两轮自平衡电动车的关键技术研究

摘要两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人们带来一种全新的驾驭感受。两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由两个直流无刷电动机驱动，采用多处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。本文对国内外的两轮自平衡电动车的研究现状加以总结，并提出两轮自平衡电动车的设计过程中所涉及到的关键技术问题。本文以两轮自平衡电动车为研究对象，对其设计方法进行了详细地介绍。针对传统的立式两轮自平衡电动车在安全性及舒适性方面的不足，设计出了一种新式的机械结构，使得两轮自平衡电动车更具安全性，并且缓解了由于长时间驾驶给驾驶者带来的疲劳感。两轮自平衡电动车采用多处理器协同工作的硬件模式，通过对其硬件系统进行设计与调试，满足了电动车系统的控制要求。为了确定电动车运动姿态，设计了以硅微陀螺仪和加速计为传感器的姿态感知系统，并针对其传感器的误差模型，提出了利用卡尔曼滤波（Kalman filter）对电动车车体姿态进行最优估计的方法，此种方法可提高两轮自平衡电动车的控制精度。两轮自平衡电动车的所有运动方式都以平衡控制为前提，因此，平衡控制是两轮自平衡电动车运动中的关键。本文利用拉格朗日方程建立了两轮自平衡电动车的动力学模型，并在此基础上设计了基于线性二次型最优调节器(LQR)的自平衡控制器，以此实现电动车的平衡控制。针对两轮自平衡电动车的控制系统响应快、任务多等特点，设计出了基于μC/OS-II操作系统的控制系统软件，使得系统的实时性得到了很大程度地提高。关键词：自平衡；电动车；多处理器；直流无刷电动机

ABSTRACTTwo-wheeled self-balancing electric vehicle is a new type of transport,and itis not like an electric bicycle and motorcycle whose wheels fixed in the front andrear,instead of using the way fixed side by side,so this structure will bring a newdriving feelings.It depends on two parallel wheels to support the bodywork.Thebattery provides power,and two brushless DC motors drive the vehicle moving.The multi-processor,attitude sensing system,control algorithm and machine ofthe bodywork cooperate to control the system’s balance.The drivers can operatethe vehicle by changing their center of gravity to achieve the vehicle start,acceleration,deceleration,stop and other activities.In this dissertation,home and abroad,the current developing status oftwo-wheeled self-balancing electric vehicle has be

en summarized and proposedthe key technical issues which two-wheeled self-balancing electric vehicleinvolved in the design process.In this dissertation,two-wheeled self-balancingelectric vehicle as the research object,its design method has been introduced indetail.The traditional vertical two-wheeled self-balancing electric vehicles havesome safety and comfort deficiencies,so a new type of mechanical structurewhich will make the vehicles more secure and reduce the drivers’fatigue aftertheir long-term driving has been designed.Two-wheeled self-balancing electricvehicle works with multi-processor hardware model,through design anddebugging,it has been met the control requirements.In order to determine theelectric vehicle’s motion attitude,with silicon micro-gyroscopes andaccelerometers,attitude sensing sensor system has been designed.According tothe sensor error model,this dissertation put forward a method of Kalman filteroptimal estimation of the electric vehicle body posture,which could improve thevehicle’s control precision.

Two-wheeled self-balancing electric vehicle means that all movements areto balance control as a precondition.Balance control is the key of its movement.This paper has established the dynamics model of two-wheeled self-balancingelectric vehicle with the Lagrange equations,and on this basis self-balancingcontroller is designed based on linear quadratic optimal regulator(LQR),in orderto achieve balance control of the vehicle.For quick response and multi-taskcharacteristics of the control system,control system software has been designedbased onμC/OS-II operating system,which make the real-time system greatlyenhanced.Key words:self-balancing;electric vehicle;multi-processor;BLDCM

目录第1章绪论...........................................................................................................1?1.1课题的背景及意义..................................................................................1?1.2两轮自平衡电动车的国内外发展现状..................................................2?1.3两轮自平衡电动车的关键技术..............................................................6?1.3.1系统设计.......................................................................................6?1.3.2数学建模.......................................................................................6?1.3.3自平衡控制算法...........................................................................6?1.3.4姿态感知系统...............................................................................7?1.4本文的主要研究内容..............................................................................7?第2章两轮自平衡电动车机械结构与硬件系统设计.......................................8?2.1引言..........................................................................................................8?2.2机械结构设计..........................................

................................................8?2.3系统硬件设计........................................................................................10?2.3.1主控制器.....................................................................................11?2.3.2供电电路.....................................................................................14?2.3.3 A/D转换电路..............................................................................16?2.3.4 RS-232电平转换电路.................................................................17?2.3.5数码管显示电路.........................................................................17?2.3.6方向盘数据读取电路.................................................................18?2.3.7无线数据传输模块.....................................................................20?2.4本章小结................................................................................................20?第3章双直流无刷电动机驱动器设计.............................................................21?3.1引言........................................................................................................21?3.2直流无刷电动机简介............................................................................21?3.2.1直流无刷电动机的结构.............................................................21?3.2.2直流无刷电动机的驱动方法.....................................................24?

3.3双直流无刷电动机的驱动器硬件设计................................................26?3.3.1 LPC2132简介..............................................................................27?3.3.2位置信号译码电路.....................................................................28?3.3.3三相全桥逆变电路.....................................................................29?3.3.4电流检测电路.............................................................................31?3.3.5隔离电路.....................................................................................31?3.3.6 CPLD内部逻辑电路设计...........................................................31?3.4本章小结................................................................................................33?第4章姿态感知系统设计.................................................................................34?4.1引言........................................................................................................34?4.2传感器模块设计....................................................................................34?4.2.1加速度计.....................................................................................35?4.2.2陀螺仪.........................................................................................36?4.2.3传感器模块的低通滤波器设计.................................................36?4.3

传感器数据标定....................................................................................37?4.4基于卡尔曼滤波的传感器数据融合....................................................39?4.4.1卡尔曼滤波的原理.....................................................................39?4.4.2滤波器设计.................................................................................42?4.4.3滤波器仿真.................................................................................43?4.5本章小结................................................................................................45?第5章两轮自平衡电动车系统建模与控制策略研究.....................................46?5.1引言........................................................................................................46?5.2系统建模................................................................................................46?5.2.1建立坐标系.................................................................................46?5.2.2系统模型参数.............................................................................47?5.2.3系统速度.....................................................................................48?5.2.4系统动能的计算.........................................................................49?5.2.5系统运动微分方程.....................................................................51?5.3两轮自平衡电动车的工作原理............................................................55?5.4两轮自平衡电动机车的控制特点........................................................56?

5.5 LQR最优控制器设计............................................................................57?5.5.1 LQR最优控制器原理.................................................................57?5.5.2 LQR最优控制器设计.................................................................59?5.5.3控制系统仿真.............................................................................62?5.6本章小结................................................................................................63?第6章系统软件设计与调试.............................................................................64?6.1引言........................................................................................................64?6.2电机测速软件设计................................................................................64?6.2.1测速方法的选择.........................................................................64?6.2.2 M/T法测速的软件实现..............................................................69?6.3数码管显示程序设计............................................................................70?6.4 ADC读写程序设计................................................................................71?6.5方向盘数据读取程

序设计....................................................................73?6.6基于μC/OS-II的控制系统软件设计...................................................74?6.6.1μC/OS-II简介..............................................................................74?6.6.2μC/OS-II的移植..........................................................................76?6.6.3μC/OS-II的应用..........................................................................79?6.7系统调试................................................................................................80?6.7.1电机驱动器调试.........................................................................80?6.7.2姿态感知系统调试.....................................................................82?6.7.3控制器调试.................................................................................83?6.8本章小结................................................................................................84?结论...............................................................................................................85?参考文献...............................................................................................................87?攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果...........................................91?致谢...............................................................................................................92?

1第1章绪论1.1课题的背景及意义随着科学技术水平的不断进步，交通工具正朝着小型、节能、环保的方向发展，“电动车”正是在这个背景下孕育而生并为人们所熟识。据不完全统计，我国的电动车保有量已超过1.2亿辆，是增长速度最快的交通工具，随着石油储量的不断减少和人们环保意识的增强，“电动车”无疑将成为未来交通工具的主力军。就目前而言，电动车的种类主要有电动自行车、电动摩托车和电动汽车，由于电动机制造水平的提高，尤其是大功率直流无刷电动机制造工艺的成熟，带动了电动自行车和电动摩托车行业的飞速发展。同时，人们也设计出了一些新式电动车，两轮自平衡电动车是一种新型的交通工具，它一改电动自行车和摩托车车轮前后排列方式，而是采用两轮并排固定的方式，这种结构将给人们带来一种全新的驾驭感受。两轮自平衡电动车仅靠两个轮子支撑车体，采用蓄电池提供动力，由电动机驱动，采用微处理器、姿态感知系统、控制算法及车体机械装置共同协调控制车体的平衡，仅靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。两轮自平衡电动车在设计上主要有以下几个特点：1．绿色环保。电动车使用电池作为动力能源，并可以反复充电使用，大大减少了对环境的污染。2

．转弯半径为零，在小空间范围内可以灵活运动；3．无刹车系统，由CPU自动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹车效果；4．控制极其方便，前进后退自如。两轮自平衡电动车是一个高度不稳定的系统，其动力学方程是一多变量、严重不稳定、耦合、时变、参数不确定性的非线性高阶方程，加上运动学方程中的非完整性约束，要求完成的控制任务也具有多重性，因此，两轮自平

2衡电动车作为一个具体的复杂系统，给控制理论提出了很大的挑战，是检验各种控制方法处理能力的典型装置。两轮自平衡电动车作为一种研究装置，可进行不确定性系统控制、非线性系统控制、自适应控制、智能控制等研究。1.2两轮自平衡电动车的国内外发展现状两轮自平衡电动车可以看作是一种变质心的两轮自平衡机器人，而最早提出两轮自平衡机器人构想的是日本Electro-Communications大学的KazuoYamafuji教授，他在1985年就萌生了制造一种自动站立机器的构思，并在1987年申请的一项“平行双轮机器人”的专利中，使用了该技术。近几年，随着两轮自平衡机器人的研究不断开展，该项技术开始成为全球机器人控制技术的研究热点之一。美国、日本、瑞士和法国的研究机构及公司相继开始了这方面的应用研究，已经在系统设计与实现、建模、自平衡策略、运动规划等方面取得了进展，2001年美国发明家Dean Kamen发明了一种新型的方便快捷的两轮交通工具“Segway”，体现出了两轮自平衡机器人的巨大应用潜力。目前，国内关于两轮自平衡机器人的研究处于起步阶段，主要有中国科技大学、台湾国立大学、北京理工大学、河南科技大学等科研单位参与，现阶段主要针对机器人建模与实验原型机的研制进行研究。图1.1自动站立机器人

31997年，美国Washington大学的Glen H.Jorgensen等人提出了设计一种新型智能轮式座椅的构想，利用倒立摆的结构形式，建立了可以通过不规则地形的两轮同轴机构模型，通过仿真验证了设计的合理性[1]。2002年，法国Valenciennes大学的H.Tirmant、M.Baloh等人将两轮机器人的概念应用到城市自主出租汽车B2中，提出了两种可供选择的控制方法：一种是标准的线性控制法，在动态平衡点，通过使电机输出最小的力矩保持机器人的动态平衡，但是忽略一些干扰等非线性因素；另一种是平行分布补偿法，引入了T-S模糊模型，建模时考虑了一些非线性因素，能够给出精确的非线性表示，虽然平衡效果比较好，但是牺牲了实时性，如果模糊控制稳定性评价标准增加，控制规则将呈几何级数增加。B2的体积只有普通轿车的十分之一，占用城市空间小。而且从汽车发展

的角度看，B2在能量效率方面极具竞争力，减少了污染与交通堵塞，符合现代社会运输的需求，增加了城市的活力[2-4]。B2的结构如图1.2所示。图1.2城市运输两轮车B2当今唯一市场化的两轮自平衡电动车（Segway）[5,6]如图1.3所示，它在2002年上市以来就备受各界的关注。Kamen观察人类走路的姿势特性，领悟到其实人类之所以可以平稳地直立行走，是因为体内灵敏的平衡器官可以精确地判断出身体重心的改变量，透过小脑的即时反应，然后利用腿部的肌肉即时出力来平衡倾倒的态势。所以当人类的身体前倾时，这种不自主的反应会促使人类伸出其中的一只脚往前踩来平衡身体，所以透过这种前倾、往前踏脚、前倾、往前踏脚的动作循环，即构成了“步行”这种动作。因此Kamen

4尝试使用精密的陀螺仪来代替人类的前庭与耳蜗等平衡器官，以电动马达与车轮代替人类的双脚，发展出所谓的“动态稳定”概念。图1.3 Segway两轮自平衡电动车作为世界上第一部新型、方便快捷的两轮交通工具，“Segway”独特的动态稳定技术与人体的平衡能力相似，是靠改变驾驶者的重心使车辆产生启动、加速、减速、停止等常规行驶动作，它不仅能在驾驶者平稳站立时，保持动态平衡前进，而且在驾驶者身体倾斜时也能保持平衡，甚至能在湿漉的地面和雨雪天气时使用。5个固态陀螺仪、2个倾斜传感器斜坡感应器、一些光学传感器及高速微处理器每秒100次监测车体姿态，测出驾驶者的重心，以每秒20000次的频率进行细微调整，无论什么状态和地形都能自动保持平衡。它的运动也与人保持平衡的本能反应相同，没有油门和刹车，身体前倾则向前运动，后倾则后退，直立则停下，转向则通过旋转两个手腕下方的操纵把手来完成。适于平坦、拥挤的步行区，可带上火车或地铁，方便出差、上课和上班，可轻松推上楼梯。为保证安全，Segway的最大速度和转弯速度可根据驾驶者的不同水平设置，使用3种不同的钥匙，最大速度能从9.6公里/小时到20公里/小时。它的出现在全世界引起了极大轰动，充分展示了平行双轮行走的灵活性和实用性，引发了人们对未来交通革命的关注。2003年，中国科技大学屠运武、张培仁等成功研制了如图1.4所示的自平衡两轮代步电动车Free Mover[7]。其目的是为短距离运输提供一个可靠、便捷、环保的新型交通工具。Free Mover转弯半径为零，可以在小空间范围灵

5活运动，无刹车系统，整车质量约30公斤。通过驾驶者身体的前倾与后倾实现了车子的自动加速、减速。通过控制手柄，可原地转弯任意角度。时速可达10公里，连续行驶里程约30公里。作者应用动

力学理论对系统进行力学分析，全面系统地考虑了三维空间运动对机器人的影响，通过采用模糊自适应控制策略解决了车体大角度变化问题与非线性控制问题。图1.4自平衡两轮代步电动车Free Mover2008年，丰田公司发布了一个称为“Winglet”的个人交通辅助机器人如图1.5所示，结合轻巧体积和操作简易等特点，Winglet将可轻松拓展使用者的移动范围。它的设立理念源自大受欢迎的Segway，截至目前Segway还没有遇到强劲的挑战者，但丰田似乎想利用Winglet打破Segway在市场上的垄断地位。Winglet本体的投影面积仅有一张A3文件大小，内含一组电动马达、两个车轮和一组实时监控使用者位置和姿态的内置传感器，以随时监测使用者的位置，并改变动力输出，维持稳定性和平衡。Winglet内设一个独特的平行连接机械装置可以让使用者利用调整重量分布来实现向前，向后和左右转向行驶，不仅确保了车辆的安全，而且可以确保在窄小和拥挤的环境中使用。

6图1.5 Winglet个人交通辅助机器人1.3两轮自平衡电动车的关键技术1.3.1系统设计两轮自平衡电动车的系统设计包括：机械结构设计，硬件系统设计和软件系统设计。在结构上保证了电动车的合理性，才能够减少控制系统由于电动车结构设计的不合理而造成的控制复杂化；硬件系统和软件系统的设计必须满足两轮自平衡电动车的控制要求。1.3.2数学建模全面完整的建模，有助于设计控制器，提高系统的性能。系统建模的重点在动力学方面，主要采用Lagrange方程与牛顿力学的方法，已有的动力学建模方法通常没有考虑偏航运动对车轮转动的影响、电机对建模的影响、电动车本体所受到的广义外力。由于两轮自平衡电动车是一个典型的非线性、高阶次系统，线性化问题对系统性能的影响不容忽视。1.3.3自平衡控制算法两轮自平衡电动车属于本征不稳定系统，运动的前提是实现电动车自身的动态自平衡，以及电动车遇到干扰时，如何快速恢复、保持自平衡。PID、极点配置等传统控制算法存在动态响应不理想、抗干扰能力较差，控制效果不能达到最优等缺点，因此需要研究最优控制算法，以提高电动车的自平衡性能和抗干扰能力。

71.3.4姿态感知系统两轮自平衡电动车通过姿态感知系统来实时地监测当前的运动姿态，对于两轮自平衡电动车，能够精确地检测出当前车体的倾斜角度，实现有效控制是至关重要的。虽然现在有很多测量角度的技术，但是实时性，经济性还不够理想。利用硅微陀螺仪和加速度计等惯性传感器组成的姿态感知系统，能够实时、准确地检测两轮自平衡电动车的倾斜角度。然而，由于惯性传感器本

身的固有特性，随着时间、温度的外界变化，会产生不同程度的漂移，必须通过一些滤波方法，对陀螺仪和加速度计的采集数据进行融合，使测量的角度与角度真值相吻合。1.4本文的主要研究内容本文将就两轮自平衡电动车涉及到的关键技术问题展开研究，具体内容如下：1．系统设计：设计出两轮自平衡电动车的机械结构及硬件系统。2．电机驱动器设计：设计出大功率电机的驱动器，以满足两轮自平衡电动车载人需求。3．传感器数据融合：将加速度计和陀螺仪所得的位姿信息进行数据融合得到高精度、高可靠度的倾角数据。4．系统建模：建立两轮自平衡电动车系统的数学模型，为控制器设计提供理论依据。5．控制器设计：通过对控制算法的研究，实现系统载人情况下的动态自平衡，并且有较好的鲁棒性和快速性，能适应不同的环境。6．软件设计与实验研究：对两轮自平衡电动车的控制系统软件进行优化设计，以此来提高的系统的处理能力和响应速度；进行数据融合、平衡、鲁棒性实验，以此来检验相应算法的有效性。Equation Chapter 2 Section 1

8第2章两轮自平衡电动车机械结构与硬件系统设计2.1引言两轮自平衡电动车要实现自身平衡，研制出能满足可靠性要求的控制系统是至关重要的。电动车的本体结构对控制系统设计有很大的影响。在结构上保证了电动车的合理性，才能够减少控制系统由于电动车结构设计的不合理而造成的控制的复杂化。结构上应考虑电动车的可操控性以及舒适性，同时为了降低控制系统设计的复杂程度，并兼顾两轮自平衡电动车的平衡性能，可对电动车采用对称性设计。两轮自平衡电动车系统设计包括机械结构设计、硬件系统设计、电动机控制器设计、姿态感知系统设计、控制算法及相关软件设计几个部分，本章将主要介绍两轮自平衡电动车的机械设计与硬件系统设计，并在以后的章节详细介绍余下的部分。2.2机械结构设计本课题所设计的两轮自平衡电动车与绪论中所介绍的电动车的机械结构有所不同。为了提高两轮自平衡电动车的舒适性，本课题在所设计的电动车机械结构中增加了驾驶座椅，这样可以缓解长时间驾驶所带来的疲劳感。由于增加了驾驶座椅，所以不能像驾驶传统的站立式两轮自平衡电动车那样，通过身体前后倾斜来改变车速。在本课题所设计的坐式两轮自平衡电动车的机械结构中，采用了导轨、滑块、连杆等一些机械构件，解决了由于驾驶方式的变化所带来的操控问题。两轮自平衡电动车机械结构图如图2.1所示，驾驶座椅与车架固联，车架下方安装了滑块，这样可以使驾驶座椅与车架随滑

块一起在导轨上滑动；在踏板的两侧分别安装有导轨以及两个直流无刷电动机；方向盘被固定在操纵杆

9上，在杆的底部通过铰链与踏板相连，杆的中部通过连杆与车架相连；在踏板的前部以及车架的后部各装有两个支撑轮，对电动车起到了支撑和保护的作用；48V 12AH的蓄电池以及控制电路板则位于驾驶座椅的下方。图2.1两轮自平衡电动车机械结构图驾驶者在驾驶两轮自平衡电动车时，如果想要使电动车前进或者后退，那么只需向前推或者向后拉方向盘，由于连杆和导轨的作用，会使车架、驾驶座椅以及驾驶者一起前移或者后移，从而使整个车体的质心移动。如果质心前移，车体会前倾，由于控制器的作用，会使两个车轮向前转动，产生一个抵抗倾倒的力矩使车体保持平衡，这就实现了电动车的前进；同理可知，当车体质心后移时，电动车则可以向后运动。两轮自平衡电动车也是靠方向盘来控制行进方向的，这里所使用的方向盘并不是像汽车的那样，可以通过联动机构改变从动轮的运动方向来控制车体的行进方向。由于两轮自平衡电动车的两个车轮都是驱动轮，因此，可以通过使两个车轮产生速度差来改变电动车的行进方向，这样就并不需要方向盘与车轮的机械联接，只需知道方向盘的转角，便可通过控制器计算出两个

10车轮所需的速度差，从而控制电动车的行进方向。为了尽量简化方向盘的结构，本课题采用一种PC机使用的赛车游戏专用方向盘，其实物图如图2.2所示，这种方向盘使用USB接口与PC机相连，拥有10个控制按键，可以实时地输出方向盘的转角数据。图2.2方向盘实物图两轮自平衡电动车使用了两台直流无刷电动机，这种电机是市场上的电动车广泛采有用的。本课题所使用的无刷电机为三相电机，内部安装有转子位置传感器，可以输出3路转子位置信号；额定工作电压为48V、额定功率为500W。由于电机采用了一体式的设计，所以在两轮自平衡电动车的机械结构中可以省去一些传动机构，使得其结构更为简单，更加有利于加工制造。图2.3直流无刷电动机实物图2.3系统硬件设计两轮自平衡电动车在行进过程中需要对传感器数据进行实时测量，并且对这些数据进行处理后，再经过一系列控制算法计算出施加在左右两个电机上的电压并发出对电机控制信号，完成这一功能的器件是微控制器。为了实现对两轮自平衡电动车实时、高效的控制，要求微控制器具有较高的处理速度，并且应拥有较多的种类的通信接口如SCI、I2C、SPI、CAN等，以便于系统的扩展与数据传输。本课题选用了飞思卡尔电子公司的双核处理器

11MC9S12XDP512作为硬件系

统的主控制器；如图2.4所示，系统硬件包括有单片机最小系统板、供电电路、传感器模块、双直流无刷电动机驱动器、方向盘数据读取模块、A/D转换电路以及各种接口电路和显示电路。其中，双直流无刷电动机驱动器设计将在第3章详细介绍，传感器模块将作为姿态感知系统的一部分在第4章中详细介绍。图2.4系统硬件结构示意图2.3.1主控制器本课题硬件系统的主控制器选用了飞思卡尔公司的双核处理器MC9S12XDP512。带协处理器的MC9S12X系列单片机是MC9S12系列单片机的更新换代产品。MC9S12目前已有8个系列几十个品种。S12X系列单片机比S12速度更快，在S12单核CPU的基础上增加了XGate协处理器，专门用来处理中断和I/O，可大幅提高实时系统的性能。S12X系列单片机的中央处理器CPU12X由以下3个部分组成：算术逻辑单元ALU、控制单元和寄存器组。通常外部采用16MHz石英晶体振荡器，通过内部锁相环使片内总线速度达40MHz或50MHz。而协处理器Xgate采

12用精简指令流（RISC）结构，速度比主CPU快一倍，响应中断也快。协处理器Xgate与主CPU通过双口RAM交换数据。对于双CPU系统的可能会有竞争的问题，S12X单片机采用了8个内部的硬件信号量（semaphore）予以解决。S12X和Xgate协处理器CPU都是16位，基本寻址空间是64KB，定义一个指针变量只占用2个字节，比32位代码效率高。而内部寄存器简单，任务切换时为保护现场而入栈的寄存器少，仅为典型32位内核ARM的1/7~1/8，从而应用程序对内存的资源需求比32位机少得多，容易实现应用系统的单片化。MC9S12XDP512最多有3个8路，即24路10位精度A/D转换器。MC9S12XDP512内部有5个控制器局域网（CAN）模块，每个CAN具有2个接收缓冲区和3个发送缓冲区。每个CAN有发送（TX）、接收（RX）、出错和唤醒等4个独立的中断通道。CAN模块具有自检功能，有低通滤波，有唤醒功能。CAN0通道不用做CAN时，可多一条J1850通道。MC9S12XDP512拥有的增强型捕捉定时器如下：1．16位主计数器，7位分频系数；2．8个输入捕捉通道或输出比较通道，其中4输入捕捉通道带有缓存；3．4个8位或2个16位脉宽计数器；4．每个信号滤波器有4个用户可选择的延迟计数器。MC9S12XDP512的脉宽调制模块（PWM）可设置为4路8位或者2路16位。MC9S12XDP512的串行接口有以下3种：1．最多6个异步串行通信接口模块SCI；2．最多2个I2C总线接口；3．3个同步串行外设接口SPI。MC9S12XDP512有2个具有位输入信号跳变沿产生中断、唤醒CPU功能的8位并行口，即16位输入中断通道，这16位也可以设为输出。

13MC9S12XDP512时钟发生器有以下特点：1．使用频率范围为0.5~16MHz的外部晶振，通过锁相环频率合成器，产生所需要

的单片机内部总线时钟。2．当外部时钟缺失时，内部提供自时钟方式，直到外部时钟恢复为止。电压调整模块用于单片机内部提供合适的电源电压。整个单片机外部供电电压是5V的，I/O端口也是按5V供电的逻辑电平设计的，但芯片内部是用2.5V供电的，因此该模块产生片内需要的2.5V电压。单线（single wire）BDM调试模块用于通过BDM调试器对片内Flash的在线编程和Flash的擦除，也可以通过该模块在程序运行时动态地获取CPU寄存器的状态和信息，用于应用程序的调试。时钟产生电路产生内部各模块需要的各种时钟，需要加外部晶振。锁相环电路用于产生高于外部晶体振荡器频率的时钟，这是通过片内的压控振荡器产生高于外部时钟频率数倍的振荡，再通过锁相环电路将频率稳定在某一确定的频率上来实现的。系统集成模块SIM（System Integration Module）接收可屏蔽中断（IRQ）和非可屏蔽中断（XIRQ）的输入信号，接收单片机复位后的运行模式选择信号。根据MODA、MODB及BKGD引脚复位时的电平状态，单片机可进入单片方式、扩展方式或特殊方式[8,9]。图2.5 MC9S12XDP512最小系统板MC9S12XDP512最小系统板如图2.5所示，它包括有：时钟电路、串口电路、BDM接口、复位电路和调试LED。其中，时钟电路采用11.0592MHz

14的外接晶振为单片机提供时钟；串口电路可将TTL电平转换成RS-232电平；BDM接口供用户下载和调试程序用；供电电路为单片机提供电源；复位电路可以对单片机执行上电复位和手动复位；调试LED与单片机的PORTB口相连，供程序调试用。2.3.2供电电路本课题的供电电路采用美国国家半导体（National Semiconductor）的生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片LM2576HVT-12来实现48V到12V的转换。LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件（如78xx系列端稳压集成电路）的替代品，内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路；具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证[10]。其中，LM2576HV系列的最大输入电压可以达到60V，转换效率为88%，最大输出电流为了3A。C4 100uF12VC6330uFGNDGND48VFB4ON/OFF5GND3IN1OUT2U2LM2576HVT-12 C5104L2 220uHD21n5822图2.6 LM2576稳压电路图如图2.6所示，由LM2576构成的基本稳压电路仅需四个外围器件，电感L2的选择要根据LM2576的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择。参照图2.7，本电路中L2为200μH。该电路中的输入电容C4一般应大于或等于100μF，安装时要求尽量靠近LM2576的

输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。而输出电容C6的值应依据下式进行计算（单位μF）：

1513300in outC ≥V V ×L(2-1)上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、L是查表选出的电感L2的值，其单位是μH。电容C6的耐压值应大于额定输出电压的1.5～2倍。对于12V电压输出而言，可以使用耐压值为25V的电容器。二极管D2的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2576的最大电流限制。二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍，本电路中选用的是肖特基二极管1N5822。图2.7电感值选取图为了产生5V的隔离电压，本课题采用了广州金升阳科技（MORNSUN）生产的隔离型电源模块VFB1205MP-6W，该模块的额定输入电压为12V、输出电压为5V、最大输出电流为1200mA、转换效率为75%、输入与输出之间的隔离电压为1500V[11]。值得注意的是，输出电容C7的值不能过大，较大的电容值会使模块的启动延时时间增加或无法启动；C7的值应不大于1000μF，在这里选取C7为680μF。GND3GND2VIN22VIN23CN11VOUT140V16U3VFB1205MP-6W12VGNDC9 100uFC7680uF C81045V图2.8 5V隔离电源电路原理图

162.3.3 A/D转换电路虽然MC9S12XDP512自带了24路10位ADC，但是为了提高传感器的数据的测量精度，本课题采用了一款16位、SPI接口的ADC——ADS8344。ADS8344是一款高性能、低功耗的ADC，采用2.7~5V单电源供电，最大采样频率为100kHz，信噪比达84dB，自带采样/保持电路，包含8个单端模拟输入通道(CH0~CH7)，也可合成为4个差分输入。参考电压VRFF的范围为500mV~VCC，相应的每个模拟通道的输入为0V~VREF[12]。ADS8344电路原理图如图2.9所示。C81uFCH01CH12CH23CH34CH45CH56CH67CH78COM9SHDN10VREF11VCC12GND13GND14DOUT15BUSY16DIN17CS18DCLK19VCC20U3ADS8344EAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7GNDVCCGNDVCCVCCSCKMOSIMISOBUSYCSGNDVREF图2.9ADS8344电路原理图为了保证ADC的转换精度，本课题采用MAX4230对每一路的输入信号进行调理缓冲及阻抗匹配。MAX4230放大器可以提供10MHz带宽，2V/μs转换速率、满摆幅的输入与输出，以及在5V电压或低至2.7V电压下运行的能力。MAX4230的偏置电流典型值为50pA，可以在不影响精度情况下具有相当高的输入阻抗[13]。MAX4230电路原理图如图2.10所示。R110C40.22uFR34.7KC2100pCH0AIN0VCCGNDC260.1uFGND31542U1MAX4230图2.10 MAX4230电路原理图

172.3.4 RS-232电平转换电路为了实现与上位机的数据通信，本课题利用单片机的SCI0接口经MAX232[14]进行RS-232电平转换后与PC机的串口相连。SCI的接收和发送都有独立的使能和中断位，串口数据发送和接收过程可以通过中断方式或查寻方式。在全双工模式下，两者可以独立或同步运行。为了确保数据

的完整性，SCI模块可以检查接收数据的断点，校验位和帧错误。1310118129147C1+1C2+4GND15C1-3VCC16C2-5V-6V+2U2MAX232C16 224C18 224C17 224C25 224162738495P2DB9PS0/RXD0PS1/TXD0VCCGNDGND104C27GND图2.11 RS-232电平转换电路2.3.5数码管显示电路为了实现对两轮自平衡电动车的控制过程中的实时数据显示，本课题设计了数码管显示电路。利用数码管的驱动芯片ZLG7290，来实现对8位数码管的显示驱动，其电路原理图如图2.12所示。ZLG7290键盘/LED驱动器是周立功公司针对仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯片。该芯片能自动完成8位LED数码管的动态扫描和(最多)64按键检测扫描，大大减轻单片机的用于显示/键盘的工作时间和程序负担，可使集中资源用于信号的检测和控制。由于采用I2C总线方式使得芯片与单片机间的通讯只用2个I/O口便可完成，节省了单片机有限的口资源。该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。ZLG7290的I2C接口传输速率可达32Kbit/s，容易与处理器接口并提供键盘中断信号，提高主处理器时间效率。ZLG7290的从地址（slave address）为70H（01110000B）。

18ZLG7290内可通过I2C总线访问的寄存器地址范围为：00H~17H，任意一个寄存器都可按字节直接读写，也可以通过命令接口间接读写或按位读写。支持自动增址功能（访问一个寄存器后，寄存器子地址（sub address）自动加一）和地址翻转功能（访问最后一个寄存器（子地址17H）后寄存器子地址翻转为00H）。ZLG7290的控制和状态查询全部都是通过读/写寄存器实现的，用户只需像读写24C02内的单元一样，即可实现对ZLG7290的控制[15]。DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7 SEGASEGBSEGCSEGDSEGESEGFSEGGSEGHSDASCLR17220R18220R19220R20220R21220R22220R25220R26220ABCDEFGH100KR27470pC24RST12Y1XTALC2322pC2522pR2333.KR2433.KDgi713Dgi612Dgi521Dgi422Dgi33Dgi24Dgi15Dgi06SDA20SCL19INT14GND11RESET15OSC117OSC218VCC16SegH10SegG9SegF8SegE7SegD2SegC1SegB24SegA23U10ZLG7290GND*84SEGE1SEGD2SEGH3SEGC4SEGG5COM46SEGB7COM38COM29SEGF10SEGA11COM112U11GONGYINHABCDEFGDIG0DIG1DIG2DIG3*84SEGE1SEGD2SEGH3SEGC4SEGG5COM46SEGB7COM38COM29SEGF10SEGA11COM112U12GONGYINHABCDEFGDIG4DIG5DIG6DIG7VCCVCCGNDVCCRSTGND图2.12 8位数码管显示电路2.3.6方向盘数据读取电路本课题所采用的方向盘的通信接口为USB总线，这就需要实现一个USB主机，来读取方向盘的各种数据，为了使设计更为简单，本课题选用了一款USB总线的通用接口芯片CH375，来实现上述功能。CH375支持USB-HOST主机方式和USB-SEVICE/SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP、MCU、MPU等控制器的系统总线上。在USB主机方式下，CH375还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串

行输出和中断输出与单片机、DSP、MCU、MPU等相连接。

19CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。CH375还内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备（包括USB硬盘、USB闪存盘、U盘）[16]。如图2.13所示，本课题采用STC89C52作为CH375的控制芯片，STC89C52通过P1口与CH375的数据总线相连，读写控制线分别连接到P3.5和P3.4引脚上；STC89C52将完成对CH375内部端点寄存器的读写，并将读取到的方向盘数据通过串口发送出去。P15.1P16.2P17.3SRT4P30.R/xD5P43./INT26P31.T/xD7P32./INT08P33./INT19P34.T/010P35.T/111P36.W/R12P37.R/D13TXAL241TXAL151SVS61P40.172P0.A/8812P1.A/9912P2.A/10022P3.A/11122P4.A/12222P5.A/13322P6.A/14422P7.A/1552SPEN62LAE72P41.28AE92P07.A/D730P06.A/D631P05.A/D532P04.A/D433P03.A/D334P02.A/D235P01.A/D136P00.A/D037DDV83P42./INT339P10.T/240P11./T2EX41P12.42P13.43P14.44U1STC89C521 2Y220pFC1220pFC1512Y120pFC120pFC3GNDP10.P11.P12.P13.P14.P15.P16.P17.1P0.1P1.1P2.1P3.1P4.1P5.1P6.1P7.GNDGNDVCCTXLA1TXLA2XTAL1XTAL2RXDTXDA0WRRDINT0NIT0RWRD A0 IXXO OX IXGNDGNDGNDCAKVCCC4104C9104GNDR210K3V1KR5GNDSRT1AE3101 1189214171C+12C+4NGD511C-3CVC612C-5-V6+V2U3MAX232C11224C14224C13224C16224594837261P2DB9XRDXTDGNDGNDGNDGNDVCCS1RESETVCCC210uFGNDSRTRSTNIT1SRT12RW3DR4XTD5XRD6CN70A83V9+D01-D11NDG21IX31OX410D511D612D713D814D915D026D127D22NDG32CAK42SRT52SRT62SC72CVC82U2CH375+D-D图2.13方向盘数据读取电路

202.3.7无线数据传输模块为了在两轮自平衡电动车行驶过程中对其进行上位机监控，本课题采用如图2.14所示无线数据传输模块APC200A-43将电动车的实时数据发送到上位机，上位机的串口只需再连接一个APC200A-43模块，就可以实现数据的接收。APC200A-43模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24bits连续突发错误，达到业内的领先水平。APC200A-43模块提供了多个频道的选择，能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，并提供UART/TTL，RS485以及RS232三种接口。同时小体积，宽电压运行，较远传输距离，丰富便捷的软件编程设置功能，使APC200A-43模块能够应用与非常广泛的领域[17]。图2.14无线数据传输模块2.4本章小结本章介绍了两轮自平衡电动车的机械结构以其硬件设计。两轮自平衡电动车采用对称结构，驾驶者可以通过方向盘来控制电动车的前进、后退、左转、右转。两轮自平衡电动车的硬件系统采用的主控制器为飞思卡尔公司的MC9S12XDP512，本章详细地的描述了MC9S12XDP512的硬件特性，并对其周围各功能电路

进行设计，为后续几章的研究打下了基础。

21第3章双直流无刷电动机驱动器设计3.1引言直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护，换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。直流无刷电动机是电动车领域主要使用的电机种类，通过对直流无刷电动机不断改进，使其具有了更大的输出功率以及更好的控制特性。对于传统电动车而言，由于其结构特点，只需要一个驱动轮，然而两轮自平衡电动车的具有两个并行排列的驱动轮，传统的电动车驱动器无法实现对两轮自平衡电动车电机的驱动要求，因此需要设计出针对两轮自平衡电动车的双直流无刷电动机的驱动器。本章将介绍直流无刷电动机的结构组成以及工作原理，并详细叙述双直流无刷电动机驱动器的设计过程与设计方法。3.2直流无刷电动机简介3.2.1直流无刷电动机的结构直流无刷电动机的结构原理如图3.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，…）组成。图3.1中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关管VT1、VT2、VT3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。

22图3.1直流无刷电动机原理图当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位量传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图3.2所示。图3.2直流无刷电动机原理框图电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电动机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上，图3.3示出了典型直流无刷电动机本体基本结构图。直流无刷电动机电子开关线路是用

来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分

23组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用于控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处置后才能去控制逻辑开关单元。图3.3直流无刷电动机本体基本结构图电子换向电路分为桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与电子换向电路的连接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形全控状态和三相星形半控状态连接。早期的无刷直流电机的换向器大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展，在中小功率的电动机中换向器多由功率MOSFET或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。位置传感器是直流无刷电机的关键部件，起着转子位置跟踪器的作用，位置传感器跟踪转子与电动机转轴相联接，它将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。各种不同工作原理的角位移传感器都可以用来做永磁无刷直流电机的转子位置传感器，最常见三种是电磁式、磁敏式、光电式[18]。

243.2.2直流无刷电动机的驱动方法在直流有刷电机中，电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时，其中的电流要改变方向，所以电刷的位置决定着电机中电流换向的地点。这就是说，直流有刷电机的电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和直流无刷电动机相比，就不难看到，其实直流无刷电动机和直流有刷电动机一样，本身都是一台同步电动机，只是直流有刷电动机中加的是一个机械的逆变器-换向器，而无刷直流电动机中则采用电子换向装置-电子逆变器代替机械换向器的作用。尽管二者构造不同，但它们所起的作用却是完全相同的，都是为了实现直流电动机的正确换相。直流无刷电机，其转子采用永磁体励磁产生直轴位置的励磁磁场，而定子为电枢绕组通过功率控制器控制各相绕组的通断状态产生旋转磁场。由于定子电枢绕组通断状态的组合方式是有限的，因此定子电枢绕组产生的电枢磁场位置也是有限的，其产生的磁场是跳跃式前进的。这种跳跃式前进的磁场

仍然要与转子磁场保持相对同步。如果定子磁场相对于转子磁场始终超前90°电角度左右范围内运动，那么定子电枢磁场总是吸引转子永磁励磁磁场，它们之间能能够产生正的平均电磁转矩。同样，如果定子磁场相对于转子磁场始终滞后90°电角度左右范围内运动，那么定子电枢磁场同样能吸引转子永磁磁场，它们之间也能够产生负的平均电磁转矩。虽然定转子磁场之间存在相对运动，但不会影响转子跟随定子磁场反向旋转。否则，定子电枢磁场与转子励磁磁场之间的相对运动将导致产生的平均电磁转矩很小甚至为零，不能驱动负载连续运行，最终转子停止不动，这种情况称之为失步。要保持定转子磁场产生平均电磁转矩，就必须保证定转子磁场在空间保持相对静止。这种相对静止有两层含义：一是恒定的平均电磁转矩而不是恒定的瞬时电磁转矩，即顺势转矩可以变化，但总体上存在一定大小的平均值，这种电磁转矩瞬时变化由具有机械惯性的转子起到平滑作用，即转速波动随着转子转动惯量增大而减小。二是定转子磁场在空间上保持相对静止而不是保持相互之间的绝对静止，即使瞬时定转子磁场之间存在相对运动，但总体上始终保持同步以产生恒定的平均电磁转矩。正是由于定

25转子磁场保持相对静止能够产生平均电磁转矩的原理造就了功率电子开关线路驱动的直流无刷电机[19,20]。直流无刷电动机的电枢绕组通常有三种接法，三相非桥式星形接法，三相桥式星形接法，三相封闭式桥式接法（绕组为三角形接法）。在三相桥式中，功率开关元件的导通方式又可以分为两两导通（120°导通型）和三三导通（180°导通型），其输出的转矩大小不同，但转矩性质相同。现以两两导通星形三相六状态120°无刷直流电动机为例具体说明其工作原理。图3.4三相全桥逆变电路驱动电路部分采用全桥电路如图3.4所示，通过调节功率器件的开关顺序来实现直流无刷电动机的换相控制，并可以实现电动机的正反转控制。图3.5 120°霍尔无刷直流电动机的换相时序示意图在本课题中采用此换相时序，根据检测到的霍尔信号来决定换相策略，由图3.5可见，只在上桥臂采用了PWM控制，而下桥臂控制信号并未调制PWM信号。此方法的优点就是易于实现，但会带来上桥臂功率器件工作压

26力大，使用寿命低于下桥臂器件。三路霍尔的输出信号可以组成6种位置信息，通过此位置信息，来控制换相。例如，当H1、H2、H3组成的编码为101(高电平为1，低电平为0)时，电流从电动机U相流入，V相流出；当H1、H2、H3变为100时，电流从U相流入，W相流出。在这样的控制方式下，电动机

实现连续转动。3.3双直流无刷电动机的驱动器硬件设计双直流无刷电动机的驱动器采用ARM7内核的32位处理器LPC2132作为主控制器，它的主要作用是产生两个直流无刷电机控制PWM信号、检测两个直流无刷电机的转速和电流，并且通过通信接口与上位机和主控制单元进行数据传输。两个直流无刷电机的换相逻辑是由CPLD产生的，本设计采用的是Altera公司MAX II系列的CPLD—EMP240T100C5。由CPLD读取两个直流无刷电机的霍尔传感器的输出信号，通过其内部逻辑电路产生开关电路的控制逻辑，并且产生与电机换相频率相同的时钟信号，将时钟信号传送给LPC2132的定时器捕获模块，经LPC2132进行采样测量后，作为电机的速度值反馈到主控制单元或由上位机显示。双直流无刷电动机的驱动器采用了增强绝缘栅型场效应管STP75NF75作为三相全桥逆变电路的开关管，并利用分立元件组成了场效应管的驱动电路。图3.6硬件系统框图

273.3.1 LPC2132简介LPC2132是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位的微控制器，并带有64KB的嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb?模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。LPC2132有以下特性：小型LQFP64封装的16/32位ARM7TDMI-S微控制器；16/16/32/32KB片内静态RAM；片内Boot装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/IAP）。扇区擦除或整片擦除的时间为400ms，1ms可编程256字节；EmbeddedICE?RT和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内RealMonitor软件）和高速跟踪执行代码；1个8路10位A/D转换器共包含16个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us；1个10位D/A转换器，可提供不同的模拟输出；2个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗；实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗；多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400 Kbit/s）、SPITM和SSP（具有缓冲功能，数据长度可变）；向量中断控制器。可配置优先级和向量地址；多达47个（可承受5V电压）的通用I/O口（LQFP64封装）；9个边沿或电平触发的外部中断引脚；通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率，PLL的稳定时间为100us；片内晶振频率范围：1~30MHz；

282个低功耗模式：空闲和掉电；可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗；通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；单个电源供电，含有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路：CPU操作电压范围：3.0~3.6V(3.3V±10%)[21]。PWM1DIR1PWM2DIR2DIR_IN1DIR_IN20P4._SCK00P6._

MOS0IP12.0_P48RnSTP11.6_P16P11.7_P12P02.2_P20P5._MSOI0P11.9_P4P11.8_P8P02.7_P110P2._SCL00P3._SDA00P0._TXD0P01.R_D0X1P2.4_3P2P02.8_AD01.P02.9_P14VDD33.DV3D3.V33.ATnRSTDTIMTSCTKTRKCDTOP02.5_P9P01.0_RTS1P01.1_CTS1P01.2_DSR1P01.3_DTR1P01.4_DCD1P01.5_RI1P01.6_EINT0P01.7_CAP12.0P1.8_CA1P3.P02.1_CAP13.SVS52P03.S/A/DMAT00.E/INT162P04.S/KC0CA/P01.72P12.5EX/IN0T82P02.1P/WM5C/ap13.1P02.2C/ap00.M/AT00.2RTXC13P11.9T/RACEPKT34RTXC25V3A7VSS6P11.8T/RACEPKT28P02.59P02.6/AD05.10P02.7/AIN0C/AP01./MAT01.11P11.7T/RACEPKT112P02.8/AIN1C/AP02./MAT02.13P02.9/AIN2C/AP03./MAT03.14P03.0/AIN3/EINT3/CAP00.15P11.6T/RACEPKT0160P3.171ssV81P00.T/XD0P/WM1911P3.1T/RTS020P1.R/XD0PW/M3E/NIT012P02.S/CLC/AP.00223V321P2.6R/TCK42P05.M/ISO0M/AT.0192P06.M/OSI0C/AP.0203P07.S/SL0EP/WM2EI/NT213P12.4TR/ACCEKL23P08.T/XD1P/WM433P09./RXD1/PWM6/EINT334P01.0R/TS1C/AP10.35P12.3P/IPESTAT236P01.1C/TS1C/AP11.37P01.2D/SR1M/AT10.38P01.3D/TR1M/AT11.39P12.2P/IPESTAT140P01.4D/CD1E/INT141P12.1P/IPESTAT044P01.5R/I1E/INT245P01.6/EINT0/MAT02./CAP02.46P01.7/CAP12./SCK1M/AT12.47P12.0T/RACESYNC48VSS42V343BVAT94SVS053V151P3.0T/MS250P1.8C/A1P3.M/SOI1M/AT13.35P01.9M/AT12.M/SOI1C/PA12.45P02.0M/AT13.S/SL1EE/IN3T551P2.9T/CK65R/SETE750P2.385VSAS951P2.8T/DI06TXAL216TXAL1261VA8361P2.7T/D046U2LPC2138RTXC1RTXC2P02.6_P10P03.0_AD03.P12.1_P44P12.2_P40P12.3_P36P08._TXD1P09._RXD10P3.1_1P71P2.5_2P80P7._PWM20P1.9_CA1P2.0P2.0_EINT3TXAL2TXAL1rVef_P36VSAS0P2.3_5P8bVatDDV.3330pFC430pFC3XTAL1XTAL212Y1110.592MHZGNDV33.AGNDGNDGNDGND GND1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 20J1ARMJ TAGVDD33.nTRSTTDITMSTCKRTCKTDOR247.kVDD33.GNDGNDK1nRSTRESETMR1VCC2GND3PFI4PFO5MC6RST7RST8U4MAX708S+5VccGNDGNDJP1ISPVDD33.10KR4GNDSPEED1SPEED2JTAGISPCur_IN1Cur_IN2图3.7 LPC2132电路原理图如图3.7所示，以LPC2132为核心的电路中包括有：JTAG调试接口电路、复位电路、ISP选择电路、以及时钟电路。LPC2132通过图中所示的DIR1、DIR2、PWM1、PWM2、DIR_IN1、DIR_IN2、SPEED1、SPEED2引脚与CPLD相连，分别实现左右电机的转向控制信号和控制PWM的输出以及左右两电机的转向和转速信号的输入；左右电机的电流输出信号连接到Cur_IN1、Cur_IN2引脚，可以通过LPC2132的内部10位ADC对其采样。3.3.2位置信号译码电路由于两轮自平电动车的执行元件为双直流无刷电动机，对一般的微处理器而言，很难做到对两个无刷电机的同时驱动，这要求处理器具有较多的PWM输出引脚（至少12个）、较快的运行速度能够快速对位置传感器的输

29出进行处理并输出电机的换相逻辑。本课题利用CPLD EMP240很好地解决了上述问题。EPM240是Altera公司MAX II系列器件中的一员[22]。MAX IICPLD系列的体系结构使其在所有CPLD系列器件的单位I/O引脚的功耗和成本最低：支持高达300MHz的内部时钟频率，面向通用低密度逻辑应用。MAX II CPLD可替代高功耗和高成本ASSP以及标准逻辑CPLD。EPM240含有240个逻辑单元(LE)，等效于192个宏单元