TWI747126B

TWI747126B - 電動滑板之管理系統

Info

Publication number: TWI747126B
Application number: TW109100238A
Authority: TW
Inventors: 林正乾
Original assignee: 國立勤益科技大學
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2021-11-21
Also published as: TW202127768A

Abstract

本發明提供一種電動滑板之管理系統，其包含電動滑板本體、馬達單元及控制單元，馬達單元設置於電動滑板本體且包含馬達及馬達驅動模組，馬達驅動模組電性連接馬達。控制單元電性連接馬達單元且包含速度控制模組，其接受速度命令以取得預定轉速，速度控制模組包含第一層比例控制器及第二層比例控制器。當目前轉速與預定轉速不同時，速度控制模組以目前轉速與預定轉速計算差值，差值經過第一層比例控制器後進入第二層比例控制器，並產生調控值，馬達驅動模組依據調控值調整目前轉速。藉此改善追隨時間與穩態差值的問題，提升使用安全性。

Description

電動滑板之管理系統

本發明是有關於一種滑板之管理系統，且尤其是有關一種電動滑板之管理系統。

滑板是一種輕巧的運動載具，且其擁有方便攜帶之特性，而裝置動能後的電動滑板，可具有電動輔助力而能自動滑行，故自上市後廣受使用者的喜愛。是以，近年來愈來愈多學業界投入資源於電動滑板的研製與開發。

然而，由於電動滑板沒有任何扶手或支點，僅依靠使用者雙腳站立以平衡行進，故電動滑板的加減速與制動機制均相當關鍵。

有鑑於此，如何發展出一電動滑板之管理系統，增加其使用安全性，遂成相關業者努力的目標。

為解決安全性問題，本發明提供一種電動滑板之管理系統，透過其配置，可以增加減速或加速時的穩定度，提升使用安全性。

依據本發明之一態樣之一實施方式提供一種電動滑板之管理系統，其包含一電動滑板本體、一馬達單元以及一控制單元，馬達單元設置於電動滑板本體且包含一馬達及一馬達驅動模組，馬達具有一目前轉速，馬達驅動模組電性連接馬達。控制單元電性連接馬達單元，控制單元包含一速度控制模組，速度控制模組接受一速度命令以取得一預定轉速。速度控制模組包含一第一層比例控制器及一第二層比例控制器，第一層比例控制器包含一第一增益，第二層比例控制器包含一第二增益。其中，當目前轉速與預定轉速不同時，速度控制模組以目前轉速與預定轉速計算一差值，差值經過第一層比例控制器後進入第二層比例控制器，並產生一調控值，馬達驅動模組依據調控值調整目前轉速。

藉此，透過第一層比例控制器及第二層比例控制器，可以改善傳統比例控制器受比例增益大小而影響追隨時間與穩態差值大小的問題，進而增加減速或加速時的穩定度。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，其中，第一增益可為一固定值，第二增益可為一可變值。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，可更包含一電池單元及一充電單元，電池單元設置在電動滑板本體且電性連接馬達單元，電池單元包含一電池模組及一電壓量測模組，電壓量測模組電性連接電池模組以量測電池模組之電壓。充電單元獨立於電動滑板本體且包含一電芯平衡模組及一電源供應模組，電芯平衡模組選擇性電性連接電池單元，電源供應模組電性連接電芯平衡模組，其中，當電池單元連接至充電單元時，充電單元對電池模組進行充電。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，其中，電壓量測模組可取得電池模組之一殘電量，控制單元接收殘電量，並依殘電量控制馬達驅動模組，以使馬達操作於一普通模式、一省電模式或一截止模式。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，其中，當殘電量大於或等於一第一設定比例時，可使馬達操作於普通模式以正常運轉；當殘電量小於第一設定比例，且大於或等於一第二設定比例時，使馬達操作於省電模式；當殘電量小於第二設定比例時，控制馬達停止輸出。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，可更包含一RS232通訊單元，其電性連接控制單元與電池單元，RS232通訊單元將殘電量傳輸予控制單元。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，其中，馬達驅動模組可包含三上臂開關及三下臂開關，控制單元啟閉上臂開關及下臂開關。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，其中，馬達可受一六步方波換相方式驅動。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，其中，當下臂開關導通且上臂開關截止時，馬達之慣性可對馬達之一線圈儲能，當下臂開關截止且上臂開關導通時，線圈的反電動勢與電感電壓大於電池模組之電壓，而產生一反向電流對電池模組充電，使馬達被制動。

依據前述之電動滑板之管理系統的複數實施例，其中，電池模組可包含複數電芯串聯連接，電源供應模組選擇性提供一第一電流予電芯。電壓量測模組可包含複數量測切換開關，其中各電芯的二端分別電性連接其中二量測切換開關，以使各電芯的電壓被量測。電芯平衡模組包含一電源轉換器及一選擇電路，電源轉換器電性連接電源供應模組以提供一第二電流，選擇電路電性連接電源轉換器，選擇電路包含複數平衡切換開關，其中各電芯的二端分別電性連接其中二平衡切換開關以選擇性地接受第二電流。

10‧‧‧電動滑板之管理系統

100‧‧‧電動滑板本體

110‧‧‧承載板

120‧‧‧輪子

210‧‧‧馬達單元

300‧‧‧無線遙控器

400‧‧‧充電單元

410‧‧‧電芯平衡模組

411‧‧‧電源轉換器

412‧‧‧選擇電路

211‧‧‧馬達

2121‧‧‧上臂開關

2122‧‧‧下臂開關

212‧‧‧馬達驅動模組

220‧‧‧控制單元

221‧‧‧速度控制模組

2211‧‧‧第一層比例控制器

2212‧‧‧第二層比例控制器

230‧‧‧RS232通訊單元

240‧‧‧電池單元

241‧‧‧電池模組

2411~2418‧‧‧電芯

242‧‧‧電壓量測模組

243‧‧‧量測開關控制模組

2421a~2428a‧‧‧量測切換開關

2421b~2428b‧‧‧量測切換開關

420‧‧‧電源供應模組

430‧‧‧平衡開關控制模組

BEMF‧‧‧反電動勢

e‧‧‧差值

G(s)‧‧‧轉移函數

I1‧‧‧第一電流

I2‧‧‧第二電流

Kp1‧‧‧第一增益

Kp2‧‧‧第二增益

r‧‧‧預定轉速

S01~S09‧‧‧步驟

u‧‧‧調控值

V_L‧‧‧電感電壓

y‧‧‧目前轉速

4121a~4128a‧‧‧平衡切換開關

4121b~4128b‧‧‧平衡切換開關

第1圖繪示依照本發明一實施例之一種電動滑板之管理系統的立體示意圖；

第2圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統的方塊示意圖；

第3圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統的馬達控制方塊示意圖；

第4圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統的馬達控制流程圖；

第5圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統的充電電路示意圖；

第6圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統的馬達的一制動電路示意圖；以及

第7圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統的馬達的另一制動電路示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，閱讀者應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示；並且重複之元件將可能使用相同的編號或類似的編號表示。

此外，本文中當某一元件(或機構或模組等)「連接」、「設置」或「耦合」於另一元件，可指所述元件是直接連接、直接設置或直接耦合於另一元件，亦可指某一元件是間接連接、間接設置或間接耦合於另一元件，意即，有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而當有明示某一元件是「直接連接」、「直接設置」或「直接耦合」於另一元件時，才表示沒有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而第一、第二、第三等用語只是用來描述不同元件或成分，而對元件/成分本身並無限制，因此，第一元件/成分亦可改稱為第二元件/成分。且本文中之元件/成分/機構/模組之組合非此領域中之一般周知、常規或習知之組合，不能以元件/ 成分/機構/模組本身是否為習知，來判定其組合關係是否容易被技術領域中之通常知識者輕易完成。

請參閱第1圖、第2圖及第3圖，第1圖繪示依照本發明一實施例之一種電動滑板之管理系統10的立體示意圖，第2圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統10的方塊示意圖，第3圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統10的馬達211控制方塊示意圖。電動滑板之管理系統10包含一電動滑板本體100、一馬達單元210以及一控制單元220。

馬達單元210設置於電動滑板本體100且包含一馬達211及一馬達驅動模組212，馬達211具有一目前轉速y，馬達驅動模組212電性連接馬達211。控制單元220電性連接馬達單元210，控制單元220包含一速度控制模組221，速度控制模組221用以接受一速度命令以取得一預定轉速r。速度控制模組221包含一第一層比例控制器2211及一第二層比例控制器2212。第一層比例控制器2211包含一第一增益Kp1，第二層比例控制器2212包含一第二增益Kp2。其中，當目前轉速y與預定轉速r不同時，速度控制模組221以目前轉速y與預定轉速r計算一差值e，差值e經過第一層比例控制器2211後進入第二層比例控制器2212，並產生一調控值u，馬達驅動模組212依據調控值u調整目前轉速y。

藉此，透過第一層比例控制器2211及第二層比例控制器2212，可以改善傳統比例控制器受比例增益大小而影響追隨時間與穩態差值大小的問題，進而增加減速或加速時的穩定度。後面將詳述電動滑板之管理系統10的細節。

電動滑板本體100可包含一承載板110及四輪子120，承載板110的正面可供一使用者站立，四輪子120樞設於承載板110，至少一輪子120受馬達211驅動旋轉，而能使電動滑板本體100移動。

馬達211可為輪轂馬達型式，而能直接驅動輪子120轉動，且馬達211之轉速即為輪子120之轉速，故量測馬達211的轉速後再經換算即可得到電動滑板本體100的行進速度，而馬達211之轉速可由霍爾元件偵測，由霍爾元件偵測馬達211轉速的技術為習知，且非本發明改良之重點，在此不贅述。而電動滑板之管理系統10的馬達211數量可為二且分別設置於二輪子120，且馬達驅動模組212的數量對應馬達211之數量，然本發明不限於此。

電動滑板之管理系統10可更包含一無線遙控器300，無線遙控器300與控制單元220訊號連接，無線遙控器300供使用者操作以發出速度命令，控制單元220接收到此速度命令後，會適時調整馬達211的目前轉速y，以改變電動滑板本體100的行進速度。

更仔細地說，控制單元220接收到速度命令時，例如為每小時15公里，會將速度命令依輪子120之尺寸轉換為對應之預定轉速r。此外，假定馬達211之最大轉速為1000rpm，且供給馬達211之最大電壓為5伏，則1000rpm可對應為5伏，0rpm可對應為0伏。因此，若馬達211 所需達到的預定轉速為500rpm，則控制單元220會輸出脈波調變訊號(Pulse Width Modulation；PWM)使馬達211所接收之電壓(平均電壓)為2.5伏。由此可知，藉由改變脈波調變訊號的占空比(duty ratio)，即可改變馬達211的接收電壓，以達到改變目前轉速y之效果。

如第3圖所示，預定轉速r與目前轉速y之差值e受第一增益Kp1縮放後，再經由第二增益Kp2的縮放可得調控值u。第一增益Kp1可為一固定值，第二增益Kp2可為一可變值，其中，第一增益Kp1可以是依據馬達211之性能所設定之固定的常數，或第一增益Kp1可是控制單元220之最小單位加減速；而第二增益Kp2在速度控制的過程中會不斷改變，以找到最佳解。第3圖中的G(s)為馬達211的轉移函數，其與第一增益Kp1及第二增益Kp2組合成馬達211的控制方塊圖。

藉此，經由第一層比例控制器2211及第二層比例控制器2212，能加快速度控制的響應速度及增加相對穩定度，提升速度控制精度，且可達到完全追隨速度命令的目的。

請參閱第4圖，並搭配第1圖至第3圖，其中，第4圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統10的馬達211控制流程圖。當無線遙控器300傳出速度命令後，控制單元220進行步驟S01接收速度命令，且依據此速度命令可得知所需之預定轉速r，接著，進入步驟S02，確認預定轉速r是否大於目前轉速y。

若預定轉速r大於目前轉速y，進入步驟S03，計算差值e，再進入步驟S04，由第一層比例控制器2211及第二層比例控制器2212計算調控值u，之後，控制單元220以調控值u增加脈波調變訊號的占空比，並依此控制馬達驅動模組212作動，即可進入步驟S05，增加目前轉速y，隨後再回到步驟S02，比較目前轉速y與預定轉速r的大小，直到被調整後之目前轉速y等於預定轉速r，即進入步驟S09，不再改變脈波調變訊號的占空比，結束速度控制。

若預定轉速r小於目前轉速y，進入步驟S06，計算差值e，再進入步驟S07，由第一層比例控制器2211及第二層比例控制器2212計算調控值u，之後，控制單元220以調控值u減少脈波調變訊號的占空比，並依此控制馬達驅動模組212作動，即可進入步驟S08，降低目前轉速y，隨後再回到步驟S02，比較目前轉速y與預定轉速r的大小，直到被調整後之目前轉速y等於預定轉速r，即進入步驟S09，不再改變脈波調變訊號的占空比，結束速度控制。

若目前轉速y等於預定轉速r，表示目前之脈波調變訊號為合適之脈波調變訊號，不再更動，故不需進入第一層比例控制器2211及第二層比例控制器2212，不需計算控值，可直接進入步驟S09，結束速度控制。

請參閱第5圖，並一併參閱第1圖及第2圖，其中，第5圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統10的充電電路示意圖。為了供電給馬達單元210，電動滑板之管理系統10可更包含一電池單元240及一充電單元400，電池單元240設置在電動滑板本體100且電性連接馬達單元210，電池單元240包含一電池模組241及一電壓量測模組242，電壓量測模組242電性連接電池模組241以量測電池模組241之電壓。充電單元400獨立於電動滑板本體100且包含一電芯平衡模組410及一電源供應模組420，電芯平衡模組410選擇性電性連接電池單元240，電源供應模組420電性連接電芯平衡模組410，其中，當電池單元240連接至充電單元400時，充電單元400對電池模組241進行充電。藉此，由於電芯平衡模組410位於充電單元400上，形成分離式的電源管理方式，不僅能有效減少電動滑板本體100的使用空間，且無須在電動滑板本體100上設置電芯平衡模組410，進而可減少電路元件成本。

如第5圖所示，電池模組241可包含複數電芯2411、2412、2413、2414、2415、2416、2417、2418串聯連接，電源供應模組420選擇性提供一第一電流I1予電芯2411~2418。電壓量測模組242可包含複數個量測切換開關2421a、2421b、2422a、2422b、2423a、2423b、2424a、2424b、2425a、2425b、2426a、2426b、2427a、2427b、2428a、2428b，其中各電芯2411~2418的二端分別電性連接其中二量測切換開關2421a~2428a、2421b~2428b，以使各電芯2411~2418的電壓被量測。

電芯平衡模組410包含一電源轉換器411及一選擇電路412，電源轉換器411電性連接電源供應模組420以提供一第二電流I2，選擇電路412電性連接電源轉換器 411，選擇電路412包含複數個平衡切換開關4121a、4121b、4122a、4122b、4123a、4123b、4124a、4124b、4125a、4125b、4126a、4126b、4127a、4127b、4128a、4128b，其中各電芯2411~2418的二端分別電性連接其中二平衡切換開關4121a~4128a、4121b~4128b以選擇性地接受第二電流I2。

量測切換開關2421a~2428a、2421b~2428b可均具有光耦合繼電器結構，由一量測開關控制模組243控制啟閉。其中量測開關控制模組243可依輪詢的方式切換量測切換開關2421a~2428a、2421b~2428b並量測各電芯2411~2418的電壓。舉例而言，當要量測電芯2411的電壓時，量測開關控制模組243可導通量測切換開關2421a、2421b，而當要量測電芯2412的電壓時，可導通量測切換開關2422a、2422b，以此類推。

平衡切換開關4121a~4128a、4121b~4128b可均具有光耦合繼電器結構，各電芯2411~2418會搭配平衡切換開關4121a~4128a、4121b~4128b，當各電芯2411~2418需要接收第二電流I2時，平衡開關控制模組430會傳送數位訊號給平衡切換開關4121a~4128a、4121b~4128b，導通相對應的平衡切換開關4121a~4128a、4121b~4128b使電源轉換器411與電芯2411~2418形成迴路進行單一電芯2411~2418的充電。舉例而言，當欲提供第二電流I2給電芯2411充電時，平衡開關控制模組430可導通平衡切換開關4121a、4121b，讓電源轉換器411與電芯2411形成充電迴路；若要對電芯2412進行平衡充電時，則平衡開關控制模組430可導通平衡切換開關4122a、4122b，讓電源轉換器411與電芯2412形成充電迴路，以此類推。

當各電池模組241的電芯2411~2418需要充電時，可將充電單元400與電池單元240電性連接，由電源供應模組420提供電池模組241第一電流I1。並可對電池模組241中具有最小電壓者(例如電芯2411)，導通對應之平衡切換開關(例如4121a、4121b)，以對其提供第二電流I2。故此時電芯2411是同時接收第一電流I1及第二電流I2以進行充電。藉此，除了讓電源供應模組420提供第一電流I1以進行串聯充電外，可使用第二電流I2對具有較低電壓之電芯(例如電芯2411)進行拉抬，使各電芯2411~2418保持一致性。

在此要特別說明地是，雖然在第2、5圖的實施例中，是由量測開關控制模組243控制量測切換開關2421a~2428a、2421b~2428b，及由平衡開關控制模組430控制平衡切換開關4121a~4128a、4121b~4128b，然在其他實施例中，亦可由位於電動滑板本體的控制單元統一控制量測切換開關及平衡切換開關，或由位於電動滑板本體的控制單元控制量測切換開關，由位於充電單元的平衡開關控制模組控制平衡切換開關，本發明不以此為限。

由於電動滑板之管理系統10包含電壓量測模組242而可量得電池模組241中各電芯2411~2418的電壓，故電壓量測模組242可取得電池模組241之一殘電量，由控制單元220接收殘電量，並依殘電量控制馬達驅動模組212，以使馬達211操作於一普通模式、一省電模式或一截止模式，而能進行電池模組241的失效管理。

其中，當殘電量大於或等於一第一設定比例時，可使馬達211操作於普通模式以正常運轉；當殘電量小於第一設定比例，且大於或等於一第二設定比例時，使馬達211操作於省電模式；當殘電量小於第二設定比例時，控制馬達211停止輸出。

更仔細地說，第一設定比例可以是20%，第二設定比例可以是5%。當殘電量大於20%時，馬達211不受限制，可被控制以最高速轉動；當殘電量介於5%至20%之間時，控制單元220限制馬達211之電流，而馬達211可被允許之轉速會下降，在此情況下，控制單元220可透過電流回授元件得知馬達211目前之電流，而當電流值超過限制電流值時，會調整脈波調變訊號，控制馬達驅動模組212，使馬達211接受之電壓降低以進行降速，而能限制電流大小。當殘電量低於5%時，會強制停止馬達211，以保護電池模組241。透過操作模式的切換，可讓使用者以體感明顯感受目前已進入省電模式，必須返航進行充電，而不會因突然失去動力讓使用者驚慌失措造成危險，進而達到保護及警示作用。

據此，如第2圖所示，電動滑板之管理系統10可更包含一RS232通訊單元230，其電性連接控制單元220 與電池單元240，RS232通訊單元230可將殘電量傳輸予控制單元220。換而言之，殘電量可以透過通訊的方式傳送給控制單元220。

請參閱第6圖及第7圖，並請一併參閱第2圖，其中第6圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統10的馬達211的一制動電路示意圖，第7圖繪示依照第1圖實施例之電動滑板之管理系統10的馬達211的另一制動電路示意圖。馬達驅動模組212可包含三上臂開關(第6、7圖中僅繪示出一個上臂開關2121)及三下臂開關(第6、7圖中僅繪示出一個下臂開關2122)，控制單元220啟閉上臂開關2121及下臂開關2122。上臂開關2121及下臂開關2122可具有MOSFET結構，各上臂開關2121及各下臂開關2122依脈波調變訊號啟閉，而能控制馬達211轉動，且馬達211可受一六步方波換相方式驅動，而能提升加減速時的順暢度及舒適度。

在第6、7圖的實施例中，馬達211可採用無機械的再生制動。仔細而言，如第6圖所示，當下臂開關2122導通且上臂開關2121截止時，馬達211之慣性可對馬達211之一線圈儲能，反之如第7圖所示，當下臂開關2122截止且上臂開關2121導通時，線圈的反電動勢BEMF與電感電壓V_L大於電池模組241之電壓，進而產生一反向電流對電池模組241充電，使馬達211被制動。藉此，透過反向電流對電池模組241充電，可產生一反力矩，而能達到制動效果。由於馬達211採用無機械的再生制動，而可解決電動滑板本體 100空間有限不易配置機構之問題，亦可解決機械制動所帶來的重量增加問題。再者，無機械的再生制動所產生的制動力小於機械制動的制動力，而能避免讓使用者在剎車的過程中被拋出。

由上述之實施例可知，本發明之電動滑板之管理系統可解決電動滑板本體空間不足的問題，且透過再生制動、電池模組的失效管理及分離式的電源管理方式，可提供完善的電源平衡管理，而能有效利用電動滑板本體的空間。此外，第一層比例控制器及第二層比例控制器的配置，可以改善傳統比例控制器受比例增益大小而影響追隨時間與穩態差值大小的問題，增加減速或加速時的穩定度，提升使用全性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。