Development and control of reluctance actuator for high-precision motion

Abstract

In hochpräzisen Inspektions- und Fertigungssystemen, die unter anderem in der Rasterkraftmikroskopie und der Halbleiterproduktion eingesetzt werden, ist hochpräzise Positionierung essentiell. Die aktuell eingesetzten Lorentzaktuatoren stoßen an ihre physikalischen Grenzen bezüglich der maximal erreichbaren Kraft und Beschleunigung. Um den Durchsatz in der Produktion zu erhöhen, werden Aktuatoren mit höheren Motorkonstanten, die größere Kräfte und Beschleunigungen erreichen können, wie zum Beispiel Reluktanzaktuatoren, in Betracht gezogen. Allerdings stellen diese aufgrund ihrer Nichtlinearitäten große Herausforderungen an hochpräzise Positionsregelungen. Diese These untersucht die Anwendungsmöglichkeit von Reluktanzaktuatoren für hochpräzise Positionierung und Scanbewegungen. In dieser Arbeit wird ein Reluktanzaktuator mit zwei Spulen für bidirektionale Bewegung basierend auf analytischen Berechnungen und Simulationen entworfen und implementiert. Für eine erhöhte Energieeffizienz wird der bewegliche Teil des Aktuators, der Mover, durch Umschalten zwischen den beiden Spulen positioniert, anstatt die Spulen mit einem konstanten Bias-Strom zu versorgen. Um die Nichtlinearität zwischen Kraft und Strom zu kompensieren, wird ein Modell der Kraft-Strom Beziehung ohne den Einsatz eines Kraftsensors erstellt, um dessen Nichtlinearitäten und Schwierigkeiten bei der Montage des Sensors zu vermeiden. Dieses Modell wird mithilfe eines kapazitiven Positionssensors erstellt, der auch für die später implementierte Positionsregelung eingesetzt wird. Mit dem Positionssensor wird die Beschleunigung des Movers gemessen und aufgrund dieser Messergebnisse die Motorkonstante und die Kraft-Strom Kurve rekonstruiert. Dieses Modell wird anschließend bei der Anwendung der Feedback Linearisierung verwendet, um die Kraft-Strom Beziehung zu linearisieren. Der linearisierte Aktuator wird mithilfe eines PID Reglers stabilisiert, der eine Bandbreite von 335Hz besitzt. Eine Vorsteuerung wird zusätzlich implementiert um die Performanz bei Scanbewegungen zu verbessern. Der entwickelte Nanopositionierer hat einen Verfahrweg von 60um. Die Experimente zeigen eine hohe stationäre Positioniergenauigkeit zwischen 1.93nm und 2.02nm, wobei das dominierende Rauschen vom Positionssensor stammt, der ein nominelles Rauschen von 1nm aufweist. Für eine kontinuierliche, sinusförmige Scanbewegung erreicht der Nanopositionierer einen Spitze-Spitze Fehler von weniger als 0.67% der Scanbewegung bei einer langsamen Scanfrequenz von 1Hz und weniger als 5% der Scanbewegung bei einer hohen Scanfrequenz von 10Hz. Während die Experimente zeigen, dass das Umschalten zwischen den Spulen bei niederfrequenten Scanbewegungen eine Herausforderung darstellt, konnte eine kontinuierliche Scanbewegung bei hochfrequenten Scanvorgängen bewiesen werden. Das demonstriert das große Potenzial von Reluktanzaktuatoren für den Einsatz in hochpräzisen Scanapplikationen.

High-precision motion is essential in high-precision inspection and manufacturing systems, such as wafer scanners and atomic force microscopes (AFMs). For the improvement of their productivity, high-precision actuators with a higher motor constant are desired to increase the achievable force and acceleration. For this purpose, to replace the conventional Lorentz actuators, reluctance actuators are promising. However, their non-linearity is a concern for high-precision motion control. This thesis investigates a possibility of reluctance actuators for high-precision scanning motion by developing a nanopositioner. A double variable actuator with two coils for bidirectional movement is designed and implemented based on analytical methods and simulations to reduce the non-linearities particularly due to eddy currents already in the mechanical and electrical system design. For energy efficiency the mover is positioned by switching between coils instead of applying a continuous bias current. To compensate for the force-current non-linearity a model is experimentally created without a force sensor to avoid the related mounting difficulties its non-linearities. Instead, a capacitive displacement sensor for motion control is used to measure the mover acceleration. From the measurement results, the motor constant and the force-current curve are reconstructed for modelling. Feedback linearisation with the resulting model compensates the force-current non-linearity, improving the total harmonic distortion from 25% to 1.45%. For the linearised system, feedback and feedforward control is accordingly designed and implemented. The developed nanopositioner has a motion range of 60um and a closed-loop control bandwidth of 335Hz. The results further show a high steady-state positioning resolution between 1.93nm and 2.02nm which are dominated by the sensor’s nominal noise of 1nm. In the case of continuous sinusoidal scanning motion, the nanopositioner achieves a tracking error less than 0.67% of the scanning motion at a slow scanning frequency of 1Hz and it is less than 5% at a relatively high scanning frequency of 10Hz. While the experimental investigation identifies the coil switching as a challenge for low-frequency scanning motion, smooth high-frequency scanning motions are presented, demonstrating the high potential of reluctance actuators for scanning applications.