自平衡兩輪電動車控制系統設計.pdf

1、自平衡兩輪電動車是一種具有左右兩輪且能自動保持平衡的倒立擺系統，它是移動機器人的一個分支，具有自主保持車體平衡不傾倒的能力。自該車作為載人代步工具問世以來，由于其獨有的占地面積小、機動靈活性強、能零半徑轉彎、駕駛方式簡單等優(yōu)點而廣受市場關注。同時該車又是一個復雜的機電一體化系統，該系統包括驅動模塊、電源模塊、傳感模塊、車體控制模塊、機械本體等，并廣泛涉及電機驅動技術、電源技術、傳感技術、信號處理技術、控制理論、機械機構設計學等多領域的內

2、容。由于其技術的復雜性使得目前只有少數企業(yè)具備研發(fā)該車的能力，從而形成了技術壟斷。又由于其系統的復雜性而增加了該車的制造和維護成本，同時又降低了其運行的可靠性。
　　 自平衡兩輪電動車的關鍵技術在于能否高性能地控制車體保持動態(tài)平衡狀態(tài)，故本文研究該車的自平衡控制方式，旨在設計一種自平衡控制系統，并完成此系統關鍵模塊的設計。該控制系統應能夠在保持良好平衡動態(tài)性能的基礎上簡化系統結構，從而進一步降低該車的生產、維護成本，提高其運行的

3、可靠性。為此本文具體完成了以下工作：
　　 ①重要模塊的硬件設計。設計了該車自平衡控制系統重要部分的硬件電路，包括姿態(tài)信號檢測模塊、電機驅動器主電路驅動與緩沖模塊等；
　　 ②姿態(tài)檢測濾波算法的設計?；贙alman濾波器設計了多傳感器信號融合濾波算法，以抑制傳感信號的溫度漂移現象和增強其抗干擾的能力；
　　 ③自平衡兩輪電動車的數學建模。本文所建立的模型與傳統模型不同，它將自平衡車驅動電機的電樞電流(而非傳統的

4、電樞電壓)作為控制量引出。該模型能夠描述自平衡車自我平衡控制的本質，即直接控制轉矩電流的平衡控制方式。故本文將該模型稱為直接轉矩模型。由于建立了直接轉矩模型，之后所提出的能夠簡化系統結構的無車速傳感器平衡控制方式才能夠以此為基礎建立起來。此模型是無車速傳感平衡控制器的設計依據；
　　 ④自平衡控制器的設計。該部分為本文的核心部分，設計了無車速傳感器變結構平衡控制方法，這里的車速可由電機軸轉速傳感信號反映。對于自平衡車的傳統平衡控

5、制方式而言，若要求較高的平衡動態(tài)性能則必須要引入車體的全部狀態(tài)反饋，其中車速就是系統中的一個狀態(tài)，這樣在控制系統中就必然安裝車速傳感器，因此增加了系統復雜度。本文設計了一種無需車速傳感，同時還能保持良好的平衡動態(tài)性能的控制器。該控制方式既為無車速傳感變結構平衡控制方式，其設計以直接轉矩模型為依據，以滑模變結構控制器為核心，控制目標是在車體
　　 因受擾動而偏離平衡位置時控制其快速平穩(wěn)地恢復到平衡狀態(tài)，使系統動態(tài)穩(wěn)定。其優(yōu)點在于比

6、起需要引入車速反饋的傳統控制方式，該方式省去了車速傳感環(huán)節(jié)，從而降低了系統復雜度，同時還可以保持良好的平衡動態(tài)性能。本文通過MATLAB仿真驗證了該方式的可行性，同時與傳統控制方式進行了仿真對比研究，驗證了該方法在平衡控制動態(tài)性能上的優(yōu)越性。最后，本文提出了該控制方式所存在的缺點，即無法自我消除速度的積分效應所帶來的不穩(wěn)定風險，并對其進行了說明。根據本文的設計思路，最后成功地制作出了可載人運行的實物樣機。這又進一步用實踐驗證了本設計的可