CN104477052B - 一种自平衡载人电动独轮车的控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种自平衡载人电动独轮车的控制方法

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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：

(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θ和倾斜角速度ω；

(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

(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i_q和励磁电流i_d；

(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i_q和励磁电流i_d，计算出向永磁同步电机施加的d轴电压u_d和q轴电压u_q，所述励磁电流给定为0；

(8)根据d轴电压u_d和q轴电压u_q，利用Park反变换计算出αβ坐标系下的u_α和u_β；

(9)u_α和u_β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。

进一步地：所述步骤(5)具体为：采用非线性PD算法确定永磁同步电机的转动速度给定n^*，算式如下：

n^*＝K_Pθ+K_Dω

其中，K_P为非线性比例参数，K_D为非线性微分参数，K_P，K_D的取值随着电动独轮车倾斜角度θ的增大而增大。

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算式如下：

$i_q^{*}=K_P^n{e}_n+K_I^n{\∫e}_n\mathrm{dt}$

e_n＝n^*-n

其中，为速度环比例参数，为速度环积分参数，e_n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。

进一步地，所述步骤(7)具体为：采用线性PI算法确定u_q，算式如下：

$u_q=K_P^{\mathrm{iq}}{e}_{\mathrm{iq}}+K_I^{\mathrm{iq}}{\∫e}_{\mathrm{iq}}\mathrm{dt}$

$e_{\mathrm{iq}}=i_q^{*}-i_q$

其中，为转矩电流环比例参数，为转矩电流环积分参数，e_iq是永磁同步电机的转矩电流给定与其实际转矩电流i_q的差值；同样地，采用线性PI算法确定u_d，算式如下：

$u_d=K_P^{\mathrm{id}}{e}_{\mathrm{id}}+K_I^{\mathrm{id}}{\∫e}_{\mathrm{id}}\mathrm{dt}$

$e_{\mathrm{id}}=i_d^{*}-i_d=-i_d$

其中，为励磁电流环比例参数，为励磁电流环积分参数，e_id是永磁同步电机的励磁电流给定与其实际励磁电流i_d的差值，为0。

本发明的有益效果是：不同机械结构的电动独轮车都可以应用本发明控制方法实现电动独轮车的自平衡以及载人骑行功能，通过电动独轮车的倾斜角度θ和倾斜角速度ω计算永磁同步电机转速给定时，通过非线性PD参数的调整，提高了系统的动态性能，永磁同步电机控制中矢量控制策略的应用不仅进一步提高了系统的动态性能，而且减小了永磁同步电机的输出转矩脉动，减小系统振动及噪声。

附图说明

图1为自平衡载人电动独轮车的结构示意图；

图2为自平衡载人电动独轮车的控制框图；

图中，辅助轮1、车轮2、永磁同步电机3、踏板4、外壳5、控制器6、电池组7、陀螺仪8。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为一种实现本发明所述控制方法的电动独轮车，包括辅助轮1、车轮2、永磁同步电机3、踏板4、外壳5、控制器6和电池组7，其中，所述控制器6和电池组7分别位于外壳4的左右两个凹槽内，然后用硅胶保护垫与盖板一体件固定，加速度计和陀螺仪8位于控制器6上。对于不同机械结构的电动独轮车都可以应用本发明控制方法实现自平衡以及载人骑行功能。

为了减小永磁同步电机输出的转矩脉动，提高自平衡载人电动独轮车的动态性能，本发明中永磁同步电机控制策略采用可以实现高性能转矩动态控制的矢量控制。矢量控制的原理是通过坐标变换将定子电流变换到两相旋转坐标系下，分解成产生定子磁场的励磁电流分量i _d和产生转矩的转矩电流分量i _q，在三相交流电机上设法模拟直流电机的转矩控制方式。根据永磁同步电机的应用场合和功率的不同，矢量控制电流控制的选择也有所不同，在此选择i _d＝0控制，即电机定子电枢电流的励磁分量在控制过程中始终为零，这样电机的转矩输出只与i _q相关，控制算法实现简单，易于工程实现，且控制灵活。本发明结合矢量控制原理，建立基于姿态，转速和电流三闭环的自平衡载人电动独轮车的控制算法框图如图2所示，具体包括以下步骤：

(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i_a，i_b和i_c；

(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；

(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

(4)电机定子三相电流i_a，i_b和i_c，经过三相静止到两相静止坐标变换(Clarke变换)得到αβ坐标系下i_α和i_β，采用恒幅值变换原则，算式如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& \frac{-1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

i_α和i_β经过两相静止到两相旋转坐标变换(Park变换)后得到实际的转矩电流i _q和励磁电流i _d，算式如下：

(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n^*。由于加速度计和陀螺仪在测量的过程中，无法避免的会引入误差，所以控制器去掉积分环节，采用PD算法。在独轮车运行过程中，存在负载变化较大的情况，会导致车体倾角发生突变，为了提高整个系统的动态响应能力，采用非线性PD算法，算式如下：

n^*＝K_Pθ+K_Dω

其中，K_P为非线性比例参数，K_D为非线性微分参数，K_P，K_D的取值随着电动独轮车倾斜角度θ的增大而增大。

(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算式如下：

$i_q^{*}=K_P^n{e}_n+K_I^n{\∫e}_n\mathrm{dt}$

e_n＝n^*-n

其中，为速度环比例参数，为速度环积分参数，e_n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。

(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_q和励磁电流i_d，计算出d轴电压u_d和q轴电压u_q。由于电流控制方式为i_d＝0控制方式，励磁电流给定为0与检测得到的实际励磁电流i_d的差值经过PI得到向电机施加的d轴电压u_d，算式如下：

$u_d=K_P^{\mathrm{id}}{e}_{\mathrm{id}}+K_I^{\mathrm{id}}{\∫e}_{\mathrm{id}}\mathrm{dt}$

$e_{\mathrm{id}}=i_d^{*}-i_d=-i_d$

其中，为励磁电流环比例参数，为励磁电流环积分参数；转矩电流给定值与实际电机转矩电流i_q的差值经过PI得到向电机施加的q轴电压u_q，算式如下：

$u_q=K_P^{\mathrm{iq}}{e}_{\mathrm{iq}}+K_I^{\mathrm{iq}}{\∫e}_{\mathrm{iq}}\mathrm{dt}$

$e_{\mathrm{iq}}=i_q^{*}-i_q$

其中，为转矩电流环比例参数，为转矩电流环积分参数。

(8)根据d轴电压u_d和q轴电压u_q，利用Park反变换计算出αβ坐标系下的u_α和u_β，算式如下：

(9)u_α和u_β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V_a、V_b、V_c，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。

以上描述了本发明的基本原理，主要特征，并非限制本发明所描述的技术方案，一切不脱离发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

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θ和倾斜角速度ω；

(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

(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i_q和励磁电流i_d；

(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i_q和励磁电流i_d，计算出向永磁同步电机施加的d轴电压u_d和q轴电压u_q，所述励磁电流给定为0；

(8)根据d轴电压u_d和q轴电压u_q，利用Park反变换计算出αβ坐标系下的u_α和u_β；

(9)u_α和u_β通过SVPWM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PD算法确定永磁同步电机的转动速度给定n^*，算式如下：

n^*＝K_Pθ+K_Dω

其中，K_P为非线性比例参数，K_D为非线性微分参数，K_P，K_D的取值随着电动独轮车倾斜角度θ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：

$i_q^{*}=K_P^n{e}_n+K_I^n\∫e_{n}dt$

e_n＝n^*-n

其中，为速度环比例参数，为速度环积分参数，e_n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u_q，算式如下：

$u_q=K_P^{iq}{e}_{iq}+K_I^{iq}\∫e_{iq}dt$

$e_{iq}=i_q^{*}-i_q$

其中，为转矩电流环比例参数，为转矩电流环积分参数，e_iq是永磁同步电机的转矩电流给定与其实际转矩电流i_q的差值；同样地，采用线性PI算法确定u_d，算式如下：

$u_d=K_P^{id}{e}_{id}+K_I^{id}\∫e_{id}dt$

$e_{id}=i_d^{*}-i_d=-i_d$

其中，为励磁电流环比例参数，为励磁电流环积分参数，e_id是永磁同步电机的励磁电流给定与其实际励磁电流i_d的差值，为0。