Development of a hybrid-reluctance actuated Stewart Platform

Abstract

Teleskope mittlerer Größe, mit einem Aperturdurchmesser von 1 bis 2m, bilden ein wertvolles Werkzeug für die wissenschaftliche Forschung die u.a. die Bereiche der Astronomie, Weltraumschrottüberwachung und Kommunikation umfasst. Jedoch sind sie anfällig auf Gravitations-, Wärme-, Wind- und Vibrationseinflüsse, weshalb eine ständige Ausrichtung ihrer optischen Komponenten notwendig ist. Der Einsatz von aktiven optischen Vorrichtungen, z.B. Stewart Plattformen, einem Positioniersystem in sechs Freiheitsgraden, können eine exakte Ausrichtung der Spiegel gewährleisten. Dafür werden hochpräzise und schnelle Aktoren mit großem Hub benötigt. Der Beitrag dieser Arbeit liegt im Entwurf, der Implementierung und der Validierung einer dezidierten Stewart Plattform. Zur Umsetzung der Aktuierung werden Hybridreluktanzaktoren eingesetzt. Diese erzeugen eine elektromagnetische Kraft durch die Überlagerung magnetischer Flüsse erzeugt durch Permanentmagnete und stromdurchflossener Spulen. Ein Hauptaugenmerk liegt auf die Auslegung der Aktoren und der Entwicklung von flexiblen Kreuz- und Kugelfestkörpergelenken. Letztere dienen dazu, die sechs Aktoren mit ihren jeweiligen Platten zu verbinden, ohne dabei die Präzision der Plattform zu beeinträchtigen. Die Länge der sechs Streben, die jeweils einzeln geregelt werden, bestimmt die Positionierung der Plattform. Dieser Regelungsansatz ist möglich, da durch die orthogonale Anordnung der Streben die Kopplung untereinander minimiert wird. Die Auslenkung wird mit sechs Wirbelstromsensoren gemessen, die entlang der Aktuierungsachse jedes Aktors angebracht sind. Der resultierende Arbeitsbereich beträgt entlang der optischen Achse ±1.34mm, senkrechtdazu ±1.1mm und ±0.66° für die rotatorischen Freiheitsgrade. Die Positionsregelung erreicht eine Bandbreite von über 20 Hz und die Plattform weist eine Auflösung von 14nm entlang der optischen Achse auf. Die laterale Auflösung beträgt 18nm und die erreichte Winkelauflösung ist 170 nrad.

Mid-size telescopes, ranging from 1 to 2m in aperture diameter, have become a invaluabletool in scientific research across disciplines such as astronomy, space debrisobservation and optical communication. However, they are susceptible to gravitational,thermal, wind, and vibration effects, necessitating continuous alignment of their opticalcomponents. Active optics mechanisms are employed to address these challenges,ensuring correct mirror alignment, which requires high-precision, long-stroke and fastactuators. The utilization of Stewart platforms has proven to be a successful approachfor achieving a six degree of freedom (DoF) alignment.The contribution of this thesis lies in the design, implementation and evaluation of adedicated Stewart platform employing hybrid reluctance actuators (HRAs) tailored tomeet these requirements. HRAs combine magnetic flux from permanent magnets andcurrent-carrying coils to generate an electromagnetic force. A major focus is placed onthe actuator design optimization and the development of universal and spherical flexurejoints. These serve to link the six actuators with the base and payload plates, ensuringminimal impact on the platform positioning precision.The platform position is adjusted through individual control of the lengths of the sixstruts. This approach is feasible due to an orthogonal arrangement of the struts, therebyminimizing coupling among the actuators. The displacement is measured by six eddycurrent sensors positioned along the actuation axis of each actuator.The resulting workspace amounts to a range of ±1.34mm along the optical axis anda lateral range of ±1.1mm. Additionally, the platform features a maximal rotationalrange of ±0.66°. The position control achieves a bandwidth of 20 Hz, offering an axialresolution of 14nm and a lateral resolution of 18nm. The achieved angular resolutionamounts to 170 nrad.