CN109291943B - 用于大跨距双轨道上的同步行走方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大跨距双轨道上的同步行走方法及装置，装置包括：步进或交流伺服驱动控制器，发出步进驱动指令或者交流伺服驱动指令；两组分开设置的步进或交流伺服电机，分别与步进或交流伺服驱动控制器连接，用以接收来自驱动控制器的相同的驱动指令，并在驱动指令下进行旋转；两组车轮，相隔的距离与双轨道的跨距一致，分别与两组分开设置的步进或交流伺服电机连接，用以在步进或交流伺服电机的旋转下被带动进行同步旋转。本发明的提供的用于大跨距双轨道上的同步行走方法及装置采用伺服电机或步进电机做为车轮的驱动电机，以及采用伺服驱动或步进驱动方法，能够保证电机转速不随负载变化，能够精准控制车轮车轮转动，保证车轮行走同步。

Description

用于大跨距双轨道上的同步行走方法及装置

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体地说，涉及一种用于大跨距双轨道上的同步行走方法及装置。

背景技术

目前解决大跨距双轨道行走的桥梁检查车、吊车等行走装置两边车轮行走同步的方法有两边车轮机械同轴和电气同轴两种方法。机械同轴一般是两边车轮机械硬连接，两边车轮同步转动，对于大跨距的行走装置来说结构上很难实现；电气同轴就是两边车轮驱动电机性能完全相同、同时停启来保证两边车轮同步，受驱动电机特性的影响，两边负载差异会造成车轮行走不同步(负载大的车轮行走慢、负载小的车轮行走快)。

以上两种方法，都不能解决车轮打滑引起的不同步问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于大跨距双轨道上的同步行走装置，所述装置包括：

步进或交流伺服驱动控制器，其用以发出步进驱动指令或者交流伺服驱动指令；

两组分开设置的步进或交流伺服电机，其分别与所述步进或交流伺服驱动控制器连接，用以接收来自所述驱动控制器的相同的驱动指令，并在所述驱动指令下进行旋转；

两组车轮，其相隔的距离与双轨道的跨距一致，并分别与所述两组分开设置的步进或交流伺服电机连接，用以在所述步进或交流伺服电机的旋转下被带动进行同步旋转。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：

在所述车轮和所述步进或交流伺服电机之间连接的减速机，其用以减速以及增大扭矩。

根据本发明的一个实施例，所述交流伺服电机还向所述驱动控制器反馈当前状态，以便于所述驱动控制器产生更准确的驱动指令。

根据本发明的一个实施例，所述车轮为胶轮，或者所述车轮的外周包覆有胶层。

根据本发明的一个实施例，所述车轮包括承载轮和承载轮一侧的驱动轮，其中所述承载轮为钢轮，所述驱动轮为链轮或齿轮，以与固定在轨道上的链条或齿条啮合。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于大跨距双轨道上的同步行走方法，所述方法包括：

发出步进驱动指令或者交流伺服驱动指令；

控制两组分开设置的步进或交流伺服电机在所述步进驱动指令或者所述交流伺服驱动指令下进行旋转；

通过两组分开设置的所述步进或交流伺服电机连接两组车轮，以使所述两组车轮在所述步进或交流伺服电机的旋转下被带动进行同步旋转，其中，所述两组车轮相隔的距离与双轨道的跨距一致。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

在所述车轮和所述步进或交流伺服电机之间连接的减速机进行减速以及增大扭矩。

根据本发明的一个实施例，步进或交流伺服驱动及控制器向两组所述步进或交流伺服电机发出的指令相同，所述步进或交流伺服驱动电机参数相同，所述减速机参数以及所述车轮参数相同，以保障所述两组车轮同步行走。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

所述交流伺服电机向所述交流伺服驱动及控制器反馈当前状态，所述驱动及控制器根据所述当前状态产生更准确的驱动指令，以保证所述两组车轮同步行走。

本发明的有益之处在于，在无坡度或小坡度行走情况下，车轮采用胶轮或包覆胶层的钢轮，可以增大车轮与轨道的摩擦系数，防止车轮打滑；在大坡度行走情况下，车轮采用承载轮+驱动轮组合方式，承载轮为钢轮，驱动轮为链轮或齿轮，分别与固定在轨道上链条或齿条啮合，可以完全消除车轮打滑的可能性。另外，采用伺服电机或步进电机做为车轮的驱动电机，以及采用伺服驱动或步进驱动方法，能够保证电机转速不随负载变化，并且能够精准控制车轮转动，从而保证车轮行走同步。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于大跨距双轨道上的同步行走装置；

图2显示了根据本发明的一个实施例的伺服驱动方法示意图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的步进驱动方法示意图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的包覆胶层车轮示意图；

图5显示了根据本发明的一个实施例的运用链轮链条方案的承载轮和驱动轮分离方案示意图；

图6显示了根据本发明的一个实施例的运用齿轮齿条方案的承载轮和驱动轮分离方案示意图；

图7显示了根据本发明的一个实施例的用于大跨距双轨道上的同步行走方法流程图；

图8显示了根据本发明的另一个实施例的用于大跨距双轨道上的同步行走方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于大跨距双轨道上的同步行走装置。如图1所示，同步行走装置包含外部电源101、电机驱动及控制器102、电机103以及车轮104。其中电机103包含电机103A以及电机103B，车轮104包含车轮104A以及车轮104B。需要说明的是，本发明中使用的电机一般为两组，在此以电机103A以及电机103B来表示每组电机的名称。

行走装置中各组成部分之间的连接关系为，外部电源101连接电机驱动及控制器102，电机驱动及控制器102连接电机103A以及电机103B，电机103A连接车轮104A，电机103B连接车轮104B。

外部电源101向电机驱动及控制器102供电，电机驱动及控制器102用来发布电机驱动指令，使得电机103在电机驱动指令的控制下旋转。电机103A以及电机103B会接收电机驱动及控制器102的电机驱动指令，在电机驱动指令的控制下带动车轮104旋转。车轮104A以及车轮104B行驶在轨道上。

为了解决大跨距双轨道上的车轮104同步行走问题，本发明提供了一种同步行走的装置，通过电机驱动及控制器102同步发布电机驱动指令至电机103A以及电机103B，使得电机103A以及电机103B在电机驱动指令的控制下同步带动车轮104A以及车轮104B旋转，使得车轮104A以及车轮104B同步行驶在轨道上。

图2显示了根据本发明的一个实施例的伺服驱动方法示意图。如图2所示，伺服驱动方法所需的装置包括，外部电源101、交流伺服驱动及控制器202、交流伺服电机203、减速机204以及车轮104。其中，交流伺服电机203包含交流伺服电机203A以及交流伺服电机203B，减速机204包含减速机204A以及减速机204B，车轮104包含车轮104A以及车轮104B。

外部电源101连接交流伺服驱动及控制器202，用来给交流伺服驱动及控制器202供电。交流伺服驱动及控制器202连接交流伺服电机203A以及交流伺服电机203B。交流伺服驱动及控制器202向交流伺服电机203A以及交流伺服电机203B发送驱动指令，并接受交流伺服电机203A以及交流伺服电机203B发送的反馈信息。交流伺服电机203A连接减速机204A，减速机204A连接车轮104A，车轮104A行驶在轨道1上。交流伺服电机203B连接减速机204B，减速机204B连接车轮104B，车轮104B行驶在轨道2上。

交流伺服电机203A向减速机204A发送驱动指令，减速机204A向车轮104A发送驱动指令。交流伺服电机203B向减速机204B发送驱动指令，减速机204B向车轮104B发送驱动指令。

交流伺服电机203的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子铁心中安放着空间互成90度的两相绕组。其中一组为励磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电机203是一种两相的交流电动机。

交流伺服电机203使用时，励磁绕组两端施加恒定的励磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电机就会转动起来。通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。

如图2所示的伺服驱动方法，外部电源101给交流伺服驱动及控制器202供电，交流伺服驱动及控制器202发出驱动指令即驱动脉冲。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，交流伺服电机203A以及交流伺服电机203B每收到一个驱动脉冲会旋转一个角度，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。即交流伺服电机203A以及交流伺服电机203B会反馈一个脉冲信号，交流伺服驱动及控制器202会比较输出脉冲和反馈脉冲是否一致，判定伺服电机是否“丢步”。“丢步”是指伺服电机控制器发出N个脉冲，但是伺服电机未执行到N步，即部分脉冲丢掉了。

目前的伺服电机“丢步”的原因主要有：

第一，因选型不合适导致的力矩欠缺，没有足够余量，导致机械部分因摩擦力等外力的突然增加，伺服电机力矩不足导致的电动机失步。

第二，因为控制的加减速做得过陡，或者没有加减速，导致的失步。

第三，因为干扰，如控制器到驱动器之间的线过长，驱动器到电动机的线过长，或者有强干扰源，或者开关电源不稳定，或者驱动器与其他电器共用电源导致的分压等干扰。引起电机失步。

在本发明提供的一种用于大跨距双轨道上的同步行走方法及装置中如果发生“丢步”的现象，可对照以上三个方面查找原因，然后做出对应的改进措施。

驱动脉冲的数量和频率决定交流伺服电机203累积旋转角度和转速。根据伺服电机性能和车轮所要求的转速、驱动力矩匹配减速机204，交流伺服电机203经过减速机204驱动车轮104。如果交流伺服电机203、减速机204、车轮104参数相同，交流伺服驱动及控制器202发出的驱动指令的相同，那么车轮104累积旋转角度和转速就完全相同，从而保证车轮104同步。

图3显示了根据本发明的一个实施例的步进驱动方法示意图。如图3所示，步进驱动方法所需的装置包括，外部电源101、步进驱动及控制器302、步进电机303、减速机204以及车轮104。其中，步进电机303包含步进电机303A以及步进电机303B，减速机204包含减速机204A以及204B，车轮104包含车轮104A以及车轮104B。

其中，外部电源101连接步进驱动及控制器302，外部电源101用来向步进驱动及控制器302供电，步进驱动及控制器302连接步进电机303A以及步进电机303B，步进驱动及控制器302会向步进电机303A以及步进电机303B发送驱动指令。步进电机303A连接减速机204A，减速机204A连接车轮104A，车轮104行驶在轨道1上。步进电机303B连接减速机204B，减速机204B连接车轮104B，车轮104B行驶在轨道2上。步进电机303A向减速机204A发送驱动指令，减速机204A向车轮104A发送驱动指令。步进电机303B向减速机204B发送驱动指令，减速机204B向车轮104B发送驱动指令。

步进电机303是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步进驱动及控制器302接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机303按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，步进电机303的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机(Variable Reluctance，VR)、永磁式步进电机(Permanent Magnet，PM)、混合式步进电机(Hybrid Stepping，HS)、单相步进电机、平面步进电机等多种类型。步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系，步进电机控制系统从其控制方式来看，可以分为以下三类：开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。半闭环控制系统在实际应用中一般归类于开环或闭环系统中。

其中，反应式步进电机的定子上有绕组，转子由软磁材料组成。反应式步进发电机的结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

永磁式步进电机的转子由永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大(一般为7.5°或15°)。

混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

另外，步进电机按照定子上绕组来分，可以分为二相、三相以及五相等步进电机系列。

需要说明的是，以上提到的能够满足本发明需求的步进电机均可以应用到本发明的同步行走装置中，使用者可以根据需求选择合适的步进电机，本发明不限于此。

如图3所示，外部电源101给步进驱动及控制器302供电，步进驱动及控制器302发出驱动指令即驱动脉冲，步进电机303A以及步进电机303B每收到一个驱动脉冲会旋转一个角度。驱动脉冲的数量和频率决定步进电机303A以及步进电机303B累积旋转角度和转速。根据步进电机303A以及步进电机303B性能和车轮转速、驱动力矩匹配减速机204，步进电机303A以及步进电机303B经过减速机204A以及减速机204B驱动车轮104。

如果步进电机303、减速机204、车轮104参数相同，步进驱动及控制器302发出的驱动指令相同，那么车轮104累积旋转角度和转速就完全相同，从而保证车轮104同步。步进驱动与伺服驱动原理基本相同，但步进驱动不能判断步进电机是否“丢步”。

虽然交流伺服驱动和步进驱动能保证大跨距双轨道行走的行走装置两边车轮转动同步，但如果车轮与轨道打滑，还是会引起行走装置两边行走不同步。因此必须消除车轮与轨道的滑动。

图4显示了根据本发明的一个实施例的包覆胶层车轮示意图。如图4所示，包含车轮401、胶层402以及轨道403。

车轮401采用胶轮或包覆胶层的钢轮，可以增大车轮401与轨道403的摩擦力，在行走无坡度或坡度很小的场合，可以消除车轮401与轨道403的滑动。

另外，除了在车轮外附着胶层增大摩擦力的方法，本发明还提供了另外消除车轮与轨道间滑动的方法。

图5显示了根据本发明的一个实施例的运用链轮链条方案的承载轮和驱动轮分离方案示意图。支持方案实施的组成部分有承载轮501、驱动链(链轮)502、链条503以及轨道504。

图6显示了根据本发明的一个实施例的运用齿轮齿条方案的承载轮和驱动轮分离方案示意图。支持方案实施的组成部分有承载轮601、驱动轮(齿轮)602、齿条603以及轨道604。

如图5以及图6所示，车轮采用承载轮+驱动轮组合方式，承载轮601为钢轮，能够在轨道上自由滚动，承担装置自重和载荷。驱动轮为链轮或齿轮，分别与固定在轨道上链条或齿条啮合，驱动轮由驱动电机(交流伺服电机或步进电机)驱动驱动装置在轨道上行走。图5以及图6所示的方案消除了车轮打滑的可能性，适合于大坡度行走的场合。

图7显示了根据本发明的一个实施例的用于大跨距双轨道上的同步行走方法流程图。如图7所示，在步骤S701中，发出步进驱动指令或者交流伺服驱动指令，即步进驱动及控制器发出步进驱动指令，交流伺服驱动及控制器发出交流伺服驱动指令。

接着，在步骤S702中，控制两组分开设置的步进或者交流伺服电机在步进驱动指令或者伺服驱动指令下进行旋转。步进或交流伺服电机一般为两组，均连接在步进或交流伺服驱动及控制器上，接收步进或交流伺服驱动及控制器发送的驱动指令，在驱动指令的控制下进行旋转。

最后，在步骤S703中，通过两组分开设置的步进或者交流伺服电机连接两组车轮，以使两组车轮在步进或交流伺服电机的旋转下被带动进行同步旋转，其中，两组车轮相隔的距离与双轨道的跨距一致。每组步进或交流伺服电机均连接一个车轮，每个车轮都在步进或交流伺服电机的驱动下进行旋转。两组车轮由于接受的步进或交流伺服驱动指令相同，因此，可以保证两组车轮同步行驶在轨道上。

本发明提出的用于大跨距双轨道上的同步行走方法由步进或交流伺服驱动及控制器发送步进驱动指令或交流伺服驱动指令，以上指令会同步发送至两组分开设置的步进或交流伺服电机，两组步进或交流伺服电机分别连接一个车轮，车轮会在步进或交流伺服电机的带动下进行同步旋转，这样，就可以保证两组大跨距的车轮同步行走。

另外，为了防止由于驱动命令误差以及其他误差引起的车轮行走不同步的问题，本发明还可以采用如下方法来解决车轮同步行走的问题。

图8显示了根据本发明的另一个实施例的用于大跨距双轨道上的同步行走方法流程图。如图8所示，在步骤S801中，发出交流伺服驱动指令，即交流伺服驱动及控制器发出交流伺服驱动指令。

接着，在步骤S802中，控制两组分开设置的交流伺服电机在交流伺服驱动指令下进行旋转。两组交流伺服电机接收来自交流伺服驱动及控制器的交流伺服驱动指令，并在指令的控制下进行旋转。

另外，在步骤S803中，交流伺服电机向交流伺服驱动及控制器反馈当前状态，驱动及控制器根据当前状态产生更准确的驱动指令，以保证两组车轮同步行走。为了能够实时校正驱动指令的准确性，交流伺服电机会向交流伺服驱动及控制器实时反馈电机的当前其状态，驱动及控制器会根据电机反馈的实时状态调整驱动指令，使之能够更加准确，确保两组车轮能够同步行走。

最后，在步骤S804中，通过两组分开设置的交流伺服电机连接两组车轮，以使两组车轮在交流伺服电机的旋转下被带动进行同步旋转，其中，两组车轮相隔的距离与双轨道的跨距一致。两组交流伺服电机分别连接分置于两端的车轮，带动车轮同步行走在轨道上。

本发明的有益之处在于，在无坡度或小坡度行走情况下，车轮采用胶轮或包覆胶层的钢轮，可以增大车轮与轨道的摩擦系数，防止车轮打滑；在大坡度行走情况下，车轮采用承载轮+驱动轮组合方式，承载轮为钢轮，驱动轮为链轮或齿轮，分别与固定在轨道上链条或齿条啮合，可以完全消除车轮打滑的可能性。另外，采用伺服电机或步进电机做为车轮的驱动电机，以及采用伺服驱动或步进驱动方法，能够保证电机转速不随负载变化，并且能够精准控制车轮转动，从而保证车轮行走同步。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种用于大跨距双轨道上的同步行走装置，其特征在于，所述装置包括：

步进或交流伺服驱动及控制器，其用以同步发出步进驱动指令或者交流伺服驱动指令至两组分开设置的步进或交流伺服电机；

两组分开设置的步进或交流伺服电机，其分别与所述步进或交流伺服驱动及控制器连接，用以接收来自所述步进或交流伺服驱动及控制器的相同的驱动指令，并在所述步进驱动指令或者所述交流伺服驱动指令下进行旋转，所述交流伺服电机还向所述交流伺服驱动及控制器反馈当前状态，以便于所述交流伺服驱动及控制器产生更准确的交流伺服驱动指令；

两组车轮，其相隔的距离与双轨道的跨距一致，并分别与所述两组分开设置的步进或交流伺服电机连接，用以在所述步进或交流伺服电机的旋转下被带动进行同步旋转，所述车轮为胶轮，或者所述车轮的外周包覆有胶层；

减速机，其连接在所述车轮和所述步进或交流伺服电机之间，用于减速以及增大扭矩；

若所述交流伺服电机发生丢步现象，对照三个方面查找原因，具体来说三个方面包含：

第一，因选型不合适导致的力矩欠缺，没有足够余量，导致机械部分因摩擦力外力的突然增加，所述交流伺服电机力矩不足导致的失步；

第二，因为控制的加减速大于预设陡度，或者没有加减速，导致的失步；

第三，因为干扰，控制器到驱动器之间的线大于预设长度，驱动器到所述交流伺服电机的线大于预设长度，或者有强干扰源，或者开关电源不稳定，或者驱动器与其他电器共用电源导致的分压干扰，引起失步。

2.如权利要求1所述的用于大跨距双轨道上的同步行走装置，其特征在于，所述车轮还包括承载轮和承载轮一侧的驱动轮，其中所述承载轮为钢轮，所述驱动轮为链轮或齿轮，以与固定在轨道上的链条或齿条啮合。

3.一种用于大跨距双轨道上的同步行走方法，其特征在于，所述方法包括：

同步发出步进驱动指令或者交流伺服驱动指令至两组分开设置的步进或交流伺服电机；

控制两组分开设置的步进或交流伺服电机在所述步进驱动指令或者所述交流伺服驱动指令下进行旋转；

通过两组分开设置的所述步进或交流伺服电机连接两组车轮，以使所述两组车轮在所述步进或交流伺服电机的旋转下被带动进行同步旋转，其中，所述两组车轮相隔的距离与双轨道的跨距一致；

在所述车轮和所述步进或交流伺服电机之间连接的减速机进行减速以及增大扭矩；

所述交流伺服电机向交流伺服驱动及控制器反馈当前状态，所述交流伺服驱动及控制器根据所述当前状态产生更准确的交流伺服驱动指令，以保证所述两组车轮同步行走；

若所述交流伺服电机发生丢步现象，对照三个方面查找原因，具体来说三个方面包含：

第一，因选型不合适导致的力矩欠缺，没有足够余量，导致机械部分因摩擦力外力的突然增加，所述交流伺服电机力矩不足导致的失步；

第二，因为控制的加减速大于预设陡度，或者没有加减速，导致的失步；

第三，因为干扰，控制器到驱动器之间的线大于预设长度，驱动器到所述交流伺服电机的线大于预设长度，或者有强干扰源，或者开关电源不稳定，或者驱动器与其他电器共用电源导致的分压干扰，引起失步。

4.如权利要求3所述的用于大跨距双轨道上的同步行走方法，其特征在于，步进或交流伺服驱动及控制器向两组所述步进或交流伺服电机发出的指令相同，所述步进或交流伺服电机参数相同，所述减速机参数以及所述车轮参数相同，以保障所述两组车轮同步行走。

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