電動輪椅變速控制系統(tǒng)的設(shè)計【含CAD圖紙】
河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)前期報告河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)前期報告畢業(yè)設(shè)計(論文)題目:電動輪椅變速控制系統(tǒng)的設(shè)計所學(xué)專業(yè): 機械設(shè)計制造及自動化學(xué)生信息: 060499 馬森 機設(shè)066指導(dǎo)教師信息:曹東興 教授報告提交日期:2010年4月3日一. 研究的目的和意義: 近年來隨著道路和步行道的平整化,或者室內(nèi)地板的平整化,除殘疾人外,對于隨著人口老齡化,而步行正變得日益艱難的人們,以及在醫(yī)院內(nèi)行動的人們當(dāng)中,輪椅的使用的越來越廣泛。我國各類殘疾人的總數(shù)已達數(shù)千萬人,其中肢體傷殘人數(shù),綜合型殘疾人不在少數(shù),另外,隨著生活水平的提高和醫(yī)療條件的改善,我國老齡人口逐年增加,總數(shù)在億人以上,社會對電動輪椅車的需求量是巨大的。 使用輪椅的人們使用手動來驅(qū)動輪椅有些困難,另外也不能保證時刻身邊有陪護人員,隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的日漸發(fā)展和成熟,尤其是電機控制技術(shù)的成熟以及多樣化,在這樣的背景下,最近提出了通過蓄電池來驅(qū)動車輪軸的電動輪椅方案,電動輪椅是下肢殘疾人及年老體弱者使用的代步工具。以蓄電池提供能源,直流電機驅(qū)動行駛,具有車速平穩(wěn)、操作簡便、無污染、噪音低的特點。但補充動力(充電)時間較長,一次充電行駛距離短,適宜戶外短途使用。電動輪椅除了輪椅本體之外,還有驅(qū)動力的驅(qū)動裝置,控制該驅(qū)動部的控制部,以及對控制部發(fā)出操作指令的驅(qū)動部,輪椅是殘疾人的代步工具,由于傳統(tǒng)的輪椅沒有動力源,對老年殘疾人或高度殘疾人帶來很大的代步障礙,為此研究與設(shè)計一種自帶動力源的輪椅就成為當(dāng)務(wù)之急。二. 國內(nèi)外研究的歷史和現(xiàn)狀:隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,人民生活水平的提高,人們對生活水平提高有了新的認(rèn)識,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了新的要求,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(qū)動輪需要同步運轉(zhuǎn),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(guān),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(qū)動無刷直流電機,對其進行正反轉(zhuǎn)控制,以及轉(zhuǎn)速控制從而實現(xiàn)對電動輪椅運動方向的綜合控制。國內(nèi)目前尚不具備研制開發(fā)高性能電動輪椅控制器的能力。國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)的電動輪椅產(chǎn)品基本上都采用了價格昂貴的進口電動輪椅控制器,甚至部分企業(yè)的電動驅(qū)動總成也采用了外購方式,因此國內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)的產(chǎn)品成本居高不下,以至電動輪椅產(chǎn)品的市場售價長期以來居高不下,難以為普通用戶接受,也直接影響了電動輪椅市場的發(fā)展。而在國外,民用電動輪椅的發(fā)展歷史則可追溯到二十世紀(jì)五十年代。第二次世界大戰(zhàn)后,社會對輪椅的需求量猛增。由于傷殘者對回歸社會和獨立生活的渴望,促使輪椅的性能和質(zhì)量不斷完善和提高,電動輪椅技術(shù)的研究就是從此時起步的。那時電動輪椅主要適用于患者的手功能很弱、不能驅(qū)動普通輪椅時;或雖然能驅(qū)動普通輪椅,但行動距離遠(yuǎn),體力不能負(fù)擔(dān)時,或身體衰弱根本不宜驅(qū)動時。到了二十世紀(jì)七十年代中期,單片機的出現(xiàn)使得電動輪椅控制器的安全性和控制性能得到很大提高,電動輪椅的研究得到了飛速的發(fā)展。為此,美國國家標(biāo)準(zhǔn)制定委員會康復(fù)工程部和北美援助技術(shù)協(xié)會共同制定了基于電池測試、穩(wěn)態(tài)測試、傾翻角測試、制動距離測試、能耗測試、障礙翻越能力測試和其他一些體現(xiàn)輪椅性能特征的電動輪椅標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止,國外已經(jīng)開發(fā)出各種類型的電動輪椅。按驅(qū)動類型分,可分為雙輪驅(qū)動型和多輪驅(qū)動型。總體來說,雙輪驅(qū)動型輪椅體積較小,重量較輕;雙輪驅(qū)動輪椅按驅(qū)動輪的位置分又可分為前輪驅(qū)動型,中輪驅(qū)動型和后輪驅(qū)動型。這三種類型的輪椅各有其優(yōu)缺點:前輪驅(qū)動型輪椅能夠在崎嶇不平的地面上行駛,爬坡能力強,但它的速度較慢且方向不易控制;后輪驅(qū)動型輪椅運行平穩(wěn),行駛速度快,但回轉(zhuǎn)半徑最大,不適合在室內(nèi)使用;中輪驅(qū)動型輪椅回轉(zhuǎn)半徑小,能夠在狹窄的空間內(nèi)運行,但在行駛過程中前后的從動輪容易被卡住。在多輪驅(qū)動的輪椅中,四輪驅(qū)動的結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較廣泛,這種輪椅能夠在各種路面上行駛,但它體積較大,非常笨重,不適合室內(nèi)使用。電動輪椅及其控制技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,對輪椅結(jié)構(gòu)和控制策略的研究已經(jīng)比較成熟。現(xiàn)在,世界上大多數(shù)輪椅生產(chǎn)商開發(fā)的輪椅大多是雙輪驅(qū)動型,其中又以中輪驅(qū)動型為主。今后輪椅控制技術(shù)的研究方向已向智能化,網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。美國、英國、德國、日本、澳大利亞等多個國家以及我國的臺灣省都在進行這方面的研究。智能輪椅技術(shù)是將機器人技術(shù)應(yīng)用于電動輪椅,融合多種領(lǐng)域的研究,包括機器人視覺、機器人導(dǎo)航和定位、模式識別、多傳感器融合及用戶接口等,目的是使電動輪椅脫離人手的控制,實現(xiàn)安全的自動導(dǎo)航。如下圖中所示的JAZZY品牌電動輪椅,其視圖如下,由此也可以清楚的看清其機構(gòu),組成部分。圖2.1 JAZZY品牌電動輪椅其分解圖片如下: 圖2.2 JAZZY輪椅分解分解圖片三. 主要研究內(nèi)容,初步設(shè)想解決方法3.1控制系統(tǒng)選擇,繼電器,可編程邏輯控制器,或者單片機。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(guān),壽命有限,可靠性低,本課題采用單片機進行編程控制。其優(yōu)點成本低,同時技術(shù)含量高,增加產(chǎn)品競爭力,但同時其設(shè)計技術(shù)要求較高。電動輪椅控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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)、 控制鍵盤( “前、 后,左、 右、 加速、 減速、 停止”共七個控制按鍵,顯示儀表(如電容量指示燈)、 測速霍爾傳感器(脈沖計數(shù)測速), 以及電源系統(tǒng)組成。電動輪椅控制結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。圖3.1 電動輪椅控制結(jié)構(gòu)圖車子動作左電動機右電動機前進 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3.2 電動輪椅控制方式圖具體設(shè)計內(nèi)容難點為搖桿鍵盤設(shè)計和無刷直流電動機的單片機控制就其系統(tǒng)要求而言,首先這種控制器應(yīng)能正常驅(qū)動各種輪椅用電動機,實現(xiàn)輪椅最基本的前進,后退,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn)的行走功能;其次,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:該控制器是為控制電動輪椅而設(shè)計的,它的使用者一般為殘疾人,老年人和病人。在使用該控制器驅(qū)動電動輪椅運行時,控制器應(yīng)具備故障診斷的功能,確保每次開機時輪椅均處于正常狀態(tài),或及時診斷故障,防止輪椅在故障狀態(tài)下運行,發(fā)生事故,危及使用者的安全。故障診斷不僅要能檢測操作桿自身故障,還應(yīng)能檢測電機的故障。具體的故障源包括:電池故障:電池電壓不足,或電池電壓過高;電機故障:左電機或右電機未連接;電磁剎車故障:左電磁剎車或右電磁剎車未連接或故障;通訊故障:控制板和功率板無連接;操作桿故障:開機時操作桿不在中心位置;功率管故障:功率管損壞,短路或斷路。每次開機時,操作桿均應(yīng)做以上故障檢查;并且在運行時,能夠?qū)崟r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(yīng)能力差,這就要求輪椅的運行必須平穩(wěn),舒適。特別是在啟動和制動的過程,與一般工業(yè)控制要求的快速性相比,電動輪椅的啟動和制動必須是相對緩慢的和無超調(diào)的,否則使用者會感到身體不適。其次,電動輪椅的使用環(huán)境包括室內(nèi)和室外,行駛的路面包括水泥地,草地,木地板,地毯等。在不同的路面上行駛摩擦系數(shù)不同,負(fù)載也不同,控制器應(yīng)能適應(yīng)不同的負(fù)載變化,保持輪椅行駛速度的穩(wěn)定。另外,輪椅使用者的乘坐習(xí)慣也各不相同,有的坐得偏左,有的偏右,這樣就造成了輪椅左右電機負(fù)載的不平衡,對輪椅的運行造成影響,控制器應(yīng)能對左右電機進行電流補保證輪椅正常運行。(3)靈活的參數(shù)設(shè)定:輪椅使用者的身體條件和操作習(xí)慣各不相同,有的人身體條件較好,能夠適應(yīng)快速的啟動、制動過程和更高的運行速度,能夠靈活控制操作桿,控制輪椅的行駛方向;有的人則不然。輪椅控制器應(yīng)能滿足不同的使用要求,使操作者能夠自己調(diào)整部分輪椅運行參數(shù),如最大加速度,最大運行速度,操作桿的靈敏度等等。另外,本控制器并非為特定的直流電機設(shè)計,在實際應(yīng)用中,控制器應(yīng)能驅(qū)動不同參數(shù)的直流電機正常運行,因此其控制電機的參數(shù)應(yīng)可調(diào)整。本設(shè)計中輪椅的可調(diào)參數(shù)如表2-1所示:表2-1輪椅可調(diào)參數(shù)1前進、后退速度最大、最小值2前進、后退加速度最大、最小值3轉(zhuǎn)彎減速度4故障狀態(tài)下,緊急停車的減速度5最大截止電流6倒車警示音7進入休眠的時間8左右電機不平衡修正系數(shù)9低電量報警設(shè)定值10電壓反饋系數(shù)11電流補償度12 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)13左、右電機正、反換向14左、右電機交換3.2系統(tǒng)的硬件構(gòu)成原理框圖如圖3-3所示:圖3-3 硬件構(gòu)成原理框圖系統(tǒng)運行時,由單片機采集手柄控制棒和按鍵I/O的數(shù)據(jù),通過SCI模塊傳給DSP。DSP接收來自單片機控制板的手柄控制棒的參考輸入(X軸和Y軸的電壓輸入),將其轉(zhuǎn)化為PWM輸出,經(jīng)過驅(qū)動放大電路送給2臺他勵永磁直流電機,帶動輪椅運行,實現(xiàn)前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的功能。同時,DSP的A/D模塊采樣電機的電壓和電流信號,形成電壓閉環(huán)控制和電流補償及過流保護。3.3控制方案的選擇對調(diào)速系統(tǒng)來說,通常采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋來獲得比較理想的動態(tài)和靜態(tài)性能。在電機控制系統(tǒng)中,速度檢測主要用測速發(fā)電機或光電碼盤等實現(xiàn),精度很高。但本系統(tǒng)使用的電機體積較小,裝在輪椅上運行,如果外加測速發(fā)電機會使輪椅更加笨重;另外系統(tǒng)對速度的控制精度要求不高,因此采用測量電動機端電壓的方式近似估算出電機轉(zhuǎn)速,既節(jié)約了成本,也減小了控制器的體積。電機的速度特性方程式為 (2.1)式中:n直流電機轉(zhuǎn)速U電動機端電壓 Ia電機電樞電流R電樞回路總電阻K電動機電勢常數(shù)勵磁磁通當(dāng)電樞電流較小時,I R可略去,公式可簡化為: (2-2)直接測量電機端電壓,即可近似求出電機轉(zhuǎn)速n五參考文獻 1 田玉梅.殘疾人和老年人的居住空間無障礙研究學(xué)位論文.天津科技大學(xué) 2003 2 王貴蘭.電動輪椅車用無刷直流電動機控制系統(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.電動輪椅申請?zhí)?00710149031.3 2007.9.7 4 李俊義,陳瑞田,陳云新 電動輪椅傳動裝置控制桿構(gòu)造 申請?zhí)?00710108148.7 2007.5 5 徐世望 電動輪椅的搖桿裝置 申請?zhí)?00710141037.6 2007.8 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