一種自平衡電動車運行控制方法及其裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種自平衡電動車運行控制方法及其裝置，屬于自平衡電動車技術領域，本發明通過對姿態位置角度偏移的感知等系列運算，來控制運行，以此提高運行的精確性及靈敏性。
【專利說明】
一種自平衡電動車運行控制方法及其裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種自平衡電動車運行控制方法及其裝置，屬于交通工具技術領域。
[0002]
【背景技術】
[0003]自平衡車是一種短途代步車，目前在市場上廣為流行，一般自平衡車，都是直接利用電能轉換為動能，通過對車身的姿勢狀態的信號采集，直接進行高速處理器計算出控制指令，來驅動電機運行。目前市面上的自平衡電動車與普通的電動車相比，自平衡電動車給每個輪子都配備了一個無刷電機，希望以此提高車子運行性能，達到自平衡車對可靠性及精確性的要求。
[0004]現有技術中，缺乏對電機實際電流的有效控制，以及運算速度快且行之有效的電機運行控制方法，導致電機在運行過程中存在較大的扭矩波動，以及車子控制運行時靈敏度不夠。
【發明內容】
[0005]本發明公開了一種自平衡電動車運行控制方法，通過傳感器采集車身姿態數據，計算出車身姿態角，根據車身姿態角計算出電機交軸電流目標值；對電機相電流實時采樣，同時利用傳感器檢測電機轉子位置角度，根據相電流值和轉子位置角度計算電機實時的交軸電流和直軸電流；根據交軸電流目標值和電機實時交軸電流值計算出交軸控制信號，根據直軸電流目標值和電機實時直軸電流值計算出直軸控制信號；根據交軸控制信號和直軸控制信號以及轉子位置角度計算出電機的驅動信號。其中車身姿態角為實時車身與自平衡車靜止平衡時車身的夾角。通過本方法不但有效控制了實際電流，并且縮短了運算時間，提高了車子的靈敏度。
[0006]本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，其中傳感器可以獲取車身車身姿態數據、電機相電流以及電機轉子位置角度信息，所述傳感器可以為一個，也可以為兩個或兩個以上。
[0007]本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，其中用于采集車身姿態數據的傳感器可以為陀螺儀加速計。
[0008]本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，其中通過陀螺儀加速計采集車身姿態數據，計算出車身姿態角，根據車身姿態角計算出電機交軸電流目標值。
[0009]本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，其中檢測電機轉子位置角度的傳感器可以為開關霍爾傳感器。
[0010]本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，發明人為提高開關霍爾傳感器感測信號的精確性，本發明中每個電機上的開關霍爾優選三個，并且把三個開關霍爾按120°分設于電機上。
[0011]本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，其中所述通過采集車身姿態數據，計算車身姿態角生成電機交軸電流目標值包括:根據所述車身姿態角進行計算調節生成電機交軸電流目標值。
[0012]本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，其中根據所述交軸電流目標值和電機實時交軸電流值得到交軸控制信號包括:根據所述交軸電流目標值和電機實時交軸電流值計算交軸電流差值；對所述交軸電流差值進行計算調節生成交軸控制信號。
[0013]本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，其中根據所述直軸電流目標值和電機實時直軸電流值得到直軸控制信號包括:根據所述直軸電流目標值和電機實時直軸電流值計算直軸電流差值；對所述直軸電流差值進行計算調節生成直軸控制信號
本發明所述的自平衡電動車運行控制方法，其中根據所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、電機轉子位置角度生成所述電機的驅動信號包括:對所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、電機轉子位置角度應用空間矢量脈寬調制方法，生成所述電機的驅動信號。
[0014]本發明另一方面公開了一種自平衡車電機運行控制裝置，由目標信號計算單元、電機信號變換單元、控制信號計算單元、驅動信號變換單元等單元構成，其中目標信號計算單元，通過傳感器采集車身姿態數據，計算出車身姿態角，根據車身姿態角計算出電機交軸電流目標值。其中電機信號變換單元，通過對電機相電流實時采樣獲得電機實時電流值，同時利用傳感器檢測電機轉子位置角度，根據電機相電流及轉子位置角度計算電機實時的交軸電流和直軸電流。其中控制信號計算單元，根據交軸電流目標值和電機實時交軸電流值計算出交軸控制信號，根據直軸電流目標值和電機實時直軸電流值計算出直軸控制信號。其中驅動信號變換單元，根據交軸控制信號和直軸控制信號以及轉子位置角度計算出電機的驅動信號。
[0015]本發明所述的自平衡車電機運行控制裝置，其中所述的傳感器為可以獲取車身車身姿態數據、電機相電流以及電機轉子位置角度信息，所述傳感器可以為一個，也可以為兩個或兩個以上。
[0016]本發明所述的自平衡車電機運行控制裝置，其中所述的用于采集車身姿態數據的傳感器為陀螺儀加速計；所述的檢測電機轉子位置角度的傳感器為開關霍爾傳感器。開關霍爾傳感器每個電機優選三個，按120°分設于電機上。
[0017]本發明所述的自平衡車電機運行控制裝置，其中所述目標信號計算單元包括:計算模塊和調節器，所述計算模塊用于根據所述車身姿態數據計算車身姿態角，所述調節器用于對所述車身姿態角進行計算調節生成電機交軸電流目標值。
[0018]本發明所述的自平衡車電機運行控制裝置，其中所述控制信號計算單元包括計算單元、交軸電流調節器和直軸電流調節器，所述計算單元用于根據所述交軸電流目標值和電機實時交軸電流值信號計算出交軸電流差值，以及用于根據直軸電流目標值和電機實時直軸電流值生成直軸電流差值；所述交軸電流調節器用于對所述交軸電流差值進行計算調節生成交軸控制信號；所述直軸電流調節器用于對所述直軸電流差值進行計算調節生成直軸控制信號。
[0019]本發明也公開了一種自平衡車，其安裝有上述自平衡車電機運行控制裝置。
[0020]本發明中通過根據車身姿態數據計算車身姿態角后，根據車身姿態角直接計算生成交軸電流目標值，算法簡單快捷，并且自平衡車均通過車身姿態控制運行，我們通過對車身姿態數據來直接計算，可以有效提高運行控制的精確度。再通過對所述電機的電流信號進行實時采樣，并根據所述電機的相電流值以及傳感器感測到的電機轉子位置角度，計算生成所述電機的實時交軸電流信號以及實時直軸電流信號，本處利用三個開關霍爾按120°角分設于電機來監測電機轉子的位置角度，使數據捕捉的更為精準；根據所述交軸電流目標值和所述實時交軸信號得到交軸控制信號，根據直軸電流目標值與實時直軸電流值計算得到直軸控制信號；最后根據所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、所述電機的轉子位置角度計算生成所述電機的驅動信號，使得整個裝置的控制原理完全基于閉環反饋控制，從而提高了電機的控制精度。
【附圖說明】
[0021]本發明的附圖是為了對本發明進一步說明，而非對發明范圍的限制。
[0022]圖1為本發明所述的自平衡電動車運行控制方法流程示意圖。
[0023]圖2為本發明所述的自平衡車電機運行控制裝置示意圖。
[0024]圖3為本發明所述的自平衡車電機運行控制結構圖。
【具體實施方式】
[0025]本發明的實施例是為了對本發明進一步解釋說明，而非對本發明的發明范圍限制。
[0026]實施例1。
[0027]通過傳感器得到車身姿態數據，根據車身姿態數據計算車身姿態角，根據所述車身姿態角計算生成交軸電流目標值；對所述電機的相電流實時采樣，并根據對所述電機的相電流值以及傳感器感測到的電機轉子位置角度，計算所述電機的實時交軸電流信號以及實時直軸電流信號；根據所述交軸電流信號目標值和所述實時交軸電流值計算得到交軸控制信號，根據直軸電流目標值與實時直軸電流值得到直軸控制信號；根據所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、所述電機轉子位置角度計算生成所述電機的驅動信號。
[0028]本發明可以運用于單個輪子的自平衡車，車輪使用獨立的電機進行控制，并不局限于一個輪子的自平衡車，也可以運用于雙輪、三輪或者四輪動平衡車。本發明實施例中僅以一個輪子為例進行闡述，其他均可參照。
[0029]本發明的自平衡電動車運行控制方法流程見圖1，具體表述如下:
1、根據傳感器信號計算車身姿態角:
所述的傳感器信號，即通過傳感器獲取車身的姿態數據，該傳感器具體可以為陀螺儀加速計傳感器。獲取車身姿態數據后計算出車身姿態角。
[0030]、根據所述車身姿態角計算生成電機交軸電流目標值:
對所述車身姿態角進行比例微分調節生成電機交軸電流目標值。
[0031]、對所述電機的相電流實時采樣:
在對電機的電流信號進行采樣時，主要采集電機的兩相相電流ia和ib。需要說明的是，在具體采樣時，采樣的頻率可以根據最終給電機的驅動信號的頻率來設定。
[0032]、根據所述電機的相電流值以及傳感器感測到的電機轉子角度計算生成所述電機的實時交軸電流以及實時直軸電流:
上述采樣結果包括相電流的幅值和方向。其中實時交軸電流iq，實時直軸電流id，電機轉子位直角度9 O
[0033]、根據所述交軸電流目標值和所述實時交軸電流值得到交軸控制信號:
(I)根據所述交軸電流目標值和所述實時交軸電流值生成交軸電流差值:交軸電流差值的生成可以依賴于硬件比如運放，或者純軟件實現。
[0034]( 2)對所述交軸電流差值進行比例積分調節生成交軸控制信號:
比例積分控制的參數P和I可以參照經驗及車身實際運行情況確定。交軸控制信號將具體為交軸控制電壓Vq。
[0035]、根據直軸電流信號目標值與實時直軸電流值得到直軸控制信號:
根據直軸電流信號目標與實時直軸電流值生成直軸電流差值，直軸電流差值的生成可以依賴于硬件比如運放，或者純軟件實現。對所述直軸電流差值進行比例積分調節生成直軸控制信號，比例積分調節的參數P和I可以根據經驗及車身實際運行情況確定。直軸控制信號具體為直軸控制電壓Vd。
[0036]、根據所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、所述電機轉子位置角度生成所述電機的驅動信號:
采用空間矢量脈寬調制方法，對所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、所述電機電機轉子位置角度進行計算變換生成所述電機的驅動信號。
[0037]如圖2所示，自平衡車電機運行控制裝置可以包括:目標信號計算單元101、電機信號變換單元102、控制信號計算單元103和驅動信號變換單元104。
[0038]目標信號計算單元101:通過傳感器采集車身姿態數據，計算車身姿態角，根據所述車身姿態角計算電機交軸電流目標值。
[0039]電機信號變換單兀102:通過對電機相電流實時米樣獲得電機實時電流值，同時利用傳感器檢測電機轉子位置角度，根據所述電機相電流及轉子位置角度計算所述電機實時的交軸電流和直軸電流
控制信號計算單元103:根據所述交軸電流目標值和電機實時交軸電流值計算出交軸控制信號，根據所述直軸電流目標值和電機實時直軸電流值計算出直軸控制信號。
[0040]驅動信號變換單元104:根據所述交軸控制信號和直軸控制信號以及轉子位置角度計算出電機的驅動信號。
[0041]具體自平衡車電機運行控制裝置包括:姿態計算模塊1、傳感器2、車身姿態ro調節器3、交軸電流誤差檢測器4、交軸電流PI調節器5、SVPWM矢量控制器6、電機7、傳感器
8、電流采樣計算模塊9、直軸電流誤差檢測器11和直軸電流PI調節器12。
[0042]傳感器2與姿態計算模塊I連接，姿態計算模塊I與姿態H)調節器3連接，姿態PD調節器3與交軸電流誤差檢測器4連接，交軸電流誤差檢測器4與交軸電流PI調節器5連接，交軸電流PI調節器5與SVPffM矢量控制器6連接，SVPffM矢量控制器6與電機7通過相線連接，電機7與傳感器8連接，傳感器8分別與SVPffM矢量控制器6、電流采樣計算模塊9信號連接，以將采集到的角度信號分別傳送給SVPffM矢量控制器6和電流采樣計算模塊9，電流采樣計算模塊9與SVPffM矢量控制器6和所述電機7之間的相線連接，電流采樣計算模塊9分別與交軸電流誤差檢測器4和直軸電流誤差檢測器11連接，直軸電流誤差檢測器11與參考零目標點連接，直軸電流誤差檢測器11與直軸電流PI調節器12連接，直軸電流PI調節器12與SVPffM矢量控制器6連接。
[0043]姿態計算模塊1、傳感器2、姿態ro調節器3組成圖2中的目標信號計算單元。姿態計算模塊I作為目標信號計算單元中的計算模塊，PD調節器3作為目標信號計算單元中的調節器。
[0044]電流采樣計算模塊9和傳感器8作為圖2中的電機信號變換單元。
[0045]交軸電流誤差檢測器4、交軸電流PI調節器5、直軸電流誤差檢測器11、直軸電流PI調節器12組成圖2中的控制信號計算單元。交軸電流誤差檢測器4和直軸電流誤差檢測器11組成控制信號計算單元中的計算單元，交軸電流PI調節器5作為控制信號計算單元中的交軸電流調節器，直軸電流PI調節器12作為控制信號計算單元中的直軸電流調節器。
[0046]交軸電流誤差檢測器4用來計算交軸電流目標值和實時交軸電流之間的差值；直軸電流誤差檢測器11用來計算直軸電流目標值與實時直軸電流值之間的差值。
[0047]矢量控制器6作為圖2中的驅動信號變換單元。
[0048]在電機進行工作過程中傳感器感測車身姿態數據。姿態計算模塊I根據姿態數據計算得到車身姿態角，經過ro調節器3后作為交軸電流目標值。
[0049]電流采樣計算模塊9與SVPffM矢量控制器6和所述電機7之間的相線連接，具體為與兩相線電流連接。采用兩相線電流采樣方式進行電機的電流采樣和計算，并且電流采樣計算模塊9使用精密電流采樣電阻進行電流的檢測，直接得到電機相電流，從而實現電機輸出力矩的精確控制。
[0050]電流采樣計算模塊9通過對電機7的其中兩相相電流ia和ib進行采樣，并結合接收到傳感器8的電機轉子位置角度Θ信號，計算得到電機的實時交軸電流iq和實時直軸電流id。
[0051]交軸電流目標值與實時交軸電流iq比較，經過交軸電流PI調節器5后得到交軸控制電壓Vq。
[0052]實時直軸電流id與目標零值進行比較，經過直軸電流PI調節器12后得到直軸控制電壓Vd。
[0053]矢量控制器結合接收到的傳感器8的電機轉子位置角度Θ信號、交軸控制電壓Vq和直軸控制電壓Vd進行空間矢量脈寬調制，最終得到用于驅動電機的三相交流信號。
[0054]電流采樣計算模塊9、交軸電流PI調節器5、直軸電流PI調節器12和SVPffM矢量控制器6構成電流內閉環反饋控制，從而實現電機力矩的精確控制；姿態計算模塊1、姿態角ro調節器3和上述電流內閉環構成車身姿態角外閉環反饋控制，從而實現車身姿態角的精確控制。
[0055]當車身向前傾時，其姿態角經過姿態角ro調節器3后形成一個正向的交軸電流目標值，經由交軸電流PI調節器5內閉環調節后提高了電機的轉矩電流，使得電機輸出轉矩增加，轉速提高，使得車身趨向平衡；反之當車身向后傾時，電機驅動電流降低，轉矩減小，速度降低。
[0056]采用SVPffM矢量控制器的驅動調制方式，還可達到使得電機在運行過程中尤其是低速大轉矩輸出的時候轉矩脈動小，降低電機和MOS管的發熱量，具有提高能源利用效率和延長電機及控制器壽命的優點。
[0057]與現有的方案相比，本發明上述實施例中，首先根據車身姿態數據計算車身姿態角，再根據車身姿態角計算生成電機交軸電流目標值，再通過對所述電機的電流信號進行實時采樣，并根據所述電機的相電流值以及傳感器感測到的電機轉子位置角度，計算生成所述電機的實時交軸電流信號以及實時直軸電流信號；根據所述交軸電流目標值和所述實時交軸信號得到交軸控制信號，根據直軸電流目標值與實時直軸電流值計算得到直軸控制信號；最后根據所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、所述電機的轉子位置角度計算生成所述電機的驅動信號，使得整個運算過程簡單快捷，并且裝置的控制原理完全基于閉環反饋控制，從而提高了電機的控制精度。
【主權項】
1.一種自平衡電動車運行控制方法: 通過傳感器采集車身姿態數據，計算出車身姿態角，根據車身姿態角計算出電機交軸電流目標值； 對電機相電流實時采樣，同時利用傳感器檢測電機轉子位置角度，根據相電流值和轉子位置角度計算電機實時的交軸電流和直軸電流； 根據交軸電流目標值和電機實時交軸電流值計算出交軸控制信號，根據直軸電流目標值和電機實時直軸電流值計算出直軸控制信號； 根據交軸控制信號和直軸控制信號以及轉子位置角度計算出電機的驅動信號。2.根據權利要求1所述的自平衡電動車運行控制方法，其特征在于通過所述的傳感器，獲取車身姿態數據，電機相電流以及電機轉子位置角度。3.根據權利要求1所述的自平衡電動車運行控制方法，其特征在于所述的用于采集車身姿態數據的傳感器為陀螺儀加速計。4.根據權利要求1所述的自平衡電動車運行控制方法，其特征在于所述的檢測電機轉子位置角度的傳感器為開關霍爾傳感器。5.根據權利要求4所述的自平衡電動車運行控制方法，其特征在于每個電機上的開關霍爾傳感器為三個，三個開關霍爾按120°分設于電機上。6.根據權利要求1所述的自平衡電動車運行控制方法，其特征在于，根據所述車身姿態數據，計算車身姿態角生成交軸電流目標值包括:根據所述車身姿態角進行計算調節生成交軸電流目標值。7.根據權利要求1所述的自平衡電動車運行控制方法，其特征在于，根據所述交軸電流目標值和電機實時交軸電流值得到交軸控制信號包括:根據所述交軸電流目標值和電機實時交軸電流值計算交軸電流差值；對所述交軸電流差值進行計算調節生成交軸控制信號。8.根據權利要求1所述的自平衡電動車運行控制方法，其特征在于，根據所述直軸電流目標值和電機實時直軸電流值得到直軸控制信號包括:根據所述直軸電流目標值和電機實時直軸電流值計算直軸電流差值；對所述直軸電流差值進行計算調節生成直軸控制信號。9.根據權利要求1所述的自平衡電動車運行控制方法，其特征在于，根據所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、電機轉子位置角度生成所述電機的驅動信號包括:對所述直軸控制信號、所述交軸控制信號、電機轉子位置角度應用空間矢量脈寬調制方法，生成所述電機的驅動信號。10.一種自平衡車電機運行控制裝置，包括:目標信號計算單元、電機信號變換單元、控制信號計算單元、驅動信號變換單元: 目標信號計算單元，通過傳感器采集車身姿態數據，計算出車身姿態角，根據車身姿態角計算出電機交軸電流目標值； 電機信號變換單元，通過對電機相電流實時采樣獲得電機實時電流值，同時利用傳感器檢測電機轉子位置角度，根據電機相電流及轉子位置角度計算電機實時的交軸電流和直軸電流； 控制信號計算單元，根據交軸電流目標值和電機實時交軸電流值計算出交軸控制信號，根據直軸電流目標值和電機實時直軸電流值計算出直軸控制信號； 驅動信號變換單元，根據交軸控制信號和直軸控制信號以及轉子位置角度計算出電機的驅動信號。11.根據權利要求10所述的自平衡車電機運行控制裝置，其特征在于所述的用于采集車身姿態數據的傳感器為陀螺儀加速計；所述的檢測電機轉子位置角度的傳感器為霍爾傳感器。12.根據權利要求10所述的自平衡車電機運行控制裝置，其特征在于所述目標信號計算單元包括:計算模塊和調節器，所述計算模塊用于根據所述車身姿態數據計算車身姿態角，所述調節器用于對所述車身姿態角進行計算調節生成交軸電流目標值。13.根據權利要求10所述的自平衡車電機運行控制裝置，其特征在于所述控制信號計算單元包括計算單元、交軸電流調節器和直軸電流調節器，所述計算單元用于根據所述交軸電流目標值和電機實時交軸電流值信號計算出交軸電流差值，以及用于根據直軸電流目標值和電機實時直軸電流值生成直軸電流差值； 所述交軸電流調節器用于對所述交軸電流差值進行計算調節生成交軸控制信號；所述直軸電流調節器用于對所述直軸電流差值進行計算調節生成直軸控制信號。14.一種自平衡車，其特征在于，包括權利要求10-13任意一項所述的自平衡車電機運行控制裝置。
【文檔編號】G05D1/08GK105867394SQ201510029616
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年1月21日
【發明人】不公告發明人
【申請人】常州愛爾威智能科技有限公司