[發(fā)明專利]基于光刻機磁懸浮平面電機運動系統(tǒng)的線圈電流切換算法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201811574277.X | 申請日： | 2018-12-21 |
| 公開（公告）號： | CN109639197B | 公開（公告）日： | 2020-04-17 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 楊開明;朱煜;孫浩博;成榮;張鳴;李鑫;王磊杰;張恒斌;朱振廣 | 申請（專利權(quán)）人： | 清華大學(xué);北京華卓精科科技股份有限公司 |
| 主分類號： | H02P21/00 | 分類號： | H02P21/00;H02P21/14;H02N15/00 |
| 代理公司： | 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327 | 代理人： | 管士濤;張超艷 |
| 地址： | 100084 北京市海淀區(qū)1*** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 基于 光刻 磁懸浮 平面 電機 運動 系統(tǒng) 線圈 電流 切換 算法 | ||
1.一種基于光刻機磁懸浮平面電機運動系統(tǒng)的線圈電流切換算法，其特征在于，所述運動系統(tǒng)包括定子(1)和平面電機動子(3)，所述定子為磁鋼陣列，其表面加工有等間距排布的散熱孔(2)，所述平面電機動子(3)包括第一組三相通電線圈(30)、第二組三相通電線圈(31)、第三組三相通電線圈(32)、第四組三相通電線圈(33)、第五組三相通電線圈(34)以及第六組三相通電線圈(35)，所述平面電機動子(3)在運動過程中，所述第一組三相通電線圈(30)至所述第四組三相通電線圈(33)不會離開磁鋼陣列正上方，稱為非切換組，第五組三相通電線圈(34)和第六組三相通電線圈(35)會在部分時間離開磁鋼陣列正上方，稱為切換組；根據(jù)線圈離開磁鋼陣列的方式不同，所述第五組三相通電線圈(34)隨著逐漸靠近第三組三相通電線圈(32)依次包括第一突變切換組線圈(340)、第二突變切換組線圈(341)以及第三突變切換組線圈(342)，所述第六組三相通電線圈(35)為漸變切換組線圈；所述運動系統(tǒng)還包括十二個Z向電渦流傳感器(4)、第一Y向電渦流傳感器(5)和第二Y向電渦流傳感器(6)、一個X向容柵尺(7)和一個Y向光柵尺(8)；
建立平面電機定子(1)上的固定坐標(biāo)系O-XYZ，固定坐標(biāo)系O-XYZ中X軸和Y軸分別沿著所述定子(1)垂直的兩邊，Z軸垂直于所述定子(1)上表面向上，原點O位于所述定子(1)上表面X方向和Y方向坐標(biāo)均最小的散熱孔(2)中心；建立所述平面電機動子(3)上的隨動坐標(biāo)系Os-XsYsZs，隨動坐標(biāo)系Os-XsYsZs中X軸、Y軸和Z軸分別與固定坐標(biāo)系O-XYZ中X軸、Y軸和Z軸平行，原點Os位于所述平面電機動子(3)質(zhì)心；
所述十二個Z向電渦流傳感器(4)均安裝于磁懸浮平面電機動子(3)下表面，靶面均為磁懸浮平面電機定子(1)的上表面，用于測量所述平面電機動子(3)Z方向的懸浮高度，它們相對所述平面電機動子(3)的位置固定，共分為三組，且每組分別處于同一X坐標(biāo)線上；
所述第一Y向電渦流傳感器(5)和所述第二Y向電渦流傳感器(6)均安裝于所述磁懸浮平面電機動子(3)的側(cè)面，位于同一Y坐標(biāo)線上，靶面均為線纜臺(9)側(cè)面，所述第一Y向電渦流傳感器(5)和所述第二Y向電渦流傳感器(6)在當(dāng)前伺服周期內(nèi)的讀數(shù)的平均值為所述平面電機動子相對于所述線纜臺(9)在Y方向的坐標(biāo)；
所述X向容柵尺(7)的讀數(shù)頭安裝于所述平面電機動子(3)的側(cè)面，標(biāo)尺貼于所述線纜臺(9)靠近所述平面電機動子(3)的側(cè)面上，用于測量所述平面電機動子(3)X方向的運動；
所述Y向光柵尺(8)的讀數(shù)頭安裝于所述線纜臺(9)上，標(biāo)尺貼于所述定子(1)的側(cè)面，用于測量所述平面電機動子(3)Y方向的運動；
基于上述運動系統(tǒng)的線圈電流切換算法包括如下步驟：
1)根據(jù)Halbach型二維永磁陣列的磁場諧波模型和洛侖茲力法則，建立單個線圈在磁場中的受力模型，然后以所述平面電機動子(3)質(zhì)心為各個線圈所受到合力的作用點，采用力和力矩的疊加原理，將所有線圈受到的力和力矩疊加起來，得到所述平面電機動子(3)的六自由度受力與線圈電流之間的耦合方程，將其表示為：W(q)＝K(q)i，其中W(q)＝[Fx,Fy,Fz,Tx,Ty,Tz]T，表示整個平面電機動子(3)受到的6自由度受力，q是表征平面電機動子(3)位置的矢量，K(q)是所述平面電機動子(3)的耦合矩陣，i＝[i1,i2,…i18]T表示十八線圈中通入的電流；
2)將所述第一Y向電渦流傳感器(5)和所述第二Y向電渦流傳感器(6)在當(dāng)前伺服周期內(nèi)的讀數(shù)求平均，再加上所述Y向光柵尺(8)在當(dāng)前伺服周期內(nèi)的讀數(shù)，得到所述平面電機動子(3)質(zhì)心在固定坐標(biāo)系O-XYZ中Y方向的坐標(biāo)，記為y；將所述X向容柵尺(7)在當(dāng)前伺服周期內(nèi)的讀數(shù)作為所述平面電機動子(3)質(zhì)心在固定坐標(biāo)系O-XYZ中X方向的坐標(biāo)，記為x；根據(jù)所述第一突變切換組線圈(340)和所述漸變切換組線圈(35)在所述平面電機動子(3)上的安裝位置，確定兩個線圈中心在隨動坐標(biāo)系Os-XsYsZs中的Xs方向和Ys方向的坐標(biāo)，其中，所述第一突變切換組線圈(340)的中心坐標(biāo)為(X1,Y1)，所述漸變切換組線圈(35)的中心坐標(biāo)為(X2,Y2)；再計算所述第一突變切換組線圈(340)中心在固定坐標(biāo)系O-XYZ中的坐標(biāo)(x1,y1)，計算公式為：x1＝x+X1、y1＝y(tǒng)+Y1，和所述漸變切換組線圈(35)中心在固定坐標(biāo)系O-XYZ中的坐標(biāo)(x2,y2)，計算公式為：x2＝x+X2、y2＝y(tǒng)+Y2；
3)判斷是否成立，其中d是單個線圈的寬度，Lx是磁鋼陣列下邊緣的X方向坐標(biāo)，若成立，則判斷三組突變切換組線圈已開始離開磁鋼陣列正上方，則選取作為所述第一突變切換組線圈(340)的切換權(quán)重函數(shù)，選取作為所述第二突變切換組線圈(341)的切換權(quán)重函數(shù)，選取作為所述第三突變切換組線圈(342)的切換權(quán)重函數(shù)；否則將所述第一突變切換組線圈(340)、所述第二突變切換組線圈(341)、所述第三突變切換組線圈(342)的切換權(quán)重函數(shù)依次設(shè)為S1(x)＝S2(x)＝S3(x)＝1；
4)判斷是否成立，其中l(wèi)是單個線圈的長度，Lx是磁鋼陣列下邊緣的X方向坐標(biāo)，若成立，則判斷所述漸變切換組線圈(35)已開始離開磁鋼陣列正上方，則選取作為所述漸變切換組線圈(35)的切換權(quán)重函數(shù)；否則將所述漸變切換組線圈(35)的切換權(quán)重函數(shù)設(shè)為C(x)＝1；
5)以所有線圈電流矢量的二范數(shù)最小為目標(biāo)，對力與電流的耦合方程求加權(quán)偽逆解得到各線圈電流值，計算公式為：i＝K-(q)Wd，其中K-(q)＝PxKT(q)[K(q)PxKT(q)]-1，Px＝diag(1,1…1,S3(x),S2(x),S1(x),C(x),C(x),C(x))為十八線圈的切換權(quán)重對角矩陣，Wd是平面電機動子期望受到的6自由度受力，i＝[i1,i2,…i18]T是計算得到的十八線圈中通入的電流值。
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