電力驅(qū)動(dòng)輪椅裝置的研究

魏子賀 劉鑫

[摘要]隨著老年人越來(lái)越多和人民生活質(zhì)量提高，老年人和殘疾人急需輪椅等代步工具。電力驅(qū)動(dòng)輪椅的核心是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電力驅(qū)動(dòng)輪椅具有省力、操作簡(jiǎn)便平穩(wěn)的特點(diǎn)，是一種比較理想的移動(dòng)或代步工具。本文以AT89C51單片機(jī)為核心控制器，設(shè)計(jì)了一種新型的電力驅(qū)動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)。采用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)車(chē)輪作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了操作方便的控制鍵盤(pán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制控制，同時(shí)編制了相應(yīng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]電力驅(qū)動(dòng)輪椅無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)單片機(jī)控制PWM

主要模塊劃分

電力驅(qū)動(dòng)輪椅按模塊化分為驅(qū)動(dòng)模塊，導(dǎo)航模塊。

1.驅(qū)動(dòng)模塊

時(shí)間比較長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)距離比較長(zhǎng)時(shí)輪椅的特點(diǎn)，所以體積小的電源系統(tǒng)唄要求用在機(jī)載電源里，要求輕的工作連續(xù)性強(qiáng)的電源，驅(qū)動(dòng)原件選擇直流電動(dòng)機(jī)。永磁的無(wú)刷直流電機(jī)有很強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。

電動(dòng)輪椅控制對(duì)應(yīng)不同的控制子系統(tǒng)。客戶(hù)要求安全的輪椅，反應(yīng)比較快，故要有相應(yīng)的比較高的控制算法。

2.導(dǎo)航傳感器模塊

在方位和的不十分肯定的環(huán)境里，電動(dòng)的智能型輪椅需要通過(guò)傳感器來(lái)采集必要的數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行分析有關(guān)數(shù)據(jù)，并且相互融會(huì)貫通，并得出正確的導(dǎo)航系統(tǒng)決策。所以能否正確的選擇傳感器關(guān)系到是否能使導(dǎo)航系統(tǒng)成敗與否的主要因素。時(shí)時(shí)刻刻都要感知周?chē)沫h(huán)境因素和時(shí)時(shí)刻刻了解自身的參數(shù)變化是電力驅(qū)動(dòng)輪椅在行駛時(shí)必須要做的一項(xiàng)工作。所以一般裝的傳感器有用超聲波來(lái)感知周?chē)h(huán)境的傳感器，紅外線(xiàn)來(lái)感知的周?chē)h(huán)境傳感器等等。通過(guò)對(duì)傳感器信息進(jìn)行綜合性的處理，從而有效的利用了他們的信息資源。

本文主要研究電力驅(qū)動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)模塊。

目前的輪椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器多采用一下集中方式:

(1)模擬型控制系統(tǒng)由分離的元件和少量的集成型電路構(gòu)成

模擬型的控制器只限于用比較低級(jí)的驅(qū)動(dòng)控制器中，因?yàn)槟M電路中不可避免存在參數(shù)漂移和參數(shù)不一致等問(wèn)題，其可靠性和性能指標(biāo)受到影響。

（2）基于專(zhuān)用集成電路的控制系統(tǒng)。

專(zhuān)門(mén)用于集成的控制電路沒(méi)有使用分離元件所照成的一些弊端。專(zhuān)門(mén)用于集成的控制電路所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)有體積要比分離元件的要小很多，并且還有穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。但是應(yīng)用范圍局限性大，功能難以擴(kuò)展。基本上完成了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的電力驅(qū)動(dòng)的輪椅系統(tǒng)。

主要內(nèi)容和要求

以智能輪椅驅(qū)動(dòng)為研究的對(duì)象的控制系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，控制所用的技術(shù)，控制所要用的策略，和控制要有到的芯片，并進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫(xiě)。

本文的主要內(nèi)容要求包括以下幾個(gè)方面：

1.體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題使用了較簡(jiǎn)單的單片微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)相應(yīng)外圍接口電路和接口程序，以及編程實(shí)現(xiàn)特定功能。

2.數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)控制分析

分析組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)直流伺服電機(jī)模型和輪椅運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電動(dòng)輪椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，計(jì)算參數(shù)設(shè)定了合理的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。給出電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的一般方法和電動(dòng)輪椅控制分析設(shè)計(jì)方法。

3.控制算法

為了使系統(tǒng)工作更為穩(wěn)定和精確，適應(yīng)工作環(huán)境要求，要對(duì)控制算法進(jìn)行研究，本題采用模糊PID參數(shù)調(diào)整算法，并實(shí)現(xiàn)編程。控制過(guò)程中，所需環(huán)境信息由傳感器和給出。

電動(dòng)輪椅的系統(tǒng)組成

電動(dòng)輪椅系統(tǒng)主要由主控制器，無(wú)刷直流電機(jī)，控制鍵盤(pán)，顯示儀表，測(cè)速傳感器，以及電源系統(tǒng)組成。

此篇文章的目的是設(shè)計(jì)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的系統(tǒng)即整個(gè)電力驅(qū)動(dòng)輪椅的主要功能設(shè)備。無(wú)刷的直流電機(jī)比單純的直流的電機(jī)更具有相對(duì)比較好的性能。電動(dòng)機(jī)的本體、位置式傳感器和電子器件開(kāi)關(guān)電路是組成直流的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的主要三部分。

控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速是對(duì)于所有的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)的最基本的三個(gè)要求。穩(wěn)定是其中最根本要求，穩(wěn)態(tài)的要求是準(zhǔn)確，動(dòng)態(tài)的要求是快速。所有的相對(duì)應(yīng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能的要求對(duì)于所有的無(wú)刷的直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的儀器還有設(shè)備都是適用的。采用開(kāi)環(huán)的控制技術(shù)對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)不能去除靜差率，也不能達(dá)到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的兩個(gè)最基本的要求，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的靜差率的存在。

因?yàn)榭刂茻o(wú)刷的直流的電機(jī)的速度是本系統(tǒng)的主要的目的，所以控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)有：電流環(huán)、速度環(huán)和電壓環(huán)。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落，轉(zhuǎn)速偏差正是由轉(zhuǎn)速降落所引起的。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差的條件是轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋的單閉環(huán)的控制系統(tǒng)的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此經(jīng)常在對(duì)于動(dòng)態(tài)的性能的要求不高的場(chǎng)合下所采用，因?yàn)椴荒芡耆陌凑招枰獊?lái)控制動(dòng)態(tài)的過(guò)程的電流或者轉(zhuǎn)矩。電樞的電壓下降所造成的轉(zhuǎn)速降落不能通過(guò)電壓的負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)所彌補(bǔ)，調(diào)速性能不如轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)。適用于在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不很低的時(shí)候。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不低時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速近似與端電壓成正比，此情況下，采用電壓負(fù)反饋比轉(zhuǎn)速負(fù)反饋方便得多。

綜合以上的所述，對(duì)于這篇系統(tǒng)而言，只需要保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。因而采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)。