六自由度磁懸浮電機研究進展

黃子納, 曹廣忠, 黃蘇丹, 王麗佳

(深圳大學 機電與控制工程學院，廣東省電磁控制與智能機器人重點實驗室，廣東 深圳 518060)

0 引 言

極紫外(Extreme Ultraviolet，EUV)光刻是目前最前沿、最高水平的光刻技術，已成為目前最高端光刻機亟需攻克的關鍵技術。使用EUV光源開發的光刻系統須在高真空環境中暴露硅晶片以防止光學元件的污染和空氣對EUV光的吸收。六自由度磁懸浮電機采用磁浮技術實現空間的六自由度運動，從而擺脫機械摩擦，可在真空環境中運行，且具有直接驅動、可靠性高、高精度運動等特點，已成為EUV光刻機等須在高真空、高潔凈環境下運行的高端裝備的一種前沿關鍵技術。

六自由度磁懸浮電機最早由美國麻省理工學院W.J.Kim等人提出，動定子分別采用一維Halbach永磁體陣列與勵磁繞組實現了電機的六自由度運動[1]。六自由度磁懸浮電機自誕生以來，以其突出的潛在價值引起學術界的廣泛關注。國內外學者對六自由度磁懸浮電機進行了一系列研究，并取得了突出的研究成果。國外研究機構主要包括美國麻省理工學院[1]、荷蘭埃因霍芬理工大學[2-4]、西班牙TEKNIKER工業研究中心[5]、韓國電工技術研究所[6]、加拿大英屬哥倫比亞大學[7]、新加坡國立大學[8]等。我國在六自由度磁懸浮電機研究方面起步較晚，也取得了一系列的研究成果，主要研究機構包括清華大學[9]、西安交通大學[10]、哈爾濱工業大學[11]、華中科技大學[12]、深圳大學[13]等。近十幾年來，工業界先后推出六自由度磁懸浮電機產品，其中包括加拿大Planarmotor公司、德國BECKHOFF公司、ABB集團下的B&R公司等。迄今為止，已有多種型式的六自由度磁懸浮電機被公開報道，根據永磁體陣列和線圈陣列的結構特點，主要分為組合式六自由度磁懸浮電機、半組合式六自由度磁懸浮電機、對稱式六自由度磁懸浮電機以及層疊繞組式六自由度磁懸浮電機四大類[14]。

本文首先介紹六自由度磁懸浮電機的工作原理與結構，分析四大類六自由度磁懸浮電機的研究現狀與特點，最后探討六自由度磁懸浮電機的發展趨勢并指出未來研究方向。

1 六自由度磁懸浮電機的原理與結構

六自由度磁懸浮電機由永磁體陣列和線圈陣列組成基本的電磁結構。根據動子與定子的安裝位置，可將六自由度磁懸浮電機分為動圈式和動磁式兩大類。動圈式六自由度磁懸浮電機的勵磁線圈安裝在動子上，勵磁線圈隨動子運動而運動；動磁式六自由度磁懸浮電機的永磁體裝在動子上，永磁體隨動子運動而運動。兩種結構各有優缺點，動圈式六自由度磁懸浮電機建模時不需要考慮永磁體陣列的邊緣效應，但是動子外部的電氣連接將引入一定的擾動，并且動子線圈工作時產生的熱量不容易消散。動磁式六自由度磁懸浮電機可在定子線圈附加散熱裝置具有較好的散熱性能，且動子與外部無電氣連接實現了真正的無接觸懸浮，但是不能忽略動子永磁體陣列的邊緣效應，進而增加了電機建模的難度。

動圈式和動磁式六自由度磁懸浮電機的工作原理大體相同。圖1為六自由度磁懸浮電機結構運動原理圖。永磁體產生的永磁磁場與線圈繞組中的勵磁電流相互作用，會產生多組電磁力，包括沿水平方向運動的推力(Fx1、Fy2、Fx3、Fy4)以及豎直方向運動的懸浮力(Fz1、Fz2、Fz3、Fz4)。將不同方向的推力和懸浮力合成為動子平移運動(沿坐標軸x、y、z平移)的三個相互垂直的力以及旋轉運動(繞坐標軸x、y、z旋轉)的三個相互垂直的力矩。采用合適的控制策略對三個力和三個力矩進行有效地控制，就可實現動子在空間的六自由度運動。

圖1 六自由度磁懸浮電機結構運動原理圖

此外，根據永磁體陣列和線圈陣列的結構特點，六自由度磁懸浮電機主要可分為組合式、半組合式、對稱式以及層疊繞組式四大類。組合式六自由度磁懸浮電機用一維永磁體陣列和組合形式線圈陣列；半組合式六自由度磁懸浮電機采用二維永磁體陣列和組合形式線圈陣列；對稱式六自由度磁懸浮電機的永磁體陣列和線圈陣列均為對稱結構，且均能產生二維平動磁場；層疊繞組式六自由度磁懸浮電機的采用一維或二維永磁體陣列和由兩套繞組相互垂直排列的線圈陣列。六自由度磁懸浮電機的性能主要決定于永磁體陣列與線圈陣列的結構，不同結構的永磁體陣列與線圈陣列使這四類六自由度磁懸浮電機具有顯著不同的特點。

2 六自由度磁懸浮電機的分類及特點

2.1 組合式六自由度磁懸浮電機

美國麻省理工學院的W.J.Kim于1997年研制出第一臺六自由度磁懸浮電機，其具體結構如圖2所示，該電機屬于動磁組合式六自由度磁懸浮電機[1]。電機動子由4個一維Halbach永磁體陣列組成，定子由4個勵磁線圈組合而成；電機動子的六自由度測量方案采用測量水平方向距離的激光干涉儀和測量垂直方向距離的電容傳感器；電機運動行程為50 mm×50 mm×0.4 mm，實現了5 nm的定位精度。由于只有靠近永磁體一側的線圈對動子有力的作用，線圈勵磁電流的利用率較低，并且電機動子的運動行程受機械結構的限制使其難以實現大行程運動。

圖2 W.J.Kim等人提出的動磁組合式六自由度磁懸浮電機結構

新加坡國立大學的C.K.Pang于2017提出了如圖3所示的動磁組合式六自由度磁懸浮電機。電機動子由4個一維Halbach永磁體陣列組成，定子由多個方形勵磁線圈組成，通過增加定子勵磁線圈的數量可實現動子行程的拓展[8]。

組合式六自由度磁懸浮電機的動子一般采用一維Halbach永磁體陣列組合而成，容易實現水平推力的物理解耦，進而控制策略較為簡單，且由于一維Halbach永磁鐵陣列相比于二維Halbach永磁體陣列的磁場諧波分量更小，因此動子具有更小的力脈動。

圖3 C.K.Pang等人提出的動磁組合式六自由度磁懸浮電機

2.2 半組合式六自由度磁懸浮電機

荷蘭埃因霍芬理工大學的J.C.Compter 等人于2004年提出了一種動圈半組合式六自由度磁懸浮電機，其結構如圖4所示[2]。電機動子由4套繞組組合而成，定子采用二維Halbach永磁體陣列。永磁體陣列與線圈陣列設置成相差45°角的結構，從而實現水平推力的物理解耦，為后續六自由度磁懸浮電機設計提供了新思路。電機的位姿傳感器為測量水平方向距離的霍爾傳感器陣列和測量垂直方向距離的電容傳感器，實現了10 μm的定位精度。

圖4 J.C.Compter等人提出的動圈半組合式六自由度磁懸浮電機結構

2008年，荷蘭埃因霍芬理工大學的J.W.Jansen等人提出了如圖5所示的動磁式半組合式六自由度磁懸浮電機[3]。電機動子為二維Halbach永磁體陣列，定子為改進的二維扁平線圈陣列，線圈按魚骨型排列，線圈之間的長邊相互垂直以減少水平推力的耦合。

圖5 J.W.Jansen等人提出的動磁半組合式六自由度磁懸浮電機

半組合式六自由度磁懸浮電機的永磁體陣列采用二維Halbach永磁體陣列，所有驅動單元共用一個Halbach永磁體陣列的磁場，集成度高；通過增加定子永磁體陣列或定子線圈陣列可拓展動子運動行程；由于推力具有耦合特性，因此控制策略較為復雜。

2.3 對稱式六自由度磁懸浮電機

荷蘭埃因霍芬理工大學的J.D.Boeij等人于2006年提出了如圖6所示的六自由度磁懸浮電機[4]。該電機為動圈對稱式六自由度磁懸浮電機，定子由對稱排列的方形線圈陣列組合而成，動子采用二維Halbach永磁體陣列。

圖6 J.D.Boeij等人提出的動磁對稱式六自由度磁懸浮電機

對稱式六自由度磁懸浮電機的動子和定子均采用對稱式結構，因而電機結構更加緊湊，能產生更大的懸浮力；但電機單個勵磁線圈產生的電磁力有可能分解為六個自由度上的電磁力和電磁轉矩，加劇了電磁力與電磁力矩之間的耦合，使得控制策略更為復雜。

2.4 層疊繞組式六自由度磁懸浮電機

加拿大英屬哥倫比亞大學的X.Lu于2012年提出了一種動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機，其結構如圖7所示[7]。電機動子由4個一維永磁體陣列組成，定子由2個正交方向的勵磁導線層疊排列組成，定子勵磁導線以印制線路板(Printed Circuit Board，PCB)的形式制作而成，具有槽滿率高、推力密度大的優點。

圖7 X.Lu提出的動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機結構

2020年，我國深圳大學的曹廣忠團隊在X.Lu提出的動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機的基礎上，提出并研制了一種動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機，其結構如圖8所示[13]。電機動子由4個一維Halbach永磁體陣列兩兩相互垂直拼裝而成，定子為層疊繞組式線圈陣列組成的PCB板。

圖8 曹廣忠等人提出的動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機結構

電機動子的Halbach永磁體陣列與定子的勵磁導線的結構示意圖如圖9所示。通過采用呈2個周期排列方式的Halbach永磁體陣列，X(或Y)永磁體陣列產生的推力和懸浮力只受x(或y)方向的勵磁電流控制，進而實現了水平推力的解耦。電機采用4相電流的勵磁方案，相對于X.Lu所提出電機的3相電流勵磁方案，減小了磁場諧波分量在電磁力解耦中產生的力脈動。

圖9 曹廣忠等人提出的電機動子Halbach永磁體陣列與定子勵磁導線結構示意圖

永磁體陣列邊緣磁場的衰減是影響動磁式磁懸浮電機定位精度的重要因素之一，一般采用在線性區域給勵磁電流的解決方案，在一定程度上可減少磁場邊緣效應，但是其磁場利用率太低。根據文獻[15]提出的場折疊理論，在永磁體陣列兩端附加額外的勵磁線圈，補償永磁體陣列在圖8所示x方向兩端永磁體磁場的衰減，進而簡化了控制策略。

電機的位姿傳感器為激光位移傳感器，傳感方案示意圖如圖10所示。在動子上添加輔助定位裝置，在電機基座的水平方向和垂直方向各安裝3個激光測距儀，根據檢測得到的6個平移距離并采用位姿解算方法，從而獲得動子六自由度的位姿信息。

圖10 曹廣忠等人提出的電機位姿測量方案示意圖

層疊繞組式六自由度磁懸浮電機的勵磁繞組由兩套相互垂直排列的繞組排列而成，相對于矩形和方形線圈等短距勵磁繞組，一般不需要考慮線圈圓弧端部引起的附加轉矩補償控制問題。采用PCB板代替傳統的銅線或漆包線繞組作為定子線圈繞組陣列，能極大提升電機槽滿率與裝配精度。動子運動時需要對動子投影所覆蓋的導線束進行勵磁，而只有動子正對的部分導線可有效勵磁，進而導致能量利用率低。

3 六自由度磁懸浮電機的未來研究方向

國內外已經研制了多種型式的六自由度磁懸浮電機，部分類型已經投入工業應用，但是六自由度磁懸浮電機的研究仍處于起步階段，難以滿足高端光刻機等先進制造裝備的需求，未來需要深入研究的方向包括：

(1)六自由度磁懸浮電機的新型結構設計與優化。尋找一種綜合性能最優的電磁結構需要從永磁陣列和線圈陣列兩個方面著手。六自由度磁懸浮電機的永磁體陣列多采用Halbach陣列，設計磁通密度大，基波含量小的永磁體陣列是六自由度磁懸浮電機永磁體陣列設計的關鍵。電機的電磁力由線圈陣列與永磁體陣列相互作用參數，線圈陣列需要配合永磁體陣列的設計進行合理的設計，盡可能實現電磁力的結構上的解耦。電機的發熱主要集中在勵磁繞組，繞組溫度過高會帶來電機模型的變化甚至損毀電機。特別是動圈式磁懸浮電機，需要設計合理的散熱裝置，既保證線圈的溫度不過高，同時對動子運動的影響盡可能小。

(2)六自由度磁懸浮電機的高效魯棒解耦控制策略。六自由度磁懸浮電機的電磁力通常是有多個驅動單元的電磁力合成，各個驅動單元的電磁力都不同程度影響著動子的合成電磁力或力矩，一般通過力分配的方式將動子的期望電磁力或力矩分配成各個驅動單元的期望電磁力實現電磁力解耦。然而，在磁懸浮電機設計中，驅動單元提供的可控的電磁力的自由度數往往多于動子的電磁力或力矩的自由度數，因此存在著無窮多個解。對于這類問題，需要通過增加約束條件來獲得驅動單元的電磁力的最優解。與此同時，磁懸浮電機的驅動單元本身的電磁力在不同維度的分量也存在耦合的情況，其耦合情況與勵磁電流空間分布與大小直接相關。通常采用電流矢量控制的方式來對勵磁電流實現解調，使得解調后的勵磁電流獨立控制驅動單元電磁力在不同維度的分量，該方法與永磁同步旋轉電機的DQ分解方法同理。然而，對于短距繞組結構的磁懸浮電機，還需要考慮電流解調控制中引起的附加轉矩的補償控制。

(3)六自由度磁懸浮電機位置的精準檢測。為實現六自由度磁懸浮電機的六自由度驅動和高精度運動控制，需要對電機的動子進行實時和無接觸的位置檢測。隨著光刻機等芯片制造領域的技術要求不斷提高，六自由度磁懸浮電機的定位精度需達到納米級水平。采用激光干涉儀作為傳感器是實現六自由度磁懸浮電機動子無接觸測量最有潛力的納米級測量方案之一，但激光干涉儀也存在諸多限制，比如非線性誤差，激光光源的波動，溫度等非周期性擾動都對其精度造成一定的影響。目前，激光干涉儀的非線性誤差補償領域已經有了諸多成果，大大提高了其性能，結合信號處理等其他技術來補償其余非周期擾動成為提高激光干涉儀精度的一種解決方案。

(4)六自由度磁懸浮電機的高精度綜合運動控制。六自由度磁懸浮電機的多自由度耦合以及其磁場具有高度非線性和關于位置的不確定性特點，動子平臺任一方向上位置的變化會導致系統模型參數攝動和其余方向位置擾動，磁懸浮平面電機是一個多輸入多輸出非線性耦合系統。在平面電機常規的控制器設計中，通常過度依賴被控制對象精確的數學模型。然而六自由度磁懸浮電機的電磁力以及磁場強度具有很強的非線性，并且隨著電機連續工作時間的增加，由于發熱、散熱不均勻等其它因素，會導致磁場強度以及電磁力產生波動。因此六自由度磁懸浮電機的控制器設計中，必須考慮電機模型的不確定性，以及內部和外部的干擾，并且針對上述問題設計魯棒控制器。國內外學者對此也提出了很多的控制策略，比如滑膜控制，魯棒控制，自抗擾控制等作為控制器，以及采用前饋補償，重力補償策略來提高控制性能。采用不過度依賴電機模型的控制算法，同時考慮電機的具體特性加入合適的補償策略來提高控制器性能，將成為六自由度磁懸浮電機控制器設計的主要方向。

4 結 論

六自由度磁懸浮電機在先進制造裝備領域具有廣闊的應用前景，尤其適用于EUV光刻機等須在高真空、高潔凈環境下運行的前沿高端裝備。動磁式六自由度磁懸浮電機由于具有散熱設計簡單易行、動子受外界干擾小等優點將成為六自由度磁懸浮電機的未來發展的重點。動磁層疊繞組式六自由度磁懸浮電機，可采用成熟的PCB板技術制作定子，使其更適合于工業應用。目前，國外的六自由度磁懸浮電機技術水平領先于國內，六自由度磁懸浮電機的研究仍不夠完善，還不能滿足高端制造裝備的需求。未來隨著六自由度磁懸浮電機設計技術與控制技術的不斷完善，電機性能將取得突破性提高，六自由度磁懸浮電機在高端裝備等諸多領域將得到進一步的應用。