雙輪平衡車設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 王元琪 李遠(yuǎn)航

進(jìn)入新世紀(jì)后，我國人工智能行業(yè)逐漸嶄露頭角，智能機(jī)器人、智能安裝機(jī)器人、無人駕駛等新型科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。在雙輪平衡車領(lǐng)域，科技人員通過對(duì)陀螺儀的研究，也將其納入發(fā)展行列。當(dāng)今世界綠色主題發(fā)展越來越明顯，隨著科技的進(jìn)步，清潔能源的大量投入使用使得電動(dòng)汽車的數(shù)量在不斷增加。為解決交通擁擠等問題，研究者以簡潔、小型化為出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)出了一款兩輪電動(dòng)平衡車。

1 系統(tǒng)框架

在設(shè)計(jì)中本裝置的硬件電路主要包含：提供工作的電壓并各個(gè)電路模塊降壓電路的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向、STM32F103ZET6控制系統(tǒng)電路、光耦隔離電路的設(shè)計(jì)等。由于系統(tǒng)各部分電路所需的電壓不同，因此需要特殊的電壓轉(zhuǎn)換電路來保證系統(tǒng)中各電路的正常工作。平衡數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集由集成處理模塊MPU6050中的六軸運(yùn)動(dòng)和傾斜信號(hào)傳感器處理，主控制系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)處理，通過高級(jí)定時(shí)器TIM1（TIM8）輸出不同占空比的PWM波繞兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使平衡車一直處于平衡狀態(tài)。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

2.1 無刷直流電機(jī)

無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似。無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組均勻分布在120°空間內(nèi),使用該繞組分布方法可以最大程度的節(jié)約空間，為轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)定的控制回路。一般來說有三個(gè)繞組連接，一個(gè)用于Y連接，另一個(gè)用于星形連接。本文采用的連接方法是星形連接，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中有六個(gè)功率晶體管分別為VT1、VT3、VT4、VT5、VT6，兩個(gè)DC控制端分別為DC+、DC-。轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，判斷控制電路的功率晶體管的開閉情況。通過控制上臂和下臂六個(gè)功率晶體管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)線圈的通電順序的變化。該電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩和速度特性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、效率高、使用壽命長、轉(zhuǎn)向過程無火花、運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 門極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

平衡車的控制系統(tǒng)中電機(jī)的控制是至關(guān)重要的。由于STM32輸出的PWM信號(hào)振幅為3.3V，因此如果要驅(qū)動(dòng)功率管，就需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大。柵極驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)輸出STM32，脈寬調(diào)制信號(hào)被放大。在門驅(qū)動(dòng)電路中，6個(gè)通道的PWM波依次連接到IR2130的2-7針。驅(qū)動(dòng)器放大后將脈寬調(diào)制波的幅度放大到約15V，芯片的14、15、16、19、23、27號(hào)腳的輸出依次連接到6根電源管的柵極上。ITRIP引腳通過電流測量電路采集總線電流，當(dāng)被測電流值大于0.5A時(shí)，觸發(fā)故障引腳輸出各低電平信號(hào)，此時(shí)所有輸出信號(hào)將被切斷以保護(hù)電路。C4、C5、C6采用漏電流小的陶瓷電容器，主要用于存儲(chǔ)上橋臂動(dòng)力管驅(qū)動(dòng)的懸掛電源中的能量。d4、d5、d6為自舉二極管，其具有防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)直流母線電壓進(jìn)入IR2130電源輸入端的功能，以防止器件損壞。因此，用于自舉二極管的二極管應(yīng)具有足夠的反向電壓電阻和快速恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 三相橋式逆變電路設(shè)計(jì)

在三相橋式驅(qū)動(dòng)電路中，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全是N型MOSFET，三相橋式驅(qū)動(dòng)電路的原理是通過柵電壓控制漏極電流完成對(duì)MOSFET的有效控制。MOSFET模型為P75NF75的控制電路市一種單極電壓控制裝置，其額定工作參數(shù)為75V、75A的配置，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成開關(guān)狀態(tài)，其耐高溫性也很好。三相橋式逆變器的工作原理是通過控制六個(gè)功率晶體管的開、關(guān)狀態(tài)，將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成頻率和幅值可控的三相對(duì)稱電壓信號(hào)，為電機(jī)的正常運(yùn)行提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 電源模塊設(shè)計(jì)

3.1 電源電量檢測電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以12V型鋰電池為動(dòng)力，鋰電池是一種高效節(jié)能的能源，其采用高聚合的封裝方式可以留存住更多的電量，其特點(diǎn)是在充放電的過程中可以延長電池壽命。鋰電池在生活中應(yīng)用極為廣泛，其具有供電耐久性強(qiáng)、尺寸靈活、體積小、動(dòng)力充足、電壓高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；其不足之處是當(dāng)所使用的電機(jī)功率過大時(shí)，短時(shí)間內(nèi)的放電量比較大，會(huì)造成電池內(nèi)部化學(xué)試劑的老化虧損，如果不能及時(shí)為電池充電維持其正常的化學(xué)反應(yīng)，極有可能對(duì)鋰電池內(nèi)部的試劑造成永久性損壞。因此，在本裝置的設(shè)計(jì)安裝中，既需要維持能夠隨時(shí)測量模型鋰電池的功率，還需要定時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電以維持正常的化學(xué)反應(yīng)；該電池采用DS2788專業(yè)鋰離子電池測量芯片能實(shí)時(shí)測量鋰電池電壓和放電電流的高精度性能。12V電池電壓過低報(bào)警，實(shí)時(shí)功率LED顯示，能夠隨時(shí)了解電池的實(shí)時(shí)電壓變化并能執(zhí)行硅簡單的功率剩余持續(xù)時(shí)間估計(jì)，并隨時(shí)將數(shù)據(jù)提供給主控芯片，主控芯片將信號(hào)傳輸給反饋機(jī)制使得STM32F103C8T6電壓輸入控制器芯片插腳，用于AD采樣ADC采樣模塊，通過計(jì)算該鋰電池的實(shí)時(shí)電壓可獲得12V，有利于12V模型軟件的編制，完成對(duì)電池保護(hù)（如圖1所示）。

圖1 電池電量檢測模塊原理圖

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

在本裝置的設(shè)計(jì)中，由于模塊的額定數(shù)據(jù)并不一致，所以不同的模塊需要不同的電壓水平。為保證各個(gè)模塊都能正常工作，預(yù)防在實(shí)驗(yàn)中由于電流過大對(duì)控制模塊造成不可挽回的破壞，需要將12V型鋰電池提供的電壓進(jìn)行劃分。該方法在相當(dāng)多的場合都有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，尤其市在高度精密的儀器中，檢測時(shí)的微小電流如果處理不當(dāng)都會(huì)對(duì)設(shè)備的整體控制回路造成不可挽回的破壞。

檢測模塊的控制電路芯片STM32F103C8T6和MPU6065都需要3.3V電壓供電。在3.3V的電壓下會(huì)維持控制回路的穩(wěn)定，提供足夠的能源，減少模塊之間的能源損失。本設(shè)計(jì)采用AMS117-3.3V穩(wěn)壓芯片，將從穩(wěn)壓芯片LM2596T-5獲得的5V電壓重新轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，AMS117-3.3V電壓芯片在轉(zhuǎn)換時(shí)可達(dá)到1%的精度。在該精度下，裝置內(nèi)部的信號(hào)也會(huì)趨于穩(wěn)定，當(dāng)電壓為3.3V時(shí)，電壓精度可滿足STM32F103C8T6等敏感芯片的功率要求。AMS117-3.3V電壓芯片優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣、體積小、占用空間小等。其具備流量過熱自動(dòng)斷電功能，此功能可以在電流過大的情況下，電阻由于電流的增大導(dǎo)致熱量增加，可能會(huì)對(duì)控制裝置中的其他模塊造成損傷，所以需要使用自動(dòng)斷電保護(hù)裝置；其具備能在惡劣環(huán)境下工作、外圍電路簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

4 顯示模塊

雙輪平衡車顯示模塊主要用于實(shí)時(shí)顯示雙輪平衡車車身內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，包括雙輪平衡車的輪速、俯仰角和轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)，可以為操作者提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，方便使用者對(duì)本裝置的操作系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)判性。其中，該顯示模塊的主要部件是OLED顯示屏，此屏在許多設(shè)備中都有使用，具有價(jià)格低廉、無背光、響應(yīng)時(shí)間短、功耗低、體積小、重量輕、對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)。

雙輪平衡車需要顯示的數(shù)據(jù)不多，主要有雙輪平衡車的輪速、俯仰角和轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)，使得操作者能夠在行駛的過程中隨時(shí)了解自己的行駛狀態(tài)，避免發(fā)生意外。顯示模塊的電路采用3.3V的工作電壓，在6個(gè)引腳處都有接線，可以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳遞。

結(jié)論：兩輪平衡車是一款典型的輪式機(jī)器人，其設(shè)計(jì)涉及到傳感器技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、電力電子等多門科學(xué)的應(yīng)用。其通過將傳感器收集到的信息反饋到處理器，經(jīng)過運(yùn)算后將命令傳達(dá)到車輪，從而實(shí)行平衡車的行動(dòng)。這是由多門技術(shù)整合的結(jié)果，使交通工具和人的腿一樣隨著人的所想而做出行動(dòng)，它作為一款代步交通工具，既方便又環(huán)保，為未來的個(gè)人交通工具的研發(fā)指明了方向。