DE10054376A1

DE10054376A1 - Elektrodynamischer planarer x-y-phi-Direktantrieb sowie dessen Regelung

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Publication number: DE10054376A1
Application number: DE10054376A
Authority: DE
Original assignee: INST MIKROELEKTRONIK und MECHA
Current assignee: INST MIKROELEKTRONIK und MECHA
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2001-06-07

Abstract

Der Antrieb soll einen einfacheren Aufbau und eine flache Bauweise besitzen als bekannte Antriebe, geringen Wartungsaufwand benötigen, soll geringe Normalkraft- und Tangentialkraftschwankungen aufweisen und über ein Regelungssystem, das gleichzeitig die Größe und Lage der Lastmasse identifiziert, steuerbar sein. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist das zugehörige Meßsystem so ausgebildet, daß die Maßverkörperung bezüglich der Unterseite des Läufers zurückgesetzt ist und die Abtasteinheit (51) aus einem Sensormodul für die x-Koordinate (25) und zwei in einem Basisabstand (38) angeordneten Sensormodulen (24, 26) für die y-Koordinate (y1 und y2) besteht, deren Sensorfelder (33) in einer Linie angeordnet sind und die Referenzsensoren (34) der y-Sensormodule (24, 26) ebenfalls auf einer Linie angeordnet sind, zu der der Referenzsensor (34) des x-Sensormoduls (25) lotrecht liegt. DOLLAR A Die Regelung verwendet als Eingangsgröße nur die von der Meßsystemanordnung (10) gemessene Position. Die für die Steuerung benötigten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen werden in einem Beobachter berechnet, der auf der Basis eines inkrementellen Motormodells nach dem Prinzip des stationären Kalmanfilters arbeitet, dessen Eingangsgrößen das Positions- und das Stellgrößeninkrement sind, die synchronisiert werden. Außerdem wird eine online-Parameteridentifikation zur Bestimmung der Masse und des Trägheitsmomentes durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen planaren x-y- ϕ-Direktantrieb, wie er insbesondere zur Positionierung und Bahnbewegung im Submikrometerbereich angewendet wird, sowie dessen Regelung.

Aus der DE 30 37 648 C2 ist ein Zweikoordinatenmotor bekannt, der in jeder Bewegungskoordinate (x, y) mindestens zwei entgegengesetzt polarisierte Dauermagneten auf einer ferro magnetischen Grundplatte und jeweils über den entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten ein ferromagnetisches Rückschluß teil enthält und der in dem Luftspalt zwischen Dauermagneten und Rückschlußteil mindestens eine mit einer Tischplatte verbundene Spule mit zwei den entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten zugeordneten, kraftwirksamen Spulenseiten und mit weit über die Magnetpolbreite ragenden Spulenköpfen besitzt und der in dieser Tischplatte Aussparungen für das Rückschlußteil und in der Tischmitte einen Objektträger aus strahlungsdurchlässigem Werkstoff besitzt.

Nach den Ansprüchen 2-6 und 9-11 der Patentschrift DE 30 37 648 C2 ist weiterhin bekannt, daß Magnetkreis- und Spulen anordnungen realisiert werden können, deren im Tisch bzw. Läufer der Anordnung bewegte Spulen einzeln oder mehrfach für jede Koordinate (x, y) mit den kraftwirksamen oder kraftun wirksamen Spulensträngen der rechteckigen Flachspulen zur Tischmitte gerichtet sind.

Weiterhin ist nach den Ansprüchen 5-7 der Patentschrift DE 30 37 648 C2 bekannt, daß der Läufer der Anordnung eine rechteck- oder kreisförmige Flachspule tragen kann, auf die mit Hilfe von im Stator befindlichen Gleichstrommagneten (einfach oder mehrfach für jede Koordinate x, y) in beiden Koordinaten (x, y) eine Kraftwirkung erzielt werden kann.

Weiterhin ist nach Anspruch 8 der Patentschrift DE 30 37 648 C2 bekannt, daß die im Läufer der Anordnung bewegten kraftwirksamen Spulenstränge Krümmungsradien besitzen können, die jeweils durch den Abstand von der Tischplattenmitte zur Spulenlage bestimmt sind.

Nach Anspruch 10 der Patentschrift DE 30 37 648 C2 ist weiterhin bekannt, daß ein Zweikoordinatenmotor aus einer kreuzförmigen Tischplatte und einem über die gesamte Magnet polfläche, Teile der Tischplattenfläche und dem vorgesehenen Verfahrweg ragenden, zwei besondere Flußleitstücke und in der Mitte eine Aussparung besitzenden Rückschlußdeckel bestehen kann, an dessen Unterseite eine Kunststoffschicht sowie im Rückschlußdeckel für die Zuführung der Druckluft Verteilungskanäle für die Druckluft vorhanden sind.

Fast allen genannten Anordnungen der Patentschrift DE 30 37 648 C2 ist gemein, daß die Spulenanordnungen im Läufer bewegt werden, wodurch elektrische Zuleitungen zum Läufer zu deren Energieversorgung notwendig sind. Durch die Anordnung der Spulen im Läufer kommt es bei Betrieb zu einer Erwärmung der Tischplatte und der darauf befindlichen Objekte. Dies ist bei sehr vielen Anwendungen nicht erwünscht.

Für Anordnungen mit Gleichstrommagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes für die Motorspulen gilt dies in ganz besonderer Weise, da hierbei eine zusätzliche Erwärmung des Stators erfolgt. Des weiteren sind, verglichen mit dem Einsatz moderner Seltenerdenmagneten, für die Erzielung der gleichen Durchflutung sehr große (wärmeproduzierende) Gleichstrom magneten erforderlich.

Bei den in DE 30 37 648 C2 beschriebenen Varianten mit im Läufer bewegten Dauermagneten (Ansprüche 10, 11) wird der magnetische Fluß über feststehende ferromagnetische Stator teile ober- und unterhalb der Magnete geleitet. Dadurch entstehen zusätzliche parasitäre magnetische Luftspalte, die nicht zur Krafterzeugung in Richtung der Arbeitskoordinaten (x, y) beitragen. Des weiteren bestehen aufgrund des sehr geringen (parasitären) Luftspaltes oberhalb des Läufers extrem hohe Normalkräfte zwischen Läufer und Stator, die zum einen von der Führung aufgenommen werden müssen und zum anderen eine hohe Steifigkeit der Bauteile erfordern.

Allen beschriebenen Varianten ist damit gemein, daß das bewegte Teil (in einem Rahmen gefaßte Spulen- oder Magnetanordnungen) orthogonal zur Bewegungsebene schwer zugänglich ist, d. h. es müssen Läuferteile konstruiert werden, die um die feststehenden Spulenanordnungen oder ferromagnetischen Rückschlüssen der Magnetkreise herum reichen. Damit entstehen i. allg. komplizierte und schwere Läuferkonstruktionen, die nur eine schlechte Dynamik des Motors gestatten und i. allg. leicht schwingungsfähige Gebilde darstellen.

Allen in DE 30 37 648 C2 beschriebenen Varianten ist gemein, daß das benötigte Magnetvolumen pro Koordinate sehr hoch ist und sehr schlecht ausgenutzt wird, d. h. das zur Kraft erzeugung im Eingriff stehende Magnetvolumen der Anordnung ist im Verhältnis zum Gesamtmagnetvolumen sehr gering. Mit zunehmendem Verfahrweg pro Koordinate (x, y) wird dieses Verhältnis noch ungünstiger. Die hohen Magnetvolumina bedingen hohe Normalkräfte (senkrecht zur Bewegungsebene x- y), die entweder von der Statorkonstruktion (im Stator feststehende Magnete) oder von den eingesetzten Führungen (im Läufer bewegte Magnete) aufgenommen werden müssen.

Die in DE 30 37 648 C2 beschriebenen Motorvarianten sind für Bewegungen in den translatorischen Koordinaten x, y ausgelegt. Zur Verhinderung der Rotation des Läufers um die zur Bewegungsebene senkrechte z-Achse werden daher z. B. Kreuzschubführungen oder Parallelkurbelgetriebe benötigt. Diese verkomplizieren den Aufbau, erhöhen die Läufermasse und begrenzen durch das ihnen eigene Spiel und die Elastizitäten in den Koppelstellen die erreichbare Genauigkeit und Dynamik der beschriebenen Antriebsprinzipien.

Der Verzicht auf derartige mechanische Führungselemente kann erst dann erfolgen, wenn jede der folgenden Bedingungen erfüllt ist:

1. Die Anordnung von Spulen und Magneten in Läufer und Stator erfolgt so, daß neben den Kräften in den translatorischen Koordinaten (x, y) wenigstens von einigen, besser von allen Motorelementen, bestehend aus der Kombination je einer Flachspule und einem wechselseitig polarisierten Dauer magnetpaar für jede Lage des Läufers im vorgesehenen Verfahrbereich auch ein Moment M_z bezüglich des Massen schwerpunktes des Läufers erzeugt werden kann und
2. ein geeignetes Meßsystem die Koordinaten x, y und ϕ zu erfassen gestattet und die Abtasteinheiten (Meßeinheiten) für die translatorischen Koordinaten (x, y) mindestens bis zu einem Grenzwinkel ϕ_max, der sich aus dem generierbaren Antriebsmoment, dem Massenträgheitsmoment des Läufers sowie der Abtastzeit und Steifigkeit der implementierten Steuerung ergibt, unempfindlich gegenüber der Verdrehung sind.

Die in DE 30 37 648 C2 beschriebenen Motorvarianten sind dadurch nachteilbehaftet, daß ihre Bauhöhe mit zunehmendem Bewegungsbereich annähernd linear zunimmt, da jeweils nur ein entgegengesetzt polarisiertes Dauermagnetpaar und eine Flachspule für die Erzeugung eines bestimmten Verfahrweges genutzt wird und die Eisenrückschlüsse mit zunehmendem Verfahrweg entsprechend dicker und damit auch schwerer ausgelegt werden müssen.

Weiterhin ist bekannt, daß zur Vermessung oder Positionierung entlang einer Geraden oder in der Ebene inkrementale Meßsysteme eingesetzt werden. Diese können für eine (DE 33 22 738) oder für mehrere Koordinaten gleichzeitig (DD 215 645) ausgelegt sein. Des weiteren zeigen DE 34 27 067 sowie DE 39 09 855 die Möglichkeit einer Absolutkodierung für einachsige oder DE 42 12 990 A1 für mehrachsige Maßstäbe. Die genannten inkrementalen Meßsysteme gestatten nicht eine Verdrehung bis zu einem relativ großen Grenzwinkel von z. B. ±1°. Gewöhnliche inkrementale Meßsysteme verlieren schon bei Verdrehungen um wenige Winkelminuten die Information über die Position, da die Signalamplituden zu Null werden.

Aus der DE-A 195 11 973 ist ein planarer Direktantrieb bekannt, mit dem die Probleme der oben beschriebenen Lösungen bereits weitgehend gelöst werden. Der planare Direktantrieb ist aufgebaut aus Antriebsgrundelementen bestehend aus zwei entgegengesetzt polarisierten Magneten, die über ferromag netische Joche und einen ferromagnetischen Stator einen kurzen Magnetkreis bilden und zugeordneten Flachspulen auf dem Stator, wobei Magnete und Joche im Läufer mitbewegt werden. Der Stator der Anordnung trägt symmetrisch gegen überliegende Paare von Flachspulen, die entsprechen der Position des Läufers kommutiert werden. Eine gegenphasige Bestromung jeweils gegenüberliegender Spulen gestatten die Erzeugung eines Antriebsmomentes bezüglich des Massen schwerpunktes des Läufers. Der Antrieb ist mit einem hochauflösenden Meßsystem ausgestattet. Der Läufer benötigt keine elektrischen Zuleitungen.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, einen elektrodynamischen planaren x-y-ϕ-Direktantrieb der zuletzt genannten Art zu schaffen, der einen noch einfacheren Aufbau und eine flache Bauweise besitzt, geringen Wartungsaufwand benötigt, geringe Normalkraft- und Tangentialkraftschwankungen besitzt, über ein Regelungssystem, das gleichzeitig die Größe und Lage der Lastmasse identifiziert, steuerbar ist, einen geringen Materialaufwand benötigt und deshalb eine sehr hohe Dynamik zur Erzielung von Bewegungen in den Koordinaten x, y und dem Winkel ϕ_z bei einer sehr hohen Auflösung im Submikrometer- und Sekundenbereich ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrodynamischen planaren x-y-ϕ-Direktantrieb zur Erzielung von genauen Bewegungen in den translatorischen Koordinaten x, y und in einem Winkelbereich Δϕ der rotatorischen Koordinate ϕ_z zu schaffen, der eine hohe Dynamik aufweist, das eingebaute Magnetvolumen gut ausnutzt, dessen von am Läufer angreifenden Motorkräften resultierendes Drehmoment bezüglich des Läufer schwerpunktes bei symmetrischer Ansteuerung immer gleich Null ist, der ohne mechanische Verdrehsperre bezüglich der Rotation um die senkrechte z-Achse arbeitet, sich durch eine flache Bauweise auszeichnet und aus einfachen Einzelelementen zu einer Gesamtkonfiguration zusammengefügt wird, geringen Wartungsaufwand benötigt, geringe Normalkraft- und Tangen tialkraftschwankungen besitzt und über ein Regelungssystem, das gleichzeitig die Größe und Lage der Lastmasse identifiziert, steuerbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach ist die Maßverkörperung bezüglich der Unterseite des Läufers zurückgesetzt und die Abtasteinheit besteht aus einem Sensormodul für die x-Koordinate und zwei in einem Basisabstand angeordneten Sensormodulen für die y-Koordinate (y1 und y2), deren Sensorfelder in einer Linie angeordnet sind. Die Referenzsensoren der y-Sensormodule sind ebenfalls auf einer Linie angeordnet, zu der der Referenzsensor des x- Sensormoduls lotrecht liegt.

Die Fertigung der Maßverkörperung mit hochgenauem x-Teilungs abstand und einem gleichen hochgenauen y-Teilungsabstand erfolgt mit einer Toleranz, die die maximale Genauigkeit des elektrodynamischen planaren x-y-ϕ-Direktantriebes zu wesentlichen Teilen bestimmt. Durch das Vermessen mit einem hochpräzisen Meßsystem lassen sich die im Rahmen der Fertigungstoleranz liegenden Istpositionen des x-Teilungs abstandes sowie des y-Teilungsabstandes bestimmen. Die für jeden Teilungsabstand gemessene Ist-Position kann in einem zweidimensionalen Feld gespeichert werden, wobei je eine Felddimension die x-Teilungsabstände bzw. die y- Teilungsabstände abbildet. Abhängig von der Größe des planaren Präzisionsantriebes kann das ermittelte Feld eine sehr große Ausdehnung besitzen. Für eine speichereffiziente Abbildung der Ist-Positionen der Teilungsabstände wird das Feld stückweise zweidimensional interpoliert, wobei die Größe der zu interpolierenden Teilstücke adaptiv an die gemessenen Werte angepaßt wird. Der Ausdehnungskoeffizient geht optional als Faktor in die interpolierende Funktion ein.

Elektrodynamische Direktantriebe weisen im allgemeinen bei einer konstanten Bestromung keine konstante Kraftwirkung entlang des Verfahrweges auf. Dies kann begründet sein u. a. in Materialinhomogenitäten, fertigungstechnischen Toleranzen oder in der Verwendung kaskadierter Antriebselemente, in deren Folge im Übergangsbereich von einem zum folgenden Antriebselement eine nicht konstante Kraftwirkung erzeugt wird.

Zum Erreichen der maximalen Genauigkeit des feldgeführten planaren Präzisionsantriebes muß die positionsabhängige nichtkonstante Funktion zunächst für den jeweiligen Präzisionsantrieb ermittelt werden. Das Verfahren umgeht die Notwendigkeit eines Hilfsantriebs durch die Positionierung des Antriebs mit dem eigenen Regelungssystem. Der Antrieb wird unter konstanter Kraftbelastung (Schrägstellen, Anhängen eines Gewichtes und Umlenken über Rolle) positioniert, und nach Abschluß des Positioniervorgangs wird der zur Haltung der Position notwendige Strom gemessen, wodurch der dem Verhältnis von Strom und konstanter Kraft entsprechende Korrekturkoeffizient bestimmt ist. Im Ergebnis wird ein zweidimensionales Feld erhalten, dessen Dimensionen die x- Koordinate bzw. y-Koordinate abbilden, und das ggf. stückweise interpoliert wird. Die Anzahl der Meßpunkte wird an die Problemstellung angepaßt.

Die Regelung verwendet erfindungsgemäß als Eingangsgröße nur die von der Meßsystemanordnung gemessene Position. Die für die Steuerung benötigten Geschwindigkeiten und Beschleuni gungen werden in einem Beobachter berechnet, der auf der Basis eines inkrementellen Motormodells nach dem Prinzip des stationären Kalmanfilters arbeitet, dessen Eingangsgrößen das Positions- und das Stellgrößeninkrement sind, die synchronisiert werden, um die Rechenzeit der Steuerelektronik zu berücksichtigen. Außerdem wird eine online-Parameter identifikation zur Bestimmung der Masse und des Trägheits momentes durchgeführt, welche eine automatische Anpassung des Beobachters an verschiedene Betriebszustände und Belastungen ermöglicht; die Regelung der Bewegung entlang der vorgegebenen Bahn, die Regelung der seitlichen Abweichung von dieser Bahn sowie die Regelung der Verdrehung des Läufers erfolgen unabhängig voneinander; in den dazu notwendigen Koordinatentransformationen entlang gekrümmter Bahnkurven werden die Zentrifugalkraft und die Corioliskraft berück sichtigt; es wird eine kaskadenförmige Reglerstruktur mit eingefügten Begrenzern verwendet, mit der eine Geschwindig keits- oder Beschleunigungsregelung möglich ist, ohne die inverse Kinematik zu berechnen; in der Vorsteuerung wird nur noch die Radialbeschleunigung entlang gekrümmter Bahnkurven berücksichtigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen elektrodynamischen planaren x-y-ϕ-Direktantrieb in teilweise aufgebrochener Darstellung,

Fig. 2 ein Explosivbild des elektrodynamischen planaren x-y- ϕ-Direktantriebs gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Meßsystemanordnung für einen elektrodynamischen planaren x-y-ϕ-Direktantrieb,

Fig. 4 eine Abtastrasterplatte mit Abtastraster und zugehöriger Kreuzrastermaßverkörperung,

Fig. 5 die Abtastrasterplatte mit Abtastraster mit zugehöriger Kreuzrastermaßverkörperung gemäß Fig. 4, verdreht um einen Winkel,

Fig. 6 eine Prinzipanordnung von zwei y-Abtastrastern in einem Basisabstand und einem x-Abtastraster,

Fig. 7 den prinzipiellen Verlauf eines Meßsignals eines Empfängers nach Fig. 3,

Fig. 8 einen Schnitt durch zwei Antriebsgrundelemente,

Fig. 9 die Art der Kommutierung der Spulen für einen Antrieb nach Fig. 1,

Fig. 10 den magnetischen Kreis der Anordnung in einer Schnittdarstellung,

Fig. 11 den Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie bei einer Kaskadierung von Antriebselementen,

Fig. 12 beispielhafte Varianten für einen Antrieb,

Fig. 13 eine Variante mit sternförmig angeordneten Spulen und dreieckförmig angeordneten permanentmagnetisch erregten Kreisen,

Fig. 14 die Struktur des Reglers, der in dem Antrieb verwendet wird,

Fig. 15 den Inhalt des Blocks "Stellgrößenänderung" aus Fig. 14 und

Fig. 16 den Inhalt des Blocks "Stellgrößenintegration, Vorsteuerung und Begrenzung" aus Fig. 14.

Die Gesamtanordnung 1 eines planaren x-y-ϕ-Direktantriebs be steht im Ausführungsbeispiel aus einem Stator 2, einem Läufer 3, einer Meßsystemanordnung 10 sowie Luftlagern 4. Der Stator 2 aus einem nahezu quadratischen Grundkörper 39 bewegt sich in den Wirkungsbereichen permanentmagnetisch erregter Kreise 17 aus ferromagnetischem Material ausreichender Dicke und be sitzt jeweils in den Eckbereichen vier Lagerflächen 5, die zusammen mit jeweils zugeordneten vier Luftlagerdüsen 6 des Läufers 3 vier Luftlager 4 bilden. Auf den Grundkörper 39 sind jeweils paarig gegenüberliegend 2n x-Spulen 7 (mit n = 2, 3, 4 . . .) und jeweils paarig gegenüberliegend 2n y-Spulen 8 (mit n = 2, 3, 4 . . .) aufgebracht und befestigt. Die x- Spulen 7 werden jeweils in vordere x-Spulen 15 und hintere x- Spulen 16 sowie die y-Spulen 8 jeweils in rechte y-Spulen 13 und linke y-Spulen 14 aufgeteilt. Der Läufer besteht aus ei nem Läuferrahmen 9, in dessen Zentrum die Meßsystemanordnung 10 vorgesehen ist.

Der Läuferrahmen 9 weist an seinen vier Ecken jeweils eine Luftlagerbefestigung 12 auf, die jeweils eine Luftlagerdüse 6 aufnimmt und besitzt zwischen den Luftlagerbefestigungen 12 Rahmenstege 60, die ihrerseits jeweils n Rahmenaufnahmen 61 beinhalten (mit n = 2, 3, 4 . . .), in denen jeweils ein perma nentmagnetisch erregter Kreis 17 aufgenommen ist. Die perma nentmagnetisch erregten Kreise 17 werden jeweils aus einem rechten Magneten 18, einem Rückschlußjoch 19 und einem linken Magneten 20 gebildet und sind oberhalb der x-Spulen 7 und der y-Spulen 8 angeordnet.

Wie Fig. 3 zeigt, enthält der Läufer 3 an seiner Unterseite in seinem Zentrum eine Meßsystemaussparung 11 für die Auf nahme einer Maßverkörperung 22, die auf einer Justiereinrich tung 21 aufgebracht ist. Direkt unterhalb der Maßverkörperung 22 befindet sich im Zentrum des Stators 2 eine Abtasteinheit 51, deren Abtastrasterplatte 23 im Abtastabstand 32 die Maß verkörperung 22 abtastet. Jedes der Sensorfelder 33 von Sen sormodulen 24, 25, 26 (y1, x, y2), bestehend aus Sendern 28 und Empfängern 27, die eine Bestrahlung durch ein Abtastra ster 44 auf die Maßverkörperung 22 und wieder zurück durch das Abtastraster 44 auf die Empfänger 27 gestatten, detek tiert die bei Relativbewegung zwischen Maßverkörperung 22 und Abtastraster 44 modulierte Lichtstrahlung und wandelt diese in elektrische Signale um. Eine Trägerplatte 29 nimmt die Sensormodule 24, 25, 26 auf und ist ihrerseits gemeinsam mit einer Signalverarbeitungselektronik 31 in einem Gehäuse 45 gefaßt. Die Maßverkörperung 22 ist bezüglich der Unterseite des Läufers 3 zurückgesetzt und schwebt damit nicht in sehr geringem Abstand über den x- und y-Spulen 7, 8 des Motors. Damit wird eine partielle Erwärmung der Maßverkörperung 22 verringert und ein Verschmutzen durch Luftströmungen und elektrostatische Aufladung reduziert.

Der Läufer 3 der Anordnung benötigt keine elektrischen Zuleitungen.

Die Maßverkörperung 22 wird mittels der Justiereinrichtung 21 in der Meßsystemaussparung 11 des Läufers 3 montiert (Fig. 2).

Jedes Sensormodul 24, 25, 26 trägt weiterhin einen Referenz sensor 34, der die Abtastung einer durchgehenden Referenzli nie geeigneter Breite und Länge im Randbereich der kreuzrasterförmigen Maßverkörperung 22 erlaubt, wobei sich Referenzlinien 36, 37 für die x- und y- Koordinate entweder direkt in der Maßverkörperung 22 oder in deren Randzone be finden. Die Referenzlinie für die y-Koordinate 37 verläuft im Ausführungsbeispiel über die gesamte Länge einer Kreuzraster seite am Rand der Maßverkörperung 22, wobei die Referenzlinie für die x-Koordinate 36 orthogonal dazu angeordnet und nur wenige Millimeter (z. B. 5. . .10 mm) lang ist. Die Referenz linien 36, 37 gestatten gemeinsam mit den Referenzsensoren 34 der Sensormodule 24, 25, 26 die Generierung von Referenz impulsen für die x-, y- und ϕ-Koordinate und sind so angeord net, daß die Wegsignale der Sensorfelder 33 nicht durch die Referenzlinien 36, 37 beeinflußt werden.

Fig. 4 zeigt die Abtastrasterplatte 23 mit Abtastraster 44 der Abmessungen b × h (Rasterplattenbreite 54, Raster plattenlänge 55) einer Abtastgruppe mit zugehöriger kreuzrasterförmiger Maßverkörperung 22 der Gitterkonstante g (x-Teilungsabstand 52, y-Teilungsabstand 53) in unverdrehtem Zustand.

Fig. 5 zeigt diese Abtastrasterplatte 23 mit Abtastraster 44, verdreht um einen Winkel 57.

Fig. 6 zeigt eine Prinzipanordnung von zwei y-Abtastrastern 44 in einem Basisabstand B (38) und einem x-Abtastraster 44 im Zentrum zwischen den y-Abtastrastern 44. Jedes der Abtastraster 44 liegt unmittelbar vor den Empfängern 27 und Sendern 28 eines Sensorfelds 33 (siehe Fig. 3) und ist zum Erzeugen eines Moire um einen festen Winkel verdreht.

Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Verlauf eines Meßsignals eines Empfängers 27 nach Fig. 3 bei Bewegung entlang der Meßrichtung und überlagerter Verdrehung der Maßverkörperung 22. Bei einer Verdrehung von ca. = 3,7° (am Punkt Q) wird die Amplitude des Meßsignals zu Null. Die maximal zulässige Verdrehung für das Meßsystem ist demzufolge _max < 3,7°.

Fig. 8 verdeutlicht die Art der Zuordnung der Magnetkreise und Flachspulen für eine Kaskadierung. Jeder permanent magnetisch erregte Kreis 17 besteht aus einem rechten und linken Magneten 18, 20, die jeweils eine Magnetbreite 62 und eine Magnetmittellinie 63 aufweisen. Weiterhin besitzen die kraftwirksamen Spulenstränge der x-Spulen 7 und der y-Spulen 8 eine Spulenstrangbreite 72 und eine Spulenstrangmittellinie 64, wobei die benachbarten Magnete (z. B. 18 und 20) in einem Abstand 65 der doppelten Teilungsbreite 2p der Magnet mittellinien 63 angeordnet sind und die x- und y-Spulen 7 und 8 zwischen ihren Spulenstrangmittellinien 64 ebenfalls einen Abstand 65 einer doppelten Teilungsbreite 2p aufweisen. Zwischen der rechten Magnetmittellinie 63 eines linken permanentmagnetisch erregten Kreises 68 und der linken Magnetmittellinie 63 eines benachbarten rechten permanent magnetisch erregten Kreises 69 liegt ein Abstand 65 einer doppelten Teilungsbreite 2p vor und zwischen der rechten Spulenstrangmittellinie 64 einer linken Spule 66 und der linken Spulenstrangmittellinie 64 einer benachbarten rechten Spule 67 liegt der Abstand 71 einer Teilungsbreite p vor. Magnetbreite 62 und die Spulenstrangbreite 72 werden so gewählt, daß die Welligkeit 73 der zugehörigen Kraft-Weg- Kennlinie, bezogen auf die Maximalkraft 74, vorzugsweise minimal wird (siehe Fig. 11).

Fig. 9 zeigt die Art der Kommutierung der Spulen für einen Antrieb nach Fig. 1 mit x/p auf der Abszisse als Verhältnis von Läuferposition in x-Richtung zur Teilungsbreite p.

Fig. 10 zeigt die Geschlossenheit der permanentmagnetisch erregten Kreise 17 über die ferromagnetische Statorplatte, so daß sehr wenig parasitärer Streufluß in der Umgebung erzeugt wird.

Fig. 11 zeigt den Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie bei einer Kaskadierung von Antriebselementen, insbesondere die Möglichkeit der Verringerung der Welligkeit 73 der Kennlinie durch eine geeignete Wahl der Verhältnisse Magnetbreite 62/Teilungsbreite p ( = Abstand 71) und Spulenstrangbreite 72/Teilungsbreite p).

Fig. 12 zeigt beispielhafte Varianten für einen Antrieb mit 100 × 100 mm² Fahrbereich, wobei durch Änderung der Teilungs breite p (Abstand 71) verschiedene Konfigurationen bezüglich der Magnetzahl, Spulenzahl, der äußeren Abmessungen und der Normalkraft zwischen Läufer 3 und Stator 2 gebildet werden. Die Antriebskraft in den Koordinaten ist im Beispiel für alle Varianten gleich groß.

Fig. 13 zeigt eine Variante mit sternförmig angeordneten Spulen und dreieckförmig angeordneten permanentmagnetisch erregten Kreisen. Neben der Einsparung von Spulen und Magnetkreisen kann durch eine solche Anordnung eine Reduzierung der Anzahl der notwendigen Leistungsverstärker zur Ansteuerung der Spulen und eine statisch bestimmte 3- Punkt-Läuferführung erreicht werden.

Die Reglerstruktur ist in den Fig. 14 bis 16 dargestellt.

Die Fig. 14 enthält einen Überblick über die Gesamtstruktur des Reglers, die Fig. 15 und 16 enthalten die Details des Blocks Stellgrößenänderung und des Blocks Stellgrößen integration, Vorsteuerung und Begrenzung.

Das Regelungskonzept des elektrodynamischen planaren x-y-ϕ- Direktantriebs basiert auf einer Weiterentwicklung des bekannten PID-Reglers mit Zustandsschätzung auf der Basis eines inkrementellen Modells. Dabei wird das Stellgrößen inkrement in einer kaskadenreglerähnlichen Struktur berechnet und zur Stellgröße aufaddiert. Die Regelung ist eine Zu standsregelung, sie benötigt als Eingangssignal die momentane Position (x, y) des Läufers, seinen Verdrehwinkel ϕ_z sowie die vom Sollwertgenerator eines Host-PC erzeugten Daten. Diese umfassen die Sollposition, Sollgeschwindigkeit und Soll beschleunigung. Position und Verdrehwinkel werden in einer Meßwertvorverarbeitung aus den Sensorsignalen bestimmt. Die für die Regelung benötigten Werte der momentanen Geschwindigkeit und Beschleunigung werden von einem Beobachter berechnet, der nach dem Prinzip des stationären Kalmanfilters arbeitet. Als Eingangsgrößen des Beobachters dienen das Inkrement des Positionsmeßwerts und das verzögerte Stellgrößeninkrement. Die Verzögerung ist notwendig, um die von der Steuerelektronik benötigte Rechenzeit zu berücksichtigen. Der Block Stellgrößenänderung enthält eine kaskadenreglerähnliche Struktur (Fig. 15). In ihm wird aus den Soll- und Istgrößen das Stellgrößeninkrement bestimmt. Da die Ausgänge der Blöcke vsoll bzw. asoll als Sollwerte eines Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungsregelkreises aufgefaßt werden können, ist durch geeignete Wahl des v- bzw. a- Begrenzers die Regelung von Geschwindigkeit oder Beschleunigung möglich. Auf diesem Weg kann man ohne die aufwendige Berechnung der inversen Kinematik das Fahrver halten entlang von vorgegebenen Bahnen in einfacher Weise steuern. Um diesen Vorteil nutzen zu können, ist es notwendig, das Verhalten entlang der vorgegebenen Bahn unabhängig von der seitlichen Abweichung von dieser Bahn und der Verdrehung des Läufers zu regeln. Deshalb erfolgt die Berechnung der Stellgrößeninkremente in einem entlang der Bahn mitbewegten Koordinatensystem, welches im Sollwert generator aus der Position und dem z. B. nach DIN 66025 gegebenem Bahntyp für numerisch gesteuerte Arbeitsmaschinen berechnet wird. In den Transformationen (Verschiebung, Drehung) werden die durch die Bewegung des Koordinatensystems entstehenden Glieder (Zentrifugal- und Corioliskraft) speziell bei der Transformation der Beschleunigungen berücksichtigt. Die im Block Stellgrößenänderung berechneten Stellgrößenänderungen werden rücktransformiert und aufsummiert. Zusätzlich wird im Block Stellgrößenintegration, Vorsteuerung und Begrenzung (Fig. 16) die Stellgröße begrenzt, die im Sollwertgenerator aus dem gegebenen Bahntyp und der Sollgeschwindigkeit berechnete Zentrifugalkraft als Vorsteuerung zur Stellgröße addiert und das für den Beobachter benötigte tatsächliche Stellgrößeninkrement berechnet. Die Verzögerung des Stellgrößeninkrements zum Ausgleich der Rechenzeit erfolgt ebenfalls in diesem Block.

Für die Steuerung des Antriebs wird eine automatische Masse- und Schwerpunktbestimmung zweckmäßig folgendermaßen durchgeführt:

Die Berechnung von Geschwindigkeit und Beschleunigung des Läufers erfolgt im Beobachter, welcher die Dynamik des Planarantriebs nachbildet. Die Exaktheit der Ergebnisse des Beobachters wird dabei durch die Genauigkeit des dem Beobachter zugrundeliegenden Motormodells bestimmt. Um unter wechselnden Betriebszuständen und Belastungen diese Übereinstimmung zu gewährleisten, wird parallel zum Beobachter auf dem Host-PC eine Parameteridentifizierung durchgeführt. Mit Hilfe der hierin gefundenen Werte für die Masse und das Trägheitsmoment werden die Beobachterparameter aktualisiert. Darüber hinaus werden die gefundenen Werte für die Verteilung der Stellgröße auf die Spulenströme benötigt.

Variante 1

Die erste Variante beruht auf dem Newtonschen Grundgesetz, wonach die Masse der Quotient aus angreifender Kraft und wirkender Beschleunigung ist. Kraft und Beschleunigung werden aus den Eingangsgrößen des Beobachters ermittelt, deren Zeitreihen auf dem Host-PC aufgezeichnet werden. Dazu wird die aufgezeichnete Position zweimal differenziert und das Ergebnis der Differentiation sowie die Stellgröße zur Unterdrückung des Rauschens in einem phasenfreien Tiefpaß gefiltert. Um den Einfluß von Störungen gering zu halten erfolgt die Datenaufzeichnung nur, wenn die Beschleunigung hinreichend groß ist. Der Quotient wird abschließend erneut gefiltert.

Variante 2

Die zweite Variante wird benutzt, wenn neben der Trägheit weitere wesentliche Einflüsse (z. B. die Dynamik der Endstufen und Spulen) auf die Beschleunigung des Läufers vorliegen. Aus den Eingangsgrößen des Beobachters wird wie in Variante eins eine phasenfrei gefilterte Stellgröße und Beschleunigung ermittelt. Mit den erhaltenen Zeitreihen wird dann für ein geeignet strukturiertes Model (Box-Jenkins- Modelle) eine Parameteridentifikation durchgeführt. Mittels der gefundenen Parameter kann der Beobachter aktualisiert werden.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Gesamtanordnung

2

Stator

3

Läufer

4

Luftlager

5

Lagerfläche

6

Luftlagerdüse

7

x-Spule

8

y-Spule

9

Läuferrahmen

10

Meßsystemanordnung

11

Meßsystemaussparung

12

Luftlagerbefestigung

13

rechte y-Spulen

14

linke y-Spulen

15

vordere x-Spulen

16

hintere x-Spulen

17

permanentmagnetisch erregter Kreis

18

rechter Magnet

19

Rückschlußjoch

20

linker Magnet

21

Justiereinrichtung

22

Maßverkörperung (Kreuzrasterplatte)

23

Abtastrasterplatte

24

Sensormodul (y1-System)

25

Sensormodul(x-System)

26

Sensormodul (y2-System)

27

Empfänger

28

Sender

29

Trägerplatte

31

Signalverarbeitungselektronik

32

Abtastabstand

33

Sensorfeld

34

Referenzsensor

36

Referenzlinie für x-Koordinate

37

Referenzlinie für y-Koordinate

38

Basisabstand

39

Grundkörper

40

Meßsystemaufnahme

41

Rastermuster

42

Einzelfläche

43

Abtastrasterdurchbruch

44

Abtastraster

45

Gehäuse

46

Öffnung

51

Abtasteinheit

52

x-Teilungsabstand

53

y-Teilungsabstand

54

Rasterplattenbreite

55

Rasterplattenlänge

56

Freifläche

57

Winkel

60

Rahmensteg

61

Rahmenaufnahme

62

Magnetbreite

63

Magnetmittellinie

64

Spulenstrangmittellinie

65

Abstand (doppelte Teilungsbreite)

66

linke Spule

67

rechte Spule

68

linker permanentmagnetisch erregter Kreis

69

rechter permanentmagnetisch erregter Kreis

70

Abtastrasterdurchbruchbreite

71

Abstand (Teilungsbreite)

72

Spulenstrangbreite

73

Welligkeit (der Kraft-Weg-Kennlinie)

74

Maximalkraft

Claims

1. Elektrodynamischer planarer x-y-ϕ-Direktantrieb mit einer Gesamtanordnung (1) aus einem Stator (2), einem Läufer (3), einer Meßsystemanordnung (10) sowie Luftlagern (4), dessen Stator (2) aus einem nahezu quadratischen Grundkörper (39) mit jeweils paarig gegenüberliegenden 2n x-Spulen (7) (mit n = 2, 3, 4 . . .) und jeweils paarig gegenüberliegend 2n y-Spulen (8) (mit n = 2, 3, 4 . . .) und dessen Meßsystem anordnung (10) aus einer Justiereinrichtung (21) mit ange lenkter Maßverkörperung (22) besteht, wobei die Maßver körperung (22) eine Kreuzrasterplatte aufweist, deren Einzel flächen (42) reflektierend und deren Freiflächen (56) absorbierend/transmittierend oder deren Freiflächen (56) reflektierend und deren Einzelflächen (42) absorbie rend/transmittierend sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperung (22) bezüglich der Unterseite des Läufers zurückgesetzt ist und die Abtasteinheit (51) aus einem Sensormodul (25) für die x-Koordinate und zwei in einem Basisabstand (38) angeordneten Sensormodulen (24, 26) für die y-Koordinate (y1 und y2) besteht, deren Sensorfelder (33) in einer Linie angeordnet sind und die Referenzsensoren (34) der y-Sensormodule (24, 26) ebenfalls auf einer Linie angeordnet sind, zu der der Referenzsensor (34) des x-Sensormoduls (25) lotrecht liegt.

2. Direktantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormodule (24, 25, 26) auf einer tragenden Platte (29) angeordnet sind, die die exakte Relativlage der einzelnen Sensormodule (24, 25, 26) realisiert, wobei jedes Sensormodul (24, 25, 26) sein eigenes Abtastraster (44) trägt.

3. Direktantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastrasterplatte (23) die Abtastraster (44) der Sensormodule (24, 25, 26) sowie die Öffnungen (46) der Referenzsensoren (34) auf einer gemeinsamen Glasplatte trägt und daß die Sensormodule (24, 25, 26) genau auf die Abtastrasterplatte (23) aufgebracht sind.

4. Direktantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsensoren in einem Sensorfeld (33) Sender- (28) und Empfängerbauelemente (27) tragen, die sowohl die Bestrahlung des Kreuzrasters als auch die Detektierung der vom im Abtastabstand (32) parallel angeordneten Kreuzrasterplatte (22) zurückreflektierten und durch das Abtastraster (44) der Sensorfelder (33) oder der Abtastrasterplatte (23) hindurch gehenden Strahlung übernehmen und daß jedes Sensormodul (24, 25, 26) einen Referenzsensor (34) trägt, der die Abtastung einer durchgehenden Referenzlinie (36, 37) geeigneter Breite und Länge im Randbereich des Kreuzrasters erlaubt, wobei sich die Referenzlinien (36, 37) für die x- und y- Koordinate entweder direkt im Kreuzraster oder an der Randzone des Kreuzrasters befinden, und die y-Koordinate des Läufer schwerpunktes und die Verdrehung des Läufers (3) aus den Sensorwerten y1 und y2 gebildet sind.

5. Direktantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzrasterplatte (22) an den Randzonen Referenzlinien (35) trägt, die mit Hilfe der Referenzsensoren (34) die Generierung von Referenzimpulsen für die x- und y-Koordinate gestatten, und daß die Referenzlinie für die y-Koordinate (35, 37) vorzugsweise über die gesamte Länge einer Kreuzrasterseite am Rand des Kreuzrasters verläuft und die Referenzlinie für die x-Koordinate (36) vorzugsweise ortho gonal dazu nur wenige Millimeter (z. B. 5. . .10 mm) lang ist.

6. Direktantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Magnetquerschnittes und des kraftwirksamen Spulenstrangquerschnittes dahingehend optimiert ist, daß die Schwankung der Anziehungskraft zwischen Läufer und Stator während einer Relativbewegung zwischen beiden minimiert wird.

7. Direktantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (2) in den Wirkungsbereichen der permanentmagnetisch erregten Kreise (17) nicht aus ferromagnetischem Material besteht und eine Vorspannung zwischen Läufer (3) und Stator (2) vorzugsweise durch Vakuum- Saugflächen ausreichender Größe wenige Mikrometer über den Lagerflächen erfolgt, die sich vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Luftlagerdüsen befinden oder innerhalb eines Luftlagerdüsenringes angeordnet sind.

8. Direktantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftlagerdüsen (6) integraler Bestandteil des Läufers (3) sind.

9. Direktantrieb nach den Ansprüchen 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß drei Spulenpaare (7, 8) sternförmig und die mindestens je zwei permanentmagnetisch erregte Kreise (17) dreieckförmig angeordnet sind.

10. Regelung für einen elektrodynamischen planaren x-y-ϕ- Direktantrieb mit einer Gesamtanordnung (1) aus einem Stator (2), einem Läufer (3), einer Meßsystemanordnung (10) sowie Luftlagern (4), dessen Stator (2) aus einem nahezu quadra tischen Grundkörper (39) mit jeweils paarig gegenüber liegenden 2n x-Spulen (7) (mit n = 2, 3, 4 . . .) und jeweils paarig gegenüberliegend 2n y-Spulen (8) (mit n = 2, 3, 4 . . .) und dessen Meßsystemanordnung (10) aus einer Justierein richtung (21) mit angelenkter Maßverkörperung (22) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß
als Eingangsgröße nur die von der Meßsystemanordnung (10) gemessene Position verwendet wird und die für die Steuerung benötigten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in einem Beobachter berechnet werden, der auf der Basis eines inkrementellen Motormodells nach dem Prinzip des stationären Kalmanfilters arbeitet, dessen Eingangsgrößen das Positions- und das Stellgrößeninkrement sind, die synchronisiert werden, um die Rechenzeit der Steuerelektronik zu berücksichtigen,
daß eine online-Parameteridentifikation zur Bestimmung der Masse und des Trägheitsmomentes durchgeführt wird, welche eine automatische Anpassung des Beobachters an verschiedene Betriebszustände und Belastungen ermöglicht,
daß die Regelung der Bewegung entlang der vorgegebenen Bahn, die Regelung der seitlichen Abweichung von dieser Bahn sowie die Regelung der Verdrehung des Läufers unabhängig voneinander erfolgt,
daß in den dazu notwendigen Koordinatentransformationen entlang gekrümmter Bahnkurven die Zentrifugalkraft und die Corioliskraft berücksichtigt werden,
daß eine kaskadenförmige Reglerstruktur mit eingefügten Begrenzern verwendet wird, mit der eine Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsregelung möglich ist, ohne die inverse Kinematik zu berechnen,
und daß in der Vorsteuerung nur noch die Radialbeschleunigung entlang gekrümmter Bahnkurven berücksichtigt wird.

11. Regelung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagedetektion auf der Basis der durch ein Rastermuster (41) mit genauen rechteckigen Einzelflächen (42) realisierten Maßverkörperung (22) und eines Detektionsalgorithmus erfolgt dergestalt, daß die nach einem einmaligen Vermessen der Maßverkörperung (22) mit einem hochpräzisen Meßsystem bei zur Bestimmung des Ausdehnungskoeffizienten hinreichend vielen Temperaturpunkten gemessenen Normabweichungen stückweise zweidimensional interpoliert werden.

12. Regelung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Position in der Bewegungsebene x-y abhängige variable Bestromung des Antriebs erfolgt dergestalt, daß bei der Positionsregelung die Kraft-Weg-Kennlinie für eine konstante Kraftbelastung des verwendeten elektrodynamischen Direktantriebes mittels eines Korrekturkoeffizienten berück sichtigt wird, wobei der aus der vor Inbetriebnahme des Reglers gemessenen Kennlinie abgeleitete Koeffizient dem Verhältnis von gemessenem Strom und konstanter Kraft ent spricht und entweder diskret in Form eines zweidimensionalen Feldes oder in Gestalt einer approximierten zweidimensionalen Funktion vorliegt.