一种智能制造装备用两自由度双定子开关磁阻电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能制造装备用两自由度双定子开关磁阻电机拓扑结构及其控制方法，属于开关磁阻电机及其控制技术领域。

背景技术

两自由度开关磁阻电机由于结构简单、集成度高和控制性能良好的优点，在工业机器人、镗床、家用电器和纺织机械等领域具有良好的应用前景。现有的两自由度电机由于结构复杂以及直线部分与旋转部分之间磁路的高度耦合，难以进行解耦，增加了电机控制难度，制约了两自由度电机的应用。为此，我们提出了一种两自由度双定子开关磁阻电机拓扑，该电机结构紧凑，能够有效提高功率密度；同时直线单元与旋转单元之间互不耦合可以进行独立控制。但是由于该种电机的结构较为独特，因此本文提出了一种特定的控制方法，可以使电机单独进行直线运动、旋转运动以及螺旋运动。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型两自由度双定子开关磁阻电机及其控制方法，以解决现有两自由度电机占用体积大、电磁耦合严重和解耦控制困难等问题。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种新型两自由度开关磁阻电机拓扑结构，包括1个旋转单元定子、1个动子、1个直线单元定子、直线单元线圈和旋转单元线圈。直线单元定子、动子、旋转单元定子这3部分采用径向嵌套排列，旋转单元定子在内层，动子在里层，直线单元定子则在外层。

上述技术方案中，直线单元定子由3个等距离排列的定子环组成，定子模块为M型凸极结构，齿数为18。

上述技术方案中，旋转单元定子为M型凸极结构，齿数为18。

上述技术方案中，动子由动子外齿、动子轭以及动子内齿组成，均为凸极结构。其中动子外齿由三组齿组成且每组齿之间互差60°交错排列，动子内齿齿数为20且均匀排列。

本发明专利提出的新型两自由度双定子开关磁阻电机的特征在于，每个直线单元定子模块中心齿上绕有电机线圈，相隔180°的两个定子模块线圈串联，构成一个推力绕组，共3个，分别为A相推力绕组、B相推力绕组、C相推力绕组，其中B相绕组、C相绕组与A相绕组在空间上分别相差60°和-60°；

每个旋转单元定子模块中心齿上绕有电机线圈，相隔180°的两个定子模块串联，构成一个转矩绕组，共3个分别为D相转矩绕组、E相转矩绕组、F相转矩绕组，其中E相转矩绕组、F相转矩绕组与D相转矩绕组在空间上分别相差60°和-60°。

所述的新型两自由度开关磁阻电机直线单元与旋转单元在图2中的磁路下，直线单元与旋转单元产生的磁路在动子轭相斥，使直线单元与旋转单元完全解耦，进而能够有效实现直线运动、旋转运动以及螺旋运动。

所述的一种旋转运动原理为:以D相定子极与动子内齿完全重合为例，此时当F相通电时，依据最小磁阻原理，与F相定子极距离最近的动子内齿将会受到转矩力并朝着E相定子极进行旋转，当F相定子极与动子内齿完全重合时，动子受到的转矩力为0，此时F相断电E相通电，产生连续的旋转转矩，进而动子会朝着相同的方向进行旋转。

所述的一种直线运动原理为：以A相定子极与动子外齿完全重合为例，此时当B相通电时，依据磁阻最小原理，与B相定子极距离最近的动子外齿将会受到推力并朝着B相定子极进行移动，当B相定子极与动子外齿完全重合时，此时动子受到的推力为0，此时B相断电C相通电。动子将会朝着一个方向进行直线移动。

所述一种两自由度开关磁阻电机控制方法，其特征在于，直线单元与旋转单元之间独立控制；直线单元在于动子外齿未完全对齐时同时产生转矩分量与推力分量，在直线位置与动子外齿角度位置控制区间共同约束下，直线单元绕组轮流导通，产生转矩T

步骤A，采集动子实时旋转机械角度位置θ，直线位置x，判别直线单元与旋转单元各相励磁状态；具体包括：步骤A-1，定义θ＝0以及x＝0的动子位置，此时直线单元A相定子与动子外齿完全对齐，旋转单元D相定子与动子内齿对齐；直线单元中，动子外齿直线位置一个电周期为75mm，控制区间为[0，75mm]；动子外齿角度位置一个电周期为60°，控制区间为[0，60°]；旋转单元中，动子内齿角度位置一个电周期为18°，控制区间为[0，18°]；步骤A-2，直线单元中，当动子外齿角度与直线单元定子中心极角度差越小时，动子可以获得更大的推力分量和更小的转矩分量；设置A相的角度控制区间为θ

步骤B，调节直线单元产生的推力分量F以及转矩分量T

依据式(1)，进一步可展开如式(2)所示。

其中R

其中

直线单元产生的推力分量F与转矩分量T

步骤B-8，利用电压斩波控制方法，让直线单元相绕组实际电压u

步骤C，调节旋转单元产生的转矩T

进一步可展开如式(8)所示。

其中R

步骤C-7，直线单元相绕组的磁共能可由公式(10)计算。

旋转单元产生的转矩T

步骤C-8，利用电压斩波控制方法，让旋转单元相绕组实际电压u

单独直线运动控制方法为：给定参考速度，通过给定参考直线速度v

单独旋转运动的控制方法为：直线单元关闭，通过给定参考角速度ω

螺旋运动的控制方法为：根据给定的参考直线速度v

本发明的有益效果为：本发明的新型双定子开关磁阻电机能够实现直线单元定子产生磁场和旋转单元定子产生磁场的解耦，同时所提控制方法能够实现推力和转矩的灵活调节，进而能够驱动电机进行直线运动、旋转运动和螺旋运动，为两自由度电机在工业机器人领域的推广应用奠定基础。

附图说明

图1是两自由度双定子开关磁阻电机的三维结构示意图。

图2为D相对齐时的磁力线与F相对齐时的磁力线。

图3为A相对齐时的磁力线。

图4为B相对齐时的磁力线。

图5为螺旋运动时直线单元与旋转单元的磁极分配以及磁力线。

图6为本发明控制方法框图。

图7为本发明推力和转矩波形图。

附图标记说明：图1至图5中，1是直线单元定子，2是直线单元绕组，3是动子外齿，4是动子轭，5是动子内齿，6是旋转单元定子，7是旋转单元绕组，8是D相对齐位置磁力线，9是F相对齐位置磁力线，10是D相，11是E相，12是F相，13是A相对齐位置磁力线，14时B相对齐位置磁力线，15是A相，16是B相，17是C相，18是螺旋运动时A相磁力线方向，19是螺旋运动时D相磁力线方向，20是A相绕组电流流入方向，21是A相绕组电流流出方向。

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，对本发明一种两自由度双定子开关磁阻电机及其控制方法的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是两自由度双定子开关磁阻电机的三维结构示意图，其中，1是直线单元定子，2是直线单元绕组，3是动子外齿，4是动子轭，5是动子内齿，6是旋转单元定子，7是旋转单元绕组。

一种新型两自由度双定子开关磁阻电机结构，包括1个旋转单元定子6、1个动子、1个直线单元定子1、直线单元线圈和旋转单元线圈。直线单元定子1、动子、旋转单元定子6这3部分采用径向嵌套排列，旋转单元定子6在内层，动子在里层，直线单元定子1则在外层。

上述技术方案中，直线单元定子1由3个等距离排列的定子环组成，定子模块为M型凸极结构，齿数为18。

上述技术方案中，旋转单元定子6为M型凸极结构，齿数为18。

上述技术方案中，动子由动子外齿3、动子轭4以及动子内齿5组成，均为凸极结构。其中动子外齿3由三组齿组成且每组齿之间互差60°交错排列，动子内齿3齿数为20且均匀排列。

其特征在于，每个直线单元定子1模块中心齿上绕有电机线圈，相隔180°的两个定子模块线圈串联，构成一个推力绕组，共3个，分别为A相推力绕组15、B相推力绕组16、C相推力绕组17，其中B相绕组16、C相绕组17与A相绕组15在空间上分别相差60°和-60°；

每个旋转单元定子模块中心齿上绕有电机线圈，角度相差180°的两个定子模块串联，构成一个转矩绕组，共3个分别为D相转矩绕组10、E相转矩绕组11、F相转矩绕组12，其中E相转矩绕组10、F相转矩绕组11与D相转矩绕组12在空间上分别相差60°和-60°。

所述的新型两自由度开关磁阻电机直线单元与旋转单元在图5中的磁路18，19下，直线单元与旋转单元产生的磁路在动子轭4相斥，使直线单元与旋转单元完全解耦。电机可以分别进行直线运动、旋转运动以及螺旋运动。

所述的一种旋转运动的原理为:以D相定子极与动子内齿完全重合为例，如图2所示，D相磁力线为8，此时当F相通电时，依据最小磁阻原理，与F相定子极距离最近的动子内齿将会受到转矩力并朝着F相定子极进行旋转，当F相定子极与动子内齿完全重合时，如图2所示，F相磁力线为9，动子受到的转矩力为0，此时F相断电E相通电，动子将会朝着相同的方向进行旋转。因此，通过依次对D-F-E相通电以及设置合适的开关角，动子将会朝着同一个方向继续旋转。同理，通过改变通电次序为F-E-D,动子将会朝着相反的方向不断旋转。

所述的一种直线运动原理为：如图3，以A相定子极与动子外齿完全重合为例，此时当B相通电时，依据磁阻最小原理，与B相定子极距离最近的动子外齿将会受到推力并朝着B相定子极进行移动，当B相定子极与动子外齿完全重合时，此时动子受到的推力为0，如图4和图5所示，此时B相断电C相通电。动子将会朝着一个方向进行直线移动。

所述一种两自由度开关磁阻电机控制方法，其特征在于，直线单元与旋转单元之间独立控制；直线单元在于动子外齿未完全对齐时同时产生转矩分量与推力分量，在直线位置与动子外齿角度位置控制区间共同约束下，直线单元绕组轮流导通，产生转矩T

步骤A，采集动子实时角度位置θ，直线位置x，判别直线单元与旋转单元各相励磁状态；

步骤A-1，定义θ＝0以及x＝0的动子位置，此时直线单元A相定子与动子外齿完全对齐，旋转单元D相定子与动子内齿对齐，如图1所示；直线单元中，动子外齿直线位置一个电周期为75mm，控制区间为[0，75mm]；动子外齿角度位置一个电周期为60°，控制区间为[0，60°]；旋转单元中，动子内齿角度位置一个电周期为18°，控制区间为[0，18°]；

步骤A-2，直线单元中，当动子外齿角度与直线单元定子中心极角度差越小时，动子可以获得更大的推力分量和更小的转矩分量；设置A相的角度控制区间为θ

步骤A-3，直线单元中，设置A相直线位置控制区间x

步骤A-4，直线单元中，当动子直线位置x∈x

步骤A-5，旋转单元中，设置D相导通区间θ

步骤B，调节直线单元产生的推力分量F以及转矩分量T

步骤B-1，通过静态实验获取直线单元绕组通电时的静态磁链数据ψ

步骤B-2，采集动子实时直线速度v以及角速度ω；

步骤B-3，动子直线速度v与设定的参考直线速度v

步骤B-4，所述直线速度差Δv，通过比例积分控制器，获得直线单元绕组电压参考值u

步骤B-5，直线单元中，相绕组电压平衡方程为

步骤B-6，通过对步骤B-5中的绕组电压平衡方程进行积分可以得到相电流的计算公式

步骤B-7，直线单元相绕组的磁共能可由公式

步骤B-8，利用电压斩波控制方法，让直线单元相绕组实际电压u

步骤C，调节旋转单元产生的转矩T

步骤C-1，通过静态实验获取旋转单元绕组通电时的静态磁链数据ψ

步骤C-2，采集动子实时角速度ω；

步骤C-3，动子角速度ω与设定的参考角速度ω

步骤C-4，所述直线速度差Δω，通过比例积分控制器，获得旋转单元绕组电压参考值u

步骤C-5，旋转单元中，相绕组电压平衡方程为

步骤C-6，通过对步骤C-5中的绕组电压平衡方程进行积分可以得到相电流的计算公式

步骤C-7，直线单元相绕组的磁共能可由公式

步骤C-8，利用电压斩波控制方法，让旋转单元相绕组实际电压u

单独直线运动控制方法为：给定参考速度，通过给定参考直线速度v

单独旋转运动的控制方法为：直线单元关闭，通过给定参考角速度ω

螺旋运动的控制方法为：根据给定的参考直线速度v

综合上所述，采用提出的控制策略，能够有效实现推力和转矩的控制，如图7所示。同时本发明结构简单，控制变量少，控制实施方便，直线单元与旋转单元之间可以独立控制，推力和转矩可以灵活调节，实现了直线单元的解耦；本控制方法可以驱动两自由度双定子开关磁阻电机独立进行直线运动、旋转运动以及螺旋运动。

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。