CN105329399A - 一种滑板车的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑板车的控制系统，包括姿态检测电路、电流采样电路以及温度传感器，姿态检测电路的输出端与主控制器的第一输入端相连，温度传感器通过温度检测电路与主控制器的第二输入端相连，电流采样电路的输出端与主控制器的第三输入端相连，主控制器的第一输出端通过电机矢量驱动电路与直流无刷电机的输入端相连，所述主控制器的第二输出端与报警电路的输入端相连，所述主控制器采用STM32F103C8T6芯片。本发明还公开了一种滑板车的控制方法。本发明的主控制器通过对采集到的三轴角速度和加速度信号使用四元数算法进行解算，利用传感器数据融合技术获取精确的滑板车侧倾角度，运用PID控制算法控制直流无刷电机，控制精度高且控制稳定可靠。

Description

一种滑板车的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及滑板车的控制技术领域，尤其是一种滑板车的控制系统及其控制方法。

背景技术

目前，电动体感车开始悄悄盛行起来，电动体感车不再是特殊人群的专用工具，所有人都可以享有。在体感车市场上，滑板车选用的主控芯片数据处理能力较低，而且由于控制算法简单，甚至有一些采用开环控制方法，导致滑板车控制的稳定可靠性低，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。而且很多滑板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低。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够精确判断滑板车的侧倾角度、控制更加稳定可靠、行驶更加安全的滑板车的控制系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种滑板车的控制系统，包括用于检测滑板车姿态信息的姿态检测电路、用于检测直流无刷电机A相和C相电流的电流采样电路以及用于检测电机矢量驱动电路中MOS管温度的温度传感器，姿态检测电路的输出端与主控制器的第一输入端相连，温度传感器通过温度检测电路与主控制器的第二输入端相连，电流采样电路的输出端与主控制器的第三输入端相连，主控制器的第一输出端通过电机矢量驱动电路与直流无刷电机的输入端相连，所述主控制器的第二输出端与报警电路的输入端相连，所述主控制器采用STM32F103C8T6芯片。

所述直流无刷电机采用轮毂电机，温度传感器、姿态检测电路、主控制器、温度检测电路、电流采样电路、电机矢量驱动电路和报警电路均焊接在控制电路板上，控制电路板嵌入在滑板车左踏板的下方，电池嵌入在滑板车右踏板的下方。

所述温度检测电路包括接插头CN601、电阻R1、电阻R2和电容C1，接插头CN601的2脚接+5V电压Power_5v，接插头CN601的1脚分别与电阻R1、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与STM32F103C8T6芯片的10脚、电容C1的一端相连，电阻R1、电容C1共地；所述温度传感器的两端与接插头CN601相连。

所述姿态检测电路包括姿态检测传感器，姿态检测传感器采用MPU6050芯片，其1脚接地，其8脚分别接3.3V电源、电容C2、电容C3、电阻R4、电阻R5的一端，电容C2、电容C3的另一端均接地，电阻R4的另一端接MPU6050芯片的24脚，电阻R5的另一端接MPU6050芯片的23脚，MPU6050芯片的9脚与电阻R3的一端相连，MPU6050芯片的20脚与电容C5的一端相连，电阻R3与电容C5共地，MPU6050芯片的10脚通过电容C4接地，MPU6050芯片的11脚、18脚接地，MPU6050芯片的24脚与STM32F103C8T6芯片的43脚相连，MPU6050芯片的23脚与STM32F103C8T6芯片的42脚相连，MPU6050芯片的13脚接3.3V电源。

所述电流采样电路包括用于检测直流无刷电机A相电流的第一电流采样电路以及用于检测直流无刷电机C相电流的第二电流采样电路，第一电流采样电路包括第一电流传感器，第一电流传感器采用ACS709LLFTR芯片，其1、2、3、4、5、6脚与电机矢量驱动电路的A相输出信号MA相连，其7、8、9、10、11、12脚经二极管D15接地，同时引出接插头JP2连接直流无刷电机的A相线；所述ACS709LLFTR芯片的P+引脚与P-引脚之间通过电阻R6相连，ACS709LLFTR芯片的16脚为电压参考输出引脚，通过电容C6接地；ACS709LLFTR芯片的17脚为过滤引脚，通过电容C7接地；ACS709LLFTR芯片的18脚为信号输出引脚，与电阻R7的一端的相连，电阻R7的另一端作为A相电流输出，连接STM32F103C8T6芯片的13脚，并分别通过电阻R8、电容C8接地，电阻R8和电容C8并联；ACS709LLFTR芯片的20脚通过电容C9接地。

所述报警电路包括用于连接蜂鸣器的接插头J2，其2脚与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与电池的正极相连，二极管D2跨接在接插头J2的1脚和2脚上，二极管D2的阴极接接插头J2的2脚，二极管D2的阳极接接插头J2的1脚，三极管Q1的集电极接接插头J2的1脚，三极管Q1的基极分别与电阻R11、电阻R12的一端相连，电阻R11的另一端接STM32F103C8T6芯片的29脚，电阻R12的另一端与三极管Q1的发射极共地。

所述电机矢量驱动电路包括第一电机矢量驱动电路、第二电机矢量驱动电路和第三电机矢量驱动电路，所述第一电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC1，其1脚为逻辑输入，通过电阻R13与STM32F103C8T6芯片的19脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R14与STM32F103C8T6芯片的21脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D5的阴极相连，电阻R16与二极管D5并联，二极管D5的阳极分别与电阻R18、电容C13、MOS管Q3的栅极相连，电阻R18、电容C13、MOS管Q3的源极共地，MOS管Q3的漏极与MOS管Q2的源极相连，并引出信号线MA接电流采样电路的信号输入端；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C10接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C11、电阻R17、电容C12的一端相连，电容C11的另一端分别与半桥功率放大芯片IC1的8脚、二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极接12V电压，电阻R17与电容C12并联，该并联端与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极与半桥功率放大芯片IC1的7脚相连，电阻R15与二极管D4并联，MOS管Q2的栅极接在电容C12和电阻R17之间，MOS管Q3的栅极接在电容C13和电阻R18之间，MOS管Q2的漏极通过60V电压供电；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，MOS管Q2的漏极通过接插头JP1与60V电源正极连接，引入60V电源电压；所述半桥功率放大芯片IC1采用ir2148芯片。

所述第二电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC2，其1脚为逻辑输入，通过电阻R19与STM32F103C8T6芯片的18脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R20与STM32F103C8T6芯片的20脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D8的阴极相连，电阻R22与二极管D8并联，二极管D8的阳极分别与电阻R24、电容C17、MOS管Q5的栅极相连，电阻R24、电容C17、MOS管Q5的源极共地，MOS管Q5的漏极与MOS管Q4的源极相连，并引出信号线MOTOB分别接插头JP3和二极管D12的阴极，二极管D12的阳极接地；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C14接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C15、电阻R23、电容C16的一端相连，电容C15的另一端分别与半桥功率放大芯片IC2的8脚、二极管D6的阴极相连，二极管D6的阳极接12V电压，电阻R23与电容C16并联，该并联端与二极管D7的阳极相连，二极管D7的阴极与半桥功率放大芯片IC2的7脚相连，电阻R21与二极管D7并联，MOS管Q4的栅极接在电容C16和电阻R23之间，MOS管Q5的栅极接在电容C17和电阻R24之间，MOS管Q5的漏极通过60V电压供电；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，MOS管Q5的漏极通过接插头JP3与60V电源正极连接，引入60V电源电压；所述半桥功率放大芯片IC2采用ir2148芯片。

所述第三电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC3，其1脚为逻辑输入，通过电阻R25与STM32F103C8T6芯片的16脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R26与STM32F103C8T6芯片的15脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D11的阴极相连，电阻R28与二极管D11并联，二极管D11的阳极分别与电阻R30、电容C21、MOS管Q7的栅极相连，电阻R30、电容C21共地，MOS管Q7的源极接地，MOS管Q7的漏极与MOS管Q6的源极相连，并引出信号线MC接电流采样电路的信号输入端；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C18接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C19、电阻R29、电容C20的一端相连，电容C19的另一端分别与半桥功率放大芯片IC3的8脚、二极管D9的阴极相连，二极管D9的阳极接12V电压，电阻R29与电容C20并联，该并联端与二极管D10的阳极相连，二极管D10的阴极与半桥功率放大芯片IC3的7脚相连，电阻R27与二极管D10并联，MOS管Q6的栅极接在电容C20和电阻R29之间；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，电解电容C22跨接在MOS管Q6的漏极和MOS管Q7的源极之间，电解电容C23与电解电容C22、电容C24并联，且均接插头JP5，电容C25与电容C24并联，所述半桥功率放大芯片IC3采用ir2148芯片。

本发明的另一目的在于提供一种滑板车的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)将温度传感器采集到的温度信号，姿态检测传感器采集到的角速度和加速度信号，霍尔传感器采集到的直流无刷电机转子位置信号和电流传感器采集到的直流无刷电机三相定子电流信号发送到主控制器；

(2)主控制器对检测到的温度信号进行判断，如果检测到的温度信号超过设定值，则控制系统进入保护状态；

(3)主控制器通过对采集到的三轴角速度和加速度信号使用四元数算法进行解算，得到滑板车的实际俯仰角θ_act，并用设定的目标俯仰角度值θ_ref与实际俯仰角度值θ_act相减，计算出角度误差e_θ：

e_θ＝θ_ref-θ_act；

(4)利用PID算法求解出转矩电流给定i_qref：

$i_{qref}=K_p^{\mathrm{\θ}}{e}_{\mathrm{\θ}}+K_i^{\mathrm{\θ}}\∫e_{\mathrm{\θ}}dt+K_d^{\mathrm{\θ}}\frac{{\mathrm{de}}_{\mathrm{\θ}}}{dt}$

其中为角度环比例系数，为角度环积分系数，为角度环微分系数；

(5)根据直流无刷电机的转矩电流给定i_qref、设定的励磁电流给定i_dref、实际转矩电流i_qact和实际励磁电流i_dact，计算出转矩电流误差e_q和励磁电流误差e_d；

e_q＝i_qref-i_qact

e_d＝i_dref-i_dact；

(6)利用PI算法求解出需要向直流无刷电机施加的q轴电压u_q和d轴电压u_d；

$u_q=K_p^q{e}_q+K_i^q\∫e_{q}dt$

$u_d=K_p^d{e}_d+K_i^d\∫e_{d}dt$

其中为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数；

(7)根据q轴电压u_q和d轴电压u_d，利用Park反变换求解出α、β坐标系下的u_α和u_β；

(8)u_α和u_β通过SVPWM空间矢量脉宽调制技术产生控制信号，经过逆变器向直流无刷电机施加三相电压，直流无刷电机输出转矩，从而保持滑板车的姿态平衡；同时通过电流传感器实时采集直流无刷电机三相电流，经过Charke变换和Park变换，得到实际转矩电流i_qact和实际励磁电流i_dact，形成闭环控制。

由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，本发明中的主控制器采用ARM系列单片机STM32F103C8T6，成本低；第二，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，主控制器通过对采集到的三轴角速度和加速度信号使用四元数算法进行解算，利用传感器数据融合技术获取精确的滑板车侧倾角度，运用PID控制算法控制直流无刷电机，控制精度高且控制稳定可靠。

附图说明

图1为滑板车的结构示意图；

图2为本发明的控制系统电路框图；

图3、4、5、6、7、8分别为图2中的主控制器、温度检测电路、姿态检测电路、电流采样电路、报警电路、电机矢量驱动电路的电路原理图；

图9为本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

如图2所示，一种滑板车的控制系统，包括用于检测滑板车姿态信息的姿态检测电路10、用于检测直流无刷电机100的A相和C相电流的电流采样电路20以及用于检测电机矢量驱动电路30中MOS管温度的温度传感器，姿态检测电路10的输出端与主控制器50的第一输入端相连，温度传感器通过温度检测电路40与主控制器50的第二输入端相连，电流采样电路20的输出端与主控制器50的第三输入端相连，主控制器50的第一输出端通过电机矢量驱动电路30与直流无刷电机100的输入端相连，所述主控制器50的第二输出端与报警电路60的输入端相连，所述主控制器50采用STM32F103C8T6芯片，如图3所示。

如图1所示，所述直流无刷电机100采用轮毂电机，温度传感器、姿态检测电路10、主控制器50、温度检测电路40、电流采样电路20、电机矢量驱动电路30和报警电路60均焊接在控制电路板300上，控制电路板300嵌入在滑板车左踏板200a的下方，电池400嵌入在滑板车右踏板200b的下方。对于不同机械结构的滑板车或者电动独轮车的控制都可以运用本发明的控制系统和控制方法实现车体运动。

如图4所示，所述温度检测电路40包括接插头CN601、电阻R1、电阻R2和电容C1，接插头CN601的2脚接+5V电压Power_5v，接插头CN601的1脚分别与电阻R1、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与STM32F103C8T6芯片的10脚、电容C1的一端相连，电阻R1、电容C1共地；所述温度传感器的两端与接插头CN601相连。

如图5所示，所述姿态检测电路10包括姿态检测传感器，姿态检测传感器采用MPU6050芯片，其1脚接地，其8脚分别接3.3V电源、电容C2、电容C3、电阻R4、电阻R5的一端，电容C2、电容C3的另一端均接地，电阻R4的另一端接MPU6050芯片的24脚，电阻R5的另一端接MPU6050芯片的23脚，MPU6050芯片的9脚与电阻R3的一端相连，MPU6050芯片的20脚与电容C5的一端相连，电阻R3与电容C5共地，MPU6050芯片的10脚通过电容C4接地，MPU6050芯片的11脚、18脚接地，MPU6050芯片的24脚与STM32F103C8T6芯片的43脚相连，MPU6050芯片的23脚与STM32F103C8T6芯片的42脚相连，MPU6050芯片的13脚接3.3V电源。

如图6所示，所述电流采样电路20包括用于检测直流无刷电机100的A相电流的第一电流采样电路以及用于检测直流无刷电机100的C相电流的第二电流采样电路，第一电流采样电路包括第一电流传感器，第一电流传感器采用ACS709LLFTR芯片，其1、2、3、4、5、6脚与电机矢量驱动电路30的A相输出信号MA相连，其7、8、9、10、11、12脚经二极管D15接地，同时引出接插头JP2连接直流无刷电机100的A相线；所述ACS709LLFTR芯片的P+引脚与P-引脚之间通过电阻R6相连，ACS709LLFTR芯片的16脚为电压参考输出引脚，通过电容C6接地；ACS709LLFTR芯片的17脚为过滤引脚，通过电容C7接地；ACS709LLFTR芯片的18脚为信号输出引脚，与电阻R7的一端的相连，电阻R7的另一端作为A相电流输出，连接STM32F103C8T6芯片的13脚，并分别通过电阻R8、电容C8接地，电阻R8和电容C8并联；ACS709LLFTR芯片的20脚通过电容C9接地。

如图7所示，所述报警电路60包括用于连接蜂鸣器的接插头J2，其2脚与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与电池400的正极相连，二极管D2跨接在接插头J2的1脚和2脚上，二极管D2的阴极接接插头J2的2脚，二极管D2的阳极接接插头J2的1脚，MOS管Q1的集电极接接插头J2的1脚，MOS管Q1的基极分别与电阻R11、电阻R12的一端相连，电阻R11的另一端接STM32F103C8T6芯片的29脚，电阻R12的另一端与MOS管Q1的发射极共地。

如图8所示，所述电机矢量驱动电路30包括第一电机矢量驱动电路、第二电机矢量驱动电路和第三电机矢量驱动电路，所述第一电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC1，其1脚为逻辑输入，通过电阻R13与STM32F103C8T6芯片的19脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R14与STM32F103C8T6芯片的21脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D5的阴极相连，电阻R16与二极管D5并联，二极管D5的阳极分别与电阻R18、电容C13、MOS管Q3的栅极相连，电阻R18、电容C13、MOS管Q3的源极共地，MOS管Q3的漏极与MOS管Q2的源极相连，并引出信号线MA接电流采样电路20的信号输入端；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C10接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C11、电阻R17、电容C12的一端相连，电容C11的另一端分别与半桥功率放大芯片IC1的8脚、二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极接12V电压，电阻R17与电容C12并联，该并联端与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极与半桥功率放大芯片IC1的7脚相连，电阻R15与二极管D4并联，MOS管Q2的栅极接在电容C12和电阻R17之间，MOS管Q3的栅极接在电容C13和电阻R18之间，MOS管Q2的漏极通过60V电压供电；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，MOS管Q2的漏极通过接插头JP1与60V电源正极连接，引入60V电源电压；所述半桥功率放大芯片IC1采用ir2148芯片。

如图8所示，所述第二电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC2，其1脚为逻辑输入，通过电阻R19与STM32F103C8T6芯片的18脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R20与STM32F103C8T6芯片的20脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D8的阴极相连，电阻R22与二极管D8并联，二极管D8的阳极分别与电阻R24、电容C17、MOS管Q5的栅极相连，电阻R24、电容C17、MOS管Q5的源极共地，MOS管Q5的漏极与MOS管Q4的源极相连，并引出信号线MOTOB分别接插头JP3和二极管D12的阴极，二极管D12的阳极接地；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C14接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C15、电阻R23、电容C16的一端相连，电容C15的另一端分别与半桥功率放大芯片IC2的8脚、二极管D6的阴极相连，二极管D6的阳极接12V电压，电阻R23与电容C16并联，该并联端与二极管D7的阳极相连，二极管D7的阴极与半桥功率放大芯片IC2的7脚相连，电阻R21与二极管D7并联，MOS管Q4的栅极接在电容C16和电阻R23之间，MOS管Q5的栅极接在电容C17和电阻R24之间，MOS管Q5的漏极通过60V电压供电；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，MOS管Q5的漏极通过接插头JP3与60V电源正极连接，引入60V电源电压；所述半桥功率放大芯片IC2采用ir2148芯片。

如图8所示，所述第三电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC3，其1脚为逻辑输入，通过电阻R25与STM32F103C8T6芯片的16脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R26与STM32F103C8T6芯片的15脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D11的阴极相连，电阻R28与二极管D11并联，二极管D11的阳极分别与电阻R30、电容C21、MOS管Q7的栅极相连，电阻R30、电容C21共地，MOS管Q7的源极接地，MOS管Q7的漏极与MOS管Q6的源极相连，并引出信号线MC接电流采样电路20的信号输入端；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C18接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C19、电阻R29、电容C20的一端相连，电容C19的另一端分别与半桥功率放大芯片IC3的8脚、二极管D9的阴极相连，二极管D9的阳极接12V电压，电阻R29与电容C20并联，该并联端与二极管D10的阳极相连，二极管D10的阴极与半桥功率放大芯片IC3的7脚相连，电阻R27与二极管D10并联，MOS管Q6的栅极接在电容C20和电阻R29之间；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，电解电容C22跨接在MOS管Q6的漏极和MOS管Q7的源极之间，电解电容C23与电解电容C22、电容C24并联，且均接插头JP5，电容C25与电容C24并联，所述半桥功率放大芯片IC3采用ir2148芯片。

如图9所示，本方法包括下列顺序的步骤：

(1)将温度传感器采集到的温度信号，姿态检测传感器采集到的角速度和加速度信号，霍尔传感器采集到的直流无刷电机100转子位置信号和电流传感器采集到的直流无刷电机100三相定子电流信号发送到主控制器50；

(2)主控制器50对检测到的温度信号进行判断，如果检测到的温度信号超过设定值，则控制系统进入保护状态；

(3)主控制器50通过对采集到的三轴角速度和加速度信号使用四元数算法进行解算，得到滑板车的实际俯仰角θ_act，并用设定的目标俯仰角度值θ_ref与实际俯仰角度值θ_act相减，计算出角度误差e_θ：

e_θ＝θ_ref-θ_act；

(4)利用PID算法求解出转矩电流给定i_qref：

$i_{qref}=K_p^{\mathrm{\θ}}{e}_{\mathrm{\θ}}+K_i^{\mathrm{\θ}}\∫e_{\mathrm{\θ}}dt+K_d^{\mathrm{\θ}}\frac{{\mathrm{de}}_{\mathrm{\θ}}}{dt}$

其中为角度环比例系数，为角度环积分系数，为角度环微分系数；

(5)根据直流无刷电机100的转矩电流给定i_qref、设定的励磁电流给定i_dref、实际转矩电流i_qact和实际励磁电流i_dact，计算出转矩电流误差e_q和励磁电流误差e_d；

e_q＝i_qref-i_qact

e_d＝i_dref-i_dact；

(6)利用PI算法求解出需要向直流无刷电机100施加的q轴电压u_q和d轴电压u_d；

$u_q=K_p^q{e}_q+K_i^q\∫e_{q}dt$

$u_d=K_p^d{e}_d+K_i^d\∫e_{d}dt$

其中为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数；

(7)根据q轴电压u_q和d轴电压u_d，利用Park反变换求解出α、β坐标系下的u_α和u_β；

(8)u_α和u_β通过SVPWM空间矢量脉宽调制技术产生控制信号，经过逆变器向直流无刷电机施加三相电压，直流无刷电机输出转矩，从而保持滑板车的姿态平衡；同时通过电流传感器实时采集直流无刷电机三相电流，经过Charke变换和Park变换，得到实际转矩电流i_qact和实际励磁电流i_dact，形成闭环控制。

对于不同的滑板车，具体的控制参数设定需要根据滑板车本身的参数以及安装在滑板车上的直流无刷电机100本身的参数来制定。

综上所述，本发明采用ARM系列单片机STM32F103C8T6作为主控制器50，该控制器拥有丰富的片内外设资源和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滑板车侧倾角度，运用PID控制算法控制直流无刷电机100，控制稳定可靠。

Claims (10)

1.一种滑板车的控制系统，其特征在于：包括用于检测滑板车姿态信息的姿态检测电路、用于检测直流无刷电机A相和C相电流的电流采样电路以及用于检测电机矢量驱动电路中MOS管温度的温度传感器，姿态检测电路的输出端与主控制器的第一输入端相连，温度传感器通过温度检测电路与主控制器的第二输入端相连，电流采样电路的输出端与主控制器的第三输入端相连，主控制器的第一输出端通过电机矢量驱动电路与直流无刷电机的输入端相连，所述主控制器的第二输出端与报警电路的输入端相连，所述主控制器采用STM32F103C8T6芯片。

2.根据权利要求1所述的滑板车的控制系统，其特征在于：所述直流无刷电机采用轮毂电机，温度传感器、姿态检测电路、主控制器、温度检测电路、电流采样电路、电机矢量驱动电路和报警电路均焊接在控制电路板上，控制电路板嵌入在滑板车左踏板的下方，电池嵌入在滑板车右踏板的下方。

3.根据权利要求1所述的滑板车的控制系统，其特征在于：所述温度检测电路包括接插头CN601、电阻R1、电阻R2和电容C1，接插头CN601的2脚接+5V电压Power_5v，接插头CN601的1脚分别与电阻R1、电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端分别与STM32F103C8T6芯片的10脚、电容C1的一端相连，电阻R1、电容C1共地；所述温度传感器的两端与接插头CN601相连。

4.根据权利要求1所述的滑板车的控制系统，其特征在于：所述姿态检测电路包括姿态检测传感器，姿态检测传感器采用MPU6050芯片，其1脚接地，其8脚分别接3.3V电源、电容C2、电容C3、电阻R4、电阻R5的一端，电容C2、电容C3的另一端均接地，电阻R4的另一端接MPU6050芯片的24脚，电阻R5的另一端接MPU6050芯片的23脚，MPU6050芯片的9脚与电阻R3的一端相连，MPU6050芯片的20脚与电容C5的一端相连，电阻R3与电容C5共地，MPU6050芯片的10脚通过电容C4接地，MPU6050芯片的11脚、18脚接地，MPU6050芯片的24脚与STM32F103C8T6芯片的43脚相连，MPU6050芯片的23脚与STM32F103C8T6芯片的42脚相连，MPU6050芯片的13脚接3.3V电源。

5.根据权利要求1所述的滑板车的控制系统，其特征在于：所述电流采样电路包括用于检测直流无刷电机A相电流的第一电流采样电路以及用于检测直流无刷电机C相电流的第二电流采样电路，第一电流采样电路包括第一电流传感器，第一电流传感器采用ACS709LLFTR芯片，其1、2、3、4、5、6脚与电机矢量驱动电路的A相输出信号MA相连，其7、8、9、10、11、12脚经二极管D15接地，同时引出接插头JP2连接直流无刷电机的A相线；所述ACS709LLFTR芯片的P+引脚与P-引脚之间通过电阻R6相连，ACS709LLFTR芯片的16脚为电压参考输出引脚，通过电容C6接地；ACS709LLFTR芯片的17脚为过滤引脚，通过电容C7接地；ACS709LLFTR芯片的18脚为信号输出引脚，与电阻R7的一端的相连，电阻R7的另一端作为A相电流输出，连接STM32F103C8T6芯片的13脚，并分别通过电阻R8、电容C8接地，电阻R8和电容C8并联；ACS709LLFTR芯片的20脚通过电容C9接地。

6.根据权利要求1所述的滑板车的控制系统，其特征在于：所述报警电路包括用于连接蜂鸣器的接插头J2，其2脚与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与电池的正极相连，二极管D2跨接在接插头J2的1脚和2脚上，二极管D2的阴极接接插头J2的2脚，二极管D2的阳极接接插头J2的1脚，三极管Q1的集电极接接插头J2的1脚，三极管Q1的基极分别与电阻R11、电阻R12的一端相连，电阻R11的另一端接STM32F103C8T6芯片的29脚，电阻R12的另一端与三极管Q1的发射极共地。

7.根据权利要求1所述的滑板车的控制系统，其特征在于：所述电机矢量驱动电路包括第一电机矢量驱动电路、第二电机矢量驱动电路和第三电机矢量驱动电路，所述第一电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC1，其1脚为逻辑输入，通过电阻R13与STM32F103C8T6芯片的19脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R14与STM32F103C8T6芯片的21脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D5的阴极相连，电阻R16与二极管D5并联，二极管D5的阳极分别与电阻R18、电容C13、MOS管Q3的栅极相连，电阻R18、电容C13、MOS管Q3的源极共地，MOS管Q3的漏极与MOS管Q2的源极相连，并引出信号线MA接电流采样电路的信号输入端；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C10接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C11、电阻R17、电容C12的一端相连，电容C11的另一端分别与半桥功率放大芯片IC1的8脚、二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极接12V电压，电阻R17与电容C12并联，该并联端与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极与半桥功率放大芯片IC1的7脚相连，电阻R15与二极管D4并联，MOS管Q2的栅极接在电容C12和电阻R17之间，MOS管Q3的栅极接在电容C13和电阻R18之间，MOS管Q2的漏极通过60V电压供电；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，MOS管Q2的漏极通过接插头JP1与60V电源正极连接，引入60V电源电压；所述半桥功率放大芯片IC1采用ir2148芯片。

8.根据权利要求1所述的滑板车的控制系统，其特征在于：所述第二电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC2，其1脚为逻辑输入，通过电阻R19与STM32F103C8T6芯片的18脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R20与STM32F103C8T6芯片的20脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D8的阴极相连，电阻R22与二极管D8并联，二极管D8的阳极分别与电阻R24、电容C17、MOS管Q5的栅极相连，电阻R24、电容C17、MOS管Q5的源极共地，MOS管Q5的漏极与MOS管Q4的源极相连，并引出信号线MOTOB分别接插头JP3和二极管D12的阴极，二极管D12的阳极接地；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C14接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C15、电阻R23、电容C16的一端相连，电容C15的另一端分别与半桥功率放大芯片IC2的8脚、二极管D6的阴极相连，二极管D6的阳极接12V电压，电阻R23与电容C16并联，该并联端与二极管D7的阳极相连，二极管D7的阴极与半桥功率放大芯片IC2的7脚相连，电阻R21与二极管D7并联，MOS管Q4的栅极接在电容C16和电阻R23之间，MOS管Q5的栅极接在电容C17和电阻R24之间，MOS管Q5的漏极通过60V电压供电；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，MOS管Q5的漏极通过接插头JP3与60V电源正极连接，引入60V电源电压；所述半桥功率放大芯片IC2采用ir2148芯片。

9.根据权利要求1所述的滑板车的控制系统，其特征在于：所述第三电机矢量驱动电路包括半桥功率放大芯片IC3，其1脚为逻辑输入，通过电阻R25与STM32F103C8T6芯片的16脚相连；其2脚为关断逻辑输入，通过电阻R26与STM32F103C8T6芯片的15脚相连；其3脚为低侧回流公共端，接地；其4脚为低侧栅极激励输出端，与二极管D11的阴极相连，电阻R28与二极管D11并联，二极管D11的阳极分别与电阻R30、电容C21、MOS管Q7的栅极相连，电阻R30、电容C21共地，MOS管Q7的源极接地，MOS管Q7的漏极与MOS管Q6的源极相连，并引出信号线MC接电流采样电路的信号输入端；其5脚为芯片供电端，与12V电压连接，并通过电容C18接地；其6脚为高侧悬浮供电回流端，分别与电容C19、电阻R29、电容C20的一端相连，电容C19的另一端分别与半桥功率放大芯片IC3的8脚、二极管D9的阴极相连，二极管D9的阳极接12V电压，电阻R29与电容C20并联，该并联端与二极管D10的阳极相连，二极管D10的阴极与半桥功率放大芯片IC3的7脚相连，电阻R27与二极管D10并联，MOS管Q6的栅极接在电容C20和电阻R29之间；其7脚为高侧栅极激励输出端，其8脚为高侧悬浮供电端，电解电容C22跨接在MOS管Q6的漏极和MOS管Q7的源极之间，电解电容C23与电解电容C22、电容C24并联，且均接插头JP5，电容C25与电容C24并联，所述半桥功率放大芯片IC3采用ir2148芯片。

10.一种滑板车的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)将温度传感器采集到的温度信号，姿态检测传感器采集到的角速度和加速度信号，霍尔传感器采集到的直流无刷电机转子位置信号和电流传感器采集到的直流无刷电机三相定子电流信号发送到主控制器；

(2)主控制器对检测到的温度信号进行判断，如果检测到的温度信号超过设定值，则控制系统进入保护状态；

(3)主控制器通过对采集到的三轴角速度和加速度信号使用四元数算法进行解算，得到滑板车的实际俯仰角θ_act，并用设定的目标俯仰角度值θ_ref与实际俯仰角度值θ_act相减，计算出角度误差e_θ：

e_θ＝θ_ref-θ_act；

(4)利用PID算法求解出转矩电流给定i_qref：

其中为角度环比例系数，为角度环积分系数，为角度环微分系数；

(5)根据直流无刷电机的转矩电流给定i_qref、设定的励磁电流给定i_dref、实际转矩电流i_qact和实际励磁电流i_dact，计算出转矩电流误差e_q和励磁电流误差e_d；

e_q＝i_qref-i_qact

e_d＝i_dref-i_dact；

(6)利用PI算法求解出需要向直流无刷电机施加的q轴电压u_q和d轴电压u_d；

其中为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数；

(7)根据q轴电压u_q和d轴电压u_d，利用Park反变换求解出α、β坐标系下的u_α和u_β；

(8)u_α和u_β通过SVPWM空间矢量脉宽调制技术产生控制信号，经过逆变器向直流无刷电机施加三相电压，直流无刷电机输出转矩，从而保持滑板车的姿态平衡；同时通过电流传感器实时采集直流无刷电机三相电流，经过Charke变换和Park变换，得到实际转矩电流i_qact和实际励磁电流i_dact，形成闭环控制。