空心杯電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)智能輪椅的研究

張杰權(quán) 蘇廣濱 劉科明 徐玲玲 甘方敏

摘要：電機(jī)是電動(dòng)輪椅的核心部件，電機(jī)響應(yīng)速度的快慢將直接影響著電動(dòng)輪椅運(yùn)行的平穩(wěn)性能。目前電動(dòng)輪椅主流電機(jī)為傳統(tǒng)的鐵芯電機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定性較差。根據(jù)空心杯電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)有刷電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)比，針對(duì)兩組電機(jī)所需能耗的比較以及建立驅(qū)動(dòng)模型證實(shí)仿真結(jié)果以及相關(guān)性能測(cè)試來(lái)進(jìn)一步展開(kāi)空心杯電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)智能輪椅的研究。

關(guān)鍵詞：空心杯電機(jī);轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性;驗(yàn)證

0.引言

智能輪椅是一種通用型助老機(jī)械，智能輪椅通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)部齒輪，使其做出前進(jìn)、后退、差速轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等基礎(chǔ)動(dòng)作。文章以空心杯電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅的可行性為研究對(duì)象，分析空心杯電機(jī)的工作與結(jié)構(gòu)原理，通過(guò)電學(xué)測(cè)試驗(yàn)證其能耗低特性，通過(guò)推力測(cè)試驗(yàn)證其高效性，通過(guò)電流監(jiān)測(cè)驗(yàn)證其穩(wěn)定性。分析表明電機(jī)性能對(duì)電動(dòng)輪椅穩(wěn)定性能有直接影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出相應(yīng)方案，對(duì)電動(dòng)智能輪椅的設(shè)計(jì)與改良具有參考價(jià)值。

1、空心杯電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及工作原理

空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示，與其他傳統(tǒng)的碳刷電機(jī)類似，空心杯電機(jī)同樣采用了圍繞轉(zhuǎn)子內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式（內(nèi)轉(zhuǎn)子式碳刷電機(jī)）。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的原理與其他傳統(tǒng)的碳刷電機(jī)相同。但是值得注意的一點(diǎn)是，空心杯電動(dòng)機(jī)采用的轉(zhuǎn)子是一個(gè)無(wú)鐵芯的轉(zhuǎn)子。（傳統(tǒng)的碳刷電機(jī)采用轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2）現(xiàn)在的空心杯碳刷電機(jī)最大的主要特點(diǎn)之一就是這個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子沒(méi)有鐵芯，轉(zhuǎn)子沒(méi)有其他部件支撐的結(jié)構(gòu)（全靠線圈和主軸支撐，因此現(xiàn)在的空心杯電機(jī)的體積普遍比杯子偏?。?，完全由線圈與連接板繞制而成，線圈通過(guò)三角形的連接板，和通過(guò)換向器，主軸繞組鏈接到一起。線圈、主軸、連接板共同一起組成轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子連接板由塑料和環(huán)氧樹(shù)脂兩種材料制成，起到固定轉(zhuǎn)子導(dǎo)線以及向磁鐵傳遞轉(zhuǎn)子力矩的重要作用。這個(gè)線圈在磁鐵和碳刷電機(jī)外殼之間的縫隙中旋轉(zhuǎn)，從而直接帶動(dòng)整個(gè)碳刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

2、空心杯電機(jī)性能測(cè)試

2.1空心杯電機(jī)節(jié)能性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)材料：

2.1.1測(cè)試原理：

比較兩種電機(jī)消耗相同電量所用的時(shí)間長(zhǎng)短，驗(yàn)證空心杯電機(jī)比傳統(tǒng)碳刷電機(jī)節(jié)能的說(shuō)法。過(guò)程：利用電子調(diào)速器與轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x來(lái)確保測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。電源保護(hù)板與計(jì)時(shí)器相連，當(dāng)電池電壓跌至3.2伏時(shí)，電源保護(hù)板自動(dòng)斷開(kāi)電源，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。電流計(jì)確保測(cè)試電機(jī)消耗電容量相同。

2.1.2測(cè)試結(jié)果：

2.2 空心杯電機(jī)高效性測(cè)試

2.2.1測(cè)試原理

兩種電機(jī)以相同功率工作，比較兩種電機(jī)所產(chǎn)生的推力，進(jìn)而驗(yàn)證空心杯電機(jī)效率高這一理論。實(shí)驗(yàn)中，利用恒壓電源確保輸出電壓穩(wěn)定，電流計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)實(shí)時(shí)電流以確保兩種電機(jī)能夠以相同且穩(wěn)定的功率工作。使用相同的螺旋槳，確保所有電機(jī)負(fù)載相同。

2.2.2 測(cè)試結(jié)果

3、智能輪椅整體設(shè)計(jì)

3.1智能輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)

智能輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)為四輪結(jié)構(gòu)，每個(gè)輪配備獨(dú)立電機(jī)組，四路電機(jī)組與主控制系統(tǒng)連接。在手動(dòng)模式下用戶可通過(guò)控制器直接控制輪椅，半自動(dòng)模式下用戶通過(guò)控制器控制的同時(shí)傳感器將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)（順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)），通過(guò)齒輪、軸等結(jié)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為輪椅的運(yùn)動(dòng)以達(dá)到移動(dòng)的目的。

電動(dòng)智能輪椅的主要部件由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等裝置組成。

3.2技術(shù)參數(shù)

1、動(dòng)力系統(tǒng)：8520空心杯電機(jī)（由于使用對(duì)象質(zhì)量不同，需要結(jié)合行星減速組為輪椅提供足夠的扭力以達(dá)到帶動(dòng)輪椅的目的。理論推力：85公斤）

2、傳感器： 3個(gè)（陀螺儀，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪椅的姿態(tài)，能夠自主修正非人為操控出現(xiàn)的偏差; 紅外避障，能夠監(jiān)測(cè)周邊障礙物，是自動(dòng)駕駛模式的核心部件; 氣壓計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輪椅所在海拔高度，配合紅外傳感器使用，防止用戶從高處墜落的事故發(fā)生。）

傳感器的數(shù)量將決定著輪椅的智能化強(qiáng)度;由于輪椅體積大小限制，重量限制以及電池續(xù)航能力的限制。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1單片機(jī)

為了保證良好的操控性，輪椅的主控芯片為stc89c52rc單片機(jī)。該芯片是目前高校普遍使用較多的51芯片。在融合了傳統(tǒng)51的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，作為增強(qiáng)型芯片，其運(yùn)算速度、穩(wěn)定可靠性比較好。同時(shí)，價(jià)格便宜，是在多個(gè)方案中的最佳選擇。

4.2電路及控制

使用高性能聚合物鋰離子電池結(jié)合穩(wěn)壓模塊可以作為單片機(jī)電源的輸入和提供端。鋰電池經(jīng)過(guò)降壓模塊可以穩(wěn)定輸出5v的電壓，供整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)工作使用。其中，12v模塊提供電源給1298模塊，為整臺(tái)電機(jī)工作提供動(dòng)力源。通過(guò)7805降壓，將12v的轉(zhuǎn)換電壓為5v，為整臺(tái)單片機(jī)提供5v的電源。在單片機(jī)的制作和調(diào)試過(guò)程中，測(cè)量了在單片機(jī)接通整臺(tái)電機(jī)時(shí)，7805輸入端以及1298輸出端的電壓波動(dòng)情況，并在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)整臺(tái)電機(jī)完全接通的瞬間，輸入端就會(huì)出現(xiàn)有一定的電壓波動(dòng)。

為了消除這一高頻波動(dòng)現(xiàn)象，我們可以采用并聯(lián)大功率平波電容的解決措施。在兩個(gè)輸入端，我們分別并聯(lián)了兩個(gè)220uf的電解電容，作為一個(gè)平波電容。同時(shí)為了有效消除高頻的噪聲，我們?cè)谳斎攵穗娊怆娙菖赃呍黾恿?04消火花的電容。在輸出端，加了10uf的電解電容做平波用。同時(shí)加104電容以便于獲得更好的輸出電源信號(hào)波形。

在電路板制作完成后，經(jīng)過(guò)測(cè)試，電壓波動(dòng)降低，在可接受范圍內(nèi)。連接電機(jī)（8520空心杯電機(jī)）啟動(dòng)平穩(wěn)，沒(méi)有“咳嗽”現(xiàn)象。

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了以空心杯電機(jī)為驅(qū)動(dòng)單元以stc89c52rc單片機(jī)為控制核心的平穩(wěn)型電動(dòng)智能輪椅。通過(guò)比較有刷空心杯電機(jī)與傳統(tǒng)有刷電機(jī)的電氣數(shù)據(jù)，提出其存在的響應(yīng)速度慢，起步抖動(dòng)的問(wèn)題。空心杯電機(jī)的使用有效地解決上述問(wèn)題。以stc89c52rc單片機(jī)為控制核心，增加了機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性?？招谋姍C(jī)的使用解決了以往傳統(tǒng)電動(dòng)輪椅所存在起步抖動(dòng)，運(yùn)行遲鈍的問(wèn)題。最后，空心杯電機(jī)造價(jià)成本低廉、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)易。與傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比，空心杯電機(jī)體積更為小巧，可生產(chǎn)出更為輕便的電動(dòng)輪椅，電動(dòng)輪椅的使用便利性將會(huì)得到更大的提升。

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基金項(xiàng)目：北部灣大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（202011607131）。

作者簡(jiǎn)介：劉科明（1989-），男，廣西貴港，學(xué)士，工程師、高級(jí)技師，主要從事機(jī)械工程和教育教學(xué)管理等方面的研究，為本文通訊作者。

（北部灣大學(xué)?廣西?欽州?535011）