CN113131702B - 一种工业机器人用双凸极混合励磁电机及其控制系统 - Google Patents

一种工业机器人用双凸极混合励磁电机及其控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及工业机器人领域，提出一种工业机器人用双凸极混合励磁电机及其控制系统，包括：直线单元定子、动子和旋转单元定子三部分；其中双定子均采用嵌入永磁体和多齿相结合的结构，能够在增加功率密度、降低推力脉动和削弱转矩脉动的同时降低齿槽转矩；动子采用内凸极齿分段错开和各相沿圆周分布的结构，同时在动子轭部嵌入隔磁层，能够保证各相磁路对称，降低转矩脉动；同时直线单元各相和旋转单元各相独立，能够缺相运行，容错能力强；通过采用三个同时集成直线绕组和旋转绕组的全桥变换器，能够有效驱动电机进行直线运动、旋转运动和螺旋运动，实现工业机器人的多自由度运行，具有良好的工程应用价值。

Description

一种工业机器人用双凸极混合励磁电机及其控制系统
技术领域
本发明涉及工业机器人领域，尤其涉及一种工业机器人用双凸极混合励磁电机及其控制系统。
背景技术
开关磁阻电机作为一种典型的双凸极电机，具有结构简单、容错能力强和控制灵活的优势，在工业机器人领域具有良好的应用前景。两自由度开关磁阻电机是两自由度电机和开关磁阻电机的有效集成，能够实现直线运动、旋转运动和螺旋运动，满足工业机器人多自由度运动的需求。但是由于两自由度开关磁阻电机中两层双凸极结构和双重脉冲供电方式的影响，会进一步加剧推力脉动和转矩脉动。同时传统开关磁阻电机的无稀土特性也会带来推力密度和转矩密度的降低，严重阻碍了双凸极两自由度开关磁阻电机在工业机器人场合的应用前景。因此为了满足工业机器人直驱电机高推力密度、高转矩密度、低推力脉动和低转矩脉动的要求，本专利提出一种双凸极混合励磁电机及其控制系统，为工业机器人驱动电机系统的性能提升奠定良好的基础。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种工业机器人用双凸极混合励磁电机，以提高推力密度和转矩密度，降低推力脉动和转矩脉动，增强系统的可靠性。
本发明的另一个目的在于提出一种控制系统。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出一种工业机器人用双凸极混合励磁电机，包括：直线单元定子、动子和旋转单元定子；其中所述直线单元定子和所述旋转单元定子均采用嵌入永磁体和多齿相结合的结构，能够在增加功率密度、降低推力脉动和削弱转矩脉动的同时降低齿槽转矩；所述动子采用内凸极齿分段错开和各相沿圆周分布的结构，同时在动子轭部嵌入隔磁层，能够保证各相磁路对称，降低转矩脉动；同时直线单元各相和旋转单元各相独立，能够缺相运行，容错能力强；所述直线单元能够同时生成直线推力和旋转转矩，能够进一步增强系统的容错能力和控制的灵活性。
根据本发明实施例提出的工业机器人用双凸极混合励磁电机，包括：直线单元定子、动子和旋转单元定子；其中直线单元定子和旋转单元定子均采用嵌入永磁体和多齿相结合的结构，能够在增加功率密度、降低推力脉动和削弱转矩脉动的同时降低齿槽转矩；动子采用内凸极齿分段错开和各相沿圆周分布的结构，同时在动子轭部嵌入隔磁层，能够保证各相磁路对称，降低转矩脉动；同时直线单元各相和旋转单元各相独立，能够缺相运行，容错能力强；直线单元能够同时生成直线推力和旋转转矩，能够进一步增强系统的容错能力和控制的灵活性。由此，本发明实施例的工业机器人用双凸极混合励磁电机，能够提高推力密度和转矩密度，降低推力脉动和转矩脉动，增强系统的可靠性，在工业机器人领域具有广阔的应用前景。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出一种控制系统，所述控制系统用于控制工业机器人用双凸极混合励磁电机，所述控制系统由三个全桥功率变换器组成，每个所述全桥功率变换器由三个桥臂组成，分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂包括第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管，其中所述第一开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，所述第一开关管的第二极与所述第二开关管的第一极相连并作为所述第一桥臂的中点，所述第二开关管的第二极与所述直流电源的负极和所述第一电容的另一端相连，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管的第一极相连，所述第一二极管的阳极与所述第一开关管的第二极相连，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管的第一极相连，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管的第二极相连；
所述第二桥臂包括第三开关管、第四开关管、第三二极管和第四二极管，其中所述第三开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，所述第三开关管的第二极与所述第四开关管的第一极相连并作为所述第二桥臂的中点，所述第四开关管的第二极与所述直流电源的负极和所述第一电容的另一端相连，所述第三二极管的阴极与所述第三开关管的第一极相连，所述第三二极管的阳极与所述第三开关管的第二极相连，所述第四二极管的阴极与所述第四开关管的第一极相连，所述第四二极管的阳极与所述第四开关管的第二极相连；
所述第三桥臂包括第五开关管、第六开关管、第五二极管和第六二极管，其中所述第五开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，所述第五开关管的第二极与所述第六开关管的第一极相连并作为所述第三桥臂的中点，所述第六开关管的第二极与所述直流电源的负极和所述第一电容的另一端相连，所述第五二极管的阴极与所述第五开关管的第一极相连，所述第五二极管的阳极与所述第五开关管的第二极相连，所述第六二极管的阴极与所述第六开关管的第一极相连，所述第六二极管的阳极与所述第六开关管的第二极相连；
每个所述全桥功率变换器接入一相直线绕组和一相旋转绕组，其中所述直线绕组两端分别连接所述第一桥臂中点和所述第二桥臂中点，所述旋转绕组两端分别连接所述第二桥臂中点和所述第三桥臂中点，通过有序导通直线单元各相和旋转单元各相，能够实现直线运动、旋转运动和螺旋运动。
根据本发明实施例的控制系统，用于控制工业机器人用双凸极混合励磁电机，由三个全桥功率变换器组成，每个全桥功率变换器由三个桥臂组成，分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，每个全桥功率变换器接入一相直线绕组和一相旋转绕组，其中直线绕组两端分别连接第一桥臂中点和第二桥臂中点，旋转绕组两端分别连接在第二桥臂中点和第三桥臂中点。直线单元A相和旋转单元D相接入第一个全桥功率变换器，直线单元B相和旋转单元E相接入第二个全桥功率变换器，直线单元C相和旋转单元F相接入第三个全桥功率变换器，通过有序导通直线单元各相和旋转单元各相，能够实现直线运动、旋转运动和螺旋运动。由此，本发明实施例的控制系统，能够提高推力密度和转矩密度，降低推力脉动和转矩脉动，增强系统的可靠性，在工业机器人领域具有广阔的应用前景。
根据本发明的一个实施例，所述有序导通直线单元各相和旋转单元各相是指：当进行旋转运动时，依据最小磁阻原理和各相的位置信号，在定子齿和转子齿不对齐位置时开通各相，在所述定子齿和转子齿对齐位置时关断各相，实现所述双凸极混合励磁电机的旋转运动；在进行直线运动时，依据所述最小磁阻原理和各相的位置信号，在所述定子齿和转子齿不对齐位置时开通各相，在所述定子齿和转子齿对齐位置时关断各相，实现所述双凸极混合励磁电机的直线运动；在进行螺旋运动时，同时检测直线各相和旋转各相的位置信号，依据所述位置信号同时有序导通所述直线各相和旋转各相，实现螺旋运动。
根据本发明的一个实施例，当所述三个全桥功率变换器驱动所述双凸极混合励磁电机进行所述直线和旋转运动时，采用双周期导通控制算法平衡各个元器件热应力，具体为：在第一周期，采用正向励磁、下零电压续流和正向退磁三种工作模式；在第二周期采用反向励磁、上零电压续流和反向退磁三种工作模式；以所述直线单元A相导通为例，在第一周期，开通所述第一开关管和所述第四开关管使A相正向励磁，导通所述第二二极管和所述第四开关管使A相下零电压续流，导通所述第二二极管和所述第三二极管使A相正向退磁；在第二周期，开通所述第二二极管和所述第三开关管使A相反向励磁，导通所述第一二极管和所述第三开关管使A相上零电压续流，导通所述第一二极管和所述第四二极管使A相反向退磁；通过所述第一周期和第二周期的有效组合，能够有效平衡各个元器件的电热应力，实现系统可靠性的有效提高。
根据本发明的一个实施例，当所述三个全桥功率变换器驱动所述双凸极混合励磁电机进行所述螺旋运动时，采用直线绕组和旋转绕组串联导通和双周期导通相结合的控制算法平衡各个元器件热应力，例如当直线单元A相绕组励磁时需要开通所述第一开关管和所述第四开关管，旋转单元D相绕组励磁时需要开通所述第三开关管和所述第六开关管，当采用串联导通时只需开通所述第一开关管和所述第六开关管，同一时刻导通元器件的数目由四个减小到两个；结合双周期导通控制算法，在第一周期导通所述第一开关管和所述第六开关管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相串联正向励磁，导通所述第二二极管和所述第六开关管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相串联下零电压续流，导通所述第二二极管和所述第五二极管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相反向退磁；在第二周期导通所述第二开关管和所述第五开关管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相串联反向励磁，导通所述第五开关管和所述第一二极管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相串联上零电压续流，导通所述第一二极管和所述第六二极管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相反向退磁。
附图说明
图1是根据本发明实施例的工业机器人用双凸极混合励磁电机拓扑结构三维图；
图2是根据本发明一个实施例的工业机器人用双凸极混合励磁电机的旋转单元动子结构图；
图3是根据本发明一个实施例的工业机器人用双凸极混合励磁电机的磁路分部；
图4是根据本发明一个实施例的直线单元推力和旋转单元转矩生成示意图；
图5是根据本发明一个实施例的A相和D相接入全桥功率变换器示意图；
图6是根据本发明一个实施例的B相和E相接入全桥功率变换器示意图；
图7是根据本发明一个实施例的C相和F相接入全桥功率变换器示意图；
图8是根据本发明一个实施例的A相第一周期电流路径示意图；
图9是根据本发明一个实施例的A相第二周期电流路径示意图；
图10是根据本发明一个实施例的A相和D相第一周期电流路径示意图；
图11是根据本发明一个实施例的A相和D相第二周期电流路径示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的一种工业机器人用双凸极混合励磁电机及其控制系统。
图1为根据本发明实施例的工业机器人用双凸极混合励磁电机拓扑结构三维图。如图1所示，本发明实施例的双凸极混合励磁电机包括直线单元定子1、动子2和旋转单元定子3。
其中，动子2采用内凸极齿20分段错开和各相沿圆周分布的结构，同时在动子轭部嵌入隔磁层21，能够保证各相磁路对称，降低转矩脉动，如图2所示；直线单元定子1和旋转单元定子3均采用嵌入永磁体4和多齿相结合的结构，能够在增加功率密度、降低推力脉动和削弱转矩脉动的同时降低齿槽转矩，如图3所示；同时直线单元各相(A、B、C)和旋转单元各相(D、E、F)独立，能够缺相运行，容错能力强，如图3所示；直线单元能够在定子齿和动子齿偏离对齐位置时同时生成直线推力和旋转转矩，能够进一步增强系统的容错能力和控制的灵活性，如图4所示。
所提控制系统由三个全桥功率变换器组成，每个全桥功率变换器由三个桥臂组成，分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂。第一桥臂包括第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管，其中第一开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，第一开关管的第二极与第二开关管的第一极相连并作为第一桥臂的中点，第二开关管的第二极与直流电源的负极和第一电容的另一端相连，第一二极管的阴极与第一开关管的第一极相连，第一二极管的阳极与第一开关管的第二极相连，第二二极管的阴极与第二开关管的第一极相连，第二二极管的阳极与第二开关管的第二极相连；
第二桥臂包括第三开关管、第四开关管、第三二极管和第四二极管，其中第三开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，第三开关管的第二极与第四开关管的第一极相连并作为第二桥臂的中点，第四开关管的第二极与直流电源的负极和第一电容的另一端相连，第三二极管的阴极与第三开关管的第一极相连，第三二极管的阳极与第三开关管的第二极相连，第四二极管的阴极与第四开关管的第一极相连，第四二极管的阳极与第四开关管的第二极相连；
第三桥臂包括第五开关管、第六开关管、第五二极管和第六二极管，其中第五开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，第五开关管的第二极与第六开关管的第一极相连并作为第三桥臂的中点，第六开关管的第二极与直流电源的负极和第一电容的另一端相连，第五二极管的阴极与第五开关管的第一极相连，第五二极管的阳极与第五开关管的第二极相连，第六二极管的阴极与第六开关管的第一极相连，第六二极管的阳极与第六开关管的第二极相连；
每个全桥功率变换器接入一相直线绕组和一相旋转绕组，其中直线绕组两端分别连接第一桥臂中点和第二桥臂中点，旋转绕组两端分别连接在第二桥臂中点和第三桥臂中点。
具体而言，直线单元A相和旋转单元D相接入第一个全桥功率变换器，如图5所示，第一个全桥功率变换器的第一桥臂包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1和第二二极管D2，其中第一开关管S1的第一极与直流电源Us正极和第一电容C1的一端相连，第一开关管S1的第二极与第二开关管S2的第一极相连并作为第一桥臂的中点，第二开关管S2的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C1的另一端相连，第一二极管D1的阴极与第一开关管S1的第一极相连，第一二极管D1的阳极与第一开关管S1的第二极相连，第二二极管D2的阴极与第二开关管S2的第一极相连，第二二极管D2的阳极与第二开关管S2的第二极相连；
第二桥臂包括第三开关管S3、第四开关管S4、第三二极管D3和第四二极管D4，其中第三开关管S3的第一极与直流电源Us正极和第一电容C1的一端相连，第三开关管S3的第二极与第四开关管S4的第一极相连并作为第二桥臂的中点，第四开关管S4的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C1的另一端相连，第三二极管D3的阴极与第三开关管S3的第一极相连，第三二极管D3的阳极与第三开关管S3的第二极相连，第四二极管D4的阴极与第四开关管S4的第一极相连，第四二极管D4的阳极与第四开关管S4的第二极相连；
第三桥臂包括第五开关管S5、第六开关管S6、第五二极管D5和第六二极管D6，其中第五开关管S5的第一极与直流电源Us正极和第一电容C1的一端相连，第五开关管S5的第二极与第六开关管S6的第一极相连并作为第三桥臂的中点，第六开关管S6的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C1的另一端相连，第五二极管D5的阴极与第五开关管S5的第一极相连，第五二极管D5的阳极与第五开关管S5的第二极相连，第六二极管D6的阴极与第六开关管S6的第一极相连，第六二极管D6的阳极与第六开关管S6的第二极相连；
第一个全桥功率变换器接入一相直线绕组La和一相旋转绕组Ld，其中直线绕组La两端分别连接第一桥臂中点和第二桥臂中点，旋转绕组Ld两端分别连接在第二桥臂中点和第三桥臂中点。
直线单元B相和旋转单元E相接入第二个全桥功率变换器，如图6所示，第二个全桥功率变换器的第一桥臂包括第一开关管S7、第二开关管S8、第一二极管D7和第二二极管D8，其中第一开关管S7的第一极与直流电源Us正极和第一电容C2的一端相连，第一开关管S7的第二极与第二开关管S8的第一极相连并作为第一桥臂的中点，第二开关管S8的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C2的另一端相连，第一二极管D7的阴极与第一开关管S7的第一极相连，第一二极管D7的阳极与第一开关管S7的第二极相连，第二二极管D8的阴极与第二开关管S8的第一极相连，第二二极管D8的阳极与第二开关管S8的第二极相连；
第二桥臂包括第三开关管S9、第四开关管S10、第三二极管D9和第四二极管D10，其中第三开关管S9的第一极与直流电源Us正极和第一电容C2的一端相连，第三开关管S9的第二极与第四开关管S10的第一极相连并作为第二桥臂的中点，第四开关管S10的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C2的另一端相连，第三二极管D9的阴极与第三开关管S9的第一极相连，第三二极管D9的阳极与第三开关管S9的第二极相连，第四二极管D10的阴极与第四开关管S10的第一极相连，第四二极管D10的阳极与第四开关管S10的第二极相连；
第三桥臂包括第五开关管S11、第六开关管S12、第五二极管D11和第六二极管D12，其中第五开关管S11的第一极与直流电源Us正极和第一电容C2的一端相连，第五开关管S11的第二极与第六开关管S12的第一极相连并作为第三桥臂的中点，第六开关管S12的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C2的另一端相连，第五二极管D11的阴极与第五开关管S11的第一极相连，第五二极管D11的阳极与第五开关管S11的第二极相连，第六二极管D12的阴极与第六开关管S12的第一极相连，第六二极管D12的阳极与第六开关管S12的第二极相连；
第一个全桥功率变换器接入一相直线绕组Lb和一相旋转绕组Le，其中直线绕组Lb两端分别连接第一桥臂中点和第二桥臂中点，旋转绕组Le两端分别连接在第二桥臂中点和第三桥臂中点。
直线单元C相和旋转单元F相接入第三个全桥功率变换器，如图7所示，第三个全桥功率变换器的第一桥臂包括第一开关管S13、第二开关管S14、第一二极管D13和第二二极管D14，其中第一开关管S13的第一极与直流电源Us正极和第一电容C3的一端相连，第一开关管S13的第二极与第二开关管S14的第一极相连并作为第一桥臂的中点，第二开关管S14的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C3的另一端相连，第一二极管D13的阴极与第一开关管S13的第一极相连，第一二极管D13的阳极与第一开关管S13的第二极相连，第二二极管D14的阴极与第二开关管S14的第一极相连，第二二极管D14的阳极与第二开关管S14的第二极相连；
第二桥臂包括第三开关管S15、第四开关管S16、第三二极管D15和第四二极管D16，其中第三开关管S15的第一极与直流电源Us正极和第一电容C3的一端相连，第三开关管S15的第二极与第四开关管S16的第一极相连并作为第二桥臂的中点，第四开关管S16的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C3的另一端相连，第三二极管D15的阴极与第三开关管S15的第一极相连，第三二极管D15的阳极与第三开关管S15的第二极相连，第四二极管D16的阴极与第四开关管S16的第一极相连，第四二极管D16的阳极与第四开关管S16的第二极相连；
第三桥臂包括第五开关管S17、第六开关管S18、第五二极管D17和第六二极管D18，其中第五开关管S17的第一极与直流电源Us正极和第一电容C3的一端相连，第五开关管S17的第二极与第六开关管S18的第一极相连并作为第三桥臂的中点，第六开关管S18的第二极与直流电源Us的负极和第一电容C3的另一端相连，第五二极管D17的阴极与第五开关管S17的第一极相连，第五二极管D17的阳极与第五开关管S17的第二极相连，第六二极管D18的阴极与第六开关管S18的第一极相连，第六二极管D18的阳极与第六开关管S18的第二极相连；
第一个全桥功率变换器接入一相直线绕组Lc和一相旋转绕组Lf，其中直线绕组Lc两端分别连接第一桥臂中点和第二桥臂中点，旋转绕组Lf两端分别连接在第二桥臂中点和第三桥臂中点。根据本发明的一个实施例，当进行旋转运动时，依据最小磁阻原理和各相的位置信号，在定子齿和转子齿不对齐位置时开通各相，在定子齿和转子齿对齐位置时关断各相，实现所提双凸极混合励磁电机的旋转运动；在进行直线运动时，依据最小磁阻原理和各相的位置信号，在定子齿和转子齿不对齐位置时开通各相，在定子齿和转子齿对齐位置时关断各相，实现所提双凸极混合励磁电机的直线运动；在进行螺旋运动时，同时检测直线各相和旋转各相的位置信号，依据位置信号同时有序导通直线各相和旋转各相，实现螺旋运动。
当三个全桥功率变换器驱动双凸极混合励磁电机进行直线和旋转运动时，采用双周期导通控制算法平衡各个元器件热应力，具体为：在第一周期，采用正向励磁、下零电压续流和正向退磁三种工作模式；在第二周期采用反向励磁、上零电压续流和反向退磁三种工作模式；以直线单元A相导通为例，在第一周期，开通第一开关管S1和第四开关管S4使A相正向励磁，导通第二二极管D2和第四开关管S4使A相下零电压续流，导通第二二极管D2和第三二极管D3使A相正向退磁，如图8所示；在第二周期，开通第二开关管S2和第三开关管S3使A相反向励磁，导通第一二极管D1和第三开关管S3使A相上零电压续流，导通第一二极管D1和第四二极管D4使A相反向退磁，如图9所示；通过第一周期和第二周期的有效组合，能够有效平衡各个元器件的电热应力，实现系统可靠性的有效提高；
当三个全桥功率变换器驱动双凸极混合励磁电机进行螺旋运动时，采用直线绕组和旋转绕组串联导通和双周期导通控制相结合的算法，例如当直线单元A相绕组励磁时需要开通第一开关管S1和第四开关管S4，旋转单元D相绕组励磁时需要开通第三开关管S3和第六开关管S6，当采用串联导通时只需开通第一开关管S1和第六开关管S6，同一时刻导通元器件的数目由四个减小到两个；结合双周期导通控制算法，在第一周期导通第一开关管S1和第六开关管S6使A相和D相串联正向励磁，导通第二二极管D2和第六开关管S6使A相和D相串联下零电压续流，导通第二二极管D2和第五二极管D5使A相和D相反向退磁，如图10所示；在第二周期导通第二开关管S2和第五开关管S5使A相和D相串联反向励磁，导通第五开关管S5和第一二极管D1使A相和D相串联上零电压续流，导通第一二极管D1和第六二极管D6使A相和D相反向退磁，如图11所示。
由此，本发明实施例的工业机器人用双凸极混合励磁电机及其控制系统，能够提高推力密度和转矩密度，降低推力脉动和转矩脉动，增强系统的可靠性，在工业机器人领域具有广阔的应用前景。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种工业机器人用双凸极混合励磁电机控制系统，其特征在于，所述双凸极混合励磁电机包括：直线单元定子、动子和旋转单元定子；其中所述直线单元定子和所述旋转单元定子均采用嵌入永磁体和多齿相结合的结构；所述动子采用内凸极齿分段错开和各相沿圆周分布的结构，同时在动子轭部嵌入隔磁层；同时直线单元各相和旋转单元各相独立；所述直线单元能够同时生成直线推力和旋转转矩；
所述控制系统由三个全桥功率变换器组成，每个所述全桥功率变换器由三个桥臂组成，分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂包括第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管，其中所述第一开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，所述第一开关管的第二极与所述第二开关管的第一极相连并作为所述第一桥臂的中点，所述第二开关管的第二极与所述直流电源的负极和所述第一电容的另一端相连，所述第一二极管的阴极与所述第一开关管的第一极相连，所述第一二极管的阳极与所述第一开关管的第二极相连，所述第二二极管的阴极与所述第二开关管的第一极相连，所述第二二极管的阳极与所述第二开关管的第二极相连；
所述第二桥臂包括第三开关管、第四开关管、第三二极管和第四二极管，其中所述第三开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，所述第三开关管的第二极与所述第四开关管的第一极相连并作为所述第二桥臂的中点，所述第四开关管的第二极与所述直流电源的负极和所述第一电容的另一端相连，所述第三二极管的阴极与所述第三开关管的第一极相连，所述第三二极管的阳极与所述第三开关管的第二极相连，所述第四二极管的阴极与所述第四开关管的第一极相连，所述第四二极管的阳极与所述第四开关管的第二极相连；
所述第三桥臂包括第五开关管、第六开关管、第五二极管和第六二极管，其中所述第五开关管的第一极与直流电源正极和第一电容的一端相连，所述第五开关管的第二极与所述第六开关管的第一极相连并作为所述第三桥臂的中点，所述第六开关管的第二极与所述直流电源的负极和所述第一电容的另一端相连，所述第五二极管的阴极与所述第五开关管的第一极相连，所述第五二极管的阳极与所述第五开关管的第二极相连，所述第六二极管的阴极与所述第六开关管的第一极相连，所述第六二极管的阳极与所述第六开关管的第二极相连；
每个所述全桥功率变换器接入一相直线绕组和一相旋转绕组，其中所述直线绕组两端分别连接所述第一桥臂中点和所述第二桥臂中点，所述旋转绕组两端分别连接所述第二桥臂中点和所述第三桥臂中点，通过有序导通直线单元各相和旋转单元各相，能够实现直线运动、旋转运动和螺旋运动。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述有序导通直线单元各相和旋转单元各相是指：当进行旋转运动时，依据最小磁阻原理和各相的位置信号，在定子齿和转子齿不对齐位置时开通各相，在所述定子齿和转子齿对齐位置时关断各相，实现所述双凸极混合励磁电机的旋转运动；在进行直线运动时，依据所述最小磁阻原理和各相的位置信号，在所述定子齿和转子齿不对齐位置时开通各相，在所述定子齿和转子齿对齐位置时关断各相，实现所述双凸极混合励磁电机的直线运动；在进行螺旋运动时，同时检测直线各相和旋转各相的位置信号，依据所述位置信号同时有序导通所述直线各相和旋转各相，实现螺旋运动。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，当所述三个全桥功率变换器驱动所述双凸极混合励磁电机进行所述直线和旋转运动时，采用双周期导通控制算法平衡各个元器件热应力，具体为：在第一周期，采用正向励磁、下零电压续流和正向退磁三种工作模式；在第二周期采用反向励磁、上零电压续流和反向退磁三种工作模式；当直线单元A相导通时，在第一周期，开通所述第一开关管和所述第四开关管使A相正向励磁，导通所述第二二极管和所述第四开关管使A相下零电压续流，导通所述第二二极管和所述第三二极管使A相正向退磁；在第二周期，开通所述第二二极管和所述第三开关管使A相反向励磁，导通所述第一二极管和所述第三开关管使A相上零电压续流，导通所述第一二极管和所述第四二极管使A相反向退磁；通过所述第一周期和第二周期的有效组合，能够有效平衡各个元器件的电热应力，实现系统可靠性的有效提高。
4.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，当所述三个全桥功率变换器驱动所述双凸极混合励磁电机进行所述螺旋运动时，采用直线绕组和旋转绕组串联导通和双周期导通相结合的控制算法平衡各个元器件热应力，当直线单元A相绕组励磁时，需要开通所述第一开关管和所述第四开关管，旋转单元D相绕组励磁时需要开通所述第三开关管和所述第六开关管，当采用串联导通时只需开通所述第一开关管和所述第六开关管，同一时刻导通元器件的数目由四个减小到两个；结合双周期导通控制算法，在第一周期导通所述第一开关管和所述第六开关管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相串联正向励磁，导通所述第二二极管和所述第六开关管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相串联下零电压续流，导通所述第二二极管和所述第五二极管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相反向退磁；在第二周期导通所述第二开关管和所述第五开关管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相串联反向励磁，导通所述第五开关管和所述第一二极管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相串联上零电压续流，导通所述第一二极管和所述第六二极管使所述直线单元A相和所述旋转单元D相反向退磁。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005253186A (ja) * 2004-03-03 2005-09-15 Yokohama Tlo Co Ltd スパイラル型リニアモータ
CN104167900A (zh) * 2014-09-05 2014-11-26 东南大学 一种直线旋转复合运动永磁磁力耦合器
CN106655673A (zh) * 2016-11-18 2017-05-10 东南大学 一种定子分离式直线旋转两自由度永磁作动器
CN109412370A (zh) * 2019-01-02 2019-03-01 安徽理工大学 磁通切换式直线旋转永磁作动器
CN211151791U (zh) * 2019-12-18 2020-07-31 郑州大学 定子永磁型环形绕组两自由度电机
CN211151779U (zh) * 2019-12-19 2020-07-31 郑州大学 定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005253186A (ja) * 2004-03-03 2005-09-15 Yokohama Tlo Co Ltd スパイラル型リニアモータ
CN104167900A (zh) * 2014-09-05 2014-11-26 东南大学 一种直线旋转复合运动永磁磁力耦合器
CN106655673A (zh) * 2016-11-18 2017-05-10 东南大学 一种定子分离式直线旋转两自由度永磁作动器
CN109412370A (zh) * 2019-01-02 2019-03-01 安徽理工大学 磁通切换式直线旋转永磁作动器
CN211151791U (zh) * 2019-12-18 2020-07-31 郑州大学 定子永磁型环形绕组两自由度电机
CN211151779U (zh) * 2019-12-19 2020-07-31 郑州大学 定子永磁型绕组混合励磁两自由度电机

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