CN103997260A - 一种直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速系统，由电源、踏板或手柄位置传感器、多个同规格直流电机，以及与电机对应的电流传感器、斩波信号发生器和控制器等组成。用踏板或手柄位置传感器信号等分量信号作为输入量，各电机电流传感器信号作为反馈信号，进行多路并联电流闭环控制，将各电机总电流都维持在与输入量对应的水平上、并输出等转矩，满足所有直流电机多边独立驱动真实条件下变速和差速的需要。特点是：差速控制精度较高、应用范围广；控制技术成熟、工作可靠、生产和使用成本低；电源电压较低，使用和维修安全；电机转矩输出脉动小、行驶平稳、乘坐舒适；增加转速或反电动势信号比较控制，很容易实现驱动防滑自动控制。

Description

一种直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速控制系统

技术领域

本发明涉及直流电机控制技术领域，具体涉及一种直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速的电子控制技术领域。

背景技术

对于直流电机多边独立驱动行走机构结构方案，一般无实体驱动桥、每个驱动轮都由各自对应的电机(或“减速电机”即将电机和机械变速箱做成一体)驱动，电机与驱动轮安装紧凑，甚至能以轮毂电机的形式直接安装于车轮内部。与有实体驱动桥行走机构结构方案相比，具有机械结构简单、布置方便、驾乘和载货空间大，电子控制便捷、无级变速平顺，重心低、行走平稳和离地间隙大、通过性好的优点，在混合动力汽车、电动汽车、代步车、轮式机器人、园林机械等轮式行走机构产品领域，受到越来越广泛的重视。

由汽车设计理论可知：对于多驱动轮行走机构，在路面不平和松软、轮胎磨损、轮胎胎压和负荷等实际情况下，不论是在转向还是在直线行驶，各驱动轮都必须顺应车况和路况，输出正确的转速和相等的转矩(这就是所说的“差速”)，消除功率循环。其目的是：①通过轮胎与路面之间良好的结合(不打滑)，使各驱动轮获得最大的横向和纵向附着(摩擦)系数，防止行走机构行驶不稳(发飘)、侧滑和轮胎过度磨损，提高行驶稳定性、可控性，提高轮胎的使用寿命；②通过各驱动轮相等的输出转矩，维持驱动轮的运动方向和转速(运动状态)的同时，防止驱动跑偏力矩产生，降低操纵人员修正方向的劳动强度。

注：对于行走机构因各驱动轮压辙、轮胎变形阻力、以及其他外部阻力(如风阻)不平衡等引起的系统跑偏，由转向系回正力矩(主要由转向主销后倾和内倾产生)自动消除，或由操纵人员通过转向系予以人为修正。

目前，直流电机多边独立驱动行走机构的变速及差速控制技术方案，主要有“电子差速”、“恒转矩控制”和“电机串联”三种技术方案。都是采用变速和差速一体化控制：变速控制，一般是用踏板或手柄位置信号斩波控制电源输出，同步改变各电机输出转矩(打破原平衡力系，改变系统运动状态，直至建立新的平衡力系)，实现系统变速(斩波控制是目前直流电机调速的主流方法，它能节约能量、提高行走机构续航里程，技术非常成熟)；差速控制，目前还没有非常成熟的技术方案。

下面，对上述方案进行简要分析：①“电子差速”技术方案：是一种开环控制技术方案，用于各电机通过对应控制器并联于电源上的结构方案上(主要用于直流轮毂电机驱动的混合动力汽车，这也是唯一实际应用的技术方案)。变速控制是将踏板或手柄位置信号作为速度控制信号，通过控制器同步斩波控制各电机的功率输出，实现系统变速；差速控制是将方向盘转角传感器信号作为差速控制信号，经电脑处理输出与各电机对应的差速信号，对电机(或驱动轮)转速进行修正，实现驱动轮差速(用方向盘转角传感器信号对各电机的差速控制，需针对具体车辆结构参数，如轮距、轴距、转向轴数等)。即踏板或手柄位置信号和各电机对应差速信号(对应方向盘转角传感器信号)，叠加总量控制各电机(驱动轮)转速，实现变速和差速。存在的问题是：该技术方案只满足了行走机构转向时驱动轮差速的需要，未考虑路面平整度和硬实度不同、轮胎磨损不同、胎压不同、车轮负荷不同等实际情况下，对驱动轮差速的要求，在行驶过程中车轮滑转率过大，轮胎过度磨损(有轮毂电机驱动电动车轮胎过度磨损的实例)，不能满足实际工作需要。②“恒转矩控制”技术方案：是一种闭环控制技术方案，也是用于各电机通过对应控制器并联于电源上的结构方案上。变速控制和差速控制是：将踏板或手柄位置信号作为基本控制信号(速度控制信号)，各电机输出轴的扭矩传感器信号作为反馈信号(差速控制信号)，控制各电机输出转矩，实现变速和差速。存在的问题是：对于采用轮毂电机驱动的行走机构，由于电机无实体输出轴，无法安装扭矩传感器并获得扭矩信号，该技术方案只能用于有实体输出轴的电机驱动机构方案上，能够应用的产品范围很小。③“电机串联”技术方案：是一种开环控制技术方案，用于各电机通过对应控制器串联于电源上(有刷电机串联其电源线，无刷电机串联控制器功率母线)的结构方案上。变速：将踏板或手柄位置信号作为速度控制信号，斩波控制电源的能量输出，同步控制各电机转矩，达到控制车速的目的。差速：行走机构行驶过程中，各驱动轮顺应车况和路况，根据路面阻力变化自动调节运动方向和转速(运动状态改变，一般不同)时，由于电机串联，其绕组电流相等并仍能输出相同的扭矩，实现驱动轮自适应差速。它有效解决了行走机构在任何路况和车况下差速的问题，差速控制精度高、结构简单、工作可靠性高。存在的缺陷是：由于电机“串联”的分压作用，要求用高电压驱动整个电路(采用高压直流电源或者逆变升压，来减小电机重量，提高行驶平顺性、提高系统的效率，降低成本、提高续航里程)。对高压电源安全控制技术不是很成熟的现状而言，在使用和维修维修中存在较严重的安全隐患。

上述技术方案存在的问题或缺陷，严重制约了多边独立驱动行走机构结构方案的实际应用。

发明内容

针对以上问题和缺陷，本发明公开了一种直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速控制系统。用于各电机通过对应控制器并联于电源上的直流电机多边独立驱动结构方案上，是一种等输入量多路并联电流闭环控制的变速差速一体化控制系统。具体是：踏板或手柄位置传感器信号作为速度控制信号，其等分量信号作为输入量，各电机电流传感器信号作为反馈信号(差速信号)，由斩波信号发生器分析比较并产生对应电机控制器的斩波信号，对各电机电流进行多路并联闭环控制，将各电机电流都维持在与输入量(或踏板或手柄位置传感器信号或其等分量)给定的水平上，输出相等的转矩，从而实现变速和差速驱动。当踏板或手柄位置改变时，其感器信号改变，其等分量也相应改变，控制各电机电流同步等水平改变至踏板位置信号(或其等分量)给定的值，其轮转矩输出相应改变，从而改变系统驱动力，实现变速；对应一定的踏板或手柄位置，当各驱动轮(或电机)转速随路面阻力变化而变化，引起反电动势同方向变化，并导致电机电流反方向变化时，利用各电机电流传感器信号进行电流反馈控制，由各斩波信号发生器对应将各电机电流维持在踏板或手柄位置传感器信号(或其等分量)对应水平上，使各电机等转矩输出，实现差速控制。

一、该发明技术方案的结构和功能

1、结构。①组成：该发明技术方案结构由电源、踏板或手柄位置传感器、多个同规格直流电机，以及与电机对应的电流传感器、斩波信号发生器和控制器等组成。②联接：各电机与对应的控制器联接(电机与控制器的联接，根据电机结构型式及对应控制器具体形式而定，这里不详谈)；各控制器母线并联在电源上；各电流传感器对应安装在对应控制器输入(或输出)母线上；各斩波控制器参考量输入端和反馈信号输入端，分别对应联接踏板或手柄位置传感器信号等分量信号线和对应电流传感器信号线；斩波信号发生器输出端分别对应联接控制器控制输入端。

2、功能。①电源：是整个行走机构的能量源，为各电机和其它用电设备提供电能。②踏板或手柄位置传感器：是速度控制元件。其位置传感器信号(作为速度控制信号)的等分量信号，并作为各电机(或驱动轮)速度(斩波)控制信号。③直流电机：是行走机构的动力源，它将电能转化成机械能，输出一定的功率(转速和转矩)。④电流传感器：是电机电流的检测元件。产生的电流信号作为差速(反馈)信号。⑤斩波信号发生器：是控制器的斩波(速度)控制信号源。它接受踏板或手柄位置传感器一个等分量信号作为电机电流闭环控制的参考输入量、同时接受对应电流传感器的差速信号作为对应电机电流闭环控制的反馈信号，将参考输入量和反馈信号进行比较处理，对应输出各控制器的斩波信号，实施对应电机电流闭环控制。⑥控制器：是电机的电子控制器件。它主要是接受对应斩波发生器的斩波信号，控制对应电机的输出(对于有刷电机控制器，有倒车和保护等功能。对于无刷电机控制器，除了有上述功能外还有电子换向器的功能)。

本发明技术方案克服了现有直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速控制技术方案存在的缺陷和问题，通过对各电机电流进行等量、多路并联、闭环控制，将驱动轮输出扭矩总是维持在与踏板或手柄位置对应的水平上。不但满足了行走机构对系统变速控制的要求，而且满足了真实条件下(不同车况、路况)行走机构对驱动轮差速驱动的实际要求。具有以下优点：①差速控制精度较高、应用范围广。②控制技术成熟、工作可靠、生产和使用成本低。③电源电压较低，使用和维修安全。④通过电流闭环控制，减小了电机换向过程中电流(或转矩)输出脉动，系统行驶平稳、乘坐舒适。⑤若在此技术方案基础上，增加转速传感器信号或反电动势信号比较控制，很容易解决个别车轮打滑的问题，实现驱动防滑自动控制，完善系统功能。

附图说明

附图1为直流电机原理图。其中：a为有刷直流电机结构原理示意图、b为无刷直流电机原理框图。

附图2为闭环控制原理框图。

附图3为本发明多路并联电流闭环控制框图。

附图4为本发明结构方案示意图。

附图中除已经注明的外，图中符号对应的名称如下：

图1中：U为电源电压、N和S分别为磁极、A和B分别为机械换向器碳刷、I为绕组电流、F为绕组单边安培力。

图3、4中：n为大于2的自然数。

具体实施方式

一、本发明技术方案的可行性简要分析

1、直流电机驱动原理的简要分析

从图2中a和b的结构原理所示：有刷直流电机和无刷直流电机在结构上的区别在于，是通过机械式换向器、还是电子换向器，来改变和维持电机绕组电流方向，使电机输出连续的机械功率(转速与转矩的乘积)。二者工作的物理学原理完全相同：即通电导体在磁场中受力——安培力。由于实际上无刷电机绕组都是采用星形接法(曹春.无刷直流电动机绕组接法的比较分析[J].微特电机，2008年第02期)，那么，无论是有刷还是无刷直流电机，相电流都等于线电流。故，当电机结构一定时，可用以下公式，进行粗略推导(不考虑绕组感抗)：

①F_i＝BI_iL

∵ $T_i={\∫}_{L1}^{L2}{\mathrm{BI}}_i\mathrm{rdr}=\frac{B(L_2^2-L_1^2)}{2}{I}_i$

∴ $T=\mathrm{\Σ}{T}_i\frac{B(L_2^2-L_1^2)}{2}\mathrm{\Σ}{I}_i$

又∵∑I_i＝CI

∴ $T=\mathrm{\Σ}{T}_i=\frac{\mathrm{BC}(L_2^2-L_1^2)}{2}I$

②ε＝∑ε_i(电机绕组每段导线有效长度上的反电动势都相等，不详细推导)

$I=\frac{U-\mathrm{\ϵ}}{R}=\frac{U-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ϵ}}_i}{R}$

(T_i-电机绕组每段导线有效长度上的转矩；B-电机磁场强度；I_i-相电流；L₁和L₂-电机轴心到电机绕组每段导线有效长度内、外侧的长度；r-电机轴心到电机绕组每段导线有效长度内任一点的半径；T-电机转矩；C-与电机相数和绕组匝数有关的常数；I-线电流；U-电机驱动电压；ε-电机反电动势；ε_i-电机绕组每段导线有效长度上的反电动势；R-等效电阻)

从以上推导结果看，电机转矩T与母线电流I呈正比关系。可以得到：当电机结构和输入电源电压一定时，电机工作有以下规律：①电机转速的变化，导致绕组反电动势正向变化，引起电机电流和电机转矩的负向变化。②电机的输出转矩与电机线电流成正比。

2、闭环控制原理简述

由闭环控制系统原理(如图3所示)可知，在控制器输入量与被控对象之间，不仅存在正向作用，还存在反馈作用。若反馈信号与输入信号相减，即为负反馈。输入信号与反馈信号之差，为偏差信号，此信号通过控制器产生控制量使输出量趋于给定值(与输入量水平对应)。

3、电流闭环控制的直流电机多边独立驱动变速差速驱动控制可行性简要分析

基于上述分析可知：①对于由相同结构规格的(有刷或无刷)直流电机多边独立驱动行走机构，必须具备系统变速(由踏板或手柄控制)和驱动轮差速(各驱动轮转速顺应路面阻力改变，并输出相等的转矩)功能。②行走机构工作中，其踏板或手柄位置若能同水平控制各驱动轮(或电机)等转矩输出，就能实现①中所述的功能。而电机的转矩与线电流成正比，所以，完全可以通过控制各电机等电流的方法，实现现①中所述的功能。③将上述分析与闭环控制原理(如图3所示)进行比照，可以看出，采用如图4所示的一种等输入量多路并联电流闭环控制，完全能实现系统变速和驱动轮差速。即：将踏板或手柄位置信号等分量作为输入量，各电机电流传感器信号作为主反馈(踏板或手柄信号与各电流传感器信号的对应关系需要进行标定)，由各斩波控制器对二信号进行比较处理并产生对应电机控制器的斩波信号，将各电机电流控制在踏板或手柄信号对应水平上，实现系统变速和驱动轮差速。深入地说：当驱动轮因路面阻力变化引起电机转速变化、电机电流与反电动势反向变化时，由于对各电机电流进行多路并联闭环控制，可以使电机电流(或转矩)都趋于踏板或手柄位置信号(或其等分量)给定的值，并输出相等转矩，实现驱动差速控制；当改变踏板或手柄位置时，同步等量改变各电机电流闭环控制输入量(踏板或手柄位置信号等分量)，使各电机绕组电流(或转矩)输出都趋于踏板或手柄位置信号(或其等分量)对应的水平，实现变速控制。即通过各电机电流反馈闭环控制，实现差速；通过改变踏板或手柄控制位置，实现变速。

二、本发明技术方案系统的工作过程

图4所示，对应踏板或手柄的某一特定位置(由操纵人员控制)，踏板或手柄位置传感器信号(速度控制信号)的等分量，作为各斩波控制器电流闭环控制输入量，各电流传感器信号(差速控制信号)作为各电机电流闭环控制的反馈信号，输入给对应的斩波控制器进行比较处理，并输出对应电机控制器的斩波信号，控制各电机电流(或转矩输出)大小。当改变踏板或手柄位置时，各电机电流(或转矩输出)相应同步改变，改变行走系统总驱动力，使行走系统运动状态改变，实现变速(其动力学分析略)；对于一定的踏板或手柄位置，当各电机顺应驱动轮路面阻力变化转速改变时，各电流传感器信号(反馈信号，也是差速控制信号)，输入给各对应斩波信号发生器进行电流闭环控制，将各电机电流(或转矩)维持在与踏板或手柄位置传感器信号(或其等分量)对应的水平上，实现驱动差速。

注：各电机与控制器的联接，按照电机(无刷或有刷)及配套控制器的结构而定，图4的联接只是示意。

Claims (2)

1.一种直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速系统，其特征在于：由电源、踏板或手柄位置传感器、多个同规格直流电机，以及与电机对应的电流传感器、斩波信号发生器和控制器等组成。具体联接：各电机与对应的控制器联接；各控制器母线并联在电源上；各电流传感器对应安装在对应控制器输入(或输出)母线上；各斩波控制器参考量输入端和反馈信号输入端，分别对应联接踏板或手柄位置传感器信号等分量信号线和对应电流传感器信号线；斩波信号发生器输出端分别对应联接控制器控制输入端。

2.如权利要求1所述的直流电机多边独立驱动行走机构变速及差速系统，其特征在于：将踏板或手柄位置传感器信号的等分量，作为各电机电流闭环控制的参考输入量，对各电机电流实施等量、多路并联、闭环控制。