双轮纵列车辆平衡系统设计

双轮纵列车辆平衡系统设计

梁嵩

梁嵩

武汉城市职业学院

摘要：介绍了双轮纵列车辆平衡系统基本设计方法。利用单片机对陀螺电机的控制实现双轮纵列车辆自平衡，并结合直流电能回馈功能提高系统的能效。

二十一世纪，一个“绿色环保”的时代，人们不但要求节约能源，更注重起居住环境和生态环保。双轮纵列车辆如电动自行车性能的不断提升，而它的快捷、环保、方便和廉价，同时也激发了市场对它的消费需求。电动车方便的原因就是它轻巧，可以在马路上穿行，不受堵车困扰，但是行驶过程中的轻微擦碰往往就变成了很多车祸事件的罪魁祸首，每年由于电动车而引发的交通事故很多。车辆的自平衡系统能有效解决此类问题。

一、车辆平衡机械原理

陀螺仪具有进动性，即当转子高速旋转时，外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动，若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动，其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。进动角速度的方向取决于动量矩的方向和外力矩的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。进动角速度的大小取决于转子动量矩的大小和外力矩的大小。利用两个陀螺仪保持每分钟4000—10000转的转速，来保持动量矩和外力矩的平衡。

二、陀螺转动控制

无刷直流电机具有传统直流电机的优点，取消了碳刷、滑环结构，可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；体积小、重量轻、出力大，转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；并且无级调速，调速范围广，过载能力强，效率高。采用电机无刷直流电机驱动陀螺能提高可靠性，稳定性，适应性，耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长。

控制核心采用AT89C51单片机通过PWM对电机转速进行PID控制。单片机最小系统:单片机最小系统由51单片机，晶振电路，复位电路，电源组成。电机驱动电路：电机驱动电中是采用ULN2003来驱动。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。其中IN1~IN7为输入控制端；OUT1~OUT7为输出端；8脚为芯片的接地端；9脚为公共端，该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。

当P1.0中为高电平时，其内部三极管导通，使电机转动。当P1.0为低电平时，内部三极管截止，电路断开，电机停止转动。所以在程序中可以利用P1.0口输出PWM波来控制电机的转速。

红外测速电路:发射管工作时发出红外线，当接收管收到红外信号时，其电阻变小（本设计相当于从无穷大变到1k左右）。利用其电阻变化，改变接收管分压情况。挡片是利用圆盘上剪四个孔，当挡片随电机转动时，接收管两端电平发生变化，产生脉冲。

整形电路:本设计的整形电路是用555定时器接成的施密特触发器。用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外本系统中使用了红外对管对直流电机的转速进行测量，经过整形电路后将测量值送到单片机，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PID运算从而实现了对直流电机速度的控制。

三、电能回馈系统

稳压电源模块是通过变压装置的变压转换，输出电路所需要的工作电压，为整个系统不同电路装置提供所需的电压和电流，是整个系统的动力保证。对无刷直流电机讲，它仅能依靠电池的形式来供电，但是电池的能量储存总是越来越少，所以说一定要定时检测一下电源电压以确定此时电池的剩余电量，避免电池使用过量而缩短电池的使用寿命。调速模块对电机进行速度调速。它通过霍尔转把输出电压大小变化调节速度。单片机输出驱动IR2130的信号后，对逆变器中各功率管进行导通。逆变桥电路输出电机所需要的电压，为电动机提供动力。

单片机处理传感器信号，经过计算后向逆变桥发出控制指令，使电机转动起来；单片机控制模块经过对调速信号的采集，计算出电机的预定运行转速，给出实际速度与预定速度间的差值，最后采集逆变桥的电流，在电流没达最大电流前提下，单片机通过调PWM波的占空比进行调速；运行时，控制模块又要读取检测电源的电压，保证电源没处在欠压状态。

利用定时的方式对信号进行扫描：检测输入模块时，几个模块根据自身对时性要求不同，进而设定不同的定时检测周期；而对于输出信号，因为实时性的要求，使得中断程序不可太过冗长，当单片机检测接受了某一项触发任务时，设置相应标志位，等到退出中断程序后再执行，如果是对必须立即执行完成的任务，可安排在中断程序实现。 从无刷直流电机自身特性方面分析，对于检测输入信号，平均每128us都要的电机相序、电流以及逆变桥的电流进行检测，而调速功能检测、刹车功能检测以及欠压保护功能检测则对实时性要求低，仅需每10ms至50ms定时检测就可满足要求。

四、结论

当车辆因为外力或转弯发生倾斜时，自控系统会控制陀螺仪的转速并根据情况变换倾斜角度，来调整车辆的平衡，在系统电能动能之间能够有效转换，提高能效，并且极小影响车辆的行驶里程。

参考文献

[1]周黄无刷直流电机控制系统的建模与仿真研究测控技术2007,26（9）

[2]胡庆波，吕征宇直流无刷电机中相序故障自恢复功能的实现伺服控制2006,5（30）

[3]宋桂云陀螺仪的应用及发展有色金属2002,11（23）

[4]吕宽州，陈素霞，黄全振基于陀螺仪的无人自行车平衡控制方法计算机测量与控制2015,23（38）

[5]张宪起，董冀，俞瑛微机械陀螺仪性能指标测试及计算方法集成电路通讯2009,12（18）

[6]姜书政，王桂海基于AT89C52单片机的电机控制系统设计数控技术2009,11（15）