两轮电动车系统设计

论文摘要

随着交通工具向着小型、节能、环保、便捷等方向的发展,两轮电动车的研究成为当今电动车领域的热点。它仅靠两个车轮左右平行分布支撑车体,电池提供动力,电动机驱动车轮转动,微处理器、传感器、软件及车体机械装置共同协调控制车体平衡,并最终通过驾驶员身体重心的改变完成电动车的启动、加速、减速等行驶操作。同时,两轮电动车也是一种特殊轮式移动机器人,具有较强的理论研究价值。两轮电动车设计中的重点是平衡控制方法的研究与实现,它是决定整个系统能否实现的关键,也是电动车能够安全、可靠行驶的保证。本文考虑到两轮电动车在实际运行情况过程中存在突然撞到路面障碍物的可能性,分别对电动车正常运行时和发生障碍物碰撞时的平衡控制器进行设计,并通过判断电动车的输出状态成功地实现了两种控制方法之间的切换。涉及的具体工作包括以下几个方面:建立两轮电动车系统的非线性模型;采用PID控制和Bang-bang控制方法完成两轮电动车正常运行和发生障碍物碰撞两种情况下的平衡控制器设计,并成功解决了电动车的限速问题;借助MATLAB建立系统模型,仿真验证平衡控制方法的正确性;从节约能源以及电机控制实现两个角度出发分析永磁同步电机的控制策略,推导电机电磁转矩与交、直轴电流之间的关系,并通过仿真确定电机的PI控制器参数;软件编程实现两轮电动车系统的平衡控制算法,以及控制方法之间的切换。本文设计的两轮电动车系统具有以下三个特点:一是,将电机拖动系统的基本运动方程加入到两轮电动车的数学模型中,使得系统模型直接以电机的电磁转矩作为输入变量,为后续电机控制提供了方便。二是,设计了两轮电动车在正常运行和发生障碍物碰撞两种情况下的平衡控制器,并在控制器中解决了两轮电动车的速度限制问题。三是,通过不同控制器之间的切换能够快速对两轮电动车的运行状况作出反应,大大提高了运行的安全性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 倒立摆系统的控制技术
• 1.2.1 倒立摆系统
• 1.2.2 控制方法研究
• 1.3 电动车的特点及控制方案
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 系统构成与建模
• 2.1 两轮电动车的构成
• 2.1.1 机械部分构成
• 2.1.2 控制部分构成
• 2.1.3 DSP 控制系统
• 2.2 系统模型建立
• 2.2.1 速度与动能计算
• 2.2.2 建立模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 两轮电动车的平衡控制
• 3.1 电动车控制过程分析
• 3.2 PID 控制
• 3.2.1 PID 控制
• 3.2.2 控制器的设计
• 3.2.3 一般PID 控制器仿真实现
• 3.2.4 限速PID 控制器
• 3.3 BANG-BANG 控制
• 3.3.1 Bang-bang 控制
• 3.3.2 控制器的设计
• 3.3.3 系统实现及仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 电机控制策略研究
• 4.1 永磁同步电机的介绍
• 4.2 单位电流电磁转矩最大控制策略
• 4.3 建模与仿真
• 4.3.1 PMSM 数学建模
• 4.3.2 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统软件设计
• 5.1 软件总体设计
• 5.2 中断处理
• 5.3 DSP 主程序
• 5.4 INT2 中断子程序
• 5.4.1 PWM 中断子程序
• 5.4.2 采样部分
• 5.4.3 转子位置检测
• 5.4.4 调节器的软件实现
• 5.4.5 电流指令值计算
• 5.4.6 SVPWM 调制
• 5.4.7 PWM 信号实现
• 5.5 INT1 中断子程序
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 符号与标记（附录）
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文