新型电动轮椅的直流无刷伺服系统

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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。