爬楼梯的自行轮椅车设计

全套毕业设计CAD图纸加 36296518目录1 绪论31.1 课题研究原因和意义31.1.1课题研究的原因31.1.2课题研究的意义31.2 目前国内外研究状况31.2.1轮组式41.2.2履带式51.2.3腿式61.2.4复合式61.3 目前研究中所存在问题72 系统方案设计92.1 系统方案确定92.2智能电动越障爬楼轮椅系统构成102.2.1底盘系统102.2.2座椅姿态调整系统152.2.3驱动控制系统163 轮椅驱动模块设计183.1 电机的选择183.2 电机工作原理203.3 电源的选择233.4控制核心C8051F020233.4.1 C8051FO20概述233.4.2主要性能参数243.5电机转速控制253.5.1电机转速控制原理253.5.2电机转速控制方案263.6 电机驱动电路274 系统控制方案设计304. 1操纵杆设计304. 2双电机同步控制方案324.2.1 并行控制324.2.2 主从控制335 轮椅车控制算法设计355.1 速度检测电路355.2 PID控制方法365.2.1 PID控制方法介绍365.2.2 数字式增量PID控制算法385.2.3 标准PID算法的改进395.2.4 干扰的抑制405.2.5 PID调节器的参数整定406 轮椅车控制模块的数学模型436.1 系统运行方框图436.2系统运行原理446.3建立数学模型447 软件实现507.1 单片机片内的资源配置507.1.1 单片机内各功能模块配置507.1.2 单片机的端口配置517.2 程序模块介绍517.2.1 初始化模块517.2.2 测速子程序537.2.3 主程序567.3 总程序58总结67参考文献68致谢69全套图纸加 362965181 绪论1.1 课题研究原因和意义1.1.1课题研究的原因 现今，老龄化人群以和下肢残障者在占我国总人口总数的比重愈来愈大，他们丧失了部分行动能力，更需要有人来加以帮助和护理。目前，在其中的很大一部分年老体弱者和下肢伤残者会选择轮椅作为他们的外出行动工具，而且大都需要在家人或护理人员下使用轮椅来进行活动。随着现今社会的快速发展，城市化的不断加快，楼梯和跨越路障等不断增加。然而，对于普通轮椅而言是很难跨越这种障碍，从而限制了轮椅使用者的活动范围，影响其一系列的社交生活。尤其是国内城市楼房公寓，电梯并没有应用到所有的居民住宅，这给轮椅乘坐者造成诸多不便。马路沿、土坑等户外障碍同样对老年人、残障人士的出行带来了很多不便，影响了他们的正常生活。1.1.2课题研究的意义为了解决弱势群体人群增加而给社会经济、医疗护理各方面带来的巨大压力，更好的关怀老年人、残疾人的生活，改善他们的生活质量，除了加强改善房屋和各种公共建筑设施的无障碍设计，扩大轮椅的使用范围之外，改进现有的普通轮椅，使其兼备平地行驶以及爬越楼梯障碍两种功能，成为更行之有效、立竿见影的措施。值得注意的是，最近几年突发性自然灾害将导致肢体残障者的数量大幅上升。 大量灾难幸存者急需轮椅等康复设备和辅助工具。因此，为了解决需求，给老年人和残疾人士提供性能优越的交通和辅助工具，解决楼梯或路障对他们生活造成的不便，同时在考虑使用者的经济所承受能力限制，研究一种价格适宜、轻便的爬楼梯轮椅具有重大的现实意义和实用价值。1.2 目前国内外研究状况 在爬楼梯装置的研究领域内，国外对爬楼梯装置的研究开始得相对较早，最早的专利是1892 年美国的Bray 发明的爬楼梯轮椅。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国、德国和日本占主导地位，技术相对比较成熟，且有一些产品己经投入市场使用。国内的研究也在近一、二十年内取得了显著成果，近年来相关专利屡见不鲜，目前国内外现有的爬楼梯装置和专利种类众多，不同的爬楼梯装置适用于不同的环境和条件，各有利弊。按照爬楼梯装置爬楼执行机构的类型，主要可归结为轮组式、履带式、腿式三类。1.2.1轮组式 轮组式的特点是每个轮组依照星形轮的方式进行运动：平地行驶时，各小轮绕各自轴线自转；爬楼梯时，各小轮一起绕中心轴公转。 美国发明家Dean Kamen 发明的IBOT （专利号：US6 , 443 , 250 BI ）是一种能自动调节重心的两轮组式轮椅，是单轮组爬楼装置中最具代表性的爬楼装置之一。iBOT 不仅采用了比普通轮椅复杂的驱动结构，而且安装了多个感知人 轮椅重心位置的陀螺仪，控制器根据陀螺仪的信号调整重心的位置，使轮椅能够在不同路面和直立状态下保持平衡。iBOT3000 己经获得FDA 批准在欧美上市，售价相当于中高档轿车的价格。如下图所示: 图1.1 ibot实物图 内蒙古民族大学物理与机电学院的苏和平等人借鉴了iBOT 的爬楼方式，采用星形轮系作为爬楼梯机构，设计了一种双联星形机构电动爬楼梯轮椅。改轮椅爬楼时需要人工辅助或者楼梯扶手的辅助支撑，使其能调整重心的位置，安全爬楼。如下图1-2 和1-3所示 图1-2 双联星形爬楼梯轮椅图 图1-3 双联星形爬楼梯轮椅改进图 图1.4 双联行星轮内部传递图1.2.2履带式 履带式爬楼梯装置的原理类似于履带装甲运兵车或坦克，技术较成熟，操作简单，行走时重心波动很小，对楼梯的形状、尺寸适应性强。英国Baronmead 公司开发的一种电动轮椅车，底部是履带式的传动结构，可爬楼梯的最大坡度为35 度，上下楼梯速度为每分钟15-20个台阶。法国Topchalr 公司生产的电动爬楼梯轮椅，它的底部有四个车轮供正常情况下平地运行使用，当遇到楼梯等特殊地形时，用户通过适当操作将两侧的橡胶履带缓缓放下至地面，然后把这四个车轮收起，依靠履带无需旁人辅助便能自动完成爬楼等功能。如图1-5所示 图1.5 履带式结构1.2.3腿式 早期的爬楼梯装置一般都采用步行式，其爬楼梯执行机构由铰链杆件机构组成。上楼时先将负重抬高，再水平向前移动，如此重复这两个过程直至爬完一段楼梯。步行式爬楼梯装置模仿人类爬楼的动作，外观可视为足式轮椅，采用多条机械腿交替升降、支撑座椅爬楼的原理。如图1-6所示 图1.6 步行式爬楼轮椅1.2.4复合式 现今，爬楼装置一个研究创新点是将上述的轮组、腿式、履带机构相互结合，吸取各自的优点。比较广泛的组合思路有以下两种：一是轮履、腿履复合。比如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系研制的一种小型全自主多种移动方式相融合的复合式越障轮椅。二是采用了轮一履复合 如图1-7所示和轮腿一履带复合 如图1-8所示等结构。设计主要是依靠腿式机构来完成越障，以及履带平稳性和轮组的灵活性来达到功能的完整。 图1.7 轮一履复合图 图1.8 轮腿一履复合图1.3 目前研究中所存在问题履带式的缺点就是对楼梯边缘施加的强压力，不可避免的对楼梯沿有一定的损坏，不适合大绝大多数室内楼梯。自重较大，平地行走时阻力较大，相对于其他结构，履带式转弯需要更大的动力，使用过程中噪声很大。这些都限制了它在日常生活中的推广，被接受程度低。 腿式爬楼装置有最好的地形适应力，但承载重量较小，具有较大危险性，且重心偏高。运动相对比较平稳，颠簸感轻微，但同时运行速度较缓。此外，该类型装置对控制的要求较高，操作比较复杂，在平地行走时运动幅度不大，动作缓慢。复合式爬楼装置各种机构的复合也给控制方面提出了更高的要求，而且爬楼过程中的稳定性、如何适应不同尺寸的楼梯、如何实现手动操作省力与省时的问题以及反向自锁等问题仍然存在。综上所述，国外在爬楼梯装置方面的研究己经有一百多年的历史，成果也较多，但是它们大多结构复杂、造价昂贵，远远超出了发展中国家人民的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于受到体积、重量、稳定性及安全性的限制，还没有产品真正投入使用。由此可见，为了解决移动轮椅使用受限的问题，同时考虑到我国使用者的经济承受能力，需要研究一种价格低廉、功能多样的爬楼梯装置。本装置作为面向老年人和残疾人的服务型机构，作者认为其设计思想必须从以下几个性能出发： ( 1 ）平地、楼梯两用；( 2 ）平地行驶效率高，操作方便简单；( 3 ）爬楼时重心波动缓和，稳定性好；( 4 ）不平坦地形下对系统的重心作适时调节，避免车体倾斜给使用者带来恐惧；( 5 ）上下楼时符合日常运动习惯，避免反向上楼给乘坐者带来不便；（6）轮椅结构尽量简单，造价低廉。为了满足上述要求，本文给出了一种结构紧凑、爬楼重心波动较小、正面上楼的平地、楼梯两用助行装置，并对其控制部分进行了详细的论述。2 系统方案设计2.1 系统方案确定 通过综合分析，各机构特点如下表所示：表2.1 爬楼机构特点总结移动机构方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好机构复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂 本设计确定采用爬楼梯优势较强的轮式机构。本论文采用的行星轮式爬楼梯轮椅的整体结构,行星轮结构在前进过程中通过中心轴驱动中心轮带动行星轮从而带动轮椅前迸,通过翻转电机带动行星架实现爬楼梯动作。 该种结构的优点有：(1)平顺的行驶能力。轮椅小车在平地行驶时，由于其结构上的特点，任意时刻都有两个小车轮接地，利用轮组的定轴轮系传递动力，使小车轮快速的前进，其效率与普通轮式驱动车辆相同。当遇到可跨越的障碍时，轮组通过形星轮系翻滚前进。(2)可靠的上下楼梯能力。轮椅小车上下楼梯时，小车轮驱动电机停止，形星轮减速器及蜗轮蜗杆式大减速比装置形成自锁功能，使轮辐电机驱动轮组翻滚时，轮组中心齿轮不转动。这使得在上下楼梯过程中，小车轮不会发生滚动，使得运动方位的控制得到精确的保证。这一优点对小车下楼梯控制尤其重要。(3)控制方式容易实现。任意时刻轮椅车体左边车轮组着地小车轮和右边轮组着地小轮分别具有相同的转速，这样就能准确控制移动轮椅的行走状态。(4)由电动机调速控制器来实现轮椅的转弯、直线前进、爬楼前进三个基本运动单元，所需的转弯半径即为车身宽度。2.2智能电动越障爬楼轮椅系统构成智能电动越障爬楼轮椅从整体上可以分为电气与机械两个部分，机械部分主要由 底盘系统与座椅调节系统构成，电气部分主要由底盘驱动控制系统与座椅姿态检测调 整系统构成。该系统结构如图2.1所示：图2.1智能电动越障爬楼轮椅系统结构图2.2.1底盘系统爬楼底盘系统釆用了创星的行星轮机构作前轮驱动行走，万向轮、引导轮作为后 轮辅助行走。该系统可实现平地行走和越障爬楼的功能，对崎岖的路面具有较好的适应能力。根据GBT 18029.23-2008,可知一般楼梯每阶髙度为180 mm5 mm,最小楼梯坡度为35,容许误差为(见下图)。所有楼梯的梯级突边都在由两个相距10 mm、倾斜角度与楼梯坡度相同的平行平面所形成的区域内。 图2.2 标准楼梯结构图可画出爬楼底盘运动效果如图2.3所示： 图2.3 爬楼底盘运动效果下图为行星轮系结构图 图2.4 行星轮系结构图行星轮结构由2K-H周转轮系的演化结构来实现。下图2.5是2K-H周转轮系的 结构简图。图2.5 K-H周转轮系的结构简图万向轮由于受到轮胎直径的影响，在水平作用力推动的情况下只能翻爬小于轮胎 半径的台阶或楼梯。在翻越楼梯及障碍的过程中采用中.纯的万向轮结构不仅会产生阻力，而且在翻爬楼梯时会产生较大的冲击。在使用创新的引导轮结构与万向轮相配合后，轮椅在翻越的过程中，障碍物或楼梯的台阶将首先与引导轮相接触，由引导轮引导障碍物或楼梯的台阶与万向轮和接触。这样不仅有利于提高万向轮的翻越能力，而且可以减少阻力与冲击。图2.6 创新的引导轮结构2.2.2座椅姿态调整系统座椅姿态检测采用双轴倾角传感器，实吋检测座椅与水平面的姿态以保证乘坐者的安全。翻转时轮椅与地面的支撑点，增加了乘坐齐的安全性与舒适性，同时又使得行星轮在翻转的过程中所需要的力矩减少，翻转更加容易。 图2.7 座椅姿态调整机构示意图2.2.3驱动控制系统驱动控制系统主要由微处理器系统、控制手柄及按键系统、主驱动电机及其驱动电路、电池组组成。驱动控制系统的目的在于配合机械结构完成相应的执行动作，保证轮椅的正常运行。电力驱动控制系统的效果图如下: 图2.8 电力驱动控制系统的效果图3 轮椅驱动模块设计3.1 电机的选择 考虑到轮椅车的户外使用条件,我们需要选择永励直流电机。永励直流电机根据有无机械换向装置又分为有刷直流电机和无刷直流电机。无刷直流电机有如下优点：a) 电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低 b) 属静态电机，空载电流小； c) 效率高； d) 体积小。固目前电动车大部分都采用无刷直流电机作为动力部分,且有很多相应的控制器。但其还有如下缺点：a) 低速起动时有轻微振动； b) 价格高，相应的控制器要求高，成本也高； c) 易形成共振；而有刷电机的如下特性是无刷电机所不可比拟的：a) 变速平稳，几乎感觉不到振动； b) 温升低，可靠性好； c) 价格低基于有刷直流电机的平稳可靠及低成本，本方案采用有刷直流电机。如果注意碳刷的保养，以及及时更换其使用性还是非常好的。通过查找相关资料，我选择北京康键宜医疗器械有限公司的轮椅车专用电机DG-M4。其外形及参数如下： 图3.1 DG-M4外形 表3.1 DG电机产品系列 表3.2 DGM4电机参数该电动机构由一个带电磁离合器（刹车）装置的永磁电动机和带一级直齿和一级蜗轮副传动的全封闭齿轮箱组成；手推轮椅时，可以通过简易操作手柄释放花键来实现离合。通过计算行走电机与翻转电机均可为DG-M4。通过对花键的操作即可实现手动与自动的切换，而蜗轮蜗杆传动对于爬楼装置来说，可以实现自锁，这对爬楼这一动作提供了安全保障。3.2 电机工作原理永磁直流电机是用永久磁体来建立电机所需的磁场，无需另用电源进行励磁。有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。下图为电机的四个永磁体磁极，排列在同一圆周上。 图3.1 电机磁极排列钕铁硼是目前最好的永磁体材料，磁力非常强大、矫顽力很高，性能好的永磁电机多选用钕铁硼做磁极。磁极固定在机壳内，机壳同时为电机提供磁路。 在下图中用蓝色的磁力线表示电机的磁路。 图3.2 电机的磁路 永磁电机不需励磁电流发热较少，但机壳为防铁粉污染多为密封，一般通过机壳外周多个散热片进行散热；端盖板延伸到机壳外兼做机脚，整个构成电机的定子机座，通过机脚来安装固定电机。 永磁直流电机的转子由转子铁芯，转子绕组、换向器、转轴构成。电流通过电刷连接转子绕组，四极电机一般有四组电刷，一同装在刷架上，共同构成电刷组件。下图显示了转子与电刷组件的相对位置。 图3.3 转子与电刷组件的相对位置下图为合上端盖的永磁直流电机剖面图图3.4 永磁直流电机剖面图3.3 电源的选择 明显电动轮椅车的电源为可充电式电池，选择好电池也是轮椅车正常工作的先决条件之一。本次方案选择一般电动车上使用的铅蓄电池。铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广泛。铅蓄电池原理如下： 把A、B两块铅板插入硫酸溶液中，铅与硫酸作用的结果，使A、B两块铅板上形成硫酸铅，溶液中也被硫酸铅饱和，这是还没有电势，给蓄电池充电时，在两极上发生的化学反应如下： A;PbSO4+2H2O - 2e-PbO2+H2SO4+2H+; B:PbSO4+2e-Pb+SO42-; 可以看出，充电后，A板上的PbO2成为正极， B板上Pb成为负极。放电时，两极发生的反应如下： 正极：PbO2+H2SO4+2H+ -2e-PbSO4+2H2O-2e-; 负极：Pb+SO42-PbSO4+2e-;又电机的额定电压为24V,固选用24V的铅蓄电池组。其自带充电模块。3.4控制核心C8051F0203.4.1 C8051FO20概述C8051FO20系列单片机是Cygnal公司新推出的一种混合信号系统级单片机。该系列单片机片内含CIP-51的CPU内核，它的指令系统与MCS-51完全兼容。其中的C8051F020 单片机含有64kB片内Flash程序存储器，4352B的RAM、8个IO端口共64根IO口线、一个12位AD转换器和一个8位AD转换器以及一个双12位DA转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2.7-3.6V(端口IO，RsT和JTAC引脚的耐压为5V)。与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，同时其可靠性和速度也有了很大提高。外形及引脚排列如图所示： 图3.5 C8051FO20外形及引脚排列 图3.6 C8051FO20内部逻辑图3.4.2主要性能参数 C8051F02x 系列单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机。芯片上有 64 位数字 I/O 口（C8051F020/2)或 32 位数字 I/O 口（C8051F021/3）。C8051F020作为整个系统的控制部件，它具有以下特点10,14：l 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；l 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；l 12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；l 8位、500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；l 两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；l 64KB可在系统编程的Flash存储器；l 4352（4096+256）B的片内RAM；l 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；l 硬件实现的SPI、SMBus/IIC和两个UART串行接口；l 5个通用的16位定时器；l 具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；l 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器；l 两种可软件编程的电源管理方式-空闲方式（等待方式）和停机方式（掉电方式）；l C8051F020工作电压2.7V-3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压；l 64个IO口， TQFP100封装；l 与其它8位单片机相比，有更高的程序安全性；3.5电机转速控制3.5.1电机转速控制原理 根据直流电机转速方程 （3-1） 式中 U 电枢电压（V）； I 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（ W ）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。可推出有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 F； （3）改变电枢回路电阻 R。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。3.5.2电机转速控制方案 由上可得电机直流调速系统往往以调压调速为主,电压可采用模拟电路实现.即通过改变电路中的电阻可得到可连续变化的可调电压;也可通过数字电路实现,即通过PWM波来实现。模拟电路法功耗大，且对于精确控制来说非常困难。固一般均采用PWM驱动法。 PWM驱动原理是就是直流斩波原理，利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源。按一个固定的频率来接通和关断，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，通过改变直流电动机电枢上的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。PWM输出波形如图1.3所示，周期为T，一个周期内的导通时间为t，则加在电机两端的平均电压为： (3-2) 其中，= t /T称为占空比，为电源电压。 图3.7 PWM原理图直流电机的转速与电机两端电压成正比，而电机两端的平均电压与控制波形的占空比成正比，占空比越大，电机转得越快，当占空比为1时，加在电机两端的平均电压最大，电机转速也就最大。3.6 电机驱动电路 单片机虽然可以输出PWM波，但其输出功率太小，无法满足电机工作的需求，固要有功率放大器，一般功率放大器都是有MOS管或IGBT来放大，而这些分立元件组合起来就是一个完整的功率放大器。现代电子技术是朝着高度集成化方向发展的，由于这些功率放大器在生产生活中引用广泛，尤其是电机的普遍应用，所以市场上有专门的针对电机的功率放大芯片。本文选择的是智能功率芯片BTS7960。其资料如下：BTS7960是NovalithIC家族三个独立的芯片的一部分:一是p型通道的高电位场效应晶体管，二是一个n型通道的低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片,形成一个完全整合的高电流半桥。所有三个芯片是安装在一个共同的引线框,利用芯片对芯片和芯片芯片技术。电源开关应用垂直场效应管技术来确保最佳的阻态。由于p型通道的高电位开关，需要一个电荷泵消除电磁干扰。通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。BTS7960可结合其他的BTS7960形成全桥和三相驱动结构。图框如下： 图3.8 BTS7960图框引脚的定义和功能 表3.3 BTS7960引脚的定义和功能以下是其驱动电机的应用实例： 图3.9 BTS7960驱动电机电路综上所述，我们可得出系统硬件的系统框图为 图3.10 系统硬件框图4 系统控制方案设计4. 1操纵杆设计 方案一：速度的给定由用户通过操纵杆来实现。操纵杆输出两路相互垂直的模拟信号，来实现控制轮椅运动的方向和速度，如图所示： 图4.1 操纵杆输出信号分解 在上图（a）中，操纵杆搬动的方向和倾斜的程度分解为和两路互相垂直的信号输出；在图（b）中，轮椅运动的方向V由X方向的速度分量和Y方向的速度分量适量合成。设左，右轮的转速分别为，则易知为两轮的差模分量，为两轮转速的共模分量。，按照下面的算法建立联系：式中,为X和Y方向的控制灵敏系数，,值越大，对相应通道的操纵杆输出信号的检测就越灵敏。通过适当配置,就能获得满意的操纵性能。是由速度挡设定的系数，速度挡越高，越大转速给定也就越大。依据上两式即可将用户给定的控制信号分别转化为左右两轮的给定速度。方案二：我们直接对电机进行控制，翻转电机只需一个开关，即可实现翻转电机的爬楼动作；行使电机则需要两个开关，一个控制左行使电机，一个控制右行使电机，当两个开关同时按下则实现直线行走，只开一个时实现转向，转速则通过单片机调节PWM波的占空比来实现无极调速。 方案一是目前市场上专用控制手柄采用的方案，其操纵简单，但成本相当高昂，且对硬件电路要求也非常高，需要提供相应的硬件接口与信号处理电路。实物图如下： 图4.2专用控制手柄实物图而方案二虽然操纵复杂点，但其成本较低廉，硬件易于实现，控制可靠，操作人员经过短时间的训练即可适应。固采用方案二，下图为控制开关分布图：图4.3 控制开关分布图 方案二要解决的一个突出问题即为双电机的同步实现，因为行使是要实现直线行使的，不能跑偏，更为重要的是爬楼梯时，必须两个电机转速相同，否则会产生危险，使安全性大大降低。下面将讲述双电机的同步控制方案。4. 2双电机同步控制方案目前存在的同步控制技术包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制、偏差耦合控制。这里对并行控制和主从控制这两种基本的控制方式作一下简单的介绍和比较。4.2.1 并行控制 并行控制是一种基于同一定值控制的并联运行方式，这是一种最简单的同步控制方法。并行式适用于每个单独系统的控制目标基本一致的情况，要求伺服系统具有良好的速度稳定性。调速系统采用同一给定电压，其控制结构图如图4.4所示。采用并行运行方式的同步控制系统其优点在于启动和停止阶段系统的同步性能很好，但是由于整个系统相当于开环控制，当运行过程中某一台电机受到扰动时，电机之间将会产生同步偏差，同步性能较差。控制器电机1控制器电机2 图4.4 并行控制结构图4.2.2 主从控制主从控制是一种基于跟踪随动原理的串联运行方式。以双电机为例，主从同步控制系统的结构图如图1.2所示。在这种控制方式中，主电机的输出转速作为从电机的转速参考值。由此可推断，任何加在主电机上的速度命令或是负载扰动都会被从电机反映并且跟随，但是任何从电机上受到的扰动却不会反馈回给主电机，也不会影响到其他的从电机。主从式特点是从系统跟踪主系统的输出，大大增加了其控制策略的稳定性，但存在跟踪滞后。这种控制方式要求伺服系统具有良好的跟踪性能，主要应用在对速度或者位置的同步精度不是很高的工业生产中。控制器控制器电机1电机2 图4.5 主从控制结构图本系统设计的电机同步控制为了提高抗干扰能力，在一台电机速度受到外部扰动或人为干扰时两台电机仍能保持速度的同步，采用了带速度负反馈的主从式控制结构，因为其稳定性很好，这对爬楼轮椅是相当有利的，速度负反馈可以确保相应的控制精度。跟踪滞后问题可以通过pid算法和构建控制电路校正网络电路进行改进。5 轮椅车控制算法设计5.1 速度检测电路测速元件是闭环调速系统中的关键元件，为了扩大调速范围，改善电动机的低速平稳性，要求测速元件低速输出稳定，波纹小，线性度好。常用的测速元件有模拟式测速元件和数字式测速元件。模拟式测速元件通常采用测速发电机；数字式测速元件采用光电式脉冲发生器。数字测速元件具有低惯量低噪声高分辨率和高精度的特点，有利于控制直流电机。在现代驱动控制系统中，为了提高速度反馈检测精度，正在摒弃直流测速发电机加A/D转换器的方案，而采用光电码盘直接数字测速的方案。本系统采用增量式光电旋转编码器测量电机的速度。将光电编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动码盘旋转，便发出相应的信号。光电编码器由光源，光电转盘，光敏元件和光电整形放大电路组成。光电转盘与被测轴连接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘转动时，光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号，为了判别电机的转向，光电编码器输出两路相隔90度电脉冲角度的正交脉冲。利用光电编码器进行数字测速的常用方法有两种：M法和T法。（1）M法测速：M法又叫定时计数法，是用计数器记取规定时间内光电编码器输出的脉冲个数来反映转速值，即在规定的时间间隔T内，测量编码器光栅所产生的脉冲数来获得被测的速度值。设编码器光栅每转一圈发出的脉冲数为Z，且在规定的时间T内，测得的脉冲数为M，则电机每分钟转数为：n=60M/ZT （5-1）将转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测量误差率，反映了测速方法的准确性，越小，准确度越高。M法测速误差率取决于编码器的制造精度，以及编码器输出脉冲前沿和测速时间采样脉冲前沿不齐所造成的误差等，最多可以产生一个脉冲的误差。因此，M法测速误差率的最大值为： （5-2）由上式可知，误差率与M成反比，即脉冲数越大，误差越小，故M法测速适用于高速段。（2）T法测速：T法又叫定数计时法，是用定时器记取光电编码器输出脉冲一个周期内的高频时基个数，然后取其倒数来反应速度值，即测量相邻两个脉冲的时间间隔来确定被测速度。设编码器光栅每转一圈发出的脉冲数为Z，定时器的时基是一已知频率为F的高频脉冲，定时器的起始和终止由编码器光栅脉冲的两个相邻脉冲的起始沿控制。若定时器的读数为M，则电机每分钟的转速为： （5-3）T法测速的误差产生原因与M法相仿，定时器的计数M最多存在一个脉冲的误差，因此，T法测速误差率的最大值为： （5-4）低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频脉冲个数多，误差小，故T法适用于低速段。我们采用M法测速。所采用的光电编码器光栅每转一圈发出1000个脉冲。设电机工作在额定转速下，即n=500转/分，则在0.1秒的采样间隔内，计数器所应接受到的标准脉冲个数为M=500/60*0.1*1000=833个，可以看出，精度还是较高的。本设计中速度反馈回路的原理图下图所示。图5.1 速度反馈原理图5.2 PID控制方法5.2.1 PID控制方法介绍PID控制是迄今为止最通用的控制策略，有许多不同的方法以确定合适的控制器参数，根据现代理论的观点，PID调节器具有本质的鲁棒性、符合二次型最优控制选型原则、且具有智能化的专家特色。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器。PID控制是比例积分微分控制的简称，本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的控制算法，最早出现在模拟控制系统中，通过硬件（电子元件，气动和液压元件）来实现。控制器系统原理图如图5.2所示。现 在过 去未 来对 象 图5.2 模拟PID控制系统原理图PID的三种控制规律可以组成不同的线性控制器。在电力传动控制系统中，常采用的串联校正控制装置有比例微分（PD）控制器、比例积分（PI）控制器及比例积分微分（PID）控制器。由PD控制器构成的超前校正可以提高稳定裕度并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI控制器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，但快速性不佳；用PID控制器实现的滞后-超前校正兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能。连续控制系统中的模拟PID控制规律为: （5-5）式中, u ( t ) 控制器的输出 e ( t ) 控制量的偏差 Kp 比例系数 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数(1) 比例环节比例环节对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数Kp可以减小静差，但过大会使系统的动态质量变坏，引起输出量震荡,甚至导致系统不稳定。(2) 积分环节为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。如果积分时间常数Ti大，则积分作用弱，反之为强。增大Ti将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分环节的代价是降低系统的快速性。 (3) 微分环节为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋势进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服震荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度，但对噪声非常敏感，使用前需要对输入信号进行滤波。5.2.2 数字式增量PID控制算法计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法，根据采样时刻的偏差值计算控制量，离散化得： （5-6） 式中 k为采样序号，k=0,1,2,3 如果采样周期足够小，这种离散逼近相当精确。式中u（k）为全量输出，它对应于被控对象的执行机构第k次采样时刻应达到的位置。因此，上式称为PID位置型控制算式。可以看出，按PID位置型控制算式计算u(k)时，输出值与过去所有状态有关。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时(如步进电机的驱动)，可导出下式： （5-7） 其中， 此式称为增量型PID控制算式，增量型PID控制算式具有以下优点：1. 计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小。2. 在k时刻的输出u(k)，只需要用到此时刻的偏差，及前两次的偏差和前一次的输出值，这大大节约了内存的计算时间。3. 在手动-自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。位置式控制算法可通过增量式控制算法推出递推计算公式： （5-8）这就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算式。5.2.3 标准PID算法的改进 在实际过程中，控制变量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围内，即UminuUmax，如果由计算机给出的控制量u在上述范围内，那么控制可以按预期的结果进行。一旦超出上述范围，例如超出最大阀门开度或进入执行元件的饱和区，那么实际执行的控制量就不再是计算值，由此将引起不希望的效应，这类效应通常称为饱和效应。这类现象在给定值发生突变时特别容易发生，所以有时也称为启动效应。下面,我们分析这类效应在PID算法中带来的影响及克服的办法：若给定值w从0突变到w0，且根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围，那么实际上控制量只能取上界值Umax，而不是计算值。此时系统输出y虽不断上升，但由于控制量受到限制,其增长要比没有限制时慢。偏差e将比正常情况下持续更长的时间保持在正值，而使PID位置算式中的积分项有较大的累积值。当输出超过给定值w0后，开始出现负偏差，但由于积分项的累积值很大，还要经过相当一段时间后控制变量u才能脱离饱和区，这样，就使系统出现了明显的超调。显然，在PID位置算法中“饱和作用”主要是由积分项引起的，故称为”积分饱和”。克服积分饱和的方法有：1遇限削弱积分法。这一修正算法的基本思想是，一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。具体说，在计算ui时，将判断上一时刻的控制量ui-1是否已超出限制范围，如果已超出，那么将根据偏差的符号，判断系统输出是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。2积分分离法。减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过大。上面的方法是一开始就积分，但进入限制范围后即停止累积。积分分离法与其相反，它在开始时不积分，直到偏差达到一定阀值后才进行积分累积。这样，一方面防止一开始有过大的控制量，另一方面即使进入饱和后，因积分累积小，也能较快退出，减少了超调。5.2.4 干扰的抑制PID控制算法的输入量是偏差e，也就是给定值与系统输出的差。在进入正常调节后，由于输出已接近给定，e的值不会太大。所以相对而言，干扰对调节有较大的影响，除了从系统硬件及环境方面采取措施外，在控制算法上也可采取一定的措施，以抑制干扰的影响。对于作用时间较为短暂的快速干扰，例如采样器，A/D转换器的偶然出错等，我们可以简单地采用连续多次采样求平均值的办法予以滤除。例如围绕着采样时刻ti连续采样N次，可得到ei1、ei2、 、eiN。由于快速干扰往往比较强烈，只要有一个采样数据受到快速随机干扰，即使对它们求平均值，干扰的影响也会反映出来。因此，应剔除其中的最大最小值，对其余的N-2次采样求平均值。由于在N次中连续偶然出错的可能很小，故这样做已足以消除这类快速随机干扰的影响。5.2.5 PID调节器的参数整定PID调节器的设计一般来说可分为两个部分，首先是选择调节器的结构，以保证闭环系统的稳定，并尽可能消除稳态误差。如要求系统稳态误差为零，则应选择包含积分环节的调节器如PI，PID等。对于有滞后性质的对象，往往引入微分环节等。另外，根据对象和对控制性能的要求，还可采用一些改进的PID算法。一旦调节器的结构确定下来，下一步的任务就是调节器参数的整定。采样周期的选定进行数字PID控制器参数整定时，首先应该解决的一个问题是确定合理的采样周期T。采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。但采样周期短则会加重计算机的任务，影响工作效率，因此应合理选择采样周期。采样周期T应远远小于系统中其它的时间常数，否则可能会由于采样的频带宽度不够而无法反映系统的动态过程。一般来说，采样周期T的最大值受系统稳定性条件和香农采样定理的限制而不能太大。T的最小值则受到计算机在一个采样周期内能完成的计算工作量的限制，实际中常选2PAI/T为系统有用信号最高频率的410倍。系统的给定频率较高时，采样周期T相应减少，以使给定的变化得到反映。采样周期还与所采用的控制算法和执行机构的类型有关。当采用数字PID控制算法时，积分作用和微分作用都与采样周期有关。选择T太小时，e（k）变化就很小，积分和微分作用将都不明显。此外，通常执行机构惯性较大，采样周期T应能与之相适应。如果系统的干扰是高频的，则要适当的选择采样周期，使得干扰信号的频率处入采样器频带之外，从而使系统具有足够的抗干扰能力。如果干扰是频率已知低频干扰，为了能够采用滤波的方法排除干扰信号，采样频率应该与干扰信号的频率成整数倍的关系。PID参数的整定采样周期T通常远远小于系统的时间常数，因此，PID参数的整定可以按模拟调节器的方法来进行。参数整定通常有两种：理论设计法和实验确定法。前者需要有被控对象的精确模型，然后采用最优化的方法确定PID的各参数。被控对象的模型可通过物理建模或系统辨识方法得到，但这样通常只能得到近似的模型。因此，通过实验确定法（如试凑法，工程整定法）来选择PID参数是经常采用又行之有效的方法。本方案采用了试凑法。试凑前先要知道PID各调节参数对系统响应的影响。 试凑法是通过计算机仿真或实际运行，观察系统对典型输入作用的响应曲线，根据各调节参数（Kp，Ti，Td）对系统的影响，反复调节试凑，直到满意为止，从而确定PID参数。增大比例系数Kp将加快系统响应并减小系统稳态误差，但过大会产生较大的超调量，产生震荡，破坏系统的稳定性。增大积分时间常数Ti可使减小超调，提高系统稳定性，但系统误差的消除将随之变慢。增大微分时间常数Td可加速系统的响应，使超调量减小，增加系统的稳定性，但系统抗干扰能力下降。试凑时，可参考以上参数对控制系统性能的影响趋势，实行先比例，后积分，再微分的反复调整。（1）首先只调比例系数，将Kp由小到大，使响应曲线略有超调。此时系统若无稳态误差或稳态误差已小到允许范围内，并且认为响应曲线已属满意，那么，只须用比例调节器即可。（2）若在比例调节的基础上，系统稳态误差太大，则必须加入积分环节。整定时先将第一步所整定的比例系数略为缩小（如0.8倍），再将积分时间常数Ti置为一较大值并连续减小，使得在保持良好动态性能的前提下消除稳态误差。这一步可反复进行。（3）若使用PI调节器消除了稳态误差，但系统动态响应经反复调整后仍不能令人满意，则加入微分环节，构成PID控制器。在整定时先将微分时间常数Td设定为零，再逐步增加Td并同时进行前面两步的调整，以获得满意的调节效果和控制参数。需要指出，PID调节器的参数对控制系统性能的影响通常并不十分敏感，参数整定结果可以不唯一。706 轮椅车控制模块的数学模型针对双电机同步驱动控制在负载发生扰动时同步控制性能较差的问题，建立了两台直流电动机同步控制系统（速度控制）的数学模型。主要解决的问题是对两台直流电动机同步控制系统结构图进行分析，画出结构框图，算出传递函数， 对于国家标准有着严格要求的控制器标准，由此可以对其进行校正，构建校正网络电路，从而使得系统能够得到较好的性能指标。可有效解决控制系统快速性和平稳性的矛盾，使系统具有更高的同步控制精度。本文仅建立轮椅车控制模块的数学模型，对于控制器的优化问题已是现实的生产实际问题不在本文研究范围内，故没有进行论述。本方案是一个双直流电机同步驱动控制系统。主电机转速由操作者通过加减速开关直接给定，而从电机对其进行跟随同步转动，我们只需通过控制器调整加于从电机上的pwm波来控制从电机。在该系统中，直流电机的转速由测速传感器进行转换，由电源直接为系统提供输入量，并经过控制器和驱动电路之后，作为电机的驱动信号以驱动电机工作，再通过两个测速传感器的差值对系统进行反馈，当测速传感器的差值不等于零时，通过反馈进行调节。若差值为零，保持电机运转。6.1 系统运行方框图 图6.1系统运行方框图6.2系统运行原理在给定电压 输入下，电机1在控制器1及驱动电路1的作用下开始运行，控制器1将预定转速转化为信号使驱动电路作用直流电机，使之达到预定转速。同理，直流电机2在控制器2及驱动电路2的作用下运行，测速传感器2将电机1的速度数据与电机1测速传感器测得的速度数据进行比较，将电机1和电机2的速度差值作为反馈系统的输入量，通过调节，使电机1和电机2实现同步控制的目的。6.3建立数学模型（1）控制器 图6.2 控制器电路图可得 式中 本方案的控制器，承担着对输入信号进行控制的任务，除了对干扰信号的清除作用之外，还兼具有整流作用。在整个控制过程当中，也会对输入信号的其他一些因素起到一定的影响。放大功能就是其中之一，由于在控制器之后会再直接接上驱动电路，起到真正的放大信号作用，最终实现对电机的驱动。所以控制器还是以实现控制作用为主。所以在考虑参数的选择的时候，应该尽量考虑到对输入信号的控制和整流等，而不是使信号放大。所以应注意适当选取比例，微分，积分参数（通过实验可获得较好的效果）。由此可得控制器框图： 图6.3 控制器框图（2）驱动器 图6.4 驱动器电路图我们选取驱动电路的目的，是为了对输入信号进行放大，输入一个较小的信号，经过驱动电路放大之后，使之能够达到对电机驱动的目的。结合相应的实际情况，可以选取驱动器当中的两个放大器件， 串联。由此可得驱动器框图：图6.5 驱动器框图（3）直流电机图6.6 直流电机的等效电路图由直流电机的等效电路图可得：为电枢反电动势，方向与电枢电压相反 为反电枢系数，电磁矩方程 为电机转矩系数，为