電動(dòng)輪椅變速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙】
河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前期報(bào)告河北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前期報(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)所學(xué)專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(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年4月3日一. 研究的目的和意義: 近年來隨著道路和步行道的平整化,或者室內(nèi)地板的平整化,除殘疾人外,對(duì)于隨著人口老齡化,而步行正變得日益艱難的人們,以及在醫(yī)院內(nèi)行動(dòng)的人們當(dāng)中,輪椅的使用的越來越廣泛。我國(guó)各類殘疾人的總數(shù)已達(dá)數(shù)千萬人,其中肢體傷殘人數(shù),綜合型殘疾人不在少數(shù),另外,隨著生活水平的提高和醫(yī)療條件的改善,我國(guó)老齡人口逐年增加,總數(shù)在億人以上,社會(huì)對(duì)電動(dòng)輪椅車的需求量是巨大的。 使用輪椅的人們使用手動(dòng)來驅(qū)動(dòng)輪椅有些困難,另外也不能保證時(shí)刻身邊有陪護(hù)人員,隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的日漸發(fā)展和成熟,尤其是電機(jī)控制技術(shù)的成熟以及多樣化,在這樣的背景下,最近提出了通過蓄電池來驅(qū)動(dòng)車輪軸的電動(dòng)輪椅方案,電動(dòng)輪椅是下肢殘疾人及年老體弱者使用的代步工具。以蓄電池提供能源,直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛,具有車速平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)便、無污染、噪音低的特點(diǎn)。但補(bǔ)充動(dòng)力(充電)時(shí)間較長(zhǎng),一次充電行駛距離短,適宜戶外短途使用。電動(dòng)輪椅除了輪椅本體之外,還有驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)裝置,控制該驅(qū)動(dòng)部的控制部,以及對(duì)控制部發(fā)出操作指令的驅(qū)動(dòng)部,輪椅是殘疾人的代步工具,由于傳統(tǒng)的輪椅沒有動(dòng)力源,對(duì)老年殘疾人或高度殘疾人帶來很大的代步障礙,為此研究與設(shè)計(jì)一種自帶動(dòng)力源的輪椅就成為當(dāng)務(wù)之急。二. 國(guó)內(nèi)外研究的歷史和現(xiàn)狀:隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人民生活水平的提高,人們對(duì)生活水平提高有了新的認(rèn)識(shí),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)能力有了新的要求,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。國(guó)內(nèi)目前尚不具備研制開發(fā)高性能電動(dòng)輪椅控制器的能力。國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)的電動(dòng)輪椅產(chǎn)品基本上都采用了價(jià)格昂貴的進(jìn)口電動(dòng)輪椅控制器,甚至部分企業(yè)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)總成也采用了外購(gòu)方式,因此國(guó)內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)的產(chǎn)品成本居高不下,以至電動(dòng)輪椅產(chǎn)品的市場(chǎng)售價(jià)長(zhǎng)期以來居高不下,難以為普通用戶接受,也直接影響了電動(dòng)輪椅市場(chǎng)的發(fā)展。而在國(guó)外,民用電動(dòng)輪椅的發(fā)展歷史則可追溯到二十世紀(jì)五十年代。第二次世界大戰(zhàn)后,社會(huì)對(duì)輪椅的需求量猛增。由于傷殘者對(duì)回歸社會(huì)和獨(dú)立生活的渴望,促使輪椅的性能和質(zhì)量不斷完善和提高,電動(dòng)輪椅技術(shù)的研究就是從此時(shí)起步的。那時(shí)電動(dòng)輪椅主要適用于患者的手功能很弱、不能驅(qū)動(dòng)普通輪椅時(shí);或雖然能驅(qū)動(dòng)普通輪椅,但行動(dòng)距離遠(yuǎn),體力不能負(fù)擔(dān)時(shí),或身體衰弱根本不宜驅(qū)動(dòng)時(shí)。到了二十世紀(jì)七十年代中期,單片機(jī)的出現(xiàn)使得電動(dòng)輪椅控制器的安全性和控制性能得到很大提高,電動(dòng)輪椅的研究得到了飛速的發(fā)展。為此,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定委員會(huì)康復(fù)工程部和北美援助技術(shù)協(xié)會(huì)共同制定了基于電池測(cè)試、穩(wěn)態(tài)測(cè)試、傾翻角測(cè)試、制動(dòng)距離測(cè)試、能耗測(cè)試、障礙翻越能力測(cè)試和其他一些體現(xiàn)輪椅性能特征的電動(dòng)輪椅標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止,國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出各種類型的電動(dòng)輪椅。按驅(qū)動(dòng)類型分,可分為雙輪驅(qū)動(dòng)型和多輪驅(qū)動(dòng)型??傮w來說,雙輪驅(qū)動(dòng)型輪椅體積較小,重量較輕;雙輪驅(qū)動(dòng)輪椅按驅(qū)動(dòng)輪的位置分又可分為前輪驅(qū)動(dòng)型,中輪驅(qū)動(dòng)型和后輪驅(qū)動(dòng)型。這三種類型的輪椅各有其優(yōu)缺點(diǎn):前輪驅(qū)動(dòng)型輪椅能夠在崎嶇不平的地面上行駛,爬坡能力強(qiáng),但它的速度較慢且方向不易控制;后輪驅(qū)動(dòng)型輪椅運(yùn)行平穩(wěn),行駛速度快,但回轉(zhuǎn)半徑最大,不適合在室內(nèi)使用;中輪驅(qū)動(dòng)型輪椅回轉(zhuǎn)半徑小,能夠在狹窄的空間內(nèi)運(yùn)行,但在行駛過程中前后的從動(dòng)輪容易被卡住。在多輪驅(qū)動(dòng)的輪椅中,四輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較廣泛,這種輪椅能夠在各種路面上行駛,但它體積較大,非常笨重,不適合室內(nèi)使用。電動(dòng)輪椅及其控制技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,對(duì)輪椅結(jié)構(gòu)和控制策略的研究已經(jīng)比較成熟?,F(xiàn)在,世界上大多數(shù)輪椅生產(chǎn)商開發(fā)的輪椅大多是雙輪驅(qū)動(dòng)型,其中又以中輪驅(qū)動(dòng)型為主。今后輪椅控制技術(shù)的研究方向已向智能化,網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、澳大利亞等多個(gè)國(guó)家以及我國(guó)的臺(tái)灣省都在進(jìn)行這方面的研究。智能輪椅技術(shù)是將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅,融合多種領(lǐng)域的研究,包括機(jī)器人視覺、機(jī)器人導(dǎo)航和定位、模式識(shí)別、多傳感器融合及用戶接口等,目的是使電動(dòng)輪椅脫離人手的控制,實(shí)現(xiàn)安全的自動(dòng)導(dǎo)航。如下圖中所示的JAZZY品牌電動(dòng)輪椅,其視圖如下,由此也可以清楚的看清其機(jī)構(gòu),組成部分。圖2.1 JAZZY品牌電動(dòng)輪椅其分解圖片如下: 圖2.2 JAZZY輪椅分解分解圖片三. 主要研究?jī)?nèi)容,初步設(shè)想解決方法3.1控制系統(tǒng)選擇,繼電器,可編程邏輯控制器,或者單片機(jī)。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。其優(yōu)點(diǎn)成本低,同時(shí)技術(shù)含量高,增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,但同時(shí)其設(shè)計(jì)技術(shù)要求較高。電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的結(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))、 無刷直流電機(jī)(兩相線圈)、 控制鍵盤( “前、 后,左、 右、 加速、 減速、 停止”共七個(gè)控制按鍵,顯示儀表(如電容量指示燈)、 測(cè)速霍爾傳感器(脈沖計(jì)數(shù)測(cè)速), 以及電源系統(tǒng)組成。電動(dòng)輪椅控制結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。圖3.1 電動(dòng)輪椅控制結(jié)構(gòu)圖車子動(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3.2 電動(dòng)輪椅控制方式圖具體設(shè)計(jì)內(nèi)容難點(diǎn)為搖桿鍵盤設(shè)計(jì)和無刷直流電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制就其系統(tǒng)要求而言,首先這種控制器應(yīng)能正常驅(qū)動(dòng)各種輪椅用電動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)輪椅最基本的前進(jìn),后退,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn)的行走功能;其次,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:該控制器是為控制電動(dòng)輪椅而設(shè)計(jì)的,它的使用者一般為殘疾人,老年人和病人。在使用該控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪椅運(yùn)行時(shí),控制器應(yīng)具備故障診斷的功能,確保每次開機(jī)時(shí)輪椅均處于正常狀態(tài),或及時(shí)診斷故障,防止輪椅在故障狀態(tài)下運(yùn)行,發(fā)生事故,危及使用者的安全。故障診斷不僅要能檢測(cè)操作桿自身故障,還應(yīng)能檢測(cè)電機(jī)的故障。具體的故障源包括:電池故障:電池電壓不足,或電池電壓過高;電機(jī)故障:左電機(jī)或右電機(jī)未連接;電磁剎車故障:左電磁剎車或右電磁剎車未連接或故障;通訊故障:控制板和功率板無連接;操作桿故障:開機(jī)時(shí)操作桿不在中心位置;功率管故障:功率管損壞,短路或斷路。每次開機(jī)時(shí),操作桿均應(yīng)做以上故障檢查;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。特別是在啟動(dòng)和制動(dòng)的過程,與一般工業(yè)控制要求的快速性相比,電動(dòng)輪椅的啟動(dòng)和制動(dòng)必須是相對(duì)緩慢的和無超調(diào)的,否則使用者會(huì)感到身體不適。其次,電動(dòng)輪椅的使用環(huán)境包括室內(nèi)和室外,行駛的路面包括水泥地,草地,木地板,地毯等。在不同的路面上行駛摩擦系數(shù)不同,負(fù)載也不同,控制器應(yīng)能適應(yīng)不同的負(fù)載變化,保持輪椅行駛速度的穩(wěn)定。另外,輪椅使用者的乘坐習(xí)慣也各不相同,有的坐得偏左,有的偏右,這樣就造成了輪椅左右電機(jī)負(fù)載的不平衡,對(duì)輪椅的運(yùn)行造成影響,控制器應(yīng)能對(duì)左右電機(jī)進(jìn)行電流補(bǔ)保證輪椅正常運(yùn)行。(3)靈活的參數(shù)設(shè)定:輪椅使用者的身體條件和操作習(xí)慣各不相同,有的人身體條件較好,能夠適應(yīng)快速的啟動(dòng)、制動(dòng)過程和更高的運(yùn)行速度,能夠靈活控制操作桿,控制輪椅的行駛方向;有的人則不然。輪椅控制器應(yīng)能滿足不同的使用要求,使操作者能夠自己調(diào)整部分輪椅運(yùn)行參數(shù),如最大加速度,最大運(yùn)行速度,操作桿的靈敏度等等。另外,本控制器并非為特定的直流電機(jī)設(shè)計(jì),在實(shí)際應(yīng)用中,控制器應(yīng)能驅(qū)動(dòng)不同參數(shù)的直流電機(jī)正常運(yùn)行,因此其控制電機(jī)的參數(shù)應(yīng)可調(diào)整。本設(shè)計(jì)中輪椅的可調(diào)參數(shù)如表2-1所示:表2-1輪椅可調(diào)參數(shù)1前進(jìn)、后退速度最大、最小值2前進(jìn)、后退加速度最大、最小值3轉(zhuǎn)彎減速度4故障狀態(tài)下,緊急停車的減速度5最大截止電流6倒車警示音7進(jìn)入休眠的時(shí)間8左右電機(jī)不平衡修正系數(shù)9低電量報(bào)警設(shè)定值10電壓反饋系數(shù)11電流補(bǔ)償度12 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)13左、右電機(jī)正、反換向14左、右電機(jī)交換3.2系統(tǒng)的硬件構(gòu)成原理框圖如圖3-3所示:圖3-3 硬件構(gòu)成原理框圖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),由單片機(jī)采集手柄控制棒和按鍵I/O的數(shù)據(jù),通過SCI模塊傳給DSP。DSP接收來自單片機(jī)控制板的手柄控制棒的參考輸入(X軸和Y軸的電壓輸入),將其轉(zhuǎn)化為PWM輸出,經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大電路送給2臺(tái)他勵(lì)永磁直流電機(jī),帶動(dòng)輪椅運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的功能。同時(shí),DSP的A/D模塊采樣電機(jī)的電壓和電流信號(hào),形成電壓閉環(huán)控制和電流補(bǔ)償及過流保護(hù)。3.3控制方案的選擇對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說,通常采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋來獲得比較理想的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。在電機(jī)控制系統(tǒng)中,速度檢測(cè)主要用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電碼盤等實(shí)現(xiàn),精度很高。但本系統(tǒng)使用的電機(jī)體積較小,裝在輪椅上運(yùn)行,如果外加測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)使輪椅更加笨重;另外系統(tǒng)對(duì)速度的控制精度要求不高,因此采用測(cè)量電動(dòng)機(jī)端電壓的方式近似估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速,既節(jié)約了成本,也減小了控制器的體積。電機(jī)的速度特性方程式為 (2.1)式中:n直流電機(jī)轉(zhuǎn)速U電動(dòng)機(jī)端電壓 Ia電機(jī)電樞電流R電樞回路總電阻K電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)勵(lì)磁磁通當(dāng)電樞電流較小時(shí),I R可略去,公式可簡(jiǎn)化為: (2-2)直接測(cè)量電機(jī)端電壓,即可近似求出電機(jī)轉(zhuǎn)速n五參考文獻(xiàn) 1 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