双轮载人电动车驱动控制体系概述

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1、双轮载人电动车驱动控制体系概述1绪论1.1课题的研究背景及意义经济的发展和人民生活水平的提高，使得汽车逐渐成为交通运输及日常生活不可或缺的工具，它在社会生产和生活中发挥着十分重要的作用。科学是一把双刃剑，汽车工业的飞速发展在给人们生产生活带来巨大便利的同时，亦衍生了诸如环境问题、能源问题和交通拥堵等问题在内的困扰人类生活和发展的难题[1]。上述问题和矛盾的激化，不仅使汽车的交通功能下降，而且还导致严重的污染，给人们的生活带来严重的威胁。因而目前亟需新型的、对环境友好的、节能的交通工具代替燃油汽车。电动车这一交通工具正是在这一背景下产生和发展

2、起来的。电动车普遍采用蓄电池作为动力源，较之燃油汽车，电动车在使用过程中对环境和人类的污染和影响几乎为零，是较为理想的交通工具。相关数据表明，目前我国的电动车数量已经超过了1.2亿量，是增长最为迅速的交通工具。随着能源危机和环境问题的进一步发酵，电动车必将成为未来主流的交通工具。随着科学和技术的发展，目前市场上出现了一些新式的电动车，以Segunications大学的教授KazuoYamafuji先生。他于1986年设计并制造了一个可以在平行导轨上移动的双轮自平衡机器人，受当时科学技术水平的限制，该机器人只能作直线运动，且其质心是固定的[6

3、]。本世纪以来，随着计算机控制技术及传感器技术的发展，双轮载人自平衡车逐渐得到科研工的青睐，迅速成为了机器人技术的研究热点。在众多科研工的努力之下，这一领域的研究取得了丰硕的成果。2001年，美国发明家DeanKamen先生研制出了世界上第一部双轮载人自平衡电动车Seg/s。2003年，中国科技大学的科研人员研制出自平衡两轮电动代步车FreeMover。FreeMover使用轮毂电机进行驱动，最高时速为10Km/h，采用水平角速度传感器、角速度传感器和转速传感器获取当前状态信息。DSP芯片根据传感器采集的信号，利用平衡控制算法得到实现平衡所

4、需的P信号，通过控制两个直流的输出力矩大小，保持车体的动态平衡[9]。.2双轮载人自平衡电动车的直接转矩驱动系统2.1双轮载人自平衡电动车的数学模型双轮载人自平衡车主要由车轮和车体两个部分构成，车轮是执行机构，车体是随动机构，车体的平衡依靠车轮的动作补偿。当车体失去平衡向右倾斜时，车轮通过加速向右移动保证车体平衡，反之亦然，这即是自平衡车的动态平衡原理。双轮自平衡车车轮的动力来自电机输出的转矩。忽略空气阻力和各种摩擦力等次要因素，可将双轮自平衡车系统简化为如下模型。在模型中定义如下直角坐标系中，前进方向为x轴正向，垂直前进方向的为z轴，两轮

5、的轴线方向为y轴，转角正方向定义为从z轴正向俯视逆时针方向。拉格朗日方程和牛顿力学方程是处理动力学问题的两种主要方法。两种方法处理问题的角度不同，求解过程也大相径庭。拉格朗日方程从系统中各个子系统的速度和能量角度出发，在广义坐标下应用拉格朗日方程建立待求系统的数学模型。牛顿力学从系统内各部分受到的力的约束出发，通过在直角坐标系下建立动力学方程描述系统的动力学特性，最终通过求解方程得到系统的数学模型。两种方法虽过程不同，但最终得到的结果是一致的。为更深入地理解自平衡车的力学本质，本文从牛顿力学出发建立系统的数学模型。..2.2永磁同步电机的数

6、学模型永磁同步电机体积小、功率密度大、可靠性高，适宜用于双轮载人自平衡电动车这种对电机性能要求比较高的系统之中。从控制理论的角度来讲，建立被控对象的精确数学模型是实现高性能控制的前提，因此建立永磁同步电机的数学模型是实现电机控制的首要任务。永磁同步电机是一个非线性、强耦合的系统，获得系统精确的数学模型是非常繁琐且不实际的。为此做下列假设：（1）电机定子的三相绕组为星型连接，并且在空间完全对称；（2）定子电流产生的气隙磁场呈正弦分布，不计谐波及饱和因素的影响；（3）不计电机的磁滞损耗和涡流损耗。3基于最大转矩电流比和弱磁控制的驱动系统全速运行

7、........223.1最大转矩电流比控制.....223.2弱磁控制....243.3永磁同步电机DTC系统的MTPA/FTPA/F和模糊控制的高性能直接转矩驱动系统.......344.1电压空间矢量调制的基本原理..........354.2基于预期电压空间矢量调制的PMSMDTC系统.......394.3PMSMDTC的模糊自适应PID转速调节器.........414.3.1模糊控制与PID控制........414.3.2模糊自适应PID控制器设计..........424.4系统仿真结果..........464.5本章小

8、结....525系统实验平台的搭建........545.1系统的硬件设计......545.2系统软件设计..........605.2.1系统主程序....605.2.2中断