Improving positioning performance of a PWM-driven system by applying a mechatronic solution

Abstract

In hochpräzisen Positionierungssystemen werden oftmals Lorentz Aktuatoren verwendet, da diese einen linearen Zusammenhang von zugeführtem Strom zu generierten Kraft aufweisen. Zur Ansteuerung dieser Aktuatoren werden üblicherweise lineare Stromtreiber verwendet da diese eine präzise Steuerung des Ausgangsstromes erlauben. Wegen ihres schlechten Wirkungsgrades sind sie jedoch auf Anwendungen geringer Leistungen beschränkt. Als Alternative können geschaltete Treiber eingesezt werden da diese einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Auf Grund des geschalteten Prinzips weißen sie jedoch im Ausgangsstrom einen Stromripple auf. Im Falle eines Lorentz Aktutators macht sich dieser Rippel direkt als Positionsrippel bemerkbar und beeinflussst so die Positionierungsgenauigkeit negativ. Bisherige Lösungen konzentrieren sich auf die elektrischen Komponenten des Systems um den entstehenden Stromripple zu reduzieren oder überhaupt nicht entstehen zu lassen. In dieser Arbeit werden die elektrischen und die mechanischen Komponenten des Systems mit einbezogen umd den Einfluss des Stromripples bezüglich des Positionsrippel zu mindern. Zur Evaluierung der präsentierte Lösung wird ein mechatronisches System mit mechanischem Filter entwickelt. Durch das Anbringen einer zusätzlichen Masse am Aktuator wird ein Antiresonator realisiert um den Einfluss des Stromrippels zu unterdrücken. Die Schaltfrequenz wird während des Betriebs präzise eingestellt um so die mechanische Antiresonanz des mechnischen Filters auszunutzen. Das Positionierungsystem wird durch einen kaskadierter Regler realisiert. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass eine Reduktion des Positionsfehlerers um 69.2% im statischen Fall und 8.2% im dynamischen Fall erreicht wurde.

In high precision positioning systems, Lorentz actuators are often used for their highly linear relation between the input current and the output force. To drive the actuators, typically linear mode current drivers are used as they allow a precise current control. Due to the poor energy efficiency, however, they are mainly used for low power applications. As an alternative switched mode current drivers can be used as they show a very good energy efficiency. The good efficiency is owed by a current ripple superimposed to the average output current of those drivers. Especially when a Lorentz actuator is used, this leads to a reduction of the position resolution. While usual solutions focus in the electrical domain to reduce or prevent this current ripple, this thesis proposes a solution using technologies in the electrical and the mechanical domain to reduce the influence of the current ripple on the positioning resolution. For the evaluation of the proposed solution the mechatronic system has a mechanical filter to eliminate the influence of the current ripple by adding a mass as an antiresonator. To tune the frequency of the ripple precisely at the anti-resonance, the switching frequency is adjustable during operation. For the demonstration as a position system, a cascaded control is designed. The experimental results show the effectiveness of this mechanical filter. A reduction of the position error of 69.2% in the case of static positioning and 8.2% in the case of dynamic positioning is achieved.