NL9200451A - DEVICE FOR POSITIONING AN OBJECT. - Google Patents

Description

Inrichting voor het positioneren van een object.Device for positioning an object.

De onderhavige uitvinding betreft een inrichting voor het positioneren van een object binnen een in het millimetergebied liggende verstel-weg.The present invention relates to a device for positioning an object within an adjustment range in the millimeter range.

Voor het uitvoeren van dergelijke positioneringstaken vinden stel-aandrijvingen toepassing, die bij een lineaire karakteristiek tussen kracht- en stuurgrootheid een goede dynamiek bezitten, dat wil zeggen die snelle verstelbewegingen met bandbreedten tot veelvouden van 100 Hz mogelijk maken.Actuators are used to perform such positioning tasks, which have good dynamics with a linear characteristic between force and control variable, i.e. which enable fast adjustment movements with bandwidths up to multiples of 100 Hz.

Het is bekend voor dergelijke stelaandrijvingen lineaire motoren te gebruiken. Deze benutten voor het bewegen van de het object de kracht die tussen een permanente magneet en een stroomvoerende spoel wordt opgewekt. Dergelijke lineaire motoren zijn bijvoorbeeld bekend uit EP-A-0 221 735· Lineaire motoren maken bij een passende constructiegrootte vrijwel willekeurige verstelwegen mogelijk maar hebben het nadeel, dat zij zelf bij toepassing van dure permanente magneten van zeldzame aardmetalen een relatief groot volume nodig hebben en een groot verliesvermogen bezitten.It is known to use linear motors for such actuators. They use the force generated between a permanent magnet and a current-carrying coil to move the object. Such linear motors are known, for example, from EP-A-0 221 735 · Linear motors allow virtually any adjustment paths with an appropriate construction size, but have the drawback that they themselves require a relatively large volume when expensive permanent magnets of rare earth metals are used and have a high loss capacity.

Ook zijn zogenaamde piëzo-aandrijvingen bekend, waarbij de lengte-verandering van een speciaal keramisch materiaal in een elektrisch veld voor het opwekken van een aandrijfkracht dient. Dergelijke aandrijvingen zijn in staat om hoge aandrijf krach ten bij kleine uitsturingen en een grote dynamiek op te wekken. Zij zijn als kant en klare constructie-ele-menten algemeen verkrijgbaar, bijvoorbeeld als model P-840 van de firma Physik Instrumente. Piëzo-aandrijvingen hebben echter het nadeel dat zij beperkt zijn tot verstelwegen van maximaal 0,1 mm, dat zij een aanzienlijke constructielengte bereiken (ca. l400 x de slag) en· qua constructie nauwelijks kunnen worden veranderd. De bereikbare verstelwegen zijn voor vele toepassingen te klein.So-called piezo drives are also known, in which the length change of a special ceramic material in an electric field serves to generate a driving force. Such drives are capable of generating high driving forces at small drives and high dynamics. They are generally available as ready-to-use construction elements, for example as model P-840 from Physik Instrumente. However, piezo drives have the disadvantage that they are limited to adjustment distances of up to 0.1 mm, that they reach a considerable construction length (approx. 1400 x the stroke) and that they can hardly be changed in construction. The accessible adjustment paths are too small for many applications.

Het is nu de opgave van de onderhavige uitvinding om een inrichting voor het positioneren van een object binnen een in het millimetergebied liggende verstelweg te verschaffen, die bij een gering volume grote aandrijf krach ten met een goede dynamiek opwekt en waarvan de constructie op eenvoudige wijze aan de voorziene toepassing kan worden aangepast.It is now the task of the present invention to provide an apparatus for positioning an object within an adjustment range in the millimeter range, which generates large driving forces with good dynamics at a low volume and whose construction can be easily the intended application can be adapted.

Deze opgave wordt opgelost door een inrichting die daardoor is gekenmerkt, dat het object is verbonden met een over de vers tel weg beweegbaar gelegerd anker, dat als deel van een elektromagneet via een luchtspleet de ijzerkern van deze magneet sluit en dat de elektromagneet via een regelkring zo is bekrachtigd, dat de op het anker uitgeoefende kracht onafhankelijk van de grootte van de luchtspleet lineair afhangt van de aan de regelkring toegevoerde stuurgrootheid.This task is solved by a device which is characterized in that the object is connected to an armored alloy movable over the counting device, which closes the iron core of this magnet as part of an electromagnet via an air gap and that the electromagnet via a control circuit it is energized such that the force exerted on the armature, regardless of the size of the air gap, depends linearly on the control variable supplied to the control circuit.

De inrichting volgens de uitvinding is gebaseerd op het principe van de elektromagneet, dat reeds geruime tijd in relais en hefmagneten wordt toegepast. Bij deze toepassing worden slechts de beide eindposities, dat wil zeggen anker aangetrokken/anker afgevallen, gebruikt. De tussen deze eindposities afgelegde weg kon tot nog toe niet worden gebruikt, aangezien de door de elektromagneet opgewekte krachten onafhankelijk van de richting van de bekrachtigingsstroom steeds proberen het anker aan te trekken en daarmee de veldlijnen te verkorten, dat wil zeggen unipolair werken en omdat de karakteristieken kracht-/bekrachtigings-stroom en kracht/weg niet lineair zijn.The device according to the invention is based on the principle of the electromagnet, which has been used for some time in relays and lifting magnets. In this application, only the two end positions, i.e. anchor pulled / anchor dropped, are used. The path traveled between these end positions has hitherto not been used, since the forces generated by the electromagnet, regardless of the direction of the excitation current, always try to pull the armature and thereby shorten the field lines, i.e. operate unipolar and force / excitation current and force / road characteristics are not linear.

De uitvinding maakt het mogelijk een lineaire, bidirectionele aandrijving volgens het principe van de elektromagneet tot stand te brengen, die voor zeer precieze positioneringstaken kan worden gebruikt, waarbij de verstelwegen in het millimetergebied liggen.The invention makes it possible to realize a linear, bi-directional drive according to the principle of the electromagnet, which can be used for very precise positioning tasks, the adjustment paths of which are in the millimeter range.

Volgens een kenmerkende eigenschap van conclusie 1 is daartoe de bekrachtiging van de elektromagneet zo geregeld, dat de door deze op het anker uitgeoefende kracht onafhankelijk van de grootte van de luchtspleet tussen anker en kern lineair van de stuurgrootheid afhangt. Uit deze, bijvoorbeeld als spanning verschafte stuurgrootheid wordt in de regelkring de bekrachtigingsstroom van de elektromagneet gevormd.According to a characteristic feature of claim 1, the excitation of the electromagnet is regulated in such a way that the force exerted on the armature by this force depends linearly on the control variable, irrespective of the size of the air gap between the armature and the core. The control current of the electromagnet is formed in the control circuit from this control variable, for example voltage.

De inrichting volgens de uitvinding kenmerkt zich door een geringe massa, grote bereikbare krachten en daarmee een goede dynamiek bij geringe vervaardigingskosten. De met een bepaald volume van de nieuwe inrichting op te wekken kracht is groter dan bij een lineaire motor met een overeenkomstig volume. Er valt zonder meer in te zien, dat de inrichting door een passende uitvoering van de elektromagneet op eenvoudige wijze aan de respectieve toepassing kan worden aangepast.The device according to the invention is characterized by a low mass, large accessible forces and thus good dynamics at low manufacturing costs. The force to be generated with a given volume of the new device is greater than with a linear motor of a corresponding volume. It is readily apparent that the device can easily be adapted to the respective application by a suitable design of the electromagnet.

Verdere voordelige uitvoeringsvormen van de inrichting volgens de uitvinding zijn in de onderconclusies 2 tot 11 beschreven. De ondercon-clusies 2 en 3 hebben betrekking op speciale, voordelige uitvoeringsvormen. De onderconclusies 4 tot 7 hebben betrekking op het meten van het voor het regelen van de bekrachtigingsstroom dienende, met de grootte van de luchtspleet proportionele signaal. De onderconclusies 8 en 9 hebben betrekking op de uitvoering van de bijbehorende regelkring. De onderconclusies 6 en 10 hebben betrekking op een uitvoeringsvorm, waarbij voor het lineariseren van de kracht-weg-karakteristiek de magnetische flux wordt gebruikt. Onderconclusie 11 beschrijft een voorkeursuitvoeringsvorm van de elektromagneet. Andere uitvoeringsvormen van de elektromagneet zijn mogelijk, waarbij de telkens toegepaste vorm is afgestemd op de betreffende toepassing.Further advantageous embodiments of the device according to the invention are described in subclaims 2 to 11. Subclaims 2 and 3 relate to special, advantageous embodiments. Subclaims 4 to 7 relate to the measurement of the actuating current control signal proportional to the size of the air gap. Subclaims 8 and 9 relate to the implementation of the associated control circuit. Subclaims 6 and 10 relate to an embodiment in which the magnetic flux is used to linearize the force-path characteristic. Sub-claim 11 describes a preferred embodiment of the electromagnet. Other embodiments of the electromagnet are possible, in which the respective applied form is adapted to the respective application.

De uitvinding wordt in het navolgende aan de hand van de uitvoe-ringsvoorbeelden weergevende figuren 1 tot 6 van de bijgevoegde tekeningen nader toegelicht. In detail toont:The invention is further elucidated hereinbelow on the basis of the exemplary embodiments, Figures 1 to 6 of the attached drawings. In detail shows:

Fig. 1 een eerste uitvoeringsvorm van een nieuwe inrichting in de toepassing voor het lineair verstellen van een optisch element, waarbij de inrichting voor het regelen van de door de magneet-spoelen lopende bekrachtigingsstroom schematisch is weergegeven; Fig. 2 de principiële opbouw van een regelkring voor de bekrachtigingsstroom;Fig. 1 is a first embodiment of a new device in the linear adjustment mode of an optical element, the device for controlling the excitation current flowing through the magnet coils is shown schematically; Fig. 2 the basic structure of a control circuit for the energizing current;

Fig. 3 een tweede uitvoeringsvorm van de nieuwe inrichting in schematische weergave;Fig. 3 a schematic representation of a second embodiment of the new device;

Fig. 4 de principiële opbouw van een in verband met de inrichting volgens fig. 3 toegepaste regelkring;Fig. 4 shows the basic structure of a control circuit used in connection with the device according to FIG. 3;

Fig. 5 een verder uitvoeringsvoorbeeld in de toepassing voor het lineair verstellen van een afbeeldend stelsel;Fig. 5 is a further exemplary embodiment in the application for linear adjustment of an imaging system;

Fig. 6 een verder uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting.Fig. 6 a further embodiment of the device.

In fig. 1 is met (1) de potkern van een eerste elektromagneet aangeduid, die de bekrachtigingsspoel (2) draagt. Een anker (3) sluit via een luchtspleet (4) de ijzerkern van de magneet. Het anker (3) is rota-tiesymmetrisch uitgevoerd en diens as (5) is in de kern in de lengterichting verschuifbaar gelegerd. Het anker (3) vormt tegelijkertijd het anker van een tweede elektromagneet, waarvan de potkern met (6) en de spoel daarvan met (7) zijn aangeduid. In de kern (6) is de as (8) van het anker (3) in de lengterichting verschuifbaar gelegerd. Het anker (3) sluit via de luchtspleet (9) de ijzerkring van de tweede elektromagneet. Een spiegel (10), die door een passende bekrachtiging van de elektromagneet (1, 2) en (6, 7) in de richting van de dubbele pijl (11) in verschillende posities kan worden verschoven, is vast verbonden met de as (8). Deze verschuiving ligt in het millimetergebied.In Fig. 1, (1) denotes the pot core of a first electromagnet, which carries the excitation coil (2). An armature (3) closes the iron core of the magnet via an air gap (4). The armature (3) is rotationally symmetrical and its axis (5) is longitudinally displaceably alloyed in the core. The armature (3) simultaneously forms the armature of a second electromagnet, the pot core of which is indicated by (6) and the coil thereof by (7). The shaft (8) of the armature (3) is slidably mounted in the longitudinal direction in the core (6). The armature (3) closes the iron circuit of the second electromagnet via the air gap (9). A mirror (10), which can be moved in different positions in the direction of the double arrow (11) by suitable actuation of the electromagnet (1, 2) and (6, 7), is fixedly connected to the shaft (8 ). This shift is in the millimeter range.

Om de positie van de spiegel (10) exact te kunnen meten treft in het weergegeven voorbeeld een laserstraal (12) de spiegel (10) en valt na reflectie door de spiegel op een sensor (13), die bijvoorbeeld als diode-array (13) is uitgevoerd. Het door de sensor (13) opgewekte signaal is dus proportioneel met de werkelijke positie van de spiegel (10).In order to be able to measure the position of the mirror (10) exactly, in the example shown a laser beam (12) hits the mirror (10) and after reflection through the mirror falls on a sensor (13), which, for example, acts as a diode array (13 ) is carried out. The signal generated by the sensor (13) is therefore proportional to the actual position of the mirror (10).

Met (16) en (17) zijn twee schematisch weergegeven regelkringen aangeduid, die via de leidingen (18) en (19) de bekrachtigingsstromen naar de spoelen (7) en (2) leiden. Via de schematisch weergegeven rekeneenheid (20) wordt de normwaarde van de luchtspleet (4) respectievelijk (9) verschaft. De regelkringen (16) en (17) wekken bekrachtigingsstromen op, die onafhankelijk van de grootte van de luchtspleet (4, 9) direct en lineair proportioneel zijn met de kracht op het anker (3). Daardoor is het mogelijk om de vooraf gekozen waarde van de luchtspleet (4, 9) zeer precies, zeer snel en zonder storende inslingerprocessen te bereiken.(16) and (17) denote two schematically shown control circuits, which lead the energizing currents to the coils (7) and (2) via the lines (18) and (19). The standard value of the air gap (4) and (9) is provided via the diagrammatically represented calculation unit (20). The control circuits (16) and (17) generate excitation currents which, regardless of the size of the air gap (4, 9), are directly and linearly proportional to the force on the armature (3). This makes it possible to achieve the preselected value of the air gap (4, 9) very precisely, very quickly and without disruptive creasing processes.

De sensor (13) levert een signaal, dat proportioneel is met de werkelijke waarde van de spiegel (10) en dat toegevoerd wordt aan de regelkringen (16) en (17). Deze wekken bij afwijkingen van de vastgestelde normwaarde een correctiesignaal op, dat via de beide elektromagneten de positie van de spiegel bijstelt.The sensor (13) provides a signal proportional to the true value of the mirror (10) and supplied to the control circuits (16) and (17). In the event of deviations from the set standard value, these generate a correction signal, which adjusts the position of the mirror via the two electromagnets.

De beide elektromagneten (1, 2) en (6, 7) werken ten opzichte van elkaar in spiegelbeeld, zodat deze op het anker (3) instel- en terugstel-krachten uitoefenen. Deze zijn via de regelkringen (16) en (17) afgestemd op een gelijk verloop van de kracht-weg-karakteristieken.The two electromagnets (1, 2) and (6, 7) work in mirror image with respect to each other, so that they exert adjustment and reset forces on the armature (3). These are tuned via the control circuits (16) and (17) to an equal course of the force-road characteristics.

Het is principieel mogelijk om slechts één van beide elektromagneten te gebruiken, bijvoorbeeld de magneet (1, 2), en door een veer, die aangrijpt op het anker (3), een kracht op te wekken die het anker (3) tegen de werking van de magneet (1, 2) voorspant.It is possible in principle to use only one of the two electromagnets, for example the magnet (1, 2), and by generating a force which acts on the armature (3) against the armature by engaging a spring (3) of the magnet (1, 2).

In het uitvoeringsvoorbeeld van fig. 1 meet de sensor (13) de positie van de via het anker (3) bewogen spiegel (10). Deze positie is direct proportioneel met de grootte van de luchtspleet (4), die in het volgende als 1 wordt aangeduid.In the exemplary embodiment of Fig. 1, the sensor (13) measures the position of the mirror (10) moved via the armature (3). This position is directly proportional to the size of the air gap (4), which is referred to as 1 in the following.

Het is ook mogelijk de luchtspleet-afstand 1 direct te meten. Daartoe kunnen bijvoorbeeld op of in de bekrachtigingsspoelen (2, 7) hulpwik-kelingen zijn aangebracht. Het door deze hulpwikkelingen opgewekte signaal is direct proportioneel met de magnetische flux en deze wordt bepaald door de bekrachtigingsstroom en de luchtspleet-afstand 1. Aangezien de bekrachtigingsstroom bekend is, wordt in de regelkringen (16) en (17) uit de signalen van de hulpwikkelingen, die via de onderbroken weergegeven leidingen (14) en (15) worden toegevoerd, een met de luchtspleet-af stand 1 proportioneel signaal berekend, dat in plaats van het signaal van de sensor (13) wordt gebruikt.It is also possible to measure the air gap distance 1 directly. For this purpose auxiliary windings can for instance be arranged on or in the excitation coils (2, 7). The signal generated by these auxiliary windings is directly proportional to the magnetic flux and it is determined by the excitation current and the air gap distance 1. Since the excitation current is known, in the control circuits (16) and (17) from the signals of the auxiliary windings , which are supplied via the lines (14) and (15) shown in broken lines, a signal proportional to the air gap distance 1 is calculated, which is used instead of the signal from the sensor (13).

Een verdere eenvoudige mogelijkheid om de luchtspleet-afstand 1 direct te meten bieden zogenaamde differentiaal-veldplaten, die in de elektromagneten (1, 2) en (6, 7) worden geïntegreerd. Dergelijke differentiaal-veldplaten worden bijvoorbeeld aangeboden door de firma Siemens onder de aanduiding PP 212-100; deze meten de luchtspleet-afstand 1 met een lineariteitsfout < 1%. Het signaal van deze differentiaal-veldplaten wordt via leidingen (14, 19) toegevoerd aan de regelkringen (16, 17).A further simple possibility of directly measuring the air gap distance 1 is provided by so-called differential field plates, which are integrated in the electromagnets (1, 2) and (6, 7). Such differential field plates are offered, for example, by Siemens under the designation PP 212-100; these measure the air gap distance 1 with a linearity error <1%. The signal from these differential field plates is supplied via lines (14, 19) to the control circuits (16, 17).

Het meten van de luchtspleet-afstand 1 kan ook met behulp van optische inrichtingen plaatsvinden. Dergelijke inrichtingen zijn algemeen bekend; van hun beschrijving wordt hier afgezien.The air gap distance 1 can also be measured with the aid of optical devices. Such devices are generally known; their description is waived here.

Het is uiteraard mogelijk met de inrichting volgens fig. 1 een andere beweging van andere elementen te bewerkstelligen. Indien bijvoorbeeld de spiegel (10) draaibaar wordt gelagerd en de arm (8) beweegbaar met een dergelijke spiegel wordt verbonden, dan kan de hoekpositie van de spiegel worden ingesteld.It is of course possible to effect a different movement of other elements with the device according to Fig. 1. For example, if the mirror (10) is rotatably mounted and the arm (8) is movably connected to such a mirror, the angular position of the mirror can be adjusted.

Met de inrichting volgens fig. 1 is het ook mogelijk bij storingen van buitenaf, zoals bijvoorbeeld trillingen of vibraties, de luchtspleet (4, 9) altijd constant te houden. Daartoe wordt via de rekeneenheid (20) de met de spiegelafstand proportionele waarde verschaft. Een vibratie veroorzaakt een verandering van de luchtspleet-afstand 1. De grootte daarvan wordt dan automatisch en snel naar de voorafbepaalde normwaarde bijgeregeld.With the device according to Fig. 1 it is also possible to keep the air gap (4, 9) constant at all times in the event of external disturbances, such as vibrations or vibrations. For this purpose, the proportional value with the mirror distance is provided via the calculation unit (20). A vibration causes a change in the air gap distance 1. The size thereof is then automatically and quickly adjusted to the predetermined standard value.

De inrichting volgens fig. 1 kan ook niet-rotatiesymmetrisch worden uitgevoerd, waarbij in plaats van de potkernen (1 en 6) U-vormige kernen zijn toegepast.The device according to Fig. 1 can also be non-rotationally symmetrical, wherein U-shaped cores are used instead of the pot cores (1 and 6).

In fig. 2 is een vereenvoudigd uitvoeringsvoorbeeld voor een van de regelkringen (16, 17) van fig. 1 weergegeven. Door de rekeneenheid (20) van fig. 1 wordt aan het punt (21) een signaal toegevoerd, dat proportioneel is met de normwaarde van de luchtspleet-afstand 1 en derhalve bijvoorbeeld in fig. 1 met de normpositie van de spiegel (10). Dit signaal is aanwezig als spanningswaarde 1^. Via een op zich bekende PI-regelaar (22) wordt het signaal Ux versterkt en staat als signaal U2 op het punt (23) . In een daaropvolgend element (24), dat bijvoorbeeld gevormd is door de bouwsteen ICL-8013 van de firma INTERSIL, wordt de vierkantswortel van de waarde U2 gevormd. Deze wortelwaarde wordt toegevoerd aan een verme-nigvuldigschakeling (25), die bijvoorbeeld ook uit de bouwsteen ICL-8013 bestaat en waaraan door de sensor op de schematisch weergegeven elektromagneet (1, 2) een met de luchtspleet-afstand 1 proportioneel signaal wordt toegevoerd. De vermenigvuldigschakeling (25) vormt dus de waarde /ü2.l. Deze waarde wordt toegevoerd aan een vermogensversterker (26), die het toegevoerde spanningssignaal omzet in een proportionele stroom I, die als bekrachtigingsstroom aan de spoel (2) van de elektromagneet (1, 2) wordt toegevoerd.Fig. 2 shows a simplified exemplary embodiment for one of the control circuits (16, 17) of Fig. 1. The calculating unit (20) of Fig. 1 supplies a signal to point (21), which is proportional to the norm value of the air gap distance 1 and therefore, for example, in Fig. 1 to the norm position of the mirror (10). This signal is present as voltage value 1 ^. The signal Ux is amplified via a PI controller (22) known per se and the signal U2 is at its point (23). In a subsequent element (24), which is for instance formed by the building block ICL-8013 of the company INTERSIL, the square root of the value U2 is formed. This root value is applied to a multiplier circuit (25), which also consists, for example, of the building block ICL-8013 and to which a signal proportional to the air gap distance 1 is supplied by the sensor on the schematically shown electromagnet (1, 2). The multiplier circuit (25) thus forms the value /ü2.l. This value is supplied to a power amplifier (26), which converts the supplied voltage signal into a proportional current I, which is supplied as excitation current to the coil (2) of the electromagnet (1, 2).

Voor de navolgende beschouwing is voorondersteld, dat U2 direct proportioneel is met de stuurgrootheid Ult zodat geldt: 113 = 03.¾ (c2 = constante)For the following consideration it is assumed that U2 is directly proportional to the control variable Ult so that: 113 = 03.¾ (c2 = constant)

Op de uitgang van de vermenigvuldigschakeling (25) staat de spanning _Voltage _ is applied to the output of the multiplier circuit (25)

De vermogensversterker (26) vormt daaruit de be- krachtigingsstroom I, die direct proportioneel is met de spanning /ü2.l, waarvoor dus geldt:The power amplifier (26) therefrom forms the energizing current I, which is directly proportional to the voltage /ü2.l, which therefore holds:

(ct = constante) of(ct = constant) or

Voor de door de spoel (2) van de elektromagneet op het anker (3) uitgeoefende kracht F geldt: F = C4 . I2/l2 (basisvergelijking)For the force F exerted on the armature (3) by the coil (2) of the electromagnet: F = C4. I2 / l2 (basic equation)

Indien voor de bekrachtigingsstroom I de waarde volgens de formule I = c3./Ui. 1 wordt gebruikt, wordt verkregen:If for the excitation current I the value according to the formula I = c3./Ui. 1 is used, it is obtained:

(c/| . c32 = c5)(c / |. c32 = c5)

Dit betekent, dat de op het anker (3) uitgeoefende kracht F direct en onafhankelijk van de luchtspleet-afstand 1 proportioneel is met de stuurgrootheid Uj.This means that the force F exerted on the armature (3) is directly and independent of the air gap distance 1 proportional to the control variable Uj.

De kracht F wordt in elke toepassing bepaald door de parameters van het stelsel. Indien de bovenvermelde basisvergelijking wordt herschreven volgt:The force F in each application is determined by the parameters of the system. If the above basic equation is rewritten, it follows:

(K = constante)(K = constant)

Bijgevolg hangt de luchtspleet-afstand 1 bij constante F lineair af van de stroom I door de bekrachtigingsspoel van de elektromagneet. Door het kiezen van het stuursignaal 1^, dat proportioneel is met deze stroom, kan dus elke luchtspleet-afstand binnen het verstelbereik door het ver schaffen van een passend stuursignaal υχ snel en precies worden ingesteld. Bijvoorbeeld kan door een klein signaal Ux en dientengevolge een kleine bekrachtigingsstroom I een kleine luchtspleet worden ingesteld en omgekeerd.Consequently, the air gap distance 1 at constant F depends linearly on the current I through the energizing coil of the electromagnet. Thus, by selecting the control signal 1 ^, which is proportional to this flow, any air gap distance within the adjustment range can be quickly and precisely set by providing an appropriate control signal. For example, by a small signal Ux and consequently a small energizing current I, a small air gap can be set and vice versa.

De in fig. 2 weergegeven regelkring bestaat uit een binnenste (onder-) regelkring voor de snelheid van het regelproces en de buitenste regelkring voor het inregelen van de normpositie van de luchtspleet-af-stand. De binnenste regelkring bevat een differentieerschakeling (27). op de uitgang waarvan het van de sensor van de elektromagneet (1, 2) komende, met de luchtspleet-afstand 1 proportionele signaal U3 als signaal dü3/dt staat. Dit signaal staat op het punt (23), waaraan het uitgangssignaal U2 van de PI-regelaar (22) wordt toegevoerd. Dit signaal vormt de stuurgrootheid voor de snelheidsregelaar.The control circuit shown in Fig. 2 consists of an inner (sub) control circuit for the speed of the control process and the outer control circuit for adjusting the standard position of the air gap distance. The inner control circuit contains a differential circuit (27). the output of which the signal from the solenoid sensor (1, 2) with the air gap distance 1 is proportional to signal U3 as signal dü3 / dt. This signal is at point (23) to which the output signal U2 of the PI controller (22) is applied. This signal forms the control variable for the speed controller.

Het van de elektromagneet (1, 2) afkomstige signaal U3, dat proportioneel is met de luchtspleet-af stand 1, staat op het punt (1), waaraan ook het stelsignaal Uj wordt toegevoerd. Bij (21) wordt het verschil Ux -U3 gevormd, dat als stelgrootheid via de PI-regelaar aan de regelkring wordt toegevoerd. Deze regelt Uj - U3 naar de waarde nul, dat wil zeggen deze stelt de bekrachtigingsstroom I zo in, dat de luchtspleet 1 de voorafgekozen normwaarde bereikt.The signal U3 from the electromagnet (1, 2), which is proportional to the air gap distance 1, is at point (1) to which the adjustment signal Uj is also applied. At (21), the difference Ux -U3 is formed, which is supplied as a control variable via the PI controller to the control circuit. It controls Uj - U3 to zero, that is to say it adjusts the excitation current I so that the air gap 1 reaches the preselected standard value.

Met de onder-snelheidsregelkring wordt bereikt, dat het instellen op de normwaarde 1 snel plaatsvindt. Bij geringere eisen aan de dynamiek kan de snelheidsregelkring, dat wil zeggen de binnenste regelkring, worden weggelaten.The under-speed control circuit ensures that the setting to standard value 1 takes place quickly. The speed control circuit, i.e. the inner control circuit, can be omitted if the dynamics are less demanding.

De in fig. 2 weergegeven regelkring is opgebouwd met analoog werkende elementen. Natuurlijk is het ook mogelijk het van de elektromagneet (1, 2) afkomstige signaal U3 te digitaliseren en de regelkring op te bouwen uit digitale elementen.The control circuit shown in Fig. 2 is constructed with analogous operating elements. It is of course also possible to digitize the signal U3 from the electromagnet (1, 2) and to build the control circuit from digital elements.

De luchtspleet-afstand 1 ligt bij de inrichting volgens de uitvinding maximaal bij 5 mm, bij voorkeur onder 1 mm. Afhankelijk van de toepassing kan de kracht F verschillende waarden hebben. Een voorbeeld van de waarde ligt bij 200 N, die bij een passende uitvoering van de bekrach-tigingsspoel met een bekrachtigingsstroom in de grootte-orde van 10 A kan worden bereikt. De inrichting volgens de uitvinding bezit een zeer goede dynamiek, die instelbewegingen met een bandbreedte van ca. 300 Hz toelaat.The air gap distance 1 in the device according to the invention is at most 5 mm, preferably below 1 mm. Depending on the application, the force F can have different values. An example of the value is 200 N, which can be achieved with an excitation current of the order of 10 A if the excitation coil is designed appropriately. The device according to the invention has a very good dynamics, which allows adjustment movements with a bandwidth of approximately 300 Hz.

Indien de luchtspleet-afstand 1, respectievelijk de hiermee verbonden positie van het, met het magneetanker verbonden stelelement direct wordt gemeten, dan is ook een linearisering van de kracht-weg-karakteris- tiek tot aan de frequentie nul en een statische positionering van dit stelelement mogelijk. De minimale luchtspleet moet bij ongeveer 0,1 mm liggen.If the air gap distance 1, or the position of the adjusting element connected to the magnetic armature connected to it, is measured directly, then a linearization of the force-path characteristic up to the frequency zero and a static positioning of this adjusting element is also possible. The minimum air gap should be approximately 0.1 mm.

De figuren 3 en 4 tonen een verder uitvoeringsvoorbeeld, waarbij het lineariseren van de kracht-weg-karakteristiek een regelkring voor de magnetische flux § is toegepast.Figures 3 and 4 show a further exemplary embodiment, in which the linearization of the force-path characteristic is used for a control circuit for the magnetic flux.

Fig. 3 toont schematisch een elektromagneet, bestaande uit een U-vormige of potvormige kern (45)* een anker (47) en de bekrachtigingswik-keling (46). De afstand 1 tussen kern (45) en anker (47) is te regelen. De kern (45) draagt naast de bekrachtigingswikkeling (46) een schematisch weergegeven meetwikkeling (48), die een spanning levert die proportioneel is met de verandering van de magnetische flux in de tijd, dat wil zeggen met de grootheid d$/dt. De wikkeling (48) is in de onmiddellijke nabijheid van de luchtspleet aangebracht.Fig. 3 schematically shows an electromagnet consisting of a U-shaped or pot-shaped core (45) * an armature (47) and the excitation winding (46). The distance 1 between core (45) and anchor (47) is adjustable. The core (45) carries, next to the excitation winding (46), a schematically shown measuring winding (48), which supplies a voltage proportional to the change of the magnetic flux over time, i.e. with the magnitude d $ / dt. The winding (48) is arranged in the immediate vicinity of the air gap.

De principiële opbouw van een regelkring voor het lineariseren van de kracht-weg-karakteristiek is in fig. 4 weergegeven. Door de rekeneenheid (20) van fig. 1 wordt aan het eerste element (50) een signaal toegevoerd dat proportioneel is met de normwaarde van de luchtspleet-afstand 1 en dat als spanningswaarde Ux aanwezig is. Het element (50) vormt daaruit de waarde /¾. Deze waarde wordt via een P-regelaar (51) als bekrachti-gingsstroom I aan de bekrachtigingswikkeling (46) van de elektromagneet (45, 46, 47) toegevoerd. De meetwikkeling (48) wekt een met de waarde d$/dt proportioneel signaal op, dat aan een integrator (52) wordt toegevoerd. Dientengevolge staat op het punt (53) een met de werkelijke waarde van de magnetische flux Φ proportioneel signaal. Voor dit signaal geldt:The basic construction of a control circuit for linearizing the force-travel characteristic is shown in FIG. The first element (50) is supplied by the arithmetic unit (20) of Fig. 1, a signal which is proportional to the norm value of the air gap distance 1 and which is present as voltage value Ux. The element (50) then forms the value / daar. This value is supplied via a P controller (51) as energizing current I to the energizing winding (46) of the electromagnet (45, 46, 47). The measuring winding (48) generates a signal proportional to d $ / dt, which is applied to an integrator (52). Consequently, point (53) has a signal proportional to the true value of the magnetic flux Φ. The following applies to this signal:

De proportionele regelaar (51) vormt uit de op het punt (53) staande signalen /ux en c6.I/l de bekrachtigingsstroom I volgens de volgende vergelijking: I = k (/ux - c6 . 1/1)The proportional controller (51) forms the excitation current I from the signals / ux and c6.I / l at the point (53) according to the following equation: I = k (/ ux - c6. 1/1)

Bij een voldoende grote regelversterking gaat de waarde k naar oneindig, zodat geldt:With a sufficiently large control gain, the value k goes to infinity, so that:

Indien deze waarde in de verdere boven reeds genoemde basisvergelijkingIf this value is in the further basic equation already mentioned above

wordt gebruikt, dan wordt verkregen:is used, the following is obtained:

(c7 = c„/c62)(c7 = c "/ c62)

De op het anker (^7) uitgeoefende kracht F is dus ook hier direct en onafhankelijk van de luchtspleet-afstand 1 proportioneel met de stuur-grootheid 1^.The force F exerted on the armature (^ 7) is therefore also here directly and independent of the air gap distance 1 proportional to the control variable 1 ^.

Wegens de door de integrator (52) veroorzaakte fundamentele inte-gratiefout is de inrichting volgens de figuren 3 en 4 zonder verdere aanvullingen niet toepasbaar tot aan de frequentie nul, dat wil zeggen het statische geval. Deze inrichting vindt bij voorkeur toepassing in het frequentiegebied > 10 Hz. Een aanvulling, die de toepassing tot aan de frequentie nul mogelijk maakt, kan er bijvoorbeeld zo uitzien, dat op bepaalde tijdsintervallen een vastgestelde positie wordt ingenomen en de integrator op een bijbehorende spanningswaarde wordt gezet.Due to the fundamental integration error caused by the integrator (52), the device according to Figures 3 and 4 cannot be used without further additions up to the frequency zero, i.e. the static case. This device is preferably used in the frequency range> 10 Hz. A supplement, which allows application up to zero frequency, may, for example, take the form of taking a predetermined position at certain time intervals and setting the integrator to a corresponding voltage value.

Fig. 5 toont een uitvoeringsvoorbeeld waarbij een anker (30) aan twee in tegengestelde richting werkende elektromagneten (31, 32) en (33, 34) is toegewezen. Van de beschrijving van de regelkring is hier afge-zien, aangezien deze overeenkomt met de inrichting volgens fig. 1, Het anker (30) is hier vast verbonden met een drager (35) · Anker (30) en drager (35) zijn bevestigd aan een schematisch weergegeven behuizing (36), die een afbeeldend optisch stelsel, bijvoorbeeld een microscoop-objectief bevat. De focusseringsbeweging van dit objectief wordt door bewegen van het anker (30) in het veld van de elektromagneet (31, 32) en (33, 34) tot stand gebracht.Fig. 5 shows an exemplary embodiment in which an armature (30) is assigned to two counter-acting electromagnets (31, 32) and (33, 34). The description of the control circuit is omitted here, since it corresponds to the device according to Fig. 1. The armature (30) is here firmly connected to a support (35). The armature (30) and support (35) are attached. to a schematically shown housing (36), which contains an imaging optical system, for example a microscope objective. The focusing movement of this objective is accomplished by moving the armature (30) in the field of the electromagnet (31, 32) and (33, 34).

In principe kan de inrichting volgens fig. 3 ook slechts één elektromagneet, bijvoorbeeld de elektromagneet (31, 32), bevatten. In dit geval oefent de zwaartekracht een terugstelkracht op het anker (30) uit.In principle, the device according to Fig. 3 can also contain only one electromagnet, for example the electromagnet (31, 32). In this case, gravity exerts a reset force on the armature (30).

Ter vermijding van wervelstroomverliezen is de kern van de magneet gelamelleerd, waarbij de plaatdikte bijvoorbeeld 0,35 dub bedraagt. De lamellen bestaan uit een materiaal dat een grote fluxdichtheid mogelijk maakt (ca. 2 T) en waarvan de hysteresisverliezen verwaarloosbaar klein zijn. Een dergelijk materiaal is bijvoorbeeld in de handel verkrijgbaar onder de aanduiding VACUFLUX van Vakuumschmelze Hanau.In order to avoid eddy current losses, the core of the magnet is laminated, the plate thickness being, for example, 0.35 dub. The slats consist of a material that allows a high flux density (approx. 2 T) and whose hysteresis losses are negligibly small. Such a material is, for example, commercially available under the designation VACUFLUX from Vakuumschmelze Hanau.

Bij de beschreven uitvoering van de kern van de elektromagneet van gelamineerd blik en bij de beschreven keuze van het kernmateriaal is het niet nodig om rekening te houden met wervelstroom- of hysteresisverliezen, aangezien in elk geval de invloed van de luchtspleet 1 domineert.In the described embodiment of the core of the laminated tin electromagnet and in the described choice of the core material, it is not necessary to take account of eddy current or hysteresis losses, since in any case the influence of the air gap 1 dominates.

De inrichting volgens de uitvinding kan qua opbouw worden aangepast aan de door de constructie bepaalde inbouwvoorwaarden. Indien bijvoorbeeld slechts een geringe inbouwhoogte ter beschikking staat, kan de uitvoeringsvorm volgens fig. 6 worden toegepast. Deze bestaat uit een vlakke elektromagneet (37. 38), waarbij het anker (39) behoort. Op het anker (39) grijpen hier twee met een basisplaat (40) verbonden trekveren (4l, 42) aan, die een kracht uitoefenen die tegengesteld gericht is aan de kracht van de elektromagneet (37. 38).The device according to the invention can be adapted in terms of construction to the installation conditions determined by the construction. For example, if only a small installation height is available, the embodiment according to Fig. 6 can be used. It consists of a flat electromagnet (37. 38), to which the armature (39) belongs. Two tension springs (41, 42) connected to a base plate (40) engage here on the armature (39) and exert a force which is opposite to that of the electromagnet (37. 38).

De inrichting volgens de uitvinding vindt veelsoortige toepassingen bij positioneringstaken met een instelbereik van enige millimeters. Eén van de mogelijke toepassingen is de dynamische correctie van positie-afwijkingen op grond van trillingen bij een astronomische telescoop.The device according to the invention finds many applications in positioning tasks with an adjustment range of a few millimeters. One of the possible applications is the dynamic correction of position deviations due to vibrations with an astronomical telescope.

Claims (11)

1. Inrichting voor het positioneren van een object binnen een in het millimetergebied liggende verstelweg, met het kenmerk, dat het object (10) is verbonden met een over de verstelweg beweegbaar gelegerd anker (3), dat als deel van een elektromagneet (1, 2) via een luchtspleet (4) de ijzerkern van deze magneet sluit en dat de elektromagneet (1, 2) via een regelkring (17) zo is bekrachtigd, dat de op het anker (3) uitgeoefende kracht onafhankelijk van de grootte van de luchtspleet (4) lineair afhangt van de aan de regelkring (17) toegevoerde stuurgrootheid (Uj).Device for positioning an object within an adjustment path lying in the millimeter region, characterized in that the object (10) is connected to an armature (3) movably mounted over the adjustment path, which is part of an electromagnet (1, 2) via an air gap (4) closes the iron core of this magnet and that the electromagnet (1, 2) is energized via a control circuit (17) so that the force exerted on the armature (3) is independent of the size of the air gap (4) depends linearly on the control variable (Uj) supplied to the control circuit (17). 2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het anker (3) tegelijk het anker van een tweede, de eerste tegenwerkende elektromagneet (6, 7) vormt.Device according to claim 1, characterized in that the armature (3) simultaneously forms the armature of a second, the first counteracting electromagnet (6, 7). 3· Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat op het anker (39) van de elektromagneet (37. 38) een voor het opwekken van een terugstelkracht dienende veer (4l, 42) aangrijpt.Device according to claim 1, characterized in that a spring (41, 42) serving to generate a restoring force engages the armature (39) of the electromagnet (37, 38). 4. Inrichting volgens een van de conclusies 1 tot 3. met het kenmerk. dat een inrichting is verschaft die een met de grootte van de luchtspleet tussen het anker (3) en de elektromagneet (1, 2) proportioneel signaal opwekt.Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in. that a device is provided which generates a signal proportional to the size of the air gap between the armature (3) and the electromagnet (1, 2). 5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de inrichting voor het meten van de luchtspleet (4) als differentiaal-veldplaat is uitgevoerd.Device according to claim 4, characterized in that the device for measuring the air gap (4) is designed as a differential field plate. 6. Inrichting volgens een van de conclusies 1 tot 3. met het kenmerk. dat de elektromagneet (45. 46) een aanvullende hulpwikkeling (48) draagt, die een met de verandering van de magnetische flux 3? in de tijd proportioneel signaal opwekt.Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in. that the electromagnet (45, 46) carries an additional auxiliary winding (48), which is one with the change of the magnetic flux 3? generates proportional signal over time. 7. Inrichting volgens de conclusies 4 en 6, met het kenmerk, dat de aanvullende hulpwikkeling wordt benut voor het verkrijgen van een signaal dat proportioneel is met de luchtspleetbreedte 1.Device according to claims 4 and 6, characterized in that the additional auxiliary winding is used to obtain a signal proportional to the air gap width 1. 8. Inrichting volgens conclusie 1 en een of meer van de conclusies 2 tot 5. met het kenmerk, dat de regelkring (17) een element (24) voor het vormen van de wortel uit het toegevoerde stuursignaal Ui en een element (25) voor het vermenigvuldigen van deze wortelwaarde het, een met de luchtspleetgrootte 1 proportioneel signaal omvat, en dat de zo verkregen waarde de bekrachtigingsstroom I van de elektromagneet (1, 2) bepaalt.Device according to claim 1 and one or more of claims 2 to 5, characterized in that the control circuit (17) has an element (24) for forming the square root from the supplied control signal Ui and an element (25) for multiplying this root value it comprises a signal proportional to the air gap size 1, and that the value thus obtained determines the energizing current I of the electromagnet (1, 2). 9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de regelkring (17) aanvullend een element (27) voor het differentiëren van het met de luchtspleetgrootte 1 proportionele signaal en voor het regelen van de verstelsnelheid van het anker (3) bevat.Device according to claim 8, characterized in that the control circuit (17) additionally contains an element (27) for differentiating the signal proportional to the air gap size 1 and for controlling the adjusting speed of the armature (3). 10. Inrichting volgens conclusie 1 tot 3 en conclusie 6, met het kenmerk, dat de regelkring een element (50) voor het vormen van de wortel uit het toegevoerde stuursignaal Ulf een door de hulpwikkeling (48) aangestuurde integrator (52) voor het vormen van een met de werkelijke waarde van de magnetische flux § proportioneel signaal en een proportionali-teitsversterker (51) bevat, die uit de grootheden ^U1 en § de bekrachti-gingsstroom I vormt, en waarvan de regelversterking k naar oneindig gaat.Device according to claims 1 to 3 and claim 6, characterized in that the control circuit comprises an element (50) for forming the root from the supplied control signal Ulf and an integrator (52) driven by the auxiliary winding (48) for forming of a proportional signal with the actual value of the magnetic flux § and a proportionality amplifier (51), which forms the excitation current I from the parameters U1 and, and whose control gain k goes to infinity. 11. Inrichting volgens een of meer van de conclusies 1 tot 3, met het kenmerk, dat de elektromagneet bestaat uit een U-vormige kern (31) van gelamelleerde ijzerplaat, die de door de bekrachtigingsstroom I doorlopen spoel (32) draagt.Device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the electromagnet consists of a U-shaped core (31) of laminated iron plate, which carries the coil (32) traversed by the energizing current I.