http://www.tu-ilmenau.de

Logo TU Ilmenau



INHALTE

Nanopositioniersysteme großer Bewegungsbereiche

Im Mittelpunkt des Forschungsprojektes steht die Untersuchung magnetischer Führungen. Zu diesem Zweck werden zunächst verschiedene vorhandene Experimentalsysteme herangezogen. Magnetische Führungen sollen hinsichtlich Positioniergenauigkeit und Auflösung für den Einsatz im Nanobereich nutzbar gemacht werden.

 

Bild 1: Explosionsdarstellung des vorhandenen Mehrkoordinatenantriebs
Bild 2: Laboraufbau

1. Magnetisch geführter integrierter Mehrkoordinatenantrieb

Ein integrierter, berührungsloser Mehrkoordinatenantrieb mit dem Freiheitsgrad sechs (Bild 1, Bild 2) dient als Basis der Untersuchungen.

Die magnetische Führung erfolgt mittels dreier Topfmagnete. Auf dem Stator angeordnete Flachspulen sorgen zusammen mit den am Läufer angebrachten Dauermagneten für den Antrieb in der xy-Ebene. Im Betrieb existieren keine mechanischen und elektrischen Verbindungen zwischen Läufer und Stator, wodurch eine Reibungsfreiheit gegeben ist. Durch die Verwendung von drei im Dreieck angeordneten Topfmagneten ist die Läuferführung statisch bestimmt. Die dreieckige Bauweise führt zu einer Reduzierung der bewegten Masse, was der Dynamik zugute kommt. Die Positionsmessung des Läufers erfolgt in z-Richtung mittels dreier Wirbelstromsensoren. In der xy-Ebene kommt ein inkrementales Messsystem mit einem Kreuzraster zum Einsatz.

Bild 3: Prüfstand zum Test des Reglers

1.1 Nichtlinearer Führungsregler

Um das Potential für eine hochpräzise Positionierung zu ermitteln, wurden die Eigenschaften der Führungsaktoren hinsichtlich des magnetischen Flusses und der entstehenden Tragkräfte in einer FEM-Simulation berechnet. Darauf aufbauend wurden ein linearisiertes sowie ein nichtlineares Modell der magnetischen Führung entwickelt. Um eine vertikale Positionierung des Läufers mit einer sehr hohen Genauigkeit zu erreichen, wurde ein Regler entworfen, der eine lineare PIDD²-Struktur (PID-Regler mit zusätzlichem D-Anteil) sowie ein nichtlineares I(F,d)-Kennfeld (I - Strom, F - Magnetkraft, d - Luftspalt) zur Kompensation der nichtlinearen Streckeneigenschaften enthält. Dieses neuartige Regelungskonzept wurde zunächst im Hardware-in-the-Loop-Prüfstand an einem einzelnen Elektromagneten, der dem Mehrkoordinatenantrieb entnommen wurde, erprobt.

Der Prüfstand besteht aus einem Linearantrieb, an dem der Elektromagnet festgeschraubt ist (Bild 3), sowie einem Echtzeit-DSP-System, auf dem der Regler für den Elektromagneten implementiert ist. Am Linearprüfstand wurde eine konstante Zugkraft von 15 N ohne Dämpfung als Last für den Elektromagneten eingestellt. Dadurch wird das Gewicht der beweglichen Plattform des Mehrkoordinatenantriebs nachgebildet, das auf den einzelnen Elektromagneten wirkt. Durch Messung mehrerer Sprungantworten unterschiedlicher Höhe konnte das Funktionieren des Reglers nachgewiesen werden, wobei eine Einschwingzeit von 150 ms, ein Überschwingen von 20 % sowie eine Positioniergenauigkeit von ±400 nm erreicht wurden.
 

1.2 Hysteresekompensation mit Hilfe des Jiles-Atherton-Modells

Als weiterer Schritt zur Verbesserung der Reglerstruktur wurde eine Komponente zur Kompensation der Magnetkraft-Strom-Hysterese mit Hilfe des inversen Jiles-Atherton-Modells entwickelt. Das Jiles-Atherton-Modell erlaubt die Beschreibung von Hystereseeffekten mit hoher Genauigkeit. Die Jiles-Atherton-Modellparameter für die elektromagnetischen Führungsaktoren wurden durch eine Identifikation mit der Zielfunktion der kleinsten Abweichung von Modell- und gemessener Hysterese bestimmt. Mit dem inversen Modell als Filter lässt sich die Hysterese sehr gut kompensieren und ein quasi lineares Aktorverhalten erzeugen. Das Verhalten des Luftspaltreglers mit Hysteresekompensation wird in den kommenden Monaten weiter untersucht werden.

Bild 4: Aktorelement nach dem PAMB-Prinzip
Bild 5: Laboraufbau eines Aktorelementes
Bild 6: Mehrkoordinatenantrieb aus mehreren PAMB-Elementen

2. Integriertes Führungs- und Antriebselement

Es wurde ein Element zur gleichzeitigen Erzeugung von Führungs- und Antriebskräften nach dem PAMB-Prinzip (planar active magnetic bearing; nach: A. Molenaar, TU Delft) entwickelt (Bild 4). Ein vollständiger Mehrkoordinatenantrieb kann aus mehreren solchen Elementen aufgebaut werden.

Es existiert eine z-Position des Läufers, in der sich die Kräfte der vier Permanentmagnete kompensieren. Diese Lage ist jedoch instabil. Ein stabiles Halten der z-Position ist nur durch geregeltes Bestromen der Führungsspulen möglich. Die Flussdichte wird dadurch in einem Luftspalt verstärkt, im anderen abgeschwächt. Der Fluss der Permanentmagnete kann nicht nur für Führungs-, sondern auch für das Antriebssystem verwendet werden. Zur Erzeugung einer Antriebskraft in x-Richtung müssen zusätzliche Spulen um die Statorbalken gewickelt werden.

An einem im Labor aufgebauten Aktorelement (Bild 5) wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Das PAMB-Prinzip erlaubt den Aufbau neuartiger magnetischer Führungssysteme für große horizontale Bewegungsbereiche (über 100 x 100 mm2). Zum Entwurf der Regelung für das Führungssystem wurden anhand geeigneter Modelle (FEM) die Abhängigkeit der Massenverteilung von der Lage sowie die Kraft-Weg- und Kraft-Strom-Kennlinienfelder des Aktorelements ermittelt. Die Berechnungsergebnisse wurden durch Messung der erreichbaren Führungskräfte am Versuchsaufbau verifiziert. Auf Grundlage dieser Daten konnte eine erste Regelung der Führung an der im Labor aufgebauten Versuchsanordnung realisiert werden. Der Positioniervorgang des beweglichen Teils wurde zunächst simuliert und anschließend am Hardware-in-the-Loop-Prüfstand gemessen.

Der Prüfstand wird derzeit konstruktiv erweitert, so dass in Kürze die bisher auf theoretische Betrachtungen beschränkten Untersuchungen zur horizontalen Antriebskrafterzeugung am Versuchsaufbau verifiziert werden können.

Die demnächst abgeschlossene Modellierung eines integrierten Führungs- und Antriebselements nach dem Lagrange-Formalismus liefert die Basis für die Entwicklung eines geeigneten Mehrgrößenreglers. Auch hier ist ergänzend die Verwendung des inversen Jiles-Atherton-Modells zur Hysteresekompensation für die Verbesserung der Regelgüte geplant. Dafür sind entsprechende Messungen und Berechnungen zur Parameteridentifikation notwendig.

Darüber hinaus wurden mehrere Strukturen vollständiger integrierter Mehrkoordinatenantriebe aus derartigen integrierten Führungs- und Antriebselementen für große Verfahrbereiche ab 100 x 100 mm² erarbeitet. Bild 6 zeigt eine mögliche Struktur. Diese Systeme zeichnen sich durch einen geringeren Bauraum und eine einfachere Konstruktion im Vergleich zu anderen Systemen aus. Hierzu sind zunächst anhand domänenspezifischer Modelle zu Feldverläufen, Temperaturverteilung und Dynamik weitere Untersuchungen durchzuführen.

Weitere Informationen zum SFB 622

Projektdetails

Finanzierung: DFG, Laufzeit: 01.07.2005 - 30.06.2013

Anspechpartner

Prof. Dr.-Ing. Thomas Sattel, Dipl.-Ing. Mirko Büchsenschütz

Publikationen

  • Büchsenschütz, M.; Sattel, T.
    Electrodynamic Magnetic Bearing Similar to an Halbach Array Towards Zero Power Gravity Compensation for High Precision Machines, Proc. 14th Int. Conf. on New Actuators 2014
  • Büchsenschütz, M.; Moore, B., Sattel, T.
    Vorrichtung zur magnetischen Führung von Körpern, Review: Patentanmeldung: 18.01.2013 DPMA Aktenzeichen 10 2013 001 009.8, voraussichtlich 24.07.2014, A1-Offenlegungsschrift.
  • Büchsenschütz, M.; Bettin, C.; Sattel, T.
    A Hybrid Active Magnetic Guidance Concept with Low Heat Production for High Precision Machines, Proc. 13th Int. Conf. on New Actuators, 2012, 221-224, Bremen, Deutschland, ISBN 978-3-933339-19-5.
  • Büchsenschütz, M.; Sattel, T.
    Controller Design for a High Precision Elastically Supported Hybrid Active Magnetic Guidance, Proc. 13th Int. Symposium On Magnetic Bearings, Washington, USA 2012.
  • Büchsenschütz, M.; Volkert, R.; Sattel, T.
    Design Issues of Planar Active Magnetic Bearing Actuators with Low Power Emission, ACTUATOR 2010, Bremen, Germany
  • Volkert, R.; Büchsenschütz, M.; Sattel, T.
    Design of a nanometre-precision Air Gap Control for Planar Magnetic Bearing Actuators, Proc. 10th EUSPEN Int. Conf., Delft, Netherlands, June 2010, 1, 312-315, ISBN 13: 978-0-9553082-8-4.
  • Volkert, R.; Sattel, T.; Bertram, T.
    Filterung und Dämpfung des Positionsrauschens magnetischer Führungen für Nanopositioniersysteme, VDI Mechatronik 2009, Tagung Wiesloch 12./13. Mai 2009, Tagungsbericht. Düsseldorf: VDI-Wissensforum GmbH, 77-84.
  • Volkert, R.; Sattel, T.; Bertram, T.
    Reduction of Disturbance Effects and Positioning Noise for High-Precision Planar Magnetic Guidances, EUSPEN 9th international conference 2009, San Sebastian, Spain, Proceedings Vol. 1, 374-377
  • Volkert, R.; Kireev, V.; Radler, O.; Ströhla, T.; Zöppig, V.
    Real-time Hysteresis Compensation for Electromagnetic Actuators Applied in High-Precision Multi-Coordinate Drives, EUSPEN 6th international conference and 8th annual general meeting 2006, Baden b. Wien, Proceedings Vol. 1, 184-187.
  • Volkert, R.; Radler, O.; Ströhla, T.; Zöppig, V.
    Implementation of a Real-Time Hysteresis Compensation for Electromagnetic Actuators, ASPE 21st Annual Meeting 2006, Monterey, California, Proceedings, 271-274.
  • Volkert, R.; Radler, O.; Weißenborn, E.; Ströhla, T.; Zöppig, V.
    Position Controller with Hysteresis Compensation for Magnetic Bearings, 10th International Symposium on Magnetic Bearings 2006, Martigny, Switzerland, Proceedings, 39-40.
  • Volkert, R.; Zentner, J.; Kireev, V.; Radler, O.; Ströhla, T.; Bertram, T.
    Modelling of a Planar Active Magnetic Guidance System Including Hysteresis Effects, Mechatronics 2006 - 4th IFAC-Symposium on Mechatronic Systems, Heidelberg, Proceedings.