CN105867394A - 一种自平衡电动车运行控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自平衡电动车运行控制方法及其装置，属于自平衡电动车技术领域，本发明通过对姿态位置角度偏移的感知等系列运算，来控制运行，以此提高运行的精确性及灵敏性。

Description

一种自平衡电动车运行控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种自平衡电动车运行控制方法及其装置，属于交通工具技术领域。

背景技术

自平衡车是一种短途代步车，目前在市场上广为流行，一般自平衡车，都是直接利用电能转换为动能，通过对车身的姿势状态的信号采集，直接进行高速处理器计算出控制指令，来驱动电机运行。目前市面上的自平衡电动车与普通的电动车相比，自平衡电动车给每个轮子都配备了一个无刷电机，希望以此提高车子运行性能，达到自平衡车对可靠性及精确性的要求。

现有技术中，缺乏对电机实际电流的有效控制，以及运算速度快且行之有效的电机运行控制方法，导致电机在运行过程中存在较大的扭矩波动，以及车子控制运行时灵敏度不够。

发明内容

本发明公开了一种自平衡电动车运行控制方法，通过传感器采集车身姿态数据，计算出车身姿态角，根据车身姿态角计算出电机交轴电流目标值；对电机相电流实时采样，同时利用传感器检测电机转子位置角度，根据相电流值和转子位置角度计算电机实时的交轴电流和直轴电流；根据交轴电流目标值和电机实时交轴电流值计算出交轴控制信号，根据直轴电流目标值和电机实时直轴电流值计算出直轴控制信号；根据交轴控制信号和直轴控制信号以及转子位置角度计算出电机的驱动信号。其中车身姿态角为实时车身与自平衡车静止平衡时车身的夹角。通过本方法不但有效控制了实际电流，并且缩短了运算时间，提高了车子的灵敏度。

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，其中传感器可以获取车身车身姿态数据、电机相电流以及电机转子位置角度信息，所述传感器可以为一个，也可以为两个或两个以上。

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，其中用于采集车身姿态数据的传感器可以为陀螺仪加速计。

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，其中通过陀螺仪加速计采集车身姿态数据，计算出车身姿态角，根据车身姿态角计算出电机交轴电流目标值。

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，其中检测电机转子位置角度的传感器可以为开关霍尔传感器。

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，发明人为提高开关霍尔传感器感测信号的精确性，本发明中每个电机上的开关霍尔优选三个，并且把三个开关霍尔按 120 °分设于电机上。

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，其中所述通过采集车身姿态数据，计算车身姿态角生成电机交轴电流目标值包括：根据所述车身姿态角进行计算调节生成电机交轴电流目标值。

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，其中根据所述交轴电流目标值和电机实时交轴电流值得到交轴控制信号包括：根据所述交轴电流目标值和电机实时交轴电流值计算交轴电流差值；对所述交轴电流差值进行计算调节生成交轴控制信号。

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，其中根据所述直轴电流目标值和电机实时直轴电流值得到直轴控制信号包括：根据所述直轴电流目标值和电机实时直轴电流值计算直轴电流差值；对所述直轴电流差值进行计算调节生成直轴控制信号

本发明所述的自平衡电动车运行控制方法，其中根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、电机转子位置角度生成所述电机的驱动信号包括：对所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、电机转子位置角度应用空间矢量脉宽调制方法，生成所述电机的驱动信号。

本发明另一方面公开了一种自平衡车电机运行控制装置，由目标信号计算单元、电机信号变换单元、控制信号计算单元、驱动信号变换单元等单元构成，其中目标信号计算单元，通过传感器采集车身姿态数据，计算出车身姿态角，根据车身姿态角计算出电机交轴电流目标值。其中电机信号变换单元，通过对电机相电流实时采样获得电机实时电流值，同时利用传感器检测电机转子位置角度，根据电机相电流及转子位置角度计算电机实时的交轴电流和直轴电流。其中控制信号计算单元，根据交轴电流目标值和电机实时交轴电流值计算出交轴控制信号，根据直轴电流目标值和电机实时直轴电流值计算出直轴控制信号。其中驱动信号变换单元，根据交轴控制信号和直轴控制信号以及转子位置角度计算出电机的驱动信号。

本发明所述的自平衡车电机运行控制装置，其中所述的传感器为可以获取车身车身姿态数据、电机相电流以及电机转子位置角度信息，所述传感器可以为一个，也可以为两个或两个以上。

本发明所述的自平衡车电机运行控制装置，其中所述的用于采集车身姿态数据的传感器为陀螺仪加速计；所述的检测电机转子位置角度的传感器为开关霍尔传感器。开关霍尔传感器每个电机优选三个，按 120 °分设于电机上。

本发明所述的自平衡车电机运行控制装置，其中所述目标信号计算单元包括：计算模块和调节器，所述计算模块用于根据所述车身姿态数据计算车身姿态角，所述调节器用于对所述车身姿态角进行计算调节生成电机交轴电流目标值。

本发明所述的自平衡车电机运行控制装置，其中所述控制信号计算单元包括计算单元、交轴电流调节器和直轴电流调节器，所述计算单元用于根据所述交轴电流目标值和电机实时交轴电流值信号计算出交轴电流差值，以及用于根据直轴电流目标值和电机实时直轴电流值生成直轴电流差值；所述交轴电流调节器用于对所述交轴电流差值进行计算调节生成交轴控制信号；所述直轴电流调节器用于对所述直轴电流差值进行计算调节生成直轴控制信号。

本发明也公开了一种自平衡车，其安装有上述自平衡车电机运行控制装置。

本发明中通过根据车身姿态数据计算车身姿态角后，根据车身姿态角直接计算生成交轴电流目标值，算法简单快捷，并且自平衡车均通过车身姿态控制运行，我们通过对车身姿态数据来直接计算，可以有效提高运行控制的精确度。再通过对所述电机的电流信号进行实时采样，并根据所述电机的相电流值以及传感器感测到的电机转子位置角度，计算生成所述电机的实时交轴电流信号以及实时直轴电流信号，本处利用三个开关霍尔按 120 °角分设于电机来监测电机转子的位置角度，使数据捕捉的更为精准；根据所述交轴电流目标值和所述实时交轴信号得到交轴控制信号，根据直轴电流目标值与实时直轴电流值计算得到直轴控制信号；最后根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的转子位置角度计算生成所述电机的驱动信号，使得整个装置的控制原理完全基于闭环反馈控制，从而提高了电机的控制精度。

附图说明

本发明的附图是为了对本发明进一步说明，而非对发明范围的限制。

图 1 为本发明所述的自平衡电动车运行控制方法流程示意图。

图 2 为本发明所述的自平衡车电机运行控制装置示意图。

图 3 为本发明所述的自平衡车电机运行控制结构图。

具体实施方式

本发明的实施例是为了对本发明进一步解释说明，而非对本发明的发明范围限制。

实施例 1 。

通过传感器得到车身姿态数据，根据车身姿态数据计算车身姿态角，根据所述车身姿态角计算生成交轴电流目标值；对所述电机的相电流实时采样，并根据对所述电机的相电流值以及传感器感测到的电机转子位置角度，计算所述电机的实时交轴电流信号以及实时直轴电流信号；根据所述交轴电流信号目标值和所述实时交轴电流值计算得到交轴控制信号，根据直轴电流目标值与实时直轴电流值得到直轴控制信号；根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机转子位置角度计算生成所述电机的驱动信号。

本发明可以运用于单个轮子的自平衡车，车轮使用独立的电机进行控制，并不局限于一个轮子的自平衡车，也可以运用于双轮、三轮或者四轮动平衡车。本发明实施例中仅以一个轮子为例进行阐述，其他均可参照。

本发明的自平衡电动车运行控制方法流程见图 1 ，具体表述如下：

1 、根据传感器信号计算车身姿态角：

所述的传感器信号，即通过传感器获取车身的姿态数据，该传感器具体可以为陀螺仪加速计传感器。获取车身姿态数据后计算出车身姿态角。

、根据所述车身姿态角计算生成电机交轴电流目标值：

对所述车身姿态角进行比例微分调节生成电机交轴电流目标值。

、对所述电机的相电流实时采样：

在对电机的电流信号进行采样时，主要采集电机的两相相电流 ia 和 ib 。需要说明的是，在具体采样时，采样的频率可以根据最终给电机的驱动信号的频率来设定。

、根据所述电机的相电流值以及传感器感测到的电机转子角度计算生成所述电机的实时交轴电流以及实时直轴电流：

上述采样结果包括相电流的幅值和方向。其中实时交轴电流 iq ，实时直轴电流 id ，电机转子位置角度θ。

、根据所述交轴电流目标值和所述实时交轴电流值得到交轴控制信号：

（ 1 ）根据所述交轴电流目标值和所述实时交轴电流值生成交轴电流差值：交轴电流差值的生成可以依赖于硬件比如运放，或者纯软件实现。

（ 2 ）对所述交轴电流差值进行比例积分调节生成交轴控制信号：

比例积分控制的参数 P 和 I 可以参照经验及车身实际运行情况确定。交轴控制信号将具体为交轴控制电压 Vq 。

、根据直轴电流信号目标值与实时直轴电流值得到直轴控制信号：

根据直轴电流信号目标与实时直轴电流值生成直轴电流差值，直轴电流差值的生成可以依赖于硬件比如运放，或者纯软件实现。对所述直轴电流差值进行比例积分调节生成直轴控制信号，比例积分调节的参数 P 和 I 可以根据经验及车身实际运行情况确定。直轴控制信号具体为直轴控制电压 Vd 。

、根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机转子位置角度生成所述电机的驱动信号：

采用空间矢量脉宽调制方法，对所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机电机转子位置角度进行计算变换生成所述电机的驱动信号。

如图 2 所示，自平衡车电机运行控制装置可以包括：目标信号计算单元 101 、电机信号变换单元 102 、控制信号计算单元 103 和驱动信号变换单元 104 。

目标信号计算单元 101 ：通过传感器采集车身姿态数据，计算车身姿态角，根据所述车身姿态角计算电机交轴电流目标值。

电机信号变换单元 102 ：通过对电机相电流实时采样获得电机实时电流值，同时利用传感器检测电机转子位置角度，根据所述电机相电流及转子位置角度计算所述电机实时的交轴电流和直轴电流

控制信号计算单元 103 ：根据所述交轴电流目标值和电机实时交轴电流值计算出交轴控制信号，根据所述直轴电流目标值和电机实时直轴电流值计算出直轴控制信号。

驱动信号变换单元 104 ：根据所述交轴控制信号和直轴控制信号以及转子位置角度计算出电机的驱动信号。

具体自平衡车电机运行控制装置包括：姿态计算模块 1 、传感器 2 、车身姿态 PD 调节器 3 、交轴电流误差检测器 4 、交轴电流 PI 调节器 5 、 SVPWM 矢量控制器 6 、电机 7 、传感器 8 、电流采样计算模块 9 、直轴电流误差检测器 11 和直轴电流 PI 调节器 12 。

传感器 2 与姿态计算模块 1 连接，姿态计算模块 1 与姿态 PD 调节器 3 连接，姿态 PD 调节器 3 与交轴电流误差检测器 4 连接，交轴电流误差检测器 4 与交轴电流 PI 调节器 5 连接，交轴电流 PI 调节器 5 与 SVPWM 矢量控制器 6 连接， SVPWM 矢量控制器 6 与电机 7 通过相线连接，电机 7 与传感器 8 连接，传感器 8 分别与 SVPWM 矢量控制器 6 、电流采样计算模块 9 信号连接，以将采集到的角度信号分别传送给 SVPWM 矢量控制器 6 和电流采样计算模块 9 ，电流采样计算模块 9 与 SVPWM 矢量控制器 6 和所述电机 7 之间的相线连接，电流采样计算模块 9 分别与交轴电流误差检测器 4 和直轴电流误差检测器 11 连接，直轴电流误差检测器 11 与参考零目标点连接，直轴电流误差检测器 11 与直轴电流 PI 调节器 12 连接，直轴电流 PI 调节器 12 与 SVPWM 矢量控制器 6 连接。

姿态计算模块 1 、传感器 2 、姿态 PD 调节器 3 组成图 2 中的目标信号计算单元。姿态计算模块 1 作为目标信号计算单元中的计算模块， PD 调节器 3 作为目标信号计算单元中的调节器。

电流采样计算模块 9 和传感器 8 作为图 2 中的电机信号变换单元。

交轴电流误差检测器 4 、交轴电流 PI 调节器 5 、直轴电流误差检测器 11 、直轴电流 PI 调节器 12 组成图 2 中的控制信号计算单元。交轴电流误差检测器 4 和直轴电流误差检测器 11 组成控制信号计算单元中的计算单元，交轴电流 PI 调节器 5 作为控制信号计算单元中的交轴电流调节器，直轴电流 PI 调节器 12 作为控制信号计算单元中的直轴电流调节器。

交轴电流误差检测器 4 用来计算交轴电流目标值和实时交轴电流之间的差值；直轴电流误差检测器 11 用来计算直轴电流目标值与实时直轴电流值之间的差值。

矢量控制器 6 作为图 2 中的驱动信号变换单元。

在电机进行工作过程中传感器感测车身姿态数据。姿态计算模块 1 根据姿态数据计算得到车身姿态角，经过 PD 调节器 3 后作为交轴电流目标值。

电流采样计算模块 9 与 SVPWM 矢量控制器 6 和所述电机 7 之间的相线连接，具体为与两相线电流连接。采用两相线电流采样方式进行电机的电流采样和计算，并且电流采样计算模块 9 使用精密电流采样电阻进行电流的检测，直接得到电机相电流，从而实现电机输出力矩的精确控制。

电流采样计算模块 9 通过对电机 7 的其中两相相电流 ia 和 ib 进行采样，并结合接收到传感器 8 的电机转子位置角度θ信号，计算得到电机的实时交轴电流 iq 和实时直轴电流 id 。

交轴电流目标值与实时交轴电流 iq 比较，经过交轴电流 PI 调节器 5 后得到交轴控制电压 Vq 。

实时直轴电流 id 与目标零值进行比较，经过直轴电流 PI 调节器 12 后得到直轴控制电压 Vd 。

矢量控制器结合接收到的传感器 8 的电机转子位置角度θ信号、交轴控制电压 Vq 和直轴控制电压 Vd 进行空间矢量脉宽调制，最终得到用于驱动电机的三相交流信号。

电流采样计算模块 9 、交轴电流 PI 调节器 5 、直轴电流 PI 调节器 12 和 SVPWM 矢量控制器 6 构成电流内闭环反馈控制，从而实现电机力矩的精确控制；姿态计算模块 1 、姿态角 PD 调节器 3 和上述电流内闭环构成车身姿态角外闭环反馈控制，从而实现车身姿态角的精确控制。

当车身向前倾时，其姿态角经过姿态角 PD 调节器 3 后形成一个正向的交轴电流目标值，经由交轴电流 PI 调节器 5 内闭环调节后提高了电机的转矩电流，使得电机输出转矩增加，转速提高，使得车身趋向平衡；反之当车身向后倾时，电机驱动电流降低，转矩减小，速度降低。

采用 SVPWM 矢量控制器的驱动调制方式，还可达到使得电机在运行过程中尤其是低速大转矩输出的时候转矩脉动小，降低电机和 MOS 管的发热量，具有提高能源利用效率和延长电机及控制器寿命的优点。

与现有的方案相比，本发明上述实施例中，首先根据车身姿态数据计算车身姿态角，再根据车身姿态角计算生成电机交轴电流目标值，再通过对所述电机的电流信号进行实时采样，并根据所述电机的相电流值以及传感器感测到的电机转子位置角度，计算生成所述电机的实时交轴电流信号以及实时直轴电流信号；根据所述交轴电流目标值和所述实时交轴信号得到交轴控制信号，根据直轴电流目标值与实时直轴电流值计算得到直轴控制信号；最后根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的转子位置角度计算生成所述电机的驱动信号，使得整个运算过程简单快捷，并且装置的控制原理完全基于闭环反馈控制，从而提高了电机的控制精度。

Claims (14)

1.一种自平衡电动车运行控制方法：

通过传感器采集车身姿态数据，计算出车身姿态角，根据车身姿态角计算出电机交轴电流目标值；

对电机相电流实时采样，同时利用传感器检测电机转子位置角度，根据相电流值和转子位置角度计算电机实时的交轴电流和直轴电流；

根据交轴电流目标值和电机实时交轴电流值计算出交轴控制信号，根据直轴电流目标值和电机实时直轴电流值计算出直轴控制信号；

根据交轴控制信号和直轴控制信号以及转子位置角度计算出电机的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的自平衡电动车运行控制方法，其特征在于通过所述的传感器，获取车身姿态数据，电机相电流以及电机转子位置角度。

3.根据权利要求1所述的自平衡电动车运行控制方法，其特征在于所述的用于采集车身姿态数据的传感器为陀螺仪加速计。

4.根据权利要求1所述的自平衡电动车运行控制方法，其特征在于所述的检测电机转子位置角度的传感器为开关霍尔传感器。

5.根据权利要求4所述的自平衡电动车运行控制方法，其特征在于每个电机上的开关霍尔传感器为三个，三个开关霍尔按120°分设于电机上。

6.根据权利要求1 所述的自平衡电动车运行控制方法，其特征在于，根据所述车身姿态数据，计算车身姿态角生成交轴电流目标值包括：根据所述车身姿态角进行计算调节生成交轴电流目标值。

7.根据权利要求1 所述的自平衡电动车运行控制方法，其特征在于，根据所述交轴电流目标值和电机实时交轴电流值得到交轴控制信号包括：根据所述交轴电流目标值和电机实时交轴电流值计算交轴电流差值；对所述交轴电流差值进行计算调节生成交轴控制信号。

8.根据权利要求1 所述的自平衡电动车运行控制方法，其特征在于，根据所述直轴电流目标值和电机实时直轴电流值得到直轴控制信号包括：根据所述直轴电流目标值和电机实时直轴电流值计算直轴电流差值；对所述直轴电流差值进行计算调节生成直轴控制信号。

9.根据权利要求1 所述的自平衡电动车运行控制方法，其特征在于，根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、电机转子位置角度生成所述电机的驱动信号包括：对所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、电机转子位置角度应用空间矢量脉宽调制方法，生成所述电机的驱动信号。

10. 一种自平衡车电机运行控制装置，包括：目标信号计算单元、电机信号变换单元、控制信号计算单元、驱动信号变换单元：

目标信号计算单元，通过传感器采集车身姿态数据，计算出车身姿态角，根据车身姿态角计算出电机交轴电流目标值；

电机信号变换单元，通过对电机相电流实时采样获得电机实时电流值，同时利用传感器检测电机转子位置角度，根据电机相电流及转子位置角度计算电机实时的交轴电流和直轴电流；

控制信号计算单元，根据交轴电流目标值和电机实时交轴电流值计算出交轴控制信号，根据直轴电流目标值和电机实时直轴电流值计算出直轴控制信号；

驱动信号变换单元，根据交轴控制信号和直轴控制信号以及转子位置角度计算出电机的驱动信号。

11.根据权利要求10所述的自平衡车电机运行控制装置，其特征在于所述的用于采集车身姿态数据的传感器为陀螺仪加速计；所述的检测电机转子位置角度的传感器为霍尔传感器。

12.根据权利要求10所述的自平衡车电机运行控制装置，其特征在于所述目标信号计算单元包括：计算模块和调节器，所述计算模块用于根据所述车身姿态数据计算车身姿态角，所述调节器用于对所述车身姿态角进行计算调节生成交轴电流目标值。

13.根据权利要求10所述的自平衡车电机运行控制装置，其特征在于所述控制信号计算单元包括计算单元、交轴电流调节器和直轴电流调节器，所述计算单元用于根据所述交轴电流目标值和电机实时交轴电流值信号计算出交轴电流差值，以及用于根据直轴电流目标值和电机实时直轴电流值生成直轴电流差值；

所述交轴电流调节器用于对所述交轴电流差值进行计算调节生成交轴控制信号；所述直轴电流调节器用于对所述直轴电流差值进行计算调节生成直轴控制信号。

14.一种自平衡车，其特征在于，包括权利要求10-13 任意一项所述的自平衡车电机运行控制装置。