CN104949610B - 磁浮线缆台电机磁对准系统及其对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁浮线缆台电机磁对准系统，包括：磁浮线缆台电机，所述磁浮线缆台电机包括动子线圈组件和定子磁钢阵列组件；所述动子线圈组件的绕线柱上设置第一线性霍尔传感元件，用于测量磁场的Z向磁密值，根据所述磁密值计算磁对准角度所述磁对准角度的计算公式为：所述第一线性霍尔传感元件为两个，且沿Y向相距Sd，且满足：Sd＝(2n+0.5)τ；其中n为大于等于0的整数，τ为所述定子磁钢阵列组件的磁极距，y为所述电机所在的位置，H1、H2分别为线性霍尔传感元件测得的两个Z向磁密值。

Description

磁浮线缆台电机磁对准系统及其对准方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种磁浮线缆台电机磁对准系统及其对准方法。

背景技术

在光刻装置领域，运动台动子上必不可少地需要有各种电缆、信号线的连接，随着运动台行程的增加，各线缆对运动台动子的运动将造成扰动力的干扰，为减小这一部分的干扰，需要增加能带动线缆一起跟随运动台动子运动的线缆台电机，从而保持线缆对运动台动子的扰动最小，提高运动台的定位精度、加快稳定时间。

一种能实现六自由度运动的磁浮线缆台电机结构示意图如图1所示，其中，101为线缆台电机本体，包括电机动子线圈部分(102)和电机定子磁钢阵列部分(103A、103B、103C)。103A、103B、103C分别为三个Halbach磁钢阵列，由N、S磁铁(充磁方向垂直纸面)及水平向充磁的磁铁拼接而成，其中所述103A和103B是同样布置磁钢排列的两个磁钢阵列。如图2所示，图2是磁浮线缆台电机磁钢阵列布局示意图。其中201A为103A、103B的部分示意，201B为103C的部分示意。其中201A的N-S磁极距为τ。电机动子线圈部分102如图3所示，其中301、302、303和304分别为四组三相线圈阵列，通以适当电流，可分别在磁钢阵列103A、103B作用下实现电机动子的Y、Z、Rx、Ry、Rz方向出力；305为一个直流线圈，通以适当电流，可在磁钢阵列103C作用下实现X向出力；306为承载301、302、303、304和305的电机动子载板。在上述线圈阵列的出力作用下，可实现磁浮线缆台电机的六自由度运动。

鉴于磁浮线缆台电机应用场合对电机出力波动要尽量小的需求，传统三相电机通过开关型霍尔元件进行方波换相及其磁对准的技术并不适用，如图3中所示线圈阵列301、302、303、304均采用的是正弦波换相。此外，不同于机械导轨或者气浮导轨的线缆台电机，磁浮线缆台电机在未知磁对准角度的情况下电机动子无法正确输出垂向出力，也就无法使电机动子与其载体脱离，导致电机Y向存在较大摩擦力，进而无法使用目前在直线电机领域常用的固定电流法来实现磁对准。专利US7205741B2给出了一种磁浮电机磁对准角度的检测方法。该方法提出在电机线圈与其载体之间铺设一层名为“end stops”的可压缩材料，配以电容或电感距离传感器，检测电机在垂向出力时对“end stops”的压缩形变。通过在磁对准范围内更改三相线圈电流角度并判断“end stops”的形变位移大小，从而搜寻出电机的磁对准角度。现有技术磁对准方法需要在磁对准范围内逐步更改三相线圈的电流角度并记录比较对“endstops”造成的形变，这将导致磁对准所用时间较长。另一方面，现有技术在磁对准角度尚未获知的情况下给三相线圈通入电流可能造成电机在磁场中形成预料外的位移。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种磁浮线缆台电机磁对准系统及方法能精确获得磁对准角度。

与现有技术相比较，本发明公开一种磁浮线缆台电机磁对准系统，包括：磁浮线缆台电机，所述磁浮线缆台电机包括动子线圈组件和定子磁钢阵列组件；所述动子线圈组件的绕线柱上设置第一线性霍尔传感元件，用于测量磁场的Z向磁密值，根据所述磁密值计算磁对准角度所述磁对准角度的计算公式为：所述第一线性霍尔传感元件为两个，且沿Y向相距Sd，且满足：Sd＝(2n+0.5)τ；其中n为大于等于0的整数，τ为所述定子磁钢阵列组件的磁极距，y为所述电机所在的位置，H1、H2分别为线性霍尔传感元件测得的两个Z向磁密值。

更进一步地，所述电机的当前位置为零位，则所述y＝0，则所述磁对准角度

更进一步地，所述线性霍尔传感元件中心位于所述绕线柱的Y向中心。

更进一步地，还包括用于测量磁场Y向磁密值的第二线性霍尔传感器元件。

更进一步地，所述第二线性霍尔传感元件的数量为2。

本发明还公开了一种磁浮线缆台电机磁对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，系统初始化；

步骤2，读取第一线性霍尔传感元件的第一测量值；

步骤3，判断读取是否正常，若是，进入步骤4；若否，返回步骤2；

步骤4，判定第一霍尔传感元件测得的第一测量值是否小于设定阀值，若否，则进入步骤5；若是，则进入步骤7；

步骤5，读取第一霍尔传感元件的第二测量值；

步骤6，判断读取是否正常，若是，则进入步骤9，若否，则返回步骤5；

步骤7，读取第二线性霍尔传感元件的第一测量值和第二测量值；

步骤8，判断读取是否正常，若是，进入步骤9，若否，返回步骤7；

步骤9，根据读取的两个测量值计算磁对准角度；

步骤10，磁对准结束。

更进一步地，所述步骤9中，计算磁对准角度的公式为其中τ为所述定子磁钢阵列组件的磁极距，y为所述电机所在的位置，H1、H2分别为霍尔传感元件测得的两个磁密值。

与现有技术相比较，本发明利用线性霍尔传感元件直接对线圈所在位置磁场磁密值进行测量。本发明利用线性霍尔传感元件并按照90°相位布局对磁密值进行测量并以其作为磁对准依据进行正弦换相，不同于传统三相电机利用开关型霍尔传感元件按照60°或120°相位布局进行方波换相。

相比现有技术中需要对电机线圈通电后搜寻磁对准角度，本发明在磁对准过程中无需对电机线圈进行通电操作。

与现有技术相比，本发明所提出的磁对准方法也同样适用于机械导轨、气浮导轨直线电机。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是磁浮线缆台电机俯视图；

图2是磁浮线缆台电机磁钢阵列布局示意图；

图3是磁浮线缆台电机线圈阵列布局示意图；

图4是本发明所涉及的磁对准系统的线性霍尔传感元件布局示意图；

图5是本发明所涉及的磁对准系统的线性霍尔传感元件置入线圈绕线柱方式示意图；

图6是本发明所涉及的磁浮线缆台电机磁对准方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的磁浮线缆台电机磁对准系统。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“X向”一词主要指与水平向平行的方向；“Y向”一词主要指与水平向平行，且与X向垂直的方向；“Z向”一词主要指与水平向垂直，且与X、Y向均垂直的方向。

本发明磁对准系统的结构示意图如图4所示，与图3对比，图4仅多出401和402两部分，即图中黑色方框所示的线性霍尔传感元件，其中，401A、401B、402A和402B即为本发明磁对准所需的线性霍尔传感元件，所述401A和402A用于测量Z向磁密，需设计安装在同一Z向高度，所述401B和402B用于测量Y向磁密。所述401A、401B、402A和402B可以使用完全相同的线性霍尔传感元件，且401A、402A与401B、402B相互垂直放置。所述401和402沿Y向相距Sd，且满足：Sd＝(2n+0.5)τ。其中n为大于等于0的整数。由于所述401和402体积较小，可以将其设计安装在线圈403和线圈404的线圈绕线柱上，且所述线性霍尔传感元件中心位于其所在线圈绕线柱的Y向中心，如图5所示。其中401为线圈绕线柱，401A为所述用于测量Z向磁密的401A或402A，401B为所述用于测量Y向磁密的401B或402B，在401上开槽留出空间安装线性霍尔传感元件401A、401B或402A、402B。

完成电机磁对准，只需读取所述线性霍尔传感元件探测到的磁密值并加以计算即可。假设图4中401A在磁场中的Z向磁密测量值为：

则图4中402A在磁场中的Z向磁密测量值为：

由H2/H1得：

由所述线性霍尔传感元件测得H1、H2，并设置当前电机所在位置为0，即y＝0，即可得到电机在当前磁场位置下的磁对准角度

进一步地，上述计算步骤存在一个隐含风险，即由于磁对准角度的求取涉及计算H2/H1，当H1读数为0或非常小时，会导致计算出错。为避免上述问题，可以对所述磁对准系统做相应改进，即引入401B和402B进行Y向磁密测量。由于所述401A、402A与401B、402B相互垂直放置，401A、402A用于测量Z向磁密，401B、402B用于测量Y向磁密，因此两者所测得的磁密值正好相差π/2，也就是说，当401A测得磁密读数为0或非常小时，401B测得的磁密读数正好达到或接近磁密峰值，以该值作为H1，并同时以402B测得的磁密值作为H2，同样可以求得磁对准角度且不会导致计算出错。

本发明方案所述磁对准的对准方法与步骤如图6所示。其中501为磁对准系统初始化，包括所述线性霍尔传感元件的上电初始过程；502为所述线性霍尔传感元件401A的测量值读取；503检查读数是否有效；504判断所测磁密读数是否小于设定阈值，即检查该磁密读数是否为0或非常小，阈值由操作人员事先设定；若所测磁密读数不小于设定阈值，则按步骤505继续读取402A的测量读数，并按步骤506检查读数是否有效，进而按步骤509由软件计算磁对准角度若根据步骤504判断所测磁密读数小于设定阈值，则按步骤507读取线性霍尔传感元件401B和402B的测量读数，并按步骤508检查读数是否有效，进而按步骤509由软件计算磁对准角度最终由步骤510结束对准过程，保存对准结果。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种磁浮线缆台电机磁对准系统，其特征在于，包括：磁浮线缆台电机，所述磁浮线缆台电机包括动子线圈组件和定子磁钢阵列组件；所述动子线圈组件的绕线柱上设置有两组第一线性霍尔传感元件，用于测量磁场的Z向磁密值，根据所述磁密值计算磁对准角度所述磁对准角度的计算公式为：每组所述第一线性霍尔传感元件均包含两个相互垂直设置的线性霍尔传感元件，所述两组第一线性霍尔传感元件沿Y向相距Sd，且满足：Sd＝(2n+0.5)τ；其中n为大于等于0的整数，τ为所述定子磁钢阵列组件的磁极距，y为所述电机所在的位置，H1、H2分别为线性霍尔传感元件测得的两个Z向磁密值。

2.如权利要求1所述磁浮线缆台电机磁对准系统，其特征在于，所述电机的当前位置为零位，则所述y＝0，则所述磁对准角度

3.如权利要求1所述磁浮线缆台电机磁对准系统，其特征在于，所述线性霍尔传感元件中心位于所述绕线柱的Y向中心。

4.如权利要求1所述磁浮线缆台电机磁对准系统，其特征在于，还包括用于测量磁场Y向磁密值的第二线性霍尔传感器元件。

5.如权利要求4所述磁浮线缆台电机磁对准系统，其特征在于，所述第二线性霍尔传感元件的数量为2。

6.一种磁浮线缆台电机磁对准方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的磁对准系统，包括以下步骤：

步骤1，系统初始化；

步骤2，读取第一线性霍尔传感元件的第一测量值；

步骤3，判断读取是否正常，若是，进入步骤4,若否，返回步骤2；

步骤4，判定第一霍尔传感元件测得的第一测量值是否小于设定阀值，若否，则进入步骤5；若是，则进入步骤7；

步骤5，读取第一霍尔传感元件的第二测量值；

步骤6，判断读取是否正常，若是，则进入步骤9，若否，则返回步骤5；

步骤7，读取第二线性霍尔传感元件的第一测量值和第二测量值；

步骤8，判断读取是否正常，若是，进入步骤9，若否，返回步骤7；

步骤9，根据读取的两个测量值计算磁对准角度；

步骤10，磁对准结束。

7.如权利要求6所述的磁浮线缆台电机磁对准方法，其特征在于，所述步骤9中，计算磁对准角度的公式为其中τ为所述定子磁钢阵列组件的磁极距，y为所述电机所在的位置，H1、H2分别为霍尔传感元件测得的两个磁密值。