磁悬浮导向装置及其控制系统和控制方法与流程
本发明涉及一种磁悬浮导向装置，适用于高速无摩擦静音运动装置，诸如半导体制造设备、液晶显示制造设备、检测设备中的运动台定位装置，运动台上承载有硅片、掩模、玻璃基底或者类似的基底用以曝光或者检测。
背景技术：
随着光刻技术的进步和半导体工业快速发展，对于光刻设备有四项基本性能指标：线宽均匀性(cd，criticaldimensionuniformity)、焦深(focus)、套刻(overlay)和产率(throughput)。为了提高线宽均匀性，光刻机工件台掩模台必须提高水平向精密定位能力。为了提高焦深误差精度，工件台掩模台必须提高垂向精密定位能力。为了提高光刻机套刻误差精度，工件台掩模台必须提高其内部模态来提升动态定位特性。此外，光刻设备必须增加产率，因此工件台必须高速运动，快速启动和停止。光刻设备的高速、高加速和高精密的定位能力是相互矛盾的。为了克服这个矛盾，当前工件台掩模台技术采用了粗微动结构，实现高速和高精度的技术分离。粗动结构主要由直线电机组成，可以实现大行程和高速度运动。微动台则层叠安装于粗动台上，可以动态补偿定位偏差，微动台实现纳米精度，并具有多自由度运动来进行光刻曝光和对准。
目前这种结构采用气浮轴承结构驱动设计技术，无法实现多自由度运动与执行器的一体化耦合设计，导致系统运动结构的质量增大，驱动力随着增大，驱动反力施加给系统的残余振动也增大，从而影响了系统的动态性能。此外，由于产率要求高加速度导致附加倾翻力矩加大，工件台掩模台的气浮静刚度约束采用高刚性设计，对导向平面度、预载变形、气浮工艺参数设计要求非常高。同时，考虑到配套的电、气、水、真空通路与柜，工件台掩模台系统结构复杂、庞大、可靠性低、维修维护
传统精密气浮运动台利用高压气浮轴承支撑，保证运动台在平台上作无摩擦运动，其关键部件结构主要由高精密的气浮导轨和气浮滑块结构组成。气浮结构由提供正压的气浮垫和真空预紧力(或磁吸力预载)结构由加工成一体。气浮导向装置工作时，气浮结构通入正压气体，在气浮垫与大理 石导轨之间形成气膜，使气浮垫受到气浮力n的支撑，保证气浮垫在大理石平台上作无摩擦运动。真空预紧力结构则通入负压气体，使真空预紧力结构受到与气浮力n方向相反的真空预紧力f作用。通过调节气浮力n和真空预紧力f的大小，可以调节气浮垫及气浮导向装置的气浮刚度。如果提高气浮垫的气浮刚度，需要同时增加气浮压力n和真空预紧力f，而增加真空预紧力f会导致气浮垫产生预压弯曲，由于气浮的气膜厚度δ一般只有几微米到十几微米，因此，当弯曲量σ过大使气浮垫与导轨接触时，气浮垫运动将产生机械摩擦，使气浮结构失去作用。当提高承载力时，需要进一步提高供给气压，气浮易发生气振，而且气浮和真空预载的导向装置在基于真空环境应用的运动台中却不能使用。
图1示出一种传统的导轨导向装置。如图1所示，该导向装置包括：导轨单元100、动子滑块单元101以及导轨副单元102三部分共同构成。导轨单元100通常用金属导轨或刚性高的陶瓷导轨。动子滑块单元101主要包括机械滑块或气浮滑块，通常可设计为机械部件(如交叉滚子导轨)或气浮部件(如气浮垫)。导轨副单元102由机械滚子轴承组成或由高压气悬浮轴承组成，或由永磁悬浮轴承组成。导向装置具有多个运动自由度，第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元100的长轴方向。第二运动自由度方向为y方向，与导轨单元100的长轴方向互相垂直正交。导向装置的第三运动自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向动子滑块单元101。其中，动子滑块单元101在导轨单元100上沿着第一运动自由度方向能够自由运动。动子滑块单元101在导轨单元100上沿着第二运动自由度方向具有自由运动功能或具有高刚性约束。滑块101在导轨单元100上沿着第三运动自由度方向具有高刚性约束，可承担运动负载。
机械滚子轴承102与导轨单元100和动子滑块单元101直接接触，具有高的结构刚性和承载能力，但在高速场景应用下噪声大，难于做到高精度。高压气悬浮轴承与导轨单元100与动子滑块单元101非直接接触，具有较高的结构刚性和承载能力，噪声低，但对应用环境要求高。永磁悬浮轴承与导轨单元100与动子滑块单元101非直接接触，具有较低轴承刚性和较高的承载能力，无噪声，但在静态时难以处于稳定悬浮状态。
传统精密运动台还利用机械轴承导轨支撑运动台运动，典型的机械轴承包括：球轴承、滚子轴承、滑动接触轴承。但是为了减小滑动轴承或滚子轴承的振动和噪声，常使用润滑油，运动接触摩擦过程中会产生颗粒污染应用环境，并且接触摩擦力还会限制运动台的速度和精度。这种方案的实 施难度大。
综上所述，传统的气浮或机械导轨轴承装置或支撑方法并不能满足精密运动台中应用环境需求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种具有更大的预载力，预载力可调，以及具有较高的动态响应能力的磁悬浮导向装置。
为实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种用于磁悬浮导向装置的控制系统，所述磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元，所述动子滑块单元成对地布置于所述导轨单元的两侧，每对所述动子包括第一动子滑块单元和第二动子滑块单元。所述控制系统包括：位置设定装置，所述位置设定装置用于设定所述动子滑块单元相对于所述导轨单元悬浮的初始高度；间隙测量传感器，所述间隙测量传感器用于测量所述动子滑块单元与所述导轨单元之间的悬浮间隙高度；以及控制电路，所述控制电路与所述位置设定装置和所述间隙测量传感器通信连接，并用于根据所述位置设定装置和所述间隙测量传感器所得到的值，来获得所述动子滑块单元所需的期望电流。
一实施例中，所述控制电路可包括第一求和器、控制器、预载力输入器、第二求和器、第三求和器、第一非线性补偿器、第二非线性补偿器、第一电流驱动器、第二电流驱动器以及第四求和器，其中所述位置设定装置的输出端与所述第一求和器的输入端通信连接，所述第一求和器的输出端与所述控制器的输入端通信连接，所述控制器的输出端与所述第二求和器的输入端和所述第三求和器的输入端通信连接；所述预载力输入器的输出端与所述第二求和器的输入端和所述第三求和器的输入端通信连接；所述第二求和器和所述第三求和器的输出端与第一非线性补偿器和第二线性补偿器的输入端通信连接；所述间隙测量传感器的输入端与所述第一非线性补偿器和第二非线性补偿器的输入端通信连接；所述第一非线性补偿器和所述第二非线性补偿器的输出端分别与所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器的输入端通信连接；以及所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器的输出端分别与所述第一动子滑块单元和所述第二动子滑块单元电连接，用于控制所述第一动子滑块单元和所述第二动子滑块单元的运动。
一实施例中，所述动子滑块单元可包括铁芯和线圈绕组，所述线圈绕组缠绕于所述铁芯上，其中所述第一电流驱动器和所述第二电流驱动器分别为所述第一动子滑块单元的线圈绕组和所述第二动子滑块单元的线圈绕组 供电。
一实施例中，所述间隙测量传感器可包括设置于所述动子滑块单元上的第一间隙测量传感器和第二间隙测量传感器，所述第一间隙测量传感器用于测量一对所述动子滑块单元中的一个动子滑块单元与所述铁芯之间的距离，以及所述第二间隙测量传感器用于测量该对所述动子滑块单元中的另一个动子滑块单元与所述铁芯之间的距离。
一实施例中，所述动子滑块单元的铁芯可为e型铁芯且所述线圈绕组缠绕于所述e型铁芯的中间的突支上，以及所述导轨单元为i型铁芯；或者，所述动子滑块单元的铁芯可为c型铁芯且所述线圈绕组缠绕于所述c型铁芯的中部上，以及所述导轨单元为i型铁芯。
一实施例中，铁芯可由软磁材料制成。
一实施例中，所述磁悬浮导向装置可包括多组成对布置的动子滑块单元，所述多组动子滑块单元按照对称拓扑结构，对称周向布置于所述导轨单元两侧。
一实施例中，所述导轨单元的导轨的横截面为口字形、十字形或工字形，所述多组动子滑块单元成对布置在各横截面的相对侧上。
一实施例中，所述动子滑块单元还可包括气隙调节装置，其中所述气隙调节装置设置于所述铁芯的预定位置处，且在所述预定位置，所述气隙调节装置中断由所述线圈绕组产生的磁力线的至少一部分。
一实施例中，所述气隙调节装置可包括设置于所述铁芯的侧面上的预定位置处的切口以及与所述切口配合的调节块，所述调节块能够沿所述切口移动从而调节所述调节块与所述切口之间的间隙。
一实施例中，所述铁芯的表面上方可设有支撑板，所述调节块可动地安装于所述支撑板上并延伸入所述切口。
一实施例中，所述支撑板上设有螺纹孔，所述调节块通过螺栓安装于所述支撑板上，其中所述螺栓与所述螺纹孔配合，以调节所述调节块延伸入所述切口的距离。
一实施例中，所述支撑板上设有定位装置，所述定位装置用于对所述调节块进行定位。
根据本发明的又一方面，还提供了一种磁悬浮导向装置，所述磁悬浮导向装置包括上述的控制系统。
根据本发明的又一方面，还提供了一种磁悬浮导向装置的控制方法，所述磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元，所述动子滑块单元成对地布置于所述导轨单元的两侧，每对所述动子包括第一动子滑块单元和第 二动子滑块单元，所述控制方法包括步骤：
步骤1：设定动子滑块单元的滑块的预载力；
步骤2：设定动子滑块单元相对于导轨单元悬浮的高度设定值；
步骤3：测量动子滑块单元与导轨单元之间的间隙高度；
步骤4：将上述间隙高度与上述高度设定值进行求和得到一偏差值；
步骤5：将该偏差值进行处理得到控制力输出；
步骤6：将该控制力输出和上述预载力进行求和得到期望输出力；
步骤7：根据上述期望输出力和上述间隙高度得到期望电流；以及
步骤8：根据上述期望电流来驱动动子滑块单元。
一实施例中，所述处理通过pid控制器进行，并且所述控制力输出gcs(s)通过如下公式计算：
其中，kp为控制器增益，fi为积分频率，fd为微分频率，控制器增益kp将偏差值比例线性关系转换为控制力，
一实施例中，所述期望电流的计算公式如下：
其中，i1是期望电流，g1是动子滑块单元与导轨单元之间的间隙，f1是动子滑块单元与导轨单元之间的吸附力，k1是动子滑块单元的电磁常数。
根据本发明的还一方面，提供了一种磁悬浮导向装置，包括动子滑块单元和导轨单元，所述动子滑块单元成对地布置于所述导轨单元的两侧，所述动子滑块单元包括铁芯和线圈绕组，所述线圈绕组缠绕于所述铁芯上。所述动子滑块单元进一步包括气隙调节装置，其中所述气隙调节装置设置于所述铁芯的预定位置处，且在所述预定位置，所述气隙调节装置中断由所述线圈绕组产生的磁力线的至少一部分。
一实施例中，所述气隙调节装置可包括设置于所述铁芯的侧面上的预定位置处的切口以及与所述切口配合的调节块，所述调节块能够沿所述切口 移动从而调节所述调节块与所述切口之间的间隙。
一实施例中，所述铁芯的表面上方可设有支撑板，所述调节块可动地安装于所述支撑板上并延伸入所述切口。
一实施例中，所述支撑板上可设有螺纹孔，所述调节块通过螺栓安装于所述支撑板上，其中所述螺栓与所述螺纹孔配合，以调节所述调节块延伸入所述切口的距离。
一实施例中，所述支撑板上可设有定位装置，所述定位装置用于对所述调节块进行定位。
一实施例中，所述切口为圆锥形切口，以及所述调节块为圆锥体；或者，所述切口为楔形切口，以及所述调节块为楔形体。
一实施例中，所述调节块与所述切口之间的可调间隙大小为1μm～200μm。
一实施例中，所述铁芯的一个或多个侧面上可设有一个或多个切口和相应数量的调节块。
一实施例中，所述动子滑块单元的铁芯可为e型铁芯且所述线圈绕组缠绕于所述e型铁芯的中间的突支上，以及所述导轨单元为i型铁芯；或者，所述动子滑块单元的铁芯可为c型铁芯且所述线圈绕组缠绕于所述c型铁芯的中部上，以及所述导轨单元为i型铁芯。
一实施例中，铁芯可由软磁材料制成。
一实施例中，导轨单元可由诸如硅钢、或叠层硅钢、或具有低剩磁能力的材料加工制造而成。
一实施例中，所述磁悬浮导向装置可包括多组成对布置的动子滑块单元，所述多组动子滑块单元按照对称拓扑结构，对称周向布置于所述导轨单元两侧。
一实施例中，所述导轨单元的导轨的横截面可为口字形、十字形或工字形，所述多组动子滑块单元可成对布置在各横截面的相对侧上。
一实施例中，所述动子滑块单元还可包括间隙测量装置，所述间隙测量装置包括设置于所述动子滑块单元上的第一间隙测量传感器和第二间隙测量传感器，所述第一间隙测量传感器用于测量一对所述动子滑块单元中的一个动子滑块单元与所述铁芯之间的距离，以及所述第二间隙测量传感器用于测量该对所述动子滑块单元中的另一个动子滑块单元与所述铁芯之间的距离。
根据本发明的另一方面，还提供了一种磁悬浮导向装置的控制方法，所述磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元，所述动子滑块单元成对 地布置于所述导轨单元的两侧，所述动子滑块单元包括铁芯和线圈绕组，所述线圈绕组缠绕于所述铁芯上，所述控制方法用于控制所述动子滑块单元与所述导轨单元之间的吸附力，其特征在于，所述控制方法包括步骤：
步骤1：在所述动子滑块单元上设置气隙调节装置，其中所述气隙调节装置设置于所述铁芯的预定位置处，且在所述预定位置，所述气隙调节装置中断由所述线圈绕组产生的磁力线的至少一部分；
步骤2：所述吸附力通过以下公式计算出：
其中，i10为绕组的标称电流，g10为在所述磁悬浮导向装置的几何对称中心的磁路气隙，以及δg为气隙调节装置调节的附加磁路气隙。
一实施例中，所述g10由以下公式计算得出
其中，f0为动子滑块与导轨之间的静态预载力，由设计确定。
一实施例中，所述附加气隙δg由以下公式计算得出
其中，m为动子滑块上运动负载的总质量，g为重力加速度。
本发明的有益技术效果：
(1)提出一种新的磁场气隙调节装置，可以通过手动或自动调节磁路中的磁阻，进一步改进在重载导轨装调过程中便利的进行悬浮高度调节，尤其适用于负载变化的场景；
(2)提出的“e”型或“c”型电磁铁铁芯结构，在导轨的运动自由度方向可按照需求进行周期阵列拓展，能够有效提升磁悬浮导轨进行重载悬浮的能力，进而提升非运动自由度的抗扭转能力；
(3)提出的非线性控制技术主动调节悬浮动刚度和悬浮气隙高度，能够使得悬浮的定位运动系统获得低的导轨静刚度和更高的动态响应能力，能够有效的隔阻外部振动传入运动滑块所驻在系统。
附图说明
图1是传统形式的导轨导向装置的结构示意图。
图2是根据本发明的一实施例的具有气隙调节装置的“e”型磁悬浮导向装置的结构示意图。
图2a示出根据本发明的一实施例的气隙调节装置的结构示意图。
图3是根据本发明的一实施例的具有气隙调节装置的阵列“e”型磁悬浮导向装置的结构示意图。
图4是根据本发明的一实施例的“e”磁悬浮导向装置的控制系统框图。
图5是根据本发明的一实施例的“e”磁悬浮导向装置的吸附力的模拟计算曲线图。
图6是根据本发明的另一实施例的“e”磁悬浮导向装置的布局示意图。
图7是根据本发明的又一实施例的“e”磁悬浮导向装置的布局示意图。
图8是根据本发明的又一实施例的“e”磁悬浮导向装置的布局示意图。
图9是根据本发明的另一实施例的具有气隙调节装置的“c”型磁悬浮导向装置的结构示意图。
图10是根据本发明的一实施例的具有气隙调节装置阵列的“c”型磁悬浮导向装置的结构示意图。
图11是根据本发明的另一实施例的“c”磁悬浮导向装置的布局示意图。
图12是根据本发明的又一实施例的“c”磁悬浮导向装置的布局示意图。
图13是根据本发明的又一实施例的“c”磁悬浮导向装置的布局示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
图2示出根据本发明的一实施例的磁悬浮导向装置200的结构示意图。如图2所示，磁悬浮导向装置200包括导轨单元25、滑块单元201以及磁悬浮控制系统(也称为主动悬浮控制单元)，其中，导轨单元25包括第一i型铁芯26和第二i型铁芯36。滑块单元包括第一e型铁芯绕组20和第二e型铁芯绕组30。第一e型铁芯绕组20由第一e型铁芯21和第一线圈绕组24，以及第一间隙测量传感器22、气隙调节装置23组成。第二e型铁 芯绕组30由第二e型铁芯31和第二线圈绕组34，以及第二间隙测量传感器32组成。第一间隙测量传感器22测量第一e型铁芯21和第一i型铁芯26之间的距离。第二间隙测量传感器32测量第二e型铁芯31和第二i型铁芯36之间的距离。导向装置具有2个运动自由度，第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元25的长轴方向，第二自由度方向为y方向，与导轨单元25的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三运动自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向第二e型铁芯绕组30，远离第一e型铁芯绕组20。这里，第一间隙测量传感器和第二间隙测量传感器可以例如是电容传感器、电涡流传感器或者接近式位置测量传感器等，测量行程范围0～10mm。
如图2所示，其中，第一e型铁芯绕组20在线圈通电时，电流i环绕线圈流动，根据右手定则在线圈中心的铁芯中产生如图2中所示的磁力线通路，磁力线通路使得第一e型铁芯绕组20与第一i型铁芯26的产生吸附力f1，沿着第三自由度方向指向远离第一i型铁芯26表面方向；第二e型铁芯绕组30在线圈通电时，电流i环绕线圈流动，根据右手定则在线圈中心的铁芯中产生如图2中所示的磁力线通路，磁力线通路使得第二e型铁芯绕组30与第二i型铁芯36的产生吸附力f2，沿着第三自由度方向指向远离指向第二i型铁芯36表面方向；力f1、f2和滑块上的负载重力fpreload处于平衡状态时，滑块稳定悬浮于导轨25上表面。
fpreload＝f1-f2
图2中所示的力f(f1或f2)是由e型绕组铁芯与i型铁芯之间通过磁隙g产生的磁吸力，磁吸力计算如下公式：
其中，μ0为空气磁导率(h/m)
ap为磁隙的面积(m2)
g为磁隙(m)
i为电流(a)
n为e型铁芯上的线圈匝数；
k为电磁常数
第一e型铁芯绕组20中线圈通电流大小由图4中83a的电流驱动器进行调制供给，第二e型铁芯绕组30中线圈通电流大小由图4中83b的电流驱动器进行调制供给。
如图2所示，一对ei铁芯执行器组，平衡力描述为：
f1＝f10+δf1
f2＝f20-δf2
其中，f10和f20为偏置力，δf1为第一e型铁芯绕组的控制器输出的动态补偿力，δf2为第二e型铁芯绕组的控制器输出的动态补偿力。每个ei执行器的标称力f10和f20分别源于执行器给定的标称电流i10和i20。每个ei执行器输出的动态补偿力δf1和δf2幅值相等，符号相反。在理论位置中心线上，δf1＝δf2＝0，fpreload＝f10-f20。
气隙调节装置23设计为一楔形装置，沿着垂直于第一e型铁芯21表面进行位置移动。气隙调节装置23包括调节块231和位于铁芯21上的切口211。调节块可相对于切口211移动，进而改变调节块231与铁芯上的切口211之间的间隙，进而可以改变环路气隙δg，进而改变所述磁路的磁阻，进而改变滑块第一e型铁芯21与导轨25之间吸附力，进而可以改变第一e型铁芯21的吸附力f1与第二e型铁芯绕组30的吸附力f2之间的力差，进而可以改变滑块之上的负载力(preloadforce)大小。第一e型铁芯绕组可变吸附力计算如下：
第二e型铁芯绕组可变吸附力计算如下：
其中，i10、i20为第一和第二e型铁芯的执行器输入的标称电流，g10、g20为在理论位置中心线上磁路气隙，δg为气隙调节装置调节的附加气隙，δg最小值为0。
g10、g20通过如下公式计算：
其中，f0为动子滑块与导轨之间的静态预载力，由设计确定。
δg通过如下公式计算：
其中，m为动子滑块上运动负载的总质量，g为重力加速度。
一实施例中，调节块231设计为一楔形体。相应地，铁芯上的切口为楔形切口。
另一实施例中，铁芯上的切口为圆锥形切口。相应地，调节块为圆锥体。
一实施例中，如图2a所示，铁芯的表面上方设有支撑板48。调节块23可动地安装于支撑板上，并能够通过螺栓49延伸入铁芯上的切口。
具体地，调节块23固定连接有调节螺栓49。支撑板48上设有螺纹孔，从而调节螺栓与螺纹孔配合，使得调节块53能够相对于支撑板运动，进而调节调节块23伸入铁芯上的切口的深度，进而调节调节块的外表面与形成切口的表面之间的间隙。
需要指出的是，调节块在支撑板上的定位可以通过本领域已知的或待开发的任何合适的定位装置来实现，只要该定位装置能够在将调节块移动到预定位置之后，对调节块进行定位即可。
另一实施例中(图未示)，气隙调节装置包括贴于铁芯表面的调节片，且调节片由抗磁材料制成。该调节片的结构设置成能够改变其大小，从而能够调节其覆盖铁芯表面的面积。
应理解的是，本发明的气隙调节装置主要是用来改变磁路的磁阻，进而改变滑块单元与导轨之间吸附力，进而可以改变第一滑块单元的吸附力与第二滑块单元吸附力之间的力差，或与滑块重力负载之间平衡力大小。在上述原理下，气隙调节装置可以采用任何合适的结构。
图3是根据本发明的一实施例的具有气隙调节装置的阵列式“e”型磁悬浮导向装置的结构示意图。如图3所示，该阵列式“e”型磁悬浮导向装置包括i型铁芯700、阵列式“e”型铁芯绕组、间隙测量传感器710以及气隙调节装置720。i型铁芯700作为定子导轨的一部分。阵列式“e”型铁芯绕组730作为滑块部分，其包括e型铁芯阵列730、线圈绕组711、线圈绕组712和线圈绕组713。阵列式“e”型铁芯绕组的线圈绕组可以是1组、2组、3组、4组、5组、6组、7组、8组，以此延展类推。间隙测量传感器710测量e型铁芯阵列730和i型铁芯700之间的距离。
导向装置具有2个运动自由度，第一运动自由度方向为x方向，指向i型铁芯700的长轴方向，第二自由度方向为y方向，与i型铁芯700的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三运动自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向e型铁芯绕组阵列。
e型铁芯阵列绕组711、712、713在线圈通电时，电流i环绕线圈流动，根据右手定则在线圈中心的铁芯中产生如图3中所示的磁力线通路，磁力线通路使得e型铁芯绕组711、712、713与i型铁芯700的产生吸附力f，沿着第三自由度方向指向远离i型铁芯700表面方向。
具有可调节气隙装置的阵列式“e”型磁悬浮导向装置可单侧应用，也可以在i型铁芯对称两侧同时采用第一和第二阵列式“e”型铁芯绕组共同组合应用。阵列式“e”型磁悬浮导向装置在单侧应用时，ei之间产生的吸附力f可以与滑块上的负载重力方向相反，幅值相同以平衡重力，二者处于平衡状态时，“e”型阵列铁芯730作为滑块部分稳定悬浮于i型铁芯700作为导轨发上表面。
工作时，第一和第二阵列式“e”型铁芯绕组共同组合应用，第二e型铁芯绕组阵列与第一e型铁芯绕组阵列方向相反。在线圈通电时，电流i环绕线圈流动，根据右手定则在线圈中心的铁芯中产生如图3中所示的磁力线通路，磁力线通路第一和第二阵列式“e”型铁芯绕组分别与i型铁芯700的产生吸附力f1和f2，沿着第三自由度方向指向远离i型铁芯700表面的方向。力f1、f2和滑块上的负载重力fpreload处于平衡状态时，滑块稳定悬浮于i型铁芯700所在的导轨上表面。
第一e型铁芯绕组阵列730中线圈通电流大小由图4中第一ei装置84a的电流驱动器83a进行调制供给，第二e型铁芯绕组阵列中线圈通电流大小由图4中第二ei装置84b的电流驱动器83b进行调制供给。
气隙调节装置720可以改变所述磁路的磁阻，进而改变滑块e型铁芯 绕组阵列730与i型铁芯700之间吸附力，进而可以改变e型铁芯绕组阵列730的吸附力f与第二e型铁芯绕组阵列吸附力之间的力差，或与滑块重力负载之间平衡力大小。
图4示出根据本发明的一实施例的磁悬浮导向装置的控制系统框图。如图4所示，该控制系统包括位置设定装置60，求和器80，控制器81，预载力输入器88，求和器90，求和器89，非线性补偿器82a、82b，电流驱动器83a、83b，求和器86，以及间隙测量传感器模块91。该控制系统主要用于控制第一动子滑块单元84a和第二动子滑块单元84b。这里，位置设定装置用于设定滑块单元相对于导轨单元悬浮的高度。该高度可以在出厂时预设定。间隙测量传感器模块91包括上述的间隙测量传感器22和32。控制器81为常用的pid控制器，用于通过增益放大和调谐得到控制力输出。求和器89，求和器90，非线性补偿器82a、82b，以及电流驱动器83a、83b可以采用本领域已知的任何合适的器件，只要其能实现下文描述的功能即可。
预载力输入器88的输出端与求和器89和90的输入端通信连接。位置设定装置60的输入端与求和器80的输入端通信连接。求和器80的输出端与控制器81的输入端通信连接。控制器81的输出端与求和器89和90的输入端通信连接。求和器89和90的输出端分别与非线性补偿器82a和82b的输入端通信连接。同时，间隙测量传感器模块91的输出端与非线性补偿器82a和82b的输入端通信连接。非线性补偿器82a和82b的输出端分别与电流驱动器83a和83b通信连接。电流驱动器83a和83b分别与第一动子滑块单元和第二动子滑块单元电连接，用于控制第一动子滑块单元和第二动子滑块单元的运动。
工作时，上述fpreload滑块重力预载力设定值写入预载力输入器88中，动子滑块单元相对导轨单元悬浮的高度设定值写入位置设定装置60中(出厂时预设定值)。间隙测量传感器22、32测量动子滑块单元与导轨单元之间的悬浮间隙高度(即e铁芯与i铁芯之间的距离)，其测量得到位置与高度设定值通过求和器80计算得到偏差值，输入给控制器81，通过增益放大和调谐得到控制力输出。该控制力输出与预载力设定值共同输入给求和器89和求和器90，分别计算得到第一动子滑块单元84a和第二动子滑块单元84b的第一期望输出力和第二期望输出力。第一期望输出力输入给第一非线性补偿器82a，第二期望输出力输入给第二非线性补偿器82b。同时，第一动子滑块单元84a和第二动子滑块单元84b上e铁芯和i铁芯之间的距离通过间隙测量传感器22、32测量得到分别输入给非线性补偿器83a和 83b，分别计算出第一动子滑块单元84a和第二动子滑块单元84b所需要的期望电流，计算公式如下：
第一动子滑块单元84a和第二动子滑块单元84b所需要的期望电流分别输入给电流驱动器83a和83b。第一动子滑块单元84a和第二动子滑块单元84b在电流驱动器83a和83b提供的电流激励下，输出实际驱动力共同作用在磁悬浮导轨85上。两个驱动力通过求和器86形成力的矢量叠加和，使得滑块稳定悬浮在导轨之上。
如图5所示，在给定典型设置参数下，在气隙(gap)调节范围从200μm～500μm变化时，e型线圈中通入电流(current)0a～5a变化时，e型线圈滑块与i型铁芯导轨之间的吸附力(force)可以从0n～7600n，快速按照指数级变化。通过一对ei对称布局进行重力预载，能够以较低的能耗和滑块体积实现大负载运载能力。
根据本发明的一实施例，本申请的磁悬浮导向装置的控制方法可包括如下步骤：
步骤1：设定动子滑块单元的滑块的预载力；
步骤2：设定动子滑块单元相对于导轨单元悬浮的高度设定值；
步骤3：测量动子滑块单元与导轨单元之间的间隙高度；
步骤4：将上述间隙高度与上述高度设定值进行求和得到一偏差值；
步骤5：将该偏差值进行处理得到控制力输出；
步骤6：将该控制力输出和上述预载力进行求和得到期望输出力；
步骤7：根据上述期望输出力和上述间隙高度得到期望电流；以及
步骤8：根据上述期望电流来驱动动子滑块单元。
其中，步骤3通过设置于动子滑块单元上的间隙测量传感器来进行。步骤4通过将上述间隙高度与上述高度设定值输入求和器并进行处理来获得。步骤5通过将偏差值输入pid控制器来进行。步骤6通过求和器来进行。步骤7通过将期望输出力和上述间隙高度输入对应的非线性补偿器来进行。步骤8通过将上述期望电流输入电流驱动器，并由电流驱动器驱动动子滑块单元来进行。
一实施例中，步骤5中，所述处理通过典型的pid控制器进行。该处理包括控制器比例增益，控制器积分增益和控制器微分增益，控制力gcs(s)通过如下公式计算：
其中，kp为控制器增益，fi为积分频率，fd为微分频率，控制器增益kp将偏差值比例线性关系转换为控制力，
图6是根据本发明的另一实施例的“e”磁悬浮导向装置的布局示意图。本实施例与上述实施例基本相同，其主要不同之处在于本实施例的动子滑块部分有4个e型铁芯线圈绕组按照90°分布在导轨的四周，包括e型铁芯线圈绕组1001、e型铁芯线圈绕组1002、e型铁芯线圈绕组1003、e型铁芯线圈绕组1004。导轨部分由4个i型铁芯构建成回字形的铁芯导轨1000。滑块作为移动部分可沿着导轨在第一自由度方向作大行程移动，沿着第二或第三自由度方向作位移补偿调整。第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元1000的长轴方向，第二运动自由度方向为y方向，与导轨单元1000的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向滑块1001、1002、1003、1004。其中，动子滑块1001、1002、1003、1004在导轨单元1000上沿着第一运动自由度方向具有自由运动功能，和/或滑块1001、1002、1003、1004在导轨单元1000上沿着第二或第三运动自由度方向具有微位移运动功能或具有高刚性约束。
其中，动子滑块1001、1002、1003、1004的结构配置在导轨单元1000上沿着第一运动自由度方向可按照2组、3组、4组，以此类推进行拓展配置。
本实施例的动子滑块单元的结构及其控制方式与工作原理与上述实施例相同，在此不再详述。
图7是根据本发明的又一实施例的“e”磁悬浮导向装置的布局示意图。如图7所示，本实施例的磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元2000，其中导轨单元2000由1个十字形导轨构成，每个十字臂构成i型铁芯构，十字导轨的每个臂分支上均有一组成对的e型铁芯线圈绕组(即动子滑块单元)，共计4组的e型铁芯线圈绕组按照90°分布在导轨的四周，包括e型铁芯线圈绕组对2001、2002，e型铁芯线圈绕组对2003、2004，e型铁芯线圈绕组对2005、2006以及e型铁芯线圈绕组对2007、2008。动 子滑块单元作为移动部分可沿着导轨在第一自由度方向作大行程移动，沿着第二或第三自由度方向作位移补偿调整。第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元2000的长轴方向，第二运动自由度方向为y方向，与导轨单元2000的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向滑块2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007及2008。其中，滑块2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007及2008在导轨单元2000上沿着第一运动自由度方向具有自由运动功能，与或滑块2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007和2008在导轨单元2000上沿着第二或第三运动自由度方向具有微位移运动功能或具有高刚性约束。
其中，动子滑块2001、2002、2003、2004、2005、2006、2007和2008的结构配置在导轨单元2000上沿着第一运动自由度方向可按照2组、3组、4组，以此类推进行拓展配置。
本实施例的动子滑块单元的结构及其控制方式与工作原理与上述实施例相同，在此不再详述。
图8是根据本发明的又一实施例的“e”磁悬浮导向装置的布局示意图。如图8所示，磁悬浮导向装置包括动子滑块和导轨单元3000，其中导轨单元3000由1个工字形导轨构成，每个工字的梁构成i型铁芯构，工字梁导轨的每个臂分支上均有一组成对的e型铁芯线圈绕组，共计6组的e型铁芯线圈绕组按照90°分布在导轨的四周，包括e型铁芯线圈绕组对3001、3002，e型铁芯线圈绕组对3003、3004，e型铁芯线圈绕组对3005、3006，滑块作为移动部分可沿着导轨在第一自由度方向作大行程移动，沿着第二或第三自由度方向作位移补偿调整。第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元3000的长轴方向，第二运动自由度方向为y方向，与导轨单元3000的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向动子滑块3001、3002、3003、3004、3005及3006。其中，动子滑块3001、3002、3003、3004、3005及3006在导轨单元3000上沿着第一运动自由度方向具有自由运动功能，与或动子滑块3001、3002、3003、3004、3005及3006在导轨单元3000上沿着第二或第三运动自由度方向具有微位移运动功能或具有高刚性约束。
其中，动子滑块3001、3002、3003、3004、3005及3006的结构配置在导轨单元3000上沿着第一运动自由度方向可按照2组、3组、4组，以此类推进行拓展配置。本实施例的动子滑块单元的结构及其控制方式与工 作原理与上述实施例相同，在此不再详述。
图9-13示出根据本发明的“c”磁悬浮导向装置的结构示意图及布局示意图。图9-13所示的磁悬浮导向装置与图1-8所示的实施例的主要不同之处在于铁芯的形状。具体地，图1-8所示的实施例中，铁芯21为e形，而图9-13所示的实施例的铁芯是c形。
如图9所示，磁悬浮导向装置300包括导轨单元25、滑块单元201以及磁悬浮控制系统(也称为主动悬浮控制单元)，其中，导轨单元25包括第一i型铁芯26和第二i型铁芯36。滑块单元包括第一c型铁芯绕组50和第二c型铁芯绕组60。第一c型铁芯绕组50由第一c型铁芯51和第一线圈绕组54，以及第一间隙测量传感器52、气隙调节装置53组成，其中气隙调节装置53与图2所示的气隙调节装置23相同，在此不再详述。第二c型铁芯绕组60由第二c型铁芯61和第二线圈绕组64，以及第二间隙测量传感器62组成。第一间隙测量传感器52测量第一c型铁芯51和第一i型铁芯26之间的距离。第二间隙测量传感器62测量第二c型铁芯61和第二i型铁芯36之间的距离。导向装置具有2个运动自由度，第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元25的长轴方向，第二自由度方向为y方向，与导轨单元25的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三运动自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向第二c型铁芯绕组60，远离第一c型铁芯绕组50。这里，第一间隙测量传感器和第二间隙测量传感器可以例如是电容传感器、电涡流传感器或者接近式位置测量传感器等，测量行程范围0～10mm。本实施例的磁悬浮导向装置300及其气隙调节装置和间隙测量传感器的工作方式与图2所示实施例相同，在此不再详述。
与图3类似地，本实施例的磁悬浮导向装置也可包括阵列式“c”型磁悬浮导向装置的结构示意图。如图10所示，该阵列式“e”型磁悬浮导向装置包括i型铁芯620、阵列式“c”型铁芯绕组、间隙测量传感器610以及气隙调节装置640，其中气隙调节装置与图2所示的气隙调节装置相同，在此不再详述。i型铁芯620作为定子导轨的一部分。阵列式“c”型铁芯绕组730作为滑块部分，其包括c型铁芯阵列630、线圈绕组611、线圈绕组612、线圈绕组613和线圈绕组614，其中线圈绕组611、线圈绕组612、线圈绕组613和线圈绕组614分别与相应的铁芯段构成铁芯绕组621、622、623及624。阵列式“c”型铁芯绕组的线圈绕组可以是1组、2组、3组、4组、5组、6组、7组、8组，以此延展类推。间隙测量传感器610测量c型铁芯阵列630和i型铁芯620之间的距离。
图11是根据本发明的另一实施例的“c”磁悬浮导向装置的布局示意图。本实施例与图6所示的实施例基本相同，如图10所示，动子滑块部分有4个c型铁芯线圈绕组按照90°分布在导轨的四周，包括c型铁芯线圈绕组4001、c型铁芯线圈绕组4002、c型铁芯线圈绕组4003、c型铁芯线圈绕组4004。导轨部分由4个i型铁芯构建成回字形的铁芯导轨4000。滑块作为移动部分可沿着导轨在第一自由度方向作大行程移动，沿着第二或第三自由度方向作位移补偿调整。第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元4000的长轴方向，第二运动自由度方向为y方向，与导轨单元4000的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向滑块4001、4002、4003、4004。其中，动子滑块4001、4002、4003、4004在导轨单元4000上沿着第一运动自由度方向具有自由运动功能，和/或滑块4001、4002、4003、4004在导轨单元4000上沿着第二或第三运动自由度方向具有微位移运动功能或具有高刚性约束。
其中，动子滑块4001、4002、4003、4004的结构配置在导轨单元4000上沿着第一运动自由度方向可按照2组、3组、4组，以此类推进行拓展配置。
本实施例的动子滑块单元的结构及其控制方式与工作原理与上述实施例相同，在此不再详述。
图12是根据本发明的又一实施例的“c”磁悬浮导向装置的布局示意图。本实施例与图7所示的实施例基本相同，如图11所示，磁悬浮导向装置包括动子滑块单元和导轨单元5000，其中导轨单元5000由1个十字形导轨构成，每个十字臂构成i型铁芯构，十字导轨的每个臂分支上均有一组成对的c型铁芯线圈绕组(即动子滑块单元)，共计4组的c型铁芯线圈绕组按照90°分布在导轨的四周，包括c型铁芯线圈绕组对5001、5002，c型铁芯线圈绕组对5003、5004，c型铁芯线圈绕组对5005、5006以及c型铁芯线圈绕组对5007、5008。动子滑块单元作为移动部分可沿着导轨在第一自由度方向作大行程移动，沿着第二或第三自由度方向作位移补偿调整。第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元5000的长轴方向，第二运动自由度方向为y方向，与导轨单元5000的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向滑块5001、5002、5003、5004、5005、5006、5007及5008。其中，滑块5001、5002、5003、5004、5005、5006、5007及5008在导轨单元5000上沿着第一运动自由度方向具有自由运动功能， 与或滑块5001、5002、5003、5004、5005、5006、5007和5008在导轨单元5000上沿着第二或第三运动自由度方向具有微位移运动功能或具有高刚性约束。
其中，动子滑块5001、5002、5003、5004、5005、5006、5007和5008的结构配置在导轨单元5000上沿着第一运动自由度方向可按照2组、3组、4组，以此类推进行拓展配置。
本实施例的动子滑块单元的结构及其控制方式与工作原理与上述实施例相同，在此不再详述。
图13是根据本发明的又一实施例的“c”磁悬浮导向装置的布局示意图。本实施例与图8所示的实施例基本相同，如图13所示，磁悬浮导向装置包括动子滑块和导轨单元6000部分，其中导轨单元6000由1个工字形导轨构成，每个工字的梁构成i型铁芯构，工字梁导轨的每个臂分支上均有一组成对的c型铁芯线圈绕组，共计6组的c型铁芯线圈绕组按照90°分布在导轨的四周，包括c型铁芯线圈绕组对6001、6002，c型铁芯线圈绕组对6003、6004，c型铁芯线圈绕组对6005、6006，滑块作为移动部分可沿着导轨在第一自由度方向作大行程移动，沿着第二或第三自由度方向作位移补偿调整。第一运动自由度方向为x方向，指向导轨单元6000的长轴方向，第二运动自由度方向为y方向，与导轨单元6000的长轴方向互相垂直正交，导向装置的第三自由度方向为z方向，它与第一运动自由度方向和第二运动自由度方向均垂直正交，指向动子滑块6001、6002、6003、6004、6005及6006。其中，动子滑块6001、6002、6003、6004、6005及6006在导轨单元6000上沿着第一运动自由度方向具有自由运动功能，与或动子滑块6001、6002、6003、6004、6005及6006在导轨单元6000上沿着第二或第三运动自由度方向具有微位移运动功能或具有高刚性约束。
其中，动子滑块6001、6002、6003、6004、6005及6006的结构配置在导轨单元6000上沿着第一运动自由度方向可按照2组、3组、4组，以此类推进行拓展配置。本实施例的动子滑块单元的结构及其控制方式与工作原理与上述实施例相同，在此不再详述。
本申请的磁悬浮导向装置具有气隙调节装置，气隙调节装置能够增加或减小“e”型铁芯中磁路磁阻大小，进而改变动子滑块单元与导轨单元之间的吸附力，进而可便利地手动调节动子滑块单元与导轨单元之间相对间隙位置，与或进而可调节导轨的负载大小。尤其是在导轨单元装配阶段，可便利的利用气隙调节装置进行运动机构装调。
进一步，本申请的磁悬浮导向装置在悬浮方向为低刚度、大负载，同 时利用主动悬浮控制单元具有高响应能力的主动，尤其适用于高精密运动台结构导轨，可减小非运动方向的振动传导进入动子中。
本申请的磁悬浮导向装置在重载条件下可提供稳定的基础浮力和较大的间隙问题。本申请的动子滑块单元与导轨单元具有比气浮导轨的气隙高的气隙(即间隙)。典型地，气浮导轨的气隙为5um～20um，而本申请磁悬浮的气隙高度为10um～2mm。对于不同配重，可以通过调整内部磁路结构在较宽的范围内改变浮力，达到调校间隙的目的。同时，解决在重载情况下的装调问题。本发明可适应高速高加速度高精度的运动定位台的应用场合。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
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