DE4108688A1 - Accurate object positioner using proportional EM actuator - has push=pull stages with laser measurement of displacement to supply data to control stages operating in MM range - Google Patents
Accurate object positioner using proportional EM actuator - has push=pull stages with laser measurement of displacement to supply data to control stages operating in MM rangeInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Positionieren eines Objektes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a device for Position an object according to the generic term of Claim 1.
Zur Durchführung solcher Positionier-Aufgaben finden Stellantriebe Verwendung, die bei linearer Kennlinie zwischen Kraft- und Steuergröße eine gute Dynamik besitzen, d. h. die schnelle Verstellbewegungen mit Bandbreiten bis zu mehreren 100 Hz ermöglichen.Find how to perform such positioning tasks Actuators Use with linear characteristic between Force and control quantity have good dynamics, d. H. the fast adjustment movements with bandwidths of up to several Enable 100 Hz.
Es ist bekannt, für solche Stellantriebe Linear-Motoren zu verwenden. Diese benutzen zur Objektbewegung die Kraft, die zwischen einem Permanent-Magneten und einer stromdurch flossenen Spule erzeugt wird. Solche Linear-Motoren sind beispielsweise aus der EP-A-02 21 735 bekannt. Linear-Motoren ermöglichen bei entsprechender Baugröße nahezu beliebige Verstellwege, sie haben jedoch den Nachteil, daß sie selbst bei Verwendung teuerer Permanent-Magnete aus seltenen Erden ein relativ großes Volumen benötigen und eine hohe Verlust- Leistung aufweisen.It is known to use linear motors for such actuators use. These use the force to move the object between a permanent magnet and a through-current fin coil is generated. Such linear motors are known for example from EP-A-02 21 735. Linear motors allow almost any given size Adjustment paths, but they have the disadvantage that they themselves when using expensive permanent magnets from rare earths require a relatively large volume and a high loss Have performance.
Bekannt sind auch die sogenannten Piezo-Antriebe, bei denen die Längenänderung von speziellem keramischem Material im elektrischen Feld zur Erzeugung einer Antriebskraft dient. Solche Antriebe sind in der Lage, hohe Antriebskräfte bei kleinen Auslenkungen und hoher Dynamik zu erzeugen. Sie sind als fertige Bauelemente am Markt erhältlich, beispielsweise als Modell P-840 der Firma Physik Instrumente. Piezo-Antriebe haben jedoch den Nachteil, daß sie auf Verstellwege unterhalb von 0,1 mm begrenzt sind, daß sie eine erhebliche Baulänge (ca. 1400·Hub) erreichen und in der Bauform kaum veränderbar sind. Die erreichbaren Verstellwege sind für viele Anwendungen zu klein.The so-called piezo drives are also known, in which the change in length of special ceramic material in the electric field is used to generate a driving force. Such drives are capable of high driving forces small deflections and high dynamics. you are available on the market as finished components, for example as model P-840 from Physik Instrumente. Piezo drives have the disadvantage, however, that they have adjustment paths below are limited by 0.1 mm that they have a considerable overall length (approx. 1400 stroke) and hardly any in design are changeable. The adjustment paths that can be reached are for many applications too small.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Positionieren eines Objektes innerhalb eines im Millimeter-Bereich liegenden Verstellweges zu schaffen, die bei geringem Volumen hohe Antriebskräfte bei guter Dynamik erzeugt und deren Bauform in einfacher Weise der vorgesehenen Anwendung anpaßbar ist.It is the object of the present invention, a Device for positioning an object within a to create an adjustment path in the millimeter range, the high driving forces with good volume with low volume Generates dynamics and their design in a simple manner intended application is customizable.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is accomplished by a device according to the characterizing features of claim 1 solved.
Die Vorrichtung nach der Erfindung basiert auf dem Prinzip des Elektromagneten, das seit langem in Relais und Hubmagneten verwendet wird. Bei dieser Verwendung werden nur die beiden Endstellungen, d. h. Anker angezogen/Anker abgefallen genutzt. Der zwischen diesen Endstellungen zurückgelegte Weg ließ sich bisher nicht nutzen, da die vom Elektromagneten erzeugten Kräfte unabhängig von der Richtung des Erregerstromes stets versuchen, den Anker anzuziehen und damit die Feldlinien zu verkürzen, d. h. unipolar wirken und da die Kennlinien Kraft-/Erregerstrom und Kraft/Weg nicht linear sind.The device according to the invention is based on the principle of the electromagnet that has long been in relays and Solenoid is used. With this use only the two end positions, d. H. Anchor tightened / anchor used decayed. The one between these end positions So far, it has not been possible to use the route covered by the Electromagnets generate forces regardless of the direction of the excitation current always try to pull the armature and thereby shortening the field lines, d. H. act unipolar and since the characteristic curves force / excitation current and force / displacement are are linear.
Die Erfindung ermöglicht es, einen linearen, bidirektionalen Antrieb nach dem Prinzip des Elektromagneten herzustellen, der für hochgenaue Positionieraufgaben verwendet werden kann, bei denen die Verstellwege im Millimeter-Bereich liegen.The invention enables a linear, bidirectional Manufacture drive according to the principle of the electromagnet, that can be used for high-precision positioning tasks where the adjustment ranges are in the millimeter range.
Nach einem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 ist dazu die Erregung des Elektromagneten so geregelt, daß die von ihm auf den Anker ausgeübte Kraft unabhängig von der Größe des Luftspaltes zwischen Anker und Kern linear von der Steuer größe abhängt. Aus dieser, beispielsweise als Spannung vor gelegten Steuergröße wird im Regelkreis der Erregerstrom des Elektromagneten gebildet. According to a characteristic feature of claim 1 the excitation of the electromagnet is regulated so that it by force exerted on the anchor regardless of the size of the Air gap between armature and core linear from the rudder size depends. From this, for example as a voltage The control variable placed in the control loop is the excitation current of the Electromagnet formed.
Die Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich durch geringe Masse, große erreichbare Kräfte und damit gute Dynamik bei geringem Herstellungsaufwand aus. Die mit einem bestimmten Volumen der neuen Vorrichtung erzeugbare Kraft ist größer als bei einem Linear-Motor mit entsprechendem Volumen. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die Vorrichtung durch entsprechende Ausbildung des Elektromagneten in einfacher Weise der jeweiligen Anwendung anpaßbar ist.The device according to the invention is characterized by low mass, large achievable forces and therefore good Dynamics with low manufacturing costs. The one certain volume of the new device can be generated force larger than a linear motor with the corresponding volume. It is readily understood that the device by appropriate training of the electromagnet in simple Way is adaptable to the respective application.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 beschrieben. Die Unteransprüche 2 und 3 beziehen sich auf spezielle, vorteilhafte Ausführungsformen. Die Unteransprüche 4 bis 7 beziehen sich auf die Messung des zur Regelung des Erreger stromes dienenden, der Größe des Luftspaltes proportionalen Signals. Auf die Ausbildung des zugeordneten Regelkreises beziehen sich die Unteransprüche 8 und 9. Die Unteransprüche 6 und 10 beziehen sich auf eine Ausführungsform, bei der zur Linearisierung der Kraft-Weg-Kennlinie der magnetische Fluß verwendet wird. Unteranspruch 11 beschreibt eine bevorzugte Ausführungsform des Elektromagneten. Andere Ausführungsformen des Elektromagneten sind möglich, wobei sich die jeweils verwendete Form an der vorgesehenen Anwendung orientiert.Further advantageous embodiments of the device according to the Invention are described in subclaims 2 to 11. The sub-claims 2 and 3 relate to special, advantageous embodiments. Subclaims 4 to 7 refer to the measurement of the used to regulate the pathogen current serving, proportional to the size of the air gap Signal. On the formation of the assigned control loop refer to sub-claims 8 and 9. The sub-claims 6 and 10 relate to an embodiment in which Linearization of the force-displacement characteristic of the magnetic flux is used. Subclaim 11 describes a preferred one Embodiment of the electromagnet. Other embodiments of the electromagnet are possible, the each used form based on the intended application.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungs beispiele darstellenden Fig. 1 bis 6 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:The invention will in the following with reference to the execution examples representing FIGS. 1 to 6 of the accompanying drawings in detail. In detail show:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der neuen Vorrichtung in der Anwendung zur Linearverstellung eines optischen Elementes, wobei die Anordnung zur Regelung des durch die Magnetspulen fließenden Erregerstromes schematisch dargestellt ist; Figure 1 shows a first embodiment of the new device in the application for linear adjustment of an optical element, the arrangement for regulating the excitation current flowing through the solenoid coils is shown schematically.
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Regelkreises für den Erregerstrom; Figure 2 shows the basic structure of a control loop for the excitation current.
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der neuen Vorrichtung in schematischer Darstellung; Fig. 3 shows a second embodiment of the new device in a schematic representation;
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines im Zusammenhang mit der Vorrichtung nach Fig. 3 verwendeten Regel kreises; Fig. 4 shows the basic structure of a control circuit used in connection with the device of Fig. 3;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel in der Anwendung zur Linearverstellung eines abbildenden Systems; FIG. 5 shows a further embodiment in the application to the linear displacement of an imaging system;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Fig. 6 shows another embodiment of the device.
In Fig. 1 ist mit (1) der Topfkern eines ersten Elektro magneten bezeichnet, der die Erregerspule (2) trägt. Ein Anker (3) schließt über einen Luftspalt (4) den Eisenkern des Magneten. Der Anker (3) ist rotationssymmetrisch ausgebildet und seine Achse (5) ist im Kern längsverschieblich gelagert. Der Anker (3) bildet zugleich den Anker eines zweiten Elektromagneten, dessen Topfkern mit (6) und dessen Spule mit (7) bezeichnet sind. Im Kern (6) ist die Achse (8) des Ankers (3) längsverschiebbar gelagert. Der Anker (3) schließt über den Luftspalt (9) den Eisenkreis des zweiten Elektro magneten. Mit der Achse (8) ist ein Spiegel (10) fest ver bunden, der durch entsprechende Erregung der Elektromagneten (1, 2) und (6, 7) in Richtung des Doppelpfeils (11) in ver schiedene Positionen verschoben werden kann. Diese Verschie bung liegt im Millimeter-Bereich.In Fig. 1 with ( 1 ) the pot core of a first electric magnet is referred to, which carries the excitation coil ( 2 ). An armature ( 3 ) closes the iron core of the magnet via an air gap ( 4 ). The armature ( 3 ) is rotationally symmetrical and its axis ( 5 ) is mounted in the core so as to be longitudinally displaceable. The armature ( 3 ) also forms the armature of a second electromagnet, the pot core with ( 6 ) and the coil with ( 7 ). In the core ( 6 ), the axis ( 8 ) of the armature ( 3 ) is mounted for longitudinal displacement. The armature ( 3 ) closes the iron circuit of the second electric magnet via the air gap ( 9 ). With the axis ( 8 ) a mirror ( 10 ) is firmly connected to the ver, which can be moved by appropriate excitation of the electromagnets ( 1 , 2 ) and ( 6 , 7 ) in the direction of the double arrow ( 11 ) in different positions. This shift is in the millimeter range.
Um die Position des Spiegels (10) exakt messen zu können, trifft im dargestellten Beispiel ein Laserstrahl (12) auf den Spiegel (10) und fällt nach Reflexion am Spiegel auf einen Sensor (13), der beispielsweise als Diodenzeile (13) aus gebildet ist. Das vom Sensor (13) erzeugte Signal ist also der Ist-Position des Spiegels (10) proportional.In order to measure the position of the mirror (10) exactly true in the illustrated example, a laser beam (12) onto the mirror (10) and falls after reflection by the mirror onto a sensor (13) which is formed for example as a diode row (13) is. The signal generated by the sensor ( 13 ) is therefore proportional to the actual position of the mirror ( 10 ).
Mit (16) und (17) sind zwei schematisch dargestellte Regel kreise bezeichnet, welche über die Leitungen (18) und (19) die Erregerströme zu den Spulen (7) und (2) leiten. Über den schematisch dargestellten Rechner (20) wird der Soll-Wert des Luftspaltes (4) bzw. (9) vorgegeben. Die Regelkreise (16) und (17) erzeugen Erregerströme, die unabhängig von der Größe des Luftspaltes (4, 9) direkt und linear der Kraft auf den Anker (3) proportional sind. Dadurch ist es möglich, den vorgewählten Wert des Luftspaltes (4, 9) sehr genau, sehr schnell und ohne störende Einschwingvorgänge zu erreichen.With ( 16 ) and ( 17 ) two schematically illustrated control circuits are referred to, which conduct the excitation currents to the coils ( 7 ) and ( 2 ) via the lines ( 18 ) and ( 19 ). The target value of the air gap ( 4 ) or ( 9 ) is specified via the schematically represented computer ( 20 ). The control loops ( 16 ) and ( 17 ) generate excitation currents that are directly and linearly proportional to the force on the armature ( 3 ) regardless of the size of the air gap ( 4 , 9 ). This makes it possible to achieve the preselected value of the air gap ( 4 , 9 ) very precisely, very quickly and without disturbing transient processes.
Der Sensor (13) liefert ein Signal, das der Ist-Position des Spiegels (10) proportional ist und das den Regelkreisen (16) und (17) zugeführt wird. Diese erzeugen bei Abweichungen vom vorgegebenen Soll-Wert ein Korrektursignal, das über die beiden Elektromagnete die Spiegelposition nachstellt.The sensor ( 13 ) delivers a signal which is proportional to the actual position of the mirror ( 10 ) and which is fed to the control loops ( 16 ) and ( 17 ). In the event of deviations from the specified target value, these generate a correction signal which adjusts the mirror position via the two electromagnets.
Die beiden Elektromagnete (1, 2) und (6, 7) arbeiten spiegel bildlich gegeneinander, so daß sie auf den Anker (3) Ein stell- und Rückstellkraft ausüben. Sie sind über die Regel kreise (16) und (17) auf gleichen Verlauf der Kraft-Weg-Kenn linien abgestimmt.The two electromagnets ( 1 , 2 ) and ( 6 , 7 ) work mirror images against each other, so that they exert an adjusting and restoring force on the armature ( 3 ). They are coordinated via the control loops ( 16 ) and ( 17 ) on the same course of the force-displacement characteristics.
Es ist prinzipiell möglich, nur einen der beiden Elektro magnete zu verwenden, beispielsweise den Magneten (1, 2) und durch eine Feder, die am Anker (3) angreift, eine Kraft zu erzeugen, die den Anker (3) entgegen der Wirkung des Magneten (1, 2) vorspannt.In principle, it is possible to use only one of the two electromagnets, for example the magnet ( 1 , 2 ) and to generate a force by a spring which acts on the armature ( 3 ), which counteracts the effect of the armature ( 3 ) Magnets ( 1 , 2 ) preloaded.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mißt der Sensor (13) die Position des über dem Anker (3) bewegten Spiegels (10). Diese Position ist direkt der Größe des Luftspaltes (4), welche im folgenden als l bezeichnet wird, proportional.In the exemplary embodiment in FIG. 1, the sensor ( 13 ) measures the position of the mirror ( 10 ) moved over the armature ( 3 ). This position is directly proportional to the size of the air gap ( 4 ), which is referred to below as l.
Es ist auch möglich, den Luftspalt-Abstand l direkt zu messen. Dazu können beispielsweise auf oder in den Erreger spulen (2, 7) Hilfswicklungen angebracht sein. Das von diesen Hilfswicklungen erzeugte Signal ist direkt dem magnetischen Fluß proportional und dieser ist bestimmt durch den Erreger strom und den Luftspalt-Abstand l. Da der Erregerstrom bekannt ist, wird in den Regelkreisen (16) und (17) aus den Signalen der Hilfswicklungen, welche über die gestrichelt dargestellten Leitungen (14) und (15) zugeführt werden, ein dem Luftspalt-Abstand l proportionales Signal errechnet, das anstelle des Signals des Sensors (13) verwendet wird.It is also possible to measure the air gap distance l directly. For this purpose, coils ( 2 , 7 ) auxiliary windings can be attached to or in the exciter, for example. The signal generated by these auxiliary windings is directly proportional to the magnetic flux and this is determined by the excitation current and the air gap distance l. Since the excitation current is known, a signal proportional to the air gap distance l is calculated in the control loops ( 16 ) and ( 17 ) from the signals of the auxiliary windings, which are supplied via the lines ( 14 ) and ( 15 ) shown in broken lines instead of the signal from the sensor ( 13 ) is used.
Eine weitere einfache Möglichkeit, den Luftspalt-Abstand l direkt zu messen, bieten sogenannte Differential-Feldplatten, welche in die Elektromagnete (1, 2) und (6, 7) integriert werden. Solche Differential-Feldplatten werden beispielsweise unter der Bezeichnung FP 212-100 von der Firma Siemens angeboten; sie messen den Luftspalt-Abstand l mit einem Linearitätsfehler <1%. Das Signal dieser Differential- Feldplatten wird über Leitungen (14, 19) den Regelkreisen (16, 17) zugeführt.So-called differential field plates, which are integrated in the electromagnets ( 1 , 2 ) and ( 6 , 7 ), offer a further simple possibility for directly measuring the air gap distance l. Such differential field plates are offered for example under the name FP 212-100 from Siemens; they measure the air gap distance l with a linearity error <1%. The signal from these differential field plates is fed to the control circuits ( 16 , 17 ) via lines ( 14 , 19 ).
Die Messung des Luftspalt-Abstandes l kann auch mit Hilfe von optischen Vorrichtungen erfolgen. Solche Vorrichtungen sind vielfältig bekannt; auf ihre Darstellung wird hier verzichtet.The measurement of the air gap distance l can also be done with the help done by optical devices. Such devices are widely known; on their representation here waived.
Es ist selbstverständlich möglich, mit der Vorrichtung nach Fig. 1 eine andere Bewegung anderer Elemente zu bewirken. Wird beispielsweise der Spiegel (10) drehbar gelagert und der Arm (8) gelenkig mit einem solchen Spiegel verbunden, so läßt sich die Winkelposition des Spiegels einstellen.It is of course possible to effect a different movement of other elements with the device according to FIG. 1. If, for example, the mirror ( 10 ) is rotatably mounted and the arm ( 8 ) is connected to such a mirror in an articulated manner, the angular position of the mirror can be adjusted.
Mit der Vorrichtung nach Fig. 1 ist es auch möglich, bei äußeren Störungen, wie z. B. Erschütterungen oder Vibrationen den Luftspalt (4, 9) immer konstant zu halten. Dazu wird über den Rechner (20) der dem Spiegelabstand proportionale Wert vorgegeben. Eine Vibration verursacht eine Änderung des Luft spalt-Abstandes l. Dessen Größe wird dann automatisch und schnell auf den vorbestimmten Soll-Wert nachgeregelt.With the device of Fig. 1, it is also possible in the event of external disturbances such as. B. shocks or vibrations always keep the air gap ( 4 , 9 ) constant. For this purpose, the value proportional to the mirror spacing is specified via the computer ( 20 ). A vibration causes a change in the air gap distance l. Its size is then automatically and quickly adjusted to the predetermined target value.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann auch nicht-rotationssymme trisch ausgebildet werden, wobei anstelle der Topfkerne (1 und 6) U-förmige Kerne verwendet sind.The device of FIG. 1 can also be formed non-rotationally symmetrically, with U-shaped cores being used instead of the pot cores ( 1 and 6 ).
In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel für einen der Regelkreise (16, 17) der Fig. 1 dargestellt. Vom Rechner (20) der Fig. 1 wird dem Punkt (21) ein Signal zugeführt, das den Soll-Wert des Luftspalt-Abstandes l und damit beispielsweise in Fig. 1 der Sollposition des Spiegels (10) proportional ist. Dieses Signal liegt als Spannungswert U1 vor. Über einen an sich bekannten PI-Regler (22) wird das Signal U1 verstärkt und liegt als Signal U2 am Punkt (23) an. In einem darauffolgenden Glied (24), das beispielsweise aus dem Baustein ICL-8013 der Firma INTERSIL gebildet ist, wird die Quadratwurzel aus dem Wert U2 gebildet. Dieser Wurzelwert wird einem Multiplizierer (25) zugeführt, der beispielsweise auch aus dem Baustein ICL-8013 besteht und dem vom Sensor am schematisch dargestellten Elektromagneten (1, 2) ein dem Luftspalt-Abstand l propor tionales Signal zugeführt wird. Der Multiplizierer (25) bildet also den Wert √ · l. Dieser wird einem Leistungs verstärker (26) zugeführt, der das zugeführte Spannungssignal in einen proportionalen Strom I umwandelt, der als Erreger strom der Spule (2) des Elektromagneten (1, 2) zugeführt wird. FIG. 2 shows a simplified exemplary embodiment for one of the control loops ( 16 , 17 ) in FIG. 1. The computer ( 20 ) of FIG. 1 supplies point ( 21 ) with a signal which is proportional to the target value of the air gap distance 1 and thus, for example, to the target position of the mirror ( 10 ) in FIG. 1. This signal is available as voltage value U 1 . The signal U 1 is amplified by a PI controller ( 22 ) known per se and is present as signal U 2 at point ( 23 ). In a subsequent link ( 24 ), which is formed, for example, from the ICL-8013 module from INTERSIL, the square root is formed from the value U 2 . This root value is fed to a multiplier ( 25 ) which, for example, also consists of the ICL-8013 module and which is supplied with a signal proportional to the air gap distance l by the sensor on the electromagnet ( 1 , 2 ) shown schematically. The multiplier ( 25 ) thus forms the value √ · l. This is fed to a power amplifier ( 26 ), which converts the supplied voltage signal into a proportional current I, which is supplied as the excitation current to the coil ( 2 ) of the electromagnet ( 1 , 2 ).
Für die nachfolgende Betrachtung ist vorausgesetzt, daß U2 direkt der Steuergröße U₁ proportional ist, so daß gilt:For the following consideration it is assumed that U 2 is directly proportional to the control variable U₁, so that:
U₂=c₂ · U₁ (c₂=Konstante)U₂ = c₂U₁ (c₂ = constant)
Am Ausgang des Multiplizierers (25) liegt die SpannungThe voltage is at the output of the multiplier ( 25 )
an. Der Leistungsverstärker (26) macht daraus den Erregerstrom I, der direkt der Spannung · l proportional ist, für den also gilt:at. The power amplifier ( 26 ) converts it into the excitation current I, which is directly proportional to the voltage · l, for which the following therefore applies:
oder or
Für die von der Spule (2) des Elektromagneten auf den Anker (3) ausgeübte Kraft F gilt:The following applies to the force F exerted by the coil ( 2 ) of the electromagnet on the armature ( 3 ):
F=c₄ · I²/l² (Grundgleichung)F = c₄ · I² / l² (basic equation)
Setzt man für den Erregerstrom I den Wert nach der FormelIf the value for the excitation current I is set according to the formula
ein, so erhält manone, so you get
Dies bedeutet, daß die auf den Anker (3) ausgeübte Kraft F direkt und unabhängig vom Luftspalt-Abstand l der Steuergröße U₁ proportional ist.This means that the force F exerted on the armature ( 3 ) is proportional to the control variable U 1 and is independent of the air gap distance l.
Die Kraft F ist in jedem Anwendungsfall durch die Parameter des Systems vorgegeben. Formt man die oben angeführte Grund gleichung um, so ergibt sich:The force F is due to the parameters in every application of the system. Forming the reason given above equation, we get:
Danach hängt der Luftspalt-Abstand l bei konstantem F linear vom Strom I durch die Erregerspule des Elektromagneten ab. Durch Wahl des Steuersignals U1, das diesem Strom proportional ist, läßt sich also jeder Luftspalt-Abstand innerhalb des Verstellbereiches durch Vorgabe eines entsprechenden Streuersignals U1 schnell und genau einstellen. Beispielsweise läßt sich durch ein kleines Signal U1 und demzufolge einem kleinen Erregerstrom I ein kleiner Luftspalt einstellen und umgekehrt.The air gap distance l then depends linearly on the current I through the excitation coil of the electromagnet at a constant F. By selecting the control signal U 1 , which is proportional to this current, any air gap distance within the adjustment range can be set quickly and precisely by specifying a corresponding scatter signal U 1 . For example, a small signal U 1 and consequently a small excitation current I can be used to set a small air gap and vice versa.
Der in Fig. 2 dargestellte Regelkreis besteht aus einem inneren (unterlagerten) Regelkreis für die Geschwindigkeit des Regelvorganges und dem äußeren Regelkreis für die Ein regelung der Sollposition des Luftspalt-Abstandes. Der innere Regelkreis enthält einen Differenzierer (27), an dessen Aus gang das vom Sensor des Elektromagneten (1, 2) kommende, dem Luftspalt-Abstand l proportionale Signal U3 als Signal dU3/dt liegt. Dieses Signal liegt am Punkt (23) an, dem das Ausgangs signal U2 des PI-Reglers (22) zugeführt ist. Dieses Signal bildet die Führungsgröße für den Geschwindigkeitsregler.The control loop shown in Fig. 2 consists of an inner (subordinate) control loop for the speed of the control process and the outer control loop for the regulation of the desired position of the air gap distance. The inner control circuit contains a differentiator ( 27 ), at whose output the signal U 3 coming from the sensor of the electromagnet ( 1 , 2 ), which is proportional to the air gap distance l, is present as signal dU 3 / dt. This signal is present at point ( 23 ) to which the output signal U 2 of the PI controller ( 22 ) is supplied. This signal forms the reference variable for the speed controller.
Das vom Elektromagneten (1, 2) kommende Signal U3, welches dem Luftspalt-Abstand l proportional ist, liegt am Punkt (1) an, dem auch das Stellsignal U1 zugeführt ist. Bei (21) wird die Differenz U1-U3 gebildet, die als Stellgröße über den PI- Regler dem Regelkreis zugeführt ist. Dieser regelt U1-U3 auf den Wert Null, d. h. er stellt den Erregerstrom I so ein, daß der Luftspalt l den vorgewählten Soll-Wert erreicht.The signal U 3 coming from the electromagnet ( 1 , 2 ), which is proportional to the air gap distance l, is present at point ( 1 ), to which the control signal U 1 is also supplied. At ( 21 ), the difference U 1 -U 3 is formed, which is fed to the control loop as a manipulated variable via the PI controller. This regulates U 1 -U 3 to the value zero, ie it sets the excitation current I so that the air gap l reaches the preselected setpoint.
Über den unterlagerten Geschwindigkeitsregelkreis wird erreicht, daß die Einstellung auf den Soll-Wert l schnell erfolgt. Bei geringeren Anforderungen an die Dynamik kann der Geschwindigkeitsregelkreis, d. h. der innere Regelkreis weg gelassen werden.Via the subordinate speed control loop achieved that the setting to the target value l quickly he follows. With less dynamic requirements, the Speed control loop, d. H. the inner control loop gone be left.
Der in Fig. 2 dargestellte Regelkreis ist mit analog arbei tenden Gliedern aufgebaut. Natürlich ist es auch möglich, das vom Elektromagneten (1, 2) kommende Signal U3 zu digitalisie ren und den Regelkreis aus Digitalgliedern aufzubauen.The control loop shown in Fig. 2 is constructed with analog working elements. Of course, it is also possible to digitize the signal U 3 coming from the electromagnet ( 1 , 2 ) and to build up the control loop from digital elements.
Der Luftspalt-Abstand l liegt bei der Vorrichtung nach der Erfindung bei maximal 5 mm, vorzugsweise unter 1 mm. Je nach Anwendungsfall kann die Kraft F verschiedene Werte haben. Ein beispielsweiser Wert liegt bei 200 N, der sich bei ent sprechender Ausbildung der Erregerspule mit einem Erreger strom in der Größenordnung von 10 A erreichen läßt. Die Vor richtung nach der Erfindung besitzt eine gute Dynamik, die Einstellbewegungen mit einer Bandbreite von ca. 300 Hz zuläßt. The air gap distance l is in the device according to the Invention at a maximum of 5 mm, preferably less than 1 mm. Depending on The application F can have different values. A for example, the value is 200 N, which is ent speaking training of the excitation coil with an exciter current in the order of 10 A can be reached. The before direction according to the invention has good dynamics, the Allows adjustment movements with a bandwidth of approx. 300 Hz.
Wird der Luftspaltabstand l bzw. die mit diesem verknüpfte Position des mit dem Magnetanker verbundenen Stellgliedes direkt gemessen, so ist auch eine Linearisierung der Kraft- Weg-Kennlinie bis zur Frequenz Null und eine statische Positionierung dieses Stellgliedes möglich. Der Mindest- Luftspalt sollte bei etwa 0,1 mm liegen.If the air gap distance l or that associated with it Position of the actuator connected to the magnet armature measured directly, this is also a linearization of the force Path characteristic to zero frequency and a static This actuator can be positioned. The minimum Air gap should be around 0.1 mm.
Die Fig. 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zur Linearisierung der Kraft-Weg-Kennlinie ein Regelkreis für den magnetischen Fluß Φ verwendet ist. FIGS. 3 and 4 show another embodiment, wherein the path characteristic power, a control loop for the magnetic flux Φ is used for linearization of the.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Elektromagneten, bestehend aus einem U-förmigen oder topfförmigen Kern (45), einem Anker (47) und der Erregerwicklung (46). Zu regeln ist der Ab stand l zwischen Kern (45) und Anker (47). Der Kern (45) trägt zusätzlich zur Erregerwicklung (46) eine schematisch dargestellte Meßwicklung (48), welche eine Spannung liefert, die der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses, d. h. der Größe dΦ/dt proportional ist. Die Wicklung (48) ist in un mittelbarer Nähe des Luftspaltes angebracht. Fig. 3 shows schematically an electromagnet consisting of a U-shaped or cup-shaped core ( 45 ), an armature ( 47 ) and the excitation winding ( 46 ). The distance l between the core ( 45 ) and anchor ( 47 ) should be regulated. The core ( 45 ) carries, in addition to the excitation winding ( 46 ), a schematically illustrated measuring winding ( 48 ) which supplies a voltage which is proportional to the change in the magnetic flux over time, ie the value dΦ / dt. The winding ( 48 ) is attached in the immediate vicinity of the air gap.
Der prinzipielle Aufbau eines Regelkreises zur Linearisierung der Kraft-Weg-Kennlinie ist in Fig. 4 dargestellt. Vom Rechner (20) der Fig. 1 wird dem ersten Glied (50) ein Signal zugeführt, das dem Soll-Wert des Luftspalt-Abstandes l pro portional ist und das als Spannungswert U1 vorliegt. Das Glied (50) bildet daraus den Wert . Dieser Wert wird über einen P-Regler (51) als Erregerstrom I der Erregerwicklung (46) des Elektromagneten (45, 46, 47) zugeführt. Die Meßwick lung (48) erzeugt ein dem Wert dΦ/dt proportionales Signal, das einem Integrator (52) zugeführt wird. Damit steht am Punkt (53) ein dem Istwert des magnetischen Flusses Φ propor tionales Signal an. Für dieses Signal giltThe basic structure of a control loop for linearizing the force-displacement characteristic is shown in FIG. 4. The computer ( 20 ) of FIG. 1 supplies the first link ( 50 ) with a signal which is proportional to the desired value of the air gap distance 1 and which is present as a voltage value U 1 . The link ( 50 ) forms the value from this. This value is fed as a field current I to the field winding ( 46 ) of the electromagnet ( 45 , 46 , 47 ) via a P controller ( 51 ). The Meßwick development ( 48 ) generates a signal proportional to the value d proportion / dt, which is fed to an integrator ( 52 ). There is therefore a signal at point ( 53 ) proportional to the actual value of the magnetic flux Φ. The following applies to this signal
Der Proportionalregler (51) bildet aus den am Punkt (53) anstehenden Signalen und c₆ · I/l den Erregerstrom I nach folgender GleichungThe proportional controller ( 51 ) forms the excitation current I according to the following equation from the signals present at point ( 53 ) and c₆ · I / l
Bei hinreichend großer Regelverstärkung geht der Wert k gegen unendlich, so daß giltIf the control gain is sufficiently large, the value k goes against infinite, so that applies
Setzt man diesen Wert in die weiter oben schon genannte GrundgleichungIf you put this value in the one already mentioned above Basic equation
ein, so erhält manone, so you get
Die auf den Anker (47) ausgeübte Kraft F ist also auch hier direkt und unabhängig vom Luftspaltabstand l der Steuer größe U1 proportional.The force F exerted on the armature ( 47 ) is therefore also proportional to the control variable U 1, regardless of the air gap distance l.
Wegen des vom Integrator (52) verursachten grundsätzlichen Integrationsfehlers ist die Vorrichtung nach den Fig. 3 und 4 ohne weitere Ergänzungen nicht bis zur Frequenz Null, d. h. dem statischen Fall anwendbar. Sie findet vorzugsweise Ver wendung im Frequenzbereich < 10 Hz. Eine Ergänzung, die die Anwendung bis zur Frequenz Null ermöglicht, kann z. B. so aussehen, daß in bestimmten Zeitabständen eine vorgegebene Position angefahren wird und der Integrator auf einen zugehörenden Spannungswert gesetzt wird.Because of the fundamental integration error caused by the integrator ( 52 ), the device according to FIGS. 3 and 4 cannot be used up to the frequency zero, ie the static case, without further additions. It is preferably used in the frequency range <10 Hz. A supplement that enables use down to zero frequency can be, for. B. look so that a predetermined position is approached at certain time intervals and the integrator is set to an associated voltage value.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Anker (30) zwei gegenläufig arbeitenden Elektromagneten (31, 32) und (33, 34) zugeordnet ist. Auf die Darstellung der Regelkreise ist hier verzichtet, da sie der Anordnung nach Fig. 1 entspricht. Der Anker (30) ist hier fest mit einem Träger (35) verbunden. Anker (30) und Träger (35) sind an einem schematisch dargestellten Gehäuse (36) befestigt, das ein abbildendes optisches System, beispielsweise ein Mikroskop-Objektiv enthält. Die Fokussierbewegung dieses Objektives wird durch Bewegen des Ankers (30) im Feld der Elektromagneten (31, 32) und (33, 34) bewirkt. Fig. 5 shows an embodiment in which an armature ( 30 ) is assigned to two electromagnets ( 31 , 32 ) and ( 33 , 34 ) working in opposite directions. The control loops are not shown here since they correspond to the arrangement according to FIG. 1. The anchor ( 30 ) is firmly connected to a carrier ( 35 ). Armature ( 30 ) and carrier ( 35 ) are fastened to a schematically illustrated housing ( 36 ) which contains an imaging optical system, for example a microscope objective. The focusing movement of this objective is effected by moving the armature ( 30 ) in the field of the electromagnets ( 31 , 32 ) and ( 33 , 34 ).
Im Prinzip kann die Vorrichtung nach Fig. 3 auch nur einen Elektromagneten, beispielsweise den Elektromagneten (31, 32) enthalten. In diesem Fall übt die Schwerkraft eine Rückstell kraft auf den Anker (30) aus.In principle, the device according to FIG. 3 can also contain only one electromagnet, for example the electromagnet ( 31 , 32 ). In this case, gravity exerts a restoring force on the armature ( 30 ).
Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten ist der Kern des Magneten lamelliert, wobei die Blechdicke beispielsweise 0,35 mm beträgt. Die Lamellen bestehen aus einem Material, das eine hohe Flußdichte ermöglicht (ca. 2 T) und dessen Hystereseverluste vernachlässigbar klein sind. Ein solches Material ist beispielsweise unter der Bezeichnung VACUFLUX der Vakuumschmelze Hanau im Handel erhältlich.To avoid eddy current losses, the core of the Laminated magnets, the sheet thickness for example Is 0.35 mm. The slats are made of one material that enables a high flux density (approx. 2 T) and its Hysteresis losses are negligibly small. Such one Material is for example under the name VACUFLUX of the vacuum melt Hanau commercially available.
Bei der beschriebenen Ausbildung des Kerns des Elektro magneten aus lamelliertem Blech und der beschriebenen Wahl des Kernmaterials ist es nicht notwendig, Wirbelstrom- oder Hystereseverluste zu berücksichtigen, da in jedem Fall der Einfluß des Luftspaltes l dominiert. In the described formation of the core of the electrical system laminated sheet magnets and the choice described of the core material it is not necessary to eddy current or Hysteresis losses to be taken into account, since in any case the Influence of the air gap l dominates.
Die Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich in ihrer Bauform den durch die Konstruktion vorgegebenen Einbaubedingungen anpassen. Steht beispielsweise nur eine geringe Einbauhöhe zur Verfügung, so läßt sich die Ausführungsform nach Fig. 6 verwenden. Diese besteht aus dem flachen Elektromagneten (37, 38), dem der Anker (39) zugeordnet ist. Am Anker (39) greifen hier zwei mit einer Basisplatte (40) verbundene Zug federn (41, 42) an, die eine Kraft ausüben, die der Kraft des Elektromagneten (37, 38) entgegengerichtet ist.The design of the device according to the invention can be adapted to the installation conditions specified by the construction. For example, if only a small installation height is available, the embodiment according to FIG. 6 can be used. This consists of the flat electromagnet ( 37 , 38 ) to which the armature ( 39 ) is assigned. On the armature ( 39 ), two tension springs ( 41 , 42 ) connected to a base plate ( 40 ) engage here, which exert a force that is opposite to the force of the electromagnet ( 37 , 38 ).
Die Vorrichtung nach der Erfindung findet vielfältige Anwendungen bei Positionieraufgaben mit einem Einstellbereich von einigen Millimetern. Eine der möglichen Anwendungen ist die dynamische Korrektur von Positionsabweichungen aufgrund von Erschütterungen an einem astronomischen Teleskop.The device according to the invention finds many Applications for positioning tasks with an adjustment range of a few millimeters. One of the possible uses is the dynamic correction of position deviations due to of vibrations on an astronomical telescope.
Claims (11)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19914108688 DE4108688A1 (en) | 1991-03-16 | 1991-03-16 | Accurate object positioner using proportional EM actuator - has push=pull stages with laser measurement of displacement to supply data to control stages operating in MM range |
NL9200451A NL9200451A (en) | 1991-03-16 | 1992-03-11 | DEVICE FOR POSITIONING AN OBJECT. |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19914108688 DE4108688A1 (en) | 1991-03-16 | 1991-03-16 | Accurate object positioner using proportional EM actuator - has push=pull stages with laser measurement of displacement to supply data to control stages operating in MM range |
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Family Applications (1)
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DE19914108688 Withdrawn DE4108688A1 (en) | 1991-03-16 | 1991-03-16 | Accurate object positioner using proportional EM actuator - has push=pull stages with laser measurement of displacement to supply data to control stages operating in MM range |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1999062666A1 (en) * | 1998-06-02 | 1999-12-09 | Emerson Electric Co. | Trajectory controller |
DE19544207C2 (en) * | 1995-11-28 | 2001-03-01 | Univ Dresden Tech | Process for model-based measurement and control of movements on electromagnetic actuators |
US6404154B2 (en) * | 1998-06-02 | 2002-06-11 | Emerson Electric Co. | Force control system |
US6731083B2 (en) | 1998-06-02 | 2004-05-04 | Switched Reluctance Drives, Ltd. | Flux feedback control system |
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1991
- 1991-03-16 DE DE19914108688 patent/DE4108688A1/en not_active Withdrawn
-
1992
- 1992-03-11 NL NL9200451A patent/NL9200451A/en not_active Application Discontinuation
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
NL9200451A (en) | 1992-10-16 |
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