前言

隨著科技進步，精密加工、集成電路（Integrated Circuit，IC）制造、生物檢測、物質表面微納檢測等領域的需求促進了制造業的迅猛發展。在2015年國務院公布的《中國制造2025》中指出，打造具有國際競爭力的制造業，是推動我國工業化和現代化進程的根本。精密制造加工裝備及其技術水平一直是衡量一個國家工業化進程的關鍵指標。在光刻機、高檔數控機床、工業機器人和共聚焦顯微鏡等設備中，均需要精密或超精密的中間傳動機構作為技術支撐，實現微納米級的運動精度。現在對運動系統的精度要求越來越高，例如在精密制造業中應用的高檔數控機床，加工精度已經由微米級發展到納米級；在光刻設備中，早已經成功研制出具有幾納米重復定位精度的直線運動伺服系統。在極大規模集成電路制造設備中，光刻機的工作臺主要由掩模臺和工件臺組成，精密直線電機系統作為掩模臺和工件臺的執行機構，對其是否能實現這些極限性能指標起著決定性作用。高集成度的刻蝕芯片要求工作臺具有納米級運動控制精度，同時光刻機的產片率要求工作臺具有高速及高加速度的特點；此外，工作臺在步進、同步掃描運動過程中，還要提供調焦、調平及曝光等精確對準運動，要求工作臺具有六自由度的位置、速度伺服控制功能。因此傳統的旋轉電機+滾珠絲杠傳動機構已經不能滿足設備需求，而以直線電機作為驅動源的直驅式傳動系統，具有結構簡單、剛度高、動態響應能力強、精度高和無間隙傳動等優點，在精密運動領域應用廣泛。

目前，我國直線電機方向的研究廣度、產品種類和應用領域都處于國際先進地位，在國家創新驅動發展、可再生能源利用、軍工裝備優先發展等戰略政策的引領下，取得了一系列標志性成果。但在以多軸高檔數控機床、極大規模集成電路和重大科學儀器為代表的精密制造裝備中，高速、高精度等多極限性能指標成為直線電機領域新的技術瓶頸。永磁同步直線電機由于具有高效率、高推力密度和高動態響應等優點，非常適合應用于高端制造裝備中。

在永磁同步直線電機的研究中，高性能的輸出推力一直是該方向的重點難點。本書依托國家自然基金重點項目（51537002）和面上項目（52077041）、中央引導地方科技發展資金項目（YDZX20203100004943）等，總結了高端裝備制造中精密直線電機電磁力分析和控制技術。首先，我們要明確電磁推力的產生機制。由于直線電機初級鐵心縱向開斷，存在特有的縱向端部效應；同時受齒槽效應、橫向端部效應和外懸效應等因素的影響，氣隙磁場發生了很大的畸變；受現有加工制造、安裝精度及人為等因素的限制，永磁同步直線電機三維空間磁場分布存在非對稱性，產生了寄生力或力矩，使電機系統產生振動和噪聲。故研究中需要針對以上問題開展計及齒槽效應、端部效應和外懸效應的永磁同步直線電機磁場精確解析、三維電磁力分析以及性能參數分析與優化設計的研究。

其次作為連接運動控制單元與電機本體間的中樞環節，電流環通過調節電機電流將運動控制指令轉換成電機實際推力，所以高性能的電流控制環節是獲得精密直線電機系統極限性能指標的關鍵因素。

另外針對精密直線電機的推力波動問題，需要在電流閉環控制中對其進行有效補償；永磁同步直線電機的端部磁鏈斷裂會帶來端部擾動力，而端部力與齒槽力共同作用形成的定位力成為直線電機推力波動的主要成分，這種電機自身結構和工作模式的特殊性將會影響精密運動系統的極限性能指標。因此，針對推力波動給精密永磁同步直線電機系統帶來的問題，不僅要在電機本體結構優化方面開展研究，直接減小電機輸出推力波動，還需要針對推力波動自身的特點，通過精密驅動控制方法，在電流閉環系統中補償推力波動對應的電流成分，抑制其對速度平穩性的影響。

本書正是圍繞永磁同步直線電機推力特性分析及其控制技術進行論述，共分為6章：第1章為緒論，介紹永磁同步直線電機特點以及電磁力、電流控制技術和推力波動抑制技術的研究現狀；第2章分析永磁同步直線電機拓撲結構以及精確磁場分析方法；第3章對永磁同步直線電機縱向端部效應、橫向端部效應和外懸效應的產生機理進行分析；第4章著重闡述永磁同步直線電機電磁力的解析過程，并推導出三維電磁力解析表達式；第5章針對永磁同步直線電機的預測電流控制理論進行闡述，詳細分析了預測控制中的時延和參數攝動問題，并介紹了提高預測電流控制參數魯棒性的研究方法；第6章對永磁同步直線電機推力波動的組成成分進行了分析，并給出了幾種典型的推力波動抑制技術。

本書是作者以及所在團隊多年在精密直線電機系統研究基礎上總結的一部學術著作，是作者所在研究團隊主持承擔多個國家級基金項目、國家重大項目的成果積累。感謝團隊楊瑞博士、譚強博士，以及博士研究生李俊馳、孫欽偉、康凱、葉佳興所做的修改和校核工作。

由于作者水平有限，書中難免存在疏漏或不妥之處，歡迎廣大同行和讀者批評指正。

作者

2022年5月