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拆解Ninebot 九号电动平衡车:结构复杂,原理简单

文章出处:EDN China电子技术设计 发布时间: 2015/12/23 | 8173 次阅读

     电动平衡车,有独轮型的,也有两轮型的,还有滑板车型的,已经成为一道亮丽的城市风景线。电动平衡车的芯片方案哪家最强?

    

    电动平衡车主控芯片大多数是使用ST(意法半导体)的一款32位单片机——STM32F103系列,具体如下:

    STM32F103系列

    品牌:ST(意法半导体)

    型号:STM32F103C8STM32F103CBSTM32F103R4STM32F103R6、STM32F103R8、STM32F103RB

    应用范围:平衡车、无人机、智能手环、蓝牙音响、物联网家电、消费电子、血糖仪等等。

    价格:8.5-9元(STM32F103R8)

    

    两轮平衡车的原理框架图如下:

    小车的整体组成有如下部分构成:

    

    图1

    

    小车构成的电路框架如下:

    

    

    图2

    

    

    主要分:传感器模块,核心控制模块,电机驱动模块,其中传感器模块主要由加速度计和陀螺仪两个部件组成。

    

    整个工作机理如下:

    

    

    图3

    

    下面来拆解一款电动平衡车,相信大家就对它的原理一目了然了!

    Ninebot 九号电动平衡车详细拆解分析如下:

    

    

    

    图4

    

    图5

    

    图6

    

    图7

    

    

    

    Ninebot 九号 T型 自平衡电动车的电池容量为670Wh,一次充满电后,可行驶35 - 40Km。而E型自平衡电动车的电池容量为450Wh,一次充满电后,可行驶20 - 30Km。在实际行驶中,E型 自平衡电动车的电池可供大部分用户连续行驶25Km以上。

    

    

    

    

    

    图8

    

    图9

    

    图10

    

    图11

    

    图12

    

    图13

    

    

    

    

    目前在自平衡电动车行业里,除了Segway之外,只有Ninebot 九号的转向机构里用的是橡胶。选用橡胶材质的优势在于,使得Ninebot 九号的转向手感很好,并具有良好的柔性,而且使用寿命很长,正常情况下可以使用100万次。若使用弹簧的话,就容易老化,而且在转向的时候会嘎啦嘎啦作响,影响手感。

    

    

    

    图14

    

    图15

    

    

    Ninebot 九号T型自平衡电动车,采用的是镁合金的机壳,与其他自平衡电动车相比,镁合金材质会更轻。在骑行自平衡电动车的时候,电机会产生大量的热,通过镁合金机壳来散热,效果更佳。同时在Ninebot 九号车体的前侧下部还设计有散热用的导风槽,当驾驶时,气流会通过导风槽带走镁合金机体上的热量。

    

    

    图16

    

    

    Ninebot九号的主控板,相当于整辆车的大脑部分,也是其最核心的部位,起到平衡控制及决策车的作用。采用两块并行工作的32位处理器芯片,主要负责管控两个陀螺仪,这两块处理器芯片的数据进行融合矫正,当一个处理器芯片出现问题的时候,另一个处理器芯片可以接替它的工作,两者起到互相备份的作用,可谓是双保险设计。

    

    主控板主要接收来自陀螺仪传输的角度和位置信号,依据这两个信号来控制电机转动,当然整个电机也不是仅仅只靠一块主控板来控制。

    

    

    图17

    

    图18

    

    

      

    在主控板下方,并排排列着两块面积比较大的驱动板。其专业名称为:伺服控制器。驱动板1负责两块电机的一套绕组,驱动板2负责两块电机的另一套绕组。假如其中一套绕组失效,那么另一套绕组可以继续使用;若其中一块驱动板崩溃掉,那么另一块驱动板照样可以负责两块电机的转动。这是一种互相备份的设计,它能够有效增强自平衡电动车的安全性,并降低事故率的发生,并不是每一种自平衡电动车里都会有。

      

    值得一提的是,这种设计还带来一个好处,就是两块驱动板可以在短时间内并联工作,相当于在短时间内增大了一倍的输出功率。这种技术对于骑着平衡车过障碍、激烈加速等场合时的安全性很有帮助,也大大提高了车子的加速性能和操控性,类似于汽车的涡轮增压发动机。这也是Ninebot T型这个型号名称的来源。(T=Turbo,涡轮增压)

    

    

    

    图19

      

    在两块驱动板的下方,是一块很小的电源板,它主要是接驳自平衡电动车的电池,可以起到最基本的电源保护和电源管理作用。板子上有10个接头,直接插到电池里,正极、负极各两个,因为有两组独立工作的电池。另外,通过电池里的温度传感器、电量计等芯片,依靠两边的接头可以将电池的使用寿命及次数等信息传输给主控板。

    

    

    图20

    

    图21

    

    

      

    在车上还有四个脚踏传感器,它可以准确的检测到人脚是不是站在车上,专业名称为:光电开关。它属于非接触式传感器,寿命可做到无限长。为什么要设置四个呢?就是要做到无论人的脚踩在踏板的任何地方,车都会感应到,从而降低速度,调整平衡,以便提高整辆车的安全性能。对于自平衡电动车来说,光电开关是至关重要的。并且,四个光电开关中,任意一个如果损坏的话,车子也不会立即失控,其余三个光电开关会让驾驶者继续行驶,同时车子的主控电脑会感应到故障,并告知用户需要检修。

    

    

    图22

    

      

    在主控板的顶部,也就是转向轴里,有一小块电路板,被称作是转向传感器,它属于非接触式角度传感器。内置两个传感器用来互相矫正,这块不是起到互相备份作用,而主要是起到互相矫正的作用。当人手去转动手把杆的时候,转向角度传感器就会把信号传输给主控板,从而来控制整辆车的行驶方向。

      

    为什么要采用非接触式传感器呢?这是因为它的使用寿命很长,接近于无穷大,它不会有接触式的磨损。部分其他品牌的自平衡电动车,可能会采用电位器,也就是可变电阻,它的寿命大概在几万转左右,到达使用寿命后,就会报废失灵。若车辆在行驶过程中,就可能会出现抖动或突然转向的情况,非常危险。

    

    

    图23

    

    图24

    

      

    Ninebot 九号内置双电机设计,每个电机上都涂有导热硅脂,通过导热硅脂将电机与镁合金机壳融合在一起,以便达到良好的散热效果。

    

    

    图25

    

      

    最后再来说说关于自平衡电动车的电机。上图中黑色电机是双绕阻电机,相当于汽车里的2.0T发动机,银色电机是单绕阻电机,相当于汽车里的2.5自然吸气发动机。银色电机最大功率为1.35KW,而黑色电机最大功率为1.75KW,相比之下,黑色电机体积更小,重量也更轻,平时它可以以半功率运行,需要的时候可以满功率运行,也算是一种节能省电设计。在Ninebot 九号T型自平衡电动车里搭载的就是黑色电机,它在重量降低的前提下,反而提升了功率输出,并具备双保险的安全性。在半功率运行的情况下,它又非常省电。这样的设计也使得Ninebot 九号兼顾了续航性能和瞬间的动力输出。

    

    综上,虽然电动平衡车内部结构确实比较复杂,但其原理很简单,就是依靠电池提供动力,可自主保持平衡的电动车。电动平衡车仅适于短途代步及日常娱乐,初次驾驶者一定要注意安全。

    

技术资料出处:EDN China电子技术设计
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