How to control the electric motor, control unit and the electric motor |
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| 申请号 | JP2007542407 | 申请日 | 2005-11-15 | 公开(公告)号 | JP2008521379A | 公开(公告)日 | 2008-06-19 |
| 申请人 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ; | 发明人 | セー エム フリセン，ペートルス; ポッツェ，ウィレム; | ||||
| 摘要 | 磁石（２）及びｊ個（ｊ＝１，．．．，Ｎ）のコイル（３）を有するプレーナモータ（１）の高 精度 制御を確実にするために、電流Ｔ７は、磁石（２）と相互作用する 力 及びモーメントが生成されるようにコイル（３）を通って流れることが可能であり、現 位置 から好ましい位置に磁石（２）及びコイルの相対的位置を変えるために必要な力及びモーメントを決定すること、そして電動モータ（１）の制御ユニット（４）の演算手段（４３）にこの力及びモーメントを生成するために必要な電流Ｔ７を決定することが提案されている。 コイル電流は、その場合、調節手段（４４）により調節される。 磁石（２）及びコイル（３）の相対的位置は測定手段（５）により測定され、制御ユニット（４）の第１入力手段（４１）に供給される。 | ||||||
| 权利要求 | 電動モータ、特に、プレーナモータを制御するための方法であって、磁石はｊ個のコイルにより位置決めされ、ここで、ｊ＝１，． ． ． ，Ｎであり、電流は磁石と相互作用する力及びモーメントが生成されるように、前記コイルを通って流れる、方法であり： 磁石及びコイルの現相対的位置を決定する段階； 現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変化させるために必要な力及びモーメントを決定する段階； 前記力及び前記モーメントを生成するために必要な電流を決定する段階であって、磁石−コイルシステムに関する更なる制限が、前記電流を規定するために考慮される、段階；並びに 前記決定された電流を前記ｊ個のコイルに適用する段階； を有する方法。 請求項１に記載の方法であって、電流の数Ｎは電動モータの自由度の数より多い、方法。 請求項１又は２に記載の方法であって、前記更なる制限は最小電力損失である、方法。 請求項１又は２に記載の方法であって、ｊ＞１であり、更なる制限は力及びモーメントの所定の分布である、方法。 請求項１乃至４の何れ一項に記載の方法であって、ラグランジェ関数は前記電流を決定するために最小にされる、方法。 請求項１乃至５の何れ一項に記載の方法であって、各々が現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変えられる必要がある、異なる力及びモーメントの集合が決定される、方法。 電動モータ、特に、プレーナモータを制御するための制御ユニットであって、磁石はｊ個のコイルにより位置決めされ、ここで、ｊ＝１，． ． ． ，Ｎであり、電流は磁石と相互作用する力及びモーメントが生成されるように、前記コイルを通って流れる、制御ユニットであり： 磁石及びコイルの現相対的位置についての情報を受け入れるための第１入力手段； 現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変える必要がある力及びモーメントについての情報を受け入れるための第２入力手段； 前記力及びモーメントを生成するために必要な電流を演算するための演算手段であって、磁石−コイルシステムに関する更なる制限が電流を決定するために考慮される、演算手段；並びに 前記ｊ個のコイルに前記演算された電流を適用するために前記電流を調節するための調節手段； を有する制御ユニット。 請求項７に記載の制御ユニットであって、前記第２入力手段は、各々が現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変えるために必要である力及びモーメントの集合を記憶するための記憶手段として備えられている、制御ユニット。 請求項７に記載の制御ユニットであって、前記第２入力手段は、現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変えるために必要である力及びモーメントを演算するための演算手段として備えられている、制御ユニット。 電動モータであって： 磁石及びｊ個のコイルであって、ここで、ｊ＝１，． ． ． ，Ｎであり、前記磁石と相互作用する力及びモーメントが生成されるように、前記コイルを通って流れる、磁石及びｊ個のコイル；並びに 請求項７乃至９の何れ一項に記載の制御ユニット； を有する、電動モータ。 請求項１０に記載の電動モータであって、前記電動モータはプレーナモータである、電動モータ。 請求項１０又は１１に記載の電動モータであって、前記電動モータは６自由度を有するプレーナモータである、電動モータ。 請求項１０乃至１２の何れ一項に記載の電動モータであって、前記磁石は前記コイルに関して移動可能である、電動モータ。 請求項１０乃至１３の何れ一項に記載の電動モータであって、前記磁石及びコイルの相対的位置を測定するための手段を有する、電動モータ。 |
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| 说明书全文 | 本発明は、電動モータを制御するための方法であって、磁石がｊ個のコイルに対して位置付けられ、ここで、ｊ＝１，． ． ． ，Ｎであり、磁石、電動モータを制御するための制御ユニット及び電動モータと相互作用する力及びモーメントが生成されるように、電流Ｉ ｊがコイルを通って流れる、方法に関する。 電動モータは種々の電気機器、特に、高精度の位置決めのための機器で用いられる。 その用途の一分野は、例えば、リニア電動モータ又はプレーナ電動モータの支援によりフォトリソグラフィ及び他の半導体処理中にウェーハの位置決めすることである。 米国特許出願公開第２００３／００８５６７６Ａ１号明細書において、６自由度で移動及び位置付けするようにプレーナモータを独立して制御するためのシステム及び方法について記載されている。 コイルアレイのコイルに供給される電流は、磁石とコイルアレイとの間で力が発生するように磁石アレイの磁石の磁場と相互作用する。 発生した力は、第１、第２及び第３方向の周りの回転のみならず、互いに対して一般に直交する第１、第２及び第３方向において、コイルアレイに関連する磁石アレイの動きを与える。 米国特許出願公開第２００３／００８５６７６Ａ１号明細書にしたがった方法は、第１、第２及び第３方向における磁石アレイとコイルアレイとの間に力を生成するようにコイルに供給される電流を決定する段階と、決定された電流により生成される力により発生される磁石アレイとコイルアレイとの間の第１、第２及び第３方向の周りの、結果として得られるトルクを決定する段階と、結果として得られたトルクを補償する又は取り消すように電流調節を決定する段階と、磁石アレイの磁場と相互作用するようにコイルに決定された電流及び決定された電流調節の和を適用する段階とを有する。 電動モータを制御するための有効性であって、磁石が１つ又はそれ以上のコイルに関連して位置付けられ、電流Ｉ ｊが、追従する経路及び位置決めに関して高精度で磁石と相互作用する力及びモーメントが生成するように、コイルを通って流れることができ、ここで、ｊ＝１，． ． ． ，Ｎである、有効性を与えることは好ましいことである。 本発明の第１特徴において、電動モータ、特に、プレーナモータを制御するための方法は、磁石がコイルに関して位置決めされ、ここで、ｊ＝１，． ． ． ，Ｎであり、電流Ｉ ｊは、磁石と相互作用する力及びモーメントが生成されるように、コイルを通って流れ、磁石及びコイルの現相対的位置を決定する段階と、現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的一を変える必要がある力 を生成するために必要な電流Ｉ ｎｅｃ ｊを決定する段階であって、磁石−コイルシステムに関する更なる制限が電流Ｉ ｎｅｃ ｊを決定するために考慮される、段階と、ｊ個のコイルに決定された電流Ｉ ｎｅｃ ｊを適用する段階と、を有する。 磁石とコイルとの間の好ましい相対的動きのために必要な力及びモーメントの両方を最初から考慮することは、動きの非常に高精度な制御を可能にする。 磁石−コイルシステムに関する更なる制限をまた、考慮することにより、そのシステムは全体として最適化され、そのシステムは一意の電流を決定する可能性を与え、それ故、制御の精度を改善する。 本発明にしたがった方法は、電流Ｉ Ｊの数Ｎが電動モータの自由度の数より大きく、一意の電流を導き出す場合に、特に有利である。 自由度の数は、独立変数 好適な実施形態においては、考慮される更なる制限は、電動モータの全電力損失の最小化であり、効率に関して最適化された電動モータに繋がり、空間における力及びモーメントの所定の分布を有する制限は、動きの間の磁石プレートの非常に小さい変形に繋がる。 本発明の最も好適な実施形態においては、ラグランジェの方法が、一意の電流Ｉ ｎｅｃ ｊを決定するために用いられる。 電流Ｉ ｊ及びラグランジェ乗数λ ｉの関数依存性、並びに、選択された制限のみならず現位置から好ましい位置への磁石とコイルとの間の相対的位置の変化のために必要な力及びモーメントの考慮は最小化され、電流Ｉ ｎｅｃ ｊが与えられる。 有利であることに、現位置から好ましい位置に磁石とコイルとの間で相対的位置を変えるために必要な力及びモーメントは演算により全ての新しい位置の後に個別には決定されないが、異なる力 の集合が決定され、現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変えるために必要な力及びモーメントの各々は、予め演算され、データベースとして与えられる。 このことは、必要な演算資源を減少させて、制御中の反応時間を増加させる。 本発明の更なる特徴においては、電動モータ、特に、プレーナモータを制御するための制御ユニットであって、磁石がｊ個のコイルに関して位置付けされ、ここで、ｊ＝１． ． ． Ｎであり、Ｉ ｊは、磁石と相互作用する力及びモーメントが生成されるようにコイルを通って流れる、制御ユニットは、磁石及びコイルの現相対的位置に関する情報を受け入れるための第１入力手段と、現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変化させるために必要な力 及びモーメント ｎｅｃ ｊを演算するための演算手段であって、磁石−コイルシステムに関する更なる制限がＩ ｎｅｃ ｊを規定するために考慮される、演算手段と、ｊ個のコイルに演算された電流Ｉ ｎｅｃ ｊを適用するように電流Ｉ ｊを調節するための調節手段と、を備えている。 制御ユニットの第２入力手段は、各々が現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変化させるために必要とされる、力 の集合を記憶するための記憶手段として備えられることが可能であり、又は、現位置から好ましい位置に磁石及びコイルの相対的位置を変化させるために必要とされる力 本発明の更なる特徴においては、磁石及びｊ個のコイルであって、ここで、ｊ＝１． ． ． Ｎであり、電流Ｉ ｊは、その磁石と相互作用する力及びモーメントが生成されるようにそれらコイルを通って流れる、磁石及びコイルと、本発明にしたがった制御ユニットとを、電動モータが備えている。 好適な実施形態においては、そのモータはプレーナモータであり、最も好適な実施形態においては、プレーナモータは６自由度を有している。 磁石に関するコイルの動き、又は動くコイル及び磁石を有することが可能である。 しかし、コイルに関する磁石の動きを有することは好ましい。 このことは、ホース及びケーブルがコイルの自由な動きを妨げることを回避する。 有利であることに、モータは、磁石及びコイルの相対的位置を測定し、それ故、制御及び位置決めの精度を改善するための手段を有する。 以下、本発明について、詳述する。 その詳細説明は、添付図を参照して理解する比制限的な例示として与えられている。 図１は、図２に示すモータを制御ループとして、本発明にしたがった方法の実施形態を示すブロック図である。 磁石プレートは、所定の速度で所定の経路に沿って動く必要がある。 この動きを実現するように、力及びモーメントが磁石プレートに作用される必要がある。 この力及びモーメントは、コイルを通って流れる電流及び磁石プレートからの磁場の相互作用により生成される。 それらの電流は制御されることができ、そのことは、そのプレートに作用する力及びモーメントが制御されることができることを意味する。 必要な力及びモーメントを生成するように、コイルを通って流れる電流が規定される必要がある。 力及びモーメントがプレートで作用する場合、プレートは動き、新しい位置に達する。 この位置は、磁石プレートの位置 開始点、即ち、磁石及びコイルの第１相対的位置は、段階１０１において設定点として与えられる。 磁石は、所定速度で位置 に沿って動く必要がある。 磁石に作用する必要がある必要な力及びモーメントは段階１０２において決定される。 それらの値を演算するように、所定のデータベースでそれらの値を調べることが可能である。 次の段階１０３においては、必要な電流Ｉ ｊが、決定される力及びモーメントが生成される必要があるという制限と、更なる制限、例えば、電力損失又は所定の力及びモーメントの分布と、により決定される。 一旦、電流が決定されると、それらの電流は１つ又はそれ以上のコイルに適用され、それ故、所定速度で位置 図２において、対応する電動モータ１が示されている。 そのモータは、コイル３のアレイにおいて位置付けられた磁石２を有する。 磁石２及びコイル３は、コイル３から磁石２に向かうｚ方向を伴って、ｘ−ｙ平面内に備えられている。 図から理解できるように、３０個のコイルのみが磁石２により少なくとも一部を覆われている。 電動モータの制御、特に、必要な電流の決定を簡単化するように、磁石２により少なくとも一部が覆われたコイル３のみを通る電流を有し、力、モーメント及び電流を決定するときに、それらのコイルのみを考慮することが可能である。 その場合、経路は副経路に分割される必要があり、各々の副経路は、磁石２により少なくとも一部が覆われているコイル３の所定の集合を有する。 磁石２は単独の磁石である必要はなく、磁石のアレイであることがまた、可能であることに更に留意する必要がある。 このことは、単に所定の力及びモーメントを更に複雑にするだけである。 電動モータ１は制御ユニット４により制御される。 第１入力手段４１を介して、演算手段４３は、磁石２及びコイル３の現相対的位置に関する情報を得る。 この情報は、例えば、レーザによる光学測定に基づいて、測定手段５により与えられることが可能である。 この情報はまた、最後の現位置に対応する第１設定点として記憶されることが可能である。 しかし、現位置がときどき、独立して測定される場合、精度が改善される。 所定の力及びモーメントに関する情報は、第２入力手段４２を介して演算手段４３に与えられる。 この第２入力手段は、例えば、記憶手段であることが可能であり、その記憶手段において、データベースは、現位置から好ましい位置に相対的位置を変えるために必要な力及びモーメントの集合を有する。 それは、実際の力及びモーメントを演算するための更なる演算手段であることが可能であり、そして演算手段４３に統合されることさえ、可能である。 必要な情報全てを有する場合、演算手段４３は、決定される力及びモーメントを生成するために必要な電流を演算することができる。 演算の仕方についての実施例については、下で与えられる。 調節手段４４は、その場合、演算される電流が適用されるようにコイル電流を調節し、それ故、所定速度で位置 電流Ｉ ｎｅｃ ｊを決定する有効な方法については、移動プレート及び複数の固定コイルを有し、６自由度を有するプレーナモータの実施例に関して、下で説明される。 電流は、力及びモーメントが磁石に適用されるように、コイルを通って流れる。 各々の電流Ｉｊは、力 が磁石に適用されるように、電流Ｉ ｊ （ここで、ｊ＝１．．．Ｎである）を決定することである。 単位電流Ｉ ｊ ＝１を考える。 コイルを通る電流は、磁石に力 ｊを有する電流は、力 ｊ （ここで、ｊ＝１．．．Ｎである）の重畳は、それらの電流が次式 を満足する必要があることをもたらす。 表記を簡略化するように、ベクトル Ｎ＝６であり影響因子の行列が１つだけでない場合、電流は式（２）により流れ、次式 Ｎ＜６であり、影響因子の行列Ｆ（行列）のランクがＮに等しい場合であって、所定の力及びモーメント ｊ （ここで、ｊ＝１．．．Ｎである）が存在する。 それらの電流は、式（３）の最小二乗解により、次式 所定の力及びモーメントが Ｎ＜６である場合、影響因子の行列のランクはＮより小さく、 を生成するための電流Ｉ ｊ （ここで、ｊ＝１．．．Ｎである）は一意ではない。 この場合及びＮ＞６である場合、付加要求が、所定の力及びモーメントを生成して一意の値Ｉ ｊを得るように課せられる必要がある。 一般に、必要な力及びモーメントは、モータの６自由度と一致する６つの制限を表す。 一般に、プレートにおいて作用する力及びモーメントに影響するコイルの数Ｎは６より多い。 電流の数についての典型的な数は、２０乃至３０の範囲内にあり、例えば、２７である。 その場合、課題は、プレートにおいて必要な力及びモーメントが生成されるために電流をどのように規定するかである。 それ故、Ｎ＞６の変数が決定される必要があり、それ故、６個の制限が満足される。 電流は、必要な力 １，． ． ． ，６はラグランジェ乗数である。 関数 は、電流Ｉ １，． ． ． ， Ｉ Ｎと生成された力 に依存する。 関数Ｇ（Ｉ １，．．．， Ｉ Ｎ ）は、必要な力及びモーメント ｎｅｃｃ ｊを決定するために考慮されるべき更なる制限に相当する。 この関数Ｇ（Ｉ １，．．．， Ｉ Ｎ ）が選択される必要がある。 その場合、関数Ｊが最小である必要がある条件は、電流Ｉ １，． ． ． ， Ｉ Ｎを一意に決定するように十分な付加条件を生成する（そして、その条件は、所謂、ラグランジェ乗数λ １，．．．，６を導き出す付加条件を一意に決定する）。 それ故、必要な力 及びモーメント １，．．．， Ｉ Ｎ ）を最小化する一意の電流Ｉ １，． ． ． ， Ｉ Ｎが決定される。 １． 最小電力損失 最適化される関数Ｇ（Ｉ １，．．．， Ｉ Ｎ ）が選択される必要がある。 適切な選択はコイルにおける全電力損失であり、それ故、次式 ｉはコイルの抵抗であり、電流Ｉ ｊによりもたらされる電力損失はＰ ｊ ＝Ｒ ｊ Ｉ ｊ ２ （和ではない）である。 Ｎ＞６である場合、電流Ｉ ｊに関する付加要求は、電流の全電力損失が最小であることである。 続いて、コイルを通ってながれる電流は、制限の式（３）により全電力損失を最小化することにより決定され、関数 ｉはラグランジェ乗数である。 この関数は、 である場合、最小値を有する。 式（３）及び（９）の解を簡単化するように、電流は次式 式（１０）を（９）に代入すると、次式 それ故、式（１１）を解くことにより、 又は それ故、ラグランジェ乗数は式（１３）から解かれる必要があり、 電流Ｉ ｊを得るように、式（１２）及び（１４）が式（１０）に代入され、それ故、 それ故、式（１５）により与えられる電流は、最小電力損失で所定の力 例示として、コイルの抵抗全てが等しく、それ故、Ｒ ｊ ＝Ｒ（ここで、ｊ＝１．．．Ｎ）である。 それ故、行列Ａ（１３）（行列）及びＩ（１２）（行列）は次式 それ故、予測されるように、電流はコイルの抵抗とは無関係である。 ２． 予測される力及びモーメント分布 他の要求は、プレートにおける単位面積当たりの好ましい力及びモーメントの分布、それ故、好ましい分布 １，．．．， Ｉ Ｎ ）は次式 のようになり、ここで、積分はプレートの領域Ｄに亘って実行され、ｋに分割され、その場合、Ｄにおける積分は、次式 は、磁石プレートの全領域Ｄの部分Ｄ ｋにおいて作用する好ましい力及びモーメントを表し、 ｋにおいて作用する力及びモーメントを表す。 全力及びモーメントは次式 更に詳細には、磁石プレートを複数の領域要素に分割する必要がある。 それらの領域要素は必ずしも等しい必要はない。 単位電流Ｉ ｊ ＝１について考える。 このコイルを通る単位電流は、この領域要素が他の領域要素全てから分離されるように考慮されている場合、領域要素ｋにおいて力 ｊを有する電流は、領域要素ｋにおいて力 （ｊにおける和ではない）に影響を与える。 全ての電流Ｉ ｊ （ここで、ｊ＝１．．．Ｎである）の重畳は、領域要素ｋにおいて後続する力 のようであり、ここで、 磁石プレートにおける力及びモーメントの分布を規定することができる。 磁石プレートが領域要素において離散化されている場合、このことは、領域要素において作用する力 の分布が規定されることができることを意味する。 その場合、課題は、それらの力及びモーメントの分布を（略）もたらすコイルを通る電流を決定することである。 しかしながら、コイルを通る電流は、磁石プレートにおいて作用する規定された全力及び全モーメントを生成する必要がある。 それ故、下の最適化課題が解かれる必要がある。 力 が生成される制限により、最小二乗法において満足するように電流 関数（２２）が最小値を有する条件を決定するように、その関数をベクトル の成分の関数として表し、それ故、 ｓｑｔ ＝１（ｓｑｔが１２３、３１２、２３１である場合）、ε ｓｑｔ ＝−１（ｓｑｔが１３２、３２１、２１３である場合）及びε ｓｑｔ ＝０（ｓｑｔがそれ以外の場合）である。 関数（２３）の式においては、アインシュタインの加算の慣習がインデックスｎ、ｐ、ｑ、ｒ及びｔについて用いられる（即ち、それらが項において２回現れる場合に、それらのインデックスについての加算）ことに留意されたい。 Ｉ ｉ 、λ ｊ及びμ ｋについての微分及び結果の０への設定は、次式 、 関数（２２）は、式（２５）、（２６）及び（２７）が満たされる場合、最小値を有する。 ベクトル及び行列の表記において、それらの式は、 ｋはＤ ｉｊ ｋ ＝ε ｉｐｑ ｘ ｐ ｋ Ａ ｑｊ ｋであり、
ｉｐｑ ＝１（ｉｐｑが１２３、３１２、２３１である場合）
ｉｐｑ ＝−１（ｉｐｑが１３２、３２１、２１３である場合）及び ε ｉｐｑ ＝０（ｉｐｑがそれ以外の場合） （３１）
続いて、次の規定 その場合、関数（２２）の最小値のための条件は、 式（３２）から、次式 式（３５）を式（３３）及び（３４）に代入することにより、 式（３７）及び（３８）を結合させることにより、ラグランジェの乗数 それ故、 式（４０）を式（３６）に代入することにより、電流についての閉じた表現が、規定された力及びモーメントの関数として、直接与えられる。 規定された力の分布及びモーメントの分布は、例えば、均一であることが可能である。 全力及びモーメントが、領域要素における均一な力及びモーメントの分布の条件及び領域要素のサイズが等しい条件で規定される場合、表面要素ｋにおいて作用する力 領域要素が等しくなく、磁石プレートの全領域 ｋを有する場合、均一な分布に属する力 上では、本発明の複数の好適な実施形態について詳述したが、当業者は、種々の変形、代替及び置き換えが、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく実施されることが可能であることを理解できるであろう。 それ故、本発明については、同時提出の特許請求の範囲内で何れの形態及び修正であれ、権利主張されるものである。 例えば、従属請求項の特徴の種々の組み合わせが、本発明の範囲から逸脱することなく従属請求項の特徴を伴って実施されることが可能である。 |
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