電動(dòng)輪椅控制系統的設計與實(shí)現

0 引言

目前的電動(dòng)輪椅設計大體可分為兩種：一種是采用前被動(dòng)輪加后輪驅動(dòng)的方式，因為是前被動(dòng)輪加后驅動(dòng)輪的方式，所以回轉半徑窄的地方不能使用;另一種是根據希望前后左右都能夠自由移動(dòng)的全方向移動(dòng)方式，該方法是將驅動(dòng)輪配在車(chē)體中央附近的區域，這樣可以適應一定窄的環(huán)境，但由于車(chē)輪和車(chē)體之間不能產(chǎn)生相對運動(dòng)，所以無(wú)論在驅動(dòng)輪的配置上如何下功夫都不能使回轉半徑為零[1]。

針對上述兩種輪椅控制方案的缺點(diǎn)，設計實(shí)現了一種全方向輪椅控制系統。它是以DSP作為控制核心的電動(dòng)輪椅控制系統，采用單路電動(dòng)輪PID控制，雙路電動(dòng)輪速度差協(xié)調控制方案。給出了主電路結構，通過(guò)實(shí)際電路實(shí)現了設計方案，最后通過(guò)試驗結果證明了該設計方案的可行性。

1 系統總體設計

圖1 所示為電動(dòng)輪椅控制系統的結構框圖。

主要采用單個(gè)DSP 帶兩路無(wú)刷直流電機，直接通過(guò)DSP 實(shí)現對兩路電機的控制，并且將兩路BLDCM當前的位置反饋信號發(fā)送給DSP，DSP 計算采樣所得的反饋信號和位置給定信號，并發(fā)出相應的PWM 波，控制三相逆變器，進(jìn)而控制電機動(dòng)作。

在系統中兩路BLDCM 對于DSP來(lái)說(shuō)是一個(gè)集中的整體，DSP 獲取數據并反饋數據。在系統中，兩路BLDCM信息的處理有時(shí)是相互獨立的，所以具有相對獨立的軟件和硬件系統。另外，各通道的控制性能及效果幾乎一致，所以可以互換而不影響控制性能。

鍵盤(pán)和顯示部件都是直接與DSP相連，不存在傳輸過(guò)程中的信號干擾問(wèn)題，同時(shí)對于系統所處的各階段都可以直接通過(guò)鍵盤(pán)控制，并且在顯示部件上直觀(guān)反映。

電機的霍爾傳感器將電機轉子位置以三路高低電平信號送入DSP 的捕獲單元(CAP)，之后與換相表相比較，以控制三相逆變器功率管的開(kāi)通、關(guān)斷，使之與轉子的位置相匹配。

此外，系統將所采樣的相電壓信號作為功率保護信號經(jīng)電平轉換后直接送入DSP的功率保護引腳，當出現低電平時(shí)，將觸發(fā)DSP的功率保護中斷，DSP將封鎖對應通路的PWM 波。

DSP發(fā)出的PWM 波經(jīng)光耦隔離后送入功率驅動(dòng)芯片，進(jìn)行功率放大后送入三相逆變器功率管的柵、源極之間，以控制功率管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

2 系統控制策略

本設計主要控制策略包括以下兩個(gè)方面。

2.1 單路電機控制策略

如圖2所示，單路電機采用PID 閉環(huán)控制對轉速進(jìn)行調節。系統位置閉環(huán)性能直接決定了伺服系統的動(dòng)、靜態(tài)性能，是系統控制的關(guān)鍵部分。

PID算法具有結構簡(jiǎn)單，調試方便等特點(diǎn)。雖然在調節時(shí)改變量一定，但由于閉環(huán)產(chǎn)生的頻率很高，所以將改變量設定為一個(gè)較小量時(shí)，也能滿(mǎn)足系統的性能要求。在設定Ki，Kp，Kd 這3個(gè)參數范圍的基礎上，通過(guò)對實(shí)際電路參數進(jìn)行微調，在基本滿(mǎn)足系統快速性的基礎上同時(shí)達到較好的超調量，從而提高系統穩定性。

2.2 雙路電機控制策略

如圖3所示，是設計含有兩路獨立驅動(dòng)的電動(dòng)輪的控制系統框圖。由于兩個(gè)電機是分別安裝在兩個(gè)驅動(dòng)輪的軸上，所以當兩輪的驅動(dòng)裝置內部參數及外界路況不等時(shí)，即使兩個(gè)電機的輸入一樣，也不能保證兩個(gè)驅動(dòng)輪的速度相同，這里采用補償系統，來(lái)消除系統在運行過(guò)程中產(chǎn)生的兩電動(dòng)輪之間的速度差。

在直線(xiàn)運行中，采用速度差協(xié)調系統來(lái)調節兩個(gè)電動(dòng)輪的轉速。設定一主動(dòng)輪，讓從動(dòng)輪速度跟隨主動(dòng)輪，使兩個(gè)電動(dòng)輪速度盡量一致。在轉彎時(shí)，內外側的電機同時(shí)減速，內側電機的減幅遠大于外側電機的減速幅度。兩電機分別采用自己的參考速度，進(jìn)行獨立的PID運算，從而保證在路面狀況不是很好的情況下實(shí)現輪椅的轉彎[2]。

3 系統硬件設計

根據電動(dòng)輪椅功能需求，該設計主要由一片DSP和兩路BLDCM驅動(dòng)電路，以及必要的電平轉化電路組成。DSP負責整個(gè)系統的設計和控制，所有的信號的采集和處理都由DSP完成，并且還產(chǎn)生所需的PWM 信號與故障保護中斷請求。結合實(shí)際情況，設計中采用TMS320LF2407A 作為控制核心。它包括兩個(gè)獨立的事件管理器：每一個(gè)都包含兩個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位脈寬調制(PWM)輸出通道，三個(gè)捕捉單元，DSP主頻為 40MHz[3]。

如圖4 所示，驅動(dòng)電路主要通過(guò)驅動(dòng)芯片IR2130作為核心驅動(dòng)。逆變器主體由6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件組成三相全控橋電路，通過(guò)這6 個(gè)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷和導通完成BLDCM的驅動(dòng)，實(shí)現對電機轉速和轉向的控制。為防止自舉電容兩端電壓放電，二極管應選擇高頻恢復二極管HER107。另一方面為防止自舉電容放電造成其兩端電壓低于欠壓保護動(dòng)作的門(mén)檻電壓值，電容的取值應充分的大，本設計選擇47 滋F電容，耐壓25 V[4]。

4 系統軟件設計

圖5所示為產(chǎn)生逆變器驅動(dòng)信號PWM 波的中斷子程序流程圖。圖6所示為兩路BLDCM 速度協(xié)調控制中斷子程序流程圖。兩路BLDCM 分別選用T2和T4 作為時(shí)基，從而準確捕獲兩次中斷的時(shí)間間隔，兩個(gè)時(shí)鐘都選用連續增計數模式。

上一頁(yè) 1 2 下一頁(yè)