WHITEPAPER – Regelung von PI Positionierern mittels
externem Zygo-Interferometer-- Jonas Schansker --Regelung von PI Positionierern mittels
externem Zygo-InterferometerPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
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WHITEPAPER – Regelung von PI Positionierern mittels
externem Zygo-Interferometer-- Jonas Schansker --1 Einleitung
Die Entwicklung hochpräziser Positioniertechnik, die auch höchsten Standards verschiedenster Technologien genügt, ist das
Kerngeschäft von Physik Instrumente (PI). Dabei erfordert gerade die Einbindung unterschiedlicher Messtechnik immer wieder dieSchaffung neuer Schnittstellen, um auch die Einsatzmöglichkeiten zu erweitern.
Es wurde daher eine Möglichkeit geschaffen, PI Positionierer über das hochauflösende Positionssignal eines Zygo-Interferometers zu
regeln. Die Schwierigkeit liegt hierbei in der Verknüpfung der unterschiedlichen Datenprotokolle und der schnellen Übertragung, umeine Regelung in Echtzeit realisieren zu können.
Die Vorteile liegen dabei auf der Hand: Das Interferometer-Signal ist mit einer Auflösung von ca. 154,5 pm vergleichbar mit den
aktuell besten Wegmesssystemen, die intern genutzt werden könnten. Zudem wird durch den Wegfall oder das Nichtbenutzen einesinternen Sensors der Wärmeeintrag in die Mechanik verringert, was zur erhöhten Präzision beitragen kann.
Wird das Spiegelelement beispielsweise direkt neben dem zu positionierenden Teil angebracht, werden mechanische Fehlereinflüsse– wie Verformung, thermische Ausdehnung oder Lagerspiel – reduziert.

2 Anordnung des Systems
Abb. 1 zeigt schematisch den Versuchsaufbau.

N-331.23
Lichtwellenleiter
Position &Regelung

PIE-712 Controller

BiSS/SPI

Motorsteuerkarte &BiSS/SPI Sensorkarte

Abb. 1PI-Board&ZMI-Board
VME-Bus  SPI/BiSS

Schematische Darstellung der Versuchsanordnung (Bild: PI)

Als Positionierer wurde ein N-331.23 PICMAWalk Schreitantrieb verwendet, der mit einem internen Sensor mit ca. 10 nm Auflösung
ausgerüstet ist. Am Ende des Läufers wurde ein Spiegel montiert. Direkt davor wurde ein Zygo-Interferometer-Kopf (ZMI, Modell7702) positioniert und dessen Laserstrahl auf den Spiegel ausgerichtet. Die Messumgebung war ein geschlossener Messraum mit
schwingungsentkoppeltem Fundament und Temperaturregelung auf 20 °C (±0,1 °C), in dem alle Geräte von außen angesteuert
werden konnten. Positionierer und Interferometer wurden auf einen luftgefederten Tisch montiert.
Als Controller wurde ein E-712.1AN von PI mit Einsteckkarten zur Ansteuerung des Positionierers und zum Abgriff der Sensorsignale
verwendet (E-711.C82 Motorsteuerkarte und E-711.IS3 SPI/BiSS-Karte).
Um den Wärmeeintrag zu reduzieren, wurde die Steuerelektronik für das Interferometer (ZMI-4104C-Board und PI-Board zurweiteren Kommunikation über BiSS/SPI) sowie der PC außerhalb der Messkammer positioniert. Das ZMI-4104C-Board versorgt den
Interferometer-Kopf und bietet die optische Schnittstelle zum Kopf. Über das VME-Bus-Protokoll kommuniziert es mit einer PIElektronik, welche das Positionssignal über eine BiSS- oder SPI-Schnittstelle z. B. an einen Controller oder PC ausgeben kann.

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WHITEPAPER – Regelung von PI Positionierern mittels
externem Zygo-Interferometer-- Jonas Schansker --In Abb. 2 ist der Laboraufbau abgebildet:

E-712.1AN
Controller mit:
- Motorsteuer-Karte- BiSS/SPI-Karte

N-331.23
Positionierer

Abb. 2

Optik fürInterferometer

Anschlüsse in den / aus dem Messraum:- BiSS Interface- Versorgung (Zygo)- Lichtwellenleiter (Zygo)- USB (E-712<-> PC)

Zygo (7702)
Interferometer-Kopf

Versuchsaufbau im Messraum (Bild: PI)

3 Ergebnisse
3.1Regelung über das Interferometer3.1.1 Einrichtung
Der E-712 Controller von PI übernimmt die eigentliche Regelung, er steuert hierzu den Positionierer an und greift das interne
Sensorsignal ab. Zudem erhält der Controller über eine BiSS- oder SPI-Schnittstelle das Positionssignal des Interferometers.
Im E-712.1AN Controller kann nun gewählt werden, ob das interne Sensorsignal oder das Interferometer-Signal für den geschlossenen
Regelkreis herangezogen werden soll. Die Referenzierung findet hier ausschließlich über den internen Sensor statt.
Eine Nutzung des Interferometer-Signals außerhalb des Regelkreises als übergeordnetes Positions-Feedback wäre ebenfalls möglich.
Darauf wird im Folgenden allerdings nicht näher eingegangen.

3.1.2 Vergleich: Regelung über internen Sensor und Interferometer
Wird das Interferometer-Signal zur Regelung aktiviert, ist es möglich, mit der Kommandierung bzw. Positionierung wie gewohnt
fortzufahren.

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WHITEPAPER – Regelung von PI Positionierern mittels
externem Zygo-Interferometer-- Jonas Schansker --3.2

Rauschen120
115

Interferometer (Zygo)132

d_max = 0,93nm

130

110
105

128

100

126

95

d_max = 19,56nm

90

124

85

122

80

120

75
800

760

720

680

640

600

560

520

480

440

400

360

320

280

240

200

160

120

80

118
40

70

Aktuelle Position Interferometer [nm]Interner Sensor (N-331)

Rauschen im Stillstandohne Regelung

0Aktuelle Position Interner Sensor [nm]In Abb. 3 wird das Rauschen der Positionssignale des internen Sensors und des Interferometers ohne Regelung und im Stillstanddargestellt. Die angegebenen Werte für „d_max“ sind jeweils die Spitze-Spitze-Werte der Signalzüge.

Zeit [ms]Abb. 3

Rauschsignale der Sensoren (Bild: PI)

Hier ist zu sehen, dass das Positionsrauschen beim Interferometer um den Faktor 20 kleiner ist als beim internen Sensor, wasprinzipiell eine höhere Genauigkeit ermöglicht.

3.3

Verbesserte Positionsregelung – höhere AuflösungBetrachtet man die Unterschiede in der Positionsregelung abhängig davon, welcher Sensor genutzt wird, ergeben sich große
Unterschiede. Dies zeigt sich sofort beim Bewegen des Positionierers in Schritten nahe der Auflösungsgrenze der Sensoren (Abb. 4).
Das Ergebnis einer Messung bei geschlossenem Regelkreis mit dem internen Sensor ist in Abb. 4 dargestellt. Das rote Signal zeigt dasinterne Sensorsignal. Die eingestellte Schrittweite von 5 nm liegt nur knapp über dem Rauschband. Beim Interferometer-Signal sinddie Schritte hingegen deutlich zu erkennen. Zudem sieht man hier die Ungenauigkeiten in der Positionsregelung, diese resultiert aus
dem Betrieb an der Auflösungsgrenze.

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WHITEPAPER – Regelung von PI Positionierern mittels
externem Zygo-Interferometer-- Jonas Schansker --Bewegung in 5 nm-Schritten
Regelung auf internen Sensor

Interner Sensor (N-331)
Interferometer (Zygo)

Aktuelle Position [nm]1272-3760

720

680

640

600

560

520

480

440

400

360

320

280

240

200

160

120

80

400-8Zeit [ms]Sensorsignale bei 5 nm-Schritten – Regelung auf internen Sensor (Bild: PI)

Bewegung in 0,5 nm-Schritten
Regelung auf Interferometer

Interner Sensor (N-331)
Interferometer (Zygo)
0,880,660,4

4
20,200-2-0,2-4-0,4-6

380

360

340

320

300

280

260

240

220

200

180

160

140

120

100

80-0,860-1040-0,620-8

Aktuelle Position Interferometer [nm]100

Aktuelle Position Interner Sensor [nm]Abb. 4Zeit [ms]Abb. 5

Sensorsignale bei 0,5 nm-Schritten – Regelung auf Interferometer (Bild: PI)

Anschließend wurde für den geschlossenen Regelkreis das Interferometer-Signal verwendet, die Ergebnisse sind in Abb. 5 gezeigt. DieSchrittweite beträgt nur noch 0,5 nm. Es wird deutlich, dass der interne Sensor (rotes Signal) die Bewegung nicht mehr detektierenkann, wobei das Interferometer (blau) diese noch sehr gut auflöst. Die tatsächliche Stabilität der Position kann hier leider nicht mehrüberprüft werden, da ein weiteres unabhängiges, noch höher auflösendes Messmittel nötig wäre.

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WHITEPAPER – Regelung von PI Positionierern mittels
externem Zygo-Interferometer-- Jonas Schansker --4 Anwendbarkeit und Ausnahmen
Die erfolgreiche Regelung eines Positionierers über ein Zygo-Interferometer bedarf einiger Voraussetzungen:


PI Controller, der als BiSS- oder SPI-Master fungiert (hier E-712.1AN Controller mit Motorsteuerkarte (E-711.C82) undzusätzlicher BiSS- bzw. SPI-fähiger Karte (E-711.IS3)
Auch ein ACS-Controller kann stattdessen genutzt werden, sofern er BiSS- oder SPI-fähig ist
PI Positionierer, der mit einem der oben genannten Controller verfügbar ist (hier N-331.23)
ZMI-Board (ZMI-4104C) zur Versorgung und optischen Kommunikation mit dem Interferometer-Kopf
PI-Board zur Kommunikation mit dem ZMI-Board über den VME-Bus und zur Ausgabe der Position über SPI/BiSS
Zygo-Interferometer-Kopf (ZMI, Modell 7702)
Möglichkeit der Montage des Spiegelelements am Positionierer
Verhindern einer Strahlunterbrechung zwischen Zygo und Spiegel

In manchen Fällen lässt sich dieses Verfahren nicht verwenden:Bei einer geringen Steifigkeit zwischen dem Motor und dem Messpunkt des Interferometers kann das System anfällig fürResonanzen im Regelkreis sein. Dies gilt beispielsweise für Luftlagertische oder magnetgetriebene Positionierer, bei denen überdie Anwendbarkeit dieser Technik von Fall zu Fall entschieden werden muss.
Zudem müssen die Eigenschaften des Antriebsystems berücksichtigt werden – z. B. ob dieses eine ausreichend kleine
Schrittweite hat

5 Fazit
Für einige Anwendungsfälle kann es hilfreich sein, die Regelung eines Positionierers nicht über den internen Sensor sondern über ein
externes Interferometer vorzunehmen. PI ist es gelungen, die unterschiedlichen Protokolle und Systeme zu verbinden und dasInterferometer-Signal direkt zur Regelung im geschlossenen Regelkreis einzusetzen.
Der Vorteil gegenüber intern eingesetzten Sensoren ist die Möglichkeit, den Spiegel für das Interferometer direkt an dem Ortanzubringen, der für die Positionierung von Interesse ist. Hierdurch werden mechanische und Thermische Fehlereinflüsse reduziert.
Das Zygo-Interferometer kann evtl. als kalibriertes Messmittel dienen. Alle Komponenten, außer dem Interferometer-Kopf und ZMIBoard, werden von PI angeboten und stammen somit aus einer Hand.
Selbstverständlich ist dieses Verfahren nicht für alle Positionierer oder Anwendungsfälle geeignet. Gerne stehen unsere Experten füreine Beratung zur Verfügung.

6 AutorJonas Schansker, Entwicklungsingenieur Sensorik bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

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WHITEPAPER – Regelung von PI Positionierern mittels
externem Zygo-Interferometer-- Jonas Schansker --7 Über PI
Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine
Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- undOEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben.
Eine kontinuierliche Entwicklung neuartiger Antriebskonzepte, Produkte und Systemlösungen und über 200 Technologiepatentekennzeichnen heute die Unternehmensgeschichte. Dabei entwickelt, fertigt und qualifiziert PI alle Kerntechnologien selbst: Von
Piezokomponenten, -aktoren und -motoren und magnetischen Direktantrieben über Luftlager, Magnet- und Festkörperführungen bis
hin zu Nanometrologie-Sensoren, Regeltechnik und Software. PI ist dadurch von den am Markt verfügbaren Komponenten
unabhängig, um seinen Kunden die fortschrittlichsten Lösungen anzubieten. Die hohe Fertigungstiefe ermöglicht dabei eine
vollständige Prozesskontrolle, um flexibel auf die Marktentwicklungen und neue Anforderungen zu reagieren.

WP4017D Regelung über Zygo 11/2018.0 Änderungen vorbehalten. © Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG 2018

Durch die Übernahme der Mehrheitsanteile an ACS Motion Control, einem weltweit führenden Entwickler und Hersteller modularerMotion Controller für mehrachsige Antriebssysteme, kann PI außerdem maßgeschneiderte Komplettsysteme für industrielle
Anwendungen liefern, die höchste Präzision und Dynamik fordern. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen
Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.

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