两轮电动车陀螺仪平衡驱动机构及其驱动方法与流程

本发明属于新能源电动车技术领域，具体地说，尤其涉及一种具有高平衡性、高安全性以及高使用寿命的两轮电动车陀螺仪平衡驱动机构及其驱动方法。

背景技术：

电动车，即电力驱动车辆，又名电驱车。电动车分为交流电动车和直流电动车。电动车一般是以电池作为能量来源，通过控制器、电机等部件，将电能转化为机械能运动，以控制电流大小改变速度的车辆。电动车作为绿色朝阳产业，在中国发展已有十年之久，由于需求旺盛，近几年中国电动自行车市场一直保持跨越式增长。

目前市面上常见的电动车整车结构简单，基本单元就是车架、塑件、减震、电池、控制器、电机等，其没有自平衡装置，电动车在驾驶过程中，如果发生碰撞发生侧翻时，无法恢复自平衡，行车安全系数很低。

为解决此问题，授权公告号为cn104354823b、授权公告日为2016年06月29日、发明创造名称为安全型电动车及其控制方法的中国专利公开了一种安全系数高的自平衡电动车，该电动车确实是本发明研究对象，其主要结构包括“底盘、车轮、车框、后视镜、第一电动支架、第二电动支架、陀螺仪稳定器、电路控制板、方向盘、转向杆、蓄电池、座椅、安全带、陀螺仪转速监测器、信号处理器、偏角监测器、雷达测速器、安全气囊，其中车框包括挡风玻璃、车门、车窗；在底盘上设有车框、第一电动支架、第二电动支架、陀螺仪稳定器、电路控制板、蓄电池、座椅、陀螺仪转速监测器、信号处理器，座椅上设有安全带，在车框顶部设有偏角监测器、雷达测速器，陀螺仪稳定器与陀螺仪转速监测器配合使用，陀螺仪稳定器与蓄电池及电路控制板通过导线连接，陀螺仪转速监测器与蓄电池、信号处理器及电路控制板通过导线连接，偏角监测器与蓄电池、信号处理器及电路控制板通过导线连接，雷达测速器与蓄电池、信号处理器及电路控制板通过导线连接，第一电动支架与蓄电池及电路控制板通过导线连接，第二电动支架与蓄电池及电路控制板通过导线连接，三个安全气囊分别固定在方向盘及车框两侧，车框正前方设有挡风玻璃，车框一侧设有车门，车框两侧分设有车窗、后视镜”，但我们发现，如此环保节能安全的电动车并没有出现满大街跑的景象，说明该技术方案仅停留在理论、理想层面，要想真正实施实现这种电动车需要克服的很多技术难题，其中一个技术如何具体实现车身平衡。

授权公告号为cn205891096u、授权公告日为2017年01月18日、发明创造名称为一种基于自平衡技术的两轮电动车的中国专利，该专利即为本发明的背景技术，其技术方案为“在座位下方装配一陀螺稳定装置；陀螺稳定装置包括架框，机械陀螺仪，倾角传感器、角速度传感器、低速电机和控制器，机械陀螺仪包括长轴和短轴，且长轴和短轴分别通过轴承座装配在架框上，其中长轴伸出架框的一侧端部用皮带及皮带轮与低速电机相连接；倾角传感器用于检测机械陀螺仪的动进角速度，角速度传感器用于检测车架的倾斜角度和倾斜速度；控制器分别与倾角传感器、角速度传感器以及低速电机相连接，以根据倾角传感器及角速度传感器检测到的数据来对低速电机进行控制”。通过实际实施应用发现，该技术手段并不能真正保持车身平衡，存在很严重的技术缺陷，具体原因分析如下：

首先从申请文案中可以看出，该技术方案的机械陀螺仪通过长轴、短轴轴承连接在架框上，长轴伸出架框的一侧端部直接用皮带及皮带轮与低速电机相连接，控制器根据倾角传感器、角速度传感器检测到的数据来对低速电机进行控制；众所周知，当车身在转弯或颠簸等情况下，整个车身会发生较小幅度的倾斜，这种倾斜是正常的，没有达到设定在cpu控制器内的阈值cpu控制器是不会对电机发出指令的(阈值数值不可能很小或为零，决定的因素很多，比如陀螺仪自身惯性较大、用户体验不友好、电机频繁启动故障率太高等等)。此时，为适应环境保持平衡，陀螺仪需要摆动自由调整进动角速度，由于陀螺仪是与电机直接传动连接的，并且此时电机是没有电、处于不工作的状态下，要想摆动就得先克服电机的转矩；所以陀螺仪不能实时灵活自由摆动，这就大大增加车身侧翻的可能性，存在很大的安全隐患；此外，这种情况下，若陀螺仪摆动的力克服了电机力矩发生摆动时，电机就相当于被强行转动转轴，此时电机就会像发电机一样发电产生电流，产生的电流会损坏电机内部线路板，所以传统这种技术方案存在很严重的设计缺陷，使用寿命很短，电机很容易失效。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种具有高平衡性、高安全性以及高使用寿命的两轮电动车陀螺仪平衡驱动机构及其驱动方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种两轮电动车陀螺仪平衡驱动机构，包括两轮电动车车架、控制该驱动机构动作的电控单元，所述车架上设有与之为一体的架框，所述架框的其中一对对边框梁上设有自由摆动的陀螺仪，所述陀螺仪的一端经连接轴总成与其中一个所述框梁轴承连接，另一端设有与之固定连接的电磁离合器，且所述电磁离合器的轴向中心线在所述连接轴总成的轴向中心线方向上，所述电磁离合器的离合片与第一皮带轮的一个端面固定连接，所述第一皮带轮另一端面轴承连接在另一所述框梁上，所述第一皮带轮经皮带与第二皮带轮传动连接，所述第二皮带轮与电机传动连接。

优选地，所述电控单元包括信息感知模块、cpu控制模块以及驱动模块，所述信息感知模块与所述cpu控制模块输入端电信号连接，将电动车车身倾斜位置变化信息转换为电信号后传输至所述cpu控制模块；

所述cpu控制模块输出端一方面经所述驱动模块与电机电信号连接，由所述cpu控制模块控制所述驱动模块驱动所述电机的转动；另一方面与所述电磁离合器电连接，用于控制所述电磁离合器的离合片、电枢相互吸合/分离。

优选地，所述电机固定在连接所述第一皮带轮的框梁上；所述电磁离合器经法兰盘ⅰ与所述陀螺仪固定连接。

优选地，所述陀螺仪的数量为二，两陀螺仪通过相同的连接结构连接在两所述框梁上，且两所述电磁离合器、两所述电机均分别关于架框中心点中心对称。

优选地，所述陀螺仪为机械陀螺仪。

优选地，所述连接轴总成包括法兰盘ⅱ、一端与法兰盘ⅱ固定连接的连接轴，所述法兰盘ⅱ固定在所述陀螺仪上，所述连接轴的另一端与框梁轴承连接。

优选地，所述第一皮带轮与所述第二皮带轮之间还设有固定在框梁上、用于调整皮带张紧度的皮带压轮。

优选地，所述信息感知模块为电子陀螺仪传感器。

一种两轮电动车陀螺仪平衡驱动机构的驱动方法，

a.当电控单元感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量未达到设定在电控单元内的阈值时，电控单元控制电磁离合器的离合片和电枢相互分离，陀螺仪跟随电动车车身倾斜位置变化在架框内自由摆动，陀螺仪的进动角速度灵活自由调整，实现电动车车身保持平衡；

b.当所述电控单元感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量达到设定在电控单元内的阈值时，电控单元首先控制所述电磁离合器的离合片与电枢吸合，随后立即驱动电机工作，所述电机的转动带动电磁离合器以及与所述电磁离合器固定连接的陀螺仪转动，通过调整所述陀螺仪的进动角速度来保持电动车车身平衡。

优选地，所述电控单元包括信息感知模块、cpu控制模块以及驱动模块，所述驱动方法为：

a.当所述信息感知模块感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量未达到设定在所述cpu控制模块内的阈值时，所述cpu控制模块控制所述电磁离合器的离合片和电枢相互分离，所述陀螺仪跟随电动车车身倾斜位置变化在架框内自由摆动，所述陀螺仪的进动角速度灵活自由调整，实现电动车车身保持平衡；

b.当所述信息感知模块感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量达到设定在所述cpu控制模块内的阈值时，所述cpu控制模块首先控制所述电磁离合器的离合片与电枢吸合，随后立即向所述驱动模块发出指令，由所述驱动模块驱动所述电机工作，所述电机的转动带动电磁离合器以及与所述电磁离合器固定连接的所述陀螺仪转动，通过调整所述陀螺仪的进动角速度来保持电动车车身平衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明构思非常巧妙，巧妙利用电磁离合器的分合功能，需要分时分，需要合时合；分时，陀螺仪自由摆动与电机毫无牵连，即满足了陀螺仪自由调整进动角速度，又确保了对电机使用寿命；合时，陀螺仪进动角速度调整完全取决于cpu控制器，此时电磁离合器的转动完全同步于电机的转动，而电机的转动速度、方向又完全由cpu控制器控制；

2.本发明以很低的改进成本实现了很强大的实用功能，无论在什么样的场景环境下车身都能保持平衡，平衡性能非常好，安全性能很强，使用寿命很长，有效克服传统技术缺陷，大幅度推动了前后置两轮电动车行业的发展，在电动车新能源技术领域具有非常重要的意义。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明图1局部放大图；

图3是本发明电路单元模块组成框图。

图中：1.框梁；2.陀螺仪；3.电磁离合器；4.第一皮带轮；5.皮带；6.第二皮带轮；7.电机；8.cpu控制模块；9.驱动模块；10.信息感知模块；11.连接轴；12.法兰盘ⅱ；13.皮带压轮；14.法兰盘ⅰ；15.车架；16.离合片；17.电枢。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

一种两轮电动车陀螺仪平衡驱动机构，包括两轮电动车车架15、控制该驱动机构动作的电控单元，所述车架15上设有与之为一体的架框，所述架框的其中一对对边框梁1上设有自由摆动的陀螺仪，所述陀螺仪2的一端经连接轴总成与其中一个所述框梁1轴承连接，另一端设有与之固定连接的电磁离合器3，且所述电磁离合器3的轴向中心线在所述连接轴总成的轴向中心线方向上，所述电磁离合器3的离合片16与第一皮带轮4的一个端面固定连接，所述第一皮带轮4另一端面轴承连接在另一所述框梁1上，所述第一皮带轮4经皮带5与第二皮带轮6传动连接，所述第二皮带轮6与电机7传动连接。

优选地，所述电控单元包括信息感知模块10、cpu控制模块8以及驱动模块9，所述信息感知模块10与所述cpu控制模块8输入端电信号连接，将电动车车身倾斜位置变化信息转换为电信号后传输至所述cpu控制模块8；

所述cpu控制模块8输出端一方面经所述驱动模块9与电机7电信号连接，由所述cpu控制模块8控制所述驱动模块9驱动所述电机7的转动；另一方面与所述电磁离合器3电连接，用于控制所述电磁离合器3的离合片16、电枢17相互吸合/分离。

优选地，所述电机7固定在连接所述第一皮带轮4的框梁上；所述电磁离合器3经法兰盘ⅰ14与所述陀螺仪2固定连接。

优选地，所述陀螺仪的数量为二，两陀螺仪通过相同的连接结构连接在两所述框梁1上，且两所述电磁离合器3、两所述电机7均分别关于架框中心点中心对称。

优选地，所述陀螺仪2为机械陀螺仪。

优选地，所述连接轴总成包括法兰盘ⅱ12、一端与法兰盘ⅱ12固定连接的连接轴11，所述法兰盘ⅱ12固定在所述陀螺仪2上，所述连接轴11的另一端与框梁轴承连接。

优选地，所述第一皮带轮4与所述第二皮带轮6之间还设有固定在框梁上、用于调整皮带张紧度的皮带压轮13。

优选地，所述信息感知模块10为电子陀螺仪传感器。

一种两轮电动车陀螺仪平衡驱动机构的驱动方法，

a.当电控单元感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量未达到设定在电控单元内的阈值时，电控单元控制电磁离合器3的离合片16和电枢17相互分离，陀螺仪2跟随电动车车身倾斜位置变化在架框内自由摆动，陀螺仪的进动角速度灵活自由调整，实现电动车车身保持平衡；

b.当电控单元感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量达到设定在电控单元内的阈值时，电控单元首先控制电磁离合器的离合片16与电枢17吸合，随后立即驱动电机7工作，电机7的转动带动电磁离合器3、以及与电磁离合器3固定连接的陀螺仪2转动，通过调整陀螺仪2的进动角速度来保持电动车车身平衡。

优选地，所述电控单元包括信息感知模块10、cpu控制模块8以及驱动模块9，所述驱动方法为：

a.当信息感知模块10感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量未达到设定在cpu控制模块8内的阈值时，cpu控制模块8控制电磁离合器3的离合片16和电枢17相互分离，陀螺仪2跟随电动车车身倾斜位置变化在架框内自由摆动，陀螺仪的进动角速度灵活自由调整，实现电动车车身保持平衡；

b.当信息感知模块10感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量达到设定在cpu控制模块8内的阈值时，cpu控制模块8首先控制电磁离合器的离合片16与电枢17吸合，随后立即向驱动模块9发出指令，由驱动模块9驱动电机7工作，电机7的转动带动电磁离合器3、以及与电磁离合器3固定连接的陀螺仪2转动，通过调整陀螺仪2的进动角速度来保持电动车车身平衡。

实施例1：

一种两轮电动车陀螺仪平衡驱动机构，包括两轮电动车车架15、控制该驱动机构动作的电控单元，车架15上设有与之为一体的架框，架框的其中一对对边框梁1上设有自由摆动的陀螺仪，陀螺仪2的一端经连接轴总成与其中一个框梁1轴承连接，另一端设有与之固定连接的电磁离合器3，且电磁离合器3的轴向中心线在连接轴总成的轴向中心线方向上，电磁离合器3的离合片16与第一皮带轮4的一个端面固定连接，第一皮带轮4另一端面轴承连接在另一框梁1上，第一皮带轮4经皮带5与第二皮带轮6传动连接，第二皮带轮6与电机7传动连接。陀螺仪2为机械陀螺仪，也可以说是带陀螺电机的电动陀螺仪，其结构组成在授权公告号为cn205891096u、授权公告日为2017年01月18日、发明创造名称为一种基于自平衡技术的两轮电动车的中国专利中完全公开，主要组成结构包括壳体、转子、槽定子、槽轴以及防转片，电机线从槽轴轴内穿过从防转片出线，对电机线进行通电连接，转子就会高速转动，速度越快陀螺仪越能保持平衡，转子的转动相当于陀螺仪的自转。而摆动是改变陀螺仪的进动角速度。

本实施例的电机7固定在连接所述第一皮带轮4的框梁上；电磁离合器3经法兰盘ⅰ14与陀螺仪2固定连接。

本实施例陀螺仪的数量为二，两陀螺仪通过相同的连接结构连接在两框梁1上，且两电磁离合器3、两电机7均分别关于架框中心点中心对称。

本实施例连接轴总成包括法兰盘ⅱ12、一端与法兰盘ⅱ12固定连接的连接轴11，法兰盘ⅱ12固定在陀螺仪2上，连接轴11的另一端与框梁轴承连接。

本实施例第一皮带轮4与所述第二皮带轮6之间还设有固定在框梁上、用于调整皮带张紧度的皮带压轮13。

在正常行驶状态下，也就是当车身倾斜位置数据未达到设定在电控单元内的阈值时，电动单元控制电磁离合器3的离合片、电枢分离，此时电磁离合器3的离合片和电枢动作互相不受影响，离合器的电枢会与陀螺仪2一起跟随车身的晃动自由摆动，陀螺仪自由调节进动角速度使得车身保持平衡；

当遇到撞击或其他车身发生较大倾斜变化时，也就是车身倾斜位置数据达到设定在电控单元内的阈值时。首先电控单元控制电磁离合器3的离合片、电枢相吸合，吸合后电磁离合器3的电枢会与离合片同步动作；随后电控单元驱动电机7转动，电机7的转动带动与之传动连接的电磁离合器3转动，电磁离合器3的转动带动与之固定连接的陀螺仪的摆动，也就实现人为对陀螺仪进动角速度的改变，从而实现保持车身平衡。

本实施例驱动方法为：

a.当电控单元感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量未达到设定在电控单元内的阈值时，电控单元控制电磁离合器3的离合片16和电枢17相互分离，陀螺仪2跟随电动车车身倾斜位置变化在架框内自由摆动，陀螺仪的进动角速度灵活自由调整，实现电动车车身保持平衡；

b.当电控单元感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量达到设定在电控单元内的阈值时，电控单元首先控制电磁离合器的离合片16与电枢17吸合，随后立即驱动电机7工作，电机7的转动带动电磁离合器3、以及与电磁离合器3固定连接的陀螺仪2转动，通过调整陀螺仪2的进动角速度来保持电动车车身平衡。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上对电控单元做进一步补充，本实施例电控单元包括信息感知模块10、cpu控制模块8以及驱动模块9，信息感知模块10与cpu控制模块8输入端电信号连接，将电动车车身倾斜位置变化信息转换为电信号后传输至cpu控制模块8；

cpu控制模块8输出端一方面经驱动模块9与电机7电信号连接，由cpu控制模块8控制驱动模块9驱动电机7的转动；另一方面与电磁离合器3电连接，用于控制电磁离合器3的离合片16、电枢17相互吸合/分离。

a.当信息感知模块10感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量未达到设定在cpu控制模块8内的阈值时，cpu控制模块8控制电磁离合器3的离合片16和电枢17相互分离，陀螺仪2跟随电动车车身倾斜位置变化在架框内自由摆动，陀螺仪的进动角速度灵活自由调整，实现电动车车身保持平衡；

b.当信息感知模块10感知到的电动车车身倾斜位置变化信息量达到设定在cpu控制模块8内的阈值时，cpu控制模块8首先控制电磁离合器的离合片16与电枢17吸合，随后立即向驱动模块9发出指令，由驱动模块9驱动电机7工作，电机7的转动带动电磁离合器3、以及与电磁离合器3固定连接的陀螺仪2转动，通过调整陀螺仪2的进动角速度来保持电动车车身平衡。

其中电磁离合器3为台湾仟岱有限公司的cdf1s5ak型号离合器；电机7为永磁直流电动机，制造商为瑞安市捷美汽车电器制造厂。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上做进一步补充，其中信息感知模块10为电子陀螺仪传感器，该型号为mpu6050。cpu控制模块8以及驱动模块9均为现有技术，能实现上述功能即可。本实施例驱动模块9采用的是含有两个lmd18200的直流电机驱动板；从价格和性能两方面综合考虑，本实施例cpu控制模块9采用的单片机型号pic16f1947。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。