電動(dòng)輪椅變速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙】
河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告8862河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目:電動(dòng)輪椅變速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生信息:060499,馬森,機(jī)設(shè)066指導(dǎo)教師信息:曹東興,教授報(bào)告提交日期:2010-5-10一,電動(dòng)輪椅概況年老體弱的人,或者身體殘疾的人,運(yùn)動(dòng)困難的人對(duì)出行方便和自行活動(dòng)能力有新的要求,電動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪需要同步運(yùn)轉(zhuǎn),要求較高,原有的控制器使用繼電器進(jìn)行方向控制,屬于機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),壽命有限,可靠性低,本課題采用單片機(jī)進(jìn)行編程控制,對(duì)于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī),對(duì)其進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制,以及轉(zhuǎn)速控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)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(yīng)該具備故障診斷的功能,保證輪椅能夠正常運(yùn)行,或及時(shí)診斷故障,保護(hù)乘坐人員的生命安全。其具體的要求如下:(1)安全性:每次開(kāi)機(jī)時(shí),操作桿均應(yīng)做電池故障,電機(jī)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(yùn)行時(shí),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電動(dòng)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(dòng)輪椅的使用者身體比較虛弱,適應(yīng)能力差,這就要求輪椅的運(yùn)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(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和組成電動(dòng)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(jī))、 無(wú)刷直流電機(jī)(兩相線圈)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路, 控制鍵盤(pán)( “開(kāi)關(guān)機(jī),RESET, 加速, 減速,警鳴 ,剎車”共六個(gè)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(dòng)輪椅控制結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。圖2.1 電動(dòng)輪椅控制結(jié)構(gòu)圖2.1 MCS-96單片機(jī)的主要性能特點(diǎn)1. 16位的CPU2256個(gè)字節(jié)寄存器陣列和專用寄存器3總線寬度可控48KB片內(nèi)ROM 5高效的指令系統(tǒng) 6高速輸入/輸出器75個(gè)8位輸入/輸出口8全雙工串行口910位A/D轉(zhuǎn)換器10脈寬調(diào)制輸出器PWM112個(gè)16位定時(shí)器124個(gè)16位軟件定時(shí)器1316位監(jiān)視定時(shí)器149個(gè)中斷源2.2直流電機(jī)總概況直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能,但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn),因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能,則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外,使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒(méi)有碳刷及整流子,免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣,但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到?,F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多,提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快,可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中,適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量,達(dá)到類似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋?此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中,而且體積越來(lái)越小;像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (Analog-to-digital converter,ADC)、脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulator,PWM)等。直流無(wú)刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相,得到類似直流電機(jī)特性又沒(méi)有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開(kāi)關(guān)線路和驅(qū)動(dòng)電路4部分組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)電路和驅(qū)動(dòng)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電,位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到,并進(jìn)行反饋控制輪椅的控制是兩個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制,輪椅方向與電機(jī)控制圖如下:車子動(dòng)作左電動(dòng)機(jī)右電動(dòng)機(jī)前進(jìn) 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)后退反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)圖2.2 輪椅方向與電機(jī)控制圖2.3 驅(qū)動(dòng)電路PWM脈寬調(diào)制電路根據(jù)輪椅的運(yùn)動(dòng)特性以及本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電機(jī)拖動(dòng)輪椅的方式,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要2直流電機(jī)在四象限運(yùn)行,以實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的基本操作。因此本系統(tǒng)采用兩套雙極性H橋式驅(qū)動(dòng)電路分別對(duì)兩臺(tái)直流電機(jī)進(jìn)行控制。雙極性橋式驅(qū)動(dòng)電路原理圖下圖所示: 圖2.3 雙極性橋式驅(qū)動(dòng)電路、在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),當(dāng)0t t時(shí),VT1、VT4導(dǎo)通,VT2、VT3截止。電機(jī)的電樞電壓: 電樞電流ia沿著VT1、電機(jī)、VT4流過(guò);當(dāng)tont T,VT1和VT4截止,但由于電機(jī)電感的作用,電樞電流ia不能突變,經(jīng)由二極管D2,D3續(xù)流,由于二極管的鉗位,VT2和VT3無(wú)法導(dǎo)通,電樞電壓 機(jī)的電樞電壓和電樞電流波形如下圖所示:由左圖可知,電機(jī)的電樞電壓平均值為: 若 即正脈沖較寬時(shí),電樞兩端電壓平均值為正,電機(jī)正轉(zhuǎn);負(fù)脈沖較寬,平均電壓為負(fù),電機(jī)反轉(zhuǎn); 時(shí),平均電壓為零,電機(jī)不轉(zhuǎn),但此時(shí)電機(jī)瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流均不為零,而是交變的。這種交變電流,能使電機(jī)產(chǎn)生微振,從而消除靜摩擦死區(qū)。令=(2ton/T-1)Ud,則Ua=Ud,。調(diào)速時(shí)p的變化范圍是一1至 1,pO時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn),pO時(shí),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn), P=0時(shí),電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。只要改變這個(gè)占空比就可以進(jìn)行調(diào)速,在停轉(zhuǎn)期間,電動(dòng)機(jī)電樞端電壓和電流的瞬時(shí)值并不等于零,而是表現(xiàn)為很小卻一直起作用的正負(fù)交變電量,使電動(dòng)機(jī)發(fā)生微振,這有利于減小正反向的死區(qū),并提出調(diào)速系統(tǒng)的低速性能,這種PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)有:(1)電流連續(xù);(2)可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行;(3)電機(jī)停止時(shí)有微振電流,能消除靜摩擦死區(qū);(4)低速時(shí),每個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通;(5)低速平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍可達(dá)20000: 1左右。2.4控制方案的選擇對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō),通常采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋來(lái)獲得比較理想的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。在電機(jī)控制系統(tǒng)中,速度檢測(cè)主要用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電碼盤(pán)等實(shí)現(xiàn),精度很高。但本系統(tǒng)使用的電機(jī)體積較小,裝在輪椅上運(yùn)行,如果外加測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)使輪椅更加笨重;另外系統(tǒng)對(duì)速度的控制精度要求不高,因此采用測(cè)量電動(dòng)機(jī)端電壓的方式近似估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速,既節(jié)約了成本,也減小了控制器的體積。電機(jī)的速度特性方程式為 (2.1)式中:n直流電機(jī)轉(zhuǎn)速U電動(dòng)機(jī)端電壓Ia電機(jī)電樞電流R電樞回路總電阻K電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)勵(lì)磁磁通當(dāng)電樞電流較小時(shí),IaR可略去,公式可簡(jiǎn)化為: (2.2)直接測(cè)量電機(jī)端電壓,即可近似求出電機(jī)轉(zhuǎn)速n。2.5 按鍵控制2.6搖桿控制 在參考一些專利的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了控制搖桿并繪制了三視圖。本電動(dòng)輪椅采用的搖桿裝置,具有蓋板,基座,軸座,搖桿組件及底板,該基座內(nèi)部形成容置空間。在內(nèi)部設(shè)置彈簧和軸向軸承,并用半球形軸座和垂直方向的兩個(gè)軸做固定及其轉(zhuǎn)向。其彈簧設(shè)置有利于搖桿的回彈垂直,底板上設(shè)置有感應(yīng)元件的電路板,有螺絲固定,以及在定位座中設(shè)置控制用的感應(yīng)元件,感應(yīng)元件可用重力方向感測(cè)器,該重力方向感測(cè)器使用freescale公司所銷售的編號(hào)MMA7260Q的G-Sensor,其為三軸方向感應(yīng),當(dāng)軸桿偏擺角度時(shí),可使定位座與底板上的感應(yīng)元件相對(duì)運(yùn)動(dòng),而能產(chǎn)生信號(hào),由單片機(jī)處理,進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪椅中的直流電機(jī)。搖桿簡(jiǎn)圖如下圖所示。圖2.5 控制桿結(jié)構(gòu)圖1圖2.6 控制桿結(jié)構(gòu)圖2信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù),并且提供4個(gè)量程可選,用戶可在4個(gè)靈敏度中的選擇。該器件帶有低通濾波并已做零g補(bǔ)償。本產(chǎn)品還提供休眠模式,因而是電池充電的手持設(shè)備產(chǎn)品的理想之選。特性:可選靈敏度(1.5g/2g/4g/6g) ;低功耗:500 A ;休眠模式: 3 A ;低壓運(yùn)行:2.2 V - 3.6 V; 6mm x 6mm x 1.45 mm的無(wú)引線四方扁平 (QFN) 封裝;高靈敏度(800 mV/g 1.5g) ;快速開(kāi)啟 ;低通濾波器具備內(nèi)部信號(hào)調(diào)理 ;設(shè)計(jì)穩(wěn)定、防震能力強(qiáng);無(wú)鉛焊接;環(huán)保封裝;成本低。2.6信息顯示本次設(shè)計(jì)采用的是以ST7920控制器為核心的液晶模塊。該芯片共內(nèi)置8192個(gè)中文漢字(16*16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符的ASCII字符庫(kù)(8*16點(diǎn)陣)及64*256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)。為了能夠簡(jiǎn)單、有效地顯示漢字和圖形,該模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有2MB的中文字型CGRAM和64*256點(diǎn)陣的GDRAM繪圖區(qū)域;同時(shí),該模塊還提供有4組可編程控制的16*16點(diǎn)陣造字空間;除此之外,為了適應(yīng)多種微處理器和單片機(jī)接口的需要,該模塊還提供了4位并行、8位并行、2線串行以及3線串行等多種接口方式。本次設(shè)計(jì)單片機(jī)與液晶顯示器模塊的連接采用8位并行接口方式三,單片機(jī)硬件系統(tǒng)連接圖設(shè)計(jì) 圖3.1 單片機(jī)與外部ROM、RAM的接口單片機(jī)與并行端口的連接,單片機(jī)的按鈕連接,單片機(jī)與AD轉(zhuǎn)換的連接,圖3.2 單片機(jī)與液晶顯示芯片的連接圖3.3 單片機(jī)與鍵盤(pán)連接圖四,軟件設(shè)計(jì) 不同子程序 未完成五參考文獻(xiàn)1 田玉梅.殘疾人和老年人的居住空間無(wú)障礙研究學(xué)位論文.天津科技大學(xué) 2003 2 王貴蘭.電動(dòng)輪椅車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究碩士學(xué)位論文.河北工業(yè)大學(xué) 2006,5:13-20 3 鄭明全. 電動(dòng)輪椅 申請(qǐng)?zhí)?00710149031.3 2007.9.74 李俊義,陳瑞田,陳云新. 電動(dòng)輪椅傳動(dòng)裝置控制桿構(gòu)造 申請(qǐng)?zhí)?00710108148.7 2007.5 5 徐世望. 電動(dòng)輪椅的搖桿裝置 申請(qǐng)?zhí)?00710141037.6 2007.8 6 蕭順義. 電動(dòng)輪椅 申請(qǐng)?zhí)?1145209.9 2001.12 7 王貴蘭,徐曉華,李麗榮. 基于DSP的電動(dòng)輪椅車控制系統(tǒng)的研究.科技信息.2009,29:106-1448 王仁杰,曾慶軍. 基于DSP+單片機(jī)的主從式電動(dòng)輪椅控制器的設(shè)計(jì)方案.科學(xué)技術(shù)與工程.2009,19;5820-5824 9 杜宇,吳燮華.電動(dòng)輪椅控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電力電子技術(shù).2004,38:63-65 10 陳德益. 基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)仿真.2010,1: 359-362 11 袁士奇.全方向電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位.2005 12 歐洲,張曉東,柳坤文.基于16位單片機(jī)控制的普通車床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì).制造業(yè)自動(dòng)化.2009,11:86-88 13 韓安太,劉峙飛,黃海.DSP控制器原理及其在運(yùn)動(dòng)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.北京:清華大學(xué)版社, 20038
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