CN117178473A - 共享支路电压源逆变器 - Google Patents

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CN117178473A CN202280027113.3A CN202280027113A CN117178473A CN 117178473 A CN117178473 A CN 117178473A CN 202280027113 A CN202280027113 A CN 202280027113A CN 117178473 A CN117178473 A CN 117178473A
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Abstract

提供了一种系统，其包括多个马达，每个相应的马达包括三相；电压源逆变器电路，其包括多个相应的逆变器支路；每个相应的逆变器支路被耦连以驱动相应马达中的至少一个的至少一相；其中第一共享逆变器支路被耦连以驱动第一马达的第一相并且驱动第二马达的第三相；并且其中第二共享逆变器支路被耦连以驱动第二马达的第三相和第三马达的第一相。

Description

共享支路电压源逆变器
优先权要求
本申请要求2021年5月11日提交的美国专利申请序列号63/187,201的优先权的权益，该专利申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及电动马达，并且更具体地涉及电动马达中的相电压的控制。
背景技术
存在多种类型的电动马达。一些马达由交流电流(AC)源驱动，并且因此被称为AC马达。AC源向由一个或多个线圈组成的固定定子供应电流，以产生旋转磁场，该磁场与转子的磁场相互作用并且导致转子移动。转子的磁场可以由永磁体(诸如利用永磁体同步机器或无刷直流电流马达)、电气绕组(诸如感应马达)或通过磁阻(诸如利用开关或同步磁阻马达)产生。转子最常见的是放置在环形定子内的柱体，但也可以是圆盘(诸如在轴向磁通马达中)或其本身是围绕柱形定子的环(诸如所谓的“外转”无刷马达)。本文件中使用的术语“马达”是指任何电动AC马达。
虽然从技术上定子只需要单个线圈来产生旋转磁场，并且因而使转子回旋，但定子通常包括许多线圈，通常缠绕在钢齿周围的槽内，以增加磁导率。可替代地，一些马达具有无齿的无槽设计，但它们仍然具有带线圈的绕组。马达中的线圈被分成组以形成耦连的电磁相。定子的相包括电耦连的一组线圈，使得它们共享相同的电压。虽然最常见的相数量是三相，但较高功率的马达有时具有五相或更多相，并且一相和两相马达是可用的。相数量的唯一上限是线圈的数量和为每相供电的可用电压源的数量。定子相绕组通常通过称为“相引线”的单个线连接到电压源，以便例如三相马达将具有三个引线。
对AC马达的相引线施加恒定电压不会使其回旋太多(如果有的话)。必须调制相电压以在与转子的旋转轴线相切的方向上产生电动扭矩。在“同步”马达中，电压在称为“换向”的过程中基于转子位置而被同步。为了使同步马达换向，需要有关转子的角位置的信息。转子位置通常使用霍尔效应传感器或位置传感器(诸如数字编码器)来确定。在对成本更敏感的应用中，可以通过感测由于反电动势(反EMF)产生的电压来估计转子位置，有时称为“无传感器”马达控制。无论如何，换向需要某种形式的转子位置信息。
马达由于转子电磁场与流过定子绕组的电流产生的磁场的相互作用而回旋。流过绕组的电流主要是相引线之间的电压差的函数，并且不受每根引线相对于地的电压的影响。例如，如果两相马达具有施加到一相的相对于地为50V和施加到另一相的相对于地为40V的电压，则将产生相同的磁场，就像马达具有施加到一相的相对于地为10V的电压和施加到另一相的相对于地为0V的电压。在第一示例中，平均相电压相对于地为45V，而在第二示例中，平均相电压相对于地为5V。这两个示例之间的差异对于马达来说是不可见的。相的平均电压通常称为电压的共模，或者有时也称为“中性电压”或“零序电压”。
通常，每相的电压由电压源逆变器(VSI)电路的一个“支路”生成。典型的VSI接收DC总线电压、地电压以及从0％到100％中选择的期望占空比的指示作为输入，并且产生具有在足够长的时间段内被平均时在总线电压和地电压之间的值的电压作为输出。最常见的是，该输出电压经由正弦脉宽调制实现，尽管空间矢量调制也很常见。两种调制技术的结果是相同的——在给定时间段(调制频率的倒数)内求平均时，施加到马达相的电压等于总线电压和地电压之间的某个期望电压。VSI支路通常组合在电路板上，或有时甚至组合在同一集成电路内。因此，VSI通常向马达的多个相提供多个调制电压，并且每个单独的电压由VSI的支路生成。因此，例如，典型的3支路VSI可以生成3个单独的调制电压，其值介于总线电压和地电压之间。
一般而言，马达的每一相被耦连到VSI的单独支路，使得三相马达通常由3支路VSI驱动。对于大多数应用，VSI的尺寸和成本都远小于马达的尺寸和成本，并且几乎没有动力去减小VSI的物理尺寸。然而，在一些马达应用中，诸如包含多个马达的小型机器人，VSI的物理尺寸可能是一个重要的设计因素。Dujic等人在IEEE工业电子学报2009年10月第10刊第56栏“AGeneral PWM Method for a(2n+1)-Leg Inverter Supplying n Three-PhaseMachines”公开了一种通过电耦连单个VSI支路以与多个马达中的每个马达的相共享调制电压来减小VSI电路尺寸的方法。然而，这种方法仅限于与多个马达中的每一马达共享一个公共VSI支路，并且施加了实际约束。不幸的是，当N个马达共享单个公共VSI支路时，在最坏的情况下，对共享VSI支路施加的约束(特别是马达可以达到的最大速度)比例大约为1/N。这是由于单个VSI支路中出现的所有马达的反EMF的累积效应造成的。例如，假设使用提供15个VSI支路(不共享VSI支路)的5个马达的应用，由于VSI的电压限制，每个马达的最大速度为100RPM。如果所有5个马达都重新接线以共享一个公共VSI支路，则在最坏的情况下每个马达将具有20RPM的最大速度。
发明内容
根据本公开的示例，提供了一种系统，其包括第一马达、第二马达和第三马达，每个相应的马达包括三相。该系统包括电压源逆变器电路，该电压源逆变器电路包括多个相应的逆变器支路。每个逆变器支路被耦连以驱动至少一个马达的至少一相。第一共享逆变器支路被耦连以驱动第一马达的第一相并且驱动第二马达的第三相。第二共享逆变器支路被耦连以驱动第二马达的第三相和第三马达的第一相。
根据本公开的示例，提供了一种系统，其包括第一马达、第二马达和第三马达，每个马达包括三相。该系统包括电压源逆变器电路，该电压源逆变器电路包括多个逆变器支路。换向控制电路包括第一电压变换块，其用于将对应于第一、第二和第三马达的第一组、第二组和第三组空间矢量电压信号变换为包括第一共享相信号和第二共享相信号的多相电压信号。占空比块被配置为调制第一共享相电压信号和第二共享相电压信号并且将共模电压值添加到第一共享相电压信号和第二共享相电压信号以产生对应的第一输入控制信号和第二输入控制信号。电压源逆变器电路的第一逆变器支路被耦连以响应于第一输入控制信号而将第一共享激励信号施加到第一马达的第一相和第二马达的第三相。电压源逆变器电路的第二逆变器支路被耦连以响应于第二输入控制信号而将第二共享激励信号施加到第二马达的第三相和第三马达的第一相。
根据本公开的示例，提供了一种方法，其包括：施加第一共享激励信号以驱动第一电动马达的第一相并且驱动第二电动马达的第三相；以及施加第二共享激励信号以驱动第二马达的第三相和第三马达的第一相。
根据本公开中的示例，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括操纵器，该操纵器包括第一连杆并且包括耦连到第一连杆的器械滑架。器械滑架被配置为将器械可拆卸地安装到器械滑架。器械滑架包括马达外壳、多个驱动马达，每个驱动马达具有至少三相，每个驱动马达耦连到马达外壳。器械滑架包括多个输出驱动耦连器，每个输出驱动耦连器与驱动马达中的相应一个马达可操作地耦连，每个输出驱动耦连器被配置为与器械的对应输入驱动耦连器驱动地耦连。器械滑架包括电压源逆变器电路，该电压源逆变器电路包括多个逆变器支路。电压源逆变器电路被耦连至马达外壳，并且每个相应逆变器支路耦连以驱动相应马达中的至少一个的至少一相。多个逆变器支路中的一逆变器支路被耦连以驱动马达中的两个马达中的每个的三相中的公共相。多个逆变器支路中的不同逆变器支路被耦连以驱动多个马达中的两个马达中的每个的三相中的不同公共相。
本公开中的示例提供了紧凑的VSI电路，而没有Dujic的限制性约束。
附图说明
在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似部件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体图示了本文件中讨论的各种实施例。
图1是耦连在DC电压源和马达之间的示例已知独占支路VSI电路的说明性示意图。
图2是图1的示例马达的说明性横向剖视图。
图3是说明性时序图，其示出了施加到图1的三相的一组示例理想平衡正弦激励信号。
图4是示出使用图1的独占支路VSI来对马达的相电压进行换向以产生马达扭矩的示例已知换向控制系统的说明图。
图5是图1的表示为理想电压源的示例已知独占支路VSI和马达相的说明性表示图。
图6是驱动图5所示类型的表示为理想电压的两个马达的两个独占支路VSI电路的说明性表示图。
图7是包括表示为理想电压的两个马达和VSI电路的系统的说明性表示图，该VSI电路包括共享支路。
图8是包括以梯形拓扑耦连并表示为理想电压源的多个马达和VSI电路的系统的说明性表示图，VSI电路包括多个共享支路和多个独占支路。
图9是示出示例换向控制电路的说明图，该换向控制电路使用以梯形拓扑耦连的共享支路VSI，共享支路VSI驱动n个马达以换向相电压以在每个马达中产生马达扭矩。
图10是表示根据一些示例实施例的示例机器的部件的说明性框图，该示例机器能够从机器可读介质读取指令并且全部或部分执行本文所讨论的方法中的任何一个或多个。
图11A是医疗系统的简化图。
图11B是图11A的医疗系统的示例操纵器系统的透视图。
图12A是外科手术器械的说明性侧视图。
图12B是外科手术器械的说明性底视图，其示出了图12A的外科手术器械的输入接口的控制表面。
图13A-图13B是示例滑架和滑架保持器连杆的说明性透视图。
图14是示例滑架1175的说明性部分透明视图，滑架1175容纳多个马达和电压源逆变器(VSI)电路块以提供功率电信号来为马达供电。
图15A是示出安装在滑架上的器械的说明图，其中滑架位于示例滑架保持器连杆上的近侧位置。
图15B是示出安装在滑架上的示例器械的说明图，其中滑架位于示例滑架保持器连杆上的远侧位置。
图16是示出VSI支路电路和马达相电路之间的电耦连的说明性示意图。
具体实施方式
A.独占支路VSI和对应的电动马达和换向
图1是示例已知系统100的说明性示意图，该系统100包括耦连在DC电压源Vdc和马达104之间以驱动马达104的独占支路VSI电路102。VSI电路102将DC电压(也称为“总线电压”)转换为第一、第二和第三脉宽调制AC支路电压va、vb和vc，并且将支路电压作为激励输入信号提供给马达104。VSI电路102分别包括耦连在Vdc与地之间的第一、第二和第三半桥“支路”电路1061、1062、1063。每个半桥的中点被电耦连到马达的一相。为了描述的简洁，半桥支路在本文中应被称为“支路”。VSI电路102的第一、第二和第三支路1061、1062、1063是“独占支路”。本文使用的术语“独占支路”表示电耦连到仅一个马达的仅一相的半桥支路。术语“独占激励信号”在本文中用于指代提供给电耦连到独占支路的相的激励信号。
在示例VSI电路102中，每个支路分别包括第一功率电子开关108和第二功率电子开关110。每个支路中的第一开关108被耦连作为电压上拉开关，并且每个支路中的第二开关110被耦连作为电压下拉开关。在示例VSI电路102中，支路1061、1062、1063的功率开关108、110包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在替代示例VSI中，功率开关108、110可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。MOSFET通常用于较低电压要求的高频应用，而IGBT倾向于用于较低频率、较高功率的应用。在另一个示例VSI电路(未示出)中，功率开关可以是氮化镓(GaN)FET。在又一示例VSI电路(未示出)中，功率开关可以是碳化硅(SiC)FET。
示例马达104分别包括第一相1121、第二相1122和第三相1123。每相包括一个或多个绕组。第一相1121包括在第一支路1061的第一中心抽头节点na处的第一支路电压v1与在马达的节点nM处中性电压vN之间串联耦连的第一绕组电阻Ra、第一绕组电感La和第一反EMFea。可以理解，反EMF代表马达的电路元件(R,L,BEMF)两端的总电压。中性电压是相电压的平均值，在这种情况下为v1、v2和v3。第一激励电流ia被提供给第一相1121。第二相1122包括在支路1062的第二中心抽头节点nb处的第二支路电压v2与马达的节点nM处的中性电压vN之间串联耦连的第二绕组电阻Rb、第二绕组电感Lb和第二反EMFeb。第二激励电流ib被提供给第二相1122。第三相1123包括在第三相1063的第三中心抽头节点nc处的第三支路电压v3和马达的节点nM处的电压vN之间串联耦连的第三绕组电阻Rc、第三绕组电感Lc和第三反EMF ec。第三激励电流iC被提供给第三相1122。
图2是图1的示例马达104的说明性横向剖视图。示例马达104是永磁体同步马达(PMSM)。马达104包括在大致柱形的定子204内旋转的转子202。安装在转子202上的永磁体206与转子202一致旋转。定子204限定了线绕组210位于其中的狭槽208。每个相1121、1122、1123可以包括这些绕组中的一个或多个。多个绕组可以耦连起来作为单个相。空气间隙212将转子202的外周及其磁体206与绕组210分开。空气间隙磁通是定子和转子磁通线(rotorflux linkages)的总和。在PMSM中，转子磁通线由永磁体生成，并且定子磁通线由定子电流生成。应当理解，可以使用诸如无刷DC(BLDC)马达的替代电动马达配置以实现马达104。替代示例马达包括具有不同几何形状的转子和定子。例如，在替代示例马达中，转子位于定子外部(“外转马达”)。在另一替代示例马达中，转子和定子都是盘(“轴向磁通”)。在所有情况下，换向操作相同。
图3是示出了施加到图1的三相的一组示例理想平衡正弦激励信号的说明性时序图300。说明性时序图300示出了作为相角的函数的电压。第一示例激励信号v1由第一支路1061施加在第一中心抽头节点na处。第二示例激励信号v2由第二支路1062施加在第二中心抽头节点nb处。第三示例激励信号v3由第三支路1063施加在第三中心抽头节点nC处。示例平衡正弦电压被施加到马达相以在马达内产生扭矩。应当理解，实际上，VSI电路106可以被控制以产生只能近似于图3所示的理想波形的PWM调制信号。此外，应当理解，可以提供替代示例激励波形。例如，波形可以是梯形或可以具有一些较高次谐波含量，这取决于马达的反EMF波形。
图4是示出示例已知换向控制系统400的说明图，该换向控制系统400使用图1的独占支路VSI 102来换向马达104的相电压以产生马达扭矩。图10的计算机系统1000的处理器电路1002可以根据指令1024进行特定配置，以实现换向控制系统400。本文描述的任何一个或多个块可以单独使用硬件或者硬件和软件的组合来实现。例如，本文描述的任何块可以物理上包括一个或多个处理器电路的布置以执行本文针对该块描述的操作。因此，本文描述的不同块可以包括并配置处理器电路在不同时间点的不同布置或者处理器电路在不同时间点的单个布置。
块402执行众所周知的逆Park变换，以将来自附连到转子的两轴旋转坐标系的量变换为附连到定子的两轴静止坐标系中的空间矢量电压(有时称为“α-β电压”)。感测元件403感测转子的瞬时角位置。块402接收转子的当前角位置(θ)和具有直轴分量(D)和交轴分量(Q)的期望D-Q信号电压矢量信号，其与转子对准，使得直轴分量(D)沿转子北极之一指向，并且交轴分量(Q)指向与直轴分量相距90度的方向。在这种情况下，马达产生的扭矩与交轴分量(Q)中的电流成正比。逆Park变换运算基于转子的当前角位置(θ)将旋转两轴D-Q坐标系中的直接和正交分量电压值转换为马达静止定子的静止两轴空间矢量坐标系中的空间矢量电压α、β，其中阿尔法(α)或第一分量与马达电路104中的选择相对准。
块404执行众所周知的逆克拉克(Clarke)变换，以将静止空间矢量α、β信号值变换为相信号值vr1、vr2、vr3。众所周知的逆克拉克变换可以将来自静止两轴坐标系的量变换为以定子为参考的静止三轴坐标系。具体地，块404接收静止两轴空间矢量坐标系中的静止空间矢量电压α、β，并且将它们变换为附连到定子的静止三轴相电压信号vr1、vr2、vr3。逆克拉克变换是一种固定的线性映射，其不需要知道转子位置，只需要知道相的电气间距。在N相马达中，相始终间隔360/N度，因此在三相马达中它们间隔120°。振幅不变的三相克拉克变换由下面公式给出：
并且其逆由其右手摩尔-彭罗斯(Moore-Penrose)伪逆公式给出：
因此，
在逆克拉克变换运算404期间，空间矢量电压的两个元素乘以产生相电压。
块406基于占空比调制相电压并且将共模电压添加到缩放电压并且产生到VSI电路102的PWM输入控制信号。添加共模电压确保将正脉宽调制控制信号提供给VSI支路1061、1062、1063的控制端子s1-s6。应当理解的是，由运算404产生的相电压将包括负值，该负值不能由VSI生成，因为VSI只能生成地和总线电压Vdc之间的电压。将共模电压添加到相电压会增加所有相电压，从而没有相电压为负。
VSI电路102基于在运算406期间产生的脉宽调制输入控制值来生成脉宽调制(PWM)激励信号，其近似于图2的激励电压。第一、第二和第三激励电压信号va、vb和vc被提供给马达104的相1121、1122、1123以施加马达扭矩。相应的第一、第二和第三激励电流信号ia、ib、ic也被提供给马达104的相。
图5是图1的示例已知系统100的说明性表示图，其中VSI支路和马达相被表示为理想电压源。电压v1表示在VSI 102的第一支路1061处的第一中心抽头节点na处提供的激励电压。电压v2表示在VSI 102的第二支路1062的第二中心抽头节点nb处提供的激励电压。电压v3表示在VSI 102的第三支路1063的第三中心抽头节点nb处提供的激励电压。电压va表示第一相1121的电压。电压vb表示第二相1122的电压。电压vc表示第三相1123的电压。通过基尔霍夫(Kirchhoff)电压定律：
0＝-v1+va-vb+v2
0＝-v2+vb-vc+v3
如果我们将电压矢量分组为，
那么我们就得到，
Xv123＝Xvabc
发明人设定了一个目标以明确说明vabc对v123的依赖性。上述系统具有带有三个未知数的两个方程，因此解将具有一维零空间。可以通过以下方程得到解：
其中是伪逆，并且P具有解：
这是一个秩为2的正交投影，并且零空间是共模模式。发明人认识到任何标量电压vz都可以被添加到v123的元素，并且它不会对vabc产生影响：
vabc＝Pυ123＝P(v123+13×1vz)
该观察表明vabc对v123的依赖可以这样的方式表示，即任意值可以用于共模。
标量vz在文献中通常称为“零序列”，并且标量vz确定图1的示例马达中的节点n处的电压。电压vz允许用v123的非负元素在vabc上生成负电压。始终可以将标量添加到在VSI的支路中产生非负电压的v123。例如，vz通常被选择为Vdc的一半。vz的值是可选择的，并且通常被选择为最小化开关损耗或最大化FET线性度。
图6是系统600的说明性表示图，其包括分别驱动图5所示类型的表示为理想电压的两个马达M1、M2的两个独占支路VSI电路VSI1、VSI2。图6的第一马达M1和第一VSI电路VSI1以及第二马达M2和第二VSI电路VSI2具有与图5的VSI电路和马达相同的拓扑，并且因此将从上面的公开中理解并且将不会再次解释。图5和图6显示了专有VSI支路的清晰示例，因为VSI支路和马达相之间存在一一对应关系。
仍然参考图6，
令
我们从KVL的类似应用中得到，
或者，更紧凑地，
其中是克罗内克乘积。这导致投影，
其是我们之前的P值的块对角(block-diagonal)重复并且将具有二维零空间，相电压的每个共模具有一个二维零空间，因此现在有两个零序电压：
B.缩减支路VSI和对应的电动马达和换向
参考上述代数框架，发明人认识到，如果二维零空间的主要目的是使电压vn可通过VSI实现，则二维零空间不是必需的。相反，发明人推测一维零空间就足够了。发明人进一步推测，存在一种映射解，其中N个电压源(例如，VSI支路)被映射到n个马达，使得N<3n，在这种情况下，我们可以得到
vn＝PN(vN+1N×1vz)
并且vz能够被选定以使所有生成的电压为非负值，同时达到预期的vn。如下文更全面地解释的，发明人确定该结果确实是可能的。
图7是系统700的说明性表示图，系统700包括表示为理想电压的两个马达M1、M2和VSI电路702，该VSI电路702包括共享支路。由理想电压v3表示的共享支路被耦连以驱动由第一马达M1的理想电压vc1表示的第三相并且驱动由第二马达M2的理想电压va2表示的第一相。本文使用的术语“共享支路”指的是被电耦连以将激励信号提供给两个不同马达中的每个马达中的一相的支路。相反，由共享支路向电耦连到共享支路的两个不同相提供的激励信号在本文中被称为“共享激励信号”。
仍然参考图7，马达M1的相va1被耦连在独占支路v1和中性电压节点n1处的马达M1之间。马达M1的相vb1被耦连在独占支路v2和处于中性电压节点n1处的马达M1之间。马达M2的相vb2被耦连在独占支路v4和在中性电压节点n2处的马达M2之间。马达M2的相vc2被耦连在独占支路v5和在中性电压节点n2处的马达M2之间。马达M1的相vc1被耦连在中性节点n1处的马达M1和共享支路v3之间。马达M2的相va2被耦连在马达M2中性节点n2和共享支路v3之间。因此，相va1、vb1、vb2和vc2被耦连以接收独占激励信号，并且相vc1和va2被耦连以接收共享激励信号。
系统700包括总共N＝5个VSI支路。
VSI支路电压和相电压之间的关系由以下方程给出，
0＝-v1+va1-vb1+v2
0＝-v2+vb1-vc1+v3
0＝-v3+va2-vb2+v4
0＝-v4+vb2-vc2+v5
其可以被表示为
其中
值得注意的是，块对角结构(block diagonal structure)现在在vN侧丢失，但在vn侧保留。上面开发的投影方法仍然适用于寻找vn对vN的依赖。然后我们得到
这本质上是我们原来的P2，但是经过块排列(block-permuted)，以便它被一列挤进去。该矩阵将具有一维零空间——又是共模——我们可以使用它来确保VSI所需的电压保持正值：
发明人意识到，利用一维零空间确定vn对vN的依赖的上述策略概括为n个马达，只要它们被布置成梯形配置即可。
图8是包括多个马达和VSI电路802的系统800的说明性表示图，VSI电路802包括以梯形拓扑耦连并被表示为理想电压源的多个共享支路和多个独占支路。系统的VSI支路和马达被表示为理想电压源。示例系统800包括被耦连以驱动n个马达的N个VSI支路，其中N＝2n+1。因此，N<3n，这意味着驱动马达所需的VSI支路数量被减少。由理想电压v3表示的共享支路被耦连以将第一共享激励信号施加给由第一马达的理想电压vc1表示的第三相，并且将第一共享激励信号施加给由第二马达的理想电压va2表示的第一相。由理想电压v5表示的共享支路被耦连以将第二共享激励信号施加到由第二马达的理想电压vc2表示的第三相，并且将第二共享激励信号施加到由第三马达(未示出)的理想电压va3(未示出)表示的第一相。由理想电压vN-2(未示出)表示的共享支路被耦连以将共享激励信号施加到由第n-1个马达(未示出)的理想电压vcn-1表示的第三相，并且将相同的共享激励信号施加到由第n个马达的理想电压van表示的第一相。独占支路vN-1被耦连以将独占激励信号施加到马达Mn的相vbn。独占支路vN被耦连以将不同的独占激励信号施加到马达Mn的相vcn 。
给定电压矢量
马达相的电压经由以下方程式与VSI支路的电压相关：
vn＝ZnvN，
其中
其将具有的零空间基础(即共模不影响马达相)。矩阵Zn本身结果具有一个非常基本的结构：
值得注意的是，这种连接相的梯形拓扑与Dujic等人提出的拓扑明显不同，其中所有马达共享单个共相。共享的共相导致与Zn不同的映射，并且其还具有明显更高的2范数，这表明它对vN中的误差更敏感。因此，与单个共享支路拓扑相比，梯形拓扑对于换向错误的鲁棒性更强。
应当理解，我们不能像使用3n-支路逆变器那样实现任意vN。事实上，目前尚不清楚如何使用Zn来实现期望的相电压，因为rank(ZN)＝2n，这在任一维度上都不是完整的秩(rank)。在这种情况下，ZN没有有效的左伪逆，并且我们无法求解vN。然而，许多可实现的电压不会对马达产生有意义的扭矩。对于传统的VSI，这是通过采用克拉克变换来求解的，该变换将3D相电压降低到2Dαβ(空间矢量)帧。
并且将电压和电流的维度减少到空间矢量维度α和β：
υαβ＝Kcvabc。
如果我们将2n维αβ空间定义为
则
vαβn＝SnvN
其中
/>
需要明确的是，Kc-bar和Sn是一回事。它们在本文中以这种方式标记是为了帮助熟悉磁场定向马达控制的人员理解实际发生的情况。
新变换Sn是一种“压扁”的块对角结构重复的克拉克变换。新变换Sn具有全行秩，并且因此具有可以从伪逆中找到的左逆。伪逆可以离线计算。
给定n个αβ马达电压，我们可以从下面方程式中确定支路电压：
其中vz是用于将vN保持在VSI支路的约束内的自由共模电压。
C.换向控制系统
图9是示出使用VSI电路的示例换向控制系统900的示意图，该VSI电路包括以梯形拓扑耦连的共享支路和独占支路的组合来驱动多个马达以产生马达扭矩。图10的计算机系统1000的处理器电路1002可以根据指令1024进行特殊配置，以实现换向控制系统900。本文描述的任何一个或多个块可以单独使用硬件或者硬件和软件的组合来实现。例如，本文描述的任何块可以物理上包括一个或多个处理器电路的布置以执行本文针对该块描述的操作。因此，本文描述的不同块可以包括并且配置处理器电路在不同时间点的不同布置或者处理器电路在不同时间点的单个布置。
块9021-902n对n个马达1041-104n中的相应马达执行相应的逆派克(Park)变换，以基于相应的角转子位置将在相应马达的旋转两轴D-Q坐标系中的相应的直接(D)分量电压信号和相应的正交(Q)分量电压信号转换为相应马达的静止定子中的相应静止两轴空间矢量坐标系中的相应空间矢量电压信号α、β。传感元件9031-903n感测相应转子的瞬时角位置。
块904执行逆复合克拉克变换函数以将针对所有n个马达确定的静止空间矢量电压α、β变换成相电压vr1，vr2，Vr3，...vrN，其中N＝2n+1，以用于产生到VSI支路的各自控制端子的输入。逆复合克拉克变换函数是根据VSI支路和马达相之间的耦连的拓扑得出的。更具体地，可以通过如上所述地确定共享相到各个空间矢量帧的映射来得出示例逆复合克拉克变换函数。对于梯形拓扑，复合克拉克变换函数最终像以下形式的块矩阵一样：
的右侧摩尔-彭罗斯伪逆不具有方便的块结构，但可以轻松地离线进行数值计算(例如，经由以Matlab的pinv命令为例)。对于两个马达，逆复合克拉克变换函数为
/>
而对于三个马达，逆复合克拉克变换函数为
对于五个马达，逆复合克拉克变换函数为
在操作中，通过将2x n空间矢量电压信号α、β乘以逆复合克拉克变换函数来实现映射，以确定相电压信号vr1,vr2,vr3,...vrN。更具体地，复合克拉克变换函数配置换向控制电路以将空间矢量电压信号映射到包括共享相电压信号和独占相电压信号的相电压信号的组合。
块906基于与脉宽调制格式相关联的占空比来调制相电压值，并且将共模电压值添加到相电压以产生用于输入到VSI支路的脉宽调制输入控制值。添加共模电压确保正脉冲宽度调制控制信号被提供给VSI电路802的控制端子。注意，对所有n个马达施加单个共模电压。与上面参考图4的解释类似，由操作904产生的相电压将包括负值，该负值不能由VSI电路802生成，VSI电路802只能生成地与总线电压Vdc之间的电压。将共模电压添加到相电压会增加所有相电压，从而没有相电压为负。
VSI电路802响应于由块906产生的脉宽调制输入控制值来生成脉宽调制(PWM)激励信号，以在n个马达中的每一个中生成近似于图2的激励电压的激励电压，从而在马达1041-104n中产生马达扭矩。
示例1
PMSM的非限制性示例已知动态模型如下。
通常在dq框架中对PMSM进行建模，其中d轴与转子的北极对齐。
其中Kp是派克变换
dq框架动力学为
性能与关节空间速度和扭矩相关。关节空间参数为齿轮比GR、扭矩常数kt、极对NP。代入以求出vdq作为关节速度w、关节扭矩τ和直流电流id的函数。
相电压可以经由逆克拉克/帕克变换得到
示例2
新梯形拓扑中的n个PMSM的非限制性示例动态模型如下。
n个PSMS的N个支路电压经由以下方程式确定：
其中vz是所有支路的共模。
D.硬件示例
图10是表示能够从机器可读介质1022(例如，非暂时性机器可读介质、机器可读存储介质、计算机可读存储介质或其任何合适的组合)读取指令1024并且全部或部分执行本文讨论的方法中的任何一种或多种的示例计算机系统1000的部件的说明性框图。具体地，图10示出了计算机系统(例如，计算机)的示例形式的计算机系统1000，其中用于使计算机系统1000执行本文所讨论的方法中的任何一种或多种的方法的指令1024(例如，软件、程序、应用程序、小程序、app或其他可执行代码)可以全部或部分地执行。
在替代实施例中，计算机系统1000作为独立设备操作或者可以通信地耦连(例如，联网)到其他机器。在联网部署中，计算机系统1000可以在服务器-客户端网络环境中以服务器机器或客户端机器的能力进行操作，或者作为分布式(例如，对等)网络环境中的对等机器操作。计算机系统1000包括处理器1002(例如，一个或多个中央处理单元(CPU)、一个或多个图形处理单元(GPU)、一个或多个数字信号处理器(DSP)、一个或多个专用集成电路(ASIC))、一个或多个射频集成电路(RFIC)或其任何合适的组合)、主存储器1004和静态存储器1006，它们被配置为经由总线1008彼此通信。处理器1002包含固态数字微电路(例如，电子、光学或两者)，其可通过指令1024中的一些或全部临时或永久地配置，使得处理器1002可配置为全部或部分执行本文所描述的方法中的任何一个或多个。例如，处理器1002的一组一个或多个微电路可以配置为执行本文描述的一个或多个模块(例如，软件模块)。在一些示例实施例中，处理器1002是多核CPU(例如，双核CPU、四核CPU、8核CPU或128核CPU)，其中多个核中的每一个充当单独处理器，单独处理器能够全部或部分执行本文所讨论的方法中的任何一种或多种。尽管本文描述的有益效果可以由至少具有处理器1002的计算机系统1000提供，但是这些相同的有益效果可以由不包含处理器的不同种类的机器(例如，纯机械系统、纯液压系统或混合机械液压系统)提供，如果这样的无处理器机器被配置为执行本文描述的方法中的一种或多种。
计算机系统1000还可以包括图形显示器1010(例如，等离子显示面板(PDP)、发光二极管(LED)显示器、液晶显示器(LCD)、投影机、阴极射线管(CRT)、或能够显示图形或视频的任何其他显示器)。计算机系统1000还可以包括字母数字输入设备1012(例如，键盘或小键盘)、指针输入设备1014(例如，鼠标、触摸板、触摸屏、轨迹球、操纵杆、触笔、运动传感器、眼睛跟踪设备、数据手套或其他指示器械)、数据存储器1016、音频生成设备1018(例如，声卡、放大器、扬声器、耳机插孔或其任何合适的组合)以及网络接口设备1020。
数据存储器1016(例如，数据存储设备)包括机器可读介质1022(例如，有形且非暂时性机器可读存储介质)，其上存储有体现本文描述的方法或功能的任何一种或多种的指令1024。在计算机系统1000执行指令之前或期间，指令1024还可以完全或至少部分驻留在主存储器1004内、静态存储器1006内、处理器1002内(例如，处理器的高速缓冲存储器内)或其任何合适的组合。因此，主存储器1004、静态存储器1006和处理器1002可以被认为是机器可读介质(例如，有形和非暂时性机器可读介质)。指令1024可以经由网络接口设备1020在网络190上发送或接收。例如，网络接口设备1020可以使用任何一种或多种传输协议(例如，超文本传输协议(HTTP))来传送指令1024。
如本文所使用的，术语“存储器”是指能够临时或永久存储数据的机器可读介质，并且可以被认为包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM))、缓冲存储器、闪存和高速缓冲存储器。虽然机器可读介质1022在示例实施例中被示出为单个介质，但是术语“机器可读介质”应当被理解为包括能够存储指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库、或相关联的高速缓存或服务器)。术语“机器可读介质”还应当被理解为包括能够承载(例如，存储或传送)指令1024以由计算机系统1000执行的任何介质或多种介质的组合，使得当由计算机系统1000的一个或多个处理器(例如，处理器1002)执行时，指令1024使得计算机系统1000全部或部分执行本文描述的方法中的任何一种或多种。因此，“机器可读介质”指的是单个存储装置或设备，以及包括多个存储装置或设备的基于云的存储系统或存储网络。因此，术语“机器可读介质”应被理解为包括但不限于固态存储器芯片、光盘、磁盘或其任何合适组合形式的一个或多个有形和非瞬态数据存储库(例如，数据卷)。本文描述的示例方法的各种操作可以至少部分地由(例如，通过软件)临时配置的或永久配置为执行相关操作的一个或多个处理器来执行。无论是临时配置还是永久配置，这样的处理器都可以构成操作以执行本文描述的一个或多个操作或功能的处理器实现的模块。如本文所使用的，“处理器实现的模块”指的是其中硬件包括一个或多个处理器的硬件模块。因此，本文描述的操作可以至少部分地由处理器实现、硬件实现或两者，因为处理器是硬件的示例，并且本文讨论的方法中的任何一个或多个内的至少一些操作可以由一个或多个处理器实现的模块、硬件实现的模块或其任何合适的组合来执行。
E.使用缩短支路VSI的机器人组件
图11A是适合用于例如外科手术、远程操作外科手术、诊断、治疗或活检程序的医疗系统1100的简化图。如本文所使用的，术语“远侧”是指更靠近外科手术部位的方位，而术语“近侧”是指更远离外科手术部位的方位，除非另有说明。示例系统1100包括多个操纵器组件1102和对应的用户控制系统1106，以允许一个或多个操作者以各种组合来控制远程操作的操纵器组件1102。示例操纵器组件1102用于操作医疗器械1104(例如，外科手术器械或图像捕获设备)以对患者P执行各种程序。示例用户控制系统1106包括用于控制操纵器组件1102的一个或多个输入设备1107，并且包括用于感测输入设备1107的用户施加的运动的一个或多个传感器1109。示例输入设备1107可以包括任意数量的各种设备，诸如操纵杆、轨迹球、数据手套、扳机枪、手动操作控制器、语音识别设备、身体运动或存在传感器和/或诸如此类。输入设备1107可以提供有与由该设备控制的相关联医疗器械1104相同的自由度，以向操作者O提供直接控制医疗器械1104的强烈感觉。
系统1100包括用于显示外科手术部位和医疗器械1104的图像或图示的显示系统1108。医疗器械1104可以包括可视化系统，其可以包括观察镜组件，观察镜组件记录外科手术部位的并发或实时图像并且通过系统1100的一个或多个显示器(诸如显示系统1108的一个或多个显示器)将图像提供给操作者O和/或其他操作者或人员。可视化系统可以被实现为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，该一个或多个计算机处理器可以包括控制系统1110的处理器。
系统1100包括控制系统1110。示例控制系统1110包括至少一个存储器(未示出)和至少一个计算机处理器(未示出)，用于实现多个操纵器组件1102、一个或多个医疗器械1104、用户控制系统1106和显示系统1108之间的控制。控制系统1110还包括编程指令(例如，存储指令的非暂时性机器可读介质)以实现根据本文公开的本公开的各方面描述的一些或全部方法。操纵器组件1102的移动可以由控制系统1110控制，使得安装到操纵器组件1102的器械的轴或中间部分被约束为通过微创外科手术进入部位或其他孔的安全运动。用户控制系统感测用户向一个或多个输入设备1107施加的运动，并且将对应的电子信号传送至控制系统1110。控制系统1110包括计算机处理器(未示出)，该计算机处理器根据计算机可执行指令被配置为响应于由控制系统1106提供的信号，对应于使用一个或多个传感器1109感测到的一个或多个输入设备1107的用户施加的运动来控制一个或多个器械1104(或工具)的移动。
图11B是以推车形式配置的示例操纵器系统1121的透视图，该系统包括四个操纵器组件1102a、1102b、1102c和1102d，其允许操纵三个医疗器械1104a、1104b、1104c(例如，图11A的医疗器械1104)以及可以包括成像设备的医疗工具1134，成像设备是诸如用于捕获工件或程序部位(“工作部位”)的图像的立体内窥镜。每个操纵器组件1102a-1102d包括耦连在一起并且通过关节1160操纵的数个连杆1152a-d至1154a-d，并且每个连杆包括位于远侧的滑架保持器连杆1152a-1152d，该滑架保持器连杆1152a-1152d包括器械滑架1175a-1175d，器械滑架1175a-1175d上安装有器械或工具。例如，操纵器组件1102c包括连杆1152d、1154d、1156d，连杆1152d、1154d、1156d经由关节1160耦连并且包括保持滑架1175d的滑架保持器连杆1152d。每个滑架1175a-1175d安装多个马达，如下所述，用于在医疗程序期间向外科手术器械或工具施加运动。工作部位的图像可以包括当医疗器械1104a、1104b和1104c定位在医疗工具1134的视场内时医疗器械1104a、1104b和1104c的远端的图像。示例操纵系统1121包括连接至伸缩柱1124的可驱动基座1122以及多个操纵器组件1102a-1102d。然而，这仅作为示例，并且在替代实施例中，操纵系统1121可以固定到手术台(例如，患者手术台)、天花板、一个或多个墙壁、或任何其他固定物。操纵器组件1102a-1102d包括用于相对于患者P定位器械保持器连杆1152a-1152d和安装在其上的器械或工具的可移动关节1160。操纵器组件1102a-1102d被连接至支撑结构1129。示例支撑结构1129包括可旋转定向平台1129a，其耦连以可旋转地定向伸缩水平悬臂1129b。示例支撑结构1129包括耦连到竖直延伸连杆1129c的伸缩水平悬臂1129b。水平悬臂1129b的水平移动引起与其耦连的竖直延伸连杆1129c的水平移动。示例支撑结构1129包括耦连到操纵器组件1102a-1102d的竖直延伸连杆1129c。可旋转定向平台1129a的旋转运动和水平悬臂1129b的水平移动可以用于定位竖直延伸连杆1129c和与其耦连的操纵器组件。
图12A是外科手术器械1104的说明性侧视图，外科手术器械1104包括通过限定内孔的细长轴1210彼此耦连的工具远侧部分1220和近侧驱动组件1222。驱动组件1222包括支撑输入接口1226的外壳1225。输入接口1226包括器械控制表面1227。输入接口有利于经由沿着细长工具轴1210的内孔延伸的驱动缆线对远端部分1220处的器械的末端执行器进行受控调节。输入接口1226提供与外科手术器械1104的其他控制特征的机械连接。
在使用期间，输入接口1226的器械控制表面1227耦连到外科手术工具滑架1175，外科手术工具滑架1175包括机械耦连到输出驱动耦连器(未示出)的马达，下文进一步详细描述以将马达驱动的旋转扭矩施加到控制表面1227处的驱动输入耦连器1232以控制外科手术器械1104，如上文大体描述的。外科手术器械1104的远侧部分1220可以包括多种末端执行器中的任何一种，诸如所示的夹具1228、针驱动器、烧灼设备、切割工具、成像设备(例如，内窥镜或超声探头)，或者包括两种或更多种不同工具和成像设备的组合的组合设备。此外，在所示的示例器械1104中，末端执行器夹具1228通过腕关节1230耦连到细长工具轴1210，这允许相对于细长工具轴1224操纵夹具的取向。
图12B是图12A的外科手术器械1104的说明性仰视图，其示出了输入接口1226的控制表面1227。应当理解，控制表面1227被定位于滑架1275之上，滑架1275包括由响应于输入设备1104处的用户输入而产生的控制信号控制的马达(未示出)。如图所示，驱动接口1226包括多个驱动输入耦连器1232，每个驱动输入耦连器管控腕关节1230和末端执行器夹具1228的移动的不同方面。在不同的实施方式中可以提供更多或更少的驱动输入耦连器1232。当控制表面1227被耦连至工具滑架1275时，每个驱动输入耦连器1232与滑架1275的输出驱动耦连器接合以驱动该驱动输入。在该示例中，驱动输入耦连器1232被配置为与工具滑架1275的相应旋转致动器(例如，伺服马达)形成直接机械接合。还可以使用用于旋转或线性机械动力传输的其他合适的配置(例如，间接机械耦连器，包括速度和/或变矩器、液力耦连器和/或电耦连器)。
图13A-图13B是示例滑架1175和滑架保持器连杆1152的说明性透视图。示例滑架保持器连杆1152包括滑架保持器连杆基座构件1376和可滑动地安装到滑架保持器连杆基座构件1376的配件1378。滑架保持器连杆基座构件1376包括滑架驱动机构(未示出)，该滑架驱动机构可操作以选择性地沿着滑架保持器基座构件1376平移配件1378，从而沿着安装到滑架1175的外科手术器械(未示出)的插入轴线沿着滑架保持器连杆基座构件1376平移滑架1175。
示例滑架1175包括五个输出驱动耦连器1480a、1480b、1480c、1480d和1480e。每个输出驱动耦连器1480被配置成当器械或工具安装到示例滑架1175时与外科手术器械或工具的对应驱动输入耦连器1232驱动地耦连。五个输出驱动耦连器1480a-1480e中的每一个可以被独立致动以致动所安装的外科手术器械的对应机构。例如，输出驱动耦连器1480中的一个可以用于旋转示例外科手术器械1104的示例细长轴1210，输出驱动耦连器1480中的一个可以用于使示例外科手术器械1104的示例末端执行器1228围绕第一轴线(例如，俯仰轴线)进行关节运动，输出驱动耦连器1480中的一个可以用于使示例末端执行器1228围绕与第一轴线垂直的第二轴线(例如，偏转轴线)进行关节运动，输出驱动耦连器1480中的一个可以用于使末端执行器的夹取夹具进行关节运动，并且输出驱动耦连器1480中的一个可以用于使示例末端执行器1228的吻合和切割盒进行关节运动。虽然示例滑架1175包括五个输出驱动耦连器1480，但是滑架可以被配置有任何合适数量的输出驱动耦连器。
图14是示例滑架1175的说明性部分透明视图，示例滑架1175容纳多个马达1402a、1402b、1402c、1402d和1402e(并非全部可见)和电压源逆变器(VSI)电路块1404，以提供功率电信号以向马达供电。示例滑架1175包括外壳1406，外壳1406包围马达1402a-1402e和VSI电路块1404并且可安装到示例滑架保持器连杆1152，如上面参考图13A-图13B所述。马达1402a-1402e中的每一个被机械地耦连以向对应的输出驱动耦连器1480a-1480e施加旋转力，以将关节运动力传递至器械或工具的输入驱动耦连器1232的对应一个。
图15A是示出安装在示例滑架1175上的示例器械1104的说明图，其中滑架位于示例滑架保持器连杆1152上的近侧位置。图15B是示出安装在滑架1175上的示例器械1104的示意图，其中滑架位于示例滑架保持器连杆1152上的远侧位置。滑架1175包括外壳1406，外壳1406限定狭槽1502(由虚线表示)，当器械(或工具)被安装到滑架1175时，示例器械(或工具)的轴1210的一部分在狭槽1502中延伸，使得各个马达输出驱动耦连器1480a-1480e(未示出)可操作地耦连以驱动各个器械驱动输入耦连器1232。可选地，示例医疗系统100可以包括机械适配器接口1504，其可操作地耦连在马达输出驱动耦连器1480a-1480e和器械驱动输入耦连器1232之间，以在无菌器械和非无菌操纵器之间提供无菌屏障。具有机械地耦连到其上的滑架1175的示例滑架配件1378可沿着滑架保持器基座构件1376移动，以使滑架1175在图15A-图15B所示的远侧位置和近侧位置之间移动。
图16是示出VSI支路电路和马达相电路之间的电耦连的说明性示意图。第一马达包括相va1、vb1和vc1。第二马达包括相va2、vb2、vc2。第三马达包括相va3、vb3和vc3。第四马达包括相va4、vb4、vc4。第五马达包括相va5、vb5和vc5。第一VSI支路VL1被电耦连以驱动相va1。第二VSI支路VL2被电耦连以驱动相vb1。第三VSI支路VL3被电耦连以驱动相vc1和相va2。第四VSI支路VL4被电耦连以驱动相vb2。第五VSI支路VL5被电耦连以驱动相vc2和va3。第六VSI支路VL6被电耦连以驱动相vb3。第七VSI支路VL7被电耦连以驱动相vc3和相va4。第八VSI支路VL8被电耦连以驱动相vb4。第九VSI支路VL9被电耦连以驱动相vc4和相va5。第十VSI支路VL10被电耦连以驱动支路vb5。第十一VSI支路VL11被电耦连以驱动相vc5。虽然示例滑架1175被机械地耦连到五个马达并容纳该五个马达，但是应当理解，根据本文公开的原理，示例滑架(未示出)可以被配置为安装更多数量的马达，并且对应更多数量的逆变器支路可以被配置为使用共享VSI支路驱动更多数量的马达。
诸如逆变器支路1061、1062、1063的功率开关108、110的功率开关通常在物理上相对较大。结果，在包括类似于参照图11A-图15示出和描述的操纵器组件和机械耦连器的先前示例医疗系统中，逆变器支路不位于滑架1175处或保持器连杆1152处。相反，逆变器支路通常位于更靠近保持器连杆1152的操纵器组件的连杆处，诸如连杆1154或连杆1156处。逆变器支路的功率开关在物理上太大，以至于不能位于滑架1175处或保持器连杆1152处。结果，在这种较早的示例医疗系统中，使用相对较长的电线(未示出)来将功率信号从功率开关传输至容纳在滑架内的马达1480。不幸的是，在相对较长的电线长度上传输功率会导致显著的功率耗散，这需要更多的功率来驱动马达。此外，将功率电子电路(逆变器支路)定位在与马达分开的方位，例如，不在滑架1175处且不在另一滑架上的支架连杆1152处，导致了早期医疗系统的制造难度增加以及早期医疗系统在现场服务期间难度增加。
本文所公开的逆变器支路的共享减少了逆变器支路的数量，并且因此相应地减少了驱动马达所需的功率开关的数量。功率开关数量的减少使功率逆变器电路的物理尺寸减小，这使得功率电路在位于保持器连杆1152处的滑架1175处的方位成为可能。因此，不需要长电线来将功率信号从逆变器支路的功率开关传送到马达，并且降低了功率耗散。此外，由于为其供电的功率开关和马达共同位于系统内，因此医疗系统可以更容易地制造和维修。
VSI电路块1404的功率减小和物理尺寸减小随着逆变器支路数量的减少而线性缩放。示例滑架1175包括五个马达1402a、1402b、1402c、1402d和1402e以及2n+1＝11个逆变器支路(n＝5)。具有三个逆变器支路的五个马达的常规布置每个包括15个逆变器支路。使用本文公开的VSI 1404共享逆变器支路实现的功率和尺寸减小大约为26％(15-11/15)。
F.各种示例
示例1可以包括一种系统，该系统包括：第一马达、第二马达和第三马达，每个相应的马达包括三相；和电压源逆变器电路，包括多个相应的逆变器支路；每个相应的逆变器支路被耦连以驱动相应马达中的至少一个的至少一相；其中第一共享逆变器支路被耦连以驱动第一马达的相并且驱动第二马达的第三相；并且其中第二共享逆变器支路被耦连以驱动第二马达的第三相和第三马达的第一相。
示例2可以包括示例1的主题，进一步包括：第四马达，包括三相；其中第三共享逆变器支路被耦连以驱动第三马达的第三相并且驱动第四马达的第一相。
示例3可以包括示例2的主题，进一步包括：第五马达，其包括三相；其中第五共享逆变器支路被耦连以驱动第四马达的第三相并且驱动第五马达的第一相。
示例4可以包括示例1的主题，其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动第一马达的第二相；其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动第二马达的第二相；其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动第三马达的第二相；并且其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动第三马达的第三相。
示例5可以包括示例2的主题，其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动第一马达的第二相；其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动第二马达的第二相；其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动第三马达的第二相；其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动第四马达的第二相；并且其中第五独占逆变器支路被耦连以驱动第四马达的第三相。
示例6可以包括示例3的主题，其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动第一马达的第二相；其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动第二马达的第二相；其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动第三马达的第二相；其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动第四马达的第二相；其中第五独占逆变器支路被耦连以驱动第五马达的第二相；并且其中第六独占逆变器支路被耦连以驱动第五马达的第三相。
示例7可以包括示例1的主题，其中第一马达、第二马达和第三马达每个均包括永磁体同步马达。
示例8可以包括示例1的主题，其中第一马达、第二马达和第三马达每个均包括无刷直流马达。
示例9可以包括示例1的主题，其中第一马达、第二马达和第三马达各自包括感应马达。
示例10可以包括示例1的主题，其中每个相应的逆变器支路包括耦连在相应的输出电压节点和总线电压之间的相应的第一开关以及耦连在相应的输出电压节点和地电压之间的相应的第二开关。
示例11可以包括示例1的主题，其中每个相应的逆变器支路包括耦连在相应的输出电压节点和总线电压之间的相应的第一晶体管开关以及耦连在相应的输出电压节点和地电压之间的相应的第二晶体管开关。
示例12可以包括示例10的主题，其中第一马达的第一相被耦连在第一马达的中性节点和第一共享支路的相应输出节点之间，并且第二马达的第三相被耦连在第二马达的中性节点和第一共享支路的相应输出节点之间；并且其中第二马达的第三相被耦连在第二马达的中性节点和第二共享支路的相应输出节点之间，并且第二马达的第一相被耦连在第二马达的中性节点和第二共享支路的相应的输出节点之间。
示例13可以包括示例12的主题，
其中第一马达的第二相被耦连在第一马达的中性节点和第一独占支路的相应输出节点之间；其中第二马达的第二相被耦连在第二马达的中性节点和第二独占支路的相应输出节点之间；并且其中第三马达的第二相被耦连在第三马达的中性节点和第三独占支路的相应输出节点之间。
示例14可以包括示例13的主题，其中第三马达的第三相被耦连在第三马达的中性节点和第四独占支路的相应输出节点之间。
示例15可以包括示例1的主题，还包括：换向控制电路，其包括：第一电压变换块，所述第一电压变换块将对应于第一马达、第二马达和第三马达的第一组、第二组和第三组空间矢量电压信号变换为包括第一共享相信号和第二共享相信号的多相电压信号；和占空比块，所述占空比块用于调制第一共享相电压信号和第二共享相电压信号，并且将共模电压值添加到第一共享相电压信号和第二共享相电压信号，以产生对应的第一输入控制信号和第二输入控制信号；其中第一共享逆变器支路响应于第一输入控制信号向第一马达的第一相和第二马达的第三相施加第一共享激励信号；并且其中第二共享逆变器支路响应于第二输入控制信号向第二马达的第三相和第三马达的第一相施加第二共享激励信号。
示例16可以包括示例15的主题，其中多个相电压信号包括第一独占相信号；其中占空比电路调制第一独占相信号，并且将共模电压值与第一独占相信号相加，以产生对应的第三输入控制信号；其中第一独占逆变器支路响应于第三输入控制信号而施加第一独占激励信号。
示例17可以包括示例15的主题，还包括：一个或多个第二电压变换块，其对于相应的第一马达、第二马达和第三马达中的每一个，基于相应马达的相应转子的相应角位置，将相应马达的相应的旋转双轴坐标系变换成相应马达的相应静止定子的相应静止两轴空间矢量坐标系中的相应组的空间矢量电压信号；由此，一个或多个第二电压变换块产生第一组、第二组和第三组空间矢量电压信号。
示例18可以包括一种方法，该方法包括：施加第一共享激励信号以驱动第一电动马达的第一相并且驱动第二电动马达的第三相；以及施加第二共享激励信号以驱动第二马达的第三相和第三马达的第一相。
示例19可以包括示例18的主题，进一步包括：施加第三共享激励信号以驱动第三马达的第三相并且驱动第四马达的第一相。
示例20可以包括示例18的主题，进一步包括：施加第五共享激励信号以驱动第四马达的第三相并且驱动第五马达的第一相。
示例21可以包括示例18的主题，进一步包括：施加第一独占激励信号以驱动第一马达的第二相；施加第二独占激励信号以驱动第二马达的第二相；施加第三独占激励信号以驱动第二马达的第二相；并且施加第三独占激励信号以驱动第二马达的第三相。
示例22可以包括示例19的主题，进一步包括：施加第一排他激励信号以驱动第一马达的第二相；施加第二独占激励信号以驱动第二马达的第二相；施加第三独占激励信号以驱动第三马达的第二相；施加第四独占激励信号以驱动第四马达的第二相；并且施加第五独占激励信号以驱动第四马达的第三相。
示例23可以包括示例20的主题，进一步包括：施加第一独占激励信号以驱动第一马达的第二相；施加第二独占激励信号以驱动第二马达的第二相；施加第三独占激励信号以驱动第三马达的第二相；施加第四独占激励信号以驱动第四马达的第二相；施加第五独占激励信号以驱动第五马达的第二相；并且施加第六独占激励信号以驱动第五马达的第三相。
示例24可以包括一种系统，该系统包括：第一马达、第二马达和第三马达，每个相应的马达包括三相；电压源逆变器电路，其包括多个相应的逆变器支路；换向控制电路包括第一电压变换块，所述第一电压变换块用于将对应于第一马达、第二马达和第三马达的第一组、第二组和第三组空间矢量电压信号变换为包括第一共享相信号和第二共享相信号的多相电压信号；换向控制电路包括占空比块，所述占空比块用于调制第一共享相电压信号和第二共享相电压信号，并且将共模电压值添加到第一共享相电压信号和第二共享相电压信号以产生对应的第一输入控制信号和第二输入控制信号；其中电压源逆变器电路的第一逆变器支路被耦连以响应于第一输入控制信号将第一共享激励信号施加到第一马达的第一相和第二马达的第三相；并且其中电压源逆变器电路的第二逆变器支路被耦连以响应于第二输入控制信号将第二共享激励信号施加到第二马达的第三相和第三马达的第一相。
示例25可以包括示例24的主题，其中多相电压信号包括第一独占相信号；其中占空比电路调制第一独占相信号，并且将共模电压值与第一独占相信号相加，以产生对应的第三输入控制信号；其中电压源逆变器电路的第三逆变器支路被耦连以响应于第三输入控制信号而将第一独占激励信号施加到一个马达的仅一个相。
示例26可以包括示例24的主题，进一步包括：一个或多个第二电压变换块，其对于相应的第一马达、第二马达和第三马达中的每一个，基于相应马达的相应转子的相应角位置，将相应马达的相应的旋转双轴坐标系变换成相应马达的相应静止定子的相应静止两轴空间矢量坐标系中的相应组的空间矢量电压信号；由此，一个或多个第二电压变换块产生第一组、第二组和第三组空间矢量电压信号。
示例27可以包括一种系统，该系统包括：操纵器，其包括第一连杆和耦连至第一连杆的器械滑架；器械滑架被配置为将器械可拆卸地安装至器械滑架，该器械滑架包括：马达外壳；多个驱动马达，每个驱动马达具有至少三相，每个驱动马达被耦连到马达外壳；多个输出驱动耦连器，每个输出驱动耦连器与驱动马达中的对应一个马达可操作地耦连，每个输出驱动耦连器被配置为与器械的对应输入驱动耦连器驱动地耦连；电压源逆变器电路，其包括多个逆变器支路，其中电压源逆变器电路被耦连到马达外壳，并且每个相应的逆变器支路被耦连以驱动相应马达中的至少一个马达的至少一相；其中多个逆变器支路中的一个逆变器支路被耦连以驱动马达中的两个马达中的每一个的三相中的一个公共相；并且其中多个逆变器支路中的不同逆变器支路被耦连以驱动马达中的两个马达中的每一个的三相中的不同公共相。
示例28可以包括示例27的主题，进一步包括：配置成将滑架可滑动地耦连至第一连杆的固定装置。
示例29可以包括示例27的主题，其中多个马达包括至少三个马达。
示例30可以包括示例27的主题，其中多个马达包括至少五个马达。
示例31可以包括示例27的主题，进一步包括：支撑结构；第二连杆；第二连杆可操作地耦连至支撑结构；并且第二连杆可操作地耦连至第一连杆。
示例32可以包括示例27的主题，还包括：耦连到计算机处理器的一个或多个输入设备，一个或多个输入设备根据计算机可执行指令被配置为与一个或多个输入设备的用户施加的运动相对应地控制一个或多个器械的移动。

Claims (32)

1.一种系统，其包括：
第一马达、第二马达和第三马达，每个相应马达包括三相；和
电压源逆变器电路，其包括多个相应的逆变器支路；
每个相应的逆变器支路被耦连以驱动所述相应马达中的至少一个的至少一相；
其中第一共享逆变器支路被耦连以驱动所述第一马达的第一相并且驱动所述第二马达的第三相；并且
其中第二共享逆变器支路被耦连以驱动所述第二马达的第三相和所述第三马达的第一相。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
第四马达，其包括三相；
其中第三共享逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第三相并且驱动所述第四马达的第一相。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括：
第五马达，其包括三相；
其中第五共享逆变器支路被耦连以驱动所述第四马达的第三相并且驱动所述第五马达的第一相。
4.根据权利要求1所述的系统，
其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动所述第一马达的第二相；
其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动所述第二马达的第二相；
其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第二相；并且
其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第三相。
5.根据权利要求2所述的系统，
其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动所述第一马达的第二相；
其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动所述第二马达的第二相；
其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第二相；
其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动所述第四马达的第二相；并且
其中第五独占逆变器支路被耦连以驱动所述第四马达的第三相。
6.根据权利要求3所述的系统，
其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动所述第一马达的第二相；
其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动所述第二马达的第二相；
其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第二相；
其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动所述第四马达的第二相；
其中第五独占逆变器支路被耦连以驱动所述第五马达的第二相；并且
其中第六独占逆变器支路被耦连以驱动所述第五马达的第三相。
7.根据权利要求1所述的系统，
其中所述第一马达、第二马达和第三马达每个均包括永磁体同步马达。
8.根据权利要求1所述的系统，
其中所述第一马达、所述第二马达和所述第三马达每个均包括无刷直流马达。
9.根据权利要求1所述的系统，
其中所述第一马达、所述第二马达和所述第三马达每个均包括感应马达。
10.根据权利要求1所述的系统，
其中每个相应的逆变器支路包括耦连在相应的输出电压节点和总线电压之间的相应的第一开关以及耦连在所述相应的输出电压节点和地电压之间的相应的第二开关。
11.根据权利要求1所述的系统，
其中每个相应的逆变器支路包括耦连在相应的输出电压节点和总线电压之间的相应的第一晶体管开关以及耦连在相应的输出电压节点和地电压之间的相应的第二晶体管开关。
12.根据权利要求10所述的系统，
其中所述第一马达的所述第一相被耦连在所述第一马达的中性节点和所述第一共享支路的相应输出节点之间，并且所述第二马达的所述第三相被耦连在所述第二马达的中性节点和所述第一共享支路的所述相应输出节点之间；并且
其中所述第二马达的所述第三相被耦连在所述第二马达的所述中性节点和所述第二共享支路的相应输出节点之间，并且所述第二马达的所述第一相被耦连在所述第二马达的所述中性节点和所述第二共享支路的所述相应的输出节点之间。
13.根据权利要求12所述的系统，
其中所述第一马达的第二相被耦连在所述第一马达的所述中性节点和第一独占支路的相应输出节点之间；
其中所述第二马达的第二相被耦连在所述第二马达的所述中性节点和第二独占支路的相应输出节点之间；并且
其中所述第三马达的第二相被耦连在所述第三马达的中性节点和第三独占支路的相应输出节点之间。
14.根据权利要求13所述的系统，
其中所述第三马达的第三相被耦连在所述第三马达的中性节点和第四独占支路的相应输出节点之间。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括：
换向控制电路，其包括：
第一电压变换块，其用于将与所述第一马达、所述第二马达和所述第三马达对应的第一组空间矢量电压信号、第二组空间矢量电压信号和第三组空间矢量电压信号变换为包括第一共享相信号和第二共享相信号的多相电压信号；和
占空比块，其用于调制所述第一共享相电压信号和所述第二共享相电压信号，并且将共模电压值添加到所述第一共享相电压信号和第二共享相电压信号，以产生对应的第一输入控制信号和第二输入控制信号；
其中所述第一共享逆变器支路响应于所述第一输入控制信号而将第一共享激励信号施加到所述第一马达的所述第一相和所述第二马达的所述第三相；并且
其中所述第二共享逆变器支路响应于所述第二输入控制信号而将第二共享激励信号施加到所述第二马达的所述第三相和所述第三马达的所述第一相。
16.根据权利要求15所述的系统，
其中所述多个相电压信号包括第一独占相信号；
其中所述占空比电路调制所述第一独占相信号，并且将所述共模电压值与所述第一独占相信号相加，以产生对应的第三输入控制信号；
其中第一独占逆变器支路响应于所述第三输入控制信号而施加第一独占激励信号。
17.根据权利要求15所述的系统，还包括：
一个或多个第二电压变换块，其针对相应的第一马达、第二马达和第三马达中的每一个，
基于相应马达的相应转子的相应的角位置，将所述相应马达的相应的旋转双轴坐标系变换成所述相应马达的相应静止定子的相应静止两轴空间矢量坐标系中的相应组的空间矢量电压信号；
由此所述一个或多个第二电压变换块产生所述第一组、所述第二组和所述第三组空间矢量电压信号。
18.一种方法，其包括：
施加第一共享激励信号以驱动第一电动马达的第一相并且驱动所述第二电动马达的第三相；和
施加第二共享激励信号以驱动所述第二马达的第三相和所述第三马达的第一相。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
施加第三共享激励信号以驱动所述第三马达的第三相并且驱动第四马达的第一相。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
施加第五共享激励信号以驱动第四马达的第三相并且驱动所述第五马达的第一相。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括：
施加第一独占激励信号以驱动所述第一马达的第二相；
施加第二独占激励信号以驱动所述第二马达的第二相；
施加第三独占激励信号以驱动所述第二马达的第二相；和
施加第三独占激励信号以驱动所述第二马达的第三相。
22.根据权利要求19所述的方法，
施加第一独占激励信号以驱动所述第一马达的第二相；
施加第二独占激励信号以驱动所述第二马达的第二相；
施加第三独占激励信号以驱动所述第三马达的第二相；
施加第四独占激励信号以驱动所述第四马达的第二相；和
施加第五独占激励信号以驱动所述第四马达的第三相。
23.根据权利要求20所述的方法，
施加第一独占激励信号以驱动所述第一马达的第二相；
施加第二独占激励信号以驱动所述第二马达的第二相；
施加第三独占激励信号以驱动所述第三马达的第二相；和
施加第四独占激励信号以驱动第四马达的第二相；
施加第五独占激励信号以驱动第五马达的第二相；和
施加第六独占激励信号以驱动所述第五马达的第三相。
24.一种系统，包括：
第一马达、第二马达和第三马达，每个相应马达包括三相；
电压源逆变器电路，其包括多个相应的逆变器支路；
换向控制电路，其包括：
第一电压变换块，其用于将对应于所述第一马达、所述第二马达和所述第三马达的第一组、第二组和第三组空间矢量电压信号变换为多相电压信号，所述多相电压信号包括第一共享相信号和第二共享相信号，以及
占空比块，其用于调制所述第一共享相电压信号和第二共享相电压信号，并且将共模电压值添加到第一共享相电压信号和第二共享相电压信号以产生对应的第一输入控制信号和第二输入控制信号；
其中所述电压源逆变器电路的第一逆变器支路被耦连以响应于所述第一输入控制信号将第一共享激励信号施加到所述第一马达的第一相和所述第二马达的第三相；并且
其中所述电压源逆变器电路的第二逆变器支路被耦连以响应于所述第二输入控制信号而将第二共享激励信号施加到所述第二马达的第三相和所述第三马达的所述第一相。
25.根据权利要求24所述的系统，
其中所述多相电压信号包括第一独占相信号；
其中所述占空比电路调制所述第一独占相信号，并且将所述共模电压值与所述第一独占相信号相加，以产生对应的第三输入控制信号；
其中所述电压源逆变器电路的第三逆变器支路被耦连以响应于所述第三输入控制信号而将第一独占激励信号施加到一个马达的仅一个相。
26.根据权利要求24所述的系统，还包括：
一个或多个第二电压变换块，其针对相应的第一马达、第二马达和第三马达中的每一个，
基于相应马达的相应转子的相应角位置，将所述相应马达的相应旋转双轴坐标系变换成所述相应马达的相应静止定子的相应静止两轴空间矢量坐标系中的相应组的空间矢量电压信号；
由此所述一个或多个第二电压变换块产生所述第一组、所述第二组和所述第三组空间矢量电压信号。
27.一种外科手术系统，其包括：
操纵器，其包括第一连杆和耦连到所述第一连杆的器械滑架；
所述器械滑架被配置为将器械可拆卸地安装至所述器械滑架，所述器械滑架包括：
马达外壳；
多个驱动马达，所述驱动马达中的每个具有至少三相，所述驱动马达中的每个耦连到所述马达外壳；
多个输出驱动耦连器，所述输出驱动耦连器中的每个与所述驱动马达的对应一个可操作地耦连，所述输出驱动耦连器中的每个被配置为与所述器械的对应输入驱动耦连器驱动地耦连；和
电压源逆变器电路，其包括多个逆变器支路，其中所述电压源逆变器电路被耦连到所述马达外壳，并且每个相应的逆变器支路耦连以驱动所述相应马达中的至少一个的至少一相；
其中所述多个逆变器支路中的一个逆变器支路被耦连以驱动所述两个马达中的每一个的所述三相中的一个公共相；并且
其中所述多个逆变器支路中的不同逆变器支路被耦连以驱动所述马达中的两个马达中的每一个的所述三相中的不同公共相。
28.根据权利要求27所述的外科手术系统，还包括：
固定装置，所述固定装置被配置为将所述滑架可滑动地耦连至所述第一连杆。
29.根据权利要求27所述的外科手术系统，
其中所述多个马达包括至少三个马达。
30.根据权利要求27所述的外科手术系统，
其中所述多个马达包括至少五个马达。
31.根据权利要求27所述的外科手术系统，还包括：
支撑结构；
第二连杆；
所述第二连杆可操作地耦连至所述支撑结构；和
所述第二连杆可操作地耦连至所述第一连杆。
32.根据权利要求27所述的外科手术系统，进一步包括：
耦连到计算机处理器的一个或多个输入设备，所述计算机处理器根据计算机可执行指令配置以与所述一个或多个输入设备的用户施加的运动相对应地控制一个或多个器械的移动。
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