车辆及驱动器的姿态控制系统

摘要

本发明提供了一种车辆及驱动器的姿态控制系统。本发明的车辆具有车体、驱动轮、辅助轮、以及第一驱动源，其中所述第一驱动源使所述驱动轮旋转，以使所述车辆运行，所述车辆包括：所述车体的位置传感器；所述车体的驱动控制装置；以及所述车体的姿态控制装置；其中，所述姿态控制装置具有：姿态控制装置，用于根据来自所述位置传感器和所述驱动控制装置的信号，使所述驱动轮的位置相对于所述车体移动；以及，第三驱动源，用于使所述辅助轮浮离所述路面。

权利要求

1.一种车辆，其具有车体、1个或2个驱动轮、在停车时支撑车体的辅助轮、以及第一驱动源，其中所述第一驱动源使所述驱动轮旋转，以使所述车辆运行，所述车辆包括：所述车体的位置传感器；

驱动所述驱动轮使所述车体移动的驱动控制装置；以及控制所述车体的姿势的姿态控制装置；

其中，所述姿态控制装置具有：

第二驱动源，用于使所述驱动轮的位置相对于所述车体相对地移动；

第三驱动源，用于使所述辅助轮浮离路面；

发生基准信号的基准信号发生电路；

N分割器，对来自所述位置传感器的频率信号进行N分；

相位比较器；以及

PWM控制电路，

将相位差信号提供给所述PWM控制电路，将所述PWM控制电路的输出提供给所述第二驱动源，其中，所述相位差信号是利用所述相位比较器对由所述N分割器对来自所述位置传感器的频率信号进行N分后的N分信号与由M分割器对基准频率信号进行M分后的M分信号进行比较而得到的，所述位置传感器向所述姿态控制装置输出频率信号作为所述检测信号，并且所述姿态控制装置基于所述基准信号与所述频率信号之间的相位差来确定所述驱动轮的位置相对于所述车体的移动量。

2.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述第一驱动源和第二驱动源为电动马达。

3.根据权利要求1或2所述的车辆，其中，所述位置传感器是所述车体和路面的距离传感器，或者是用于检测所述车体的倾度的倾度传感器。

说明书

车辆及驱动器的姿态控制系统

[0001] 本申请是国际申请日为2003年10月29日，国际申请号为PCT/JP2003/013868(国家申请号为200380102523.7)，发明名称为“用于车轴的位移控制系统”的专利申请的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及一种马达的PWM控制电路，特别地涉及一种组合了PLL控制电路和PWM控制电路的马达旋转控制电路。本发明还涉及采用这种控制电路来对用于驱动驱动器的驱动马达进行控制的发明。

背景技术

[0003] 作为这种PWM控制电路，例如在日本特开平5-30602号公报中描述了一种用于电动车的马达控制电路。

[0004] 该常规技术具有马达电路(CP1、TR1到TR4)，其通过比较加速度电压和三角波来生成脉冲宽度随加速度电压变化的驱动信号、根据所述驱动信号对功率晶体管(TR1到TR4)执行PWM控制，从而使马达M通电。此外，该常规技术还包括：限流电路(Rs、CP2)，用于检测提供给马达M的电池电流并在该电池电流超过基准值时降低驱动信号；以及，转数控制电路(2到4)，用于检测马达M的转数，并通过基于所述转数改变加速度电压而对马达M进行恒速控制。

[0005] 同时，为精确地控制马达的转数，可以将PLL电路与该PWM控制电路相组合。与图1所示的控制系统一起实现了这样的电路，该系统包括基准信号发生电路10、用于根据该基准信号形成三角波的电路12、马达14、马达的开关电路16、用于检测马达转数的编码器
18、用于对来自该编码器的所检测的脉冲信号进行N分的N分割器(N divider)20、用于检测经N分的信号和基准脉冲信号之间的相位差的相位比较单元22、低通滤波器24和电压比较器25。该系统形成来自该低通滤波器的模拟信号26和来自三角波的开关信号，并将这些信号提供给马达的开关电路(PWM控制电路)的晶体管栅极。

[0006] 换句话说，将模拟信号和三角波信号进行比较，并且在模拟信号高于三角波信号期间，将信号“H”输出到放大器16A，并在模拟信号低于三角波信号期间，将信号“L”输出到放大器16A。将来自该放大器的输出分别输入串联连接的两个晶体管的栅极。因此，可以改变提供给马达14的电压的占空比。

[0007] 然而，利用图1所示的电路，由于占空比控制信号是根据模拟信号获得的，所以会在模拟电路部分出现下面的问题：电路结构复杂、对相位差信号的响应变差、并且由热导致的信号变化明显。

发明内容

[0008] 本发明的一个目的是提供一种马达旋转控制电路，其电路结构并不复杂、对相位差信号具有良好的响应、并且由热导致的信号变化很小。

[0009] 此外，本发明的发明人研究了实现以下一种系统的可能性，该系统用于在采用该马达的控制电路对驱动器进行驱动的同时稳定地维持该驱动器的位置。在该研究过程中，发明人发现可以通过相对于驱动器主体的重心相对地移动驱动单元的求和点(summation point)，来稳定地维持驱动器被驱动时的姿态。此外，在该研究中，发明人发现作为进行这类姿态控制的控制电路，一种能够检测驱动器的位置并立即加以利用的系统(即，一种能够以快于CPU的操作速度的速度进行姿态控制的系统)是有优势的。优选地，提供上述马达控制电路作为这种系统。另外，驱动单元涉及使主体行驶的驱动轮等。驱动单元的求和点涉及重量被施加到主体上的点，例如与驱动轮相关的轴。

[0010] 因此，本发明的另一目的是提供一种驱动装置，其中利用这种旋转控制电路对作为驱动源的马达进行旋转控制，并且这种驱动器的一个示例为车辆。

[0011] 本发明还提供了一种车辆，其具有车体、1个或2个驱动轮、在停车时支撑车体的辅助轮、以及第一驱动源，其中所述第一驱动源使所述驱动轮旋转，以使所述车辆运行，所述车辆包括：所述车体的位置传感器；驱动所述驱动轮使所述车体移动的驱动控制装置；以及控制所述车体的姿势的姿态控制装置；其中，所述姿态控制装置具有：第二驱动源，用于使所述驱动轮的位置相对于所述车体相对地移动；第三驱动源，用于使所述辅助轮浮离路面；发生基准信号的基准信号发生电路；N分割器，对来自所述位置传感器的频率信号进行N分；相位比较器；以及PWM控制电路，将相位差信号提供给所述PWM控制电路，将所述PWM控制电路的输出提供给所述第二驱动源，其中，所述相位差信号是利用所述相位比较器对由所述N分割器对来自所述位置传感器的频率信号进行N分后的N分信号与由M分割器对基准频率信号进行M分后的M分信号进行比较而得到的，所述位置传感器向所述姿态控制装置输出频率信号作为所述检测信号，并且所述姿态控制装置基于所述基准信号与所述频率信号之间的相位差来确定所述驱动轮的位置相对于所述车体的移动量。

[0012] 根据本发明的该方式，所述位置传感器向姿态控制装置输出频率信号作为检测信号，并且姿态控制装置根据基准信号与频率信号之间的相位差来确定驱动轮的位置相对于车体的移动距离。

[0013] 第一和第二驱动源是电动马达。位置传感器是车体与路面的距离传感器，或者是用于检测车体倾度的倾度传感器。

[0014] 此外，本发明还提供了一种驱动器姿态控制系统，包括：主体；驱动单元；用于操作驱动单元并移动主体的驱动控制单元；主体的位置传感器；用于相对于主体的重心相对移动驱动单元的求和点的移动装置；以及，确定装置，用于根据位置传感器的输出值来确定相对移动距离；其中，驱动单元的求和点可以相对于该主体的重心在X-Y方向上移动。

[0015] 优选地，如上所述，确定单元通过向PLL控制电路提供位置传感器的输出值来获得前述相对移动距离。作为用于使驱动单元相对于主体相对移动的移动机构，可以使用电动马达、机械传输装置(用于将电动马达的功率传输到用于移动驱动单元的机构)、线性导轨或滚珠螺旋(例如作为驱动单元的移动机构)。由于将位置传感器的输出值提供给PLL控制电路，并且控制电动马达，所以可以立即确定驱动单元的位置。

[0016] 通过将PLL电路的相位比较单元的输出直接提供给PMW控制电路，并且PWM电路改变提供给电动马达的功率同时改变占空比，可以控制电动马达的旋转。

[0017] 由于使驱动单元的求和点相对于主体的重心相对移动，所以可以稳定主体被驱动时的姿态，并通过对稳定姿态控制的扰动进行补偿，可以稳定地维持该姿态。当驱动器是电动汽车、电动轮椅或电动货车时，这种扰动可以是施加于所述车体的正的或负的加速度、或是在坡道上的行进。

[0018] 当可以稳定所述驱动器的驱动姿态时，在行驶所述车辆时，辅助轮等可以从该车辆上浮起来。结果可以减少摩擦力，降低驱动器的能耗，并且可以提高车辆的行驶效率和驱动器的驱动效率。

[0019] 此外，所述X方向例如可以是主体的移动方向(前向/后向)，所述Y方向例如是轴向。

附图说明

[0020] 图1是用于执行马达的旋转控制的组合了PLL电路和PWM电路的控制电路的示例；

[0021] 图2是根据本发明的组合了PLL电路和PWM电路的控制电路的方框图；

[0022] 图3是在车辆位置控制机构中应用了本电路的车辆位置控制电路的方框图；

[0023] 图4示出了所述车辆位置控制操作的画面形式(frame format)的图；

[0024] 图5是用于解释相位比较单元中的相位比较操作的波形图；

[0025] 图6示出了用于解释车辆正在加速的状态下的车辆位置控制操作的画面形式的图；

[0026] 图7示出了用于解释车辆正在减速的状态下的车辆位置控制操作的画面形式的图；

[0027] 图8示出了用于解释车辆在坡道上行驶的状态下的车辆位置控制操作的画面形式的图。

具体实施方式

[0028] 图2说明了关于本发明的一个实施例的旋转控制马达。本实施例与图1所示的电路之间的区别在于：首先，将作为第一基准信号的基准脉冲10输入相位比较单元22，并且将作为对来自N分割器20的信号与基准信号之间的相位差进行比较的结果而获得的信号直接提供给PWM控制电路16。标号16表示用于对马达进行切换的PWM电路。此外，基准信号发生电路10例如是由基准频率发生电路和用于M分该基准频率发生电路的M分割器电路构成的。

[0029] 图5示出了相位比较单元22中的相位比较操作的波形。图5(1)是来自石英振荡器的基频信号。图5(2)是编码器18的输出脉冲波形。图5(3)是通过M分所述基频信号获得的基准比较频率信号的波形。图5(4)是通过N分来自所述编码器的脉冲信号获得的被检测频率信号的波形。图5(5)是作为利用相位比较单元22执行的相位比较结果而输出的基于两种频率信号的相位差的相位差信号的波形。

[0030] 在图2中，例如，在相位差信号为“L”阻抗的期间，TR1导通，TR2截止，常规旋转电流流向该马达。同时，在相位差信号为“H”阻抗的期间，TR1和TR2都截止。此时，马达14将反向旋转，或者说通过将该马达与负载(储存单元)相连，该马达将用作动态刹车。

[0031] 根据该控制电路，由于可以实现马达的旋转控制电路而无需包含模拟电路，所以可解决前述问题。此外，根据该电路，当生成马达的转数差时，可以根据相位差来对马达进行占空控制(duty-control)。

[0032] 该马达是电动马达，例如可以是DC马达、无刷马达、脉冲马达以及其它马达。由于采用了这样的马达和这种马达的旋转控制电路，利用这种驱动源驱动的驱动器应用非常广泛。作为这种驱动装置的示例，可以是电动汽车、电动轮椅、电动货车(electric cart)等。

[0033] 图3示出了将图2所示的控制电路应用于车辆的姿态控制的情况下的控制电路。本实施例中的车辆姿态控制表示用于稳定维持车辆的姿态的控制，以实现两轮驱动。例如，如上所述，这涉及将驱动轮的求和点与车体的重心相匹配。现在更详细地进行解释。

[0034] 在解释图3所示的控制电路之前，参照图4解释能够进行两轮驱动的车辆100，车辆100具有一对驱动轮(左驱动轮和右驱动轮)102，以及相同的一对辅助轮(左辅助轮和右辅助轮)106(或在中间的一个辅助轮106)。

[0035] 车辆的重心点110在驱动轮102的前面，在车辆停泊的状态下，车辆的辅助轮106与路面104相接触。驱动轮102能够在车辆的前进方向或后退方向上旋转，并如图4(1)到(3)所示，车辆被构造为将驱动轮102移动到车体的重心位置，并且此后辅助轮浮离路面104，从而车辆仅利用驱动轮102前进。辅助轮106可以由未示出的电动机构(第三驱动源)容纳到车体内部(参见图4(3))。

[0036] 图4(2)示出了驱动轮102在车辆100的前进方向上相对移动，并且驱动轮102向车辆的重心位置110移动的状态。在此过程中，辅助轮106浮离路面104，并且车辆可以仅由两个驱动轮(左驱动轮和右驱动轮)106支撑。

[0037] 标号108表示提供给车辆的前端或后端的距离传感器。此外，车辆可以包括倾度传感器来替代距离传感器，或既包括倾度传感器又包括距离传感器。在图3所示的姿态控制电路中使用这些传感器的检测值，用于稳定地维持车辆在运动中的姿态。

[0038] 为说明图3中所示的电路，标号30表示车辆的驱动单元(各驱动源的命令装置)，除控制左驱动机构102A、右驱动机构102B的各自的电动马达B的驱动器A之外，其还使左右驱动轮的位置相对车体移动，并控制车辆姿态控制单元以实现两轮驱动，该车辆姿态控制单元的结构如下。

[0039] 标号38表示用于M分基准频率信号10的M分割器，标号34表示用于放大PMW控制信号并获得将提供给马达的电压信号的功率转换单元。标号36表示用于根据来自驱动控制单元30的控制来改变所述电压的极性、并使能马达的旋转方向控制的矢量控制单元。

[0040] 任何传感器只要能够根据与路面的距离输出频率信号就可以用作距离传感器108，并且距离传感器108例如由根据与路面的距离输出模拟值(例如电压值)的机构和用于根据该模拟信号获得频率信号的元件(例如电压控制发生电路)构成。

[0041] 由相位比较单元22将用分割器单元20对来自距离传感器的频率信号进行N分所得的N分信号与用M分割器38对基准频率信号进行M分所得的M分信号进行比较。

[0042] 比较之后的“H”阻抗的信号或“L”阻抗的信号被输入到PMW控制单元，并且根据“H”阻抗或“L”阻抗的周期改变从PWM输出的脉冲信号占空比。这种占空比的变化在功率转换单元中成为功率差，并被提供给马达14。

[0043] 马达14将变为驱动源(第二驱动源)，用于使驱动轮102相对车体移动。当驱动轮向车辆的重心点110移动时，驱动轮的轴(求和点)被制成与从重心点110引出的垂线相匹配，车体可仅由驱动轮支撑，并且车辆可以进行两轮驱动。此处，通过使辅助轮108与路面浮离，可以消除车辆行驶时辅助轮与路面之间的摩擦。

[0044] 如上所述，由于用于控制车辆姿态的马达14(第二驱动源)是根据距离传感器108的输出而在PLL控制下驱动的，因此与在CPU控制下相比，具有可以即时而精确地进行姿态控制的优点。

[0045] 在下面的情况下，定位在车体的前端底部的路面传感器与路面之间的距离将改变。首先，当辅助轮从路面浮离并且车体仅由驱动轮支撑时；第二，在车体使辅助轮浮离，利用驱动轮行驶，并对车体进行加速的状态下；第三，在车体使辅助轮浮离，利用驱动轮行驶，并且车体在坡道上行驶的状态下。

[0046] 在上述第一种情况下，驱动控制单元30检测车体的初始运动，例如当开启电动马达时，适当地改变M分比率和M分比率，使相位比较单元22中产生更大的相位差。结果，用于使驱动轮102相对于车体相对移动的命令被提供给马达14。

[0047] 在上述第二和第三种情况下，来自距离传感器的脉冲信号的频率将根据加速度和坡道而改变。驱动控制单元30控制N分比率和M分比率，以使驱动轮相对于车体向该距离传感器与路面的距离为固定值的一侧运动。

[0048] 对于用于使驱动轮102相对于车体移动的上述距离传感器无限制，也可使用用于检测车体的倾度的倾度传感器32。

[0049] 在图4中，标号200表示导轨，标号202表示沿该导轨前后移动的滑动器。该滑动器与驱动轮一体形成，并通过将电动马达14的旋转通过未示出的传输机构传输到滑动器或导轨，可以改变驱动轮相对于车体的相对位置。例如，滑动器和导轨可以被构造为带有滚珠螺旋或线性导轨的驱动轮移动机构。

[0050] 下面将参照车体的操作状态的具体示例来说明控制模式。首先说明车辆的初始操作。当乘客上车并开启电动马达时，驱动控制单元30检测到该“开启”信号，并如图4所示，使滑动器沿导轨相对移动。此处，由于驱动轮与地面接触，所以主体相对于驱动轮在反向方向上稍稍移动。结果，驱动轮的求和点可以与车体的重心位置相匹配。

[0051] 在车辆处于静止状态下，辅助轮106与地面接触，并且车辆的重心点在驱动轮的前面。当在车辆静止的状态下，导轨202相对于车体移动时，驱动轮立即到达车辆的重心点110的下方，从而车辆可以仅由两个驱动轮支撑。此时的驱动轮的旋转距离可以被认为与驱动轮相对车辆移动的距离基本相对应。

[0052] 下面说明车辆被加速时的情况。当向车辆的前进方向施加正加速度时，车辆的前端试图绕着驱动轮的轴以逆时针方向旋转。

[0053] 换句话说，如图6所示，从恒速到初始加速度，从该轴产生加速度F，并且因为该加速度F产生了指向重心点的向后的矢量G。结果，车辆在两个轮上的以恒速行驶的姿态被破坏。

[0054] 因为这种旋转(车辆姿态的破坏)，利用距离传感器10所检测的车体和路面之间的距离将增加，驱动控制单元30根据车辆的操作状态设置N分比率和M分比率，并使相位比较单元22中出现这两个信号的相位差。对于N值和M值，例如，预先确定车速和车加速度之间的关系中的适当值，并以存储表的形式将其存储在驱动控制单元的存储器中。

[0055] 当在相位比较单元22中出现相位差时，根据该相位差信号利用PWM控制单元16来确定占空比，并且将依赖于该占空比的脉冲信号提供给功率转换单元34。功率转换单元34将脉冲信号转换为将提供给马达14的功率值。驱动控制单元30确定电压值的极性，并将其指示给矢量控制单元36。

[0056] 当对车辆施加正加速度时，如图6的加速度修正图所示，当驱动轮102(也就是滑动器202)相对于车体沿导轨200在反向方向上移动时，轴150和重心110变得不对准，将产生使车体绕着该轴沿顺时针方向旋转的矢量，并且可以对车体的浮离姿态的破坏进行修正和补偿。

[0057] 接下来，在车辆返回恒速行驶的状态期间，根据距离传感器108的输出，车辆的位置基于相位比较单元22所产生的两个信号之间的相位差而回到重心点110。

[0058] 接下来，与图6相对，当在车辆的减速方向上施加加速度时，车辆试图绕着轴沿顺时针方向旋转。换句话说，如图7所示，当对轴150产生减速矢量时，因这种减速矢量而产生了指向重心点的前向矢量I，并且车体绕轴150的姿态被破坏。

[0059] 此时，图3所示的控制电路将这样控制马达14：驱动轮102将相对于车辆的前进方向移动，并且轴150将定位在重心点的前方。结果，重心矢量J被PLL控制，从而根据距离传感器的变化向轴收敛(指向该轴)。

[0060] 接下来，当车辆停止时，车辆将竖直站立从而车体如上所述地由两个驱动轮102支撑，并且当电动马达关闭时，辅助轮106从车辆的前部露出时，驱动轮在车辆的倒向方向上稍稍旋转，同时使驱动轮在车辆的倒向方向上移动，通过由辅助轮106来支撑车辆，完成了车辆的停放。

[0061] 接下来将解释车辆在坡道上行驶的情况。当车辆从恒速行驶的状态下接近上坡时，为使车辆在坡道上运行时的姿态稳定，与车辆在水平路面上行驶的普通距离相比，使距离传感器与路面之间的距离在上坡时变小，而在下坡时变大。图8(1)示出了距离传感器和路面之间的距离是正常距离的情况，图8(2)示出了距离传感器和路面之间的距离小于正常距离的情况，而图8(3)示出了距离传感器和路面之间的距离大于正常距离的情况。

[0062] 针对于各个正倾角和负倾角，将距离传感器和路面之间的距离以存储表的形式存储在存储器中。可以用倾度传感器来检测倾角，姿态控制电路使驱动轮相对于车体在前向和后向上移动，从而在坡道上的该距离传感器和路面之间的距离变为设定值。

[0063] 在图8(2)和(3)中，将驱动轮的位置控制为：施加到重心点的重心矢量J收敛于轴上。可以在前向或后向(或者，左向或右向)上进行车体的姿态控制。虽然前面的实施例示例了两个轮(两个轴)的情况，但本发明不限于此，其也可应用于一个轮(一个轴)的情况。