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自平衡電動車自動平衡運作原理主要是建立在一種被稱為“動態穩定”（Dynamic Stabilization）的基本原理上，也就是車輛本身的自動平衡能力。以內置的精密固態陀螺儀（Solid-State Gyroscopes）來判斷車身所處的姿勢狀態，透過精密且高速的中央微處理器計算出適當的指令后，驅動馬達來做到平衡的效果。正確打開電源且能保持足夠運作的電力，車上的人就不用擔心有傾倒跌落的可能，這與一般需要靠駕駛人自己進行平衡的滑板車等交通工具大大不同。
由于兩輪自平衡電動車的兩輪結構，使得它的重心在上、支點在下，故在非控制狀態（或靜態）下為一不穩定系統。然而，可以利用倒立擺系統的控制原理，通過微處理器的控制使它能夠如倒立擺一樣穩定在一個平衡位置處，并能在保持平衡的狀態下按照使用者的指令要求正常運行。兩輪自平衡電動車實際上是一級直線式倒立擺和旋轉式倒立擺的結合體，它的控制原理與倒立擺系統的基本一致。更形象地說，自平衡電動車的工作原理更像人行走的過程。對于人而言，當人體的重心向前傾斜并失去平衡時，人通過自身的感覺器官能夠察覺到自己身體的傾斜（角度），于是他會做出一個反應——向前邁出一步來防止自己摔倒在地上。如果身體一直前傾，為了保持平衡，人就會一步又一步地往前走。因此，如果將兩個由電機驅動的車輪看成人的雙腿，再加上能夠測量車體相對于水平面傾角大小和速度的傳感器，后通過微處理器的控制便能夠實現車體自平衡的效果。因而當人站在車上時，只要將身體帶動車體一起往前傾（或后傾）就可以實現電動車載人前進（或后退）。
