CCTA 2022

Die Autoren stellen ihre Arbeit in zwei zusammenhängenden Beiträgen vor. In beiden gehen sie auf die Anforderungen aus der Halbleiterindustrie und anderen Branchen ein, in denen hochpräzise Antriebssysteme für industrielle Anlagen und Maschinen sich immer mehr zu immer präziseren Systemen mit Sub-Nanometer-Präzision entwickeln müssen. Gleichzeitig sollen in der Nanofabrikation immer größere vertikale Bewegungen ausgeführt werden.

Für diese vertikalen Bewegungen eines Antriebssystems haben die Autoren ein bestehendes Nanometer-Planar-Positioniersystem (NPPS100) mit eigens dafür konzipierten Hub- und Aktuatoreinheiten (LAUs: Lifting and Actuating Units) ausgestattet. Das Ergebnis ist ein 6D-System mit 10 mm vertikalem Hub und einer Auflösung im Sub-Nanometerbereich.
Um dies zu erreichen, wurde jede LAU einzeln auf einem Prüfstand montiert, um eingehende Untersuchungen ihrer statischen und dynamischen Eigenschaften durchzuführen, die für die Ableitung fortschrittlicher Bewegungssteuerungen für höchste Präzision entscheidend sind.

Das größte Manko der vertikalen Betätigung ist die Wärmeabstrahlung, die zu Verformungen der Lasten führt und den Messraum stört. Infolgedessen bildet jeder LAU ein komplexes System, das aus einem pneumatischen Aktuator besteht, um der Gewichtskraft entgegenzuwirken, während ein elektromagnetischer Antrieb die (nahezu null) Präzisionsbewegungskraft bereitstellt, wodurch ein geringer Strom und folglich eine geringe Wärmeabgabe erzielt werden.

In this paper and its companion paper, we address the problem of modeling and robust adaptive tracking control for an overactuated vertical nanopositioning system. We first introduce the operation principle of the lifting modules. In relation to the integrated actuators, their dynamics and important parameters are obtained from experimental and projected data. We further derive a physical model from the relevant components of the motion system. The model is validated with measured data in order to illustrate that it adequately reflects the real behavior. Emphasis is placed on the merits of control allocation (CA) to handle the overactuated nature of the overall motion system. The proposed CA concept proves to be effective for the ongoing application since it demands low computational costs and fulfills the heat emission constraint. We close this paper with the formulation and analysis of a suitable model for the derivation of advanced control strategies.

In this paper and its companion paper, we address the problem of modeling and robust adaptive tracking control for an overactuated vertical nanopositioning system. In virtue of the derived model, the control is accomplished via a composite control law involving a nominal full-state feedback controller plus an L₁ adaptive augmentation. To preserve PID-type robustness properties, the nominal (or baseline) controller comprises integral action and features sufficiently high bandwidth for mere stabilization and attenuation of slowly varying disturbances. The L₁ adaptive component plays a central role for recovering the nominal closed-loop dynamics in the presence of complex time-varying perturbations and external disturbances. The effectiveness and robustness of the presented control strategy is verified via real-time experiments featuring subnanometer positioning errors which seem to be fully-dominated by the measurement noise.