新的型电动轮椅直流无刷伺服系统

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

2、需求。本文介绍了如何利用直流伺服技术开发岀两款功能独特、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，研制岀免除减速器的 新型轮椅。直接驱动的速度闭环控制的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岀活动。它的驱动电机是外转子式，即轮毂电

3、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单片机門Vh吐金动附表永磁直流无刷电机参数1额定1思压额迫转速额定转矩相数换相 角度数霍尔电平宪匪百径DC24V180±lOr/mm8Nm3120°205V-TTL怡英寸图3控制系统方块图P M控制LBK820M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，输岀左右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；

4、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 X20 = 60个，电机最高转速为200r/min ，因此产生的脉冲数 为60 X（1/60s） X200 = 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 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

5、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