Design and control of a hybrid reluctance actuator with zero-power gravity compensation

Abstract

Präzise Positionier- und Vibrationsisolationssysteme erfordern Aktuatoren mit hohen Motorkonstanten, hohen Kraftdichten, geringen bewegten Massen und, insbesondere für vertikale Anwendungen, einer effizienten Gravitationskompensation. Konventionelle Voice-Coil-Aktuatoren (VCA) weisen zwar eine Quasi-Nullsteifigkeit auf, benötigen jedoch kontinuierliche Offsetströme zur Gravitationskompensation, was zu dauerhafter Verlustleistung und thermischer Belastung führt. In dieser Arbeit werden Hybrid-Reluktanz-Aktuatoren (HRA) als leistungsstarke Alternative untersucht, die eine hohe Motorkonstante mit einer negativen Steifigkeit verbinden, welche zur stromfreien Gravitationskompensation sowie, mittels Flussregelung, zur aktiven Steifigkeitskompensation genutzt werden kann. Drei rotationssymmetrische HRA-Topologien mit einem Freiheitsgrad werden anhand von statischer analytischer Modellierung sowie 2D- und 3D-Finite-Elemente-Analysen verglichen, wobei Leistungskennzahlen und praktische Implementierungsaspekte bewertet werden. Eine Topologie wird aufgrund ihrer Kombination aus hoher Motorkonstante und großer negativer Axialsteifigkeit ausgewählt. Der mechanische Entwurf umfasst die Konstruktion des Läufers, einer federbasierten Führung, eines einstellbaren Aufbaus zur Luftspalteinstellung sowie die Platzierung der Hall-Sensoren. Der Entwurf wird durch modale und elektromagnetische Analysen begleitet. Ein dynamisches Modell, das das Reluktanzmodell mit der mechanischen und elektrischen Dynamik verbindet, wird hergeleitet und durch Identifikation im geschlossenen Regelkreis validiert. Zwei komplementäre Regelungsstrategien werden implementiert und evaluiert. Erstens kombiniert eine kaskadierte Architektur eine innere Flussregelschleife zur dynamischen Steifigkeitskompensation mit einer äußeren Positions- und Nullstromregelschleife mit geringer Bandbreite. Zweitens wird ein schneller Positionsregler für Tracking-Anwendungen implementiert. Der Aktuator erreicht eine statische Motorkonstante von 107 N/A, was dem etwa Fünffachen des Referenz-VCA (22,5 N/A) entspricht. Die Gravitationskompensation wird durch eine Last von 7,5 kg bei I = 0 nachgewiesen, wodurch die statische Verlustleistung um bis zu 99 % reduziert wird. Die Flussregelung reduziert die negative Steifigkeit vom intrinsischen Wert 130 kN/m auf etwa 5 kN/m bei 10 Hz, wobei die Steifigkeitskompensation auf Frequenzen unterhalb von 50 Hz limitiert ist. Der schnelle Positionsregler weist eine geschlossene Regelbandbreite von etwa 80 Hz auf und demonstriert eine Positionsauflösung im Submikrometerbereich sowie einen nutzbaren Stellbereich von mehr als +/-1 mm.

Precision positioning and vibration-isolation systems demand actuators with high motor constants, high force densities, low moving masses, and, particularly for vertical applications, efficient gravity compensation. Conventional voice coil actuators (VCAs), while quasi-zero-stiffness, require continuous offset currents for gravity compensation, resulting in persistent power dissipation and thermal loading. This thesis investigates hybrid reluctance actuators (HRAs) as a high-performance alternative, combining a high motor constant with intrinsic negative axial stiffness that can be exploited for zero-power gravity compensation and, through flux control, for active stiffness suppression. Three rotationally symmetric, one-degree-of-freedom (DoF) HRA topologies are compared using static analytical modeling and finite element analysis (FEA) in 2D and 3D, evaluating performance metrics and practical implementation considerations. One topology is selected based on its favorable combination of high motor constant and large negative axial stiffness. The mechanical design addresses permanent magnet (PM) integration, the mover assembly, flexure-based guidance, coil fabrication, Hall-sensor placement, and an adjustable support structure for air-gap tuning. The design is accompanied by modal and electromagnetic analyses. A coupled electromechanical dynamic model is derived, combining the magnetostatic reluctance model with mechanical and electrical dynamics, and validated through closed-loop identification. Two complementary control strategies are implemented and evaluated. First, a cascaded architecture combines an inner flux-control loop for dynamic negative-stiffness compensation with an outer low-bandwidth position and zero-current loop. Second, a high-bandwidth position controller is implemented for tracking applications. The implemented actuator achieves a static motor constant of 107 N/A, approximately five times that of the reference VCA (22.5 N/A). Zero-power gravity compensation is demonstrated by supporting a 7.5 kg payload at I = 0, reducing static power consumption by up to 99 %. Flux control reduces the negative stiffness from the intrinsic value 130 kN/m to around 5 kN/m at 10 Hz, though compensation degrades above 50 Hz. The high-bandwidth position controller features a closed-loop bandwidth of approximately 80 Hz, demonstrating sub-micrometer positioning resolution and a usable range exceeding +/-1 mm.