电动轮椅运动控制系统设计

1、摘要电动轮椅是一种以蓄电池为能源、电机驱动的轮椅车。具有省力、操作简便、车速平稳、无污染和低噪音的特点。适于下肢残疾、者使用，是一种比较理想的移动或代步工具。截瘫或偏瘫以及年老体弱目前，国外对电动轮椅的研究已相对比较成熟。他们已开发出各种各样的适合不同用户群体的电动轮椅，并逐渐向智能化的方向发展。现在高性能电动轮椅生产厂家多集中在美国、德国、澳大利亚和西班牙，中国也有电动轮椅生产厂家。然而，国内对电动轮椅的研究技术依然远远落后于国外，绝大多数轮椅厂家产电机和座椅而不生产器，基本上都依赖于进口。因此，研究高性能低成本的电动轮椅驱动器，替代进口填补国内技术空白具有重要意义。作者广泛查阅国内外文献，

2、总结了电动轮椅研究技术，综述了电动轮椅国内外研究现状。开发出了基于 TMS320LF2406A DSP 数字信号处理器的全数字电动轮椅器，分析了轮椅的技术要求，设计了带电流补偿的电压负反馈加负载不平衡补偿的双电机协调方案；给出元电路的设计及参数选择方法；分析了杆工作原理给出了轮椅速度和运动方向信息计算公式，和提高运行舒适度的 S 曲线生成策略。文中还提出了基于电压信号检测的功率管及主电路故障检测、方法。分析设计的系统通过系统运行实验性能良好，达到了预期设计目标。：电动轮椅S 曲线器双电机协调故障检测IAbstractElectric powered wheelchair (EPW) is a

3、wheeled vehicle which takes storage battery as power and motor as driving with characteristics of labor saving, easy operation, stable speed, free-pollution and low noise. It very benefits for the people with lower or upper extremely impairment, the old or the valetudinarians. To these people, EPW i

4、s theirprimary and ideal means of mobility.Currently, some overseas countries they are very experienced in researching EPWs. They have developed various kinds of EPWs for sorts of special user group. EPW is becoming more intelligent and tending to be humanization gradually. Now most of thehigh perfo

5、rmance EPW plants they are located in developed countries, such as America,Australia, Germany, Spain and aof China. In addition, domesticresearch on EPWs techniques falls behind the one of overseas a lot. Mainly most of the national EPWs plants produce DC motor and wheelchair seat only, while contro

6、ller is imported. Accordingly, it is very significant to develop high performance, low cost and all-digital EPWs controller, while it also fills up the technique blanks of domestic EPWs research technology.The author investigated plenty of literatures on the topic, summarized current EPWs research t

7、echnology and present research status of EPWs. An all-digital EPW controller based on TMS320LF2406A digital signal processor (DSP) is developed in the thesis. Technique specification of EPW is analyzed in details. A two-motor coordinated control scheme which takes motor voltage as negative feedback

8、with motor current compensation and unbalanced load compensation is designed in the thesis. Firmware architecture, cell circuits and parameter preferences methodology are represented. After analyzing the principle of Joystick operation, formulas of the EPWs speed and direction given valuecomposition

9、 are proposed. A strategy of generating S curve is designed for improving userIIameand safeness. A new means of MOSFET fauetection and location based onvoltage signal measuring is also described in the thesis.The EPW kinetic control system proposed in the thesis is proved to have goodperformance aft

10、er long time pre-operation. Consequently, anticipated designing goalachieved.isKeywords：EPW controller, Two-motor coordinated control, S curve, FauetectionIII独创性本人所呈交的是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明的内容外，本不包含任何其他个人或集体已经或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全，本的法律结果由本人承担。作者签名：日期：年月日书本保留并向作

11、者完全了解学校有关保留、使用的规定，即：学校有关部门或机构送交技大学可以将本的复印件和，被查阅和借阅。本人华的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等保存和汇编本。 ，在年。后适用本书。本属于不（请在以上方框内打“”）作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日1概述1.1 课题来源与研究背景本课题来源于企业合作开发项目。电动轮椅是一种以蓄电池为能源、电机驱动的轮椅车。具有省力、操作简便、车速平稳、无污染、低噪音的特点。适于下肢残疾、者使用，是一种比较理想的移动或代步工具。截瘫或偏瘫以及年老体弱其业电动轮椅的发展历史可以追溯到二十世纪五十年代1。特别是带有两台内置电

12、机和由杆的电动轮椅已成为商业电动轮椅的模板。二十世纪性能得到很大提高七十年代中期单片机的出现使得电动轮椅器的安全性和26。为了给电动轮椅的生产和研究提供运行性能和安全性能参考标准，美国标准制定委员会康复工程部和倾翻角测试、制动距离测试、能技术共同制定了基于电池测试、稳态测试、能力测试和其它的一些体现轮椅以用来在不同的电动轮椅间做比性能特征的电动轮椅标准1710。这些测试较，并帮助用户决定什么样的轮椅最能适合他们的需求。从学的观点出发，电动轮椅可以用如图1-1所示的框图来表示。其中算法模块接收人机接口送来的指令信号，并通过内置传感器来检测相应的环境参数，从而产生执行电机的和故障检测与保护功能11

13、。信息速度跟踪是电动轮椅系统的一个最基本的功能，它的目标是用户根据的舒适性需求，通过一个输入设备发出的指令来调节轮椅的速度。有些电动轮椅还具备自动排除故障功能111215，这会使得轮椅用户的生活的能力得到很大提高。最近一组200个关于电动轮椅驾驶的临床表明1：很多轮椅用户在操作轮椅时都存在有不同程度的。这组临床结果还显示：半的人无法用传统的操作方法来驾驶轮椅，而使用自动驾驶系统则会使这些人免除忧患。多方面因素都决定了关于电动轮椅技术和算法方面的研究对轮椅用户来说有着非常重要的意义。尽管现在市面上有前轮、中轮和后轮分别驱动的不同类型的轮椅，然而实际上它们都采用的是相同的软件，这显然就漠视了不同驱

14、动轮配置的轮椅在系统的动态特性上存在着巨大差异的事实。大多数的轮椅器都具有个别参数可调整功能1619，比如：最大速度、刹车限制、度限制等。这样的用户化定制和调节功1能对于那些非常熟练的用户或在干燥、比较平整和在没有的路面上驾驶的一般熟练用户来说可能足够了，但是对于大多数在户外驾驶轮椅的用户而言依然存在一定的，特别是在天气比较恶劣，路面不平或者上下坡的场合有更大的难度。在家里驾驶轮椅，对于身体严重残疾或具有精神的人而言依然是个。所以，研究性能更完善的电动轮椅器具有重要意义。数据总线轮椅的动力学电机驱动检测图1-1电动轮椅整体结构示意图1.2 国内外研究现状尽管近年来，电子技术得到了飞速的发展和整

15、合，但令人惊奇的是：关于电动轮椅方面的研究却非常少。表1-1列出了电动轮椅的分类和技术简介2028。2用户和电动轮椅的人机接口算法（速度跟踪和故障排除)传感器（编码器/ 转速计/ 红外检测器/ 超声波传感器表1-1电动轮椅分类及技术简介3电动轮椅分类简介按驱动类型分双轮驱动中轮驱动在较小空间内使用具有良好的灵活性，但在地形不平坦的情况下前轮或后轮容易被卡而导致轮椅停滞不前。前轮驱动轮椅总体上具有非常好的稳定性，甚至是在地势不平坦或者上下坡的时候。缺点是动态的方向性比较差，整体运行速度比较低。后轮驱动轮椅整体速度较快，稳定性好，但是回转半径比较大。四轮驱动能在各种不利地形的路面上行驶，甚至是在沙

16、地上或者雪地里。但这类轮椅非常笨重，价格昂贵，维护费用高，不适合室内使用。按制动类型分主动电动轮椅很少采用这种技术，但可以从电动汽车行业里面转过来，通过不同的地形动通过弹簧或避震器来减小轮椅的振动按稳定性类型分主动通过调节座椅的位置或者调节轮椅的安装触点以及速度来主动地的重心。上下坡的时候，用户可以移动身体或电动地调节座椅的位置来达到调节重心的目的。按爬楼梯类型分基于跟踪式的可以在一定程度上爬楼梯，甚至可以爬不规则的楼梯。但是这种轮椅通常都比较重，容易毁坏楼梯。基于轮束式的可以爬大部分楼梯，而且结构相对较紧凑， 但会让用户感觉很不舒服。基于重心和轮调整式的整体性能优良，基本上不需要或需要些微帮

17、助，但爬楼梯时需要楼梯扶手或助手，通常都须反向爬楼梯。目前，世界上比较著名的轮椅公司大都在美国、德国、西班牙、澳大利亚，中省的技术也相对较成熟。而我国大陆对电动轮椅的研究尚且处于起步阶段。国尽管也有很多轮椅制造公司，但是他们大多数都只是生产轮椅和电机，而采用进口的器。另外，电动轮椅越来越向多功能、人性化发展，品种和产量不断增加。近年来我国也有批量生产，也引进一些国外，但由于价格较贵、充电不便、蓄电池的有限等，目前国内尚不能普及。因此，本文对高性能、低成本电动轮椅运动系统的研究在弥补国内科技空缺上和推动国际电动轮椅算法的研究上都具有重要的现实意义。1.3 研究的目的和意义本课题致力于开发基于TM

18、S320LF2406A DSP 的全数字电动轮椅现高性能和低成本的电动轮椅，弥补国内技术空白。器，以实随着的发展，我国已经步入化，现有老年人近四亿人。而残疾人也超过8千万人，在老年人当中，脑中风患者每年多达200多万人，650万老年痴呆症患者，4000万症，近4000万人。另外，每年患者，其中新增因、工伤和其他意外下肢伤残者约50万人。这是一个庞大特殊的群体，他们是的弱者，需要的关爱，尤其需要一种适合他们心理和生理特征的交通工具。高性能电动轮椅生产厂家多集中在美国、德国、澳大利亚和西班牙，中国台湾也有电动轮椅厂家。但是进口电动轮椅价格却都不菲。如果分成三个档次的话，23万元，而高档的则达到12

19、万元那么最低档次的价格在。另外由于充电不便、蓄电池的有限等，目前电动轮椅在国内尚不能普及。因此，随着中国的发展与世贸的加入，和中龄化的到来，电动轮椅将会有很大的市场潜力。本文的研究成果也具有非常重要的现实意义。1.4 全文主要内容与安排本文研究了轮椅运动以下几个部分：1）综述了电动轮椅系统的原理，软硬件设计方案和实现。主要分为器的研究现状和意义，在此基础上对轮椅器的构成和以直流电作为执行电机的方案进行了阐述，建立了它励直流电的动静态数学模型；对杆输出信号的处理做了详细阐述，给出了轮椅左/右电机速4度给定公式。提出采用带电流截止、电流补偿加电压负反馈和负载不平衡补偿的直流电机方案，系统分析了电压

20、环以及相关参数的设计。2）介绍了基于 TMS320LF2406A DSP 数字信号处理器的硬件方案，详细分析了轮椅运动数选择依据。系统的硬件工作原理和实现方法，给出了所有的硬件电路原理图和参3）介绍了系统的软件设计方案，给出了软件方案框图、中断结构、软件功能模块介绍和软件子程序流程图。在软件编写中，考虑了程序模块化和参数可修改以及运行状态显示等功能。4）提出了基于电压信号检测的功率管故障、电机未连接故障和电刹车闸未连接故障检测、方法，提高了系统的可靠性。5）最后介绍了整椅试运行实验结果。52电动轮椅运动系统方案设计2.1 电动轮椅的技术要求电动轮椅作为老年人和残疾人的代步工具，有着严格的技术要

21、求。轮椅优良的驱动性能和严格的安全性保障是首要的技术要求。下面从轮椅的驱动性能、故障检测及保护和人机接口三个方面来阐述电动轮椅的技术要求。1）轮椅的基本驱动功能。轮椅的模拟给定是由杆发出的，由速度档位设置按键来设定轮椅最高和最低运行速度。轮椅在起/制动时必须要平滑稳定和安全，给用户以特别舒适的感觉。电动轮椅对电机的起/制动快速性没特殊要求，但对机械特性有相对较高的要求。轮椅必须能够至少爬行 5°的坡，能够在草地等比较糟糕的路况下运行，能够在左/右驱动轮处于不同路面时正常运行。2） 故障检测及保护器应能自动进行故障诊断、和，并对一些常见故障进行显示，当轮椅正在运行时如果检测出故障，系统

22、应该能够使得轮椅安全地停下来并锁定；当轮椅静止时如果被检测出故障，系统应能够立即锁定轮椅。具体故障检测项目如下：（1）杆故障（2） 电池故障（3） 电机故障（包括左/右电机）（4） 刹车故障（包括左/右车闸）（5） MOS 管故障（6） 通信故障3）人机接口（1）液晶显示功能。轮椅器的液晶显示器所显示的信息是提供给用户的基本信息源，它必须能够显示轮椅的各种可能运行状态，主要包括：电源开关显示、电池电量显示、速度档位显示、编程抑止模式显示、锁存模式和各种故障显示。（2）锁存模式。在某些特殊场合，为了防止对器的误动作或为了防止非用户本人使用轮椅，6需要将轮椅置于锁存模式。因此，轮椅运动功能。（3）

23、休眠模式。系统必须具有对轮椅的锁存和如果轮椅了节能，器处于开机状态，而用户长时间没有对轮椅有任何操作，此时为器应当可以自动关闭。因此，当轮椅处在开机状态且三分钟内没有接收到用户对速度键和杆的任何操作，则轮椅进入休眠模式。（4）与 PC 机通讯的功能。通过 PC 机与轮椅器间的通讯，可以设定以下参数：最低前向速度（当速度档调至最低、杆最大前向动作时的轮椅最大速度）；最低转向速度（当速度档调至最低、杆最大或右向动作时的轮椅最大转向速度）；休眠时间；软件电流限制；停转时间；转向补偿（当左右电机负载不平衡时，通过适当的负载补偿，使得当杆径直向前推时，轮椅能沿直线行走）；最大前向速度（当速度档调至最高、

24、杆最大前向动作时的轮椅最大速度）；前向度；反向度；最大转向速度；转向度；转向度；负载补偿；调节器参数。2.2 轮椅运动系统的组系统的组成如图 2-1 所示.轮椅运动速度给定外部扰动方向给定图 2-1电动轮椅运动系统示意图由图可见，电动轮椅运动系统主要由三个部分组成：杆信号处理部分、杆信号处理部分后电机被给部分和轮椅状态检测部分。杆输出的信号经过为带起/制动 S 曲线和死区的轮椅的速度和方向给定值，这个给定值就是用户器的指令，电机部分接收用户的指令和反馈信号来电机驱动信号和其他信号，这部分是轮椅运动系统的部分；电机检测部分检测电机和器的工作状态，这些检测信号被用作电机的信号和其它部分的信号。本章

25、将详细介绍在第三、四章分别介绍。杆信号处理部分和电机部分。电机及器状态检测7杆信号处理算法电机控制算法电机以及器状态监测PWM调制、电机2.3杆信号处理2.3.1杆输出信号的速度给定由于杆输出是二维的随着位置变化而成比例变化的电压信号，故非常适合用来电动轮椅。用户前后推动杆可以轮椅的运行速度，左/右推动可以轮椅的转向号转换为速度和转向转向速度的大小。下面介绍怎样把一个二维的指令。杆输出信如果把表示30。杆的信号看作是二维输出信号，分别在二维坐标系中用 X 轴和 Y 轴YFFyoFxX图 2-2杆输出信号矢量示意图可以将 X 轴信号看作是轮椅的转向速度给定信号， 而 Y 轴信号则可以看作是轮椅的

26、前后向速度给定信号。因此，如果用户想要转前进，则可将轮椅的运动方向看作是X 和Y 的矢量，如图 2-2 中所示F。而左/右电机的速度给定31 Sl和Sr 可从公式（2-1）和公式（2-2）中得出.= ìïC x*Fx + Cy * FyS（2-1）í±Slïîmax= ìï-C x*Fx + Cy * FySí±S（2-2）rïîmax其中，设Smax 为速度给定最大值，Cx 代表了轮椅的转向速度特性，而Cy 则代表了轮椅在前反向的速度特性。如果以上公式的计算结果大于了轮椅最

27、大转向速度，则用最大转向速度代替计算结果。图 2-3 表示了以不同角度旋转的左/右轮速度给定曲线。杆时，轮椅83002001000-100-200-30090º360º180º270º图 2-3以不同角度旋转杆时轮椅的左/右轮的速度曲线如果Sl 和Sr 的值的，则轮椅是向前前进转向，否则是后退转向。当轮椅向左转时，右轮正向转动，左轮反向转动或保持不变；相反地，当轮椅向右转时， 左轮正向转动，右轮反向转动或保持不变。当一个轮保持不转动而另外一个轮转动时，轮椅做的是原地 360°转弯。2.3.2 速度给定的 S 曲线设计由于轮椅是为老年人和残疾人设

28、计的，因此，安全性和舒适性是最首要的技术要求。从式（2-1）和（2-2）计算出来的轮椅速度给定是不能直接作为器的输入信号地。突度给定会使得轮椅在起动时有非常冲撞感，甚至会产生很大的超调和振荡，严重时还会威胁轮椅用户的生命安全；同样地，在轮椅制动时也会产生相同的。所以，从式（2-1）和（2-2）计算出来的轮椅速度给定是不能直接作为器的输入信号。作者查阅了大量文献，惊讶地发现：至今为止，没有一篇电动轮椅的速度给定 S 曲线做过任何研究。由于联想到电梯的运行曲线，本着借鉴的目的，作者几乎阅读了所有的关于电梯理想速度曲线的研究文献3237。但是所有的电梯理想速度运行曲线都是基于楼层数和楼层间距离一定并

29、已知这个前提条件下得出的，本文结合轮椅实际给出的 S 曲线算法是本文的一个创新点。(1)设计思路：S 曲线本身是一个非线性函数，其和编程都非常复杂。S 曲线的形状如图 2-4 虚线所示。在轮椅起动时应该是一个抛物线形状，然后是轮椅的一个过程直至轮椅的最大速度后，度为零，轮椅以恒定的最大给定速度运行；9左轮右轮，最后在抛物线段舒缓地停下来。本文用图 2-4制动时，轮椅先以直线的斜率中的一个折线近似地代替 S 曲线，用三段折线用来模拟抛物线。这使得编程非常简单，实践证明，效果非常理想。给定最大给定312O时间图 2-4轮椅速度给定的 S 曲线示意图(2)实现方法：利用中断时间和对度变化率的敏感特性

30、来实现。根据人体对度和度变化率的敏感特性知：当度或度最大值不大于1.5m / s2 、平均加度不低于0.5m / s2 、度变化率小于1.5m / s3 时，的舒适到速感比较好。设系统的中断周期为 T，直线的斜率为 K，规定轮椅在 t 时间内度给定最大值Smax ，则：K = Smax = Smax T（2-3）t / Tt图 2-4 中三段线段斜率比值为： K1 : K2 : K3 = 1:1.92 : 2.6 。具体程序实现见第四章。的设计中， K1 、 K2 、 K3 都被设置为可编程调节参数，用户可以根据自己的舒适性要求来进行相应调整。2.3.3杆输出信号硬件处理电路杆输出信号处理电路

31、如图 2-5 所示10图 2-5该电路是将 05V 的杆输出信号处理电路杆信号经过分压、跟随后采样输入到 DSP 中。R164R167 是分压电阻，LM358 运算放大器起电压跟随作用，D101D104 是限幅二极管，把的输出限制在 0V 和 3.3V 之间，R168R169 是限流电阻，C122,C123是滤波电容。为了把 05V 的杆输出电压变到 03.3V，分压电阻 R167/R166 的比例应为0.5，此处选 R167 为 50K，R166 为 100K。考虑到杆的带载能力，此电阻值宜取大一点。限流电阻的选择应与 DSP ADC 模块的信号源阻抗相匹配， 与 AD 采样时钟预定标因子的

32、选择有关，限流电阻阻值不宜太大，这里选为 50。2.4方案选择来说，其转速和其他参量的关系38可用式（2-4）表达对于直流电n = U - IR（2-4）KeF式中 n 转速，U 电枢电压，I 电枢电流，为 r/min；为 V； 为 A；R 电枢回路总电阻，为；F 励磁磁通，为 Wb；11Ke 由电机结构决定的电动势常数。由式（2-4）可以看出，通过调节电枢供电电压U 就可以达到调速的目的。这种方法的特点是机械特性较硬，能充分利用电的容量。2.4.1 系统方案设计被调量的负反馈是闭环系统的基本反馈形式，对调速系统来说，用转速负反馈可以获得比较满意的静、动态性能。但是，在本文的电动轮椅运动系统的

33、设计中要实现转速负反馈是非常的，因为，无法安装转速检测装置。故此，本文方法39。的转速近似与电枢两端电压成正比，所以电在设计中采用电压负反馈和电流补偿的如果忽略电枢压降，则直流电压负反馈基本上能够代替转速负反馈的作用。采用电压负反馈和电流补偿速系统原理图如图 2-6 所示。的调VSPWM驱动信号 T3D1D3图 2-6其中 V+、V-分别为电电压负反馈和电流补偿的调速系统原理图两端的电压，它们同时被送入 DSP 的 AD 采样通道中，在软件中对 V+、V-进行差分得到电机两端的电压值，这样做的好处是可以消除由于电源电压波动等因素引起的电机端电压的误差。R1、R2 是电机电流的采样电阻，之所以有

34、两个采样电阻是因文中所讨论的电动轮椅系统是采极性模式，电机可在四象限运行，由如图 2-6 所示的 H 桥可知: R2、R1 可分别检测电机的正反向电流。1)电压环分析和参数选择12DSPV+MV-T2D2T4D4I -R1R2I+杆(1)电压负反馈系统的静态结构图PI 调节器一般用它的输出特性表示39。PWM H 桥在按线性系统规律进行分析和设计时，应该把这个环节的放大系数 Ks 当作常数，则：Ud 0 = KsUct其中：Uct 为调节器输出电压，Ud 0 为电机两端电压V-M 系统开环机械特性V-M 系统开环机械特性为： n = Ud 0 - Id RCe其中：n 为电机转速；Ce 是电势

35、常数；Id 为负载电流；R 为主电路的等效电阻，包括 H 桥装置内阻、电机电枢电阻和电流采样电阻。电压测量环节：UU = gd 0*其中UU 为反馈电压。设转速给定电压为：Un 。则可得电压负反馈系统的静态结构图如图 2-7 所示。Id RDUd*UUUnctd 0KsUUg图 2-7电压负反馈系统的静态结构图由于系统采用数字 PI 调节器，调节无静差，象有静差那样根据稳态调速指标来计算参数是不可能的。由于稳态时 PI 调节器的输入电压DUd = 0 ，给定电压与反馈电压相等，因此可以按下式近似计算转电压反馈系数*Ug= n max Ud 0max（2-5）131Cen式中：Ud 0max 电

36、电枢电压最大值。*Un max 为电压最大值。根据电路电气参数和截止电流的值 Idcr 可以很容易算出电流截止环节的参数。对于 PI 调节器参数和电流补偿环节的参数是先通过系统的数学模型确定一个大概范围，再通过实验整定参数。仅采用电压负反馈的调速系统固然可以省去一台测速发电机，但是由于它不能弥补电枢压降造成的转速降落，调速性能不如转速负反馈系统，机械特性也达不到要求。在采用电压负反馈的基础上，如果再增加电流正反馈补偿措施则可弥补这一不足。另外在负载过大或，流过电机的电流将远远超过值，这是非常危险的。为了解决闭环调速系统的动态和电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。所以引入电流截止

37、负反馈，但是这种作用只应在电流超过一定限制时存在，带电流截止负反馈和电流正反馈补偿环节的闭环调速系统。电流截止负反馈环节参数设计依据如下：K K (U * + U)U * + U电流： I=pi sncom»ncom(2-5)dblRRs= Ucom而截止电流： I(2-6)dcrRs其中Ucom 为比较电压，Rs 代表了负反馈深度。又电机的额定电流 Inom = 20 A ，而电压 Un = 2.5V , 截止电流应大于电 *Idcr的额定电流，通常取 Idcr = (1.1 1.2)Inom = 24 A ， Idbl = (1.5 2)Inom = 30 A 。由式（25）和（

38、26）可得：Rs » 0.33W ，Ucom » 8.94V 。带电流截止的电压负反馈和电流正反馈补偿环节的闭环调速系统稳态结构图如图 2-8 所示。14Id RbDUdU*UctUd 0n图 2-8带电流截止负反馈和电流正反馈补偿环节的闭环调速系统稳态结构图图中 b 由电枢回路电阻和系统的开环放大倍数决定。(2)电压负反馈系统的动态结构图由文献可知闭环调速系统各环节的传递函数如下：对于额定励磁下的它励直流电，在零初始条件下电压与电流间的传递函数为1I (s) d R =（2-6）Ud 0 (s) - E(s)T s + 1其中Tl 为电枢回路电磁时间常数，为 s。电流和电

39、动势间的传递函数为E(s)R=（2-7）Id (s) - IdL (s)Tms其中Tm 为电枢回路电磁时间常数，为 s；IdL (s) 为反映负载转矩的电枢电流分量。又由于n = E C ，所以综合式（2-6）和（2-7）可得额定励磁下直流电e动态结构图如图 2-9 所示。IdL (s) 的Ud 0 (s)图 2-9额定励磁下直流电的动态结构图H 桥装置的传递函数可近似为如下的一阶惯性环节151CeT T s2 + T s +1m lmn(s)R(Tl s +1)UUgKs1CenUd 0 (s) =Ks（2-8）Uct (s)Ts s + 1PI 调节器的传递函数为t s +1t sW (s

40、) = K（2-9）pipi式中 K pi 为 PI 调节器比例部分的放大系数；t 为 PI 调节器的时间常数。需要注意的是电压环采用 PI 调节器使得电压调节无静差，但对速度仍为有差系统。由上述各环节的传递函数可得闭环调速系统的动态结构图如图 2-10 所示，反馈系统的开环传递函数如式 2-10 所示。IdL (s) U *(s)DU (s)U (s)nnct图 2-10闭环调速系统的动态结构图W (S ) = K t s +1（2-10）t s(Ts s + 1)式中 K = K pi Ksg 。设 IdL = 0 ，从给定输入作用上看，电压闭环的闭环传递函数为K t s +1t s(Ts

41、 s +1)=K (t s +1)W (s) =（2-11）1+ K t s +1clT t s + (K +1)t s + K2st s(Ts s + 1)D(s) = T t s + (K +1)t s + K = 02（2-12）s维滋判据40和特征方程各项系数严格为正，可知闭环系统是严格由稳定的。(3)PI 调节器参数选择16Un (s)g Ks Ts s +1Ud 0 (s) K pit s +1t s1 CeT T s2 + T s +1m lmn(s)R(Tl s +1)的特征方程和式（2-12）可知：根据典型= K +12xw(2-13)nTsKw2 =(2-14)nT ts在

42、本文研究的轮椅系统中，不时间响应出现超调的现象，所以应采用临界阻尼或过阻尼系统，也即x ³ 1 。由式（2-12）和（2-13）可推出：x = K +1t³ 1（2-15）2KTs整理式（2-15）得t ³ Ts可见，式（216）是x ³ 1 充分必要条件。另外，由典型 I 型系统Kt = 0.5 1.0 时，系统的动态性能最好。2)数字 PI 调节器的 DSP 实现方法（2-16）整定理论，对于式（2-10），当电压调节器采用 PI 调节器，即比例调节器。常规的模拟 PI系统原理框图41见图 2-11。该系统由模拟 PI 调节器和被控对象组成。图中，r

43、(t) 是给定值，y(t) 是系统的实际输出值，给定值与实际输出值差分偏差e(t) 。e(t)r(t)u(t)y(t)被控对象图 2-11模拟 PIe(t) = r(t) - y(t) 系统原理图（2-17）e(t) 作为 PI 调节器的输入，u(t) 作为 PI 调节器的输出和被控对象的输入。所以模拟 PI器的规律为17比例u(t) = K æ e(t) +ö1tòe(t)dt + u（2-18）P ç÷0Tè0øI式中KP 比例系数；TI 常数。比例调节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，器立即产生作用，使例系

44、数越大，量向减少偏差的方向变化。作用的强弱取决于比例系数，比越强，但过大会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。调节的作用是消除静态误差。但它也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。采用 DSP 对电进行时，使用数字 PI 调节器，用软件取代硬件。将式（2-18）离散化处理就可以得到数字 PI 调节器的算法：æöTTkå ej ÷ + u0uk = Ke +（2-19）çPkèøj =0I或kuk = KPek + TKI å ej + u0j =0（2-20）式中 k 采样序号， k = 0,1, 2,； uk 第k

45、 次采样时刻的输出值；ek 第k 次采样时刻输入的偏差值；= KP TKI 系数， KI；Iu0 开始进行 PI时的原始初值。用式（2-20）进行计算 PI 调节器的输出uk 比较繁杂，可将其进一步变换。令第k 次采样时刻的输出值增量为= uk - uk-1 = KP (ek - ek-1 ) + TKI ekDuk（2-21）所以18= uk-1 + KP (ek - ek-1 ) + TKI ekuk（2-22）或= uk -1 + K1ek + K2ek -1uk（2-23）式中 uk -1 第k -1次采样时刻的输出值；ek -1 第k -1次采样时刻的输入偏差值；K1 K1 = KP

46、 + TKIK2 K2 = -KP用式（2-22）或式（2-23）就可以通过有限次的乘法和加法快速地计算出 PI调节器的输出uk 。2.4.2 PWM 脉宽调制策略和主电路的选择1)主电路的选择和 PWM 脉宽调制策略为了实现电动轮椅在二维平面上的自由运行，电机中的电流必须连续，本文在研究轮椅运动系统中所采用的 PWM 变换器为H 型双极式 PWM 变换器,如图 2-5中所示。这是因为，可逆 PWM电路结构简单，方式灵活；系统的电流始终连续，电机在四象限内可以连续平滑地调速。由图 2-5，VT1 和 VT4 是同时导通的，其驱动电压Ub1 和Ub 4 具有相同的电平；VT2 和 VT3 同时动

47、作，其驱动电压Ub 2 和Ub3 的电平极性与Ub1 相反。在一个开关周期内，当0 £ t £ ton 时，Ub1 和Ub 4 为正，MOS 管 VT1 和 VT2 饱和+-导通；而Ub 2 和Ub3 为负，VT2 和 VT3 截止。这时，VS 加在电机电枢两端，V -V = VS ,电枢电流id 沿 VT1、电机、VT4 流通。当ton £ t £ T 时，Ub1 和Ub 4 变负，VT1 和 VT4截止；Ub 2 、Ub3 变正，但 VT2、VT3 并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下, id 沿回路 2 经 D2、D3 续流，在 D2、D3

48、上的压降使 VT2 和 VT3 的从 c-e19极承受着反压，此时V + -V - = -VS ，电机两端电压在一个周期内正负相间，这是双极性 PWM 变换器的特征。其电压电流波形如图 212 所示。(V+-V- )VS0t-VSid1211210t图 212电压电流波形> T当正脉冲较宽时， t，则电枢两端的平均电压为正，电正转。当负脉on2冲较宽时， t£ T ，电枢两端平均电压为负，电机反转。如果正负脉冲宽度相等，on2= Tt，平均电压为零，则电停止。双极式可逆 PWM 变换器电枢平均端电压on2用公式表示为- T - ton V = 2ton - T V= ton V

49、U（2-24）dsssTTT这里定义 r = Ud = 2ton - T 为PWM 电压的占空比，调速时 r 的变化范围为-1 £ r £ 1。UST当 r 为正值时，电正转；为 r 负值时，电反转； r = 0 时，电停止。在r = 0 时，虽然电机不转，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流却都不为零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩。它的好处是使电机带有高频的微振， 起着“动力润滑的作用”，消除正反向时的静摩擦死区。双极式 PWM 变换器的优点：（1）电流一定连续；（2）可使电在四象限运行；（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 MOS

50、 管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证 MOS 管的可靠导通。然而采极式 PWM 变换器有一个很大的缺点就是上下两管容易发生直通事故，从而降低了装置的可靠性。因此，为了防止直通事故，必须对 PWM 脉冲设置20逻辑延时也即死区设置。2)功率驱动电路设计，如图 2-13 所示图 2-13本文选用 IR2110 作为功率驱动臂侧输出和下桥臂侧输出。逻辑功率驱动电路。它包括逻辑输入、电平转换、保护、上桥触发电路，提高能力。输入逻辑电路与 TTL/CMOS 电平兼容，其输入引脚阈值为电源电压 VDD 的 10，各通道相对。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自通道上，逻辑值电路参考地（VSS）与功率电路参

51、考地之间有5V 到5V 的偏移量，并且能小于 50ns 的脉冲，这样便具有较理想的抗噪声效果。两个高压 MOS 管推挽驱动器的最大灌入和输出电流可达 20A，上桥臂通道可以承受 500V 的电压。输入通道与输出通道之间的传导延时较小，开通传导延时为 120ns，关断传导延时为 95ns。电源 VCC典型值为 15V，逻辑电源和模拟电源之间共用一个 15V 电源，逻辑地和模拟地连接在一起，输出端设有对功率电源 VCC 的欠压保护，当小于 8.2V 时，驱动输出。IR2110 具有很多优点：自举悬浮驱动电源可同时驱动上、下两个桥臂上的两个开关器件，可驱动达 500V 的主电路系统，工作频率高，可达 500KHz；具有电压保护相关逻辑；输出用图腾柱结构，驱动峰值电流为 2A，两通道设有低压延时（50ns）。还有一个输出的保护端 SD，在 SD 输入输出均被。IR2110 的优点，给实际系统设计带来了极大方便，特别是自举悬浮驱动电源设计大大简化了驱动电源的设计，只用一个电源即可完成对上下桥臂两个功率开关器件的驱动。图 2-10 中，C304 为退耦电容，它用于补偿电源线的