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时间:2017-11-12
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1、新型电动轮椅的直流无刷伺服系统 本世纪是一个人口老龄化程度较高的世纪,老年人和残疾人的护理将是社会的一个沉重负担,所以亟需一种能够满足老年人、残疾人自我护理的高级医疗康复设备,以减轻健康人群的工作压力。随着科学技术的迅速发展,人们生活水平不断提高,欧美经济发达国家的老年人、残疾人专用手动轮椅已逐步被淘汰,取而代之的是性能更优越、操作更简便、行驶更安全可靠,使用电脑芯片可编程控制,具有人工智能功能的电动轮椅。电动轮椅在发达国家已获得广泛使用,目前的年需求量约为40万台。随着我国开始进入老龄社会,以及经济的迅猛发
2、展和人民生活水平的不断提高,预计在不久的将来,我国对高档电动轮椅也将有十分旺盛的需求。本文介绍了如何利用直流伺服技术开发出两款功能独特、结构简单、成本低廉的电动轮椅。传统的电动轮椅及驱动方式 目前国内外主流型电动轮椅如图1所示:这些轮椅的两个主动轮是由两台直流有刷电机经过减速器(蜗轮蜗杆)分别驱动的;其控制水平属于速度开环控制,也就是通过PWM(脉宽调制)来改变电枢电压,达到调速目的。由于减速器的存在,使得机械结构复杂,重量和成本增加。笔者利用直流伺服技术,研制出免除减速器的新型轮椅。直接驱动的速度闭环控制的
3、新型电动轮椅 新型电动轮椅如图2所示。该轮椅采用直流无刷电机直接驱动,因此结构简单,重量轻,可以折叠便于室内外搬运和车载外出活动。它的驱动电机是外转子式,即轮毂电机(由电机和充气轮胎构成车轮),其电机参数如附表所示。图2直接驱动的电动轮椅附表 永磁直流无刷电机参数图3 控制系统方块图图4 单极性可逆三相无刷电机驱动其控制系统方块图如图3所示,单片机将由操作杆送来的命令解码,输出左右2个车轮(电机)的运动速度和方向命令作为后面的速度伺服系统的给定。 根据实际应用的需要,该速度伺服系统的动、静态指标
4、要求不高,故采用具有电流限幅的速度环,速度环的控制规律为比例积分(PI)控制;电流限幅值为8A;为满足低速性能,采用深度速度负反馈:利用无刷电机3个霍尔换相信号产生的脉冲,经频压转换(f/V)芯片产生模拟电压Uf,它正比于电机转速。由于电机有20个磁极,电机一圈产生的脉冲数为3×20=60个,电机最高转速为200r/min,因此产生的脉冲数为60×(1/60s)×200=200Hz,调节f/V环节放大系数使200Hz输入时,输出为5V(等于速度给定最大值)。 PWM及驱动环节的实现是由专用芯片LB11820M
5、和6个N沟道MOSFET构成单极性可逆PWM系统,其主电路如图4所示。 图4中Ra、Rb、Rc,La、Lb、Lc及ea、eb、ec分别为三相无刷电机的相电阻、电感及反电势。由于单极性可逆PWM系统具有线路简单、效率高等优点,使得该电动轮椅与传统的电动轮椅相比有很多独特功能,如可以原地回转(零回转半径)、前后运动等。 由于深度速度负反馈使得低速性能有很大地提高,满足了直接驱动的需要,使得轮椅能够低速平稳地运动。 具有位置伺服的全方位移动电动轮椅如图5所示。图5全方位移动电动轮椅
6、 该轮椅可以前后左右运动及原地旋转,运动灵活,可以在家具之间穿行,适于室内使用。它的2个主动轮也是采用轮毂电机并外挂橡胶构成实芯车轮。这2个电机控制也采用上述的带速度负反馈的控制方法。为实现全方位运动,有1个舵机位置伺服控制系统,可以使2个车轮同步地转角,以实现斜向或横向运动。该舵机系统是用电位器实现位置反馈,构成位置伺服系统,图6为控制原理图。 图6中的3个电机参数如附表所示。单片机将三维操作杆命令解码,分别输出方向命令及速度命令。方向命令控制舵机位置伺服系统,图6 全方位移动轮椅原理图使左、右车轮转过一
7、定角度,并朝向需要前进的方向,同时左、右轮的速度闭环控制二轮运动,从而使轮椅向要求的方向运动。结语 利用电流伺服技术开发出的二种新型电动轮椅,经试用效果很好,且较传统电动轮椅相比具有很多优点,如结构简单、轻巧,可以全方位移动,成本低,具有很大的商业价值。并且这二种新型电动轮椅还具有技术上升级的前景,如加上语音控制,乘坐者可用语言命令其运动;或添加一些传感器可成为自动导航的智能轮椅。
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