TWI497898B - 電動機的換向方法 - Google Patents

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Description

電動機的換向方法
本發明係關於一種電磁推進和導向驅動的換向系統和方法，特別係關於一種用於磁懸浮材料運送的平臺。
圖1所示是一個傳統基板處理裝置的平面示意圖。如圖1所示，設備的處理模組沿著徑向置於處理設備之運送室四周。一個運送裝置，可以是一傳統的兩軸或三軸移動裝置，諸如自動機械(機器人)，安置於運送室中央，從而在兩個處理模組之間運送基板。如所周知，處理裝置的生產能力受限於運送裝置的處理速度。另外，傳統的自動機械需要大量的活動元件，包括機械關節，機械臂，電動機及編碼器等。傳統的自動機械一般具有有限的自由度，並且為了提供動力和控制通常需要破壞輸送室的外殼層。本發明之實施例可解決習知技術的這些及其它問題。
本發明之實施例係涉及一種電動機的整流方法，包括計算一調整電角度，及使用該調整電角度於一組常用整流方程式中，從而使這一組整流方程式能夠在電動機內產生一維方向和二維方向的作用力。
在另一實施例中，整流電動機的方法包括計算一調整電角度，並將該調整電角度代入整流方程中以對電動機繞組進行換向，從而在電動機中產生至少一維方向的作用力，其中確定調整電角度，從而使在電動機中一個至少沿一維的方向產生作用 力的換向方程，與在電動機中兩個至少沿一維的方向同時產生作用力的換向方程等價。
在另一實施例中，用於電動機換向的裝置包括用於計算電角度調整的電路，和一個信號放大器，其可將電角度調整用於一組常用換向方程中，從而使這一組常用換向方程能夠在電動機內一維方向和二維方向上均產生作用力。
還是在另一實施例中，電動機具有用控制器進行換向的繞組，控制器包含計算電角度調整的電路，和一個信號放大器，其可將電角度調整用於一組常用換向方程中，從而使這一組常用換向方程能夠在電動機內一維方向和二維方向上均產生作用力。
還是在進一步的實施例中，基板處理裝置具有一個用來對電動機進行換向的控制器，該控制器包含計算電角度調整的電路，和一個信號放大器，其可將電角度調整用於一組常用換向方程中，從而使這一組常用換向方程能夠在電動機內一維方向和二維方向上均產生作用力。
圖2A顯示一個適合實施本文所揭示的實施例的示範性基板處理裝置10的平面示意圖。雖然此實施例是關於基板處理，但是應知該實施例可有許多備選形式，包括磁力輸送物體的任何系統。另外，可採用任何合適的尺寸、形狀或類型的元件或材料。
本發明之實施例涉及到一種用於磁懸浮材料輸送平臺的推進和導向系統。電動機作用力方程和電動機換向方程可被用 於二維和三維的電動機結構，包括基於特定推進力和導向力來計算電動機控制參數的表示式。
本發明之實施例包括利用電角度調整通過電角度偏移來驅動一套常用換向函數，以便用相同的電動機換向函數可沿x－方向產生至少一維推進力，可產生二維作用力，二維作用力包括一個沿x－方向的推進力和一個沿y－方向的導向力，還可產生三維作用力，三維作用力包括沿著x－方向和z－方向兩個方向的推進力以及沿y－方向的導向力。
換句話說，通過使用電角度偏移值來調整電角度，運用一套普通的換向方程可在電動機內產生至少一維、二維和三維作用力。
特別是，為二維電動機結構提供電動機作用力方程、電動機換向方程、以及電動機控制參數計算，便可利用洛倫茲力產生沿x－方向的推進力，利用洛倫茲力和麥克斯韋力產生沿y－方向的導向力。另一實施例中，為二維電動機結構提供電動機作用力方程、電動機換向方程、以及電動機控制參數計算，便可利用洛倫茲力產生沿x－方向的推進力，利用麥克斯韋力產生沿y－方向的導向力。仍在另一實施例中，為二維電動機結構提供電動機作用力方程、電動機換向方程、以及電動機控制參數的計算，便可利用洛倫茲力產生沿x－方向的推進力和沿y－方向的導向力。
類似的，為三維電動機結構，提供電動機作用力方程、電動機換向方程以及電動機控制參數計算，便可利用洛倫茲力產生沿x－方向的推進力，沿z－方向的提升力，而利用洛倫茲力和 麥克斯韋力可產生沿y－方向的導向力。另外的實施例中，為三維電動機結構，提供電動機作用力方程、電動機換向方程以及電動機控制參數計算，便可利用洛倫茲力產生沿x－方向的推進力和沿z－軸方向的提升力，利用麥克斯韋力產生沿y－方向的導向力。還是在另一實施例中，為三維電動機結構，提供電動機作用力方程、電動機換向方程以及電動機控制參數計算，便可全利用洛倫茲力產生沿x－方向的推進力，沿z－方向的提升力，以及y－方向的導向力。
在更進一步的實施例中，包括電動機作用力方程、電動機換向方程以及電動機控制參數計算，此實施例對應伴隨開環回路穩定化的換向，包括開環滾轉穩定回路穩定化，伴隨離散力的開環回路傾斜穩定化，以及伴隨分佈力的開環回路傾斜穩定化。
再次回到圖2A，基板處理裝置10可能包含多個負載口12，一個環境前端模組(EFEM)14，負載鎖16，一個輸送室18，一個或多個處理模組20以及一個控制器200。
EFEM 14中可包含基板運送裝置(圖中未標明)，能夠將基板從負載口12運送到負載鎖16。負載口12能支援多個基板貯存罐，例如傳統FOUP罐或者其他任何合適基板貯存罐。EFEM 14通過負載鎖16與輸送室18相接。EFEM 14還可具有基板同軸校準能力、批量處理能力、基板和運輸工具的識別能力或其他能力。在備選實施例中，負載鎖16可直接與負載口12介面相接，負載鎖16具有批量處理能力，或負載鎖具有將晶片從FOUP罐向負載鎖進行直接輸送的能力。在備選實施 例中，還可提供其他負載口和負載鎖結構。
仍參照圖2A，處理裝置10可用於處理半導體基板，例如200mm、300mm、450mm的晶片、平板顯示器或任何其他適宜的基板。每一處理模組都能通過諸如蝕刻、電鍍、沉積、平板印刷及和任何其他基板處理技術來處理一個或多個基板。
輸送室18至少集成了一個基板運送裝置22。在本實施例中，處理模組20被安裝在輸送室18兩側，但是在其他實施例中，處理模組20可被安裝在箱體的一側，也可安裝在一行或垂直面彼此相對的位置上，還可被彼此間隔地安裝在輸送室18的對邊上，或彼此靠近堆積在垂直方向上。
運送裝置22通常包含一個位於輸送室18中單個箱體24，其用於在負載鎖16和處理模組20之間或在處理箱20中輸送基板。在備選實施例中，可在運送裝置中使用多個箱體。此外，可按需要提供任何長度的輸送室18並可以在輸送室上耦合任何所需數目的處理模組20。輸送室18也可按需要支援任何數目的運送裝置22，可允許運送裝置22彼此互不干擾地抵達輸送室18上所需的任何處理模組20。
本發明之實施例中，輸送室18一般是六面體構型的，然而在備選實施例中，箱體還可以具有其他合適的構型。輸送室18的縱向側壁18S上開有小口，可以允許基板穿入或穿出處理模組20。輸送室18可容納不同的環境條件，諸如大氣、真空、超真空，惰性氣體或其他條件，整個箱體環境均與各種連接其上的處理模組的環境保持一致。儘管所示的是一單個輸送室18，然而必須認識到，任何數目的輸送室可以任何結構進 行連接來提供基板處理。另外必須認識到，輸送室可在一個或多個處理模組20、負載鎖16、甚至負載口內進行擴展，或者這一個或多個處理模組20、負載鎖16、以及負載口可擁有自己的可連接於輸送室18上的輸送室，以允許運送裝置把基板放入處理模組或把基板運送至處理模組。
運送裝置22可與輸送室18結合，以便箱體24能在箱體18F前部與箱體18B後部間沿x－軸進行平移。運送裝置也可沿垂直於x－軸的y－軸提供推進力。在其他實施例中，運送裝置22可沿x－軸和伸出頁面，並與x和y－軸垂直的z－軸方向平移箱體，以及提供沿y－軸的推進力。
箱體24可使用自身或其他適於基板輸送的機械裝置來輸送基板。例如，箱體24可包含一個或多個末端執行器以便把持一張或多張基板，另外還包含一個關節臂，或一個可移動輸送機械裝置以伸長或收縮末端執行器，從而達到從處理模組或負載鎖中拾取或釋放基板的目的。在一些實施例中，箱體24可由安裝在側壁18S上的線性支架或驅動器導軌所支援，這些裝置包含輸送室的底部或頂部，可擴展箱體長度，以使箱體24能穿越於整個箱體範圍內。
輸送室18可包含多個輸送分區18'、18"，例如，側軌、旁軌或磁懸浮區域，其將允許多個運送裝置相互越過。輸送分區可位於與處理模組相關的水平面所限定的區域中。另外，輸送分區還可位於與處理模組相關的垂直面所限定的區域中。
參考圖2B，控制器200包含一個CPU 210，該CPU至少具有一個電腦可讀介質215，其可利用程式進行控制器200的 控制操作。也可使用一個多路開關220以及其他的電子驅動裝置225，其中包括下述所用的繞組驅動放大器230。電子驅動裝置225和電腦可讀介質215可提供硬體和程式的任何組合以實現下述函數和方程，來實現根據本發明之實施例的換向函數。必須瞭解的是，本發明之實施例內容所述的電路包括硬體、軟體或程式，或是其中兩者的任何組合。介面235可包含於接收指令中，該指令與運送裝置的位置或者被施加的作用力相關。指令可從用戶、連接於輸送裝置上的感測器、基板處理裝置中的其他控制器、以及控制多個基板處理裝置的控制系統處接收。
控制器200以如下所述驅動繞組，將產生各種作用力。從而，控制器200可驅動繞組，並為控制開放和閉合回路，主動產生所需的推進力、提升力和導向力的組合。
本發明之實施例可使用一個或多個線性驅動系統，其將同時驅動和懸浮運送裝置，以便運送裝置可沿水準和垂直方向獨立移動。因此，多個運送裝置能互相通過，彼此獨立地輸送基板。在一些實施例中，每一運送裝置可被專門的線性驅動電動機所驅動。本發明之實施例可額外或交替使用一個或多個轉動驅動系統，其將同時驅動和懸浮運送裝置，以便運送裝置可沿水準和垂直方向獨立移動。
圖3是適於實施本發明之實施例的電動機結構的橫截面透視圖。電動機可按要求進行定向(例如，圖中所示的結構是頂視圖)。在圖3所示的示範性實施例中，示意性說明了根據本發明之實施例的線性推進和導向系統320，例如適用於驅動 運送裝置22的系統。線性推進和導向系統320一般包括繞組裝置322，其用於驅動壓板324(例如沿箭頭X所示的X－方向)。在一些實施例中，壓板324沿z－方向可由一適宜的機械裝置或結構進行支撐(圖中未示出)。在本實施例中，繞組裝置322可被安裝於側壁330的外面或裏面(包括輸送室18的頂部、側部以及底部)，並與箱體隔離，也可通過側壁330與壓板324相隔離(繞組的一部分322可插入到壓入器322和壓板324之間)。在其他實施例中，電動機繞組可被安裝在輸送室18的內部。
壓板324可包含諸如一個或多個磁體334，以通過繞組裝置322銜接壓板324。需認識到，在備選實施例中，永久磁體可被安裝於定子上，而繞組可被安裝於驅動壓板上。一個感測器336，例如一個磁阻感測器或霍爾效應感測器，可被用來感測壓板324中磁體的存在，以確定正確的換向。另外，可使用感測器336精確測定壓板324的位置。
可提供一個位置回饋裝置340來獲取精確的位置回饋。例如，裝置340可以是感應或光學裝置。以感應裝置為例，可使用激發光源342激發繞組或光柵346並通過光柵346間的耦合以感應並輸送回接收器344中。相位和振幅的相對關係可被用來測定壓板324的位置。一個識別標籤347，例如一個可被讀出裝置348讀取的紅外標識，將會被提供給合適的檢測站，並通過檢測站確定壓板的識別資訊。
在其他實施例中，繞組裝置322可安裝在壓板324上，同時，一個或多個磁體334可安裝在側壁330的外面或裏面(包 括輸送室18的頂部、側壁和底部)。這一個或多個磁體334可與箱體隔離，也可通過側壁330與壓板324隔離。在其他實施例中，這一個或多個磁體334可安裝在輸送室18的內部。
圖4所示是根據另一示範性實施例的電動機結構示意圖。圖中所示是根據本發明之實施例的一個示範性轉動推進和導向系統410的頂視圖。轉動推進和導向系統410包括一個帶有一繞組裝置422的定子415，該繞組將以轉子的形式，沿切線方向(圖4中以箭頭標明)驅動壓板425。示範性實施例中所示的定子和轉子可定義包含多個二維電動機組件的三維電動機(T方向上以及X，Y－方向上作用力)，二維電動機將在下面進行詳述。壓板或轉子425在z－方向(垂直於頁面所在平面)上可由一適宜的機械裝置或結構進行支撐。在本實施例中，定子415可被安裝在側壁330(圖3)的外側或裏側，包括輸送室18的頂部，側部以及底部，定子可與箱體隔離，或通過側壁330與壓板324隔離。在其他實施例中，定子415可安裝在輸送室18的內部。
磁體可以任何合適的構型分佈於壓板425上。顯而易見，在備選實施例中，繞組被安置於轉子上，永久磁體被安置於定子上。本發明之實施例中包含至少兩塊磁體以通過繞組裝置422銜接壓板425。一個或多個諸如磁阻感測器或霍爾效應感測器的感測器435，可被用來感應壓板425中磁體430的存在，以決定正確的換向。另外，可使用感測器435來精確測定壓板425的位置。
另外，可使用感測器435精確測定壓板425的位置。在 另外的實施例中，繞組裝置422可被安裝在壓板425上，而磁體430可被安裝在定子415上。安裝於磁體430上的一個或多個定子可與箱體隔離，也可通過側壁330與壓板隔離。在另外的實施例中，磁體430可安裝在輸送室18的內部。
圖5所示是繞組裝置322，422的示範性星形聯結結構(見圖3和4)。繞組322，422可包含諸多相位，例如三個相位，相位0(350)，相位1(355)和相位2(360))，並可被放大電路365驅動。
圖6所示是繞組裝置322，422的示範性三角形連接結構，其也可包含諸如三個相位的多個相位，並可被放大電路370驅動。
圖7A－7D所示是作用在驅動器321，422(仍見圖3和4)與壓板324，425間的力向量，該力向量用箭頭加以標明，其將利用示範性實施例中的洛倫茲力提供x－方向上的推進力，同時利用麥克斯韋力提供y－方向上的導向力。儘管圖7A－7D所示是線性推進裝置320的情況，然而此力向量也可被應用到轉動推進裝置410中。圖7A和7B所示作用在驅動器321，422與壓板324，425間的力向量，從根本上產生了作用於x－方向上的推進力，同時還伴隨作用於y－方向的麥克斯韋分量，而圖7C和7D所示作用於壓板324，435間的力向量，則對應不同工作特性會產生作用於y－方向上的特定導向力。對於線性推進裝置320，外加作用力將在x－方向上控制壓板324關於驅動器321的相對位置，或在y－方向上控制其關於驅動器321和壓板324之間的間隙。對於轉動推進裝置410，外加作用力將會控 制壓板425在切線T方向上(見圖4，其與圖3中的x－方向基本相符)的相對轉動位置，其在此實施例中被定義為一個在x和y－軸所在平面的轉動方向，同時該作用力還將控制壓板425和定子415間的間隙。
圖7A－7D所示實施例中的壓板324，425可由鐵磁性材料構成。一個或多個永久磁體334，430可包含交變性的永久磁體710。
對於本示範性實施例，基於特定推進力和導向力的電動機作用力方程，電動機換向方程以及電動機控制參數的計算運算式可如下表示為：電動機作用力方程：
其中：Fx ＝x－方向上產生的合力(N)Fy ＝y－方向上產生的合力(N)Fxj ＝j相在x－方向上產生的作用力，j＝0，1，2(N)Fyj ＝j相在y－方向上產生的作用力，j＝0，1，2(N)ij ＝通過j相的電流，j＝0，1，2(N)Kfx ＝x－方向上的洛倫茲相力常數(N/A)KfyL ＝y－方向上的洛倫茲相力常數(N/A) KfyM ＝y－方向上的麥克斯韋相力常數(N/A2 )x＝x－方向上的位置(m)y＝y－方向上的位置(m)θ＝電角度(rad)
電動機換向方程可如下表示為：ij ＝I sin[θ(x)－△＋(2π/3)j],j＝0,1,2 (1.3)
此處I和△決定電動機作用力向量的大小和方向。並且：I＝相電流幅值(A)△＝電角度偏移值(rad)
從式(1.3)的研究分析可知，此發明之實施例的示例中中包含使用電角度偏移值△調整電角度θ，從而在產生沿x－軸推進力的同時，獨立可控地產生沿y－軸的導向力。因此，通過以電角度偏移值△調整電角度θ，用來產生一個純推動力的相同電動機換向方程，也可用來產生彼此間完全獨立可控的一個推動力和一個導向力。
使用空間向量調節(space vector modulation，SVM)可產生符合方程(1.3)的正弦位相電流，例如對於繞組的星形聯結結構，其目的是最大限度利用母線電壓。
因而產生於在x－軸和y－方向上的電動機作用力可如下表示為：Fx ＝1.5IKfx (y)cos(△) (1.4) Fy ＝1.5I[KfyL (y)sin(△)＋IKfyM (y)] (1.5)
在式(1.4)和(1.5)中，可得到如下完全獨立的電動機控制參 數I和△：
這裏
並且
對應本發明之實施例的意圖，於此描述的所有反正切函數(atan)也可表示為一個四象限的反三角函數(atan2)。
不等式(1.18)對所需作用力施加了限定條件。這就意味著，為瞭解出I及△，必須滿足此限定條件。考慮到式(1.13)， (1.14)及(1.15)，不等式(1.18)可被改寫為：
限定條件(1.19)表明在示範性實施例中，施加一個沿x－方向上所需的作用力，將產生一個對應沿y－方向作用力的最小物理極限值。
本實施例中圖7A－7D所示的壓板324和驅動器321之間通常需保持彼此間高度平行。例如，可採用任何適合的結構，體系或技術以保證二者的平行。圖7A－7D所示的力向量對應施加於繞組0相，1相，2相上不同的位置相關電流，將產生x－方向上的推進分量和y－方向上的導向分量。
顯而易見，繞組裝置322，422和磁性壓板324，425之間存在著明顯的麥克斯韋力，因此可以利用一個額外的機械裝置以在相反方向上產生一個作用力。這是可以實現的。例如，可以通過使用另一同類型的繞組裝置以鏡像結構(圖中未顯示)放置來實現。在示範性實施例中，由於限制條件(1.19)，推進力和導向力之間可能有一定的耦合。例如，使用電流以產生某些特定推進力的同時也可能會產生一部分導向力。如果需要，以鏡像構型佈置的同類型附加繞組裝置，可用來平衡額外的導向力，從而在X－方向和Y－方向上分別產生任何大小的完全退耦合作用力。
圖8所示是對應此二維實施例的求解過程800。求解過程800可由任何硬體和軟體的組合來執行。測得的壓板324，425 的x－位置座標805可從位置回饋裝置340(圖3)中重新獲取，並被提供給電角度測定電路810。電角度測定電路或程式810將測得的x－位置座標805乘以2π及繞組裝置的螺距322(圖3B)，用以確定電角度θ。測得的y－位置座標820可從位置回饋裝置340(圖3)中重新獲取，並被提供給相力常數測定模組825，在此，將得到的x－方向以及y－方向上洛倫茲力和麥克斯韋力的預定相力常數。測定結果以及x－軸和y－方向上所需的作用力827會被運用到控制參數電路或程式830中，其將利用方程(1.22)和(1.23)以提供控制參數I及△。將電角度θ815及控制參數I及△運用到換向函數835中，就將利用方程(1.3)來為每一個繞組相提供換向電流i。
圖9A到9D所示是作用在驅動器321(仍見圖3)及壓板324間的力向量，該力向量用箭頭加以標明，其將對應施加於繞組0相，1相，2相上不同的位置相關電流，利用洛倫茲力提供x－方向上的推進分量，同時利用麥克斯韋力提供y－方向上的導向分量。更進一步說，圖9A和9B所示作用於壓板324和425上的力向量，從根本上導致最大推進作用力的生成，而圖9C和9D所示的作用於壓板324，435間的力向量則特定產生y－方向上的導向力。類似於圖7A－7D所示的實施例，圖9A－9D所示實施例中壓板324，435可能是由鐵磁性材料所構成的，永久磁體334，430可能包含交變極性的永久磁體910，而線圈裝置322，422有三相。
在此實施例中，將於x－y平面產生一個力向量，該向量包括一個x－方向的推進分量和一個y－方向的導向分量。在線性 推進實施例320中，力向量將在x－方向上控制壓板324關於驅動器321的相對位置，或在y－方向上控制其關於驅動器321和壓板324之間間隙的相對位置。在轉動推進實施例410中，外加作用力將會控制壓板425在x－方向上的相對轉動位置，其在此實施例中被定義為一個在x和y－軸所在平面的轉動方向，同時該作用力還將控制壓板425和定子415間的間隙。
正如上面所提到的，在線性推進力實施例320中，壓板324在z－軸方向上可由一適宜的機械裝置或結構進行支撐。在轉動推進力實施例410中，壓板或轉子425在z－軸方向上(垂直於頁面所在平面)可由一適宜的機械裝置或結構進行支撐。
圖9A－9D所示的實施例利用洛倫茲力做推進力，利用麥克斯韋力做導向力。我們可假定沿－y軸的洛倫茲分量相對于麥克斯韋分量可忽略不計。正如上面所提到的，繞組裝置和磁性壓板間存在著明顯的麥克斯韋力，因此需要利用另一個機械裝置(圖中未顯示)在相反方向上產生一個作用力。而這是可以實現的。例如，可以通過使用另一同類型的繞組裝置以鏡像結構(圖中未顯示)放置來實現。如前面所述，推進力和導向力間的退耦合可產生所需的任何推進力，這能按照需要，通過鏡像構型佈置的同類型附加繞組裝置來實現。
對應圖9A－9D實施例中的電動機作用力方程可如下表示為：
這裏Fx ＝x－方向上產生的合力(N)Fy ＝y－方向上產生的合力(N)Fxj ＝j相在x－方向上產生的作用力，j＝0，1，2(N)Fyj ＝j相在y－方向上產生的作用力，j＝0，1，2(N)ij ＝通過j相的電流，j＝0，1，2(N)Kfx ＝x－方向上的洛倫茲相力常數(N/A)Kfy ＝y－方向上的相力常數(N/A2 )x＝x－方向上的位置(m)y＝y－方向上的位置(m)θ＝電角度(rad)
電動機換向方程可如下表示為：ij ＝I sin[θ(x)－△＋(2π/3)j],j＝0,1,2 (2.3)
這裏I和△是控制參數，並且：I＝相電流幅值(A)△＝電角度偏移值(rad)
值得注意的是方程(2.3)與方程(1.3)是相同的，並且以電角度偏移值△來調整電角度θ會產生沿y－方向的導向力和沿x－方向的推進力。因此，通過以電角度偏移值△來調整電角度θ，可使原本用來產生一個純推動力的電動機換向方程，也能被用 來產生彼此間完全獨立可控的一個推動力和一個導向力。
對於星形結構的繞組裝置322，使用空間向量調節可產生符合方程式(2.3)的正弦位相電流。
電動機作用力結果為：Fx ＝1.5IKfx (y)cos(△) (2.4) Fy ＝1.5I2 Kfy (y) (2.5)
而耦合了推進力和導向力的電動機作用力可如下表示為：
於是可得到對應x－軸和y－方向上特殊作用力的獨立控制參數I和△： △＝acos{Fx /[1.5IKfx (y)]} (2.9)
圖9A所示是示範性向量915，920，925，930，向量以零值電角度(θ)，零值電角度偏移(△)，通過相位0的零值電流，通過相位1值為I sin(2π /3)的電流，以及通過相位2的值為I sin(4π /3)的電流，來驅動相位以產生沿x－方向的作用力，這裏沿x－方向產生合力(Fx )為1.5IK fx ，而沿y－方向產生的合力(Fy )為 1.5I 2 K fy 。
圖9B所示是示範性向量932、934、936、938、940、942，向量以角度值為π /2的電角度(θ)，零值電角度偏移(△)，通過相位0值為I的電流，通過相位1值為I sin(7π /6)的電流，和通過相位2的值為I sin(11π /6)的電流，來驅動相位以產生沿x－方向的作用力，這裏沿x－方向產生合力(Fx )為1.5IK fx ，而沿y－方向產生的合力(Fy )為1.5I 2 K fy 。
圖9C所示是示範性向量944、946、948、950、952、954,向量以零值電角度(θ)，偏移值為π /2的電角度偏移(△)，通過相位0值為－I的電流，通過相位1值為Isin (π/6)的電流，和通過相位2的值為Isin (5π/6)Isin (π/6)的電流，來驅動相位產生沿y－方向的作用力，這裏，沿x－方向產生的合力(Fx )為0，而沿y－方向產生的合力(Fy )為1.5I 2 K fy 。
圖9D所示是示範性向量956、958、960、962，向量以角度值為π /2的電角度(θ)、偏移值為π /2的電角度偏移(△)、通過相位0值為0的電流、通過相位1值為Isin (2π/3)的電流、和通過相位2的值為Isin (4π/3)的電流，來驅動相位產生沿y－方向的作用力，這裏，沿x－方向上的合力(Fx )為0，而沿y－方向上的合力(Fy )為1.5I 2 K fy 。
圖10所示是對應上述通過實施換向在x－方向上以洛倫茲力產生推進分量，並在y－方向上以麥克斯韋力產生導向分量的示範性求解過程1000的原理圖。求解過程1000可由任何硬體和軟體的組合來執行。測得的壓板324、425的x－位置座標1005可從位置回饋裝置中重新獲取(圖3)，並被提供給電角度測 定電路或程式1010。電角度測定電路或程式1010會將測得的x－位置座標1005乘以2π和繞組裝置322(圖3B)的螺距以確定電角度θ1015。測得的y－位置座標1020可從位置回饋裝置340(圖3)中重新獲取，並被提供給相力常數測定模組1025，在此，可得到預測定的對應x－軸和y－方向上的相力常數。測定結果以及x－軸和y－方向上所需的作用力1027會被運用到控制參數電路或程式1030中，其將利用方程(2.8)和(2.9)以提供控制參數I和△。將電角度θ1215及控制參數I和△運用到換向函數1035中，其就將利用方程(2.3)從而為每一個繞組相提供換向電流i。
圖11A－11D所示是作用在驅動器321(見圖3)及壓板324間的力向量，該力向量用箭頭加以標明，其將利用洛倫茲力提供x－方向上的推進分量，同時利用麥克斯韋力提供y－方向上的導向分量。進一步說，符合另一示範性實施例的圖11A和11B，其所示作用於驅動器321，422和壓板324，425間的力向量，主要導致了x－方向推進力的生成，而圖11C和11D所示的作用于作用於驅動器321，422和壓板324，425間的力向量，則將特定形成y－方向的導向力。圖11A－11D所示實施例中，壓板324，435(見圖3－4)可能是由非磁性材料所構成的，而永久磁體334，430可能包含交變極性的永久磁體1110。在線性推進實施例320中，驅動器321也可由非磁性材料構成。在轉動推進實施例410中，定子415可由非磁性材料構成。
本實施例將在x－y平面上產生一個力向量，該力向量包括沿x－方向的一個推進分量和沿y－方向的一個導向分量。
在線性推進實施例320中，其能以獨立的方式在x－方向上控制壓板324關於驅動器321的相對位置，並在y－方向上控制其關於壓板324和驅動器321間間隙的相對位置。如上所述，壓板324和驅動器321需被加以控制以保持二者間高度平行，例如，使用任何適宜的機械裝置來進行控制。類似地，在轉動推進力實施例410中，作用力將會控制壓板425在x－方向上的相對轉動位置，其在此實施例中被定義為一個在x和y－軸所在平面的轉動(例如切線)方向，同時該作用力還將控制壓板425和驅動器422間的間隙。顯而易見，關於整個定子的間隙是一個二維量(向量)，而關於單獨驅動器元件的間隙是一個標量，其可受給定的驅動器元件的控制(儘管其他的驅動器也能起作用)。壓板或轉子425在z－軸方向(垂直於頁面所在平面)上可由一適宜的機械裝置或結構進行支撐。
本實施例所使用的洛倫茲力，是通過向處於永久磁體磁場中的繞組施加位置－依賴電流而產生的。
可使用如下的電動機作用力方程：
這裏Fx ＝x－方向上產生的合力(N)Fy ＝y－方向上產生的合力(N) Fxj ＝j相在x－方向上產生的作用力，j＝0，1，2(N)Fyj ＝j相在y－方向上產生的作用力，j＝0，1，2(N)ij ＝通過j相的電流，j＝0，1，2(N)Kfx ＝x－方向上的洛倫茲相力常數(N/A)Kfy ＝y－方向上的相力常數(N/A)x＝x－方向上的位置(m)y＝y－方向上的位置(m)θ＝電角度(rad)
在示範性實施例中，電動機換向方程如下所示：ij ＝I sin[θ (x)－△＋(2π /3)j],j＝0,1,2 (3.3)
這裏I和△分別控制電動機作用力向量的大小和方向，亦即：I＝相電流幅值(A)；並且△＝電角度偏移值(rad)
需要注意的是，方程(3.3)、(2.3)和(1.3)是等價的。從而，類似於以上的實施例，使用電角度偏移值△來調節電角度θ ，會產生一個沿y－方向的導向力和一個沿x－方向的推進力。因此，通過以電角度偏移值△調整電角度θ ，可使原本用來產生一個純推動力的相同電動機換向方程，也可被用來產生彼此間完全退耦合的一個推動力和一個導向力。
對於星形結構的繞組裝置322，422，使用空間向量調節可產生符合方程(3.3)的正弦位相電流。
電動機作用力結果如下所示： Fx ＝1.5IKfx (y)cos(△) (3.4) Fy ＝1.5IKfy (y)sin(△) (3.5)
於是可得到獨立控制參數I和△的數值： △＝atan[Fy Kfx (y),Fx Kfy (y)] (3.7)
圖11A所示是示範性向量1115、1120、1125、1130，向量以零值電角度(θ)、零值電角度偏移(△)、通過相位0的零值電流、通過相位1值為I sin(2π /3)的電流、以及通過相位2的值為I sin(4π /3)的電流，來驅動相位以產生沿x－方向的作用力，這裏沿x－方向產生的合力(Fx )為1.5IK fx ，而沿y－方向產生的合力(Fy )為0。
圖11B所示是示範性向量1132、1134、1136、1138、1140、1142，向量以角度值為π /2的電角度(θ)、零值電角度偏移(△)、通過相位0值為I的電流、通過相位1值為I sin(7π /6)的電流，和通過相位2的值為I sin(11π /6)的電流、來驅動相位以產生沿x－方向的作用力，這裏沿x－方向產生的合力(Fx )為1.5IK fx ，而沿y－方向產生的合力(Fy )為0。
圖11C所示是示範性向量1144、1146、1148、1150、1152、1154，向量以零值電角度(θ)、偏移值為π /2的電角度偏移(△)、通過相位0值為－I的電流、通過相位1值為Isin (π /6)的電流、 和通過相位2的值為Isin (5π/6)的電流，來驅動相位以產生沿y－方向的作用力，這裏沿x－方向產生的合力(Fx )為0，而沿y－方向產生的合力(Fy )為1.5I 2 K fy 。
圖11D所示是示範性向量1156、1158、1160、1162，向量以角度值為π /2的電角度(θ)、偏移值為π /2的電角度偏移(△)、通過相位0值的0值電流、通過相位1值為I sin(2π /3)的電流、和通過相位2的值為I sin(4π /3)的電流，來驅動相位以產生沿y－方向的作用力，這裏沿x－方向產生的合力(Fx )為0，而沿y－方向產生的合力(Fy )為1.5I 2 K fy 。在備選實施例中，通常如圖11A－11D所示，可用鐵磁性材料消除麥克斯韋作用力的影響。
如上所述，圖12所示是通過實施換向產生推進分量和導向分量的求解過程1200的示範性原理圖。求解過程1200可由任何硬體和軟體的組合來執行。測得的壓板324、425的x－位置座標1205可從位置回饋裝置中重新獲取(圖3)，並被提供給電角度測定電路或程式1210。電角度測定電路或程式1210會將測得的x－位置座標1205乘以2π和繞組裝置322(圖3B)的螺距以確定電角度θ1215。測得的y－位置座標1220可從位置回饋裝置340(圖3)中重新獲取，並被提供給相力常數測定模組1225，在此可得到沿x－方向和y－方向的預定相力常數。測定結果以及x－軸和y－方向上所需的作用力1227會被運用到控制參數電路或程式1230中，其將利用方程(3.6)和(3.7)以提供控制參數I和△。將電角度θ1215及控制參數I和△代入到換向函數1235中，其就將利用方程(3.3)從而為每一個繞 組相提供換向電流i。
現在參照圖20A－20D，圖中所示是一個符合另一示範性實施例的電動機透視圖，圖中標注的力向量，作用在驅動器321’和壓板324’之間，並對應不同的反應力條件(例如，圖20A－20B中所示的最大推進力和圖20C－20D所示的最大導向力)和驅動器與壓板間不同的電氣位置(例如θ＝0，θ＝π/2)。在圖20A－20D所示的示範性實施例中，電動機結構與圖3，4，圖7，9，圖11A－11D及前面描述中的結構都基本類似(相似的的特徵也被標上了相似的序號)。在示範性實施例中，壓板上的永久磁陣列2010可被，例如，安裝於鐵磁性基底材料上，以便電動機同時利用洛倫茲和麥克斯韋力。在備選實施例中，可在沒有磁性材料基底的情況下佈置永久磁陣列。在所示的示範性實施例中，驅動器321’繞組排布可以有例如以π/3電間隔進行間隔的相位(例如相位1，相位2，相位3)。顯而易見，換向方程(在示範性實施例中)擁有一般形式：i＝I sin[θ(x)－△＋(π/3)i],i＝0,1,2)
可運用與前述類似的方式(見(1.1)－(1.23))來產生與圖7A－7D、9A－9D、和11A－11D和前述類似的力向量。在備選實施例中，繞組段可通過任何其他適宜的電間隔進行排布。
圖13A是一個擁有多個三維電動機(圖中所示的兩個三維電動機僅作示例)的線性推進系統透視原理圖。圖中所示的示範性線性推進系統將使用洛倫茲力提供沿x－方向的推進力，並使用洛倫茲力和麥克斯韋力提供沿y－方向的導向力。必須瞭解，圖4所示的轉動電動機實施例也適於三維應用中。
圖13A所示的實施例包括位於運送裝置1305一側的繞組裝置1310、1320，以及運送裝置另一側的繞組裝置1315、1325。繞組裝置1310、1315、1320、1325由放大器1330驅動。放大器1330是一個多通道放大器，能夠在繞組裝置1310、1315、1320、1325的單個或一組中驅動單繞組1365。繞組裝置1310和1325可具有相同的取向，繞組裝置1315和1320可成90度角取向進行佈置。
運送裝置1305包含磁性壓板1335、1340。磁性壓板1335、1340可排布為一個永久磁體組，並可分別沿對邊1345、1350進行延伸。在一實施例中，永久磁體組可以面對繞組裝置北極1355南極1360互動式進行排布。一個位置回饋系統，例如，一定數目的霍爾感測器1390、1395可用於辨別位置，例如，輸送室1305的x、y和z軸座標。也可使用其他的感測器系統。
圖13B1－13B2分別顯示了應用於已發明之實施例的永久磁鐵組的不同示範性排布1370、1370’。在圖13B1所示的示範性實施例中，一排磁體與另一排磁體交錯排布，N極和S極朝外。在圖13B2所示的示範性實施例中，磁體以互動式極性關於X－軸呈一定角度成排佈置。也可使用其他的磁體排布。
圖13所示是單繞組1365的示範性排布，例如其排布於繞組裝置1310、1320、1315、1325中(見圖13A)。在此排布中，互動式排列的繞組1365A、1365B呈90度角偏移。在示範性實施例中，繞組可分別沿X和Z軸進行定向。
現在參照圖13D1，這裏所示的是根據另一示範性實施例 的繞組排布示意圖。在圖13D1所示的備選實施例中，給出了兩個繞組段1365A’、1365B’，僅作為示例，例如可被用在圖13A所示的繞組裝置1310、1320、1315、1325中。在備選實施例中，可以有更多或更少的這種繞組段。在示範性實施例中，繞組段可通過按照所需角度對X、Z軸進行傾斜的方式獲得一般四面體構型。繞組段1365A’、1365B’反向對稱傾斜，分別產生圖13D1中所示的作用力Fa 、Fb 。在示範性實施例中，繞組可疊加分佈。在備選實施例中，繞組可擁有任何所需的結構。
圖13D2所示是本發明之實施例的單繞組示範性排布示意圖。在圖13D2中，單繞組1380和1385可彼此間呈90度進行重疊排布。也可採用其他適宜的繞組排布。
再次參考圖13A，電動機作用力方程式可如下表示為：
其中：
可使用以下命名：Fa ＝a－方向上所產生的合力(N)Fb ＝b－方向上所產生的合力(N)Fx ＝x－方向上產生的合力(N)Fy ＝y－方向上產生的合力(N)Fz ＝z－軸方向上所產生的合力(N)FAaj ＝繞組裝置A的j相在a－方向上產生的作用力,j＝0,1,2(N)FAy ＝繞組裝置A在y－方向上產生的合力FAyj ＝繞組裝置A的j相在y－方向上產生的作用力,j＝0,1,2(N)FBbj ＝繞組裝置B的j相在b－方向上產生的作用力,j＝0,1,2(N)FBy ＝繞組裝置B在y－方向上產生的合力FByj ＝繞組裝置B的j相在y－方向上產生的作用力,j＝0,1,2(N)IA ＝為繞組A(A)的相位電流的振幅IB ＝為繞組B(A)的相位電流的振幅iAj ＝通過繞組裝置A的j相的電流,j＝0,1,2(N)iBj ＝通過繞組裝置B的j相的電流,j＝0,1,2(N)KAa ＝繞組裝置A在a－方向上的相力常數(N/A)KBb ＝繞組裝置B在b－方向上的相力常數(N/A) KAL ＝繞組裝置A在y－方向上的洛倫茲相力常數(N/A)KAM ＝繞組裝置A在y－方向上的麥克斯韋相力常數(N/A2 )KBL ＝繞組裝置B在y－方向上的洛倫茲相力常數(N/A)KBM ＝繞組裝置B在y－方向上的麥克斯韋相力常數(N/A2 )x＝x－方向上的位置(m)y＝y－方向上的位置(m)z＝z－軸方向上的位置(m)α ＝繞組裝置A的角取向(rad)γ ＝繞組裝置B的角取向(rad)△A ＝為繞組A(rad)的電角度偏移量△B ＝為繞組B(rad)的電角度偏移量θ A ＝繞組裝置A的電角度(rad)θ B ＝繞組裝置B的電角度(rad)RpA ＝繞組裝置A的相阻(Ohms)RpB ＝繞組裝置B的相阻(Ohms)β ＝繞組裝置A和B之間Y－方向上的耦合平衡係數(無單位)
圖14所示是三維電動機結構實施例的繞組裝置取向，這裏a代表作用力Fa 的方向，b代表作用力Fb 的方向。
可使用以下的電動機換向方程：iAj ＝IA sin[θA (x,z)－△A ＋(2π/3)j],j＝0,1,2 (4.6) iBj ＝IB sin[θB (x,z)－△B ＋(2π/3)j],j＝0,1,2 (4.7)
這裏IA 、△A 、IB 、△B 會控制由繞組裝置A和B產生的力向量的大小和方向。
應該注意到，方程(4.6)和(4.7)與上面所提到的方程(3.3)、(2.3)、和(1.3)類似。因此，通過電角度偏移值△A 、△B 來調整電角度θ A 、θ B ，可使用相同的電動機換向方程，產生x－方向的一維推進力；也可產生包括一個x－方向推進力和一個y－方向導向力的二維作用力，兩力之間完全退耦合；還可產生本實施例中所述包含x－軸和z－軸兩個方向的推進力和一個y－方向導向力的三維作用力，其相互間也是完全退耦合的。
換句話說，通過電角度偏移值△A 、△B 來調整電角度θ A 、θ B ，使用一組常用換向方程可在電動機內產生至少一維、或者二維及三維方向上完全獨立可控的作用力。
對於諸如星形聯結結構的繞組，使用空間向量調節可產生符合方程(4.4)和(4.5)的正弦位相電流。電動機作用力結果可如下表示：Fa ＝1.5IA KAa (y)cos(△A ) (4.8) Fb ＝1.5IB KBb (y)cos(△B ) (4.9) Fx ＝Fa cos(α)＋Fb cos(γ) (4.10) Fz ＝Fa sin(α)＋Fb sin(γ) (4.11)
在使用位移四邊形繞組的實施例中(見圖13D1)：KAa (y)＝KBb (y),KAL (y)＝KBL (y),KAM (y)＝KBM (y) (4.13)
而在使用正交線性繞組的實施例中(見圖13D2)：
繞組裝置的獨立控制參數IA 、IB 和△A 、△B 可如下表示：IA ＝IA (Fa ,FAy ) (4.16) △A ＝△A (Fa ,FAy ) (4.17) IB ＝IB (Fb ,FBy ) (4.18) △B ＝△B (Fb ,FBy ) (4.19)
這裏F α ＝(F x sinγ －F z cosγ )/(cosα sinγ －sinα cosγ ) (4.20)F b ＝(F x sinα －F z cosα )/(sinα cosγ －cosα sinγ ) (4.21)
式(4.16)到(4.19)的求解包括求解IA 、△A 、IB 、和△B ，並提供合適的作用力Fx 、Fz 和Fy 。這可通過諸如以下「力平衡條件」來實現：FAy ＝βFBy (4.22)
這裏
分別是繞組裝置A和B沿y－方向作用力分佈。參數β代表兩繞組裝置間沿y－方向的相對作用力分佈。例如，如果＝1，則兩繞組具有與y－方向作用力分量的相同分佈。這裏假定在任何時間點的.都是已知的，並且其不必為恒定值。
在本示範性實施例中，電動機控制參數可如下表示：
這裏，
並且
推進力和導向力相互耦合的電動機作用力如下表示：
仍參考圖13A，根據示範性實施例，在磁懸浮材料輸送系 統中有一個推進系統，在導向系統相反的一側應有另一個繞組裝置(1310、1325、1320、1315)，其將以相反的符號產生y－作用力，從而可按需要利用控制器有效控制反向繞組(如以前所述)以使y－作用力從x－和z－作用力中完全退耦合。
圖15所示是示範性求解過程1500的原理圖。其通過實施換向用洛倫茲力沿x－方向產生推進力，沿z－軸方向產生提升力，用洛倫茲力和麥克斯韋力沿y－方向上產生導向分量求解過程1500可由任何硬體和軟體的組合來執行。測得的x－軸和z－軸位置座標1505可從接收器1395內重新獲取(圖13A)，並提供給定位轉換電路1510，其會將x－軸和z－軸位置座標轉換成a和b方向的位置(圖14)。轉換結果將提供給電角度測定電路1515。
電角度測定電路1515會將a和b的位置乘以2π和繞組螺距，來確定電角度θa 和θb 的值。測得的y－位置座標1520可從感測器(類似於圖13A所示的感測器1390，1395)內重新獲取，並提供給相力常數測定模組1525，在這裏可得到a和b方向上對應繞組裝置A和B的預定相力常數。另外，還可得到繞組裝置A和B沿y－方向的洛倫茲和麥克斯韋相力常數。x－軸和z－軸方向上所需的作用力1530運用到電路或程式1535中，以利用方程(4.20)和(4.21)來將x－軸和z－軸方向上的力轉換為a和b方向上的力。a和b方向上的作用力，相作用力測定模組1525的測定結果以及y－方向上所需作用力1537運用到控制參數電路或程式1540中，以利用方程(4.56)至(4.59)來得出繞組A和B的控制參數IA 、IB 和△A 、△B 。繞組裝置A和B的 電角度θa 和θb 和控制參數IA 、IB 和△A 、△B 會運用到換向函數1545中，以利用方程(4.6)和(4.7)來為繞組裝置A和B的每一個繞組j相提供換向電流。
圖13A所示的實施例也可通過某種方式設計成：利用洛倫茲力提供x－方向的推進力和z－方向的提升力，利用麥克斯韋力提供y－方向的導向力。
如上所述，電動機作用力方程可如下定義：
這裏KAy ＝繞組A在y－方向上的相力常數(N/A2 )KBy ＝繞組B在y－方向上的相力常數(N/A2 )
也可使用以下電動機換向方程：iAj ＝IA sin[θA (x,z)＋△A ＋(2π/3)j],j＝0,1,2 (5.4) iBj ＝IB sin[θB (x,z)＋△B ＋(2π/3)j],j＝0,1,2 (5.5)
如上所述，方程(5.4)和(5.5)分別同方程(4.6)和(4.7)相同，並與方程(3.3)、(2.3)、和(1.3)相似。通過利用電角度偏移值△A 、△B 來調整繞組裝置的電角度θA 、θB ，相同的電動機換 向方程可用來產生至少一維、或者二維和三維方向上相互間完全退耦合的作用力。正如此處所述的其他實施例，諸如星形聯結結構的繞組裝置，使用空間向量調節可產生符合方程(5.4)和(5.5)的正弦位相電流。
電動機作用力可如下表示：Fa ＝1.5IA KAa (y)cos(△A ) (5.6) Fb ＝1.5IB KBb (y)cos(△B ) (5.7) Fx ＝Fa cos(α)＋Fb cos(γ) (5.8) (5.9)Fz＝Fa sin(α)＋Fb sin(γ) (5.9)
推進力和導向力相互耦合的電動機作用力可如下表示：
在使用位移四邊形繞組的實施例中：KAa (y)＝KBb (y)，KAy (y)＝KBy (y) (5.13)
而在使用正交線性繞組的實施例中：
從而可得到如下繞組裝置A和B的獨立控制參數IA 、IB 和△A 、△B ： △A ＝acos{Fa /[1.5IA KAa (y)]} (5.18) △B ＝acos{Fb /[1.5IB KBb (y)]} (5.19)
這裏F α ＝(F x sinγ －F z cosγ )/(cosα sinγ －sinα cosγ ) (5.20)F b ＝(F x sinα －F z cosα )/(sinα cosγ －cosα sinγ ) (5.21)
圖16所示是示範性求解過程1600的原理圖，通過實施換向利用洛倫茲力在x－和z－方向上產生推進分量，利用麥克斯韋力在y－方向上產生導向分量。求解過程1600可由任何硬體和軟體的組合來執行。測得的x－和z－位置座標1605可從接收器內重新獲取(圖13A)，並提供給定位轉換電路或程式1610，其會將x－軸和z－軸位置座標轉換成a和b方向的位置(圖14)。轉換結果將提供給電角度測定電路1615。
電角度測定電路1615會將a和b的位置乘以2π和繞組螺距，來確定電角度θa 和θb 的值。測得的y－位置座標1620可從感測器(類似於圖13A所示的感測器1390，1395)內重新獲取，並提供給相力常數測定模組1625，在這裏，可得到a和b方向上繞組裝置A和B的預定相力常數。x－軸和z－軸方向上所需的作用力1630運用到電路或程式1635中，利用方程(5.20) 和(5.21)來將x－軸和z－軸方向上的力轉換為a和b方向上的力。x－軸和z－軸方向上所需的作用力1630運用到電路或程式1635中，利用方程(5.20)和(5.21)來將x－軸和z－軸方向上的力轉換為a和b方向上的力。a和b方向上的作用力、相作用力測定模組1625的測定結果以及y－方向上所需作用力1637運用到控制參數電路或程式1640中，利用方程(5.16)至(5.19)來得出繞組A和B的控制參數IA 、IB 和△A 、△B 。對應繞組裝置A和B的電角度θa 和θb 以及控制參數IA 、IB 和△A 、△B 會運用到換向函數1645中，利用方程(5.4)和(5.5)來為繞組裝置A和B的每一個繞組j相提供換向電流。
圖13A所示的實施例也可通過某種方式設計成：利用洛倫茲力提供三維方向上的作用力，即提供x－方向上的推進力、z－軸方向上的提升力、以及y－方向上的導向力。
這樣的電動機作用力方程可表示為： Fy ＝FAy ＋FBy (6.4)
而電動機換向方程如下： iAj ＝IA sin[θA (x,z)－△A ＋(2π/3)j] (6.5) iBj ＝IB sin[θB (x,z)－△B ＋(2π/3)j] (6.6)
這裏j＝0，1和2還是分別代表相位0、1和2，而IA 、△A 、IB 、△B 是對繞組裝置A和B產生的力向量的大小和方向進行控制的獨立參數。
正如其他的實施例，方程(6.5)和(6.6)分別同方程式(5.4)和(5.4)以及方程式(4.6)和(4.7)相同，與方程式(3.3)，(2.3)，和(1.3)相似。通過利用電角度偏移值△A 、△B 來調整繞組裝置的電角度θ A 、θ B ，相同的電動機換向方程可用來產生至少一維、或者二維和三維方向上相互間完全退耦合的作用力。
對於諸如星形聯結結構的繞組裝置，使用空間向量調節可產生符合方程式(6.6)和(6.7)的正弦位相電流。
電動機作用力方程結果如下：Fa ＝1.5IA KAa (y)cos(△A ) (6.7) Fx ＝Fa cos(α)＋Fb cos(γ) (6.8) Fz ＝Fa sin(α)＋Fb sin(γ) (6.9) FAy ＝1.5IA KAy (y)sin(△A ) (6.10) FBy ＝1.5IB KBy (y)sin(△B ) (6.11) Fy ＝1.5[IA KAy (y)sin(△A )＋IB KBy (y)sin(△B )] (6.12)
在使用位移四邊形繞組(見圖13D1)的實施例中：KAa (y)＝KBb (y),KAy (y)＝KBy (y) (6.13)
而在使用正交線性繞組(見圖13D2)的實施例中：
為了用Fx 、Fy 和Fz 表達並解出IA 、△A 、IB 和△B ，引入力的平衡條件可如下所示：FAy ＝βFBy (6.14)
利用某些判據，例如如下所述，可求得參數β，進而控制參數可以如下定義：
這裏：Fa ＝(Fx sinγ－Fz cosγ)/(cosαsinγ－sinαcosγ) (6.19) Fb ＝(Fx sinα－Fz cosα)/(sinαcosγ－cosαsinγ) (6.20)
圖17所示是實施換向的求解過程1700的原理圖，旨在全部利用如上所述的洛倫茲力在x－軸和z－軸方向上產生完全退耦合的推進分量，在y－方向上產生一個導向分量。求解過程 1700與圖16中的求解過程類似，也可由任何硬體或軟體的組合來實現。已測得的x－軸和z－軸位置座標1705可從感測器內重新獲取(類似於圖13A的感測器1390，1395)，並提供給位置變換電路或程式1710，其將x－軸和z－軸的位置座標轉化為a和b的位置(圖14)。此結果提供給電角度測定電路1715，將a和b的位置乘以2π及繞組螺距，用來確定電角度θa 和βb 的值。測得的y－位置座標1720可從接收器1395內重新獲取，並提供給一個相力常數測定模組1725，在這裏可得到沿a、b、及y方向A和B繞組裝置的相力常數。x－軸和z－軸方向上所需的作用力1730應用到電路1735中，利用方程(6.22)和(6.23)，將x和z軸方向上的作用力轉化為a和b方向上的作用力。a和b方向上的作用力，亦即相力常數測定模組1725的運算結果，以及y－方向上所需的作用力1737運用到控制參數電路或程式1740，利用方程(6.19)至(6.22)中，來產生A和B繞組裝置的控制參數IA 、IB 和△A 、△B 。電角度θa 和θb 以及繞組裝置A和B的控制參數IA 、IB 和△A 、△B 運用到換向函數1745中，利用方程(5.4)和(5.5)來為繞組裝置A和B各自的繞組j相提供換向電流ia 和ib 。
以上實施例中所描述的參數.的選擇可通過不同的最優化判據獲得。依據涉及的作用力類型，可使用不同的判據。例如，若僅存在洛倫茲力，則力比值判據更加適合。若與逆起電力(back－electromotive forces，BEMF)的效應相關，則必須修正力比值從而對其進行說明。若還與麥克斯韋力相關，則參數.可基於相幅值電流比進行選擇。另外的判據可基於繞組消耗的 功率。各種判據可如下說明。
正如在以上實施例中所描述的，假設僅存在洛倫茲力，則合適的判據為選擇一個β，以使繞組裝置A和B的結構考慮到它們最大額定電流及它們沿y－方向的最大額定作用力。此判據可如下表示：
這裏
使用(6.16)的條件，則
當考慮BEMF的效應時，可以得到此判據的一般形式(7.1)，該效應將限制最大可能相電流幅值來說明匯流排或電源電壓是限定的。
繞組裝置A和B的最大相電流幅值可用匯流排電壓、相電阻、BEMF和電動機速度表示為：
IA Max ＝對應繞組A的相電流最大額定幅值(A)IB Max ＝對應繞組B的相電流最大額定幅值(A)ωA ＝繞組裝置A的力學角動量(rad/sec)ωB ＝繞組裝置B的力學角動量(rad/sec)
ρ＝0.5對於星形聯結的繞組裝置，ρ＝0.5，對於三角形連接的繞組裝置，。
在(7.2)和(7.3)中使用(7.5)和(7.6)，則可如下計算β：
這就給出了依賴於速度的β判據。
在本實施例中，麥克斯韋力和洛倫茲力存在，作用力和電流間的關係是非線性的。在此情況下，需建立如下所述的基於相電流幅值比的判據(而非力比判據，見(7.1))
可將BEMF的效應包含在上述和的計算中。電流IA 和IB 是(6.18)與(6.20)或(4.57)與(4.59)的解。在代入合適的解 後，可由(7.8)求得β項。
在備選實施例中，當電流－作用力關係呈線性時，以相電流幅值比作為判據是比較合適的，(例如，當洛倫茲力為主導時)這是因為其會將間隙控制力分配給當前較少被用來產生推進力的繞組。例如，考慮到繞組A在x－方向上提供作用力，而繞組B在z－軸方向上提供作用力，那麼當系統在x－方向上靜止而在z－軸方向上加速時，繞組A將會在y－方向上提供的作用力中佔據更大份額。反之，如果系統在x－方向上加速而在z－軸方向上靜止，則繞組B將會在y－方向上提供的作用力中佔據更大份額。
舉例來說，可用到的一個額外判據為：
這裏，Pd 是繞組裝置d(d＝A或B)的總功率，而是繞組裝置d(d＝A或B)的最大額定功率。
還是參看附圖。圖18A－18D中，換相過程可被用來達到諸如伴隨開環回路穩定化的閉合回路的位置控制(見圖18A)。實施換向可達到開環回路轉動穩定化，(見圖18B)，伴隨離散力的開環回路傾斜穩定化(見圖18C))和伴隨分佈力的開環回路傾斜穩定化(見圖18D)。
圖18A－18D是根據另一示範性實施例的推進系統端視和側視圖，其中有一個由多個與圖13D中所示類似的二維繞組構成的三維電動機。在本示範性實施例中，1810、1815有兩個電動機(作為示例)，一個位於平臺1805的左邊而另一個 位於其右邊。電動機可用導線連接在一起(例如，它們並非獨立控制)。顯而易見，伴隨開環電路穩定化的換相過程的相應優點可能為，由於電動機與導線連接在一起，就降低了控制器硬體的複雜度。根據圖18A和以下方程，對於開環電路穩定化的換相過程，可使用如下命名：Fz ＝z－軸方向上的合力(N)FzL ＝左電動機在z－軸方向上產生的作用力(N)FzR ＝右電動機在z－軸方向上產生的作用力(N)I＝相電流幅值(A)ij ＝通過j相的電流,j＝0,1,2(A)K＝作用力常數(N/A)Mx ＝x－軸的力矩(Nm)p＝電動機傾斜度(相當於電角度值除以2π)(m)Rx ＝關於x－軸的轉動(rad)△＝起控制作用的電角度偏移值(rad)θ＝起換向作用的電角度(rad)
電動機作用力方程可如下表示為：
而電動機換向方程可如下表示為：ij ＝I sin[θ(z)＋△＋(2π/3)j－π/2],j＝0,1,2 (8.3)
這裏I是常數，而△是控制參數。
電動機作用力合力可如下表示為：FzL ＝＝1.5IK sin(△) (8.4) FzR ＝1.5IK sin(△) (8.5) Fz ＝FzL ＋FzR ＝3IK sin(△) (8.6)
因此，控制參數△可定為：△＝αsin[F z /(3KI)] (8.7)
根據圖18B，在示範性實施例中，可以使用對應開環回路轉動穩定化的方程(例如在關於X－軸轉動的情況下)：
這裏θL ＝對應左電動機的電角度(rad)θR ＝對應右電動機的電角度(rad)△L ＝左電動機轉動而產生位移所對應的電角度偏移值(rad)△R ＝右電動機轉動而產生位移所對應的電角度偏移值(rad)
可使用如下電動機換向方程：ij ＝I sin[θ(z)＋△＋(2π/3)j－π/2],j＝0,1,2 (8.10)
這裏I是常數，而△是控制參數。
電動機作用力合力可如下表示為：FzL ＝1.5IK sin(△－△L ) (8.11) FzR ＝1.5IK sin(△－△R ) (8.12) Fz ＝FzL ＋FzR ＝1.5IK[sin(△－△L )＋sin(△－△R )] (8.13a) Fz ＝＝1.5IK[sin△(cos△L ＋cos△R )－cos△(sin△L ＋sin△R )] (8.13b) Mx ＝FzL dy /2＋FzR dy /2＝1.5IKdy /2[sin(△－△L )－sin(△－△R )] (8.14a)Mx ＝1.5IKdy /2[sin△(cos△L －cos△R )－cos△(sin△L －sin△R )] (8.14b)
考慮到本例中所示平臺的純轉動，亦即關於x－軸的轉動，則△L ＝－△R ＝△LR 並且：Fz ＝3IK sin(△)cos(△LR ) (8.15) Mx ＝－1.5IKdy cos(△)sin(△LR ) (8.16)
顯而易見，在示範性實施例中(例如開環回路穩定化)，預期的轉動程度很小。因此，|△LR |可忽略不計，則方程可表示為：Fz ＝3IK sin(△) (8.17)
這裏Mx 是提供依賴於K、dy 、p、I和△的轉動剛度的一個穩定化力矩。需要說明的是，在示範性實施例中，幅值換向不會提供穩定化力矩(△＝π/2Mx ＝0)。
因此，控制參數△可定為：△＝asin[Fz /(3KI)] (8.19)
這同方程式(8.7)類似。在示範性實施例中，也可將幅值I和相位△一併計算，以保持轉動剛度不變。在另一備選實施例中，幅值I可用于產生麥克斯韋力從而在y－方向上進行導向控制。
現在來參看圖18C，這裏所示是作用在平臺上力和力矩的側視圖圖解，該平臺對應伴隨離散力的開環電路傾斜穩定化。在示範性實施例中，電動機1815可能包含沿平臺側邊方向的多個離散電動機1815A、1815B(例如圖中列舉兩個電動機(繞組裝置)或電動機(繞組)部件)。電動機1815A、1815B的位置(例如一個位於前部，另一個位於後部)僅作為示例。例如對於普通換向控制，電動機繞組可用導線相接(連接)在一起。也就是說，它們並非獨立控制的。在示範性實施例中，電動機作用力方程式可如下表示：
這裏FzF ＝前部電動機產生的z－軸方向上作用力(N)FzR ＝後部電動機產生的z－軸方向上作用力(N)θF ＝對應前部電動機的電角度(rad)θR ＝對應後部電動機的電角度(rad)△F ＝因前電動機傾斜而產生位移所對應的電角度偏 移值(rad)△R ＝因後電動機傾斜而產生位移所對應的電角度偏移值(rad)
可使用以下的示範性電動機換向方程式：ij ＝I sin[θ(z)＋△＋(2π/3)j－π/2],j＝0,1,2 (8.22)
這裏I是常數，而△是控制參數。
相應的，電動機作用力合力及力矩可如下表示：FzF ＝1.5IK sin(△－△F ) (8.23) FzR ＝1.5IK sin(△－△R ) (8.24) Fz ＝FzF ＋FzR ＝1.5IK[sin(△－△F )＋sin(△－△R )] (8.25a) Fz ＝1.5IK[sin△(cos△F ＋cos△R )－cos△(sin△F ＋sin△R )] (8.25b)My ＝FzF dx /2＋FzR dx /2＝1.5IKdx /2[sin(△－△F )－sin(△－△R )](8.26a) My ＝1.5IKdx /2[sin△(cos△F －cos△R )－cos△(sin△F －sin△R )](8.26b)
這裏My ＝關於y－軸的力矩(Nm)
考慮到本例中所示傾斜為平臺的純傾斜，例如，圖18C中所示，僅關於y－軸發生傾斜，則△R ＝－△F ＝△FR 並且：Fz ＝3IK sin(△)cos(△FR ) (8.27) My ＝－1.5IKdx cos(△)sin(△FR ) (8.28)
同之前討論的開環轉動穩定化處理方法類似，在本示範性實施例中所說明的開環傾斜穩定化，平臺預期的傾斜程度很小。
因此，|△FR |可忽略不計
從而因此Fz ＝3IK sin(△) (8.29)
這裏Ry ＝關於y－軸的轉動(rad)
而My 為提供依賴於K、dx 、p、I和△的傾斜剛度的一個穩定化力矩。如上所述，需要注意，本示範性實施例中幅值換向不會提供穩定化力矩(△＝π/2My ＝0)。
因此控制參數△可定為：△＝asin[Fz /(3KI)] (8.31)
這同方程式(8.7)類似。類似於之前的描述，在另外的示範性實施例中，也可將幅值I和相位△一併計算，以保持傾斜剛度不變。在另一備選實施例中，幅值I可用于產生麥克斯韋力從而在y－方向上進行導向控制。
圖18D所示是根據另一示範性實施例的電動機1815’的側視圖，其給出了伴隨分佈力的開環回路穩定化圖解。根據實施例所述，電動機1815’可以是一個沿平臺側面完全且連續分 佈的單電動機或繞組。
在本示範性實施例中，作用力的分佈可如下表示：fz (x)＝1.5KI sin[△－△p (x)]＝1.5KI[sin△cos△p (x)－cos△sin△p (x)] (8.32)
這裏fz ＝z－軸作用力分佈狀態(N/m)△p ＝因傾斜而產生的位移的電角度偏移值(rad)
考慮到傾斜角很小，因此，|△p |可忽略不計：
合力和合力矩可如下表示：
這裏My 是能提供依賴K，dx ，p，I和△的傾斜剛度的一個穩定化力矩。正如前述，幅值換向不會提供穩定化力矩(△＝π/2My＝0)。
控制參數可定義為：△＝asin[Fz /(1.5KIdx )] (8.36)
類似於上面的實施例，在備選的實施例中，也可將幅值I和相位△一併計算，以保持傾斜剛度不變。在另外的備選實施 例中，幅值I可被用來產生沿著y－方向的麥克斯韋力。在備選實施例中，也同樣適用於所有與前述類似的轉動和傾斜穩定化情況，當轉動和傾斜測定可被回饋運用時，此機械裝置可用於以閉合回路方式控制剛度。然而，這將簡化電動機放大器側的控制硬體。
圖19所示是適用於本發明之實施例(同樣見圖13A)的組合三維控制(例如X－軸，Z－軸方向上的推進力及Y－方向上的導向力)的一個完整電動機換向系統1900總體實施框圖。圖19所示的系統佈局基本與圖15－17所示的控制系統佈局在一種或多種特定佈局方式上相類似，而類似的特徵也被標注上了相似的序號。
在所述示範性實施例中，控制系統1900可進行驅動器2115的繞組換向，從而使用洛倫茲力在X－軸和Z－軸方向上(例如分別施加推進力和提升力，見圖13)，以及使用洛倫茲力和麥克斯韋力以前面所述的方式(同樣見圖15)在Y－方向上(例如施加導向力)來有效控制壓板或運送裝置2135(類似於圖13A中的裝置1305)。在備選實施例中，仍如前面所述，控制系統可加以排布，對驅動器繞組進行有效換向來實現運輸設備的三維控制，例如用洛倫茲力產生推進力，提升力和導向力，或用洛倫茲力產生推進力和提升力，用麥克斯韋力產生導向力。在本示範性實施例中，通過與前述基本類似的方式，從感測器2190(類似於圖13A所示的感測器1390，1395)處獲得的位置回饋資訊，例如X－軸和Z－軸位置，會輸送給位置轉換器1915。在本示範性實施例中，位置轉換器1915可能包含 適合的電角度測定電路，此電路能夠測定對應的電角度θA 、θB (例如對於驅動器2115的A、B繞組部件；(同樣見圖13C，13D1－13D2))。位置回饋資訊，例如Y－軸的位置會輸送給作用力常數測定模組1925，該模組適於為驅動器繞組裝置(例如：驅動器繞組裝置A，B)測定作用力常數參數。顯而易見，控制系統1900可連接，或可包含一個或多個命令處理器(圖中未顯示)，以便為影響運輸的指令識別其所需的X－軸、Y軸、Z－軸作用力(例如Fx 、Fy 、Fz )。如圖19所示，在示範性實施例中，所需的作用力參數1930可被輸送到作用力轉換器1935中，轉換器經相應編程後，可將x，y，z－軸方向上的作用力轉化為符合繞組參照系的作用力(例如Fa ，Fb ，Fy ，該示例中驅動器2115有A，B兩個繞組)。系統內可能還包含換向參數測定電路或程式1940，以便用與前述類似的方式測定諸如IA ，IB ，△A ，△B 這類換向參數，另外還可能安置了換向方程測定程式或電路1945，以便定義輸送到電流回路2130中的合成換向方程組，該程式將通過執行換向方程來為基站/驅動器繞組產生電流(例如iAj ,iBj ,j＝0,1,2)從而對運輸所要求的三維控制起作用。在備選實施例中，控制系統還可按需以任何其他方式進行佈局。
以上揭示之的實施例為二維和三維電動機結構提供了一組電動機作用力方程，電動機換向方程和基於給定推進力和導向力的電動機控制參數計算的運算式。本發明之實施例包括以電角度偏移值來調整電角度並用於驅動一組普通換向函數，以便利用相同的電動機換向函數可在x－方向上至少產生一維方 向上的推進力，或產生包括一個x-方向上推進力和一個y-方向上導向力的二維作用力，以及包括x-軸和z-軸兩個方向上推進力和y-方向上導向力的三維作用力。另外，電動機作用力方程，電動機換向方程，及電動機控制參數的計算結果被提供給伴隨開環回路穩定化的換相過程，包括開環回路轉動穩定化，伴隨離散力的開環回路傾斜穩定化，已經伴隨分佈力的開環回路傾斜穩定化。
必須認識到，上述描述僅針對本實施例。本領域的技術人員可在不脫離實施例的情況下設計出各種備選實施例和實施例變更。因此，本實施例旨在包含所有屬於所附權利要求項範圍內的備選實施例、實施例修改和變更。
10‧‧‧基板處理裝置
12‧‧‧負載口
14‧‧‧前端模組(EFEM)
16‧‧‧負載鎖
18‧‧‧輸送室
18S‧‧‧側壁
20‧‧‧模組
22‧‧‧基板運送裝置
24‧‧‧箱體
200‧‧‧控制器
215‧‧‧電腦可讀介質
220‧‧‧開關
225‧‧‧電子驅動裝置
230‧‧‧放大器
320‧‧‧導向系統
322‧‧‧繞組裝置
324‧‧‧驅動壓板
330‧‧‧側壁
336‧‧‧感測器
344‧‧‧接收器
346‧‧‧光柵
347‧‧‧標籤
圖1是一個現有技術的基板處理裝置的平面示意圖；圖2A所示是一個含有本發明之實施例特徵的基板處理裝置的平面示意圖；圖2B所示是一個基板處理裝置控制器的原理圖；圖3所示是一個用於實施本發明之實施例的示範性電動機結構的橫截面透視圖；圖4所示是另一適於實施本發明之實施例的電動機結構圖；圖5所示是一個繞組的示範性星形聯結結構示意圖；圖6所示是一個繞組的示範性三角形連接結構示意圖；圖7A-7D所示是作用在驅動器和壓板之間的力向量，洛 倫茲力將導致其沿x－方向提供推進力，洛倫茲力和麥克斯韋力共同作用將導致其沿Y－方向提供導向力；圖8所示是對圖7A－7D所示實施例的一個求解過程；圖9A－9D所示是作用在驅動器和壓板之間的力向量，洛倫茲力將導致其沿x－方向提供推進力，麥克斯韋力將導致其沿y－方向提供導向力；圖10所示是圖9A－9D所示的實施例的一個求解過程；圖11A－11D所示是作用在壓板上的力向量，洛倫茲力將導致其沿x－方向提供推進力和沿y－方向提供導向力；圖12所示是對圖11A－11D所示的實施例的一個求解過程；圖13A是根據又一示範性實施例結構的電動機線性推進系統的透視圖；圖13B1－13B2是根據不同的示範性實施例各個的磁鐵組示意圖；圖13C顯示了根據本發明實施例的各個繞組的互動式進行排布；圖13D1－13D2所示是根據不同的示範性實施例各自繞組排布的示意圖；圖14所示是三維電動機結構實施例的繞組取向，此處a代表力Fa 的方向，而b代表力Fb 的方向；圖15所示是實施換向的求解過程的圖表，旨在用洛倫茲力沿x－方向產生推進力，沿z－方向產生提升力，用洛倫茲力和麥克斯韋力沿y－方向上產生一個導向分量； 圖16所示是實施換向的求解過程圖表，旨在用洛倫茲力沿x－和z－方向產生推進分量，用麥克斯韋力沿y－方向產生一個導向分量；圖17所示是實施換向的求解過程圖表，旨在全用洛倫茲力沿x－和z－方向產生推進分量，沿y－方向產生一個導向分量；圖18A－18D所示是對於應用不同自由度的開環回路穩定化方法的作用力圖表；圖19所示是適用於本發明之實施例的電動機換向總體框圖；及圖20A－20D是根據又一示範性實施例的電動機的其他橫截面示意圖，圖中顯示了作用在驅動器和壓板間的各個力向量。
10‧‧‧基板處理裝置
12‧‧‧負載口
14‧‧‧前端模組(EFEM)
16‧‧‧負載鎖
18‧‧‧輸送室
18B‧‧‧箱體
18S‧‧‧側壁
20‧‧‧模組
22‧‧‧基板運送裝置
24‧‧‧箱體
200‧‧‧控制器

Claims (12)

  1. 一種電動機的換向方法，包括：計算電角度補償；將電角度補償應用於一組供三相電動機產生一維作用力之常用換向方程中的電角度，從而使該組常用換向方程能夠在電動機內產生一維和二維作用力；和改變被應用在該組常用換向方程內的該電角度補償，以控制該三相電動機，使得可獨立地控制電動機在兩個維度所產生的作用力。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該電角度補償根據電動機壓板的一個或多個測定位置座標以及一個或多個方向上的所需電動機作用力進行確定。
  3. 如請求項1所述的方法，更進一步包括將電角度補償應用於一組常用換向方程中的電角度，從而使電動機內的二維作用力包括麥克斯韋力。
  4. 如請求項1所述的方法，更進一步包括將電角度補償應用於一組常用換向方程中的電角度，從而使該組常用換向方程能在電動機內產生三維作用力。
  5. 如請求項4所述的方法，更進一步包括將電角度補償應用於一組常用換向方程中的電角度，從而使電動機內的三維作用力包括麥克斯韋力。
  6. 如請求項1所述的方法，更進一步包括將繞組的相電流與電角度補償相結合用於一組常用換向方程中。
  7. 如請求項1所述的方法，更進一步包括藉由利用電 動機的一或更多繞組之最大額定作用力，來選擇由該電動機的一或更多繞組所產生之預定參數相關作用力。
  8. 如請求項7所述的方法，更進一步包括使用逆起電力和電動機速率來決定一或更多繞組之至少一者的最大額定作用力。
  9. 如請求項1所述的方法，更進一步包括藉由利用電動機的一或更多繞組之至少一者的最大相電流振幅，來選擇由該電動機的一或更多繞組所產生之預定參數相關作用力。
  10. 如請求項1所述的方法，更進一步包括藉由利用電動機的一或更多繞組之至少一者的最大額定功率，來選擇由該電動機的一或更多繞組所產生之預定參數相關作用力。
  11. 如請求項1所述的方法，更進一步包括將電角度補償應用於該組常用換向方程中的電角度，以提供電動機之開環回路轉動穩定化。
  12. 如請求項1所述的方法，更進一步包括將電角度補償應用於該組常用換向方程中的電角度，以提供電動機之開環回路傾斜穩定化。
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