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KR20090091300A - Control system and method for negative attenuation compensation in magnetic levitation - Google Patents

Control system and method for negative attenuation compensation in magnetic levitation Download PDF

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KR20090091300A
KR20090091300A KR1020097012568A KR20097012568A KR20090091300A KR 20090091300 A KR20090091300 A KR 20090091300A KR 1020097012568 A KR1020097012568 A KR 1020097012568A KR 20097012568 A KR20097012568 A KR 20097012568A KR 20090091300 A KR20090091300 A KR 20090091300A
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KR
South Korea
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gap
signal
delay
read signal
magnetic levitation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020097012568A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
아르얀 에프. 바커
Original Assignee
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. filed Critical 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

자석 부상 제어 시스템(100)은 전자 자석과 스테이지 사이의 갭을 측정하고 갭 측정 신호를 생성하도록 구성된 센서(106)를 포함한다. 갭 필터(112)는 갭 측정 신호를 수신하고 갭 측정 신호와 보상 동작 사이의 지연을 예측하고 보상하는 위상 리드 신호를 제공하도록 구성된다. 예측 블럭(114)은 위상 리드 신호를 수신하고, 음의 강성 및 음의 감쇠가 제어 시스템에서 보상되도록 위상 리드 신호에 따라 보상 동작을 제공하도록 구성된다. The magnet flotation control system 100 includes a sensor 106 configured to measure a gap between the electromagnet and the stage and generate a gap measurement signal. The gap filter 112 is configured to receive a gap measurement signal and provide a phase read signal that predicts and compensates for the delay between the gap measurement signal and the compensation operation. Prediction block 114 is configured to receive the phase read signal and provide a compensation operation in accordance with the phase read signal such that negative stiffness and negative attenuation are compensated in the control system.

Description

자기 부상에서 음의 감쇠 보상을 위한 제어 시스템 및 방법{CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR NEGATIVE DAMPING COMPENSATION IN MAGNETIC LEVITATION}CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR NEGATIVE DAMPING COMPENSATION IN MAGNETIC LEVITATION

본 발명은 자기 부상에 관한 것으로서, 더 상세하게는 음의 감쇠를 보상하는 제어 시스템 및 방법에 대한 것이다. The present invention relates to magnetic levitation, and more particularly, to a control system and method for compensating for negative attenuation.

자기 부상(Maglev)은 예를 들면 중력과 같은 다른 힘의 균형을 맞추기 위해 물체(들)를 반발시키기 위해 자기장을 사용하는 시스템 또는 디바이스에 관한 것이다. Maglev는 차량이 부상되고 트랙 아래로 추진되는 수송 시스템에서 사용될 수 있다. 다른 응용은 반도체 처리(예를 들면, 웨이퍼 지지 플래튼(platen)을 공중에 뜨게하기), 무접점 베어링(예를 들면, 자기적으로 부상하는 샤프트), 또는 의료 장비(에를 들면, CT 스캐너)를 포함할 수 있다. Maglev relates to a system or device that uses a magnetic field to repel an object (s) to balance other forces, such as gravity, for example. Maglev can be used in transportation systems in which vehicles are injured and propel down the track. Other applications include semiconductor processing (eg, to float a wafer support platen), contactless bearings (eg, magnetically floating shafts), or medical equipment (eg, CT scanners). It may include.

강성(stiffness)은 밀어질 때 되돌려 밀치는 물질의 능력인데, 예를 들면 스프링은 압축에 저항한다. 이러한 반응은 진동을 감쇠시키기 위한 물질의 강도(strength) 및 능력을 결정한다. 이는 양의 강성이다. 일부 물질 또는 시스템은 "음의 강성"을 갖는데, 즉 예를 들면 압축하기 시작하면 저절로 찌부러지는 스프링과 같이, 이들의 구조는 압력이 가해지면 이들의 저장된 에너지가 동일한 방향으모만 더 많은 압축을 야기하는 방식으로 비틀리거나 구부려진다. Stiffness is the ability of a material to push back when it is pushed, for example a spring resists compression. This reaction determines the strength and ability of the material to dampen vibrations. This is a positive stiffness. Some materials or systems have "negative stiffness", i.e., such as springs that spontaneously spontaneously begin to compress, their structures cause more compression when pressure is applied but their stored energy is in the same direction. Twisted or bent in such a way.

자기 부상에서, 자기 코어와 부상되는 물체 사이의 갭은 고유하게 음의 강성을 가지는 것으로 전해진다. 음의 강성은 음의 강성 효과를 상쇄할 수 있는 교정 공식(calibration formula)에 의해 자기 부상 시스템에서 보상될 수 있다. 그러나, 이 갭이 측정되는 시간과 이 갭이 보상되는 시간 사이에 도입되는 지연은 종종 음의 감쇠를 야기한다. 음의 감쇠는 음의 강성과 동일한 방식으로 설명될 수 없다. 그러므로, 자기 부상 시스템에서 음의 감쇠를 보상하기 위한 필요성이 존재한다.In magnetic levitation, the gap between the magnetic core and the floating object is said to have inherently negative stiffness. Negative stiffness can be compensated in the magnetic levitation system by a calibration formula that can offset the negative stiffness effect. However, the delay introduced between the time this gap is measured and the time this gap is compensated for often results in negative attenuation. Negative attenuation cannot be explained in the same way as negative stiffness. Therefore, a need exists to compensate for negative attenuation in magnetically levitated systems.

본 발명에 따르면, 자기 부상 제어 시스템은 전자 자석과 스테이지 사이의 갭을 측정하고 갭 측정 신호를 생성하도록 구성된 센서를 포함한다. 갭 필터는 갭 측정 신호를 수신하고 이 갭 측정 신호와 보상 동작 사이의 지연을 예측하고 설명하는 위상 리드 신호를 제공하도록 구성된다. 예측 블럭은 위상 리드 신호를 수신하고, 제어 시스템에서 음의 강성 및 음의 감쇠 효과 둘 다가 보상되도록 위상 리드 신호에 따라 보상 동작을 제공한다. According to the present invention, the magnetic levitation control system includes a sensor configured to measure a gap between the electronic magnet and the stage and generate a gap measurement signal. The gap filter is configured to receive a gap measurement signal and provide a phase read signal that predicts and accounts for the delay between the gap measurement signal and the compensation operation. The predictive block receives the phase read signal and provides a compensation operation in accordance with the phase read signal such that both negative stiffness and negative attenuation effects are compensated for in the control system.

자기 부상 시스템에서 갭을 제어하는 방법은 스테이지를 부상시키도록 자기장을 생성하고 실현된 전류에 따라 스테이지와 전자 자석 코어 사이의 갭을 유지하는 생성 및 유지 단계, 갭 측정 신호를 출력하도록 갭을 측정하는 단계, 갭 측정 신호 및 보상 동작 사이에서의 지연을 설명하도록 과거 측정에 따라 위상 리드 신호를 제공하기 위해 갭 측정 신호를 필터링하는 단계, 및 갭을 조정함에 있어 음의 강성 및 음의 감쇠를 보상하도록 위상 리드 신호에 따라 실현된 전류를 생성하는 단계를 포함한다. The method of controlling the gap in a magnetic levitation system is to generate and maintain a gap between the stage and the electromagnetic magnet core according to the realized current, to generate a magnetic field to float the stage, and to measure the gap to output a gap measurement signal. Filtering the gap measurement signal to provide a phase read signal according to past measurements, to account for the delay between the gap measurement signal and the compensation operation, and to compensate for negative stiffness and negative attenuation in adjusting the gap. Generating a realized current in accordance with the phase read signal.

대안적인 실시예에서, 갭 측정은 나란히 놓인 센서에 대한 필요성없이 갭 측정의 예측을 허용하도록 재구성될 수 있다. 실현된 전류는 바람직하게는 위상 리드 신호에 따라 생성되며, 예측 블럭으로부터 계산된 전류 출력은 계산된 전류가 위상 리드 신호에 기초한 지점에서 증폭된다. 이 방법은 필터링하는 단계에 의해 도입된 잡음을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 위상 리드 신호가 외삽된 지연에 기초하도록 이전 갭 측정으로부터 지연을 외삽하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. In an alternative embodiment, the gap measurement can be reconfigured to allow prediction of the gap measurement without the need for side-by-side sensors. The realized current is preferably generated in accordance with the phase read signal, and the current output calculated from the predictive block is amplified at the point where the calculated current is based on the phase read signal. The method may include reducing noise introduced by the filtering. The method may further include extrapolating the delay from the previous gap measurement such that the phase read signal is based on the extrapolated delay.

본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 및 이점은 본 발명의 예시적인 실시예의 이하 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이며, 이는 첨부된 도면과 연결하여 읽혀져야 할 것이다. These and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of exemplary embodiments of the invention, which should be read in conjunction with the accompanying drawings.

본 발명의 개시 내용은 다음 도면을 참조하여 선호되는 실시예의 다음 설명을 상세하게 표현할 것이다.The disclosure of the present invention will be described in detail in the following description of preferred embodiments with reference to the following figures.

도 1은 일실시예에 따른 자기 부상 시스템을 보여주는 블럭/흐름도.1 is a block / flow diagram showing a magnetic levitation system according to one embodiment.

도 2는 더 상세한 실시예에 따라 자기 부상 시스템을 보여주는 블럭/흐름도.2 is a block / flow diagram showing a magnetic levitation system in accordance with a more detailed embodiment.

도 3은 도 2에 따라 갭 필터의 상이한 구성을 위한 기준 신호 및 응답을 보여주는 크기(dB) 또는 위상각(각도) 대 주파수 그래프.FIG. 3 is a magnitude (dB) or phase angle (angle) vs. frequency graph showing reference signals and responses for different configurations of gap filters according to FIG. 2.

도 4는 자기 부상 시스템에서 갭을 제어하기 위한 예시적인 방법을 보여주는 흐름도.4 is a flow chart showing an exemplary method for controlling a gap in a magnetic levitation system.

본 발명의 개시 내용은 자기 부상 시스템에서의 사용을 위해 적응된 제어 시스템을 기술하며, 여기서 음의 감쇠는 부상 부분 또는 디바이스(이후 기계적 플랜트(plant)로 명명됨)와 자석 코어(이후 플랜트 코어로 명명됨) 사이의 갭 변동에 대한 측정 및 보상 사이의 지연을 예상함으로써 보상된다. 하나의 특히 유용한 실시예에서, 지연은 갭 필터에 의해 예상되며, 이 갭 필터는 이 시스템에서 겪고 있는 음의 감쇠를 없애도록 위상 리드를 제공한다. 갭 필터를 대신하거나 또는 이에 추가하여, 과거 측정 또는 갭 예상 기준이 사용되어 음의 감쇠를 제거하는데 조력하도록 실제 갭을 더 정확하게 예상할 수 있다. 본 발명은 특정 자기 부상 시스템에 관해 기술될 것이지만, 그러나 본 발명의 교지는 훨씬 넓으며, 피드백 루프에 도입된 지연의 결과로서 음의 감쇠를 가질 수 있는 임의 자기 부상 시스템에 적용가능함을 이해해야 할 것이다. 또한, 예시적인 예의 회로가 추가적인 콤포넌트를 포함하도록 적응될 수 있거나 또는 이 콤포넌트가 하나 이상의 집적 회로 칩상에 집적될 수 있음을 이해해야 한다. 덧붙여, 묘사된 콤포넌트는 소프트웨어 또는 독립형 디바이스 또는 회로 상에 구현될 수 있다. 특히 유용한 실시예에서, 도면에 묘사된 구성요소는 하드웨어 및 소프트웨어의 다양한 조합으로 구현될 수 있으며, 단일 구성요소 또는 복수의 구성요소로 결합될 수 있는 기능을 제공할 수 있다. The disclosure of the present invention describes a control system adapted for use in a magnetic levitation system, where the negative damping is referred to as a floating portion or device (hereinafter referred to as a mechanical plant) and a magnetic core (hereinafter referred to as plant core). Compensation by estimating the delay between the measurement and compensation for gap variations. In one particularly useful embodiment, the delay is expected by a gap filter, which provides a phase lead to eliminate the negative attenuation experienced in this system. Instead of or in addition to a gap filter, historical measurements or gap prediction criteria can be used to more accurately predict the actual gap to help eliminate negative attenuation. While the present invention will be described with respect to a specific magnetic levitation system, it should be understood, however, that the teachings of the present invention are much broader and applicable to any magnetic levitation system that may have negative attenuation as a result of the delay introduced into the feedback loop. . In addition, it should be understood that the circuitry of the illustrative example may be adapted to include additional components or that the components may be integrated on one or more integrated circuit chips. In addition, the depicted components can be implemented on software or on a standalone device or circuit. In a particularly useful embodiment, the components depicted in the figures can be implemented in various combinations of hardware and software, and can provide functionality that can be combined into a single component or a plurality of components.

이제 유사 번호가 동일 또는 유사한 구성요소를 표현하는 도면을 이제 참조하되 우선 도 1을 참조하면, 하이 레벨도(high-level diagram)는 하나의 예시적인 실시예에 따라 자기 부상 시스템(10)을 보여준다. 전자 자석 코어(26)는 권선 즉 코일(24)을 포함하되, 이 코일은 코어(26)에 의해 생성된 자기장을 조정하도록 하 는 교정 전류를 수신한다. 증폭기(22)로부터의 이 교정 전류는 피드백으로서 기능하여 코어(26)와 스테이지(12) 사이의 갭(14)을 조정한다. 갭(14)은 위치 센서(16)에 의해 측정된다. Reference is now made to figures in which like numerals represent the same or similar components, but first with reference to FIG. 1, a high-level diagram shows a magnetic levitation system 10 according to one exemplary embodiment. . The electronic magnet core 26 includes a winding, or coil 24, which receives a calibration current that allows to adjust the magnetic field generated by the core 26. This correction current from the amplifier 22 serves as feedback to adjust the gap 14 between the core 26 and the stage 12. The gap 14 is measured by the position sensor 16.

전자 자기 코어(E-코어)(26)를 이용하여 자기 부상하는 스테이지(12)는 고유한 음의 강성을 보인다. 교정(calibration) 방식은 음의 강성 효과에 거스르기 위해 사용될 수 있으며, 이는 사전 한정된 교정 지연의 도입을 포함할 수 있다. 이는 유효 갭(z)의 함수로서 힘 F와 전류 I를 나타내는 지배 공식에서 교정 상수 또는 파라메터를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 회전 및 갭 불완전성을 포함하는 더 복잡한 방식이 또한 사용되어 이러한 음의 강성을 보상할 수 있다. 만일 음의 강성이 힘을 생성하기 위해 위치 측정과 이러한 위치 사용 사이의 지연을 거스르게 되면, 음의 감쇠가 존재할 것이다. Stage 12, which magnetically floats using an electromagnetic core (E-core) 26, exhibits inherent negative stiffness. A calibration scheme can be used to counter negative stiffness effects, which can include the introduction of predefined calibration delays. This may include providing a calibration constant or parameter in the governing formula representing the force F and the current I as a function of the effective gap z. More complex ways, including rotation and gap imperfections, can also be used to compensate for this negative stiffness. If the negative stiffness counteracts the delay between position measurement and the use of this position to create a force, there will be a negative attenuation.

갭에서의 작은 교란에 대하여, 감쇠는 보상을 위해 갭(14)의 위치 측정과 이러한 위치 사용 사이의 지연이 곱해진 강성과 동일하다. 이 강성이 음이므로, 따라서 감쇠도 음이며, 다음식과 같다. For small disturbances in the gap, the attenuation is equal to the stiffness multiplied by the delay between the position measurement of the gap 14 and the use of this position for compensation. Since this stiffness is negative, the attenuation is also negative, as shown in the following equation.

Figure 112009036631956-PCT00001
Figure 112009036631956-PCT00001

여기서, Ft는 시간(t)에서 부상되는 물체 상의 명목상 힘이며, Ft -1은 시간(t-1)에서의 명목상 힘이며, F는 순간힘이고, △t는 측정과 보상 사이에서의 지연이고, z는 순간 갭이고,

Figure 112009036631956-PCT00002
(즉,
Figure 112009036631956-PCT00003
)는 갭에서 순간 변화이고,
Figure 112009036631956-PCT00004
는 강성이고,
Figure 112009036631956-PCT00005
는 음의 감소에 대한 감쇠 계수이다. 이 감쇠는 절대치이고 또한 보상된 강성에 의존하는 것이 아니고 자기 부상의 명목상 강성에 의존함을 주의하자. Where F t is the nominal force on the floating object at time t , F t -1 is the nominal force at time t-1, F is the instantaneous force, and Δt is between the measurement and compensation Delay, z is the instant gap,
Figure 112009036631956-PCT00002
(In other words,
Figure 112009036631956-PCT00003
) Is a momentary change in the gap,
Figure 112009036631956-PCT00004
Is stiffness,
Figure 112009036631956-PCT00005
Is the attenuation coefficient for the negative decrease. Note that this attenuation is absolute and not dependent on the compensated stiffness, but on the nominal stiffness of the magnetic levitation.

단순화된 교정 공식은 강성이 고유하게 음임을 보여준다:The simplified calibration formula shows that the stiffness is inherently negative:

Figure 112009036631956-PCT00006
Figure 112009036631956-PCT00006

여기서 Ci는 교정 상수이고, I는 코일 전류이다. 강성은 힘 함수의 미분결과로서 음이 될 것이다. 수학식 1에서 강성이 음이므로, 감쇠도 또한 음이다. 본 발명의 원리에 따르면, 이후 기술되는 실시예는 이러한 음의 감쇠 보상을 제공할 것이다. 보상 모듈(18)이 포함되어 음의 강성뿐만 아니라 음의 감쇠에 대하여도 보상을 제공한다. 위치 센서(16)으로부터의 갭 측정 신호가 보상된 이후, 이 보상된 신 호가 제어기(20)에 의해 사용되어 출력 코일 전류를 결정한다. 이 코일 전류는 코일(24)에 에너지를 가하기 위해 사용되기에 앞서 증폭기(22)에 의해 증폭될 수 있다. Where Ci is the calibration constant and I is the coil current. Stiffness will be negative as the derivative of the force function. Since the stiffness is negative in Equation 1, the attenuation is also negative. According to the principles of the present invention, the embodiments described below will provide such negative attenuation compensation. Compensation module 18 is included to provide compensation for negative stiffness as well as negative attenuation. After the gap measurement signal from the position sensor 16 is compensated, this compensated signal is used by the controller 20 to determine the output coil current. This coil current may be amplified by the amplifier 22 prior to being used to energize the coil 24.

도 2를 참조하면, 자기 부상 시스템(100)은 본 발명의 원리에 따른 개념을 설명하도록 예시적으로 묘사된다. 당업자에게 알려진 시스템 아키텍처를 구성하는 개별 블럭 콤포넌트의 세부사항만이 본 발명의 이해를 위해 충분히 상세하게 기술될 것이다. 시스템(100)의 부분 또는 모두는 중앙 모션 컴퓨터(예를 들면, 개인용 컴퓨터) 상에서 구현될 수 있거나 또는 독립형 제어기상에 분산될 수 있다. 시스템(100)은 자석 코어 또는 플랜트 코어(102)를 포함한다. 플랜트 코어(102)는 피드백 전류에 응답하는 E-코어 또는 다른 자석 디바이스를 포함할 수 있으며, 예를 들면 이들은 그 근처에 권선(미도시)을 구비한다. 권선은 전류(IRealized)를 수신하며, 이 전류는 이하에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 증폭 및 보상된 신호를 포함한다. 플랜트 코어(102)는 기계적 플랜트 디바이스(들)(스테이지)(104)에 자기력(FReal)을 가한다. 기계적 플랜트(104)는, 차량, 반도체 처리를 위한 플래튼(platen), 회전 샤프트 등과 같은 플랫폼을 포함할 수 있다. 갭(GapReal)은 플랜트 코어(102)와 플랜트 기계 부분(104) 사이에 유지된다. 플랜트 코어(102)와 플랜트 기계 부분(104)은 시스템(100)의 기계적/물리적 측면을 모델링하는 시스템(100)의 내부 루프(120)를 포함한다. 이 내부 루프(120)는 실제 물리적 콤포넌트를 포함하거나 또는 디지털적으로 모델링된 콤포넌트를 포함할 수 있다. GapReal은 동작 조건 의 결과로서 변동, 회전 또는 다른 편향을 겪을 수 있다. 이들 변동은 외부 루프(130)에 따라 결정 및 교정 또는 보상된다. With reference to FIG. 2, the magnetic levitation system 100 is illustratively illustrated to illustrate concepts in accordance with the principles of the present invention. Only the details of the individual block components that make up the system architecture known to those skilled in the art will be described in sufficient detail for the understanding of the present invention. Part or all of system 100 may be implemented on a central motion computer (eg, a personal computer) or distributed on a standalone controller. System 100 includes a magnet core or plant core 102. Plant core 102 may include an E-core or other magnetic device that responds to feedback currents, for example, they have a winding (not shown) near them. The winding receives current I Realized , which includes an amplified and compensated signal as described in more detail below. The plant core 102 exerts a magnetic force F Real on the mechanical plant device (s) (stage) 104. The mechanical plant 104 may include a platform, such as a vehicle, a platen for semiconductor processing, a rotating shaft, or the like. Gap Real is maintained between plant core 102 and plant machine part 104. Plant core 102 and plant mechanical portion 104 include an inner loop 120 of system 100 that models the mechanical / physical aspects of system 100. This inner loop 120 may comprise actual physical components or may comprise digitally modeled components. Gap Real may experience variations, rotations, or other deflections as a result of operating conditions. These variations are determined and corrected or compensated for according to the outer loop 130.

외부 루프(130)는 적어도 하나의 센서(106)를 포함한다. 센서(106)는 광학 센서, 유도성 센서, 기계적 센서 또는 임의 다른 디바이스 또는 소프트웨어를 포함하여 시간에 따른 갭의 갭거리 및 변동을 예측할 수 있다. 센서(106)는 임의 디바이스 측정 위치(예를 들면, 유도성 센서)일 수 있다. 센서(106)는 측정된 갭(GapMeasured)을 출력한다. 이 갭 측정은 아날로그 또는 디지털 신호일 수 있다. 만일 신호가 아날로그이면, 이 신호는 바람직하게는 아날로그-디지털 컨버터(108)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 갭 재구성 모듈(110)은 센서(106)가 E-코어(102)의 갭과 나란히 위치될 필요가 없도록 한다. 갭 재구성(110)은 갭 측정이 실제 갭과 나란히 위치되는 때 선택적이다. 만일 센서(106)가 E-코어(102)의 갭과 나란히 위치되지 않으면, 갭 재구성(110)은 갭(Gapcalculated)을 계산하여 위치에서의 차이를 설명한다. Outer loop 130 includes at least one sensor 106. Sensor 106 can include optical sensors, inductive sensors, mechanical sensors, or any other device or software to predict gap distances and variations in gaps over time. The sensor 106 can be any device measurement location (eg, inductive sensor). The sensor 106 outputs the measured gap (Gap Measured ). This gap measurement can be an analog or digital signal. If the signal is analog, this signal is preferably converted into a digital signal by the analog-to-digital converter 108. The gap reconstruction module 110 does not require the sensor 106 to be placed side by side with the gap of the E-core 102. Gap reconstruction 110 is optional when the gap measurement is located side by side with the actual gap. If the sensor 106 is not positioned alongside the gap of the E-core 102, the gap reconstruction 110 calculates a gap calculated to account for the difference in position.

내부 루프(120)(이는 실제 플랜트임)에 대하여 외부 루프(130)(예를 들면, 계산 루프)에서의 임의 지연은 음의 감쇠를 야기한다. 갭 필터(112)가 위상 리드 신호(113)를 생성하도록 사용되어 갭 지연을 보상할 수 있다. 하나의 응용에서, 스테이지(104)는 조종되거나 또는 그렇지 않으면, 방향, 힘 또는 가속도에서 변경을 겪는다. 현재, 갭 예측이 갭 필터(112)를 위해 갭 재구성(110)으로부터 필요하다. 갭 필터(112)는 GapCalculated 신호로 하여금 측정된 갭(GapMeasured)과 IRealized 신호 사이 의 지연을 설명하는 것을 야기한다. 갭 필터(112)는 단순한 리드 필터, 더 높은 차수 필터(더 좋은 정확성을 위해) 또는 수개의 과거 측정에 기초하는 장래의 갭 예측일 수 있다. 갭 필터(112)는 시스템 내에서 마주치는 모든 지연을 보상하기 위한 방식으로 구현될 수 있다. Any delay in the outer loop 130 (eg, the calculation loop) relative to the inner loop 120 (which is the actual plant) causes negative attenuation. Gap filter 112 may be used to generate the phase read signal 113 to compensate for the gap delay. In one application, the stage 104 is steered or otherwise undergoes a change in direction, force or acceleration. Currently, gap prediction is needed from gap reconstruction 110 for gap filter 112. Gap filter 112 causes the Gap Calculated signal to account for the delay between the measured gap (Gap Measured ) and the I Realized signal. The gap filter 112 may be a simple lead filter, a higher order filter (for better accuracy) or future gap prediction based on several past measurements. Gap filter 112 may be implemented in a manner to compensate for all delays encountered within the system.

갭 필터(112)로부터의 위상 조정된 출력이 예측 블럭(114)으로 입력되고, 이 예측 블럭은 스테이지(104)에 가해지는 힘 F의 함수로서 출력 전류(ICalcuated) 및 갭(위상 리드 신호(113))을 예측하여 원하는 복원력을 제공한다. 갭 필터(112)가 존재하므로, 지연은 더 정확한 전류 예측을 야기하기 위해 보상된다. 이는 음의 감쇠를 감소시키거나 또는 제거한다. 이 구현예에 의존하여, ICalulated는 디지털일 수 있으며 디지털-아날로그 컨버터(116)에 의해 아날로그 신호(전압 또는 전류)로 변환될 수 있다. 증폭기(118)가 ICalculated를 증폭 또는 그렇지 않으면 수정하도록 사용되어 내부 루프(120) 내의 코어(102)에 IRealized를 제공할 수 있다. The phase adjusted output from the gap filter 112 is input to the prediction block 114, which outputs an output current I Calcuated and a gap (phase read signal (A) as a function of the force F applied to the stage 104. 113)) to provide the desired resilience. Since there is a gap filter 112, the delay is compensated to cause a more accurate current prediction. This reduces or eliminates negative attenuation. Depending on this implementation, I Calulated may be digital and may be converted into an analog signal (voltage or current) by digital-to-analog converter 116. Amplifier 118 may be used to amplify or otherwise modify I Calculated to provide I Realized to core 102 in inner loop 120.

위상 리드를 생성하는 임의 갭 필터(112)는 잡음을 증폭할 가능성이 가장 높다. 그러나, 이는 알려진 방법을 이용하여 증폭기(118)의 아날로그 필터에 의해 없어질 수 있다. 이 결과는 음의 효과가 이득에서 보이지 않으면서, 위상 리드가 획득되고 감쇠가 보상되는 것이다. 시스템(100)은 예를 들면, 차량 시스템, 반도체 처리 디바이스, 무접점 베어링 시스템, 의료 이미징 디바이스 등과 같은 많은 다른 응용에서 사용될 수 있다. The random gap filter 112 that generates the phase lead is most likely to amplify the noise. However, this can be eliminated by the analog filter of the amplifier 118 using known methods. This result is that the phase lead is obtained and the attenuation is compensated for, while the negative effect is not seen in the gain. System 100 may be used in many other applications such as, for example, vehicle systems, semiconductor processing devices, contactless bearing systems, medical imaging devices, and the like.

도 3을 참조하면, 갭 필터의 다양한 구현예의 효과는 보드도(Bode diagram) 에서 볼 수 있다. 기준선 플롯(202)은 갭 필터없는 예측 블럭쪽으로 입력된 지연의 크기 및 위상을 보여준다. 플롯(204, 206 및 208)은 갭 필터의 상이한 구성을 갖는 예측 블럭으로 입력된 지연의 크기 및 위상을 보여주며, 점차적으로는 위상 지연에 대한 보상을 보여준다. 더 많은 보상은 갭 필터의 더 높은 이득을 필요로 한다. 또한, 이 경우에서, 나머지 음의 강성(211)은 플롯의 왼쪽에 보여 질 수 있으며, 여기서 라인은 수평이 된다. 크기는 상대적으로 모든 플롯에 대하여 동일하다. Referring to FIG. 3, the effects of various implementations of the gap filter can be seen in the Bode diagram. The baseline plot 202 shows the magnitude and phase of the delay input into the prediction block without the gap filter. Plots 204, 206 and 208 show the magnitude and phase of the delay input into the predictive block with different configurations of gap filters, and gradually show compensation for phase delay. More compensation requires higher gain of the gap filter. Also in this case, the remaining negative stiffness 211 can be seen on the left side of the plot, where the lines are horizontal. The size is relatively the same for all plots.

도 4를 참조하면, 자기 부상 시스템에서 갭을 제어하는 방법이 예시적으로 기술된다. 블럭(302)에서, 자기장이 생성되어 스테이지를 부상시키기고 실현된 전류에 따라 스테이지와 전자자기 코어 사이의 갭을 유지한다. 이 전자자기 코어는 실현된 전류에 의해 에너지가 공급되어 갭에 대한 조정을 하는 코일 권선을 포함한다. 블럭(304)에서, 갭이 하나 이상의 센서에 의해 측정되어 갭 측정 신호를 출력한다. 블럭(306)에서, 갭 측정은 만일 측정하는 단계와 필터링하는 단계 사이의 갭 측정에 대한 교정을 허용할 필요가 있다면 선택적으로 재구성될 수 있다. 이는 갭 측정 신호가 갭 필터에 의해 필터링되기에 앞서 갭 측정 신호에 대한 신호 변환 또는 다른 지연 또는 변화의 결과로서 일 수 있다. Referring to FIG. 4, a method of controlling a gap in a magnetic levitation system is described by way of example. At block 302 a magnetic field is generated to float the stage and maintain a gap between the stage and the magnetic core in accordance with the realized current. This magnetic core includes a coil winding that is energized by a realized current to make adjustments to the gap. At block 304, the gap is measured by one or more sensors to output a gap measurement signal. At block 306, the gap measurement can be selectively reconfigured if it is necessary to allow calibration for the gap measurement between the measuring and filtering steps. This may be the result of signal conversion or other delay or change to the gap measurement signal before the gap measurement signal is filtered by the gap filter.

블럭(308)에서, 갭 측정 신호는 예를 들면 과거 측정/이력을 이용하여, 지연에 따라 위상 리드 신호를 제공하기 위해 갭 필터에 의해 필터링된다. 이 필터는 갭 측정 신호와 보상 동작 사이의 지연을 설명하도록 설계된다. 이 보상 동작은 바람직하게는 권선 전류가 이 갭을 조정/유지하도록 출력 전류를 계산하는 예측 블럭에 의해 실행된다. 블럭(310)에서, 지연의 양(예를 들면, 위상 시프트)은 위상 리 드 신호가 외삽된 지연에 기초되도록 이전의 갭 측정으로부터 외삽된다. 이는 과거 이력에 기초하여 동작을 결정 또는 외삽하도록 룩업 테이블 또는 다른 메모리 저장 디바이스를 이용하여 구현될 수 있다. 블럭(310)은 선택적이다. At block 308, the gap measurement signal is filtered by a gap filter to provide a phase read signal with delay, for example using a past measurement / history. This filter is designed to account for the delay between the gap measurement signal and the compensation operation. This compensation operation is preferably performed by a predictive block that calculates the output current so that the winding current adjusts / maintains this gap. At block 310, the amount of delay (eg, phase shift) is extrapolated from the previous gap measurement such that the phase lead signal is based on the extrapolated delay. This may be implemented using a lookup table or other memory storage device to determine or extrapolate an operation based on past history. Block 310 is optional.

블럭(312)에서, 교정 전류 또는 계산된 전류(또는 전압)은 위상 리드 신호에 따라 예측 블럭에 의해 생성되어 갭을 조정함에 있어 음의 강성 및 음의 감쇠를 보상한다(전류는 전압에 의해 표현될 수 있다). 블럭(314)에서, 교정 전류는 위상 리드 신호에 따라 생성되며, 이는 계산된 전류가 위상 리드 신호에 기초되는 예측 블럭으로부터 계산된 전류 출력을 증폭하는 단계를 포함할 수 있다. 블럭(316)에서, 증폭기가 사용되어 계산된(교정) 전류 출력을 증폭하고 필터링하는 단계에 의해 도입된 잡음을 감소시킬 수 있다. 단계(318)에서 실현된 전류는 증폭기로부터 출력된다. At block 312, the calibration current or calculated current (or voltage) is generated by the predictive block in accordance with the phase read signal to compensate for negative stiffness and negative attenuation in adjusting the gap (current is represented by voltage). Can be). At block 314, a calibration current is generated in accordance with the phase read signal, which may include amplifying the calculated current output from the predictive block, wherein the calculated current is based on the phase read signal. At block 316, an amplifier may be used to reduce the noise introduced by amplifying and filtering the calculated (corrected) current output. The current realized in step 318 is output from the amplifier.

첨부된 청구항을 해석할 시, 다음을 이해해야만 한다:When interpreting the appended claims, the following should be understood:

a) "포함"이라는 용어는 주어진 청구항에서 열거된 것 이외의 다른 구성요소 또는 동작의 존재를 배제하지 않는다.a) The term "comprising" does not exclude the presence of elements or acts other than those listed in a given claim.

b) 단수의 구성요소는 복수의 구성요소 존재를 배제하지 않는다.b) A singular component does not exclude the presence of a plurality of components.

c) 청구항에서의 임의 참조 기호는 청구항의 범위를 제한하지 않는다. c) Any reference sign in a claim does not limit the scope of the claim.

d) 수개의 "수단"은 동일한 아이템 또는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현된 구조 또는 기능에 의해 표현될 수 있다.d) Several "means" may be represented by the same item or structure or function implemented in hardware or software.

e) 동작의 어떤 특정 시퀀스도 특별하게 표시되지 않는 한 요구되지 않는 것으로 의도된다.e) No specific sequence of actions is intended to be required unless specifically indicated.

자기 부상에서 음의 감쇠 보상을 위한 제어 시스템 및 방법에 대하여 선호되는 실시예를 기술하였지만(이들 실시예는 예시적으로 것으로 제한을 위해 의도된 것이 아님), 수정 및 변형이 위 교지에 비추어 당업자에 의해 이루어질 수 있음이 주목된다. 그러므로, 첨부된 청구항에 의해 개설된 바와 같이 본 명세서에 개시된 실시예의 범위 및 기술 사상 범위 내에서 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야한다. 따라서, 특허법에 의해 요구되는 세부 사항 및 특이성을 기술하였지만, 특허증에 의해 청구되고 보호받길 원하는 것이 첨부된 청구항에 기술된다. Although preferred embodiments have been described with respect to control systems and methods for negative attenuation compensation in magnetic levitation (these embodiments are by way of example and not intended to be limiting), modifications and variations are known to those skilled in the art in view of the above teachings. It is noted that this can be done by. Therefore, it should be understood that changes may be made within the scope and spirit of the embodiments disclosed herein as outlined by the appended claims. Thus, while details and specificities required by the patent law have been described, what is claimed and protected by the patent certificate is set forth in the appended claims.

본 발명은 자기 부상에 이용가능하고, 더 상세하게는 음의 감쇠를 보상하는 제어 시스템 및 방법에 이용가능하다. The present invention is applicable to magnetic levitation and more particularly to control systems and methods that compensate for negative attenuation.

이 방법은 스테이지를 부상시키도록 자기장을 생성하고 실현된 전류에 따라 스테이지와 전자 자석 코어 사이의 갭을 유지하는 생성 및 유지 단계, 갭 측정 신호를 출력하도록 갭을 측정하는 단계, 갭 측정 신호 및 보상 동작 사이에서의 지연을 설명하도록 과거 측정에 따라 위상 리드 신호를 제공하기 위해 갭 측정 신호를 필터링하는 단계, 및 갭을 조정함에 있어 음의 강성 및 음의 감쇠를 보상하도록 위상 리드 신호에 따라 실현된 전류를 생성하는 단계를 포함한다. The method generates and maintains a magnetic field to float the stage and maintains a gap between the stage and the electron magnet core in accordance with the realized current, measures the gap to output a gap measurement signal, gap measurement signal and compensation Filtering the gap measurement signal to provide a phase read signal in accordance with past measurements to account for delays between operations, and implementing the phase read signal to compensate for negative stiffness and negative attenuation in adjusting the gap. Generating a current.

Claims (20)

자기 부상 제어 시스템(100)으로서, As the magnetic levitation control system 100, 전자 자석과 스테이지 사이의 갭을 측정하고 갭 측정 신호를 생성하도록 구성되는 센서(106);A sensor 106 configured to measure a gap between the electronic magnet and the stage and generate a gap measurement signal; 상기 갭 측정 신호를 수신하고, 상기 갭 측정 신호와 보상 동작 사이의 지연을 예측하고 설명하는 위상 리드 신호(phase lead signal)(113)를 제공하도록 구성된 갭 필터(112); 및A gap filter (112) configured to receive the gap measurement signal and provide a phase lead signal (113) that predicts and accounts for the delay between the gap measurement signal and a compensation operation; And 상기 위상 리드 신호를 수신하고, 상기 제어 시스템에서 음의 강성 및 음의 감쇠 효과가 보상되도록 상기 위상 리드 신호에 따라 상기 보상 동작을 제공하도록 구성된 예측 블럭(114)A prediction block 114 configured to receive the phase read signal and provide the compensation operation in accordance with the phase read signal such that negative stiffness and negative attenuation effects in the control system are compensated for 을 포함하는, 자기 부상 제어 시스템. Including, magnetic levitation control system. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 측정 시간과 상기 갭 필터의 필터 시간 사이에 교정을 제공하도록 구성된 갭 재구성 모듈(110)을 추가로 포함하는, 자기 부상 제어 시스템. And a gap reconstruction module (110) configured to provide calibration between the measurement time and the filter time of the gap filter. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 보상 동작은 상기 위상 리드 신호에 따라 수정된 출력 신호(ICalculated) 를 포함하는, 자기 부상 제어 시스템. The compensating operation includes an output signal (I Calculated ) modified according to the phase read signal. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 출력 신호를 수신하도록 구성된 증폭기(118)를 추가로 포함하는, 자기 부상 제어 시스템. And an amplifier (118) configured to receive the output signal. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 증폭기(18)는 갭 필터(112)에 의해 도입되는 잡음을 감소시키는, 자기 부상 제어 시스템. The amplifier (18) reduces the noise introduced by the gap filter (112). 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 갭 필터(112)는 상기 위상 리드 신호가 외삽된 지연에 기초하도록 이전의 갭 측정 지연으로부터 지연을 외삽하는, 자기 부상 제어 시스템. The gap filter (112) extrapolates the delay from a previous gap measurement delay such that the phase read signal is based on the extrapolated delay. 자기 부상 시스템(100)으로서, As the magnetic levitation system 100, 스테이지(104)를 부상하도록 자기장을 생성하고 실현된 전류에 따라 상기 스테이지와 전자 자석 코어 사이의 갭을 유지하도록 구성된 전자 자석 코어(102);An electromagnetic magnet core 102 configured to generate a magnetic field to float the stage 104 and to maintain a gap between the stage and the electron magnet core in accordance with the realized current; 상기 갭을 측정하고 갭 측정 신호를 생성하도록 구성된 센서(106);A sensor (106) configured to measure the gap and generate a gap measurement signal; 상기 갭 측정 신호를 수신하고, 상기 갭 측정 신호를 조정하여 상기 갭 측정 신호와 보상 동작 사이의 지연을 설명하도록 과거 측정에 따라 위상 리드 신 호(113)를 제공하도록 구성된 갭 필터(112); 및A gap filter (112) configured to receive the gap measurement signal and adjust the gap measurement signal to provide a phase read signal (113) in accordance with past measurements to account for the delay between the gap measurement signal and a compensation operation; And 상기 위상 리드 신호를 수신하고, 음의 강성 및 음의 감쇠가 상기 제어 시스템에서 보상되도록 상기 실현된 전류를 제공하기 위해 증폭되는 계산된 전류(ICalculated)를 출력하도록 구성된 예측 블럭(114)A prediction block 114 configured to receive the phase read signal and output a calculated current I Calculated that is amplified to provide the realized current so that negative stiffness and negative attenuation are compensated in the control system. 을 포함하는, 자기 부상 시스템.Including, magnetic levitation system. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 측정 시간과 상기 갭 필터의 필터 시간 사이의 교정을 제공하도록 구성된 갭 재구성 모듈(110)을 추가로 포함하는, 자기 부상 시스템. And a gap reconstruction module (110) configured to provide calibration between the measurement time and the filter time of the gap filter. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 계산된 전류(ICalculated)가 위상 리드 신호(113)에 따라 수정되는, 자기 부상 시스템. Maglev system, wherein the calculated current I Calculated is modified in accordance with the phase lead signal 113. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 증폭기(118)는 갭 필터(112)에 의해 도입된 잡음을 감소시키는, 자기 부상 시스템. The amplifier 118 reduces the noise introduced by the gap filter 112. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 갭 필터(112)는 이전의 갭 측정 지연으로부터의 지연을 외삽하여 상기 위상 리드 신호가 외삽된 지연에 기초되도록 하는, 자기 부상 시스템. A gap filter (112) extrapolates the delay from a previous gap measurement delay such that the phase read signal is based on the extrapolated delay. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 전자 자석 코어(102) 및 스테이지(104)가 차량 시스템에 사용되는, 자기 부상 시스템.Magnetic levitation system, wherein an electromagnetic magnet core (102) and stage (104) are used in a vehicle system. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 전자 자석 코어(102) 및 스테이지(104)가 반도체 처리 디바이스에서 사용되는, 자기 부상 시스템.The magnetic levitation system of which the electromagnetic magnet core 102 and the stage 104 are used in a semiconductor processing device. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 전자 자석 코어(102) 및 스테이지(104)가 무접점 베어링 시스템에서 사용되는, 자기 부상 시스템.Magnetically levitated system, wherein an electromagnetic magnet core (102) and a stage (104) are used in a contactless bearing system. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 전자 자석 코어(102) 및 스테이지(104)가 의료 이미징 시스템에서 사용되는, 자기 부상 시스템.The magnetic levitation system, wherein the electronic magnet core 102 and the stage 104 are used in a medical imaging system. 자기 부상 시스템에서 갭을 제어하는 방법으로서, As a method of controlling the gap in a magnetic levitation system, 스테이지를 부상하도록 자기장을 생성하고 실현된 전류에 따라 상기 스테이지 및 전자 자석 코어 사이의 갭을 유지하는 단계(302);Generating a magnetic field to float the stage and maintaining a gap between the stage and the electron magnet core in accordance with the realized current; 갭 측정 신호를 출력하도록 상기 갭을 측정하는 단계(304); Measuring (304) the gap to output a gap measurement signal; 상기 갭 측정 신호 및 보상 동작 사이의 지연을 설명하도록 과거 측정에 따라 위상 리드 신호를 제공하도록 갭 측정 신호를 필터링하는 단계(308); 및 Filtering (308) the gap measurement signal to provide a phase read signal in accordance with past measurements to account for the delay between the gap measurement signal and the compensation operation; And 상기 갭 조정시 음의 강성 및 음의 감쇠를 보상하기 위해 상기 위상 리드 신호에 따라 실현된 전류를 생성하는 단계(312)Generating 312 a realized current in accordance with the phase read signal to compensate for negative stiffness and negative attenuation in the gap adjustment 를 포함하는, 자기 부상 시스템에서 갭을 제어하는 방법.A method for controlling a gap in a magnetic levitation system comprising a. 제 16 항에 있어서,The method of claim 16, 나란히 놓인 센서를 필요로 하지 않고 상기 갭 측정의 예측을 허용하도록 상기 갭 측정을 재구성하는 단계를 추가로 포함하는, 자기 부상 시스템에서 갭을 제어하는 방법.Reconstructing the gap measurement to allow prediction of the gap measurement without requiring sensors side by side. 제 16 항에 있어서, The method of claim 16, 상기 위상 리드 신호에 따라 실현된 전류를 생성하는 단계(302)는 계산된 전류가 위상 리드 신호에 기초되는 예측 블럭으로부터의 계산된 전류 출력을 증폭하는 단계를 포함하는, 자기 부상 시스템에서 갭을 제어하는 방법.Generating the realized current in accordance with the phase read signal, step 302, includes amplifying the calculated current output from the predictive block, wherein the calculated current is based on the phase read signal. How to. 제 18 항에 있어서, The method of claim 18, 상기 필터링하는 단계에 의해 도입된 잡음을 감소시키는 단계(316)를 추가로 포함하는, 자기 부상 시스템에서 갭을 제어하는 방법.Reducing the noise introduced by the filtering step (316). 제 16 항에 있어서, The method of claim 16, 상기 위상 리드 신호가 외삽된 지연에 기초되도록 이전 갭 측정으로부터의 지연을 외삽하는 단계(310)를 추가로 포함하는, 자기 부상 시스템에서 갭을 제어하는 방법.Extrapolating (310) a delay from a previous gap measurement such that the phase read signal is based on an extrapolated delay.
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