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 , , , ， , , , , , , , ， , , , , (, , (, , , , ,, ,, 电气传动 , , 年 第 , 卷 第 , 期 ,, , , 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 计算机科学与学院，广西 桂林 , , , ) ,,, 摘要: 为 两轮自平衡电动车的平衡原理源自倒立摆模型， 研 制 两 轮 自 平 衡 电 动 车 设 计 了 一 套 两 轮 自 平 衡 电动车的，并采用 ,, , , 和 , , , , , 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、 结 控 制作和实测实验， 果 表 明 样 车 和 控 制 器 设 计 均 结 构 简 单 、 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 ,, , , , , 文献标识码: 中图分类号: , ， , , , , , ,, ,, ,, , ,,,,,,,, ;, ,; , ,, ,,, , , , , , , , ,, ,, , , ,, ,,, ,, ;, ,;, , , , ,,, ,,, , ,,,, , , , ， , , , , ,, , ,, , , , (, , ,,,,,,, , , ,,,, , ,, ，,,, ,,, ,, ,,,, ; , ,, , , , , , , , ,, ,; , ,,,, ,， , ,, , , , ,,, , ;,,; , ; ,,, ，,,,, , , ，, , , ，,, ) ,, ,, , , ,, , , , , , , , ,, ,, ; : ,, , , ,, ,, , , ; ,, ;, , ,, ,,, , , , , ,, , , , , , , , ,, , ,, ,, , ,, , , , ,,,,,, ; , , , , ,,,,,, , ,,,, ,,, ,,, , , , , , , , , , ; , , , , ,, , ,, ,, ,, , , , ,, ,,, , , , , ， , , , , , , ,, ,,,,,; ;, ,,, , , , , ; , , ,, ,( ,,,;,,, ,,,,, ,,, , , , , , ,,,,, , , , ( ,,,,, , , , ,,′ ,, , , ,, ，,, ; , , , , ,, ， ,,,,, ,,,,,,; , ,,, , ,,;, , ,, , ,,,, ,, ,, ,, ,, ,, , ,,,,, ,, , ,,,, , ,, ,, ,; ,,, , , ,, ,, ,, ,,, , , ,, , , , , , , , ,,, , , ,, ,,,, ,, ， ,, ,,？, , ,,, ,,, ,, ( , ,; ; , ,,,,;,,, ,, , ,, ,,,,,,,,,;, , , , , , , ,, , ,,, , , , , , , , , , ,, :, ,, ,,,,, , ,,,, ;, ,, , ,,,,,, ,, ; ,,, , , ,, ,,, , ,, , ,, ;, ,, ;,,; , , , , , , ;,,,, , , ,,; ,, , , , 长度), 为小车的质 量; 为 倒 立 摆 末 端 的 点 质 ; ,, 引言 量; 为重力常数;控制输入 , 为施加于小车上的 , 两轮自平衡电动车采用左右平行双轮布置的 力; 为小车摩擦系数; 为摆杆惯量 〔 〕。 , ， ,结构，可以承载站立在车体平台上的驾驶者，在保 由于两轮自平衡电动车的双轮平行布置在车持平衡的状态下在多种路面上行驶。两轮自平衡 体的左右两端，且载人时重心在双轮轴心正上 方，电动车性能优越，但售价高昂，在美国的价格也要 所以 它相当于一个倒立摆，是不稳定体，车体总 是, , 美元左右， , , 几乎可以购买一辆微型轿车。 要向前或向后倾倒。当检测到车体向前倾斜时，通 本文给出了一个成本相对较低的两轮自平衡电 过让电机加速旋转来产生一个向前的加速度，这个 并使用 , ,,,和 ,,, ,, 设计动车， ,,, ，, ,,, 加速度使得在双轮轴心上方的重心向后摆动，这就了其控制器，该方案通过驱动 ,,, 轮毂一体式三 抵消了车体的向前倾斜，使车体的重心回到两轮中相无刷直流电机对两轮自平衡电动车的行进速度 心轴的正上方，从而在竖直方向保持平衡。这一平进行实时控制以实现车体平衡。 衡是动态的，为保持车体竖直不倒，必须不断检测 根 车体倾斜 姿 态， 据 倾 斜 状 况 驱 动 电 机 前 进 或 后, 两轮自平衡电动车平衡原理 退，来克服重心偏移现象，保持车体平衡。 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: , 两轮自平衡电动车设计方案烄( ，,) ， ，, φ;, ,, φ ,, ,, , , ,, , , φ , ,, φ 本文设计的两轮自平衡电动车设计框图见图烅( , 传 运 括 , 大 部 分: 感 器 模 块、 算 模 块、电烆，，, ) ，, ,, φ整车 包 ,, ;, , φ ,,, ,, , φ ,，式中: 为 倒立摆相对与垂直方向的角位移; 为 φ , 机控制驱动模块、 电机、 蓄电池、 车厢及其它附件。 摆小车的位置; 为摆 长( 杆 转 动 轴 心 到 杆 质 心 的 , 设计的总体要求是性能稳定、使用和维护方便、价 作者简介: ， 硕士研究生， , ,: , ,,, 王陆军(, ,, ) 男， ,, , , , ; , , , , ,,,,,, ,, ,( , ,,电气传动 , , 年 第 , 卷 第 , 期 ,, , , 等: 王陆军， 两轮自平衡电动车及其电机控制器设计格低廉。 状态。水平度数据使用加速度计来测量。 ,( 运算模块 , , , , , , 是 ,;,,, 公 司 推 出 的 一 款 ， , , ,, ,,;, 它 最 高性能闪存型单片机， 采 用 , , 结 构， 高 可 ，, 以在 , 能 ,,, 的高 速 频 率 下 工 作， 够 满 足 两 轮 , 自平衡电动车运算模块的性能需求 〔 〕。 , 运算模块包括车体状态运算和平衡控制运算 , 个部分。车体状态运算主要 是 将 各 传 感 器 测 量 倾 的数据加以融合 得 出 车 体 倾 斜 角 度 值、 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， 向 或者转弯所需要 的 左 右 电 机 速 度 变 化 值， 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， 图 , 两轮自平衡电动车模块框图 ,, , ,,,,,, , , , ,, ,,, , ( ,; ,, , , ,, , , , 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,( 传感器模块 , 信号， 并 接收电机 , , 信 号 进 行 车 速 度 计 算， 通 ,, 两轮自平衡电动车的平衡运算最主要的参数 过 , , , 串口向 , 发 送 车 速 数 据 以 供 存 储 和 ,, , ,是车厢体的倾斜 角 度， 时 也 需 要 倾 斜 角 速 度 作 同 分析。另外，， , , , , 还接收车体平衡姿态数 ,, , ,,运算参数，测量倾 斜 角 度 较 好 的 方 法 一 般 是 使 用 据，进行自 平 衡 运 算。 运 算 模 块 用 , 语 言 编 程，加速度计或陀螺仪。陀螺仪是用来测量角速度信 其程序工作流程如图 , 所示。号的，通过对角速度积分，即可得到角度值。陀螺 不仪 动态性能极佳， 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， 螺 仪 ??/B> 适 陀合单独使用。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， 加 速 度 计 补 偿 陀 螺 仪 的 漂 移 误 用 图 , 运算模块程序工作流程 , ( , ,; ,,, , ,, , , ,, ;; , ,, , ,, ,, , , ,, , , ,,差，从而可获得既 具 有 高 动 态 响 应 又 精 确 稳 定 的测量数据。 ,( 电机方案 , 进 转角传感测 量 小 车 的 转 动 角， 而 判 断 操 作 无刷直流电机自 , , 年面世以来， ,, 已广泛应者的转向意图， 而 向 运 算 模 块 发 出 向 左 转 或 向 从 用于各种调速驱动场合。无刷直流电机用电子换 案 采 用 旋 转 变 阻 器 作 为 转 角 本 优 向器取代了普右转弯的指令， 方 通 直 流 电 机 的 电 刷 和 换 向 器， 点传感器，安装在操作手柄与竖杆的连接处，它直接 是效率高，启动转矩大，过载能力强，操作性能好， 在输出与操作手柄 的 转 角 成 正 比 的 电 压 值， 电 动 结构简单、牢固，免维护或少维护，体积小质量轻，车行驶过程中， 算 模 块 根 据 此 电 压 值 做 出 向 左 运 适合用于两轮自平衡电动车。目前市售电动车的或向右的转弯决定，以及转弯角度。 驱动电机类型主要为三相星型连接的永磁无刷直 水平度传感器 用 于 辅 助 平 衡 运 算， 要 是 测 主 流电机 〔,,〕。 ,量到车体水平时向运算模块车体已处于平衡 电机方案有独立电机加齿轮传动方案与轮机 ,, 等:王陆军， 两轮自平衡电动车及其电机控制器设计 电气传动 , , 年 第 , 卷 第 , 期 ,, , , 目一体的轮毂驱动 方 案， 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、 进 电 机 或 步 , 电机控制器设计方案侍服电机，配合齿轮传动，未见采用轮机一体的轮 ,( 控制器的设计 , 毂驱动方案。 ,, , , 是 高 性 能 第 , 代 单 片 无 刷 直 流 电 ,,, 轮毂驱动无刷直流电机将电机与车轮结合为 机控制电路集成芯片，它包含了开环、三相或四相一体， 构 简 单， 率 高， 动 转 矩 大， 作 性 能 结 效 启 操 电机控制所需的 全 部 功 能， 及 附 加 了 一 些 保 护 以好，已经是目前电动自行车的配置，本设计采 功能，能有效地控制无刷直流电机。用轮毂驱动无刷直流电机。 本文所设计的控制器由控制模块和驱动模块 取 轮毂驱动相对 于 传 统 驱 动 方 式， 消 了 离 合 , 个主要部分组成，其模块方框图见图 ,。 变 差 电器、 速 器、 速 器 等 机 构， 机 直 接 做 到 车 轮 的 既轮毂中并与 车 轮 同 轴。 这 样， 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、 轻 的 重 量， 低 的 故 障 率， 少 了 较 较 减维修维护，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 〔 〕。 , 图 , 控制器模块框图,( 蓄电池 , ,( , ,,, ,, ; ,,, , , , , ,, , , ,, ,, , , ,,, , 蓄电池的选择有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电 不池。锂电池 价 格 昂 贵， 适 合 于 低 成 本 电 动 车。 其中控 制 模 块 的 核 心 是 , ,,, , ,,, , ,, 。 , ,, ,, 的 电 池 组 合 成 所 需 电 压，镍氢电池用单个 ,( 接 主要负责的工作是: 收 电 机 的 , , 转 子 位 置 感 ,,使用上不够方便，且其自放电较大，充满电放置几 应数据，通过逻辑运算得出三相 , 桥的 , 个 ,, , , 因天不用也会由于 自 放 电 而 又 要 充 电， 此 本 方 案 , , 的开通和关断序列， , 并结合正反转开关、制动也没有 选 择 镍 氢 电 池。 铅 酸 蓄 电 池 虽 然 体 积 偏 电 接 开关、 流 检 测 电 路 发 出 相 应 的 开 关 信 号， 收大，重量较重，但具有技术成熟、价格低廉、安全性 , ,,, 的速度 反 馈 信 号 以 进 行 速 度 闭 环 控 制， , ,, .