前言

隨著科技進(jìn)步，精密加工、集成電路（Integrated Circuit，IC）制造、生物檢測(cè)、物質(zhì)表面微納檢測(cè)等領(lǐng)域的需求促進(jìn)了制造業(yè)的迅猛發(fā)展。在2015年國(guó)務(wù)院公布的《中國(guó)制造2025》中指出，打造具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的制造業(yè)，是推動(dòng)我國(guó)工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程的根本。精密制造加工裝備及其技術(shù)水平一直是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵指標(biāo)。在光刻機(jī)、高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和共聚焦顯微鏡等設(shè)備中，均需要精密或超精密的中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)精度。現(xiàn)在對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的精度要求越來(lái)越高，例如在精密制造業(yè)中應(yīng)用的高檔數(shù)控機(jī)床，加工精度已經(jīng)由微米級(jí)發(fā)展到納米級(jí)；在光刻設(shè)備中，早已經(jīng)成功研制出具有幾納米重復(fù)定位精度的直線運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)。在極大規(guī)模集成電路制造設(shè)備中，光刻機(jī)的工作臺(tái)主要由掩模臺(tái)和工件臺(tái)組成，精密直線電機(jī)系統(tǒng)作為掩模臺(tái)和工件臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)其是否能實(shí)現(xiàn)這些極限性能指標(biāo)起著決定性作用。高集成度的刻蝕芯片要求工作臺(tái)具有納米級(jí)運(yùn)動(dòng)控制精度，同時(shí)光刻機(jī)的產(chǎn)片率要求工作臺(tái)具有高速及高加速度的特點(diǎn)；此外，工作臺(tái)在步進(jìn)、同步掃描運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，還要提供調(diào)焦、調(diào)平及曝光等精確對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，要求工作臺(tái)具有六自由度的位置、速度伺服控制功能。因此傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)不能滿足設(shè)備需求，而以直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的直驅(qū)式傳動(dòng)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)、精度高和無(wú)間隙傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在精密運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

目前，我國(guó)直線電機(jī)方向的研究廣度、產(chǎn)品種類和應(yīng)用領(lǐng)域都處于國(guó)際先進(jìn)地位，在國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、可再生能源利用、軍工裝備優(yōu)先發(fā)展等戰(zhàn)略政策的引領(lǐng)下，取得了一系列標(biāo)志性成果。但在以多軸高檔數(shù)控機(jī)床、極大規(guī)模集成電路和重大科學(xué)儀器為代表的精密制造裝備中，高速、高精度等多極限性能指標(biāo)成為直線電機(jī)領(lǐng)域新的技術(shù)瓶頸。永磁同步直線電機(jī)由于具有高效率、高推力密度和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于高端制造裝備中。

在永磁同步直線電機(jī)的研究中，高性能的輸出推力一直是該方向的重點(diǎn)難點(diǎn)。本書(shū)依托國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51537002）和面上項(xiàng)目（52077041）、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目（YDZX20203100004943）等，總結(jié)了高端裝備制造中精密直線電機(jī)電磁力分析和控制技術(shù)。首先，我們要明確電磁推力的產(chǎn)生機(jī)制。由于直線電機(jī)初級(jí)鐵心縱向開(kāi)斷，存在特有的縱向端部效應(yīng)；同時(shí)受齒槽效應(yīng)、橫向端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)等因素的影響，氣隙磁場(chǎng)發(fā)生了很大的畸變；受現(xiàn)有加工制造、安裝精度及人為等因素的限制，永磁同步直線電機(jī)三維空間磁場(chǎng)分布存在非對(duì)稱性，產(chǎn)生了寄生力或力矩，使電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。故研究中需要針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)展計(jì)及齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)的永磁同步直線電機(jī)磁場(chǎng)精確解析、三維電磁力分析以及性能參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。

其次作為連接運(yùn)動(dòng)控制單元與電機(jī)本體間的中樞環(huán)節(jié)，電流環(huán)通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)電流將運(yùn)動(dòng)控制指令轉(zhuǎn)換成電機(jī)實(shí)際推力，所以高性能的電流控制環(huán)節(jié)是獲得精密直線電機(jī)系統(tǒng)極限性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。

另外針對(duì)精密直線電機(jī)的推力波動(dòng)問(wèn)題，需要在電流閉環(huán)控制中對(duì)其進(jìn)行有效補(bǔ)償；永磁同步直線電機(jī)的端部磁鏈斷裂會(huì)帶來(lái)端部擾動(dòng)力，而端部力與齒槽力共同作用形成的定位力成為直線電機(jī)推力波動(dòng)的主要成分，這種電機(jī)自身結(jié)構(gòu)和工作模式的特殊性將會(huì)影響精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的極限性能指標(biāo)。因此，針對(duì)推力波動(dòng)給精密永磁同步直線電機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)的問(wèn)題，不僅要在電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面開(kāi)展研究，直接減小電機(jī)輸出推力波動(dòng)，還需要針對(duì)推力波動(dòng)自身的特點(diǎn)，通過(guò)精密驅(qū)動(dòng)控制方法，在電流閉環(huán)系統(tǒng)中補(bǔ)償推力波動(dòng)對(duì)應(yīng)的電流成分，抑制其對(duì)速度平穩(wěn)性的影響。

本書(shū)正是圍繞永磁同步直線電機(jī)推力特性分析及其控制技術(shù)進(jìn)行論述，共分為6章：第1章為緒論，介紹永磁同步直線電機(jī)特點(diǎn)以及電磁力、電流控制技術(shù)和推力波動(dòng)抑制技術(shù)的研究現(xiàn)狀；第2章分析永磁同步直線電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及精確磁場(chǎng)分析方法；第3章對(duì)永磁同步直線電機(jī)縱向端部效應(yīng)、橫向端部效應(yīng)和外懸效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析；第4章著重闡述永磁同步直線電機(jī)電磁力的解析過(guò)程，并推導(dǎo)出三維電磁力解析表達(dá)式；第5章針對(duì)永磁同步直線電機(jī)的預(yù)測(cè)電流控制理論進(jìn)行闡述，詳細(xì)分析了預(yù)測(cè)控制中的時(shí)延和參數(shù)攝動(dòng)問(wèn)題，并介紹了提高預(yù)測(cè)電流控制參數(shù)魯棒性的研究方法；第6章對(duì)永磁同步直線電機(jī)推力波動(dòng)的組成成分進(jìn)行了分析，并給出了幾種典型的推力波動(dòng)抑制技術(shù)。

本書(shū)是作者以及所在團(tuán)隊(duì)多年在精密直線電機(jī)系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上總結(jié)的一部學(xué)術(shù)著作，是作者所在研究團(tuán)隊(duì)主持承擔(dān)多個(gè)國(guó)家級(jí)基金項(xiàng)目、國(guó)家重大項(xiàng)目的成果積累。感謝團(tuán)隊(duì)楊瑞博士、譚強(qiáng)博士，以及博士研究生李俊馳、孫欽偉、康凱、葉佳興所做的修改和校核工作。

由于作者水平有限，書(shū)中難免存在疏漏或不妥之處，歡迎廣大同行和讀者批評(píng)指正。

作者

2022年5月