河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）前期報(bào)告
河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）前期報(bào)告
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：電動(dòng)輪椅變速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
所學(xué)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
學(xué)生信息： 060499 馬森 機(jī)設(shè)066
指導(dǎo)教師信息：曹東興 教授
報(bào)告提交日期：2010年4月3日
一. 研究的目的和意義：
近年來隨著道路和步行道的平整化，或者室內(nèi)地板的平整化，除殘疾人外，對(duì)于隨著人口老齡化，而步行正變得日益艱難的人們，以及在醫(yī)院內(nèi)行動(dòng)的人們當(dāng)中，輪椅的使用的越來越廣泛。我國(guó)各類殘疾人的總數(shù)已達(dá)數(shù)千萬人，其中肢體傷殘人數(shù)，綜合型殘疾人不在少數(shù)，另外，隨著生活水平的提高和醫(yī)療條件的改善，我國(guó)老齡人口逐年增加，總數(shù)在億人以上，社會(huì)對(duì)電動(dòng)輪椅車的需求量是巨大的。
使用輪椅的人們使用手動(dòng)來驅(qū)動(dòng)輪椅有些困難，另外也不能保證時(shí)刻身邊有陪護(hù)人員，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的日漸發(fā)展和成熟，尤其是電機(jī)控制技術(shù)的成熟以及多樣化，在這樣的背景下，最近提出了通過蓄電池來驅(qū)動(dòng)車輪軸的電動(dòng)輪椅方案，電動(dòng)輪椅是下肢殘疾人及年老體弱者使用的代步工具。以蓄電池提供能源，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛，具有車速平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)便、無污染、噪音低的特點(diǎn)。但補(bǔ)充動(dòng)力(充電)時(shí)間較長(zhǎng)，一次充電行駛距離短，適宜戶外短途使用。電動(dòng)輪椅除了輪椅本體之外，還有驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)裝置，控制該驅(qū)動(dòng)部的控制部，以及對(duì)控制部發(fā)出操作指令的驅(qū)動(dòng)部，輪椅是殘疾人的代步工具，由于傳統(tǒng)的輪椅沒有動(dòng)力源，對(duì)老年殘疾人或高度殘疾人帶來很大的代步障礙，為此研究與設(shè)計(jì)一種自帶動(dòng)力源的輪椅就成為當(dāng)務(wù)之急。
二. 國(guó)內(nèi)外研究的歷史和現(xiàn)狀：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們對(duì)生活水平提高有了新的認(rèn)識(shí)，年老體弱的人，或者身體殘疾的人，運(yùn)動(dòng)困難的人對(duì)出行方便和自行活動(dòng)能力有了新的要求，電動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪需要同步運(yùn)轉(zhuǎn)，要求較高，原有的控制器使用繼電器進(jìn)行方向控制，屬于機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)，壽命有限，可靠性低，本課題采用單片機(jī)進(jìn)行編程控制，對(duì)于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，以及轉(zhuǎn)速控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)方向的綜合控制。
國(guó)內(nèi)目前尚不具備研制開發(fā)高性能電動(dòng)輪椅控制器的能力。國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)的電動(dòng)輪椅產(chǎn)品基本上都采用了價(jià)格昂貴的進(jìn)口電動(dòng)輪椅控制器，甚至部分企業(yè)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)總成也采用了外購(gòu)方式，因此國(guó)內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)的產(chǎn)品成本居高不下，以至電動(dòng)輪椅產(chǎn)品的市場(chǎng)售價(jià)長(zhǎng)期以來居高不下，難以為普通用戶接受，也直接影響了電動(dòng)輪椅市場(chǎng)的發(fā)展。
而在國(guó)外，民用電動(dòng)輪椅的發(fā)展歷史則可追溯到二十世紀(jì)五十年代。第二次世界大
戰(zhàn)后，社會(huì)對(duì)輪椅的需求量猛增。由于傷殘者對(duì)回歸社會(huì)和獨(dú)立生活的渴望，促使輪椅的性能和質(zhì)量不斷完善和提高，電動(dòng)輪椅技術(shù)的研究就是從此時(shí)起步的。那時(shí)電動(dòng)輪椅主要適用于患者的手功能很弱、不能驅(qū)動(dòng)普通輪椅時(shí)；或雖然能驅(qū)動(dòng)普通輪椅，但行動(dòng)距離遠(yuǎn)，體力不能負(fù)擔(dān)時(shí)，或身體衰弱根本不宜驅(qū)動(dòng)時(shí)。到了二十世紀(jì)七十年代中期，單片機(jī)的出現(xiàn)使得電動(dòng)輪椅控制器的安全性和控制性能得到很大提高，電動(dòng)輪椅的研究得到了飛速的發(fā)展。為此，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定委員會(huì)康復(fù)工程部和北美援助技術(shù)協(xié)會(huì)共同制定了基于電池測(cè)試、穩(wěn)態(tài)測(cè)試、傾翻角測(cè)試、制動(dòng)距離測(cè)試、能耗測(cè)試、障礙翻越能力測(cè)試和其他一些體現(xiàn)輪椅性能特征的電動(dòng)輪椅標(biāo)準(zhǔn)。
到目前為止，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出各種類型的電動(dòng)輪椅。按驅(qū)動(dòng)類型分，可分為雙輪驅(qū)動(dòng)型和多輪驅(qū)動(dòng)型。總體來說，雙輪驅(qū)動(dòng)型輪椅體積較小，重量較輕；雙輪驅(qū)動(dòng)輪椅按驅(qū)動(dòng)輪的位置分又可分為前輪驅(qū)動(dòng)型，中輪驅(qū)動(dòng)型和后輪驅(qū)動(dòng)型。這三種類型的輪椅各有其優(yōu)缺點(diǎn)：前輪驅(qū)動(dòng)型輪椅能夠在崎嶇不平的地面上行駛，爬坡能力強(qiáng)，但它的速度較慢且方向不易控制；后輪驅(qū)動(dòng)型輪椅運(yùn)行平穩(wěn)，行駛速度快，但回轉(zhuǎn)半徑最大，不適合在室內(nèi)使用；中輪驅(qū)動(dòng)型輪椅回轉(zhuǎn)半徑小，能夠在狹窄的空間內(nèi)運(yùn)行，但在行駛過程中前后的從動(dòng)輪容易被卡住。在多輪驅(qū)動(dòng)的輪椅中，四輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較廣泛，這種輪椅能夠在各種路面上行駛，但它體積較大，非常笨重，不適合室內(nèi)使用。電動(dòng)輪椅及其控制技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，對(duì)輪椅結(jié)構(gòu)和控制策略的研究已經(jīng)比較成熟?，F(xiàn)在，世界上大多數(shù)輪椅生產(chǎn)商開發(fā)的輪椅大多是雙輪驅(qū)動(dòng)型，其中又以中輪驅(qū)動(dòng)型為主。今后輪椅控制技術(shù)的研究方向已向智能化，網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、澳大利亞等多個(gè)國(guó)家以及我國(guó)的臺(tái)灣省都在進(jìn)行這方面的研究。智能輪椅技術(shù)是將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅，融合多種領(lǐng)域的研究，包括機(jī)器人視覺、機(jī)器人導(dǎo)航和定位、模式識(shí)別、多傳感器融合及用戶接口等，目的是使電動(dòng)輪椅脫離人手的控制，實(shí)現(xiàn)安全的自動(dòng)導(dǎo)航。如下圖中所示的JAZZY品牌電動(dòng)輪椅，其視圖如下，由此也可以清楚的看清其機(jī)構(gòu)，組成部分。
圖2.1 JAZZY品牌電動(dòng)輪椅
其分解圖片如下：
圖2.2 JAZZY輪椅分解分解圖片
三. 主要研究?jī)?nèi)容，初步設(shè)想解決方法
3.1控制系統(tǒng)選擇，繼電器，可編程邏輯控制器，或者單片機(jī)。
原有的控制器使用繼電器進(jìn)行方向控制，屬于機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)，壽命有限，可靠性低，本課題采用單片機(jī)進(jìn)行編程控制。其優(yōu)點(diǎn)成本低，同時(shí)技術(shù)含量高，增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，但同時(shí)其設(shè)計(jì)技術(shù)要求較高。
電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成
電動(dòng)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(jī))、 無刷直流電機(jī)(兩相線圈)、 控制鍵盤( “前、 后,左、 右、 加速、 減速、 停止”共七個(gè)控制按鍵,顯示儀表(如電容量指示燈)、 測(cè)速霍爾傳感器(脈沖計(jì)數(shù)測(cè)速), 以及電源系統(tǒng)組成。電動(dòng)輪椅控制結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。
圖3.1 電動(dòng)輪椅控制結(jié)構(gòu)圖
車子動(dòng)作
左電動(dòng)機(jī)
右電動(dòng)機(jī)
前進(jìn)
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3.2 電動(dòng)輪椅控制方式圖
具體設(shè)計(jì)內(nèi)容難點(diǎn)為搖桿鍵盤設(shè)計(jì)和無刷直流電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制
就其系統(tǒng)要求而言，首先這種控制器應(yīng)能正常驅(qū)動(dòng)各種輪椅用電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)輪椅最基本的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)的行走功能；其次，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(yùn)行，或及時(shí)診斷故障，保護(hù)乘坐人員的生命安全。其具體的要求如下：
（1）安全性：該控制器是為控制電動(dòng)輪椅而設(shè)計(jì)的，它的使用者一般為殘疾人，老年人和病人。在使用該控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪椅運(yùn)行時(shí)，控制器應(yīng)具備故障診斷的功能，確保每次開機(jī)時(shí)輪椅均處于正常狀態(tài)，或及時(shí)診斷故障，防止輪椅在故障狀態(tài)下運(yùn)行，發(fā)生事故，危及使用者的安全。故障診斷不僅要能檢測(cè)操作桿自身故障，還應(yīng)能檢測(cè)電機(jī)的故障。具體的故障源包括：
電池故障：電池電壓不足，或電池電壓過高；
電機(jī)故障：左電機(jī)或右電機(jī)未連接；
電磁剎車故障：左電磁剎車或右電磁剎車未連接或故障；
通訊故障：控制板和功率板無連接；
操作桿故障：開機(jī)時(shí)操作桿不在中心位置；
功率管故障：功率管損壞，短路或斷路。
每次開機(jī)時(shí)，操作桿均應(yīng)做以上故障檢查；并且在運(yùn)行時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電動(dòng)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(dòng)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(yùn)行必須平穩(wěn)，舒適。特別是在啟動(dòng)和制動(dòng)的過程，與一般工業(yè)控制要求的快速性相比，電動(dòng)輪椅的啟動(dòng)和制動(dòng)必須是相對(duì)緩慢的和無超調(diào)的，否則使用者會(huì)感到身體不適。其次，電動(dòng)輪椅的使用環(huán)境包括室內(nèi)和室外，行駛的路面包括水泥地，草地，木地板，地毯等。在不同的路面上行駛摩擦系數(shù)不同，負(fù)載也不同，控制器應(yīng)能適應(yīng)不同的負(fù)載變化，保持輪椅行駛速度的穩(wěn)定。另外，輪椅使用者的乘坐習(xí)慣也各不相同，有的坐得偏左，有的偏右，這樣就造成了輪椅左右電機(jī)負(fù)載的不平衡，對(duì)輪椅的運(yùn)行造成影響，控制器應(yīng)能對(duì)左右電機(jī)進(jìn)行電流補(bǔ)保證輪椅正常運(yùn)行。
（3）靈活的參數(shù)設(shè)定：輪椅使用者的身體條件和操作習(xí)慣各不相同，有的人身體條件較好，能夠適應(yīng)快速的啟動(dòng)、制動(dòng)過程和更高的運(yùn)行速度，能夠靈活控制操作桿，控制輪椅的行駛方向；有的人則不然。輪椅控制器應(yīng)能滿足不同的使用要求，使操作者能夠自己調(diào)整部分輪椅運(yùn)行參數(shù)，如最大加速度，最大運(yùn)行速度，操作桿的靈敏度等等。另外，本控制器并非為特定的直流電機(jī)設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中，控制器應(yīng)能驅(qū)動(dòng)不同參數(shù)的直流電機(jī)正常運(yùn)行，因此其控制電機(jī)的參數(shù)應(yīng)可調(diào)整。本設(shè)計(jì)中輪椅的可調(diào)參數(shù)如表2-1所示：
表2-1輪椅可調(diào)參數(shù)
1前進(jìn)、后退速度最大、最小值
2前進(jìn)、后退加速度最大、最小值
3轉(zhuǎn)彎減速度
4故障狀態(tài)下，緊急停車的減速度
5最大截止電流
6倒車警示音
7進(jìn)入休眠的時(shí)間
8左右電機(jī)不平衡修正系數(shù)
9低電量報(bào)警設(shè)定值
10電壓反饋系數(shù)γ
11電流補(bǔ)償度β
12 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)
13左、右電機(jī)正、反換向
14左、右電機(jī)交換
3.2系統(tǒng)的硬件構(gòu)成原理框圖如圖3-3所示：
圖3-3 硬件構(gòu)成原理框圖
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由單片機(jī)采集手柄控制棒和按鍵I/O的數(shù)據(jù)，通過SCI模塊傳給DSP。DSP接收來自單片機(jī)控制板的手柄控制棒的參考輸入(X軸和Y軸的電壓輸入)，將其轉(zhuǎn)化為PWM輸出，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大電路送給2臺(tái)他勵(lì)永磁直流電機(jī)，帶動(dòng)輪椅運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的功能。同時(shí)，DSP的A/D模塊采樣電機(jī)的電壓和電流信號(hào)，形成電壓閉環(huán)控制和電流補(bǔ)償及過流保護(hù)。
3.3控制方案的選擇
對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說，通常采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋來獲得比較理想的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，速度檢測(cè)主要用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電碼盤等實(shí)現(xiàn)，精度很高。但本系統(tǒng)使用的電機(jī)體積較小，裝在輪椅上運(yùn)行，如果外加測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)使輪椅更加笨重；另外系統(tǒng)對(duì)速度的控制精度要求不高，因此采用測(cè)量電動(dòng)機(jī)端電壓的方式近似估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，既節(jié)約了成本，也減小了控制器的體積。
電機(jī)的速度特性方程式為
（2.1）
式中：n――直流電機(jī)轉(zhuǎn)速
U――電動(dòng)機(jī)端電壓
Ia――電機(jī)電樞電流
R――電樞回路總電阻
K――電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)
Φ――勵(lì)磁磁通
當(dāng)電樞電流較小時(shí)，I R可略去，公式可簡(jiǎn)化為：
(2-2)
直接測(cè)量電機(jī)端電壓，即可近似求出電機(jī)轉(zhuǎn)速n
五．參考文獻(xiàn)
[1] 田玉梅.殘疾人和老年人的居住空間無障礙研究[學(xué)位論文].天津科技大學(xué) 2003
[2] 王貴蘭.電動(dòng)輪椅車用無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究[碩士學(xué)位論文].河北工業(yè)大學(xué) 2006,5:13-20
[3] 鄭明全.電動(dòng)輪椅申請(qǐng)?zhí)?00710149031.3 2007.9.7
[4 李俊義，陳瑞田，陳云新 電動(dòng)輪椅傳動(dòng)裝置控制桿構(gòu)造 申請(qǐng)?zhí)?00710108148.7 2007.5
[5] 徐世望 電動(dòng)輪椅的搖桿裝置 申請(qǐng)?zhí)?00710141037.6 2007.8
[6] 蕭順義 電動(dòng)輪椅 申請(qǐng)?zhí)?1145209.9 2001.12
[7] 王貴蘭，徐曉華，李麗榮. 基于DSP的電動(dòng)輪椅車控制系統(tǒng)的研究.科技信息.2009,29:106-144
[8]． 王仁杰 曾慶軍 基于DSP+單片機(jī)的主從式電動(dòng)輪椅控制器的設(shè)計(jì)方案2009.19
[9] 杜宇，吳燮華.電動(dòng)輪椅控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電力電子技術(shù).2004,38:63-65
[10] 陳德益. 基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)仿真.2010,1: 359-362
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