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河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告8862河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告毕业设计（论文）题目：电动轮椅变速控制系统的设计专业：机械设计制造及其自动化 学生信息：060499，马森，机设066指导教师信息：曹东兴，教授报告提交日期：2010-5-10一，电动轮椅概况年老体弱的人，或者身体残疾的人，运动困难的人对出行方便和自行活动能力有新的要求，电动轮椅正适用于以上群体的人使用，要求轮椅能够走直线，两个驱动轮需要同步运转，要求较高，原有的控制器使用继电器进行方向控制，属于机械触点开关，寿命有限，可靠性低，本课题采用单片机进行编程控制，对于两个驱动无刷直流电机，对其进行正反转控制，以及转速控制从而实现对电动轮椅运动方向的综合控制。考虑到它的使用者一般为残疾人，老年人和病人，它还应该具备故障诊断的功能，保证轮椅能够正常运行，或及时诊断故障，保护乘坐人员的生命安全。其具体的要求如下：（1）安全性：每次开机时，操作杆均应做电池故障，电机故障，电磁刹车故障，通讯故障，操作杆故障，功率管故障等故障检查；并且在运行时，能够实时检测电动轮椅的状态，一旦发生故障，就紧急停车，保障使用者的安全。（2）舒适性和可靠性：一般而言，电动轮椅的使用者身体比较虚弱，适应能力差，这就要求轮椅的运行必须平稳，舒适。（3）灵活的操纵控制：灵活控制操作杆，并有按键控制轮椅的行驶方向与速度。二，电动轮椅控制系统的硬件结构和组成电动轮椅控制系统的硬件部分主要由主控制器 (采用MCS96系列单片机)、 无刷直流电机(两相线圈)、电动机驱动电路， 控制键盘( “开关机，RESET, 加速， 减速，警鸣 ，刹车”共六个控制按键,摇杆控制（四方向），显示液晶仪表(如电容量显示，速度档显示)、以及电源系统等组成。电动轮椅控制结构图如图 1 所示。图2.1 电动轮椅控制结构图2.1 MCS-96单片机的主要性能特点1. 16位的CPU2256个字节寄存器阵列和专用寄存器3总线宽度可控48KB片内ROM 5高效的指令系统 6高速输入/输出器75个8位输入/输出口8全双工串行口910位A/D转换器10脉宽调制输出器PWM112个16位定时器124个16位软件定时器1316位监视定时器149个中断源2.2直流电机总概况直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持 90，即使采用永磁式，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器 (Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。无刷直流电动机由电动机本体、转子位置传感器、电子开关线路和驱动电路4部分组成,是一种典型的机电一体化产品。直流电源通过开关电路和驱动电路向电动机定子绕组供电,位置传感器随时检测到,并进行反馈控制轮椅的控制是两个电机的协调控制，轮椅方向与电机控制图如下：车子动作左电动机右电动机前进 正转反转后退反转正转左转反转反转右转正转正转图2.2 轮椅方向与电机控制图2.3 驱动电路PWM脉宽调制电路根据轮椅的运动特性以及本系统设计中电机拖动轮椅的方式，系统运行时需要2直流电机在四象限运行，以实现轮椅的前进、后退、左转、右转的基本操作。因此本系统采用两套双极性H桥式驱动电路分别对两台直流电机进行控制。双极性桥式驱动电路原理图下图所示： 图2.3 双极性桥式驱动电路、在一个开关周期内，当0t t时，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止。电机的电枢电压： 电枢电流ia沿着VT1、电机、VT4流过；当tont T，VT1和VT4截止，但由于电机电感的作用，电枢电流ia不能突变，经由二极管D2,D3续流，由于二极管的钳位，VT2和VT3无法导通，电枢电压 机的电枢电压和电枢电流波形如下图所示：由左图可知，电机的电枢电压平均值为： 若 即正脉冲较宽时，电枢两端电压平均值为正，电机正转；负脉冲较宽，平均电压为负，电机反转； 时，平均电压为零，电机不转，但此时电机瞬时电压和瞬时电流均不为零，而是交变的。这种交变电流，能使电机产生微振，从而消除静摩擦死区。令=（2ton/T-1）Ud,则Ua=Ud,。调速时p的变化范围是一1至 1，pO时，电机正转，pO时，电动机反转， P=0时，电动机停转。只要改变这个占空比就可以进行调速，在停转期间，电动机电枢端电压和电流的瞬时值并不等于零，而是表现为很小却一直起作用的正负交变电量，使电动机发生微振，这有利于减小正反向的死区，并提出调速系统的低速性能，这种PWM变换器的优点有：（1）电流连续；（2）可使电动机在四象限中运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个功率管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000： 1左右。2.4控制方案的选择对调速系统来说，通常采用转速负反馈来获得比较理想的动态和静态性能。在电机控制系统中，速度检测主要用测速发电机或光电码盘等实现，精度很高。但本系统使用的电机体积较小，装在轮椅上运行，如果外加测速发电机会使轮椅更加笨重；另外系统对速度的控制精度要求不高，因此采用测量电动机端电压的方式近似估算出电机转速，既节约了成本，也减小了控制器的体积。电机的速度特性方程式为 （2.1）式中：n直流电机转速U电动机端电压Ia电机电枢电流R电枢回路总电阻K电动机电势常数励磁磁通当电枢电流较小时，IaR可略去，公式可简化为： （2.2）直接测量电机端电压，即可近似求出电机转速n。2.5 按键控制2.6摇杆控制 在参考一些专利的基础上，设计了控制摇杆并绘制了三视图。本电动轮椅采用的摇杆装置，具有盖板，基座，轴座，摇杆组件及底板，该基座内部形成容置空间。在内部设置弹簧和轴向轴承，并用半球形轴座和垂直方向的两个轴做固定及其转向。其弹簧设置有利于摇杆的回弹垂直，底板上设置有感应元件的电路板，有螺丝固定，以及在定位座中设置控制用的感应元件，感应元件可用重力方向感测器，该重力方向感测器使用freescale公司所销售的编号MMA7260Q的G-Sensor,其为三轴方向感应，当轴杆偏摆角度时，可使定位座与底板上的感应元件相对运动，而能产生信号，由单片机处理，进而产生驱动信号驱动电动轮椅中的直流电机。摇杆简图如下图所示。图2.5 控制杆结构图1图2.6 控制杆结构图2信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。特性：可选灵敏度(1.5g/2g/4g/6g) ；低功耗：500 A ；休眠模式： 3 A ；低压运行：2.2 V - 3.6 V； 6mm x 6mm x 1.45 mm的无引线四方扁平 (QFN) 封装；高灵敏度(800 mV/g 1.5g) ；快速开启 ；低通滤波器具备内部信号调理 ；设计稳定、防震能力强；无铅焊接；环保封装；成本低。2.6信息显示本次设计采用的是以ST7920控制器为核心的液晶模块。该芯片共内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符的ASCII字符库（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。为了能够简单、有效地显示汉字和图形，该模块内部设计有2MB的中文字型CGRAM和64*256点阵的GDRAM绘图区域；同时，该模块还提供有4组可编程控制的16*16点阵造字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口方式。本次设计单片机与液晶显示器模块的连接采用8位并行接口方式三，单片机硬件系统连接图设计 图3.1 单片机与外部ROM、RAM的接口单片机与并行端口的连接，单片机的按钮连接，单片机与AD转换的连接，图3.2 单片机与液晶显示芯片的连接图3.3 单片机与键盘连接图四，软件设计 不同子程序 未完成五参考文献1 田玉梅.残疾人和老年人的居住空间无障碍研究学位论文.天津科技大学 2003 2 王贵兰.电动轮椅车用无刷直流电动机控制系统的研究硕士学位论文.河北工业大学 2006,5:13-20 3 郑明全. 电动轮椅 申请号200710149031.3 2007.9.74 李俊义，陈瑞田，陈云新. 电动轮椅传动装置控制杆构造 申请号200710108148.7 2007.5 5 徐世望. 电动轮椅的摇杆装置 申请号200710141037.6 2007.8 6 萧顺义. 电动轮椅 申请号01145209.9 2001.12 7 王贵兰，徐晓华，李丽荣. 基于DSP的电动轮椅车控制系统的研究.科技信息.2009,29:106-1448 王仁杰，曾庆军. 基于DSP+单片机的主从式电动轮椅控制器的设计方案.科学技术与工程.2009,19；5820-5824 9 杜宇，吴燮华.电动轮椅控制器的设计与实现.电力电子技术.2004,38:63-65 10 陈德益. 基于嵌入式单片机的电机控制系统设计.计算机仿真.2010,1: 359-362 11 袁士奇.全方向电动轮椅控制系统设计.沈阳工业大学硕士学位.2005 12 欧洲，张晓东，柳坤文.基于16位单片机控制的普通车床进给系统数控改造设计.制造业自动化.2009,11:86-88 13 韩安太，刘峙飞，黄海.DSP控制器原理及其在运动控系统中的应用.北京:清华大学版社， 20038 本科毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：电动轮椅变速控制系统的设计适用专业： 机械设计学生信息 指导教师信息： 下达任务日期： 内容要求：（阐明与毕业设计（论文）题目相关、需要通过毕业设计解决、或通过毕业论文研究的主要问题。后面应列出建议学生在毕业设计（论文）前期研读的重要参考资料（书目、论文、手册、标准等）轮椅是残疾人的代步工具，由于传统的轮椅没有动力原，对老年残疾人或高度残疾人带来很大的代步障碍，为此研究与设计一种自带动力源的轮椅就成为当务之急。本课题对轮椅转向机构控制系统进行设计，通过操作手柄对轮椅的前轮能实现有效的转向控制，从而控制轮椅的运动方向。参考文献1. 电动轮椅使用说明书2. 机电设计系统手册3. 最新汽车设计实用手册-控制系统设计方法要求：（阐明与毕业设计（论文）问题解决和研究相关的实验、设计、调研方法和技术路线。）1. 采用机电控制原理知识构思出电动轮椅电器控制系统2. 采用软件编程实现实现电动轮椅转向机构运动控制过程要求：（提出毕业设计（论文）的周工作进度、工作质量、阶段成果要求。）2010 年 4 月 12 日 2010 年 4 月 18 日绘制轮椅总体电器控制原理图。2010 年 4 月 21 日 2010 年 4 月 30 日编制控制系统程序及绘制电路图2010 年 5 月 20 日 2010 年 5 月 27 日绘制部分结构图2010 年 6 月 3 日 2010 年 6 月 6 日撰写使用说明，提交毕业论文资料。2010 年 6 月 12 日 2010 年 6 月 13 日参加毕业答辩。河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告河北工业大学本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：电动轮椅变速控制系统的设计所学专业： 机械设计制造及自动化学生信息： 060499 马森 机设066指导教师信息：曹东兴 教授报告提交日期：2010年4月3日一. 研究的目的和意义： 近年来随着道路和步行道的平整化，或者室内地板的平整化，除残疾人外，对于随着人口老龄化，而步行正变得日益艰难的人们，以及在医院内行动的人们当中，轮椅的使用的越来越广泛。我国各类残疾人的总数已达数千万人，其中肢体伤残人数，综合型残疾人不在少数，另外，随着生活水平的提高和医疗条件的改善，我国老龄人口逐年增加，总数在亿人以上，社会对电动轮椅车的需求量是巨大的。 使用轮椅的人们使用手动来驱动轮椅有些困难，另外也不能保证时刻身边有陪护人员，随着现代控制技术的日渐发展和成熟，尤其是电机控制技术的成熟以及多样化，在这样的背景下，最近提出了通过蓄电池来驱动车轮轴的电动轮椅方案，电动轮椅是下肢残疾人及年老体弱者使用的代步工具。以蓄电池提供能源，直流电机驱动行驶，具有车速平稳、操作简便、无污染、噪音低的特点。但补充动力(充电)时间较长，一次充电行驶距离短，适宜户外短途使用。电动轮椅除了轮椅本体之外，还有驱动力的驱动装置，控制该驱动部的控制部，以及对控制部发出操作指令的驱动部，轮椅是残疾人的代步工具，由于传统的轮椅没有动力源，对老年残疾人或高度残疾人带来很大的代步障碍，为此研究与设计一种自带动力源的轮椅就成为当务之急。二. 国内外研究的历史和现状：随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对生活水平提高有了新的认识，年老体弱的人，或者身体残疾的人，运动困难的人对出行方便和自行活动能力有了新的要求，电动轮椅正适用于以上群体的人使用，要求轮椅能够走直线，两个驱动轮需要同步运转，要求较高，原有的控制器使用继电器进行方向控制，属于机械触点开关，寿命有限，可靠性低，本课题采用单片机进行编程控制，对于两个驱动无刷直流电机，对其进行正反转控制，以及转速控制从而实现对电动轮椅运动方向的综合控制。国内目前尚不具备研制开发高性能电动轮椅控制器的能力。国内的生产企业的电动轮椅产品基本上都采用了价格昂贵的进口电动轮椅控制器，甚至部分企业的电动驱动总成也采用了外购方式，因此国内现有企业的产品成本居高不下，以至电动轮椅产品的市场售价长期以来居高不下，难以为普通用户接受，也直接影响了电动轮椅市场的发展。而在国外，民用电动轮椅的发展历史则可追溯到二十世纪五十年代。第二次世界大战后，社会对轮椅的需求量猛增。由于伤残者对回归社会和独立生活的渴望，促使轮椅的性能和质量不断完善和提高，电动轮椅技术的研究就是从此时起步的。那时电动轮椅主要适用于患者的手功能很弱、不能驱动普通轮椅时；或虽然能驱动普通轮椅，但行动距离远，体力不能负担时，或身体衰弱根本不宜驱动时。到了二十世纪七十年代中期，单片机的出现使得电动轮椅控制器的安全性和控制性能得到很大提高，电动轮椅的研究得到了飞速的发展。为此，美国国家标准制定委员会康复工程部和北美援助技术协会共同制定了基于电池测试、稳态测试、倾翻角测试、制动距离测试、能耗测试、障碍翻越能力测试和其他一些体现轮椅性能特征的电动轮椅标准。到目前为止，国外已经开发出各种类型的电动轮椅。按驱动类型分，可分为双轮驱动型和多轮驱动型。总体来说，双轮驱动型轮椅体积较小，重量较轻；双轮驱动轮椅按驱动轮的位置分又可分为前轮驱动型，中轮驱动型和后轮驱动型。这三种类型的轮椅各有其优缺点：前轮驱动型轮椅能够在崎岖不平的地面上行驶，爬坡能力强，但它的速度较慢且方向不易控制；后轮驱动型轮椅运行平稳，行驶速度快，但回转半径最大，不适合在室内使用；中轮驱动型轮椅回转半径小，能够在狭窄的空间内运行，但在行驶过程中前后的从动轮容易被卡住。在多轮驱动的轮椅中，四轮驱动的结构应用的比较广泛，这种轮椅能够在各种路面上行驶，但它体积较大，非常笨重，不适合室内使用。电动轮椅及其控制技术经过几十年的发展，对轮椅结构和控制策略的研究已经比较成熟。现在，世界上大多数轮椅生产商开发的轮椅大多是双轮驱动型，其中又以中轮驱动型为主。今后轮椅控制技术的研究方向已向智能化，网络化方向发展。美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多个国家以及我国的台湾省都在进行这方面的研究。智能轮椅技术是将机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器人视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等，目的是使电动轮椅脱离人手的控制，实现安全的自动导航。如下图中所示的JAZZY品牌电动轮椅，其视图如下，由此也可以清楚的看清其机构，组成部分。图2.1 JAZZY品牌电动轮椅其分解图片如下： 图2.2 JAZZY轮椅分解分解图片三. 主要研究内容，初步设想解决方法3.1控制系统选择，继电器，可编程逻辑控制器，或者单片机。原有的控制器使用继电器进行方向控制，属于机械触点开关，寿命有限，可靠性低，本课题采用单片机进行编程控制。其优点成本低，同时技术含量高，增加产品竞争力，但同时其设计技术要求较高。电动轮椅控制系统的结构和组成电动轮椅控制系统的硬件部分主要由主控制器 (采用MCS96系列单片机)、 无刷直流电机(两相线圈)、 控制键盘( “前、 后,左、 右、 加速、 减速、 停止”共七个控制按键,显示仪表(如电容量指示灯)、 测速霍尔传感器(脉冲计数测速), 以及电源系统组成。电动轮椅控制结构图如图 1所示。图3.1 电动轮椅控制结构图车子动作左电动机右电动机前进 正转反转后退反转正转左转反转反转右转正转正转图3.2 电动轮椅控制方式图具体设计内容难点为摇杆键盘设计和无刷直流电动机的单片机控制就其系统要求而言，首先这种控制器应能正常驱动各种轮椅用电动机，实现轮椅最基本的前进，后退，左转，右转的行走功能；其次，考虑到它的使用者一般为残疾人，老年人和病人，它还应该具备故障诊断的功能，保证轮椅能够正常运行，或及时诊断故障，保护乘坐人员的生命安全。其具体的要求如下：（1）安全性：该控制器是为控制电动轮椅而设计的，它的使用者一般为残疾人，老年人和病人。在使用该控制器驱动电动轮椅运行时，控制器应具备故障诊断的功能，确保每次开机时轮椅均处于正常状态，或及时诊断故障，防止轮椅在故障状态下运行，发生事故，危及使用者的安全。故障诊断不仅要能检测操作杆自身故障，还应能检测电机的故障。具体的故障源包括：电池故障：电池电压不足，或电池电压过高；电机故障：左电机或右电机未连接；电磁刹车故障：左电磁刹车或右电磁刹车未连接或故障；通讯故障：控制板和功率板无连接；操作杆故障：开机时操作杆不在中心位置；功率管故障：功率管损坏，短路或断路。每次开机时，操作杆均应做以上故障检查；并且在运行时，能够实时检测电动轮椅的状态，一旦发生故障，就紧急停车，保障使用者的安全。（2）舒适性和可靠性：一般而言，电动轮椅的使用者身体比较虚弱，适应能力差，这就要求轮椅的运行必须平稳，舒适。特别是在启动和制动的过程，与一般工业控制要求的快速性相比，电动轮椅的启动和制动必须是相对缓慢的和无超调的，否则使用者会感到身体不适。其次，电动轮椅的使用环境包括室内和室外，行驶的路面包括水泥地，草地，木地板，地毯等。在不同的路面上行驶摩擦系数不同，负载也不同，控制器应能适应不同的负载变化，保持轮椅行驶速度的稳定。另外，轮椅使用者的乘坐习惯也各不相同，有的坐得偏左，有的偏右，这样就造成了轮椅左右电机负载的不平衡，对轮椅的运行造成影响，控制器应能对左右电机进行电流补保证轮椅正常运行。（3）灵活的参数设定：轮椅使用者的身体条件和操作习惯各不相同，有的人身体条件较好，能够适应快速的启动、制动过程和更高的运行速度，能够灵活控制操作杆，控制轮椅的行驶方向；有的人则不然。轮椅控制器应能满足不同的使用要求，使操作者能够自己调整部分轮椅运行参数，如最大加速度，最大运行速度，操作杆的灵敏度等等。另外，本控制器并非为特定的直流电机设计，在实际应用中，控制器应能驱动不同参数的直流电机正常运行，因此其控制电机的参数应可调整。本设计中轮椅的可调参数如表2-1所示：表2-1轮椅可调参数1前进、后退速度最大、最小值2前进、后退加速度最大、最小值3转弯减速度4故障状态下，紧急停车的减速度5最大截止电流6倒车警示音7进入休眠的时间8左右电机不平衡修正系数9低电量报警设定值10电压反馈系数11电流补偿度12 PI调节器参数13左、右电机正、反换向14左、右电机交换3.2系统的硬件构成原理框图