本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種動圈式永磁平面電機(jī)無位置傳感器平穩(wěn)起浮和下降方法，適用于集成電路光刻和封裝、mems器件組裝與封裝、高精密繪圖儀等需平面定位的制造設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

平面電機(jī)因?yàn)槌哌\(yùn)動精度和可二維運(yùn)行特性，被廣泛應(yīng)用于高精密的加工工藝中，如集成電路芯片的光刻與封裝、mems器件組裝與封裝等。動圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)作為平面電機(jī)的一大種類，因?yàn)闈M足新一代光刻機(jī)需要在真空環(huán)境中運(yùn)行的特點(diǎn)而被國內(nèi)外學(xué)術(shù)與工程界開始重視，已經(jīng)成為特種電機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。

在動圈式永磁平面電機(jī)啟動階段，必須先控制動子懸浮在一定氣隙高度處，然后才可以控制動子在此高度的水平面進(jìn)行二維運(yùn)動。實(shí)際應(yīng)用中大部分企業(yè)、院校研發(fā)的平面電機(jī)采用壓縮空氣吹浮、機(jī)械支撐等方式進(jìn)行動子的高度定位。壓縮空氣吹浮的方式操作簡單、高度可控，只需要將進(jìn)氣通過調(diào)壓閥調(diào)至一定氣壓即可，但是具有誤差大、動能損耗大、噪音大、穩(wěn)定性不高等缺點(diǎn)，另外停機(jī)時動子下降可能會撞擊永磁陣列定子表面。機(jī)械支撐方式在誤差、噪音、穩(wěn)定性等方面較好，但是在使用前必須進(jìn)行精密校準(zhǔn)，操作時間長且高度固定，另外機(jī)械支撐方式增大了電機(jī)的尺寸和安裝難度，產(chǎn)生了一定的運(yùn)行阻力。除上述兩種方式外使用磁懸浮高度定位的平面電機(jī)應(yīng)用中大部分采用動子底部安裝若干個氣隙傳感器的方式獲取實(shí)時氣隙高度來控制動子的懸浮，這種方式可以進(jìn)行精確的定位，但是需要在動子上額外設(shè)計安裝孔來放置氣隙傳感器，增加了成本以及占用了控制器運(yùn)算資源。所以如果能有一種無位置傳感器懸浮策略具備上述各種方式的優(yōu)點(diǎn)，而又能克服諸多缺點(diǎn)，無疑將對動圈式磁懸浮永磁平面電機(jī)的發(fā)展和普及起到促進(jìn)作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種動圈式永磁平面電機(jī)無位置傳感器平穩(wěn)起浮和下降方法，現(xiàn)有動圈式永磁平面電機(jī)的高度控制一般采用位置反饋pid控制，因?yàn)橐话阋髣幼討腋≡?-4毫米高度，此方法有編程復(fù)雜、定位需要時間長、位置抖動等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出的無位置傳感器平穩(wěn)起浮與下降的運(yùn)動方法，省去了氣隙傳感器節(jié)約成本，控制簡單，定位穩(wěn)定誤差小，運(yùn)行可靠。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種動圈式永磁平面電機(jī)無位置傳感器平穩(wěn)起浮和下降方法，動圈式永磁平面電機(jī)由halbach永磁陣列作為定子和線圈陣列作為動子組成，線圈陣列通電后產(chǎn)生z軸方向懸浮力，以及x軸與y軸水平推力，控制動子起浮時，給定期望浮起的氣隙高度即期望氣隙點(diǎn)，根據(jù)期望浮起的氣隙高度計算出假氣隙點(diǎn)高度，然后分配給線圈陣列電流使得動子在假氣隙點(diǎn)平衡，延時閾值時間后，動子運(yùn)行至期望氣隙點(diǎn)處速度為零，此時分配給線圈陣列電流使得動子在期望氣隙點(diǎn)處平衡，動子平穩(wěn)懸浮在期望氣隙點(diǎn)處；控制動子下降時，分配動子與控制起浮時同樣的假氣隙點(diǎn)電流，并延時同樣的閾值時間后，動子運(yùn)行至定子表面時速度為零。

上述方法中，根據(jù)期望浮起的氣隙高度計算出假氣隙點(diǎn)高度中假氣隙點(diǎn)高度的計算公式是：式中zcf為假氣隙點(diǎn)高度，zce為定期望氣隙點(diǎn)高度,τn為定子永磁陣列極距。閾值時間的計算公式是：式中tw為閾值時間，g為重力加速度，zce為定期望氣隙點(diǎn)高度,τn為定子永磁陣列極距，zc實(shí)際位置。控制動子起浮或下降時，計算出假氣隙點(diǎn)后的具體方法為：設(shè)定功率視零閾值pzmin，檢測時間窗δt，閾值時間tw；分配線圈陣列電流i(zcf)，開始延時等待；延時tw-δt時間，開始檢測線圈陣列的機(jī)械功率輸出值pz，如果pz≤pzmin，控制完成，如果目的為起浮，則分配線圈陣列電流i(zce)，如果是下降，則分配線圈陣列電流零，結(jié)束操作。設(shè)定pzmin和δt時滿足以下條件：(1)檢測時間窗δt<<閾值時間tw；(2)平穩(wěn)運(yùn)動方法中設(shè)有測算時間tc，tc為線圈端電壓、端電流采樣時間加上計算出pz程序運(yùn)行時間之和，測算時間(3)實(shí)時測量機(jī)械功率輸出值pz的精度用輸出功率測量精度pzt表示，輸出功率測量精度pzt＜pzmin；(4)動子運(yùn)行過程中的最大功率為pzmax，機(jī)械功率輸出值pz是檢測動子線圈的端電壓、端電流后經(jīng)過計算得出。在動圈式永磁平面電機(jī)無位置傳感器平穩(wěn)起浮和下降方法中，計算出假氣隙點(diǎn)后，分配使得動子運(yùn)動在假氣隙點(diǎn)處的電流，延時后進(jìn)行機(jī)械輸出功率檢測，小于設(shè)定視零閾值或者超過延時時間后切換電流。

本發(fā)明有益效果是:

(1)省去了氣隙傳感器，節(jié)約了成本；

(2)無需編寫復(fù)雜的定位程序，節(jié)約了設(shè)備開發(fā)和調(diào)試時間；

(3)無需頻繁改變分配電流，減小的系統(tǒng)執(zhí)行誤差；

(4)定位高度精準(zhǔn)；

(5)定位時間短；

附圖說明

下面對本說明書附圖所表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明：

圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施方式的動圈式永磁平面電機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖2是本發(fā)明的具體實(shí)施方式的動圈式永磁平面電機(jī)結(jié)構(gòu)正視圖。

圖3是本發(fā)明的具體實(shí)施方式的永磁陣列和動子線圈陣列具體尺寸關(guān)系。

圖4是本發(fā)明的具體實(shí)施方式的動圈式永磁平面電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

圖5是本發(fā)明的具體實(shí)施方式的動圈式永磁平面電機(jī)無位置傳感器平穩(wěn)起浮和下降方法流程圖；

圖6是本發(fā)明的具體實(shí)施方式的采用本方法控制運(yùn)動的動子速度與實(shí)際關(guān)系示例圖。

圖中a1、a2和a3是動子的a線圈單元中的無鐵心線圈；b1、b2和b3是動子的b線圈單元中的無鐵心線圈；c1、c2和c3是動子的c線圈單元中的無鐵心線圈；d1、d2和d3是動子的d線圈單元中的無鐵心線圈。

具體實(shí)施方式

下面對照附圖，通過對實(shí)施例的描述，本發(fā)明的具體實(shí)施方式如所涉及的各構(gòu)件的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。

圖1為動圈式永磁平面電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖，坐標(biāo)系設(shè)置、定子永磁陣列布置、動子線圈陣列布置如圖所示。動圈式永磁平面電機(jī)主要分定子和動子兩大部分。定子由二維halbach永磁陣列構(gòu)成，包含兩種體積不同的永磁體，大永磁體體積是小永磁體體積的兩倍，二者厚度相等。動子包含a、b、c、d4個線圈單元，每個單元又包含3個無鐵心線圈。實(shí)際控制中，動子x軸方向水平推力由a、c單元輸出，y軸方向水平推力由b、d單元輸出，z軸方向的懸浮力由a、c單元輸出。

圖3為永磁陣列和動子線圈陣列具體尺寸關(guān)系。永磁陣列的極距為τn，相鄰兩個n極中心的距離為2τn，線圈徑向厚度為7τn/12，線圈間距為4τn/3，線圈有效長度為4τn，在此尺寸關(guān)系下，分配特定的線圈電流，可使動子獲取方便計算的力和轉(zhuǎn)矩。全局坐標(biāo)系omxyz以永磁陣列中某一n極磁鋼上表面中心為原點(diǎn)，局部坐標(biāo)系ocxyz以動子線圈陣列的下表面幾何中心為原點(diǎn)。設(shè)局部坐標(biāo)系原點(diǎn)oc在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為pc＝(xc,yc,zc)。

一種動圈式永磁平面電機(jī)無位置傳感器平穩(wěn)起浮和下降方法，動圈式永磁平面電機(jī)由halbach永磁陣列作為定子和線圈陣列作為動子組成，線圈陣列通電后產(chǎn)生z軸方向懸浮力，以及x軸與y軸水平推力，其特征在于：控制動子起浮時，給定期望浮起的氣隙高度即期望氣隙點(diǎn)，根據(jù)期望浮起的氣隙高度計算出假氣隙點(diǎn)高度，然后分配給線圈陣列電流使得動子在假氣隙點(diǎn)平衡，延時閾值時間后，動子運(yùn)行至期望氣隙點(diǎn)處速度為零，此時分配給線圈陣列電流使得動子在期望氣隙點(diǎn)處平衡，動子平穩(wěn)懸浮在期望氣隙點(diǎn)處；控制動子下降時，分配動子與控制起浮時同樣的假氣隙點(diǎn)電流，并延時同樣的閾值時間后，動子運(yùn)行至定子表面時速度為零。

定義逆時針方向?yàn)殡娏髡较颍绻麑幼痈骶€圈分配電流如下：

忽略線圈的圓角，繞制不均、截面電流分布不均等影響，式(1)、式(2)中：ia1、ia2和ia3分別表示線圈a1、a2和a3的分配電流，ic1、ic2和ic3分別表示線圈c1、c2和c3的分配電流，ib1、ib2和ib3分別表示線圈b1、b2和b3的分配電流，id1、id2和id3分別表示線圈d1、d2和d3的分配電流，idz表示a1、a2、a3、c1、c2、c3分配電流幅值，iqz表示b1、b2、b3、d1、d2、d3分配電流幅值，分別表示實(shí)時測量的局部坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中x、y軸方向的位置角。

式(4)中：為實(shí)時測量的局部坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中x、y、z軸方向的位置；xc、yc、zc為局部坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系中x、y、z軸方向的實(shí)際位置；n為線圈的匝數(shù)；h為線圈的厚度；b0為永磁陣列在氣隙高度為0處基波磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值；fz為動子所受懸浮力；kf為推力系數(shù)；kt、k1、k2、k3為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，kt與k1、k2、k3的比值與線圈矩陣的尺寸和線圈的繞制有關(guān)。

在僅考慮磁場基波分量情況下并且測量的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)(xc,yc,zc)誤差很小，用洛倫茲力公式可求得在局部坐標(biāo)系下動子所受的推力/轉(zhuǎn)矩的組合為：

wm＝(fx,fy,fz,tx,ty,tz)^t＝(0,0,fz,0,0,0)^t(5)

記動子在高度zc時使所受的推力/轉(zhuǎn)矩的組合為wm＝(0,0,mg,0,0,0)^t(其中m為動子質(zhì)量)，即懸浮力和動子重力平衡時分配給動子線圈的電流組合為：i(zc)。式(5)中fx,fy,fz為動子在x、y、z軸方向所受的力，tx,ty,tz為動子在x、y、z軸方向所受的扭矩，t為向量轉(zhuǎn)置符號。

無位置傳感器平穩(wěn)起浮和下降方法的具體步驟如下：

(ⅰ).設(shè)定期望氣隙點(diǎn)高度為zce，假氣隙點(diǎn)高度zcf,實(shí)際位置zc，如果分配電流i(zcf)，計算得出動子所受懸浮力fz為：

于是動子的加速度az為：

起浮過程時：令代入式(7)解微分方程可得動子速度vz：

式(8)中c0為微分方程解的待定常數(shù)，設(shè)起浮過程初始狀態(tài)時vz＝0，zc＝0，代入式(8)可得：

在起浮階段vz≥0，將式(9)代入式(8)，化簡得：

在最高點(diǎn)處vz＝0，并且希望停留在期望氣隙點(diǎn)高度，于是將zc＝zce代入式(10)可得：

將式(11)轉(zhuǎn)化后可得到假氣隙點(diǎn)與氣隙點(diǎn)的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式：

令和式(12)一起代入式(10)，并積分可以得到：

式(13)中tup為起浮至期望氣隙點(diǎn)所需時間，下降過程時：初始狀態(tài)vz＝0，zc＝zce，代入式(8)可得：

在下降階段vz≤0，將式(14)代入式(8)，化簡得：

在零高度點(diǎn)處vz＝0，將zc＝0代入式(15)可得：

將式(16)轉(zhuǎn)化后可得到假氣隙點(diǎn)與氣隙點(diǎn)的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式：

可知下降過程的假氣隙點(diǎn)與起浮過程氣隙點(diǎn)為同一點(diǎn)。

同理可證明下降時間tdown等于起浮時間tup，二者統(tǒng)一記為tw。借助數(shù)學(xué)工具，可以通過式(13)計算得出起浮和下降時間。

(ⅱ).根據(jù)步驟(ⅰ)中式(12)計算出假氣隙點(diǎn)高度zcf，以及式(13)求得起浮和下降延時時間tw，

(ⅲ).設(shè)定功率視零閾值pzmin，檢測時間窗δt；

功率視零閾值pzmin為將檢測到的機(jī)械功率輸出值pz視作零的閾值，檢測時間窗δt為在tw-δt至tw+δt延時時間內(nèi)系統(tǒng)檢測機(jī)械功率輸出值pz，如果pz＝0，說明動子此時z軸速度為0，設(shè)定pzmin和δt時需滿足以下條件，以方便正確的選型和滿足工程應(yīng)用精度的需要：

(1)δt＜＜tw；

(2)測算時間

(3)輸出功率測量精度pzt＜pzmin；

(4)

條件中：測算時間tc為線圈端電壓、端電流采樣時間加上計算出pz程序運(yùn)行時間之和；輸出功率測量精度pzt為實(shí)時測量pz的精度；pzmax為動子運(yùn)行過程中的最大功率，按照下式計算：

機(jī)械功率輸出值pz，是由檢測動子線圈的端電壓、端電流后經(jīng)過計算得出,其計算公式如下：pz＝δpa+δpc。

(ⅳ).分配線圈陣列電流i(zcf)(動子在假氣隙點(diǎn)處使懸浮力和重力平衡需要分配給動子線圈的電流組合)，開始延時等待；

(ⅴ).考慮到動子起浮和下降過程只在z軸方向移動，在x軸與y軸方向保持靜止。動子a、c單元的線圈提供z向的全部懸浮力，電路滿足能量守恒定律：

w＝wr+wm(19)

式中w為電路消耗的總能量；wr為電路電阻消耗的能量；wm為電路輸出的機(jī)械能。

取一個很短的時間δt，顯然在此時間內(nèi)滿足式(19)，根據(jù)功率能量公式有：

其中：

式中pa、pc為a、c單元電流消耗總功率；par、pcr為a、c單元電阻消耗的熱功率；ua1、ua2、ua3和uc1、uc2、uc3分別為a、c單元線圈的端電壓；ia1、ia2、ia3和ic1、ic2、ic3分別為a、c單元線圈的電流；ra1、ra2、ra3和rc1、rc2、rc3分別為a、c單元線圈的電阻，電機(jī)中線圈電阻全部相等為r；δsz為動子δt時間內(nèi)在z向位移；fz為動子所受懸浮力。

將式(21)代入式(20)可得：

fzδsz＝(δpa+δpc)δt(22)

其中：

式中δpa、δpc為a、c單元測量出的機(jī)械輸出功率。

將式(22)兩邊除以δt，可得：

pz＝fzvz＝δpa+δpc(24)

在動子起浮和下降過程中機(jī)械輸出功率pz＞0，而在起浮至氣隙點(diǎn)以及下降至零高度處因?yàn)樗俣葹榱悖琾z＝0。于是可以通過測量線圈的端電流、端電壓，計算出機(jī)械輸出功率來判斷速度是否接近于0。

故延時tw-δt時間，開始檢測線圈陣列的機(jī)械功率輸出值pz，如果pz≤pzmin，控制完成，如果目的為起浮，則分配線圈陣列電流i(zce)，為動子在期望氣隙點(diǎn)處使懸浮力和重力平衡需要分配給動子線圈的電流組合，如果是下降，則分配線圈陣列電流零，結(jié)束操作；

(ⅵ).如果延時tw+δt時間后，步驟(ⅴ)仍沒完成，則強(qiáng)制按照步驟(ⅴ)完成后的操作執(zhí)行。

在動子運(yùn)動運(yùn)動過程中，起浮和下降時均分配假氣隙點(diǎn)高度電流i(zcf)，然后設(shè)定系統(tǒng)延時中斷，延時時間tw-δt后觸發(fā)機(jī)械輸出功率檢測循環(huán)。

機(jī)械輸出功率檢測如圖4所示，因?yàn)閯幼觓、c單元的線圈提供z向的全部懸浮力，所以使用動圈式永磁平面電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)中x軸功率計算模塊測算機(jī)械輸出功率pz。當(dāng)檢測到pz＜pzmin時，說明動子的速度已經(jīng)接近于0，此時可以根據(jù)定位目標(biāo)切換為起浮和下降電流。而如果經(jīng)過2δt時間后，仍然未檢測到pz＜pzmin，則強(qiáng)行認(rèn)為定位已經(jīng)結(jié)束，根據(jù)定位目的切換起浮和下降電流。

圖6所示為一個使用本方法的示例中動子速度和時間的關(guān)系曲線圖，曲線第一個駝峰為動子起浮過程，可以看出速度在正向有一個增大到減小的過程，至期望氣隙點(diǎn)后切換電流，動子以零速度停留。懸浮0.7s后開始執(zhí)行下降過程，曲線的第二個駝峰可以看出速度在負(fù)向有一個增大到減小的過程，至零高度后切換電流，動子停留在定子表面。圖中橢圓所示處有一個速度反復(fù)變化的過程，這是由于動子從期望氣隙點(diǎn)位置處執(zhí)行下降控制方法，因?yàn)橄到y(tǒng)的執(zhí)行誤差動子運(yùn)行trun-δt時間后已經(jīng)下降至零高度處又繼續(xù)由假氣隙點(diǎn)懸浮力作用開始起浮，而此時機(jī)械輸出功率已經(jīng)大于pzmin，無法滿足切換電流條件pz≤pzmin，于是時間到達(dá)tw+δt后，即超過時間窗強(qiáng)行切換電流，動子以重力加速度落至定子表面，這從最后一個速度變?yōu)樨?fù)值又突然變?yōu)榱愕倪^程可以看出，但由于動子自由降落高度很小，可忽略不記。

根據(jù)上述具體實(shí)施方式可知，本發(fā)明經(jīng)過簡單的分配假氣隙點(diǎn)電流，然后延時后進(jìn)行機(jī)械輸出功率檢測，小于設(shè)定視零閾值或者超過延時時間后切換電流，可以使動子快速、精準(zhǔn)的以零速度停留在目標(biāo)定位位置。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。