4. 动子悬浮与位置控制原理
XPlanar 的动子之所以能在定子平面上“无接触”地滑行，本质上是把两个物理任务同时交给同一套电磁系统来完成：一是让动子稳定悬浮在定子上方一个很小的气隙高度（典型工作气隙在 0.5 mm 量级，具体数值随系统型号与负载而定），二是让动子在平面内沿规划轨迹运动。前者是悬浮控制，后者是平面驱动控制。二者共用定子线圈阵列产生的磁场，但控制目标、反馈量和时间尺度并不相同，因此理解 XPlanar 位置控制的关键，是先把“悬浮”和“驱动”这两条控制路径分开看，再看它们如何在级联环路中协同。
悬浮高度控制：把气隙当作被控量
悬浮控制的被控量是动子与定子表面之间的气隙高度 z。定子线圈阵列中有一部分线圈被用作悬浮执行器，动子上的永磁体阵列与线圈电流产生的磁场相互作用，形成竖直方向的悬浮力。这个力必须实时抵消动子重力与负载变化，同时把气隙维持在设定值附近。气隙过小会导致机械碰撞风险，气隙过大则悬浮力不足、动子下沉。
悬浮控制通常采用“位置外环 + 电流内环”的结构。位置外环读取气隙传感器（或由多组传感器解算出的高度估计值），与目标气隙 z_ref 比较得到高度偏差，经位置调节器输出一个期望的悬浮力或期望电流；电流内环则快速跟踪该电流指令，使线圈电流在毫秒级内达到目标值。由于悬浮对象是“重力负载 + 电磁力”的不稳定平衡，位置外环的带宽不能太低，否则动子会缓慢下沉或振荡；但也不能过高，否则会与电流环带宽冲突，引发高频抖动。
实际调试中，一个常见的教学示例参数是：目标气隙 z_ref = 0.6 mm，位置环比例增益 Kp_z 取使阶跃响应上升时间约 20～30 ms 的值，电流环带宽设为位置环带宽的 5～10 倍。若观察到动子静止时气隙波动超过 ±0.05 mm，通常说明位置环增益偏高或电流环跟踪不足，需要先降低位置环增益，再检查电流环的电流采样与 PWM 更新是否同步。
平面电机驱动逻辑：x、y 与偏航的合成
平面驱动控制的目标是让动子在 x-y 平面内到达指定位置，并保持指定的偏航角（绕 z 轴旋转）。XPlanar 定子由多个线圈块组成，每个线圈块内包含多组独立可控的线圈。动子下方的永磁体阵列与不同线圈的电流组合，可以合成沿 x 方向、y 方向的推力以及绕 z 轴的转矩。因此，平面驱动并不是“一个电机推一个方向”，而是“多线圈协同合成一个平面力矢量与一个转矩”。
从控制角度看，平面驱动同样采用级联结构：位置环根据目标位置 (x_ref, y_ref, θ_ref) 与反馈位置 (x, y, θ) 的偏差，计算出期望的平面推力 (F_x, F_y) 和转矩 T_θ；速度环（或直接由位置环微分得到速度前馈）将推力指令转换为期望速度或期望加速度；电流环再把推力/转矩指令分配到各个线圈，解算为每相电流指令。这里的关键是“分配”环节：同一个推力矢量可以由不同线圈组合实现，分配算法需要在满足推力需求的同时，尽量降低线圈电流峰值和发热。
位置环、速度环与电流环的级联关系
把悬浮和驱动放在一起看，XPlanar 动子的完整控制链可以概括为三层级联：最外层是位置环，负责“到哪里”；中间是速度环，负责“以多快的速度变化”；最内层是电流环，负责“用多大的电流产生所需的力”。三层环的带宽依次递增，通常电流环带宽最高（可达数千赫兹），速度环次之（数百赫兹），位置环最低（几十赫兹）。这种带宽递减的设计，是为了让内环快速跟踪外环指令，外环不必等待内环的慢响应，从而保证整体稳定。
级联关系还体现在“限幅”上。位置环输出的速度指令会被速度限幅约束，速度环输出的电流指令会被电流限幅约束。当动子需要快速移动时，位置环先输出较大的速度指令，速度环再输出较大的电流指令；一旦电流达到上限，速度环进入饱和，动子以最大加速度运动，位置环继续积分直到接近目标。若没有这些限幅，动子可能在接近目标时因速度过高而过冲，甚至与定子边缘发生碰撞。
从指令到动作：一次典型的位置移动
假设动子当前静止在 (0, 0)，目标位置为 (200 mm, 100 mm)，偏航角保持 0°。控制器首先在位置环中计算偏差，输出一个沿目标方向的期望速度矢量；速度环将该矢量转换为期望加速度，再乘以动子质量得到期望推力；电流分配环节根据动子当前姿态，把推力分解到各个线圈组，计算出每相电流指令。电流环以远高于位置环的速率更新 PWM，使线圈电流快速跟踪指令。动子开始加速，速度逐渐上升，接近目标时位置环输出的速度指令减小，动子减速，最终停在目标位置附近。整个过程中，悬浮环独立工作，持续把气隙稳定在 0.6 mm 附近，即使平面运动产生侧向力，悬浮环也会通过调整悬浮电流来补偿竖直方向的扰动。
观察结果时，可以关注三个量：位置误差是否在允许范围内收敛（例如 ±0.1 mm）、气隙波动是否保持在设定值附近（例如 ±0.05 mm）、电流指令是否出现饱和或高频振荡。如果位置到达但气隙波动明显增大，说明平面运动与悬浮控制之间存在耦合，需要检查电流分配是否合理，或适当降低平面加速度。如果位置出现持续静差，通常是位置环积分增益不足或速度前馈未启用。
悬浮与驱动的耦合：为什么不能分开调
虽然悬浮和驱动在控制目标上可以分开描述，但它们在物理上共用同一组线圈和同一套磁场。平面运动时，动子下方的永磁体与线圈的相对位置不断变化，线圈产生的力中既有竖直分量也有水平分量。如果电流分配只考虑水平推力，竖直方向的悬浮力就会随位置变化而波动，导致气隙不稳。因此，实际控制器会在电流分配阶段同时解算悬浮力和平面推力，使每个线圈的电流既满足平面运动需求，又维持悬浮力恒定。这也是 XPlanar 控制比传统“独立悬浮 + 独立驱动”更复杂的原因。
理解这一点后，再回头看位置环、速度环、电流环的级联关系，就会发现：级联不仅是“外环给内环下指令”的单向结构，还包含“内环反馈影响外环”的耦合。位置环输出的速度指令，最终要由电流环通过多线圈分配来实现；而分配结果是否合理，又会反过来影响悬浮稳定性和位置精度。因此，在工程调试中，通常先让动子静止悬浮，确认气隙稳定；再给一个缓慢的平面移动指令，观察位置与气隙的联动；最后逐步提高速度与加速度，直到满足节拍要求。每一步都以“位置误差收敛、气隙波动可控、电流不饱和”作为继续提速的判断依据。