专利名称：一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法
技术领域：
本发明涉及一种动铁式平面电机线圈阵列与驱动器连接方式，特别涉及一种驱动
器分配方法。
背景技术：
随着先进制造业的技术发展，光刻机等一些精密控制设备需要在一个近似平面的 空间范围内进行精密运动控制，而此类高精度运动由超精密平面电机实现。平面电机具有 二维直接驱动的特点，可实现以下运动在水平自由度X、Y方向实现大行程运动，用于实现 晶圆的快速步进和精密扫描；在垂直自由度Z方向实现微小运动；绕三个坐标轴X、 Y、 Z的 微小转动，用于实现调平调焦。因此，它在二维平面定位加工装置特别是现代半导体微细加 工装备和其它超精密加工设备中具有广阔的应用前景。 传统的接触式支承平面电机由于定子平台与动子之间通过机械轴承联接，因此 运动过程中存在机械摩擦，机械摩擦不仅增加动子的摩擦阻力，使运动部件产生磨损，产 生机械振动和噪声，使系统的阶次变高、鲁棒性和伺服性能下降，而且限制了平台的运动 精度。而现今使用较多的是气浮、磁浮支承方式平面电机，如专利200410026370. 9、专利 200910131508. 4和专利200910029981. 1所描述。 磁悬浮式平面电机从结构上有两种不同的形式动圈式和动铁式。对动圈式平面 电机而言，由于需要给运动中的线圈提供电源及装备冷却系统，即需要有电缆与动子衔接， 这给结构设计及电机的工作带来很大的不便，同时也会增加线缆对动子的运动干扰。动铁 式平面电机不会存在这样的问题，而且当需要的行程较大时，只要增加额外的线圈即可，但 此结构存在的缺点是随着线圈数量的增多，所需求的驱动器增多，这是一笔昂贵的支出。 因此， 一种既能减少驱动器数量，又能保证电机大行程运动的驱动分配方法亟待提出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，在采用 指定数量驱动器的情况下，实现动铁式平面电机的大行程矢量运动。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下 —种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征在于所述方法包括
1)将动铁式平面电机正方形定子线圈阵列分成nXn个划分区域，每个划分区域 再分为工作状态区域和过渡状态区域，所述的工作状态区域内包含工作线圈，所述的过渡 状态区域内包含过渡线圈，其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的外侧，动子磁钢阵 列尺寸小于定子线圈阵列； 2)根据步骤1)中每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量与一个 划分区域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致，所有功率驱动器组成驱动器阵列；
3)设置开关设备，将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接，并保证 每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接，且同一时刻一个驱动器
3只能与一个对应线圈连通； 4)利用位移传感器，测量当前时刻动子的位置(X， Y); 5)根据所述的动子位置(X， Y)以及步骤1)所划分区域，确定当前时刻工作状态 区域内工作线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置，并给工作线圈通上工作电流， 给过渡线圈通上零电流； 6)在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所 对应驱动器的连接，连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，从过渡状态区 域进入工作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流，从工作状态区域进入到过渡状态区 域的线圈电流切换至零； 7)动子在不断的运动过程中，依次重复步骤5) 6)，从而实现动铁式平面电机线 圈阵列功率驱动的分配。 上述技术方案中，其特征在于，所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算 设L为正方形过渡状态区域宽度，Vmax为所述动子运动的最大速度，T为定子线圈
阵列通过开关设备接通或断开驱动器的最大转换时间，则满足L > VMX*T。
本发明所述的工作状态区域大小的确定方法为在保证动子磁钢阵列下方覆盖线
圈与磁钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下，取所覆盖线圈外围最大尺寸。过渡状
态区域内框与所述工作状态区域大小一致，并在过渡状态区域内框边缘扩展所述过渡状态
区域宽度L，形成过渡状态区域外框，通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区域。 本发明步骤1)中所述n的确定方法如下 设S为定子线圈阵列的边长，a为过渡状态区域外框的边长； 计算S除以a，结果若刚好为整数mi，则n = mi，即定子线圈阵列刚好分成nXn个 划分区域，结果若不是整数值，则向上取整到m2，则n = m2+l，即定子线圈阵列分成nXn个 划分区域，其中，前i^Xr^个划分区域为完整划分区域，最后一行和最后一列划分区域为不 完整划分区域。 本发明的技术特征还在于步骤1)中所述过渡状态区域内的过渡线圈数量由所 述过渡状态区域宽度及单个线圈尺寸大小确定，每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵 列所覆盖区域的大小。 本发明具有以下有点及突出性效果由于采用了以上的技术方案，即在所述定子 线圈阵列包括的线圈数量较大的情况下，通过不同驱动分配状态的转换，使位于磁钢阵列 下方或附近的线圈处于实际通电工作状态，减少驱动线圈的功率驱动器数量，保障要求通 电线圈的正常工作，节约成本，提高工作效率，实现平面电机的大行程运动。
图1是本发明采用的动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配装置的整体结构示 意图。 图2是本发明动子磁钢阵列从下往上的平面示意图。 图3a、3b是本发明定子线圈阵列不同划分区域平面示意图。 图4a、4b是本发明工作过程中驱动分配状态的转换图。 其中，l-动子；2-动子磁钢阵列；3-工作状态区域；4_过渡状态区域；5_定子；
46-定子线圈阵列；7-驱动器阵列；8-开关设备；9-线路电缆；10-不完整划分区域。
具体实施例方式
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为本发明采用的动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配装置的整体结构示 意图，包括动铁式平面电机、驱动器阵列7、开关设备8及过渡状态区域4，所述动铁式平面 电机包括定子5和与之相配合的动子1，定子5包括由若干个线圈组成的定子线圈阵列6， 动子下表面设置有动子磁钢阵列2，所述的开关设备8通过电缆9分别与驱动器阵列7的定 子线圈阵列6连接，开关设备可以进行软切换、硬切换，并可在连续或不连续的状态下都能 够正常工作。 本发明提供的一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，该方法包括以下 步骤 1)将动铁式平面电机正方形定子线圈阵列6分成nXn个划分区域，每个划分区域 再分为工作状态区域3和过渡状态区域4，所述的工作状态区域内包含工作线圈，所述的过 渡状态区域内包含过渡线圈，其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的外侧，动子磁钢 阵列2尺寸小于定子线圈阵列6 ; 2)根据步骤1)中每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量与一个 划分区域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致，所有功率驱动器组成驱动器阵列7 ;
3)设置开关设备8，将所述驱动器阵列7通过开关设备8与定子线圈阵列6连接， 并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接，且同一时刻一个 驱动器只能与一个对应线圈连通； 4)利用位移传感器，测量当前时刻动子1的位置(X， Y); 5)根据所述的动子位置(X， Y)以及步骤1)所划分区域，确定当前时刻工作状态 区域内工作线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置，并给工作线圈通上工作电流， 给过渡线圈通上零电流； 6)在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所 对应驱动器的连接，连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，从过渡状态区 域进入工作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流，从工作状态区域进入到过渡状态区 域的线圈电流切换至零； 7)动子在不断的运动过程中，依次重复上述步骤5) 6)，从而实现动铁式平面电 机线圈阵列功率驱动的分配。 参考图l，所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算 设L为正方形过渡状态区域4宽度，Vmax为所述动子1运动的最大速度，T为定子 线圈阵列6通过开关设备8接通或断开驱动器的最大转换时间，则满足L > VMX*T。
所述的工作状态区域3大小的确定方法为在保证动子磁钢阵列2下方覆盖线圈 与磁钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下，取所覆盖线圈外围最大尺寸。过渡状态 区域内框与所述工作状态区域3大小一致，并在过渡状态区域内框边缘扩展所述过渡状态 区域4宽度L，形成过渡状态区域外框，通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区域 4。
所述n的确定方法如下 设S为定子线圈阵列6的边长，a为过渡状态区域外框的边长； 计算S除以a，结果若刚好为整数mi，则n = 即定子线圈阵列6刚好分成nXn
个划分区域，结果若不是整数值，则向上取整到!V则n二m2+l，即定子线圈阵列6分成nXn
个划分区域，其中，前m2Xm2个划分区域为完整划分区域，最后一行和最后一列划分区域为
不完整划分区域10。 所述过渡状态区域4内的过渡线圈数量由所述过渡状态区域4宽度及单个线圈尺 寸大小确定，每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵列2所覆盖区域的大小。
实施例 参考图1、4，以动子1沿X轴方向运动为例，演示动子1在运动过程中驱动分配状 态的转换过程，以便进一步理解本发明。 所述动子1运动的最大速度V^ = lm/s，所述定子线圈阵列6通过开关设备8 接通或断开驱动器的最大转换时间T = 0. lms，根据正方形过渡状态区域4宽度计算公式 L > V隨氺T，取L = 30mm。 在保证动子磁钢阵列2下方覆盖线圈与磁钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的 前提下，取所覆盖线圈外围最大尺寸为工作状态区域3，即工作状态区域3边长为60mm。过 渡状态区域内框与所述工作状态区域大小一致，在过渡状态区域内框边缘扩展所述过渡状 态区域4宽度L，形成过渡状态区域外框，则过渡状态区域外框的边长a = 120mm，通过过渡 状态区域内外框的限定确定过渡状态区域4。 定子线圈阵列6的边长S = 360mm，所述过渡状态区域外框的边长a = 120mm，计 算S除以a，结果为m!二3。 1)根据上述计算，取n = mi = 3，将动铁式平面电机正方形定子线圈阵列6分成 3 X 3个划分区域，每个划分区域再分为工作状态区域3和过渡状态区域4，所述的工作状态 区域3内包含工作线圈4个，所述的过渡状态区域4内包含过渡线圈12个，即每个划分区 域包含16个线圈，其中所述过渡状态区域4位于每个划分区域的外侧，动子磁钢阵列2尺 寸小于定子线圈阵列6; 2)根据步骤1)中每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量与一个 划分区域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致，即为16个，所有功率驱动器组成驱动器阵 列7; 3)设置开关设备8，将所述驱动器阵列7通过开关设备8与定子5线圈阵列6连 接，并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备8连接，且同一时 刻一个驱动器只能与一个对应线圈连通； 4)参考图4a、4b，利用位移传感器，测量当前时刻动子1的位置(X， Y); 5)根据所述的动子位置(X， Y)以及步骤1)所划分区域，确定当前时刻工作状态
区域3内工作线圈的位置及过渡状态区域4内过渡线圈的位置，并给工作线圈通上工作电
流，给过渡线圈通上零电流； 6)在动子l从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域4的四 个线圈与所对应驱动器的连接，连通进入过渡状态区域4的四个线圈与所对应驱动器的连 接，从过渡状态区域4进入工作状态区域3的两个线圈从零电流切换至工作电流，从工作状态区域3进入到过渡状态区域4的两个线圈电流切换至零； 7)动子1在不断的运动过程中，依次重复步骤5) 6)，从而实现了动铁式平面电 机线圈阵列功率驱动的分配。 在上述步骤中，处于过渡状态区域4的线圈电流大小都为零，目的是保证开关转 换过程平缓过渡，避免电流不连续带来的冲击。 通过上述步骤，在所述定子线圈阵列6包括的线圈数量较大的情况下，减少驱动 线圈的功率驱动器数量，保障要求通电线圈的正常工作，节约成本，提高工作效率，实现平 面电机的大行程运动。
权利要求
一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征在于所述方法包括1)将动铁式平面电机正方形定子线圈阵列分成n×n个划分区域，每个划分区域再分为工作状态区域和过渡状态区域，所述的工作状态区域内包含工作线圈，所述的过渡状态区域内包含过渡线圈，其中所述过渡状态区域位于每个划分区域的外侧，动子磁钢阵列尺寸小于定子线圈阵列；2)根据步骤1)中每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量与一个划分区域内的工作线圈和过渡线圈总数量一致，所有功率驱动器组成驱动器阵列；3)设置开关设备，将所述驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接，并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接，且同一时刻一个驱动器只能与一个对应线圈连通；4)利用位移传感器，测量当前时刻动子的位置(X，Y)；5)根据所述的动子位置(X，Y)以及步骤1)所划分区域，确定当前时刻工作状态区域内工作线圈的位置及过渡状态区域内过渡线圈的位置，并给工作线圈通上工作电流，给过渡线圈通上零电流；6)在动子从当前位置运动到下个位置过程中，断开退出过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，连通进入过渡状态区域的线圈与所对应驱动器的连接，从过渡状态区域进入工作状态区域的线圈从零电流切换至工作电流，从工作状态区域进入到过渡状态区域的线圈电流切换至零；7)动子在不断的运动过程中，依次重复步骤5)～6)，从而实现动铁式平面电机线圈阵列功率驱动的分配。
2. 根据权利要求1所述的一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征在 于，所述的过渡状态区域宽度按照如下公式计算设L为正方形过渡状态区域宽度，Vmax为所述动子运动的最大速度，T为定子线圈阵列 通过开关设备接通或断开驱动器的最大转换时间，则满足L > VMX*T。
3. 根据权利要求1或2所述的一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特 征在于，所述的工作状态区域大小的确定方法为在保证动子磁钢阵列下方覆盖线圈与磁 钢阵列电磁作用不会产生边缘效应的前提下，取所覆盖线圈外围最大尺寸。过渡状态区域 内框与所述工作状态区域大小一致，并在过渡状态区域内框边缘扩展所述过渡状态区域宽 度L，形成过渡状态区域外框，通过过渡状态区域内外框的限定确定过渡状态区域。
4. 根据权利要求1所述的一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征在 于，步骤1)中所述n的确定方法如下设S为定子线圈阵列的边长，a为过渡状态区域外框的边长；计算S除以a，结果若刚好为整数mi，则n = mi，即定子线圈阵列刚好分成nXn个划分 区域，结果若不是整数值，则向上取整到m2，则n = m2+l，即定子线圈阵列分成nXn个划分 区域，其中，前n^Xr^个划分区域为完整划分区域，最后一行和最后一列划分区域为不完整 划分区域。
5. 根据权利要求1所述的一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，其特征在 于，步骤1)中所述过渡状态区域内的过渡线圈数量由所述过渡状态区域宽度及单个线圈 尺寸大小确定，每个划分区域的大小至少等于动子磁钢阵列所覆盖区域的大小。
全文摘要
一种动铁式平面电机线圈阵列功率驱动分配方法，该方法是将动铁式平面电机正方形定子线圈阵列分成n×n个划分区域，每个划分区域再分为工作状态区域和过渡状态区域，根据每个划分区域中的线圈数量，确定功率驱动器的总数量，组成驱动器阵列；将驱动器阵列通过开关设备与定子线圈阵列连接，并保证每个驱动器与每个划分区域内对应位置的线圈通过开关设备连接。本发明根据动子磁钢阵列所在位置，确定线圈阵列的作用范围，利用过渡状态区域的限定，控制线圈通断及电流，实现动子的大行程平面矢量运动。本发明可解决定子线圈数量多，引起的驱动器数量过多而带来结构复杂及驱动器设备总费用过于昂贵问题。
文档编号H02P31/00GK101707472SQ200910241259
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者尹文生, 廖凯, 张鸣, 徐登峰, 朱煜, 杨开明, 段广洪, 汪劲松, 胡金春 申请人:清华大学