使得可以将仿真的焦点引导到计划的压电致动器的功能，而无 需考虑生产容差等等。特别地，致动器的相应功能是，计划的驱动可以达到什么样的移动幅 度，以及这些对于期望的使用是否足够；生产容差可能具有什么样的效应，以及致动器的磨 损可能会如何影响磨损接触。例如，对计划的压电致动器或者从当前系列产品中获取的致 动器的原型样机进行测量允许在测试运行(通过仿真器来进行)所进行的现实致动器情况 下发生的容差的相关声明。之前提到的新颖的致动器系统可被分别模仿或仿真，特别是当
14使用包含相应地高截止频率或高共振频率的第二压电致动器时。尽管根据本发明的方法和根据本发明的设备由图1到图9通过压电致动器的仿真而被描述，但本发明不限定于这样的致动器的仿真。例如，根据本发明的设备和根据本发明 的方法提供对任意驱动的仿真，例如此外对内燃机、电动机、电磁铁、静电致动器、磁阻致动 器或者电活性聚合物的仿真。这些致动器的仿真因此不限定于致动器被仿真的情形，其中 在该情形中第二致动器或者仿真致动器分别为具有相同的运行原理的致动器。例如，可以 通过第二致动器或者具有电机形式的将被仿真的致动器来分别仿真第一致动器或者具有 内燃机形式的将被仿真的致动器。因此，正被仿真的或被仿真过的致动器或驱动分别必须 不包含相同的设计、配置或者相同的运行原理。然而，必须考虑参考例如将机械性能耦合到 负载或耦合到通往控制电子器件的电连接的定义端口或变量/特性的技术数据或者特征。 第一致动器或仿真过的致动器分别以及正被仿真的致动器或第二致动器分别仅参照这些 定义端口必须为可比较的。正被仿真的致动器或者用于仿真的设备分别应该额外包含参考 于这些变量的相同的或改善的性能数据。从而，当不同致动器简档可被分别存储在第一或第二控制单元内时，并当这些不 同的致动器简档可因此被根据本发明的设备调用并被使用于仿真过程时，这尤其是可行 的。因此可特别地做出规定使不同致动器简档之间的变化可在仿真过程中被进行。这意味 着尤其是电气网络的相应的参数作为被载入控制单元的致动器简档的函数被适配。不同致 动器简档的存储可提供对用于评估性能的不同驱动可备选的选择。例如，可以做出规定使 不同致动器由根据本发明的设备所仿真并且使合适的致动器被选择为通过“反复试验”发 现满足特定要求的致动器。根据本发明的设备或者根据本发明的方法的这种特征分别提供以下可能性使得 可以不必将所需致动器或者客户要求的致动器构建到最终设备中，从而检查最终设备的特 征。例如，根据本发明的设备可被集成于包括仿真单元的系统中。仿真单元因此特别地为 相应的最终设备，比如机动车辆。代替于将特定致动器安装到最终设备中，根据本发明的设 备可以构建到仿真单元中，通过这样，分别被提供用于最终设备(例如引擎车辆)的致动器 或者驱动备选可以被模拟。这种未向客户销售的仿真单元可以模仿所有提供的驱动备选的 特征。为了这个目的，可被建立于仿真单元之内的根据本发明的设备可包含图10中所 示出的设计。具有仿真器101形式的、根据本发明的设备包含电气网络103、具有微控制器 形式的第一控制单元105以及第二致动器107和第二控制单元113。仿真器101接收由 电子控制电路109产生的控制信号，并将机械性能传递到负载111，比如仿真单元的驱动单 元。第二仿真器107可特别地为电动机。然而，仿真器101适合于不但模仿包含与第二致动 器107相同的结构类型的致动器，而且还可以例如通过仿真器101来仿真内燃机。当将仿 真器101安装至具有机动车辆的形式的仿真单元中时，不同的驱动备选在测试驾驶机动车 辆的同时可被调整，使得机动车辆的驾驶员可测试驱动的不同备选，例如4汽缸驱动或V12 驱动。为了不影响仿真系统或仿真单元特别是车辆的特征，可做出规定使系统包含被实施 为从仿真单元分离的电源单元。例如，机动车辆的特征，比如车辆的加速度，可被电源单元， 比如电池的重量和空间要求所影响，例如，响应于将马达作为第二致动器使用。为了避免这 样，可以将电源移除，从而例如设置在伴随的车辆中，其中仿真单元或仿真车辆以及电源单元例如通过线缆互相连接。因此，特别有积极意义的是，当伴随的车辆分别被仿真器参考相 对于仿真车辆的距离和相对速度来进行控制和调节时。然而，这样的系统不止提供已有驱动的仿真，而还可特别地被用以确定待开发的 驱动上的需求。例如，仿真器可被建立于仿真单元之内，因为仿真器的特征可被客户随机的 改变，特别是期望的性能和性能的细微差别可被确定。这些接下来可用于车辆，作为用于随 后构建车辆驱动的最终条件。因此，特别地，该系统的特征在于驱动备选的性能和性能细微 差别可以通过改变按照客观和/或主观标准来改变所递送的仿真器性能来确定。在不同驱动概念的仿真的情况中，特别是根据本发明的仿真器而言，可以使得附 加单元(例如制动器、耦合器或传动器)的特征也可以通过以下来仿真确定所得的影响以 及通过考虑根据本发明的设备的这些影响因素。在本发明的特定实施方式中 ，致动器101 可包含可特别地操作性地连接到第一控制单元105的振动生成机构112。这可以使得将要 仿真的可听和/或不可听范围内的附加振动在发生的时候(例如通过内燃机中活塞的移 动，扭矩波动或者致动器噪声)能够被模仿。直接的和客观的比较可特此在由仿真致动器产生的有用特征(比如力、扭矩和速 度)与可在机动车辆的车厢产生的寄生的或无用的特征(例如，噪声和机械振动)之间进 行。作为示例，仿真器101使奥托引擎与柴油引擎间的直接比较能够进行。在之前描述中、在权利要求中以及在附图中所公开的本发明的特性，单独的以及 任意组合，对于本发明的实现可为重要的。应该指出，词语“包括”、“包含”等不排除其他元件或步骤，而“一个”、“一种”等不 排除复数。并且结合于不同实施方式描述的元件可被组合。还应该指出，描述中的参考符号不应被诠释为限定权利要求的范围。参考标号表
权利要求
一种用于仿真至少一个第一致动器的设备(1、101)，包括可连接到至少一个电子控制电路(9、109)的至少一个电气网络(3、103)，其中所述电气网络(3、103)通过至少第一控制和/或调节单元(5、105)操作性地连接到至少第二致动器(7、107)，而其中所述电气网络(3、103)的至少第一参数可由所述第一控制和/或调节单元(5、105)所改变。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述第一致动器包括至少一个压电致动器、至 少一个内燃机、至少一个电动机、至少一个电磁铁、至少一个静电致动器、至少一个磁阻致 动器以及/或者至少一种电活性聚合物。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，所述第二致动器包括至少一个压电致动器 (7)、至少一个内燃机、至少一个电动机(107)、至少一个电磁铁、至少一个静电致动器、至少 一个磁阻致动器以及/或者至少一种电活性聚合物。
4.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，所述第一致动器和所述第二致 动器(107)具有不同的作用机构。
5.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，所述第二致动器(7)可以特别 地通过至少第一连接设备(23)而连接到可以被所述第二致动器(7)驱动的至少一个负载 (11,11')。
6.根据权利要求5的设备，其特征在于，所述第一连接设备以至少一个尖端(23)的形 式来实现，其优选地可以交换。
7.根据权利要求2到6的任意一项的设备，其特征在于，所述第二压电致动器(7)包括 至少一个压电叠置致动器(17)以及/或者所述第二压电致动器(7)包括至少两个压电驱 动机构(17)。
8.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，所述第二致动器(7)操作性地 连接到至少一个传感器，优选地到至少两个传感器，用以在至少一个空间方向中，优选地在 至少两个，特别是在正交的空间方向中检测所述第二致动器(7)的至少一个偏转，以及/或 者用以检测所述第一连接设备(23)的至少一个轨迹。
9.根据权利要求8的设备，其特征在于，所述传感器包括至少一个非接触式，优选地为 电容性、电感性和/或光学的，特别是干涉范围传感器。
10.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，所述第二致动器(7)具有至少 一个共振频率，其等于或高于所述第一致动器的至少一个共振频率。
11.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，所述电气网络(3、103)包括无 源部件和/或有源部件。
12.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，电阻抗，特别是所述第一致动 器的电气输入阻抗，能够被电气网络(3、103)仿真，优选地，所述设备(1)包含响应于所述 第二致动器(7)的控制的所述第一致动器的电阻抗，特别是通过电子控制电路(9)。
13.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，所述电气网络(3)包括至少一 个基本单元，该基本单元包括至少第一，优选地可变电容排布，特别是包括至少一个电容器 (C)，以及串联连接，其并联连接到第一电容排布(C)，包括至少一个，优选地可变电感排布， 特别包括至少一个线圈(Lm)，至少一个，优选地可变第二电容排布，特别是包括至少一个电 容器(Cn)以及/或者至少第一，优选地可变电阻排布，特别是包括至少一个电阻(R)。
14.根据权利要求13的设备，其特征在于，所述电气网络(3)包括至少两个，优选地多个基本单元，其中至少两个基本单元彼此并联连接。
15.根据权利要求13或14的设备，其特征在于，所述基本单元和/或基本单元中的 至少一个包括至少第二，优选地可变电阻排布(RJ，其中优选地第二电阻排布(RJ包括至 少一个半导体部件，比如晶体管，优选地至少一个场效应晶体管，特别是以至少一个MOSFET 的形式。
16.根据权利要求13到15的任意一项的设备，其特征在于，作为第一参数，所述基本单 元和/或基本单元中的至少一个的第一电容排布(C)和/或第二电容排布(Cn)的至少一 个电容值，电感排布(Lm)的至少一个电感值以及/或者第一电阻排布(R)和/或第二电阻 排布(RJ的至少一个电阻值，为可变的，特别是在所述第二致动器(7)的控制和/或移动 之前和/或期间按时间顺序可变。
17.根据权利要求16的设备，其特征在于，所述第一电容排布(C)和/或所述第二电 容排布(Cn)包括至少两个或多个单独的电容器(CpCyQ、C4),其可特别地彼此并联连接， 所述电感排布包括至少两个，优选地多个单独的电感，其可特别地彼此串联连接，以及/或 者所述第一电阻排布和所述第二电阻排布包括至少两个，优选地多个欧姆性单独的电阻， 其可特别地彼此串联或并联连接，其中至少两个单独的电容器(C1X2X3X4)优选地包含不 同的电容值，至少两个单独的电感包含不同的电感值以及/或者至少两个欧姆性单独的电 阻包含不同的电阻值，以及/或者单独的电容器(Cp C2, C3, C4)、单独的电感和/或单独的 电阻的互连可由第一控制和/或调节单元(5)来改变，特别是由影响可由所述第一电容排 布、所述第二电容排布、所述电感排布、所述第一电阻排布以及/或者所述第二电阻排布构 成的至少一个电路(Si、S2、S3、S4)来改变。
18.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，所述第一控制和/或调节单元 包括至少一个微控制器(5)并且/或者操作性地连接到所述电子控制电路(9)、第二致动器 (7)、传感器和/或负载(11、11’)。
19.根据之前权利要求的任意一项的设备，其特征在于，至少第二控制和/或调节单元 (13)操作性地连接到所述电子控制电路(9)、第一控制和/或调节单元(5)、第二致动器 (7)、传感器以及/或者负载(11)，其中所述第二控制和/或调节单元优选地包括至少一个 计算机终端(PC)。
20.一种用于仿真至少第一致动器的系统，包括至少一个仿真单元，该仿真单元包括至 少一个根据之前权利要求的任意一项的设备(101)。
21.根据权利要求20的系统，其特征在于，可以在所述仿真单元中特别地用于驱动所 述仿真单元的至少一个驱动单元的不同致动器能够通过所述设备(101)来仿真。
22.根据权利要求20或21的系统，其特征在于，所述仿真单元为可移动式，特别是所述 仿真单元的至少一个驱动单元能够被所述设备(101)的第二致动器(107)驱动，其中所述 仿真单元可优选地以至少一个机动车辆、至少一个飞行器、至少一个轨道车辆以及/或者 至少一个船舶的形式来实施。
23.根据权利要求20到22的任意一项的系统，其特征在于，所述系统进一步包括至少 一个电源单元，其中所述电源单元操作性地连接到所述仿真单元，特别是用以为所述设备 (101)供电。
24.根据权利要求23的系统，其特征在于，所述电源单元至少部分的由所述仿真单元所包括。
25.根据权利要求23的系统，其特征在于，所述电源单元分离于所述仿真单元来实现， 特别是以分离于所述仿真单元的车辆的形式来实现，比如以机动车辆、航空器、轨道车辆和 /或船舶的形式，并且/或者所述电源单元和所述仿真单元以不同车辆类型的形式来实现。
26.根据权利要求20到25的任意一项的系统，其特征在于，所述系统包括至少一个振 动生成机构(112)，其中振动可特别通过所述振动生成机构(112)传递到所述仿真单元和/ 或所述仿真单元的驱动单元上，并且/或者在次声范围中、在可闻范围中、在不可闻范围中 以及/或者在超声范围中的振动可由所述振动生成机构(112)来生成。
27.根据权利要求26的系统，其特征在于，所述振动生成机构(112)操作性地连接到所 述第一控制和/或调节单元(105)、第二控制和/或调节单元(113)，第二致动器(107)以 及/或者负载(111)。
28.一种用于仿真至少第一致动器的方法，其中所述方法包括提供至少第二致动器 (7,107)和操作性地连接到所述第二致动器(7、107)的至少一个电气网络(3、103)，用以仿 真所述第一致动器的至少一个阻抗，特别是通过提供根据权利要求1到19的任意一项的 设备(1)，以及通过作为所述第一致动器的至少第二参数的函数来调节所述电气网络(3、 103)的至少第一参数。
29.根据权利要求28的方法，其特征在于，所述第二参数通过所述第一致动器的至少 一个模拟来确定，特别是通过有限元方法(FEM)模拟，通过所述第一致动器的至少一个解 析建模以及/或者通过对来自当前系列的所述第一致动器的至少一个原型样机和/或副本 的至少一次测量，而且/或者所述第一致动器的至少一个传递因子(X、Y)被确定为第二参 数。
30.根据权利要求28或29的方法，其特征在于，对所述第一参数的调整包括优选地通 过操作性地连接到所述第二致动器(5)和/或电气网络(3)的第一控制和/或调节单元 (5)，对至少一个电容值，特别是电气网络(3)的至少第一电容排布(C)和/或至少第二电 容排布(Cn)的电容值，对至少一个电感值，特别是电气网络(3)的电感排布(Lm)的电感值， 以及/或者对至少一个电阻值，特别是至少第一电阻排布(R)和/或至少第二电阻排布αυ 的电阻值进行调整。
31.根据权利要求28到30的任意一项的方法，其特征在于，所述第二致动器(7)用于 特别是通过应用至少控制信号到所述第二致动器(7)，在第一参数的调整之后进行至少第 一，特别是平移和/或旋转移动，优选地沿至少第一预先确定的轨迹，其中第二移动，特别 是所述第一致动器的平移和/或旋转移动，特定地被第一移动所仿真。
32.根据权利要求31的方法，其特征在于，所述控制信号经由所述电气网络(3、103)和 /或至少一个电子控制电路(9、109)被应用于所述第二致动器(7、107)。
33.根据权利要求31或32的方法，其特征在于，所述第一致动器的至少第三参数由所 述第二致动器(7、107)的第一移动的估算/分析所确定，其中在一方面所述控制信号的至 少一个电压值、至少一个频率值和/或至少一个电流值与，在另一方面，经由所述第二致动 器建立的至少一个力以及/或者所述第二致动器(7、107)的至少一个性能值的至少一个偏 转值、至少一个加速度值、至少一个力值之间的至少一个上下文被特别地被确定作为第三 参数。
34.根据权利要求31到33的任意一项的方法，其特征在于，在第一移动期间至少一个 负载(11U1M11)被应用于所述第二致动器(7,107) 0
35.根据权利要求31到34的任意一项的方法，其特征在于，所述电气网络(3、103)的 至少第四参数在进行所述第二致动器(7、107)的第一移动之前、期间和/或之后，特别是作 为第三参数以及/或者应用于所述第二致动器(7、107)的负载(11、11’、111)的函数而被 改变。
36.根据权利要求35的方法，其特征在于，所述第四参数对应于第一参数并且/或者所 述第二电阻排布(RJ的至少一个电阻值作为第四参数而被改变。
37.根据权利要求33到36的任意一项的方法，其特征在于，所述第三参数被用于执行 模拟，特别是对所述第一致动器的有限元方法(FEM)模拟和/或所述第一致动器的至少一 种解析建模，特别是以使得所述模拟和/或建模适配用于确定第二参数，以及/或者第三参 数被用于改变电气电子控制电路(9)的至少第五参数。
38.根据权利要求28到37的任意一项的方法，其特征在于，至少一个压电致动器、至少 一个内燃机、至少一个电动机、至少一个电磁铁、至少一个静电致动器、至少一个磁阻致动 器以及/或者至少一种电活性聚合物作为第一致动器而被仿真。
39.根据权利要求28到38的任意一项的方法，其特征在于，至少一个压电致动器(7)、 至少一个内燃机、至少一个电动机(107)、至少一个电磁铁、至少一个静电致动器、至少一个 磁阻致动器以及/或者至少一种电活性聚合物被提供作为第二致动器。
40.根据权利要求28到39的任意一项的方法，其特征在于，所述第一致动器的性能特 征，比如机械性能、振动特征，比如在可闻和/或不可闻范围中的振动，以及/或者驱动特 征，比如移动的恒定性，通过仿真来进行仿真。
41.根据权利要求28到40的任意一项的方法，其特征在于，除对所述第一致动器的仿 真之外，至少与所述第一致动器操作性地间接连接的至少一个附加单元，比如至少一个传 动器、至少一个制动器以及/或者耦合器通过所述方法来进行仿真。
42.根据权利要求41的方法，其特征在于，通过影响第一参数、第二参数和/或第四参 数以及/或者通过第一控制和/或调节单元(5、105)来执行对附加单元的仿真。
43.根据权利要求28到42的任意一项的方法，其特征在于，特别是通过影响第一参数、 第二参数和/或第四参数，优选地作为存储于第一控制和/或调节单元内的致动器简档的 函数，在仿真过程中对不同的第一致动器进行仿真。
全文摘要
本发明涉及一种用于仿真至少一个第一致动器的设备，包括可连接到至少一个控制电子电路的至少一个电气网络，其中电气网络通过至少一个第一控制和/或调节单元操作性地连接到至少一个第二致动器，而电气网络的至少一个第一参数可通过第一控制和/或调节单元来改变，以及涉及一种用于仿真至少一个第一致动器的方法。
文档编号G06F17/50GK101874313SQ200880117793
公开日2010年10月27日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月11日
发明者贝尔迪克特·舍默尔 申请人:贝尔迪克特·舍默尔