一种自平衡载人电动独轮车的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种自平衡载人电动独轮车的控制方法，该方法首先采集置于电动独轮车上的加速度计和陀螺仪的数据，将采集的数据经过卡尔曼滤波得到当前车体倾斜角度和倾斜角速度，然后通过非线性PD控制器得到电机转速给定值，电机转速给定值与当前测得的电机转速反馈值的差值通过PI控制器得到转矩电流的给定值，最后通过矢量控制方法得到驱动信号，电机输出合适的转矩保持车体的平衡。本发明的控制策略具备良好的动静态性能，减小了系统振动以及噪声，可以实现电动独轮车的姿态自平衡以及载人骑行功能。
【专利说明】一种自平衡载人电动独轮车的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于交通工具领域，涉及一种行进中前后自主平衡，左右依靠骑行者人为 控制平衡的自平衡载人电动独轮车的控制方法。
【背景技术】
[0002] 骑行纯机械独轮车是需要经过专门地学习和训练才能完成的一种活动。骑行时， 必须同时维持前后方向的和左右方向的平衡，而且骑行是需要人出力的，行进速度也比较 低。电动独轮车是由电机驱动的骑行装置，与骑自行车类似，只需要掌握左右的平衡就可以 顺利骑行。自平衡载人电动独轮车通过倒立摆系统原理来控制车体的前后平衡，骑行者把 脚分别放在轮子两侧的折叠式踏板上，身体向前倾，为了保持平衡，电机快速得向前转动， 整个车体也就向前行驶。
[0003] 自平衡载人电动独轮车是新一代的节能环保，便捷的代步工具，通过程序内部限 制行驶最高速为18km/h，可以保证驾驶安全。电动独轮车体形小巧，重量轻，方便携带，可以 直接放在汽车的后备箱，提到家里或办公室。
[0004] 申请号为201410014863.4的发明专利提出了结构简单紧凑的自平衡电动独轮 车，但是没有详细提出具体的控制方案。申请号为201210217335. X的发明专利提出了一种 基于惯性平衡轮的自平衡载人独轮车，实现了左右平衡控制，但是惯性平衡轮的存在，控制 方案较为复杂也不适用于目前市场上流行的电动独轮车结构。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种自平衡载人电动独轮车的控制 方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种自平衡载人电动独轮车的控制 方法，该方法包括如下步骤：
[0007] (1)采集置于电动独轮车上的加速度计和陀螺仪的数据，得到电动独轮车Xyz三 轴的加速度值和角速度值；采集永磁同步电机上的霍尔传感器信号和三相定子电流；
[0008] (2)将电动独轮车xyz三轴的加速度值和角速度值通过卡尔曼滤波算法进行数据 融合并滤除噪声信号，得到电动独轮车的倾斜角度Θ和倾斜角速度ω ;
[0009] (3)对霍尔传感器信号进行计算得到永磁同步电机的实际转速η和转子位置角 φ，
[0010] (4)对三相定子电流依次进行Clarke和Park变换，得到永磁同步电机的实际转矩 电流和励磁电流i d;
[0011] (5)根据电动独轮车的倾斜角度Θ和倾斜角速度ω，计算出永磁同步电机的转动 速度给定η%
[0012] (6)根据永磁同步电机的转动速度给定η"*和实际转速η，计算出转矩电流给定ζ ;
[0013] (7)根据永磁同步电机的转矩电流给定<、励磁电流给定/〗、实际转矩电流i,和励 磁电流id，计算出向永磁同步电机施加的d轴电压Ud和q轴电压Uq，所述励磁电流给定（为 〇 ；
[0014] (8)根据d轴电压Ud和q轴电压Uq，利用Park反变换计算出α β坐标系下的ua 和up;
[0015] (9)11。和u e通过SVPWM(空间矢量脉宽调制）技术生成三相逆变器的控制信号， 经过逆变器向永磁同步电机施加三相电压，永磁同步电机输出转矩T，从而保持电动独轮车 的姿态平衡。
[0016] 进一步地：所述步骤（5)具体为：采用非线性ro算法确定永磁同步电机的转动速 度给定η%算式如下：
[0017] η*= K ρ Θ +Kd ω
[0018] 其中，Kp为非线性比例参数，Kd为非线性微分参数，Κ Ρ，&的取值随着电动独轮车 倾斜角度θ的增大而增大。
[0019] 进一步地，所述步骤（6)具体为：采用线性PI算法确定转矩电流给定ζ，算式如 下：
【权利要求】
1. 一种自平衡载人电动独轮车的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： (1) 采集置于电动独轮车上的加速度计和陀螺仪的数据，得到电动独轮车xyz三轴的 加速度值和角速度值；采集永磁同步电机上的霍尔传感器信号和三相定子电流； (2) 将电动独轮车xyz三轴的加速度值和角速度值通过卡尔曼滤波算法进行数据融合 并滤除噪声信号，得到电动独轮车的倾斜角度9和倾斜角速度《 ; (3) 对霍尔传感器信号进行计算得到永磁同步电机的实际转速n和转子位置角P; (4) 对三相定子电流依次进行Clarke和Park变换，得到永磁同步电机的实际转矩电流 iq和励磁电流id; (5) 根据电动独轮车的倾斜角度0和倾斜角速度《，计算出永磁同步电机的转动速度 给定n*; (6) 根据永磁同步电机的转动速度给定n""和实际转速n，计算出转矩电流给定< ; (7) 根据永磁同步电机的转矩电流给定〈、励磁电流给定^、实际转矩电流ijP励磁电 流id，计算出向永磁同步电机施加的d轴电压^和q轴电压uq，所述励磁电流给定为0 ; (8) 根据d轴电压叫和q轴电压Uq，利用Park反变换计算出a|3坐标系下的^和 Up； (9) 11。和ue通过SVPWM(空间矢量脉宽调制）技术生成三相逆变器的控制信号，经过 逆变器向永磁同步电机施加三相电压，永磁同步电机输出转矩T，从而保持电动独轮车的姿 态平衡。
2. 根据权利要求1所述的自平衡载人电动独轮车的控制方法，其特征在于：所述步骤 (5) 具体为：采用非线性F>D算法确定永磁同步电机的转动速度给定n%算式如下：
其中，KP为非线性比例参数，KD为非线性微分参数，KP，KD的取值随着电动独轮车倾斜 角度0的增大而增大。
3. 根据权利要求1所述的自平衡载人电动独轮车的控制方法，其特征在于：所述步骤 (6) 具体为：采用线性PI算法确定转矩电流给定^，算式如下：
其中，扣为速度环比例参数，巧为速度环积分参数，6"是永磁同步电机的转动速度给 定n#与其实际的转速n的差值。
4. 根据权利要求1所述的自平衡载人电动独轮车的控制方法，其特征在于：所述步骤 (7) 具体为：采用线性PI算法确定uq，算式如下：
其中，尺？为转矩电流环比例参数，Z；q为转矩电流环积分参数，eiq是永磁同步电机的 转矩电流给定 < 与其实际转矩电流^的差值；同样地，采用线性PI算法确定Ud，算式如下：
其中，0为励磁电流环比例参数，K为励磁电流环积分参数，eid是永磁同步电机的 励磁电流给定 <与其实际励磁电流id的差值，为0。
【文档编号】B60L15/20GK104477052SQ201410734713
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】章玮, 申晓峰, 陈青云 申请人:浙江大学