1、爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）目錄1緒論錯誤!未指定書簽。1.1課題研究原因和意義錯誤!未指定書簽。1.1.1課題研究的原因錯誤!未指定書簽。1.1.2課題研究的意義錯誤!未指定書簽。1.2目前國內外研究狀況錯誤!未指定書簽。1. 2.1輪組式錯誤!未指定書簽。2. 2.2履帶式錯誤!未指定書簽。3. 2.3腿式錯誤!未指定書簽。1. 2.4復合式錯誤!未指定書簽。1.3目前研究中所存在問題錯誤!未指定書簽。2系統方案設計錯誤!未指定書簽。2.1系統方案確定錯誤!未指定書簽。2. 2智能電動越障爬樓輪椅系統構成錯誤!未指定書簽。1. 2.1底盤系統錯誤!未指定書簽。2. 2.2座椅

2、姿態調整系統錯誤!未指定書簽。3. 2.3驅動控制系統錯誤!未指定書簽。3輪椅驅動模塊設計錯誤!未指定書簽。3.1 電機的選擇錯誤!未指定書簽。3. 2電機工作原理錯誤!未指定書簽。3. 3電源的選擇錯誤!未指定書簽。4. 4控制核心C8051F020錯誤!未指定書簽。3.4.1C8051F020概述錯誤!未指定書簽。3.4.2主要性能參數錯誤!未指定書簽。3.5.1電機轉速控制原理錯誤!未指定書簽。3.5.2電機轉速控制方案錯誤!未指定書簽。3. 6電機驅動電路錯誤!未指定書簽。4系統控制方案設計錯誤!未指定書簽。4. 1操縱桿設計錯誤!未指定書簽。4. 2雙電機同步控制方案錯誤!未指定書簽

3、。4. 2.1并行控制錯誤!未指定書簽。5. 2.2主從控制錯誤!未指定書簽。5輪椅車控制算法設計錯誤!未指定書簽。5.1速度檢測電路錯誤!未指定書簽。5. 2PID控制方法錯誤!未指定書簽。6. 2.1PID控制方法介紹錯誤!未指定書簽。5. 2.2數字式增量PID控制算法錯誤!未指定書簽。3 / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）5. 2.3標準PID算法的改進錯誤!未指定書簽。5. 2.4干擾的抑制錯誤!未指定書簽。5. 2.5PID調節器的參數整定錯誤!未指定書簽。# / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）6輪椅車控制模塊的數學模型錯誤!未指定書簽。6.1系統運

4、行方框圖錯誤!未指定書簽。6. 2系統運行原理錯誤!未指定書簽。7. 3建立數學模型錯誤!未指定書簽。7軟件實現錯誤!未指定書簽。7.1單片機片內的資源配置錯誤!未指定書簽。7.1.1 單片機內各功能模塊配置錯誤!未指定書簽。7. 1.2單片機的端口配置錯誤!未指定書簽。8. 2程序模塊介紹錯誤!未指定書簽。7. 2.1初始化模塊錯誤!未指定書簽。8. 2.2測速子程序錯誤!未指定書簽。9. 2.3主程序錯誤!未指定書簽。7.3總程序錯誤!未指定書簽。總結錯誤!未指定書簽。參考文獻錯誤!未指定書簽。致謝錯誤!未指定書簽。全套圖紙加3 / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）1緒論1.

5、1 課題研究原因和意義1 .1.1課題研究的原因現今，老齡化人群以和下肢殘障者在占我國總人口總數的比重愈來愈大，他們喪失了部分行動能力，更需要有人來加以幫助和護理。目前，在其中的很大一部分年老體弱者和下肢傷殘者會選擇輪椅作為他們的外出行動工具，而且大都需要在家人或護理人員下使用輪椅來進行活動。隨著現今社會的快速發展，城市化的不斷加快，樓梯和跨越路障等不斷增加。然而，對于普通輪椅而言是很難跨越這種障礙，從而限制了輪椅使用者的活動范圍，影響其一系列的社交生活。尤其是國內城市樓房公寓，電梯并沒有應用到所有的居民住宅，這給輪椅乘坐者造成諸多不便。馬路沿、土坑等戶外障礙同樣對老年人、殘障人士的出行帶來了

6、很多不便，影響了他們的正常生活。2 .1.2課題研究的意義為了解決弱勢群體人群增加而給社會經濟、醫療護理各方面帶來的巨大壓力，更好的關懷老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質量，除了加強改善房屋和各種公共建筑設施的無障礙設計，擴大輪椅的使用范圍之外，改進現有的普通輪椅，使其兼備平地行駛以及爬越樓梯障礙兩種功能，成為更行之有效、立竿見影的措施。值得注意的是，最近幾年突發性自然災害將導致肢體殘障者的數量大幅上升。大量災難幸存者急需輪椅等康復設備和輔助工具。因此，為了解決需求，給老年人和殘疾人士提供性能優越的交通和輔助工具，解決樓梯或路障對他們生活造成的不便，同時在考慮使用者的經濟所承受能力限制，研

7、究一種價格適宜、輕便的爬樓梯輪椅具有重大的現實意義和實用價值。1.2 目前國內外研究狀況在爬樓梯裝置的研究領域內，國外對爬樓梯裝置的研究開始得相對較早，最早的專利是1892年美國的Bray發明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國、德國和日本占主導地位，技術相對比較成熟，且有一些產品己經投入市場使用。5 / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）國內的研究也在近一、二十年內取得了顯著成果，近年來相關專利屢見不鮮，目前國內外現有的爬樓梯裝置和專利種類眾多，不同的爬樓梯裝置適用于不同的環境和條件，各有利弊。按照爬樓梯裝置爬樓執行機構的類型，主要可歸結為輪組式、履帶式、

8、腿式三類。1.2.1輪組式論的方式進行運動：平地行駛時，各小輪繞各自軸線心軸公轉。（專利號：US6,443,250BI）是一種能自動調節重心昱中最具代表性的爬樓裝置之一。iBOT不僅采用了比點了多個感知人一輪椅重心位置的陀螺儀，控制器根史輪椅能夠在不同路面和直立狀態下保持平衡。上市，售價相當于中高檔轎車的價格。如下圖所示:圖1.libot實物圖內蒙古民族大學物理與機電學院的蘇和平等人借鑒了iBOT5 / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓梯機構，設計了一種雙聯星形機構電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調整重心的位置

9、，安全爬樓。如下圖1-2和1-3所示圖卜2雙聯星形爬樓梯輪椅圖圖卜3雙聯星形爬樓梯輪椅改進圖電動輪姻中心齒輪;2）:行星齒輪；3:中心內齒輪而轉管必專用電動機圖J.“雙聯行星輪內部傳遞圖1.2.2履帶式履帶式爬樓梯裝置的原理類似于履帶裝甲運兵車或坦克，技術較成熟，操作簡單，行走時重心波動很小，對樓梯的形狀、尺寸適應性強。英國Baronmead公司開發的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結構，可爬樓梯的最大坡度為35度，上下樓梯速度為每分鐘15-20個臺階。法國Topchalr公司生產的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個車輪供正常情況下平地運行使用，當遇到樓梯等特殊地形時，用戶通過適、芻操作將兩側的

10、橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個車輪收起，依靠履帶無需旁人輔助便能自動7 / 82圖L5履帶式結構1.2.3腿式完成爬樓等功能。早期的爬樓梯裝置一月先將負重抬高，再水三梯裝置模仿人類爬樓口椅爬樓的原理。如圖:I51.丸行機構由較鏈桿件機構組成。上樓時卜過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓奇，采用多條機械腿交替升降、支撐座圖1.6步行式爬樓輪椅1.2.4復合式現今，爬樓裝置一個研究創新點是將上述的輪組、腿式、履帶機構相互結合，吸取各自的優點。比較廣泛的組合思路有以下兩種：一是輪履、腿履復合。比如中國科學技術大學精密機械與精密儀器系研制的一種小型全自主多種移動方式相融合的復合式越障輪椅。二是采用了

11、輪一履復合如圖17所示和輪一腿一履帶復合如圖1-8爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）所示等結構。設計主要是依靠腿式機構來完成越障，以及履帶平穩性和輪組的靈活性來達到功能的完整。圖L 7輪一履復合圖圖1. 8輪一腿一履復合圖1.3目前研究中所存在問題履帶式的缺點就是對樓梯邊緣施加的強壓力，不可避免的對樓梯沿有一定的損壞，不適合大絕大多數室內樓梯。自重較大，平地行走時阻力較大，相對于其他結構，履帶式轉彎需要更大的動力，使用過程中噪聲很大。這些都限制了它在日常生活中的推廣，被接受程度低。腿式爬樓裝置有最好的地形適應力，但承載重量較小，具有較大危險性，且重心偏高。運動相對比較平穩，顛簸感輕微，

12、但同時運行速度較緩。此外，該類型裝置對控制的要求較高，操作比較復雜，在平地行走時運動幅度不大，動作緩慢。復合式爬樓裝置各種機構的復合也給控制方面提出了更高的要求，而且爬樓過程中的穩定性、如何適應不同尺寸的樓梯、如何實現手動操作省力與省時的問題以及反向自鎖等問題仍然存在。綜上所述，國外在爬樓梯裝置方面的研究己經有一百多年的歷史，成果也較多，但是它們大多結構復雜、造價昂貴，遠遠超出了發展中國家人民的經濟承受能力。國內的研究相對較晚，雖然也誕生了很多專利，但由于受到體積、重量、穩定性及安全性的限制，還沒有產品真正投入使用。由此可見，為了解決移動輪椅使用受限的問題，同時考慮到我國使用者的經濟承受能力，

13、需要研究一種價格低廉、功能多樣的爬樓梯裝置。本裝置作為面向老年人和殘疾人的服務型機構，作者認為其設計思想必須從以下幾個性能出發：（1）平地、樓梯兩用；（2）平地行駛效率高，操作方便簡單；（3）爬樓時重心波動緩和，穩定性好；（49 / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）不平坦地形下對系統的重心作適時調節，避免車體傾斜給使用者帶來恐懼；（5）上下樓時符合日常運動習慣，避免反向上樓給乘坐者帶來不便；（6）輪椅結構盡量簡單，造價低廉。為了滿足上述要求，本文給出了一種結構緊湊、爬樓重心波動較小、正面上樓的平地、樓梯兩用助行裝置，并對其控制部分進行了詳細的論述。9 / 82爬樓梯的自行輪椅車設

14、計（含全套CAD圖紙）2系統方案設計2.1 系統方案確定通過綜合分析，各機構特點如下表所示:表2.1爬樓機構特點總結本定采用優勢較移動機構方式輪式履帶式腿式快較快慢差一般好簡單一般復雜*設計確小較小大爬樓梯易一般復雜強的輪移動速度越障能力機構復雜程度能耗量機構控制難易程度式機構。本論文采用的行星輪式爬樓梯輪椅的整體結構，行星輪結構在前進過程中通過中心軸驅動中心輪帶動行星輪從而帶動輪椅前迸，通過翻轉電機帶動行星架實現爬樓梯動作。該種結構的優點有：(1)平順的行駛能力。輪椅小車在平地行駛時，由于其結構上的特點，任意時刻都有兩個小車輪接地，利用輪組的定軸輪系傳遞動力，使小車輪快速的前進，其效率與普通

15、輪式驅動車輛相同。當遇到可跨越的障礙時，輪組通過形星輪系翻滾前進。(2)可靠的上下樓梯能力。輪椅小車上下樓梯時，小車輪驅動電機停止，形星輪減速器及蝸輪蝸桿式大減速比裝置形成自鎖功能，使輪輻電機驅動輪組翻滾時，輪組中心齒輪不轉動。這使得在上下樓梯過程中，小車輪不會發生滾動，使得運動方位的控制得到精確的保證。這一優點對小車下樓梯控制尤其重要。(3)控制方式容易實現。任意時刻輪椅車體左邊車輪組著地小車輪和右邊輪組著地小輪分別具有相同的轉速，這樣就能準確控制移動輪椅的行走狀態。(4)由電動機調速控制器來實現輪椅的轉彎、直線前進、爬樓前進三個基本運動單元,所需的轉彎半徑即為車身寬度。2.2 智能電動越障

16、爬樓輪椅系統構成智能電動越障爬樓輪椅從整體上可以分為電氣與機械兩個部分，機械部分主要由底盤系統與座椅調節系統構成，電氣部分主要由底盤驅動控制系統與座椅姿態檢測調整系統構成。該系統結構如圖2.1所示：圖2.1智能電動越障爬樓輪椅系統結構圖2.2.1 底盤系統爬樓底盤系統采用了創星的行星輪機構作前輪驅動行走，萬向輪、引導輪作為后輪輔助行走。該系統可實現平地行走和越障爬樓的功能，對崎嶇的路面具有較好的適應能13/82力。根據GBT18029&M6;23-2008,可知一般樓梯每階高度為180mm±5圖2.2標準樓梯結構圖# / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）19 /

17、 82圖2.3爬樓底盤運動效果下圖為行星輪系結構圖車輪圖2.4行星輪系結構圖行星輪結構由2K-H周轉輪系的演化結構來實現。下圖2.5是2K-H周轉輪系的結構簡圖。圖2.5KT周轉輪系的結構簡圖萬向輪由于受到輪胎直徑的影響，在水平作用力推動的情況下只能翻爬小于輪胎半徑的臺階或樓梯。在翻越樓梯及障礙的過程中采用中.純的萬向輪結構不僅會產生阻力，而且在翻爬樓梯時會產生較大的沖擊。在使用創新的引導輪結構與萬向輪相配合后，輪椅在翻越的過程中，障礙物或樓梯的臺階將首先與引導輪相接觸，由引導輪引導障礙物或樓梯的臺階與萬向輪和接觸。這樣不僅有利于提高萬向輪的翻越能力，而且可以減少阻力與沖擊。圖2.6創新的引導

18、輪結構222座椅姿態調整系統座椅姿態檢測采用雙軸傾角傳感器，實口寸檢測座椅與水平面的姿態以保證乘坐者的安全。翻轉時輪椅與地面的支撐點，增加了乘坐齊的安全性與舒適性，同時乂使得行星輪在翻轉的過程中所需要的力矩減少，翻轉更加容易。圖2.7座椅姿態調整機構示意圖2.2.3驅動控制系統驅動控制系統主要由微處理器系統、控制手柄及按鍵系統、主驅動電機及其驅動電路、電池組組成。驅動控制系統的目的在于配合機械結構完成相應的執行動作，保證輪椅的正常運行。電力驅動控制系統的效果圖如下：圖2.8電力驅動控制系統的效果圖3輪椅驅動模塊設計3.1 電機的選擇考慮到輪椅車的戶外使用條件,我們需要選擇永勵直流電機。永勵直流

19、電機根據有無機械換向裝置又分為有刷直流電機和無刷直流電機。無刷直流電機有如下優點：a）電子換向來代替傳統的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低b）屬靜態電機，空載電流小；c）效率高;d）體積小。固目前電動車大部分都采用無刷直流電機作為動力部分,且有很多相應的控制器。但其還有如下缺點：a）低速起動時有輕微振動；b）價格高，相應的控制器要求高，成本也高；c）易形成共振；而有刷電機的如下特性是無刷電機所不可比擬的：a）變速平穩，幾乎感覺不到振動；b）溫升低，可靠性好；c）價格低基于有刷直流電機的平穩可靠及低成本，本方案采用有刷直流電機。如果注意碳刷的保養，以及及時更換其使用性還是祚常好的。通過查找

20、相關資料，我選擇北京康鍵宜醫療器械有限公司的輪椅車專用電機DG-M4。其外形及參數如下：產品型號DG-M4DG-M11DG-M16DG-M17額定電壓24DV24DV24DV24DV頜定電流6A13A17.5A6A額定轉速12O±1RPJ(U0±10RPM120±10RPJIl7O±1RPHI額定負載3.39NM12NM17.5NM4.5NM最大負載11.Slffl19NM45NM17.8NM空載噪音<65DB<65DB<65DB<65DB制動力矩>50M>70NM>70NK>50M絕緣等級FFFF重量N5

21、.5kga電機殼體顏色戶黑色裂推薦輪子尺寸d3L75cm(12,5基本尺寸。見圖紙Q該電動機構由一個帶電磁離合器（剎車）裝置的永磁電動機和帶一級直齒和一級蝸輪副傳動的全封閉齒輪箱組成；手推輪椅時，可以通過簡易操作手柄釋放花鍵來實現離合。通過計算行走電機與翻轉電機均可為DG-M4。通過對花鍵的操作即可實現手動與自動的切換，而蝸輪蝸桿傳動對于爬樓裝置來說，可以實現自鎖，這對爬樓這一動作提供了安全保障。3.2 電機工作原理永磁直流電機是用永久磁體來建立電機所需的磁場，無需另用電源進行勵磁。有刷電機的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進入電樞繞

22、組，產生電樞電流，電樞電流產生的磁場與主磁場相互作用產生電磁轉矩，使電機旋轉帶動負載。21 / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）下圖為電機的四個永磁體磁極，排列在同一圓周上。圖3.1電機磁極排列鈦鐵硼是目前最好的永磁體材料，磁力非常強大、矯頑力很高，性能好的永磁電機多選用鈦鐵硼做磁極。磁極固定在機殼內，機殼同時為電機提供磁路。在下圖中用藍色的磁力線表示電機的磁路。圖3. 2電機的磁路永磁電機不需勵磁電流發熱較少，但機殼為防鐵粉污染多為密封，一般通過機殼外周多個散熱片進行散熱；端蓋板延伸到機殼外兼做機腳，整個構成電機的定子機座，通過機腳來安裝固定電機。永磁直流電機的轉子由轉子鐵芯，

23、轉子繞組、換向器、轉軸構成。電流通過電刷連接轉子繞組，四極電機一般有四組電刷，一同裝在刷架上，共同構成電刷組件。下圖顯示了轉子與電刷組件的相對位置。置圖3.3轉子與電刷組件的相對位25 / 82下圖為合上端蓋的永磁直流電機剖面圖永磁體磁極轉子鐵芯機殼轉子繞組電刷圖3.4永磁直流電機剖面圖3.3 電源的選擇明顯電動輪椅車的電源為可充電式電池，選擇好電池也是輪椅車正常工作的先決條件之-O本次方案選擇一般電動車上使用的鉛蓄電池。鉛蓄電池的優點是放電時電動勢較穩定，電壓平穩、使用溫度及使用電流范圍寬、能充放電數白.個循環、貯存性能好（尤其適于干式荷電貯存）、造價較低，因而應用廣泛。鉛蓄電池原理如下：把

24、A、B兩塊鉛板插入硫酸溶液中，鉛與硫酸作用的結果，使A、B兩塊鉛板上形成硫酸鉛，溶液中也被硫酸鉛飽和，這是還沒有電勢，給蓄電池充電時，在兩極上發生的化學反應如下：A;PbS04+2H20-2e-PbO2+H2so4+2H+;B:PbS04+2e-Pb+S042-;可以看出，充電后，A板上的Pb02成為正極，B板上Pb成為負極。放電時，兩極發生的反應如下：正極：Pb02+H2so4+2H+-2e-fPbS04+2H20-2e-;負極：Pb+S042-PbS04+2e-;又電機的額定電壓為24V,固選用24V的鉛蓄電池組。其自帶充電模塊。3.4 控制核心C8051F0203.4.1 C8051F0

25、20概述C8051F020系列單片機是Cygnal公司新推出的一種混合信號系統級單片機。該系列單片機片內含CIP-51的CPU內核，它的指令系統與MCS-51完全兼容。其中的C8051F020單片機含有64kB片內Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個I/0端口共64根I/0口線、一個12位A/D轉換器和一個8位A/D轉換器以及一個雙12位D/A轉換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉/比較模塊的可編程計數/定時器陣列、看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2.7-3.6V（端口I/0,RsT和JTAC引腳的耐壓為5

26、V）。與以前的51系列單片機相比，C8051F020增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高。外形及引腳排列如圖所示:爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）V：50 力二 力？ » aaXC A >5 ： 皿： J5 . 心工”.；c' p廣力a J U;2三三二三= mmcwirae4.1:： TCXrGMwq rwG>q d 戶-C5- AAZ-W、 -<£=!* -二、»£ 二一2W”x#*r”yyyxJ' guxh il賓11噴組念接 、= uwl=<二u、£ 5- -fs *

27、63;«二 YAS-5-wdmI C.UW =cuw OCX 7V; -rmrgg 二聲r、 171* T-V7- 二二 :75 6- 6. UK 人3天 AV- VXXT A3XDAV- '，VJ訐 3» 4 心之 !1 03 :*A2<3 J AZC t.3% ； ZZT： C ,rr>； &-% £、 SP fi， &，圖3.5C8051F020外形及引腳排列二匚二二U LI二E匚二二匚匚匚匚二LI二匚匚二模擬外VREF10/12 位100kspsADC8051 CPU I &4KB(25MIPS) | ISP F

28、LASH數字I/。4352 BSRAMJ TAG22個中斷仿真電路.匚”而控制電路nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn27 / 82uuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuu3.6C8051F020內部邏輯圖3.4.2主要性能參數C8051F02X系列單片機是集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機。芯片上有64位數字I/O口（C8051F020/2）或32位數字I/O口（C8051F021/3）。C8051F020作為整個系統的控制部件，它具有以下特點10,14： 高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達25MIPS）； 全速、非侵入式的在系統調試接口（片內

29、）； 12位、lOOksps的8通道ADC,帶PGA和模擬多路開關； 8位、500ksps的ADC,帶PGA和8通道模擬多路開關； 兩個12位DAC,具有可編程數據更新方式； 64KB可在系統編程的Flash存儲器； 4352（4096+256）B的片內RAM： 可尋址64KB地址空間的外部數據存儲器接口； 硬件實現的SPI、SMBus/IIC和兩個UART串行接口； 5個通用的16位定時器； 具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列； 片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器； 兩種可軟件編程的電源管理方式空閑方式（等待方式）和停機方式（掉電方式）；C8051F020工作電壓2.7

30、V-3.6V,端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓；64個10口，TQFP100封裝；與其它8位單片機相比，有更高的程序安全性；3.5 電機轉速控制3.5.1 電機轉速控制原理根據直流電機轉速方程（3-1）MU-IRn=式中u電樞財I電樞電流（A）；R一電樞回路總電阻（C）；一勵磁磁通（Wb）；七一由電機結構決定的電動勢常數。可推出有三種方法調節電動機的轉速：（1）調節電樞供電電壓（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻凡對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配

31、合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主。3.5.2 電機轉速控制方案山上可得電機直流調速系統往往以調壓調速為主，電壓可采用模擬電路實現.即通過改變電路中的電阻可得到可連續變化的可調電壓；也可通過數字電路實現,即通過PWM波來實現。模擬電路法功耗大，且對于精確控制來說非常困難。固一般均采用PWM驅動法。PWM驅動原理是就是直流斬波原理，利用大功率晶體管的開關特性來調制固定電壓的直流電源。按一個固定的頻率來接通和關斷，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，通過改變直流電動機電樞上的占空比來改變平均電壓的大小，從而控

32、制電機的轉速。因此，這種裝置又稱為“開關驅動裝置”。PWM輸出波形如圖L3所示，周期為T,一個周期內的導通時間為t,則加在電機兩端的平均電壓為：U=Vcct/T=aVcc（3-2）其中，a=t/T稱為占空比，Vcc為電源電壓。圖3.7PWM原理圖直流電機的轉速與電機兩端電壓成正比，而電機兩端的平均電壓與控制波形的占空比成正比，占空比越大，電機轉得越快，當占空比為1時，加在電機兩端的平均電壓最大，電機轉速也就最大。3.6 電機驅動電路單片機雖然可以輸出PWM波，但其輸出功率太小，無法滿足電機工作的需求，固要有功率放大器，一般功率放大器都是有MOS管或IGBT來放大，而這些分立元件組合起來就是一個

33、完整的功率放大器。現代電子技術是朝著高度集成化方向發展的，由于這些功率放大器在生產生活中引用廣泛，尤其是電機的普遍應用，所以市場上有專門的針對電機的功率放大芯片。本文選擇的是智能功率芯片BTS7960。其資料如下：BTS7960是NovalithIC家族三個獨立的芯片的一部分：一是p型通道的高電位場效應晶體管，二是一個n型通道的低電位場效應晶體管，結合一個驅動晶片，形成一個完全整合的高電流半橋。所有三個芯片是安裝在一個共同的引線框,利用芯片對芯片和芯片芯片技術。電源開關應用垂直場效應管技術來確保最佳的阻態。由于p型通道的高電位開關，需要一個電荷泵消除電磁干擾。通過驅動集成技術，邏輯電平輸入、電

34、流取樣診斷、轉換速率調整器，失效發生時間、防止欠電壓、過電流、短路結構輕易地連接到一個微處理器上。BTS7960可結合其他的BTS7960形成全橋和三相驅動結構。圖框如下：7 OUT-GND圖3.8BTS7960圖框MicrocontrollerVoltageRegulatorReversePolarityProtectionHighCurrentH-Bridge圖3.9BTS7960驅動電機電路綜上所述，我們可得出系統硬件的系統框圖為29 / 82爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）37 / 82圖3.10系統硬件框圖4系統控制方案設計4.1 操縱桿設計方案一：速度的給定山用戶通過操縱

35、桿來實現。操縱桿輸出兩路相互垂直的模擬信號,來實現控制輪椅運動的方向和速度，如圖所示：_ J Kv(KyVy + KxVx)1 Mxwhefin<nmwhenn,>nmAKnr =Kv(KyVy KxVx)%when nr < % when nr >圖4.1i勺信號 分量修 為兩輪式中Kx,Ky為X和Y方向的控制靈敏系數，Kx,Ky值越大，對相應通道的操縱桿輸出信號的檢測就越靈敏。通過適當配置*x,0就能獲得滿意的操縱性能。是由速度擋設定的系數，速度擋越高，時越大轉速給定也就越大。依據上兩式即可將用戶給定的控制信號分別轉化為左右兩輪的給定速度。方案二：我們直接對電機進行

36、控制，翻轉電機只需一個開關，即可實現翻轉電機的爬樓動作；行使電機則需要兩個開關，一個控制左行使電機，一個控制右行使電機，當兩個開關同時按下則實現直線行走，只開一個時實現轉向，轉速則通過單片機調節PWM波的占空比來實現無極調速。方案一是目前市場上專用控制手柄采用的方案，其操縱簡單，但成本相當高昂，且對硬件電路要求也非常高，需要提供相應的硬件接口與信號處理電路。實物圖如下：圖4.2專用控制手柄實物圖而方案二雖然操縱復雜點，但其成本較低廉，硬件易于實現，控制可靠，操作人員經過短時間的訓練即可適應。固采用方案二，下圖為控制開關分布圖：圖4.3控制開關分布圖方案二要解決的一個突出問題即為雙電機的同步實現

37、，因為行使是要實現直線行使的，不能跑偏，更為重要的是爬樓梯時，必須兩個電機轉速相同，否則會產生危險，使安全性大大降低。下面將講述雙電機的同步控制方案。4.2 雙電機同步控制方案目前存在的同步控制技術包括并行控制、主從控制、交叉耦合控制、虛擬總軸控制、偏差耦合控制。這里對并行控制和主從控制這兩種基本的控制方式作一下簡單的介紹和比較。4.2.1 并行控制并行控制是一種基于同一定值控制的并聯運行方式，這是一種最簡單的同步控制方法。并行式適用于每個單獨系統的控制目標基本一致的情況，要求伺服系統具有良好的速度穩定性。調速系統采用同一給定電壓，其控制結構圖如圖4.4所示。采用并行運行方式的同步控制系統其優

38、點在于啟動和停止階段系統的同步性能很好，但是由于整個系統相當于開環控制，當運行過程中某一臺電機受到擾動時，電機之間將會產生同步偏差，同步性能較差。圖4.4并行控制結構圖4.2.2 主從控制主從控制是一種基于跟蹤隨動原理的串聯運行方式。以雙電機為例，主從同步控制系統的結構圖如圖1.2所示。在這種控制方式中，主電機的輸出轉速作為從電機的轉速參考值。由此可推斷，任何加在主電機上的速度命令或是負載擾動都會被從電機反映并且跟隨，但是任何從電機上受到的擾動卻不會反饋回給主電機，也不會影響到其他的從電機。主從式特點是從系統跟蹤主系統的輸出，大大增加了其控制策略的穩定性，但存在跟蹤滯后。這種控制方式要求伺服系

39、統具有良好的跟蹤性能，主要應用在對速度或者位置的同步精度不是很高的工業生產中。4.5主從控制結構圖本系統設計的電機同步控制為了提高抗干擾能力，在一臺電機速度受到外部擾動或人為干擾時兩分電機仍能保持速度的同步，采用了帶速度負反饋的主從式控制結構，因為其穩定性很好，這對爬樓輪椅是相當有利的，速度負反饋可以確保相應的控制精度。跟蹤滯后問題可以通過pid算法和構建控制電路校正網絡電路進行改進。5輪椅車控制算法設計速度檢測電路測速元件是閉環調速系統中的關鍵元件，為了擴大調速范圍，改善電動機的低速平穩性，要求測速元件低速輸出穩定，波紋小，線性度好。常用的測速元件有模擬式測速元件和數字式測速元件。模擬式測速

40、元件通常采用測速發電機；數字式測速元件采用光電式脈沖發生器。數字測速元件具有低慣量低噪聲高分辨率和高精度的特點，有利于控制直流電機。在現代驅動控制系統中，為了提高速度反饋檢測精度，正在摒棄直流測速發電機加A/D轉換器的方案，而采用光電碼盤直接數字測速的方案。本系統采用增量式光電旋轉編碼器測量電機的速度。將光電編碼器與電動機相連，當電動機轉動時，帶動碼盤旋轉，便發出相應的信號。光電編碼器由光源，光電轉盤，光敏元件和光電整形放大電路組成。光電轉盤與被測軸連接，光源通過光電轉盤的透光孔射到光敏元件上，當轉盤轉動時.，光敏元件便發出與轉速成正比的脈沖信號，為了判別電機的轉向，光電編碼器輸出兩路相隔90

41、度電脈沖角度的正交脈沖。利用光電編碼器進行數字測速的常用方法有兩種：M法和T法。(1)M法測速：M法乂叫定時計數法，是用計數器記取規定時間內光電編碼器輸出的脈沖個數來反映轉速值，即在規定的時間間隔T內，測量編碼器光柵所產生的脈沖數來獲得被測的速度值。設編碼器光柵每轉一圈發出的脈沖數為Z,且在規定的時間T內，測得的脈沖數為M,則電機每分鐘轉數為：n=60M/ZT(5-1)將轉速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測量誤差率8,8反映了測速方法的準確性，8越小，準確度越高。M法測速誤差率取決于編碼器的制造精度，以及編碼器輸出脈沖前沿和測速時間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等，最多可以產生一個脈沖的誤

42、差。因此，M法測速誤差率的最大值為：60M6O(M-1)5=-Z7_xl00%=±(5-2)60MMZT由上式可知，誤差率3與M成反比，即脈沖數越大，誤差越小，故M法測速適用于高速段。(2)T法測速：T法乂叫定數計時法，是用定時器記取光電編碼器輸出脈沖一個周期內的高頻時基個數，然后取其倒數來反應速度值，即測量相鄰兩個脈沖的時間間隔來確定被測速度。設編碼器光柵每轉一圈發出的脈沖數為Z,定時器的時基是一已知頻率為F的高頻脈沖，定時器的起始和終止由編碼器光柵脈沖的兩個相鄰脈沖的起始沿控制。若定時器的讀數為M,則電機每分鐘的轉速為：n=60F/ZM(53)T法測速的誤差產生原因與M法相仿，定

43、時器的計數M最多存在一個脈沖的誤差，因此，T法測速誤差率的最大值為：60F60F欠Z(M-1)ZM"廣1/一、0=X100%=(0-4)60FM-1ZM低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻脈沖個數多，誤差小，故T法適用于低速段。我們采用M法測速。所采用的光電編碼器光柵每轉一圈發出1000個脈沖。設電機工作在額定轉速下，即n=500轉/分，則在0.1秒的采樣間隔內，計數器所應接受到的標準脈沖個數為M=500/60*0.1*1000=833個，可以看出，精度還是較高的。本設計中速度反饋回路的原理圖下圖所示。圖5.1速度反饋原理圖5.2PID控制方法5.2.1 PID控制方法介紹P

44、ID控制是迄今為止最通用的控制策略，有許多不同的方法以確定合適的控制器參數，根據現代理論的觀點，PID調節器具有本質的魯棒性、符合二次型最優控制選型原則、且具有智能化的專家特色。PID調節器及其改進型是在工業過程控制中最常見的控制器。PID控制是比例積分微分控制的簡稱，本身是一種基于對“過去”、“現在”和“未來”信息估計的控制算法，最早出現在模擬控制系統中，通過硬件(電子元件，氣動和液壓元件)來實現。控制器系統原理圖如圖5.2所示。r(t) +圖5.2模擬PID控制系統原理圖PID的三種控制規律可以組成不同的線性控制器。在電力傳動控制系統中，常采用的串聯校正控制裝置有比例微分(PD)控制器、比

45、例積分(PI)控制器及比例積分微分(PID)控制器。由PD控制器構成的超前校正可以提高穩定裕度并獲得足夠的快速性，但穩態精度可能受到影響；由PI控制器構成的滯后校正，可以保證穩態精度，但快速性不佳；用PID控制器實現的滯后-超前校正兼有二者的優點，可以全面提高系統的控制性能。連續控制系統中的模擬PID控制規律為：i=Kp+(5-5)式中,u(t)控制器的輸出e(t)控制量的偏差Kp比例系數Ti積分時間常數Td微分時間常數比例環節爬樓梯的自行輪椅車設計(含全套CAD圖紙)比例環節對偏差是即時反應的，偏差一旦出現，調節器立即產生控制作用，使輸出量朝減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數K

46、p。比例調節器雖然簡單快速，但對于系統響應為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數Kp可以減小靜差，但過大會使系統的動態質量變壞，引起輸出量震蕩,甚至導致系統不穩定。(2)積分環節為了消除在比例調節中的殘余靜差，可在比例調節的基礎上加入積分調節。積分調節具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u,從而減小偏差,直到偏差為零。如果積分時間常數Ti大，則積分作用弱，反之為強。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調，提高穩定性。引入積分環節的代價是降低系統的快速性。(3)微分環節為了加快控制過程，有必要在偏差出現或變化的瞬間，按偏差變化的趨勢進行控制,使偏差消滅在萌芽狀態，這就

47、是微分調節的原理。微分作用的加入將有助于減小超調，克服震蕩，使系統趨于穩定，特別對高階系統非常有利，它加快了系統的跟蹤速度，但對噪聲非常敏感，使用前需要對輸入信號進行濾波。5.2.2數字式增量PID控制算法計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法，根據采樣時刻的偏差值計算控制量，離散化得：(5-6)Mk)=Kpe(k)+Yje(j)+e(k)-e(k-1)11i=(i1式中k為采樣序號,k=0,1,2,3-如果采樣周期足夠小，這種離散逼近相當精確。式中u(k)為全量輸出，它對應于被控對象的執行機構第k次采樣時刻應達

48、到的位置。因此，上式稱為PID位置型控制算式。可以看出，按PID位置型控制算式計算u(k)時，輸出值與過去所有狀態有關。當執行機構需要的不是控制量的絕對數值，而是其增量時.(如步進電機的驅動)，可導出下式:«(/:)=u(k)u(k1)(5-7)TtI=Kpe(k)e(k-1)+e(k+e(k)-2e(k-1)+e(k-2)=KpQ+/+5*)7+號)e(k7)+號式k-2)TiTTTTTj=A)?Ale(k)+A2e(k-l)+A3e(k-2)其中，Al=+-+-此式稱為增量型PID控制算式，增量型FID控制算式具有以下優點：1 .計算機只輸出控制增量，即執行機構位置的變化部分，因

49、而誤動作影響小。2 .在k時刻的輸出u(k),只需要用到此時刻的偏差，及前兩次的偏差和前一次的輸出值，這大大節約了內存的計算時間。3 .在手動-自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。位置式控制算法可通過增量式控制算法推出遞推計算公式：(&)=()+u(k-1)=u(k-V)+KpAle(k)+A2e(k-1)+A3e(k-2)(5-8)這就是目前在計算機控制中廣泛應用的數字遞推PID控制算式。5.2.3標準PID算法的改進在實際過程中，控制變量因受到執行元件機械和物理性能的約束而限制在有限范圍內，即UminuUinax,如果由計算機給出的控制量u在上述范圍內，那么控制可以按預期的

50、結果進行。一旦超出上述范圍，例如超出最大閥門開度或進入執行元件的飽和區，那么實際執行的控制量就不再是計算值，由此將引起不希望的效應，這類效應通常稱為飽和效應。這類現象在給定值發生突變時特別容易發生，所以有時也稱為啟動效應。下面,我們分析這類效應在PID算法中帶來的影響及克服的辦法：41 / 82若給定值w從0突變到wO,且根據PID位置算法算出的控制量超出限制范圍，那么實際上控制量只能取上界值Umax,而不是計算值。此時系統輸出y雖不斷上升，但由于控制量受到限制,其增長要比沒有限制時慢。偏差e將比正常情況下持續更長的時間保持在正值，而使PID位置算式中的積分項有較大的累積值。當輸出超過給定值w

51、O后，開始出現負偏差，但由于積分項的累積值很大，還要經過相當一段時間后控制變量u才能脫離飽和區，這樣，就使系統出現了明顯的超調。顯然，在PID位置算法中“飽和作用”主要是由積分項引起的，故稱為“積分飽和”。克服積分飽和的方法有：1 .遇限削弱積分法。這一修正算法的基本思想是，一旦控制變量進入飽和區，將只執行削弱積分項的運算而停止進行增大積分項的運算。具體說，在計算ui時，將判斷上一時刻的控制量ui-1是否已超出限制范圍，如果已超出，那么將根據偏差的符號，判斷系統輸出是否在超調區域，由此決定是否將相應偏差計入積分項。2 .積分分離法。減小積分飽和的關鍵在于不能使積分項累積過大。上面的方法是一開始

52、就積分，但進入限制范圍后即停止累積。積分分離法與其相反，它在開始時不積分，直到偏差達到一定閥值后才進行積分累積。這樣，一方面防止一開始有過大的控制量，另一方面即使進入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調。5.2.4 干擾的抑制PID控制算法的輸入量是偏差e,也就是給定值與系統輸出的差。在進入正常調節后，由于輸出已接近給定，e的值不會太大。所以相對而言，干擾對調節有較大的影響,除了從系統硬件及環境方面采取措施外，在控制算法上也可采取一定的措施，以抑制干擾的影響。對于作用時間較為短暫的快速干擾，例如采樣器，A/D轉換器的偶然出錯等，我們可以簡單地采用連續多次采樣求平均值的辦法予以濾除。例

53、如圍繞著采樣時刻ti連續采樣N次，可得到eil、ei2、eiN。由于快速干擾往往比較強烈，只要有一個采樣數據受到快速隨機干擾，即使對它們求平均值，干擾的影響也會反映出來。因此，應剔除其中的最大最小值，對其余的N-2次采樣求平均值。由于在'次中連續偶然出錯的可能很小，故這樣做已足以消除這類快速隨機干擾的影響。5.2.5 PID調節器的參數整定PID調節器的設計一般來說可分為兩個部分，首先是選擇調節器的結構，以保證閉環系統的穩定，并盡可能消除穩態誤差。如要求系統穩態誤差為零，則應選擇包含積分環節的調節器如PI,PID等。對于有滯后性質的對象，往往引入微分環節等。另外，根據對象和對控制性能的

54、要求，還可采用一些改進的PID算法。一旦調節器的結構確定下來，下一步的任務就是調節器參數的整定。爬樓梯的自行輪椅車設計（含全套CAD圖紙）采樣周期的選定進行數字PID控制器參數整定時，首先應該解決的一個問題是確定合理的采樣周期To采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。但采樣周期短則會加重計算機的任務，影響工作效率，因此應合理選擇采樣周期。采樣周期T應遠遠小于系統中其它的時間常數，否則可能會由于采樣的頻帶寬度不夠而無法反映系統的動態過程。一般來說，采樣周期T的最大值受系統穩定性條件和香農采樣定理的限制而不能太大。T的最小值則受到計算機在一個采樣周期內能完成的計算工作量的限制，實際中常選2P

55、AI/T為系統有用信號最高頻率的4ro倍。系統的給定頻率較高時，采樣周期T相應減少，以使給定的變化得到反映。采樣周期還與所采用的控制算法和執行機構的類型有關。當采用數字PID控制算法時，積分作用和微分作用都與采樣周期有關。選擇T太小時，e(k)變化就很小，積分和微分作用將都不明顯。此外，通常執行機構慣性較大，采樣周期T應能與之相適應。如果系統的干擾是高頻的，則要適當的選擇采樣周期，使得干擾信號的頻率處入采樣器頻帶之外，從而使系統具有足夠的抗干擾能力。如果干擾是頻率已知低頻干擾，為了能夠采用濾波的方法排除干擾信號，采樣頻率應該與干擾信號的頻率成整數倍的關系。PID參數的整定采樣周期T通常遠遠小于系統的時間常數，因此，PID參數的整定可以按模擬調節器的方法來進行。參