電力驅(qū)動輪椅裝置的研究

魏子賀 劉鑫

[摘要]隨著老年人越來越多和人民生活質(zhì)量提高，老年人和殘疾人急需輪椅等代步工具。電力驅(qū)動輪椅的核心是驅(qū)動系統(tǒng)。電力驅(qū)動輪椅具有省力、操作簡便平穩(wěn)的特點，是一種比較理想的移動或代步工具。本文以AT89C51單片機為核心控制器，設(shè)計了一種新型的電力驅(qū)動輪椅控制系統(tǒng)。采用永磁無刷電動機車輪作為驅(qū)動機構(gòu)，并設(shè)計了操作方便的控制鍵盤，實現(xiàn)對無刷直流電動機的調(diào)速控制控制，同時編制了相應(yīng)的控制軟件，實現(xiàn)了對電動輪椅控制系統(tǒng)的完整設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]電力驅(qū)動輪椅無刷直流電動機單片機控制PWM

主要模塊劃分

電力驅(qū)動輪椅按模塊化分為驅(qū)動模塊，導(dǎo)航模塊。

1.驅(qū)動模塊

時間比較長、運動距離比較長時輪椅的特點，所以體積小的電源系統(tǒng)唄要求用在機載電源里，要求輕的工作連續(xù)性強的電源，驅(qū)動原件選擇直流電動機。永磁的無刷直流電機有很強的優(yōu)點，所以應(yīng)用廣泛。

電動輪椅控制對應(yīng)不同的控制子系統(tǒng)?？蛻粢蟀踩妮喴?，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，電動的智能型輪椅需要通過傳感器來采集必要的數(shù)據(jù)，用適當?shù)乃惴ㄟM行分析有關(guān)數(shù)據(jù)，并且相互融會貫通，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。時時刻刻都要感知周圍的環(huán)境因素和時時刻刻了解自身的參數(shù)變化是電力驅(qū)動輪椅在行駛時必須要做的一項工作。所以一般裝的傳感器有用超聲波來感知周圍環(huán)境的傳感器，紅外線來感知的周圍環(huán)境傳感器等等。通過對傳感器信息進行綜合性的處理，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)動輪椅的驅(qū)動模塊。

目前的輪椅驅(qū)動系統(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的驅(qū)動控制器中，因為模擬電路中不可避免存在參數(shù)漂移和參數(shù)不一致等問題，其可靠性和性能指標受到影響。

（2）基于專用集成電路的控制系統(tǒng)。

專門用于集成的控制電路沒有使用分離元件所照成的一些弊端。專門用于集成的控制電路所帶來的優(yōu)點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。但是應(yīng)用范圍局限性大，功能難以擴展?；旧贤瓿闪嗽O(shè)計和實現(xiàn)一個既經(jīng)濟又實用的電力驅(qū)動的輪椅系統(tǒng)。

主要內(nèi)容和要求

以智能輪椅驅(qū)動為研究的對象的控制系統(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，并進行系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計和軟件程序的編寫。

本文的主要內(nèi)容要求包括以下幾個方面：

1.體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計

本課題使用了較簡單的單片微處理器來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，設(shè)計相應(yīng)外圍接口電路和接口程序，以及編程實現(xiàn)特定功能。

2.數(shù)學(xué)模型和運動控制分析

分析組成驅(qū)動系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)，對直流伺服電機模型和輪椅運動學(xué)和動力學(xué)分析，建立驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電動輪椅驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)指標要求，計算參數(shù)設(shè)定了合理的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。給出電機控制實現(xiàn)的一般方法和電動輪椅控制分析設(shè)計方法。

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，要對控制算法進行研究，本題采用模糊PID參數(shù)調(diào)整算法，并實現(xiàn)編程?？刂七^程中，所需環(huán)境信息由傳感器和給出。

電動輪椅的系統(tǒng)組成

電動輪椅系統(tǒng)主要由主控制器，無刷直流電機，控制鍵盤，顯示儀表，測速傳感器，以及電源系統(tǒng)組成。

此篇文章的目的是設(shè)計控制驅(qū)動電機的系統(tǒng)即整個電力驅(qū)動輪椅的主要功能設(shè)備。無刷的直流電機比單純的直流的電機更具有相對比較好的性能。電動機的本體、位置式傳感器和電子器件開關(guān)電路是組成直流的無刷電動機的主要三部分。

控制系統(tǒng)的方案設(shè)計

穩(wěn)定、準確、快速是對于所有的控制系統(tǒng)來說的最基本的三個要求。穩(wěn)定是其中最根本要求，穩(wěn)態(tài)的要求是準確，動態(tài)的要求是快速。所有的相對應(yīng)的靜態(tài)和動態(tài)的性能的要求對于所有的無刷的直流電動機的控制系統(tǒng)的儀器還有設(shè)備都是適用的。采用開環(huán)的控制技術(shù)對于無刷直流電動機控制系統(tǒng)不能去除靜差率，也不能達到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、準確、快速的兩個最基本的要求，因為轉(zhuǎn)速的靜差率的存在。

因為控制無刷的直流的電機的速度是本系統(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。實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差的條件是轉(zhuǎn)速的負反饋的單閉環(huán)的控制系統(tǒng)的保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此經(jīng)常在對于動態(tài)的性能的要求不高的場合下所采用，因為不能完全的按照需要來控制動態(tài)的過程的電流或者轉(zhuǎn)矩。電樞的電壓下降所造成的轉(zhuǎn)速降落不能通過電壓的負反饋的調(diào)速系統(tǒng)所彌補，調(diào)速性能不如轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)。適用于在電動機轉(zhuǎn)速不很低的時候。在電動機轉(zhuǎn)速不低時電機轉(zhuǎn)速近似與端電壓成正比，此情況下，采用電壓負反饋比轉(zhuǎn)速負反饋方便得多。

綜合以上的所述，對于這篇系統(tǒng)而言，只需要保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。因而采用無刷直流電動機轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)。