[发明专利]一种自平衡载人电动独轮车的控制方法

摘要

本发明公开了一种自平衡载人电动独轮车的姿态平衡控制方法，该方法采用置于电动独轮车上的加速度计和陀螺仪测量得到独轮自平衡车车体的倾斜角度、倾斜角速度的姿态信息，然后在系统模型的基础上，设计了基于LQR(线性二次型调节器)的姿态平衡控制方法，计算得到姿态平衡控制器的最优控制量，最后把姿态平衡控制器的最优控制量作为转矩电流的给定，利用矢量控制方法驱动电机按照给定的转矩运动，从而保持车体的姿态平衡。本发明所采用的基于LQR(线性二次型调节器)的姿态平衡控制方法该基于LQR的姿态控制器具有良好的快速性和稳定性，并具有节省能量的优点，可以实现独轮自平衡车的姿态平衡控制。

主权项

一种自平衡载人电动独轮车的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)采集置于电动独轮车上的加速度计和陀螺仪的数据，得到电动独轮车xyz三轴的加速度值和角速度值；采集永磁同步电机上的霍尔传感器信号和三相定子电流i_a、i_b、i_c；(2)将电动独轮车xyz三轴的加速度值和角速度值通过卡尔曼滤波算法进行数据融合并滤除噪声信号，得到电动独轮车的倾斜角度θ和倾斜角速度ω；(3)对霍尔传感器信号进行计算，得到永磁同步电机的实际转速n和转子位置角θ；(4)对三相定子电流依次进行Clarke和Park变换，得到永磁同步电机的实际转矩电流i_q和励磁电流i_d；(5)取实际转速n、倾斜角度θ、倾斜角速度ω为状态量，推导建立系统的状态方程：在所建立的系统模型基础上，采用基于LQR的姿态平衡控制策略，计算出最优控制量U(t)，U(t)＝‑R^‑1B^TPX(t)，其中A为系统矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，R为控制量u(t)的权值矩阵，P为经黎卡提方程计算得到的正定矩阵，X为状态矩阵，其中(6)根据永磁同步电机的转矩电流给定励磁电流给定实际转矩电流i_q和励磁电流i_d，计算出向永磁同步电机施加的d轴电压u_d和q轴电压u_q；所述转矩电流给定为步骤(5)中姿态平衡控制器计算出的最优控制量u(t)，即所述励磁电流给定(7)根据d轴电压u_d和q轴电压u_q，利用Park反变换计算出αβ坐标系下的u_α和u_β；(8)u_α和u_β通过SVPWM(空间矢量脉宽调制)技术生成三相逆变器的控制信号，经过逆变器向永磁同步电机施加三相电压，永磁同步电机输出转矩T_m，从而保持电动独轮车的姿态平衡。