平面電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、控制與應(yīng)用技術(shù)綜述[/align]<BR> 曹家勇 朱 煜 汪勁松 尹文生 段廣洪 張 鳴<BR> （清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系 北京 100084）</P><P> 摘要 平面電動(dòng)機(jī)具有二維直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，它在二維平面定位裝置特別是精密二維平面定位裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文分析了平面電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論、控制方法和應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，考察了平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展概況，針對(duì)目前平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)存在的不足，討論了未來平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向。<BR> 關(guān)鍵詞：平面電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)理論 控制方法 平面定位裝置<BR> 中圖分類號(hào)：TM35</P><P> Survey of the State of the Art in Planar Motor Technology<BR> Cao Jiayong Zhu Yu Wang Jinsong Yin Wensheng Duan Guanghong Zhang Ming<BR> （Tsinghua University Beijing 100084 China）<BR> Abstract The planar motor has received wider and wider attention in the academic field and in the industrial field because of the broad prospect of its application in the planar 2-D positioning device, especially in the precision 2-D positioning device. This paper surveys the state-of-art of the design theory, the control method, and the application technology of the planar motor. The products of the planar motors are also investigated in this paper. In accordance with the current problems of the planar motor technology, some possible development trends of the planar motor technology are discussed at last.<BR> Keywords：Planar motor, design theory, control method, planar positioning device<BR> 1 引言<BR> 與其他類型電動(dòng)機(jī)一樣，平面電動(dòng)機(jī)（Planar Motor）由定子、動(dòng)子和支承等部分組成。在支承的限制和電磁推力的作用下，平面電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子能夠帶動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生兩維的直線運(yùn)動(dòng)。若按照電動(dòng)機(jī)動(dòng)子輸出運(yùn)動(dòng)的維數(shù)將電動(dòng)機(jī)劃分為一維電動(dòng)機(jī)、二維電動(dòng)機(jī)和三維電動(dòng)機(jī)等，則平面電動(dòng)機(jī)屬于二維電動(dòng)機(jī)的一種（另外一種二維電動(dòng)機(jī)稱為螺旋電動(dòng)機(jī)[1]）。<BR> 由于平面電動(dòng)機(jī)在二維平面定位裝置（Positioning Device）特別是精密二維平面定位裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景，平面電動(dòng)機(jī)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。近十幾年來，在權(quán)威期刊和國(guó)際會(huì)議上，不時(shí)有與平面電動(dòng)機(jī)相關(guān)的文章出現(xiàn)[2]。有些知名大學(xué)（如麻省理工學(xué)院）在平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了卓有成效的研究[9]。目前，國(guó)際上已經(jīng)有許多涉及平面電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用的專利公布，其中日本NIKON公司的美國(guó)專利就有十幾項(xiàng)[12]。此外，某些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)公司還推出了相關(guān)的平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。<BR> 本文討論平面電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，分析平面電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、控制、應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)目前平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)存在的不足，探討了平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。<BR> 2 平面電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)<BR> 平面電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用場(chǎng)合是二維平面定位裝置。<BR> 傳統(tǒng)的二維平面定位裝置由兩組旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)疊加而成。由于直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（一般為絲桿螺母機(jī)構(gòu)）存在摩擦、側(cè)隙、變形等一系列問題，傳統(tǒng)定位裝置的精度很難達(dá)到較高的水平。此外，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中的兩套傳動(dòng)鏈上的各運(yùn)動(dòng)部件的附加質(zhì)量，也妨礙了定位裝置的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度的提高。正因?yàn)榇嬖谏鲜鰡栴}，傳統(tǒng)二維平面定位裝置在光刻機(jī)等精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備中應(yīng)用很少。<BR> 近10年來，隨著直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品的迅速發(fā)展，直線電動(dòng)機(jī)開始在二維平面定位裝置中獲得應(yīng)用。由于不存在傳統(tǒng)定位裝置中存在的摩擦、側(cè)隙、變形等影響運(yùn)動(dòng)精度的不利因素，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的平面定位裝置的精度有了很大提高。但是，這種定位裝置仍然未擺脫“低維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)疊加成高維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)”的模式，對(duì)于底層直線電動(dòng)機(jī)而言，頂層驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其相關(guān)機(jī)械連接件的總質(zhì)量，仍然是一個(gè)很大的“負(fù)擔(dān)”。<BR> 如果采用平面電動(dòng)機(jī)來直接驅(qū)動(dòng)平面定位裝置中的工作臺(tái)，那么上述問題可以較好地解決。此時(shí)，平面電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子與工作臺(tái)直接相連，動(dòng)子將電動(dòng)機(jī)的二維電磁推力直接傳遞給工作臺(tái)。盡管采用平面電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)二維定位裝置帶來了諸多好處，但是，為了保證定位裝置的整體性能，仍須注意解決平面電動(dòng)機(jī)動(dòng)子的輕量化設(shè)計(jì)、推力波動(dòng)抑制、散熱措施、氣浮/磁浮支承應(yīng)用等關(guān)鍵問題。<BR> 3 平面電動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況<BR> 根據(jù)電磁推力的產(chǎn)生原理，可將平面電動(dòng)機(jī)劃分為變磁阻型、永磁同步型和感應(yīng)型三類[2]。三類電動(dòng)機(jī)電磁推力的產(chǎn)生原理分別與同類型的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理相似，實(shí)際上，各種類型平面電動(dòng)機(jī)的提出與同類型的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不無(wú)淵源關(guān)系。上述三類平面電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)平面電動(dòng)機(jī)的研究尚處于初級(jí)階段，研究活動(dòng)較少，且主要集中在日本[2]。變磁阻平面電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過前二、三十年的研究和開發(fā)，目前已經(jīng)有進(jìn)入初步的產(chǎn)品化階段（詳見3.4小節(jié)）。雖然這種平面電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易等優(yōu)點(diǎn)，但是，它存在推力波動(dòng)大、定位精度低、動(dòng)定子之間吸力大、磁路飽和嚴(yán)重、發(fā)熱量大等諸多問題，因此，其應(yīng)用檔次難以進(jìn)一步提高。永磁同步型平面電動(dòng)機(jī)（Synchronous Permanent-Magnet Planar Motors，簡(jiǎn)稱SPMPM）是近期研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。由于其在結(jié)構(gòu)、控制精度、損耗等方面具有良好的綜合性能，它在光刻機(jī)等現(xiàn)代精密、超精密制造裝備中具有巨大的應(yīng)用潛力，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛興趣。鑒于此，本小節(jié)的前面部分主要闡述永磁同步型平面電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)原理、設(shè)計(jì)分析技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。<BR> 3.1 永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式<BR> 3.1.1 永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的類型<BR> 永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的電磁推力是永磁陣列產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈陣列中的電流相互作用的結(jié)果。永磁陣列和線圈陣列有兩種布置方式，一種是永磁陣列固定在動(dòng)子上，線圈陣列固定在定子上，另外一種正好與此相反，永磁陣列固定在定子上，線圈陣列固定在動(dòng)子上。為方便起見，將兩種方式分別稱為永磁運(yùn)動(dòng)式和線圈運(yùn)動(dòng)式。這兩種方式在運(yùn)行原理上沒有根本的區(qū)別，只是在配件連接、散熱等問題上具有不同的特點(diǎn)。對(duì)于永磁運(yùn)動(dòng)式而言，由于線圈陣列布置于定子上，動(dòng)子上無(wú)電氣連接，且不存在運(yùn)動(dòng)的電氣連線妨礙其他零部件的布置或工作的情況，系統(tǒng)可靠性得以提高。另外，電動(dòng)機(jī)工作過程中線圈陣列產(chǎn)生的熱量也較易采取措施進(jìn)行散發(fā)，圖1是永磁運(yùn)動(dòng)式永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的一種結(jié)構(gòu)[17, 28]。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20051228918918586.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20051228918918586.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A>3.1.2 永磁陣列形式<BR> 與旋轉(zhuǎn)式永磁電動(dòng)機(jī)一樣，永磁平面電動(dòng)機(jī)的永磁磁場(chǎng)也存在磁極的空間變化，只不過這種磁極變化是沿著平面方向展開，而不是沿著圓周方向展開。<BR> 根據(jù)與一維永磁陣列之間的關(guān)系，可以將平面電動(dòng)機(jī)中使用的永磁陣列劃分為兩類。其中一類永磁陣列是由多個(gè)一維永磁陣列在平面上不同區(qū)域上分布得到，如圖2所示。這種永磁陣列對(duì)應(yīng)于采用多套直線電動(dòng)機(jī)“集成”方案的平面電動(dòng)機(jī)。<BR> 另外一類永磁陣列由一系列具有軸對(duì)稱截面形狀（正方型、圓形等）的永磁體以二維陣列方式排列而成。圖3a～圖3d顯示了它的幾種主要形式（其永磁體截面形狀均為正方型）。圖3a所示的永磁陣列最早由Asakawa在1986年的專利中提出[34]，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：各行或各列由磁化方向一致（向上或向下）、等間隔（極距）排開的一組永磁體構(gòu)成。在該基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，Hazelton采取永磁體由四邊形變成六邊形、陣列邊緣布置“半”永磁體且陣列四角采用“四分之一”永磁體、永磁體之間增加過渡磁體等措施，提出了其他幾種變化形態(tài)[12,13]。圖3b永磁陣列同樣由Asakawa提出[32,33]，該永磁陣列具有稀疏排列的特點(diǎn)，即各永磁體與同行或同列的兩相鄰永磁體之間存在寬度等于極距的間隔。針對(duì)該類型永磁陣列，Hazelton[12,15,16,19]和Cho[3]提出了其他幾種變化形態(tài)。圖3c所示具有最緊密布置的特點(diǎn)，其上的相鄰永磁體之間緊密貼合，且各永磁體的磁化方向與其四周的永磁體的磁化方向相反[30]。圖3d 所示的永磁陣列由一維Halbach永磁陣列發(fā)展而來[9, 31]，與圖3c的永磁陣列相比，它具有更大<BR> 的磁通密度（是圖3c所示永磁陣列磁通密度的 <BR> 倍）和更高的能量效率（power efficiency）[9]。<BR> 3.1.3 線圈陣列形式<BR> 線圈陣列是產(chǎn)生電磁力的另外一個(gè)重要部分。一般作用在動(dòng)子上的兩相互垂直的電磁推力是兩組<BR> 線圈中的電流分別與永磁磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。為了避免兩方向電磁力之間產(chǎn)生復(fù)雜的耦合問題，陣列中的線圈形狀、尺寸和布置方式必須結(jié)合永磁陣列的具體形式和結(jié)構(gòu)尺寸來確定。目前，結(jié)合不同的永磁陣列形式，已經(jīng)有直線形[5]、圓形[12,15,17,18]、橢圓形[24]、正方形[15,17]、菱形[12,13,15]、六邊形[12,13,15]等不同形狀的線圈出現(xiàn)，且它們的布置方式多種多樣。圖4顯示了分別由正方形線圈和六邊形線圈構(gòu)成的兩種線圈陣列，其中，圖4b所示的線圈陣列由6個(gè)六邊形線圈層疊構(gòu)成的一系列線圈單元呈矩陣狀排列而成，其特點(diǎn)之一是：分別屬于兩相鄰線圈單元中的任意兩線圈的有效邊（長(zhǎng)邊）之間相互垂直，以產(chǎn)生兩相互垂直的推力。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200512289212260435.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200512289212260435.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200512289224827602.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200512289224827602.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200512289233752015.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200512289233752015.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 3.1.4 運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的性質(zhì)<BR> 目前，許多平面電動(dòng)機(jī)可以看成是由多套直線電動(dòng)機(jī)“組合”而成，如圖5所示[9]，在動(dòng)子的下表面上，安裝有4組永磁陣列，其中標(biāo)志為x的永磁陣列對(duì)應(yīng)于x方向的電磁力，標(biāo)志為y的永磁陣列對(duì)應(yīng)于y方向的電磁力。顯然，4組永磁陣列可以看成分別屬于4個(gè)直線電動(dòng)機(jī)，而與4個(gè)直線電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的線圈陣列則安裝于平面電動(dòng)機(jī)的另一部分——定子上。通過分析可知，具有上述結(jié)構(gòu)的平面電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)與直線電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)并沒有本質(zhì)的不同，即平面電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)是多個(gè)一維平動(dòng)磁場(chǎng)在不重疊區(qū)域中分布的結(jié)果。這種平面電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是：與y方向或x方向?qū)?yīng)的永磁陣列或線圈陣列只能覆蓋動(dòng)子或定子表面的50%面積，從而限制了電磁推力的提高。<BR> 另外一些平面電動(dòng)機(jī)則擺脫了上述“組合”的模式，如專利文獻(xiàn)[15]和[17]提到的一種平面電動(dòng)機(jī)，它具有圖3b所示的永磁陣列和圖4a所示的線圈陣列，仔細(xì)分析線圈陣列產(chǎn)生的磁場(chǎng)的性質(zhì)可知，它實(shí)際上是一個(gè)對(duì)稱的二維多極脈動(dòng)磁場(chǎng)。<BR> 3.1.5 支承結(jié)構(gòu)<BR> 與普通旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)與磁力支承結(jié)合產(chǎn)生無(wú)軸承（bearingless）類旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)類似，平面電動(dòng)機(jī)與磁力支承結(jié)合同樣產(chǎn)生具有磁力支承功能的平面電動(dòng)機(jī)。目前的平面電動(dòng)機(jī)大多具有限制動(dòng)子繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的功能[13]。這種功能一般采用在定子上設(shè)置至少兩組的線圈陣列或永磁陣列的方法來實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。圖中，兩組永磁陣列等距布置于動(dòng)子軸線的兩側(cè)，它們即承擔(dān)y方向驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生，又承擔(dān)限制定子繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的任務(wù)。此外，有些平面電動(dòng)機(jī)還具限制沿z軸平動(dòng)自由度的能力，即具有磁懸浮功能，對(duì)于這種電動(dòng)機(jī)，如何解決驅(qū)動(dòng)力與磁浮力之間的耦合是關(guān)鍵。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200512289252339782.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200512289252339782.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 3.2 永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的分析與設(shè)計(jì)<BR> 平面電動(dòng)機(jī)分析與設(shè)計(jì)的具體研究?jī)?nèi)容主要包括：永磁磁場(chǎng)分析、電磁力計(jì)算、損耗分析、電磁參數(shù)計(jì)算等。其目的在于比較不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣、分析計(jì)算電動(dòng)機(jī)的有關(guān)性能指標(biāo)、優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣參數(shù)等。目前，一些學(xué)者已經(jīng)就平面電動(dòng)機(jī)分析與設(shè)計(jì)中的永磁磁場(chǎng)分析、電磁力計(jì)算等方面問題進(jìn)行了初步的研究[13,22]。<BR> 3.2.1 磁場(chǎng)分析<BR> Kim從電磁場(chǎng)基本方程出發(fā)，結(jié)合物理量（永磁體磁化強(qiáng)度）的傅里葉級(jí)數(shù)表示法，對(duì)圖3d所示的二維Halbach永磁陣列的氣隙磁通密度進(jìn)行了計(jì)算[9]。參照一維永磁陣列的分析結(jié)果，Kim認(rèn)為，二維Halbach永磁陣列的氣隙磁通密度是“一般永<BR> 磁陣列”氣隙磁通密度的 倍。<BR> 利用與Kim同樣的方法，Cho對(duì)包含其所提出的一種永磁陣列（圖3a的一種變化形式）在內(nèi)的四種永磁陣列（其他三種如圖3a、3c和3d）進(jìn)行了計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，Cho比較了不同永磁陣列所對(duì)應(yīng)的穿過具有相同尺寸的線圈的磁鏈值，結(jié)果顯示，由Cho所提出的永磁陣列在上述四種永磁陣列中具有最高的磁鏈峰值。<BR> 3.2.2 電磁力分析<BR> 大多數(shù)的平面電動(dòng)機(jī)中，線圈布置于氣隙中，氣隙的厚度較大，線圈電流對(duì)氣隙磁場(chǎng)影響小。因此，可以忽略電動(dòng)機(jī)的電樞效應(yīng)，而直接利用永磁磁場(chǎng)自身的分布規(guī)律及安培力定律對(duì)電動(dòng)機(jī)的電磁力大小和方向進(jìn)行分析計(jì)算。應(yīng)該指出的是，雖然平面電動(dòng)機(jī)電磁力的分析使用的基本原理不變，但是，隨著電動(dòng)機(jī)永磁結(jié)構(gòu)和線圈形狀的不同，其電磁力分析有各自的特點(diǎn)。<BR> 針對(duì)具有圖3a所示的永磁陣列和圖4b所示的線圈陣列，參考文獻(xiàn)[13]、[16]和[24]分析了產(chǎn)生x、y向電磁推力和z向磁浮力所需的線圈陣列電流分布，并且認(rèn)為將不同方向電磁力所對(duì)應(yīng)的電流分布疊加后，即可產(chǎn)生x向或y向電磁推力與z向懸浮力的復(fù)合電磁力，其原理如圖6所示。圖中，202、203和204為永磁陣列中的部分永磁體，209為圖4b中某線圈單元12根有效邊（屬于6個(gè)線圈）的截面，它們分屬于三相繞組A、B和C。圖中的下半部分為三種電流分布，其中，Iz為產(chǎn)生z方向電磁力所對(duì)應(yīng)的電流分布，Ix為產(chǎn)生x方向電磁力所對(duì)應(yīng)的電流分布，而Is為電流分布Iz和Ix的疊加。若按Is所顯示的分布規(guī)律，在線圈陣列通入電流，則在永磁磁場(chǎng)的作用下，線圈陣列即受到x方向電磁推力作用，又受到z方向的電磁懸浮力的作用。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20051228927384150.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20051228927384150.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 針對(duì)具有圖3b 所示永磁陣列和圖4a所示線圈陣列的平面電動(dòng)機(jī)，參考文獻(xiàn)[29]提出了電磁推力和電磁轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式，即，x向或y向的電磁<BR> 推力 [29]，其中，下標(biāo)n為x或y，In為線<BR> 圈的x向或y向控制電流，ka為單個(gè)線圈的磁力常數(shù)。而線圈在通入電流時(shí)，作用在線圈上的電磁力將產(chǎn)生相對(duì)于定子中心軸線的電磁轉(zhuǎn)矩Tn，其表達(dá)<BR> 式 。<BR> 3.3 永磁同步平面電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)<BR> 平面電動(dòng)機(jī)的基本功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)子在二維平面中的準(zhǔn)確定位，與此對(duì)應(yīng)，平面電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)至少應(yīng)該包含兩套相對(duì)獨(dú)立的位置伺服控制子系統(tǒng)，它們分別實(shí)現(xiàn)x方向和y方向的位置控制。若平面電動(dòng)機(jī)還具有磁支承功能，則平面電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)還應(yīng)包含有動(dòng)子懸浮控制子系統(tǒng)和動(dòng)子導(dǎo)向控制子系統(tǒng)，以分別限制動(dòng)子在z方向和方向上的自由度。此外，在上述各控制子系統(tǒng)中，一般還包含有數(shù)目與相數(shù)相同的一系列電流控制環(huán)，它們構(gòu)成各控制子系統(tǒng)的底層控制環(huán)。由上述分析可知，平面電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具有多控制子系統(tǒng)、多控制變量的特點(diǎn)。此外，平面電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)還有另外一個(gè)重要特點(diǎn)，即控制變量之間常常存在一定的耦合關(guān)系，如，有些平面電動(dòng)機(jī)，特別是具有磁支承功能的平面電動(dòng)機(jī)，其不同方向電磁力之間存在一定的耦合關(guān)系。為此，欲實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的精確定位，首先必須解決這些電磁力之間的解耦問題。<BR> 圖7顯示了一種具有磁力支承功能（限制動(dòng)子在方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）的永磁同步平面電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)[29]。由于磁力支承控制與平面驅(qū)動(dòng)控制在控制變量類型上是一致的，（均為位移變量），因此，磁力支承控制子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與平面驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常相似，如圖7所示。但是，應(yīng)該注意的是磁力支承控制子系統(tǒng)的輸入指令值基本恒定，而平面驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)的指令x、y一般隨時(shí)間變化。圖7中顯示的各控制子系統(tǒng)中包含三個(gè)重要的控制單元：位置控制單元、電流計(jì)算單元和電流控制單元。其中位置控制單元的作用是計(jì)算電磁力（驅(qū)動(dòng)力和支承力）的期望值，電流計(jì)算單元的作用是反算出產(chǎn)生期望電磁力所需的期望相電流，而電流控制單元的作用是實(shí)現(xiàn)各相繞組的電流跟蹤控制。<BR> 由于電磁推力Fx、Fy與電磁轉(zhuǎn)矩Tz之間存在一定的耦合關(guān)系，故圖7中的控制系統(tǒng)還設(shè)置有解耦控制單元（轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償單元），其目的是消除電磁推力Fx、Fy對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩Tz的影響。其解耦原理為：在轉(zhuǎn)矩控制電流中引入補(bǔ)償分量，且該電流補(bǔ)償量對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩分量正好與干擾轉(zhuǎn)矩分量大小相等，方向相反，則可實(shí)現(xiàn)電磁推力與電磁轉(zhuǎn)矩之間的解耦。<BR> 如前所述，平面電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中包含有多個(gè)精密位置控制子系統(tǒng)，因此，實(shí)現(xiàn)平面電動(dòng)機(jī)動(dòng)子位置的精密檢測(cè)，是構(gòu)建平面電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前，較常見的位置檢測(cè)器件是激光干涉儀，它用來檢測(cè)動(dòng)子在x、y坐標(biāo)軸方向上的位置，和動(dòng)子在方向上的轉(zhuǎn)角，其中方向上的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)于具有磁支承的平面電動(dòng)機(jī)。此外，若平面電動(dòng)機(jī)包含有z方向的磁懸浮功能，則控制系統(tǒng)還必須實(shí)現(xiàn)z方向的位置檢測(cè)，它可以考慮采用電感傳感器、電容傳感器等微位移傳感器來實(shí)現(xiàn)。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200512289282851203.bmp" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200512289282851203.bmp" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 3.4 平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及應(yīng)用<BR> 目前，已經(jīng)有少數(shù)廠商生產(chǎn)了平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。例如，日本的橫河電株式會(huì)社推出了PLANESERV系列平面電動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)指標(biāo)為：最大速度0.5m/s；定位精度±1m；最大推力150N；運(yùn)動(dòng)范圍500mm×500mm；容許回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩15N。臺(tái)灣上銀（HIWIN）科技股份有限公司生產(chǎn)了兩款混合式平面步進(jìn)（變磁阻）電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)分別為L(zhǎng)MSPX1和LMSPX2。它們的分辨率為1m，最大速度為0.9m/s和0.8m/s，最大推力為75N和140N，最大承載為14kg和28kg，最大定子尺寸為1000mm×600mm。將平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品與同屬于直接驅(qū)動(dòng)的直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品相比，則平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品在系列化、主要技術(shù)指標(biāo)、檔次等方面遠(yuǎn)不如直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。<BR> 早先的平面電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于平面繪圖儀中[35]，因此對(duì)平面電動(dòng)機(jī)的推力、定位精度、承載能力等性能指標(biāo)要求不高。后來，人們逐漸考慮將平面電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于光刻機(jī)等精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備中，于是，對(duì)平面電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)和綜合性能提出了較高的要求，如運(yùn)動(dòng)精度、支承特性、溫度場(chǎng)特性、推力波動(dòng)等。雖然平面電動(dòng)機(jī)在精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備中應(yīng)用方面，至今還沒有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，但是，近20年來，針對(duì)平面電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代加工裝備特別是精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備中的應(yīng)用問題，學(xué)術(shù)界和工程界已經(jīng)開展了許多很有價(jià)值的研究工作，這些研究工作主要圍繞微動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)、支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)隔離等方面展開。<BR> 3.4.1 微動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)<BR> 光刻機(jī)等精密、超精密加工設(shè)備的工作臺(tái)同時(shí)具有大行程和高精度的性能要求，但是，平面電動(dòng)機(jī)一般難以做到二者兼顧。為了解決這一矛盾，一些學(xué)者借鑒直線電動(dòng)機(jī)在精密、超精密設(shè)備中的應(yīng)用模式，采用具有粗、精動(dòng)功能的工作臺(tái)，即平面電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的大行程、較低精度的運(yùn)動(dòng)，而平面電動(dòng)機(jī)動(dòng)子上的微動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的小行程、高精度的運(yùn)動(dòng)。專利文獻(xiàn)[20]公開的微動(dòng)臺(tái)具有6自由度，其中x、y、z方向的微運(yùn)動(dòng)由三個(gè)電磁鐵驅(qū)動(dòng)，而z、x、y方向的微運(yùn)動(dòng)由3個(gè)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)。<BR> 3.4.2 支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)<BR> 由于存在摩擦、變形、爬行等嚴(yán)重影響工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度的因素，傳統(tǒng)的接觸式支承難以在精密、超精密工作臺(tái)中獲得應(yīng)用。而氣浮支承可以克服上述缺點(diǎn)，在精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。目前，氣浮支承已經(jīng)成為平面電動(dòng)機(jī)在精密、超精密二維平面定位裝置中應(yīng)用的主要支承形式[10,22]。近年來還出現(xiàn)了另外一種支承形式——磁浮支承，由于它既可以實(shí)現(xiàn)非接觸式支承模式，同時(shí)又避免了氣浮支承中存在的氣路、氣源等復(fù)雜結(jié)構(gòu)或部件的設(shè)置，因此得到學(xué)者和工程師們的高度重視。<BR> 3.4.3 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)<BR> 平面電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量不僅使線圈電阻增加，給控制系統(tǒng)帶來了時(shí)變特性，而且還將導(dǎo)致相關(guān)零件的熱變形和空氣的折射率變化，影響激光干涉儀的檢測(cè)精度。為此，必須采取相應(yīng)措施以降低線圈產(chǎn)生的熱量對(duì)平面電動(dòng)機(jī)特性以及由其驅(qū)動(dòng)的平面定位裝置的特性的影響。首先，應(yīng)該在平面電動(dòng)機(jī)的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采取措施，增加系統(tǒng)的散熱特性，這種方式通常稱為被動(dòng)散熱[14]。此外，設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，利用流動(dòng)的冷卻劑也是解決散熱問題的有效途徑，這種方式稱為主動(dòng)散熱[10,14,22]。<BR> 線圈陣列是平面電動(dòng)機(jī)的主要熱源，若將線圈陣列布置于動(dòng)子上，則設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)將遇上運(yùn)動(dòng)管路布置的棘手問題，因此，若應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)平面電動(dòng)機(jī)的散熱特性有較高要求，而且需要設(shè)置冷卻系統(tǒng)以降低熱量對(duì)系統(tǒng)性能的影響，則一般將線圈陣列固定于定子上[10,14,22]。<BR> 3.4.4 振動(dòng)隔離問題<BR> 與直線電動(dòng)機(jī)類似，平面電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于精密、超精密加工設(shè)備工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合時(shí)，同樣存在電動(dòng)機(jī)動(dòng)子（包括設(shè)備運(yùn)動(dòng)臺(tái)）對(duì)電動(dòng)機(jī)定子的作用反力產(chǎn)生的對(duì)設(shè)備其他零部件的干擾問題。其解決的方法一般有兩種：一種是利用動(dòng)量守恒原理，將定子與平衡塊相連，以吸收動(dòng)子對(duì)定子的作用反力。目前，這種方法還未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。一種是采用減振結(jié)構(gòu)或?qū)⒍ㄗ拥淖饔梅戳χ苯右氲鼗姆椒�，減小作用反力對(duì)設(shè)備其他零部件的影響[11,18]。<BR> 3.5 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀<BR> 近年來，國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校也開始了對(duì)平面電動(dòng)機(jī)的研究，有些科研院所還獲得了政府研究基金的資助[36]。隨著研究工作的展開，國(guó)內(nèi)刊物上已經(jīng)開始出現(xiàn)了一些與平面電動(dòng)機(jī)相關(guān)的文章[37]。但是，由于我國(guó)在平面電動(dòng)機(jī)方面的研究起步較晚，同時(shí)，受到國(guó)內(nèi)精密、超精密加工設(shè)備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)落后，平面電動(dòng)機(jī)研究缺乏需求推動(dòng)力因素的影響，我國(guó)在平面電動(dòng)機(jī)方面的研究總體而言，力度不夠，水平不高。<BR> 4 平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)<BR> 4.1 磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)形式的探索<BR> 如3.1.4小節(jié)所述，大多數(shù)平面電動(dòng)機(jī)在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的形式上，與同類型的直線電動(dòng)機(jī)沒有本質(zhì)的差別，即平面電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)和直線電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)一樣，均為一維平動(dòng)磁場(chǎng)。不像旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)向直線電動(dòng)機(jī)演變時(shí)，存在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)到一維平動(dòng)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)變。那么，是否可以遵循旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)向直線電動(dòng)機(jī)演變時(shí)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)形式的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)出一種具有特殊結(jié)構(gòu)的繞組，使得在其通入變化電流時(shí)，能夠直接產(chǎn)生二維平動(dòng)磁場(chǎng)？這是一個(gè)很值得研究的問題，因?yàn)�，它有可能帶來�?jiǎn)化平面電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、縮小繞組陣列或永磁陣列等好處。<BR> 4.2 分析設(shè)計(jì)理論的完善<BR> 目前，盡管有關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)磁場(chǎng)分析、電磁力計(jì)算等重要問題進(jìn)行了相關(guān)研究，但是還未形成一套完整的平面電動(dòng)機(jī)分析設(shè)計(jì)理論。特別是對(duì)邊端效應(yīng)、推力波動(dòng)等影響平面電動(dòng)機(jī)性能的重要因素，以及如何實(shí)現(xiàn)高推力、大速度和高響應(yīng)等問題缺乏深入的研究。<BR> 4.3 控制技術(shù)的提高<BR> 現(xiàn)今的平面電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)大多基于電流控制模式，在這種模式中，線圈中的電流被假設(shè)成能夠準(zhǔn)確地跟蹤參考值。但是，實(shí)際上線圈總存在一定的電感，它將阻止線圈電流的任何劇烈變化。若電流的參考值變化過于劇烈，則線圈的實(shí)際電流與參考電流之間將存在較大誤差。因此，為獲得高性能的平面電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有必要從電動(dòng)機(jī)的電壓方程出發(fā)建立更能準(zhǔn)確體現(xiàn)平面電動(dòng)機(jī)電磁特性的數(shù)學(xué)模型，以設(shè)計(jì)平面電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。<BR> 除此之外，平面電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展還應(yīng)充分借鑒旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和直線電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的某些控制原理和方法，如矢量控制理論、推力脈動(dòng)抑制方法等。<BR> 4.4 產(chǎn)品的發(fā)展和應(yīng)用的推廣<BR> 目前，平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品仍處于初級(jí)發(fā)展階段，平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品普遍存在品種單一（基本上均為變磁阻型）、性能較低、檔次不高的問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代加工設(shè)備對(duì)平面電動(dòng)機(jī)的強(qiáng)大需求�？梢灶A(yù)計(jì)，在未來一段時(shí)間，隨著平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷完善，平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的種類將不斷增加、型號(hào)將不斷豐富、性能將不斷提高。受此推動(dòng)，平面電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代裝備特別是精密、超精密加工設(shè)備中的應(yīng)用將越來越普遍，它將成為現(xiàn)代裝備中精密工作臺(tái)的重要驅(qū)動(dòng)形式之一。<BR> 5 結(jié)論<BR> 采用平面電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)平面工作臺(tái)，可以克服傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式存在的摩擦、側(cè)隙、變形等影響平面定位裝置性能的一系列問題。目前，針對(duì)永磁平面電動(dòng)機(jī)，已經(jīng)有多種類型的線圈陣列和永磁陣列被提出，并且，不同類型平面電動(dòng)機(jī)之間的性能差別也得到了初步的分析。此外，永磁同步平面電動(dòng)機(jī)分析設(shè)計(jì)理論、控制技術(shù)和應(yīng)用研究也有了一定的進(jìn)展。在產(chǎn)品開發(fā)方面，目前僅有變磁阻型平面電動(dòng)機(jī)一種產(chǎn)品出現(xiàn)，其他類型平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品尚無(wú)廠家生產(chǎn)。總體而言，平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品尚處于初級(jí)階段，其相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)工作有待進(jìn)一步深化。<BR> 參考文獻(xiàn)<BR> 1 黃聲華. 三維電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng). 武漢: 華中理工大學(xué)出版社, 1998<BR> 2 Cho H S, Jung H K. 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