CN104571119B - 主动陀螺稳定系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主动陀螺稳定系统及其控制方法。它包括蓄电池、传感器、控制决策器、主动陀螺作动器，其中主动陀螺作动器包括电磁驱动AMD部分和单轴双陀螺部分。本发明适用于两轮前后置车辆的稳定。主动陀螺稳定系统的工作机理是：在工作状态下，传感器测量车辆的干扰和反应，并反馈至控制决策器，控制决策器按照某种主动控制算法，实时计算主动陀螺作动器中电磁驱动AMD部分的电磁力及单轴双陀螺部分的旋进电机的转速，对车辆施加控制力，从而抑制车辆的摇摆。本发明可用在全封闭的前后置两轮电动车上，不仅增加电动车安全性，更能大大减小电动车的体积，有效减轻城市交通压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种车辆稳定系统，特别是针对两轮前后置车辆的稳定控制。
背景技术
随着能源价格的高涨及温室气体对环境的危害凸显，也随着城市交通越来越拥堵，四轮轿车的负面影响越来越走入人们的视野，我们需要改变传统的通勤方式，两轮前后置的电动车便越来越受到欢迎，然后两轮前后置电动车的使用受到天气的影响较大，而且很多情况下需要人的双脚支持来为车辆提供稳定，舒适性和安全性较低，为此人们想着是不是能给两轮前后置电动车加个驾驶舱，不用双脚支撑，而是依靠一种装置来维持车辆的稳定，技术人员一直在努力尝试，至此未能找到可靠的稳定系统。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种主动陀螺稳定系统及其控制方法。
主动陀螺稳定系统包括蓄电池、传感器、控制决策器、主动陀螺作动器；其中主动陀螺作动器包括电磁驱动AMD部分和单轴双陀螺部分；其中电磁驱动AMD部分包括：基座、主动质量架、光栅传感器、缓冲弹簧、滚珠、励磁绕组、推力绕组；其中单轴双陀螺部分包括：转子电机、旋进电机、转子、转子底座、转子顶盖、圆柱滚子轴承、深沟球轴承、密封圈；基座通过螺栓固定在车辆底盘上，主动质量架与基座通过滚珠紧密配合滑动，光栅传感器固定在基座上，缓冲弹簧固定在基座上，滚珠嵌入基座上，励磁绕组固定在基座上，推力绕组穿过主动质量架的通孔，并固定在主动质量架上；转子电机通过螺栓固定在转子底座上，圆柱滚子轴承固定在转子底座上，转子与圆柱滚子轴承内圈配合，转子与深沟球轴承内圈配合，深沟球轴承外圈固定在转子顶盖上，转子顶盖通过螺栓将密封圈压紧并固定在转子底座上，转子底座通过深沟球轴承固定在主动质量架上，旋进电机通过螺栓固定在主动质量架上，旋进电机与转子底座的轴通过联轴器固定，转子电机与转子的轴通过联轴器固定；传感器固定在车身上，并通过导线与控制决策器相连，控制决策器通过导线与蓄电池及主动陀螺作动器相连，蓄电池通过导线与主动陀螺作动器相连。
所述的滚珠均匀地嵌入基座与主动质量架配合的四个面。
电磁驱动AMD部分包括脉冲宽度调制变换器、位置比例调节器、速度调节器、电流调节器、逆变器；光栅传感器连接至位置比例调节器，位置比例调节器连接至速度比例调节器，速度比例调节器连接至电流调节器、电流调节器连接至脉冲宽度调制变换器，脉冲宽度调制变换器连接至逆变器，逆变器与推力绕组连接。
所述的单轴双陀螺部分包括两个陀螺转子、两个转子电机、两个旋进电机。
所述的主动陀螺稳定系统的控制方法包括以下：将主动陀螺稳定系统安装在车底盘上，使得主动质量架的运动方向与车辆的前进方向垂直，当主动陀螺稳定系统开始工作时，两个转子电机以一定大小、方向相反的速度旋转，车辆未发生偏转时，两个旋进电机的角速度为零，两个转子的轴线竖直；当车辆受到扰动力矩作用而发生偏转时，传感器将所采集到的信息传送到控制决策器，控制决策器按照既定的控制算法计算后，将控制信号传送到主动陀螺作动器的电磁驱动AMD部分和单轴双陀螺部分，电磁驱动AMD部分所产生的洛仑兹力作用在基座上，在车上产生力矩M1而对抗扰动力矩，双陀螺部分的旋进电机在控制信号下做出不同方向的旋进，使得单轴双陀螺部分产生力矩M2对抗扰动力矩，在力矩M1、M2共同作用下，车辆快速回正并保持稳定；当稳定系统需要停止工作时，光栅传感器将主动质量架的位置信息传给控制决策器，控制决策器发出信号给电磁驱动AMD部分，将主动质量架停在车辆中心线上，保证重心与支点连线竖直。
使用本发明安装在全封闭式两轮前后置电动车的底盘上，可对抗较大的车辆扰动力矩，响应快，回正速度快，装备在全封闭式两轮前后置电动车上后，受到侧面撞击时，可以避免车辆的倾覆甚至翻滚，起到保护驾驶员的作用。本发明结构简单，原理成熟可靠，造价低廉，适合普及。
附图说明
图1为主动陀螺稳定系统的示意图；
图2为主动陀螺稳定系统中单轴双陀螺部分的剖视图；
图3为主动陀螺稳定系统中电磁驱动AMD部分示意图；
图4为主动陀螺稳定系统闭环控制流程图；
图5为主动陀螺稳定系统转弯控制流程图；
图中，基座1.1、主动质量架1.2、光栅传感器1.3、缓冲弹簧1.4、滚珠1.5、励磁绕组1.6、推力绕组1.7、转子电机2.1、旋进电机2.2、转子2.3、转子底座2.4、转子顶盖2.5、圆柱滚子轴承2.6、深沟球轴承2.7、密封圈2.8。
具体实施方式
如图1、2所示，主动陀螺稳定系统包括蓄电池、传感器、控制决策器、主动陀螺作动器；其中主动陀螺作动器包括电磁驱动AMD部分和单轴双陀螺部分；其中电磁驱动AMD部分包括：基座1.1、主动质量架1.2、光栅传感器1.3、缓冲弹簧1.4、滚珠1.5、励磁绕组1.6、推力绕组1.7；其中单轴双陀螺部分包括：转子电机2.1、旋进电机2.2、转子2.3、转子底座2.4、转子顶盖2.5、圆柱滚子轴承2.6、深沟球轴承2.7、密封圈2.8；基座1.1通过螺栓固定在车辆底盘上，主动质量架1.2与基座1.1通过滚珠1.5紧密配合滑动，光栅传感器1.3固定在基座1.1上，缓冲弹簧1.4固定在基座1.1上，滚珠1.5嵌入基座1.1上，励磁绕组1.6固定在基座1.1上，推力绕组1.7穿过主动质量架1.2的通孔，并固定在主动质量架1.2上；转子电机2.1通过螺栓固定在转子底座2.4上，圆柱滚子轴承2.6固定在转子底座2.4上，转子2.3与圆柱滚子轴承2.6内圈配合，转子2.3与深沟球轴承2.7内圈配合，深沟球轴承2.7外圈固定在转子顶盖2.5上，转子顶盖2.5通过螺栓将密封圈2.8压紧并固定在转子底座2.4上，转子底座2.4通过深沟球轴承固定在主动质量架1.2上，旋进电机2.2通过螺栓固定在主动质量架1.2上，旋进电机2.2与转子底座2.4的轴通过联轴器固定，转子电机2.1与转子2.3的轴通过联轴器固定；传感器固定在车身上，并通过导线与控制决策器相连，控制决策器通过导线与蓄电池及主动陀螺作动器相连，蓄电池通过导线与主动陀螺作动器相连。
如图1、2、3所示，滚珠1.5均匀地嵌入基座1.1与主动质量架1.2配合的四个面。
如图1、2所示，单轴双陀螺部分包括两个陀螺转子2.3、两个转子电机2.1、两个旋进电机2.2。使两个转子2.3的转速相等，方向相反，这两个陀螺会因为进动而产生的陀螺力矩可以相互叠加来对抗扰动力矩，而产生的负面的横摆力矩方向相反，可以相互抵消。
如图3所示，当在基座1.1的励磁绕组1.6中通入对称正弦电流后，在气隙中产生行波磁场，该行波磁场与主动质量架1.2上的通电推力绕组1.7相互作用产生电磁力，通过对推力绕组1.7电流的矢量控制可以控制电磁力的大小，从而调节电磁驱动AMD部分所提供的力矩M1。
如图1、2所示，两个旋进电机2.2采用对称布置，保证了主动质量架1.2所承受质量的对称性。在车辆受到扰动力矩作用时，旋进电机2.2驱动陀螺转子2.3进动，从而产生陀螺力矩M2与干扰力矩反向，而陀螺力矩等于陀螺转子动量矩与转子进动角速度的向量积，通过对旋进电机2.2电流的控制，可以控制陀螺转子2.3的进动速度，从而控制单轴双陀螺部分输出的反抗力矩M2。
电磁驱动AMD部分包括脉冲宽度调制变换器、位置比例调节器、速度调节器、电流调节器、逆变器；光栅传感器1.3连接至位置比例调节器，位置比例调节器连接至速度比例调节器，速度比例调节器连接至电流调节器、电流调节器连接至脉冲宽度调制变换器，脉冲宽度调制变换器连接至逆变器，逆变器与推力绕组1.7连接。
如图4所示，本发明控制系统的控制方法为：将主动陀螺稳定系统安装在车底盘上，使得主动质量架1.2的运动方向与车辆的前进方向垂直，当主动陀螺稳定系统开始工作时，两个转子电机2.1以一定大小、方向相反的速度旋转，车辆未发生偏转时，两个旋进电机2.2的角速度为零，两个转子2.3的轴线竖直；当车辆受到扰动力矩作用而发生偏转时，传感器将所采集到的信息传送到控制决策器，控制决策器按照既定的控制算法计算后，将控制信号传送到主动陀螺作动器的电磁驱动AMD部分和单轴双陀螺部分，电磁驱动AMD部分所产生的洛仑兹力作用在基座1.1上，在车上产生力矩M1而对抗扰动力矩，双陀螺部分的旋进电机在控制信号下做出不同方向的旋进，使得单轴双陀螺部分产生力矩M2对抗扰动力矩，在力矩M1、M2共同作用下，车辆快速回正并保持稳定；
如图5所示，当传感器检测到车辆即将转弯时，控制系统改变主动质量架1.2的位置，从而改变了车辆的重心位置，产生一个与离心力矩相反的力矩，控制决策器根据前轮偏转的角度和车辆行进的速度来计算出所需的重心偏离量，即确定主动质量架1.2的进给量，将进给量与光栅传感器1.3检测到的反馈量相比较形成位置误差信号，该误差信号通过位置比例调节器运算得到进给速度的给定量，它与由光栅传感器1.3检测到的位置信号中分离出的速度反馈信号比较形成进给速度误差信号，该误差信号经过速度比例调节器运算后形成电流的给定量，再与电流的反馈量相比较形成电流误差信号，该电流误差信号通过电流调节器运算得到逆变器的控制信号，通过对推力绕组1.7电流采用i=0的矢量控制方式，来完成重心的偏移；
当转弯结束后，控制决策器控制主动质量架1.2回到导轨中心位置；
当稳定系统需要停止工作时，光栅传感器1.3将主动质量架1.2的位置信息传给控制决策器，控制决策器发出信号给电磁驱动AMD部分，将主动质量架1.2停在导轨中心位置，保证重心与支点连线竖直。
Claims (5)
1.一种主动陀螺稳定系统，其特征在于包括蓄电池、传感器、控制决策器、主动陀螺作动器；其中主动陀螺作动器包括电磁驱动AMD部分和单轴双陀螺部分；其中电磁驱动AMD部分包括：基座（1.1）、主动质量架（1.2）、光栅传感器（1.3）、缓冲弹簧（1.4）、滚珠（1.5）、励磁绕组（1.6）、推力绕组（1.7）；其中单轴双陀螺部分包括：转子电机（2.1）、旋进电机（2.2）、转子（2.3）、转子底座（2.4）、转子顶盖（2.5）、圆柱滚子轴承（2.6）、深沟球轴承（2.7）、密封圈（2.8）；基座（1.1）通过螺栓固定在车辆底盘上，主动质量架（1.2）与基座（1.1）通过滚珠（1.5）紧密配合滑动，光栅传感器（1.3）固定在基座（1.1）上，缓冲弹簧（1.4）固定在基座（1.1）上，滚珠（1.5）嵌入基座（1.1）上，励磁绕组（1.6）固定在基座（1.1）上，推力绕组（1.7）穿过主动质量架（1.2）的通孔，并固定在主动质量架（1.2）上；转子电机（2.1）通过螺栓固定在转子底座（2.4）上，圆柱滚子轴承（2.6）固定在转子底座（2.4）上，转子（2.3）与圆柱滚子轴承（2.6）内圈配合，转子（2.3）与深沟球轴承（2.7）内圈配合，深沟球轴承（2.7）外圈固定在转子顶盖（2.5）上，转子顶盖（2.5）通过螺栓将密封圈（2.8）压紧并固定在转子底座（2.4）上，转子底座（2.4）通过深沟球轴承固定在主动质量架（1.2）上，旋进电机（2.2）通过螺栓固定在主动质量架（1.2）上，旋进电机（2.2）与转子底座（2.4）的轴通过联轴器固定，转子电机（2.1）与转子（2.3）的轴通过联轴器固定；传感器固定在车身上，并通过导线与控制决策器相连，控制决策器通过导线与蓄电池及主动陀螺作动器相连，蓄电池通过导线与主动陀螺作动器相连。
2.根据权利要求1所述的一种主动陀螺稳定系统，其特征在于所述的滚珠（1.5）均匀地嵌入基座（1.1）与主动质量架（1.2）配合的四个面。
3.根据权利要求1所述的一种主动陀螺稳定系统，其特征在于所述的电磁驱动AMD部分包括脉冲宽度调制变换器、位置比例调节器、速度调节器、电流调节器、逆变器；光栅传感器（1.3）连接至位置比例调节器，位置比例调节器连接至速度比例调节器，速度比例调节器连接至电流调节器、电流调节器连接至脉冲宽度调制变换器，脉冲宽度调制变换器连接至逆变器，逆变器与推力绕组（1.7）连接。
4.根据权利要求1所述的一种主动陀螺稳定系统，其特征在于所述的单轴双陀螺部分包括两个陀螺转子（2.3）、两个转子电机（2.1）、两个旋进电机（2.2）。
5.一种如权利要求1所述的主动陀螺稳定系统的控制方法，其特征在于包括以下控制方法：将主动陀螺稳定系统安装在车底盘上，使得主动质量架（1.2）的运动方向与车辆的前进方向垂直，当主动陀螺稳定系统开始工作时，两个转子电机（2.1）以一定大小、方向相反的速度旋转，车辆未发生偏转时，两个旋进电机（2.2）的角速度为零，两个转子（2.3）的轴线竖直；当车辆受到扰动力矩作用而发生偏转时，传感器将所采集到的信息传送到控制决策器，控制决策器按照既定的控制算法计算后，将控制信号传送到主动陀螺作动器的电磁驱动AMD部分和单轴双陀螺部分，电磁驱动AMD部分所产生的洛仑兹力作用在基座（1.1）上，在车上产生力矩M1而对抗扰动力矩，双陀螺部分的旋进电机在控制信号下做出不同方向的旋进，使得单轴双陀螺部分产生力矩M2对抗扰动力矩，在力矩M1、M2共同作用下，车辆快速回正并保持稳定；当稳定系统需要停止工作时，光栅传感器（1.3）将主动质量架（1.2）的位置信息传给控制决策器，控制决策器发出信号给电磁驱动AMD部分，将主动质量架（1.2）停在车辆中心线上，保证重心与支点连线竖直。
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