一種直流電機多邊獨立驅動行走機構變速及差速控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直流電機多邊獨立驅動行走機構變速及差速系統(tǒng)，由電源、踏板或手柄位置傳感器、多個同規(guī)格直流電機，以及與電機對應的電流傳感器、斬波信號發(fā)生器和控制器等組成。用踏板或手柄位置傳感器信號等分量信號作為輸入量，各電機電流傳感器信號作為反饋信號，進行多路并聯(lián)電流閉環(huán)控制，將各電機總電流都維持在與輸入量對應的水平上、并輸出等轉矩，滿足所有直流電機多邊獨立驅動真實條件下變速和差速的需要。特點是：差速控制精度較高、應用范圍廣；控制技術成熟、工作可靠、生產和使用成本低；電源電壓較低，使用和維修安全；電機轉矩輸出脈動小、行駛平穩(wěn)、乘坐舒適；增加轉速或反電動勢信號比較控制，很容易實現(xiàn)驅動防滑自動控制。
【專利說明】一種直流電機多邊獨立驅動行走機構變速及差速控制系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及直流電機控制【技術領域】，具體涉及一種直流電機多邊獨立驅動行走機構變速及差速的電子控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]對于直流電機多邊獨立驅動行走機構結構方案，一般無實體驅動橋、每個驅動輪都由各自對應的電機(或“減速電機”即將電機和機械變速箱做成一體)驅動，電機與驅動輪安裝緊湊，甚至能以輪轂電機的形式直接安裝于車輪內部。與有實體驅動橋行走機構結構方案相比，具有機械結構簡單、布置方便、駕乘和載貨空間大，電子控制便捷、無級變速平順，重心低、行走平穩(wěn)和離地間隙大、通過性好的優(yōu)點，在混合動力汽車、電動汽車、代步車、輪式機器人、園林機械等輪式行走機構產品領域，受到越來越廣泛的重視。
[0003]由汽車設計理論可知:對于多驅動輪行走機構，在路面不平和松軟、輪胎磨損、輪胎胎壓和負荷等實際情況下，不論是在轉向還是在直線行駛，各驅動輪都必須順應車況和路況，輸出正確的轉速和相等的轉矩(這就是所說的“差速”)，消除功率循環(huán)。其目的是:
①通過輪胎與路面之間良好的結合(不打滑)，使各驅動輪獲得最大的橫向和縱向附著(摩擦)系數，防止行走機構行駛不穩(wěn)(發(fā)飄)、側滑和輪胎過度磨損，提高行駛穩(wěn)定性、可控性，提高輪胎的使用壽命；②通過各驅動輪相等的輸出轉矩，維持驅動輪的運動方向和轉速(運動狀態(tài))的同時，防止驅動跑偏力矩產生，降低操縱人員修正方向的勞動強度。
[0004]注:對于行走機構因各驅動輪壓轍、輪胎變形阻力、以及其他外部阻力(如風阻)不平衡等引起的系統(tǒng)跑偏，由轉向系回正力矩(主要由轉向主銷后傾和內傾產生)自動消除，或由操縱人員通過轉向系予以人為修正。
[0005]目前，直流電機多邊獨立驅動行走機構的變速及差速控制技術方案，主要有“電子差速”、“恒轉矩控制”和“電機串聯(lián)”三種技術方案。都是采用變速和差速一體化控制:變速控制，一般是用踏板或手柄位置信號斬波控制電源輸出，同步改變各電機輸出轉矩(打破原平衡力系，改變系統(tǒng)運動狀態(tài)，直至建立新的平衡力系)，實現(xiàn)系統(tǒng)變速(斬波控制是目前直流電機調速的主流方法，它能節(jié)約能量、提高行走機構續(xù)航里程，技術非常成熟)；差速控制，目前還沒有非常成熟的技術方案。
[0006]下面，對上述方案進行簡要分析:①“電子差速”技術方案:是一種開環(huán)控制技術方案，用于各電機通過對應控制器并聯(lián)于電源上的結構方案上(主要用于直流輪轂電機驅動的混合動力汽車，這也是唯一實際應用的技術方案)。變速控制是將踏板或手柄位置信號作為速度控制信號，通過控制器同步斬波控制各電機的功率輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)變速；差速控制是將方向盤轉角傳感器信號作為差速控制信號，經電腦處理輸出與各電機對應的差速信號，對電機(或驅動輪)轉速進行修正，實現(xiàn)驅動輪差速(用方向盤轉角傳感器信號對各電機的差速控制，需針對具體車輛結構參數，如輪距、軸距、轉向軸數等)。即踏板或手柄位置信號和各電機對應差速信號(對應方向盤轉角傳感器信號)，疊加總量控制各電機(驅動輪)轉速，實現(xiàn)變速和差速。存在的問題是:該技術方案只滿足了行走機構轉向時驅動輪差速的需要，未考慮路面平整度和硬實度不同、輪胎磨損不同、胎壓不同、車輪負荷不同等實際情況下，對驅動輪差速的要求，在行駛過程中車輪滑轉率過大，輪胎過度磨損(有輪轂電機驅動電動車輪胎過度磨損的實例)，不能滿足實際工作需要。②“恒轉矩控制”技術方案:是一種閉環(huán)控制技術方案，也是用于各電機通過對應控制器并聯(lián)于電源上的結構方案上。變速控制和差速控制是:將踏板或手柄位置信號作為基本控制信號(速度控制信號)，各電機輸出軸的扭矩傳感器信號作為反饋信號(差速控制信號)，控制各電機輸出轉矩，實現(xiàn)變速和差速。存在的問題是:對于采用輪轂電機驅動的行走機構，由于電機無實體輸出軸，無法安裝扭矩傳感器并獲得扭矩信號，該技術方案只能用于有實體輸出軸的電機驅動機構方案上，能夠應用的產品范圍很小。③“電機串聯(lián)”技術方案:是一種開環(huán)控制技術方案，用于各電機通過對應控制器串聯(lián)于電源上(有刷電機串聯(lián)其電源線，無刷電機串聯(lián)控制器功率母線)的結構方案上。變速:將踏板或手柄位置信號作為速度控制信號，斬波控制電源的能量輸出，同步控制各電機轉矩，達到控制車速的目的。差速:行走機構行駛過程中，各驅動輪順應車況和路況，根據路面阻力變化自動調節(jié)運動方向和轉速(運動狀態(tài)改變，一般不同)時，由于電機串聯(lián)，其繞組電流相等并仍能輸出相同的扭矩，實現(xiàn)驅動輪自適應差速。它有效解決了行走機構在任何路況和車況下差速的問題，差速控制精度高、結構簡單、工作可靠性高。存在的缺陷是:由于電機“串聯(lián)”的分壓作用，要求用高電壓驅動整個電路(采用高壓直流電源或者逆變升壓，來減小電機重量，提高行駛平順性、提高系統(tǒng)的效率，降低成本、提高續(xù)航里程)。對高壓電源安全控制技術不是很成熟的現(xiàn)狀而言，在使用和維修維修中存在較嚴重的安全隱患。
[0007]上述技術方案存在的問題或缺陷，嚴重制約了多邊獨立驅動行走機構結構方案的實際應用。

【發(fā)明內容】

[0008]針對以上問題和缺陷，本發(fā)明公開了一種直流電機多邊獨立驅動行走機構變速及差速控制系統(tǒng)。用于各電機通過對應控制器并聯(lián)于電源上的直流電機多邊獨立驅動結構方案上，是一種等輸入量多路并聯(lián)電流閉環(huán)控制的變速差速一體化控制系統(tǒng)。具體是:踏板或手柄位置傳感器信號作為速度控制信號，其等分量信號作為輸入量，各電機電流傳感器信號作為反饋信號(差速信號)，由斬波信號發(fā)生器分析比較并產生對應電機控制器的斬波信號，對各電機電流進行多路并聯(lián)閉環(huán)控制，將各電機電流都維持在與輸入量(或踏板或手柄位置傳感器信號或其等分量)給定的水平上，輸出相等的轉矩，從而實現(xiàn)變速和差速驅動。當踏板或手柄位置改變時，其感器信號改變，其等分量也相應改變，控制各電機電流同步等水平改變至踏板位置信號(或其等分量)給定的值，其輪轉矩輸出相應改變，從而改變系統(tǒng)驅動力，實現(xiàn)變速；對應一定的踏板或手柄位置，當各驅動輪(或電機)轉速隨路面阻力變化而變化，引起反電動勢同方向變化，并導致電機電流反方向變化時，利用各電機電流傳感器信號進行電流反饋控制，由各斬波信號發(fā)生器對應將各電機電流維持在踏板或手柄位置傳感器信號(或其等分量)對應水平上，使各電機等轉矩輸出，實現(xiàn)差速控制。
[0009]一、該發(fā)明技術方案的結構和功能
[0010]1、結構。①組成:該發(fā)明技術方案結構由電源、踏板或手柄位置傳感器、多個同規(guī)格直流電機，以及與電機對應的電流傳感器、斬波信號發(fā)生器和控制器等組成。②聯(lián)接:各電機與對應的控制器聯(lián)接(電機與控制器的聯(lián)接，根據電機結構型式及對應控制器具體形式而定，這里不詳談)；各控制器母線并聯(lián)在電源上；各電流傳感器對應安裝在對應控制器輸入(或輸出)母線上；各斬波控制器參考量輸入端和反饋信號輸入端，分別對應聯(lián)接踏板或手柄位置傳感器信號等分量信號線和對應電流傳感器信號線；斬波信號發(fā)生器輸出端分別對應聯(lián)接控制器控制輸入端。
[0011]2、功能。①電源:是整個行走機構的能量源，為各電機和其它用電設備提供電能。
②踏板或手柄位置傳感器:是速度控制元件。其位置傳感器信號(作為速度控制信號)的等分量信號，并作為各電機(或驅動輪)速度(斬波)控制信號。③直流電機:是行走機構的動力源，它將電能轉化成機械能，輸出一定的功率(轉速和轉矩)。④電流傳感器:是電機電流的檢測元件。產生的電流信號作為差速(反饋)信號。⑤斬波信號發(fā)生器:是控制器的斬波(速度)控制信號源。它接受踏板或手柄位置傳感器一個等分量信號作為電機電流閉環(huán)控制的參考輸入量、同時接受對應電流傳感器的差速信號作為對應電機電流閉環(huán)控制的反饋信號，將參考輸入量和反饋信號進行比較處理，對應輸出各控制器的斬波信號，實施對應電機電流閉環(huán)控制。⑥控制器:是電機的電子控制器件。它主要是接受對應斬波發(fā)生器的斬波信號，控制對應電機的輸出(對于有刷電機控制器，有倒車和保護等功能。對于無刷電機控制器，除了有上述功能外還有電子換向器的功能)。
[0012]本發(fā)明技術方案克服了現(xiàn)有直流電機多邊獨立驅動行走機構變速及差速控制技術方案存在的缺陷和問題，通過對各電機電流進行等量、多路并聯(lián)、閉環(huán)控制，將驅動輪輸出扭矩總是維持在與踏板或手柄位置對應的水平上。不但滿足了行走機構對系統(tǒng)變速控制的要求，而且滿足了真實條件下(不同車況、路況)行走機構對驅動輪差速驅動的實際要求。具有以下優(yōu)點:①差速控制精度較高、應用范圍廣。②控制技術成熟、工作可靠、生產和使用成本低。③電源電壓較低，使用和維修安全。④通過電流閉環(huán)控制，減小了電機換向過程中電流(或轉矩)輸出脈動，系統(tǒng)行駛平穩(wěn)、乘坐舒適。⑤若在此技術方案基礎上，增加轉速傳感器信號或反電動勢信號比較控制，很容易解決個別車輪打滑的問題，實現(xiàn)驅動防滑自動控制，完善系統(tǒng)功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖1為直流電機原理圖。其中:a為有刷直流電機結構原理不意圖、b為無刷直流電機原理框圖。
[0014]附圖2為閉環(huán)控制原理框圖。
[0015]附圖3為本發(fā)明多路并聯(lián)電流閉環(huán)控制框圖。
[0016]附圖4為本發(fā)明結構方案示意圖。
[0017]附圖中除已經注明的外，圖中符號對應的名稱如下:
[0018]圖1中:U為電源電壓、N和S分別為磁極、A和B分別為機械換向器碳刷、I為繞組電流、F為繞組單邊安培力。
[0019]圖3、4中:η為大于2的自然數。
【具體實施方式】
[0020]一、本發(fā)明技術方案的可行性簡要分析[0021]1、直流電機驅動原理的簡要分析
[0022]從圖2中a和b的結構原理所示:有刷直流電機和無刷直流電機在結構上的區(qū)別在于，是通過機械式換向器、還是電子換向器，來改變和維持電機繞組電流方向，使電機輸出連續(xù)的機械功率(轉速與轉矩的乘積)。二者工作的物理學原理完全相同:即通電導體在磁場中受力——安培力。由于實際上無刷電機繞組都是采用星形接法(曹春.無刷直流電動機繞組接法的比較分析[J].微特電機，2008年第02期)，那么，無論是有刷還是無刷直流電機，相電流都等于線電流。故，當電機結構一定時，可用以下公式，進行粗略推導(不考慮繞組感抗):
【權利要求】
1.一種直流電機多邊獨立驅動行走機構變速及差速系統(tǒng)，其特征在于:由電源、踏板或手柄位置傳感器、多個同規(guī)格直流電機，以及與電機對應的電流傳感器、斬波信號發(fā)生器和控制器等組成。具體聯(lián)接:各電機與對應的控制器聯(lián)接；各控制器母線并聯(lián)在電源上；各電流傳感器對應安裝在對應控制器輸入(或輸出)母線上；各斬波控制器參考量輸入端和反饋信號輸入端，分別對應聯(lián)接踏板或手柄位置傳感器信號等分量信號線和對應電流傳感器信號線；斬波信號發(fā)生器輸出端分別對應聯(lián)接控制器控制輸入端。
2.如權利要求1所述的直流電機多邊獨立驅動行走機構變速及差速系統(tǒng)，其特征在于:將踏板或手柄位置傳感器信號的等分量，作為各電機電流閉環(huán)控制的參考輸入量，對各電機電流實施等量、多路并聯(lián)、閉環(huán)控制。
【文檔編號】B60L15/20GK103997260SQ201410185187
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權日:2014年4月28日
【發(fā)明者】范洪雷, 李鑫, 王延寧, 范洪菲, 郭宗和, 王玉林, 韓加蓬, 范永建, 崔振民, 楚衛(wèi)濤, 王福忠, 姚傳峰, 紀世才, 范永新, 陳冰 申請人:范永建