面向大行程納米級(jí)電磁直驅(qū)定位的磁場(chǎng)分析和平臺(tái)設(shè)計(jì).pdf

1、大行程納米級(jí)定位技術(shù)是納米測(cè)量和制造中的關(guān)鍵技術(shù)，在半導(dǎo)體制造和器件檢測(cè)裝備以及工廠(chǎng)自動(dòng)化中有著廣泛的應(yīng)用。針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)和宏微結(jié)合納米定位平臺(tái)存在的問(wèn)題，本文采用電磁直接驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)大行程納米定位，對(duì)定位平臺(tái)的磁場(chǎng)分析和計(jì)算、設(shè)計(jì)和控制模型等問(wèn)題進(jìn)行了研究。
　　首先，考慮永磁體陣列在端部的磁場(chǎng)畸變和衰減，分別采用數(shù)值解法和半解析法對(duì)有限長(zhǎng)不規(guī)則形狀永磁體陣列的磁場(chǎng)進(jìn)行精確的求解。在數(shù)值解法方面，本文針對(duì)磁場(chǎng)計(jì)算

2、的開(kāi)域問(wèn)題，提出了開(kāi)域微分求積有限元法。通過(guò)縮放函數(shù)和廣義混合函數(shù)，將形狀不規(guī)則的無(wú)限計(jì)算域變換成矩形有限計(jì)算域；最后，根據(jù)微分求積法則和邊界條件，精確求解了不規(guī)則形狀永磁體陣列的端部磁場(chǎng)。在半解析法方面，采用基于Fourier級(jí)數(shù)展開(kāi)的長(zhǎng)周期半解析法，考慮磁塊間連續(xù)或有間隙兩種情況，使用長(zhǎng)周期進(jìn)行Fourier級(jí)數(shù)的展開(kāi)，獲得了考慮端部效應(yīng)的磁場(chǎng)通用表達(dá)形式。驗(yàn)證表明，本文兩種方法的計(jì)算結(jié)果有效。
　　其次，永磁體陣列合適的形狀

3、可以改善磁場(chǎng)分布，提高推力性能，是保障大行程納米級(jí)定位平臺(tái)性能的重要因素。本文提出三種新型形狀的永磁體陣列，即側(cè)向正弦曲線(xiàn)Halbach永磁體陣列、底部曲線(xiàn)Halbach永磁體陣列和曲線(xiàn)邊梯形Halbach永磁體陣列。采用上述新型數(shù)值解法和半解析法對(duì)這三種新型永磁體陣列進(jìn)行磁場(chǎng)的求解和優(yōu)化。結(jié)果表明，與矩形或梯形Halbach永磁體陣列相比，三種新型Halbach永磁體陣列顯著減小了磁場(chǎng)諧波含量和推力波動(dòng)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

4、>　　然后，本文進(jìn)行了大行程納米級(jí)電磁直驅(qū)定位平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)和參數(shù)的計(jì)算、仿真和驗(yàn)證，包括電渦流阻尼器的設(shè)計(jì)，致動(dòng)器推力、永磁體陣列磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以及直線(xiàn)三相繞組電感矩陣的計(jì)算和驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)鐵心直線(xiàn)三相繞組的互感并不完全相等，致動(dòng)器電路模型不對(duì)稱(chēng)，即經(jīng)dq變換后，電感矩陣中仍然存在非對(duì)角元的耦合項(xiàng)。本文根據(jù)經(jīng)典的矢量控制理論，設(shè)計(jì)出與相位實(shí)時(shí)相關(guān)的解耦環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)抵消去dq耦合項(xiàng)的影響，建立了dq軸實(shí)時(shí)完全解耦控制模型。實(shí)驗(yàn)表

5、明，與忽略互感差異的對(duì)稱(chēng)電路模型相比，采用不對(duì)稱(chēng)電路模型可以避免激發(fā)出電流的高階分量，適用于高精度的應(yīng)用場(chǎng)合。
　　最后，本文對(duì)大行程納米級(jí)電磁直驅(qū)定位平臺(tái)進(jìn)行了階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、定位分辨率實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、大行程定位實(shí)驗(yàn)和阻尼器抑噪實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的定位平臺(tái)達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，在50mm的行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)了20nm的定位分辨率，為后續(xù)大行程納米級(jí)平面電磁致動(dòng)器的研制提供了理論支持和技術(shù)儲(chǔ)備，在深亞微米級(jí)半導(dǎo)體制造和檢測(cè)裝備以及工