一种电动自平衡独轮车的控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及独轮车技术领域，尤其是一种电动自平衡独轮车的控制系统及其控制 方法。
【背景技术】
[0002] 目前在国内，独轮车开始悄悄盛行起来，独轮车不再是特殊人群的专用工具，所有 人都可以享有。在国内的独轮车市场上，电动自平衡独轮车选用的主控芯片数据处理能力 较弱，而且由于控制算法简单，甚至有一些采用开环控制方法，导致独轮车控制的稳定可靠 性较差，并且在软件控制程序中考虑因素不全，保护程序不全面，严重影响驾驶人的安全。
[0003] 此外，国内的独轮车厂家在采集车辆的倾斜角度时仅仅依靠陀螺仪或加速度计进 行采集，没有采用陀螺仪和加速度计的数据融合处理技术，这样由于车辆的振动等原因，导 致倾角测量精度低，进而导致控制稳定性及可靠性差。
【发明内容】
[0004] 本发明的首要目的在于提供一种能够精确判断电动自平衡独轮车的侧倾角度、控 制更加稳定、行驶更加安全的电动自平衡独轮车的控制系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种电动自平衡独轮车的控制系 统，包括用于采集角速度信号和加速度信号的9轴运动处理传感器、用于采集直流无刷电 机转子位置信号的直流无刷电机转子位置传感器、控制单元以及直流无刷电机，9轴运动处 理传感器、直流无刷电机转子位置传感器的输出端均与控制单元的输入端相连，控制单元 的输出端与直流无刷电机的输入端相连，直流无刷电机输出转矩信号驱动车轮转动。
[0006] 所述控制单元由9轴运动处理传感器信号处理电路、直流无刷电机转子位置信号 处理电路、主控芯片以及直流无刷电机驱动电路组成，所述9轴运动处理传感器的输出端 与9轴运动处理传感器信号处理电路的输入端相连，直流无刷电机转子位置传感器的输出 端与直流无刷电机转子位置信号处理电路的输入端相连，9轴运动处理传感器信号处理电 路、直流无刷电机转子位置信号处理电路的输出端均与主控芯片的输入端相连，主控芯片 的输出端与直流无刷电机驱动电路的输入端相连，直流无刷电机驱动电路的输出端与直流 无刷电机的输入端相连，所述主控芯片采用数字信号处理器TMS320F2809及其外围电路。
[0007] 所述9轴运动处理传感器信号处理电路包括芯片MPU6050,其8脚通过上拉电阻 R201接VCC_3. 3V，且通过电容C201接地；其9脚通过上拉电阻R202接VCC_3. 3V;其23脚 与数字信号处理器TMS320F2809的5脚相连，且通过上拉电阻R203接VCC_3. 3V;其24脚 与数字信号处理器TMS320F2809的100脚相连，且通过上拉电阻R204接VCC_3. 3V;其13 脚接VCC_3. 3V，且通过并联的电容C202和C203接地；其20脚通过旁路电容C204接地；其 10脚通过旁路电容C205接地；其12脚与数字信号处理器TMS320F2809的95脚相连。
[0008] 所述直流无刷电机转子位置信号处理电路包括用于接入直流无刷电机转子位置 传感器的电源线和信号线的接插头P201，其4、3、2脚分别与光耦0C201、光耦0C202、光耦 0C203的输入端相连，光耦0C201、光耦0C202、光耦0C203的输入端分别接限流电阻R205、R206、R207,光耦0C201、光耦0C202、光耦0C203的输出端分别经过上拉电阻R208、上拉电阻 R209和上拉电阻R210接VCC_5V，数字信号处理器TMS320F2809的6脚接在上拉电阻R208 与光耦0C201的输出端之间，数字信号处理器TMS320F2809的7脚接在上拉电阻R209与光 耦0C202的输出端之间，数字信号处理器TMS320F2809的8脚接在上拉电阻R210与光耦 0C203的输出端之间。
[0009] 所述直流无刷电机驱动电路包括驱动器DRV8301，其5脚为过流和过温检测引脚， 与数字信号处理器TMS320F2809的60脚相连，且通过上拉电阻R307接VCC_3. 3V;其6脚 为故障反馈引脚，与数字信号处理器TMS320F2809的61脚相连，且通过上拉电阻R308接 VCC_3. 3V;其8脚为SPI芯片选择引脚，与数字信号处理器TMS320F2809的57脚相连；其9 脚为SPI输入引脚，与数字信号处理器TMS320F2809的50脚相连；其10脚为SPI输出引脚， 与数字信号处理器TMS320F2809的52脚相连；其11脚为SPI时钟信号引脚，通过下拉电阻 R310与数字信号处理器TMS320F2809的54脚相连；其12脚为直流校准功能使能引脚，与数 字信号处理器了1^32(^2809的58脚相连，且通过下拉电阻1?311接地 ；其17、18脚为半桥驱 动器A的PWM输入信号引脚，分别与数字信号处理器TMS320F2809的47、44脚相连；其47、 46、45、44脚用于驱动半桥驱动器A;其19、20脚为半桥驱动器B的PWM输入信号引脚，分别 与数字信号处理器TMS320F2809的45、48脚相连；其42、41、40、39脚用于驱动半桥驱动器 B;其21、22脚为半桥驱动器C的PWM输入信号引脚，分别与数字信号处理器TMS320F2809 的51、53脚相连；其37、36、35、34脚用于驱动半桥驱动器C;所述半桥驱动器A由MOSFET 管Q301和MOSFET管304组成，所述半桥驱动器B由MOSFET管Q302和MOSFET管Q305组 成，所述半桥驱动器C由MOSFET管Q303和MOSFET管Q306组成。
[0010] 所述驱动器DRV8301的47脚与半桥驱动器A的MOSFET管Q301的栅极相连；驱动 器DRV8301的46脚经过半桥驱动器A的MOSFET管Q301的源极与直流无刷电机的A相相 连，并经过电容C304与驱动器DRV8301的48脚相连；驱动器DRV8301的45脚与半桥驱动 器A的MOSFET管Q304的栅极相连；驱动器DRV8301的44脚经过半桥驱动器A的MOSFET 管Q304的源极和电阻R314与驱动器DRV8301的33脚相连，再经过电容C307与驱动器 DRV8301的32脚相连，最后经电阻R315接地；驱动器DRV8301的42脚与半桥驱动器B的 MOSFET管Q302的栅极相连；驱动器DRV8301的41脚经过半桥驱动器B的MOSFET管Q302 的源极与直流无刷电机的B相相连，并经过电容C305与驱动器DRV8301的43脚相连；驱动 器DRV8301的40脚与半桥驱动器B的MOSFET管Q305的栅极相连；驱动器DRV8301的39 脚经过半桥驱动器B的MOSFET管Q304的源极和电阻R316与驱动器DRV8301的31脚相连， 再经过电容C308与驱动器DRV8301的30脚相连，最后经电阻R317接地；驱动器DRV8301 的37脚与半桥驱动器C的MOSFET管Q303的栅极相连；驱动器DRV8301的36脚经过半桥 驱动器C的MOSFET管Q303的源极与直流无刷电机的C相相连，并经过电容C306与驱动器 DRV8301的38脚相连；驱动器DRV8301的35脚与半桥驱动器C的MOSFET管Q306的栅极 相连；驱动器DRV8301的34脚经过半桥驱动器C的MOSFET管Q306的源极接地。
[0011] 本发明的另一目的在于提供一种电动自平衡独轮车的控制系统的控制方法，该方 法包括下列顺序的步骤：
[0012] (1)将9轴运动处理传感器中集成的陀螺仪采集到的角速度信号，以及加速度计 采集到的加速度信号一起发送至控制单元，控制单元通过对角速度信号进行低通滤波，对 加速度信号进行高通滤波，再通过四元数法进行姿态解算，获取精确的电动自平衡独轮车 实际侧倾角度值0 art;
[0013] (2)将步骤⑴中获取的实际侧倾角度值0ac;t与目标侧倾角度值0 相减，目标 侧倾角9 设为〇,计算出误差e(k);
[0014] e(k) = 0 ref- 0act
[0015] 其中，e(k)是第k个采样时刻的误差；
[0016] (3)利用位置式PID控制算法计算直流无刷电机控制力矩u(k):
[0017]
[0018] 其中Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数；u(k)是第k个采样时刻 的控制力矩，e(k-l)是第k-1个采样时刻的误差，e(i)是第i个采样时刻的误差，i= 0, 1，…，k;
[0019] (4)根据计算得到的直流无刷电机控制力矩u(k)，输出PWM控制信号驱动直流无 刷电机运动。
[0020] 由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，本发明利用先进的9轴运动处理 传感器测量车辆角速度与加速度信号，并利用传感器数据融合技术，再通过四元数法进行 姿态解算，获取精确的电动自平衡独轮车实际侧倾角度值9ac;t;第二，本发明采用PID算法 控制直流无刷电机旋转，控制稳定可靠；第三，本发明采用数字信号处理器TMS320F2809， 该处理器拥有丰富的片内外设资源和100M强大的数字运算能力。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的的系统结构框图；
[0022] 图2为本发明中数字信号处理器TMS320F2809及其外围电路的电路原理图；
[0023] 图3为9轴运动处理传感器信号处理电路的电路原理图；
[0024] 图4为直流无刷电机转子位置信号处理电路的电路原理图；
[0025] 图5为直流无刷电机驱动电路的电路原理图；
[0026] 图6为本发明的控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0027] 如图