徐愷篷

【摘 要】現(xiàn)有智能電動代步兩輪平衡車控制系統(tǒng)硬件成本較高，安全性、使用舒適度有大幅提升空間。本文介紹使用低成本控制芯片對智能電動兩輪平衡車控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件功能進行優(yōu)化，以降低智能電動代步兩輪平衡車的成本和增加其安全性能。本文中主要介紹了其姿態(tài)角度獲取部分和轉子位置檢測部分。

【關鍵詞】平衡車；車體姿態(tài)；轉子位置

一、引言

在電動兩輪平衡車控制系統(tǒng)中，平衡車姿態(tài)角檢測和電機轉子位置的檢測是十分重要的環(huán)節(jié)，通過檢測平衡車姿態(tài)角可以確定車體的傾斜狀態(tài)從而控制電機的轉速及轉向，從而保證車體平衡；而通過不斷檢測轉子的位置，可以計算電機轉子的轉速，從而與期望的轉速對比，得到電機的控制信號。在姿態(tài)角檢測環(huán)節(jié)中，由于低成本傳感器存在大量噪聲，可以通過軟件濾波的方法提高其檢測精度，常用的濾波算法有互補濾波算法和卡爾曼濾波算法。輕重互補濾波算法實現(xiàn)較為簡單，而卡爾曼濾波算法的濾波效果更好。在轉子位置檢測環(huán)節(jié)中，可通過安裝霍爾傳感器對轉子位置和轉速進行預測。

二、姿態(tài)角獲取

為獲取去車體姿態(tài)信息，平衡車控制電路中一般應包含集成了陀螺儀和加速度計的傳感芯片（如MPU60XX），通過陀螺儀和加速度計測得數(shù)據(jù)解算車體姿態(tài)角。而陀螺儀和加速度計輸出存在的噪聲會嚴重影響姿態(tài)角解算的精準度，需要進行濾波處理，簡單的處理算法有互補濾波算法[1]和卡爾曼濾波算法。

其中，互補濾波算法較為簡單，由于陀螺儀的動態(tài)特性較好，但存在較大的低頻漂移，而由于車體的顛簸震動，加速度計又會有較多的高頻噪聲，因此，可以將陀螺儀、加速度計所解算的角度分別通過高通濾波器、低通濾波器濾波后做加法融合，從而提高檢測精度，但該方法中高、低通濾波器間不同的截止頻率對融合結果的影響較大，其確定較為困難，并且濾波的效果也有待提高。

卡爾曼濾波適用于估計離散動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)，。其思想為：以t-1時刻的狀態(tài)變量最優(yōu)估計 為準，估計t時刻的狀態(tài)變量 ，然后計算當前時刻的卡爾曼增益Kt，Kt作為權值，確定此次估計應該更多的信任預測模型還是觀測模型，通過修改 得到t時刻最有效的狀態(tài)估計。一種具體實現(xiàn)方法為：利用陀螺儀所測得的角速度的做角度預測，將加速度計測得數(shù)據(jù)做反三角變換，直接得到姿態(tài)角的觀測信息。

建立好觀測模型后，可以用陀螺儀測得的角速度進行角度預測，初始噪聲的協(xié)方差可以通過試湊的方法確定，從而利用卡爾曼濾波方法進行角度估計。

三、永磁同步電動機轉子位置檢測

目前對于永磁同步電動機轉子位置的傳統(tǒng)檢測方法主要有：有位置傳感器和無位置傳感器兩種。有位置傳感器即將旋變、光電編碼器等安在轉子軸上，保證了精度，但增加了尺寸和成本，增加了轉子慣量，且傳感器本身的性能易受到環(huán)境的干擾，可靠性較差。無位置傳感器沒有傳感器，可靠性較高，但控制算法復雜，不能保障全速范圍的精度[2]，算法起動階段不穩(wěn)定，轉子初始位置檢測困難，導致電機起動性能較差，甚至會有反轉[3] [4]。根據(jù)有位置傳感器和無位置傳感器各自的優(yōu)缺點，采用開關型霍爾位置傳感器代替機械位置傳感器。和傳統(tǒng)傳感器相比，霍爾傳感器結構簡單，在全速范圍內都有較高的測量精度，線性度好，具有廣泛的應用前景。霍爾位置傳感器系統(tǒng)相同于電動機本體，也由傳感器定子和傳感器轉子構成。其轉子與電動機的主轉子一同旋轉，通常傳感器轉子直接利用電動機的轉子。其定子是霍爾元件等距的安裝在電動機定子的適當位置上，兩者相結合檢測電動機轉子的位置，進而計算轉子轉速。開關型霍爾位置傳感器要求傳感器在電動機的每一個電周期內，要產(chǎn)生相應的開關狀態(tài)數(shù)且不能重復，每個狀態(tài)對應相同的角度。

霍爾測速的基本原理是，在電動機定子的適當位置上等距安裝三個霍爾位置傳感器。當轉子轉動時，霍爾元件通過感應轉子磁場強度的變化，會產(chǎn)生響應的霍爾信號。即當N和S兩個不同磁場作用在霍爾元件上時，將呈現(xiàn)出“1”和“0”兩種狀態(tài)（1代表高電平，0代表低電平），轉子轉一圈就能產(chǎn)生6種不同的開關信號，每種占60°角，據(jù)此可知道轉子所處扇區(qū)。

總結

本文介紹了電動兩輪平衡車控制系統(tǒng)中兩個關鍵部分，姿態(tài)角檢測部分和轉子位置檢測部分，列舉了各部分的具體實現(xiàn)方法。姿態(tài)角檢測環(huán)節(jié)中爾曼濾波算法可以較好的將加速度計和陀螺儀的信號融合，對噪聲的濾除效果較好。在轉子位置檢測環(huán)節(jié)中，介紹了霍爾測速原理，通過霍爾傳感器的輸出信號確定轉子所處扇區(qū)，并預測當前時間段轉子的平均角速度和角加速度，從而對轉子的位置進行預測。

參考文獻：

[1] 邊群星，陳錕，陳鄭洲.基于互補濾波器的兩輪平衡車姿態(tài)角度測量[J].電子設計工程.2014，（18）：58.

[2] 曾風平，鄭成勇，章躍進.基于開關型霍爾位置傳感器的永磁同步電動機正弦波驅動[J].微特電機.2010，（58）：70-71.

[3] 鄒繼斌，徐永向，于成龍.正弦波無刷直流電機 的新型轉子位置檢測方法 [J].中國電機工程學報，2002，22（12）：47-48

[4] 潘萍，付子義，劉輝.永磁同步電機無傳感器控制技術研究現(xiàn)狀與控制策略綜述[J].工礦自動化，2007（3）：29 -30

（作者單位：中國礦業(yè)大學）