黃子納, 曹廣忠, 黃蘇丹, 王麗佳

(深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東省電磁控制與智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗室，廣東 深圳 518060)

0 引 言

極紫外(Extreme Ultraviolet，EUV)光刻是目前最前沿、最高水平的光刻技術(shù)，已成為目前最高端光刻機(jī)亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)。使用EUV光源開發(fā)的光刻系統(tǒng)須在高真空環(huán)境中暴露硅晶片以防止光學(xué)元件的污染和空氣對EUV光的吸收。六自由度磁懸浮電機(jī)采用磁浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間的六自由度運(yùn)動，從而擺脫機(jī)械摩擦，可在真空環(huán)境中運(yùn)行，且具有直接驅(qū)動、可靠性高、高精度運(yùn)動等特點(diǎn)，已成為EUV光刻機(jī)等須在高真空、高潔凈環(huán)境下運(yùn)行的高端裝備的一種前沿關(guān)鍵技術(shù)。

六自由度磁懸浮電機(jī)最早由美國麻省理工學(xué)院W.J.Kim等人提出，動定子分別采用一維Halbach永磁體陣列與勵磁繞組實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的六自由度運(yùn)動[1]。六自由度磁懸浮電機(jī)自誕生以來，以其突出的潛在價值引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者對六自由度磁懸浮電機(jī)進(jìn)行了一系列研究，并取得了突出的研究成果。國外研究機(jī)構(gòu)主要包括美國麻省理工學(xué)院[1]、荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)[2-4]、西班牙TEKNIKER工業(yè)研究中心[5]、韓國電工技術(shù)研究所[6]、加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)[7]、新加坡國立大學(xué)[8]等。我國在六自由度磁懸浮電機(jī)研究方面起步較晚，也取得了一系列的研究成果，主要研究機(jī)構(gòu)包括清華大學(xué)[9]、西安交通大學(xué)[10]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[11]、華中科技大學(xué)[12]、深圳大學(xué)[13]等。近十幾年來，工業(yè)界先后推出六自由度磁懸浮電機(jī)產(chǎn)品，其中包括加拿大Planarmotor公司、德國BECKHOFF公司、ABB集團(tuán)下的B&R公司等。迄今為止，已有多種型式的六自由度磁懸浮電機(jī)被公開報道，根據(jù)永磁體陣列和線圈陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要分為組合式六自由度磁懸浮電機(jī)、半組合式六自由度磁懸浮電機(jī)、對稱式六自由度磁懸浮電機(jī)以及層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)四大類[14]。

本文首先介紹六自由度磁懸浮電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)，分析四大類六自由度磁懸浮電機(jī)的研究現(xiàn)狀與特點(diǎn)，最后探討六自由度磁懸浮電機(jī)的發(fā)展趨勢并指出未來研究方向。

1 六自由度磁懸浮電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)

六自由度磁懸浮電機(jī)由永磁體陣列和線圈陣列組成基本的電磁結(jié)構(gòu)。根據(jù)動子與定子的安裝位置，可將六自由度磁懸浮電機(jī)分為動圈式和動磁式兩大類。動圈式六自由度磁懸浮電機(jī)的勵磁線圈安裝在動子上，勵磁線圈隨動子運(yùn)動而運(yùn)動；動磁式六自由度磁懸浮電機(jī)的永磁體裝在動子上，永磁體隨動子運(yùn)動而運(yùn)動。兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，動圈式六自由度磁懸浮電機(jī)建模時不需要考慮永磁體陣列的邊緣效應(yīng)，但是動子外部的電氣連接將引入一定的擾動，并且動子線圈工作時產(chǎn)生的熱量不容易消散。動磁式六自由度磁懸浮電機(jī)可在定子線圈附加散熱裝置具有較好的散熱性能，且動子與外部無電氣連接實(shí)現(xiàn)了真正的無接觸懸浮，但是不能忽略動子永磁體陣列的邊緣效應(yīng)，進(jìn)而增加了電機(jī)建模的難度。

動圈式和動磁式六自由度磁懸浮電機(jī)的工作原理大體相同。圖1為六自由度磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動原理圖。永磁體產(chǎn)生的永磁磁場與線圈繞組中的勵磁電流相互作用，會產(chǎn)生多組電磁力，包括沿水平方向運(yùn)動的推力(Fx1、Fy2、Fx3、Fy4)以及豎直方向運(yùn)動的懸浮力(Fz1、Fz2、Fz3、Fz4)。將不同方向的推力和懸浮力合成為動子平移運(yùn)動(沿坐標(biāo)軸x、y、z平移)的三個相互垂直的力以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(繞坐標(biāo)軸x、y、z旋轉(zhuǎn))的三個相互垂直的力矩。采用合適的控制策略對三個力和三個力矩進(jìn)行有效地控制，就可實(shí)現(xiàn)動子在空間的六自由度運(yùn)動。

圖1 六自由度磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動原理圖

此外，根據(jù)永磁體陣列和線圈陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，六自由度磁懸浮電機(jī)主要可分為組合式、半組合式、對稱式以及層疊繞組式四大類。組合式六自由度磁懸浮電機(jī)用一維永磁體陣列和組合形式線圈陣列；半組合式六自由度磁懸浮電機(jī)采用二維永磁體陣列和組合形式線圈陣列；對稱式六自由度磁懸浮電機(jī)的永磁體陣列和線圈陣列均為對稱結(jié)構(gòu)，且均能產(chǎn)生二維平動磁場；層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)的采用一維或二維永磁體陣列和由兩套繞組相互垂直排列的線圈陣列。六自由度磁懸浮電機(jī)的性能主要決定于永磁體陣列與線圈陣列的結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)的永磁體陣列與線圈陣列使這四類六自由度磁懸浮電機(jī)具有顯著不同的特點(diǎn)。

2 六自由度磁懸浮電機(jī)的分類及特點(diǎn)

2.1 組合式六自由度磁懸浮電機(jī)

美國麻省理工學(xué)院的W.J.Kim于1997年研制出第一臺六自由度磁懸浮電機(jī)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該電機(jī)屬于動磁組合式六自由度磁懸浮電機(jī)[1]。電機(jī)動子由4個一維Halbach永磁體陣列組成，定子由4個勵磁線圈組合而成；電機(jī)動子的六自由度測量方案采用測量水平方向距離的激光干涉儀和測量垂直方向距離的電容傳感器；電機(jī)運(yùn)動行程為50 mm×50 mm×0.4 mm，實(shí)現(xiàn)了5 nm的定位精度。由于只有靠近永磁體一側(cè)的線圈對動子有力的作用，線圈勵磁電流的利用率較低，并且電機(jī)動子的運(yùn)動行程受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制使其難以實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動。

圖2 W.J.Kim等人提出的動磁組合式六自由度磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)

新加坡國立大學(xué)的C.K.Pang于2017提出了如圖3所示的動磁組合式六自由度磁懸浮電機(jī)。電機(jī)動子由4個一維Halbach永磁體陣列組成，定子由多個方形勵磁線圈組成，通過增加定子勵磁線圈的數(shù)量可實(shí)現(xiàn)動子行程的拓展[8]。

組合式六自由度磁懸浮電機(jī)的動子一般采用一維Halbach永磁體陣列組合而成，容易實(shí)現(xiàn)水平推力的物理解耦，進(jìn)而控制策略較為簡單，且由于一維Halbach永磁鐵陣列相比于二維Halbach永磁體陣列的磁場諧波分量更小，因此動子具有更小的力脈動。

圖3 C.K.Pang等人提出的動磁組合式六自由度磁懸浮電機(jī)

2.2 半組合式六自由度磁懸浮電機(jī)

荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的J.C.Compter 等人于2004年提出了一種動圈半組合式六自由度磁懸浮電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[2]。電機(jī)動子由4套繞組組合而成，定子采用二維Halbach永磁體陣列。永磁體陣列與線圈陣列設(shè)置成相差45°角的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)水平推力的物理解耦，為后續(xù)六自由度磁懸浮電機(jī)設(shè)計提供了新思路。電機(jī)的位姿傳感器為測量水平方向距離的霍爾傳感器陣列和測量垂直方向距離的電容傳感器，實(shí)現(xiàn)了10 μm的定位精度。

圖4 J.C.Compter等人提出的動圈半組合式六自由度磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)

2008年，荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的J.W.Jansen等人提出了如圖5所示的動磁式半組合式六自由度磁懸浮電機(jī)[3]。電機(jī)動子為二維Halbach永磁體陣列，定子為改進(jìn)的二維扁平線圈陣列，線圈按魚骨型排列，線圈之間的長邊相互垂直以減少水平推力的耦合。

圖5 J.W.Jansen等人提出的動磁半組合式六自由度磁懸浮電機(jī)

半組合式六自由度磁懸浮電機(jī)的永磁體陣列采用二維Halbach永磁體陣列，所有驅(qū)動單元共用一個Halbach永磁體陣列的磁場，集成度高；通過增加定子永磁體陣列或定子線圈陣列可拓展動子運(yùn)動行程；由于推力具有耦合特性，因此控制策略較為復(fù)雜。

2.3 對稱式六自由度磁懸浮電機(jī)

荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的J.D.Boeij等人于2006年提出了如圖6所示的六自由度磁懸浮電機(jī)[4]。該電機(jī)為動圈對稱式六自由度磁懸浮電機(jī)，定子由對稱排列的方形線圈陣列組合而成，動子采用二維Halbach永磁體陣列。

圖6 J.D.Boeij等人提出的動磁對稱式六自由度磁懸浮電機(jī)

對稱式六自由度磁懸浮電機(jī)的動子和定子均采用對稱式結(jié)構(gòu)，因而電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，能產(chǎn)生更大的懸浮力；但電機(jī)單個勵磁線圈產(chǎn)生的電磁力有可能分解為六個自由度上的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，加劇了電磁力與電磁力矩之間的耦合，使得控制策略更為復(fù)雜。

2.4 層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)

加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的X.Lu于2012年提出了一種動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示[7]。電機(jī)動子由4個一維永磁體陣列組成，定子由2個正交方向的勵磁導(dǎo)線層疊排列組成，定子勵磁導(dǎo)線以印制線路板(Printed Circuit Board，PCB)的形式制作而成，具有槽滿率高、推力密度大的優(yōu)點(diǎn)。

圖7 X.Lu提出的動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)

2020年，我國深圳大學(xué)的曹廣忠團(tuán)隊在X.Lu提出的動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出并研制了一種動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示[13]。電機(jī)動子由4個一維Halbach永磁體陣列兩兩相互垂直拼裝而成，定子為層疊繞組式線圈陣列組成的PCB板。

圖8 曹廣忠等人提出的動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)

電機(jī)動子的Halbach永磁體陣列與定子的勵磁導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。通過采用呈2個周期排列方式的Halbach永磁體陣列，X(或Y)永磁體陣列產(chǎn)生的推力和懸浮力只受x(或y)方向的勵磁電流控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了水平推力的解耦。電機(jī)采用4相電流的勵磁方案，相對于X.Lu所提出電機(jī)的3相電流勵磁方案，減小了磁場諧波分量在電磁力解耦中產(chǎn)生的力脈動。

圖9 曹廣忠等人提出的電機(jī)動子Halbach永磁體陣列與定子勵磁導(dǎo)線結(jié)構(gòu)示意圖

永磁體陣列邊緣磁場的衰減是影響動磁式磁懸浮電機(jī)定位精度的重要因素之一，一般采用在線性區(qū)域給勵磁電流的解決方案，在一定程度上可減少磁場邊緣效應(yīng)，但是其磁場利用率太低。根據(jù)文獻(xiàn)[15]提出的場折疊理論，在永磁體陣列兩端附加額外的勵磁線圈，補(bǔ)償永磁體陣列在圖8所示x方向兩端永磁體磁場的衰減，進(jìn)而簡化了控制策略。

電機(jī)的位姿傳感器為激光位移傳感器，傳感方案示意圖如圖10所示。在動子上添加輔助定位裝置，在電機(jī)基座的水平方向和垂直方向各安裝3個激光測距儀，根據(jù)檢測得到的6個平移距離并采用位姿解算方法，從而獲得動子六自由度的位姿信息。

圖10 曹廣忠等人提出的電機(jī)位姿測量方案示意圖

層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)的勵磁繞組由兩套相互垂直排列的繞組排列而成，相對于矩形和方形線圈等短距勵磁繞組，一般不需要考慮線圈圓弧端部引起的附加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制問題。采用PCB板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅線或漆包線繞組作為定子線圈繞組陣列，能極大提升電機(jī)槽滿率與裝配精度。動子運(yùn)動時需要對動子投影所覆蓋的導(dǎo)線束進(jìn)行勵磁，而只有動子正對的部分導(dǎo)線可有效勵磁，進(jìn)而導(dǎo)致能量利用率低。

3 六自由度磁懸浮電機(jī)的未來研究方向

國內(nèi)外已經(jīng)研制了多種型式的六自由度磁懸浮電機(jī)，部分類型已經(jīng)投入工業(yè)應(yīng)用，但是六自由度磁懸浮電機(jī)的研究仍處于起步階段，難以滿足高端光刻機(jī)等先進(jìn)制造裝備的需求，未來需要深入研究的方向包括：

(1)六自由度磁懸浮電機(jī)的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。尋找一種綜合性能最優(yōu)的電磁結(jié)構(gòu)需要從永磁陣列和線圈陣列兩個方面著手。六自由度磁懸浮電機(jī)的永磁體陣列多采用Halbach陣列，設(shè)計磁通密度大，基波含量小的永磁體陣列是六自由度磁懸浮電機(jī)永磁體陣列設(shè)計的關(guān)鍵。電機(jī)的電磁力由線圈陣列與永磁體陣列相互作用參數(shù)，線圈陣列需要配合永磁體陣列的設(shè)計進(jìn)行合理的設(shè)計，盡可能實(shí)現(xiàn)電磁力的結(jié)構(gòu)上的解耦。電機(jī)的發(fā)熱主要集中在勵磁繞組，繞組溫度過高會帶來電機(jī)模型的變化甚至損毀電機(jī)。特別是動圈式磁懸浮電機(jī)，需要設(shè)計合理的散熱裝置，既保證線圈的溫度不過高，同時對動子運(yùn)動的影響盡可能小。

(2)六自由度磁懸浮電機(jī)的高效魯棒解耦控制策略。六自由度磁懸浮電機(jī)的電磁力通常是有多個驅(qū)動單元的電磁力合成，各個驅(qū)動單元的電磁力都不同程度影響著動子的合成電磁力或力矩，一般通過力分配的方式將動子的期望電磁力或力矩分配成各個驅(qū)動單元的期望電磁力實(shí)現(xiàn)電磁力解耦。然而，在磁懸浮電機(jī)設(shè)計中，驅(qū)動單元提供的可控的電磁力的自由度數(shù)往往多于動子的電磁力或力矩的自由度數(shù)，因此存在著無窮多個解。對于這類問題，需要通過增加約束條件來獲得驅(qū)動單元的電磁力的最優(yōu)解。與此同時，磁懸浮電機(jī)的驅(qū)動單元本身的電磁力在不同維度的分量也存在耦合的情況，其耦合情況與勵磁電流空間分布與大小直接相關(guān)。通常采用電流矢量控制的方式來對勵磁電流實(shí)現(xiàn)解調(diào)，使得解調(diào)后的勵磁電流獨(dú)立控制驅(qū)動單元電磁力在不同維度的分量，該方法與永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)的DQ分解方法同理。然而，對于短距繞組結(jié)構(gòu)的磁懸浮電機(jī)，還需要考慮電流解調(diào)控制中引起的附加轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償控制。

(3)六自由度磁懸浮電機(jī)位置的精準(zhǔn)檢測。為實(shí)現(xiàn)六自由度磁懸浮電機(jī)的六自由度驅(qū)動和高精度運(yùn)動控制，需要對電機(jī)的動子進(jìn)行實(shí)時和無接觸的位置檢測。隨著光刻機(jī)等芯片制造領(lǐng)域的技術(shù)要求不斷提高，六自由度磁懸浮電機(jī)的定位精度需達(dá)到納米級水平。采用激光干涉儀作為傳感器是實(shí)現(xiàn)六自由度磁懸浮電機(jī)動子無接觸測量最有潛力的納米級測量方案之一，但激光干涉儀也存在諸多限制，比如非線性誤差，激光光源的波動，溫度等非周期性擾動都對其精度造成一定的影響。目前，激光干涉儀的非線性誤差補(bǔ)償領(lǐng)域已經(jīng)有了諸多成果，大大提高了其性能，結(jié)合信號處理等其他技術(shù)來補(bǔ)償其余非周期擾動成為提高激光干涉儀精度的一種解決方案。

(4)六自由度磁懸浮電機(jī)的高精度綜合運(yùn)動控制。六自由度磁懸浮電機(jī)的多自由度耦合以及其磁場具有高度非線性和關(guān)于位置的不確定性特點(diǎn)，動子平臺任一方向上位置的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)模型參數(shù)攝動和其余方向位置擾動，磁懸浮平面電機(jī)是一個多輸入多輸出非線性耦合系統(tǒng)。在平面電機(jī)常規(guī)的控制器設(shè)計中，通常過度依賴被控制對象精確的數(shù)學(xué)模型。然而六自由度磁懸浮電機(jī)的電磁力以及磁場強(qiáng)度具有很強(qiáng)的非線性，并且隨著電機(jī)連續(xù)工作時間的增加，由于發(fā)熱、散熱不均勻等其它因素，會導(dǎo)致磁場強(qiáng)度以及電磁力產(chǎn)生波動。因此六自由度磁懸浮電機(jī)的控制器設(shè)計中，必須考慮電機(jī)模型的不確定性，以及內(nèi)部和外部的干擾，并且針對上述問題設(shè)計魯棒控制器。國內(nèi)外學(xué)者對此也提出了很多的控制策略，比如滑膜控制，魯棒控制，自抗擾控制等作為控制器，以及采用前饋補(bǔ)償，重力補(bǔ)償策略來提高控制性能。采用不過度依賴電機(jī)模型的控制算法，同時考慮電機(jī)的具體特性加入合適的補(bǔ)償策略來提高控制器性能，將成為六自由度磁懸浮電機(jī)控制器設(shè)計的主要方向。

4 結(jié) 論

六自由度磁懸浮電機(jī)在先進(jìn)制造裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其適用于EUV光刻機(jī)等須在高真空、高潔凈環(huán)境下運(yùn)行的前沿高端裝備。動磁式六自由度磁懸浮電機(jī)由于具有散熱設(shè)計簡單易行、動子受外界干擾小等優(yōu)點(diǎn)將成為六自由度磁懸浮電機(jī)的未來發(fā)展的重點(diǎn)。動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機(jī)，可采用成熟的PCB板技術(shù)制作定子，使其更適合于工業(yè)應(yīng)用。目前，國外的六自由度磁懸浮電機(jī)技術(shù)水平領(lǐng)先于國內(nèi)，六自由度磁懸浮電機(jī)的研究仍不夠完善，還不能滿足高端制造裝備的需求。未來隨著六自由度磁懸浮電機(jī)設(shè)計技術(shù)與控制技術(shù)的不斷完善，電機(jī)性能將取得突破性提高，六自由度磁懸浮電機(jī)在高端裝備等諸多領(lǐng)域?qū)⒌玫竭M(jìn)一步的應(yīng)用。