太陽(yáng)能輔助充電型節(jié)能爬樓梯電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)

摘要：從助老助殘的需要出發(fā)，以節(jié)能環(huán)保和降低成本為目標(biāo)，采用30W太陽(yáng)能電池板作為輔助充電電源，以STM32RCT6單片機(jī)為控制芯片研制了一款電動(dòng)輪椅控制器。首先介紹了太陽(yáng)能系統(tǒng)的組成，然后介紹控制器的組成功能模塊及詳細(xì)分析了其控制及驅(qū)動(dòng)電路的原理，包括H橋驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成及分類(lèi)、電源芯片的選擇、通信方式選擇、電機(jī)電流、蓄電池電池電壓采集及液晶顯示等硬件電路的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制器滿(mǎn)足較大功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要，控制靈活，滿(mǎn)足老弱及下肢患者的操作需要，具有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能系統(tǒng)；節(jié)能環(huán)保；單片機(jī)；H橋驅(qū)動(dòng)電路

中圖分類(lèi)號(hào)：R49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（b）-0000-00

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46；TP271； 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，且老齡人口在加速增長(zhǎng)，上述人群因?yàn)橄轮顒?dòng)能力的限制，對(duì)其日常出行活動(dòng)產(chǎn)生了影響。而助老、助殘型電動(dòng)輪椅為老年人和下肢殘疾人的出行提供了方便。

太陽(yáng)能屬于清潔能源，綠色環(huán)保，取之不盡。

因此對(duì)太陽(yáng)能的直接利用，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)文明發(fā)展的新水平，有利于人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)成為來(lái)自世界各大汽車(chē)廠競(jìng)相開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目，因?yàn)榍鍧嵀h(huán)保型的汽車(chē)是人們一直追求和奮斗

的目標(biāo)。

電動(dòng)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(tǒng)等人機(jī)交互設(shè)備控制的，供高位截癱或偏癱等患者操作。電動(dòng)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(tǒng)等人機(jī)交互設(shè)備控制的，供高位截癱或偏癱等患者操作。

1 智能輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)智能輪椅時(shí)候，主要考慮了以下幾點(diǎn)：1.輪椅尺寸應(yīng)符合人體結(jié)構(gòu)力學(xué)，讓人使用的時(shí)候感到舒適。2.輪椅結(jié)構(gòu)的可靠性，穩(wěn)定性3.輪椅的防盜性以及保護(hù)人體性4.在使用者操控輪椅的時(shí)候進(jìn)行智能化的輔助裝置。

通過(guò)PROE三維軟件對(duì)智能輪椅進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。PROE軟件具有高效以及實(shí)用的特點(diǎn)。運(yùn)用PROE軟件進(jìn)行輪椅的實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，能夠使設(shè)計(jì)人員直觀看到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改善設(shè)計(jì)中的干涉問(wèn)題，交互的進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整和改進(jìn)，大大提高設(shè)計(jì)效率，減低成本。并且能對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，檢查機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等，實(shí)踐表明PROE建模設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際樣機(jī)的制造具有重要的指導(dǎo)和參考價(jià)值。PROE三維軟件中智能輪椅結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 太陽(yáng)能系統(tǒng)搭建

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)：

1、離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。

2、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)電站一般都是國(guó)家級(jí)電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶(hù)供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、占地面積大，還沒(méi)有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是并網(wǎng)發(fā)電的主流。

3、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱(chēng)分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)或靠近用電現(xiàn)場(chǎng)配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，以滿(mǎn)足特定用戶(hù)的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，或者同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)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(tǒng)進(jìn)行供電，太陽(yáng)能24V系統(tǒng)接線實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 24V太陽(yáng)能系統(tǒng)接線圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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

3.1單片機(jī)電源電路

本文采用AMS1117-3.3給單片機(jī)供電，AMS1117為三端可調(diào)或固定電壓3.3V輸出電流為1A線路調(diào)整率：0.2%（最大）負(fù)載調(diào)整率：0.4%（最大）封裝類(lèi)型：SOT-223。

AMS1117-3.3應(yīng)用電路圖如圖4所示：

3.2電機(jī)電流采樣電路

本文采用TI公司的LMV611作為電機(jī)電流信號(hào)放大電路。LMV611具有低電壓、低功耗、軌對(duì)軌等特點(diǎn)的通用放大器，其放大電路如圖5所示。

3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本文采用IR公司生產(chǎn)的半橋浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)芯片IR2104S和N溝道功率MOSFET管IRF3205S組成H全橋驅(qū)動(dòng)電路，PWM方式控制，并工作于雙極性模式下，由單片機(jī)控制兩路電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)電流能夠滿(mǎn)足各種類(lèi)型直流電機(jī)需要，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點(diǎn)，可直接與微處理器接口相連。

其驅(qū)動(dòng)電路圖如圖6所示。

在上述的驅(qū)動(dòng)電路中，若要控制各個(gè)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(dǎo)通，即VGS>10V。對(duì)于下橋臂的MOS管來(lái)說(shuō)，直接施加VG>10V以上的電壓即可使其導(dǎo)通；而上橋臂的MOS管在導(dǎo)通時(shí)源極與漏極電壓相同（即VG= Vs=VCC），這是要滿(mǎn)足VGS>10V，就必須是VG>VCC+10V，在同一個(gè)電源電路系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要設(shè)計(jì)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(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)，以確保MOS管的導(dǎo)通。

3.4電機(jī)轉(zhuǎn)速采樣電路

本文電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)采用兩個(gè)紅外光電傳感器分別裝在兩邊電動(dòng)機(jī)的光碼盤(pán)上，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算傳感器檢測(cè)的脈沖即可計(jì)算到轉(zhuǎn)速，其電路如圖7所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電動(dòng)輪椅的功能需求和電路的設(shè)計(jì)，控制器軟件主要分為以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、顯示模塊、信息采集模塊、控制參數(shù)算法處理模塊。

系統(tǒng)初始化模塊主要完成自身運(yùn)行狀態(tài)和故障檢測(cè)，如：蓄電池、制動(dòng)器、操縱桿接口、故障等檢測(cè)，并顯示在OLED上。

操縱桿在檢測(cè)模塊上主要完成獲取操縱桿位置參數(shù)，計(jì)算左右驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)行方向和PWM脈寬。把操縱桿信號(hào)看作二維輸出信號(hào)，用二維坐標(biāo)X軸和Y軸表示。用戶(hù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向或前進(jìn)后退可以將輪椅運(yùn)動(dòng)方向看作是X和Y軸的矢量合。

4.1 PID控制算法的實(shí)現(xiàn)

要使電機(jī)平滑運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一預(yù)定轉(zhuǎn)速，需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并與設(shè)定值相比較根據(jù)比較結(jié)構(gòu)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使之盡量接近設(shè)定值，采用典型的閉環(huán)控制反饋算法PID控制。本系統(tǒng)采用增量型PID。表達(dá)式如下：

（1）

計(jì)算方法如圖8所示。

4.2 信息采集

系統(tǒng)采用STM32F103RCT6主控。內(nèi)置ADC（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器），每個(gè)ADC共用多達(dá)16個(gè)外部通道，可以實(shí)現(xiàn)單次或掃描轉(zhuǎn)換。在掃描模式下，自動(dòng)進(jìn)行再選定的一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換。ADC采集時(shí)序圖如圖9所示，ADC在眾人能夠卻開(kāi)始轉(zhuǎn)換之前需要一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間。在ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始后的14個(gè)時(shí)鐘周期之后，EOC標(biāo)志被置1而16位的ADC數(shù)據(jù)寄存器包含了轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

本文以太陽(yáng)能智能輪椅為研究對(duì)象，改變了原有電動(dòng)輪椅的功能單一的缺點(diǎn)，增加了新的功能，使輪椅更能滿(mǎn)足殘疾人和老年人的心理需要。本文以意法半導(dǎo)體公司的STM32系列微控制器為核心構(gòu)建了一個(gè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)操縱桿、按鍵的操作，超聲波傳感器進(jìn)行地面障礙物勘測(cè)，速度調(diào)節(jié)等功能。

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