雙輪平衡車設計

西北民族大學電氣工程學院 王元琪 李遠航

進入新世紀后，我國人工智能行業逐漸嶄露頭角，智能機器人、智能安裝機器人、無人駕駛等新型科技產業飛速發展。在雙輪平衡車領域，科技人員通過對陀螺儀的研究，也將其納入發展行列。當今世界綠色主題發展越來越明顯，隨著科技的進步，清潔能源的大量投入使用使得電動汽車的數量在不斷增加。為解決交通擁擠等問題，研究者以簡潔、小型化為出發點，開發出了一款兩輪電動平衡車。

1 系統框架

在設計中本裝置的硬件電路主要包含：提供工作的電壓并各個電路模塊降壓電路的設計、轉向、STM32F103ZET6控制系統電路、光耦隔離電路的設計等。由于系統各部分電路所需的電壓不同，因此需要特殊的電壓轉換電路來保證系統中各電路的正常工作。平衡數據、轉向數據采集由集成處理模塊MPU6050中的六軸運動和傾斜信號傳感器處理，主控制系統以數據為基礎進行判斷，數據處理，通過高級定時器TIM1（TIM8）輸出不同占空比的PWM波繞兩個電機轉速，使平衡車一直處于平衡狀態。

2 電機驅動模塊

2.1 無刷直流電機

無刷直流電動機的結構與普通直流電動機的結構非常相似。無刷直流電動機的三相繞組均勻分布在120°空間內,使用該繞組分布方法可以最大程度的節約空間，為轉子提供穩定的控制回路。一般來說有三個繞組連接，一個用于Y連接，另一個用于星形連接。本文采用的連接方法是星形連接，電動機驅動電路中有六個功率晶體管分別為VT1、VT3、VT4、VT5、VT6，兩個DC控制端分別為DC+、DC-。轉子的實時位置數據，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功率晶體管的導通順序，實現了電動機線圈的通電順序的變化。該電機具有轉矩和速度特性好、動態響應速度快、效率高、使用壽命長、轉向過程無火花、運行平穩、維護方便等優點。

2.2 門極驅動電路設計

平衡車的控制系統中電機的控制是至關重要的。由于STM32輸出的PWM信號振幅為3.3V，因此如果要驅動功率管，就需要對該信號進行放大。柵極驅動電路負責輸出STM32，脈寬調制信號被放大。在門驅動電路中，6個通道的PWM波依次連接到IR2130的2-7針。驅動器放大后將脈寬調制波的幅度放大到約15V，芯片的14、15、16、19、23、27號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，當被測電流值大于0.5A時，觸發故障引腳輸出各低電平信號，此時所有輸出信號將被切斷以保護電路。C4、C5、C6采用漏電流小的陶瓷電容器，主要用于存儲上橋臂動力管驅動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通時直流母線電壓進入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具有足夠的反向電壓電阻和快速恢復的優點。

2.3 三相橋式逆變電路設計

在三相橋式驅動電路中，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全是N型MOSFET，三相橋式驅動電路的原理是通過柵電壓控制漏極電流完成對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，其額定工作參數為75V、75A的配置，可以在很短的時間內完成開關狀態，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功率晶體管的開、關狀態，將直流母線電壓轉換成頻率和幅值可控的三相對稱電壓信號，為電機的正常運行提供驅動信號。

3 電源模塊設計

3.1 電源電量檢測電路設計

本設計以12V型鋰電池為動力，鋰電池是一種高效節能的能源，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。鋰電池在生活中應用極為廣泛，其具有供電耐久性強、尺寸靈活、體積小、動力充足、電壓高、穩定性好等優點；其不足之處是當所使用的電機功率過大時，短時間內的放電量比較大，會造成電池內部化學試劑的老化虧損，如果不能及時為電池充電維持其正常的化學反應，極有可能對鋰電池內部的試劑造成永久性損壞。因此，在本裝置的設計安裝中，既需要維持能夠隨時測量模型鋰電池的功率，還需要定時對電池進行充電以維持正常的化學反應；該電池采用DS2788專業鋰離子電池測量芯片能實時測量鋰電池電壓和放電電流的高精度性能。12V電池電壓過低報警，實時功率LED顯示，能夠隨時了解電池的實時電壓變化并能執行硅簡單的功率剩余持續時間估計，并隨時將數據提供給主控芯片，主控芯片將信號傳輸給反饋機制使得STM32F103C8T6電壓輸入控制器芯片插腳，用于AD采樣ADC采樣模塊，通過計算該鋰電池的實時電壓可獲得12V，有利于12V模型軟件的編制，完成對電池保護（如圖1所示）。

圖1 電池電量檢測模塊原理圖

3.2 電源電路設計

在本裝置的設計中，由于模塊的額定數據并不一致，所以不同的模塊需要不同的電壓水平。為保證各個模塊都能正常工作，預防在實驗中由于電流過大對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行劃分。該方法在相當多的場合都有實驗驗證，尤其市在高度精密的儀器中，檢測時的微小電流如果處理不當都會對設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的電壓下會維持控制回路的穩定，提供足夠的能源，減少模塊之間的能源損失。本設計采用AMS117-3.3V穩壓芯片，將從穩壓芯片LM2596T-5獲得的5V電壓重新轉換為3.3V電壓，AMS117-3.3V電壓芯片在轉換時可達到1%的精度。在該精度下，裝置內部的信號也會趨于穩定，當電壓為3.3V時，電壓精度可滿足STM32F103C8T6等敏感芯片的功率要求。AMS117-3.3V電壓芯片優點是適用范圍廣、體積小、占用空間小等。其具備流量過熱自動斷電功能，此功能可以在電流過大的情況下，電阻由于電流的增大導致熱量增加，可能會對控制裝置中的其他模塊造成損傷，所以需要使用自動斷電保護裝置；其具備能在惡劣環境下工作、外圍電路簡單、功耗低等優點。

4 顯示模塊

雙輪平衡車顯示模塊主要用于實時顯示雙輪平衡車車身內的各種數據，包括雙輪平衡車的輪速、俯仰角和轉向角數據，可以為操作者提供實時的數據，方便使用者對本裝置的操作系統進行預判性。其中，該顯示模塊的主要部件是OLED顯示屏，此屏在許多設備中都有使用，具有價格低廉、無背光、響應時間短、功耗低、體積小、重量輕、對比度高等優點。

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

結論：兩輪平衡車是一款典型的輪式機器人，其設計涉及到傳感器技術、電機控制技術、電力電子等多門科學的應用。其通過將傳感器收集到的信息反饋到處理器，經過運算后將命令傳達到車輪，從而實行平衡車的行動。這是由多門技術整合的結果，使交通工具和人的腿一樣隨著人的所想而做出行動，它作為一款代步交通工具，既方便又環保，為未來的個人交通工具的研發指明了方向。