Ontwikkeling van zeer nauwkeurige bewegingssystemen

shutterstock nanomotion

Computers, mobiele telefoons en wasmachines; ze bevatten allemaal steeds kleiner wordende chips. Om ze te produceren worden complexe machines gebruikt, waarbij zogeheten planaire motoren een cruciale rol spelen. Elektrotechnisch ingenieur Ioannis Proimadis verbeterde de nauwkeurigheid van een specifiek type van die zeer nauwkeurige bewegingssystemen, waarbij de bewegende delen vrij zwevende elementen zijn zonder fysieke verbinding met de omgeving. Hij promoveerde - digitaal - op 30 april.

Planaire motoren zijn mechanische apparaten waarvan het bewegende deel in de ruimte kan bewegen en roteren. Een state-of-the-art ­toepassing van dergelijke motoren zijn wafer­scanners; complexe machines die in de half­geleiderindustrie worden gebruikt om door middel van lithografie geïntegreerde schakelingen te produceren. De ontwikkelingen vragen om zowel nanometerprecisie als snelle bewegingsprofielen.

Om deze doelen te bereiken, vertrouwen huidige waferplatformen op het gebruik van magnetisch zwevende vlakke motoren. Magneten zijn vast, terwijl de spoelen aan het bewegende element - de mover - zijn bevestigd. De spoelen worden aangedreven via kabels, die samen met de mover moeten bewegen.

Vrij zwevend lichaam

Proimadis bestudeerde een specifiek type ­motor, een planaire motor met een bewegende magneet, ontwikkeld aan de TU/e. In deze magnetisch zwevende motor is de mover een vrij zwevend lichaam zonder fysieke verbinding met de omgeving, waardoor het effect van ­omgevingsstoringen op de mover wordt onderdrukt.

Er zijn echter verschillende, dynamische fenomenen aanwezig in deze motor, zoals de intrinsiek positie-afhankelijke elektromagnetische interactie. Bovendien veroorzaakt het magnetische veld krachten op de mover, die niet gelijkmatig zijn verdeeld over het oppervlak. Als ­resultaat kan de mover mechanische vervorming ondergaan, wat de bereikte positioneringsnauwkeurigheid ernstig belemmert.

Hoogtijdig model

Als eerste stap om deze effecten het hoofd te bieden, ontwikkelde Proimadis een zogeheten high-fidelity-model om de fundamentele elektromagnetische en mechanische principes van de planaire motor te beschrijven, door gebruik te maken van de zogenaamde Linear Parameter Varying (LPV) modelleeromgeving. Hierdoor kan het ontwikkelde model worden gebruikt om de eigenschappen van de motordynamiek te onderzoeken en bovendien om modelgebaseerde controllers te ontwerpen.

Proimadis gebruikte een datagedreven modelleerbenadering om het dynamische gedrag van de planaire motor experimenteel te verifiëren. Bovendien ontwikkelde hij een methode om de dynamische kenmerken van het analytische LPV-model aan te passen door gebruik te ­maken van het experimentele bewijs.

Verhoogde nauwkeurigheid met 50%

Met behulp van het ontwikkelde model werden controletechnieken geïmplementeerd die ­robuustheid bereiken tegen positieafhankelijke en onzekere dynamiek. Bovendien zijn verschillende storingen die de positioneringsnauwkeurigheid verslechteren onderdrukt via machine learning. Experimentele resultaten toonden een verhoging van de nauwkeurigheid van dit ­schema met 50%. Verder stelde Proimadis, door gebruik te maken van het bestaan van meerdere actuatoren, een actieve controle­methode voor van de vervormingen, die de krachtverdeling op de bewegende magneetplaat correct vormgeeft.

Het onderzoek van Proimadis is een belangrijke stap in de richting van uiterst nauwkeurige ­planaire motoren met bewegende magneten. Dit project zal daarom aan de TU/e worden voortgezet om de modelleer- en besturingstechnieken voor dit type motor verder te ontwikkelen.

Titel proefschrift: Nanometer-nauwkeurige ­bewegingsregeling van bewegende magneet planaire motoren. Promotors: dr.ir. Roland Tóth en prof.dr.ir. Hans Butler. Andere belangrijke ­betrokken partijen: NWO, ASML, Philips, TNO, Prodrive Technologies, Tecnotion en SKF.