Control of an over-actuated nanopositioning system by means of control allocation

Abstract

This Master’s Thesis is devoted to the analysis and design of a control structure for the nanopositioning system LAU based on the dynamic control allocation technique. The objective is to control the vertical displacement with nanometer precision under a control effort distribution criterion among the actuator set. In this case, the pneumatic actuator is used as a passive gravity compensator while the voice coil motor generates the transient forces. The analysis of the system characteristics allows defining the design criterion for the control allocation. In this direction, the proposed dynamic control allocation stage considers a frequency distribution of the control effort. The lower frequency components are assigned to the pneumatic actuator while the higher frequencies are handled by the voice coil drive. The significant actuator dynamics are compensated through a Kalman filter approach. The position controller is based on a feedback linearization framework with a disturbance observer for enhanced robustness. The experimental validation demonstrates the feasibility of the proposed technique.

Diese Masterarbeit widmet sich der Analyse und dem Entwurf einer Regelungsstruktur für das Nanopositioniersystem LAU. Dabei werden Methoden untersucht, welche das notwendige Stellsignal auf zwei Aktoren aufteilen. Ziel ist es, die vertikale Verschiebung des LAU mit Nanometerpräzision zu regeln. In diesem Fall wird der pneumatische Aktor als passiver Schwerkraftkompensator verwendet, während die elktromagnetische Tauchspule die transienten Kräfte erzeugt. Die Analyse der Eigenschaften des LAUSystems ermöglicht die Definition der Entwurfskriterien zur Aufteilung der Stellgröße. In dieser Richtung berücksichtigt die vorgeschlagene dynamische Methode eine Aufteilung der Stellgröße bezüglich der Frequenzanteile. Die niederfrequenten Komponenten werden dem pneumatischen Aktor zugeordnet. Dem elektromagnetische Aktor werden die verbliebenen hochfrequenten Anteile zugeordnet. Die signifikanten Effekte der Aktordynamik in Bezug auf die Bewegungsdynamik werden durch einen Kalman- Filteransatz kompensiert. Nichtlineare Streckenanteile werden basierend auf dem Modell und einem Störbeobachter kompensiert, sodass der verbleibende Anteil des Positionsreglers mit linearen Methoden entworfen werden kann. Die experimentelle Validierung zeigt die Effektivität des untersuchten Konzeptes.