平面電動機設計、控制與應用技術綜述
曹家勇 朱 煜 汪勁松 尹文生 段廣洪 張 鳴
（清華大學精密儀器與機械學系 北京 100084）
摘要 平面電動機具有二維直接驅動的特點，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用前景，受到學術界和工業(yè)界的廣泛關注。本文分析了平面電動機設計理論、控制方法和應用技術的研究現狀，考察了平面電動機產品的發(fā)展概況，針對目前平面電動機技術存在的不足，討論了未來平面電動機技術發(fā)展的主要方向。
關鍵詞：平面電動機 設計理論 控制方法 平面定位裝置
中圖分類號：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
與其他類型電動機一樣，平面電動機（Planar Motor）由定子、動子和支承等部分組成。在支承的限制和電磁推力的作用下，平面電動機的動子能夠帶動負載產生兩維的直線運動。若按照電動機動子輸出運動的維數將電動機劃分為一維電動機、二維電動機和三維電動機等，則平面電動機屬于二維電動機的一種（另外一種二維電動機稱為螺旋電動機[1]）。
由于平面電動機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用前景，平面電動機受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。近十幾年來，在權威期刊和國際會議上，不時有與平面電動機相關的文章出現[2]。有些知名大學（如麻省理工學院）在平面電動機技術方面已經進行了卓有成效的研究[9]。目前，國際上已經有許多涉及平面電動機及其應用的專利公布，其中日本NIKON公司的美國專利就有十幾項[12]。此外，某些驅動系統公司還推出了相關的平面電動機產品。
本文討論平面電動機的應用特點，分析平面電動機設計、控制、應用技術的研究現狀，針對目前平面電動機技術存在的不足，探討了平面電動機技術的發(fā)展趨勢。
2 平面電動機的應用特點
平面電動機主要應用場合是二維平面定位裝置。
傳統的二維平面定位裝置由兩組旋轉電動機驅動的直線運動轉換機構疊加而成。由于直線運動轉換機構（一般為絲桿螺母機構）存在摩擦、側隙、變形等一系列問題，傳統定位裝置的精度很難達到較高的水平。此外，運動轉換機構中的兩套傳動鏈上的各運動部件的附加質量，也妨礙了定位裝置的工作臺運動響應速度的提高。正因為存在上述問題，傳統二維平面定位裝置在光刻機等精密、超精密現代加工設備中應用很少。
近10年來，隨著直線電動機技術和產品的迅速發(fā)展，直線電動機開始在二維平面定位裝置中獲得應用。由于不存在傳統定位裝置中存在的摩擦、側隙、變形等影響運動精度的不利因
