CN102717854A - 自平衡单轮电动车 - Google Patents

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Abstract

自平衡单轮电动车,它涉及交通工具技术领域。它的挡泥板(1)设置在车轮(4)的上侧,轮毂电机(2)设置在车轮(1)的中间,电机轴(3)安装在轮毂电机(2)的中心孔内,所述的电机轴(3)的两端均安装有连接件(5),连接件(5)的下侧通过连接杆(7)与脚踏板(6)连接。它的微处理单元(10)与三相PWM驱动信号驱动单元(15)连接,三相PWM驱动信号驱动单元(15)与三相半桥逆变电路(16)连接,轮毂电机(2)分别与电机霍尔传感器(18)、电机电流传感器(19)相连。它体积小,质量轻,方便携带,采用了平衡算法和先进的传感器技术,解决了平衡问题,结构简单、操作容易、安全可靠,成本低。

Description

自平衡单轮电动车
技术领域:
本发明涉及交通工具技术领域,尤其涉及一种自平衡单轮电动车。
背景技术:
传统的电动自行车存在如下两个缺点:一、传统的电动自行车由于采用前后轮方式,车辆体积大、重量重,携带不方便,使用场合受到限制,二、传统的电动自行车只是一种交通工具,没有丝毫娱乐性。
发明内容:
本发明的目的是提供一种自平衡单轮电动车,它体积小,质量轻,方便携带,采用了平衡算法和先进的传感器技术,解决了平衡问题,结构简单、操作容易、安全可靠,成本低。
为了解决背景技术所存在的问题,本发明是采用如下技术方案:它包含挡泥板1、轮毂电机2、电机轴3、车轮4,挡泥板1设置在车轮4的上侧,轮毂电机2设置在车轮1的中间,电机轴3安装在轮毂电机2的中心孔内,所述的电机轴3的两端均安装有连接件5,连接件5的下侧通过连接杆7与脚踏板6连接。
它的电路包含微处理单元10、陀螺仪11、加速度计12、电池及电池管理电路13、DC/DC转换器14、三相PWM驱动信号驱动单元15、三相半桥逆变电路16、控制按键及指示灯17、电机霍尔传感器18、电机电流传感器19,微处理单元10与三相PWM驱动信号驱动单元15连接,三相PWM驱动信号驱动单元15与三相半桥逆变电路16连接,三相半桥逆变电路16与轮毂电机2连接,轮毂电机2分别与电机霍尔传感器18、电机电流传感器19相连,陀螺仪11、加速度计12、DC/DC转换器14、控制按键及指示灯17、电机霍尔传感器18、电机电流传感器19均与微处理单元10连接,电池及电池管理电路13分别与DC/DC转换器14、三相半桥逆变电路16连接,控制按键及指示灯17与电池及电池管理电路13连接。
本发明的工作原理如下:微处理单元10根据姿态传感器送来的信号,再根据从轮毂电机2处送来的霍尔信号和电流信号,得出目前自平衡单轮电动车的运行状况和平衡状况,通过平衡算法计算得出电机所需的转矩,进而输出相应的PWM控制信号,实现对自平衡单轮电动车的运行和平衡控制。
当自平衡单轮电动车处于静止平衡状态时,微处理单元10根据姿态传感器送来的信号,再根据从轮毂电机2送来霍尔信号和电流信号,算出电机目前所需控制量,控制三相半桥逆变电路16输出三相电机驱动信号,自平衡单轮电动车保持静止平衡状态。当自平衡单轮电动车需要前行时,驾驶者使自平衡单轮电动车向前倾斜一个角度,这时姿态传感器就会给出一个信号,微处理单元10监测到这个信号后,综合从轮毂电机2送回来的信号,算出目前轮毂电机2需要的转矩,于是输出修正后的控制量给三相半桥逆变电路16,三相半桥逆变电路16输出三相电机控制信号,控制自平衡单轮电动车向前运行。倾斜程度越大、电机转速越快。当需要减速或刹车时,驾驶者向后倾斜使自平衡单轮电动车减少倾斜程度,微处理单元10根据当前送来角度信号和电机信号算出电机所需的反向转矩,输出相应的控制量给三相半桥逆变电路16,三相半桥逆变电路16输出相应的三相电机控制信号,从而控制电机减速转动并保持驾驶者和自平衡单轮电动车始终保持平衡。
它采用的算法中使用如下的基本公式:
M = K θ × θ + K ω × θ M 1 [ ( m p + m m ) × g × sin θ ] × r
公式中:M表示转矩,Kθ表示角度分量系数,Kω表示角速度分量系数,θ表示自平衡单轮电动车与水平面夹角,ω表示自平衡单轮电动车前倾(后仰)角速度,r表示轮胎半径,mp表示驾驶员质量,mm表示车自重质量,g表示重力加速度。
在公式中,第一个公式说明影响转矩大小的因素;第二个公式表明要使自平衡单轮电动车在运行过程中始终保持平衡的必要条件。也就是说,要使自平衡单轮电动车平衡运行,电机输出的转矩必须始终大于自平衡单轮电动车自身质量和驾驶者质量引起的倾斜转矩。当自平衡单轮电动车在某时刻发生在行进方向上的倾斜致使第二个公式不能满足时,中央处理单元就会对电机发出指令,增加电机输出转矩,从而保持自平衡单轮电动车的平衡。
本发明有如下优点:
一、体积小,重量轻,携带方便;
二、采用了平衡算法和和先进的传感器技术,很好地解决了平衡问题;
三、集娱乐、代步于一体;
四、成本低;
五、结构简单、操作容易、安全可靠。
附图说明:
图1为本发明的结构示意图,
图2为具体实施方式二的结构示意图,
图3为本发明的电路结构示意框图,
图4为本发明的控制流程图。
具体实施方式一:
参看图1,本具体实施方式采用如下技术方案:它包含挡泥板1、轮毂电机2、电机轴3、车轮4,挡泥板1设置在车轮4的上侧,轮毂电机2设置在车轮1的中间,电机轴3安装在轮毂电机2的中心孔内,所述的电机轴3的两端均安装有连接件5,连接件5的下侧通过连接杆7与脚踏板6连接。
参看图3,它的电路包含微处理单元10、陀螺仪11、加速度计12、电池及电池管理电路13、DC/DC转换器14、三相PWM驱动信号驱动单元15、三相半桥逆变电路16、控制按键及指示灯17、电机霍尔传感器18、电机电流传感器19,微处理单元10与三相PWM驱动信号驱动单元15连接,三相PWM驱动信号驱动单元15与三相半桥逆变电路16连接,三相半桥逆变电路16与轮毂电机2连接,轮毂电机2分别与电机霍尔传感器18、电机电流传感器19相连,陀螺仪11、加速度计12、DC/DC转换器14、控制按键及指示灯17、电机霍尔传感器18、电机电流传感器19均与微处理单元10连接,电池及电池管理电路13分别与DC/DC转换器14、三相半桥逆变电路16连接,控制按键及指示灯17与电池及电池管理电路13连接。
本具体实施方式的工作原理如下:微处理单元10根据姿态传感器送来的信号,再根据从轮毂电机2处送来的霍尔信号和电流信号,得出目前自平衡单轮电动车的运行状况和平衡状况,通过平衡算法计算得出电机所需的转矩,进而输出相应的PWM控制信号,实现对自平衡单轮电动车的运行和平衡控制。
当自平衡单轮电动车处于静止平衡状态时,微处理单元10根据姿态传感器送来的信号,再根据从轮毂电机2送来霍尔信号和电流信号,算出电机目前所需控制量,控制三相半桥逆变电路16输出三相电机驱动信号,自平衡单轮电动车保持静止平衡状态。当自平衡单轮电动车需要前行时,驾驶者使自平衡单轮电动车向前倾斜一个角度,这时姿态传感器就会给出一个信号,微处理单元10监测到这个信号后,综合从轮毂电机2送回来的信号,算出目前轮毂电机2需要的转矩,于是输出修正后的控制量给三相半桥逆变电路16,三相半桥逆变电路16输出三相电机控制信号,控制自平衡单轮电动车向前运行。倾斜程度越大、电机转速越快。当需要减速或刹车时,驾驶者向后倾斜使自平衡单轮电动车减少倾斜程度,微处理单元10根据当前送来角度信号和电机信号算出电机所需的反向转矩,输出相应的控制量给三相半桥逆变电路16,三相半桥逆变电路16输出相应的三相电机控制信号,从而控制电机减速转动并保持驾驶者和自平衡单轮电动车始终保持平衡。
它采用的算法中使用如下的基本公式:
M = K θ × θ + K ω × θ M 1 [ ( m p + m m ) × g × sin θ ] × r
公式中:M表示转矩,Kθ表示角度分量系数,Kω表示角速度分量系数,θ表示自平衡单轮电动车与水平面夹角,ω表示自平衡单轮电动车前倾(后仰)角速度,r表示轮胎半径,mp表示驾驶员质量,mm表示车自重质量,g表示重力加速度。
在公式中,第一个公式说明影响转矩大小的因素;第二个公式表明要使自平衡单轮电动车在运行过程中始终保持平衡的必要条件。也就是说,要使自平衡单轮电动车平衡运行,电机输出的转矩必须始终大于自平衡单轮电动车自身质量和驾驶者质量引起的倾斜转矩。当自平衡单轮电动车在某时刻发生在行进方向上的倾斜致使第二个公式不能满足时,中央处理单元就会对电机发出指令,增加电机输出转矩,从而保持自平衡单轮电动车的平衡。
参看图4,当启动自平衡单轮电动车后,系统首先对微处理单元10进行初始化,之后,就是等待和循环监测自平衡单轮电动车的各种状态是否处于平衡,当自平衡单轮电动车不处于平衡状态时,软件就进入相应算法的中断处理程序。
在中断服务处理系统里,系统根据姿态传感器、以及从电机处送回来的霍尔信号、电机相电流信号,通过平衡算法计算出电机当前速度和当前转矩,以及电机期望达到的转矩和速度。另外,对于系统还需要根据自平衡单轮电动车是否处于拐弯状态来对电机的期望速度进行调整。当得到电机期望的速度和转矩后,微处理单元10就输出相应的三相PWM信号给三相半桥逆变电路16,三相半桥逆变电路16输出相应的三相电机驱动信号给轮毂电机2,驱动电机正确运行,使自平衡单轮电动车和驾驶者保持平衡状态。
具体实施方式二:
参看图2,本具体实施方式与具体实施方式一不同之处在于所述的电机轴3的两侧均安装座椅支撑架8,座椅支撑架8的上侧安装有座椅9。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
本具体实施方式有如下优点:
一、体积小,重量轻,携带方便;
二、采用了平衡算法和和先进的传感器技术,很好地解决了平衡问题;
三、集娱乐、代步于一体;
四、成本低;
五、结构简单、操作容易、安全可靠。

Claims (3)

1.自平衡单轮电动车,其特征在于它包含挡泥板(1)、轮毂电机(2)、电机轴(3)、车轮(4),挡泥板(1)设置在车轮(4)的上侧,轮毂电机(2)设置在车轮(1)的中间,电机轴(3)安装在轮毂电机(2)的中心孔内,所述的电机轴(3)的两端均安装有连接件(5),连接件(5)的下侧通过连接杆(7)与脚踏板(6)连接。
2.根据权利要求1所述的自平衡单轮电动车,其特征在于它的电路包含微处理单元(10)、陀螺仪(11)、加速度计(12)、电池及电池管理电路(13)、DC/DC转换器(14)、三相PWM驱动信号驱动单元(15)、三相半桥逆变电路(16)、控制按键及指示灯(17)、电机霍尔传感器(18)、电机电流传感器(19),微处理单元(10)与三相PWM驱动信号驱动单元(15)连接,三相PWM驱动信号驱动单元(15)与三相半桥逆变电路(16)连接,三相半桥逆变电路(16)与轮毂电机(2)连接,轮毂电机(2)分别与电机霍尔传感器(18)、电机电流传感器(19)相连,陀螺仪(11)、加速度计(12)、DC/DC转换器(14)、控制按键及指示灯(17)、电机霍尔传感器(18)、电机电流传感器(19)均与微处理单元(10)连接,电池及电池管理电路(13)分别与DC/DC转换器(14)、三相半桥逆变电路(16)连接,控制按键及指示灯(17)与电池及电池管理电路(13)连接。
3.根据权利要求1所述的自平衡单轮电动车,其特征在于所述的电机轴(3)的两侧均安装座椅支撑架(8),座椅支撑架(8)的上侧安装有座椅(9)。
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