河北工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文）中期報告 8862河北工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文）中期報告 畢業(yè)設計（論文）題目：電動輪椅變速控制系統(tǒng)的設計 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 學生信息：060499，馬森，機設066 指導教師信息：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，兩個驅動輪需要同步運轉，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，壽命有限，可靠性低，本課題采用單片機進行編程控制，對于兩個驅動無刷直流電機，對其進行正反轉控制，以及轉速控制從而實現(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，能夠實時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)的硬件結構和組成 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)、電動機驅動電路， 控制鍵盤( “開關機，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。電動輪椅控制結構圖如圖 1 所示。 圖2.1 電動輪椅控制結構圖 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轉換器 10．脈寬調制輸出器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 直流電機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的性能，但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點，因為直流電機要產生額定負載下恒定轉矩的性能，則電樞磁場與轉子磁場須恒維持 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動時會產生火花、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、應用廣，但特性上若要達到相當于直流電機的性能須用復雜控制技術才能達到?，F(xiàn)今半導體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅動電機的性能。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的兩軸直交坐標系統(tǒng)中，適當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?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?。幌衲M/數(shù)字轉換器 (Analog-to-digital converter，ADC)、脈沖寬度調制(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上缺失的一種應用。 無刷直流電動機由電動機本體、轉子位置傳感器、電子開關線路和驅動電路4部分組成,是一種典型的機電一體化產品。直流電源通過開關電路和驅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 反轉 后退 反轉 正轉 左轉 反轉 反轉 右轉 正轉 正轉 圖2.2 輪椅方向與電機控制圖 2.3 驅動電路——PWM脈寬調制電路 根據輪椅的運動特性以及本系統(tǒng)設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、右轉的基本操作。因此本系統(tǒng)采用兩套雙極性H橋式驅動電路分別對兩臺直流電機進行控制。雙極性橋式驅動電路原理圖下圖所示： 圖2.3 雙極性橋式驅動電路、 在一個開關周期內，當0≤t ≤t時，VT1、VT4導通，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，經由二極管D2,D3續(xù)流，由于二極管的鉗位，VT2和VT3無法導通，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；負脈沖較寬，平均電壓為負，電機反轉； 時，平均電壓為零，電機不轉，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，能使電機產生微振，從而消除靜摩擦死區(qū)。令ρ=（2ton/T-1）Ud,則Ua=ρUd,。調速時p的變化范圍是一1至 1，p>O時，電機正轉，p

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