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1、陀螺电控增稳的纯电动车辆 电动车辆的发展方向是节能、环保；传统的电动车辆采用内燃机汽车的基本结构，仅仅将驱动设备换成电机与电池组，这种做法使电动汽车的重量增加，成本过高；从能量转换的角度来看，其能量消耗的降低并不明显。虽然电力驱动的效率较高，但是考虑到电池的充放电效率等等因素，传统电动车辆的节能增益是有限的； 只有采用全新的车辆结构，大幅度减轻车辆结构重量，才能大幅度降低能耗，节省电池成本；基于“硅微机械”陀螺技术，采用“随控布局”概念，以全面电子控制和电传操纵实现车辆行驶稳性与操纵灵活性在更高层次上的统一，结合稀土永磁无刷动力电机与高能效锂电池的最新发展成果，轻型乘用车领域即将迎来一场革
2、命！ 两轮电子增稳自平衡车 这是一种同轴并行两轮电动小车，通过电子控制使该车无须人力可以自动保持平衡和保持前进方向。行驶时乘员站立在车轴部位的踏板上，乘员主动向前倾斜身体，小车即向前行驶；向后倾即可制动或后退。行驶中乘员无须分神掌握平衡，双手可以自由动作。该车采用左右两个各自带有无刷轮毂电机的车轮，由电子线路控制两轮独立驱动，以电池提供能源，采用固体微机械陀螺传感器和地磁场传感器来感测车辆姿态。 如图可见这种并行两轮车，其重心在支点之上，因此它的结构是“静不稳定”的，由于采用了“陀螺电控增稳”技术，通过内部的MEMS微机械陀螺传感器检测重心变化，由车轮上的轮毂电机输出矫正力矩，从而保持车
3、身平衡；只要操作者身体前倾，整车自然加速前行，身体后倾，整车立即减速直到停止；整个电子控制组件重量不足1公斤，而省去了传统电动自行车或摩托车所必须的支撑和转向机构，因此重量很轻，但是它具有同样的行驶速度和更好的稳定性，行驶中操作者完全不需要分神去主动保持平衡，大大减轻了人员的精神负担和体力消耗； 这种2轮车操纵十分灵活，可以原地转弯，占地面积小，可以驶入电梯、房间，上自动扶梯；是十分方便的代步工具； 基本技术指标： 载重----150kg 最大速度—35KM/H 转弯半径—原地转弯 爬坡度--->40度 电池—36V10AH 一次充电行驶距离30km 结构及
4、原理说明 该车控制电路由主陀螺控制板，转向手柄电路，左、右轮电机驱动器组成。主陀螺控制板上有中央处理计算机MCU、一组垂直方向的固体角速度传感器、一组水平方向的固体角速度传感器，一个三轴向加速度传感器和一个三轴向地磁场传感器；当车身倾斜时，垂直方向的角速度传感器会发出一个角速度信号，中央处理计算机接收这一信号，通过比例积分运算产生一个矫正控制信号发送给无刷电机驱动器使电机和车轮产生反方向的矫正力矩，令车身恢复平衡，这一过程在20毫秒内完成。在前进过程中，由于道路状况变化，行驶方向会产生偏差，水平方向的角速度传感器检测到行驶方向变化时，输出角度偏差信号，计算机据此计算出矫正信号控制无刷电机驱动
5、器，使左右车轮差动从而修正行驶方向；地磁场传感器检测空间方向的地球磁场磁通分量，得到三维方向的角度信息，这一角度信息精度可达到5度，该角度信息精度不足以做运动控制但是具有长期稳定性；由于固体角速度传感器会由于温度变化产生固有的“漂移”现象，使得累计角度信息不准确，因此MCU需要通过地磁场传感器获得绝对方向信息，以校正角速度传感器的“漂移”，避免累积误差；三轴向加速度传感器检测车身在各个方向的加速度，以避免剧烈地倾斜、旋转或加减速运动，万一单侧车轮失去控制或失去角度信号，这一机制用于令车身平稳地停止。其中重力加速度的方向也用来校正角速度传感器的累积角度误差； 转向手柄是一个活动把手，乘员向左右
6、方向转动把手，主控电路通过手柄内的霍尔传感器检测其转动获得转向信号，从而控制左右车轮差动改变行驶方向。 左驱动轮 右驱动轮 前进方向 电池 蹋板 无刷电机驱动电路 无刷电机驱动电路 主轴 转向手柄 主控制电路板 水平方向角速度传感器 垂直方向角速度传感器 车辆整体结构 四轮驱动的陀螺电控增稳电动车 一种全新结构的轻乘用车，四组车轮都具有内置动力电机，采用全电驱动和电传操纵，利用基于“硅微机械陀螺”的计算机电子控制电路保持行驶方向和姿态稳定，舍弃所有机械联轴传动及机械助力转向机构； 由于省去了内燃机和
7、减速传动机构，省去了传动轴和差速联动装置，采用高能积比的稀土永磁无刷电机和磷酸铁锂电池，空车质量小于150KG，全车整备质量可控制在300KG以下；因使用一体化无刷轮毂电机，没有减速换挡联轴等传动环节造成的能量损失，驱动效率高达85%，以5KW最高功率可达到80KM时速；以45km时速行驶，采用48V120AH电池（电池重50kg）可达到150KM续航距离。 结构特点： 1. 四组独立驱动的稀土永磁无刷轮毂电机，完全独立驱动，高机动性，高通过能力，可原地转向； 2. 刚性车桥，无传动轴，无差速器，无转向机； 3. 基于陀螺平台的方向控制机制，高速增稳机制； 4. 计算机控制的差速转向
8、无速度耦合效应，任何速度下都具有同样的转向速度，省去了方向盘助力机构，甚至可以不需要方向盘； 5. 动力电机储能制动与中央控制紧急制动系统 6. 基于陀螺平台的电控主动悬挂减振系统， 7. 使用磷酸铁锂动力电池组； 一．主体结构及原理说明 传统机动车辆的方向稳定是由车辆底盘结构决定的，其两侧车轮通过传动轴或差速器实现同步转动，在2侧负重不一致或车轮磨损状况不同甚至路况有差异时其稳性会下降；传统车辆的转向通过前轮转向机提供转向角，受结构限制，转向角不能太大；这一转向机制存在速度耦合，即高速时转向很灵敏，同时方向稳定性则较差，低速时转向机构迟钝，需要较大的转向力矩，因此需要发展液压或
9、电动助力机构； 新结构的电动车，采用完全独立驱动的四组车轮，每个车轮都具有内置的稀土永磁无刷轮毂电机，近十年来，由于电动自行车和摩托车的蓬勃发展，这种车轮内置无刷轮毂电机产量巨大，技术成熟，成本也相对低廉，国内在这一方面独具优势。各组车轮在运转时相互之间没有刚性连接，其转速与力矩完全由电路控制，因此在各轮负荷不均衡或路况差异甚至轮胎失压时，都不会直接影响车辆姿态，控制电路会自动调整各组车轮的驱动电流以保持姿态稳定，调整的速度高达每秒1000次；在出现极端情况时，控制电路可以在0.01秒内做出保护动作，自动执行缓减速或强制制动程序； 控制电路依据半导体微机械陀螺提供的角速度和角差信息来调整行
10、驶方向，即使高速时也能保证方向的稳定，不会出现高速“发飘”的情况；如果车轮安装角出现偏差，也只会增大磨损，却不会导致跑偏；转向时，根据驾驶员用方向盘电位器或操纵杆提供的转向命令，控制左、右车轮差速以实现转向；转向命令的受控量是转向角速度而不是转向角度，因此与前进速度无关，可以在停止状态原地转向，且不需要猛打方向盘； 在爬坡或过障时，各组车轮负荷剧烈变化，但是控制电流的变化远比负荷的变化更快，它使车轮的输出力矩自动适应负荷，稀土永磁无刷电机在低速状态输出力矩可以超出额定值数十倍，因此这种车辆的爬坡过障与加速能力大大超过普通车辆； 如图可见，整车的底部是一个刚性框式悬架，其通过弹性悬挂连接车架
11、设备与乘员舱固定安装在车架上；当前后轴距较长时，左右后轮应使用转向节与悬架连接； 整车的控制由三轴向陀螺平台，四组独立的无刷电机驱动器，中央控制制动系统，主动悬挂控制装置、电池等组成；主控制板与无刷电机驱动器之间以CAN总线连接，向驱动器发出转速与力矩控制指令，同时反馈转速、电流、温度信息； 左前驱动轮 右前驱动轮 前进方向 电池组 电机驱动电路 电机驱动电路 主控制电路板 三轴向陀螺平台 车辆整体结构 左后驱动轮 右后驱动轮 主动悬挂 中控制动系统 吸能升压回路 电机驱动电路 电机驱动电路 二．陀螺装置 参见前文内容，此处不再赘
12、述！ 三．动力电机的驱动 该车使用有传感器的永磁无刷电机，具有高效率、高功率、高扭矩和免维护等等重要优点；电机控制器通过马达内置的相位传感器获得电机转子的角度、相位信息，并采集相线电流对电机作矢量控制运算，实时控制电机的速度与转矩，这是全车控制的基础。控制器通过CAN总线与主控制板通讯，相互交换控制信息与数据；CAN总线数据速率达到1M波特，每1毫秒交换一帧信息，主控板的控制命令在1毫秒后即传输到电机控制器并立即输出到电机定子绕组转换成力矩输出； 为了有效利用减速或制动时的能量，电机控制器设计了专门的制动电流放电回路。在制动时，控制器同样以矢量控制的方法实时控制制动力矩，此时需要吸收
13、回路将电压稳定在5V以下。 电机控制器 CAN-BUS接口 温度传感器 电流采样 相位传感器 轮毂电机 CAN总线，至主控板 制动电流放电回路 放电母线，至吸收回路 四．中央控制储能制动系统 在制动过程中，轮毂电机本身就是很好的制动装置，同时也是高效率的发电机，通过一套升压吸能回路，可提供超过200A的制动电流，经吸能升压转换后产生约50A充电电流用于动力电池组充电，吸能回路效率可达90%；由于磷酸铁锂电池具有很高的充电效率，这一方法可将制动过程中损失的动能大部分加以回收，在需要频繁制动的场合，是非常有效的节能措施； 在速度极低时（5KM/H以下），吸能
14、回路与动力制动效率降低，此时必须使用机械强制制动。 在制动时，由于制动力矩的不均衡可能导致方向失控，因此需要独立的中央控制制动系统，在制动过程中根据陀螺仪的输出信号自动调整各组车轮的刹车力矩，同时根据车轮转速变化检测车轮打滑或“抱死”情况，做出防恻滑或防抱死动作的点动动作； 如图，控制板发出制动信号，控制舵机运转，舵机转角决定制动力矩大小，舵机响应时间在20ms以内；使用液压制动装置时，以电磁比例阀代替舵机； 中控制动系统
15、 制动线 主控制板 制动电流吸收回路 电池 舵机 舵机 电机驱动器 三轴向陀螺平台 五．主动悬挂减振系统 车辆技术发展至今，同样排量的发动机动力已经提高了数十倍，材料技术也有了巨大突破，这使得车辆可以更加轻型化。但是家庭乘用车仍然在向重量提高的方向发展，这是因为，人们发现较重的车乘坐更舒适，尤其是高速行驶的稳性更好。
16、主动悬挂减震系统可以在减轻重量的同时，大幅度提高车辆行驶稳性，减小通过障碍时的振荡和姿态变化，使轻型车比重车乘坐更加舒适； 传统悬挂设施，是由弹性缓冲装置和液体阻尼装置组成，在经过障碍时，利用弹性元件吸收冲击动量，通过障碍后，弹性元件吸收的能量释放，导致持续振荡，而液体阻尼装置则吸收这部分能量，使振荡迅速收敛；这种方法存在几个根本矛盾 1. 阻尼与缓冲是一对矛盾，增大阻尼则减振过“硬”，减小阻尼则抗冲击载荷能力不够，车辆不稳定； 2．为了减小冲击，需要增大弹性行程；但是这导致后续振荡持续时间延长，且会加大车身的姿态变化； 3. 液体阻尼具有速度敏感性，在振荡频率较低时阻尼效果不好，振
17、荡的收敛曲线是指数函数，在通过障碍后，小幅度的振荡将持续一段时间；增大弹性行程后导致振荡频率降低，抑制振荡的效果会更差； 传统车辆设计中，人们努力在矛盾中寻找平衡点，而最终都要加大系统质量； 主动悬挂减震系统由电动阻尼悬挂装置，陀螺平台，中央处理计算机组成； 在电动阻尼悬挂装置中，以小型稀土永磁电机代替液体阻尼筒，它的阻尼力矩与悬挂元件本身的速度无关，而是完全受控于系统的中央处理计算机，由计算机根据陀螺平台的信号控制四组悬挂的阻尼和行程，在通过障碍时保持车身姿态稳定，在通过障碍后吸收弹簧中剩余的势能，抑制后续振荡； 如图，车架与悬架的相对运动导致电机运转，在阻尼状态时，该电机做为发电机
18、其被动运转产生感生电动势，通过控制泄放电路的PWM脉冲宽度即可控制泄放电流，这一电流值正比于阻尼力矩，可以在0.1秒内做数百次调整；遇到大行程的冲击，可以自动增大阻尼，对于频繁发生的小的冲击，则减小阻尼使减震表现出“柔和”的特性；一旦冲击结束，则控制泄放电路立即吸收能量，抑制后续振荡。对于大的冲击载荷，阻尼所吸收的能量可用于为动力充电； 在四组悬挂装置中，一旦其中之一受到冲击，虽然悬挂弹簧吸收了绝大部分冲量，但是车桥在该方向仍难免出现高度变化，此时，其它三组悬挂装置必须做出主动调整，在中央计算机的控制下，其阻尼电机做为电动机，驱动各悬挂改变高度，使车身整体仍然保持纵向和横向平稳；这就是主动减振系统的运作机理 阻尼电机 悬架 车架 上下运动 电动阻尼悬挂装置
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