Design and control of a table-top vibration isolation system with zero-power gravity compensation

Abstract

Die Unterdrückung unerwünschter Vibrationen ist bei vielen Präzisionsanwendungen, sowohl in der Industrie als auch in der Forschung, unverzichtbar. Prominente Beispiele hierfür sind Wafer-Scanner, Rasterkraftmikroskope und große Spiegelteleskope. Da die hohen Anforderungen durch rein passive Systeme nicht erfüllt werden können, sind aktive Vibrationsisolationssysteme erforderlich. Motiviert durch die hohe Relevanz wurde in der vorliegenden Arbeit ein solches System mit einer schwebenden Plattform und integrierter Gravitationskompensation entworfen, implementiert und evaluiert. Die sechs Freiheitsgrade der schwebenden Plattform werden mittels Lorentz-Aktuatoren angesteuert. Um eine übermäßige Wärmeentwicklung zu vermeiden, die sich möglicherweise negativ auf empfindliche Messgeräte auswirkt, wurde eine leistungslose Gravitationskompensation vorgesehen. Hierzu kommen Elektropermanentmagnete (EPM) zum Einsatz, die im Vergleich zu anderen Ansätzen eine einfache Anpassung an die Nutzlast bei gleichbleibendem Arbeitspunkt ermöglichen. Die Positionierung der Plattform erfolgt mittels einer dezentralen Regelung, was durch die Entkopplung der sechs Freiheitsgrade möglich ist. Die Auslenkung wird mit sechs Wirbelstromsensoren gemessen. Darüber hinaus ist die Plattform mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet. Dieser ermöglicht es, die effektive Masse der Plattform durch Rückkopplung der Beschleunigung zu erhöhen und dadurch die Übertragung von Bodenvibrationen zu reduzieren. Um die Bandbreite der Positionsregelung zu verringern, wurde die negative Steifigkeit der EPMs durch eine positive virtuelle Steifigkeit kompensiert. Mit der dezentralen Positionsregelung konnte in den out-of-plane Freiheitsgraden eine Bandbreite von 60 Hz und in den in-plane Freiheitsgraden 20 Hz bei einer Auflösung von unter 100 nm erreicht werden. Für die Vibrationsisolation wurde die Durchtrittsfrequenz der Positionsregelung in vertikaler Richtung auf 6 Hz reduziert, wodurch Bodenvibrationen ab einer Frequenz von etwa 8 Hz mit -40 dB/Dekade gedämpft wurden. Durch die zusätzliche Beschleunigungsrückkopplung wurde die Durchlässigkeit um weitere 10 dB verringert. Die Gravitationskompensation war in der Lage eine Gesamtlast von 6,34 kg zu tragen, während der Leistungsverbrauch um 98,9 % gesenkt wurde.

Vibration isolation is indispensable in many high-precision applications, both in industry and research. Prominent examples are wafer scanners, atomic force microscopes and large-scale reflecting telescopes. The stringent requirements cannot be met by purely passive systems and require active control strategies. Motivated by the high relevance, an active vibration isolation system with a levitating platform and zero-power gravity compensation is designed, implemented and evaluated in this thesis. The levitating platform has six degrees of freedom (DoF), which are actuated by Lorentz actuators due to their linearity and quasi-zero stiffness. In order to avoid heat dissipation, which may have a negative effect on sensitive equipment, zero-power gravity compensation is integrated. This is achieved by using electropermanent magnets (EPM) which, compared to other approaches, enable the adaption to a variable payload mass while keeping the operating point of the platform constant. Particular attention has to be paid to the control design due to the conflicting goals of position control and vibration suppression. For the positioning of the platform, decentralised control is used with a suitable decoupling of the six DoFs. The displacement is measured with six eddy current sensors. Moreover, the platform is equipped with an accelerometer, which is used to apply acceleration feedback. This increases the effective mass and reduces the transmission of floor vibrations. To achieve a lower position control bandwidth, which reduces the transmission of low-frequency disturbances, the negative stiffness of the EPMs is compensated by a positive virtual stiffness. The decentralised position control achieves a bandwidth of 60 Hz in the out-of-plane DoFs and 20 Hz in the in-plane DoFs with a resolution of less than 100 nm. For vibration isolation, the crossover frequency of the position control in the vertical direction is reduced to 6 Hz, resulting in an attenuation of floor vibrations with -40 dB/decade starting at around 8 Hz. With the additional acceleration feedback, the transmissibility was further reduced by almost 10 dB. The evaluation of the gravity compensation showed that it can support a total load of 6.34 kg while reducing the power consumption by 98.9 %.