【《两轮自平衡车机械系统分析》1200字】

两轮自平衡车机械系统分析两轮自平衡车在无外部激励作用时本身属于不稳定系统，机械结构的优劣直接决定了控制器的设计难度和整体的稳定性。所以，为了确保两轮自平衡车设计的合理和优化性，在两轮自平衡车的设计过程时需满足对称性和质量分布均匀原则。对称性是指以前后轮为轴线的左右方向的质量和结构对称，这将直接影响两轮自平衡车的平衡效果。此外，还应尽量保证两轮自平衡车的质量能够均匀分布，以提高其稳定性。对称性和质量分布原则是判定设计合理化的两个主要依据[18]。两轮自平衡车在静止或者运动过程中，都需要控制力矩陀螺仪通过进动产生控制力矩来实现自平衡，从对称性和质量分布均匀原则考虑，本文设计的两轮自平衡车机械结构图如图2.3所示，两轮自平衡车机械系统主由框架支撑结构、高速转子系统、框架伺服系统、轴承、车轮五部分组成。框架伺服系统主要由框架电机、行星减速器、角位置传感器和控制器等部分组成。其中框架电机和角位置传感器由轴承支承在框架体上，通过框架轴与高速转子转子系统连接，控制控制力矩陀螺仪的进动角大小和方向，从而输出控制力矩控制车体平衡。本文的角位置传感器采用的是光电编码器，用来测量控制力矩陀螺仪的进动角大小。图2.3两轮自平衡车机械结构图Fig.2.3Mechanicalstructurediagramoftwo-wheelself-balancingvehicle除了需要考虑对称性和质量分布均匀原则外，两轮自平衡车能否实现自平衡还与其输出力矩的大小有关，因此从设计指标考虑对所需控制力矩陀螺的角动量、力矩以及车体的转动惯量和角动量进行相关计算。控制力矩陀螺角动量计算车体从倾斜到回复至平衡位置时产生的角动量需要飞轮产生动量去抵消，则要求飞轮能释放的动量足够大。外框架角的转动范围为90°，假设0.75s的时间，框架从最高转速匀减速到0，转过90°，则由式(2.1)、（2.2） （2.1） （2.2）计算可得，。假设陀螺力矩为，车体重量为480kg，在车体倾斜15°位置应用动量矩定理[19-22]： （2.3） （2.4） （2.5） （2.6）求得需要飞轮释放的角动量。假设单个飞轮的角动量为，则两个飞轮释放的动量为： （2.7）为了平衡车体角动量，要求： （2.8）单个飞轮的角动量： （2.9）因此，所需CMG单个飞轮的角动量最小为。CMG力矩计算假设车体在1.5s内的运动过程为加速、匀速和减速，且时间均为0.5s。车体在倾斜15°时回复至平衡位置，陀螺需要提供力矩最大的位置就在15°位置，此时力矩陀螺产生的力矩除了克服重力产生的倾覆力矩外，还要提供车体加速回转的加速力矩。假设单个CMG的力矩为，为了能将倾斜的车体拉回，并考虑冗余设计，单个CMG的力矩需要大于车体倾斜力矩，即：（2.10）因此，CMG可选输出的最大力矩需大于720Nm。车体转动惯量计算系统的总质量为m=480kg，设计车体重心离地面距离为h=0.5m，车体倾倒时绕前后轮与地面接触点连线（x轴）旋转，则车体相对x轴的转动惯量可表示为：（2.11）车体角动量计算根据已知条件，车体的最大倾斜角度为15°，不考虑倾斜过程，假设车辆从15°到竖直位置用时0.75s，且为匀加速过程（根据控制方式确