文 献 综 述

1.课题研究目的及意义

近年来，随着汽车行业的快速发展，汽车成为人类生活中主要的出行交通工具，改变了人类的出行习惯。进而，其带来旳问题渐渐地凸显，能源问题、环境问题、交通问题给人类的生存环境和社会发展带来了影响和威胁。针对这些问题，人们提出了自平衡式两轮车，一种使用清洁能源的新型交通工具，其实质是一种两轮智能机器人,其控制核心就是对电机的运行和平衡控制，控制好平衡车，电机的选择与控制尤为重要。

电机控制是指对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。对于电动机，通过电机控制，达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出过载能力的目的。

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。它不仅具有传统的良好的起动、制动、运行效率高、良好的线性调速特性、简单的控制性能、高质高效平滑运转等优点，可以很方便地在宽范围内实现无级调速(故多采用在对电动机地调速性能要求较高的生产设备中)。经过长期的发展，又具有交流伺服电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。对于直流电机，基本都是采用PWM技术通过控制电机端电压来控制电机转速。一般情况下，在要求不高时采用开环调速控制;而对于动态性能要求较高的负载，可采用转速、电流双闭环调速控制系统。直流电机控制存在的难题之一是转矩脉动，转矩脉动限制了速度控制精度和位置控制性能的进一步提升，比如在音响设备、电影机械中的无刷直流电机，要求电机能够运行平稳、尽可能减小噪声，因此抑制甚至消除转矩脉动成为提高系统性能的关键。

平衡车控制系统中，对于转子位置的精度要求较高，这样才有可能控制电机实现平衡车的平衡，同时转矩脉动越小平衡车系统的运行和平衡控制越平稳，控制性能越好。直流电机一般采用PWM脉宽调制控制方法，其控制简单，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点。在车体内嵌入式CPU的控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过一定的控制算法，计算输出PWM信号控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自动前进、后退及转弯。

2.国内外研究现状

直流电机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。
　　采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。
采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。

直流电机一般采用调节电枢供电电压的方式进行驱动，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。根据可控直流电源的不同可将直流电机调速系统分为三种：

（1）采用旋转变流机组的电机速度控制系统：采用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。由交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流If即可改变其输出电压U,从而调节电动机的转速n。这样由旋转变流机组和由它供电的直流调速系统简称G-M系统。对系统的调速性能要求不高时，If可由励磁电源直接供电；要求较高的闭环调速系统一般都通过放大装置进行控制，如交磁放大机、磁放大机、晶体管电子放大器等。改变I的方向，U的极性和n的转向都跟着改变，从而实现了 G-M系统的可逆运行。机组供电的直流调速系统在20世纪以前曾广泛的使用，但该系统由于需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。