磁悬浮平面电机

测量系统
国内外研究现状分析
韩国三星电子机械公司 与汉城国立大学联合研 究的多自由度定位平台 采用三个内置的电容来 测量平台的运动， 测量平台的运动，为了 减小测量噪音， 减小测量噪音，测量放 大部分的印制电路安装 在悬浮平台上。 在悬浮平台上。整个系 统在y和 方向的定位精 统在 和z方向的定位精 度小于0.1µ ， 度小于 µm，在各个 方向的旋转精度小于0.5 方向的旋转精度小于 弧秒。 弧秒。
激光测量系统
测量系统
国内外研究现状分析
美国University of North 美国 Carolina 和MIT联合开 联合开 发的扫描显微镜多自由 度平台采用3个高精度 度平台采用 个高精度 电容传感器测量垂直方 向的三个自由度， 向的三个自由度，采用 3个四通激光外差干涉 个四通激光外差干涉 仪测量水平方向的三个 自由度。 自由度。 电容传感器的分辨率 0.1nm，测量范围为 ， 100um。激光干涉仪的 。 分辨率优于0.1nm。 分辨率优于 。
磁悬浮平面电机
悬浮线圈
项目 悬浮线圈 特性和参数 线 径 ； 每 层 42 匝 ， 共 8层； 总匝数 ： 层 总匝数： 42X8＝336匝 ＝ 匝 I＝2A ＝ Z＝0.5mm ＝
悬浮电流 平衡位置
磁悬浮平面电机
不同电流时的磁感应强度变化曲线
磁悬浮平面电机
驱动线圈
项目 特性和参数
推力线圈
线径； 每层 线径 ； 每层142匝 ， 匝 共 7层 ； 总匝数 ： 层 总匝数： 142X7＝994匝/相 ＝ 匝相 I＝0.5A ＝
耦合问题
多向耦合问题
悬浮电流
磁悬浮平面电机
Y
驱动力和加速度
F推 = nBIL = 32 B平 IL
L4 L2
= 32 × 0.49 × 7 × 0.5 × 37.96 × 10−3
L1 X
L5
L3
= 2.083N 2.083N
R
F推 2.083 a= = ＝9.057N / m 2 m 0.23
磁力线长度计算用图
测量系统
Workpiece Translation Stage
Focusing Lens Laser Beam Computer Monitor & Control
超精密多自由度运动的实现原理
多自由度运动实现： 多自由度运动实现：在空间上各自由度上的 分别驱动，合成所需要的空间轨迹或路径； 分别驱动，合成所需要的空间轨迹或路径； 运动：旋转式——〉机构 运动：旋转式 〉机构——〉直线运动 〉 结构上的层叠式； 结构上的层叠式； 超精密的微驱动实现方法：粗定位——〉细 超精密的微驱动实现方法：粗定位 〉 定位，驱动器： 可控制的） 定位，驱动器： （可控制的）电、热、磁 等物理现象——〉运动 等物理现象 〉 高速、大位移、多自由度与超精密的统一等 高速、大位移、 问题
第6部分 超精密多自由度平面运动 实现方法
超细微加工工作台
以飞秒激光作为刀具: 以飞秒激光作为刀具:光斑为纳米级 以磁悬浮工作台作为定位工作台： 以磁悬浮工作台作为定位工作台： 工作范围１X1mm2 以基于CCD和正交光栅作为测量反馈系统：分辨率为０.１纳米 和正交光栅作为测量反馈系统 以基于 和正交光栅作为测量反馈系统： Mirror Ti:sapphire Laser
测量系统
基于机器视觉和平面正交光栅超 精密工作台多自由度测量系统 1.基于平面正交光栅的 基于平面正交光栅的 超精密平台多维位置测 超精密平台多维位置测 量原理研究； 量原理研究； 2.基于机器视觉的超精 基于机器视觉的超精 密多自由度测量系统图 密多自由度测量系统图 形处理方法的研究； 形处理方法的研究； 3.基于机器视觉和平面 基于机器视觉和平面 正交光栅的超精密多自 由度测量系统的构建与 由度测量系统的构建与 试验研究。 试验研究。
多自由度平面电机
直接实现空间复合运动 结构轻便、 结构轻便、可实现高速的空间轨 迹的控制
空气悬浮平面电机
空气悬浮平面电机
磁悬浮平面电机
交流绕组： 交流绕组：悬浮与驱动合一 直流绕组： 直流绕组：悬浮与驱动分开 问题： 问题：大位移下非线性磁力建模与分析 计算机动态仿真与分析计算方法
磁悬浮平 面电机
W.J. Kim and D. L. Trumper（MIT） （ ）
wk.baidu.com
Tokyo Institute of Technology,Japan
磁悬浮平面电机
设计方案
1. 采用无铁心的螺线管线 圈与永磁体配对使用。 圈与永磁体配对使用。 线圈静止、 线圈静止、永磁体移动 2. 悬浮线圈和驱动线圈都 使用直流电， 使用直流电，比较容易 控制。 控制。
产品： 产品： 根据压电陶瓷 压电陶瓷所具有的超声波驻 根据压电陶瓷所具有的超声波驻 波原理，nanomotion推出了极为 波原理，nanomotion推出了极为 先进的电子电机。 先进的电子电机。它的工作方式 和直流伺服电机类似， 和直流伺服电机类似，但却具有 压电执行机构特有的高分辨率 50纳米 和动态性能。 纳米） （50纳米）和动态性能。
图像采集电路
CCD
荧光滤光片
高NA数物镜 数物镜 平面正交光栅 计算机
光源
工作平台
磁悬浮平面电机的控制系统 磁悬浮平面电机的控制系统
控制硬件和软件
服放大系统（ 伺服放大系统（PWM，线性放大器） ，线性放大器） 基于开放式控制软件平台的硬件系统
基于MATLAB开放式运动控制卡 基于MATLAB开放式运动控制卡 MATLAB
国内外研究现状分析
MIT 采用激光干涉仪和高精 度电容进行多自由度位移检测， 度电容进行多自由度位移检测， 精度可达0.05um 精度可达
基于三维角度格子和表面二维角 度传感器的表面编码器（ 度传感器的表面编码器（Surface Encoder），精度为 µm、0.01 ），精度为 ），精度为0.1µ 、 弧度。日本Tohoku大学 弧度。日本 大学