《磁懸浮平面電機驅(qū)動及控制技術(shù)》論述了磁懸浮平面電機相關(guān)的基本理論和基本技術(shù)。重點闡述了磁懸浮平面電機的電氣驅(qū)動技術(shù)和六自由度運動控制技術(shù)。《磁懸浮平面電機驅(qū)動及控制技術(shù)》側(cè)重于基本理論和基本技術(shù)實現(xiàn)方法的闡述，面向基本理論和基本技術(shù)的實際工程應(yīng)用。
前言
第1章緒論1
1.1磁懸浮平面電機應(yīng)用背景及研究意義1
1.1.1IC制造裝備技術(shù)發(fā)展及其對平面工作臺運動驅(qū)動系統(tǒng)的要求1
1.1.2其他技術(shù)領(lǐng)域?qū)ζ矫骐姍C運動系統(tǒng)的要求4
1.1.3磁懸浮平面電機驅(qū)動及控制技術(shù)的研究意義5
1.2磁懸浮平面電機典型結(jié)構(gòu)及基本工作原理6
1.3磁懸浮平面電機六自由度運動特性及基本驅(qū)動方法11
1.3.1六自由度運動特性11
1.3.2六自由度運動基本驅(qū)動方法11
1.4磁懸浮平面電機多自由度運動控制方法14
1.5國內(nèi)磁懸浮平面電機研究狀況20
1.6磁懸浮平面電機研究現(xiàn)狀及研究方法小結(jié)22
1.7本書研究的問題和研究內(nèi)容23
1.7.1研究問題的提出23
1.7.2研究內(nèi)容25
第2章電磁力/矩建模27
2.1引言27
2.2永磁陣列磁場解析模型建立及驗證28
2.2.1永磁陣列磁場建模28
2.2.2永磁陣列磁場解析模型實測驗證31
2.3基于DQ變換的電磁力/矩建模及電流求取37
2.3.1單個力單元電磁力/矩建模及線圈電流求取方法37
2.3.2四個力單元電磁力/矩建模及線圈電流求取方法39
2.3.3基于DQ變換的電磁力/矩模型及線圈電流求取法則討論44
2.4基于洛倫茲力積分法則的電磁力/矩建模及模型驗證45
2.4.1電磁力/矩建模45
2.4.2電磁力/矩模型實驗驗證50
2.4.3電磁力/矩模型與實測力/矩誤差來源分析56
2.5小結(jié)60
第3章電氣驅(qū)動——線圈陣列換流方法62
3.1引言62
3.2基于電流最小2范數(shù)的線圈陣列換流方法63
3.2.1基于電流最小2范數(shù)的線圈陣列換流方法63
3.2.2換流仿真及結(jié)果分析64
3.3基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列電流優(yōu)化換流方法67
3.3.1基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列電流優(yōu)化換流方法的原理67
3.3.2基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列電流優(yōu)化換流方法的解析算法68
3.3.3基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列優(yōu)化換流方法的數(shù)值穩(wěn)定性70
3.3.4基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列優(yōu)化換流方法的仿真分析72
3.3.5基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列優(yōu)化換流方法的實驗驗證76
3.4線圈陣列熱損耗均勻化81
3.4.1線圈陣列熱損耗均勻度?電流均勻度及均勻化方法81
3.4.2線圈陣列熱損耗均勻化仿真分析83
3.5平面電機推動力的提高92
3.5.1最大力/矩(加速度)約束問題92
3.5.2提高平面電機推動力的方法94
3.5.3平面電機推動力提高的仿真分析96
3.6動磁式磁懸浮平面電機的電氣驅(qū)動109
3.7小結(jié)114
第4章六自由度運動動力學(xué)建模及控制116
4.1引言116
4.2六自由度運動控制系統(tǒng)構(gòu)建117
4.3六自由度運動控制對象動力學(xué)建模119
4.3.1六自由度控制對象剛體動力學(xué)建模119
4.3.2懸浮自由度重力補償動力學(xué)建模120
4.4六自由度運動控制器設(shè)計122
4.4.1最小時間加權(quán)誤差絕對值積分準則123
4.4.2控制器設(shè)計124
4.5控制系統(tǒng)綜合仿真127
4.5.1控制系統(tǒng)綜合仿真模型建立127
4.5.2六自由度運動電磁力/矩線圈電流解耦仿真128
4.5.3各自由度控制性能仿真131
4.5.4控制系統(tǒng)各自由度軌跡跟蹤性能仿真137
4.6小結(jié)142
第5章六自由度受控條件下懸浮運動控制143
5.1引言143
5.2實驗系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)及傳感器配置144
5.3解耦及懸浮控制實驗146
5.3.1開環(huán)懸浮控制146
5.3.2三自由度控制條件下懸浮定位147
5.3.3六自由度控制條件下懸浮定位及軌跡跟蹤151
5.4小結(jié)155
第6章總結(jié)與展望156
6.1研究內(nèi)容總結(jié)156
6.2后續(xù)研究展望157
參考文獻159
第1章緒論
1.1磁懸浮平面電機應(yīng)用背景及研究意義
1.1.1IC制造裝備技術(shù)發(fā)展及其對平面工作臺運動驅(qū)動系統(tǒng)的要求當今世界全面進入了信息化時代·信息技術(shù)(informationtechnology，IT)的飛速發(fā)展，把人類帶入了一個全新的時空環(huán)境·在這個海量信息無處不在并飛速傳播的時空環(huán)境里，人類的一切生產(chǎn)活動，不管第一·第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動，如能源生產(chǎn)·工業(yè)制造等，還是第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動，如通信·交通等，追本溯源，都越來越依賴于信息技術(shù)的發(fā)展·作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的硬件基礎(chǔ)，半導(dǎo)體芯片或集成電路(integratedcircuit，IC)及其制造技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標志·而作為IC技術(shù)核心之一的IC制造裝備技術(shù)則是發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)乃至信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)和戰(zhàn)略關(guān)鍵·
人類生產(chǎn)活動對科技進步的無限需求促進了集成電路集成度的進一步提高·處理速度的進一步加快·單位體積儲存容量的進一步擴大·幾十年來，MPU·DRAM·Flash等最尖端集成電路芯片的集成度·處理速度·容量按所謂"摩爾定律"快速發(fā)展，近年來還有加速發(fā)展的趨勢·人類對集成電路芯片更高·更快·更強的需求必然對制造這些芯片的設(shè)備--IC制造裝備及相應(yīng)的實現(xiàn)技術(shù)提出越來越高的要求·
光學(xué)投影曝光步進掃描光刻機是IC制造裝備中投資最大·精度與難度最大·技術(shù)最為密集的關(guān)鍵設(shè)備，它由激光光源·照明系統(tǒng)·投影物鏡系統(tǒng)·工作臺系統(tǒng)·整機輔助系統(tǒng)等部分組成·其工作原理主要基于光學(xué)投影曝光系統(tǒng)技術(shù)·對準系統(tǒng)技術(shù)和工作臺運動系統(tǒng)技術(shù)三大關(guān)鍵技術(shù)·光學(xué)投影曝光系統(tǒng)當前普遍采用波長193nm的ArF深紫外(deepultraviolet，DUV)光源技術(shù)[1]，工作臺系統(tǒng)由硅片臺系統(tǒng)和掩膜臺系統(tǒng)組成，硅片臺的步進掃描運動和掩模臺的同步掃描運動完成最后的曝光成像[2]·圖1.1(a)為先進半導(dǎo)體材料光刻公司阿斯麥(AdvancedSemiconductorMaterialLithography，ASML)生產(chǎn)的某型光刻機外觀圖，圖1.1(b)為其雙硅片臺外觀圖[3]·
工作臺運動系統(tǒng)是光刻機等IC制造裝備的關(guān)鍵組成部分·圖1.2所示為典型光刻機平面電機(硅片臺)運動系統(tǒng)，它主要由精(微)動臺·粗動臺·氣浮導(dǎo)軌·直線電機·大理石基座及其他附件組成·粗動臺采用氣浮支承·直線電機驅(qū)動，以獲得平面內(nèi)的大行程運動;精(微)動臺疊加在粗動臺上，一般采用音圈電機或壓電精密步進電機驅(qū)動，其功能是實現(xiàn)步進掃描精密補償運動和調(diào)平調(diào)焦運動[4]·
圖1.1ASML公司某型光刻機及硅片臺外觀
圖1.2光刻機平面電機(硅片臺)運動系統(tǒng)
按照如圖1.3所示的歐洲·美國以及亞洲的韓國·日本·中國臺灣等國家和地區(qū)半導(dǎo)體技術(shù)組織聯(lián)合發(fā)布的2013版半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS2013)[5]預(yù)測的未來光刻機潛在技術(shù)方案，下一代光刻機可能采用極紫外光刻(extremeultraviolet，EUV)·無掩模光刻(masklesslithography，ML2)·壓印光刻(Imprint)等解決方案·無論采取哪一種解決方案，都必須采用工作臺(至少要采用硅片臺)運動系統(tǒng)，并對其環(huán)境適應(yīng)性·運動性能提出了更高·更強·更優(yōu)的技術(shù)要求·
(1)納米尺度的加工制造往往對其制造裝備有著特殊的工作環(huán)境適應(yīng)性要求·不同于現(xiàn)在的193nm波長光源的DUV，EUV·ML2·Imprint等解決方案都對硅片(臺)所處的工作環(huán)境提出了高真空度·高潔凈度等環(huán)境適應(yīng)性要求·如EUV就采用波長極短(13.5nm或者更短)的極紫外光源，它要求平面電機工作在高真空環(huán)境下以避免空氣對光能的吸收[6]·圖1.3半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS2013)光刻機潛在技術(shù)方案
(2)光刻機是一個具有超高定位精度的光機電系統(tǒng)，衡量其性能的一個主要指標是其所能加工的IC芯片的關(guān)鍵尺寸(criticaldimension，CD)·目前22nm節(jié)點的光刻機已批量生產(chǎn)，22nm以下節(jié)點的光刻機或已試產(chǎn)，或者正在研發(fā)·預(yù)研中·微小至十幾納米甚至幾納米的關(guān)鍵尺寸直接意味著光刻機的平面電機運動系統(tǒng)具有納米尺度的超高定位精度[4，5]·
(3)追求低成本·大批量·高生產(chǎn)率的商業(yè)化IC芯片制造必然要求平面電機運動系統(tǒng)具備多功能·綜合化的運動性能·光刻機平面電機運動系統(tǒng)的基本運動功能是步進·掃描·調(diào)平·調(diào)焦等，為了進一步提高生產(chǎn)率，未來光刻機平面電機的步進掃描運動速度將超過1000mm/s，加速度將在1g以上，載于硅片臺上的待加工對象--硅片，其直徑將達到450mm，相應(yīng)的步進掃描運動行程至少得大于硅片直徑·由此看來，未來光刻機平面電機運動系統(tǒng)將是一個高速度·高加速度·大行程的多自由度運動系統(tǒng)[6]·
綜上所述，未來光刻機等IC制造裝備所需要的工作臺運動系統(tǒng)將是一個在高真空度·高潔凈度環(huán)境下高速度·高加速度·大行程運動并能實現(xiàn)納米級超高定位精度的多自由度運動系統(tǒng)·當前主流的平面電機氣浮工作臺運動系統(tǒng)，由于其很難適應(yīng)高真空度·高潔凈度的環(huán)境要求，在未來IC制造裝備中的使用必將受到越來越大的限制，甚至淡出半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域·必須尋找新的技術(shù)支撐點，使得工作臺運動系統(tǒng)能夠同時滿足環(huán)境·精度·速度·行程等方面的要求，以適應(yīng)工作臺運動驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展需求·
1.1.2其他技術(shù)領(lǐng)域?qū)ζ矫骐姍C運動系統(tǒng)的要求
不僅限于IC制造裝備領(lǐng)域，在其他一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，也廣泛使用著與IC制造裝備具有相同或相似要求的工作臺運動系統(tǒng)·最典型的如應(yīng)用于材料科學(xué)·生命科學(xué)等研究領(lǐng)域的表面形貌掃描顯微測量技術(shù)·這類技術(shù)包括掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelmicroscope，STM)·原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，AFM)·磁力顯微鏡(magneticforcemicroscope，MFM)·激光力顯微鏡(laserforcemicroscope，LFM)·熱敏顯微鏡(thermalscaningmicroscope，TSM)·光子掃描隧道顯微鏡(phontonscanningtunnelmicroscope，PSTM)等·圖1.4所示為原子力顯微表面形貌測量系統(tǒng)原理示意圖[7]，其基本原理是用極尖的探針對被測表面進行掃描(探針和被測表面實際并不接觸)，借助納米級的三維位移定位控制系統(tǒng)測出被測表面的三維微觀立體形貌·
圖1.4原子力顯微表面形貌測量系統(tǒng)原理示意圖
顯而易見，這類裝置或設(shè)備需要獲得的三維微觀立體形貌信息的數(shù)量和質(zhì)量直接取決于工作在高潔凈度·高真空度環(huán)境下的三維位移定位工作臺的運動性能·現(xiàn)有的運動系統(tǒng)一般采用電致伸縮(壓電陶瓷)材料或磁致伸縮材料獲得被測對象的三維運動，運動所需的機械機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動的動態(tài)性能較差，有效運動行程很小(微米量級)·為簡化機械結(jié)構(gòu)，提高運動動態(tài)性能，增大有效運動行程，迫切需要一種能夠工作于高潔凈度·高真空環(huán)境下的三維運動驅(qū)動系統(tǒng)·
除此之外，在飛行器電磁彈射系統(tǒng)·電磁軌道炮·磁懸浮列車·磁懸浮軸承等領(lǐng)域，也需要大功率·高精度的平面或直線運動驅(qū)動系統(tǒng)·
1.1.3磁懸浮平面電機驅(qū)動及控制技術(shù)的研究意義
采用磁懸浮技術(shù)的平面電機運動系統(tǒng)具有同時滿足環(huán)境適應(yīng)性·運動性能等方面要求的潛在能力·對于下一代光刻機等IC制造裝備平面電機運動系統(tǒng)和類似環(huán)境下工作的平面電機運動系統(tǒng)來說，磁懸浮技術(shù)的引入將為其在高真空環(huán)境下獲得高性能運動提供一條行之有效的途徑·
在1998年，麻省理工學(xué)院(MassachusettsInstituteofTechnology，MIT)的Kim[8]在他的博士課題研究中設(shè)計并實現(xiàn)了一種小行程動磁式磁懸浮平面電機(圖1.5)，號稱"Aworld'sfirsthighprecisionsixdegreeoffreedommagneticlevitatorwithlargetwodimensionalmotioncapabilityforphotolithographyinsemiconductormanufacturing"，這可以說是第一臺完整意義上的面向半導(dǎo)體制造裝備的磁懸浮平面電機系統(tǒng)·進入21世紀后，歐洲·美國·日本·韓國等國家和地區(qū)的有關(guān)科研機構(gòu)逐步展開了對磁懸浮平面電機運動系統(tǒng)技術(shù)的深入研究·
圖1.5Kim研究的動磁式磁懸浮平面電機
到目前為止，磁懸浮平面電機運動系統(tǒng)技術(shù)的研究取得了較大的進展并已有初步的實際應(yīng)用·由國內(nèi)外相關(guān)文獻來看，這種平面電機運動系統(tǒng)具有如下獨特的結(jié)構(gòu)形式與運動方式:①整個平面電機無需機械支承·氣浮支承·粗精動疊層等物理結(jié)構(gòu)，有一個或兩個相對于動臺運動的·可以認為是剛體結(jié)構(gòu)的運動部件--動臺;②以同源的電磁能量懸浮并推動平面電機的動臺運動，動臺可以獲得三維歐氏空間全部6個運動自由度·由于上述獨特的結(jié)構(gòu)形式與運動方式，該種平面電機具備以下幾個方面的運動性能:①高的推力質(zhì)量比，可以獲得良好的動態(tài)運動性能;②相對運動部件之間沒有機械接觸，也就沒有任何磨損磨粒產(chǎn)生;③動臺水平方向的運動行程可隨著定臺面積的擴大而擴大·所以該種平面電機具有在高潔凈度·高真空度環(huán)境下獲得多自由度·高速度·高加速度·大行程等運動性能并實現(xiàn)納米級高定位精度的潛在能力·根據(jù)現(xiàn)有關(guān)于平面電機研究和應(yīng)用的技術(shù)成果，結(jié)合2011版半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖預(yù)測的光刻機發(fā)展趨勢[4]，采用磁懸浮技術(shù)的平面電機運動系統(tǒng)將成為滿足未來光刻機等IC制造裝備發(fā)展需求優(yōu)先考慮的技術(shù)方案·
荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)電氣工程系·機械工程系在光刻機平面電機的研究方面處于世界領(lǐng)先地位，他們的研究與飛利浦應(yīng)用技術(shù)公司(PhilipsAppliedTechnologies)·ASML等IC制造裝備研發(fā)·生產(chǎn)廠商有著密切的聯(lián)系·在2009年公布的一份由Lomonova和Duarte主持編寫的研究簡報中[9]，明確地將磁懸浮平面電機運動系統(tǒng)技術(shù)作為主要的研究方向(圖1.6)，進入21世紀，他們的研究團隊也一直將磁懸浮平面電機運動系統(tǒng)技術(shù)作為研究重點·
圖1.6Lomonova和Duarte提出的光刻機平面電機技術(shù)研究方向
磁懸浮平面電機具有在高潔凈度·高真空度環(huán)境下獲得多自由度·高速高加速·高定位精度·大行程等運動性能的潛在能力，研究其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)·機電系統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)尤其是多自由度運動控制技術(shù)，對于光刻機等IC制造裝備來說，其重大意義顯而易見·對于其他一些使用或需要在高潔凈度·高真空度環(huán)境下獲得多功能·高性能運動的平面電機系統(tǒng)的研究領(lǐng)域或應(yīng)用場合來說，磁懸浮平面電機的研究開發(fā)也具有至關(guān)重要的意義·
1.2磁懸浮平面電機典型結(jié)構(gòu)及基本工作原理
磁懸浮平面電機所采用的線圈陣列和永磁陣列的拓撲結(jié)構(gòu)可能不同，但其基本結(jié)構(gòu)都是一致的，都由定臺和動臺兩大部件組成，其中一個部件為線圈陣列臺，另一個部件為永磁陣列臺·若線圈陣列臺為動臺，則簡稱為動圈式，若永磁陣列臺為動臺，則簡稱動磁式·圖1.7所示為其基本結(jié)構(gòu)及運動方式，其中x·y·z為3個平動自由度坐標軸，ψ·θ·φ為3個轉(zhuǎn)動自由度坐標軸[10]
……
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