電力驅動輪椅裝置的研究

魏子賀 劉鑫

[摘要]隨著老年人越來越多和人民生活質量提高，老年人和殘疾人急需輪椅等代步工具。電力驅動輪椅的核心是驅動系統。電力驅動輪椅具有省力、操作簡便平穩的特點，是一種比較理想的移動或代步工具。本文以AT89C51單片機為核心控制器，設計了一種新型的電力驅動輪椅控制系統。采用永磁無刷電動機車輪作為驅動機構，并設計了操作方便的控制鍵盤，實現對無刷直流電動機的調速控制控制，同時編制了相應的控制軟件，實現了對電動輪椅控制系統的完整設計。

[關鍵詞]電力驅動輪椅無刷直流電動機單片機控制PWM

主要模塊劃分

電力驅動輪椅按模塊化分為驅動模塊，導航模塊。

1.驅動模塊

時間比較長、運動距離比較長時輪椅的特點，所以體積小的電源系統唄要求用在機載電源里，要求輕的工作連續性強的電源，驅動原件選擇直流電動機。永磁的無刷直流電機有很強的優點，所以應用廣泛。

電動輪椅控制對應不同的控制子系統?？蛻粢蟀踩妮喴?，反應比較快，故要有相應的比較高的控制算法。

2.導航傳感器模塊

在方位和的不十分肯定的環境里，電動的智能型輪椅需要通過傳感器來采集必要的數據，用適當的算法進行分析有關數據，并且相互融會貫通，并得出正確的導航系統決策。所以能否正確的選擇傳感器關系到是否能使導航系統成敗與否的主要因素。時時刻刻都要感知周圍的環境因素和時時刻刻了解自身的參數變化是電力驅動輪椅在行駛時必須要做的一項工作。所以一般裝的傳感器有用超聲波來感知周圍環境的傳感器，紅外線來感知的周圍環境傳感器等等。通過對傳感器信息進行綜合性的處理，從而有效的利用了他們的信息資源。

本文主要研究電力驅動輪椅的驅動模塊。

目前的輪椅驅動系統控制器多采用一下集中方式:

(1)模擬型控制系統由分離的元件和少量的集成型電路構成

模擬型的控制器只限于用比較低級的驅動控制器中，因為模擬電路中不可避免存在參數漂移和參數不一致等問題，其可靠性和性能指標受到影響。

（2）基于專用集成電路的控制系統。

專門用于集成的控制電路沒有使用分離元件所照成的一些弊端。專門用于集成的控制電路所帶來的優點有體積要比分離元件的要小很多，并且還有穩定性高的特點。但是應用范圍局限性大，功能難以擴展?；旧贤瓿闪嗽O計和實現一個既經濟又實用的電力驅動的輪椅系統。

主要內容和要求

以智能輪椅驅動為研究的對象的控制系統，確定了系統的結構，控制所用的技術，控制所要用的策略，和控制要有到的芯片，并進行系統硬件電路的設計和軟件程序的編寫。

本文的主要內容要求包括以下幾個方面：

1.體系結構及系統設計

本課題使用了較簡單的單片微處理器來實現系統功能，設計相應外圍接口電路和接口程序，以及編程實現特定功能。

2.數學模型和運動控制分析

分析組成驅動系統各個環節，對直流伺服電機模型和輪椅運動學和動力學分析，建立驅動系統的數學模型，根據電動輪椅驅動系統的技術指標要求，計算參數設定了合理的驅動結構。給出電機控制實現的一般方法和電動輪椅控制分析設計方法。

3.控制算法

為了使系統工作更為穩定和精確，適應工作環境要求，要對控制算法進行研究，本題采用模糊PID參數調整算法，并實現編程?？刂七^程中，所需環境信息由傳感器和給出。

電動輪椅的系統組成

電動輪椅系統主要由主控制器，無刷直流電機，控制鍵盤，顯示儀表，測速傳感器，以及電源系統組成。

此篇文章的目的是設計控制驅動電機的系統即整個電力驅動輪椅的主要功能設備。無刷的直流電機比單純的直流的電機更具有相對比較好的性能。電動機的本體、位置式傳感器和電子器件開關電路是組成直流的無刷電動機的主要三部分。

控制系統的方案設計

穩定、準確、快速是對于所有的控制系統來說的最基本的三個要求。穩定是其中最根本要求，穩態的要求是準確，動態的要求是快速。所有的相對應的靜態和動態的性能的要求對于所有的無刷的直流電動機的控制系統的儀器還有設備都是適用的。采用開環的控制技術對于無刷直流電動機控制系統不能去除靜差率，也不能達到控制系統的穩定、準確、快速的兩個最基本的要求，因為轉速的靜差率的存在。

因為控制無刷的直流的電機的速度是本系統的主要的目的，所以控制系統的控制結構有：電流環、速度環和電壓環。轉速負反饋閉環系統能夠大大減少轉速降落，轉速偏差正是由轉速降落所引起的。實現轉速的無靜差的條件是轉速的負反饋的單閉環的控制系統的保證系統的穩定，因此經常在對于動態的性能的要求不高的場合下所采用，因為不能完全的按照需要來控制動態的過程的電流或者轉矩。電樞的電壓下降所造成的轉速降落不能通過電壓的負反饋的調速系統所彌補，調速性能不如轉速負反饋系統。適用于在電動機轉速不很低的時候。在電動機轉速不低時電機轉速近似與端電壓成正比，此情況下，采用電壓負反饋比轉速負反饋方便得多。

綜合以上的所述，對于這篇系統而言，只需要保證系統穩定的條件下實現轉速無靜差。因而采用無刷直流電動機轉速負反饋單閉環控制系統。