《磁悬浮平面电机驱动及控制技术》论述了磁悬浮平面电机相关的基本理论和基本技术。重点阐述了磁悬浮平面电机的电气驱动技术和六自由度运动控制技术。《磁悬浮平面电机驱动及控制技术》侧重于基本理论和基本技术实现方法的阐述，面向基本理论和基本技术的实际工程应用。
前言
第1章绪论1
1.1磁悬浮平面电机应用背景及研究意义1
1.1.1IC制造装备技术发展及其对平面工作台运动驱动系统的要求1
1.1.2其他技术领域对平面电机运动系统的要求4
1.1.3磁悬浮平面电机驱动及控制技术的研究意义5
1.2磁悬浮平面电机典型结构及基本工作原理6
1.3磁悬浮平面电机六自由度运动特性及基本驱动方法11
1.3.1六自由度运动特性11
1.3.2六自由度运动基本驱动方法11
1.4磁悬浮平面电机多自由度运动控制方法14
1.5国内磁悬浮平面电机研究状况20
1.6磁悬浮平面电机研究现状及研究方法小结22
1.7本书研究的问题和研究内容23
1.7.1研究问题的提出23
1.7.2研究内容25
第2章电磁力/矩建模27
2.1引言27
2.2永磁阵列磁场解析模型建立及验证28
2.2.1永磁阵列磁场建模28
2.2.2永磁阵列磁场解析模型实测验证31
2.3基于DQ变换的电磁力/矩建模及电流求取37
2.3.1单个力单元电磁力/矩建模及线圈电流求取方法37
2.3.2四个力单元电磁力/矩建模及线圈电流求取方法39
2.3.3基于DQ变换的电磁力/矩模型及线圈电流求取法则讨论44
2.4基于洛伦兹力积分法则的电磁力/矩建模及模型验证45
2.4.1电磁力/矩建模45
2.4.2电磁力/矩模型实验验证50
2.4.3电磁力/矩模型与实测力/矩误差来源分析56
2.5小结60
第3章电气驱动——线圈阵列换流方法62
3.1引言62
3.2基于电流最小2范数的线圈阵列换流方法63
3.2.1基于电流最小2范数的线圈阵列换流方法63
3.2.2换流仿真及结果分析64
3.3基于电流∞范数有界的线圈阵列电流优化换流方法67
3.3.1基于电流∞范数有界的线圈阵列电流优化换流方法的原理67
3.3.2基于电流∞范数有界的线圈阵列电流优化换流方法的解析算法68
3.3.3基于电流∞范数有界的线圈阵列优化换流方法的数值稳定性70
3.3.4基于电流∞范数有界的线圈阵列优化换流方法的仿真分析72
3.3.5基于电流∞范数有界的线圈阵列优化换流方法的实验验证76
3.4线圈阵列热损耗均匀化81
3.4.1线圈阵列热损耗均匀度?电流均匀度及均匀化方法81
3.4.2线圈阵列热损耗均匀化仿真分析83
3.5平面电机推动力的提高92
3.5.1最大力/矩(加速度)约束问题92
3.5.2提高平面电机推动力的方法94
3.5.3平面电机推动力提高的仿真分析96
3.6动磁式磁悬浮平面电机的电气驱动109
3.7小结114
第4章六自由度运动动力学建模及控制116
4.1引言116
4.2六自由度运动控制系统构建117
4.3六自由度运动控制对象动力学建模119
4.3.1六自由度控制对象刚体动力学建模119
4.3.2悬浮自由度重力补偿动力学建模120
4.4六自由度运动控制器设计122
4.4.1最小时间加权误差绝对值积分准则123
4.4.2控制器设计124
4.5控制系统综合仿真127
4.5.1控制系统综合仿真模型建立127
4.5.2六自由度运动电磁力/矩线圈电流解耦仿真128
4.5.3各自由度控制性能仿真131
4.5.4控制系统各自由度轨迹跟踪性能仿真137
4.6小结142
第5章六自由度受控条件下悬浮运动控制143
5.1引言143
5.2实验系统机械结构及传感器配置144
5.3解耦及悬浮控制实验146
5.3.1开环悬浮控制146
5.3.2三自由度控制条件下悬浮定位147
5.3.3六自由度控制条件下悬浮定位及轨迹跟踪151
5.4小结155
第6章总结与展望156
6.1研究内容总结156
6.2后续研究展望157
参考文献159
第1章绪论
1.1磁悬浮平面电机应用背景及研究意义
1.1.1IC制造装备技术发展及其对平面工作台运动驱动系统的要求当今世界全面进入了信息化时代·信息技术(informationtechnology，IT)的飞速发展，把人类带入了一个全新的时空环境·在这个海量信息无处不在并飞速传播的时空环境里，人类的一切生产活动，不管第一·第二产业生产活动，如能源生产·工业制造等，还是第三产业生产活动，如通信·交通等，追本溯源，都越来越依赖于信息技术的发展·作为信息技术产业的硬件基础，半导体芯片或集成电路(integratedcircuit，IC)及其制造技术水平的高低已经成为衡量一个国家现代化水平和综合国力的重要标志·而作为IC技术核心之一的IC制造装备技术则是发展集成电路产业乃至信息技术产业的重要基础和战略关键·
人类生产活动对科技进步的无限需求促进了集成电路集成度的进一步提高·处理速度的进一步加快·单位体积储存容量的进一步扩大·几十年来，MPU·DRAM·Flash等最尖端集成电路芯片的集成度·处理速度·容量按所谓"摩尔定律"快速发展，近年来还有加速发展的趋势·人类对集成电路芯片更高·更快·更强的需求必然对制造这些芯片的设备--IC制造装备及相应的实现技术提出越来越高的要求·
光学投影曝光步进扫描光刻机是IC制造装备中投资最大·精度与难度最大·技术最为密集的关键设备，它由激光光源·照明系统·投影物镜系统·工作台系统·整机辅助系统等部分组成·其工作原理主要基于光学投影曝光系统技术·对准系统技术和工作台运动系统技术三大关键技术·光学投影曝光系统当前普遍采用波长193nm的ArF深紫外(deepultraviolet，DUV)光源技术[1]，工作台系统由硅片台系统和掩膜台系统组成，硅片台的步进扫描运动和掩模台的同步扫描运动完成最后的曝光成像[2]·图1.1(a)为先进半导体材料光刻公司阿斯麦(AdvancedSemiconductorMaterialLithography，ASML)生产的某型光刻机外观图，图1.1(b)为其双硅片台外观图[3]·
工作台运动系统是光刻机等IC制造装备的关键组成部分·图1.2所示为典型光刻机平面电机(硅片台)运动系统，它主要由精(微)动台·粗动台·气浮导轨·直线电机·大理石基座及其他附件组成·粗动台采用气浮支承·直线电机驱动，以获得平面内的大行程运动;精(微)动台叠加在粗动台上，一般采用音圈电机或压电精密步进电机驱动，其功能是实现步进扫描精密补偿运动和调平调焦运动[4]·
图1.1ASML公司某型光刻机及硅片台外观
图1.2光刻机平面电机(硅片台)运动系统
按照如图1.3所示的欧洲·美国以及亚洲的韩国·日本·中国台湾等国家和地区半导体技术组织联合发布的2013版半导体技术发展路线图(ITRS2013)[5]预测的未来光刻机潜在技术方案，下一代光刻机可能采用极紫外光刻(extremeultraviolet，EUV)·无掩模光刻(masklesslithography，ML2)·压印光刻(Imprint)等解决方案·无论采取哪一种解决方案，都必须采用工作台(至少要采用硅片台)运动系统，并对其环境适应性·运动性能提出了更高·更强·更优的技术要求·
(1)纳米尺度的加工制造往往对其制造装备有着特殊的工作环境适应性要求·不同于现在的193nm波长光源的DUV，EUV·ML2·Imprint等解决方案都对硅片(台)所处的工作环境提出了高真空度·高洁净度等环境适应性要求·如EUV就采用波长极短(13.5nm或者更短)的极紫外光源，它要求平面电机工作在高真空环境下以避免空气对光能的吸收[6]·图1.3半导体技术发展路线图(ITRS2013)光刻机潜在技术方案
(2)光刻机是一个具有超高定位精度的光机电系统，衡量其性能的一个主要指标是其所能加工的IC芯片的关键尺寸(criticaldimension，CD)·目前22nm节点的光刻机已批量生产，22nm以下节点的光刻机或已试产，或者正在研发·预研中·微小至十几纳米甚至几纳米的关键尺寸直接意味着光刻机的平面电机运动系统具有纳米尺度的超高定位精度[4，5]·
(3)追求低成本·大批量·高生产率的商业化IC芯片制造必然要求平面电机运动系统具备多功能·综合化的运动性能·光刻机平面电机运动系统的基本运动功能是步进·扫描·调平·调焦等，为了进一步提高生产率，未来光刻机平面电机的步进扫描运动速度将超过1000mm/s，加速度将在1g以上，载于硅片台上的待加工对象--硅片，其直径将达到450mm，相应的步进扫描运动行程至少得大于硅片直径·由此看来，未来光刻机平面电机运动系统将是一个高速度·高加速度·大行程的多自由度运动系统[6]·
综上所述，未来光刻机等IC制造装备所需要的工作台运动系统将是一个在高真空度·高洁净度环境下高速度·高加速度·大行程运动并能实现纳米级超高定位精度的多自由度运动系统·当前主流的平面电机气浮工作台运动系统，由于其很难适应高真空度·高洁净度的环境要求，在未来IC制造装备中的使用必将受到越来越大的限制，甚至淡出半导体制造技术领域·必须寻找新的技术支撑点，使得工作台运动系统能够同时满足环境·精度·速度·行程等方面的要求，以适应工作台运动驱动系统的发展需求·
1.1.2其他技术领域对平面电机运动系统的要求
不仅限于IC制造装备领域，在其他一些工业应用领域，也广泛使用着与IC制造装备具有相同或相似要求的工作台运动系统·最典型的如应用于材料科学·生命科学等研究领域的表面形貌扫描显微测量技术·这类技术包括扫描隧道显微镜(scanningtunnelmicroscope，STM)·原子力显微镜(atomicforcemicroscope，AFM)·磁力显微镜(magneticforcemicroscope，MFM)·激光力显微镜(laserforcemicroscope，LFM)·热敏显微镜(thermalscaningmicroscope，TSM)·光子扫描隧道显微镜(phontonscanningtunnelmicroscope，PSTM)等·图1.4所示为原子力显微表面形貌测量系统原理示意图[7]，其基本原理是用极尖的探针对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触)，借助纳米级的三维位移定位控制系统测出被测表面的三维微观立体形貌·
图1.4原子力显微表面形貌测量系统原理示意图
显而易见，这类装置或设备需要获得的三维微观立体形貌信息的数量和质量直接取决于工作在高洁净度·高真空度环境下的三维位移定位工作台的运动性能·现有的运动系统一般采用电致伸缩(压电陶瓷)材料或磁致伸缩材料获得被测对象的三维运动，运动所需的机械机构结构复杂，运动的动态性能较差，有效运动行程很小(微米量级)·为简化机械结构，提高运动动态性能，增大有效运动行程，迫切需要一种能够工作于高洁净度·高真空环境下的三维运动驱动系统·
除此之外，在飞行器电磁弹射系统·电磁轨道炮·磁悬浮列车·磁悬浮轴承等领域，也需要大功率·高精度的平面或直线运动驱动系统·
1.1.3磁悬浮平面电机驱动及控制技术的研究意义
采用磁悬浮技术的平面电机运动系统具有同时满足环境适应性·运动性能等方面要求的潜在能力·对于下一代光刻机等IC制造装备平面电机运动系统和类似环境下工作的平面电机运动系统来说，磁悬浮技术的引入将为其在高真空环境下获得高性能运动提供一条行之有效的途径·
在1998年，麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology，MIT)的Kim[8]在他的博士课题研究中设计并实现了一种小行程动磁式磁悬浮平面电机(图1.5)，号称"Aworld'sfirsthighprecisionsixdegreeoffreedommagneticlevitatorwithlargetwodimensionalmotioncapabilityforphotolithographyinsemiconductormanufacturing"，这可以说是第一台完整意义上的面向半导体制造装备的磁悬浮平面电机系统·进入21世纪后，欧洲·美国·日本·韩国等国家和地区的有关科研机构逐步展开了对磁悬浮平面电机运动系统技术的深入研究·
图1.5Kim研究的动磁式磁悬浮平面电机
到目前为止，磁悬浮平面电机运动系统技术的研究取得了较大的进展并已有初步的实际应用·由国内外相关文献来看，这种平面电机运动系统具有如下独特的结构形式与运动方式:①整个平面电机无需机械支承·气浮支承·粗精动叠层等物理结构，有一个或两个相对于动台运动的·可以认为是刚体结构的运动部件--动台;②以同源的电磁能量悬浮并推动平面电机的动台运动，动台可以获得三维欧氏空间全部6个运动自由度·由于上述独特的结构形式与运动方式，该种平面电机具备以下几个方面的运动性能:①高的推力质量比，可以获得良好的动态运动性能;②相对运动部件之间没有机械接触，也就没有任何磨损磨粒产生;③动台水平方向的运动行程可随着定台面积的扩大而扩大·所以该种平面电机具有在高洁净度·高真空度环境下获得多自由度·高速度·高加速度·大行程等运动性能并实现纳米级高定位精度的潜在能力·根据现有关于平面电机研究和应用的技术成果，结合2011版半导体技术发展路线图预测的光刻机发展趋势[4]，采用磁悬浮技术的平面电机运动系统将成为满足未来光刻机等IC制造装备发展需求优先考虑的技术方案·
荷兰埃因霍温理工大学电气工程系·机械工程系在光刻机平面电机的研究方面处于世界领先地位，他们的研究与飞利浦应用技术公司(PhilipsAppliedTechnologies)·ASML等IC制造装备研发·生产厂商有着密切的联系·在2009年公布的一份由Lomonova和Duarte主持编写的研究简报中[9]，明确地将磁悬浮平面电机运动系统技术作为主要的研究方向(图1.6)，进入21世纪，他们的研究团队也一直将磁悬浮平面电机运动系统技术作为研究重点·
图1.6Lomonova和Duarte提出的光刻机平面电机技术研究方向
磁悬浮平面电机具有在高洁净度·高真空度环境下获得多自由度·高速高加速·高定位精度·大行程等运动性能的潜在能力，研究其结构优化设计技术·机电系统驱动技术尤其是多自由度运动控制技术，对于光刻机等IC制造装备来说，其重大意义显而易见·对于其他一些使用或需要在高洁净度·高真空度环境下获得多功能·高性能运动的平面电机系统的研究领域或应用场合来说，磁悬浮平面电机的研究开发也具有至关重要的意义·
1.2磁悬浮平面电机典型结构及基本工作原理
磁悬浮平面电机所采用的线圈阵列和永磁阵列的拓扑结构可能不同，但其基本结构都是一致的，都由定台和动台两大部件组成，其中一个部件为线圈阵列台，另一个部件为永磁阵列台·若线圈阵列台为动台，则简称为动圈式，若永磁阵列台为动台，则简称动磁式·图1.7所示为其基本结构及运动方式，其中x·y·z为3个平动自由度坐标轴，ψ·θ·φ为3个转动自由度坐标轴[10]
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