CN105539662B - 双轮平衡车的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双轮平衡车的控制系统，包括主控制器、左电机驱动电路、左三相电机、左电流采样电路、左姿态副控制器、左姿态传感器、右电机驱动电路、右三相电机、右电流采样电路、右姿态副控制器和右姿态传感器，这种双轮平衡车的控制系统稳定可靠，长时间运行不会出现故障，用户使用时，能够更轻松的控制车体，腿部得到车体更加精准的反馈，保证了用户体验和安全性能。

Description

双轮平衡车的控制系统

技术领域

本发明涉及电动平衡车技术领域，尤其涉及一种双轮平衡车的控制系统。

背景技术

电动平衡车，又叫体感车、思维车、摄位车等。市场上主要有独轮和双轮两类。其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上，利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。是现代人用来作为代步工具、休闲娱乐的一种新型的绿色环保的产物。

目前市面上双轮平衡车的控制系统运行状态不稳定，故障率较高，而且操控时的准确度和灵敏度都不高，导致用户体验不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有的双轮平衡车运行不稳定，操控的准确度和灵敏度不佳，用户体验不佳的问题，本发明提供了一种双轮平衡车的控制系统来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双轮平衡车的控制系统，包括主控制器、左电机驱动电路、左三相电机、左电流采样电路、左姿态副控制器、左姿态传感器、右电机驱动电路、右三相电机、右电流采样电路、右姿态副控制器和右姿态传感器；

所述左电机驱动电路和右电机驱动电路均为三相全桥电机驱动电路，所述左电机驱动电路的三相电流输出端与所述左三相电机连接，所述右电机驱动电路的三相电流输出端与所述右三相电机连接，所述左电机驱动电路的上桥臂驱动信号端和下桥臂驱动信号端与所述主控制器连接，所述右电机驱动电路的上桥臂驱动信号端和下桥臂驱动信号端与所述主控制器连接；

所述左电流采样电路分别与所述左电机驱动电路和主控制器连接，所述右电流采样电路分别与所述右电机驱动电路和主控制器连接；

所述左姿态副控制器分别与所述左姿态传感器和主控制器连接，所述右姿态副控制器分别与所述右姿态传感器和主控制器连接。

作为优选，

所述左电流采样电路包括左A相差分采样电路、左B相差分采样电路和左参考电流差分采样电路，所述左A相差分采样电路的两个输入端分别与所述左电机驱动电路的A相电流输出端和参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接，所述左B相差分采样电路的两个输入端分别与所述左电机驱动电路的B相电流输出端和参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接，所述左参考电流差分采样电路的两个输入端分别与3.3V直流电源和所述左电机驱动电路的参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接；

所述右电流采样电路包括右A相差分采样电路、右B相差分采样电路和右参考电流差分采样电路，所述右A相差分采样电路的两个输入端分别与所述右电机驱动电路的A相电流输出端和参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接，所述右B相差分采样电路的两个输入端分别与所述右电机驱动电路的B相电流输出端和参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接，所述右参考电流差分采样电路的两个输入端分别与3.3V直流电源和所述右电机驱动电路的参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接。

作为优选，还包括左过流保护电路和右过流保护电路，

所述左过流保护电路包括NPN型三极管Q2L，所述三极管Q2L的基极与所述左电机驱动电路的参考电流输出端连接，集电极分别与所述3.3V直流电源和主控制器连接，发射极接地；

所述右过流保护电路包括NPN型三极管Q2R，所述三极管Q2R的基极与所述右电机驱动电路的参考电流输出端连接，集电极分别与所述3.3V直流电源和主控制器连接，发射极接地。

作为优选，还包括左光电检测电路和右光电检测电路，

所述左光电检测电路包括第一光电开关、电阻R21、电阻R22和电阻R23，所述第一光电开关的一端与所述电阻R21、电阻R22、电阻R23、接地端依次串联，一端连接至所述电阻R22和电阻R23之间并且连接至所述左姿态副控制器，所述3.3V直流电源还连接至所述电阻R21和电阻R22之间；

所述左光电检测电路还包括第二光电开关、电阻R24、电阻R20和电阻R19，所述第一光电开关的一端与所述电阻R24、电阻R20、电阻R19、接地端依次串联，一端连接至所述电阻R20和电阻R19之间并且连接至所述左姿态副控制器，所述3.3V直流电源还连接至所述电阻R24和电阻R20之间。

作为优选，还包括左灯光控制电路和右灯光控制电路，

所述左灯光控制电路包括多组第一灯光控制单元，其中一组所述第一灯光控制单元包括电阻R11、NPN型三极管Q7和电阻R5，所述电阻R11的一端与一个发光二极管的阴极连接，另外一端与所述三极管Q7的集电极连接，所述三极管Q7的基极的发射极接地，所述电阻R5的一端与所述三极管Q7的基极连接，另外一端与所述左姿态副控制器连接；

所述左灯光控制电路还包括多组第二灯光控制单元，其中一组所述第二灯光控制单元包括电阻R13、NPN型三极管Q9和电阻R4，所述电阻R13的一端与一个发光二极管的阴极连接，另外一端与所述三极管Q9的集电极连接，所述三极管Q9的基极的发射极接地，所述电阻R4的一端与所述三极管Q9的基极连接，另外一端与所述左姿态副控制器连接。

作为优选，还包括声音提示电路，所述声音提示电路包括NPN型三极管Q70、电阻R220和二极管D6，所述三极管D70的发射极接地，集电极分别与蜂鸣器和所述二极管D6的正极连接，基极与所述电阻R220的一端连接，所述电阻R220的另外一端与所述主控制器连接，所述二极管D6的负极接12V直流电源。

作为优选，还包括电源开关电路和电源转换电路，

所述电源开关电路包括三极管Q1、三极管Q2和二极管D1，所述三极管Q1的发射极作为输入端与36V直流电源连接，集电极作为输出端与所述电源转换电路连接，基极通过电阻与所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极接地，基极通过电阻分别与所述二极管D1的负极和所述主控制器连接，所述二极管D1的正极通过电阻与电源开关连接，所述二极管的正极还通过电阻与所述36V直流电源连接，并且它们之间还串联有电门锁；

所述电源转换电路的输出端分别输出5V直流电源、3V直流电源和12V直流电源。

作为优选，所述主控制器采用STM32F103型单片机，所述左姿态传感器和右姿态传感器采用MPU6050芯片，所述左姿态副控制器连接和右姿态副控制器连接均采用STM32F103型单片机。

本发明的有益效果是，这种双轮平衡车的控制系统稳定可靠，长时间运行不会出现故障，用户使用时，能够更轻松的控制车体，腿部得到车体更加精准的反馈，保证了用户体验和安全性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的双轮平衡车的控制系统的最优实施例的框架图。

图2是本发明的双轮平衡车的控制系统的左电流采样电路示意图。

图3是本发明的双轮平衡车的控制系统的右电流采样电路示意图。

图4是本发明的双轮平衡车的控制系统的左过流保护电路和右过流保护电路示意图。

图5是本发明的双轮平衡车的控制系统的左光电检测电路和右光电检测电路示意图。

图6是本发明的双轮平衡车的控制系统的左灯光控制电路示意图。

图7是本发明的双轮平衡车的控制系统的声音提示电路示意图。

图8是本发明的双轮平衡车的控制系统的电源开关电路示意图。

图9是本发明的双轮平衡车的控制系统的电源转换电路示意图。

图10是本发明的双轮平衡车的控制系统的主控制器及其周边电路示意图。

图11是本发明的双轮平衡车的控制系统的左姿态传感器及其周边电路示意图。

图12是本发明的双轮平衡车的控制系统的左姿态副控制器及其周边电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明提供了一种双轮平衡车的控制系统，包括主控制器、左电机驱动电路、左三相电机、左电流采样电路、左姿态副控制器、左姿态传感器、右电机驱动电路、右三相电机、右电流采样电路、右姿态副控制器和右姿态传感器；

左电机驱动电路和右电机驱动电路均为三相全桥电机驱动电路，左电机驱动电路的三相电流输出端与左三相电机连接，右电机驱动电路的三相电流输出端与右三相电机连接，左电机驱动电路的上桥臂驱动信号端和下桥臂驱动信号端与主控制器连接，右电机驱动电路的上桥臂驱动信号端和下桥臂驱动信号端与主控制器连接；电机驱动采用分立元器件，成本低廉，工作可靠，其中上桥臂由于开通时MOS管的栅极电压必须打样源极电压，而MOS管的驱动电源只有14V，上桥臂MOS导通是源极电压就是36V直流电源，所以必须采用升压措施保证MOS管的正常工作，此处我们采用自举升压电路来保证电路的正常工作；

左电流采样电路分别与左电机驱动电路和主控制器连接，右电流采样电路分别与右电机驱动电路和主控制器连接；

左姿态副控制器分别与左姿态传感器和主控制器连接，右姿态副控制器分别与右姿态传感器和主控制器连接。

如图2~3所示，左电流采样电路包括左A相差分采样电路、左B相差分采样电路和左参考电流差分采样电路，左A相差分采样电路的两个输入端分别与左电机驱动电路的A相电流输出端Ia_L+和参考电流输出端Igeneratrix_L连接，输出端Ia_L与主控制器连接，左B相差分采样电路的两个输入端分别与左电机驱动电路的B相电流输出端Ib_L+和参考电流输出端Igeneratrix_L连接，输出端与主控制器连接，左参考电流差分采样电路的两个输入端分别与3.3V直流电源和左电机驱动电路的参考电流输出端Igeneratrix_L连接，输出端与主控制器连接；

右电流采样电路包括右A相差分采样电路、右B相差分采样电路和右参考电流差分采样电路，右A相差分采样电路的两个输入端分别与右电机驱动电路的A相电流输出端Ia_R+和参考电流输出端Igeneratrix_R连接，输出端与主控制器连接，右B相差分采样电路的两个输入端分别与右电机驱动电路的B相电流输出端Ib_R+和参考电流输出端Igeneratrix_R连接，输出端与主控制器连接，右参考电流差分采样电路的两个输入端分别与3.3V直流电源和右电机驱动电路的参考电流输出端Igeneratrix_R连接，输出端与主控制器连接；

电机的矢量控制必须知道电机的三相电流，采用电流传感器成本太高，本设计采用测两相下桥臂的MOS管压降的方式，来测量电机的两相电流并计算出第三相电流，由于MOS管内阻较小，采样信号较弱，我们采用差分方式布线，并将信号同相比例运算放大电路放大后传给主控单片机。直流母线电流限制我们采用两个合金电阻，通过同相比例运算放大电路放大合金电阻上的压降，然后将放大的电压信号送给主控单片机，单片机根据采样的电流信号，控制电机的驱动，以达到限制电机电流的目的，保证控制系统的可靠性。

如图4所示，还包括左过流保护电路和右过流保护电路，

左过流保护电路包括NPN型三极管Q2L，三极管Q2L的基极通过电阻与左电机驱动电路的参考电流输出端Igeneratrix_L连接，集电极通过电阻分别与3.3V直流电源和主控制器连接，发射极接地；

右过流保护电路包括NPN型三极管Q2R，三极管Q2R的基极通过电阻与右电机驱动电路的参考电流输出端Igeneratrix_R连接，集电极通过电阻分别与3.3V直流电源和主控制器连接，发射极接地；

当电流过大时将在电流采样电阻两端产生较大压降，当产生的压降大于NPN三极管BE极导通电压时，三极管导通，主控单片机中断输入口被拉低，触发单片机中断，单片机检测到中断后关闭MOS输出，以防止控制器损坏。

如图5所示，还包括左光电检测电路和右光电检测电路，

左光电检测电路包括第一光电开关、电阻R21、电阻R22和电阻R23，第一光电开关的一端与电阻R21、电阻R22、电阻R23、接地端依次串联，一端连接至电阻R22和电阻R23之间并且连接至左姿态副控制器，3.3V直流电源还连接至电阻R21和电阻R22之间；

左光电检测电路还包括第二光电开关、电阻R24、电阻R20和电阻R19，第一光电开关的一端与电阻R24、电阻R20、电阻R19、接地端依次串联，一端连接至电阻R20和电阻R19之间并且连接至左姿态副控制器，3.3V直流电源还连接至电阻R24和电阻R20之间；

光电检测电路主要用于检测是否有人踏在踏板上，当没有人踏在踏板上时，光电开关光路不被阻断，光电开关输出端口输出低电平，当有人踏在踏板上时，光电开关光路被阻断，光电开关输出端口输出高电平，通过出差端口电平的变化，从而可以感知是否有人踏在踏板上。

如图6所示，还包括左灯光控制电路和右灯光控制电路，

左灯光控制电路包括多组第一灯光控制单元，其中一组第一灯光控制单元包括电阻R11、NPN型三极管Q7和电阻R5，电阻R11的一端与一个发光二极管的阴极连接，另外一端与三极管Q7的集电极连接，三极管Q7的基极的发射极接地，电阻R5的一端与三极管Q7的基极连接，另外一端与左姿态副控制器连接；

左灯光控制电路还包括多组第二灯光控制单元，其中一组第二灯光控制单元包括电阻R13、NPN型三极管Q9和电阻R4，电阻R13的一端与一个发光二极管的阴极连接，另外一端与三极管Q9的集电极连接，三极管Q9的基极的发射极接地，电阻R4的一端与三极管Q9的基极连接，另外一端与左姿态副控制器连接；

发光二极管采用共阳极接法，通过限流电阻和NPN型三极管来控制发光二极管的亮灭。灯光控制电路主要用于指示电池电量、光电开关状态、转向状态、故障状态等状态提示。

如图7所示，还包括声音提示电路，声音提示电路包括NPN型三极管Q70、电阻R220和二极管D6，三极管D70的发射极接地，集电极分别与蜂鸣器和二极管D6的正极连接，基极与电阻R220的一端连接，电阻R220的另外一端与主控制器连接，二极管D6的负极接12V直流电源；声音提示电路采用蜂鸣器发出声音，并采用简单的NPN型三极管和限流电阻来驱动，电路简洁温度可靠。

如图8~9所示，还包括电源开关电路和电源转换电路，

电源开关电路包括三极管Q1、三极管Q2和二极管D1，三极管Q1的发射极作为输入端与36V直流电源连接，集电极作为输出端与电源转换电路连接，基极通过电阻与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极接地，基极通过电阻分别与二极管D1的负极和主控制器连接，二极管D1的正极通过电阻与电源开关连接，二极管的正极还通过电阻与36V直流电源连接，并且它们之间还串联有电门锁；当主控制器处于关闭状态时，按下电源开关，三极管Q1和Q2导通，控制电路工作，主控制器检测到按键信号，Power_Lock_Sw端口输出高电平，则三极管Q1和Q2锁定为导通状态，此时松开电源按键，电路也能正常供电，当控制器处于工作状态时，按下电源按键，主控制器检测到端口电压变化，Power_Lock_Sw端口输出低电平，此时松开电源按键，则三极管Q1和Q2关断，控制主板电源关闭。

电源转换电路为整个系统电路的各个模块提供正常工作的电压，分别是电机驱动、姿态传感器及蜂鸣器的12V直流电源，电机霍尔传感器的5V直流电源，和单品微型计算机的3.3V直流电源，为了提高整机的效率和降低元器件的发热量，12V的直流电源采用BUCK型降压斩波电路，5V直接采用78M05三端电源芯片，3.3V直接采用AMS1117三端电源芯片，整个电路简单成本低廉工作可靠。

如图10~12所示，主控制器采用STM32F103型单片机，左姿态传感器和右姿态传感器采用MPU6050芯片，MPU6050芯片整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，通过IIC接口和姿态副控制器数据通讯，通过姿态副控制器处理姿态传感器的数据来实时计算出当前的姿态，然后控制电机的转动来让车体前后及运动及左右转向，左姿态副控制器连接和右姿态副控制器连接均采用STM32F103型单片机。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种双轮平衡车的控制系统，其特征在于：包括主控制器、左电机驱动电路、左三相电机、左电流采样电路、左姿态副控制器、左姿态传感器、右电机驱动电路、右三相电机、右电流采样电路、右姿态副控制器和右姿态传感器；

所述左电机驱动电路和右电机驱动电路均为三相全桥电机驱动电路，所述左电机驱动电路的三相电流输出端与所述左三相电机连接，所述右电机驱动电路的三相电流输出端与所述右三相电机连接，所述左电机驱动电路的上桥臂驱动信号端和下桥臂驱动信号端与所述主控制器连接，所述右电机驱动电路的上桥臂驱动信号端和下桥臂驱动信号端与所述主控制器连接；

所述左电流采样电路分别与所述左电机驱动电路和主控制器连接，所述右电流采样电路分别与所述右电机驱动电路和主控制器连接；

所述左姿态副控制器分别与所述左姿态传感器和主控制器连接，所述右姿态副控制器分别与所述右姿态传感器和主控制器连接；

所述左电流采样电路包括左A相差分采样电路、左B相差分采样电路和左参考电流差分采样电路，所述左A相差分采样电路的两个输入端分别与所述左电机驱动电路的A相电流输出端和参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接，所述左B相差分采样电路的两个输入端分别与所述左电机驱动电路的B相电流输出端和参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接，所述左参考电流差分采样电路的两个输入端分别与3.3V直流电源和所述左电机驱动电路的参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接；

所述右电流采样电路包括右A相差分采样电路、右B相差分采样电路和右参考电流差分采样电路，所述右A相差分采样电路的两个输入端分别与所述右电机驱动电路的A相电流输出端和参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接，所述右B相差分采样电路的两个输入端分别与所述右电机驱动电路的B相电流输出端和参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接，所述右参考电流差分采样电路的两个输入端分别与3.3V直流电源和所述右电机驱动电路的参考电流输出端连接，输出端与所述主控制器连接。

2.如权利要求1所述的双轮平衡车的控制系统，其特征在于：还包括左过流保护电路和右过流保护电路，

所述左过流保护电路包括NPN型三极管Q2L，所述三极管Q2L的基极与所述左电机驱动电路的参考电流输出端连接，集电极分别与所述3.3V直流电源和主控制器连接，发射极接地；

所述右过流保护电路包括NPN型三极管Q2R，所述三极管Q2R的基极与所述右电机驱动电路的参考电流输出端连接，集电极分别与所述3.3V直流电源和主控制器连接，发射极接地。

3.如权利要求2所述的双轮平衡车的控制系统，其特征在于：还包括左光电检测电路和右光电检测电路，

所述左光电检测电路包括第一光电开关、电阻R21、电阻R22和电阻R23，所述第一光电开关的一端与所述电阻R21、电阻R22、电阻R23、接地端依次串联，一端连接至所述电阻R22和电阻R23之间并且连接至所述左姿态副控制器，所述3.3V直流电源还连接至所述电阻R21和电阻R22之间；

所述左光电检测电路还包括第二光电开关、电阻R24、电阻R20和电阻R19，所述第一光电开关的一端与所述电阻R24、电阻R20、电阻R19、接地端依次串联，一端连接至所述电阻R20和电阻R19之间并且连接至所述左姿态副控制器，所述3.3V直流电源还连接至所述电阻R24和电阻R20之间。

4.如权利要求3所述的双轮平衡车的控制系统，其特征在于：还包括左灯光控制电路和右灯光控制电路，

所述左灯光控制电路包括多组第一灯光控制单元，其中一组所述第一灯光控制单元包括电阻R11、NPN型三极管Q7和电阻R5，所述电阻R11的一端与一个发光二极管的阴极连接，另外一端与所述三极管Q7的集电极连接，所述三极管Q7的基极的发射极接地，所述电阻R5的一端与所述三极管Q7的基极连接，另外一端与所述左姿态副控制器连接；

所述左灯光控制电路还包括多组第二灯光控制单元，其中一组所述第二灯光控制单元包括电阻R13、NPN型三极管Q9和电阻R4，所述电阻R13的一端与一个发光二极管的阴极连接，另外一端与所述三极管Q9的集电极连接，所述三极管Q9的基极的发射极接地，所述电阻R4的一端与所述三极管Q9的基极连接，另外一端与所述左姿态副控制器连接。

5.如权利要求4所述的双轮平衡车的控制系统，其特征在于：还包括声音提示电路，所述声音提示电路包括NPN型三极管Q70、电阻R220和二极管D6，所述三极管Q70 的发射极接地，集电极分别与蜂鸣器和所述二极管D6的正极连接，基极与所述电阻R220的一端连接，所述电阻R220的另外一端与所述主控制器连接，所述二极管D6的负极接12V直流电源。

6.如权利要求5所述的双轮平衡车的控制系统，其特征在于：还包括电源开关电路和电源转换电路，

所述电源开关电路包括三极管Q1、三极管Q2和二极管D1，所述三极管Q1的发射极作为输入端与36V直流电源连接，集电极作为输出端与所述电源转换电路连接，基极通过电阻与所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极接地，基极通过电阻分别与所述二极管D1的负极和所述主控制器连接，所述二极管D1的正极通过电阻与电源开关连接，所述二极管的正极还通过电阻与所述36V直流电源连接，并且它们之间还串联有电门锁；

所述电源转换电路的输出端分别输出5V直流电源、3V直流电源和12V直流电源。

7.如权利要求6所述的双轮平衡车的控制系统，其特征在于：所述主控制器采用STM32F103型单片机，所述左姿态传感器和右姿态传感器采用MPU6050芯片，所述左姿态副控制器连接和右姿态副控制器连接均采用STM32F103型单片机。