河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
8862河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：電動(dòng)輪椅變速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生信息：060499，馬森，機(jī)設(shè)066
指導(dǎo)教師信息：曹東興，教授
報(bào)告提交日期：2010-5-10
一，電動(dòng)輪椅概況
年老體弱的人，或者身體殘疾的人，運(yùn)動(dòng)困難的人對(duì)出行方便和自行活動(dòng)能力有新的要求，電動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪需要同步運(yùn)轉(zhuǎn)，要求較高，原有的控制器使用繼電器進(jìn)行方向控制，屬于機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)，壽命有限，可靠性低，本課題采用單片機(jī)進(jìn)行編程控制，對(duì)于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，以及轉(zhuǎn)速控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)方向的綜合控制。
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(yùn)行，或及時(shí)診斷故障，保護(hù)乘坐人員的生命安全。其具體的要求如下：
（1）安全性：每次開機(jī)時(shí)，操作桿均應(yīng)做電池故障，電機(jī)故障，電磁剎車故障，通訊故障，操作桿故障，功率管故障等故障檢查；并且在運(yùn)行時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電動(dòng)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(dòng)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(yùn)行必須平穩(wěn)，舒適。
（3）靈活的操縱控制：靈活控制操作桿，并有按鍵控制輪椅的行駛方向與速度。
二，電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和組成
電動(dòng)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(jī))、 無(wú)刷直流電機(jī)(兩相線圈)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路， 控制鍵盤( “開關(guān)機(jī)，RESET, 加速， 減速，警鳴 ，剎車”共六個(gè)控制按鍵,搖桿控制（四方向），顯示液晶儀表(如電容量顯示，速度檔顯示)、以及電源系統(tǒng)等組成。電動(dòng)輪椅控制結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。
圖2.1 電動(dòng)輪椅控制結(jié)構(gòu)圖
2.1 MCS-96單片機(jī)的主要性能特點(diǎn)
1. 16位的CPU
2．256個(gè)字節(jié)寄存器陣列和專用寄存器
3．總線寬度可控
4．8KB片內(nèi)ROM
5．高效的指令系統(tǒng)
6．高速輸入/輸出器
7．5個(gè)8位輸入/輸出口
8．全雙工串行口
9．10位A/D轉(zhuǎn)換器
10．脈寬調(diào)制輸出器PWM
11．2個(gè)16位定時(shí)器
12．4個(gè)16位軟件定時(shí)器
13．16位監(jiān)視定時(shí)器
14．9個(gè)中斷源
2.2直流電機(jī)總概況
直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持 90°，即使采用永磁式，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋? 此外已有很多微處理機(jī)將控制電機(jī)必需的功能做在芯片中，而且體積越來(lái)越??；像模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (Analog-to-digital converter，ADC)、脈沖寬度調(diào)制(pulse wide modulator，PWM)…等。直流無(wú)刷電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相，得到類似直流電機(jī)特性又沒有直流電機(jī)機(jī)構(gòu)上缺失的一種應(yīng)用。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電子開關(guān)線路和驅(qū)動(dòng)電路4部分組成,是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流電源通過開關(guān)電路和驅(qū)動(dòng)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電,位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到,并進(jìn)行反饋控制輪椅的控制是兩個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，輪椅方向與電機(jī)控制圖如下：
車子動(dòng)作
左電動(dòng)機(jī)
右電動(dòng)機(jī)
前進(jìn)
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2.2 輪椅方向與電機(jī)控制圖
2.3 驅(qū)動(dòng)電路——PWM脈寬調(diào)制電路
根據(jù)輪椅的運(yùn)動(dòng)特性以及本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電機(jī)拖動(dòng)輪椅的方式，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要2直流電機(jī)在四象限運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的基本操作。因此本系統(tǒng)采用兩套雙極性H橋式驅(qū)動(dòng)電路分別對(duì)兩臺(tái)直流電機(jī)進(jìn)行控制。雙極性橋式驅(qū)動(dòng)電路原理圖下圖所示：
圖2.3 雙極性橋式驅(qū)動(dòng)電路、
在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0≤t ≤t時(shí)，VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止。電機(jī)的
電樞電壓： 電樞電流ia沿著VT1、電機(jī)、VT4流過；當(dāng)ton≤t ≤T，VT1和VT4截止，但由于電機(jī)電感的作用，電樞電流ia不能突變，經(jīng)由二極管D2,D3續(xù)流，由于二極管的鉗位，VT2和VT3無(wú)法導(dǎo)通，電樞電壓 機(jī)的電樞電壓和電樞電流波形如下圖所示：
由左圖可知，電機(jī)的電樞電壓平均值為：
若 即正脈沖較寬時(shí)，電樞兩端電壓平均值為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；負(fù)脈沖較寬，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 時(shí)，平均電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，但此時(shí)電機(jī)瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流均不為零，而是交變的。這種交變電流，能使電機(jī)產(chǎn)生微振，從而消除靜摩擦死區(qū)。令ρ=（2ton/T-1）Ud,則Ua=ρUd,。調(diào)速時(shí)p的變化范圍是一1至 1，p>O時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，p
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