平衡车原理和扑街解释

平衡车原理和扑街解释摘要: 说到仆街的原因或者原理，必须从平衡车的原理说起。

本文为 buaa_dingo 原创一、自平衡基本原理所有前后方向具有自平衡功能的车辆，双轮或者独轮，都是基于倒立摆原理。

自平衡车实际上是一个比较 ...说到仆街的原因或者原理，必须从平衡车的原理说起。

本文为buaa_dingo原创一、自平衡基本原理所有前后方向具有自平衡功能的车辆，双轮或者独轮，都是基于倒立摆原理。

自平衡车实际上是一个比较简单的单级倒立摆系统，只是由于有驾驶员的操纵，为这个简单的单级倒立摆系统引入了一些非线性因素，但是也并不复杂。

简单文字描述如下：1）最简单的自平衡车系统，包括控制器、姿态传感器和执行器（电机），以及必要的电源（电池）和结构零件（让小车组合在一起具备功能）。

其中，控制器能够测量姿态传感器输出的姿态信息，并比较精确地控制电机运转；姿态传感器可以每秒输出100-500次姿态数据（俯仰、滚转、方向）；执行器（电机）可以提供整车运动的动力。

2）当驾驶者向前倾斜身体时，会带动车子向前倾斜。

此时控制器可通过姿态传感器感知到这个倾斜，并命令电机向前旋转。

这样，驾驶者前倾的时候，车子也会往前走，从而“追上”打算往前倾倒的驾驶者，保持动态平衡。

3）当驾驶者身体向后仰时，会带动车子向后倾斜。

此时控制器可通过姿态传感器感知到这个倾斜，并命令电机向后旋转。

这样，驾驶者后仰的时候，车子也会往后走，从而“追上”打算向后倾倒的驾驶者，保持动态平衡。

4）控制器每秒钟执行100-500次2、3的过程，不停地测量车子姿态，不停地调整电机的转动方向和转速。

这样就保持一个动态的平衡。

不管驾驶者往前还是往后倾斜，车子都会自动“追上”驾驶者，保持平衡。

参考文献：美国专利：Personal Mobility Vehicles and Methods，U.S.Patent No.6,302,230 B1，Oct.16，2001中国专利：CN02807642-使用重心及质量移位控制系统的车辆和方法，2010主要影响自平衡性能的几个因素是：车子方面：1）电机的响应速度（专业名词:机械时间常数）2）电机的扭矩和功率（稍后详细分析）3）能源供应功率（电池的持续输出功率和最大输出功率）4）控制器的控制算法水平和反应时间5）轮胎抓地性能。

驾驶者方面：1）驾驶习惯2）路况3）驾驶者对自己车子的了程度接下来逐一分析。

==========================================先说电机。

大部分自平衡车产品都是用的无刷直流电机。

主要是因为有刷电机的使用寿命一般只有几百或者一两千小时，虽然技术简单、成本低，但这么低的寿命，显然不适合用在可靠性事关人身安全的产品上面。

（别提思维翼那类的货啊。

）百度百科-无刷直流电机/view/1410721.htm高档的双轮自平衡车，基本用的是高转速电机+齿轮减速器的组合；电机转速比较高，一般在2000-4000RPM，通过减速齿轮把速度成倍降低，同时也成倍地提高输出扭矩。

由于减速器的存在，这种形式的电机启动迅速、反应快，扭矩相对较大，因此大都用于高性能场合。

但是要做好齿轮减速器不容易，成本也高，减速器质量不好的话，噪音大、效率低，而且有时候会出现齿轮损坏卡死的情况。

一旦齿轮卡死，仆街基本是必然的了。

低档双轮自平衡车或大部分独轮平衡车，都采用低速直驱电机，俗称直驱轮毂电机，由于省掉了齿轮箱，因此结构比较简单，可靠性高，但是由于直驱电机没有齿轮箱，就需要电机直接输出很大的扭矩和较低的转速，就造成需要很多绕组极对数（可以自己百度一下），绕组多了、磁钢也就多了，绕组所用的硅钢片也就多了，因此整个电机势必尺寸大、沉重。

而且电机转子重了，其惯性必然增大，响应速度是无法和同样参数的高速电机+减速器的方案相比的。

直观来说，就是轮毂电机的反应较为迟钝。

大家很容易理解，反应比较快的电机，相比反应比较迟钝的电机，更不容易让驾驶者仆街。

Rockway的齿轮减速电机，是造成其性能强劲的主要原因，也是造成其号称噪音接近拖拉机的主要原因。

直流电机的特点是，电机的输出扭矩与他的绕组所通过的电流（相电流）成正比。

因此，只要控制器的设计功率足够，理论上可以让一个小独轮车爆发出大卡车的扭矩来。

我们知道，只要扭矩足够，自平衡车就基本可以确保可以跟上驾驶者的急加速、急刹车等各种剧烈动作。

甚至可以（不严谨地）说，只要扭矩足够，永远不会动力不足而仆街。

当然实际上由于绕组铜线的电阻会造成电流越大发热越严重，以及绕组的硅钢片有磁饱和的极限，电机的输出扭矩是不可能无限制增加的。

尤其是在高速情况下，电机的最大扭矩会迅速减小；因此对同一款产品来说，驾驶速度越高，仆街的可能性就越大。

为什么呢？下面就需要引入“反电动势”的概念。

（不想详细了解的可以绕过此段，只需要了解速度越高越容易仆街就好了）百度百科：反电动势/view/960986.htm?fr=aladdin反电动势可以通俗地理解为电机自身抵抗转速无限制升高的一种特性。

当电机设计确定后，唯一决定其反电动势的因数就是转子的转速。

随着转子速度的增加，反电动势也随之增加。

电机转的越快，反电动势越高；而反电动势一旦升高到等于电机输入电压，那么输入电压与反电动势之差等于零了，这时候电机的转速就再也上不去了。

这个时候的转速，就是电机的空载转速。

可以看出，由于电机的反电动势只与转速相关的，那么一旦电机选定了，制约自平衡车能跑多快的因素，就只剩下供电的电压了。

电压越高，反电势与供电电压平衡时的对应转速就越高，也就是说电压越高，电机的极限转速越快。

再也就是说，对同一个自平衡车来说，电压越高，极限速度就越高。

当然，对不同的电机来说，我们不能认为电压越高的车，跑得越快。

毕竟不同的电机，有完全不同的反电动势常数。

反电动势与转速成正比这个特性导致：电机转速越高，电机所能容许通过的电流就越小（不管控制器实际能输出多少电流），也就是说电机转速越高，电机所能输出的最大扭矩就越小。

（电源与反电动势之差小了，而绕组铜线的直流阻抗是不变的）。

这就是为什么仆街都在高速。

速度一旦接近电机的额定或者空载转速了，它所能提供的扭矩就很小，当驾驶者做加速或者减速的动作时，电机就很难让车子跟上；一旦跟不上，就仆街了。

综上所述，电机特性是仆街的第一个重要因素。

这里不得不补充几句关于电机功率的话题。

由于电机输出功率P = 0.1047×转速×负载扭矩，因此每个车子的电机功率都不是一个恒定值。

不同的速度、不同的体重，都会导致电机功率的变化。

完全没有必要以标称功率来衡量一个车子是好还是不好。

各品牌的自平衡车，包括赛格威，标称1000多瓦或者2000多瓦，实际指的是短时最高功率。

对于双轮自平衡车，假设驾驶者体重75kg，以15km/h匀速行驶时，它的输出功率通常也就200-300瓦；对于独轮自平衡车来说也就是150-200瓦。

那么1000瓦或者2000多瓦的意义在哪儿？一方面这个可以说是功率储备。

举个例子，15km/h匀速行驶的某自平衡车，突然遇到一个减速带。

在翻过减速带的瞬间，电机功率可能一下子需要飙升到800-1500瓦。

在静止状态剧烈加速的时候，电机功率可能也会飙升到800-2000瓦（根据加速剧烈程度不同）。

另一方面，由于自平衡车的功率是动态变化的这个特点，大家也都不知道用什么统一的标准来标车子的功率了。

我个人看来，车子的爬坡性能和最高安全速度（注意：是最高安全速度），某种程度上比标称的功率更重要。

这两个参数直接反映了车子的性能和安全性。

==========================================再说电池。

自从Tesla反人类地使用6000多个18650电池组来构成其Model S的电池组后，大家都开始用18650锂电池了。

18650电池，目前用在电动车上的主流包括三种，钴酸锂材料，磷酸铁锂材料（Solowheel、比亚迪）三元聚合物材料（Tesla Model S，SONY V3，三星P系列，LGC-ME\MF\MG系列），关于锂电池的几个科普贴：磷酸铁锂和锰酸锂的性能比较/s/blog_4cffe8e00101etve.html三元锂电池应用或将替代磷酸铁锂电池？/n/2013-03-11/n11362979190214.html钴酸锂电池容量大，电压高，价格低。

但是安全性存在重大问题，前些年爆出过不少手机电池爆炸、笔记本电池起火，就这种材料。

目前自平衡车行业，凡是负责的厂家应该基本没有用钴酸锂电池的。

磷酸铁锂电池安全性最高，单体循环寿命长，但容量小，电压低，低温性能不佳，最致命的问题是其化学成分决定了电池的一致性不好。

因此磷酸铁锂电池一般做成电池组的话，尽量用大单体，很少有人用18650电芯；18650电芯单体小，一致性不佳的问题会导致用磷酸铁锂电芯构成的电池组，其整体寿命会很糟糕，远远达不到单体电芯的寿命。

某品牌宣称磷酸铁锂电池的安全性和循环寿命，纯属对电池了解不够，经验不足。

三元材料锂电池有很多配方，但概括地说，容量较大，电压高，安全性近年来也已经很高（Tesla敢用6000多个三元锂电芯，放在乘客屁股和脚底下！）。

基本自平衡车行业都在用了。

但是三元锂电池循环寿命不如磷酸铁锂电池，因此需要通过降低充电上限、提高放电下限的方式来延长寿命。

有测试报告显示，同一个三元锂电芯，充电到4.2V、放电到2.5V截止，其循环寿命约600-800次（以循环后剩余80%容量计算）；如果充电到4.1V、放电到3.0V截止，则循环寿命可提高到1800-2000次。

这样的话，放电容量有损失，但寿命延长。

就看厂商如何取舍了。

（也许很多厂商根本不知道这个问题！）同样是三元材料锂电池，有容量型和功率型。

以18650型号来说，目前容量型最大可以做到3500mAh左右，即3.5Ah×3.7V=12.95Wh。

但这种电池基本只能以2-3A的电流放电，电流再增加的话，发热严重、电压掉得厉害，无法给车子用。

功率型一般是1500～2200Ah，连续放电电流可以达到5-15C，即7.5～16A，这样电流的基本上足够自平衡车安全使用了。

松下、LG、三星等厂商也有折中型的方案，例如松下的18650PF这款电池，2900mAh容量，连续放电可以达到10A，算半功率/半容量型。

Tesla Model S就是用的这个电芯。

科普完毕进入正题。

电动平衡车的电池，到底什么参数重要？容量重要还是成分重要？什么是可能导致仆街的关键指标？假设我们在某平衡车车上用了Sony 18650V3的电芯，电池组结构为16串1并，电池组的额定电压是59.2V，电池容量=3.7V×2.2Ah×16=130Wh。