《磁懸浮平面電機(jī)驅(qū)動及控制技術(shù)》論述了磁懸浮平面電機(jī)相關(guān)的基本理論和基本技術(shù)。重點(diǎn)闡述了磁懸浮平面電機(jī)的電氣驅(qū)動技術(shù)和六自由度運(yùn)動控制技術(shù)。《磁懸浮平面電機(jī)驅(qū)動及控制技術(shù)》側(cè)重于基本理論和基本技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法的闡述，面向基本理論和基本技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用。
前言
第1章緒論1
1.1磁懸浮平面電機(jī)應(yīng)用背景及研究意義1
1.1.1IC制造裝備技術(shù)發(fā)展及其對平面工作臺運(yùn)動驅(qū)動系統(tǒng)的要求1
1.1.2其他技術(shù)領(lǐng)域?qū)ζ矫骐姍C(jī)運(yùn)動系統(tǒng)的要求4
1.1.3磁懸浮平面電機(jī)驅(qū)動及控制技術(shù)的研究意義5
1.2磁懸浮平面電機(jī)典型結(jié)構(gòu)及基本工作原理6
1.3磁懸浮平面電機(jī)六自由度運(yùn)動特性及基本驅(qū)動方法11
1.3.1六自由度運(yùn)動特性11
1.3.2六自由度運(yùn)動基本驅(qū)動方法11
1.4磁懸浮平面電機(jī)多自由度運(yùn)動控制方法14
1.5國內(nèi)磁懸浮平面電機(jī)研究狀況20
1.6磁懸浮平面電機(jī)研究現(xiàn)狀及研究方法小結(jié)22
1.7本書研究的問題和研究內(nèi)容23
1.7.1研究問題的提出23
1.7.2研究內(nèi)容25
第2章電磁力/矩建模27
2.1引言27
2.2永磁陣列磁場解析模型建立及驗(yàn)證28
2.2.1永磁陣列磁場建模28
2.2.2永磁陣列磁場解析模型實(shí)測驗(yàn)證31
2.3基于DQ變換的電磁力/矩建模及電流求取37
2.3.1單個力單元電磁力/矩建模及線圈電流求取方法37
2.3.2四個力單元電磁力/矩建模及線圈電流求取方法39
2.3.3基于DQ變換的電磁力/矩模型及線圈電流求取法則討論44
2.4基于洛倫茲力積分法則的電磁力/矩建模及模型驗(yàn)證45
2.4.1電磁力/矩建模45
2.4.2電磁力/矩模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證50
2.4.3電磁力/矩模型與實(shí)測力/矩誤差來源分析56
2.5小結(jié)60
第3章電氣驅(qū)動——線圈陣列換流方法62
3.1引言62
3.2基于電流最小2范數(shù)的線圈陣列換流方法63
3.2.1基于電流最小2范數(shù)的線圈陣列換流方法63
3.2.2換流仿真及結(jié)果分析64
3.3基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列電流優(yōu)化換流方法67
3.3.1基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列電流優(yōu)化換流方法的原理67
3.3.2基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列電流優(yōu)化換流方法的解析算法68
3.3.3基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列優(yōu)化換流方法的數(shù)值穩(wěn)定性70
3.3.4基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列優(yōu)化換流方法的仿真分析72
3.3.5基于電流∞范數(shù)有界的線圈陣列優(yōu)化換流方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證76
3.4線圈陣列熱損耗均勻化81
3.4.1線圈陣列熱損耗均勻度?電流均勻度及均勻化方法81
3.4.2線圈陣列熱損耗均勻化仿真分析83
3.5平面電機(jī)推動力的提高92
3.5.1最大力/矩(加速度)約束問題92
3.5.2提高平面電機(jī)推動力的方法94
3.5.3平面電機(jī)推動力提高的仿真分析96
3.6動磁式磁懸浮平面電機(jī)的電氣驅(qū)動109
3.7小結(jié)114
第4章六自由度運(yùn)動動力學(xué)建模及控制116
4.1引言116
4.2六自由度運(yùn)動控制系統(tǒng)構(gòu)建117
4.3六自由度運(yùn)動控制對象動力學(xué)建模119
4.3.1六自由度控制對象剛體動力學(xué)建模119
4.3.2懸浮自由度重力補(bǔ)償動力學(xué)建模120
4.4六自由度運(yùn)動控制器設(shè)計122
4.4.1最小時間加權(quán)誤差絕對值積分準(zhǔn)則123
4.4.2控制器設(shè)計124
4.5控制系統(tǒng)綜合仿真127
4.5.1控制系統(tǒng)綜合仿真模型建立127
4.5.2六自由度運(yùn)動電磁力/矩線圈電流解耦仿真128
4.5.3各自由度控制性能仿真131
4.5.4控制系統(tǒng)各自由度軌跡跟蹤性能仿真137
4.6小結(jié)142
第5章六自由度受控條件下懸浮運(yùn)動控制143
5.1引言143
5.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳感器配置144
5.3解耦及懸浮控制實(shí)驗(yàn)146
5.3.1開環(huán)懸浮控制146
5.3.2三自由度控制條件下懸浮定位147
5.3.3六自由度控制條件下懸浮定位及軌跡跟蹤151
5.4小結(jié)155
第6章總結(jié)與展望156
6.1研究內(nèi)容總結(jié)156
6.2后續(xù)研究展望157
參考文獻(xiàn)159
第1章緒論
1.1磁懸浮平面電機(jī)應(yīng)用背景及研究意義
1.1.1IC制造裝備技術(shù)發(fā)展及其對平面工作臺運(yùn)動驅(qū)動系統(tǒng)的要求當(dāng)今世界全面進(jìn)入了信息化時代·信息技術(shù)(informationtechnology，IT)的飛速發(fā)展，把人類帶入了一個全新的時空環(huán)境·在這個海量信息無處不在并飛速傳播的時空環(huán)境里，人類的一切生產(chǎn)活動，不管第一·第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動，如能源生產(chǎn)·工業(yè)制造等，還是第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動，如通信·交通等，追本溯源，都越來越依賴于信息技術(shù)的發(fā)展·作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的硬件基礎(chǔ)，半導(dǎo)體芯片或集成電路(integratedcircuit，IC)及其制造技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標(biāo)志·而作為IC技術(shù)核心之一的IC制造裝備技術(shù)則是發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)乃至信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)和戰(zhàn)略關(guān)鍵·
人類生產(chǎn)活動對科技進(jìn)步的無限需求促進(jìn)了集成電路集成度的進(jìn)一步提高·處理速度的進(jìn)一步加快·單位體積儲存容量的進(jìn)一步擴(kuò)大·幾十年來，MPU·DRAM·Flash等最尖端集成電路芯片的集成度·處理速度·容量按所謂"摩爾定律"快速發(fā)展，近年來還有加速發(fā)展的趨勢·人類對集成電路芯片更高·更快·更強(qiáng)的需求必然對制造這些芯片的設(shè)備--IC制造裝備及相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)提出越來越高的要求·
光學(xué)投影曝光步進(jìn)掃描光刻機(jī)是IC制造裝備中投資最大·精度與難度最大·技術(shù)最為密集的關(guān)鍵設(shè)備，它由激光光源·照明系統(tǒng)·投影物鏡系統(tǒng)·工作臺系統(tǒng)·整機(jī)輔助系統(tǒng)等部分組成·其工作原理主要基于光學(xué)投影曝光系統(tǒng)技術(shù)·對準(zhǔn)系統(tǒng)技術(shù)和工作臺運(yùn)動系統(tǒng)技術(shù)三大關(guān)鍵技術(shù)·光學(xué)投影曝光系統(tǒng)當(dāng)前普遍采用波長193nm的ArF深紫外(deepultraviolet，DUV)光源技術(shù)[1]，工作臺系統(tǒng)由硅片臺系統(tǒng)和掩膜臺系統(tǒng)組成，硅片臺的步進(jìn)掃描運(yùn)動和掩模臺的同步掃描運(yùn)動完成最后的曝光成像[2]·圖1.1(a)為先進(jìn)半導(dǎo)體材料光刻公司阿斯麥(AdvancedSemiconductorMaterialLithography，ASML)生產(chǎn)的某型光刻機(jī)外觀圖，圖1.1(b)為其雙硅片臺外觀圖[3]·
工作臺運(yùn)動系統(tǒng)是光刻機(jī)等IC制造裝備的關(guān)鍵組成部分·圖1.2所示為典型光刻機(jī)平面電機(jī)(硅片臺)運(yùn)動系統(tǒng)，它主要由精(微)動臺·粗動臺·氣浮導(dǎo)軌·直線電機(jī)·大理石基座及其他附件組成·粗動臺采用氣浮支承·直線電機(jī)驅(qū)動，以獲得平面內(nèi)的大行程運(yùn)動;精(微)動臺疊加在粗動臺上，一般采用音圈電機(jī)或壓電精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，其功能是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)掃描精密補(bǔ)償運(yùn)動和調(diào)平調(diào)焦運(yùn)動[4]·
圖1.1ASML公司某型光刻機(jī)及硅片臺外觀
圖1.2光刻機(jī)平面電機(jī)(硅片臺)運(yùn)動系統(tǒng)
按照如圖1.3所示的歐洲·美國以及亞洲的韓國·日本·中國臺灣等國家和地區(qū)半導(dǎo)體技術(shù)組織聯(lián)合發(fā)布的2013版半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS2013)[5]預(yù)測的未來光刻機(jī)潛在技術(shù)方案，下一代光刻機(jī)可能采用極紫外光刻(extremeultraviolet，EUV)·無掩模光刻(masklesslithography，ML2)·壓印光刻(Imprint)等解決方案·無論采取哪一種解決方案，都必須采用工作臺(至少要采用硅片臺)運(yùn)動系統(tǒng)，并對其環(huán)境適應(yīng)性·運(yùn)動性能提出了更高·更強(qiáng)·更優(yōu)的技術(shù)要求·
(1)納米尺度的加工制造往往對其制造裝備有著特殊的工作環(huán)境適應(yīng)性要求·不同于現(xiàn)在的193nm波長光源的DUV，EUV·ML2·Imprint等解決方案都對硅片(臺)所處的工作環(huán)境提出了高真空度·高潔凈度等環(huán)境適應(yīng)性要求·如EUV就采用波長極短(13.5nm或者更短)的極紫外光源，它要求平面電機(jī)工作在高真空環(huán)境下以避免空氣對光能的吸收[6]·圖1.3半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS2013)光刻機(jī)潛在技術(shù)方案
(2)光刻機(jī)是一個具有超高定位精度的光機(jī)電系統(tǒng)，衡量其性能的一個主要指標(biāo)是其所能加工的IC芯片的關(guān)鍵尺寸(criticaldimension，CD)·目前22nm節(jié)點(diǎn)的光刻機(jī)已批量生產(chǎn)，22nm以下節(jié)點(diǎn)的光刻機(jī)或已試產(chǎn)，或者正在研發(fā)·預(yù)研中·微小至十幾納米甚至幾納米的關(guān)鍵尺寸直接意味著光刻機(jī)的平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)具有納米尺度的超高定位精度[4，5]·
(3)追求低成本·大批量·高生產(chǎn)率的商業(yè)化IC芯片制造必然要求平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)具備多功能·綜合化的運(yùn)動性能·光刻機(jī)平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)的基本運(yùn)動功能是步進(jìn)·掃描·調(diào)平·調(diào)焦等，為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，未來光刻機(jī)平面電機(jī)的步進(jìn)掃描運(yùn)動速度將超過1000mm/s，加速度將在1g以上，載于硅片臺上的待加工對象--硅片，其直徑將達(dá)到450mm，相應(yīng)的步進(jìn)掃描運(yùn)動行程至少得大于硅片直徑·由此看來，未來光刻機(jī)平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)將是一個高速度·高加速度·大行程的多自由度運(yùn)動系統(tǒng)[6]·
綜上所述，未來光刻機(jī)等IC制造裝備所需要的工作臺運(yùn)動系統(tǒng)將是一個在高真空度·高潔凈度環(huán)境下高速度·高加速度·大行程運(yùn)動并能實(shí)現(xiàn)納米級超高定位精度的多自由度運(yùn)動系統(tǒng)·當(dāng)前主流的平面電機(jī)氣浮工作臺運(yùn)動系統(tǒng)，由于其很難適應(yīng)高真空度·高潔凈度的環(huán)境要求，在未來IC制造裝備中的使用必將受到越來越大的限制，甚至淡出半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域·必須尋找新的技術(shù)支撐點(diǎn)，使得工作臺運(yùn)動系統(tǒng)能夠同時滿足環(huán)境·精度·速度·行程等方面的要求，以適應(yīng)工作臺運(yùn)動驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展需求·
1.1.2其他技術(shù)領(lǐng)域?qū)ζ矫骐姍C(jī)運(yùn)動系統(tǒng)的要求
不僅限于IC制造裝備領(lǐng)域，在其他一些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，也廣泛使用著與IC制造裝備具有相同或相似要求的工作臺運(yùn)動系統(tǒng)·最典型的如應(yīng)用于材料科學(xué)·生命科學(xué)等研究領(lǐng)域的表面形貌掃描顯微測量技術(shù)·這類技術(shù)包括掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelmicroscope，STM)·原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，AFM)·磁力顯微鏡(magneticforcemicroscope，MFM)·激光力顯微鏡(laserforcemicroscope，LFM)·熱敏顯微鏡(thermalscaningmicroscope，TSM)·光子掃描隧道顯微鏡(phontonscanningtunnelmicroscope，PSTM)等·圖1.4所示為原子力顯微表面形貌測量系統(tǒng)原理示意圖[7]，其基本原理是用極尖的探針對被測表面進(jìn)行掃描(探針和被測表面實(shí)際并不接觸)，借助納米級的三維位移定位控制系統(tǒng)測出被測表面的三維微觀立體形貌·
圖1.4原子力顯微表面形貌測量系統(tǒng)原理示意圖
顯而易見，這類裝置或設(shè)備需要獲得的三維微觀立體形貌信息的數(shù)量和質(zhì)量直接取決于工作在高潔凈度·高真空度環(huán)境下的三維位移定位工作臺的運(yùn)動性能·現(xiàn)有的運(yùn)動系統(tǒng)一般采用電致伸縮(壓電陶瓷)材料或磁致伸縮材料獲得被測對象的三維運(yùn)動，運(yùn)動所需的機(jī)械機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動的動態(tài)性能較差，有效運(yùn)動行程很小(微米量級)·為簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)動動態(tài)性能，增大有效運(yùn)動行程，迫切需要一種能夠工作于高潔凈度·高真空環(huán)境下的三維運(yùn)動驅(qū)動系統(tǒng)·
除此之外，在飛行器電磁彈射系統(tǒng)·電磁軌道炮·磁懸浮列車·磁懸浮軸承等領(lǐng)域，也需要大功率·高精度的平面或直線運(yùn)動驅(qū)動系統(tǒng)·
1.1.3磁懸浮平面電機(jī)驅(qū)動及控制技術(shù)的研究意義
采用磁懸浮技術(shù)的平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)具有同時滿足環(huán)境適應(yīng)性·運(yùn)動性能等方面要求的潛在能力·對于下一代光刻機(jī)等IC制造裝備平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)和類似環(huán)境下工作的平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)來說，磁懸浮技術(shù)的引入將為其在高真空環(huán)境下獲得高性能運(yùn)動提供一條行之有效的途徑·
在1998年，麻省理工學(xué)院(MassachusettsInstituteofTechnology，MIT)的Kim[8]在他的博士課題研究中設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種小行程動磁式磁懸浮平面電機(jī)(圖1.5)，號稱"Aworld'sfirsthighprecisionsixdegreeoffreedommagneticlevitatorwithlargetwodimensionalmotioncapabilityforphotolithographyinsemiconductormanufacturing"，這可以說是第一臺完整意義上的面向半導(dǎo)體制造裝備的磁懸浮平面電機(jī)系統(tǒng)·進(jìn)入21世紀(jì)后，歐洲·美國·日本·韓國等國家和地區(qū)的有關(guān)科研機(jī)構(gòu)逐步展開了對磁懸浮平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)技術(shù)的深入研究·
圖1.5Kim研究的動磁式磁懸浮平面電機(jī)
到目前為止，磁懸浮平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)技術(shù)的研究取得了較大的進(jìn)展并已有初步的實(shí)際應(yīng)用·由國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)來看，這種平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)具有如下獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)動方式:①整個平面電機(jī)無需機(jī)械支承·氣浮支承·粗精動疊層等物理結(jié)構(gòu)，有一個或兩個相對于動臺運(yùn)動的·可以認(rèn)為是剛體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動部件--動臺;②以同源的電磁能量懸浮并推動平面電機(jī)的動臺運(yùn)動，動臺可以獲得三維歐氏空間全部6個運(yùn)動自由度·由于上述獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)動方式，該種平面電機(jī)具備以下幾個方面的運(yùn)動性能:①高的推力質(zhì)量比，可以獲得良好的動態(tài)運(yùn)動性能;②相對運(yùn)動部件之間沒有機(jī)械接觸，也就沒有任何磨損磨粒產(chǎn)生;③動臺水平方向的運(yùn)動行程可隨著定臺面積的擴(kuò)大而擴(kuò)大·所以該種平面電機(jī)具有在高潔凈度·高真空度環(huán)境下獲得多自由度·高速度·高加速度·大行程等運(yùn)動性能并實(shí)現(xiàn)納米級高定位精度的潛在能力·根據(jù)現(xiàn)有關(guān)于平面電機(jī)研究和應(yīng)用的技術(shù)成果，結(jié)合2011版半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖預(yù)測的光刻機(jī)發(fā)展趨勢[4]，采用磁懸浮技術(shù)的平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)將成為滿足未來光刻機(jī)等IC制造裝備發(fā)展需求優(yōu)先考慮的技術(shù)方案·
荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)電氣工程系·機(jī)械工程系在光刻機(jī)平面電機(jī)的研究方面處于世界領(lǐng)先地位，他們的研究與飛利浦應(yīng)用技術(shù)公司(PhilipsAppliedTechnologies)·ASML等IC制造裝備研發(fā)·生產(chǎn)廠商有著密切的聯(lián)系·在2009年公布的一份由Lomonova和Duarte主持編寫的研究簡報中[9]，明確地將磁懸浮平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)技術(shù)作為主要的研究方向(圖1.6)，進(jìn)入21世紀(jì)，他們的研究團(tuán)隊也一直將磁懸浮平面電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)技術(shù)作為研究重點(diǎn)·
圖1.6Lomonova和Duarte提出的光刻機(jī)平面電機(jī)技術(shù)研究方向
磁懸浮平面電機(jī)具有在高潔凈度·高真空度環(huán)境下獲得多自由度·高速高加速·高定位精度·大行程等運(yùn)動性能的潛在能力，研究其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)·機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)尤其是多自由度運(yùn)動控制技術(shù)，對于光刻機(jī)等IC制造裝備來說，其重大意義顯而易見·對于其他一些使用或需要在高潔凈度·高真空度環(huán)境下獲得多功能·高性能運(yùn)動的平面電機(jī)系統(tǒng)的研究領(lǐng)域或應(yīng)用場合來說，磁懸浮平面電機(jī)的研究開發(fā)也具有至關(guān)重要的意義·
1.2磁懸浮平面電機(jī)典型結(jié)構(gòu)及基本工作原理
磁懸浮平面電機(jī)所采用的線圈陣列和永磁陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能不同，但其基本結(jié)構(gòu)都是一致的，都由定臺和動臺兩大部件組成，其中一個部件為線圈陣列臺，另一個部件為永磁陣列臺·若線圈陣列臺為動臺，則簡稱為動圈式，若永磁陣列臺為動臺，則簡稱動磁式·圖1.7所示為其基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)動方式，其中x·y·z為3個平動自由度坐標(biāo)軸，ψ·θ·φ為3個轉(zhuǎn)動自由度坐標(biāo)軸[10]
……
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