Self-Sensing Control for Soft-Material Actuators Based on Dielectric Elastomers

Due to their energy density and softness that are comparable to human muscles dielectric elastomer (DE) transducers are well-suited for soft-robotic applications. This kind of transducer combines actuator and sensor functionality within one transducer so that no external senors to measure the deformation or to detect collisions are required. Within this contribution we present a novel self-sensing control for a DE stack-transducer that allows to control several different quantities of the DE transducer with the same controller. This flexibility is advantageous e.g., for the development of human machine interfaces with soft-bodied robots. After introducing the DE stack-transducer that is driven by a bidirectional flyback converter, the development of the self-sensing state and disturbance estimator based on an extended Kalman-filter is explained. Compared to known estimators designed for DE transducers supplied by bulky high-voltage amplifiers this one does not require any superimposed excitation to enable the sensor capability so that it also can be used with economic and competitive power electronics like the flyback converter. Due to the behavior of this converter a sliding mode energy controller is designed afterwards. By introducing different feed-forward controls the voltage, force or deformation can be controlled. The validation proofs that both the developed self-sensing estimator as well as the self-sensing control yield comparable results as previously published sensor-based approaches.TU Berlin, Open-Access-Mittel - 201

Modelling and Control of Dielectric Multilayer Transducers

Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3181-5 (ISSN 2702-119X)Electromechanical transducers based on dielectric elastomers (DE) can be operated as actuators, generators and sensors. Compared to classic electromagnetic actuators the intrinsic material properties offer significant advantageous e.g. concerning the energy efficiency and density enabling amongst others miniaturization potentials. Researching intelligent supply and control concepts, for example for a combined actuator-sensor-operation, allow to exploit the full potential of these novel transducers with the corresponding benefits compared to conventional transducer systems. For this purpose, within this thesis novel estimator and control concepts based on a holistic transducer model including the driving power electronics and the DE transducer are carried out that enable a combined actuator-sensor-operation in closed loop. In particular, multilayer DE stack-transducers are considered here. They represent a transducer class with high force density as they almost completely consist of active material. Their capacitive behavior requires a particular driving electronics to supply the transducers with high electric field strengths resulting in voltages in the lower kilovolt range. Here, a bidirectional flyback converter is used for this purpose enabling a high energy efficiency due to the bidirectional energy flow. At first, model based control concepts for the closed loop current and voltage control are designed and validated. The superimposed, application specific control of the DE transducer uses this inner control as interface. In order to reduce the measurement instrumentation and effort, control quantities are estimated with a model so that no current measurement is necessary for the closed loop operation of the converter. Afterwards, an analytical DE transducer model is derived, parameterized and experimentally validated. The model is based on a power balance to combine the mechanical dynamics of the elastomer material with the electrical dynamics of the overall transducer. On the one hand, the model is used for the design of the final control concepts. On the other hand, state and disturbance estimators are developed based on this model and an extended Kalman filter. These estimators are required for the operation of the DE transducer in closed loop. Beside a sensor based estimator, that uses the measured terminal voltage and the transducer deformation, also a self-sensing estimator for the combined actuator-sensor-operation is derived, that estimates the mechanical transducer state using the measured terminal voltage and current. In contrast to existing approaches, here no superimposed excitation is required. Finally, a position as well as a universal energy control are designed. The latter allows to control the force, deformation or voltage of the DE transducer. Due to the utilized switched mode power supply the sliding mode control approach is carried out, as it is well suited for the particular properties of the control plant. Novel optimizations and adaptations enable highly dynamic sensor based and self-sensing closed loop operation with a maximum bandwidth of up to 300 Hz, as well as high accuracy during steady state and significantly reduced switching frequencies.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

Sensorless force control for dielectric elastomer transducers

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.This publication is with permission of the rights owner freely accessible due to an Alliance licence and a national licence (funded by the DFG, German Research Foundation) respectively.Multilayer stack-transducers made of dielectric elastomers generate considerable tensile forces and deformations when they are electrically stimulated. Thus, due to their capacitive behavior, they are for example energy efficient substitutes for conventional electromagnetic drives and enable various further completely new applications. Within this contribution, we present a sensorless force control for dielectric elastomer stack-transducers driven by a bidirectional flyback-converter. This force control for example can be used as interface for superimposed application-oriented controls. First of all, the properties of dielectric elastomer stack-transducers and the flyback-converter as well as its control structure are summarized. Due to the characteristic behavior of the power converter, the design of a sliding mode force controller is carried out based on an analytical model of the coupled electromechanical system containing the transducer and driving electronics. Using this model, the transducer force can be determined with the measured driving voltage and deformation so that an explicit force measurement is not required. In a first step, a two-point controller is developed for the variable structure control that is afterward extended in order to improve the control quality, for example, by adapting the inner power converter control. Finally, the experimental validations with a prototype stack-transducer and bidirectional flyback-converter demonstrate the feasibility as well as the precision and dynamics of the developed force control.BMBF, 13X4011E, Dielektrische Elastomere für Stellaktoren - Teilvorhaben HS OW