CN107618401A - 用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，包括：通信接口：用于接收上位机发送的控制信号，并将控制信号发送给嵌入式硬件；嵌入式硬件，用于根据控制信号生成转向电机驱动信号和驱动电机驱动信号；转向电机驱动器，用于根据转向电机驱动信号控制转向电机；驱动电机驱动器，用于根据驱动电机驱动信号控制驱动电机；运动传感器，用于获取目标车轮的转向信息和角度信息，并将目标车轮的转向信息和角度信息发送给嵌入式硬件，进而发送给上位机。本发明具有如下优点：解决了四轮独立驱动独立转向电动车控制量多、欠驱动自由度多导致的难以控制的问题，并避免了传统车辆冗余性不足和传动效率低下的问题。

Description

用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块

技术领域

本发明属于电动车辆控制-驱动***设计领域，尤其涉及一种用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块。

背景技术

传统电动汽车采用集中式的驱动***，包括纯机械传动的转向系和相对集中的动力系。整车由一个或两个大功率电机驱动，通过传动桥、差速器将动力传递到各个车轮。这种设计基于传统汽车架构，无需对除动力源之外的其它部分作太多改动，因而成为现代电动汽车的主流。然而，集中式驱动一方面存在冗余性不足的问题，一旦电机故障则整车将失去所有动力；另一方面传统的差速器不能同时满足车辆的运动学和动力学量的最优分配，以及传动级数过多，这些因素都将导致传统集中式驱动的方案效率较低。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，解决了四轮独立驱动独立转向电动车控制量多、欠驱动自由度多导致的难以控制的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，包括：通信接口：用于接收上位机发送的控制信号，并将所述控制信号发送给嵌入式硬件；所述嵌入式硬件，用于根据所述控制信号生成转向电机驱动信号和驱动电机驱动信号，并将所述转向电机驱动信号发送给转向电机驱动器，将所述驱动电机驱动信号发送给驱动电机控制器；转向电机驱动器，用于根据所述转向电机驱动信号控制转向电机；驱动电机驱动器，用于根据所述驱动电机驱动信号控制驱动电机；运动传感器，用于获取目标车轮的转向信息和角度信息，并将所述目标车轮的转向信息和角度信息发送给所述嵌入式硬件，进而通过所述通信接口将所述目标车轮的转向信息和角度信息发送给所述上位机。

进一步地，所述嵌入式硬件为多个，每个嵌入式硬件具有不同的地址，所述上位机通过地址定位相应的所述嵌入式硬件。

进一步地，所述控制信号包括所述目标车轮的目标转速、目标转向角、实际滚动角和实际转向角。

进一步地，所述嵌入式硬件包括MCU、PLC和FPGA。

进一步地，还包括：电源管理模块，用于将电源总线电压变换到所述嵌入式硬件、所述转向电机驱动器和所述驱动电机驱动器所需的供电电压，所述电源管理模块还用于对所述嵌入式硬件、所述转向电机驱动器和所述驱动电机驱动器进行功率监测，所述电源管理模块还用于对所述嵌入式硬件、所述转向电机驱动器和所述驱动电机驱动器(1-7)进行故障检测。

进一步地，所述转向电机驱动器通过相数相匹配的H桥，各相分别输入使能和工作脉冲控制所述转向电机运转；所述驱动电机驱动器通过相数相匹配的H桥，各相分别输入使能和工作脉冲控制所述驱动电机运转。

进一步地，还包括：再生制动储能模块，与所述驱动电机和所述电源管理模块相连，用于将车轮动能转化为电能储存，并将储存的电能供所述电源管理模块使用。

进一步地，所述转向电机驱动信号包括电机使能信号、步进工作脉冲信号和电机方向信号。

根据本发明实施例的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，解决了四轮独立驱动独立转向电动车控制量多、欠驱动自由度多导致的难以控制的问题，并避免了传统车辆冗余性不足和传动效率低下的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块的结构框图；

图2是本发明一个实施例的电源管理模块的电路图；

图3是本发明一个实施例的嵌入式代码的执行流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本发明。

图1是本发明一个实施例的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块的结构框图。如图1所示，一种用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，包括通信接口1-3、嵌入式硬件1-4、转向电机驱动器1-6、驱动电机驱动器1-7和运动传感器。

其中，通信接口1-3用于接收上位机发送的控制信号即输入量1-2，并将所述控制信号发送给嵌入式硬件1-4。通信接口1-3与嵌入式硬件1-4与上位机进行全双工通信。在本发明的一个实施例中，控制信号包括所述目标车轮的目标转速、目标转向角、实际滚动角和实际转向角，根据上述信息可以具体控制车轮的动作。

嵌入式硬件1-4，用于根据所述控制信号即嵌入式代码生成转向电机驱动信号和驱动电机驱动信号，并将所述转向电机驱动信号发送给转向电机驱动器1-6，将所述驱动电机驱动信号发送给驱动电机控制器1-7。在本发明的一个实施中，嵌入式硬件1-4包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)、可编程逻辑控制器Programmable LogicController；PLC、现场可编程门阵列Field－Programmable Gate Array；FPGA中的一种或多种，也可以是定制的不可再编程专用集成电路。

当多个所述的模块化单车轮独立驱动模块同时连接到上位机时，每个嵌入式硬件1-4在上位机的***中有不同的地址，上位机通过地址列表确定每个嵌入式硬件1-4发送或接收的信号。这个过程可以使用上位机外部的总线如使用外建的环形I2C总线进行，也可以使用上位机内部的总线进行如通过USB分别连接到上位机；可以通过有线传输实现，也可以通过无线传输实现。嵌入式硬件1-4具体功能是：完成单车轮测控数据的发送、测控数据的接收、测控数据的校验。

转向电机驱动器1-6用于根据所述转向电机驱动信号控制转向电机1-8。驱动电机驱动器1-7用于根据所述驱动电机驱动信号控制驱动电机1-10。在本发明的一个实施例中，所述转向电机驱动信号包括电机使能信号、步进工作脉冲信号和电机方向信号。

在本发明的一个实施例中，转向电机驱动器1-6通过相数相匹配的H桥，各相分别输入使能和工作脉冲控制所述转向电机1-8运转。驱动电机驱动器1-7通过相数相匹配的H桥，各相分别输入使能和工作脉冲控制所述驱动电机1-10运转。该过程可以集成在IPM模块中，且要求嵌入式硬件1-4提供与之匹配的信号电接口。也可以使用外置电机驱动器，且要求提供与之匹配的信号电接口。信号电接口按功能包括但不限于：各路使能信号、各路工作脉冲、如为永磁无刷电机需提供电机位置传感器信号、如使用外置电机驱动器则需提供转动方向信号、制动信号等。在这里，外置指采用封装好的现成产品，如电动车用无刷电机驱动器。

运动传感器，用于获取目标车轮的转向信息和角度信息，并将所述目标车轮的转向信息和角度信息发送给所述嵌入式硬件1-4，进而通过所述通信接口1-3将所述目标车轮的转向信息和角度信息即反馈量1-1发送给所述上位机。在本发明的一个实施例中，运动传感器包括转向编码器1-9和转动编码器1-11。其中，转向编码器1-9，用于获取所述目标车轮的转向信息并形成转向编码，并将所述转向编码发送给所述嵌入式硬件1-4。转动编码器1-11，用于获取所述目标车轮的角度信息并形成角度编码，并将所述角度编码发送给所述嵌入式硬件1-4。此外，运动传感器还可以包括检测车轮限位和转向零点的光电门或码盘、检测车轮震动的加速度计等。

在本发明的一个实施例中，用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块还包括电源管理模块1-5。电源管理模块1-5，用于将电源总线电压变换到所述嵌入式硬件1-4、所述转向电机驱动器1-6和所述驱动电机驱动器1-7所需的供电电压，所述电源管理模块1-5还用于对所述嵌入式硬件1-4、所述转向电机驱动器1-6和所述驱动电机驱动器1-7进行功率监测，所述电源管理模块1-5还用于对所述嵌入式硬件1-4、所述转向电机驱动器1-6和所述驱动电机驱动器1-7进行故障检测。

在本发明的一个实施例中，用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块还包括再生制动储能模块1-12。再生制动储能模块1-12与所述驱动电机1-10和所述电源管理模块1-5相连，用于将车轮动能转化为电能储存，并将储存的电能供所述电源管理模块1-5使用。

图2是本发明一个实施例的电源管理模块的电路图。如图2所示，电源母线电压为13芯锂离子电池电压，对应为+48V～54.6V，直接对IPM的功率端和转向步进电机供电；同时经由LM2576HVS转换为+15V，作为IPM模块的控制端供电电压；并由A5975D进行再次降压至+5V，作为TTL电平及对应IC的供电；同时由线性稳压器1117降压至+3.3V，作为LVTTL和MCU的供电。再生制动方面，制动能量由开关管IRFR3607受控释放到储能电容中，经由LM5122MH控制升压到略高于当前母线电压，进而完成能量的回收。电源监测包括母线电压监测和功率器件电流监测，通过电压和电流可以得到功率器件的实时功率。母线电压监测通过电阻分压电路将母线电压按比例对应到+3.3V以内的一个电平，并且输入到MCU的模拟信号输入端进行读取；功率器件的电流监测通过ACS712-30A芯片完成，0～30A电流值对应到0～+5V的一个电平，再分压并输入MCU的模拟端进行读取。

内置的驱动电机驱动器采用型号为FAM5V5DF1的IPM模块，具有50A输出能力。MCU直接输出三路使能和三路工作脉冲信号驱动IPM将电源母线的直流电转换为三相交变电流，进而驱动一个功率为1500W的三相永磁无刷电机以驱动车轮滚动。电机内置的霍尔元件将电机磁极和绕组的相对位置关系反馈至MCU，进而完成驱动电机的局部控制闭环。IPM模块除对电机进行控制外，还有内部的温度传感器和故障信号，都需要分别作电平兼容处理后输入MCU。

转向步进电机的驱动器采用外置现成产品的做法，使用86步进电机及其配套的驱动器，MCU对此只需要提供一路步进工作脉冲、一路使能电平、一路方向电平即可完成转向步进电机的驱动。

运动传感器采用两个4096线的绝对霍尔编码器，分别传感车轮的滚动和转向角。其中轮动编码器与电机主轴通过轴套连接，转向编码器通过同步带轮与转向轴相连，传动比为1：2。编码器时钟信号由MCU给出，并由MCU进行主动读取数值。

图3是本发明一个实施例的嵌入式代码的执行流程图。如图3所示，初始化部分为分配各寄存器的使用情况，Drive、Steering分别为驱动和转向的子程序，其实现过程可以通过附图3的流程图表示。其中转向角的局部闭环采用传统PI或PID控制即可达到较好的效果。

嵌入式硬件1-4上运行基于C语言的实时代码，其与上位机的通讯方式基于机器人操作***ROS。实时代码的主要特征是使用了抢先制度的多任务处理机制，每个子程序被设定为间隔一段时间执行一次，主程序在每个循环记录***当前时间并于子程序上次运行时间作比较，若大于设定的间隔时间则执行该子程序一次并更新子程序上次执行的***时间。实时代码包含的子程序主要有：初始化、转向控制、驱动控制、全局反馈量输出、更新局部反馈量、更新输入量。其中，初始化部分只运行一次，转向控制、更新反馈量和全局反馈量输出按抢先制度运行，驱动控制和更新输入量在每一个主循环结尾都会被运行一次。此架构的伪代码如下所示：

根据本发明实施例的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，解决了四轮独立驱动独立转向电动车控制量多、欠驱动自由度多导致的难以控制的问题，并避免了传统车辆冗余性不足和传动效率低下的问题。

另外，本发明实施例的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，包括：

通信接口(1-3)：用于接收上位机发送的控制信号，并将所述控制信号发送给嵌入式硬件(1-4)；同时将嵌入式硬件读取的车轮实时运动状态信息进行封装，发送至上位机；

所述嵌入式硬件(1-4)，用于根据所述控制信号生成转向电机驱动信号和驱动电机驱动信号，并将所述转向电机驱动信号发送给转向电机驱动器(1-6)，将所述驱动电机驱动信号发送给驱动电机控制器(1-7)；

转向电机驱动器(1-6)，用于根据所述转向电机驱动信号控制转向电机(1-8)；

驱动电机驱动器(1-7)，用于根据所述驱动电机驱动信号控制驱动电机(1-10)；

运动传感器，用于获取目标车轮的转向信息和角度信息，并将所述目标车轮的转向信息和角度信息发送给所述嵌入式硬件(1-4)，进而通过所述通信接口(1-3)将所述目标车轮的转向信息和角度信息发送给所述上位机。

2.根据权利要求1所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，在实际使用时，多个车轮分属于多个所述模块化单车轮独立驱动模块的管控，多个所述模块化单车轮独立驱动模块上的所述嵌入式硬件(1-4)同时连接到上位机，每个嵌入式硬件(1-4)具有不同的地址，所述上位机通过地址定位相应的所述嵌入式硬件(1-4)并与之进行通信。

3.根据权利要求1所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，在实现车轮的驱动控制外，还可以同时实现该车轮的转向控制。所述控制信号包括所述目标车轮的目标转速、目标转向角；所述车轮实时运动状态信息包括车轮的实际滚动角和实际转向角。

4.根据权利要求1所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，所述嵌入式硬件(1-4)是一种具备逻辑和模拟信号实时处理能力的集成电路，具体形式包括MCU、PLC和FPGA，但不限于此。

5.根据权利要求1所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，还包括：

电源管理模块(1-5)，用于将电源总线电压变换到所述嵌入式硬件(1-4)、所述转向电机驱动器(1-6)和所述驱动电机驱动器(1-7)所需的供电电压，所述电源管理模块(1-5)还用于对所述嵌入式硬件(1-4)、所述转向电机驱动器(1-6)和所述驱动电机驱动器(1-7)进行功率监测，所述电源管理模块(1-5)还用于对所述嵌入式硬件(1-4)、所述转向电机驱动器(1-6)和所述驱动电机驱动器(1-7)进行故障检测。

6.根据权利要求1所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，所述转向电机驱动器(1-6)通过相数相匹配的H桥，各相分别输入使能和工作脉冲控制所述转向电机(1-8)运转；

所述驱动电机驱动器(1-7)通过相数相匹配的H桥，各相分别输入使能和工作脉冲控制所述驱动电机(1-10)运转。

7.根据权利要求1所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，所述运动传感器包括：

转向编码器(1-9)，用于获取所述目标车轮的转向信息并形成转向编码，并将所述转向编码发送给所述嵌入式硬件(1-4)；

轮动编码器(1-11)，用于获取所述目标车轮的角度信息并形成角度编码，并将所述角度编码发送给所述嵌入式硬件(1-4)。

8.根据权利要求1所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，所述运动传感器还可以包括以下辅助运动传感器：

检测车轮转向零点的光电门或码盘、检测车轮运动状态和姿态的加速度计等。

9.根据权利要求5所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，还包括：

再生制动储能模块(1-12)，与所述驱动电机(1-10)和所述电源管理模块(1-5)相连，用于在制动时将车轮动能转化为电能储存，并将储存的电能通过所述电源管理模块(1-5)进行回收利用。

10.根据权利要求1所述的用于电动车辆的模块化单车轮独立驱动模块，其特征在于，所述转向电机驱动信号包括电机使能信号、步进工作脉冲信号和电机方向信号。