基于STM32 的電動輔助輪椅運動控制系統(tǒng)設計

胡睿，蔣全

（上海理工大學機械工程學院電氣系，上海 200093）

當前，隨著社會醫(yī)療水平和經濟狀況的提升，我國人口的平均壽命得到明顯的提升。但是我國老年人的健康狀況并不樂觀，只有約三成老年人健康狀況較好[1]，截止到2019 年，至少有2 800 萬60 歲以上的老年人因為下肢功能問題導致出行不便[2]，使得輪椅需求量顯著增加。

隨著電子科技的發(fā)展，很多研究單位以及廠商都推出了電動輪椅，為老年殘疾人士提供更好的出行體驗[3]。文獻[4]設計了一款用戶可以自己使用操縱桿完成移動操作的電動輪椅車。文獻[5]提出了一款基于腦電波控制的智能輪椅，同時該輪椅還擁有語音控制等功能。上述文獻中的電動輪椅車控制方法，能夠滿足不同人群的要求，但往往都需要乘坐者自行使用控制器對輪椅車進行控制，某些喪失了基本控制能力和意識的人群使用該類產品時會比較困難，而基于生理信號方案的傳感器以及控制系統(tǒng)的商用落地成本也較為高昂。針對此類問題，文中提出了一款以手柄推力為控制信號的電動輪椅車，以達到輔助推行者推力的效果，該電動輪椅車的驅動電機使用無刷直流電機，整車成本也較低。

1 無刷直流電機驅動原理

對比有刷電機，無刷直流電機擁有諸多優(yōu)點，比如體積較小、結構簡單，使得安裝布局更加容易，也使得自身輸出的功率密度較大，配合合適的控制方法可以輸出足夠大的轉矩，擁有優(yōu)良的動態(tài)性能[6-7]?？紤]到驅動輪椅車需要良好的轉速以及負載特性，經過技術選型，文中系統(tǒng)采用裝有霍爾傳感器的無刷直流電機作為驅動電機。

1.1 無刷直流電機數學模型

由無刷直流電機的特性可知，其自身是復雜的非線性系統(tǒng)，直接建立數學模型去描述其運行特性會提升建模的復雜度。所以為了方便地進行模型分析，對模型作出一定的假設，忽略如電樞反應和齒槽效應等物理量的干擾[8]。

參考電機等效電路后可以得到電機在平穩(wěn)轉動時各相繞組電壓平衡方程為[9]（使用靜止坐標系）：

式中，ua、ub、uc為三相定子繞組電壓，ia、ib、ic為三相定子電流，Ψabc為定子三相磁鏈。

將定子電壓值變換到dq軸坐標系下，可得dq軸定子電壓方程：

式中，ud、uq,id、iq,Ψd、Ψq分別為旋轉坐標系下dq軸上的電壓、電流以及磁鏈分量。

定子磁鏈方程為：

式中，Ld、Lq分別為d軸和q軸電感，Ψf為永磁體磁鏈。

電機的電磁轉矩方程為：

式中，p為電機極對數。由公式可知，電磁轉矩由主電磁轉矩Ψfiq和磁阻轉矩組成，其中主電磁轉矩是電樞電流和永磁磁鏈相互作用產生的，而磁阻轉矩取決于Ld、Lq的關系，對于文中使用的隱極式電機而言，有Ld=Lq，故沒有磁阻轉矩部分。

1.2 BLDC矢量控制

為了得到更好的控制性能，設計的系統(tǒng)采用矢量控制的方式驅動電機，通過坐標變換、解耦變量的方式簡化控制變量。首先，將在三相靜止坐標系下的定子交流電流ia、ib、ic通過Clark 變換得到靜止坐標系下的交流電流iα、iβ，再將這兩項通過Park 變換得到同步旋轉坐標系下的直流電流id、iq。使用上述變換方式即可將交流電機數學模型等效地變換到同步坐標系，就可以在數學模型上被等效地視作他勵直流電機[10]。

通過他勵直流電機的數學模型可以得知，在空間方向上，電樞電流與勵磁磁場是互相垂直的，而電樞電流幾乎全部用于產生電磁轉矩，這樣就可以對電機磁鏈和轉矩分別進行控制。同理，對于交流電機，通過調節(jié)坐標變換后得到的d軸電流和q軸電流，可以分別對交流電機的電機轉矩與磁鏈進行控制，從而實現對轉矩和磁鏈的解耦[9]。

在該系統(tǒng)中，使用的無刷直流電機為隱極式電機，為了使電機在基速以下獲得最大轉矩，直接令d軸電流id恒等于零，從而使定子電流中只含有交軸分量，使得在空間中轉子磁動勢和定子磁動勢的矢量方向互相垂直。經過仿真與實驗，該控制方法的轉矩曲線和調速性能都能很好地滿足驅動電機的要求。

圖1 為矢量控制系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)包含一個轉速外環(huán)和一個電流內環(huán)。電機內安裝了三相霍爾傳感器，以提供離散的轉子位置信號。通過計算可以得到實時的轉子轉速n以及離散的轉子位置角度θ。計算得到轉子轉速后，與轉速外環(huán)給定的轉速值nr（該系統(tǒng)通過控制手柄信號轉換后給定）進行比較后作為系統(tǒng)中轉速外環(huán)PI 調節(jié)器的輸入，而外環(huán)的輸出則送至電流內環(huán)調節(jié)器作為輸入q軸的電流[11]。

圖1 矢量控制系統(tǒng)框圖

電機的三相電流通過驅動電路中的電流傳感器采集，得到三相靜止坐標系電流后，經過坐標變換可以得到d、q軸電流。令d軸電流為零，而q軸電流與給定值比較后送入電流內環(huán)，經過PI 調節(jié)后得到的d、q軸電壓ud、uq，再經過反變換得到電壓矢量值uα、uβ，并最終送入SVPWM 模塊，SVPWM 模塊輸出三相六路控制信號，達到對電機的矢量控制要求[12-13]。

2 硬件電路設計

該系統(tǒng)旨在使用一對控制手柄作為信號輸入控制單元，使用者推動手柄控制輪椅車的兩輪電機轉速，使兩輪轉動配合完成輪椅的前進、后退以及轉彎功能。手柄控制單元使用了電阻式傳感器，產生控制信號經過RS485 協議送至MCU，起到控制作用，輪椅車輪上安裝了一對無刷直流電機作為驅動電機，電機內部裝有霍爾傳感器。

考慮到矢量控制的驅動原理，控制電路需要采集霍爾傳感器輸出的三相霍爾信號，得到電機轉動信息，MCU 輸出開關信號至驅動芯片，此外，還需要一定的外圍電路用于電流檢測以及提供穩(wěn)定電壓的功能?？紤]以上要求后，文中圍繞STM32F103 芯片擁有的外設資源進行了整體電路設計。

2.1 霍爾信號輸入電路

電機的內部等間距地安裝了三相開關式霍爾傳感器，電機轉子旋轉時會輸出不停變化的高低電平信號，標示著電機轉子的相位。

圖2 為霍爾傳感器信號采集電路，三相霍爾信號接入MCU 前需要經過濾波電路濾除高次諧波。

圖2 霍爾信號采集電路

2.2 逆變橋驅動電路

MCU 輸出的驅動信號一般為3.3 V 的低壓低功率信號，需要通過逆變驅動器提高其功率，并完成系統(tǒng)驅動側與控制側的隔離。驅動器選擇高速高壓功率驅動器IR2101S，該驅動器采用了高度集成的電平轉換技術，大大簡化了電路對功率器件的控制要求，此外，芯片的欠壓保護以及過流保護功能也使驅動電路的穩(wěn)定性進一步提高[14]。圖3 中，電路左側輸入為MCU 的定時器比較輸出通道PWM 波，右側輸出控制信號至電機控制逆變橋。經過軟件控制，令驅動電路中的6 個MOS 管開關器件有序通斷就可以得到所需要的交流電壓矢量[15]。

圖3 逆變驅動電路

2.3 電流采集電路

電流采集電路通過一個運放對采集到的相電流進行放大，再送到MCU 的ADC 采集通道中，經過芯片內部計算得到實際的電流值[13]。圖4 中右側為采集到的左電機V相電流值經過一個采樣電阻R5得到的電壓值。采集到的相電流信號在經過MCU 計算后得到相電流的真實值，用于電流閉環(huán)控制功能，此外，相電流達到預設最大值時，程序也會控制關閉所有開關管并停止運行。

圖4 電流采集電路

2.4 控制信號輸入電路

考慮到系統(tǒng)控制信號的兼容性和未來功能的擴展需要，設計的系統(tǒng)中使用RS485 通信協議與手柄控制器進行通信，RS485 協議作為一種半雙工通信協議，具有抗干擾能力強的優(yōu)勢，在遠距離傳輸信號亦能獲得不錯的傳輸性能。RS485 協議需要用到兩條通信線傳輸數據信號，一個時刻完成一個方向的信息傳輸，很好地符合了系統(tǒng)的需要。

如圖5 所示，信號輸入電路使用SP485R 芯片將MCU 管腳輸出的TTL 電平信號轉換成為RS485 電平信號輸出。芯片的RE 和DE 都接到MCU 設定好的GPIO 口上，可以通過軟件來控制SP3485 的功能。當GPIO 輸出低電平時，為接收模式；當GPIO 輸出高電平時，為發(fā)送模式。通過控制信號輸入電路，作用于手柄上的推拉力信號被轉變?yōu)榭刂齐娦盘査腿隡CU，MCU 根據RS485 協議對采集到的信號進行處理，送入電機的轉速環(huán)。

圖5 RS485信號輸入電路

3 軟件設計

設計的系統(tǒng)基于STM32 的各種外設硬件資源，文中開發(fā)了主程序和各個中斷子程序?？傮w上看，手柄輸送控制信號給MCU，MCU 負責對驅動電機輸出控制信號，完成矢量控制的功能，同時不停地使用ADC 等外設模塊采集電機的運行狀態(tài)信息。

3.1 主程序

程序啟動時，在主程序中調用初始化PWM、ADC、USART 等模塊的配置函數，完成對各個模塊的初始化配置，之后便進入循環(huán)，等待各個中斷程序觸發(fā)，完成電機的控制功能[12]。

3.2 自動制動子程序

輪椅在不受推力且停在斜坡上時，可能會因為重力向下滑行，如果患者喪失行動能力，或推行者沒有注意到，可能會使患者置于危險之中，所以程序中設置了自動制動功能。

程序在運行過程中，會檢測電阻傳感器的信號以及霍爾信號，進行綜合判斷，再在一定的延時后由電機進行制動。

如圖6 所示，在系統(tǒng)正常運行時，中斷程序會不斷采集霍爾傳感器信號并計算出轉速和加速度，同時與手柄控制信號濾波處理后一同輸出至自動制動程序模塊。該控制模塊會綜合判斷當前的速度、控制信號值以及加速度計算值，如果當前的速度為零、電阻傳感器沒有信號且加速度為零，則會進入制動模式搶占中斷，停止正常控制流程，防止輪椅車體因為慣性發(fā)生滑動并產生危險狀況。系統(tǒng)需要電機制動時，先停止輸出正常的控制信號，再輸出控制信號將電機驅動電路的上橋臂開關管全部打開，下橋臂全部關閉完成制動動作。

圖6 制動子程序流程圖

3.3 轉速和角度估計

為滿足系統(tǒng)中轉速環(huán)以及SVPWM 矢量控制的要求，需要進行轉速和角度的估算。由于設計的電機內部等間距地安裝了三個霍爾傳感器，通過霍爾傳感器給MCU 傳來的霍爾信號即可獲知當前電機轉子的角度θ，在一定的時間內采集轉子的角度并計算，即可得到當前電機的轉速，一般用來計算轉速的平均速度法公式如下：

如圖7 所示，由于電機控制的時間常數遠遠小于機械常數，因此該方法假設電機在一個霍爾位置區(qū)間內轉速不變，通過計算時間差來計算轉速值，如此計算得到電機轉速的分辨率為60°。但是實際運用過程中，輪椅的驅動電機需要經常進行加減速轉動，使用平均速度法估算轉子速度和轉子角度往往不夠精確，需要更高精度的估算轉速的方法。

圖7 平均速度法估計

如圖8 所示，為了提高估算的精度，不再假定電機在一個60°的霍爾位置區(qū)間內轉速固定，而是引入加速度a，計算公式為：

圖8 加速度法估計

該方法在平均加速度法的基礎上，對電機在區(qū)間內加減速引起的估算誤差進行了補償，減少了誤差并提高了轉速估計和角度計算的準確性[16]。

如圖9 所示，在電機加速時，加速度法估計能夠得到較為準確的轉子角度以及系統(tǒng)狀態(tài)估計。

圖9 仿真速度估計結果

在實際計算轉速程序中，使用兩個不同的變量存儲i-1 區(qū)間的轉速ωi-1和i-2 區(qū)間的轉速ωi-2。在霍爾中斷子程序中，先使用ωi-1和ωi-2計算出這兩個區(qū)間的平均加速度ai-1，再使用i-1 區(qū)間的轉速加上計算后的加速度得到當前區(qū)間的轉速ωi，并在中斷子程序的末尾更新兩個轉速變量以便進行下一次轉速的計算。

在上文的設計中，一直假設霍爾傳感器等間距互差120°地安裝在電機的定子圓周上，但是在電機實際生產中，出于安裝精度的考慮，往往會導致每相霍爾信號輸出角度并非均等的120°，而是如圖10 所示出現角度偏差，忽視該誤差會使角度估計出現誤差，從而導致控制精度下降，使電機輸出的轉矩出現脈動[16]。

圖10 霍爾傳感器安裝誤差

在開始使用電機之前，先對每個霍爾傳感器的安裝實際角度進行測量。具體方法：在電機扇區(qū)換相點的±10°范圍內，依次使用矢量SVPWM 強制給定的方式，使電機的轉子轉動到該角度，與此同時，不斷測量當前霍爾傳感器的輸出信號，直到找到霍爾組合信號值的變換點，此時給定的轉子角度就是真實的霍爾區(qū)間邊界的角度值，在角度以及轉速計算時程序自動補償該角度誤差。

3.4 閉環(huán)計算程序以及SVPWM矢量輸出

設計的系統(tǒng)在普通定時器中斷程序中進行轉速外環(huán)的計算，計算頻率設定為2 kHz。轉速外環(huán)將控制信號經過比例轉換后與當前實際轉速進行對比，外環(huán)的輸出經過比例轉換為電流量后，送入電流內環(huán)計算。電流環(huán)計算放到PWM 環(huán)節(jié)的載波中斷程序中，將給定電流與實際電流變換后的值iq進行對比后，變換成uα、uβ輸出到SVPWM 模塊中。

SVPWM 模塊首先根據傳來的uα、uβ判斷應該輸出哪個扇區(qū)的矢量，之后需要計算各個基本空間矢量的作用時間。該系統(tǒng)中選取了七段式SVPWM的生成方法，其優(yōu)點是可以減少功率的損耗，且輸出信號的高次諧波含量也較低。通過uα、uβ及SVPWM 算法，可以計算出兩個有效矢量T1、T2以及零矢量的作用時間T0。MCU 程序實現上述算法需要進行大量三角函數的計算，為了提高運算速度，程序中使用查正弦值表的方式得到各個三角函數值，此方法先將正弦值以Q 格式存入到數組中，當需要查找某一角度的正弦值時直接查詢取值即可[9]。

最后根據開關損耗最小原則，確定各個扇區(qū)矢量切換的順序和切換點的時刻，并按照各電壓矢量的作用時間確定各橋臂的占空比。

4 系統(tǒng)設計結果

該設計已經應用于實際產品上，可以可靠地工作。根據如表1 所示的電機參數，系統(tǒng)可以調整驅動參數以滿足不同的需求。

表1 驅動電機參數表

在電機帶載平穩(wěn)運行時，使用電流鉗在電機的相線上測量，可以得到圖11 所示的單相電流波形。

圖11 單相電流波形

輪椅車的車身物理參數如表2 所示。該車身可以很好地滿足殘疾人以及中老年人的乘坐需求。

表2 車身物理參數表

經過測試，得到輪椅車的運行參數如表3 所示。

表3 輪椅車運行參數表

5 結束語

針對當前日益增長的殘疾人數量以及其出行需求，文中提出了一種電動輔助輪椅驅動系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以幫助人們更方便、省力地推動輪椅出行，引入的自動制動功能較好地提高了輪椅的安全性。經過設計和測試驗證，該系統(tǒng)可以長時間可靠地運作，并能夠很好地輔助殘疾人出行。