CN102800368B - 一种气浮平面电机初始零位的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种气浮平面电机初始零位的定位方法，所述气浮平面电机包括定子平台和动子平台，定子平台上方固定安装平面磁钢阵列，动子平台采用气浮支承，且动子平台下表面固定安装结构相同的四组三相线圈，其中第一、三组线圈长边沿Y方向，第二、四组线圈长边沿X方向，每组线圈采用星型连接方式，所述初始零位为线圈坐标系与磁场坐标系无转角，所述定位方法包括：采用驱动装置给任意不同方向的两组线圈输入一定规律的电流，驱动动子平台运动，两组线圈达到平衡位置，最终实现动子平台定位到初始零位。本发明为气浮永磁平面电机系统提供了一种简单、便捷的初始零位确定方法，为动子平台控制系统测量设备的正常工作提供必要的工作条件。

Description

一种气浮平面电机初始零位的定位方法

技术领域

本发明涉及平面电机动子平台定位方法，特别涉及一种气浮支撑方式的平面电机动子平台初始零位的确定方法，属于机械控制技术领域。

背景技术

随着先进制造业的快速发展，在现代半导体加工装备、微立体光刻、纳米工作台及其他微细精密加工设备中，大行程运动由直线电机实现，而高精度运动则由高精密平面电机来实现。

高精度平面电机动子平台的轴承支撑方式有很多种，为实现高精度平面电机的快速准确定位，需实现动子平台的无摩擦悬浮支撑。目前无摩擦悬浮支撑技术主要有以下四种：电动悬浮、超导悬浮、气浮及磁悬浮。在实际系统中，无摩擦悬浮支撑能较好的实现快速定位，但由于动子平台在未受控前是属于自由状态，若考虑到线缆扰动的影响，动子平台的初始位置也会在一个未知的位置，考虑到很多精密测量设备的测试条件需要动子平台的初始零位在一个较小范围，因此，初始位置到初始零位的运动方法是需要考虑和解决的问题。

发明内容

本发明的目的提供一种气浮平面电机动子平台初始零点的确定方法，用以克服气浮平面电机动子平台初始位置随机性的问题，为整个平面电机控制系统提供必要的基准位置，使测试设备能够正常运作。

为达到上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种气浮平面电机初始零位的定位方法，所述气浮平面电机包括定子平台和动子平台，定子平台上方固定安装磁钢阵列，动子平台采用气浮轴承支承，动子平台下表面固定安装线圈阵列，所述线圈阵列包括结构相同的四组三相线圈，其中第一组线圈和第三组线圈长边沿Y方向，第二组线圈和第四组线圈长边沿X方向，每组三相线圈均采用星型连接方式，所述初始零位为线圈坐标系与磁场坐标系无转角，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

1）在动子平台的四组线圈中，选取两组相互垂直线圈，设选取的线圈为：第一组线圈和第二组线圈；

2）第一组线圈各相线圈和第二组线圈各相线圈分别接入驱动器装置，所述驱动器装置包括六个线性驱动器；

3）驱动器分别给第一组线圈各相线圈通入电流I₁₁、I₁₂和I₁₃，给第二组线圈各相线圈通入电流I₂₁、I₂₂和I₂₃，并且通入电流满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{11}+I_{12}+I_{13}=0\\ I_{21}+I_{22}+I_{23}=0\end{array}\right.;$

4）经过上述步骤1）到步骤3），动子平台运动到初始零位的位置，系统每次上电工作前，依照步骤1）至步骤3）进行初始零位的确定，此时，系统的测量设备正常工作，驱动装置切换到平面电机正常工作状态下。

本发明的技术特征还在于设一组线圈各相中通入电流大小为I₁、I₂和I₃，设受到最大的线缆扰动转矩为T_n，动子平台的质心到线圈阵列中心受力力臂为L，线圈提供的驱动力为F，线圈能承受的最大持续电流为I_max，符合下列表达式：

$\left\{\begin{array}{c}2\mathrm{FL}\&GreaterEqual;T_n\\ \max (I_1,I_2,I_3)<I_{\max }\end{array}\right..$

由于采用了以上的技术方案，本发明具有以下优点及突出效果：实现了气浮平面电机动子平台初始零位的确定，为包含磁钢阵列的气浮平面电机运动系统提供了一种简单、便捷的位置确定方法。本发明的思路及效果对包含磁钢阵列的气浮平面电机在定位方面的研究和发展具有重要的实际意义。

附图说明

图1是本发明气浮平面电机系统示意图。

图2是本发明定子平台永磁阵列布局图。

图3是本发明动子平台仰视图。

图4是本发明动子平台在定子平台上任意位置示意图。

其中：

101-定子平台；102-磁钢阵列；103-动子平台；

102a-N极朝上磁钢；102b-S极朝上磁钢；

200-线圈阵列；201-第一组线圈；202-第二组线圈；203-第三组线圈；204-第四组线圈；205-气浮轴承；

301-驱动器装置；302-线缆；

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明气浮平面电机系统示意图，图2为本发明定子平台永磁阵列布局图，图3为本发明动子平台仰视图，气浮平面电机包括定子平台101和动子平台103，定子平台101上方固定安装磁钢阵列102，动子平台103采用气浮轴承205支承，动子平台103下表面固定安装线圈阵列200，所述线圈阵列200包括结构相同的四组三相线圈，其中第一组线圈201和第三组线圈203长边沿Y方向，第二组线圈202和第四组线圈204长边沿X方向，每组三相线圈均采用星型连接方式，所述初始零位为线圈坐标系与磁场坐标系无转角。

图4为本发明动子平台在定子平台上任意位置示意图，假设初始位置状态下，动子平台103的固连坐标系X’OY’与定子平台101的固连坐标系XOY之间的夹角为θ，所述定位方法包括以下步骤：

1）在动子平台103的四组线圈中，选取两组相互垂直线圈，设选取的线圈为：第一组线圈201和第二组线圈202；

2）将第一组线圈201各相线圈和第二组线圈202各相线圈分别接入驱动器装置301，所述驱动器装置301包括六个线性驱动器；

3）驱动器分别给第一组线圈201各相线圈通入电流I₁₁、I₁₂和I₁₃，给第二组线圈202各相线圈通入电流I₂₁、I₂₂和I₂₃，并且通入电流满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{11}+I_{12}+I_{13}=0\\ I_{21}+I_{22}+I_{23}=0\end{array}\right.;$

4）经过上述步骤1）到步骤3），动子平台103运动到初始零位的位置，系统每次上电工作前，依照步骤1）至步骤3）进行初始零位的确定，此时，系统的测量设备正常工作，驱动装置切换到平面电机正常工作状态下。

上述定位到初始零位的步骤1）中所述动子平台103下方四组线圈中的三相线圈均采用星型连接方式，设三相线圈电流分别为I₁、I₂、I₃，则三相线圈的电流应满足：I₁+I₂+I₃=0；动子平台在给定电流下回到初始零位的原理如下：

设一组线圈在任意位置时，三相线圈所受到的力分别为F₁、F₂和F₃，其中：

其中，表示初始相位，τ_n表示磁钢阵列102的极距，x为线圈中心相对于磁钢阵列102坐标系的位移，d为相邻两相线圈的中心距，满足以下关系：

$\widehat{\mathrm{\&Phi;}}=B_0\exp (-\frac{\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&tau;}}_n}{z}_c)K_{\mathrm{Fx}}$

其中，z_c为气隙高度，B₀为磁钢阵列102中心磁场强度的一半，K_Fx为结构参数，与结构有关；

则线圈受到的合力为：

将上式等于0，可求解出与之对应的位移量x，也即在磁场中存在一点使得线圈受力为零，该点即为初始零位。

本发明的技术特征还在于设一组线圈各相中通入电流大小为I₁、I₂和I₃，设受到最大的线缆扰动转矩为T_n，动子平台103的质心到线圈阵列200中心受力力臂为L，线圈提供的驱动力为F，线圈能承受的最大持续电流为I_max，符合下列表达式：

$\left\{\begin{array}{c}2\mathrm{FL}\&GreaterEqual;T_n\\ \max (I_1,I_2,I_3)<I_{\max }\end{array}\right..$

采用本发明的一种气浮平面电机动子平台初始零位的定位方法，能通过设置简单的线圈通电方式，让动子平台103的运动到其初始零位处，为系统的后续控制调试工作提供基础，给此类型运动系统（如气浮平面电机）提供了一种简单、便捷的动子平台零位确定方法。本发明的思路及效果对包含磁钢阵列102的气浮平面电机在动子平台103定位方面的研究和发展具有重要的实际意义。

Claims (2)

1.一种气浮平面电机初始零位的定位方法，所述气浮平面电机包括定子平台（101）和动子平台（103），定子平台（101）上方固定安装磁钢阵列（102），动子平台（103）采用气浮轴承（205）支承，动子平台（103）下表面固定安装线圈阵列（200），所述线圈阵列（200）包括结构相同的四组三相线圈，其中第一组线圈（201）和第三组线圈（203）长边沿Y方向，第二组线圈（202）和第四组线圈（204）长边沿X方向，每组三相线圈均采用星型连接方式，所述初始零位为线圈坐标系与磁场坐标系无转角的位置，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

1）在动子平台（103）的四组线圈中，选取两组相互垂直线圈，设选取的线圈为：第一组线圈（201）和第二组线圈（202）；

2）第一组线圈（201）各相线圈和第二组线圈（202）各相线圈分别接入驱动器装置（301），所述驱动器装置（301）包括六个线性驱动器；

3）驱动器分别给第一组线圈（201）各相线圈通入电流I₁₁、I₁₂和I₁₃，分别给第二组线圈（202）各相线圈通入电流I₂₁、I₂₂和I₂₃，并且通入电流满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{11}+I_{12}+I_{13}=0\\ I_{21}+I_{22}+I_{23}=0\end{array}\right.;$

4）经过上述步骤1）到步骤3），动子平台（103）运动到初始零位的位置，系统每次上电工作前，依照步骤1）至步骤3）进行初始零位的确定，此时，系统的测量设备正常工作，驱动装置切换到平面电机正常工作状态下。

2.根据权利要求1所述的一种气浮平面电机初始零位的定位方法，其特征在于，设一组线圈各相中通入电流大小为I₁、I₂和I₃，设受到最大的线缆扰动转矩为T_n，动子平台（103）的质心到线圈阵列（200）中心受力力臂为L，线圈提供的驱动力为F，线圈能承受的最大持续电流为I_max，符合下列表达式：

$\left\{\begin{array}{c}2\mathrm{FL}\&GreaterEqual;T_n\\ \max (I_1,I_2,I_3)<I_{\max }\end{array}\right..$