CN102365811B - 用于线性和旋转运动的马达 - Google Patents

Abstract

总的说来，本发明涉及允许借助于单个马达实现旋转和平移运动的设备、方法和计算机程序。用于线性和旋转运动的电动马达（102）可以包括具有包含一定数量的线圈或线圈组的多相线圈布置的定子（104）以及可沿着其旋转轴方向运动且具有分别包含至少一个永磁体的一定数量的磁极的转子（106）。控制单元（108）可以借助于显式计算公式且至少基于线圈或线圈组的数量、转子的旋转角度以及取决于转子的轴向位置的参数确定电流（Ir，Is，It），其中每个电流（Ir，Is，It）包括用于产生扭矩的电流分量（Irphi，Isphi，Itphi）和用于产生轴向力的电流分量（Irx，Isx，Itx），并且将所述确定的电流供应给所述数量的线圈或线圈组。

Description

用于线性和旋转运动的马达

技术领域

本发明总体上涉及一种借助于单个马达允许实现旋转和平移运动的设备、方法和计算机程序。 

背景技术

通常的无刷永磁无铁芯旋转马达或者其他种类的旋转马达只能传递扭矩，即执行旋转运动。然而，在许多应用中，需要旋转和平移运动。通常，这样的旋转和平移运动由两个马达或者具有复杂的电子学和控制技术的非常特殊的设计马达做出。 

US6429611B1公开了一种组合旋转和线性马达，其使用修改的无刷直流（DC）马达。该马达除别的以外还包括转子、马达壳以及安装到马达壳内部圆柱形表面的三个径向等间距线圈。转子的角位置θ及其沿着其旋转轴（z轴）的线性位置z分别依照命令值θ_c和z_c进行控制。这通过相应地驱动线圈来实现。供应给线圈的电流Ia、Ib和Ic借助于尤其包括用于感测电流Ia和Ib的电流传感器以及比例积分（PI）控制器的反馈回路来确定。 

US6429611B1并没有公开供应给线圈的电流Ia、Ib和Ic的显式公式。电流Ia和Ib借助于电流反馈而导出。因此，它们必须通过电流传感器感测。此外，需要PI控制器以实现反馈回路。这些PI控制器为动态元件并且必须经过调整以使得其工作。换言之，必须调整PI参数。因此，需要一定数量的电子和/或软件部件以操作US6429611B1中描述的组合旋转和线性马达。 

发明内容

本发明的目的是在无需特殊设计的马达或者复杂的电子器件和控制技术的情况下允许实现平移和旋转运动。 

这个目的可以通过依照权利要求1的设备、依照权利要求10的方法以及依照权利要求11的计算机程序来实现。 

因此，在本发明的第一方面中，提出了一种设备。该设备可以包括：用于线性和旋转运动的电动马达，其包括具有包含一定数量的线圈或线圈组的多相线圈布置的定子以及可沿着其旋转轴方向运动且具有分别包含至少一个永磁体的一定数量的磁极的转子；以及控制单元，其被配置成借助于显式计算公式且至少基于线圈或线圈组的数量、转子的旋转角度以及取决于转子的轴向位置的参数确定电流，其中每个电流包括用于产生扭矩的电流分量和用于产生轴向力的电流分量，并且将确定的电流供应给所述数量的线圈或线圈组。所述设备允许甚至基本上彼此无关地且在标准马达的基础上产生扭矩和轴向力。因此，可以在无需特殊设计的马达或者复杂的电子器件和控制技术的情况下实现平移和旋转运动。通过这种方式，人们可以节省额外的马达或者困难的设计路径。因此，可以节省时间和金钱。 

在本发明的第二方面中，所述设备可以包括：第一传感器，其被配置成感测旋转角度并且将该旋转角度供应给控制单元；以及第二传感器，其被配置成感测转子的轴向位置并且将该轴向位置供应给控制单元。可以实现基于第一和第二传感器感测的值的换向算法。通过这种方式，可以确定供应给线圈或线圈组的电流，从而可以在任何时间大体彼此无关地（解耦地）产生扭矩和轴向力。这可以在没有电流的反馈，即没有电流传感器的情况下成为可能。因此，可以不存在包括控制器的反馈回路并且也可以没有控制器调整的努力。该第二方面可以与第一方面结合。 

在本发明的第三方面中，所述设备可以包括：轴承（bearing）系统，其被配置成承载转子并且限制除了沿着旋转轴的线性自由度和围绕旋转轴的旋转自由度之外的所有自由度。因此，可以防止在另一个自由度下的无意的运动。该第三方面可以与前面的方面中的任何一个结合。 

在本发明的第四方面中，基于第三方面，轴承系统可以是主动（active）磁轴承系统。这样的轴承系统可以是无接触的并且因而无摩擦的。 

在本发明的第五方面中，所述参数可以作为轴向位置的函数成反比地改变。取决于轴向位置的参数允许按照轴向位置的函数确定要供应给线圈或线圈组的电流。通过这种方式，可以实现显著的轴向工作范围。该第五方面可以与前面的方面中的任何一个结合。 

在本发明的第六方面中，所述控制单元可以被配置成也基于与轴向位置无关的另一参数确定电流。因此，可以基于所述参数并且因而根据转子的轴向位置确定例如用于产生扭矩的电流分量，同时可以基于该另一参数并且因而与转子的轴向位置无关地确定用于产生轴向力的电流分量。该第六方面可以与前面的方面中的任何一个结合。 

在本发明的第七方面中，所述控制单元可以被配置成将用于第一线圈或线圈组的电流确定为Ir=Irphi+Irx=A*sin(n*(phi-theta))+ B*cos(n*(phi-theta))，将用于第二线圈或线圈组的电流确定为Is=Isphi+Isx=A*sin(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))+B*cos(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))，并且将用于第三线圈或线圈组的电流确定为It=-Ir-Is=Itphi+Itx= A*sin(n*(phi-theta)+2*pi/(3*n)) +B*cos(n*(phi-theta)+2*pi/(3*n))，其中A为取决于轴向位置的参数，n为磁极对的数量，phi为旋转角度，theta为0与2*pi/n之间的对准角度，并且B为另一参数。第一至第三线圈或线圈组的电流可以借助于显式的计算公式来确定。无需电流反馈。因此，无需用于感测电流的电流传感器。该第七方面可以与前面的方面中的任何一个结合。 

在本发明的第八方面中，所述电动马达可以是无铁芯电动马达。这样的无铁芯电动马达与设有铁芯的电动马达相比可以具有更小的惯性矩，并且因而允许实现改进的可控性。该第八方面可以与前面的方面中的任何一个结合。 

在本发明的第九方面中，所述电动马达可以是直流电动马达。与交流马达的每分钟转数形成对照的是，这样的直流电动马达的每分钟转数可以基本上与其电源的频率无关。该第九方面可以与前面的方面中的任何一个结合。 

在本发明的第十方面中，提出了一种控制用于线性和旋转运动的电动马达的方法。该方法可以包括：借助于显式计算公式且至少基于电动马达的定子的线圈或线圈组的数量、电动马达的转子的旋转角度以及取决于转子的轴向位置的参数确定电流，其中每个电流包括用于产生扭矩的电流分量和用于产生轴向力的电流分量；以及将确定的电流供应给所述数量的线圈或线圈组。该方法允许控制电动马达，从而甚至基本上彼此无关地且在标准马达的基础上产生扭矩和轴向力。因此，可以在无需特殊设计的马达或者复杂的电子器件和控制技术的情况下实现平移和旋转运动。通过这种方式，人们可以节省额外的马达或者困难的设计路径。因此，可以节省时间和金钱。 

在本发明的第十一方面中，提出了一种计算机程序。该计算机程序可以包括程序代码装置，其用于在计算机上执行计算机程序时使得计算机执行依照第十方面的方法的步骤。因此，可以实现与依照第十方面的方法相同的优点。 

从属权利要求中限定了另外的有利修改。 

附图说明

本发明的这些和其他方面根据以下参照附图描述的实施例将是清楚明白的，并且将通过该实施例进行阐述，在附图中： 

图1示出了说明依照所述实施例的示例性设备的布置的示意性框图；

图2示出了说明该示例性设备中的线圈和磁极的配置的示意图；

图3示出了该示例性设备中的轴承系统和转子的示意性截面；

图4示出了在第一工作状态下的该示例性设备中的电动马达的示意图；

图5示出了在第二工作状态下的该示例性设备中的电动马达的示意图；

图6示出了说明依照所述实施例的控制用于线性和旋转运动的电动马达的示例性方法的基本步骤的流程图；

图7示出了所述实施例的基于软件的实现方式的实例。

具体实施方式

图1示出了说明依照所述实施例的示例性设备100的布置的示意性框图。设备100可以包括电动马达102，该电动马达包括定子104和转子106，例如基本上无齿槽的且特别地无铁芯的电动马达，比如无铁芯直流（DC）马达。定子104可以包括三的倍数的线圈（3，6，9，……）。转子106可以是永磁转子。电动马达102可以是无铁芯磁旋转马达，例如无刷永磁无铁芯旋转马达或者其他种类的旋转马达。这样的马达可以容易地由现成的马达制成。换言之，可以从1维应用到2维应用适应性调节标准马达。 

设备100可以进一步包括控制单元108、第一传感器110和第二传感器112。控制单元108可以确定要供应给定子104的线圈或线圈组的电流。第一传感器110可以感测转子106的旋转角度。第二传感器112可以感测转子106的轴向位置或者移位。 

图2示出了说明示例性设备100中的线圈和磁极的配置的示意图。这样的描绘可以通过在一侧沿着轴分割电动马达102并且把它折叠打开而获得。定子104可以具有包括一定数量的线圈或线圈组的多相线圈布置。在示例性设备100中，定子104可以包括第一线圈或线圈组114、第二线圈或线圈组116以及第三线圈或线圈组118。尽管图2中示出了单个的第一至第三线圈114、116和118，此处也可以是对应的线圈组。由于示例性设备100的电动马达102可以是三相马达，因而可以存在三的倍数的线圈。 

转子106可以具有一定数量的磁极120。这些磁极120可以分别包括至少一个永磁体。在图2所示的配置中，存在四个分别包括永磁体的磁极。由p标记的双箭头表示磁极120之间的间距，即磁体间距。它可以表示为p=pi/n，其中n可以表示磁极对的数量。由phi标记的箭头表示转子106的以弧度（rad）为单位的旋转角度，即转子106的角位置或者沿着圆周的位移。由x标记的箭头表示转子106沿着其旋转轴的位移并且也表示旋转轴的方向。 

图3示出了示例性设备100中的轴承系统124和转子106的示意性截面。转子106可以围绕旋转轴122旋转。转子106可以由轴承系统124承载，即其旋转轴122可以由轴承系统124引导或承载。轴承系统124可以限制除了沿着旋转轴122的线性自由度和围绕旋转轴122的旋转自由度之外的所有自由度。轴承系统124可以是例如主动磁轴承系统。 

图4示出了在第一工作状态下的示例性设备100中的电动马达102的示意图。如图4中所示，转子106可以置于定子104的线圈的中心，所述线圈通常为三的倍数（3，6，9，……）。这些线圈的端部效应可以通过这种方式平衡掉。 

图5示出了在第二工作状态下的示例性设备100中的电动马达102的示意图。如图5中所示，转子106可以沿着旋转轴122移动。结果，线圈的端部效应不再可以平衡掉，而是增大了。对于正常的旋转运动和/或扭矩，可以将三个相关电流施加到适当的线圈。通过施加一不同的相关电流组，由于线圈的端部效应而引起的轴向力可能成为主导。换言之，转子106的位置移动允许施加x力，例如复原力。如果一切正确完成，那么可以基本上彼此无关地操纵扭矩和轴向力。下面更详细地描述了这一点。 

如上面所提到的，电动马达102或者另一个三相马达中可以存在三个线圈（或者三的倍数的线圈）114、116和118。用于所述三个线圈或线圈组114、116和118中的每一个的电流可以根据转子106的位置导出。换言之，要供应给线圈或线圈组114、116和118的电流可以由控制单元108基于转子106的旋转角度而确定。转子106的旋转角度可以由第一传感器110感测。 

用于第一线圈或线圈组114的电流可以由Ir标记。用于第二线圈或线圈组116的电流可以由Is标记。用于第三线圈或线圈组118的电流可以由It标记。这些电流Ir、Is和It中的每一个可以包括两个对应的部分或分量。换言之，电流Ir、Is和It可以依照以下方程式来确定或计算： 

Ir = Irphi + Irx                                                            （1）

Is = Isphi + Isx                                                           （2）

It = Itphi + Itx                                                            （3）

Irphi、Isphi和Itphi可以是用于产生扭矩（即phi方向上的力Fphi）的电流分量，并且Irx、Isx和Itx可以是用于产生轴向力（即x方向上的力Fx）的电流分量。这些分量可以依照以下方程式来确定或计算：

Irphi = A*sin(n*(phi-theta))                                              （4）

Isphi = A*sin(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))                                （5）

Itphi = -Irphi-Isphi = A*sin(n*(phi-theta)+2*pi/(3*n))          （6）

Irx = B*cos(n*(phi-theta))                                                （7）

Isx = B*cos(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))                                  （8）

Itx = -Irx-Isx = B*cos(n*(phi-theta)+2*pi/(3*n))                    （9）

在上面的方程式中，A可以是取决于转子106的轴向位置和所需的扭矩且与转子106的旋转角度无关的参数。换言之，Irphi=A(x)*sin(n*(phi-theta))，Isphi=A(x)*sin(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))，并且Itphi=A(x)*sin(n*(phi-theta)+2*pi/(3*n))可以适用。转子106的轴向位置可以由第二传感器112感测。

值n可以表示磁极对的数量。值phi可以表示转子106的以弧度（rad）为单位的旋转角度，即转子106的角位置或者沿着圆周的位移。值theta可以表示将换向角与电动马达102的磁轨中的磁场的磁角对准的对准角。该对准角可以取0与2*pi/n之间的值。B可以是可以与转子106的轴向位置及其旋转角度无关且取决于所需的力的另一参数。 

根据方程式（4）-（6）显然可知，这些电流之间的关系可以是磁体间距p的2倍除以磁极对数量n的3倍的相移。在对准过程之后，在其中Fphi为最大值的点处phi称为零。在这种情形下，Fx可以为零。如果角位置与电流之间的关系移动2*p/(n*4)，可以获得依照方程式（7）-（9）计算的电流。在该情形下，Fphi可以为零并且Fx可以为最大值。 

可以将一方面由方程（4）-（6）限定以及另一方面由方程（7）-（9）限定的电流组相加（正弦和余弦）。结果可以是Fphi与Fx之间的混合。例如，合力F可以依照以下方程式来确定或计算： 

F=C*Fphi+D*Fx=C*Fphi(Irphi,Isphi,Itphi)+D*Fx(Irx,Isx,Itx) （10）

Fphi和Fx可以基本上彼此无关地进行控制。因此，电动马达102可以不仅传递扭矩，而且传递沿着其轴的力，其中该扭矩和轴向力可以基本上彼此无关地设置。为此目的可以提供附加的换向。

图6示出了说明依照所述实施例的控制用于线性和旋转运动的电动马达的示例性方法的基本步骤的流程图。在步骤S602中，可以至少基于电动马达的定子的线圈或线圈组的数量、电动马达的转子的旋转角度以及取决于转子的轴向位置的参数，确定电流。在步骤S604中，可以将确定的电流供应给线圈或线圈组。 

图7示出了所述实施例的基于软件的实现方式的实例。在这里，设备700可以包括处理单元（PU）702，该处理单元可以在单个芯片或者芯片模块上提供并且可以是任何具有控制单元的处理器或者计算机设备，该控制单元基于存储器（MEM）704中存储的控制程序的软件例程执行控制。程序代码指令可以从MEM 704中获取并且装载到PU 702的控制单元中以便执行诸如结合图6所描述的处理步骤之类的处理步骤。这些处理步骤可以在输入数据DI的基础上执行并且可以产生输出数据DO。输入数据DI可以代表电动马达的配置和操作数据等，并且输出数据DO可以代表例如供应给电动马达的线圈或线圈组的电流等。 

上面描述的设备、方法和计算机程序可以应用到这样的致动器，所述致动器可以用在例如拾放机（pick-and-place）、手术钻、照片和视频装备中的聚焦和缩放马达、汽车变速器(car transmission)、光盘（CD）和数字多功能盘（DVD）播放器等等中。 

上面描述的设备、方法和计算机程序允许甚至基本上彼此无关地且在标准马达的基础上产生扭矩和轴向力。因此，可以在无需特殊设计的马达或者复杂的电子器件和控制技术的情况下实现平移和旋转运动。通过这种方式，人们可以节省额外的马达或者困难的设计路径。可以实现基于第一和第二传感器感测的值的换向算法。因此，可以确定要供应给线圈或线圈组的电流，从而可以在任何时间大体彼此无关地（解耦地）产生扭矩和轴向力。这可以在没有电流的反馈，即没有电流传感器的情况下成为可能。因此，可以不存在包括控制器的反馈回路并且也可以没有控制器调整的努力。 

总而言之，本发明涉及允许借助于单个马达实现旋转和平移运动的设备、方法和计算机程序。用于线性和旋转运动的电动马达可以包括具有包含一定数量的线圈或线圈组的多相线圈布置的定子以及可沿着其旋转轴方向运动且具有分别包含至少一个永磁体的一定数量的磁极的转子。控制单元可以至少基于线圈或线圈组的数量、转子的旋转角度以及取决于转子的轴向位置的参数，确定电流，并且将确定的电流供应给线圈或线圈组。 

尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。例如，尽管上面描述了控制单元108可以确定要供应给定子的线圈或线圈组的电流，即马达电流，但是这也可以通过诸如模拟硬件之类的其他硬件来完成。这样的硬件可以是例如用于马达电流的功率放大器。一个实施例可以是2个霍尔传感器用来测量磁体的位置相关磁场的情况。这些传感器可以在空间上分开90度，并且传感器相对于线圈的位置可以是固定的（和已知的）。这2个霍尔信号可以馈送到可以是功率放大器的一部分的模拟设备。这些霍尔信号可以是正弦的，作为旋转角度（phi）的函数。这两个信号（相移）的线性组合的和可以给出希望的马达电流。通常，旋转位置信息可以与希望的力和扭矩设置点一起进入模拟设备，基于这些可以确定用于不同马达线圈的希望的电流。可替换地或者此外，也可以使用与上面所述不同的其他硬件以便确定希望的电流。 

本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，应当能够理解并实施所公开实施例的若干变型。 

在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列出的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中记载特定技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。 

能够控制处理器以执行要求保护的特征的计算机程序可以存储/分布于适当的介质上，例如存储/分布于与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的一部分而提供的固态介质或者光学存储介质上，但是也可以以其他的形式分发，例如通过因特网或者其他有线或无线电信系统分发。它可以结合新的系统使用，但是也可以在更新或者升级现有的系统时应用以便使得它们能够执行要求保护的特征。 

用于计算机的计算机程序产品可以包括这样的软件代码部分，这些软件代码部分用于在计算机上运行计算机程序产品时执行例如诸如结合图6所描述的处理步骤之类的处理步骤。该计算机程序代码可以进一步包括其上存储了软件代码部分的计算机可读介质，例如光学存储介质或者固态介质。 

权利要求书中的任何附图标记都不应当被视为对其范围的限制。 

Claims (10)

1.一种设备，包括：

用于线性和旋转运动的电动马达（102），其包括具有包含一定数量的线圈或线圈组（114，116，118）的多相线圈布置的定子（104）以及可沿着其旋转轴（122）方向运动且具有分别包含至少一个永磁体的一定数量的磁极（120）的转子（106）；以及

控制单元（108），其被配置成借助于显式计算公式且至少基于线圈或线圈组的所述数量、所述转子的旋转角度以及取决于所述转子的轴向位置的参数确定电流（Ir，Is，It），其中每个电流（Ir，Is，It）包括用于产生扭矩的电流分量（Irphi，Isphi，Itphi）和用于产生轴向力的电流分量（Irx，Isx，Itx），并且将所述确定的电流供应给所述数量的线圈或线圈组。

2.依照权利要求1的设备，包括：

第一传感器（110），其被配置成感测所述旋转角度并且将该旋转角度供应给所述控制单元；以及

第二传感器（112），其被配置成感测所述转子的所述轴向位置并且将该轴向位置供应给所述控制单元。

3.依照权利要求1的设备，包括轴承系统（124），该轴承系统被配置成承载所述转子并且限制除了沿着所述旋转轴的线性自由度和围绕所述旋转轴的旋转自由度之外的所有自由度。

4.依照权利要求3的设备，其中所述轴承系统是主动磁轴承系统。

5.依照权利要求1的设备，其中所述参数作为所述轴向位置的函数成反比地改变。

6.依照权利要求1的设备，其中所述控制单元被配置成也基于与所述轴向位置无关的另一参数确定所述电流。

7.依照权利要求1的设备，

其中所述控制单元被配置成将用于第一线圈或线圈组（114）的电流确定为Ir=Irphi+Irx=A*sin(n*(phi-theta))+ B*cos(n*(phi-theta))，将用于第二线圈或线圈组（116）的电流确定为Is=Isphi+Isx=A*sin(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))+B*cos(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))，并且将用于第三线圈或线圈组（118）的电流确定为It=-Ir-Is=Itphi+Itx= A*sin(n*(phi-theta)+2*pi/(3*n))+B*cos(n*(phi-theta)+2*pi/(3*n))，并且

其中A为取决于所述轴向位置的所述参数，n为磁极对的数量，phi为所述旋转角度，theta为0与2*pi/n之间的对准角度，并且B为另一参数。

8.依照权利要求1的设备，其中所述电动马达是无铁芯电动马达。

9.依照权利要求1的设备，其中所述电动马达是直流电动马达。

10.一种控制用于线性和旋转运动的电动马达的方法，包括：

借助于显式计算公式且至少基于所述电动马达的定子的线圈或线圈组的数量、所述电动马达的转子的旋转角度以及取决于所述转子的轴向位置的参数确定电流（Ir，Is，It）（S602），其中每个电流（Ir，Is，It）包括用于产生扭矩的电流分量（Irphi，Isphi，Itphi）和用于产生轴向力的电流分量（Irx，Isx，Itx）；以及

将所述确定的电流供应给所述数量的线圈或线圈组（S604）。

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