【《两轮自平衡车硬件控制系统分析》4900字】

两轮自平衡车硬件控制系统分析目录TOC\o"1-3"\h\u7816两轮自平衡车硬件控制系统分析 1247911.1.1姿态惯性测量单元(IMU)设计 190931.1.2姿态控制器设计 4306211.1.3框架伺服系统设计 5153881.1.4电路设计方案 8两轮自平衡车的硬件控制系统是其信息处理和功能执行的中枢，是两轮自平衡车姿控系统的核心组成部分，两轮自平衡车最终的功能和性能都由硬件控制系统直接决定。上位机和通信模块等所组成控制结构，主要完成对两轮自平衡车系统整体监测和通信任务。而由传感器模块、控制板及驱动板等组成控制结构，主要完成两轮自平衡车运动控制任务。由两轮自平衡车姿控系统组成可知两轮自平衡车控制系统的设计主要包含了姿态敏感单元、姿态控制器、执行机构和电路设计四部分设计。姿态惯性测量单元(IMU)设计（1）功能两轮自平衡车要实现姿态稳定，首先需要测量自身的姿态信息，即倾斜角度信息，然后才能计算得到控制车体稳定平衡所需的力矩量大小，因此IMU姿态测量单元是车体的“感知器官”，具有高精度、高可靠性的要求。IMU姿态测量单元实现系统相对于惯性空间的姿态角速率和三个轴向线加速度的测量，具有不依靠外部环境在任何工况下均能可靠工作的优势，具有抗干扰性强、集成化、抗振动和低功耗的特点。IMU姿态测量单元结构框图如图2.4所示，主要由IMU测量单元、电源接口和微控制器等3部分组成。其中电源接口将外部输入的12V电压进行转换，为IMU测量单元和微控制器供电，IMU测量单元实时敏感各自轴向的角速度和加速度信息，微控制器对IMU输出信号进行补偿校正，提高信号输出精度，并按通讯协议输出，供上位机直接使用。图2.4IMU姿态测量单元组成Fig.2.4CompositionofIMUattitudemeasurementunit（2）工作原理两轮自平衡车在路面上行驶，需考虑如拐弯、上下坡、倾斜等全路况条件下的工作特性，因此本文选用三轴加速度计和三轴陀螺集成化IMU姿态测量单元。IMU通过基准面传递和定位，保证与车辆的捷联式连接，采集三轴的旋转角速率和线加速度，角速率为车辆旋转信息，线加速度为车辆运行方向加减速和车辆倾斜信息。自平衡电动车本身为非线性、不稳定系统，即使正常直道行驶，也会有倾斜、加减速等工作状态，为维持车体动态平衡，需要横滚方向的角速率传感器和竖直方向的加速度计进行测量，并控制力矩陀螺框架调整姿态，达到动态平衡；当自平衡车遇到拐弯、上下坡等情况时，车体姿态变化更加复杂，因此需要另外两个轴向的角速率和加速度信息，并对数据进行数据融合算法处理，得到保持车体稳定的控制量，调整框架姿态，实现车体稳定控制。角速率的测量采用陀螺传感器，其中MEMS陀螺具有抗振性好、可靠性高、成本低的特点，在军事、商业、民品领域均由广泛的应用。加速度的测量采用加速度计传感器，高精度的石英加速度计大多应用于军事武器和超高精度商业领域，MEMS加速度计具有量程大，低功耗的特点。MEMS陀螺和MEMS加速度计应用广泛，但其输出噪声较大且受温度影响明显，因此需要采用微控制器进行变换处理，微控制器高速采集三轴陀螺和三轴加速度计信号，经算法进行滤波、补偿并解算后，采用数字通讯的方式输出供系统使用姿态信息。（3）系统组成1)IMU测量单元IMU测量单元选用AD公司ADIS16460，ADIS16460是一款完整的MEMS惯性系统，输出接口采用SPI协议。内置一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪，其中三轴陀螺仪测量范围为：正负100°/s，三轴加速度及测量范围为：正负5g，该模块由3.3V供电，抗冲击能力2000g，在无人机、机器人技术、工业自动化领域应用广泛，满足自平衡电动车姿态测量量程及精度要求。ADIS16460模块主要技术指标如表2.1所示：Tab.2.1MainindexparametersofADIS16460表2.1ADIS16460主要指标参数参数测试条件典型值单位陀螺仪动态范围±100°/s初始灵敏度16位数据格式0.005°/s/LSB灵敏度温度系数±20ppm/℃非线性度0.5%/FS偏置温度系数±0.007°/s/℃偏置电源灵敏度3.15V≤VDD≤3.45V0.037°/s/V带宽375Hz传感器谐振频率28kHz加速度计动态范围±5g初始灵敏度16位数据格式0.25mg/LSB灵敏度温度系数±15ppm/℃非线性度±0.1%FS偏置温度系数±0.05mg/℃偏置电源灵敏度3.15V≤VDD≤3.45V72mg/V带宽350Hz传感器谐振频率5.5kHz温度灵敏度0.05℃/LSB2)微控制器微控制器实现高速的数据采集和补偿算法解算，采用32位低功耗微控制器芯片STM32F103C8T6，其主频能达到72MHz，单周期乘法运算指令，极大地提高了运算速度适合复杂算法设计，外设丰富，有多种数据输出接口，实现串行任务处理。IMU的核心技术和精度保证措施均为软件算法。(1)为降低数据转换噪声对姿态测量单元数据的波动，通过多阶FIR低通滤波器实现数据的平滑处理。(2)为补偿数据采集和低通滤波器造成数据的滞后，通过PD算法实现数据的超前解算，保证测量的实时性。(3)模拟电路容易受温度的影响，从而影响姿态测量单元的性能，通过信号处理板上环境温度传感器值与AD转换器进行温度建模补偿，降低转换误差；通过三轴陀螺、加速度计自带温度输出值与角速率、加速度信号的数学误差建模补偿，提高角速率、加速度精度。(4)对陀螺、加速度计输出零偏存在随机误差，为提高单元性能，采用卡尔曼最优方差估计算法，动态补偿零偏输出，最大可实现一个数量级的零偏精度提高。(5)对三轴传感器的不正交安装，通过三轴旋转法和六位置翻转法实现不正交角误差分离和补偿，通过软件固化参数。对于姿态测量单元与车辆安装传递误差通过通讯接口协议，将误差系数写入内置E2PROM中实现二次安装标定。姿态控制器设计（1）总体动力学控制算法两轮自平衡车平衡控制器的作用是将IMU单元采集的车体横滚角信息和横滚角速度信息经姿态控制器运算后，输出控制力矩陀螺的驱动信号，从而控制控制力矩陀螺的进动力矩以实现车体在横滚轴方向的姿态平衡，其中包括以下几方面。平衡稳定控制算法：根据车体的姿态信息实现平衡稳定回路控制算法，保证自平衡车在受到外力、直行以及转弯的情况下均可以保持平衡状态。回零控制算法：用于使陀螺能持续输出控制力矩来实现两轮自平衡车长时间的姿态稳定。IMU测量信息解算算法：用于将IMU模块检测到的车体姿态检测信息进行融合解算，得到车体横滚角度和角速度的精确值。饱和卸载算法：用于将控制力矩陀螺仪进动角度控制在一定范围，使控制力矩陀螺仪能持续输出而不会饱和。（2）姿态控制计算机姿态控制计算机作为平衡车的核心系统，其主要功能是控制平衡车在横滚轴方向的姿态，并将车体相关数据输出至检测系统，姿态控制计算机的原理框图如图2.5所示：图2.5姿态控制计算机Fig.2.5AttitudeControlComputer姿态控制计算机采用RS-422串行接口与执行机构、上位机测试系统进行数据传输。同时预留备用串口，满足以下功能：(1)RS-422接口具有单独隔离功能，姿态控制计算机全部422接口共地；(2)能够采集执行机构的角度偏转反馈信号；(3)能够采集车体姿态信息，并将其转化为横滚角度和角速度，供控制系统使用；(4)可以通过FLAFH存储芯片对姿态控制计算机软件进行升级调试；(5)系统时钟精度（晶振）：高于20ps。框架伺服系统设计系统组成本文采用电机加减速器驱动方案来实现自平衡车控制力矩陀螺框架角的转动，框架伺服系统主要包含了框架电机、行星减速器、角位置传感器、框架轴、框架轴承、框架支承体等部分。其中控制力矩陀螺框架和角位置传感器由框架轴承支承在框架体上，控制高速飞轮转子角动量的方向，从而输出陀螺力矩控制车体平衡。（2）框架伺服电机方案本文的框架伺服电机采用的是直流无刷电机。由于框架为高精度低转速，所以一般不集成霍尔传感器，对应传感器采用光电编码器等，用于确定控制力矩陀螺仪的进动角位置。直流无刷电机的优点主要有：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；调速范围广，过载能力强，效率高；可靠性高，稳定性好，适应性强，维修简单。框架电机转速计算控制力矩陀螺力矩计算公式如下： （2.13）则，可求得框架电机最大转速： （2.14）框架电机额定功率计算设定框架电机上升时间为0.04s，并根据模型可知控制力矩陀螺转子绕进动轴的转动惯量为，由功率计算公式可得： （2.15）设定电机的裕度η为20%，实际需选择电机功率不小于： （2.16）所以，所选择的直流电机其功率应大于228W，额定转速在84rpm左右。因此，根据满足所有条件的功率，选用的EC083A-20H0-A06-1，该电机的额定功率为790W。体积为110×85×115.6m3。电机主要参数如表2.2所示。Tab.2.2Motorparameters表2.2电机参数名义电压(UN)76V空载转速(no)6000空载电流(Io)0.51A额定转速(nN)6000rpm额定转矩(Me)1.3Nm额定电流(IN)18A堵转转矩(MH)4.5Nm重量2kg电枢电阻(R)0.13Ω转子最高允许温度125℃转子转动惯量(J1)1kgcm2电压常数(kn)8.08V/krpm机械时间常数(Tm)4.2ms转矩常数(kM)0.0772Nm/A（3）角度传感器方案从产品成熟度、体积重量、成本以及本文控制力矩陀螺进动的特点等方面综合考虑，本文选用的角度传感器选用了光电编码器。光电编码器以高精度计量圆光栅为位移基准，以光栅莫尔条纹技术为基础，将空间角位移转换为数字信息，具有高分辨率、高精度、高智能化、无接触测量等优点，被广泛应用于航天、工业、生物工程和科技领域的精密测量和实时控制系统中，因此本框架伺服系统选用光电编码器作为框架电机的角速度反馈信号。按码盘类型分类，光电编码器可分为增量式和绝对式两种类型，由于绝对式比增量式更加复杂，因而价格也更加昂贵，且增量式可靠性更高，因此选用增量式光电编码器。增量式光电编码器码盘刻划均匀，被广泛应用于各种角度及角速度的测量领域。增量式光电编码器由主轴、码盘、、放大电路、整形电路光源、狭缝、光电接收管等部分组成，其组成图如图2.6所示。图2.6增量式光电编码器组成Fig.2.6Compositionofincrementalphotoelectricencoder编码器数据采集系统主要由框架电机、电机驱动电路、编码器、基于FPGA的数据采集处理系统等组成。框架电机和被检增量式光电编码器的主轴分别连接于控制力矩陀螺框架的转动轴承两侧，被检增量式编码器安装在框架支撑结构上，其系统结构如图2.7所示。增量式编码器在测量时，框架电机在驱动电路的驱动下，带动控制力矩陀螺进动从而带动了被检增量式光电编码器的转动。利用FPGA搭建的采集系统具有可编程性、实时性好等优点，采集系统采集的数据为计数器在增量式编码器输出信号边沿时刻的值，并对其进行角速度计算，最后将结果作为反馈形成控制系统的转速闭环。图2.7编码器数据采集系统框图Fig.2.7Blockdiagramofencoderdataacquisitionsystem电路设计方案（1）框架伺服系统驱动电路设计框架伺服系统主要功能包含控制电路和功率驱动电路，其控制框图如图2.8所示，控制电路板采用FPGA作为处理器，可实现与两轮自平衡车姿态控制器的基于RS-422的控制指令接收和数据传输，采集到的电流传感器信号作为电流反馈，采集到的编码器信号产生角速度反馈。FPGA通过反馈量经过姿控算法得到相应的控制信号，将该控制信号发送给框架电机功率驱动板。框架电机的功率驱动板接收到控制器传来的控制信号，经过隔离放大后驱动框架电机工作。FPGA根据平衡控制系统发来的调速信号调节电机三相PWM信号占空比，进而调节框架电机旋转角速度。图2.8框架伺服系统控制框图Fig.2.8Controlblockdiagramofframeservosystem电机驱动器DRV8312具有高性能、低功耗、低成本等系列优点，无需外部散热片便可实现较大电流输出，每个控制循环周期均提供全面的过流、过温以及欠压保护，从而降低设计复杂性，缩小板级空间的同时，还提高了系统可靠性。因此框架伺服系统选用本芯片作为驱动芯片。驱动电路主要由隔离电路、电流检测电路以及驱动电路构成。FPGA控制芯片给出的PWM信号，经光电隔离及三相桥式电路后控制功率驱动模块DRV8312进行功率放大，驱动框架电机运行。图2.9DRV8312驱动电路Figure2.9DRV8312drivercircuit（2）串口通信电路框架电机控制电路板采用隔离RS-422收发器ISO3086，该芯片的数据传输速率可达20Mbps，能够很好的满足与两轮自平衡车姿态控制器进行通信的需求。其电路图如图2