学号

专业

车辆

工程

年级班别

2021级

车辆本211

论文（设计）题目

基于FOC的无刷平衡车设计

拟完成时间

2024年4月30日

指导教师姓名及职称

谷良田 讲师

题目类型

□理论研究　　 □应用研究　　 R设计开发　　 □其他

命题来源

☑教师命题　　 □学生自主命题　　 □教师科研课题

是否在实验、实习、工程实践和社会调查等社会实践中完成

□是   R否

一、选题依据及意义（不少于300字）

随着科技的发展，电动平衡车作为一种新型的交通工具，越来越受到人们的关注。无刷电机由于其高效、节能、长寿命等优点，在电动平衡车中得到了广泛应用。然而，无刷电机的控制算法一直是研究的热点和难点。FOC（磁场定向控制）算法作为一种先进的电机控制算法，具有高精度、高动态响应等优点，能够实现对无刷电机的精确控制。因此，基于FOC的无刷平衡车设计具有重要的实际意义和理论价值。

本设计旨在通过研究FOC算法和无刷电机的控制技术，设计一种基于STM32F103单片机、陀螺仪和舵机控制板的平衡车。该平衡车能够实现自平衡、速度控制、方向控制等功能，为人们提供更加便捷、安全的出行方式。同时，本设计还可以为无刷电机控制算法的研究提供新的思路和方法，推动相关领域的技术进步。

本设计的选题依据主要包括以下几个方面：

技术背景：无刷电机在电动平衡车等领域的广泛应用，需要更加高效、精确的控制算法来实现电机的稳定运行。

理论需求：FOC算法作为一种先进的电机控制算法，具有高精度、高动态响应等优点，能够满足无刷电机控制的精度和动态性能要求。

实际应用：通过本设计，可以实现一种基于FOC算法的无刷平衡车，具有自平衡、速度控制、方向控制等功能，为人们的出行提供更加便捷、安全的服务。

综上所述，本设计的选题依据充分，具有重要的实际意义和理论价值，有望在无刷电机控制领域取得一定的创新和突破。

二、研究目标与主要内容（含论文(设计)提纲，不少于500字）

研究目标：

本设计的核心目标是研究和实现基于FOC（磁场定向控制）算法的无刷平衡车控制系统。该系统应能实现平衡车的自平衡、速度控制和方向控制等功能，同时保证系统的稳定性和可靠性。

主要内容：

FOC算法研究：深入理解FOC算法的原理，研究其在无刷电机控制中的应用，并进行必要的算法改进以适应平衡车的特殊需求。

硬件平台搭建：选择合适的硬件平台，包括STM32F103单片机、陀螺仪、舵机控制板等，进行硬件电路设计和搭建。

系统集成与调试：将各个硬件模块集成在一起，编写和调试控制程序，实现平衡车的各项功能。

实验验证：通过实验验证系统的性能，包括平衡车的自平衡、速度控制、方向控制等功能的测试。

性能评估与优化：对实验结果进行分析，评估系统的性能，找出存在的问题并进行优化。

论文（设计）提纲：

第一章 绪论

1.1 项目概述

1.1.1 项目背景

1.1.2 研究现状

1.2 系统设计任务概述

1.3 设计主要内容

第二章 方案设计

2.1 机械结构方案设计

2.2 驱动方案选择

2.3 传感器的选择

2.3.1 姿态检测传感器

2.3.2 速度传感器

2.4 结构的合理性

第三章 机械系统设计

3.1 机械系统总体方案

3.2 关键尺寸设计

3.3 关键零部件结构设计

3.4 驱动关节运动轨迹规划

第四章 控制系统设计

4.1 控制系统总体方案

4.2 运动控制器选型

4.2.1 电机驱动模块

4.2.2 驱动电机控制电路设计

4.3 传感检测外围电路设计

4.4 电源供电电路设计

第五章 软件系统设计

5.1 软件系统总体方案

5.2 平衡控制方案与流程

5.2.1 FOC算法简介

5.2.2 直立控制

5.2.3 速度控制

5.2.4 转向控制

5.3 蓝牙控制方案

5.3.1 基本配置

5.3.2 串口3接收中断

5.4 舵机控制方案

5.4.1 基本配置

5.4.2 发送数据函数

5.5 手机APP控制端介绍

5.5.1 界面介绍

5.5.2 控制方法

第六章 装配与调试

6.1 无刷平衡车小车系统整体装配

6.2 系统调试流程

6.3 设计创新点

6.4 系统缺陷与改进

第七章 市场应用前景分析

7.1 市场调查分析

7.2 市场行业分析

7.3 目标市场的确定以及市场实施

7.4 产品未来市场描述

第八章 总结及感想

8.1 项目总结

8.2 感想

参考文献

附录一 材料清单

附录二 程序源代码

三、研究方法和手段

文献综述：通过查阅和梳理国内外关于无刷电机控制和FOC算法的相关文献，深入了解FOC算法的基本原理和应用，为后续研究提供理论支持。

实验研究：搭建实验平台，进行无刷电机的控制实验，验证FOC算法在平衡车控制中的可行性和有效性。通过实验数据的采集和分析，不断优化控制算法，提高平衡车的性能。

理论建模：建立无刷电机的数学模型，包括电机的电磁场模型、转矩模型和控制模型等。通过理论分析和仿真，深入理解无刷电机的动态特性和控制规律，为FOC算法的优化提供理论依据。

系统集成与调试：根据设计需求，选择合适的硬件和软件工具，进行平衡车控制系统的集成和调试。在调试过程中，不断优化硬件电路设计和软件程序，确保系统的稳定性和可靠性。

综上所述，本设计将采用多种研究方法和手段，包括文献综述、实验研究、理论建模、系统集成与调试、性能评估与优化和技术交流与合作等。通过这些方法和手段的综合运用，旨在实现基于FOC算法的无刷平衡车控制系统，并提高其性能和稳定性。

四、文献综述（在对选题涉及的研究领域的文献进行广泛阅读或调查的基础上，对该领域的研究现状、发展动态等内容进行综述，并提出自己的见解和研究思路。不少于700字）

文献综述：

无刷电机（BLDC）作为一种高效、节能的电机类型，在许多领域得到了广泛应用。而磁场定向控制（FOC）算法为无刷电机的控制提供了新的思路和方法，使得电机的运行更加稳定、精确。平衡车作为电动交通工具的一种，其自平衡技术是实现稳定运行的关键。本文将对无刷电机控制和平衡车设计的国内外研究现状进行综述，并提出自己的见解和研究思路。

在无刷电机控制方面，FOC算法得到了广泛的研究和应用。FOC算法通过磁场定向控制技术，实现了对无刷电机转矩的高效、精确控制。在国外，研究者们对FOC算法进行了深入的研究和改进，以提高无刷电机的性能和稳定性。例如，文献[1]提出了一种基于FOC算法的无刷电机控制系统，通过优化控制策略，提高了电机的动态响应和效率。文献[2]则研究了FOC算法在无刷电机低速运行时的性能，提出了一种改进的控制策略，有效解决了低速时出现的转矩波动问题。

在国内，随着无刷电机应用的日益广泛，研究者们也开展了大量的研究工作。文献[3]对FOC算法在无刷电机控制中的应用进行了综述，总结了FOC算法的优点和存在的问题，并提出了一些研究方向。此外，一些国内研究者还针对特定应用场景的无刷电机控制进行了研究，如电动汽车、航空航天等领域。

在平衡车设计方面，国内外的研究也取得了显著的进展。平衡车的自平衡技术是其稳定运行的关键，而传感器技术和控制算法的应用为实现平衡车的自平衡提供了可能。国外的研究者们对平衡车的自平衡控制进行了深入的研究，如文献[4]提出了一种基于陀螺仪和加速度传感器的自平衡控制算法，实现了平衡车的稳定运行。此外，国外的一些知名企业如Segway、Go-Ped等也推出了多款性能卓越的平衡车产品。

国内在平衡车设计方面也取得了一定的成果。一些高校和研究机构开展了平衡车自平衡控制的研究，并取得了一定的进展。此外，国内的一些企业也推出了自己的平衡车产品，并在市场上获得了一定的认可。然而，与国外相比，国内在平衡车设计方面的研究还存在一定的差距，需要进一步加强研究和创新。

综上所述，无刷电机控制和平衡车设计是当前研究的热点领域。国外在这方面已经取得了一定的成果，而国内的研究还有很大的发展空间。未来，随着相关技术的不断进步和应用，无刷电机和平衡车将更加高效、智能和安全。

五、参考文献目录（作者、书名或论文（设计）题目、出版社或刊号、出版年月或出版期号）

[1] 林永龙李勇峰严成彬张蓥.基于DRV8302的FOC无刷电机驱动设计[J].电子设计工程, 2022, 30(23):61-65.

[2] 王其军,杨坤,苏占彪,等.基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计[J].传感器与微系统, 2021, 40(6):4.DOI:10.13873/J.1000-9787(2021)06-0089-03.

[3] 赵亚洲,杨艳.基于FOC控制的大牵引力AGV无刷直流电机驱动器的设计[J].电子设计工程, 2019, 27(23):5.DOI:CNKI:SUN:GWDZ.0.2019-23-023.

[4] 徐扬,张兰红,陈永楼.基于STM32F411的无刷直流电机FOC控制系统设计[J].微特电机, 2023, 51(5):61-65.

[5] 王强.一种大功率载人平衡车系统的设计及应用[J].通讯世界, 2018(3):2.DOI:CNKI:SUN:TXSJ.0.2018-03-206.

[6] 沈伟、洪林、张骏、王宁.基于BLDCM和FOC算法的汽车电子水泵控制系统设计[J].现代制造工程, 2020(9):9.DOI:CNKI:SUN:XXGY.0.2020-09-019.

[7] 张洪源,王晨升,杨光.基于速度反馈的平衡车方向控制设计实现[J].  2021.

[8] 陈元威,康泽威.基于STM32的自平衡车控制系统设计[J].仪表技术, 2020(012):000.

[9] 桂凡,尹洋,陆爱杰.基于线性二次型最优控制的平衡车设计[J].化工自动化及仪表, 2018, 45(4):5.DOI:10.3969/j.issn.1000-3932.2018.04.014.

[10] 伍小平,曹思宇.基于Kinetis K60的智能平衡车控制系统设计[J].  2022(11).

[11] 王程,李昂举,车雷,等.基于STM32智能平衡车研究设计[J].  2020.DOI:10.12293/j.1671-2226.2020.35.372.

[12] 谢彦昆.基于单目视觉的自平衡车编队行进控制设计与实现[D].重庆大学,2018.

[13] 吴丽红,冯琢成,李东凯,等.一种基于FOC与PID算法的无刷电机的驱动设计与实现[J].科技创新与应用, 2021, 000(008):127-129.

[14] 王炳雅.基于FOC SDK的无刷直流电机无传感器系统设计[J].微计算机信息, 2018, 000(018):46-49.DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.046.

[15] 王宇.基于STM32的无刷直流电机FOC控制器设计[J].信息技术与信息化, 2022(008):000.

[16]  Ya-Zhou Z , Yan Y .Design of large traction AGV brushless DC motor drive based on FOC control[J].Electronic Design Engineering, 2019.

[17] Lihui,Sun,Jun,et al.Design of Vector Control System for Brushless DC motor Based on Hall Sensor[C]//2018.

[18]  Devito G , Nuzzo S , Barater D ,et al.Design of the Propulsion System for a Formula SAE racing car based on a Brushless Motor[C]//2021 IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis (WEMDCD).IEEE, 2021.DOI:10.1109/WEMDCD51469.2021.9425626.

六、工作进度安排（时间、内容、步骤）

2023.10.15--2023.10.25  根据实际情况进行个人毕业论文选题。

2023.10.26--2023.11.13  收集基于FOC无刷平衡车设计的资料，明确设计要求、任务。熟悉课题，为设计收集资料，并且写好开题报告，并进行开题答辩。

2023.11.23--2024.3.31  进行毕业设计说明书的撰写，根据指导老师意见进行完善修改。

2024.4.1--2024.4.15  上交论文并进行查重。

2024.4.15--2024.5.1  毕业论文答辩。

七、预期成果

预期结果成功设计了一款基于FOC无刷平衡车并且开题报告一份，设计说明书一份，设计二维图纸一份。

（以上内容在教师指导下由学生填写）　学生签名：             　　年　　月　　日

八、指导教师审核意见

指导教师签名：                        年　　月　　日

九、教研室审核意见

教研室主任签名：                       年　　月　　日