河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
8862河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：電動輪椅變速控制系統(tǒng)的設(shè)計
專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生信息：060499，馬森，機設(shè)066
指導(dǎo)教師信息：曹東興，教授
報告提交日期：2010-5-10
一，電動輪椅概況
年老體弱的人，或者身體殘疾的人，運動困難的人對出行方便和自行活動能力有新的要求，電動輪椅正適用于以上群體的人使用，要求輪椅能夠走直線，兩個驅(qū)動輪需要同步運轉(zhuǎn)，要求較高，原有的控制器使用繼電器進行方向控制，屬于機械觸點開關(guān)，壽命有限，可靠性低，本課題采用單片機進行編程控制，對于兩個驅(qū)動無刷直流電機，對其進行正反轉(zhuǎn)控制，以及轉(zhuǎn)速控制從而實現(xiàn)對電動輪椅運動方向的綜合控制。
考慮到它的使用者一般為殘疾人，老年人和病人，它還應(yīng)該具備故障診斷的功能，保證輪椅能夠正常運行，或及時診斷故障，保護乘坐人員的生命安全。其具體的要求如下：
（1）安全性：每次開機時，操作桿均應(yīng)做電池故障，電機故障，電磁剎車故障，通訊故障，操作桿故障，功率管故障等故障檢查；并且在運行時，能夠?qū)崟r檢測電動輪椅的狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，就緊急停車，保障使用者的安全。
（2）舒適性和可靠性：一般而言，電動輪椅的使用者身體比較虛弱，適應(yīng)能力差，這就要求輪椅的運行必須平穩(wěn)，舒適。
（3）靈活的操縱控制：靈活控制操作桿，并有按鍵控制輪椅的行駛方向與速度。
二，電動輪椅控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和組成
電動輪椅控制系統(tǒng)的硬件部分主要由主控制器 (采用MCS96系列單片機)、 無刷直流電機(兩相線圈)、電動機驅(qū)動電路， 控制鍵盤( “開關(guān)機，RESET, 加速， 減速，警鳴 ，剎車”共六個控制按鍵,搖桿控制（四方向），顯示液晶儀表(如電容量顯示，速度檔顯示)、以及電源系統(tǒng)等組成。電動輪椅控制結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。
圖2.1 電動輪椅控制結(jié)構(gòu)圖
2.1 MCS-96單片機的主要性能特點
1. 16位的CPU
2．256個字節(jié)寄存器陣列和專用寄存器
3．總線寬度可控
4．8KB片內(nèi)ROM
5．高效的指令系統(tǒng)
6．高速輸入/輸出器
7．5個8位輸入/輸出口
8．全雙工串行口
9．10位A/D轉(zhuǎn)換器
10．脈寬調(diào)制輸出器PWM
11．2個16位定時器
12．4個16位軟件定時器
13．16位監(jiān)視定時器
14．9個中斷源
2.2直流電機總概況
直流電機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持 90°，即使采用永磁式，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限制。交流電機沒有碳刷及整流子，免維護、堅固、應(yīng)用廣，但特性上若要達到相當(dāng)于直流電機的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達到?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機的性能。微處理機速度亦越來越快，可實現(xiàn)將交流電機控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機在兩軸電流分量，達到類似直流電機控制并有與直流電機相當(dāng)?shù)男阅堋? 此外已有很多微處理機將控制電機必需的功能做在芯片中，而且體積越來越小；像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (Analog-to-digital converter，ADC)、脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流無刷電機即是以電子方式控制交流電機換相，得到類似直流電機特性又沒有直流電機機構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。
無刷直流電動機由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開關(guān)線路和驅(qū)動電路4部分組成,是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。直流電源通過開關(guān)電路和驅(qū)動電路向電動機定子繞組供電,位置傳感器隨時檢測到,并進行反饋控制輪椅的控制是兩個電機的協(xié)調(diào)控制，輪椅方向與電機控制圖如下：
車子動作
左電動機
右電動機
前進
正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)
后退
反轉(zhuǎn)
正轉(zhuǎn)
左轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)
右轉(zhuǎn)
正轉(zhuǎn)
正轉(zhuǎn)
圖2.2 輪椅方向與電機控制圖
2.3 驅(qū)動電路——PWM脈寬調(diào)制電路
根據(jù)輪椅的運動特性以及本系統(tǒng)設(shè)計中電機拖動輪椅的方式，系統(tǒng)運行時需要2直流電機在四象限運行，以實現(xiàn)輪椅的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的基本操作。因此本系統(tǒng)采用兩套雙極性H橋式驅(qū)動電路分別對兩臺直流電機進行控制。雙極性橋式驅(qū)動電路原理圖下圖所示：
圖2.3 雙極性橋式驅(qū)動電路、
在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤t ≤t時，VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止。電機的
電樞電壓： 電樞電流ia沿著VT1、電機、VT4流過；當(dāng)ton≤t ≤T，VT1和VT4截止，但由于電機電感的作用，電樞電流ia不能突變，經(jīng)由二極管D2,D3續(xù)流，由于二極管的鉗位，VT2和VT3無法導(dǎo)通，電樞電壓 機的電樞電壓和電樞電流波形如下圖所示：
由左圖可知，電機的電樞電壓平均值為：
若 即正脈沖較寬時，電樞兩端電壓平均值為正，電機正轉(zhuǎn)；負(fù)脈沖較寬，平均電壓為負(fù)，電機反轉(zhuǎn)； 時，平均電壓為零，電機不轉(zhuǎn)，但此時電機瞬時電壓和瞬時電流均不為零，而是交變的。這種交變電流，能使電機產(chǎn)生微振，從而消除靜摩擦死區(qū)。令ρ=（2ton/T-1）Ud,則Ua=ρUd,。調(diào)速時p的變化范圍是一1至 1，p>O時，電機正轉(zhuǎn)，p
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