两轮自平衡电动车及其电机控制器设计

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 ：
２ Ｍ ＋ｍ） ｘ＋ ｂ ｘ＋ｍ ｌφｃ ｌ ｏ ｓ ｉ ｎ φ－ｍ φｓ φ＝Ｆ 烄（ ·· ·· 烅（ ２ ） ｌ ｌ ｌ ｘｃ ｓ ｉ ｎ ｏ ｓ ｇ φ ＋ｍ φ＝ｍ φ 烆Ｉ＋ｍ ； 式中 ： 为 倒立摆相对与垂直方向的角位移 ｘ为 φ · · · ··
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 但售价高昂 ， 在美国的价格也要 电动车性能优越 ， 几乎可以购买一辆微型轿车 。 ５ ０ ０ ０ 美元左右 ， 本文给出了一个成本相对较低的两轮自平衡电 并使用 Ｍ 动车设计方案， Ｃ ３ ３ ０ ３ ５和 Ｐ Ｉ Ｃ １ ８ Ｆ ４ ５ ８ ０设计 了其控制器 ， 该方案通过驱动 ２ ４Ｖ 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 。
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 ５ ４ １ ０ ０ ４
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 摘要 ： 电动车的方案 ， 并采用 ＭＣ 通 ３ ３ ０ ３ ５和 Ｐ Ｉ Ｃ １ ８ Ｆ ４ ５ ８ ０ 为主控芯片为两轮自平 衡 电 动 车 设 计 了 一 个 电 机 控 制 器 ， 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 ： ＴＭ ３ ３， Ｔ Ｐ ２ ７ ３ 文献标识码 ： Ａ
， ： 王陆军 （ 男， 硕士研究生 ， １ ９ ７ ３－ ） Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｎ ｌ ｕ ｕ ｎ－ｇ ｌ ６ ３． ｃ ｏ ｍ 作者简介 ： ＠１ ｇ ｊ
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电气传动 ２ ０ １ １ 年 第４ １ 卷 第１ １期
王陆军 ， 等： 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 。 ３． ２ 运算模块 Ｐ Ｉ Ｃ １ ８ Ｆ ４ ５ ８ ０是 Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｈ ｉ ｐ公司推出的一款 高性能闪存型单片机 ， 它采用 Ｒ 最高可 Ｉ Ｓ Ｃ 结 构， 以在 ４ 能够满足两轮 ０ＭＨ ｚ的高 速 频 率 下 工 作 ，
图 １ 两轮自平衡电动车模块框图 Ｆ ｉ ． １ Ｂ ｌ ｏ ｃ ｋ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｔ ｗ ｏ －ｗ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｄ ｇ ｇ ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｉ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｅ ｌ ｆ ｇ
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 接收电机 Ｈ 并通 信号 ， ａ ｌ ｌ信 号 进 行 车 速 度 计 算 ， 过Ｒ Ｓ ２ ３ ２ 串口向 Ｐ Ｃ 发送车速数据以供存储和 － 分析 。 另外 ， Ｐ Ｉ Ｃ １ ８ Ｆ ４ ５ ８ ０ 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 。
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 整车 包 括 ６ 大 部 分 ： 传 感 器 模 块、 运 算 模 块、 电 １， 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
小车的位置 ； 摆杆转动轴心到杆质心的 ｌ 为摆 长 （
２］ 。 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 ２ 个部分 。 车体状态运算主要 是 将 各 传 感 器 测 量 倾斜角速 的数据加以融合 得 出 车 体 倾 斜 角 度 值 、 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 。
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 通过对角速度积分 ， 即可得到角度值 。 陀螺 号的 ， 仪动态性能极佳 ， 不易受被测体速度和加速度影 但它容易产生漂移误差 ， 而很小的漂移经过积 响， 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 不适合跟踪动态角度运动 。 动态加速度影响较大 ， 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 对测量数据的融合计算 ， 用陀螺仪补偿加速度 计， 计的动态误差 ， 用加速度计补偿陀螺仪的漂移误 从而可获得既 具 有 高 动 态 响 应 又 精 确 稳 定 的 差， 测量数据 。 进而判断操作 转角传感测 量 小 车 的 转 动 角 ， 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 在电动 输出与操作手柄 的 转 角 成 正 比 的 电 压 值 ， 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报告车体已处于平衡 ４ ２
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］ ３ ４ － 。 流电机 ［
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电机方案有独立电机加齿轮传动方案与轮机
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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 配合齿轮传动 ， 未见采用轮机一体的轮 侍服电机 ， 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 已经是目前电动自行车的标准配置 ， 本设计采 好， 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 车轮空间也能得到有效利用 。 并且 ， 选 维修维护 ， 择轮机一体的带电机车轮已广泛用于市场上常见
； 长度 ） Ｍ 为小车的质 量 ； ｍ 为倒立摆末端的点质 量； 控制输入 Ｆ 为施加于小车上的 ｇ 为重力常数 ；
［］ 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 为保持车体竖直不倒 ， 必须不断检测 衡是动态的 ， 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 。
图 ２ 运算模块程序工作流程 Ｆ ｉ ． ２ Ｆ ｌ ｏ ｗ ｃ ｈ ａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｇ ｇ
３． ３ 电机方案 无刷直流电机自 １ 已广泛应 ９ ６ ２ 年面世以来 ， 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
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ Ｔ ｗ ｏ ｗ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｄ Ｓ ｅ ｌ ｆ Ｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｉ ｎ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ Ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ － ｇ ｇ
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