專(zhuān)利名稱(chēng)：用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種借助于單個(gè)馬達(dá)允許實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)的設(shè)備、方法和計(jì)算機(jī)程序。
背景技術(shù)：
通常的無(wú)刷永磁無(wú)鐵芯旋轉(zhuǎn)馬達(dá)或者其他種類(lèi)的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)只能傳遞扭矩，即執(zhí)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。然而，在許多應(yīng)用中，需要旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。通常，這樣的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)馬達(dá)或者具有復(fù)雜的電子學(xué)和控制技術(shù)的非常特殊的設(shè)計(jì)馬達(dá)做出。US6429611B1公開(kāi)了一種組合旋轉(zhuǎn)和線性馬達(dá)，其使用修改的無(wú)刷直流(DC)馬達(dá)。該馬達(dá)除別的以外還包括轉(zhuǎn)子、馬達(dá)殼以及安裝到馬達(dá)殼內(nèi)部圓柱形表面的三個(gè)徑向等間距線圈。轉(zhuǎn)子的角位置θ及其沿著其旋轉(zhuǎn)軸(ζ軸)的線性位置ζ分別依照命令值Θ。 和Ζ。進(jìn)行控制。這通過(guò)相應(yīng)地驅(qū)動(dòng)線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。供應(yīng)給線圈的電流IaUb和Ic借助于尤其包括用于感測(cè)電流Ia和Λ的電流傳感器以及比例積分(PI)控制器的反饋回路來(lái)確定。US6429611B1并沒(méi)有公開(kāi)供應(yīng)給線圈的電流Ia、Ib和Ic的顯式公式。電流Ia和 Λ借助于電流反饋而導(dǎo)出。因此，它們必須通過(guò)電流傳感器感測(cè)。此外，需要PI控制器以實(shí)現(xiàn)反饋回路。這些PI控制器為動(dòng)態(tài)元件并且必須經(jīng)過(guò)調(diào)整以使得其工作。換言之，必須調(diào)整PI參數(shù)。因此，需要一定數(shù)量的電子和/或軟件部件以操作US64^611B1中描述的組合旋轉(zhuǎn)和線性馬達(dá)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在無(wú)需特殊設(shè)計(jì)的馬達(dá)或者復(fù)雜的電子器件和控制技術(shù)的情況下允許實(shí)現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)目的可以通過(guò)依照權(quán)利要求1的設(shè)備、依照權(quán)利要求10的方法以及依照權(quán)利要求11的計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，在本發(fā)明的第一方面中，提出了一種設(shè)備。該設(shè)備可以包括用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)，其包括具有包含一定數(shù)量的線圈或線圈組的多相線圈布置的定子 (stator)以及可沿著其旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動(dòng)且具有分別包含至少一個(gè)永磁體的一定數(shù)量的磁極的轉(zhuǎn)子(rotor);以及控制單元，其被配置成至少基于線圈或線圈組的數(shù)量、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度以及取決于轉(zhuǎn)子的軸向位置的參數(shù)來(lái)確定電流，并且將確定的電流供應(yīng)給線圈或線圈組。所述設(shè)備允許甚至基本上彼此無(wú)關(guān)地且在標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生扭矩和軸向力。因此，可以在無(wú)需特殊設(shè)計(jì)的馬達(dá)或者復(fù)雜的電子器件和控制技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種方式，人們可以節(jié)省額外的馬達(dá)或者困難的設(shè)計(jì)路徑。因此，可以節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)。在本發(fā)明的第二方面中，所述設(shè)備可以包括第一傳感器，其被配置成感測(cè)旋轉(zhuǎn)角度并且將該旋轉(zhuǎn)角度供應(yīng)給控制單元；以及第二傳感器，其被配置成感測(cè)轉(zhuǎn)子的軸向位置并且將該軸向位置供應(yīng)給控制單元。可以實(shí)現(xiàn)基于第一和第二傳感器感測(cè)的值的換向算法。通過(guò)這種方式，可以確定供應(yīng)給線圈或線圈組的電流，從而可以在任何時(shí)間大體彼此無(wú)關(guān)地(解耦地)產(chǎn)生扭矩和軸向力。這可以在沒(méi)有電流的反饋，即沒(méi)有電流傳感器的情況下成為可能。因此，可以不存在包括控制器的反饋回路并且也可以沒(méi)有控制器調(diào)整的努力。該
第二方面可以與第一方面結(jié)合。在本發(fā)明的第三方面中，所述設(shè)備可以包括軸承(bearing)系統(tǒng)，其被配置成承載轉(zhuǎn)子并且限制除了沿著旋轉(zhuǎn)軸的線性自由度和圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)自由度之外的所有自由度。因此，可以防止在另一個(gè)自由度下的無(wú)意的運(yùn)動(dòng)。該第三方面可以與前面的方面中的任何一個(gè)結(jié)合。在本發(fā)明的第四方面中，基于第三方面，軸承系統(tǒng)可以是主動(dòng)(active)磁軸承系統(tǒng)。這樣的軸承系統(tǒng)可以是無(wú)接觸的并且因而無(wú)摩擦的。在本發(fā)明的第五方面中，所述參數(shù)可以作為軸向位置的函數(shù)成反比地改變。取決于軸向位置的參數(shù)允許按照軸向位置的函數(shù)確定要供應(yīng)給線圈或線圈組的電流。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)顯著的軸向工作范圍。該第五方面可以與前面的方面中的任何一個(gè)結(jié)合。在本發(fā)明的第六方面中，所述控制單元可以被配置成也基于與軸向位置無(wú)關(guān)的另一參數(shù)確定電流。因此，可以基于所述參數(shù)并且因而根據(jù)轉(zhuǎn)子的軸向位置確定例如用于產(chǎn)生扭矩的電流分量，同時(shí)可以基于該另一參數(shù)并且因而與轉(zhuǎn)子的軸向位置無(wú)關(guān)地確定用于產(chǎn)生軸向力的電流分量。該第六方面可以與前面的方面中的任何一個(gè)結(jié)合。在本發(fā)明的第七方面中，所述控制單元可以被配置成將用于第一線圈或線 Bl 組的電、流確定為 Ir=Irphi+Irx=A*sin (η* (phi-theta)) + B*cos(n* (phi-theta)), 將用于第二線圈或線圈組的電流確定為Is=ISphi+ISX=A*Sin(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))+B*cos (η* (phi-theta)-2*pi/(3*n))，并且將用于第三線圈或線圈組的電流確定為 It=-Ir-Is=Itphi+Itx= A*sin(η*(phi-theta)+2*pi/(3*n)) +B*cos (n* (phi-theta) +2*pi/ (3*n))，其中A為取決于軸向位置的參數(shù)，η為磁極對(duì)的數(shù)量，Phi為旋轉(zhuǎn)角度，theta為0與2*pi/n之間的對(duì)準(zhǔn)角度，并且B為另一參數(shù)。第一至第三線圈或線圈組的電流可以借助于顯式的計(jì)算公式來(lái)確定。無(wú)需電流反饋。因此，無(wú)需用于感測(cè)電流的電流傳感器。該第七方面可以與前面的方面中的任何一個(gè)結(jié)合。在本發(fā)明的第八方面中，所述電動(dòng)馬達(dá)可以是無(wú)鐵芯電動(dòng)馬達(dá)。這樣的無(wú)鐵芯電動(dòng)馬達(dá)與設(shè)有鐵芯的電動(dòng)馬達(dá)相比可以具有更小的慣性矩，并且因而允許實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的可控性。該第八方面可以與前面的方面中的任何一個(gè)結(jié)合。在本發(fā)明的第九方面中，所述電動(dòng)馬達(dá)可以是直流電動(dòng)馬達(dá)。與交流馬達(dá)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)形成對(duì)照的是，這樣的直流電動(dòng)馬達(dá)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)可以基本上與其電源的頻率無(wú)關(guān)。該第九方面可以與前面的方面中的任何一個(gè)結(jié)合。在本發(fā)明的第十方面中，提出了一種控制用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)的方法。該方法可以包括至少基于電動(dòng)馬達(dá)的定子的線圈或線圈組的數(shù)量、電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度以及取決于轉(zhuǎn)子的軸向位置的參數(shù)，確定電流；以及將確定的電流供應(yīng)給線圈或線圈組。該方法允許控制電動(dòng)馬達(dá)，從而甚至基本上彼此無(wú)關(guān)地且在標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生扭矩和軸向力。因此，可以在無(wú)需特殊設(shè)計(jì)的馬達(dá)或者復(fù)雜的電子器件和控制技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種方式，人們可以節(jié)省額外的馬達(dá)或者困難的設(shè)計(jì)路徑。 因此，可以節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)。
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在本發(fā)明的第十一方面中，提出了一種計(jì)算機(jī)程序。該計(jì)算機(jī)程序可以包括程序代碼裝置，其用于在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序時(shí)使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行依照第十方面的方法的步驟。因此，可以實(shí)現(xiàn)與依照第十方面的方法相同的優(yōu)點(diǎn)。從屬權(quán)利要求中限定了另外的有利修改。


本發(fā)明的這些和其他方面根據(jù)以下參照附圖描述的實(shí)施例將是清楚明白的，并且將通過(guò)該實(shí)施例進(jìn)行闡述，在附圖中
圖1示出了說(shuō)明依照所述實(shí)施例的示例性設(shè)備的布置的示意性框圖； 圖2示出了說(shuō)明該示例性設(shè)備中的線圈和磁極的配置的示意圖； 圖3示出了該示例性設(shè)備中的軸承系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子的示意性截面； 圖4示出了在第一工作狀態(tài)下的該示例性設(shè)備中的電動(dòng)馬達(dá)的示意圖； 圖5示出了在第二工作狀態(tài)下的該示例性設(shè)備中的電動(dòng)馬達(dá)的示意圖； 圖6示出了說(shuō)明依照所述實(shí)施例的控制用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)的示例性方法的基本步驟的流程圖7示出了所述實(shí)施例的基于軟件的實(shí)現(xiàn)方式的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式圖1示出了說(shuō)明依照所述實(shí)施例的示例性設(shè)備100的布置的示意性框圖。設(shè)備 100可以包括電動(dòng)馬達(dá)102，該電動(dòng)馬達(dá)包括定子104和轉(zhuǎn)子106，例如基本上無(wú)齒槽的且特別地?zé)o鐵芯的電動(dòng)馬達(dá)，比如無(wú)鐵芯直流(DC)馬達(dá)。定子104可以包括三的倍數(shù)的線圈 (3,6,9,……)。轉(zhuǎn)子106可以是永磁轉(zhuǎn)子。電動(dòng)馬達(dá)102可以是無(wú)鐵芯磁旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，例如無(wú)刷永磁無(wú)鐵芯旋轉(zhuǎn)馬達(dá)或者其他種類(lèi)的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。這樣的馬達(dá)可以容易地由現(xiàn)成的馬達(dá)制成。換言之，可以從1維應(yīng)用到2維應(yīng)用適應(yīng)性調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)。設(shè)備100可以進(jìn)一步包括控制單元108、第一傳感器110和第二傳感器112?？刂茊卧?08可以確定要供應(yīng)給定子104的線圈或線圈組的電流。第一傳感器110可以感測(cè)轉(zhuǎn)子106的旋轉(zhuǎn)角度。第二傳感器112可以感測(cè)轉(zhuǎn)子106的軸向位置或者移位。圖2示出了說(shuō)明示例性設(shè)備100中的線圈和磁極的配置的示意圖。這樣的描繪可以通過(guò)在一側(cè)沿著軸分割電動(dòng)馬達(dá)102并且把它折疊打開(kāi)而獲得。定子104可以具有包括一定數(shù)量的線圈或線圈組的多相線圈布置。在示例性設(shè)備100中，定子104可以包括第一線圈或線圈組114、第二線圈或線圈組116以及第三線圈或線圈組118。盡管圖2中示出了單個(gè)的第一至第三線圈114、116和118，此處也可以是對(duì)應(yīng)的線圈組。由于示例性設(shè)備100 的電動(dòng)馬達(dá)102可以是三相馬達(dá)，因而可以存在三的倍數(shù)的線圈。轉(zhuǎn)子106可以具有一定數(shù)量的磁極120。這些磁極120可以分別包括至少一個(gè)永磁體。在圖2所示的配置中，存在四個(gè)分別包括永磁體的磁極。由ρ標(biāo)記的雙箭頭表示磁極120之間的間距，即磁體間距。它可以表示為p=pi/n，其中η可以表示磁極對(duì)的數(shù)量。由 Phi標(biāo)記的箭頭表示轉(zhuǎn)子106的以弧度(rad)為單位的旋轉(zhuǎn)角度，即轉(zhuǎn)子106的角位置或者沿著圓周的位移。由χ標(biāo)記的箭頭表示轉(zhuǎn)子106沿著其旋轉(zhuǎn)軸的位移并且也表示旋轉(zhuǎn)軸的方向。
圖3示出了示例性設(shè)備100中的軸承系統(tǒng)IM和轉(zhuǎn)子106的示意性截面。轉(zhuǎn)子106 可以圍繞旋轉(zhuǎn)軸122旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子106可以由軸承系統(tǒng)IM承載，即其旋轉(zhuǎn)軸122可以由軸承系統(tǒng)124引導(dǎo)或承載。軸承系統(tǒng)IM可以限制除了沿著旋轉(zhuǎn)軸122的線性自由度和圍繞旋轉(zhuǎn)軸122的旋轉(zhuǎn)自由度之外的所有自由度。軸承系統(tǒng)IM可以是例如主動(dòng)磁軸承系統(tǒng)。圖4示出了在第一工作狀態(tài)下的示例性設(shè)備100中的電動(dòng)馬達(dá)102的示意圖。如圖4中所示，轉(zhuǎn)子106可以置于定子104的線圈的中心，所述線圈通常為三的倍數(shù)(3，6， 9，……)。這些線圈的端部效應(yīng)可以通過(guò)這種方式平衡掉。圖5示出了在第二工作狀態(tài)下的示例性設(shè)備100中的電動(dòng)馬達(dá)102的示意圖。如圖5中所示，轉(zhuǎn)子106可以沿著旋轉(zhuǎn)軸122移動(dòng)。結(jié)果，線圈的端部效應(yīng)不再可以平衡掉，而是增大了。對(duì)于正常的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和/或扭矩，可以將三個(gè)相關(guān)電流施加到適當(dāng)?shù)木€圈。通過(guò)施加一不同的相關(guān)電流組，由于線圈的端部效應(yīng)而引起的軸向力可能成為主導(dǎo)。換言之， 轉(zhuǎn)子106的位置移動(dòng)允許施加χ力，例如復(fù)原力。如果一切正確完成，那么可以基本上彼此無(wú)關(guān)地操縱扭矩和軸向力。下面更詳細(xì)地描述了這一點(diǎn)。如上面所提到的，電動(dòng)馬達(dá)102或者另一個(gè)三相馬達(dá)中可以存在三個(gè)線圈(或者三的倍數(shù)的線圈)114、116和118。用于所述三個(gè)線圈或線圈組114、116和118中的每一個(gè)的電流可以根據(jù)轉(zhuǎn)子106的位置導(dǎo)出。換言之，要供應(yīng)給線圈或線圈組114、116和118的電流可以由控制單元108基于轉(zhuǎn)子106的旋轉(zhuǎn)角度而確定。轉(zhuǎn)子106的旋轉(zhuǎn)角度可以由第一傳感器110感測(cè)。用于第一線圈或線圈組114的電流可以由Ir標(biāo)記。用于第二線圈或線圈組116 的電流可以由Is標(biāo)記。用于第三線圈或線圈組118的電流可以由It標(biāo)記。這些電流Ir、 Is和It中的每一個(gè)可以包括兩個(gè)對(duì)應(yīng)的部分或分量。換言之，電流Ir、Is和It可以依照以下方程式來(lái)確定或計(jì)算
Ir=Irphi+Irx
(1)
Is=Isphi+Isx
(2)
It=Itphi+Itx
(3)
Irphi.Isphi和Itphi可以是用于產(chǎn)生扭矩(即phi方向上的力Fphi)的電流分量，并且Irx、Isx和Itx可以是用于產(chǎn)生軸向力(即χ方向上的力的電流分量。這些分量可以依照以下方程式來(lái)確定或計(jì)算
Irphi = A*sin (n* (phi-theta))
(4)
Isphi = A*sin (η* (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可以是取決于轉(zhuǎn)子106的軸向位置和所需的扭矩且與轉(zhuǎn)子106的旋轉(zhuǎn)角度無(wú)關(guān)的參數(shù)。換言之，Irphi=A(χ)*sin(n*(phi-theta))，Isphi=A(χ)*sin(η*(ph i-theta) _2*pi/ (3*n))，并且 Itphi=A (χ) *sin (η* (phi-theta) +2*pi/ (3*n))可以適用。轉(zhuǎn)子106的軸向位置可以由第二傳感器112感測(cè)。值η可以表示磁極對(duì)的數(shù)量。值phi可以表示轉(zhuǎn)子106的以弧度(rad)為單位的旋轉(zhuǎn)角度，即轉(zhuǎn)子106的角位置或者沿著圓周的位移。值theta可以表示將換向角與電動(dòng)馬達(dá)102的磁軌中的磁場(chǎng)的磁角對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)角。該對(duì)準(zhǔn)角可以取0與2*pi/n之間的值。B 可以是可以與轉(zhuǎn)子106的軸向位置及其旋轉(zhuǎn)角度無(wú)關(guān)且取決于所需的力的另一參數(shù)。根據(jù)方程式(4) - (6)顯然可知，這些電流之間的關(guān)系可以是磁體間距ρ的2倍除以磁極對(duì)數(shù)量η的3倍的相移。在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程之后，在其中Fphi為最大值的點(diǎn)處phi稱(chēng)為零。在這種情形下可以為零。如果角位置與電流之間的關(guān)系移動(dòng)2*p/(n*4)，可以獲得依照方程式(7)- (9)計(jì)算的電流。在該情形下，F(xiàn)phi可以為零并且&可以為最大值?？梢詫⒁环矫嬗煞匠?4)- (6)限定以及另一方面由方程(7)- (9)限定的電流組相加(正弦和余弦)。結(jié)果可以是Fphi與&之間的混合。例如，合力F可以依照以下方程式來(lái)確定或計(jì)算
F=OFphi+D^x=OFphi (Irphi，Isphi, Itphi)+D*Fx (Irx, Isx, Itx) (10) Fphi和h可以基本上彼此無(wú)關(guān)地進(jìn)行控制。因此，電動(dòng)馬達(dá)102可以不僅傳遞扭矩， 而且傳遞沿著其軸的力，其中該扭矩和軸向力可以基本上彼此無(wú)關(guān)地設(shè)置。為此目的可以提供附加的換向。圖6示出了說(shuō)明依照所述實(shí)施例的控制用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)的示例性方法的基本步驟的流程圖。在步驟S602中，可以至少基于電動(dòng)馬達(dá)的定子的線圈或線圈組的數(shù)量、電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度以及取決于轉(zhuǎn)子的軸向位置的參數(shù)，確定電流。在步驟S604中，可以將確定的電流供應(yīng)給線圈或線圈組。圖7示出了所述實(shí)施例的基于軟件的實(shí)現(xiàn)方式的實(shí)例。在這里，設(shè)備700可以包括處理單元(PU) 702，該處理單元可以在單個(gè)芯片或者芯片模塊上提供并且可以是任何具有控制單元的處理器或者計(jì)算機(jī)設(shè)備，該控制單元基于存儲(chǔ)器(MEM) 704中存儲(chǔ)的控制程序的軟件例程執(zhí)行控制。程序代碼指令可以從MEM 704中獲取并且裝載到PU 702的控制單元中以便執(zhí)行諸如結(jié)合圖6所描述的處理步驟之類(lèi)的處理步驟。這些處理步驟可以在輸入數(shù)據(jù)DI的基礎(chǔ)上執(zhí)行并且可以產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)DO。輸入數(shù)據(jù)DI可以代表電動(dòng)馬達(dá)的配置和操作數(shù)據(jù)等，并且輸出數(shù)據(jù)DO可以代表例如供應(yīng)給電動(dòng)馬達(dá)的線圈或線圈組的電流等。上面描述的設(shè)備、方法和計(jì)算機(jī)程序可以應(yīng)用到這樣的致動(dòng)器，所述致動(dòng)器可以用在例如拾放機(jī)(pick-and-place)、手術(shù)鉆、照片和視頻裝備中的聚焦和縮放馬達(dá)、汽車(chē)變速器(car transmission)、光盤(pán)(CD)和數(shù)字多功能盤(pán)(DVD)播放器等等中。上面描述的設(shè)備、方法和計(jì)算機(jī)程序允許甚至基本上彼此無(wú)關(guān)地且在標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生扭矩和軸向力。因此，可以在無(wú)需特殊設(shè)計(jì)的馬達(dá)或者復(fù)雜的電子器件和控制技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種方式，人們可以節(jié)省額外的馬達(dá)或者困難的設(shè)計(jì)路徑?？梢詫?shí)現(xiàn)基于第一和第二傳感器感測(cè)的值的換向算法。因此，可以確定要供應(yīng)給線圈或線圈組的電流，從而可以在任何時(shí)間大體彼此無(wú)關(guān)地(解耦地)產(chǎn)生扭矩和軸向力。 這可以在沒(méi)有電流的反饋，即沒(méi)有電流傳感器的情況下成為可能。因此，可以不存在包括控制器的反饋回路并且也可以沒(méi)有控制器調(diào)整的努力?？偠灾?，本發(fā)明涉及允許借助于單個(gè)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)的設(shè)備、方法和計(jì)算機(jī)程序。用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)可以包括具有包含一定數(shù)量的線圈或線圈組的多相線圈布置的定子以及可沿著其旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動(dòng)且具有分別包含至少一個(gè)永磁體的一定數(shù)量的磁極的轉(zhuǎn)子?？刂茊卧梢灾辽倩诰€圈或線圈組的數(shù)量、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度以及取決于轉(zhuǎn)子的軸向位置的參數(shù)，確定電流，并且將確定的電流供應(yīng)給線圈或線圈組。盡管在所述附圖和前面的描述中已經(jīng)詳細(xì)地圖示和描述了本發(fā)明，但是這樣的圖示和描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是說(shuō)明性或示例性的，而不是限制性的。本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的實(shí)施例。例如，盡管上面描述了控制單元108可以確定要供應(yīng)給定子的線圈或線圈組的電流， 即馬達(dá)電流，但是這也可以通過(guò)諸如模擬硬件之類(lèi)的其他硬件來(lái)完成。這樣的硬件可以是例如用于馬達(dá)電流的功率放大器。一個(gè)實(shí)施例可以是2個(gè)霍爾傳感器用來(lái)測(cè)量磁體的位置相關(guān)磁場(chǎng)的情況。這些傳感器可以在空間上分開(kāi)90度，并且傳感器相對(duì)于線圈的位置可以是固定的(和已知的)。這2個(gè)霍爾信號(hào)可以饋送到可以是功率放大器的一部分的模擬設(shè)備。 這些霍爾信號(hào)可以是正弦的，作為旋轉(zhuǎn)角度(phi)的函數(shù)。這兩個(gè)信號(hào)(相移)的線性組合的和可以給出希望的馬達(dá)電流。通常，旋轉(zhuǎn)位置信息可以與希望的力和扭矩設(shè)置點(diǎn)一起進(jìn)入模擬設(shè)備，基于這些可以確定用于不同馬達(dá)線圈的希望的電流?？商鎿Q地或者此外，也可以使用與上面所述不同的其他硬件以便確定希望的電流。本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)施要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)，根據(jù)對(duì)于所述附圖、本公開(kāi)內(nèi)容以及所附權(quán)利要求書(shū)的研究，應(yīng)當(dāng)能夠理解并實(shí)施所公開(kāi)實(shí)施例的若干變型。在權(quán)利要求書(shū)中，措詞“包括/包含”并沒(méi)有排除其他的元件或步驟，并且不定冠詞“一”并沒(méi)有排除復(fù)數(shù)。單個(gè)處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中列出的若干項(xiàng)的功能。在相互不同的從屬權(quán)利要求中記載特定技術(shù)措施這一事實(shí)并不意味著這些技術(shù)措施的組合不可以加以利用。能夠控制處理器以執(zhí)行要求保護(hù)的特征的計(jì)算機(jī)程序可以存儲(chǔ)/分布于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)上，例如存儲(chǔ)/分布于與其他硬件一起提供或者作為其他硬件的一部分而提供的固態(tài)介質(zhì)或者光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)上，但是也可以以其他的形式分發(fā)，例如通過(guò)因特網(wǎng)或者其他有線或無(wú)線電信系統(tǒng)分發(fā)。它可以結(jié)合新的系統(tǒng)使用，但是也可以在更新或者升級(jí)現(xiàn)有的系統(tǒng)時(shí)應(yīng)用以便使得它們能夠執(zhí)行要求保護(hù)的特征。用于計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以包括這樣的軟件代碼部分，這些軟件代碼部分用于在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品時(shí)執(zhí)行例如諸如結(jié)合圖6所描述的處理步驟之類(lèi)的處理步驟。該計(jì)算機(jī)程序代碼可以進(jìn)一步包括其上存儲(chǔ)了軟件代碼部分的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，例如光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)或者固態(tài)介質(zhì)。權(quán)利要求書(shū)中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)當(dāng)被視為對(duì)其范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)(102)，其包括具有包含一定數(shù)量的線圈或線圈組 (114，116，118)的多相線圈布置的定子(104)以及可沿著其旋轉(zhuǎn)軸(122)方向運(yùn)動(dòng)且具有分別包含至少一個(gè)永磁體的一定數(shù)量的磁極(120)的轉(zhuǎn)子(106)；以及控制單元(108)，其被配置成至少基于線圈或線圈組的所述數(shù)量、所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度以及取決于所述轉(zhuǎn)子的軸向位置的參數(shù)確定電流，并且將所述確定的電流供應(yīng)給所述線圈或線圈組。
2.依照權(quán)利要求1的設(shè)備，包括第一傳感器(110)，其被配置成感測(cè)所述旋轉(zhuǎn)角度并且將該旋轉(zhuǎn)角度供應(yīng)給所述控制單元；以及第二傳感器(112)，其被配置成感測(cè)所述轉(zhuǎn)子的所述軸向位置并且將該軸向位置供應(yīng)給所述控制單元。
3.依照權(quán)利要求1的設(shè)備，包括軸承系統(tǒng)(IM)，該軸承系統(tǒng)被配置成承載所述轉(zhuǎn)子并且限制除了沿著所述旋轉(zhuǎn)軸的線性自由度和圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)自由度之外的所有自由度。
4.依照權(quán)利要求3的設(shè)備，其中所述軸承系統(tǒng)是主動(dòng)磁軸承系統(tǒng)。
5.依照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述參數(shù)作為所述軸向位置的函數(shù)成反比地改變。
6.依照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述控制單元被配置成也基于與所述軸向位置無(wú)關(guān)的另一參數(shù)確定所述電流。
7.依照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述控制單元被配置成將用于第一線圈或線圈組(114)的電流確定為I r=Irphi+Irx=A*sin (η* (phi-theta)) + B*cos(n* (phi-theta)), 用于第二線圈或線圈組(116)的電流確定為 Is=Isphi+Isx= A*sin(η*(phi-theta)_2*pi/ (3*n)) + B*C0S(n*(phi-theta)-2*pi/(3*n))，并且將用于第三線圈或線圈組 (118)的電流確定為 It=-Ir-Is=Itphi+Itx=A*sin(n*(phi-theta)+2*pi/(3*n)) + B氺cos (η* (phi-theta) +2氺pi/ (3*n))，并且其中A為取決于所述軸向位置的所述參數(shù)，η為磁極對(duì)的數(shù)量，phi為所述旋轉(zhuǎn)角度， theta為0與2*pi/n之間的對(duì)準(zhǔn)角度，并且B為另一參數(shù)。
8.依照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述電動(dòng)馬達(dá)是無(wú)鐵芯電動(dòng)馬達(dá)。
9.依照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述電動(dòng)馬達(dá)是直流電動(dòng)馬達(dá)。
10.一種控制用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)的方法，包括至少基于所述電動(dòng)馬達(dá)的定子的線圈或線圈組的數(shù)量、所述電動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度以及取決于所述轉(zhuǎn)子的軸向位置的參數(shù)確定電流(S602)；以及將所述確定的電流供應(yīng)給所述線圈或線圈組(S604 )。
11.一種計(jì)算機(jī)程序，包括程序代碼裝置，其用于在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行依照權(quán)利要求10的方法的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及允許借助于單個(gè)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)的設(shè)備、方法和計(jì)算機(jī)程序。用于線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)(102)可以包括具有包含一定數(shù)量的線圈或線圈組的多相線圈布置的定子(104)以及可沿著其旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動(dòng)且具有分別包含至少一個(gè)永磁體的一定數(shù)量的磁極的轉(zhuǎn)子(106)?？刂茊卧?108)可以至少基于線圈或線圈組的數(shù)量、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度以及取決于轉(zhuǎn)子的軸向位置的參數(shù)確定電流，并且將所述確定的電流供應(yīng)給所述線圈或線圈組。
文檔編號(hào)H02K33/12GK102365811SQ201080014871
公開(kāi)日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者Z. 安格利斯 G., M. W. 古森斯 H. 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司