Gaussmount: a strut based on magnetism and control (EMVT 06225)

Titel
Gaussmount: vibratie isolatie gebaseerd op elektromagnetisme en besturingstechniek (EMVT 06225)

Elektromagnetische vibratie isolatie met zeer hoge nauwkeurigheid

Mechanische en optische experimenten met een zeer hoge nauwkeurigheid stellen zeer hoge eisen aan de hoogwaardige ophangsystemen die in laboratoria en de industrie worden gebruikt. Deze ophangsystemen zijn vaak gebaseerd op mechanische oplossingen, pneumatiek of hydrauliek. Dit EMVT-project levert een bijzondere oplossing op: een tafel die door middel van elektromagnetisme wordt geïsoleerd van vibraties.

Een tot de verbeelding sprekend voorbeeld van trillingsisolatie in dit EMVT-project is de isolatie van het metrologische frame in de waferscanners van bijvoorbeeld ASML. De alsmaar kleiner wordende details op de chips die door deze waferscanners worden geproduceerd vereisen een hoge positienauwkeurigheid van de lens die de belichting uitvoert. Passieve oplossingen zijn voor dit soort systemen vaak niet toereikend, omdat een compromis gevonden moet worden tussen conflicterende eisen. Van de ene kant is goede isolatie van een slappe veer vereist voor de isolatie van vloertrillingen. Van de andere kant is een lage gevoeligheid voor krachten die op het platform werken nodig, wat weer een starre veer vereist. In de huidige generatie waferscanners wordt dit metrologisch frame meestal geïsoleerd met behulp van luchtveren die worden bijgestaan door elektromagnetische actuatoren. Dit heeft onder meer een vrij hoge energieconsumptie en een gelimiteerde isolatiebandbreedte als gevolg.

Doel
Het projectdoel is het ontwerp van een elektromagnetische oplossing die als alternatief kan dienen voor de bestaande isolatiemethoden. De projectnaam ‘Gaussmount’ is gekozen om de voornamelijk elektromagnetische werking van het systeem te benadrukken. Met behulp van passieve krachten tussen sterke permanente magneten wordt het metrologische frame in de lucht gehouden en omdat deze kracht passief is, vermindert het benodigde vermogen. Door een uitgekiend ontwerp is de veerkarakteristiek zodanig ontworpen dat de isolator zich in het werkgebied als een zeer zwaar voorgespannen veer met een zeer lage veerstijfheid gedraagt. Hierdoor krijgt het massaveersysteem, dat de isolator en het geïsoleerde platform samen vormen, een zeer lage resonantiefrequentie, wat een voordelige eigenschap is bij vibratie-isolatie. De veerstijfheid en demping zijn actief variabel om zo een fundamenteel anders elektromagnetisch vibratie-isolatiesysteem te krijgen. Passief is de verticale krachtcomponent modulair aan te passen. Omdat het gehele ontwerp op elektromagnetisme is gebaseerd zal de isolatiebandbreedte hoog zijn.

Aanpak
De kern van het fysisch ontwerp wordt gevormd door de contactloze, passieve, op permanente magneten gebaseerde veer met zijn hoge voorspanning en lage veerstijfheid. Hier omheen zijn actieve actuatoren ontworpen die per veerpoot twee van de zes graden van vrijheid kunnen controleren en die de veer- en dempingkarakteristiek actief beïnvloeden. Met drie van deze veerpoten in een trilling-isolatiesysteem zijn dan alle zes vrijheidsgraden te controleren. Dit wordt gedaan met behulp van een geavanceerd regelsysteem dat op basis van de gemeten positie en acceleratie van het geïsoleerde platform de actuatoren aanstuurt. De positielus is hier vereist om de van nature onstabiele passieve veer te stabiliseren en de acceleratielus wordt gebruikt om vibraties op het platform te minimaliseren. Dit alles gebeurt met het oog op een laag energiegebruik en hoge bandbreedte.
Op deze manier wordt in de Gaussmount een nieuw compromis gevonden tussen goede isolatie van vloertrillingen en ongevoeligheid voor krachten die op het geïsoleerde platform inwerken. Door de terugkoppeling biedt de Gaussmount robuuste stabilisatie, de gewenste veer- en dempingeigenschappen, evenals een zeer laag energiegebruik bij evenwichtsniveau.
In dit project is ir. Jeroen Janssen verantwoordelijk voor het elektromagnetische en mechatronische systeemontwerp, en Chenyang Ding Msc. voor de ontwikkeling van het besturingssysteem.

Geen vibraties
De vergelijking met een zwevend tapijt doemt op bij beschouwing van het Gaussmount-project. “Maar”, stelt prof.dr. Elena Lomonova, “dit gaat niet op voor deze ontwikkeling. Want waar bij het zwevend tapijt een massa continu wordt verplaatst, dat zorgt voor vibraties, is dat in dit project niet het geval. Bij de Gaussmount gaat het om totale isolatie van vibraties op een platform dat vrijwel niet beweegt.”
Bij deze ontwikkeling gaat het om het zeer nauwkeurig positioneren van een zwaar platform en dan zijn de meeste vibraties uit de omgeving teveel. “Daarbij komt nog dat er op het platform ook direct krachten kunnen inwerken, bijvoorbeeld door hydraulische of elektrische verbindingen naar apparaten op het platform, terwijl het platform continu zeer nauwkeurig moet blijven gepositioneerd. Dit kan in feite alleen door middel van contactloos bewegen. De geringste beweging geeft een verkeerde positie of beeld, zoals dat geldt voor de lithografie en elektronenmicroscopie. Meestal wordt dit bereikt met een luchtvering in combinatie met elektrische actuatoren, maar dat voldoet niet meer in alle gevallen gezien de alsmaar hogere nauwkeurigheid die wordt vereist”, verduidelijkt Lomonova.

Bandbreedte
“We zijn pioniers op dit gebied, niemand anders op de wereld is ermee bezig”, geeft Lomonova aan, “Het ontwerpen van de elektromagnetische topologie is zeer belangrijk en moet daarmee zeer nauwkeurig geschieden. Daarvoor waren geen geschikte tools beschikbaar, dus dat moest het team helemaal uitzoeken, met recht een worsteling. De elektromagnetische componenten zijn zeer snel, maar de schaal voor dergelijke componenten is lastig vast te stellen. Dat betekende dat we een model op moesten maken dat dicht bij de ware grootte ligt.” Hiervoor werd een aluminium triltafel geconstrueerd die rust op drie springveren en die in trilling wordt gebracht door middel van voicecoil-actuatoren. Hierop is een Gaussmount vibratie-isolatiepoot aangebracht die een granieten platform ondersteunt en isoleert. De zeer complexe besturingssoftware wordt nu door een andere groep binnen de TU/e ontwikkeld. “In principe is de Gaussmount voor alles geschikt waarbij een zeer hoge precisie is vereist. Begin 2011 wordt de Gaussmount werkend getoond”, aldus Lomonova.

Uitvoerders
Ir. J.L.G. Janssen
C. Ding MSc.
Dr. J.J.H. Paulides
Dr. A.A.H. Damen
Prof. Dr. E.A. Lomonova
Prof. Dr. P.P.J. van den Bosch

Onderzoeksperiode
2007-2011

Referentielijst

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E. Lomonova, Vandenput, A.J.A.: Magnetic suspension based on passive gravity compensation; Proc. IEEE Young Researchers Symposium in Electrical Power Engineering, Eindhoven: IEEE, Feb. 2008.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova, F. Bölöni, A. Tounzi, and F. Piriou: Analytical calculation of interaction forces between unaligned permanent magnets; digest, European Magnetic Sensors & Actuators Conference EMSA 2008, June 30 – July 2, Caen, France

L. Encica, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova, A.J.A. Vandenput: Passive and active constant force-displacement characteristics and optimization of a long-stroke linear actuator; 11th International Conference on Electrical and Electronic Equipment OPTIM 2008, May 22 -24, Brasov, Romania.

L. Encica, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: Electromagnetic actuators for gravity compensation and vibration isolation; digest, European Magnetic Sensors & Actuators Conference EMSA 2008, June 30 – July 2, Caen, France.

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch; 6-DOF Electromagnetic Suspension System with Passive Gravity Compensation for Large Load; Abstract, 27th Benelux Meeting on System and Control 2008, March 18 – 20, Heeze, The Netherlands

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: Passive Magnetic Suspension Limitations for Gravity Compensation; Proc. 11th Int. Symp. on Magn. Bearings (ISMB) 2008, Nara, Japan.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: Analytical Modeling of Permanent Magnets on a Soft Magnetic Support for a Suspension System; abstract, Int. Conf. on Electrical Machines and Systems, 2008, Wuhan, China.

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch: Identification and Control of an Electromagnetic Levitation System: A Simple LPV Approach; abstract, American Control Conference, 2009, St. Louis, Missouri, USA

L. Encica, J.J.H. Paulides, and E.A. Lomonova: Space-Mapping Optimization in Electromechanics: An overview of Algorithms and Applications; abstract, 10th International Workshop on Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism (OIPE 2008), September 14-17, Ilmenau, Germany.

J. Janssen, J. Paulides, E. Lomonova and A. Vandenput: Analysis of a Variable Reluctance Permanent Magnet Actuator; Proc. on the IEEE IAS 2007 Annual Meeting., Sept. 2007.

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch: Stabilization & Vibration Control of Gaussmount Suspension System; 28th Benelux Meeting on Systems and Control, March 16-18, 2009, Spa, Belgium.

L. Encica, J.J.H. Paulides, K.J. Meessen, B.L.G. Gysen, J.L. Duarte, E.A. Lomonova: Optimized Axially Magnetized Permanent Magnet Tubular Actuator: Pole-Piece Shaping; digest, COMPUMAG 2009, November 22-26, Florianopolis, Brazil.

E.A. Lomonova, J.J.H. Paulides, E. Kazmin, L. Encica: In-wheel PM Motor: Compromise between High Power Density and Extended Speed Capability; EVER 2009, March 26-29, Monaco.

J.J.H. Paulides, L. Encica, K.J. Meessen, E.A. Lomonova: Constant Force Linear Permanent Magnet Actuators; IEEE EUROCON 2009, May 18-23, Sankt Petersburg, Russia.

Janssen, J.L.G, Paulides, J.J.H., Lomonova, E.: Three-dimensional analytical field calculation of pyramidal-frustum shaped permanent magnets; IEEE Transactions on Magnetics, (2009)45(10), 4628-4631.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: 3D Analytical Field Calculation Using Triangular Magnet Segments Applied to a Skewed Linear Permanent Magnet Actuator; Proc. Int. Symp. on Electromagnetic Fields, Arras, France, 10-12 sept. 2009.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E.A. Lomonova: Analytical force and stiffness calculations for magnetic bearings and vibration isolation; Proc. Int. Symp. on Electromagnetic Fields, Arras, France, 10-12 sept. 2009.

Janssen, J.L.G, Paulides, J.J.H., Lomonova, E.: Passive limitations for a magnetic gravity compensator; Journal of System Design and Dynamics, 3(4)(2009), 671-680.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: A Simple LPV Identification and Control Scheme for an Electromagnetic Suspension System; Proc. The 7th International Symposium on Linear Drives for Industrial Applications, Incheon, South Korea, 20-22 Sep. 2009.

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch, and J.L.G. Janssen: Vibration Isolation of a Non-contact Electromagnetic Actuator with Passive Gravity Compensation for Large Payload; Abstract, The 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering.

L. Encica, J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E. Lomonova: Electromagnetic actuators for gravity compensation and vibration isolation; Sensor Letters, 7(3), 360-363, 2009.

L. Encica, J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides, E. Lomonova: Space-mapping optimization in electromechanics: an overview of algorithms and applications; COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 28(5), 1216-1226, 2009.

Janssen, J.L.G, Paulides, J.J.H., Lomonova, E.: Analytical torque calculations for magnetic bearings and vibration isolation; Proceedings of the 11th Joint MMM-Intermag Conference, January 18-22, 2010, Washington D.C. (pp. 1109-1109). Publication in IEEE Transactions on Magnetics.

J.L.G. Janssen, J.J.H. Paulides and E.A. Lomonova: 3D analytical field calculation using triangular magnet segments applied to a skewed linear permanent magnet actuator; COMPEL, vol 29, issue 4, April 2010, pp. 984-993

C. Ding, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch, and J.L.G. Janssen: Vibration Isolation of a Non-contact Electromagnetic Actuator with Passive Gravity Compensation for Large Payload; Proc. 2nd International Conference on Computer and Automation Engineering. Singapore, 26-28 Feb. 2010.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Vibration Isolation of a Feedback Linearized Model for a Contactless Electromagnetic Isolator by Virtually Varying Mass Control; 20th International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. Pisa, Italy. 14-16 Jun. 2010.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H., Compter, J.C., Lomonova, E.: Three-Dimensional Analytical calculation of the torque between permanent magnets in magnetic bearings; IEEE Transactions on Magnetics, 46(6), 1748-1751.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H., Lomonova, E.: High-Performance Moving-Coil Actuators with Double-Sided PM arrays: A Design Comparison; Proceedings of the 2010 Int. Conf. on Electrical Machines and Systems, Oct 10-13, 2010, Incheon, Korea.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Vibration Isolation of a Feedback Linearized Model for a Contactless Electromagnetic Isolator by Virtually Varying Mass Control; Proc. 20th International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. Pisa, Italy. 14-16 Jun. 2010.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Closed-Loop Identification of an Unstable Electromagnetic Isolator under Floor Vibration; Proc. 2010 IFAC Symposium on Mechatronic Systems. Cambridge, Massachusetts, USA. 13-15 September, 2010.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Stabilization and Vibration Isolation of a Contactless Electromagnetic Isolator: A Frequency-Shaped Sliding Surface Approach; Proc. 2010 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Montreal, Canada. 6-9 July, 2010.

Ding, C., Janssen, J.L.G., Damen, A.A.H., Bosch, P.P.J. van den: Modeling and control of a 6-DOF contactless electromagnetic suspension system with passive gravity compensation; ICEM 2010, the XIX International Conference on Electrical Machines, Rome – ITALY, September 6-8, 2010. (pp. 1-6). ICEM.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H. & Lomonova, E.: Analytical force and stiffness calculations for magnetic bearings and vibration Isolation; In Ewa Napieralska-Juszczak Sławomir Wiak (Ed.), Computer field models of electromagnetic devices; (pp. 502-511) IOS Press, Amsterdam.

Compter, J.C., Janssen, J.L.G. & Lomonova, E.; Ampere’s circuital 3-D model for non-cuboidal magnets; IEEE Transactions on Magnetics, 46(12), 4009-4015.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H. & Lomonova, E.: Vibration isolator. no 11150034.4 – 1264, filed 2011. (patent)

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H. & Lomonova, E.: The developments in the analytical expressions of the interaction force between cuboidal permanent magnets; 2011 Electrimacs symposium in Paris.

Janssen, J.L.G., Paulides, J.J.H., Lomonova, E. Delinchant, B. & Yonnet, J.-P.: Design study on magnetic springs with low resonance frequency; LDIA2011 symposium in Eindhoven.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Robust Vibration Isolation of a 6-DOF System Using Modal Decomposition and Sliding Surface Optimization; American Control Conference, San Francisco, California, USA. 29 Jun – 1 Jul 2011.

C. Ding, Y. Zhu, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Performance Comparison of Two Control Strategies: Direct MIMO Control Design with MIMO Identification and the Decentralized Control with Optimized Static Decoupling; 8th International Symposium on Linear Drives for Industry Applications (LDIA 2011), Eindhoven, The Netherlands. 3-6 Jul. 2011.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Vibration control with optimized sliding surface for active suspension systems using geophone; 8th International Symposium on Linear Drives for Industry Applications (LDIA 2011), Eindhoven, The Netherlands. 3-6 Jul. 2011.

C. Ding, M. Gajdusek, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Optimal Static Decoupling for the Decentralized Control: an Experimental Study; 18th IFAC World Congress. Milan, Italy. 28 Aug. – 2 Sep. 2011.

C. Ding, J.L.G. Janssen, A.A.H. Damen, P.P.J. van den Bosch, J.J.H. Paulides, and E.A. Lomonova: Modeling and Realization of a 6-DoF Contactless Electromagnetic Anti-Vibration System and Verification of its Static Behavior; IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Taiwan Jul. 11-14, 2012.

C. Ding, A.A.H. Damen, and P.P.J. van den Bosch: Static Decoupling of a MIMO Linear Mechanical System Using Owens Method and Modal Decomposition; 51st IEEE Conference on Decision and Control. Grand Wailea, Maui, Hawaii, USA. Dec. 10-13, 2012

Janssen, J.L.G., Gysen, B.L.J., Paulides, J.J.H. & Lomonova, E.: Advanced electromagnetic modeling applied to anti-vibration systems for high precision and automotive applications; International Compumag Society Newsletter, 19(1), 3-16.