电力驱动轮椅装置的研究
2012-05-08魏子贺刘鑫
魏子贺 刘鑫
[摘要]随着老年人越来越多和人民生活质量提高，老年人和残疾人急需轮椅等代步工具。电力驱动轮椅的核心是驱动系统。电力驱动轮椅具有省力、操作简便平稳的特点，是一种比较理想的移动或代步工具。本文以AT89C51单片机为核心控制器，设计了一种新型的电力驱动轮椅控制系统。采用永磁无刷电动机车轮作为驱动机构，并设计了操作方便的控制键盘，实现对无刷直流电动机的调速控制控制，同时编制了相应的控制软件，实现了对电动轮椅控制系统的完整设计。
[关键词]电力驱动轮椅无刷直流电动机单片机控制PWM
主要模块划分
电力驱动轮椅按模块化分为驱动模块，导航模块。
1.驱动模块
时间比较长、运动距离比较长时轮椅的特点，所以体积小的电源系统呗要求用在机载电源里，要求轻的工作连续性强的电源，驱动原件选择直流电动机。永磁的无刷直流电机有很强的优点，所以应用广泛。
电动轮椅控制对应不同的控制子系统。客户要求安全的轮椅，反应比较快，故要有相应的比较高的控制算法。
2.导航传感器模块
在方位和的不十分肯定的环境里，电动的智能型轮椅需要通过传感器来采集必要的数据，用适当的算法进行分析有关数据，并且相互融会贯通，并得出正确的导航系统决策。所以能否正确的选择传感器关系到是否能使导航系统成败与否的主要因素。时时刻刻都要感知周围的环境因素和时时刻刻了解自身的参数变化是电力驱动轮椅在行驶时必须要做的一项工作。所以一般装的传感器有用超声波来感知周围环境的传感器，红外线来感知的周围环境传感器等等。通过对传感器信息进行综合性的处理，从而有效的利用了他们的信息资源。
本文主要研究电力驱动轮椅的驱动模块。
目前的轮椅驱动系统控制器多采用一下集中方式:
(1)模拟型控制系统由分离的元件和少量的集成型电路构成
模拟型的控制器只限于用比较低级的驱动控制器中，因为模拟电路中不可避免存在参数漂移和参数不一致等问题，其可靠性和性能指標受到影响。
（2）基于专用集成电路的控制系统。
专门用于集成的控制电路没有使用分离元件所照成的一些弊端。专门用于集成的控制电路所带来的优点有体积要比分离元件的要小很多，并且还有稳定性高的特点。但是应用范围局限性大，功能难以扩展。基本上完成了设计和实现一个既经济又实用的电力驱动的轮椅系统。
主要内容和要求
以智能轮椅驱动为研究的对象的控制系统，确定了系统的结构，控制所用的技术，控制所要用的策略，和控制要有到的芯片，并进行系统硬件电路的设计和软件程序的编写。
本文的主要内容要求包括以下几个方面：
1.体系结构及系统设计
本课题使用了较简单的单片微处理器来实现系统功能，设计相应外围接口电路和接口程序，以及编程实现特定功能。
2.数学模型和运动控制分析
分析组成驱动系统各个环节，对直流伺服电机模型和轮椅运动学和动力学分析，建立驱动系统的数学模型，根据电动轮椅驱动系统的技术指标要求，计算参数设定了合理的驱动结构。给出电机控制实现的一般方法和电动轮椅控制分析设计方法。
3.控制算法
为了使系统工作更为稳定和精确，适应工作环境要求，要对控制算法进行研究，本题采用模糊PID参数调整算法，并实现编程。控制过程中，所需环境信息由传感器和给出。
电动轮椅的系统组成
电动轮椅系统主要由主控制器，无刷直流电机，控制键盘，显示仪表，测速传感器，以及电源系统组成。
此篇文章的目的是设计控制驱动电机的系统即整个电力驱动轮椅的主要功能设备。无刷的直流电机比单纯的直流的电机更具有相对比较好的性能。电动机的本体、位置式传感器和电子器件开关电路是组成直流的无刷电动机的主要三部分。
控制系统的方案设计
稳定、准确、快速是对于所有的控制系统来说的最基本的三个要求。稳定是其中最根本要求，稳态的要求是准确，动态的要求是快速。所有的相对应的静态和动态的性能的要求对于所有的无刷的直流电动机的控制系统的仪器还有设备都是适用的。采用开环的控制技术对于无刷直流电动机控制系统不能去除静差率，也不能达到控制系统的稳定、准确、快速的两个最基本的要求，因为转速的静差率的存在。
因为控制无刷的直流的电机的速度是本系统的主要的目的，所以控制系统的控制结构有：电流环、速度环和电压环。转速负反馈闭环系统能够大大减少转速降落，转速偏差正是由转速降落所引起的。实现转速的无静差的条件是转速的负反馈的单闭环的控制系统的保证系统的稳定，因此经常在对于动态的性能的要求不高的场合下所采用，因为不能完全的按照需要来控制动态的过程的电流或者转矩。电枢的电压下降所造成的转速降落不能通过电压的负反馈的调速系统所弥补，调速性能不如转速负反馈系统。适用于在电动机转速不很低的时候。在电动机转速不低时电机转速近似与端电压成正比，此情况下，采用电压负反馈比转速负反馈方便得多。
综合以上的所述，对于这篇系统而言，只需要保证系统稳定的条件下实现转速无静差。因而采用无刷直流电动机转速负反馈单闭环控制系统。
