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自平衡两轮电动车控制系统设计

袁洪跃  
【摘要】:自平衡两轮电动车是一种具有左右两轮且能自动保持平衡的倒立摆系统,它是移动机器人的一个分支,具有自主保持车体平衡不倾倒的能力。自该车作为载人代步工具问世以来,由于其独有的占地面积小、机动灵活性强、能零半径转弯、驾驶方式简单等优点而广受市场关注。同时该车又是一个复杂的机电一体化系统,该系统包括驱动模块、电源模块、传感模块、车体控制模块、机械本体等,并广泛涉及电机驱动技术、电源技术、传感技术、信号处理技术、控制理论、机械机构设计学等多领域的内容。由于其技术的复杂性使得目前只有少数企业具备研发该车的能力,从而形成了技术垄断。又由于其系统的复杂性而增加了该车的制造和维护成本,同时又降低了其运行的可靠性。 自平衡两轮电动车的关键技术在于能否高性能地控制车体保持动态平衡状态,故本文研究该车的自平衡控制方式,旨在设计一种自平衡控制系统,并完成此系统关键模块的设计。该控制系统应能够在保持良好平衡动态性能的基础上简化系统结构,从而进一步降低该车的生产、维护成本,提高其运行的可靠性。为此本文具体完成了以下工作: ①重要模块的硬件设计。设计了该车自平衡控制系统重要部分的硬件电路,包括姿态信号检测模块、电机驱动器主电路驱动与缓冲模块等; ②姿态检测滤波算法的设计。基于Kalman滤波器设计了多传感器信号融合滤波算法,以抑制传感信号的温度漂移现象和增强其抗干扰的能力; ③自平衡两轮电动车的数学建模。本文所建立的模型与传统模型不同,它将自平衡车驱动电机的电枢电流(而非传统的电枢电压)作为控制量引出。该模型能够描述自平衡车自我平衡控制的本质,即直接控制转矩电流的平衡控制方式。故本文将该模型称为直接转矩模型。由于建立了直接转矩模型,之后所提出的能够简化系统结构的无车速传感器平衡控制方式才能够以此为基础建立起来。此模型是无车速传感平衡控制器的设计依据; ④自平衡控制器的设计。该部分为本文的核心部分,设计了无车速传感器变结构平衡控制方法,这里的车速可由电机轴转速传感信号反映。对于自平衡车的传统平衡控制方式而言,若要求较高的平衡动态性能则必须要引入车体的全部状态反馈,其中车速就是系统中的一个状态,这样在控制系统中就必然安装车速传感器,因此增加了系统复杂度。本文设计了一种无需车速传感,同时还能保持良好的平衡动态性能的控制器。该控制方式既为无车速传感变结构平衡控制方式,其设计以直接转矩模型为依据,以滑模变结构控制器为核心,控制目标是在车体因受扰动而偏离平衡位置时控制其快速平稳地恢复到平衡状态,使系统动态稳定。其优点在于比起需要引入车速反馈的传统控制方式,该方式省去了车速传感环节,从而降低了系统复杂度,同时还可以保持良好的平衡动态性能。本文通过MATLAB仿真验证了该方式的可行性,同时与传统控制方式进行了仿真对比研究,验证了该方法在平衡控制动态性能上的优越性。最后,本文提出了该控制方式所存在的缺点,即无法自我消除速度的积分效应所带来的不稳定风险,并对其进行了说明。 根据本文的设计思路,最后成功地制作出了可载人运行的实物样机。这又进一步用实践验证了本设计的可行性。


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