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本科毕业设计（论文）开 题 报 告 题 目 人性化轮椅设计 副 标 题 控制系统设计 指 导 教 师 院（系、部） 专 业 班 级 学 号 姓 名 日 期 教务处印制一、选题的目的、意义和研究现状前几年由于我们国家实行了独生子女政策，所以预测2020年高龄者人数将达到百分之三十。在未来几年内我国将不可避免的要面对困扰西方国家多年的人口老龄化问题，据调查在未来三年内老龄人口将达三亿。人口迅速老化，已成为制约经济、我国社会发展的一枚定时炸弹。专家普遍认为，我国这个全球人口最多的国家正面临世界各国从未遇过的一场人口危机，即不远的将来我们国家有劳动能力的人的数量要大幅度减少，而需要照顾的高龄者的人数将要增加。此外随着科技的进步、工业的发展、环境的污染、交通的紧张，使得意外事故频繁发生，残疾人数还在急剧增加，我国1的残疾人口每年以七十至八十万的速度增长，就是说，每天增加二千多名残疾人，每四十秒钟左右就要增加一名残疾人。到目前为止，数据显示按照1987年抽样调查的标准，我国的残疾人口都已经突破六千万，这其中很大一部分是丧失行走能力的人，这些残疾人的权益也需要得到保障，残疾群体的特殊需求需要得到社会的关注。以上所有这些无论是高龄者还是残疾者在丧失行走能力的情形下显然对我国经济的未来发展是非常不利的。为了节省劳动力，让有劳动能力的人为国家作贡献创造社会财富，就应该使需要照顾的高龄者、肢体残疾者在衣食住行等方面尽可能自立。因此基于这样的考虑，对于这方面的基础研究和产品设备开发将成为我们国家未来经济发展的重要课题。其中电动轮椅是一个重要的研究课题。电动轮椅的使用者是不能正常走路的残疾人或脑部、腿脚疾病的患者，当然，它也可以作为代步工具，用在高尔夫球场等诸多场合。现在市场上有很多电动轮椅,能实现很多普通轮椅不能完成的功能，但是，他们多数是在现有普通轮椅的基础上增加了电动动力的功能和控制系统，功能单一，很难满足使用者的一些特殊需要。而它们的价格在1200046000元不等。那么，功能强大，成本较低的轮椅就有很大的市场空间。二、研究方案及预期结果（设计方案或论文主要研究内容、主要解决的问题、理论、方法、技术路线及论文框架等）设计方案：人性化轮椅是对现有电动轮椅进行改进，让其人性化，充分满足人体工程学要求。轮椅是由座椅总成、支架、扶手、脚托、动力及制动机构、电池和充电器、其它附属设备构成。为了节约设计时间，并实现更强大的功能，我在一些功能模块的设计上采用现有的设备进行改进，而在一些特殊的设备上进行独立的设计。论文主要研究内容：本论文主要研究人性化轮椅的控制系统及其控制输入设备的硬件与软件设计，并对人性化轮椅的结构进行设计。主要解决的问题：本论文针对现有电动轮椅的一些不足，解决了人们在乘坐以及操控时的一些不够舒适的环节。如轮椅的升降机构，控制轮椅行驶的控制输入装置以及驱动装置，轮椅的一些辅助设备。论文的框架：本论文分为如下几个部分：前言，介绍我国现在的老龄化及残疾人数量增加等问题，提出设计轮椅的重要性。1人性化轮椅概述。介绍轮椅的组成、控制技术的发展，提出本论文的设计目的、意义。2人性化轮椅的总体设计。本章对结构进行设计，并着重对液压升降系统进行设计。3人性化轮椅控制系统设计。本章主要对人性化轮椅的控制系统的硬件设备及控制程序进行设计。4系统调试与运行分析。介绍在设计过程中对所设计设备以及部分程序的调试过程。5结论。总结本设计所解决的问题及实现的结果。 三、研究进度第五至六周：查找产品相关信息及相关资料；第七周：确定设计方向与内容,确定论文框图；第八周：购买电动车配件及其调试用相关配件，调试，整理数据；第九周：购买电气配件，制作简易电路板代替原电动车配件；第十周：查找单片机相关资料，购买单片机及其实验板；第十一至十二周：单片机编程及调试；第十三至十五周：画图并完善程序；第十六至十八周：写论文，准备答辩。四、主要参考文献1 唐苏亚. 电动车辆及其电机的发展概况J. 电机技术，1996,12(4):4951. 2 谭建成. 运动控制专用集成电路及应用J. 微电机，1994,27(l):192.3 余永权.单片机在控制系统中的应用M.北京:电子工业出版社,2003.4 ChanC.C. lectronics J. IEEE ,1997, (l):23-25.5 贾英江，贾向英.浅议蓄电池充电J. 移动电源与车辆,1998 (4):2224.6 丁玉兰. 人机工程学M.北京理工大学出版社,1999.7 徐颖. 机械设计手册,第4卷M. 机械工程出版社,1991.8 骆骄. 基于AVR单片机的电动自行车控制系统研究:D.大连:大连理工大学电工理论系,2005.9 黄连月，祝仲禹.单片机控制的无刷直流电机调速系统A. 见:中国自动化学会中南六省学术年会论文集C .北京:机械工业出版社,2000.263267.10 马潮，占卫前，耿德根.ATmega16原理及应用手册. 北京:清华大学出版社,2003. 五、指导教师意见 指导教师签字： 摘要目前，随着我国社会的发展，需要照顾的高龄者和肢体残疾者数量逐渐增多，给社会的发展带来了一定的负面影响。为了使他们在衣食住行等方面尽可能自立，本文设计了一款人性化电动轮椅。本文对电动轮椅的结构和控制技术及其发展进行了简要的介绍，详细设计了人性化轮椅的液压升降系统。本文简述了单片机的发展状况，介绍了本系统采用的新款AVR单片机ATmega16的功能特性；结合其控制特点设计了本系统的整体结构，并对各环节的控制策略进行了详细的分析与探讨。概述了系统硬件的组成，将几个关键控制电路的设计思想做了详细介绍，还对硬件的可靠性设计进行了讨论。结合AVR单片机的编程特性对系统的软件设计思想进行了分析，详细介绍了主程序及几个主要的功能模块的实现方法;并就本文实际应用介绍了软件可靠性设计的重要性。人性化轮椅是以人体工程学为基础而设计的新型电动轮椅。它的功能、结构以及控制，处处体现它的人性化。关键词： 人性化；轮椅；控制；单片机；Atmega16 , , look after , . , -. - , - . , ATmega16 avr ; , . , , , . avr in detail , ; . - - . , , , Key words: ; -; ; ; Atmega16目录前言 11人性化轮椅概述21.1电动轮椅的组成部分及其特点 21.1.1电动轮椅的组成部分 21.1.2电动轮椅的特点 21.2电机及其控制技术的发展 31.2.1电机的发展 31.2.2电机控制技术的发展 41.3电池技术的发展 41.4人性化轮椅的改进与创新 52人性化轮椅的总体设计62.1总体设计方案设计 62.2座椅总成设计 62.2.1头枕设计 62.2.2靠背设计 62.2.3腿托设计62.3支架设计 72.3.1支架的结构设计72.3.2液压升降系统设计 72.4扶手设计122.5脚托设计122.6人性化轮椅的动力及制动机构122.6.1动力机构的组成122.6.2制动机构的组成及结构122.7电池及充电器122.7.1电池的选用122.7.2充电器的选用132.8其它附属设备132.9本章小节133人性化轮椅控制系统设计 143.1基于AVR单片机的系统控制策略研究143.1.1控制系统的整体构成143.1.2系统主要控制策略概述153.1.3故障检测与系统保护153.1.4核心控制器件的选择163.2系统硬件设计与实现183.2.1硬件系统概述183.2.2控制手柄设计183.2.3推手及其传感器设计203.2.4无线遥控装置设计223.2.5预留的其它设备控制接口223.2.6 ADC 接口电路 223.2.7 PWM输出电路设计 233.2.8电池电压检测单元253.2.9速度检测单元253.2.10各辅助设备控制设计 263.2.11系统硬件可靠性设计 263.3系统软件设计283.3.1系统软件设计概述283.3.2程序的设计283.3.3软件的可靠性设计333.4本章小结334系统调试与运行分析 344.1系统软、硬件调试344.1.1霍尔位置传感器位置信号的调试 344.1.2软件运行环境WINAVR344.1.3模拟调试344.2实验结论与建议354.3本章小结365结论 37致谢38参考文献39前言前几年由于我们国家实行了独生子女政策，所以预测2020年高龄者人数将达到百分之三十。在未来几年内我国将不可避免的要面对困扰西方国家多年的人口老龄化问题，据调查在未来三年内老龄人口将达三亿。人口迅速老化，已成为制约经济、我国社会发展的一枚定时炸弹。专家普遍认为，我国这个全球人口最多的国家正面临世界各国从未遇过的一场人口危机，即不远的将来我们国家有劳动能力的人的数量要大幅度减少，而需要照顾的高龄者的人数将要增加。此外随着科技的进步、工业的发展、环境的污染、交通的紧张，使得意外事故频繁发生，残疾人数还在急剧增加，我国1的残疾人口每年以七十至八十万的速度增长，就是说，每天增加二千多名残疾人，每四十秒钟左右就要增加一名残疾人。到目前为止，数据显示按照1987年抽样调查的标准，我国的残疾人口都已经突破六千万，这其中很大一部分是丧失行走能力的人，这些残疾人的权益也需要得到保障，残疾群体的特殊需求需要得到社会的关注。以上所有这些无论是高龄者还是残疾者在丧失行走能力的情形下显然对我国经济的未来发展是非常不利的。为了节省劳动力，让有劳动能力的人为国家作贡献创造社会财富，就应该使需要照顾的高龄者、肢体残疾者在衣食住行等方面尽可能自立。因此基于这样的考虑，对于这方面的基础研究和产品设备开发将成为我们国家未来经济发展的重要课题。其中电动轮椅是一个重要的研究课题。电动轮椅的使用者是不能正常走路的残疾人或脑部、腿脚疾病的患者，当然，它也可以作为代步工具，用在高尔夫球场等诸多场合现在市场上有很多电动轮椅,能实现很多普通轮椅不能完成的功能，但是，他们多数是在现有普通轮椅的基础上增加了电动动力的功能和控制系统，功能单一，很难满足使用者的一些特殊需要。而它们的价格在1200046000元不等。那么，功能强大，成本较低的轮椅就有很大的市场空间。我在现有电动轮椅基础上将其功能进行改进，使其更加人性化，更适合使用者及市场的需要。1人性化轮椅概述本章简述现有电动轮椅的基本结构及特点，电机及其控制技术，电池技术，介绍新型人性化轮椅的改进和创新，进一步说明本设计的意义。1.1电动轮椅的组成部分及其特点1.1.1电动轮椅的组成部分普通轮椅的主要组成部分有: 轮椅架，轮，制动装置，座垫和靠背。轮椅架：有固定式和折叠式两种。固定式结构简单，强度和刚度好；折叠式折起后体积小，便于携带。轮椅两侧扶手有固定式和可拆卸式两种。可拆卸式方便使用者在轮椅与床、汽车等之间的转移。轮椅架多为薄壁钢管制成，表面镀铬、 烤漆或喷塑。高档轮椅架采用合金材料，以减轻轮椅重量。轮：轮椅装有一对大轮和一对小轮，每个大轮都装有驱动轮圈，使用者双手驱动轮圈使轮椅前进、后退或转向。一对前小轮，可自由转动。其轮胎分为充气和实芯两种。制动装置：轮椅的制动装置均采用手扳式刹车，起驻车作用。座垫和靠背：采用人造革、尼龙牛津布等材料。电动轮椅在普通轮椅的基础上，增加了动力部分、操纵制动部分、电气仪表部分。动力部分通常由蓄电池和电机构成，是电动轮椅的动力来源。其性能的好坏，直接影响电动轮椅的动力性和经济性。操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电动轮椅行驶安全。它由操控手柄、控制器、制动装置等组成。电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置，它使骑行者能正确、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由速度显示装置、充电器等组成。1.1.2电动轮椅的特点做为轮椅的扩展产品，电动轮椅有以下几个特点：无污染：电动轮椅是以蓄电池发出的电能作为驱动能源，运行过程中无废气排放，不会对大气造成污染；低噪音、振动小：电动轮椅采用电动机驱动，与用内燃机的机动轮椅相比，运行中产生的噪音显著减小，通常要低10-15dB，且运行比较平稳；效率高：燃油助动车的效率一般只有30%左右，而电动轮椅采用电机驱动系统，无空转损失，电池能量的80%以上转化为动力；安全、易维护：电动轮椅的最高时速限制在20km/h以内，可以快速起停，安全可靠。蓄电池是免维护的，电机的故障率也较低；易操作：只要有一支手能用，就可以控制电动轮椅的行驶，从而使那些需要照顾的人生活可以自理。1.2电机及其控制技术的发展1.2.1电机的发展电机是电动轮椅的关键部件。为使电动轮椅有良好的使用性能，驱动电机应具有宽调速范围、高转速和足够大的起动转矩。此外，由于电动轮椅的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。永磁有刷直流电动机是发展历史最悠久的电机，它的制造水平早已达到了成熟阶段，且具有较高的运行可靠性、良好的调速性能、较大的过载能力和简单的控制方法，因而在早期被广泛采用。但是直流机的噪音较大，它采用电刷和换向器进行电流换相，会产生电火花，而且碳刷容易磨损、损坏，增大维护、维修难度、增加使用成本。稀土永磁无刷直流电机是近20年发展起来的一类电机，由于电力电子技术，微电子技术，微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础.目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其它电机相比它具有几个明显优点:永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由电刷引起的问题。永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去；结构也变得简单，并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少。它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象，在节约能量方面也有明显优势。从电动轮椅的性能要求看，无刷直流电机即具有直流电机动态特性好、调速性能优良的特点，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，且电磁转矩大、脉动小；从结构要求看，这类电机轴向尺寸短，铁心外径较大，结构上为扁平式，可方便的安装在轮椅的后轮轴上，在其工作时力矩直接加到后轮上，不工作时可像普通轮椅那样人工骑行，因此近几年无刷直流电机在电动轮椅中的应用处于上升趋势1。1.2.2电机控制技术的发展近些年来 ，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步发展，新产品、新技术层出不穷。由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高了。己由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，以及这些被控量的综合控制，使被控制的机械运动更符合预想要求。因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:对各种信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各种控制信号；产生PWM调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压等故障保护功能2。现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，每一次微处理器的进步推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前，控制器只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一升级换代困难，而且由分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用。随着微处理器的迅速发展和推广，控制器由模拟式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术的进步使得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现，使系统的可靠性和智能化水平大大提高。全数字系统简化了硬件，缩小了装置体积，消除了温度变化的影响，升级换代十分容易，控制精度不断提高，重复性能也更好了。目前市场上微处理器品种繁多，档次、性能各不相同，不同的厂商生产的微处理器都各有特点。有的价格低廉但功能不够完善，速度慢，如传统的8051单片机；有的具有高速的数字处理能力，能实现一些复杂的控制算法，但价格不菲，如DSP微处理器3。本论文根据电动轮椅控制系统的功能设计要求，希望选用的微处理器具有响应速度快、功耗低、体积小、价格低廉以及组成系统时所需要的外围器件少的特点。分析对比各类控制器后决定采用ATMEL公司推出的一款具有极高性能价格比的AVR单片机Atmega16，配合电动自行车无刷电机控制器使用。在论文的后续章节中将对其作详细介绍。1.3电池技术的发展电池的制造技术近几年来发展很迅速，但它仍是现阶段制约所有电动车辆技术发展的瓶颈技术。车载蓄电池要求有高的比能量、比功率、循环使用寿命、低成本和合理地运行环境以及便于回收等特性。蓄电池的性能直接制约着电动车辆的动力性能指标和一次充电的续行里程。目前，对蓄电池的研究，一方面是对传统铅酸蓄电池的改进和新型蓄电池的研制。近几年开发出的新型化学电池主要有:镍铁电池、镍锡电池、镍金属氢化物电池、纳硫电池、锂电池、锌电池等。与传统的铅酸电池相比，这些新型电池在性能上已经有了很大的提升，但在功率密度上还不能和燃油相媲美。另一方面，燃料电池和超级电容的出现与兴起给电动车辆用动力电池提供了新的发展方向.一般燃料电池比能量都高于铅酸电池，其应用的主要难点在于如何缩小反应装置和提高反应速度，同时安全性问题和制造价格问题还有待进一步完善。超级电容的额定电压虽然很低，但短时大功率输出特性良好，在电动车辆加速或是制动期间，可以提供很大的功率输出或能力吸收。它作为化学蓄电池的辅助能源，可以显著减小电动车辆对化学蓄电池的尖峰功率输出的要求，在电动车辆中的应用也越来越受到重视4 5。1.4人性化轮椅的改进与创新电动轮椅在功能上相对普通轮椅有很大的改进和提高，但它本身也有很多可以改进的地方。电动轮椅应该方便其使用者操作，在普通轮椅的基础上增加乘坐的舒适性。本设计主要针对电动轮椅的动力和操控设备进行改进，以满足使用者的需要。普通电动轮椅的可操控性并不很好，其调速、转向，都不是十分灵活，这对于身体以缺陷的轮椅使用者来说，是十分不便的。本设计就是利用先进的操作、控制系统，方便使用者使用，并采用合理的配件和控制电路，提高电动轮椅的效率。现在的电动轮椅，座椅和一些辅助设备并不能满足舒适性的要求，甚至，在一些情况下，会危及到使用者的健康和安全。本设计针对现有轮椅的座椅和一些辅助设备，如轮椅架、扶手、脚托等进行必要的改进，增强轮椅的舒适性。2人性化轮椅的总体设计2.1总体设计方案设计在上一章中介绍过，人性化轮椅是对现有电动轮椅进行改进，让其人性化，充分满足人体工程学要求。轮椅是由座椅总成、支架、扶手、脚托、动力及制动机构、电池和充电器、其它附属设备构成。为了节约设计时间，并实现更强大的功能，我在一些功能模块的设计上采用现有的设备进行改进，而在一些特殊的设备上进行独立的设计。2.2座椅总成设计人性化轮椅的一大改进就是座椅的改进。普通轮椅和电动的座椅仅使用人造革、尼龙牛津布等材料做可折叠薄层或小型沙发式的结构，长期乘坐轮椅，对于轮椅使用者来说，是非常痛苦的。人性化轮椅座椅总成采用类似汽车可调座椅的设计，头枕的高度，靠背角度都可以调节，并在汽车座椅设计的基础上，增加了腿托，以此增加乘坐轮椅的舒适性。2.2.1头枕设计轿车的座椅头枕多数采用中空或中间有凹槽的设计，其流线形的设计使乘坐者的头部部分接触头枕，避免过分压迫头部神经。人性化轮椅在普通轮椅的基础上增加了头枕。头枕应用在轮椅中，不仅是增加乘坐的舒适度，也是为了防止风对乘坐者带来的影响。头部患有疾病的患者，在外出时，风对他们有很大的危害，加装头枕，并且头将枕与座椅之间的连接处由汽车座椅的两杆连接变为薄塑钢板连接，可以避免风给使用者带来的不良影响。根据人体工程学原理，为了适应不同身高的人使用，人性化轮椅的头枕可调节高度约为28cm，并且其运动轨迹应为圆弧型6。2.2.2靠背设计人性化轮椅的靠背采用类似汽车座椅的靠背，可以有效的对座椅与乘坐者的身体直接接触。座椅的舒适度大小直接影响到整个轮椅舒适度。因此我们选择舒适度较高的能够满足人机工程学要求的座椅，也可以选择有的医疗按摩作用的座椅套件。座椅为可折叠的座椅，可以在不使用时节省空间，并可以方便使用者从床、沙发到轮椅间的转移。这就需要轮椅的靠背从10到180折叠6。2.2.3腿托设计腿托连接在轮椅座椅最外侧，用来支撑腿部。长期乘坐轮椅，会使腿和脚产生酸痛的感觉。用腿托支撑腿部，可以减少脚承受的压力，增加乘坐的舒适性。普通轿车、轮椅的座椅，都没有设计腿托。但事实上，腿托是轮椅中不可缺少的部分。根据人体工程学的要求，腿托的折叠角度应为1080 6。2.3支架设计普通轮椅的支架有固定式和折叠式两种。固定式结构简单，强度和刚度好；折叠式折起后体积小，便于携带。人性化轮椅的支架采用固定式，目的是提高轮椅的耐用度。2.3.1支架的结构设计支架用来支撑轮椅的座椅和轮，有固定和减震的作用。人性化与普通轮椅的支架类似，它普通轮椅的基础上增加了液压升降系统及其稳定装置。2.3.2液压升降系统设计液压系统用来调节轮椅座椅的高度，以适应不同的使用环境，并方便使用者在轮椅与床、汽车等之间的转移。此液压系是由液压泵，双作用液压缸，三位四通电磁阀，和单向阀等构成7 。1) 稳压回路如图2-1所示，溢流阀并联在定量泵出口处，并与节流阀配合使用。调节节流阀，可以调节进入系统的流量，多余的流量则经溢流阀流回油箱。系统得工作压力在PKPH之间变化，可近似认为是常数。图2-1 稳压回路 2-1 2) 定压减压回路定压减压回路的作用是使执行元件的压力基本恒定。如图2-2所示，在油缸的进油管路上安装定压减压阀。这种阀能通过节流口开口量大小而自动调节出口压力，使出口压力基本保持恒定。当出口压力因某种原因（如载荷减小、进口压力下降等）下降而低于调定压力时，节流口开口量增大，压力损失减小，出口压力回升到所调定的压力值。反之，当出口压力因某种原因上升而高于调定压力时，先导阀开启溢流，节流口开口量减小，压力损失增加，使出口压力降低到原来所调定的压力值。因此，这种定压减压阀能根据出口压力的升降而自动调节，保证出口压力基本恒定。另外，该阀出口压力可用调压螺钉调节先导阀弹簧的预压缩量来设定。使用定压阀时，泄漏口应直通油箱，并要保持回液畅通。否则，回液压力的变化将影响出口压力的稳定。另外，减压阀的出口回路不能处于卸载状态，否则减压阀节流口全开，主回路建立不起压力。图3-2 定压减压回路 2-2 1. 液压缸的设计计算1） 液压缸外部载荷的组成与计算液压缸在升降的过程中，主要受到座椅和乘坐者的重力作用。取座椅重量m1=20kg，人性化轮椅的在中能力为100Kg，即乘坐者的最大重量为m2=100kg。故 （2-1） 除了外载荷，作用于活塞杆上的载荷F还包括i液压缸密封处的摩擦阻力Fm，由于各种缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为 （2-2）式中 m液压缸的机械效率，一般取0.900.95 （2-3） = 作用于活塞杆上的载荷F=Ff+Fm （2-4） =1176+130.7 =1306.7 N2) 液压缸内径的选择液压缸理论作用力P= （2-5）式中 F活塞杆上实际作用力负载率，一般取=0.50.7 t液压缸总效率，一般取t-0.95 = =2750.9 N无活塞杆腔的缸筒内径 （2-6）式中 p 供油压力，本系统取p=0.8 MPa = =54.2mm故选标准液压缸内径 D=56 mm活塞杆直径 （2-7）式中 速比，选取=1.33 =56 =27.4mm按标准取 d=28mm故此液压缸内径参数为 D=56 mm ，d=28 mm液压缸的流量 （2-8）式中 A 液压缸有效作用面积 m2 v 活塞与缸体的相对速度，本系统中v定为1 m/min （2-9） =6.28510-3 m3/min=6.285 L/min2. 液压泵的选择1） 液压泵的工作压力PpPp=P1+P1 （2-10）式中 P1 液压执行元件的最大工作压力，Pa ；本系统中P1为马达的工作压力为6MPa。P1 进回油路中的总压力损失Pa,包括局部损失和沿程损失。本系统的流不大，只有一般的节流调速及简单管路，取P1为0.20.5MPa。Pp=P1+P1 =6 + 0.5 =6.5 MPa考虑到液压系统得工作情况，一般地取泵的额定压力比系统工作压力高30%。泵的额定压力Pr=(1+30%)Pp （2-11）=1.36.5=8.45 MPa2) 液压泵的流量QpQpk( Qmax) （2-12）式中 k 系统泄漏系数，一般取k=1.11.3 Qmax 同时作用的液压缸和液压马达的最大总流量。由于本系统在工作过程中使用节流调速，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取3 L/min马达的最大流量Qm= （2-13）= =15.925 L/minQmax=Qm+Q恒+Q差+3 （2-14） =15.925+6.285+1.26+3 =26.47 L/minQpk（Qmax） （2-15） =1.326.47 =34.411 L/min根据计算出的泵的额定压力和流量，选择泵为YB-D36型号的单级叶片泵，其技术参数为：排量： 36ml/r 额定压力：10MPa 驱动功率：6.5kw转速：额定1000r/min 范围6002000r/min 质量：9kg3. 电动机的选择由于电动机的功率不能小于泵的驱动功率，所以必须要求电动机功率P P6.5kw选择电动机型号为Y160M-6的三项异步电动机，其各项技术参数为： 功率：7.5kw 额定转速：970 转/分4. 液压阀的选择1） 阀的规格节流阀、调速阀按系统工作压力、最大流量和最小稳定流量选择；主溢流阀按系统工作压力和泵的最大流量选择；其它各种阀则按其所接入的回路所需最大流量和工作压力选择。2） 阀的形式按阀的安装和操作方式选择本系统使用的各种阀及技术参数如表2-1所示表2-1 液压阀技术规格 2-1 名称型号压力范围（MPa）额定流量（L/min）质量（kg）溢流阀减压阀顺序阀节流阀单向阀电磁换向阀电磁换向阀手动换向阀YF-L10BJDF-L10GX2F-L10DLF-L10CDIF-L10H124DP-B6C-T34DO-B8C-T34SO-L10H-T0.570.770.51142114142140202025572231.52.53.83.00.80.343.85. 管件及其他辅助装置的选择1） 考虑到本系统的工作压力及成本方面，管道选用钢管。其管子内径d （2-16）式中 Q 液体流量 m3/s ； v流速 m/s，对于吸油管v12m/s（一般取1m/s以下）。对于压油管v36m/s（压力高、管道短或油黏度小的情况取大值，反之取小值。局部或特殊情况可取v1.52.5m/s。参照液压系统各元件的流量选择管径d（单位: mm）为：油箱到泵：34 管接头连接螺纹 M332泵到马达：22 M221.5往复缸管：10 M101恒压港管：10 M101管接头 ：JB966-77 ,JB972-77 2) 确定油箱容积油箱的有效容积按下式计算 （2-17）式中 QV 液压泵每分钟排出的压力油的容积，m3 a 经验系数，本系统取a=5Qv=qn （2-18） =3210-61000 =0.032 m3 =50.032 =0.16 m36. 绘制正式液压系统工作图系统工作原理：首先使手动换向阀左位代替中位，给各执行元件供油。工作液体首先流向施加恒压力的油缸的左腔，当油缸压力上升到预先的调定值，在定压减压阀的作用下保持恒压。工作液体便推开顺序阀，经过调速阀后流进电磁换向阀，多余液体经溢流阀回油箱。先使双电磁换向阀左端通电，单电磁换向阀不通电，工作液体从马达和往复缸的左腔流入，使马达顺时针旋转，往复运动的差动缸活塞杆向外伸出。当活塞杆伸到一定程度，碰到行程开关，使电磁换向阀的左端断电，右端同时通电换向。工作液体从马达和差动缸左腔流入，使马达返向运转，差动缸的活塞杆以与伸出相同的速度缩回。在工作过程中，施加压力的油缸始终保持恒压。当工作完成后，使手动换向阀的右端工作，马达和差动缸停止工作，工作液体从恒压缸右端流入，使活塞杆缩回，液体由油缸右端通过单向阀流回油箱，然后使手动换向阀复中位，完成工作。图2-3 液压系统图 2-3 液压系统的稳定机构采用类似转椅中的导柱，可以稳定轮椅的座椅，并可以顺利的完成升降动作。2.4扶手设计轮椅两侧扶手有固定式和可拆卸式两种。可拆卸式方便使用者在轮椅与床、汽车等之间的转移。由于轮椅的使用者身材各不相同，人性化轮椅的扶手采用电动可调的设计。根据不同年龄，不同身高及使用者在不同姿势下的需要，扶手的高度调节范围是014cm，前后调节范围是021cm。可调扶手的调节采用齿轮齿条传动6。2.5脚托设计脚托，是为了使使用者的脚有一个稳定的支撑，即在坐轮椅时，把脚放在脚托上，支撑下半身部分重量，避免压疮。普通轮椅多采用手动或固定脚托，人性化轮椅采用同电源电压相同的直流减速电机带动脚托实现绕脚托轴90旋转，以便于使用者上、下轮椅。根据人体工程学原理，脚托的最适合位置是距离座椅基准点约400mm，距座椅最前端约80mm。脚托用两杆支撑与轮椅架连接，脚托轴内固定一个微型直流减速电机，电机轴与脚托踏板连接，踏板在水平和垂直位置有定位6。2.6人性化轮椅的动力及制动机构2.6.1动力机构的组成本设计的动力机构采用由电动车的电机及车圈等改装的辐条式车轮总成。这里选用卧龙公司的48V350W无刷电机。组装后的车轮直径为55.88cm，宽为40cm，轴宽为6.35cm。2.6.2制动机构的组成及结构人性化轮椅的刹车系统应充分保证乘坐者及行人的安全。这就需要在不同的情况下实现不同程度的刹车，尤其是断电之后的刹车问题：断电之后应该保证既可以刹车，又可以在人力作用下行驶。人性化轮椅的制动机构由电动自行车的刹车盘、电磁拉杆、电磁拉杆套筒和机械拉杆构成。断电作用的电磁拉杆，配合刹车套使用，带动刹车盘，实现断电刹车。在系统启动时，通电撤销刹车的作用，在刹车时，断电即完成刹车作用；在突然断电的情况下，起保护作用的电容可以实现轮椅的逐步刹车；在断电的情况下，有时需要人力推动轮椅行驶，机械拉杆将电磁拉杆套筒放开，取消其刹车作用，刹车时只需将机械拉杆放置原位即可；当使用机械拉杆驻车后，再次通电时，续手动将机械拉杆放置原位。2.7电池及充电器2.7.1电池的选用在上一章介绍了现阶段电池的发展，电池的容量和质量直接决定人性化轮椅的使用时间。这里我选用海宝公司的20AH的镍氢电池。此电池组由四块12V的电池串连组成，其一次充电时间为810个小时，可行驶4060km。2.7.2充电器的选用由于选用的电池的容量较大，所以与其配套的充电器应是性能较好，充电电流较平稳的。这里选用路易达48V充电器。2.8其它附属设备为了满足不同使用者在不同环境下的使用要求，人性化轮椅选配了一些附属的设备。它包括：大灯、转向灯、杂物筐、伞架、小桌。2.9本章小节本章对轮椅的各部分组成进行设计，并详细设计了液压提升系统。由于本设计主要研究人性化轮椅的控制部分，所以对本章的部分设计并不十分详细。3人性化轮椅控制系统设计人性化轮椅采用电动及自动控制代替手动的操作，其主要控制动力系统和其它各部分电路。3.1基于AVR单片机的系统控制策略研究3.1.1控制系统的整体构成在其它硬件条件相同的情况下，控制系统决定着电动轮椅的性能，相当于系统的神经中枢发出控制命令及处理各种异常情况。它的作用如下:1.使电动轮椅操作灵活舒适；2 提高电机和蓄电池的效率，节省能源；3.保护电机及蓄电池；4 降低电动轮椅在受到破坏时的损伤程度；5.保障使用者和他人的人身安全。本文设计的电动轮椅控制系统主要由以下几部分组成:以单片机为核心的主控电路；以IR2103为核心的驱动电路；功率逆变电路；位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围辅助电路。控制电路的主要功能是完成电机的起动、换相、调速、差速、制动等控制并实现对电机、电池的保护；驱动电路的主要功能是利用IR2103的自举技术驱动功率MOSFET管控制电机电流；而外围辅助电路主要完成信号的采样、对电路的供电、发出报 警信号等功能。系统原理框图如图3-1所示8。图31 系统原理框图 3-1 - 3.1.2系统主要控制策略概述直流电源通过MOSFET构成的逆变桥向BLDCM供电，单片机在新的采样周期到来时，先判断系统的状态，如是静止状态则用软件开环起动，当达到一定速度后再切换到常规换相运行状态。“软启动”的电控方案解决了零状态起步耗电大的问题，大幅度地提高了一次充电的续行里程。常规的换相运行是直接根据位置传感器传来的信号进行换相控制，同时将电机速度反馈信号和手把给定的速度信号相减，得出偏差，经过控制算法得出控制量。再以控制量驱动步进电机，带动电位器，输入给驱动电路，由驱动电路调节逆变器的输出电压，就调节了电机的电磁转矩；当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度便达到了给定。3.1.3故障检测与系统保护一个控制系统能否正常工作，除了各环节能保证正常工作外，各环节之间的参数一定能绝对匹配，加之一些外在干扰因素对系统的影响，系统有可能发生故障。当系统出现意外故障时，如不及时处理，便会造成损坏功率管和其它设备的严重后果。所以必须设置保护环节，及时封锁系统输出，切断主回路电源，使系统停止工作。完善的保护环节不但可以延长系统的使用寿命，而且使其可靠性大大提高，也保障了使用者的安全。本系统设置了过压、欠压、过流及功率器件的保护等保护环节，并根据简单可靠原则设计了具体的保护电路。过压和欠压保护主要是针对蓄电池设置的，在运行过程中，电池的稳定性对系统是至关重要的。由第二章对蓄电池特性分析可知，当端电压下降到其终止电压时，必须停止放电，否则会损坏电池。因此，要在蓄电池正极与地之间串上分压电阻，然后进行A/D采样，单片机根据采样结果判断电池是否正常工作，如发生过压或欠压，立即发出誉报，并切断电源以保护电池。过流保护由两个部分组成，一个是直流回路的过流保护，另一个是相电流的过流保护。前者是在直流侧近地端串上一个电阻，将放大后的信号传给驱动集成电路IR2103,利用其内部的过流、直通、过压、欠压等检测功能，在发生故障时将故障信号输出给单片机，有单片机控制继电器，使加在绕组上的电压值不能太高，这样就起到了过流保护作用。相电流的保护与直流侧主回路的保护是相近的，都是通过软件的电流环来进行钳位控制，只是控制的初始设置不同，一般来说，相电流的过流保护值为直流侧的1/3。功率场效应晶体管MOSPET在控制系统中有其独特的优点，但它的薄弱之处是栅极绝缘易被击穿损坏，栅源间电压不得超过120V，一般认为绝缘栅场效应管易受各种静电感应而击穿栅极绝缘。以下是功率MOSFET的保护措施:1. 静电击穿的防护功率MOSPET输入阻抗极高，在高静电场情况下，电荷难以泄漏，容易使栅极绝缘薄氧化层击穿，造成栅一源短路，或因功率太大使栅极引线断开造成栅极或源极开路。因此，在电路中，要保证栅源间外施电压不要超过规定限制:而且在取用、搬运、焊接等过程中人体尽量不要直接接触MOS管，因为在干燥环境下活动的人体电位可高达几千伏甚至上万伏，如果处理不当就可能对器件造成永久性损坏。2 过电压保护由于栅源阻抗很高，漏一源间电压突然增加会通过极间电容耦合到栅极，使栅极绝缘击穿。若为正向栅一源电压增加，还会引起误导通。为此应在栅源间并联电阻或齐那二极管（约20V），绝对不允许开路。而漏一源之间也要外加保护电路以防止开关过程中因电压的突变而产生的漏极尖峰电压损坏管子。可以采取齐那二极管钳位、二极管RC钳位或RC缓冲电路等保护措施。另外，当电机因意外突然停转时，电机绕组会产生瞬间的反向高压，损坏功率管。如在系统直流母线上并联一只高耐压电容。在意外停机时，母线上产生的瞬间高压会由于电容两端电压不能突变而得到抑制。3 过电流保护由于负载的变化可能会产生很大的冲击电流，以致超过器件的额定漏极峰值电流。在这种情况下，主回路的电流采样电阻能迅速的将电流的变化情况，通过单片机内部的A/D转换反映到电流调节环，要求系统能在微秒级的时间内将MOS管关断，这就需要选用的单片机有.足够快的响应速度。3.1.4核心控制器件的选择基于以上对控制策略的分析与研究，本系统是一个要求高速、高效、高可靠性的控制系统。要由一个能满足这些条件的控制器来控制系统的正常运行，并希望其价位适宜，这样才能事好的使研究成果向产品化发展。因此，单片机的选型十分重要。单片机微型计算机(Single-ChipMicrocomputer)，简称单片机，因其主要用于控制，所以又称微控制器(MCU)。它在一块芯片上集成了一台微型计算机必需的基本功能部件，包括中央处理器(CPU)、只读寄存器(ROM)、输入输出口(1/O口)，可编程定时器/计数器等。单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点，它的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的功能，现在都可通过软件来完成。从1974年美国仙童公司生产出第一块单片机开始，在短短几十年中，单片机发展迅速，由4位、8位一直到16位单片机，目前32位的超大规模集成电路单片机(T414)也已面世，同时性能也不断提高。目前单片机已成为工控领域、军事领域及日常生活中最广泛使用的控制系统。高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采用较高分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。ATMEL公司推出的AVR单片机，彻底打破这种就设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集(RISC)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。在AVR大家庭中尤为突出的是一款新型AVR高档单片机Atmega16。它是基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片机，芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGA系列的全部性能和特点，且其价格仅与低档单片机相当，成为AVR高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性能价格比最好的品种10。Atmega16有如下特性：1. Atmega16因为采用了先进的R工SC精简指令集结构，所以具有足够快的运行速度，可达 1MIPS/MHZ，是普通CISC单片机的10倍；2.4个PWM通道，可实现任意小于16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出；3.有21个不同的独立中断源，并有特定的中断允许位，提高了系统的安全性；4.片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器，存储空间足以满足系统需要，并为系统的扩展提供了必要保证；5. 24个可编程I/0口，可任意定义I/0的输入/输出方向；驱动能力强，可直接驱动LED 等大电流负载，且多数的I/O口为复用口，除了作为通用数字I/O使用外，其第二功能可作为芯片内部其他外围电路的接口；6.具有三个定时/计数器，除了能够实现通常的定时和计数功能外，还具有捕捉、比较、 脉宽调制输出、实时时钟计数等更为强大的功能；7.带8个10位的ADC和DAC转换，可直接输入模拟量、输出数字量；8.有看门狗电路，一旦程序进入死循环能自动复位，保证系统工作的可靠性；9.有空闲、省电、掉电三种低功耗方式，很适合低功耗系统的要求。作为整个系统的控制核心，Atmega16单片机具有的功能特点使它非常适合作为电机的调速差速控制。3.2系统硬件设计与实现3.2.1硬件系统概述任何一个控制系统都离不开软件程序赖以实现的物质基础 硬件设计。由于本文所研究的系统选用AVR单片机ATmega16为控制核心，我们知道它不仅具有强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件，这就大大简化了控制电路的硬件设计，加之采取了“硬件软化”的设计方案，使得整个控制系统的硬件设计比较简洁9。控制系统主要由以下几个部分组成:1.核心微处理器ATmega16；2 电流采样部分，通过检测定子及直流侧电流，完成保护功能，并将电流和保护信号送至AVR单片机；3.转子位置信号处理，检测转子位置，送至AVR的中断引脚；4.转速给定部分，由可调电位器将转速的给定信号送到AVR的ADC口；5. 其他部分，如PWM输出，电池电量显示，电池欠压保护，故障指示、电源等。我用另一块ATmega16单片机作为辅助设备的控制及电压、速度的检测，并驱动LED灯在手柄上显示速度、电量等轮椅的状态量。3.2.2控制手柄设计人性化轮椅同其它电动轮椅一样，主要通过控制手柄控制轮椅的行驶。控制手柄由电源开关、行驶控制杆、大灯及其远近开关、转向灯、喇叭开关和状态显示屏组成。人体工程学对操控装置和显示装置有着很严格的要求。手动操控装置中，按其操纵的运动方式可分为：旋转式操纵器，移动式操纵器，按压式操控器。尽管操控装置的种类很多，但对它们的人体工程学要求是一致的，即操控器的形状、大小、位置、运动状态和操控力等，都要符合人的生理、心理特性，以保证操作时的舒适和方便6。本设计中手柄是主要的控制输入装置。其中，摇杆采用改进后的PC游戏手柄的摇杆，电源、大灯及远近光用单刀双掷开关，其它按键采用普通的按簧开关。常见的PC游戏手柄带有两个摇杆，摇杆由互相垂直的两个电位器及连杆构成。位于摇杆下的弹簧可以增加摇杆的拨动力矩，并使之在无外力作用时自动复位。由于手柄弹簧的弹力并不能满足实际使用的要求，故需将弹簧进行重新设计。原弹簧尺寸为：d=0.6mm，D2=10mm，n=2，H0=14.5mm。其中 d材料直径； D2弹簧中径； n弹簧的有效圈数； H0弹簧的长度。由附表1可知，此弹簧为非标准弹簧，其弹性系数约为1.2。所以，利用实验估计设计后的摇杆中弹簧对杆的弹力应为原弹簧弹力的23倍。故选弹簧为：d=0.8mm，D2=10mm，n=2，H0=14.5mm，k=4.02。位于摇杆左侧的电位器为控制手柄的Y轴，控制前后方向；位于摇杆后侧的电位器为控制手柄的X轴，控制左右方向。当摇杆Y值变化是，轮椅的左右轮同时等速运动；当摇杆X、Y值同时不为零时，左右轮根据X、Y值的不同做差速运动；当摇杆的Y值为零，X值不为零时，轮椅两轮速度相反做原地转向。摇杆的电位器有三个引脚，总电阻为10k，极限位置时，最小电阻为0。当摇杆X、Y值为零时，电位器单侧阻值为5k。位于摇杆前端的是按簧开关，按下开关，轮椅的制动器急停，单片机复位。其中，位于Y轴的电位器连接单片机的PA0口，位于X轴的电位器连接单片机的PA1口，完成单片机的AD转换；按簧开关连接PC0口，控制轮椅刹车的开关量。显示装置是人性化轮椅中不可缺少的部分。它显示轮椅的限速模式（即室内或室外模式），行驶速度，电池电量，大灯及转向灯状态。显示装置按照认读特征主要分为两大类：（1）数字式显示类仪表，它是直接用数码来显示有关的参数或工作状态的装置，如各种数码显示屏，机械、电子式数字计数器，数码管等。其特点是显示简单、准确可靠，可显示各种参数和状态的具体数值，对于需要计数或读取数值的作业来说，这类显示装置有认读速度快，精度高，且不易产生视觉疲劳等优点。（2）刻度指针式仪表，它是用模拟量来显示机器有关参数和状态的视觉显示装置。其特点是显示的信息形象化、直观，使人对模拟值在全量程范围内所处的位置一目了然，并能给出偏差量，对于监控作业效果很好6。本设计中的控制手柄并不适合使用数字式仪表，在轮椅的行驶中，仪表的数字很难为使用者识别，而其为人机显示界面预留的空间也并不能满足刻度指针式仪表的宽度要求，所以，本设计采用在电动自行车中常用的连续摆放的发光二极管作为速度和电量的指示灯，并用不同颜色的发光二极管来显示并区别这些不同的待显示量。这里，速度显示用红色发光二极管，电量用绿色发光二极管，电量警告用红色发光二极管，大灯及其远近显示用黄色发光二极管，转向灯用绿色发光二极管。这样既与其它产品，如电动自行车、汽车类似，又可以避免不同颜色的灯在临近位置造成混淆。图3-2为手柄结构图。图3-2 手柄结构图 3-2 3.2.3推手及其传感器设计很多电动轮椅都安装了推手，同普通轮椅一样，需要在外力作用下推动轮椅运动。但是，电动轮椅应该利用自身的动力源，来解脱人力。在推手内加装传感器后，在使用推手时，将使用者的作用力采集到单片机中，控制轮椅的运动，可节省使用者的力。推手利用弹簧弹力限制使用者施力，利用霍尔元件采集推手移动距离。推手的固定端是焊接在轮椅支架上的长为40mm的同支架材料相同的空心圆管，在空心圆管的外面是长为12mm的硬质橡胶套筒，用一个螺钉与空心圆管固定，里面用连杆阻挡位于两侧的弹簧，并连接最外层的活动套筒。其结构如图3-3。图3-3 推手结构图 3-3 位于两侧的弹簧用来限制使用者对推手的作用力，避免误操作对轮椅行驶的影响。根据人体工程学的要求，作用在推手上的力应在1025N之间，外套筒的单向行程应在27.5mm之间，推手的长度为135mm，平均直径为25mm。根据要求，需详细设计两个弹簧。由 f=kx （3-1）得 k= （3-2） = =4 N/mm式中 f对弹簧施加的压力 k弹簧弹性系数 x弹簧压缩长度已知小弹簧的参数为：D=12mmH030mm大弹簧的参数为： D15mm H022mm查附表1，选取可与两弹簧外径配套的弹簧材料直径d和中径D2以及相关参数，得 小弹簧：d=0.9mm D2=10mm k=6.43 n= =6大弹簧：d=1mm D2=12mm k=5.68 n= =4其中 k弹簧弹性系数； n有效圈数； G材料的切变模量，此弹簧材料为钢丝，G=78.5GPa每侧推手传感器输出的信号经单片机采集、运算，控制对应的单侧电机。左、右侧传感器分别连接单片机的PA2、PA3口。3.2.4无线遥控装置设计在轮椅的使用过程中，难免会遇到需要遥控的时候，这就需要在轮椅的控制器中增加无线遥控装置。现在有很多无线遥控的产品，典型的产品有，遥控汽车，遥控飞机。这里选用由大功率遥控汽车的控制电路改进而成的遥控发射及接收电路作为人性化轮椅的遥控电路。此遥控电路控制轮椅的前后、左右，其输出信号为连续的模拟信号，将其分别输入到单片机的PA4、PA5口，并需连接5.1k的电阻以保护单片机。3.2.5预留的其它设备控制接口人性化轮椅在设计上虽然对现有电动轮椅进行了改进，但是，随着社会的发展和技术的进步，会出现更先进的控制输入设备或控制系统。为了适应硬件的升级，我在单片机中预留了两个ADC口，分别是PA6和PA7。这两个ADC口输入的电压范围是1V4.2V，调速范围是020km/h。3.2.6ADC接口电路由以上各部分传入单片机ADC口的接口如图3-4所示。图3-4 ADC接口电路图 3-4 3.2.7PWM输出电路设计在电机的控制系统中，PWM被用来控制开关器件的开关时间，为电机绕组提供所需的能量，控制电机的转速和转矩。提供给电机的电压或者电流就是这种调制信号。要产生一个PWM信号，需要有一个合适的定时器来重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，一个比较寄存器保持着调制值。比较寄存器的值不断与定时器计数器的值比较，当两个值匹配时，在相应的输出上就会产生一个转换(由高到低或由低到高)。当两个值之间的第二个匹配产生，或当一个定时器周期结束时，相应的就会在输出上产生一个转换。通过这种方法，所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。在每个定时周期中，这个过程都会出现，但每次比较寄存器中的调制值是不同的，这样相应的输出就会产生一个PWM信号。本系统使用的控制芯片ATmega16有一个16位的定时器/计数器1( T/C1)可运行于PWM模式，并利用PB1的第二功能 (OClA) T/Cl输出比较A匹配输出口输出相位、频率可调的PWM波。定时器/计数器1可以从晶振时钟、预定比例晶振时钟或外部引脚中选择时钟源，这可由T/C1控制寄存器B (TCCRlB)的低3位(CS12, CS11, CS10)进行设置，如表3-1所示。表3-1 T/C1的时钟源选择3-1 T/C1CS12CS11CS10说明000无时钟源（T/C1被停止）001CK（系统时钟）010CK/8（来自预分频器）011CK/64（来自预分频器）100CK/256（来自预分频器）101CK/1024（来自预分频器）110外部T1脚，下降沿驱动111外部T1脚，上升沿驱动在T/C1的控制寄存器A( TCCRlA)中可以设置PWM为8位、9位或10位。当T/C1处于PWM模式时，可以通过COM1A1和COM1A2位来设置PB1 (OC1)，如表3-2所示。表3-2 OC1方式选择3-1 OC1COM1A1COM1A2在OC1上的作用00不连接01不连接10清比较匹配值，向上计数，置比较匹配值，向下计数。11清比较匹配值，向下计数，置比较匹配值，向上计数。（PWM翻转）在相位、频率可调PWM模式下，计数器为双程计数器.从0x0000一直加到TOP(可以为固定的8, 9, 10位)，在下一个计数脉冲到达时，改变计数方向，从TOP开始减1计数到0x0000。计数器计数上限TOP值大/小决定了PWM输出频率的低/高，而比较寄存器的数值则决定了输出脉冲的起始相位和脉宽。通过设置比较寄存器OCRlA/OCR1B的值，可以获得不同占空比的脉冲波形。以左侧电机PWM控制为例。从PB0口输出的PWM波经阻容滤波后输入74LS08其中一个与门，该与门的输出为其它三个与门的一路输入，另外三个输入分别由PB2, PB3, PB4控制，这三个口的输出电平决定了某一时刻三路PWM波中的某一路传送给驱动电路IR2131S中相对应的那路上桥臂驱动信号输入端，使逆变器的上桥臂受控于PWM波，而下桥臂的通断由单片机的另外三个I/0口PD1, PD2, PD3控制。于是就实现了上一章所设计的单极性PWM波调制模式。这六个口的电平变化是由单片初通过软件检查上一时刻的相位表，进而决定下一时刻是哪两个口输出有效电平，使电机运行的相位和速度得到高效的控制，电路如图4.6所示。右侧对应的IO口为PB5,PB6,PB7,PD4,PD5,PD6。图3-5 PWM波的输出控制 3-5 PWM3.2.8电池电压检测单元蓄电池电压的检测是实现对其容量监控的关键，也是对电池进行欠压保护的有效途径。本系统通过采样电池的端电压，并对信号进行简单滤波后输入另一块单片机的ADC口，用软件进行比对，当小于某个设定值时，立即采取措施，关闭电源，从而实现对电池电压的检测及对蓄电池的必要保护。检测电路见图3-6。图3-6 电池电压检测 3-6 3.2.9速度检测单元电机的转速是双闭环系统的一个重要反馈量，如果安装测速器来解决这个问题无疑会增加系统的硬件投资和整个系统的体积。所以在本系统中将利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速。经过上拉、滤波后的脉冲信号如图3-7所示。它们是脉宽为180，相位上互差120的方波信号。对其中的任一位置传感器而言，电动机每转能产生p个方波脉冲，P为电动机的极对数，显然这种方波脉冲的频率是正比于电机转速的。脉冲信号再经过单稳触发电路的处理提高其脉冲频率后送到单片机的中断口，通过软件运用算法测速，从而实现转速反馈。图3-7 三相位置信号 3-7 3.2.10各辅助设备控制设计各辅助设备，如头枕、座椅、腿托、脚托、扶手等，均为电机完成启动、停止和正相、反相的运动，他们的控制电路如图3-8。图3-8 辅助设备控制电路 3-8 3.2.11系统硬件可靠性设计可靠性指标是系统非常重要的一个指标，它关系到系统的安全与具体实现问题。影响系统可靠性的因素既有外部的也有内部的，外部的因素如电源干扰，空间电磁干扰，机械震动等，内部原因有元器件失效，内部电磁千扰，电气接触不良，软件故障等。本章详细讨论系统的硬件可靠性设计，在下一章在结合软件设计讨论软件的可靠性设计。影响本系统可靠性的硬件因素主要有: (1)电源及地线干扰； (2)电磁干扰；（3）电气接触不良等。针对这些问题，本系统采取了相应的一些措施由设计经验表明，微机系统的干扰相当大的可能性是电源祸合造成的，在印刷电路板的电源线与地之间并接去祸电容是常见的作法。另外，集成芯片工作在高速数字逻辑条件下，频繁的切换状态也会对电源造成干扰，对芯片进行去藕设计是电源去祸的重要部分，为此在每一个数字芯片的电源与地之间，都设计了一个去藕电容。本系统根据芯片或器件的工作电压不尽相同的情况设计了多套电压等级不同的电源，则采取措施对它们隔离是非常必要的。例如，用变压器对高压大电流的强电与实现控制的弱电部分进行了很好的隔离。不仅不同的电源之间需要隔离，模拟部分与数字部分也需要隔离，容易接受干扰的信号与能够产生千扰的信号线需要隔离，另外，高频与低频也要隔离，这在电路板的布局阶段就应该考虑到。本系统中，分别将电流采样电路、位置检测电路、PWM输出电路、微处理器系统布局在不同区域，分别布线，这样在不同电气功能的电路之间实现了有效的隔离。一个设计良好的系统应符合国际电磁兼容(EMC)标准，即系统应有一定的抗电磁干扰能力，同时，它的运行又不能对周围其它系统或器件造成损坏。电力电子器件本身就是一个强电磁干扰源，对系统中的其它部件造成干扰，因此，抗电磁干扰设计是一个必须认真考虑的问题。在本系统中，为了增强系统的可靠性，在比较重要的信号支路上，均设计了硬件滤波器，使系统对来自空间的电磁辐射影响降到了最低。在将来的设计中，将增加屏蔽装置，使系统的电磁兼容能力得到进一步提高。另外，电气接触不良也会给系统的可靠性带来问题，例如，本系统在第一次制板时，因为AVR单片机的插座与芯片本身接触不好，使系统时好时坏，给调试增加了不少困难。后来改进后系统的可靠性就有了很大改善。此外，器件的选择也是可靠性要解决的问题，要充分考虑到系统运行的稳定性，不能只考虑降低成本。总之 ，导致系统不正常运行的硬件因素有很多，可靠性的设计也不是一次就能全部解决的，需要设计者的经验和不断探索，特别是微机控制系统，原因很多，有时需要硬件与软件协调设计才能解决问题。3.3系统软件设计3.3.1系统软件设计概述本设计中软件程序需要实现的功能主要包括以下几个模块:A/D采样模块；数值运算模块；PWM输出模块。这种模块化设计使软件更加灵活，便于调用、移植，而且在错误发生的时候可以很快的检查出错误所在，大大提高了系统的运行可靠性。本系统采用的单片机Atmega16支持C语言开发，它是一种高级语言，具有可移植性好、可读性强、维护方便的特点，与低级语言 汇编语言相比，它有不可比拟的优势：1可以大幅度加快开发进度，特别是开发一些复杂的系统，程序量越大，用C语言就越有优势。2 可以实现软件的结构化编程，使得软件的逻辑结构变得清晰、有条理，保证整个系统的可靠性。3 省去了人工分配单片机资源的工作。在汇编语言中要为每一个子程序分配单片机的资源 ，复杂而容易出错。在使用C语言后，只要在代码中申明一下变量的类型，编译器就会自动分配相关资源，根本不需人工干预，从而有效的避免了人工分配单片机资 源的差错。4.当写好了一个算法后，需要移植到不同的MCU上时，在汇编中只有重新编写代码， 因而用汇编可移植性很差。而用C语言开发时，只要将一些与硬件相关的代码作适度的修改，就可以方便地移植到其他种类的单片机上，甚至可以将代码从单片机移植到DSP或ARM中。5.C语言提供复杂的数据类型，极大的增强了程序处理能力和灵活性。C编译器能够自动实现中断服务程序的现场保护和恢复，并且有丰富的函数库供用户使用。3.3.2程序的设计主程序要完成系统初始化（如设置“看门狗”、ADC等单元），中断设置，变量初始化和电机的软起动过程。为了在初始化的过程中，防止中断的意外到来，应在主程序的开始处先关闭中断，完成初始化后，再打开中断。完成软起动后，主程序进入一个查询操作的循环过程，程序不断地查询判断换相更新标志是否为真，若为真则调用换相服务子程序以给电机相应定子绕组馈电；若为假则等待换相更新标志在ADC转换结束中断子程序中置为真。主程序的流程图如图3-9所示。图3-9主程序框图 3-9 人性化轮椅控制系统需要采样的数据有控制手柄、推手传感器、遥控装置、预留的控制输入装置对单片机输入的控制数据。为各输入数据安排的单片机接口为：控制手柄PA0，PA1；推手传感器PA2，PA3；遥控装置：PA4，PA5；预留的控制输入装置PA6，PA7。各控制设备之间有着一定的逻辑关系，所以在推手端加装了控制开关，对应单片机的PC1口。系统AD采集模块的程序框图如图3-10所示。图3-10 AD转换程序框图 3-11 由于不同的输入设备采样得到的数值以及运算规则各不相同，所以针对不同的输入信息，数值运算模块进行不同的数据处理。根据单片机接口与AD采样的关系，数值运算模块分为推手模块、手柄模块、遥控模块以及预留电路模块。其总框图及其分部分框图如图3-11、3-12、3-13、3-14。图3-11数据运算总框图 3-11 图3-12 推手传感器数据运算程序框图 3-12 图3-13 手柄信号数据运算程序框图 3-13 图3-14 遥控信号数据运算程序框图 3-14 3.3.3软件的可靠性设计软件的可靠性对于整个系统的稳定运行是很重要的。尤其当系统受到干扰时，软件要及时处理故障，并自动回到正确运行状态。本系统程序设计采用了按功能细分成不同的模块的设计方法，这样程序结构清晰，为差错奠定了基础。通过调试，可方便地找到错误。模块化设计使子程序之间没有相互等待的依赖关系，也大大减轻了程序的死锁可能性。另外，编程的时候养成给程序加注释的习惯很重要，这样为以后程序的升级改进提供了方便。本文的中断有ADC中断，外部响应中断，故障检测中断。将速度调节作为一个子函数调用放在ADC中断里，是充分利用了AVR单片机可执行中断嵌套的优点。一般当MCU响应一个中断请求后，会自动将全局中断允许位自动清零，则后续中断的响应会被屏蔽，只有当中断返回时，全局中断允许位会自动置“1” ，以允许下一个中断。AVR单片机允许用户在中断处理程序中将全局中断允许位置1，打开中断响应，这样就可以再次响应中断。值得注意的是，AVR单片机在响应中断及从中断返回时，不会对状态寄存器进行自动保存和恢复，因此要用软件做好保护现