发明内容
本发明的发明目的是一种人机互动体感车的轮毂电机控制系统,以在轮毂电机一直维持在高功率输出状态,降低轮毂电机的输出功率,减少轮毂电机的发热量。
本发明提供一种人机互动体感车的轮毂电机控制系统,包括驱动车轮转动的轮毂电机、用于采集车体的姿态信息的采样装置及控制装置,所述控制装置用于根据所述车体的姿态信息控制所述轮毂电机的输出功率以使人机互动体感车的车体趋于水平,所述采样装置还用于采集所述轮毂电机的电流,所述控制装置还用于在所述采样装置采集到的电流大于预设的阈值电流时,将所述轮毂电机的输出功率降低至预定的阈值功率或降低至预定的阈值功率以下,所述预定的阈值功率为轮毂电机的电流为所述预设的阈值电流时轮毂电机的输出功率。
进一步地,所述采样装置还用于采集所述轮毂电机的温度,所述控制装置还用于在所述采样装置采集到的温度大于等于预设的温度阈值时,控制所述轮毂电机降低输出功率。
进一步地,所述采样装置还用于采集所述轮毂电机的温度,所述控制装置还用于在所述采样装置采集到的温度大于等于预设的温度阈值时降低所述的阈值电流以使所述轮毂电机降低输出功率。
进一步地,所述轮毂电机为PWM调速电机,所述控制装置根据所述采样装置采集到的信息生成PWM控制信号,并发送至所述轮毂电机,所述轮毂电机根据所述PWM控制信号调整输出功率,且在所述采样装置采集到的温度大于等于预设的温度阈值时,所述控制装置生成的PWM控制信号能够使所述轮毂电机降低输出功率。
进一步地,所述轮毂电机包括PWM调速模块及与所述PWM调速模块连接的功率输出模块,所述PWM调速模块根据接收到的PWM控制信号来调整所述功率输出模块的输出功率。
进一步地,所述控制装置包括用于生成PWM控制信号的PWM控制器,用于存储车体的姿态信息与输出功率映射关系、预设的阈值电流及预设的温度阈值的存储器,用于接收姿态信息、电流信息及温度信息并将它们与所述存储器内存储的信息进行比较和/或换算的比较器,以及用于根据所述比较器的比较和/或换算结果控制所述PWM控制器生成相应的PWM控制信号的微处理器。
进一步地,所述采样装置采集到的温度大于等于预设的温度阈值时,所述控制装置生成的PWM控制信号的占空比小于前一个PWM控制信号的占空比。
进一步地,所述采样装置包括用于采集所述轮毂电机的温度的温度传感器,所述温度传感器的数量为多个且均匀分布。
本发明还提供一种人机互动体感车的轮毂电机控制系统的控制方法,包括以下步骤:
采集轮毂电机的电流信息;
判断所述电流信息是否大于预设的阈值电流;以及
当判断结果为是时,控制轮毂电机的输出功率小于或等于在轮毂电机的电流为所述阈值电流时轮毂电机的输出功率。
进一步地,还包括以下步骤:
采集轮毂电机的温度信息;
判断采集到的温度信息是否大于等于温度阈值;以及
当判断结果为是时,控制轮毂电机降低输出功率;
其中,根据温度信息控制轮电机输出功率的优先级大于根据电流信息控制轮毂电机的优先级。
由于上述技术方案的运用,本发明具备以下优点:
本发明的人机互动体感车的轮毂电机控制系统及其控制方法,通过采样装置采集轮毂电机的电流,控制装置判断出采样装置采集到的电流信息大于阈值电流时,控制轮毂电机降低输出功率,减少轮毂电机的发热量,使轮毂电机的温度降低,以避免轮毂电机因温度过高被烧坏给使用者带来人身及财产损失。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参阅图1,本发明实施例提供的人机互动体感车的轮毂电机控制系统,包括轮毂电机1、控制装置2、采样装置3及电源4。电源4与轮毂电机1、控制装置2及采样装置3连接,为轮毂电机1、控制装置2及采样装置3提供电能。采样装置3与控制装置2连接,用于采集人机互动体感车的车体的姿态信息并将姿态信息发送至控制装置2,控制装置2例如包括微处理器,控制装置2用于根据车体的姿态信息控制轮毂电机1的输出功率以使人机互动体感车的车体趋于水平。
具体地,采样装置3包括姿态传感器,姿态传感器用于采集车体的姿态信息,姿态传感器包括陀螺仪302、加速度传感器303等用于采集人体姿态信息的传感器,控制装置2根据姿态传感器采集到的人体姿态信息控制轮毂电机输出相应的输出功率维持车体平衡,同时驱动车轮转动,带动车体前进、后退及转向,这些技术为现有技术在此不再赘述。
可以理解的是,人机互动体感车的运行过程是一个持续过程,在该运行过程中,电机温度会上升,温度上升的直接原因是电机的输出电流持续过大,因此,在电机运行过程中可直接限定电机的最大输出电流(即阈值电流),通过水平控制环节和电流控制环节保证车体趋于水平和电机温度不过高。需要说明的是,电机的阈值电流通过控制装置2进行预设(详见下述),预设的阈值电流需要保证在正常情况下,车体能够进行爬坡平路行走。需要进一步说明的是,正常状态指的是车体可以维持平衡,并且轮毂电机1的温度不会超过温度阈值,该温度阈值为不影响轮毂电机1正常工作的最高温度值。
以人机互动体感车爬坡为例进行说明。爬坡时,水平控制环节中,为了保证车体趋于水平,需要增大轮毂电机的输出功率,而增大输出功率必然会导致轮毂电机的输出电流增大。此时,很可能会出现输出电流超过预设的阈值电流的情况。在电流控制环节中,由于轮毂电机的输出电流大于预设的阈值电流,需要降低电机输出功率以使电机输出电流减小至阈值电流以内,这样防止电机温度过高。这样,由于输出功率减小,车体不水平,为了使车体趋于水平,水平控制环节中又会增大输出功率,从而可能导致输出电流重新大于预设的阈值电流,进而又需要通过电流控制环节的调节。由此可以看出,在爬坡这一持续过程中,电机的输出电流和输出功率实际上都是一个动态变化过程,且输出电流以阈值电流为基准进行上下波动,进而完成爬坡。
相应地,在本发明中,采样装置3还用于采集轮毂电机1的电流,控制装置2内存储有阈值电流的取值,该阈值电流的取值能够保证在正常情况下,车体能够进行爬坡平路行走,可以理解为阈值电流的初始值,在正常状态下,控制装置2对轮毂电机1的阈值电流预设时,预设的阈值电流等于控制装置2内存储的阈值电流的取值,换句话说,也就是控制装置2存储预设的阈值电流,该预设的阈值电流能够保证在正常情况下,车体能够进行爬坡平路行走,也可以理解成初始的预设的阈值电流。控制装置2在接收到采样装置3采集到的电流大于预设的阈值电流时,将轮毂电机1的输出功率降低至预定的阈值功率或降低至预定的阈值功率以下,预定的阈值功率为轮毂电机1的电流为预定的阈值电流时轮毂电机1的输出功率。可以理解的是,轮毂电机1的输出功率在预定的阈值功率附近时均可以保证轮毂电机1的发热量不会过高(但是长时间工作除外,例如正常骑行时间1小时,但是使用者已经不停地骑了2个小时),当轮毂电机1的输出功率已经明显大于预定的阈值功率也就是不在预定的阈值功率附近时,控制装置2控制轮毂电机1使轮毂电机1的输出功率等于低于预定的阈值功率,这样可以避免轮毂电机1一直维持高功率(即输出功率大于预定的阈值功率)的输出状态,所导致的轮毂电机1温度过高的问题。
进一步地,采样装置3包括用于采集轮毂电机1的电流的电流采样器300,电流采样器300与控制装置2连接,以将采集到的轮毂电机1的电流传输至控制装置2。可以理解的是,控制装置2根据电流调整轮毂电机1的输出功率的优先级,大于根据人体姿态信息调整轮毂电机1的输出功率的优先级,即当轮毂电机1的电流大于预设的阈值电流时,当前的人体姿态信息代表为使车体趋于水平,轮毂电机1需要输出功率大于当前的输出功率时,控制装置2仍然控制轮毂电机1使轮毂电机1的输出功率降低至小于等预定的阈值输出功率,然后再根据人体姿态信息调整轮毂电机1的输出功率。
需要说明的是,人机互动体感车在通过水平控制环节和电流控制环节保证车体趋于水平和电机温度不过高的过程中,一旦出现大电流(靠近预设的阈值电流)在一定时间段内的累计时间过长时,轮毂电机的温度过高的情况仍然会出现。电机温度过高有两种情况,一种是持续爬坡或者间歇性的不断刹车,此时高电流的持续时间较长;另一种长时间的快速骑行,轮毂电机一直以输出功率在阈值功率附近长时间工作也可能导致电机温度升高。为提高可靠性,需要对轮毂电机进一步进行温度检测,在检测到温度过高时,需要进一步降低轮毂电机的输出功率。降低轮毂电机的输出功率可以采用通过PWM控制信号逐步降低电机的输出功率的方式(详见下述),当然也可以采用直接降低阈值电流的方式降低电机的输出功率。降低阈值电流指的是直接将预设的阈值电流降低,具体是通过控制装置2重新对阈值电流赋值,将阈值电流的取值降低。正常情况下,控制装置2对阈值电流赋予初始值(该初始值即为预设的阈值电流也就是上述的控制装置2存储的阈值电流的取值),在温度大于预设的温度阈值时,降低阈值电流,具体实现时,可重新对该阈值电流赋值,且重新赋予的值小于当前的阈值电流的取值,对阈值电流重新赋予的值暂存在控制装置2中,即控制装置2中缓存了新的阈值电流的取值,也即控制装置2中缓存了新的预设的阈值电流,然后在下一个电流控制环节中,所谓的预设的阈值电流为该新的预设的阈值电流。当温度恢复到小于温度阈值时,重新将电流阈值赋值为初始值。
例如,正常情况下,保证车体能够进行爬坡平路行走的阈值电流的取值(即初始值)为例如20A,在经过电流控制环节后或者当前时刻电机的瞬时电流小于阈值电流时,电机的温度仍然过高,此时控制装置2重新预设轮毂电机1的阈值电流,将轮毂电机1的阈值电流设置为5A。采用降低阈值电流的方式的好处是可以大幅度的将电机的输出功率降低,在降低阈值电流后,电机的阈值输出功率降低,电机内的电流值远远高于阈值电流,此时需要大幅度降低PWM控制信号的占空比实现大幅度的降低电机的输出功率的作用,能够快速有效的实现降温。此外,通过降低阈值电流间接降低输出功率能够保证在电流不超过正常范围时,体感车能够正常工作。在本实施例中,在轮毂电机1的温度过高时,采用的是降低阈值电流的方式降低轮毂电机1的输出功率,实现降温。
以爬坡为例进行说明降低阈值电流降低输出功率的过程。若坡度较大但距离较短,此时电机的电流(瞬时电流)超过阈值电流的初始值,直接通过电流控制环节,通过调节PWM信号的占空比降低输出电流至阈值电流以下即可。若在坡度较小但距离长,这样由于坡度不大,电机的瞬时电流会较大,但不会超过阈值电流的初始值,但是由于距离长,持续时间长,电机温度也会上升,这样电机温度也为上升,此时电流控制环节失效,因此,直接调节阈值电流,且该阈值电流的取值必须小于电机当前的电流(即瞬时电流)。
需要说明的是,这样通过连续降低阈值电流的取值最终使车体缓慢停下,能够避免骤然骤停引发的安全问题。若在该调节过程中,电机温度已经恢复到正常温度,此时直接将阈值电流恢复到初始值,车体恢复正常运行。
相应地,采样装置3还用于采集所述轮毂电机1的温度,所述控制装置2还用于在所述采样装置3采集到的温度大于等于预设的温度阈值时,控制所述轮毂电机1降低输出功率。具体采样装置3还包括温度传感器301,温度传感器301与控制装置2连接用于采集轮毂电机1的温度(具体可以为轮毂电机1的转子温度),并将采集到温度信息经过A/D转换变成数字信息发送至控制装置2装置。控制装置2内存储有预设的温度阈值,该温度阈值为不影响轮毂电机1正常工作的最高温度值,该温度阈值可以通过实验测试得到,控制装置2接收温度传感器301采集到的温度信息并判断该信息是否大于等于温度阈值,当判断结果为是时,控制装置2控制轮毂电机1降低输出功率,这样可以降低轮毂电机1的发热量,以降低轮毂电机1的温度。
在本实施例中,轮毂电机1为PWM调速电机,控制装置2根据采样装置3采集到的信息生成PWM控制信号并发送至轮毂电机1来调整轮毂电机1的输出功率,并且在温度传感器301采集到温度信息大于或等于温度阈值时,控制装置2生成的PWM控制信号控制轮毂电机1降低输出的输出功率。轮毂电机1根据PWM控制信号降低和/或提高输出的输出功率的原理详见下述。
轮毂电机1包括PWM调速模块101及与PWM调速模块101连接的功率输出模块102,PWM调速模块101可以根据接收到的PWM控制信号来调整功率输出模块102的输出功率,即调整轮毂电机1的转速。例如,在温度传感器301采集到温度信息小于温度阈值时,用于采集人机互动体感车的姿态信息的传感器采集到的姿态信息为人机互动体感车倾斜角度变大,该信息反映出使用者想提高人机互动体感车的移动速度,此时,控制装置2当前生成的PWM控制信号的占空比相对于前一个PWM控制信号的占空比变大,例如前一个PWM控制信号的占空比为43%,当前生成的PWM控制信号的占空比为46%,这样PWM调速模块101的占空比提高,PWM调速模块101提高功率输出模块102输出的输出功率,即提高了轮毂电机1的转速。
PWM调速模块101降低功率输出模块102输出的输出功率,也就是降低轮毂电机1的转速的原理具体为:在温度传感器301采集到温度信息小于温度阈值时,用于采集人机互动体感车的姿态信息的传感器采集到的姿态信息为人机互动体感车倾斜角度变小,该信息反映出使用者想降低人机互动体感车的移动速度,此时,控制装置2当前生成的PWM控制信号的占空比相对于前一个PWM控制信号的占空比变小,例如前一个PWM控制信号的占空比为46%,当前生成的PWM控制信号的占空比为43%,这样PWM调速模块101的占空比降低,PWM调速模块101降低功率输出模块102输出的输出功率,即降低了轮毂电机1的转速。可以理解的是,逐步降低PWM控制信号的占空比可以轮毂电机1的输出功率逐步降低,阈值电流改变将会导致PWM控制信号的占空比大幅度改变,PWM控制信号的占空比大幅度降低时,电机输出功率大幅度降低。
需要说明的是,在轮毂电机1的温度小于温度阈值的情况下,PWM控制信号的占空比通常根据人机互动体感车的倾斜角度来确定,并且每一个倾斜角度均会对应一个占空比一定的PWM控制信号,该对应关系可以根据实验来确定并设定后存在控制装置2内,也就是说,此时PWM控制信号只跟人体姿态有关。在轮毂电机1的温度大于或等于温度阈值的情况下,且控制装置2会降低阈值电流,控制装置2会输出相对前一个PWM控制信号而言占空比大幅度降低的PWM控制信号。
在本实施例中,控制装置2例如包括微处理器201、PWM控制器202、比较器203及存储器204。存储器204用于存储有温度阈值、预设的阈值电流、以及姿态信息与输出功率的映射关系。比较器203与姿态传感器、电流采样器300、温度传感器301及存储器204连接。比较器203用于接收姿态传感器、电流采样器300、温度传感器301采集到的姿态、温度及电流信息,并将它们与存储器204内存储的信息进行比较和/或换算,以判断接收到信息与存储器204内存储的信息之间的关系,具体为接收到的温度信息是否大于温度阈值、电流信息是否大于预设的阈值电流,根据姿态信息与输出功率映射关系换出的接收到的姿态信息所对应的输出功率,比较器203还将比较和/或换算的结果发送至微处理器201,微处理器201根据比较器203的比较和/或换算结果控制PWM控制器202生成相应的PWM控制信号。需要说明的是,车体的每个姿态信息,轮毂电机1均要输出一个相应的输出功率为之对应,以保证车体平衡,该对应关系可以根据经过计算得出,即姿态信息与输出功率映射关系指的是人体姿态与轮毂电机1的输出功率之间的换算关系。可以理解的是,微处理器201与存储器204连接,以便于将温度阈值、阈值电流及姿态信息与输出功率映射关系存储至存储器204内或者对将存储器204内的姿态信息与输出功率映射关系、温度阈值及预设的阈值电流进行修改。需要说明的是,微处理器201对存储器204内存储的预设的阈值电流进行修改不单单是对阈值电流的初始值进行修改,还会在电机工作时,将重新对阈值电流的赋值暂存在处理器204内,以形成新的预设的阈值电流,达到对阈值电流直接调整的目的。
在本实施例中,温度传感器301的数量为多个且均匀分布,以精确获取轮毂电机1的温度,并且在任意一个温度传感器301采集到的温度信息大于等于温度阈值时,控制装置2均会控制轮毂电机1降低输出的输出功率,也就是说,轮毂电机1的表面任意一位置的温度高于温度阈值时,轮毂电机1均会降低输出功率,从而大大提高本发明的人机互动体感车的安全信息。
在本实施例中,温度传感器301为接触式温度传感器,例如为贴在轮毂电机1上(例如贴在轮毂电机1的转子上)的温度探头,接触式温度传感器采集精度高,人机互动体感车的安全性能更高。在其他实施例中,温度传感器301也可以为非接触式的温度传感器,置于轮毂电机1工作的环境中且靠近轮毂电机1,以通过获取轮毂电机1工作的环境温度来获取轮毂电机1的表面温度,非接触式温度传感器的会出现采集误差,影响人机互动体感车的安全性能。
控制装置2根据轮毂电机1的电流生成相应地PWM控制信号,发送至轮毂电机1调整轮毂电机1的输出功率的原理,与上述根据轮毂电机1的温度调整轮毂电机1的输出功率的原理基本相同,其不同之处仅在于,根据电流调整的参考参数是电机内的电流和阈值电流之间的关系,并在电机内的电流大于阈值电流时,控制装置2降低PWM控制信号的占空比,使PWM控制信号的占空比小于轮毂电机1输出阈值功率时的占空比。控制装置2根据温度调整轮毂电机1的输出功率的优先级,大于根据电流调整轮毂电机1的输出功率的优先级,即当轮毂电机1的温度高于温度阈值,电流小于等于阈值电流时,控制装置2仍然控制轮毂电机1使轮毂电机1的输出功率降低。
作为优选,在控制轮毂电机1降低输出功率时,可以进行阶梯式逐渐降低(不能降为零)。
请参阅图2,本发明还是提供了一种人机互动体感车的轮毂电机的控制方法,包括以下步骤:
步骤S1:采集车辆的状态信息,车辆的状态信息包括温度信息、姿态信息及轮毂电机的电流信息;
步骤S2:判断采集到的温度信息是否大于等于温度阈值;
步骤S3:当结果为是时,降低轮毂电机的输出功率,例如可采用降低阈值电流方式,使PWM控制信号的占空比大幅度降低,实现降低轮毂电机的输出功率;
步骤S4:当结果为否时,判断电流信息是否大于阈值电流;
步骤S5:当结果为是时,降低轮毂电机的输出功率,具体为采用降低PWM控制信号的占空比的方式,实现降低轮毂电机的输出功率;
步骤S6:当结果为否时,根据姿态信息控制轮毂电机的输出功率。
本发明的人机互动体感车的轮毂电机控制系统及其控制方法,通过采样装置3采集轮毂电机1的电流,控制装置2判断出采样装置3采集到的电流信息大于阈值电流时,控制轮毂电机1降低输出功率,减少轮毂电机1的发热量,使轮毂电机1的温度降低,以避免轮毂电机1因温度过高被烧坏给使用者带来人身及财产损失。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟知此技艺者,在不脱离本发明的精神和范围内,可作些许的更动与润饰,因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。