平面電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、控制與應(yīng)用技術(shù)綜述
曹家勇 朱 煜 汪勁松 尹文生 段廣洪 張 鳴
（清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系 北京 100084）
摘要 平面電動(dòng)機(jī)具有二維直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，它在二維平面定位裝置特別是精密二維平面定位裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文分析了平面電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論、控制方法和應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，考察了平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展概況，針對(duì)目前平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)存在的不足，討論了未來(lái)平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向。
關(guān)鍵詞：平面電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)理論 控制方法 平面定位裝置
中圖分類號(hào)：TM35
Survey of the State of the Art in Planar Motor Technology
Cao Jiayong Zhu Yu Wang Jinsong Yin Wensheng Duan Guanghong Zhang Ming
（Tsinghua University Beijing 100084 China）
Abstract The planar motor has received wider and wider attention in the academic field and in the industrial field because of the broad prospect of its application in the planar 2-D positioning device, especially in the precision 2-D positioning device. This paper surveys the state-of-art of the design theory, the control method, and the application technology of the planar motor. The products of the planar motors are also investigated in this paper. In accordance with the current problems of the planar motor technology, some possible development trends of the planar motor technology are discussed at last.
Keywords：Planar motor, design theory, control method, planar positioning device
1 引言
與其他類型電動(dòng)機(jī)一樣，平面電動(dòng)機(jī)（Planar Motor）由定子、動(dòng)子和支承等部分組成。在支承的限制和電磁推力的作用下，平面電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子能夠帶動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生兩維的直線運(yùn)動(dòng)。若按照電動(dòng)機(jī)動(dòng)子輸出運(yùn)動(dòng)的維數(shù)將電動(dòng)機(jī)劃分為一維電動(dòng)機(jī)、二維電動(dòng)機(jī)和三維電動(dòng)機(jī)等，則平面電動(dòng)機(jī)屬于二維電動(dòng)機(jī)的一種（另外一種二維電動(dòng)機(jī)稱為螺旋電動(dòng)機(jī)[1]）。
由于平面電動(dòng)機(jī)在二維平面定位裝置（Positioning Device）特別是精密二維平面定位裝置中具有廣闊的應(yīng)用前景，平面電動(dòng)機(jī)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。近十幾年來(lái)，在權(quán)威期刊和國(guó)際會(huì)議上，不時(shí)有與平面電動(dòng)機(jī)相關(guān)的文章出現(xiàn)[2]。有些知名大學(xué)（如麻省理工學(xué)院）在平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了卓有成效的研究[9]。目前，國(guó)際上已經(jīng)有許多涉及平面電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用的專利公布，其中日本NIKON公司的美國(guó)專利就有十幾項(xiàng)[12]。此外，某些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)公司還推出了相關(guān)的平面電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。
本文討論平面電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，分析平面電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、控制、應(yīng)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)目前平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)存在的不足，探討了平面電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
2 平面電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)
平面電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用場(chǎng)合是二維平面定位裝置。
傳統(tǒng)的二維平面定位裝置由兩組旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)疊加而成。由于直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)（一般為絲桿螺母機(jī)構(gòu)）存在摩擦、側(cè)隙、變形等一系列問(wèn)題，傳統(tǒng)定位裝置的精度很難達(dá)到較高的水平。此外，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中的兩套傳動(dòng)鏈上的各運(yùn)動(dòng)部件的附加質(zhì)量，也妨礙了定位裝置的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度的提高。正因?yàn)榇嬖谏鲜鰡?wèn)題，傳統(tǒng)二維平面定位裝置在光刻機(jī)等精密、超精密現(xiàn)代加工設(shè)備中應(yīng)用很少。
近10年來(lái)，隨著直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品的迅速發(fā)展，直線電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在二維平面定位裝置中獲得應(yīng)用。由于不存在傳統(tǒng)定位裝置中存在的摩擦、側(cè)隙、變形等影響運(yùn)動(dòng)精度的不利因
