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Multi-Degree-of-Freedom Precision Position Sensing and Motion Control Using Two-Axis Hall-Effect Sensors / Kawato, Yusuki in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control, Vol. 128 N°4 (Decembre 2006) 

Public ISBD [article]  in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control > Vol. 128 N°4 (Decembre 2006) . - 980-988 p. Titre : Multi-Degree-of-Freedom Precision Position Sensing and Motion Control Using Two-Axis Hall-Effect Sensors Titre original : Sensation de Position de Précision de Multi-Degré-de-Liberté et Commande de Mouvement à l'Aide de Deux Sondes d'Effet de Hall d'Axe Type de document : texte imprimé Auteurs : Kawato, Yusuki, Auteur ; Won-Jon, Kim, Auteur Article en page(s) : 980-988 p. Note générale : Génie Mécanique Langues : Anglais (eng) Mots-clés : Positionnement  Effet  hall  Multi-degré-de-liberté  Matrice  d'aimant  Hache  hporthogonale  Lévitation  Gamme  de  transmation  Gamme  de  rotation  Mouvement  planaire  Algorithme  des  moindres  carrés  gaussien  Corrélation  Compensateur  Signal  numérique  Boucle  d'avertissement  Interféromètre  de  laser  Micromètre Index. décimale : 629.8 Résumé : This paper presents a novel precision position-sensing methodology using two-axis Hall-effect sensors, where the absolute multi-degree-of-freedom (DOF) positioning of a device above any magnet matrix is possible. Magnet matrices have a periodic magnetic field about each of its orthogonal axes, which can be modeled using Fourier series. This position-sensing methodology was implemented on a Halbach-magnet-matrix-based magnetic-levitation (maglev) stage. It enables unrestricted translational and rotational ranges in planar motions with a potential 6-DOF motion-measuring capability. A Gaussian least-squares differential-correction (GLSDC) algorithm was developed and implemented to estimate the maglev stage's position and orientation in three planar DOFs from raw Hall-effect-sensor measurements. Experimental results show its position resolution of better than 10 µm in translation and 100 µrad in rotation. The maximum rotational range achieved so far is 16 deg, a factor of 100 improvement of a typical laser interferometers' rotational range of a few milliradians. Classical lead-lag compensators were designed and implemented on a digital signal processor (DSP) to close the control loop at a sampling frequency of 800 Hz for the three planar DOFs using the GLSDC outputs. Calibration was performed by comparing the Hall-effect sensors' outputs against the laser-interferometer readings, which improved the positioning accuracy by correcting the GLSDC error. The experimental results exhibit better than a micrometer repeatability. This multi-DOF sensing mechanism is an excellent cost-effective solution to planar micro-positioning applications with unrestricted three-axis travel ranges. Cet article présente une méthodologie de sensation de précision de roman à l'aide de deux sondes d'effet de hall d'axe, où le positionnement absolu de la multi-degré-de-liberté (DOF) d'un dispositif au-dessus de n'importe quelle matrice d'aimant est possible. Les matrices d'aimant ont un champ magnétique périodique au sujet de chacune de ses haches orthogonales, qui peuvent être modelées en utilisant la série de Fourier. Cette méthodologie de sensation de position a été mise en application sur une étape magnétique de lévitation basée par matrice d'aimant de Halbach (maglev). Elle permet les gammes de translation et de rotation sans restriction dans des mouvements planaires avec des possibilités de mesure de mouvement du potentiel 6-DOF. Un algorithme différentiel des moindres carrés gaussien de la correction (GLSDC) a été développé et mis en application pour estimer la position et l'orientation de l'étape de maglev dans trois DOFs planaire des mesures crues de sonde d'effet de hall. Les résultats expérimentaux montrent sa résolution de position meilleur que le µrad 10 du µm dans la traduction et 100 dans la rotation. La gamme de rotation maximum réalisée jusqu'ici est de 16 degrés, un facteur de l'amélioration 100 d'une gamme de rotation des interféromètres typiques de laser de quelques milliradians. Classique mener-traînent les compensateurs ont été conçus et mis en application sur un processeur de signal numérique (DSP) pour fermer la boucle d'avertissement à une fréquence de prélèvement de 800 hertz pour les trois DOFs planaire en utilisant les sorties de GLSDC. Le calibrage a été effectué en comparant les sorties des sondes d'effet de hall contre les lectures d'interféromètre de laser, qui ont amélioré l'exactitude de positionnement en corrigeant l'erreur de GLSDC. Les résultats expérimentaux exhibent mieux qu'une répétabilité de micromètre. Ce multi-DOF sentant le mécanisme est une excellente solution rentable aux applications de positionnement micro planaires avec les trois gammes sans restriction de voyage d'axe. En ligne : wjkim@tamu.edu [article] Multi-Degree-of-Freedom Precision Position Sensing and Motion Control Using Two-Axis Hall-Effect Sensors = Sensation de Position de Précision de Multi-Degré-de-Liberté et Commande de Mouvement à l'Aide de Deux Sondes d'Effet de Hall d'Axe [texte imprimé] / Kawato, Yusuki, Auteur ; Won-Jon, Kim, Auteur . - 980-988 p. Génie Mécanique Langues : Anglais (eng) in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control > Vol. 128 N°4 (Decembre 2006) . - 980-988 p. Mots-clés : Positionnement  Effet  hall  Multi-degré-de-liberté  Matrice  d'aimant  Hache  hporthogonale  Lévitation  Gamme  de  transmation  Gamme  de  rotation  Mouvement  planaire  Algorithme  des  moindres  carrés  gaussien  Corrélation  Compensateur  Signal  numérique  Boucle  d'avertissement  Interféromètre  de  laser  Micromètre Index. décimale : 629.8 Résumé : This paper presents a novel precision position-sensing methodology using two-axis Hall-effect sensors, where the absolute multi-degree-of-freedom (DOF) positioning of a device above any magnet matrix is possible. Magnet matrices have a periodic magnetic field about each of its orthogonal axes, which can be modeled using Fourier series. This position-sensing methodology was implemented on a Halbach-magnet-matrix-based magnetic-levitation (maglev) stage. It enables unrestricted translational and rotational ranges in planar motions with a potential 6-DOF motion-measuring capability. A Gaussian least-squares differential-correction (GLSDC) algorithm was developed and implemented to estimate the maglev stage's position and orientation in three planar DOFs from raw Hall-effect-sensor measurements. Experimental results show its position resolution of better than 10 µm in translation and 100 µrad in rotation. The maximum rotational range achieved so far is 16 deg, a factor of 100 improvement of a typical laser interferometers' rotational range of a few milliradians. Classical lead-lag compensators were designed and implemented on a digital signal processor (DSP) to close the control loop at a sampling frequency of 800 Hz for the three planar DOFs using the GLSDC outputs. Calibration was performed by comparing the Hall-effect sensors' outputs against the laser-interferometer readings, which improved the positioning accuracy by correcting the GLSDC error. The experimental results exhibit better than a micrometer repeatability. This multi-DOF sensing mechanism is an excellent cost-effective solution to planar micro-positioning applications with unrestricted three-axis travel ranges. Cet article présente une méthodologie de sensation de précision de roman à l'aide de deux sondes d'effet de hall d'axe, où le positionnement absolu de la multi-degré-de-liberté (DOF) d'un dispositif au-dessus de n'importe quelle matrice d'aimant est possible. Les matrices d'aimant ont un champ magnétique périodique au sujet de chacune de ses haches orthogonales, qui peuvent être modelées en utilisant la série de Fourier. Cette méthodologie de sensation de position a été mise en application sur une étape magnétique de lévitation basée par matrice d'aimant de Halbach (maglev). Elle permet les gammes de translation et de rotation sans restriction dans des mouvements planaires avec des possibilités de mesure de mouvement du potentiel 6-DOF. Un algorithme différentiel des moindres carrés gaussien de la correction (GLSDC) a été développé et mis en application pour estimer la position et l'orientation de l'étape de maglev dans trois DOFs planaire des mesures crues de sonde d'effet de hall. Les résultats expérimentaux montrent sa résolution de position meilleur que le µrad 10 du µm dans la traduction et 100 dans la rotation. La gamme de rotation maximum réalisée jusqu'ici est de 16 degrés, un facteur de l'amélioration 100 d'une gamme de rotation des interféromètres typiques de laser de quelques milliradians. Classique mener-traînent les compensateurs ont été conçus et mis en application sur un processeur de signal numérique (DSP) pour fermer la boucle d'avertissement à une fréquence de prélèvement de 800 hertz pour les trois DOFs planaire en utilisant les sorties de GLSDC. Le calibrage a été effectué en comparant les sorties des sondes d'effet de hall contre les lectures d'interféromètre de laser, qui ont amélioré l'exactitude de positionnement en corrigeant l'erreur de GLSDC. Les résultats expérimentaux exhibent mieux qu'une répétabilité de micromètre. Ce multi-DOF sentant le mécanisme est une excellente solution rentable aux applications de positionnement micro planaires avec les trois gammes sans restriction de voyage d'axe. En ligne : wjkim@tamu.edu