自平衡兩輪電動車控制系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)，它是移動機(jī)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(dú)有的占地面積小、機(jī)動靈活性強(qiáng)、能零半徑轉(zhuǎn)彎、駕駛方式簡單等優(yōu)點(diǎn)而廣受市場關(guān)注。同時該車又是一個復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括驅(qū)動模塊、電源模塊、傳感模塊、車體控制模塊、機(jī)械本體等，并廣泛涉及電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、電源技術(shù)、傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制理論、機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計學(xué)等多領(lǐng)域的內(nèi)

2、容。由于其技術(shù)的復(fù)雜性使得目前只有少數(shù)企業(yè)具備研發(fā)該車的能力，從而形成了技術(shù)壟斷。又由于其系統(tǒng)的復(fù)雜性而增加了該車的制造和維護(hù)成本，同時又降低了其運(yùn)行的可靠性。
　　 自平衡兩輪電動車的關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計一種自平衡控制系統(tǒng)，并完成此系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計。該控制系統(tǒng)應(yīng)能夠在保持良好平衡動態(tài)性能的基礎(chǔ)上簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步降低該車的生產(chǎn)、維護(hù)成本，提高其運(yùn)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(shè)計。設(shè)計了該車自平衡控制系統(tǒng)重要部分的硬件電路，包括姿態(tài)信號檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動器主電路驅(qū)動與緩沖模塊等；
　　 ②姿態(tài)檢測濾波算法的設(shè)計?；贙alman濾波器設(shè)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(xiàn)象和增強(qiáng)其抗干擾的能力；
　　 ③自平衡兩輪電動車的數(shù)學(xué)建模。本文所建立的模型與傳統(tǒng)模型不同，它將自平衡車驅(qū)動電機(jī)的電樞電流(而非傳統(tǒng)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(zhì)，即直接控制轉(zhuǎn)矩電流的平衡控制方式。故本文將該模型稱為直接轉(zhuǎn)矩模型。由于建立了直接轉(zhuǎn)矩模型，之后所提出的能夠簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的無車速傳感器平衡控制方式才能夠以此為基礎(chǔ)建立起來。此模型是無車速傳感平衡控制器的設(shè)計依據(jù)；
　　 ④自平衡控制器的設(shè)計。該部分為本文的核心部分，設(shè)計了無車速傳感器變結(jié)構(gòu)平衡控制方法，這里的車速可由電機(jī)軸轉(zhuǎn)速傳感信號反映。對于自平衡車的傳統(tǒng)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(tǒng)中的一個狀態(tài)，這樣在控制系統(tǒng)中就必然安裝車速傳感器，因此增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。本文設(shè)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(jié)構(gòu)平衡控制方式，其設(shè)計以直接轉(zhuǎn)矩模型為依據(jù)，以滑模變結(jié)構(gòu)控制器為核心，控制目標(biāo)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(fù)到平衡狀態(tài)，使系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)在于比

6、起需要引入車速反饋的傳統(tǒng)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(tǒng)復(fù)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(tǒng)控制方式進(jìn)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(diǎn)，即無法自我消除速度的積分效應(yīng)所帶來的不穩(wěn)定風(fēng)險，并對其進(jìn)行了說明。根據(jù)本文的設(shè)計思路，最后成功地制作出了可載人運(yùn)行的實物樣機(jī)。這又進(jìn)一步用實踐驗證了本設(shè)計的可