轮毂电机和轮毂电机系统 |
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| 申请号 | CN201710747816.4 | 申请日 | 2017-08-25 | 公开(公告)号 | CN107317437A | 公开(公告)日 | 2017-11-03 |
| 申请人 | 北京进化者机器人科技有限公司; | 发明人 | 王刚; 王兴; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种 轮毂 电机 和轮毂电机系统；其中，该轮毂电机包括固定座、 驱动轮 和编码模 块 ；驱动轮通过轮轴与固定座连接；编码模块固定设置在固定座上；驱动轮上设置有主动 齿轮 ，主动齿轮与驱动轮同步转动；主动齿轮与编码模块中的传动齿轮 啮合 连接；主动齿轮的直径大于传动齿轮的直径；当驱动轮转动时，主动齿轮同步转动；主动齿轮驱动传动齿轮转动，以使编码模块输出编码 信号 。本发明可以提高轮毂电机的编码 精度 ，从而提高轮毂电机运动控制的精确度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种轮毂电机，其特征在于，包括固定座、驱动轮和编码模块； |
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| 说明书全文 | 轮毂电机和轮毂电机系统技术领域[0001] 本发明涉及轮毂电机技术领域，尤其是涉及一种轮毂电机和轮毂电机系统。 背景技术[0003] 随着机器人技术的飞速发展，轮毂电机凭借其性能上的优势在轮式机器人中的应用日趋增多。然而，现有的轮毂电机中，编码精度较低，导致运动控制的精度较低，难以满足机器人等对智能控制精度要求较高的场景需求。 [0004] 针对上述现有的轮毂电机编码精度较低的问题，尚未提出有效的解决方案。 发明内容[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轮毂电机和轮毂电机系统，以提高轮毂电机的编码精度，从而提高轮毂电机运动控制的精确度。 [0006] 第一方面，本发明实施例提供了一种轮毂电机，包括固定座、驱动轮和编码模块；驱动轮通过轮轴与固定座连接；编码模块固定设置在固定座上；驱动轮上设置有主动齿轮，主动齿轮与驱动轮同步转动；主动齿轮与编码模块中的传动齿轮啮合连接；主动齿轮的直径大于传动齿轮的直径；当驱动轮转动时，主动齿轮同步转动；主动齿轮驱动传动齿轮转动，以使编码模块输出编码信号。 [0007] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述编码模块包括传动齿轮、基座、磁极和磁编码芯片；传动齿轮通过轴承与基座连接；传动齿轮通过传动轴与磁极连接；磁编码芯片设置于基座上；传动齿轮在主动齿轮的驱动下转动时，通过传动轴带动磁极同步转动，磁编码芯片将磁极的变化转换为编码信号，将编码信号输出。 [0008] 结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述传动齿轮与传动轴固定连接。 [0009] 结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述磁编码芯片与磁极同轴设置；磁极在传动轴的带动下，围绕轴心转动。 [0010] 结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述轴承的数量为两个；两个轴承同轴设置于传动齿轮与基座之间。 [0012] 结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述磁极的形状为圆形；磁极中，N极和S极以直径为界限，并列排列。 [0013] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述固定座包括机器人或者智能车的机械结构。 [0014] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，上述驱动轮包括轮毂、以及设置于轮毂内的动力装置、传动装置和制动装置。 [0015] 第二方面，本发明实施例提供了一种轮毂电机系统，该系统包括上述轮毂电机，还包括中控模块；中控模块分别与轮毂电机中的驱动轮和编码模块电连接；中控模块用于控制驱动轮转动；中控模块还用于接收编码模块输出的编码信号。 [0016] 本发明实施例带来了以下有益效果： [0017] 本发明实施例提供的一种轮毂电机和轮毂电机系统，驱动轮上的主动齿轮与编码模块中的传动齿轮啮合连接，且主动齿轮的直径大于传动齿轮的直径；当驱动轮转动时，主动齿轮驱动传动齿轮转动，以使编码模块输出编码信号；该方式中，相对于编码模块直接与驱动轮连接的方式，当驱动轮转动一圈时，编码模块可以输出更多的编码信号，提高了轮毂电机的编码精度，从而提高了轮毂电机运动控制的精确度。 [0018] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 [0019] 为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。 附图说明[0020] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0021] 图1为本发明实施例提供的一种轮毂电机的结构示意图； [0022] 图2为本发明实施例提供的一种轮毂电机中，编码模块的结构示意图； [0023] 图3为本发明实施例提供的一种轮毂电机的剖面结构示意图； [0024] 图4为本发明实施例提供的一种轮毂电机中，磁极的结构示意图； [0025] 图5为本发明实施例提供的一种轮毂电机系统的结构框图。 [0026] 图标：10-固定座；11-驱动轮；12-编码模块；13-轮轴；14-主动齿轮；15-传动齿轮；21-磁极；22-磁编码芯片；23-轴承；24-传动轴；25-基座本体；26-基座背板；50-轮毂电机； 51-中控模块。 具体实施方式[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0028] 考虑到现有的轮毂电机编码精度较低的问题，本发明实施例提供了一种轮毂电机和轮毂电机系统；该技术可以应用于智能控制、智能驱动的相关场景中；尤其可以应用于机器人等精确度要求较高的运动控制场景中；该技术可以采用相关的软件或硬件实现，下面通过实施例进行描述。 [0029] 实施例一： [0030] 参见图1所示的一种轮毂电机的结构示意图；该轮毂电机包括固定座10、驱动轮11和编码模块12； [0031] 驱动轮11通过轮轴13与固定座10连接；编码模块12固定设置在固定座10上；驱动轮11上设置有主动齿轮14，主动齿轮14与驱动轮11同步转动；主动齿轮14与编码模块12中的传动齿轮15啮合连接；主动齿轮14的直径大于传动齿轮15的直径； [0032] 当驱动轮11转动时，主动齿轮14同步转动；主动齿轮14驱动传动齿轮15转动，以使编码模块12输出编码信号。 [0033] 例如，当传动齿轮旋转一圈时，编码模块可以输出M个编码信号；由于上述主动齿轮的直径大于传动齿轮的直径，假设主动齿轮与传动齿轮的传动比为n，则主动齿轮旋转一圈时，编码模块可以输出nⅹM个编码信号。 [0034] 上述编码模块可以通过多种形式实现，例如，霍尔传感器，包括线性型霍尔传感器、开关型霍尔传感器等，可以设置多个编码模块或霍尔传感器以满足编码需求；再如，磁极和磁性旋转位置传感器，磁性旋转位置传感器通过检测磁极的变化，输出相应的编码信号。上述编码模块还可以为多种型号的光编码器或光电编码器。 [0035] 本发明实施例提供的一种轮毂电机，驱动轮上的主动齿轮与编码模块中的传动齿轮啮合连接，且主动齿轮的直径大于传动齿轮的直径；当驱动轮转动时，主动齿轮驱动传动齿轮转动，以使编码模块输出编码信号；该方式中，相对于编码模块直接与驱动轮连接的方式，当驱动轮转动一圈时，编码模块可以输出更多的编码信号，提高了轮毂电机的编码精度，从而提高了轮毂电机运动控制的精确度。 [0036] 参见图2所示的一种轮毂电机中，编码模块的结构示意图；该编码模块包括传动齿轮15、基座、磁极21和磁编码芯片22；传动齿轮15通过轴承23与基座连接；传动齿轮15通过传动轴24与磁极21连接；磁编码芯片22设置于基座上； [0037] 传动齿轮15在主动齿轮14的驱动下转动时，通过传动轴24带动磁极21同步转动，磁编码芯片22将磁极21的变化转换为编码信号，将编码信号输出。 [0038] 在实际实现时，上述磁编码芯片可以采用型号为AM4096磁编码器实现；该AM4096可感应S/N极磁铁的旋转，提供精度优于0.1度的绝对位置信息输出；该AM4096提供具有16个磁极(8个磁极对)的UVW(该UVW为电机的三相标识)输出、增量式、绝对式、线性(电位计)、转速器及正弦输出；其分辨率达12位(4096步/转)，具有可编程零位。AM4096是3.3V(或5V)低功率装置，电池工作时具有休眠模式。该AM4096的最高工作速度达60 000转/分，可适应-40℃至+125℃的温度。 [0039] 由此可知，当磁极转动一圈时，上述磁编码芯片(相当于上述磁性旋转位置传感器)可以输出4096个输出编码；当编码模块直接与驱动轮连接时，对驱动轮的运动控制精度约为0.088度；相对于霍尔传感器，磁编码芯片可以大大提高轮毂电机的控制精度。 [0040] 进一步地，当编码模块经过传动比为n的主动齿轮和传动齿轮时，对驱动轮的运动控制精度约为0.088/n度；即，通过上述传动的方式，控制精确度进一步提高了n倍。 [0041] 进一步地，上述传动齿轮与传动轴固定连接，以保证传动齿轮与磁极的传动比为1。 [0042] 上述传动比是机构中两转动构件角速度的比值，也称速比。例如，构件a和构件b的传动比为i＝ωa/ωb＝na/nb，式中ωa和ωb分别为构件a和b的角速度(弧度/秒)；na和nb分别为构件a和b的转速(转/分)。当式中的角速度为瞬时值时，则求得的传动比为瞬时传动比。当式中的角速度为平均值时，则求得的传动比为平均传动比。理论上对于大多数渐开线齿廓正确的齿轮传动，瞬时传动比是不变的；对于链传动和摩擦轮传动，瞬时传动比是变化的。对于啮合传动，传动比可用a和b轮的齿数Za和Zb表示，i＝Zb/Za；对于摩擦传动，传动比可用a和b轮的直径Da和Db表示，i＝Db/Da。 [0043] 上述轴承的数量为两个；两个轴承同轴设置于传动齿轮与基座之间；通过设置轴承，可以降低传动齿轮与基座之间的摩擦力和部件损耗，有效减低磁编码器的编码误差，提高编码精度。 [0044] 上述轴承是用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置，起支承或导向作用的零部件；其主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数；按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。 [0045] 参见图3所示的一种轮毂电机的剖面结构示意图；如图3可知，磁编码芯片22与磁极21同轴设置；磁极21在传动轴的带动下，围绕轴心转动。 [0046] 为了使磁编码芯片准确感应磁极的变化，上述此编码芯片与磁极沿轴向的距离应该小于预设的距离。 [0047] 进一步地，为了便于安装和设置，如图2所示，上述基座包括基座本体25和基座背板26；其中，基座本体25和基座背板26通过螺栓连接；上述磁编码芯片22设置于基座背板上。 [0048] 参见图4所示的一种轮毂电机中，磁极的结构示意图；该磁极的形状为圆形；磁极中，N极和S极以直径为界限，并列排列。 [0049] 进一步地，上述固定座包括机器人或者智能车的机械结构。例如，轮式机器人的机械结构，或者智能小车的底盘等等。 [0050] 为了实现主动齿轮与传动齿轮之间的稳定传动，上述驱动轮与编码模块需连接于同一固定座上，其中，驱动轮可以通过轮轴与固定座连接；编码模块可以通过螺栓连接的方式与固定座连接。 [0051] 上述驱动轮也可以成为轮毂电机本体；该驱动轮包括轮毂、以及设置于轮毂内的动力装置、传动装置和制动装置。 [0052] 轮毂电机技术也可以称为车轮内装电机技术，其特点是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内，得以将电动车辆等相关设备的机械部分大为简化。 [0053] 轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子式和外转子式。其中，外转子式采用低速外转子电机，电机的最高转速在1000-1500r/min，无减速装置，车轮的转速与电机相同；内转子式采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，为获得较高的功率密度，电机的转速可高达10000r/min。 [0054] 在实际实现时，轮毂电机具有如下优点： [0055] (1)省略大量传动部件，让车辆结构更简单 [0056] 例如，对于传统车辆来说，离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的，而这些部件不但重量不轻、让车辆的结构更为复杂，同时也存在需要定期维护和故障率的问题。但是轮毂电机就很好地解决了这个问题。除了结构更为简单之外，采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率，同时传动效率也要高出不少。 [0057] (2)可实现多种复杂的驱动方式 [0058] 由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性，因此无论是前驱、后驱还是四驱形式，它都可以比较轻松地实现，全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，对于特种车辆很有价值。 [0059] (3)便于采用多种新能源车技术 [0060] 新能源车型不少都采用电驱动，无论是纯电动还是燃料电池电动车，抑或是增程电动车，都可以用轮毂电机作为主要驱动力；即便是对于混合动力车型，也可以采用轮毂电机作为起步或者急加速时的助力。同时，新能源车的很多技术，比如制动能量回收(即再生制动)也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实现。 [0061] 实施例二： [0062] 对应于上述实施例一中提供的轮毂电机，参见图5所示的一种轮毂电机系统的结构框图；该系统包括上述轮毂电机50，还包括中控模块51； [0063] 上述中控模块50分别与轮毂电机中的驱动轮11和编码模块12电连接；上述中控模块50用于控制驱动轮11转动；中控模块50还用于接收编码模块12输出的编码信号。 [0064] 本发明实施例提供的一种轮毂电机系统，驱动轮上的主动齿轮与编码模块中的传动齿轮啮合连接，且主动齿轮的直径大于传动齿轮的直径；当驱动轮转动时，主动齿轮驱动传动齿轮转动，以使编码模块输出编码信号；该方式中，相对于编码模块直接与驱动轮连接的方式，当驱动轮转动一圈时，编码模块可以输出更多的编码信号，提高了轮毂电机的编码精度，从而提高了轮毂电机运动控制的精确度。 [0065] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的轮毂电机系统的具体工作过程，可以参考前述轮毂电机实施例中的对应过程，在此不再赘述。 [0066] 另外，在本发明实施例的描述中，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。 [0067] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。 [0068] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0069] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。 |
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