外转子电机驱动助力装置

摘要

本发明公开了一种外转子电机驱动助力装置。本发明旨在解决现有运动保护带的省力机构复杂、工作行程受限、且无法适应快速工况变化等技术问题。其包括缆绳、牵引轮压力传感器、负载轮压力传感器、牵引轮转速传感器、负载轮转速传感器、外转子电机、控制器等；所述控制器与上述各压力传感器、转速传感器电连接，通过实时控制算法控制所述外转子电机的转速和输出力矩，从而实现对缆绳拉力的助力效果。本发明在获得省力效果的同时保持牵引行程不变，结构紧凑集成度高，可自适应不同的驱动摩擦条件，并在快速变化工况下保持正常工作。

权利要求

1.一种外转子电机驱动助力装置，其特征在于，包括缆绳、牵引力采集机构、负载力采集机构、牵引轮转速传感器、负载轮转速传感器和外转子电机；所述牵引力采集机构和所述负载力采集机构分别采集计算所述缆绳在牵引侧的内应张力P2和负载侧的内应张力P1；所述外转子电机上安装有与其外转子一体的驱动绳盘，所述缆绳绕设于所述驱动绳盘上；所述牵引轮转速传感器和负载轮转速传感器采集计算所述缆绳的线速度Va；所述外转子电机电连接有控制器，控制所述外转子电机的转速ω和转矩M；所述控制器采用的控制算法包括以下步骤：

（1）在所述外转子电机正常工作状态下，根据助力系数k和所述缆绳在牵引侧的内应张力P2设定所述外转子电机的转矩M，M=P2*k；

（2）计算所述缆绳的线速度Va和所述驱动绳盘的线速度Vb的速度差|Va‑Vb|是否超出速度差阈值dV；其中所述驱动绳盘的线速度Vb=ω*R，ω为所述外转子电机的转速，R为所述驱动绳盘的半径；

（3）计算所述缆绳在负载侧的内应张力P1是否小于最小张力阈值dP；

（4）计算所述缆绳在牵引侧的内应张力P2是否小于最小张力阈值dP；

（5）步骤（2）、（3）、（4）中的任意一条为真，则判断所述缆绳与驱动绳盘发生脱离；

（6）当发生缆绳脱离时，判断是否因为缆绳松弛所致；

（7）若为缆绳松弛，则立即限制所述外转子电机的转速ω，使ω= Va/R，其中Va为所述缆绳的线速度，R为所述驱动绳盘的半径；

（8）否则说明所述外转子电机的转矩M过大，应减小助力系数k；

（9）通过上述算法反复记录多种不同缆绳在牵引端的内应张力P2条件下的适宜的助力系数k，拟合助力系数k对缆绳在牵引端的内应张力P2的关系曲线;（10）回到步骤（1），但助力系数k需低于利用步骤（9）中拟合曲线得到的可至驱动绳盘脱离的临界值。

2.根据权利要求1所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，所述牵引力采集机构包括牵引定滑轮和牵引压力传感器，所述负载力采集机构包括负载定滑轮和负载压力传感器；所述缆绳的一端绕设于所述牵引定滑轮上，另一端绕设于所述负载定滑轮上，分别通过所述牵引压力传感器、负载压力传感器采集所述缆绳在所述牵引定滑轮和所述负载定滑轮上产生的压力，并进而计算所述缆绳在牵引侧的内应张力P2和负载侧的内应张力P1。

3.根据权利要求2所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，所述牵引轮转速传感器采集所述牵引定滑轮的转速ω1，所述负载轮转速传感器采集所述负载定滑轮的转速ω

2；计算所述牵引定滑轮的线速度V1=ω1*r1，所述负载定滑轮的线速度V2=ω2*r2，其中r1为所述牵引定滑轮的半径，r2为所述负载定滑轮的半径；则所述缆绳的线速度Va=（V1+V2）/

2=（ω1*r1+ω2*r2）/2。

4.根据权利要求2所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，所述控制器与所述牵引压力传感器、负载压力传感器、牵引轮转速传感器、负载轮转速传感器电连接，通过所述缆绳在牵引端和负载端的内应张力以及所述牵引定滑轮和负载定滑轮的转速控制所述外转子电机的转速ω和转矩M。

5.根据权利要求4所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，还包括电机驱动器和编码器，所述电机驱动器与所述控制器电连接，所述控制器通过所述编码器获得所述外转子电机的转速ω。

6.根据权利要求2所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，还包括机架；所述牵引定滑轮的轮轴一端通过关节轴承与所述机架相连接，另一端通过滚动轴承安装在所述机架上；所述负载定滑轮的轮轴一端通过关节轴承与所述机架相连接，另一端通过滚动轴承安装在所述机架上；所述外转子电机设有电机轴，通过所述电机轴和螺栓将所述外转子电机固定在所述机架上。

7.根据权利要求6所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，还包括防跳轴，所述防跳轴的两端均固定在所述机架上；所述牵引定滑轮和负载定滑轮外均设有所述防跳轴，防止所述缆绳从所述牵引定滑轮和负载定滑轮中跳出。

8.根据权利要求1所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，所述控制器实时检测所述缆绳在牵引侧的内应张力P2和负载侧的内应张力P1，实时调整所述外转子电机的驱动力大小和方向。

9.根据权利要求1所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，所述控制器实时检测所述缆绳的线速度Va和所述驱动绳盘的线速度Vb的速度差，实时调整所述外转子电机的驱动力大小和方向。

10.根据权利要求8或9所述的外转子电机驱动助力装置，其特征在于，所述控制器实时检测的频率不低于1kHz，所述外转子电机的驱动力实时调整的频率不低于1kHz。

说明书

外转子电机驱动助力装置

技术领域

[0001] 本发明涉及起重设备技术领域，具体涉及一种外转子电机驱动助力装置。

背景技术

[0002] 在运动训练界，许多运动项目的训练过程中需要使用到保护带，如跳水、体操、蹦床、攀岩等。保护带是一种常用的运动防护设备，其一端绑扎在运动员身上，另一端由教练
员握持。教练员对保护带的控制不仅可以保护运动员的安全，而且可以改变运动员在空中
的转体速度，延长运动员滞空时间等，帮助运动员完成空中技巧动作。拉保护带不仅是一项
重体力劳动，而且要求拉的人体重要绝对大于被拉的人。这些限制因素导致很多女教练、老
教练无法驾驭保护带。

[0003] 目前市面上已存在一种采用多圈螺纹绳盘结构的电助力保护带，以电机作为人力的补充动力源。该产品在将保护绳的中段缠绕在螺纹绳盘上，利用多圈螺纹保证绳盘和绳
缆之间不发生相对滑动，进而根据绳缆张力大小给绳盘等比例输入动力，实现助力效果。该
产品可以满足保护带的部分基本功能，在拉力变化不快的情况下实现了电助力减负，但对
于拉力变化较复杂的情况则无法胜任。例如在连续空翻训练中，教练员要通过保护带拉着
运动员在空中保持一定高度并连续翻腾，此时教练员的拉力随时间呈接近正弦波式的周期
性变化，周期时长与运动员翻腾一周的时间相同（小于0.5秒），振幅则接近运动员体重。为
了适应此类拉力快速变化的情况，要求助力系统1）传动结构转动惯量尽量小，或是2）允许
绳缆与绳盘发生相对滑动，且3）绳缆的工作行程不受系统结构限制。为了实现2）和3）则还
需要4）系统能对绳缆与绳盘的松脱和相对滑动进行检测，并执行相应的控制策略，以保证
工作的连续性和减小磨损。上述这些功能要求在采用多圈螺纹绳盘的结构中无法实现。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种外转子电机驱动助力装置，以解决现有螺纹式助力保护带不能适应快速变化工况的技术问题。

[0005] 本发明提出了一种采用单圈绳盘加自适应控制的新型助力保护带，从基本工作原理层面上对多圈螺纹绳盘产品进行了革新，并加入了针对电机力矩和转速的双模态控制算
法。新控制算法认可绳缆不可避免的存在小张力状态，当绳缆张力较小时，绳缆与绳盘将不
可避免的发生分离及相对滑动。本发明的设计思路不是避免，而是主动适应这种状态的发
生。当绳盘分离时，系统对电机将不再采用力矩控制模式，而是转为速度控制模式，令绳盘
与绳缆的速度尽量接近，从而一方面尽可能减小磨损，另一方面当绳缆张力加大时可立即
恢复正常工作状态。

[0006] 本发明克服了现有产品的设计缺陷，取消了对缆绳工作行程范围的限制，新控制算法的加入保证了系统可以在发生相对滑动时仍保持稳定工作。同时控制逻辑中不再假设
助力系数在任何工作条件下保持恒定，而是主动检测不同缆绳张力条件下适宜的助力系
数，因而可以对不同的绳盘摩擦系数条件进行自适应调节。此外，采用单圈绳盘和外转子电
机令传动结构大为简化，提升了系统集成度，降低了生产成本。

[0007] 本发明采用如下技术方案：

[0008] 设计一种外转子电机驱动助力装置，包括缆绳、牵引力采集机构、负载力采集机构、牵引轮转速传感器、负载轮转速传感器和外转子电机；所述牵引力采集机构和所述负载
力采集机构分别采集计算所述缆绳在牵引侧的内应张力P2和负载侧的内应张力P1；所述外
转子电机上安装有与其外转子一体的驱动绳盘，所述缆绳绕设于所述驱动绳盘上；所述牵
引轮转速传感器和负载轮转速传感器采集计算所述缆绳的线速度Va；所述外转子电机电连
接有控制器，控制所述外转子电机的转速ω和转矩M；所述控制器采用的控制算法包括以下
步骤：

[0009] （1）在所述外转子电机正常工作状态下，根据助力系数k和所述缆绳在牵引侧的内应张力P2设定所述外转子电机的转矩M，M=P2*k；

[0010] （2）计算所述缆绳的线速度Va和所述驱动绳盘的线速度Vb的速度差|Va‑Vb|是否超出速度差阈值dV；其中所述驱动绳盘的线速度Vb=ω*R，ω为所述外转子电机的转速，R为
所述驱动绳盘的半径；

[0011] （3）计算所述缆绳在负载侧的内应张力P1是否小于最小张力阈值dP；

[0012] （4）计算所述缆绳在牵引侧的内应张力P2是否小于最小张力阈值dP；

[0013] （5）步骤（2）、（3）、（4）中的任意一条为真，则判断所述缆绳与驱动绳盘发生脱离；

[0014] （6）当发生缆绳脱离时，判断是否因为缆绳松弛所致；

[0015] （7）若为缆绳松弛，则立即限制所述外转子电机的转速ω，使ω= Va/R，其中Va为所述缆绳的线速度，R为所述驱动绳盘的半径；

[0016] （8）否则说明所述外转子电机的转矩M过大，应减小助力系数k；

[0017] （9）通过上述算法反复记录多种不同缆绳在牵引端的内应张力P2条件下的适宜的助力系数k，拟合助力系数k对缆绳在牵引端的内应张力P2的关系曲线;

[0018] （10）回到步骤（1），但助力系数k需低于利用步骤（9）中拟合曲线得到的可至驱动绳盘脱离的临界值。

[0019] 优选的，所述牵引力采集机构包括牵引定滑轮和牵引压力传感器，所述负载力采集机构包括负载定滑轮和负载压力传感器；所述缆绳的一端绕设于所述牵引定滑轮上，另
一端绕设于所述负载定滑轮上，分别通过所述牵引压力传感器、负载压力传感器采集所述
缆绳在所述牵引定滑轮和所述负载定滑轮上产生的压力，并进而计算所述缆绳在牵引侧的
内应张力P2和负载侧的内应张力P1。

[0020] 优选的，所述牵引轮转速传感器采集所述牵引定滑轮的转速ω1，所述负载轮转速传感器采集所述负载定滑轮的转速ω2；计算所述牵引定滑轮的线速度V1=ω1*r1，所述负
载定滑轮的线速度V2=ω2*r2，其中r1为所述牵引定滑轮的半径，r2为所述负载定滑轮的半
径；则所述缆绳的线速度Va=（V1+V2）/2=（ω1*r1+ω2*r2）/2。

[0021] 优选的，所述控制器与所述牵引压力传感器、负载压力传感器、牵引轮转速传感器、负载轮转速传感器电连接，通过所述缆绳在牵引端和负载端的内应张力以及所述牵引
定滑轮和负载定滑轮的转速控制所述外转子电机的转速ω和转矩M。

[0022] 进一步的，还包括电机驱动器和编码器，所述电机驱动器与所述控制器电连接，所述控制器通过所述编码器获得所述外转子电机的转速ω。

[0023] 进一步的，还包括机架；所述牵引定滑轮的轮轴一端通过关节轴承与所述机架相连接，另一端通过滚动轴承安装在所述机架上；所述负载定滑轮的轮轴一端通过关节轴承
与所述机架相连接，另一端通过滚动轴承安装在所述机架上；所述外转子电机设有电机轴，
通过所述电机轴和螺栓将所述外转子电机固定在所述机架上。

[0024] 进一步的，还包括防跳轴，所述防跳轴的两端均固定在所述机架上；所述牵引定滑轮和负载定滑轮外均设有所述防跳轴，防止所述缆绳从所述牵引定滑轮和负载定滑轮中跳
出。

[0025] 优选的，所述控制器实时检测所述缆绳在牵引侧的内应张力P2和负载侧的内应张力P1，实时调整所述外转子电机的驱动力大小和方向。

[0026] 优选的，所述控制器实时检测所述缆绳的线速度Va和所述驱动绳盘的线速度Vb的速度差，实时调整所述外转子电机的驱动力大小和方向。

[0027] 优选的，所述控制器实时检测的频率不低于1kHz，所述外转子电机的驱动力实时调整的频率不低于1kHz。

[0028] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

[0029] 1.本发明为一种采用外转子电机对缆绳进行电动助力的装置，采用外转子电机驱动，保证速度和助力的大小，实现给缆绳拉绳提供助力。在缆绳牵引端施加一定的牵引力
后，在负载端可以获得一定比例放大的牵引力，在获得省力效果的同时保持牵引行程不变。

[0030] 2. 本发明克服了现有产品的设计缺陷，取消了对缆绳工作行程范围的限制，新控制算法的加入保证了系统可以在发生相对滑动时仍保持稳定工作。

[0031] 3. 本发明控制逻辑中不再假设助力系数在任何工作条件下保持恒定，而是主动检测不同缆绳张力条件下适宜的助力系数，因而可以对不同的绳盘摩擦系数条件进行自适
应调节。

[0032] 4. 本发明的助力装置取消复杂的多圈滚筒机构，并采用外转子电机与驱动绳盘一体化设计，减除了传动机构，提升了系统集成度，产品结构简单，体积小重量轻，便于安
装，生产成本低，并可用于救援，搬运等场景。

附图说明

[0033] 图1为本发明一种外转子电机驱动助力装置的示意图。

[0034] 图2为本发明一种外转子电机驱动助力装置的拉力采集机构和负载力采集机构示意图。

[0035] 图3为本发明一种外转子电机驱动助力装置的外转子电机助力机构示意图。

[0036] 图4为本发明一种外转子电机驱动助力装置的机体框架示意图。

[0037] 图5为本发明一种外转子电机驱动助力装置的牵引定滑轮或负载定滑轮转速采集机构示意图。

[0038] 图中，1为缆绳，2为负载定滑轮，3为牵引定滑轮，4为负载压力传感器，5为牵引压力传感器，6为控制器，7为外转子电机，8为电机驱动器，9为驱动绳盘，10为滚动轴承，11为
机架，12为电机轴，13为管道，14为关节轴承，15为防跳轴，16为转速传感器（牵引轮转速传
感器或负载轮转速传感器），17为传感器固定座，18为定滑轮轴承端盖。

[0039] 图6为本发明控制算法流程框图。

[0040] 图中，系统控制量包括：M电机输出转矩；系统测量值包括：ω电机输出转速，ω1牵引定滑轮转速，ω2负载定滑轮转速，N1负载压力传感器测量压力，N2牵引压力传感器测量
压力；计算值包括：Va缆绳线速度，Vb绳盘线速度，P1缆绳在负载侧的内应张力（即负载侧张
力），P2缆绳在牵引侧的内应张力（即牵引侧张力），k助力系数；系统结构参数包括：r1牵引
定滑轮半径，r2负载定滑轮半径，R绳盘半径；设定值包括：dV绳盘最大速度差阈值，dP最小
绳张力阈值。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

[0042] 实施例1：一种外转子电机驱动助力装置，参见图1‑6，包括牵引力采集机构、负载力采集机构、外转子电机助力机构、转速采集机构、机体框架五部分。

[0043] 牵引力采集机构包括牵引定滑轮3、牵引压力传感器5；负载力采集机构包括负载定滑轮2、负载压力传感器4。牵引定滑轮3的轮轴一端通过关节轴承14与机架11相连接，关
节轴承14可实现轮轴在一定角度内的摆动和轮轴的旋转，另一端通过滚动轴承10安装在机
架11上下方向的槽型孔处，限制轮轴的左右摆动，上下摆动不受限，采用滚动轴承10可有效
减小轮轴上下摆动的阻力，保证压力测量的精准度，此端轮轴垂直压于牵引压力传感器5
上。同样的，负载定滑轮2的轮轴一端通过关节轴承与机架11相连接，另一端通过滚动轴承
安装在机架11上，滚动轴承一端的轮轴垂直压于负载压力传感器4上。当缆绳1牵引侧被拉
动时，轮轴压力传递到牵引压力传感器5上，由牵引压力传感器5能够对压力的变化进行实
时测量；同时负载定滑轮2的压力采集采用与牵引侧相同的结构实现压力采集；测量的上述
两压力测量结果被送入控制器6，用以改变外转子电机7的工作状态。

[0044] 负载力采集机构包括负载定滑轮2、负载压力传感器4，负载力采集机构与牵引力采集机构原理相同。

[0045] 根据上述所述，控制器6通过牵引压力传感器5、负载压力传感器4采集了牵引压力传感器测量压力为N2，负载压力传感器测量压力N1，再根据系统机械结构角度可算得缆绳
在负载侧的内应张力P1和缆绳在牵引侧的内应张力P2。

[0046] 牵引定滑轮3和所述负载定滑轮的压力和转速实时反馈给控制器6，控制器6通过这些信号实时控制外转子电机7的转速和转矩，从而实时调整外转子电机7驱动力的大小和
方向。控制器6驱动动力外转子电机7工作于力矩输出模式。对缆绳1牵引端拉力的检测频
率，以及对外转子电机7输出力矩的更新频率皆不低于1kHz。

[0047] 转速采集机构分别为牵引轮转速采集和负载轮转速采集，所述牵引轮转速采集机构和负载轮转速采集原理相同，如下：

[0048] 转速采集机构包括转速传感器16、传感器固定座17和定滑轮轴承端盖18，转速传感器16为牵引轮转速传感器或负载轮转速传感器。转速传感器16的一端通过传感器固定座
17固定在机架11上，另一端连接在定滑轮轴承端盖18处。当负载定滑轮2或牵引定滑轮3转
动时，带动定滑轮轴承端盖18，而转速传感器16的另一端固定在机架11上保持不动从而使
传感器转动的角度由控制器6采集。控制器6采集负载定滑轮2、牵引定滑轮3和外转子电机
的转速并通过根据控制算法流程图（图6）的要求发出电机控制指令。

[0049] 根据转速传感器16采集的数据，ω为电机输出转速，ω1牵引定滑轮转速，ω2负载定滑轮转速，可知V1牵引定滑轮线速度，V2负载定滑轮线速度，Va缆绳线速度，Vb驱动绳盘
线速度，分别为

[0050] V1=ω1*r1；

[0051] V2=ω2*r2；

[0052] 取二者平均值为绳盘附近处的缆绳线速度：Va=（V1+V2）/2=（ω1*r1+ω2*r2）/2；

[0053] 绳盘线速度：Vb=ω*R；

[0054] 其中：，R绳盘半径；

[0055] 外转子电机助力机构包括外转子电机7、电机驱动器8、驱动绳盘9，在外转子电机7表面安装有与其外转子一体的驱动绳盘9，缆绳1绕设于驱动绳盘9上，外转子电机7通过转
动，带动驱动绳盘9转动，平衡缆绳1与驱动绳盘9的摩擦力，带动缆绳1，达到助力过程。本实
施例中驱动绳盘9采用单绳盘，可有效减少缆绳并排数，并在驱动绳盘9上采用防滑处理，防
止缆绳1和驱动绳盘9发生相对滑动。

[0056] 正常工作状态时外转子电机发出的转矩与缆绳在牵引端的拉力成一定比例关系，在电机助力的作用下，忽略绕线筒转轴、负载轮轴、牵引轮轴等处的摩擦阻力，牵引压力传
感器5的压力值为N2，通过机械结构关系计算得到缆绳在牵引侧的内应张力P2；利用助力系
数k计算电机的输出力矩M=P2*k。

[0057] 机体框架包括固定外转子电机7、驱动绳盘9等使用的螺钉以及滚动轴承10、机架11、电机轴12、管道13等连接件，其作用是支撑和固定整个装置的机构。电机轴12用于将外
转子电机7固定在机架11上，管道13用于走线，防跳轴15用于支撑和固定机架，并防止牵引
绳从定滑轮滑槽中跳出。

[0058] 系统控制算法如下：

[0059] （1）在外转子电机7正常工作状态下，根据助力系数k和缆绳1在牵引侧的内应张力P2设定外转子电机7的转矩M，M=P2*k；

[0060] （2）计算缆绳1的线速度Va和驱动绳盘9的线速度Vb的速度差|Va‑Vb|是否超出速度差阈值dV，其中驱动绳盘9的线速度Vb=ω*R，ω为外转子电机7的转速，R为驱动绳盘9的
半径；

[0061] （3）计算缆绳1在负载侧的内应张力P1是否小于最小张力阈值dP；

[0062] （4）计算缆绳1在牵引侧的内应张力P2是否小于最小张力阈值dP；

[0063] （5）步骤（2）、（3）、（4）中的任意一条为真，则判断缆绳1与驱动绳盘9发生脱离；

[0064] （6）当发生缆绳1脱离时，判断是否因为缆绳1松弛所致；

[0065] （7）若为缆绳1松弛，则立即限制外转子电机7的转速ω，使ω= Va/R，其中Va为缆绳1的线速度，R为驱动绳盘9的半径；

[0066] （8）否则说明外转子电机7的转矩M过大，应减小助力系数k；

[0067] （9）通过上述算法反复记录多种不同缆绳在牵引端的内应张力P2条件下的适宜的助力系数k，拟合助力系数k对缆绳在牵引端的内应张力P2的关系曲线;

[0068] （10）回到步骤（1），但助力系数k需低于利用步骤（9）中拟合曲线得到的可至驱动绳盘9脱离的临界值。

[0069] 上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行
变更，或者是对相关部件、结构进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的
常见变化范围，不再一一详述。