CN203921102U - 电动自平衡独轮车控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电动自平衡车技术领域，具体涉及一种电动自平衡独轮车控制系统，包括控制电路，用于驱动电机的电机矢量驱动电路，所述控制电路的一输出端与电机矢量驱动电路的驱动信号输入端连接，电机矢量驱动电路的输出端连接电机，以及与控制电路的一信号输入端连接的车体姿态传感器，和检测电机电流并与控制电路的采样输入端连接的电机电流采样电路，以及为进入系统、电机的电压进行转换的DC/DC转换电路。本实用新型采用控制电路，实现了电动独轮车的自平衡控制，电机的超静音工作，通过电机的磁场定向控制实现电机效率的最大化，提高了续航里程，增加了电机转矩。

Description

电动自平衡独轮车控制系统

技术领域

本实用新型涉及电动自平衡车技术领域，具体涉及一种电动自平衡独轮车控制系统。

背景技术

电动独轮车是一种电力驱动、具有自我平衡能力的交通工具。在社会飞速发展的今天，交通拥堵也成了最终现象，一款时尚的电动独轮车，让您享受穿梭于闹市的轻松与快乐。电动独轮车代替自行车和电动车作为交通工具是时尚潮流的发展。电动独轮车适于每日通勤使用或者周末时作为一项休闲运动，由陀螺仪传感器控制平衡，1000瓦特的电动机驱动，可以获得很好的动力，速度在20KM/H左右，在保证安全的同时兼顾到行车速度。由于其采用独轮设计，其驱动独轮电机工作的驱动及控制系统，便更需要稳定，而现有技术中的驱动控制系统不够稳定；另外，虽然独轮车速度不快，但是由于其电池供电的局限性(电量用完而停止供电)，且使用者不能方便的观察到电池电量的使用情况，因而在其电量缺失时，使用者仍在不知情的情况下，继续行驶，这样给使用者的安全带来的危害。

发明内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种电动自平衡独轮车控制系统,其采用控制电路,实现了电动独轮车的自平衡控制，电机的超静音工作，通过电机的磁场定向控制实现电机效率的最大化，提高了续航里程，增加了电机转矩。

实现本实用新型的技术方案如下：

电动自平衡独轮车控制系统，包括控制电路，用于驱动电机的电机矢量驱动电路，所述控制电路的一输出端与电机矢量驱动电路的驱动信号输入端连接，电机矢量驱动电路的输出端连接电机，以及与控制电路的一信号输入端连接的车体姿态传感器，和检测电机电流并与控制电路的采样输入端连接的电机电流采样电路，以及为进入系统、电机的电压进行转换的DC/DC转换电路。

所述控制电路的信号出端连接有声光提示电路，其包括电源指示电路、电池电量指示电路以及在电池电量耗尽前用于发出声音提示的发声电路。

所述电源指示电路、电池电量指示电路均包括通过第一限流电阻与控制电路连接的三极管，其中，三极管的集电极与第一限流电阻连接，基极通过第二限流电阻连接有发光LED，发射极接地；

所述发声电路包括与控制电路连接的二极管、三极管，并接于三极管发射极、基极之间的第三限流电阻，连接三极管基极的第四限流电阻，以及与第四限流电阻连接的发声器。

所述电机电流采用电路包括与电机矢量驱动电路依次串接的第五电阻、第六电阻，以及运算放大器，运算放大器的正相输入端连接第六电阻且并接有第七电阻，运算放大器的反相输入端并接有第八电阻、第九电阻，第九电阻与运算放大器的输出端连接并连于控制电路，第八电阻与电机矢量驱动电路连接，在运算放大器的反相输入端与正相输入端之间连接有二极管，其二极管的正极连接运算放大器的正相输入端，负极连接运算放大器的反相输入端。

还包括对独轮车电池进行管理的电池管理电路，电池管理电路输出端连接的电机矢量驱动电路、控制电路，所述电池管理电路包括与电池连接的均衡充电电路，与均衡充电电路连接的电压电流检测器，以及与电压电流检测器连接的光耦隔离电路，所述光耦隔离电路的输出端与控制电路相连，以及连接电池、电压电流检测器的充电驱动电路。

所述均衡充电电路包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻以及三极管，第十电阻一端与电池连接，另一端与三极管的集电极连接，三极管的发射极通过第十一电阻与电压电流检测器连接，三极管的基极通过第十二电阻与电压电流检测器连接。

所述电压电流检测器为芯片SH367004。

所述控制电路为型号STM32F103C6T6或者STM32F103C8T6的芯片。

采用了上述方案，通过电机矢量驱动电路对电机电流进行处理，电机电流采样电路对电机的三相电流进行采样，直流母线电流的采样，以及对进入系统及电机的DC/DC转换稳压处理，车体姿态传感器来让车体前后实现自动平衡，本实用新型实现了电动独轮车的自平衡控制，电机的超静音工作，通过电机的磁场定向控制实现电机效率的最大化，提高了续航里程，增加了电机转矩，另外通过电池管理电路和电机矢量驱动电路一体化的设计(设计于一块电路板上)，节省了制造成本，电路板的占用空间少，同时也实现了电源管理和电机驱动的协调工作，当电池电力耗尽时，电池管理电路会发送信号给控制电路，控制电路会通过声光提示电路通知用户赶快下车，然后几十秒之后系统会断电，这样就解决了平衡车电力耗尽时突然断电的情况，大大提高独轮平衡车的安全性。

附图说明

图1为本实用新型的控制原理示意图；

图2为本实用新型中DC/DC转换电路的电路图；

图3为本实用新型中电机矢量驱动电路的电路图；

图4为本实用新型中车体姿态传感器的电路图；

图5为本实用新型中电机电流采用电路的电路图；

图6为本实用新型中控制电路的示意图；

图7为本实用新型中声光提示电路的电路图；

图8为本实用新型中电池管理电路的电路图；

图9为本实用新型中的过流保护电路；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。

参见图1，电动自平衡独轮车控制系统，包括控制电路1，用于驱动电机的电机矢量驱动电路2，控制电路1的一输出端与电机矢量驱动电路2的驱动信号输入端连接，电机矢量驱动电路的输出端连接电机，以及与控制电路的一信号输入端连接的车体姿态传感器3，和检测电机电流并与控制电路的采样输入端连接的电机电流采样电路4，以及为进入系统、电机的电压进行转换的DC/DC转换电路5。其中，控制电路为型号STM32F103C6T6或者STM32F103C8T6的芯片，该芯片内部集成32位CPU，ROM,RAM,电机控制模块，IIC接口，定时器等，计算处理数据能力强大，为整个系统数据处理中心。

参见图1、6、7，控制电路1的信号出端连接有声光提示电路6，其包括电源指示电路601、电池电量指示电路602以及在电池电量耗尽前用于发出声音提示的发声电路603。其中，电源指示电路、电池电量指示电路均包括通过第一限流电阻R1与控制电路连接的三极管Q，其中，三极管的集电极与第一限流电阻连接，基极通过第二限流电阻R2连接有发光LED，发射极接地；发声电路包括与控制电路连接的二极管D7、三极管Q1，并接于三极管发射极、基极之间的第三限流电阻R48，连接三极管基极的第四限流电阻R49，以及与第四限流电阻连接的发声器。这里采用高亮度的红色LED指示，发声器提示采用蜂鸣器，并采用简单的NPN三极管和限流电阻来驱动，电路简洁稳定可靠。

参见图1、5，电机电流采用电路4包括与电机矢量驱动电路依次串接的第五电阻R5、第六电阻R6，以及运算放大器U1，运算放大器的正相输入端连接第六电阻且并接有第七电阻R7，运算放大器的反相输入端并接有第八电阻R8、第九电阻R9，第九电阻与运算放大器的输出端连接并连于控制电路，第八电阻与电机矢量驱动电路连接，在运算放大器的反相输入端与正相输入端之间连接有二极管D4，其二极管的正极连接运算放大器的正相输入端，负极连接运算放大器的反相输入端。电动机的矢量控制必需知道电机的三相电流，采用电流传感器成本太高，本设计采用测三个下桥臂的MOS压降的方式，来测试三相电机的电流，MOS管电压信号的放大，我们同样采用同相比例运算放大电流，在PCB上我们采用差分布线，保证信号放大的准确性；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电压，然后将放大之后的电压送控制电路，以达到限制电机电流的目的，保证控制器系统的可靠性。

参见图1、8，电动自平衡独轮车控制系统还包括对独轮车电池进行管理的电池管理电路7，电池管理电路输出端连接的电机矢量驱动电路、控制电路，电池管理电路包括与电池连接的均衡充电电路701，与均衡充电电路连接的电压电流检测器702，以及与电压电流检测器连接的光耦隔离电路703，光耦隔离电路的输出端与控制电路相连，以及连接电池、电压电流检测器的充电驱动电路704。

其中，均衡充电电路包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻以及三极管，第十电阻一端与电池连接，另一端与三极管的集电极连接，三极管的发射极通过第十一电阻与电压电流检测器连接，三极管的基极通过第十二电阻与电压电流检测器连接。电压电流检测器为芯片SH367004。电源管理电路我们采用锂电池电源管理芯片SH367004系列。其中特殊用法是当电池任何一只电池电量耗尽时，通过SH367004芯片的第8脚输出高电平，然后通过光耦把欠压信号发送到控制电路，控制电路驱动声光提示电路告诉用户赶快下车，让后20秒后系统会自动断电，以保护电池不会过放电而被损坏。

参见图2，DC/DC转换电路的电路图，其图中，A为电机的DC/DC转换电路，B为LED和蜂鸣器的DC/DC转换电路，C为控制电路即芯片的DC/DC转换电路；电源转换电路为整个工作电路的各个模块提供正常工作的电压，分别是电机驱动电路的14v的直流电压，LED和蜂鸣器的5V直流电压，和单片微型计算机的3.3v的直流电压，为了提供整机的效率和降低元器件的发热量，14V的直流电压采用BUCK型降压斩波电路，5v直接采用78M05散端电源芯片，3.3V直接采用AMS1117三端电源芯片，整个电路简介成本低廉，工作可靠。

参见图3，其为电机矢量驱动电路，电机驱动电路采用分立元器件，成本低廉，工作可靠，其中上桥臂由于开通时MOS管的栅极电压必须大于源级电压，而MOS管的驱动电压只有14V，上桥臂MOS导通时源级电压就是电源电压(60V),所以必须采样升压措施保证MOS管的正常工作，此处我们采用自举升压电路8来保证电路的正常工作。

参见图4，车体姿态传感器，其中采用MPU6050的芯片作为姿态传感器，其整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，通过IIC接口和控制电路进行数据通讯，通过控制电路处理姿态传感器的数据来实时计算出当前车体的姿态，然后控制电机的转动来让车体前后实现自动平衡。

参见图9，其为在本系统出现过流时，起到过流保护的保护电路，NPN型三极管的BE结电压大于设定值时，三极管就会导通，我们通过比较两个并联电阻的两端电压来实现过流的保护，当BE结电压大于设定值时，三极管导通，Q2三极管的集电极电压被拉低，然后控制电路检测到低电平后关闭MOS管，以防止控制器的损坏。

Claims (8)

1.电动自平衡独轮车控制系统，其特征在于，包括控制电路，用于驱动电机的电机矢量驱动电路，所述控制电路的一输出端与电机矢量驱动电路的驱动信号输入端连接，电机矢量驱动电路的输出端连接电机，以及与控制电路的一信号输入端连接的车体姿态传感器，和检测电机电流并与控制电路的采样输入端连接的电机电流采样电路，以及为进入系统、电机的电压进行转换的DC/DC转换电路。

2.根据权利要求1所述的电动自平衡独轮车控制系统，其特征在于，所述控制电路的信号出端连接有声光提示电路，其包括电源指示电路、电池电量指示电路以及在电池电量耗尽前用于发出声音提示的发声电路。

3.根据权利要求2所述的电动自平衡独轮车控制系统，其特征在于，所述电源指示电路、电池电量指示电路均包括通过第一限流电阻与控制电路连接的三极管，其中，三极管的集电极与第一限流电阻连接，基极通过第二限流电阻连接有发光LED，发射极接地；

所述发声电路包括与控制电路连接的二极管、三极管，并接于三极管发射极、基极之间的第三限流电阻，连接三极管基极的第四限流电阻，以及与第四限流电阻连接的发声器。

4.根据权利要求1所述的电动自平衡独轮车控制系统，其特征在于，所述电机电流采用电路包括与电机矢量驱动电路依次串接的第五电阻、第六电阻，以及运算放大器，运算放大器的正相输入端连接第六电阻且并接有第七电阻，运算放大器的反相输入端并接有第八电阻、第九电阻，第九电阻与运算放大器的输出端连接并连于控制电路，第八电阻与电机矢量驱动电路连接，在运算放大器的反相输入端与正相输入端之间连接有二极管，其二极管的正极连接运算放大器的正相输入端，负极连接运算放大器的反相输入端。

5.根据权利要求1所述的电动自平衡独轮车控制系统，其特征在于，还包括对独轮车电池进行管理的电池管理电路，电池管理电路输出端连接的电机矢量驱动电路、控制电路，所述电池管理电路包括与电池连接的均衡充电电路，与均衡充电电路连接的电压电流检测器，以及与电压电流检测器连接的光耦隔离电路，所述光耦隔离电路的输出端与控制电路相连，以及连接电池、电压电流检测器的充电驱动电路。

6.根据权利要求5所述的电动自平衡独轮车控制系统，其特征在于，所述均衡充电电路包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻以及三极管，第十电阻一端与电池连接，另一端与三极管的集电极连接，三极管的发射极通过第十一电阻与电压电流检测器连接，三极管的基极通过第十二电阻与电压电流检测器连接。

7.根据权利要求5所述的电动自平衡独轮车控制系统，其特征在于，所述电压电流检测器为芯片SH367004。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的电动自平衡独轮车控制系统，其特征在于，所述控制电路为型号STM32F103C6T6或者STM32F103C8T6的芯片。