NL9001908A - Elektromagnetische ondersteuning met positie-onafhankelijke eigenschappen. - Google Patents

Description

"Elektromagnetische ondersteuning met positie-onafhankelijke eigenschappen ."

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het positioneren van een lichaam in tenminste een ondersteuningsrichting door middel van tenminste een elektromagneet en met behulp van tenminste een positiesensor, waarbij een elektrische uitgang van de positiesensor is verbonden met een elektrische ingang van een elektronische regelaar waarmee een elektrische stroom in de elektromagneet regelbaar is als functie van een verschil tussen een met de positiesensor gemeten positie van het lichaam ten opzichte van de elektromagneet en een gewenste positie.

Uit het tijdschrift Philips Technical Review, vol. 41, no. 11/12, 1983/84, bladz. 348-361, is een inrichting bekend van de in de aanhef genoemde soort, waarbij een as door middel van vijf paren elektromagneten zodanig is ondersteund dat alleen een rotatie van de as om de hartlijn van de as mogelijk is. Een door een elektromagneet op de as uitgeoefende kracht is nagenoeg evenredig met het kwadraat van de grootte van de stroom door de elektromagneet en nagenoeg omgekeerd evenredig met het kwadraat van de grootte van een luchtspleet tussen de elektromagneet en de as. Als gevolg van het genoemde verband tussen de elektromagnetische kracht en de grootte van de luchtspleet is de positie van de as ten opzichte van de elektromagneten zonder verdere maatregelen niet stabiel. Om bij de bekende inrichting een stabiele, gewenste positie van de as te handhaven wordt de positie van de as ten opzichte van elk paar eletromagneten gemeten met behulp van een positiesensor en wordt een door het verschil tussen de gemeten en de gewenste positie bepaalde regelstroom door de beide elektromagneten van het betreffende paar gestuurd. De grootte van de regelstroom wordt daarbij bepaald door middel van een regelaar met een proportionele, differentiërende en integrerende actie (PID-regelaar). Met behulp van de met de PID-regelaar geregelde elektromagneten wordt een stabiele ondersteuning verkregen.

Aangezien tussen de elektromagnetische kracht en de grootte van de luchtspleet en de stroom een niet-lineair verband bestaat, vormt de bekende inrichting een niet-lineair systeem. De toegepaste PID-regelaar is een lineaire regelaar en is bij de bekende inrichting geoptimaliseerd voor een werkpunt dat bepaald is door een gewenste grootte h0 van de luchtspleet en door een basisstroom iQ door de elektromagneten. Een aantal eigenschappen van de ondersteuning die mede de stabiliteit van de ondersteuning bepalen, zoals stijfheid en bandbreedte, is daardoor echter afhankelijk van de positie van de as ten opzichte van de elektromagneten, terwijl de toegepaste PID-regelaar alleen optimaal functioneert bij relatief kleine verplaatsingen van de as uit de gewenste positie. Een nadeel van de bekende inrichting is dan ook dat slechts één positie van de as optimaal stabiel is, terwijl elke andere positie van de as minder stabiel is of zelfs onstabiel kan zijn. Hierdoor kunnen met name bij het in werking stellen van de ondersteuning stabiliteitsproblemen optreden.

Een doel van de uitvinding is een inrichting voor het ; positioneren van een lichaam te verschaffen, waarbij de stijfheid en de bandbreedte onafhankelijk zijn van de positie van het lichaam ten opzichte van de elektromagneten, zodat de hiervoor beschreven bezwaren worden vermeden.

De uitvinding heeft daartoe tot kenmerk, dat tussen een elektrische uitgang van de regelaar en de met de regelaar geregelde elektromagneet een voor de betreffende elektromagneet unieke elektronische vermenigvuldiger is geschakeld, waarbij een uitgangssignaal van de vermenigvuldiger is bepaald door het produkt van een regelsignaal van de regelaar en een uitgangssignaal van de positiesensor.

Door toepassing van de elektronische vermenigvuldiger tussen de regelaar en de met de regelaar geregelde elektromagneet wordt bereikt, dat de stroom door de betreffende elektromagneet zowel evenredig is met het regelsignaal van de regelaar alsook evenredig is met de grootte van de luchtspleet van de elektromagneet. Op deze wijze is de door de betreffende elektromagneet uitgeoefende kracht alleen even- redig met het kwadraat van het regelsignaal van de regelaar en nagenoeg "onafhankelijk van de grootte van de luchtspleet van de betreffende elektromagneet, waardoor de stijfheid en de bandbreedte van de inrichting onafhankelijk zijn van de positie van het lichaam en de regelaar in iedere positie van het lichaam optimaal kan functioneren (positie-onafhankelijkheid van de regeling). Met de uitvinding wordt tevens bereikt, dat het te ondersteunen lichaam met behulp van de inrichting op nauwkeurige wijze ten opzichte van de elektromagneet kan worden verplaatst.

Bij een inrichting van de in de aanhef genoemde soort met een voor een werkpunt (h0, i0) geoptimaliseerde regelaar zijn de stijfheid en de bandbreedte ook afhankelijk van de grootte van de basis-stroom i0, terwijl de regelaar alleen optimaal functioneert bij kleine belastingen op het lichaam, d.w.z. als de regelstromen door de elektromagneten klein zijn ten opzichte van de basisstroom. Een bijzondere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat tussen de regelaar en de met de regelaar verbonden vermenigvuldiger een elektronische worteltrekker is geschakeld. Door toepassing van de elektronische worteltrekker wordt bereikt, dat de stroom door de met de regelaar geregelde elektromagneet evenredig is met de vierkantswortel van het regelsignaal van de regelaar. Op deze wijze is de door de betreffende elektromagneet uitgeoefende kracht evenredig met de grootte van het regelsignaal, waardoor de stijfheid en de bandbreedte van de inrichting onafhankelijk zijn van de grootte van de stroom door de elektromagneet en de regelaar bij elke belasting op het te ondersteunen lichaam optimaal functioneert (stroomonafhankelijkheid van de regeling).

Een verdere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, waarbij het lichaam in bedrijf in de ondersteuningsrichting is ondersteund door middel van een paar elektromagneten die in de ondersteuningsrichting gezien tegenover elkaar zijn gelegen en waarbij de stromen door de beide elektromagneten van het paar zijn geregeld door een voor de beide elektromagneten van het paar gemeenschappelijke regelaar, heeft tot kenmerk, dat tussen de regelaar en elk van de beide met de regelaar verbonden vermenigvuldigers een voor de betreffende vermenigvuldiger unieke elektronische worteltrekker is geschakeld. Bij deze uitvoeringsvorm wordt een tweezijdige ondersteuning van het lichaam met een hoge belastbaarheid verschaft door bij een verplaatsing van het lichaam uit de gewenste positie als gevolg van een statische belasting de elektromagneet, waarvan de luchtspleet ten gevolge van de verplaatsing is toegenomen, van een regelstroom te voorzien, die gelijkgericht is aan de basisstroom door de betreffende elektromagneet, en de andere elektromagneet van een regelstroom te voorzien, die tegengesteld gericht is aan de basisstroom. Naast een positie-onafhankelijke regeling wordt daarbij ook een stroomonafhankelijke regeling verkregen door toepassing van de genoemde unieke worteltrekkers.

Een nog verdere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, waarbij eveneens een paar elektromagneten en een voor het paar gemeenschappelijke regelaar worden toegepast, heeft tot kenmerk, dat tussen de regelaar en elk van de beide met de regelaar geregelde elektromagneten een voor de betreffende elektromagneet unieke elektronische gelijkriohter is geschakeld, waarbij de beide gelijk-richters elektrisch tegengesteld zijn gericht. Bij deze uitvoeringsvorm worden de elektromagneten alleen van een regelstroom en niet van een basisstroom voorzien. Door toepassing van de genoemde gelijkrichters wordt bereikt, dat bij een verplaatsing van het lichaam uit de gewenste positie als gevolg van een statische belasting op het lichaam alleen die elektromagneet van een regelstroom wordt voorzien, waarvan de luchtspleet ten gevolge van de verplaatsing is toegenomen. Op deze wijze worden de elektrische weerstandsverliezen van de elektromagneten klein gehouden.

Een verdere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, waarbij de gelijkrichters op een doelmatige en praktische plaats ten opzichte van de vermenigvuldigers zijn geschakeld, heeft tot kenmerk, dat de gelijkrichters zijn geschakeld tussen de regelaar en elk van de met de regelaar verbonden vermenigvuldigers. Hiermee wordt bereikt, dat een ingangssignaal van elk van de vermenigvuldigers altijd een gelijke polariteit bezit, zodat een onstabiele werking van de vermenigvuldigers rondom de nulovergang van het ingangssignaal wordt voorkomen.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, die bij toepassing van de in het voorgaande genoemde gelijkrichters een van de grootte van de stroom onafhankelijke regeling van de elektromagneten verschaft, heeft tot kenmerk, dat tussen de regelaar en elk van de beide met de regelaar verbonden vermenigvuldigers een voor de betreffende vermenigvuldiger unieke elektronische worteltrekker is geschakeld. Door toepassing van de worteltrekkers wordt ook in een onbelaste toestand van het lichaam een eindige stijfheid verkregen.

Een verdere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding, die bij toepassing van de genoemde gelijkrichters een van de grootte van de stroom onafhankelijke regeling met een eenvoudige opbouw verschaft, heeft tot kenmerk, dat tussen de regelaar en de beide met de regelaar verbonden vermenigvuldigers een voor beide vermenigvuldigers gemeenschappelijke elektronische worteltrekker is geschakeld.

Een nog verdere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat tussen elk der vermenigvuldigers en de met de betreffende vermenigvuldiger verbonden positiesensor een digitaal geheugen is geschakeld. Door toepassing van een digitaal geheugen tussen de positiesensor en de vermenigvuldiger kan op doelmatige wijze het uitgangssignaal van de positiesensor worden omgevormd tot een signaal dat in grootte evenredig is met de luchtspleet tussen : het lichaam en de met de betreffende vermenigvuldiger verbonden elektromagneet. Bovendien kan het uitgangssignaal van de positiesensor met behulp van het digitale geheugen worden gecorrigeerd voor niet- ; lineaire effekten zoals bijvoorbeeld magnetische verzadiging van de elektromagneten of het te ondersteunen lichaam.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin:

Figuur 1 een zijaanzicht toont van een gemeenschappelijk deel van een eerste en een tweede uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding,

Figuur 2 een bovenaanzicht toont van het gemeenschappelijke deel volgens figuur 1,

Figuur 3 een dwarsdoorsnede toont van het gemeenschappelijke . deel volgens de lijn III-III in figuur 2,

Figuur 4 op schematische wijze de eerste uitvoeringsvorm toont van de inrichting volgens de uitvinding met een eerste elektronisch regelcircuit, en

Figuur 5 op schematische wijze de tweede uitvoeringsvorm toont van de inrichting volgens de uitvinding met een tweede elektronisch regelcircuit.

De met de figuren 1 tot en met 5 geïllustreerde inrichtingen bezitten een rechtgeleiding met een zich evenwijdig aan een in figuur 1 als x-richting aangegeven, horizontale richting uitstrekkende stalen geleidebalk 1 die nabij zijn beide uiteinden is bevestigd aan een gestel 3, waarbij een tafel 5 in de x-richting verplaatsbaar is langs de geleidebalk 1. Met behulp van in de figuren 1 tot en met 5 niet nader weergegeven aandrijfmiddelen kan een op de tafel 5 bevestigd voorwerp 7 in de x-richting worden gepositioneerd.

De tafel 5 is voorzien van een ronde luchtvoet 9 van een uit de Nederlandse octrooiaanvrage 8902472 bekende soort. In bedrijf is de luchtvoet 9 met behulp van een met een onderdruk voorgespannen statisch gaslager van een op zichzelf gebruikelijke soort afgesteund op een granieten basisvlak 11, dat zich in een horizontaal vlak uitstrekt evenwijdig aan de x-richting en een dwars op de x-richting staande, horizontale y-richting (zie figuur 2). Door toepassing van de luchtvoet 9 in combinatie met het basisvlak 11 wordt een translatie van de tafel 5 in een dwars op het basisvlak 11 staande z-richting verhinderd, alsmede een rotatie van de tafel 5 om een evenwijdig aan de x-richting of de y-richting gerichte rotatie-as.

Een translatie van de tafel 5 evenwijdig aan de y-richting alsmede een rotatie van de tafel 5 om een evenwijdig aan de z-richting gerichte rotatie-as wordt voorkomen door toepassing van twee paren elektromagneten (13, 15) en (17, 19), waarbij de beide paren op enige afstand van elkaar zijn bevestigd in een lagerhuis 21 dat tussen de tafel 5 en de luchtvoet 9 is aangebracht en dat de geleidebalk 1 omgeeft (zie figuren 1 en 2). Zoals in figuur 2 is te zien, zijn de beide elektromagneten (13, 15) en (17, 19) van elk paar in y-richting gezien tegenover elkaar gelegen aan weerskanten van de geleidebalk 1.

Indien door de elektromagneten 13, 15, 17 en 19 een elektrische stroom gaat, zal elk der elektromagneten 13, 15, 17 en 19 een aantrekkende, elektromagnetische kracht uitoefenen op de stalen geleidebalk 1. De grootte van deze kracht is nagenoeg evenredig met het kwadraat van de grootte van de stroom door de betreffende elektromagneet 13j 15, 17, 19 en nagenoeg omgekeerd evenredig met het kwadraat van de grootte van een luchtspleet 23 tussen de betreffende elektromagneet 13, 15, 17, 19 (zie figuur 2) en de geleidebalk 1. Als gevolg van het genoemde verband tussen de elektromagnetische kracht en de grootte van de luchtspleet 23 is een evenwichtsstand, waarin de aantrekkende krachten van de beide elektromagneten van elk paar (13, 15) en (17, 19) gelijk zijn, instabiel als de stroom door de elektromagneten 13, 15, 17, 19 een constante, ongeregelde stroom is. Indien namelijk de tafel 5 vanuit de evenwichtsstand over een kleine afstand wordt verplaatst evenwijdig aan de y-richting, zal de aantrekkende kracht van de elektromagneten, waarvan de luchtspleet 23 door de verplaatsing kleiner wordt, toenemen en zal de aantrekkende kracht van de elektromagneten, waarvan de luchtspleet 23 door de verplaatsing groter wordt, afnemen. Hierdoor ontstaat een resulterende kracht in de richting van de genoemde verplaatsing, zodat de verplaatsing verder zal toenemen.

Om een stabiele ondersteuning in de y-richting te verkrijgen is de stroom door de elektromagneten van de paren (13, 15) en (17, 19) geregeld door middel van respectievelijk elektronische regelcircuits 25a en 25b (zie figuur 2). De regelcircuits 25a en 25b zijn identiek. Elk van de beide paren elektromagneten (13, 15) en (17, 19) is voorzien van een kontaktloze capacitieve positiesensor 29, 31 van een op zichzelf gebruikelijke soort die is aangebracht in een der beide elektromagneten van het betreffende paar (13, 15), (17, 19) (zie figuur 2). Elk van de positiesensoren 29, 31 neet in bedrijf de grootte van de luchtspleet 23 tussen de geleidebalk 1 en de elektromagneet 13, 17 waarin de betreffende positiesensor 29, 31 is aangebracht. Door de regelcircuits 25a, 25b wordt de gemeten grootte van de beide luchtsple-ten 23 vergeleken met een gewenste grootte en wordt een van het verschil tussen de gewenste en de gemeten grootte afhankelijke regel-stroom door de elektromagneten 13, 15, 17, 19 gestuurd, zodat de gemeten grootte onder invloed van de op de geleidebalk 1 uitgeoefende elektromagnetische krachten gelijk wordt aan de gewenste grootte. In het volgende zal nader worden ingegaan op de werking en de eigenschappen van de regelcircuits 25a, 25b.

In figuur 4 is op schematische wijze een eerste uitvoerings- vorm weergegeven van de elektronische regelcircuits 25a en 25b. In elk. . regelcircuit 25a, 25b is een elektrische uitgang van de betreffende positiesensor 29, 31 verbonden met een eerste elektrische ingang van een als een comparator 33 functionerende sommeerschakeling. Door middel van de comparator 33 wordt een uitgangssignaal upos (spanningssignaal) van de positiesensor 29, 31, dat in grootte wordt bepaald door de grootte van de luchtspleet 23, vergeleken met een ingangssignaal ugew van een tweede elektrische ingang van de comparator 33, dat in grootte wordt bepaald door de gewenste grootte van de luchtspleet 23. Een uitgangssignaal ucom van de comparator 33 is gelijk aan het verschil Ugew ~ upos van de beide ingangssignalen van de comparator 33· Het signaal uoom vormt een ingangssignaal voor een elektronische regelaar 35. De regelaar 35 is een op zichzelf bekende en gebruikelijke PID-regelaar met een proportionele, integrerende en differentiërende regel-actie, die het signaal ucom omvormt tot een regelsignaal up^d (spanningssignaal) dat bepalend is voor de grootte van de regelstroom door de elektromagneten 13 en 15.

Een dergelijke PID-regelaar is een lineaire regelaar en is daarom in het bijzonder geschikt voor toepassing in een lineair systeem. Zoals in het voorgaande reeds is beschreven is de elektromagnetische kracht een niet-lineaire kracht, zodat de ondersteuning van de tafel 5 met behulp van de elektromagneten 13, 15, 17 en 19 een niet-lineair systeem vormt. Bij de in de inleiding genoemde bekende inrichting, die om een gelijke reden een niet-lineair systeem vormt, wordt het gebruik van een PID-regelaar mogelijk gemaakt door het niet-lineaire systeem te lineariseren rondom een werkpunt dat bepaald wordt door een gewenste grootte h0 van de luchtspleet en een basisstroom i0 door de elektromagneten. De eigenschappen van de ondersteuning, zoals de stijfheid, de demping en de bandbreedte, zijn dan echter afhankelijk van h0 en iQ. Met de toegepaste PID-regelaar wordt daarom alleen dan een optimale positieregeling verkregen indien de verplaatsingen klein zijn ten opzichte van h0 en indien de regelstromen & i klein zijn ten opzichte van i0.

In de in figuur 4 weergegeven regelcircuits 25a en 25b wordt het regelsignaal Up-j^ aangeboden aan een elektronische worteltrekker 37 van een op zichzelf bekende soort. Een uitgangssignaal uwrt van de worteltrekker 37 is in grootte gelijk aan de vierkantswortel van de grootte van het signaal Up-^j, terwijl het teken (polariteit) van het signaal gelijk is aan het teken van het signaal Up^:

Een elektrische uitgang van de worteltrekker 37 is via een eerste tak 39 van het regelcircuit 25 verbonden met de elektromagneet 15 en via een tweede tak 41 van het regelcircuit 25 verbonden met de elektromagneet 13· De takken 39 en 41 zijn voorzien van respectievelijk een elektronische gelijkrichter 43 en een elektronische gelijkrichter 45. De gelijkrichters 43 en 45, die elk als een diode werken, zijn van een op zichzelf gebruikelijke soort en kunnen zowel analoog (als een comparatorschakeling met een enkelzijdige gelijkrichtende werking) als digitaal (als een logische schakeling) uitgevoerd zijn. Zoals in figuur 4 is weergegeven zijn de gelijkrichters 43 en 45 ten opzichte van het signaal uwrt elektrisch tegengesteld gericht, zodat zij elk het signaal uwrj- in een verschillende richting geleiden. De functie van de gelijkrichters 43, 45 in het regelcircuit 25 wordt in het volgende nog nader toegelicht.

Zoals verder in figuur 4 is weergegeven bevat de eerste tak 39 een elektronische vermenigvuldiger 47 van een op zichzelf gebruike- i lijke soort. Een eerste ingang van de vermenigvuldiger 47 is via gelijkrichter 43 verbonden met de uitgang van de worteltrekker 37, terwijl een tweede ingang van de vermenigvuldiger 47 via een terugkoppeling 49 van het regelcircuit 25 met de uitgang van de positiesensor 29, 31 is verbonden. In de terugkoppeling 49 is een aftrekschakeling 51 opgenomen met een eerste elektrische ingang, die een constant ingangssignaal ufci ontvangt, en een tweede elektrische ingang die het signaal Up0S van de positiesensor 29, 31 ontvangt. Het signaal u^q is daarbij gelijk aan de som u0 + uci van een referentiesignaal u0, dat evenredig is met een gemiddelde grootte van een luchtspleet 53 tussen de geleide-balk 1 en de elektromagneet 15, en een correctiesignaal uc-| dat in grootte bepaald is door een aantal eigenschappen van de elektromagneet 15, zoals de magnetische permeabiliteit van het in de elektromagneet 15 toegepaste magneetijzer en de lengte van het toegepaste magneetijzer-circuit. Een uitgangssignaal u^f van de aftrekschakeling 51 is een verschil u^i - upos van de beide ingangssignalen uh-| en upos van de aftrekschakeling 51 en is bepaald door de grootte h-j van de luchtspleet __53- Het signaal u^f» wordt door de vermenigvuldiger 47 vermenigvuldigd___ met het signaal u^, zodat een uitgangssignaal upr-| van de vermenigvuldiger 47 is bepaald door het produkt uwr^ x u^f.

Het uitgangssignaal upr-| van de vermenigvuldiger 47 vormt een ingangssignaal voor een versterkereenheid 55 van een op zichzelf gebruikelijke soort, die is voorzien van een operationele versterker 57. Door middel van de versterkereenheid 55 wordt het spanningssignaal Upri versterkt tot een regelstroom i-j door de elektromagneet 15.

De tweede tak 41 van het regelcircuit 25 bevat een elektronische vermenigvuldiger 59 met een eerste ingang, die via de gelijk-richter 45 is verbonden met de worteltrekker 37, en met een tweede ingang die via een terugkoppeling 61 van het regelcircuit 25 is verbonden met de positiesensor 29, 31. In de terugkoppeling 61 is een optel-schakeling 63 opgenomen met een eerste elektrische ingang, die een constant ingangssignaal u^g ontvangt, en een tweede elektrische ingang die het signaal upos van de positiesensor 29, 31 ontvangt. Het signaal Ufo2 is vergelijkbaar met het genoemde signaal uci en is een correctie-signaal dat in grootte is bepaald door een aantal eigenschappen van de elektromagneet 13, zoals de magnetische permeabiliteit van het in de elektromagneet 13 toegepaste magneetijzer en de lengte van het toegepaste magneetijzercircuit. Een uitgangssignaal usom van de optelschake-ling 63 is gelijk aan de som u^g + upos van de beide ingangssignalen υ^2 en upos van de optelschakeling 63 en is bepaald door de grootte hg van de luchtspleet 23. Het signaal usom wordt door de vermenigvuldiger 59 vermenigvuldigd met het signaal uwrt, zodat een uitgangssignaal uprg van de vermenigvuldiger 59 is bepaald door het produkt u^ x usom.

Het uitgangssignaal uprg van de vermenigvuldiger 59 vormt een ingangssignaal voor een versterkereenheid 65 die van eenzelfde soort is als de genoemde versterkereenheid 55 en voorzien is van een operationele versterker 67. Met behulp van de versterkereenheid 65 wordt het spanningssignaal uprg versterkt tot een regelstroom ig door de elektromagneet 13.

Voor de grootte van de door de elektromagneten 15 en 13 op de geleidebalk 1 uitgeoefende krachten P-j en Fg kan bij benadering worden geschreven:

Voor de regelstromen i·] en ij en de grootte van de lucht-spleten h-j en h2 geldt:

Voor de krachten F·] en F2 geldt dus:

Door toepassing van de vermenigvuldigers 47 en 59 is bereikt dat de grootte van de krachten F·] en F2 onafhankelijk is geworden van de grootte van de luchtspleten h-| en h2 en alleen afhangt van de grootte van het regelsignaal Upi^. Met de regelaar 35 kan dan ook een optimale positieregeling worden bereikt bij elke grootte van de lucht-spleet 23, zodat in elke positie van de geleidebalk 1 ten opzichte van de elektromagneten 13, 15 een optimale stabiliteit wordt bereikt. Een voordeel van deze positie-onafhankelijkheid van de regeling is dat het in bedrijf stellen van de inrichting zonder problemen kan geschieden. Verder zal de regeling bij plotselinge relatief grote piekbelastingen op de tafel 5 altijd een optimaal stabiele werking verschaffen.

Door toepassing van de worteltrekker 37 naast de vermenigvuldigers 47 en 59 is bereikt dat de krachten F·] en F2 in grootte evenredig zijn met de grootte van het regelsignaal Upi<j, zodat de regelaar 35 in feite een lineair systeem regelt en met de regelaar 35 tevens bij elke grootte van de regelstromen i-j en i2 door de elektromagneten 13 en 15 een optimale positieregeling wordt bereikt. Een voordeel van deze regeling is dat een basisstroom door de elektromagneten onnodig is.

Door de in figuur 4 getoonde regelcircuits25a en 25b worden dan ook alleen regelstromen door de elektromagneten 13, 15 gestuurd, hetgeen toepassing van de reeds genoemde gelijkrichters 43 en 45 noodzakelijk maakt. Aangezien namelijk een door een der beide elektromagneten 13, 15 op de geleidebalk 1 uitgeoefende kracht altijd een aantrekkende kracht is, die onafhankelijk is van de richting van de regelstroom door de betreffende elektromagneet, zouden de krachten van de beide elektromagneten 13, 15 zonder toepassing van de gelijkrichters 43, 45 voortdurend gelijk zijn en zou een positieregeling niet mogelijk zijn. Door toepassing van de gelijkrichters 43, 45 wordt bij een statische belasting van de tafel 5 alleen elektromagneet 13 van een regelstroom i2 in een in figuur 4 aangegeven richting voorzien en is i·] gelijk aan nul indien de gemeten grootte van de luchtspleet 23 groter is dan de „gewenste grootte. Bij een dergelijke belasting wordt alleen elektro- ___ magneet 15 van een regelstroom i-j in een in figuur 4 aangegeven richting voorzien en is i£ gelijk aan nul als de gemeten grootte van de luchtspleet 23 kleiner is dan de gewenste grootte. Doordat een basis-stroom door de elektromagneten 13, 15 ontbreekt en slechts een der beide elektromagneten 13, 15 een regelstroom ontvangt zijn de elektrische weerstandsverliezen van de elektromagneten 13, 15 laag. In een onbelaste toestand van de tafel 5 zijn de weerstandsverliezen verwaarloosbaar klein.

In figuur 5 is op schematische wijze een tweede uitvoeringsvorm van de regelcircuits 25a en 25b weergegeven. In elk regelcircuit 25a, 25b volgens figuur 5 zijn de aftrekschakeling 51 en de optelscha-keling 63 vervangen door respectievelijk een eerste digitaal geheugen 69 en een tweede digitaal geheugen 71. In de geheugens 69 en 71 is in tabelvorm een relatie opgeslagen tussen het signaal Up0S en respectievelijk de signalen u^f en usora voor een aantal met een stapgrootte Δ Upos op elkaar volgende waarden van upos. Bij een voldoend kleine stapgrootte AUp0S benaderen de functies van de digitale geheugens 69 en 71 in het regelcircuit volgens figuur 5 de functies van ‘ respectievelijk de aftrekschakeling 51 en de optelschakeling 63 in het regelcircuit volgens figuur 4. Bovendien worden de signalen u^f en usom d°or middel van respectievelijk de digitale geheugens 69 en 71 gecorrigeerd voor niet-lineaire eigenschappen van de elektromagneten 13, 15 en van de geleidebalk 1, zoals bijvoorbeeld magnetische verzadiging.

Opgemerkt wordt, dat de in de figuren 1, 2 en 3 weergegeven inrichtingen met regelcircuits 25a, 25b volgens de figuren 4 of 5 bij uitstek geschikt zijn voor toepassing in een optisch lithografische positioneerinrichting voor de vervaardiging van maskers toegepast in de fabricage van geïntegreerde schakelingen. Bij dergelijke positioneer-inrichtingen en bij andere precisiemachines met een elektromagnetische ondersteuning kunnen maatonnauwkeurigheden ontstaan ten gevolge van warmteontwikkeling in de elektromagneten. Door toepassing van een inrichting volgens de figuren 4 of 5 kunnen dergelijke onnauwkeurigheden voorkomen worden. Bovendien kunnen dankzij de nauwkeurigheid en de positie-onafhankelijke eigenschappen zoals stijfheid en bandbreedte van de genoemde inrichtingen zeer kleine luchtspleten worden toegepast, hetgeen een reductie van de grootte van de benodigde regelstromen en de daardoor veroorzaakte weerstandsverliezen mogelijk maakt.

Verder wordt opgemerkt, dat de elektronische worteltrekker 37 en de gelijkrichters 43 en 45 uit de regelcircuits 25a, 25b kunnen worden weggelaten indien geen bijzondere eisen worden gesteld ten aanzien van de warmteontwikkeling in de elektromagneten. Er ontstaat dan een positie-onafhankelijke regeling, waarbij door de elektromagneten een basisstroom met een daarop gesuperponeerde regelstroom gaat. De stijfheid en de bandbreedte van de regeling zijn dan afhankelijk van de grootte van de basisstroom.

Een andere uitvoeringsvorm ontstaat verder door uit de regelcircuits 25a, 25b alleen de gelijkrichters 43» 45 weg te laten.

Ook in deze uitvoeringsvorm worden de elektromagneten voorzien van een basisstroom, terwijl voor het verkrijgen van een van de grootte van de stroom onafhankelijke regeling in elke tak 39» 41 vóór de betreffende vermenigvuldiger 47, 59 een worteltrekker dient te worden opgenomen.

Het regelsignaal Up.^, dat de regelstromen door de elektromagneten 13, 15 bepaalt, dient dan vóór de betreffende worteltrekker in de takken 39, 41 respectievelijk te worden opgeteld bij en te worden afgetrokken van een basissignaal uD, dat de basisstroom door de elektromagneten bepaalt. Op deze wijze wordt in de betreffende ondersteuningsrichting een tweezijdige ondersteuning met positie-onafhankelijke en stroom- : onafhankelijke eigenschappen verkregen.

Opgemerkt wordt verder, dat de in de figuren 4 en 5 weergegeven elektronische componenten elk kunnen worden vervangen door een digitale schakeling met een overeenkomstige werking. Zo kunnen bijvoorbeeld de regelaar 35, worteltrekker 37 en de beide gelijkrichters 43, 45 vervangen worden door een digitale regelaar, waarin de functies van de regelaar 35, de worteltrekker 37 en de gelijkrichters 43, 45 zijn verenigd.

Opgemerkt wordt, dat de inrichtingen met regelcircuits 25a, 25b volgens figuur 4 of 5 bijzonder geschikt zijn voor toepassing in een raicromanipulator, waarbij het te ondersteunen lichaam over kleine afstanden (enkele tientallen microns) op nauwkeurige wijze kan worden verplaatst. Aangezien een dergelijke inrichting is voorzien van een positie-onafhankelijke regeling wordt in elke stand van het te ondersteunen lichaam een optimale stabiliteit bereikt.

Verder wordt opgemerkt, dat een eenvoudige uitvoeringsvorm van de inrichting wordt verkregen door bij toepassing van een basis-stroom slechts een van de beide elektromagneten 13, 15 te regelen. De andere elektromagneet wordt in deze uitvoeringsvorm alleen van een basisstroom voorzien en dient uitsluitend als voorspanmagneet. Een voorspankracht kan ook bereikt worden met behulp van andere middelen, zoals bijvoorbeeld door vacuum, een permanente magneet, een gasveer of een mechanische veer. Ook kan de zwaartekracht op het te ondersteunen lichaam als voorspankracht worden gebruikt. In deze gevallen wordt in de betreffende ondersteuningsrichting slechts een elektromagneet toegepast.

In de inrichting volgens de figuren 1 tot en met 5 zijn de elektromagneten 13, 15 tegenover elkaar aan weerskanten van de geleide-balk 1 aangebracht. Opgemerkt wordt, dat de elektromagneten 13, 15 ook op een andere wijze opgesteld kunnen zijn, namelijk met de U-vormige zijden van elkaar af. In dit geval bevindt het paar 13, 15 zich tussen een eerste en een tweede deel van de geleidebalk, waarbij de beide delen evenwijdig zijn.

Tenslotte wordt opgemerkt, dat bij de inrichting volgens de figuren 1, 2 en 3 twee vrijheidsgraden van de tafel 5 onderdrukt worden door middel van twee paren elektromagneten (13, 15) en (17, 19), namelijk een translatie evenwijdig aan de y-richting en een rotatie om een evenwijdig aan de z-richting gerichte rotatie-as. Door toepassing van meer paren elektromagneten bij een dergelijke inrichting kunnen ook meer dan twee vrijheidsgraden van het te ondersteunen lichaam onderdrukt worden. Indien een compactere opbouw van de inrichting gewenst is kan het voor de ondersteuning benodigde aantal elektromagneten gereduceerd worden. Dit kan bijvoorbeeld geschieden door het lichaam in twee richtingen te ondersteunen door middel van drie elektromagneten die onder een hoek van 120° ten opzichte van elkaar zijn opgesteld in een vlak dat dwars staat op de genoemde richtingen. Daarbij is een aangepaste regeling van de elektromagneten noodzakelijk met gekoppelde regelcircuits.

Claims (8)

1. Inrichting voor het positioneren van een lichaam in tenminste een ondersteuningsrichting door middel van tenminste een elektromagneet en met behulp van tenminste een positiesensor, waarbij een elektrische uitgang van de positiesensor is verbonden met een elektrische ingang van een elektronische regelaar waarmee een elektrische stroom in de elektromagneet regelbaar is als functie van een verschil tussen een met de positiesensor gemeten positie van het lichaam ten opzichte van de elektromagneet en een gewenste positie, met het kenmerk, dat tussen een elektrische uitgang van de regelaar en de met de regelaar geregelde elektromagneet een voor de betreffende elektromagneet unieke elektronische vermenigvuldiger is geschakeld, waarbij een uitgangssignaal van de vermenigvuldiger is bepaald door het produkt van een regelsignaal van de regelaar en een uitgangssignaal van de positiesensor.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tussen de regelaar en de met de regelaar verbonden vermenigvuldiger een elektronische worteltrekker is geschakeld.

3. Inrichting volgens conclusie 2, waarbij het lichaam in bedrijf in de ondersteuningsrichting is ondersteund door middel van een paar elektromagneten die in de ondersteuningsrichting gezien tegenover ' elkaar zijn gelegen en waarbij de stromen door de beide elektromagneten van het paar zijn geregeld door een voor de beide elektromagneten van het paar gemeenschappelijke regelaar, met het kenmerk, dat tussen de regelaar en elk van de beide met de regelaar verbonden vermenigvuldigers een voor de betreffende vermenigvuldiger unieke elektronische worteltrekker is geschakeld.

4. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij het lichaam in bedrijf in de ondersteuningsrichting is ondersteund door middel van een paar elektromagneten die in de ondersteuningsrichting gezien tegenover elkaar zijn gelegen en waarbij de stromen door de beide elektromagneten van het paar zijn geregeld door een voor de beide elektromagneten van het paar gemeenschappelijke regelaar, met het kenmerk, dat tussen de regelaar en elk van de beide met de regelaar geregelde elektromagneten een voor de betreffende elektromagneet unieke elektronische gelijkrich-ter is geschakeld, waarbij de beide gelijkrichters elektrisch tegengesteld zijn gericht.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de geli.ikrichters zijn geschakeld tussen de regelaar en elk van de met de regelaar verbonden vermenigvuldigers.

6. Inrichting volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat tussen de regelaar en elk van de beide met de regelaar verbonden vermenigvuldigers een voor de betreffende vermenigvuldiger unieke elektronische worteltrekker is geschakeld.

7· Inrichting volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat tussen de regelaar en de beide met de regelaar verbonden vermenigvuldigers een voor beide vermenigvuldigers gemeenschappelijke elektronische worteltrekker is geschakeld.

8. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat tussen elk der vermenigvuldigers en de met de betreffende vermenigvuldiger verbonden positiesensor een digitaal geheugen is geschakeld.