太陽能輔助充電型節能爬樓梯電動輪椅設計

摘要：從助老助殘的需要出發，以節能環保和降低成本為目標，采用30W太陽能電池板作為輔助充電電源，以STM32RCT6單片機為控制芯片研制了一款電動輪椅控制器。首先介紹了太陽能系統的組成，然后介紹控制器的組成功能模塊及詳細分析了其控制及驅動電路的原理，包括H橋驅動電路構成及分類、電源芯片的選擇、通信方式選擇、電機電流、蓄電池電池電壓采集及液晶顯示等硬件電路的設計。實驗結果表明該控制器滿足較大功率直流電機的驅動需要，控制靈活，滿足老弱及下肢患者的操作需要，具有實用價值。

關鍵詞：太陽能系統；節能環保；單片機；H橋驅動電路

中圖分類號：R49 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

中圖分類號：TM46；TP271； 文獻標識碼：A

Solar assisted charge type energy saving stair climbing stairs electric wheelchair

Liu Baojun， DU Junlin，LIANG Boyu，DENG Kaiyuan，WU Caohuo

（University of Electronic Science And Technology of China，Zhongshan Institute，Guangdong 528402，China）

Abstract：From the needs of the elderly and disabled starting to environmental protection and energy saving and cost reduction as the goal， using 30W solar panels as an auxiliary charge power supply， on a single chip STM32RCT6 developed a controller of electric wheelchair. First introduced the composition of the solar system， and then introduces the function module of the controller and the principle of its control and drive circuit， including the H bridge driver circuit， power chip， communication mode selection， motor current， battery voltage acquisition and LCD display and other hardware circuit design. Experimental results show that the controller meet high power DC motor needs to be driven， flexible control meet the elderly and patients with lower limb operation need.

Keywords： Solar energy system；energy saving and environmental protection；single chip microcomputer； H bridge drive circuit

0 前言

我國已經進入老齡化社會，且老齡人口在加速增長，上述人群因為下肢活動能力的限制，對其日常出行活動產生了影響。而助老、助殘型電動輪椅為老年人和下肢殘疾人的出行提供了方便。

太陽能屬于清潔能源，綠色環保，取之不盡。

因此對太陽能的直接利用，開創了人類文明發展的新水平，有利于人類社會的可持續發展。因此太陽能電動車成為來自世界各大汽車廠競相開發的項目，因為清潔環保型的汽車是人們一直追求和奮斗

的目標。

電動輪椅依操縱方式劃分，有用搖桿單手控制的，也有用頭部或吹吸系統等人機交互設備控制的，供高位截癱或偏癱等患者操作。電動輪椅依操縱方式劃分，有用搖桿單手控制的，也有用頭部或吹吸系統等人機交互設備控制的，供高位截癱或偏癱等患者操作。

1 智能輪椅結構設計

在設計智能輪椅時候，主要考慮了以下幾點：1.輪椅尺寸應符合人體結構力學，讓人使用的時候感到舒適。2.輪椅結構的可靠性，穩定性3.輪椅的防盜性以及保護人體性4.在使用者操控輪椅的時候進行智能化的輔助裝置。

通過PROE三維軟件對智能輪椅進行建模設計。PROE軟件具有高效以及實用的特點。運用PROE軟件進行輪椅的實體建模和運動學仿真，能夠使設計人員直觀看到機構的運動過程，及時發現和改善設計中的干涉問題，交互的進行結構參數的調整和改進，大大提高設計效率，減低成本。并且能對運動狀態進行仿真，檢查機構設計的合理性等，實踐表明PROE建模設計對實際樣機的制造具有重要的指導和參考價值。PROE三維軟件中智能輪椅結構圖如圖1所示。

2 太陽能系統搭建

太陽能光伏系統分為離網光伏發電系統、并網光伏發電系統和分布式光伏發電系統：

1、離網光伏發電系統。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。

2、并網光伏發電系統就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電這后直接接入公共電網。并網發電系統有集中式大型并網電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發電能直接輸送到電網，由電網統一調配向用戶供電。但這種電站投資大、建設周期長、占地面積大，還沒有太大發展。而分散式小型并網發電系統，特別是光伏建筑一體化發電系統，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是并網發電的主流。

3、分布式光伏發電系統，又稱分散式發電或分布式供能，是指在用戶現場或靠近用電現場配置較小的光伏發電供電系統，以滿足特定用戶的需求，支持現存配電網的經濟運行，或者同時滿足這兩個方面的要求。

本文中的智能輪椅使用額定電壓為24V的蓄電池，所以選擇接入24V蓄電池為系統進行供電，太陽能24V系統接線實物圖如圖2所示。

圖2 24V太陽能系統接線圖

3 系統硬件電路設計

該控制器以STM32F103RCT6單片機為控制核心，其主要功能組成模塊，如圖3所示。

3.1單片機電源電路

本文采用AMS1117-3.3給單片機供電，AMS1117為三端可調或固定電壓3.3V輸出電流為1A線路調整率：0.2%（最大）負載調整率：0.4%（最大）封裝類型：SOT-223。

AMS1117-3.3應用電路圖如圖4所示：

3.2電機電流采樣電路

本文采用TI公司的LMV611作為電機電流信號放大電路。LMV611具有低電壓、低功耗、軌對軌等特點的通用放大器，其放大電路如圖5所示。

3.3電機驅動電路

本文采用IR公司生產的半橋浮動柵驅動芯片IR2104S和N溝道功率MOSFET管IRF3205S組成H全橋驅動電路，PWM方式控制，并工作于雙極性模式下，由單片機控制兩路電機進行正反轉運動。該驅動電流能夠滿足各種類型直流電機需要，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器接口相連。

其驅動電路圖如圖6所示。

在上述的驅動電路中，若要控制各個MOS管的通斷，其柵極G電壓必須高于S電壓，一般在10V以上可完全導通，即VGS>10V。對于下橋臂的MOS管來說，直接施加VG>10V以上的電壓即可使其導通；而上橋臂的MOS管在導通時源極與漏極電壓相同（即VG= Vs=VCC），這是要滿足VGS>10V，就必須是VG>VCC+10V，在同一個電源電路系統里，要得到比VCC大的電壓，就要設計升壓的電荷泵電路，也就是控制柵極電壓隨源極電壓的變化而變化，即為浮動柵驅動，以確保MOS管的導通。

3.4電機轉速采樣電路

本文電機轉速通過采用兩個紅外光電傳感器分別裝在兩邊電動機的光碼盤上，單片機通過計算傳感器檢測的脈沖即可計算到轉速，其電路如圖7所示。

4 系統軟件設計

根據電動輪椅的功能需求和電路的設計，控制器軟件主要分為以下幾個模塊：系統初始化模塊、電機驅動控制模塊、顯示模塊、信息采集模塊、控制參數算法處理模塊。

系統初始化模塊主要完成自身運行狀態和故障檢測，如：蓄電池、制動器、操縱桿接口、故障等檢測，并顯示在OLED上。

操縱桿在檢測模塊上主要完成獲取操縱桿位置參數，計算左右驅動輪運行方向和PWM脈寬。把操縱桿信號看作二維輸出信號，用二維坐標X軸和Y軸表示。用戶實現轉向或前進后退可以將輪椅運動方向看作是X和Y軸的矢量合。

4.1 PID控制算法的實現

要使電機平滑運動、轉速穩定在某一預定轉速，需要隨時監測電機轉速并與設定值相比較根據比較結構調整電機轉速，使之盡量接近設定值，采用典型的閉環控制反饋算法PID控制。本系統采用增量型PID。表達式如下：

（1）

計算方法如圖8所示。

4.2 信息采集

系統采用STM32F103RCT6主控。內置ADC（模擬/數字轉換器），每個ADC共用多達16個外部通道，可以實現單次或掃描轉換。在掃描模式下，自動進行再選定的一組模擬輸入上的轉換。ADC采集時序圖如圖9所示，ADC在眾人能夠卻開始轉換之前需要一個穩定的時間。在ADC轉換開始后的14個時鐘周期之后，EOC標志被置1而16位的ADC數據寄存器包含了轉換的結果。

5 結束語

隨著人民收入的不斷增加，智能輪椅成為許多行動不便人群很好的選擇，因此市場潛力大，越來越多的人致力于高性能智能輪椅控制器的研發。良好的控制系統不僅可以保證輪椅安全穩定的運行，還能降低功耗。

本文以太陽能智能輪椅為研究對象，改變了原有電動輪椅的功能單一的缺點，增加了新的功能，使輪椅更能滿足殘疾人和老年人的心理需要。本文以意法半導體公司的STM32系列微控制器為核心構建了一個控制系統，實現用戶對操縱桿、按鍵的操作，超聲波傳感器進行地面障礙物勘測，速度調節等功能。

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