随着新材料科学技术、激光与光刻技术、纳米技术、表面工程与在线监测技术、生物 与仿生制造技术等的高速发展与应用，制造行业的面貌正发生巨大变革[1]。绿色制造、数 字制造、智能制造等技术前沿问题已成为我国向制造强国行列迈进的主攻方向[2]。随之相 关的众多战略新兴产业对制造业提出了更高的精度和效率要求[3]，其中，能实现平面或空 间多轴直线或回转协调运动的精密运动平台在先进制造、航空航天、微电子和微机械制 造、精密测量等领域呈现出日益增大的应用需求[4]。在一些应用场合中，如图 1-1 所示，
需要采用两个及以上驱动器并行导向安装，共同驱动同一负载平台沿同一轴线方向运动，
实现较大的推力输出或者针对大跨距的载荷系统所使用。这种并行冗余运动形态可以带来 高刚性、高响应与大推力的优点，并可以抑制因高速进给所产生的振动，更好地实现大负 载大推力或大跨距的高速高精的运动要求。
⺃㋭〛⺉㠍㲉䁻㚅㲉
ⱁ䑂㭞㋹〛⪓ ⺃㋭〛⤠ミ
ゅ⺃⮒㋭〛 ㈌㗽䊬Ⱀ㠞㲉
㋴ࣞਦ
㋍ࣞਦ
㓵⭫ᵰ
丩ാ⭫ᵰ
图 1-1 冗余驱动运动系统的应用
1
超高速切削、超精密加工等高端制造对设备的加工精度、动态性能、制造效率等提 出了越来越高的要求：例如，深空探测中继镜技术需要高精度（微弧度量级）和高动态
（数百赫兹量级）的传动装置用于实现光束指向控制；蓝宝石等特殊材料加工要求在保证 高定位精度（微米亚微米级）的情况下实现越快越好（数毫秒级）的切割速度与加速度
（3-10g）[5]。国际生产工程学会指出：未来机床在保证亚微米加工精度的情况下可以实现 50m/min 的进给速度以及 10g 以上的加速度，微制造的主轴转速会高达 50 万 rpm[6]。在 高端设备的性能要求下，驱动与传动部件和系统正朝短传动链方向发展，以避免传统驱动 机构中设计的中间传动环节过多可能带来的惯量大、响应慢、反向间隙等一系列问题[7]。
“直接驱动”越来越受到重视，其本质就是取消从驱动器或原动机到工作负载部件之间的 机械传动环节，由驱动器或原动机直接驱动工作机构运动，实现所谓“近零传动”[4]，例 如直线电机或环形力矩电机等不经过任何传动链直接驱动负载运动，近年来已成为精密 驱动和传动领域的研究热点和焦点[8]。其具有的结构简洁、惯量小、刚性高、振动和噪声 小、动态响应快、无传动间隙、无行程限制等优点，使直驱传动正越来越多地应用于要求 高速、高加速、高精度和高伺服刚度的精密机电装备中[9, 10, 11, 12, 13, 14]。
图 1-2 典型冗余直驱运动平台及控制系统的组成原理图
结合了冗余驱动与直驱传动各自的优势，冗余直驱混联多轴精密运动台系统（例如 图 1-2 所示 H 型冗余直驱精密运动结构），作为机床进给、光刻机步进扫描、精密测量 台运动机构等[15]，是我国高端制造装备发展的重要功能元件，也一直以来成为国际工业
界、学术界的研究热点和重要发展方向。如美国 Newport 公司研发的用于半导体加工、
掩模检验、硅片探伤、临界尺寸计量、精度检测等设备的一系列精密运动平台[16]。荷兰 代尔夫特理工大学研发的硅片台[17]结构应用于全球最大光刻机厂商 ASML 的系列产品。
瑞士 ETEL 公司的龙门冗余双驱运动系统为检测和维护等高精度、高动态的步进或扫描 等装备提供应用[18]。此外，新加坡南洋理工大学[10]、荷兰埃因霍芬理工大学[19]、日本九 州工业大学[20]、韩国高丽大学[21]、新加坡国立大学[22]等也对此种类型的冗余直驱运动 系统进行了理论或应用方面的研究；工业界其他知名制造厂商包括 Danaher、Rockwell-Anorad、Parker-Trilogy、SIMENS、Yaskawa、Sumimoto 等，也都纷纷推出了不同规格和 性能的 H 型直线电机精密运动平台系统。国内方面的研究工作主要集中在清华大学[23]、 上海交通大学[24, 25]、华中科技大学[26]、北京航空航天大学[27]、沈阳工业大学[28]、哈尔滨
工业大学[29, 30]、中国农业大学[31]、台湾成功大学[32]、台湾中央大学[33]等。从发展趋势中
可以看出，实际应用对该类运动平台系统的精度和响应要求方面，最大加速度基本都在
1∼ 2g 之间，有的甚至已达 5g 以上；定位精度根据应用对象和反馈测量元件有所不同，
但至少都要求达到微米、亚微米级运动精度；在动态方面建立时间一般在百毫秒级以下甚 至更小。
以高加速度、高速度和高动态性能为特点的精密运动平台必然要求更加先进的驱动传 动方式和运动控制策略。传统的旋转伺服电机 + 滚珠丝杆螺母副或精密齿轮变速箱的驱动 形式已无法满足高端设备性能要求，各应用中几乎均采用直线电机 + 精密直线导轨或气浮 导轨的直接驱动的方式，从而使高速度、大行程精密运动平台的实现成为了可能。要注意 的是，实际系统动力学一般都存在模型不确定及外干扰[34]，传统驱动中的减速传动机构可 以大大的减弱对控制系统的这些影响，而直驱系统中，这些外界干扰和各种不确定会直接 作用在电机上，控制器对这些建模误差和干扰的处理能力，就直接体现出整个驱动系统的 控制性能[35]，如何设计高效高性能的控制器是精密传动的基础问题。 另一方面，在结构 和形式上，精密运动平台为了实现高动态和高加速度，其较大质量的自由度必然需要多个 驱动元件驱动，从而构成双边冗余驱动，例如常见的 H 型布置结构。同时，冗余驱动也 可以消除单边驱动惯性矩的影响，从而避免一系列振动问题等，有效提高平稳性和系统带 宽[36]。随之而来的冗余多电机控制之间的同步和协调机制是实现这类系统精密控制的关键 问题之一，也是研究工作的热点方向。此外，在结构方面还需注意到，冗余驱动轴之间存 在强机械耦合，随着实际应用对此类系统速度和精度要求的越来越高，耦合结构动力学特 性对系统的控制精度甚至稳定性能等的影响和制约逐渐显现，然而这一点恰恰是以往研究 工作中常被忽略的环节，当前关于这一方面建模与特性分析以及相关的协同控制等问题尚 未有系统性完善的研究，亟需进一步深入研究。
综上所述，实现此类冗余直驱运动系统精密控制的应用和进一步发展，离不开对包括 耦合动力学在内的系统特性的分析，以及在此基础上的直驱传动精密控制方法和冗余多电 机协同控制方法的研究。