西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 王元琪 李遠(yuǎn)航

進(jìn)入新世紀(jì)后，我國人工智能行業(yè)逐漸嶄露頭角，智能機(jī)器人、智能安裝機(jī)器人、無人駕駛等新型科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。在雙輪平衡車領(lǐng)域，科技人員通過對陀螺儀的研究，也將其納入發(fā)展行列。當(dāng)今世界綠色主題發(fā)展越來越明顯，隨著科技的進(jìn)步，清潔能源的大量投入使用使得電動汽車的數(shù)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(fā)點，開發(fā)出了一款兩輪電動平衡車。

1 系統(tǒng)框架

在設(shè)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(shè)計、轉(zhuǎn)向、STM32F103ZET6控制系統(tǒng)電路、光耦隔離電路的設(shè)計等。由于系統(tǒng)各部分電路所需的電壓不同，因此需要特殊的電壓轉(zhuǎn)換電路來保證系統(tǒng)中各電路的正常工作。平衡數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)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(tǒng)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)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(jī)轉(zhuǎn)速，使平衡車一直處于平衡狀態(tài)。

2 電機(jī)驅(qū)動模塊

2.1 無刷直流電機(jī)

無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似。無刷直流電動機(jī)的三相繞組均勻分布在120°空間內(nèi),使用該繞組分布方法可以最大程度的節(jié)約空間，為轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)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(jī)驅(qū)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(zhuǎn)子的實時位置數(shù)據(jù)，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(dǎo)通順序，實現(xiàn)了電動機(jī)線圈的通電順序的變化。該電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩和速度特性好、動態(tài)響應(yīng)速度快、效率高、使用壽命長、轉(zhuǎn)向過程無火花、運行平穩(wěn)、維護(hù)方便等優(yōu)點。

2.2 門極驅(qū)動電路設(shè)計

平衡車的控制系統(tǒng)中電機(jī)的控制是至關(guān)重要的。由于STM32輸出的PWM信號振幅為3.3V，因此如果要驅(qū)動功率管，就需要對該信號進(jìn)行放大。柵極驅(qū)動電路負(fù)責(zé)輸出STM32，脈寬調(diào)制信號被放大。在門驅(qū)動電路中，6個通道的PWM波依次連接到IR2130的2-7針。驅(qū)動器放大后將脈寬調(diào)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(dāng)被測電流值大于0.5A時，觸發(fā)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(hù)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(qū)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(dǎo)通時直流母線電壓進(jìn)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(yīng)具有足夠的反向電壓電阻和快速恢復(fù)的優(yōu)點。

2.3 三相橋式逆變電路設(shè)計

在三相橋式驅(qū)動電路中，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全是N型MOSFET，三相橋式驅(qū)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(shù)為75V、75A的配置，可以在很短的時間內(nèi)完成開關(guān)狀態(tài)，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(guān)狀態(tài)，將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成頻率和幅值可控的三相對稱電壓信號，為電機(jī)的正常運行提供驅(qū)動信號。

3 電源模塊設(shè)計

3.1 電源電量檢測電路設(shè)計

本設(shè)計以12V型鋰電池為動力，鋰電池是一種高效節(jié)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(yīng)用極為廣泛，其具有供電耐久性強(qiáng)、尺寸靈活、體積小、動力充足、電壓高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點；其不足之處是當(dāng)所使用的電機(jī)功率過大時，短時間內(nèi)的放電量比較大，會造成電池內(nèi)部化學(xué)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(xué)反應(yīng)，極有可能對鋰電池內(nèi)部的試劑造成永久性損壞。因此，在本裝置的設(shè)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(jìn)行充電以維持正常的化學(xué)反應(yīng)；該電池采用DS2788專業(yè)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(zhí)行硅簡單的功率剩余持續(xù)時間估計，并隨時將數(shù)據(jù)提供給主控芯片，主控芯片將信號傳輸給反饋機(jī)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(hù)（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(shè)計

在本裝置的設(shè)計中，由于模塊的額定數(shù)據(jù)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(yù)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(jìn)行劃分。該方法在相當(dāng)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(dāng)都會對設(shè)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(wěn)定，提供足夠的能源，減少模塊之間的能源損失。本設(shè)計采用AMS117-3.3V穩(wěn)壓芯片，將從穩(wěn)壓芯片LM2596T-5獲得的5V電壓重新轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，AMS117-3.3V電壓芯片在轉(zhuǎn)換時可達(dá)到1%的精度。在該精度下，裝置內(nèi)部的信號也會趨于穩(wěn)定，當(dāng)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(yōu)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(dǎo)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(hù)裝置；其具備能在惡劣環(huán)境下工作、外圍電路簡單、功耗低等優(yōu)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(nèi)的各種數(shù)據(jù)，包括雙輪平衡車的輪速、俯仰角和轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)，可以為操作者提供實時的數(shù)據(jù)，方便使用者對本裝置的操作系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)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(shè)備中都有使用，具有價格低廉、無背光、響應(yīng)時間短、功耗低、體積小、重量輕、對比度高等優(yōu)點。

雙輪平衡車需要顯示的數(shù)據(jù)不多，主要有雙輪平衡車的輪速、俯仰角和轉(zhuǎn)向角數(shù)據(jù)，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(tài)，避免發(fā)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(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳遞。

結(jié)論：兩輪平衡車是一款典型的輪式機(jī)器人，其設(shè)計涉及到傳感器技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、電力電子等多門科學(xué)的應(yīng)用。其通過將傳感器收集到的信息反饋到處理器，經(jīng)過運算后將命令傳達(dá)到車輪，從而實行平衡車的行動。這是由多門技術(shù)整合的結(jié)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(huán)保，為未來的個人交通工具的研發(fā)指明了方向。