CN112041217A - 控制两个电动马达的方法 - Google Patents

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M·希尔特
F·杰士克
J·霍恩伯格
M·比策
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Ebian Pat St Jogan Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种控制车轮驱动模块的第一电动马达(M1)和第二电动马达(M2)的方法，其中所述车轮驱动模块包括车轮(R)和叠加传动装置(G)，且其中所述第一和第二电动马达(M1、M2)可以共同地借助所述叠加传动装置(G)来围绕车轮轴(A)驱动所述车轮(R)，并且围绕与所述车轮轴(A)正交的转向轴(L)操纵所述车轮(R)转向，其中，根据表征所述车轮(R)的驱动和/或转向的车轮额定值来测定用于控制所述第一和第二电动马达(M1、M2)的电控制信号。

Description

控制两个电动马达的方法
技术领域
本发明涉及一种控制第一和第二电动马达的方法，所述第一和第二电动马达共同地借助叠加传动装置围绕车轮轴转动或者说驱动车轮，并且可操纵所述车轮绕转向轴转向。
背景技术
在现有技术中，已知有众多控制电动马达或驱动车轮并操纵车轮转向的方法。然而，车轮大多仅由一个单一的电动马达驱动，并且由另一个单一的电动马达操纵转向。这就可以分开控制提供相应功能的电动马达。如果车轮的行驶功能或者说驱动功能和转向功能总是由两个或更多个电动马达共同提供，就不能分开地控制这些电动马达。
可以将带有对应叠加传动装置的车轮和驱动车轮并操纵其转向的电动马达合并成车轮驱动模块，其中应用设备(例如运输滑架，特别是作为无人驾驶运输系统的一部分的无人驾驶运输车辆)具有例如四个车轮驱动模块。这里尤其成问题的是，应用设备针对每个车轮驱动模块须同时控制两个马达，由此而产生的计算量以及需要在车轮驱动模块和中央控制器之间传输的数据量会非常大。
如果所使用的车轮驱动模块彼此不同并且具有例如不同的性能数据或者以不同的方式实现转向和驱动功能，就需要根据具体所用的车轮驱动模块来调整中央控制器。
发明内容
因此，本发明的目的是克服上述缺点并提供一种通过与车轮有关的输入信号来控制两个共同地驱动所述车轮并操纵其转向的电动马达的方法。
这个目的通过根据权利要求1所述的特征组合而达成。
根据本发明，提出一种控制车轮驱动模块的第一电动马达和第二电动马达的方法。车轮驱动模块除第一和第二电动马达外还包括车轮和叠加传动装置，其中第一和第二电动马达可以共同地借助叠加传动装置来围绕车轮轴驱动车轮，并且围绕与车轮轴正交的转向轴操纵车轮转向。本发明的方法是根据表征车轮的驱动和/或转向的车轮额定值来测定用于控制第一和第二电动马达的电控制信号。
当应用设备如无人驾驶运输车辆包括例如四个车轮驱动模块时，该应用设备或该应用设备的控制器不必考虑各车轮驱动模块的具体构造或性能数据。应用设备的控制器只是将车轮额定值传输给相应的车轮驱动模块，而后通过所述控制两个电动马达的方法以与相应的车轮驱动模块相匹配的方式将车轮额定值转换成用于控制电动马达的控制信号。
优选地，所述车轮额定值是包括所述车轮的转向角和所述车轮的旋转速度的值对。因此，这些值尤其可以是由车轮额定转向角和车轮额定转速或车轮额定速度或车轮额定扭矩组成的对子。
根据一个有利的实施变体，进一步如下设置：根据所述车轮或所述车轮驱动模块将要走过的路径以及所述车轮或所述车轮驱动模块沿着所述路径的速度测定所述车轮额定值，其中所述路径考虑到将要走过的路程和路线。
为了控制所述马达，在一个有利的方法变体中如下设置：由所述第一或第二电动马达各自所对应的马达控制器根据用于所述第一和第二电动马达的所述控制信号测定或推导出马达额定转速、马达额定位置或马达额定转矩，并且由相应的所述马达控制器控制相应的所述电动马达达到所述马达额定转速、所述马达额定位置或所述马达额定转矩。
优选地，根据用于达到行驶速度的第一马达额定转速和用于达到转向角的第二马达额定转速测定相应的所述电动马达的马达额定转速。亦即，所述第一电动马达的马达额定转速(马达额定转速M1)为：
马达额定转速M1(t)＝马达额定转速行驶(t)+马达额定转速转向(t)
也就是说，用于行驶的马达额定转速与用于转向的马达额定转速相加而得到第一电动马达的马达额定转速。
其中，马达额定转速行驶是马达额定转速M1中达到车轮或车轮驱动模块的预定速度所需要的分量，马达额定转速转向是马达额定转速M1中产生车轮的预定转向角所需要的分量。
如果驱动负荷和转向负荷分配到第一和第二电动马达上，则所述第二电动马达的马达额定转速(马达额定转速M2)类似地为：
马达额定转速M2(t)＝马达额定转速行驶(t)–马达额定转速转向(t)
也就是说，用于行驶的马达额定转速减去用于转向的马达额定转速而得到第二电动马达的马达额定转速。
根据一个有利变体，进一步如下设置：所述第一和第二电动马达通过所述叠加传动装置传递到所述车轮上的传动比是相同的。因此，在所述叠加传动装置用于所述第一和第二电动马达的传动比相同的情况下，所述第一和第二电动马达用于达到行驶速度的马达额定转速也是相同的。特别地，根据所述车轮的车轮额定转速和所述叠加传动装置的传动比测定所述用于行驶的马达额定转速，即：
马达额定转速行驶(t)＝车轮额定转速(t)·传动比行驶
也就是说，车轮额定转速与用于行驶的传动比相乘而得到用于行驶的马达额定转速。
在所述叠加传动装置用于所述第一和第二电动马达的传动比相同的情况下，所述第二电动马达用于达到转向角的马达额定转速在待实施的转向被均匀分配的情况下是所述第一电动马达用于达到转向角的马达额定转速的负值。根据电动马达的传动比或电动马达的安装方向，马达额定转速的值也可以是相同的，并且不互为负值，其中叠加传动装置的由电动马达驱动的主动齿圈在不包含行驶运动的纯转向运动中相向运动，而在同时进行行驶运动和转向运动时做具有转速差的相向运动。根据所述车轮绕所述转向轴的车轮转向角的变化测定所述第一电动马达用于达到转向角的马达额定转速，即：
马达额定转速转向(t)＝马达额定转速M1转向(t)
＝-马达额定转速M2转向(t)
＝d车轮转向角(t)·
传动比转向·(2π·TA)-1
其中，总是以SI单位(即转/秒)测定马达额定转速转向。
第二马达用于转向的马达额定转速是第一马达用于转向的马达额定转速的负值，这尤其适用于不包含行驶运动的纯转向运动。在其他情况下，优选将用于转向的马达额定转速与用于行驶的马达额定转速相加或相减，以便在叠加传动装置的主动齿圈上达到转速差。
在此，一个有利变体进一步提出：根据实际的车轮转向角(车轮转向角实际)和预设的车轮转向角(车轮转向角额定)以如下方式得出所述车轮转向角的变化：
d车轮转向角(t)＝车轮转向角额定(t+TA)–车轮转向角实际(t)
其中，值TA对应于调用间隔且例如为1ms，其中以弧度为单位测定车轮转向角的变化。此外，根据马达的位置和传动比得出实际的车轮转向角，其中马达的位置或者说马达位置是由多匝传感器测定的或者直接在相应马达上测定的绝对位置。即：
车轮转向角实际(t)＝(马达位置M1(t)–马达位置M2(t))·
(2·传动比转向)。
在此，马达位置特别是指马达从动轴从初始位置开始而测定的以弧度为单位的绝对旋转角。
本发明的另一个方面涉及车轮驱动模块。所述车轮驱动模块包括车轮、叠加传动装置以及以根据上述权利要求中任一项所述的方法被控制的第一电动马达和第二电动马达。第一和第二电动马达被构建为共同地借助叠加传动装置来围绕车轮轴驱动车轮，并且围绕与车轮轴正交的转向轴操纵车轮转向。车轮驱动模块还包括用于控制第一电动马达的第一马达电子组件和用于控制第二电动马达的第二马达电子组件以及中央电子组件，中央电子组件以能够实现信号交换的方式与第一和第二马达电子组件连接。为了控制第一和第二电动马达围绕车轮轴驱动车轮并围绕转向轴操纵车轮转向，车轮驱动模块包括控制逻辑电路。为能灵活控制电动马达且能根据具体所用的电动马达来灵活调整对电动马达的控制，如下设置：控制逻辑电路由第一和第二马达电子组件、中央电子组件、以能够实现信号交换的方式与中央电子组件连接的应用电子组件提供，或者由中央电子组件以及第一和第二马达电子组件共同提供。控制逻辑电路在此被构建为从上级控制器(例如应用设备的控制器)接收车轮额定值，并且根据车轮额定值测定用于第一和第二电动马达的电控制信号，并且将控制信号传输至第一和/或第二电动马达。
为能快速而经济地维护车轮驱动模块并实现个性化，进一步有利的是：所述车轮驱动模块进一步分成若干可作为模块进行更换的组件。举例而言，中央电子组件可以形成中央组件，第一和第二电动马达可与各自所对应的第一或第二马达控制器形成相应的第一或第二马达组件。
车轮驱动模块进一步优选地将车轮和/或电动马达的状态信息转发给上级应用设备。为了验证被转发的状态信息确实是正确的状态信息，而非例如因传感器故障而导致产生的错误状态信息，信息源(例如传感器)可以冗余存在。传感器和执行器所提供的状态信息可由安全逻辑电路进行换算并相互比较，以便验证这些状态信息并对其进行似真检验，并且将这样的经过似真检验的或者说实际的状态信息转发给上级应用设备或用于控制电动马达的控制逻辑电路。
附图说明
关于本发明其他有利改进方案的特征请参阅从属权利要求，下面参照附图并结合本发明的优选实施予以详细说明。其中：
图1为由第一和第二电动马达通过叠加传动装置驱动的车轮；
图2为通过车轮驱动模块的中央电子组件来实施第一和第二电动马达的控制方法的示意图。
具体实施方式
附图是例示性的示意图。图中相同的附图标记指向相同的功能特征和/或结构特征。
图1示出车轮R、第一和第二电动马达M1、M2以及通过两个电动马达M1、M2驱动车轮R并操纵其转向的叠加传动装置G。其中，图1仅图示第一和第二电动马达M1、M2围绕车轮轴A和转向轴L驱动车轮R的一个可能的备选构型。举例而言，车轮R可以布置在主动齿圈G3、G3’下方，或者，电动马达M1、M2可以向主动齿圈G3、G3’传递另一种传动比并且具有另一种定向。在图示示例中，叠加传动装置G包括小齿轮G1、G1’、中间轮G2、G2’、主动齿圈G3、G3’以及从动齿轮G4和从动轴G5。此外，叠加传动装置G在别的实施变体中也还可以包括其他组件。
第一和第二电动马达M1、M2驱动第一和第二主动齿圈G3、G3’。在图示实施方式中，第一电动马达M1被布置得与第二电动马达M2相反，其中电动马达M1、M2可各自包括自有的马达传动装置。电动马达M1、M2分别通过一个马达轴与一个小齿轮G1、G1’连接。
第一小齿轮G1以其齿部与第一中间轮G2的齿部啮合，第一中间轮以其齿部与第一主动齿圈G3的驱动齿部啮合，因而当第一小齿轮G1旋转时，第一主动齿圈G3可经第一电动马达M1驱动而绕旋转轴或转向轴L旋转。
第二主动齿圈G3’也是如此。第二小齿轮G1’以其齿部与第二中间轮G2’的齿部啮合，第二中间轮以其齿部与第二主动齿圈G3’的驱动齿部啮合，因而当第二小齿轮G1’旋转时，第二主动齿圈G3’可经第二电动马达M2驱动而绕旋转轴或转向轴L旋转。
在第一与第二主动齿圈G3、G3’之间设有从动齿轮G4，从动齿轮的齿部既与第一主动齿圈G3的朝向从动齿轮G4的齿部啮合，又与第二主动齿圈G3’的朝向从动齿轮G4的齿部啮合。因此，从动齿轮G4的旋转(第三旋转)既取决于第一主动齿圈G3的旋转(第一旋转)，又取决于第二主动齿圈G3’的旋转(第二旋转)。
以不能相对转动的方式与从动齿轮G4连接的从动轴G5从从动齿轮G4沿着车轮轴A朝主动齿圈G3、G3’的旋转轴或转向轴L延伸。在沿着车轮轴A与从动齿轮G4间隔开的一侧上，车轮R以不能相对转动的方式与从动轴G5连接，借此将从动齿轮G4的旋转(第三旋转)通过从动轴G5传递到车轮R上。如图所示，车轮R部分地容置在第一主动齿圈G3与第二主动齿圈G3’之间，第一和第二主动齿圈沿其旋转轴L间隔开并且在彼此之间形成车轮容置空间。两个主动齿圈G3、G3’具有沿着旋转轴L延伸穿过相应的主动齿圈G3、G3’的齿圈开口。车轮R至少在其面向地面的一侧上穿过相应的齿圈开口，这使得车轮R实质上具有五个部分。车轮R以一个第一部分布置在主动齿圈之间，车轮R以两个第二部分布置在主动齿圈G3、G3’的齿圈开口中，车轮R以两个第三部分沿着旋转轴L位于主动齿圈G3、G3’外侧。将车轮R布置在车轮容置空间中，能取得三个有利效果。车轮驱动模块的结构空间大幅减小，因为车轮R做转向运动时不必绕着主动齿圈G3、G3’运动，而且，可能的转向角增大，因为车轮R可以在主动齿圈G3、G3’中旋转360°，但围绕旋转轴L所进行的转向运动或旋转不会被中间轮G2、G2’限制。再者，车轮R受到车轮驱动模块1或者说第一和第二主动齿圈G3、G3’的保护，因为第一和第二主动齿圈在车轮R周围形成一个笼子。
图1中所绘示的第一电动马达的旋转方向rM1和第二电动马达的旋转方向rM2相对定向，使得主动齿圈G3、G3’在纯行驶运动中相向旋转，使得车轮R不会绕转向轴L旋转。
图2示意性地图示车轮驱动模块的部分区域。通过围绕转向轴L和车轮轴A驱动车轮R，在车轮R上或者说通过车轮提供行驶功能X2和转向功能X1。第一和第二电动马达M1、M2通过第一和第二作用性连接X31、X32驱动叠加传动装置G，以便借助叠加传动装置来提供转向功能和行驶功能X1、X2。
在应用实例中，例如物流领域的运输滑架，相应的应用设备具有至少两个、优选四个车轮驱动模块。因此，这样一个运输滑架的控制器必须对八个用于驱动运输滑架并操纵其转向的马达进行控制。
因此，在图示实施变体中如下设置以减轻运输滑架的控制器的负担：运输滑架的控制器50例如通过总线将车轮R的车轮额定转向角
Figure BDA0002749652820000081
和车轮R的车轮额定转速nR分别传输给运输滑架的每个车轮驱动模块。
另一个优点是，如何控制电动马达M1、M2，以及是否只用一个电动马达来操纵转向，用一个电动马达来驱动，还是用两个电动马达M1、M2来驱动和操纵转向，这些对于应用设备或者说运输滑架的控制器50来说都是无关紧要的。
在图示的示意性构型中，通过中央电子组件30实现第一和第二电动马达M1、M2的控制方法。将输入值或者说车轮额定转向角
Figure BDA0002749652820000091
和车轮额定转速nR传输至中央电子组件30并换算成第一电动马达M1的马达额定转速(马达额定转速M1)或者说nM1以及第二电动马达M2的马达额定转速(马达额定转速M2)或者说nM2。这两个马达额定转速nM1和nM2被中央电子组件30转发至相应的马达电子组件10、20，由马达电子组件控制相应的电动马达M1、M2达到相应的马达额定转速nM1、nM2。

Claims (9)

1.一种控制车轮驱动模块的第一电动马达(M1)和第二电动马达(M2)的方法，其中所述车轮驱动模块包括车轮(R)和叠加传动装置(G)，且其中所述第一和第二电动马达(M1、M2)可以共同地借助所述叠加传动装置(G)来围绕车轮轴(A)驱动所述车轮(R)，并且围绕与所述车轮轴(A)正交的转向轴(L)操纵所述车轮(R)转向，其中，
根据表征所述车轮(R)的驱动和/或转向的车轮额定值来测定用于控制所述第一和第二电动马达(M1、M2)的电控制信号。
2.根据上一项权利要求所述的方法，其中，
所述车轮额定值是车轮额定转向角和车轮额定转速或车轮额定速度或车轮额定扭矩。
3.根据上一项权利要求所述的方法，其中，
根据所述车轮(R)或所述车轮驱动模块将要走过的路径以及所述车轮(R)或所述车轮驱动模块沿着所述路径的速度测定所述车轮额定值，其中所述路径考虑到将要走过的路程和路线。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，
由所述第一或第二电动马达(M1、M2)各自所对应的马达控制器根据用于所述第一和第二电动马达(M1、M2)的所述控制信号测定马达额定转速、马达额定位置或马达额定转矩，并且控制相应的所述电动马达(M1、M2)达到所述马达额定转速、所述马达额定位置或所述马达额定转矩。
5.根据上一项权利要求所述的方法，其中，
根据用于达到行驶速度的第一马达额定转速和用于达到转向角的第二马达额定转速测定相应的所述电动马达(M1、M2)的马达额定转速，即：
马达额定转速M1(t)＝马达额定转速行驶(t)+马达额定转速转向(t)以及
马达额定转速M2(t)＝马达额定转速行驶(t)–马达额定转速转向(t)。
6.根据上一项权利要求所述的方法，其中，
在所述叠加传动装置(G)用于所述第一和第二电动马达(M1、M2)的传动比相同的情况下，所述第一和第二电动马达(M1、M2)用于达到行驶速度的马达额定转速是相同的，且特别是根据所述车轮(R)的车轮额定转速和所述叠加传动装置(G)的传动比被测定，即：
马达额定转速行驶(t)＝车轮额定转速(t)·传动比行驶
7.根据上述权利要求5或6所述的方法，其中，
在所述叠加传动装置(G)用于所述第一和第二电动马达(M1、M2)的传动比相同的情况下，所述第二电动马达(M2)用于达到转向角的马达额定转速是所述第一电动马达(M1)用于达到转向角的马达额定转速的负值，并且根据所述车轮(R)绕所述转向轴(L)的车轮转向角的变化测定所述第一电动马达(M1)用于达到转向角的马达额定转速，即：
马达额定转速转向(t)＝马达额定转速M1转向(t)
＝-马达额定转速M2转向(t)
＝d车轮转向角(t)·
传动比转向·(2π·TA)-1
8.根据上一项权利要求所述的方法，其中，
以如下方式得出所述车轮转向角的变化：
d车轮转向角(t)＝车轮转向角额定(t+TA)–车轮转向角实际(t)
TA为调用间隔，且其中
车轮转向角实际(t)＝(马达位置M1(t)–马达位置M2(t))·(2·传动比转向)。
9.一种车轮驱动模块，包括所述车轮(R)、所述叠加传动装置(G)以及以根据上述权利要求中任一项所述的方法被控制的所述第一电动马达(M1)和所述第二电动马达(M2)，其中，
所述第一和第二电动马达(M1、M2)被构建为共同地借助所述叠加传动装置(G)来围绕车轮轴(A)驱动所述车轮(R)，并且围绕与所述车轮轴(A)正交的转向轴(L)操纵所述车轮转向，
所述车轮驱动模块包括用于控制所述第一电动马达(M1)的第一马达电子组件(10)和用于控制所述第二电动马达(M2)的第二马达电子组件(20)以及中央电子组件(30)，所述中央电子组件以能够实现信号交换的方式与所述第一和第二马达电子组件(10、20)连接，且其中，
所述车轮驱动模块包括用于控制所述第一和第二电动马达(M1、M2)围绕所述车轮轴(A)驱动所述车轮(R)并围绕所述转向轴(L)操纵所述车轮(R)转向的控制逻辑电路，所述控制逻辑电路由所述第一和第二马达电子组件(10、20)、所述中央电子组件(30)、以能够实现信号交换的方式与所述中央电子组件(30)连接的应用电子组件提供，或者由所述中央电子组件(30)以及所述第一和第二马达电子组件(10、20)共同提供，其中，
所述控制逻辑电路被构建为根据所述车轮额定值测定用于所述第一和第二电动马达(M1、M2)的所述电控制信号，并且将所述控制信号传输至所述第一和/或第二电动马达(M1、M2)。
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