两轮自平衡电动车及其电机控制器设计

两轮自平衡电动车及其电机控制器设计 王陆军，许勇 （桂林电子科技大学 计算机科学与工程学院，广西 桂林 ５４１００４） 　　摘要：两轮自平衡电动车的平衡原理源自倒立摆模型，为研制两轮自平衡电动车设计了一套两轮自平衡 电动车的方案，并采用 ＭＣ３３０３５和ＰＩＣ１８Ｆ４５８０为主控芯片为两轮自平衡电动车设计了一个电机控制器，通 过实验样车和控制器电路的设计、制作和实测实验，结果表明样车和控制器设计均结构简单、控制性能良好， 能够满足两轮自平衡电动车下一步的研究使用要求。 关键词：两轮自平衡电动车；无刷直流电机；控制器 中图分类号：ＴＭ３３，ＴＰ２７３　　　　文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄ　Ｓｅｌｆ　Ｂａｌａｎｃｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＷＡＮＧ　Ｌｕ－ｊｕｎ，ＸＵ　Ｙｏｎｇ （Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｇｕａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄ　ｓｅｌｆ　ｂａｌａｎｃｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗａｓ　ｇｉｖｅｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｄ　ｐｅｎ－ ｄｕｌｕｍ．Ａｌｓｏ　ａ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＭＣ３３０３５ａｎｄ　ＰＩＣ１８Ｆ４５８０．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ′ｓ　ｄｅｓｉｇ－ ｎｉｎｇ，ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ，ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｒｅ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎ－ ｇｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅ，ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄ　ｓｅｌｆ　ｂａｌａｎｃｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 　　作者简介：王陆军（１９７３－），男，硕士研究生，Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｌｕｊｕｎ－ｇｌ＠１６３．ｃｏｍ １　引言 两轮自平衡电动车采用左右平行双轮布置的 结构，可以承载站立在车体平台上的驾驶者，在保 持平衡的状态下在多种路面上行驶。两轮自平衡 电动车性能优越，但售价高昂，在美国的价格也要 ５　０００美元左右，几乎可以购买一辆微型轿车。 本文给出了一个成本相对较低的两轮自平衡电 动车设计方案，并使用ＭＣ３３０３５和ＰＩＣ１８Ｆ４５８０设计 了其控制器，该方案通过驱动２４Ｖ轮毂一体式三 相无刷直流电机对两轮自平衡电动车的行进速度 进行实时控制以实现车体平衡。 ２　两轮自平衡电动车平衡原理 两轮自平衡电动车的平衡原理来自于倒立摆 模型，倒立摆系统的动态方程如下： （Ｍ＋ｍ）ｘ ·· ＋ｂ　ｘ · ＋ｍｌφ ·· ｃｏｓφ－ｍｌφ ２ｓｉｎφ＝Ｆ （Ｉ＋ｍｌ２）φ ·· ＋ｍｇｌｓｉｎφ＝ｍｌ　ｘ ·· ｃｏｓ烅 烄 烆 φ 式中：φ为倒立摆相对与垂直方向的角位移；ｘ为 小车的位置；ｌ为摆长（摆杆转动轴心到杆质心的 长度）；Ｍ 为小车的质量；ｍ 为倒立摆末端的点质 量；ｇ为重力常数；控制输入Ｆ为施加于小车上的 力；ｂ为小车摩擦系数；Ｉ为摆杆惯量［１］。 由于两轮自平衡电动车的双轮平行布置在车 体的左右两端，且载人时重心在双轮轴心正上方， 所以它相当于一个倒立摆，是不稳定体，车体总是 要向前或向后倾倒。当检测到车体向前倾斜时，通 过让电机加速旋转来产生一个向前的加速度，这个 加速度使得在双轮轴心上方的重心向后摆动，这就 抵消了车体的向前倾斜，使车体的重心回到两轮中 心轴的正上方，从而在竖直方向保持平衡。这一平 衡是动态的，为保持车体竖直不倒，必须不断检测 车体倾斜姿态，根据倾斜状况驱动电机前进或后 退，来克服重心偏移现象，保持车体平衡。 ３　两轮自平衡电动车设计方案 本文设计的两轮自平衡电动车设计框图见图 １，整车包括６大部分：传感器模块、运算模块、电 机控制驱动模块、电机、蓄电池、车厢及其它附件。 设计的总体要求是性能稳定、使用和维护方便、价 １４ ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＤＲＩＶＥ　２０１１　Ｖｏｌ．４１　Ｎｏ．１１ 电气传动　２０１１年　第４１卷　第１１期  格低廉。 图１　两轮自平衡电动车模块框图 Ｆｉｇ．１　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄ ｓｅｌｆ　ｂａｌａｎｃｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ ３．１　传感器模块 两轮自平衡电动车的平衡运算最主要的参数 是车厢体的倾斜角度，同时也需要倾斜角速度作 运算参数，测量倾斜角度较好的方法一般是使用 加速度计或陀螺仪。陀螺仪是用来测量角速度信 号的，通过对角速度积分，即可得到角度值。陀螺 仪动态性能极佳，不易受被测体速度和加速度影 响，但它容易产生漂移误差，而很小的漂移经过积 分都会得到很大的角度误差。因此，陀螺仪不适 合单独使用。加速度计通过测量重力加速度的垂 直分量，可以给出垂直方向的倾斜角度。而加速 度计静态响应好，能够准确提供静态的角度，但受 动态加速度影响较大，不适合跟踪动态角度运动。 可见，单独使用陀螺仪或加速度计都不理想，因此 本设计方案同时使用一个陀螺仪和一个加速度 计，对测量数据的融合计算，用陀螺仪补偿加速度 计的动态误差，用加速度计补偿陀螺仪的漂移误 差，从而可获得既具有高动态响应又精确稳定的 测量数据。 　　转角传感测量小车的转动角，进而判断操作 者的转向意图，从而向运算模块发出向左转或向 右转弯的指令，本方案采用旋转变阻器作为转角 传感器，安装在操作手柄与竖杆的连接处，它直接 输出与操作手柄的转角成正比的电压值，在电动 车行驶过程中，运算模块根据此电压值做出向左 或向右的转弯决定，以及转弯角度。 水平度传感器用于辅助平衡运算，主要是测 量到车体水平时向运算模块车体已处于平衡 状态。水平度数据使用加速度计来测量。 ３．２　运算模块 ＰＩＣ１８Ｆ４５８０是 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司推出的一款 高性能闪存型单片机，它采用ＲＩＳＣ结构，最高可 以在４０ＭＨｚ的高速频率下工作，能够满足两轮 自平衡电动车运算模块的性能需求［２］。 运算模块包括车体状态运算和平衡控制运算 ２个部分。车体状态运算主要是将各传感器测量 的数据加以融合得出车体倾斜角度值、倾斜角速 度值以及行车速度等。平衡控制运算根据车体状 态数据，计算保持平衡需要的行车速度和加速度， 或者转弯所需要的左右电机速度变化值，向电机 控制驱动模块发送控制指令。 运算模块相当于两轮自平衡电动车的大脑， 它主要负责的工作是：控制电机的起停，向控制模 块发出加速、减速、电机正反转和制动等速度控制 信号，接收电机 Ｈａｌｌ信号进行车速度计算，并通 过ＲＳ－２３２串口向ＰＣ发送车速数据以供存储和 分析。另外，ＰＩＣ１８Ｆ４５８０还接收车体平衡姿态数 据，进行自平衡运算。运算模块用Ｃ语言编程， 其程序工作流程如图２所示。 图２　运算模块程序工作流程 Ｆｉｇ．２　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ ３．３　电机方案 无刷直流电机自１９６２年面世以来，已广泛应 用于各种调速驱动场合。无刷直流电机用电子换 向器取代了普通直流电机的电刷和换向器，优点 是效率高，启动转矩大，过载能力强，操作性能好， 结构简单、牢固，免维护或少维护，体积小质量轻， 适合用于两轮自平衡电动车。目前市售电动车的 驱动电机类型主要为三相星型连接的永磁无刷直 流电机［３－４］。 电机方案有独立电机加齿轮传动方案与轮机 ２４ 电气传动　２０１１年　第４１卷　第１１期 王陆军，等：两轮自平衡电动车及其电机控制器设计  一体的轮毂驱动方案，目前国内的两轮自平衡电 动车研究大都使用独立的直流电机、步进电机或 侍服电机，配合齿轮传动，未见采用轮机一体的轮 毂驱动方案。 轮毂驱动无刷直流电机将电机与车轮结合为 一体，结构简单，效率高，启动转矩大，操作性能 好，已经是目前电动自行车的标准配置，本设计采 用轮毂驱动无刷直流电机。 轮毂驱动相对于传统驱动方式，取消了离合 器、变速器、差速器等机构，电机直接做到车轮的 轮毂中并与车轮同轴。这样，既完全消除了传动 中的机械磨损与功率损耗，提高了传动效率，又有 较小的体积、较轻的重量，较低的故障率，减少了 维修维护，车轮空间也能得到有效利用。并且，选 择轮机一体的带电机车轮已广泛用于市场上常见 的电动自行车，价格低廉，易于购买和更换［５］。 ３．４　蓄电池 蓄电池的选择有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电 池。锂电池价格昂贵，不适合于低成本电动车。 镍氢电池用单个１．２Ｖ的电池组合成所需电压， 使用上不够方便，且其自放电较大，充满电放置几 天不用也会由于自放电而又要充电，因此本方案 也没有选择镍氢电池。铅酸蓄电池虽然体积偏 大，重量较重，但具有技术成熟、价格低廉、安全性 高等突出优点，近几年的技术发展已使其具有较 高的容量，较大的放电能力，并做到了免维护使 用，目前市上的电动自行车绝大多数都采用铅酸 蓄电池。市售电动自行车采用３６Ｖ或４８Ｖ铅酸 蓄电池供电，考虑到两轮自平衡电动车自身重量 远低于电动自行车，且承载量不会超过１个人，速 度限制在１５ｋｍ／ｈ以下，也不用于远距离行驶， 因此本设计采用２节１２Ｖ／１０Ａ·ｈ电动自行车铅 酸蓄电池串联组成２４Ｖ供电电源，既满足使用要 求，又价格低廉，购买和更换都很方便。 ３．５　车厢及其他附件 车厢的主要作用有：１）当作载物箱，用于安装 蓄电池、传感器、控制电路板等零部件；２）作中轴 连接左右２个车轮；３）作脚踏板用于载人。对车 厢材料首先的要求具有较高的刚度，能承载足够 的重量，其次是本身重量尽可能轻。因此选择 角铝做为车厢骨架材料，能够兼顾刚度和自身 重量的要求。扶手杆使用不锈钢管，中间可以 穿行导线，以便传送转角传感器信号和其它控 制信号。 ４　电机控制器设计方案 ４．１　控制器的设计 ＭＣ３３０３５是高性能第２代单片无刷直流电 机控制电路集成芯片，它包含了开环、三相或四相 电机控制所需的全部功能，以及附加了一些保护 功能，能有效地控制无刷直流电机。 本文所设计的控制器由控制模块和驱动模块 ２个主要部分组成，其模块方框图见图３。 图３　控制器模块框图 Ｆｉｇ．３　Ｍｏｄｕｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 　　其中控制模块的核心是 ＭＣ３３０３５。ＭＣ３３０３５ 主要负责的工作是：接收电机的 Ｈａｌｌ转子位置感 应数据，通过逻辑运算得出三相Ｈ桥的６个ＭＯＳ－ ＦＥＴ的开通和关断序列，并结合正反转开关、制动 开关、电流检测电路发出相应的开关信号，接收 ＭＣ３３０３９的速度反馈信号以进行速度闭环控制， 控制模块有多种故障监测和保护电路，如欠压保 护、逐周期限流、过热保护，并有向外输出和显示故 障信号的端口，十分方便微控制器的控制［６］。 ＭＣ３３０３５本身只提供开环电机速度控制，要实 现闭环控制，通常的做法是使用一个转速计产生一 个电机反馈电压给ＭＣ３３０３５，但转速计价格较高，本 设计方案使用一片价格低廉而性能优越的ＭＣ３３０３９ 来获取转速数据并反馈给 ＭＣ３３０３５，ＭＣ３３０３９的作 用是收集电机霍耳信号转换成转速脉冲，向 ＭＣ３３０３５提供转速反馈以形成转速闭环控制。 　　驱动模块的核心是 ＭＰＭ３００３，它集成了３ 个Ｐ沟道 ＭＯＳＦＥＴ功率开关器件作为上桥臂和 ３个 Ｎ 沟道 ＭＯＳＦＥＴ功率开关器件作为下桥 臂，允许的持续工作电流达１０Ａ，峰值电流达２５ Ａ，它的主要作用是在控制模块的ＰＷＭ 信号控 制下进行有序的开通与关断，给三相无刷直流电 机的各相绕组接通ＰＷＭ 方波电流，从而驱动三 相无刷直流电机，使电机按控制器发出的控制信 号启停或按要求的方向和速度旋转。 电机控制和驱动模块的电路图见图４。 ３４ 王陆军，等：两轮自平衡电动车及其电机控制器设计 电气传动　２０１１年　第４１卷　第１１期  图４　控制器电路图 Ｆｉｇ．４　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ４．２　调速原理 当 ＭＣ３３０３５接收到ＰＩＣ１８Ｆ４５８０发来的加 速或减速信号时，其内部电路根据调速要求增加 或减少ＰＷＭ波占空比，以此改变供给每相绕组 线圈的平均电压，从而改变每相绕组线圈的电流 供应，使电机加速或减速。 当电机运行时，无论是在加速、减速，还是均 速运行，速度反馈芯片 ＭＣ３３０３９都实时接收电 机 Ｈａｌｌ信号进行转速检测，并向 ＭＣ３３０３５实时 反馈转速信号，供 ＭＣ３３０３５做转速闭环控制。 当检测到错误的电机转子位置信号、过流、欠 压、芯片过热的任意一个故障信号时，ＭＣ３３０３５ 将通过Ｆａｕｌｔ　Ｏｕｔｐｕｔ引脚发出错误警报，使作为 上位机的平衡运算模块及时获知故障信息，同时 自动封锁本控制模块，经系统复位才能恢复正常 工作。 ５　实验 ５．１　实验样车及控制器电路制作 依前述方案制作了实验样车及控制器电路。 本实验采用 Ｙ型连接的三相无刷直流轮毂 一体式电机，Ｈａｌｌ传感器相位为１２０°，选定工作 电压２４Ｖ，由２节１２Ｖ电动自行车铅酸蓄电池串 联供电，车厢尺寸长宽高为５００ｍｍ×２００ｍｍ× ３００ｍｍ车轮外径４２０ｍｍ，车轮间距６６０ｍｍ。 ５．２　实测 在电机及控制器上电前，以手动方式转动电 机，同时用示波器测量并记录电机霍耳传感器的３ 路输出信号，与 ＭＣ３３０３５的霍耳传感器真值表作 对比。经对比实验所得真值表与理论真值表一致。 在确定了霍耳传感器与 ＭＯＳＦＥＴ开关真值表 之后，进行了空载情况下的电机调速实测实验。实 验方法是由ＰＩＣ１８Ｆ４５８０向控制器发出６个不同档 次的调速信号，速度要求依次提高，并由ＰＩＣ１８Ｆ４５８０ 采集霍耳传感器电平变化来计算转速值，每隔２０ｍｓ 通过串口向ＰＣ发送一次速度值，在ＰＣ端记录下此 速度值以供分析。由于本电机控制和驱动模块是为 两轮自平衡电动车而设计的，因此在计算速度时直 接计算出车轮外径的滚动速度，单位是ｍｍ／ｓ，此速 度值就是车体的行车速度。整理后将车速数据绘制 成电机调速曲线如图５所示。 图５　控制器电机调速数据 Ｆｉｇ．５　Ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 由图５可见，电机每次完成速度调整后均能 快速进入稳定运行状态，从开始加速到达到目标 ４４ 电气传动　２０１１年　第４１卷　第１１期 王陆军，等：两轮自平衡电动车及其电机控制器设计  速度的时间不超过０．１ｓ，速度调整稳定的时间不 超过０．３ｓ。之所以在每次调速开始时会出现相 对较大的速度波动，主要原因有２个：一是空载实 验时，没有负载可以消耗电机绕组电流突然加大 带来的转矩波动，使转速突然增大，尤其是电机从 停止状态启动到转动状态瞬间的超调速度较大， 但由于控制模块具有转速闭环控制功能，使得电 机能在ｍｓ级的时间内调整转速并快速进入稳定 运行状态；二是由于车轮及轮胎质量不均匀，在转 速改变过程中对转速的均匀性产生影响。然而， 电动车实际运行时，负载对波动有阻尼作用，转速 波动将会更小，调整时间也会更短，又由于此调整 期间的转速波动的时间是 ｍｓ级且能快速回调， 且其波动值相对于电动车行走过程中遇到路面不 平所造成的影响要小得多，因此实际运行时调整 期的转速波动对电动车运行没有影响。 ６　结论 设计和制作了两轮自平衡电动车实验用车及 其采用 ＭＣ３３０３５芯片和ＰＩＣ１８Ｆ４５８０芯片构成 的控制器，并进行实测实验，实验说明本设计结构 简单，调速性能好，保护功能齐全，能够满足两轮 自平衡电动车的使用要求。 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