CN113908562A - 一种外壳交替旋转型电驱动陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，涉及电动陀螺相关领域,包括旋转外壳，内部旋转体，由电气端口部分以及旋转部分组成的驱动电机，驱动电路以及电池，所述内部旋转体和驱动电机的旋转部分机械连接，进行同轴旋转运动；电机的电气端口部分、驱动电路以及电池之间进行电气连接，且电机的电气端口部分、驱动电路以及电池均连接于旋转外壳内侧，驱动电机的电气端口部分与旋转部分在相互作用力下进行相对旋转，所采用的驱动电机可以为内转子电机、外转子电机、轴向电机等形式；同时，本发明在使用时，通过所公开的的设计方式与外壳交替控制方法，能够不依靠外部施力物或空气动力，实现自主持续转动，且能够保持直立的交替旋转姿态直到电池电量耗尽。

Description

一种外壳交替旋转型电驱动陀螺
技术领域
本发明涉及电动陀螺相关领域，具体的是一种外壳交替旋转型电驱动陀螺。
背景技术
传统陀螺装置沿轴线旋转时，由于产生了陀螺效应，因此可保持直立旋转。但陀螺底部与其支撑面之间存在摩擦力，导致陀螺的角动量将会随时间消耗，逐渐减速，因此无法持久地维持直立旋转。通过施加电动力、电磁力等方法实现陀螺的长久旋转是可行的，但陀螺作为受力物体，还需要另一个施力物体，例如：利用额外的底座来向陀螺提供旋转电磁力，此时底座是施力物体；利用陀螺上安装的风扇叶片或喷气口来产生空气动力，此时空气是施力物体；将陀螺外壳分为上下两部分，上部分自由旋转，下部分与其支撑平面共同作为施力物体，此种陀螺只能维持上部分的持续旋转，下部分由于受到支撑平面的摩擦力减速影响，无法实现持续的旋转。
一个不依靠固定底座、固定外框或是空气动力等外部施力的单体外壳陀螺，纵使在内部安置了电动马达，也是无法改变外部摩擦力影响的，外部摩擦力会导致陀螺整体的角动量降低，造成减速，因此单体外壳陀螺无法在外壳持续旋转的同时保持持续的直立姿态。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，能够避免单体外壳陀螺因其与支撑平面之间存在摩擦力导致陀螺减速、无法长时间独立维持直立旋转的问题，实现单体外壳陀螺不依靠外部施力的长时间旋转及直立姿态。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，包括旋转外壳(1)，内部旋转体(2)，由电气端口部分(3)以及旋转部分(4)组成的驱动电机，驱动电路(5)以及电池(6)，所述旋转外壳(1)受控进行平均值为零的正负交替旋转；内部旋转体(2)与驱动电机的旋转部分(4)机械连接，且相对旋转外壳(1)的旋转始终为单一方向；电机的电气端口部分(3)、驱动电路(5)以及电池(6)之间进行电气连接，且电机的电气端口部分(3)、驱动电路(5)以及电池(6)均连接于旋转外壳(1)内侧。
进一步地，所述驱动电机的电气端口部分(3)与旋转部分(4)由电机驱动，采用的驱动电机为内转子电机、外转子电机、轴向电机中的一种。
进一步地，所述驱动电路(5)中，包含用于测得所述旋转外壳(1)相对于惯性参考系的转速传感器，用于电机进行双向的电压、电流、能量交互的电机驱动电路，以及用于实现外壳交替旋转特性以及内部旋转体旋转特性的控制模块。
进一步地，所述外壳交替旋转的旋转速度的目标轨迹是平均值为零的轨迹。该轨迹可以恒为零，或对称三角波，或对称方波，或对称、不对称的其他平均值为零的轨迹形状。
进一步地，所述内部旋转体(2)相对于旋转外壳(1)的旋转速度的目标值，在陀螺保持直立姿态的一次运行当中，取值恒为正或者恒为负，且它的绝对值始终大于一个边界值，该边界值是能够保持陀螺整体稳定直立的最小转速。
本发明的有益效果：
此发明公开的外壳交替旋转型电驱动陀螺装置，拥有整体外壳，通过所公开的的设计方式与控制方法，能够不依靠外部施力物或空气动力，自主持续转动，且能够保持直立的交替旋转姿态直到电池电量耗尽。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明采用内转子电机的一个实例剖面图，
图2为本发明采用外转子电机的一个实例剖面图，
图3为本发明所述控制系统的控制框图，
图4为本发明所述的第一转速交替目标轨迹的三个可采取的样式。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，如图所示，该装置含有一个旋转外壳1，一个内部旋转体2，一个由电气端口部分3以及旋转部分4组成的驱动电机，驱动电路5以及电池6。其中，内部旋转体2与驱动电机的旋转部分4进行机械连接，它们相对于旋转外壳1可以进行基于对称轴7的同轴旋转运动；电机的电气端口部分3、驱动电路5以及电池6之间进行电气连接，且它们均与旋转外壳1进行机械连接。在陀螺保持直立姿态的一次运行当中：旋转外壳1与外部静止的支撑平面8之间由一个支点支撑。旋转外壳1在对称轴7上相对于支撑平面8的转速记为第一旋速，该第一转速可以恒为零，也可以是平均值为零的正负交替旋转，即它的转速随时间变化，且正反向旋转均会出现；内部旋转体2相对于静止支撑平面8的转速记为第二转速，第二转速始终大于零或始终小于零；内部旋转体2相对于旋转外壳1的转速记为第三转速，第三转速始终大于零或始终小于零，且第三转速的绝对值始终大于第一转速的绝对值。上述转速还具有以下特征：第一转速加上第三转速等于第二转速。
上述驱动电机的旋转部分4与电气端口部分3存在多种设计形式，包括了内转子电机外转子电机、轴向电机等，择一选用。
为减小摩擦阻力，可在内部旋转体2与旋转外壳1之间、电机旋转部分4与旋转外壳1之间、以及旋转外壳1的底部增设轴承。为增强陀螺的稳定效果，建议采用转动惯量相对较高的内部旋转体2和转动惯量相对较低的外壳。
上述驱动电路中含有：转速传感器，可以测得所述第一转速，通常可以采用基于MEMS的陀螺仪或常见的惯性测量方法；电机驱动电路，可与电机进行双向的电压、电流、能量交互，通常可以采用H桥或是三相逆变桥的电路形式；控制系统，能够实现外壳交替旋转以及上述的第一、二、三转速的关系要求。上述控制系统可以以模拟电路的形式存在，例如采用LM124运算放大器构成的模拟反馈控制器，或是以控制芯片中的数字控制算法的形式存在，例如在控制芯片单片机STM32F407中进行C语言编程。该控制系统具体特征如下：
由驱动电路5中的转速传感器模块，测得数字信号形式的第一转速；由电机速度传感器或通用的电机转速估算方法构成的电机转速测量模块，得到数字信号形式的第三转速；由第一转速与第三转速相加，得到第二转速；由一个目标轨迹模块，产生第一转速的交替目标轨迹，该目标轨迹减去第一转速后，得到第一转速误差值，该误差值输送给第一速度反馈控制器后，生成第一扭矩命令；由一个目标值生成模块，产生第二转速的目标值，该目标值减去第二转速后，得到第二转速误差值，该误差值输送给第二速度反馈控制器后，生成第二扭矩命令，该命令与第一扭矩命令相加后，得到总扭矩命令，输送给通用的电机扭矩控制模块。
由于成本、体积等因素，在不使用电机速度传感器时，需要采取电机转速估算方法来作为电机转速测量模块，例如通用的无位置传感器估算法或者开环估算法。
上述第一速度反馈控制器、第二速度反馈控制器可采用通用型反馈控制器，例如比例积分类型的反馈控制器。
上述电机扭矩控制模块可采用常见的通用型电机扭矩控制，例如闭环电流控制、直接扭矩控制等方法。
上述目标轨迹模块所产生的第一转速交替目标轨迹是平均值为零的轨迹。该轨迹可以恒为零，或对称三角波，或对称方波，或对称、不对称的其他平均值为零的轨迹形状。
上述目标值生成模块所产生的第二转速的目标值，在陀螺保持直立姿态的一次运行当中，取值恒为正或者恒为负，且它的绝对值始终大于一个边界值，该边界值是能够保持陀螺整体稳定直立的最小转速，由陀螺设计决定，在陀螺设计完成后，该边界值是一个恒定不变的数值。从工程裕量角度出发，上述第二转速目标值的绝对值建议采用边界值的1.2倍以上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，包括旋转外壳(1)，内部旋转体(2)，由电气端口部分(3)以及旋转部分(4)组成的驱动电机，驱动电路(5)以及电池(6)，其特征在于：所述旋转外壳(1)受控进行平均值为零的正负交替旋转；内部旋转体(2)与驱动电机的旋转部分(4)机械连接，且相对旋转外壳(1)的旋转始终为单一方向；电机的电气端口部分(3)、驱动电路(5)以及电池(6)之间进行电气连接，且电机的电气端口部分(3)、驱动电路(5)以及电池(6)均连接于旋转外壳(1)内侧。
2.根据权利要求1所述的一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，其特征在于：所述驱动电机的电气端口部分(3)与旋转部分(4)由电机驱动，采用的驱动电机为内转子电机、外转子电机、轴向电机中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，其特征在于，所述驱动电路(5)中，包含用于测得所述旋转外壳(1)相对于惯性参考系的转速传感器，用于电机进行双向的电压、电流、能量交互的电机驱动电路，以及用于实现外壳交替旋转特性以及内部旋转体旋转特性的控制模块。
4.根据权利要求3所述的一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，其特征在于，所述外壳交替旋转的旋转速度的目标轨迹是平均值为零的轨迹。该轨迹可以恒为零，或对称三角波，或对称方波，或对称、不对称的其他平均值为零的轨迹形状。
5.根据权利要求3所述的一种外壳交替旋转型电驱动陀螺，其特征在于，所述内部旋转体(2)相对于旋转外壳(1)的旋转速度的目标值，在陀螺保持直立姿态的一次运行当中，取值恒为正或者恒为负，且它的绝对值始终大于一个边界值，该边界值是能够保持陀螺整体稳定直立的最小转速。
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