高端装备制造中精密直线电机电磁力分析及控制技术_王明义李立毅唐勇斌_9787111710004

在以多轴高档数控机床、极大规模集成电路和重大科学仪器为代表的高端精密制造装备中，永磁同步直线电机作为直驱式传动系统，能够实现微纳米级的运动精度。但高速、高精度等多极限性能指标成为其技术瓶颈，其中提高输出推力品质一直是该研究方向的重点难点。本书依托国家自然基金面上项目（52077041）和重点项目（51537002）、中央引导地方科技发展资金项目（YDZX20203100004943）等，总结了高端装备制造中精密直线电机电磁力分析和控制技术。全书从研究永磁同步直线电机电磁推力的产生机制出发，分析了其磁场、端部效应、电磁力形成机制，阐述了永磁同步直线电机电流调控方法和推力波动抑制技术，实现了技术上的飞跃。
本书可供高等院校电机、电气传动专业的教师和研究生使用，也可供从事高端装备制造业研究和从业人员参考。

随着科技进步，精密加工、集成电路（Integrated Circuit,IC）制造、生物检测、物质表面微纳检测等领域的需求促进了制造业的迅猛发展。在2015年国务院公布的《中国制造2025》中指出，打造具有国际竞争力的制造业，是推动我国工业化和现代化进程的根本。精密制造加工装备及其技术水平一直是衡量一个国家工业化进程的关键指标。在光刻机、高档数控机床、工业机器人和共聚焦显微镜等设备中，均需要精密或超精密的中间传动机构作为技术支撑，实现微纳米级的运动精度。现在对运动系统的精度要求越来越高，例如在精密制造业中应用的高档数控机床，加工精度已经由微米级发展到纳米级；在光刻设备中，早已经成功研制出具有几纳米重复定位精度的直线运动伺服系统。在极大规模集成电路制造设备中，光刻机的工作台主要由掩模台和工件台组成，精密直线电机系统作为掩模台和工件台的执行机构，对其是否能实现这些极限性能指标起着决定性作用。高集成度的刻蚀芯片要求工作台具有纳米级运动控制精度，同时光刻机的产片率要求工作台具有高速及高加速度的特点；此外，工作台在步进、同步扫描运动过程中，还要提供调焦、调平及曝光等精确对准运动，要求工作台具有六自由度的位置、速度伺服控制功能。因此传统的旋转电机+滚珠丝杠传动机构已经不能满足设备需求，而以直线电机作为驱动源的直驱式传动系统，具有结构简单、刚度高、动态响应能力强、精度高和无间隙传动等优点，在精密运动领域应用广泛。目前，我国直线电机方向的研究广度、产品种类和应用领域都处于国际先进地位，在国家创新驱动发展、可再生能源利用、军工装备优先发展等战略政策的引领下，取得了一系列标志性成果。但在以多轴高档数控机床、极大规模集成电路和重大科学仪器为代表的精密制造装备中，高速、高精度等多极限性能指标成为直线电机领域新的技术瓶颈。永磁同步直线电机由于具有高效率、高推力密度和高动态响应等优点，非常适合应用于高端制造装备中。在永磁同步直线电机的研究中，高性能的输出推力一直是该方向的重点难点。本书依托国家自然基金重点项目（51537002）和面上项目（52077041）、中央引导地方科技发展资金项目（YDZX20203100004943）等，总结了高端装备制造中精密直线电机电磁力分析和控制技术。首先，我们要明确电磁推力的产生机制。由于直线电机初级铁心纵向开断，存在特有的纵向端部效应；同时受齿槽效应、横向端部效应和外悬效应等因素的影响，气隙磁场发生了很大的畸变；受现有加工制造、安装精度及人为等因素的限制，永磁同步直线电机三维空间磁场分布存在非对称性，产生了寄生力或力矩，使电机系统产生振动和噪声。故研究中需要针对以上问题开展计及齿槽效应、端部效应和外悬效应的永磁同步直线电机磁场精确解析、三维电磁力分析以及性能参数分析与优化设计的研究。其次作为连接运动控制单元与电机本体间的中枢环节，电流环通过调节电机电流将运动控制指令转换成电机实际推力，所以高性能的电流控制环节是获得精密直线电机系统极限性能指标的关键因素。另外针对精密直线电机的推力波动问题，需要在电流闭环控制中对其进行有效补偿；永磁同步直线电机的端部磁链断裂会带来端部扰动力，而端部力与齿槽力共同作用形成的定位力成为直线电机推力波动的主要成分，这种电机自身结构和工作模式的特殊性将会影响精密运动系统的极限性能指标。因此，针对推力波动给精密永磁同步直线电机系统带来的问题，不仅要在电机本体结构优化方面开展研究，直接减小电机输出推力波动，还需要针对推力波动自身的特点，通过精密驱动控制方法，在电流闭环系统中补偿推力波动对应的电流成分，抑制其对速度平稳性的影响。本书正是围绕永磁同步直线电机推力特性分析及其控制技术进行论述，共分为6章：第1章为绪论，介绍永磁同步直线电机特点以及电磁力、电流控制技术和推力波动抑制技术的研究现状；第2章分析永磁同步直线电机拓扑结构以及精确磁场分析方法；第3章对永磁同步直线电机纵向端部效应、横向端部效应和外悬效应的产生机理进行分析；第4章着重阐述永磁同步直线电机电磁力的解析过程，并推导出三维电磁力解析表达式；第5章针对永磁同步直线电机的预测电流控制理论进行阐述，详细分析了预测控制中的时延和参数摄动问题，并介绍了提高预测电流控制参数鲁棒性的研究方法；第6章对永磁同步直线电机推力波动的组成成分进行了分析，并给出了几种典型的推力波动抑制技术。本书是作者以及所在团队多年在精密直线电机系统研究基础上总结的一部学术著作，是作者所在研究团队主持承担多个国家基金项目、国家重大项目的成果积累。感谢团队杨瑞博士、谭强博士，以及博士研究生李俊驰、孙钦伟、康凯、叶佳兴所做的修改和校核工作。由于作者水平有限，书中难免存在疏漏或不妥之处，欢迎广大同行和读者批评指正。
作者
2022年5月

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