动平衡车电机驱动信号的生成方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种动平衡车电机驱动信号的生成方法。与现有的方案相比，本发明中，由于首先根据传感器信号计算电机的实际旋转速度，再根据实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值；再通过实时对电机的电流信号进行采样，并根据对电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成电机的等效直流信号以及等效交流信号；根据直流信号目标值和等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号；最后根据直轴控制信号、交轴控制信号、电机的角度信号生成电机的驱动信号，使得整个装置的控制原理完全基于闭环反馈控制，从而提高了电机的控制精度。
【专利说明】动平衡车电机驱动信号的生成方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明属于动平衡车【技术领域】，具体地说，涉及一种动平衡车电机驱动信号的生成方法及其装置。
【背景技术】
[0002]动平衡车是一种先进的短途代步车，比如目前市场上的ninebot系列自平衡代步机器人，直接利用电能作为动力，感测车身的姿势状态，通过高速处理器计算出控制指令，驱动马达来移动车身。
[0003]与普通的电动车只需要控制一个无刷电机相比，机平衡电动车比如两轮平衡车由于实现自平衡状态的控制，确保较普通电动车具有较高的可靠性和控制精度，给每个车轮分别配置了一个无刷电机。现有技术中，在对无刷电机进行控制时，由控制器直接根据电机内部的开关霍尔信号，或者测量电机的反电动势电压来估算电机的转速和位置，再根据目标转速和实际转速的差值来直接生成电机的驱动信号，对电机进行控制。由于没有控制电机的实际电流，使得电机在运转过程中产生较大的扭矩波动，并且由于依靠开关霍尔信号或电机反电动势估算电机转速和位置准确性往往较差，导致对电机的控制精度较低。。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种动平衡车电机驱动信号的生成方法，用以解决现有技术中的上述技术问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动平衡车电机驱动信号的生成方法，其包括:
[0006]根据传感器信号计算电机的实际旋转速度，根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值；
[0007]实时对所述电机的电流信号进行采样，并根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号；
[0008]根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号；
[0009]根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号。
[0010]优选地,在本发明的一实施例中，还包括:通过传感器获取电机的旋转速度信号和角度信号。
[0011]优选地，在本发明的一实施例中，根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值包括:
[0012]根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成旋转速度差值；
[0013]对所述旋转速度差值进行比例积分调节生成直流信号目标值。
[0014]优选地，在本发明的一实施例中，根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号包括:
[0015]根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号生成直流信号差值；
[0016]对所述直流信号差值进行比例积分调节生成直轴控制信号。
[0017]优选地，在本发明的一实施例中，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号包括:
[0018]根据等效交流信号与目标交流信号生成交流信号差值；
[0019]对所述交流信号差值进行比例积分调节生成交轴控制信号。
[0020]优选地，在本发明的一实施例中，根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号包括:对所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号进行基于空间矢量脉宽调制处理，生成所述电机的驱动信号。
[0021]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动平衡车电机驱动信号的生成装置，其包括:
[0022]信号目标值生成单元，用于根据电机的旋转速度信号计算电机的实际旋转速度，根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值；
[0023]等效信号生成单元，用于实时对所述电机的电流信号进行采样，并根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号；
[0024]控制信号生成单元，用于根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号；
[0025]驱动信号生成单元，用于根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号。
[0026]优选地，在本发明的一实施例中，所述信号目标值生成单元包括:计算模块和调节器，所述计算模块用于根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成旋转速度差值，所述调节器用于对所述旋转速度差值进行比例积分调节生成直流信号目标值。
[0027]优选地，在本发明的一实施例中，所述控制信号单元包括计算单元、第一调节器和第二调节器，所述计算单元用于所述根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号生成直流信号差值，以及用于根据等效交流信号与目标交流信号生成交流信号差值；所述第一调节器用于对所述直流信号差值进行比例积分调节生成直轴控制信号；所述第二调节器用于对所述交流信号差值进行比例积分调节生成交轴控制信号。
[0028]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动平衡车，其包括权利要求任意上述的控制装置。
[0029]与现有的方案相比，本发明中，由于首先根据电机的旋转速度信号计算电机的实际旋转速度，再根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值；再通过实时对所述电机的电流信号进行采样，并根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号；根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号；最后根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号，使得整个装置的控制原理完全基于闭环反馈控制，从而提高了电机的控制精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明实施例一动平衡车电机驱动信号的生成方法流程示意图；
[0031]图2为本发明动平衡车电机驱动信号的生成装置结构框图；
[0032]图3为图2中动平衡车电机驱动信号的生成装置具体实施结构框图。
【具体实施方式】
[0033]以下结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。应该理解，以下列举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。
[0034]本申请的核心思想:
[0035]本发明下述实施例提供的动平衡车电机驱动信号的生成方法，其核心思想于，该方法包括:
[0036]根据传感器信号计算电机的实际旋转速度，根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值；
[0037]实时对所述电机的电流信号进行采样，并根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号；
[0038]根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号；
[0039]根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号。
[0040]本发明的上述核心思想可以运用于每个车轮使用独立的电机进行控制，并不局限于两轮动平衡车，也可以运用于三轮或者四轮动平衡车。
[0041]本发明下述实施例中，仅以控制某一个车轮的电机为例对本发明的上述核心思想进行解释。在对其他车轮的电机进行控制时，可以参考上述核心思想以及下述实施例实施，详细将不再另行赘述。
[0042]图1为本发明实施例一动平衡车电机驱动信号的生成方法流程不意图；如图1所示，其可以具体包括如下步骤:
[0043]S101、根据传感器信号计算电机的实际旋转速度和转子位置；
[0044]本实施例中，可以通过传感器获取电机的旋转速度信号，该传感器具体可以线性霍尔传感器。线性霍尔传感器获取的旋转速度信号可以为正弦模拟信号Sr，实际旋转速度ω与正弦模拟信号Sr的关系可以参照如下公式:
[0045]Θ = arcos (Sr/S)
[0046]ω = d (arcos (Sr/S))/dt
[0047]其中Θ为电机转子位置，或称电气角度，S为Sr正弦信号的绝对值最大值。
[0048]S102、根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值；
[0049]本实施例中，步骤S102可以具体包括:
[0050]S112、根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成旋转速度差值；
[0051]本实施例中，预先设定的目标旋转速度可以通过自平衡车的平衡控制系统给出确定。
[0052]本实施例中，在获得旋转速度差值时可以基于硬件形式实现，比如通过比较器，或者通过纯软件形式。
[0053]S122、对所述旋转速度差值进行比例积分调节生成直流信号目标值。
[0054]S103、实时对所述电机的电流信号进行采样；
[0055]本实施例中，在对电机的电流信号进行采样时，主要采集电机的两相相电流ia和ib。需要说明的是，在具体采样时，采样的频率可以根据最终给电机的驱动信号的频率来设定。
[0056]S104、根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号；
[0057]本实施例中，上述采样结果包括相电流的幅值和方向。本实施例中，在计算等效直流信号iq以及等效交流信号id时，可以具体采用如下计算公式:
[0058]Iq = cosΘ*ia+sin Θ*(ia+2ib)/sqrt(3)
[0059]Id = sinΘ*ia_cos Θ*(ia+2ib)/sqrt(3)
[0060]其中Θ代表电机的转子位置
[0061]S105、根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号；
[0062]本实施中，步骤S105具体可以包括:
[0063]S115、根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号生成直流信号差值；
[0064]直流信号差值的生成可以依赖于硬件比如比较器，或者纯软件实现。
[0065]S125、对所述直流信号差值进行比例积分调节生成直轴控制信号。
[0066]比例积分控制的参数P和I可以参照人工经验确定。本实施例中，直轴控制信号将具体为直轴控制电压Vq。
[0067]S106、根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号；
[0068]本实施例中，步骤S106具体可以包括:
[0069]步骤S116、根据等效交流信号与目标交流信号生成交流信号差值；
[0070]交流信号差值的生成可以依赖于硬件比如比较器，或者纯软件实现。
[0071]步骤S126、对所述交流信号差值进行比例积分调节生成交轴控制信号。
[0072]比例积分调节的从参数P和I可以根据人工经验确定。交轴控制信号具体为交轴控制电压VcL
[0073]S107、根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号。
[0074]本实施例中，所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号的空间矢量调制最终生成电机的驱动信号。本实施例中，基于空间矢量脉宽调制处理，对所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号的空间矢量调制。
[0075]图2为本发明动平衡车电机驱动信号的生成装置结构框图；如图2所示，其可以包括:信号目标值生成单元201、等效信号生成单元202、控制信号生成单元203和驱动信号生成单元204。
[0076]信号目标值生成单元201用于根据电机的旋转速度信号计算电机的实际旋转速度，根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值；
[0077]等效信号生成单元202用于实时对所述电机的电流信号进行采样，并根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号；
[0078]控制信号生成单元203用于根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号；
[0079]驱动信号生成单元204用于根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号。
[0080]图3为图2中动平衡车电机驱动信号的生成装置具体实施结构框图；如图3所示，其包括:目标速度控制装置1、速度误差检测器2、速度PI调节器3、直流误差检测器4、直流PI调节器5、SVPWM矢量控制器6、电机7、传感器8、电流采样计算模块9、速度计算模块10、第三误差检测器11和交流PI调节器12，目标速度控制装置I与速度误差检测器2连接，速度误差检测器2与速度PI调节器3连接，速度PI调节器3与直流误差检测器4连接，直流误差检测器4与直流PI调节器5连接，直流PI调节器5与SVPWM矢量控制器6连接，SVPWM矢量控制器6与电机7通过线路13连接，电机7与传感器8连接，传感器8分别与SVPWM矢量控制器6、电流采样计算模块9和速度计算模块10信号连接，以将采集到的角度信号分别传送给SVPWM矢量控制器6和电流采样计算模块9将采集到的速度信号传送给速度采样模块10，速度采样模块10与速度误差检测器2连接，电流采样计算模块9与SVPWM矢量控制器6和所电机7之间的线路13连接，电流采样计算模块9分别与直流误差检测器4和第三误差检测器11连接，第三误差检测器11与参考零目标点14连接，第三误差检测器11与交流PI调节器12连接，交流PI调节器12与SVPWM矢量控制器6连接。
[0081]目标速度控制装置1、速度误差检测器2、速度PI调节器3组成图2中的信号目标值生成单元。速度误差检测器2作为信号目标值生成单元中的计算模块，速度PI调节器3作为信号目标值生成单元中的调节器。
[0082]电流采样计算模块9作为图2中的等效信号生成单元。
[0083]直流误差检测器4、直流PI调节器5、第三误差检测器11、交流PI调节器12组成图2中的控制信号生成单元。直流误差检测器4和第三误差检测器11组成控制信号生成单元中的计算单元，直流PI调节器5作为控制信号生成单元中的第一调节器，交流PI调节器12作为控制信号生成单元中的第二调节器。
[0084]SVPWM矢量控制器6作为图2中的驱动信号生成单元。
[0085]本实施例中，速度误差检测器2用来计算实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度的之间的差值；直流误差检测器4用来计算直流信号目标值和等效直流信号之间的差值；第三误差检测器11用来计算等效交流信号与目标交流信号之间的差值。
[0086]下面对本实施例的工作流程做一简要介绍:
[0087]在电机进行工作过程中传感器8采集电机的角度信号和旋转速度信号，该旋转速度信号可以为正弦模拟速度信号。速度计算模块10接收到传感器8的旋转速度信号进行速度的计算，得到电机7的实际旋转速度ω，速度计算模块10得到的电机7实际速度ω与目标控制装置I发送的目标速度信号ω *进行比较，差值经过速度PI调节器3后作为直流电流目标值。
[0088]电流采样计算模块9与SVPWM矢量控制器6和所电机7之间的线路13连接，具体为与两相线电流连接。采用两相线电流采样方式进行电机的电流采样和计算，并且电流采样计算模块9使用精密电流采样电阻进行电流的检测，直接得到电机相电流，从而实现电机输出力矩的精确控制。
[0089]电流采样计算模块9通过对电机7的其中两相相电流ia和ib进行采样，并结合接收到传感器8的得电机角度Θ d信号，计算得到电机的等效直流电流iq和等效交流电流id。
[0090]直流电流目标值与等效直流电流iq比较，经过直流PI调节器5后得到直轴控制电压Vq。
[0091]等效交流电流id与目标零值进行比较，经过交流PI调节器12后得到交轴控制电压VcL
[0092]SVPWM矢量控制器结合接收到传感器8的得电机角度Θ d信号、直轴控制电压Vq和交轴控制电压Vd进行空间矢量调制，最终得到用于驱动电机的三相交流信号。
[0093]电流采样计算模块9、直流PI调节器5、交流PI调节器12和SVPWM矢量控制器6构成电流内闭环反馈控制，从而实现电机角度的精确控制，以实现电机力矩的精确控制；速度计算模块10、速度PI调节器3和上述电流内闭环构成速度外闭环反馈控制，从而实现电机旋转速度的精确控制。
[0094]当电机7的实际转速低于目标转速时，其差值经过直流PI调节器5、交流PI调节器12和速度PI调节器3后形成一个正向的目标直流电流值，经由电流内闭环调节后提高电机的等效直流电流，使得电机输出转矩增加，转速提高并向目标转速逼近；反之当转速高于给定值时，电机驱动电流降低，转矩减小，速度降低，直到速度等于给定速度为止。
[0095]采用SVPWM矢量控制器的驱动调制方式，还可达到使得电机在运行过程中尤其是低速大转矩输出的时候转矩脉动小，降低电机和MOS管的发热量，能够提高能源利用效率和电机及控制器寿命的优点。
[0096]与现有的方案相比，本发明上述实施例中，由于首先根据电机的旋转速度信号计算电机的实际旋转速度，再根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值；再通过实时对所述电机的电流信号进行采样，并根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号；根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号；最后根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号，使得整个装置的控制原理完全基于闭环反馈控制，从而提高了电机的控制精度。
[0097]上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种动平衡车电机驱动信号的生成方法，其特征在于，包括: 根据传感器信号计算电机的实际旋转速度，根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值； 实时对所述电机的电流信号进行采样，并根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号； 根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号； 根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括:通过传感器获取电机的旋转速度信号和角度信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值包括: 根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成旋转速度差值； 对所述旋转速度差值进行比例积分调节生成直流信号目标值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号包括: 根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号生成直流信号差值； 对所述直流信号差值进行比例积分调节生成直轴控制信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号包括: 根据等效交流信号与目标交流信号生成交流信号差值； 对所述交流信号差值进行比例积分调节生成交轴控制信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号包括:对所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号进行基于空间矢量脉宽调制处理，生成所述电机的驱动信号。
7.一种动平衡车电机电流信号的生成装置，其特征在于， 信号目标值生成单元，用于根据电机的旋转速度信号计算电机的实际旋转速度，根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成直流信号目标值； 等效信号生成单元，用于实时对所述电机的电流信号进行采样，并根据对所述电机的电流信号的采样结果以及传感器感测到的电机的角度信号，生成所述电机的等效直流信号以及等效交流信号； 控制信号生成单元，用于根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号得到直轴控制信号，根据等效交流信号与目标交流信号得到交轴控制信号； 驱动信号生成单元，用于根据所述直轴控制信号、所述交轴控制信号、所述电机的角度信号生成所述电机的驱动信号。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述信号目标值生成单元包括:计算模块和调节器，所述计算模块用于根据所述实际旋转速度和预先设定的目标旋转速度生成旋转速度差值，所述调节器用于对所述旋转速度差值进行比例积分调节生成直流信号目标值。
9.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述控制信号单元包括计算单元、第一调节器和第二调节器，所述计算单元用于所述根据所述直流信号目标值和所述等效直流信号生成直流信号差值，以及用于根据等效交流信号与目标交流信号生成交流信号差值；所述第一调节器用于对所述直流信号差值进行比例积分调节生成直轴控制信号；所述第二调节器用于对所述交流信号差值进行比例积分调节生成交轴控制信号。
10.一种动平衡车，其特征在于，包括权利要求7-9任意所述的控制装置。
【文档编号】H02P6/10GK104242740SQ201410504959
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】陈中元, 王野 申请人:纳恩博（天津）科技有限公司