037]e(k) = 0 ref_ 0act其中，e(k)是第k个采样时刻的误差；
[0038] (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):
[0039]
[0040] 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 ;
[0041] (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。
[0042] 对于不同的电动自平衡独轮车，具体的控制参数即比例系数Kp，积分系数Ki，微 分系数Kd的设定需要根据自平衡独轮车本身的参数以及安装在自平衡独轮车上的直流无 刷电机本身的参数来制定。
[0043] 综上所述，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，并利用先进的9轴运动处理传感器测量车辆角速度与 加速度，通过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 独轮车侧倾角度，运用PID控制算法控制直流无刷电机，控制稳定可靠。
【主权项】
1. 一种电动自平衡独轮车的控制系统，其特征在于：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W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。2. 根据权利要求1所述的电动自平衡独轮车的控制系统，其特征在于；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、主控巧片W 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巧片的输入端相连，主控巧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， 所述主控巧片采用数字信号处理器TMS32(F2809及其外围电路。3. 根据权利要求1所述的电动自平衡独轮车的控制系统，其特征在于：所述9轴运动 处理传感器信号处理电路包括巧片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 TMS32(F2809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 TMS32(F2809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TMS32(F2809的95脚相连。4. 根据权利要求1所述的电动自平衡独轮车的控制系统，其特征在于；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脚分别与光禪0C201、光禪0C202、光禪0C203的输入端相连，光 禪0C201、光禪0C202、光禪0C203的输入端分别接限流电阻R205、R206、R207,光禪0C201、 光禪0C202、光禪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TMS32(F2809的6脚接在上拉电阻R208与光禪0C201的输出 端之间，数字信号处理器TMS32(F2809的7脚接在上拉电阻R209与光禪0C202的输出端之 间，数字信号处理器TMS32(F2809的8脚接在上拉电阻R210与光禪0C203的输出端之间。5. 根据权利要求1所述的电动自平衡独轮车的控制系统，其特征在于：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 TMS32(F2809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TMS32(F2809的61脚相连，且通过上拉电阻R308接VCC_3. 3V;其8脚 为SPI巧片选择引脚，与数字信号处理器TMS32(F2809的57脚相连；其9脚为SPI输入 引脚，与数字信号处理器TMS32CF2809的50脚相连；其10脚为SPI输出引脚，与数字信号 处理器TMS32(F2809的52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 TMS32(F2809的58脚相连，且通过下拉电阻R311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TMS32(F2809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TMS32(F2809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TMS32(F2809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MOS阳T管Q301和MOS阳T 管304组成，所述半桥驱动器B由MOS阳T管Q302和MOS阳T管Q305组成，所述半桥驱动器 C由MOS阳T管Q303和MOS阳T管Q306组成。6. 根据权利要求5所述的电动自平衡独轮车的控制系统，其特征在于：所述驱动器 DRV8301的47脚与半桥驱动器A的MOS阳T管Q301的栅极相连；驱动器DRV8301的46脚 经过半桥驱动器A的MOS阳T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MOS阳T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MOS阳T管Q302的栅极相 连；驱动器DRV8301的41脚经过半桥驱动器B的MOS阳T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MOS阳T管Q305的栅极相连；驱动器DRV8301的39脚经过半桥驱动器B的 MOS阳T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MOS阳T管Q303的栅极相连；驱动器DRV8301的36脚经过半桥驱动器C的MOS阳T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MOS阳T管Q306的栅极相连；驱动器DRV8301的 34脚经过半桥驱动器C的MOS阳T管Q306的源极接地。7. -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： (1)将9轴运动处理传感器中集成的巧螺仪采集到的角速度信号，W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 似将步骤（1)中获取的实际侧倾角度值0。。1与目标侧倾角度值0ref相减，目标侧倾 角0tef设为0,计算出误差e化）； e(k) = 0,ef-0act 其中，e(k)是第k个采样时刻的误差； (3) 利用位置式PID控制算法计算直流无刷电机控制力矩U化）；其中化为比例系数，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化-1)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; (4) 根据计算得到的直流无刷电机控制力矩U化)，输出PWM控制信号驱动直流无刷电 机运动。
【专利摘要】本发明涉及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。本发明还公开一种电动自平衡独轮车的控制方法。本发明采用数字信号处理器TMS320F2809，拥有丰富的片内外设资源和100M强大的数字运算能力，并利用先进的9轴运动处理传感器测量车辆角速度与加速度，通过传感器数据融合技术获取精确的电动自平衡独轮车侧倾角度，运用PID控制算法控制直流无刷电机，控制稳定可靠。
【IPC分类】B62M6/45, H02P6/08
【公开号】CN104935226
【申请号】CN201510423741
【发明人】赵韩, 孙浩, 黄康, 甄圣超, 赵福民
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年7月15日