两轮自平衡小车是一种本质不稳定的特殊轮式移动机器人，其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定等特性，它不但运动环境复杂、运动学方程受到非完整约束，而且控制任务复杂。因此，两轮自平衡小车是研究各种控制方法的理想平台。目前对小车的控制普遍采用模糊控制、最优控制、PID控制等，很少有人将变结构控制理论应用于两轮自平衡小车系统的控制中。本文采用变结构控制对两轮自平衡小车进行控制。主要工作有以下几个方面：首先，深入分析两轮自平衡小车的动力学特性以及电机的动力学特性，在借鉴国内外机器人系统建模的基础上对两轮自平衡小车系统进行建模。其次，对原系统的非线性模型分别进行反馈线性化和泰勒级数线性化模型，在反馈线性化模型的基础上分析了系统的能控、能观性及稳定性。通过比较泰勒级数线性化模型、反馈线性化模型的能控性矩阵的条件数，说明了反馈线性化模型更逼近原非线性系统。最后，通过对线性二次型最优控制器的设计原理说明，为变结构控制中切换函数的设计做了理论基础。通过仿真，得出了最优控制器能够很好的控制两轮自平衡小车。同时设计了基于指数趋近律的变结构器;然后在基于指数趋近律的变结构器的基础上离散化，在保证小车能够达到很好稳定状态的同时，研究其性能变化，找出性能变坏不明显的最低采样频率，为变结构方法在非线性小车运动控制中的实现做了准备。