爬樓梯的自行輪椅車設(shè)計(jì)（含）

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1、全套畢業(yè)設(shè)計(jì)CAD圖紙加 36296518 目錄 1 緒論 3 1.1 課題研究原因和意義 3 1.1.1　課題研究的原因 3 1.1.2　課題研究的意義 3 1.2 目前國內(nèi)外研究狀況 3 1.2.1　輪組式 4 1.2.2　履帶式 5 1.2.3　腿式 6 1.2.4　復(fù)合式 6 1.3 目前研究中所存在問題 7 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9 2.1 系統(tǒng)方案確定 9 2.2智能電動越障爬樓輪椅系統(tǒng)構(gòu)成 10 2.2.1底盤系統(tǒng) 10 2.2.2座椅姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng) 15 2.2.3驅(qū)動控制系統(tǒng) 16 3 輪椅驅(qū)動模塊設(shè)計(jì) 18 3.1 電機(jī)的選擇 1

2、8 3.2 電機(jī)工作原理 20 3.3 電源的選擇 23 3.4控制核心C8051F020 23 3.4.1 C8051FO20概述 23 3.4.2主要性能參數(shù) 24 3.5電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 25 3.5.1電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理 25 3.5.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案 26 3.6 電機(jī)驅(qū)動電路 27 4 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 30 4. 1操縱桿設(shè)計(jì) 30 4. 2雙電機(jī)同步控制方案 32 4.2.1 并行控制 32 4.2.2 主從控制 33 5 輪椅車控制算法設(shè)計(jì) 35 5.1 速度檢測電路 35 5.2 PID控制方法 36 5.2.1 PID控制方法介紹

3、36 5.2.2 數(shù)字式增量PID控制算法 38 5.2.3 標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn) 39 5.2.4 干擾的抑制 40 5.2.5 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 40 6 輪椅車控制模塊的數(shù)學(xué)模型 43 6.1 系統(tǒng)運(yùn)行方框圖 43 6.2系統(tǒng)運(yùn)行原理 44 6.3建立數(shù)學(xué)模型 44 7 軟件實(shí)現(xiàn) 50 7.1 單片機(jī)片內(nèi)的資源配置 50 7.1.1 單片機(jī)內(nèi)各功能模塊配置 50 7.1.2 單片機(jī)的端口配置 51 7.2 程序模塊介紹 51 7.2.1 初始化模塊 51 7.2.2 測速子程序 53 7.2.3 主程序 56 7.3 總程序 58

4、 總結(jié) 67 參考文獻(xiàn) 68 致謝 69 單獨(dú)論文不含圖加 36296518 1 緒論 1.1 課題研究原因和意義 1.1.1　課題研究的原因 現(xiàn)今，老齡化人群以和下肢殘障者在占我國總?cè)丝诳倲?shù)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(hù)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(hù)理人員下使用輪椅來進(jìn)行活動。隨著現(xiàn)今社會的快速發(fā)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

5、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(nèi)城市樓房公寓，電梯并沒有應(yīng)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很多不便，影響了他們的正常生活。 1.1.2　課題研究的意義 為了解決弱勢群體人群增加而給社會經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療護(hù)理各方面帶來的巨大壓力，更好的關(guān)懷老年人、殘疾人的生活，改善他們的生活質(zhì)量，除了加強(qiáng)改善房屋和各種公共建筑設(shè)施的無障礙設(shè)計(jì)，擴(kuò)大輪椅的使用范圍之外，改進(jìn)現(xiàn)有的普通輪椅，使其兼?zhèn)淦降匦旭傄约芭涝綐翘菡系K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(fā)性自然災(zāi)害將導(dǎo)致

6、肢體殘障者的數(shù)量大幅上升。 大量災(zāi)難幸存者急需輪椅等康復(fù)設(shè)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(yōu)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(shí)在考慮使用者的經(jīng)濟(jì)所承受能力限制，研究一種價(jià)格適宜、輕便的爬樓梯輪椅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。 1.2 目前國內(nèi)外研究狀況 在爬樓梯裝置的研究領(lǐng)域內(nèi)，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(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國紛紛開始投入此項(xiàng)研究，其中美國、英國、德國和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對比較成熟，且有一些產(chǎn)品己經(jīng)投入市場使用。 國內(nèi)的研究也在近一、二十年內(nèi)取得了

7、顯著成果，近年來相關(guān)專利屢見不鮮，目前國內(nèi)外現(xiàn)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(huán)境和條件，各有利弊。按照爬樓梯裝置爬樓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型，主要可歸結(jié)為輪組式、履帶式、腿式三類。 1.2.1　輪組式 輪組式的特點(diǎn)是每個(gè)輪組依照星形輪的方式進(jìn)行運(yùn)動：平地行駛時(shí)，各小輪繞各自軸線自轉(zhuǎn)；爬樓梯時(shí)，各小輪一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。 美國發(fā)明家Dean Kamen 發(fā)明的IBOT （專利號：US6 , 443 , 250 BI ）是一種能自動調(diào)節(jié)重心的兩輪組式輪椅，是單輪組爬樓裝置中最具代表性的爬樓裝置之一。iBOT 不僅采用了比普通輪椅復(fù)雜的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，而且安裝了多個(gè)感知人

8、― 輪椅重心位置的陀螺儀，控制器根據(jù)陀螺儀的信號調(diào)整重心的位置，使輪椅能夠在不同路面和直立狀態(tài)下保持平衡。iBOT3000 己經(jīng)獲得FDA 批準(zhǔn)在歐美上市，售價(jià)相當(dāng)于中高檔轎車的價(jià)格。如下圖所示: 圖1.1 ibot實(shí)物圖 內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院的蘇和平等人借鑒了iBOT 的爬樓方式，采用星形輪系作為爬樓梯機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種雙聯(lián)星形機(jī)構(gòu)電動爬樓梯輪椅。改輪椅爬樓時(shí)需要人工輔助或者樓梯扶手的輔助支撐，使其能調(diào)整重心的位置，安全爬樓。如下圖1-2 和1-3所示 圖1-2 雙聯(lián)星形爬樓梯輪椅圖

9、 圖1-3 雙聯(lián)星形爬樓梯輪椅改進(jìn)圖 圖1.4 雙聯(lián)行星輪內(nèi)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(yùn)兵車或坦克，技術(shù)較成熟，操作簡單，行走時(shí)重心波動很小，對樓梯的形狀、尺寸適應(yīng)性強(qiáng)。英國Baronmead 公司開發(fā)的一種電動輪椅車，底部是履帶式的傳動結(jié)構(gòu)，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(gè)臺階。法國Topchalr 公司生產(chǎn)的電動爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車輪供正常情況下平地運(yùn)行使用，當(dāng)遇到樓梯等特殊地形時(shí)，用戶通過適當(dāng)操作將兩側(cè)的橡膠履帶緩緩放下至地面，然后把這四個(gè)車輪收起，依靠

10、履帶無需旁人輔助便能自動 完成爬樓等功能。如圖1-5所示 圖1.5 履帶式結(jié)構(gòu) 1.2.3　腿式 早期的爬樓梯裝置一般都采用步行式，其爬樓梯執(zhí)行機(jī)構(gòu)由鉸鏈桿件機(jī)構(gòu)組成。上樓時(shí)先將負(fù)重抬高，再水平向前移動，如此重復(fù)這兩個(gè)過程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類爬樓的動作，外觀可視為足式輪椅，采用多條機(jī)械腿交替升降、支撐座椅爬樓的原理。如圖1-6所示 圖1.6 步行式爬樓輪椅 1.2.4　復(fù)合式

11、 現(xiàn)今，爬樓裝置一個(gè)研究創(chuàng)新點(diǎn)是將上述的輪組、腿式、履帶機(jī)構(gòu)相互結(jié)合，吸取各自的優(yōu)點(diǎn)。比較廣泛的組合思路有以下兩種：一是輪履、腿履復(fù)合。比如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)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(fù)合式越障輪椅。二是采用了輪一履復(fù)合 如圖1-7所示和輪－腿一履帶復(fù)合 如圖1-8所示等結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)主要是依靠腿式機(jī)構(gòu)來完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來達(dá)到功能的完整。 圖1.7 輪一履復(fù)合圖 圖1.8 輪－腿一履復(fù)合圖 1.3 目前研究中所存在問題 履帶式的缺點(diǎn)就是對樓梯邊緣施加的強(qiáng)壓力，不可避免的對樓梯沿有一定的損

12、壞，不適合大絕大多數(shù)室內(nèi)樓梯。自重較大，平地行走時(shí)阻力較大，相對于其他結(jié)構(gòu)，履帶式轉(zhuǎn)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(yīng)力，但承載重量較小，具有較大危險(xiǎn)性，且重心偏高。運(yùn)動相對比較平穩(wěn)，顛簸感輕微，但同時(shí)運(yùn)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(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動幅度不大，動作緩慢。 復(fù)合式爬樓裝置各種機(jī)構(gòu)的復(fù)合也給控制方面提出了更高的要求，而且爬樓過程中的穩(wěn)定性、如何適應(yīng)不同尺寸的樓梯、如何實(shí)現(xiàn)手動操作省力與省時(shí)的問題以及反向

13、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(jīng)有一百多年的歷史，成果也較多，但是它們大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了發(fā)展中國家人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。國內(nèi)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(wěn)定性及安全性的限制，還沒有產(chǎn)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(shí)考慮到我國使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力，需要研究一種價(jià)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(wù)型機(jī)構(gòu)，作者認(rèn)為其設(shè)計(jì)思想必須從以下幾個(gè)性能出發(fā)： ( 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(shí)重心波動緩和，穩(wěn)定性好；( 4

14、 ）不平坦地形下對系統(tǒng)的重心作適時(shí)調(diào)節(jié)，避免車體傾斜給使用者帶來恐懼；( 5 ）上下樓時(shí)符合日常運(yùn)動習(xí)慣，避免反向上樓給乘坐者帶來不便；（6）輪椅結(jié)構(gòu)盡量簡單，造價(jià)低廉。 為了滿足上述要求，本文給出了一種結(jié)構(gòu)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(jìn)行了詳細(xì)的論述。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)方案確定 通過綜合分析，各機(jī)構(gòu)特點(diǎn)如下表所示： 表2.1 爬樓機(jī)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié) 移動機(jī)構(gòu)方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢

15、 越障能力 差 一般 好 機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 機(jī)構(gòu)控制難易程度 易 一般 復(fù)雜 本設(shè)計(jì)確定采用爬樓梯優(yōu)勢較強(qiáng)的輪式機(jī)構(gòu)。本論文采用的行星輪式爬樓梯輪椅的整體結(jié)構(gòu),行星輪結(jié)構(gòu)在前進(jìn)過程中通過中心軸驅(qū)動中心輪帶動行星輪從而帶動輪椅前迸,通過翻轉(zhuǎn)電機(jī)帶動行星架實(shí)現(xiàn)爬樓梯動作。 該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有： (1)平順的行駛能力。輪椅小車在平地行駛時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，任意時(shí)刻都有兩個(gè)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(jìn)，其效率與普通輪式

16、驅(qū)動車輛相同。當(dāng)遇到可跨越的障礙時(shí)，輪組通過形星輪系翻滾前進(jìn)。 (2)可靠的上下樓梯能力。輪椅小車上下樓梯時(shí)，小車輪驅(qū)動電機(jī)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(jī)驅(qū)動輪組翻滾時(shí)，輪組中心齒輪不轉(zhuǎn)動。這使得在上下樓梯過程中，小車輪不會發(fā)生滾動，使得運(yùn)動方位的控制得到精確的保證。這一優(yōu)點(diǎn)對小車下樓梯控制尤其重要。 (3)控制方式容易實(shí)現(xiàn)。任意時(shí)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(zhuǎn)速，這樣就能準(zhǔn)確控制移動輪椅的行走狀態(tài)。 (4)由電動機(jī)調(diào)速控制器來實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)彎、直線前進(jìn)、爬樓前進(jìn)三個(gè)基本運(yùn)動單元，所需的轉(zhuǎn)彎半徑即為車身寬度。 2.2智

17、能電動越障爬樓輪椅系統(tǒng)構(gòu)成 智能電動越障爬樓輪椅從整體上可以分為電氣與機(jī)械兩個(gè)部分，機(jī)械部分主要由 底盤系統(tǒng)與座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成，電氣部分主要由底盤驅(qū)動控制系統(tǒng)與座椅姿態(tài)檢測調(diào) 整系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示： 圖2.1智能電動越障爬樓輪椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.2.1底盤系統(tǒng) 爬樓底盤系統(tǒng)釆用了創(chuàng)星的行星輪機(jī)構(gòu)作前輪驅(qū)動行走，萬向輪、引導(dǎo)輪作為后 輪輔助行走。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)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(yīng)能力。 根據(jù)GBT 1802923-2008,可知一般樓梯每階髙度為180 mm5 mm,最小樓梯坡度為35,容許誤差為(見下圖)。所有樓梯的梯級突邊

18、都在由兩個(gè)相距10 mm、傾斜角度與樓梯坡度相同的平行平面所形成的區(qū)域內(nèi)。 圖2.2 標(biāo)準(zhǔn)樓梯結(jié)構(gòu)圖 可畫出爬樓底盤運(yùn)動效果如圖2.3所示： 圖2.3 爬樓底盤運(yùn)動效果 下圖為行星輪系結(jié)構(gòu)圖 圖2.4 行星輪系結(jié)構(gòu)圖 行星輪結(jié)構(gòu)由2K-H周轉(zhuǎn)輪系的演化結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。下圖2.5是2K-H周轉(zhuǎn)輪系的 結(jié)構(gòu)簡圖。 圖2.5 K-H周轉(zhuǎn)輪系的結(jié)構(gòu)簡圖 萬

19、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(jié)構(gòu)不僅會產(chǎn)生阻力，而且在翻爬樓梯時(shí)會產(chǎn)生較大的沖擊。在使用創(chuàng)新的引導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)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(dǎo)輪相接觸，由引導(dǎo)輪引導(dǎo)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(chuàng)新的引導(dǎo)輪結(jié)構(gòu) 2.2.2座椅姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng) 座椅姿態(tài)檢測采用雙軸傾角傳感器，實(shí)吋檢測座椅與水平面的姿態(tài)以保證乘坐者的安全。翻轉(zhuǎn)時(shí)輪椅與地面的支撐點(diǎn)，增加了乘坐齊的安全性與舒適性，同

20、時(shí)又使得行星輪在翻轉(zhuǎn)的過程中所需要的力矩減少，翻轉(zhuǎn)更加容易。 圖2.7 座椅姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖 2.2.3驅(qū)動控制系統(tǒng) 驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由微處理器系統(tǒng)、控制手柄及按鍵系統(tǒng)、主驅(qū)動電機(jī)及其驅(qū)動電路、電池組組成。驅(qū)動控制系統(tǒng)的目的在于配合機(jī)械結(jié)構(gòu)完成相應(yīng)的執(zhí)行動作，保證輪椅的正常運(yùn)行。電力驅(qū)動控制系統(tǒng)的效果圖如下: 圖2.8 電力驅(qū)動控制系統(tǒng)的效果圖 3 輪椅驅(qū)動模塊設(shè)計(jì) 3.1 電機(jī)的選擇 考慮到輪椅車的戶外使用條件,我們需要選擇

21、永勵(lì)直流電機(jī)。永勵(lì)直流電機(jī)根據(jù)有無機(jī)械換向裝置又分為有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)。 無刷直流電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)： a) 電子換向來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低 b) 屬靜態(tài)電機(jī)，空載電流?。? 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(jī)作為動力部分,且有很多相應(yīng)的控制器。但其還有如下缺點(diǎn)： a) 低速起動時(shí)有輕微振動； 　　 b) 價(jià)格高，相應(yīng)的控制器要求高，成本也高； 　　 c) 易形成共振； 而有刷電機(jī)的如下特性是無刷電機(jī)所不可比擬的： a) 變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動； 　　 b) 溫升低，可靠性好； 　 c) 價(jià)格低

22、 基于有刷直流電機(jī)的平穩(wěn)可靠及低成本，本方案采用有刷直流電機(jī)。如果注意碳刷的保養(yǎng)，以及及時(shí)更換其使用性還是非常好的。通過查找相關(guān)資料，我選擇北京康鍵宜醫(yī)療器械有限公司的輪椅車專用電機(jī)DG-M4。其外形及參數(shù)如下： 圖3.1 DG-M4外形 表3.1 DG電機(jī)產(chǎn)品系列 表3.2 DG－M4電機(jī)參數(shù) 該電動機(jī)構(gòu)由一個(gè)帶電磁離合器（剎車）裝置

23、的永磁電動機(jī)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(shí)，可以通過簡易操作手柄釋放花鍵來實(shí)現(xiàn)離合。通過計(jì)算行走電機(jī)與翻轉(zhuǎn)電機(jī)均可為DG-M4。通過對花鍵的操作即可實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)自鎖，這對爬樓這一動作提供了安全保障。 3.2 電機(jī)工作原理 永磁直流電機(jī)是用永久磁體來建立電機(jī)所需的磁場，無需另用電源進(jìn)行勵(lì)磁。有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)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(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動負(fù)載。 下圖為電機(jī)的四個(gè)永磁體磁極

24、，排列在同一圓周上。 圖3.1 電機(jī)磁極排列 釹鐵硼是目前最好的永磁體材料，磁力非常強(qiáng)大、矯頑力很高，性能好的永磁電機(jī)多選用釹鐵硼做磁極。磁極固定在機(jī)殼內(nèi)，機(jī)殼同時(shí)為電機(jī)提供磁路。 在下圖中用藍(lán)色的磁力線表示電機(jī)的磁路。 圖3.2 電機(jī)的磁路 永磁電機(jī)不需勵(lì)磁電流發(fā)熱較少，但機(jī)殼為防鐵粉污染多為密封，一般通過機(jī)殼外周多個(gè)散熱片進(jìn)行散熱；端蓋板延伸到機(jī)殼外兼做機(jī)腳，整個(gè)構(gòu)成電機(jī)的定子機(jī)座，通過機(jī)腳來安裝固定電機(jī)。 永磁直流

25、電機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。 電流通過電刷連接轉(zhuǎn)子繞組，四極電機(jī)一般有四組電刷，一同裝在刷架上，共同構(gòu)成電刷組件。下圖顯示了轉(zhuǎn)子與電刷組件的相對位置。 圖3.3 轉(zhuǎn)子與電刷組件的相對位置 下圖為合上端蓋的永磁直流電機(jī)剖面圖 圖3.4 永磁直流電機(jī)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一。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(yōu)點(diǎn)是放電時(shí)電動勢較穩(wěn)定，電壓平穩(wěn)、使用溫度及使用電流范圍寬、能充放電數(shù)百個(gè)循環(huán)、貯存性能好（尤其適于干

26、式荷電貯存）、造價(jià)較低，因而應(yīng)用廣泛。 鉛蓄電池原理如下： 　　把A、B兩塊鉛板插入硫酸溶液中，鉛與硫酸作用的結(jié)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(shí)，在兩極上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下： 　　A;PbSO4+2H2O - 2e-→PbO2+H2SO4+2H+; 　　B:PbSO4+2e-→Pb+SO42-; 　　可以看出，充電后，A板上的PbO2成為正極， B板上Pb成為負(fù)極。放電時(shí)，兩極發(fā)生的反應(yīng)如下： 　　正極：PbO2+H2SO4+2H+ -2e-→PbSO4+2H2O-2e-; 　　負(fù)極：Pb+SO42-→PbSO4+

27、2e-; 又電機(jī)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C8051F020 3.4.1 C8051FO20概述 C8051FO20系列單片機(jī)是Cygnal公司新推出的一種混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)。該系列單片機(jī)片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。其中的C8051F020 單片機(jī)含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個(gè)I／O端口共64根I／O口線、一個(gè)12位A／D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)雙12位D／A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)比較器、5個(gè)16位通用定時(shí)器、5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)／定時(shí)器陣列、看

28、門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機(jī)支持雙時(shí)鐘，其工作電壓范圍為2.7-3.6V(端口I／O，RsT和JTAC引腳的耐壓為5V)。與以前的51系列單片機(jī)相比，C8051F020增添了許多功能，同時(shí)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： 圖3.5 C8051FO20外形及引腳排列 圖3.6 C8051FO20內(nèi)部邏輯圖 3.4.2主要性能參數(shù) C8051F02x 系列單片機(jī)是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)。芯片上有 64 位數(shù)字 I/O 口（C8051F020/2)或

29、 32 位數(shù)字 I/O 口（C8051F021/3）。C8051F020 作為整個(gè)系統(tǒng)的控制部件，它具有以下特點(diǎn)[10,14]： l 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）； l 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）； l 12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)； l 8位、500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)； l 兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式； l 64KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器； l 4352（4096+256）B的片內(nèi)RAM； l 可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；

30、l 硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/IIC和兩個(gè)UART串行接口； l 5個(gè)通用的16位定時(shí)器； l 具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列； l 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器； l 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(jī)方式（掉電方式）； l C8051F020工作電壓2.7V-3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓； l 64個(gè)IO口， TQFP100封裝； l 與其它8位單片機(jī)相比，有更高的程序安全性； 3.5電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 3.5.1電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理 根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

31、 （3-1） 式中 U— 電樞電壓（V）； I — 電樞電流（A）； R — 電樞回路總電阻（ W ）； — 勵(lì)磁磁通（Wb）； — 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。 可推出有三種方法調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵(lì)磁磁通 F； （3）改變電樞回路電阻 R。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來

32、說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。 3.5.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案 由上可得電機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主,電壓可采用模擬電路實(shí)現(xiàn).即通過改變電路中的電阻可得到可連續(xù)變化的可調(diào)電壓;也可通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),即通過PWM波來實(shí)現(xiàn)。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(qū)動法。 PWM驅(qū)動原理是就是直流斬波原理，利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電

33、源。按一個(gè)固定的頻率來接通和關(guān)斷，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短，通過改變直流電動機(jī)電樞上的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 PWM輸出波形如圖1.3所示，周期為T，一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t，則加在電機(jī)兩端的平均電壓為： (3-2) 其中，α= t /T稱為占空比，為電源電壓。 圖3.7 PWM原理圖 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)

34、兩端電壓成正比，而電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比為1時(shí)，加在電機(jī)兩端的平均電壓最大，電機(jī)轉(zhuǎn)速也就最大。 3.6 電機(jī)驅(qū)動電路 單片機(jī)雖然可以輸出PWM波，但其輸出功率太小，無法滿足電機(jī)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(gè)完整的功率放大器。現(xiàn)代電子技術(shù)是朝著高度集成化方向發(fā)展的，由于這些功率放大器在生產(chǎn)生活中引用廣泛，尤其是電機(jī)的普遍應(yīng)用，所以市場上有專門的針對電機(jī)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NovalithI

35、C家族三個(gè)獨(dú)立的芯片的一部分:一是p型通道的高電位場效應(yīng)晶體管，二是一個(gè)n型通道的低電位場效應(yīng)晶體管，結(jié)合一個(gè)驅(qū)動晶片,形成一個(gè)完全整合的高電流半橋。所有三個(gè)芯片是安裝在一個(gè)共同的引線框,利用芯片對芯片和芯片芯片技術(shù)。電源開關(guān)應(yīng)用垂直場效應(yīng)管技術(shù)來確保最佳的阻態(tài)。由于p型通道的高電位開關(guān)，需要一個(gè)電荷泵消除電磁干擾。通過驅(qū)動集成技術(shù)，邏輯電平輸入、電流取樣診斷、轉(zhuǎn)換速率調(diào)整器，失效發(fā)生時(shí)間、防止欠電壓、過電流、短路結(jié)構(gòu)輕易地連接到一個(gè)微處理器上。BTS7960可結(jié)合其他的BTS7960形成全橋和三相驅(qū)動結(jié)構(gòu)。 圖框如下： 圖3.8 BTS

36、7960圖框 引腳的定義和功能 表3.3 BTS7960引腳的定義和功能 以下是其驅(qū)動電機(jī)的應(yīng)用實(shí)例： 圖3.9 BTS7960驅(qū)動電機(jī)電路 綜上所述，我們可得出系統(tǒng)硬件的系統(tǒng)框圖為 圖3.10 系統(tǒng)硬件框圖 4 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) 4. 1操縱桿設(shè)計(jì) 方案一：速度的給定由用戶通過操縱桿來實(shí)現(xiàn)。操縱桿輸出兩路相互垂直的模擬信號，來實(shí)現(xiàn)

37、控制輪椅運(yùn)動的方向和速度，如圖所示： 圖4.1 操縱桿輸出信號分解 在上圖（a）中，操縱桿搬動的方向和傾斜的程度分解為和兩路互相垂直的信號輸出；在圖（b）中，輪椅運(yùn)動的方向V由X方向的速度分量和Y方向的速度分量適量合成。設(shè)左，右輪的轉(zhuǎn)速分別為，，則易知為兩輪的差模分量，為兩輪轉(zhuǎn)速的共模分量。，，，按照下面的算法建立聯(lián)系： 式中,為X和Y方向的控制靈敏系數(shù)，,值越大，對相應(yīng)通道的操縱桿輸出信號的檢測就越靈敏。通過適當(dāng)配置,就能獲得滿意的操縱性能。是由速度擋設(shè)定的系數(shù)，速度擋越高，越大轉(zhuǎn)速給定也就越大。依據(jù)上兩式即可將用戶給定的控制信號分

38、別轉(zhuǎn)化為左右兩輪的給定速度。 方案二：我們直接對電機(jī)進(jìn)行控制，翻轉(zhuǎn)電機(jī)只需一個(gè)開關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)電機(jī)的爬樓動作；行使電機(jī)則需要兩個(gè)開關(guān)，一個(gè)控制左行使電機(jī)，一個(gè)控制右行使電機(jī)，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)按下則實(shí)現(xiàn)直線行走，只開一個(gè)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速則通過單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM波的占空比來實(shí)現(xiàn)無極調(diào)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(dāng)高昂，且對硬件電路要求也非常高，需要提供相應(yīng)的硬件接口與信號處理電路。實(shí)物圖如下： 圖4.2專用控制手柄實(shí)物圖 而方案二雖然操縱復(fù)雜點(diǎn)，但其成本較低廉，硬件易于實(shí)現(xiàn)，控制可靠

39、，操作人員經(jīng)過短時(shí)間的訓(xùn)練即可適應(yīng)。固采用方案二，下圖為控制開關(guān)分布圖： 圖4.3 控制開關(guān)分布圖 方案二要解決的一個(gè)突出問題即為雙電機(jī)的同步實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾惺故且獙?shí)現(xiàn)直線行使的，不能跑偏，更為重要的是爬樓梯時(shí)，必須兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，否則會產(chǎn)生危險(xiǎn)，使安全性大大降低。下面將講述雙電機(jī)的同步控制方案。 4. 2雙電機(jī)同步控制方案 目前存在的同步控制技術(shù)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(lián)運(yùn)行方式，這是一種最

40、簡單的同步控制方法。并行式適用于每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)的控制目標(biāo)基本一致的情況，要求伺服系統(tǒng)具有良好的速度穩(wěn)定性。調(diào)速系統(tǒng)采用同一給定電壓，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖4.4所示。采用并行運(yùn)行方式的同步控制系統(tǒng)其優(yōu)點(diǎn)在于啟動和停止階段系統(tǒng)的同步性能很好，但是由于整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制，當(dāng)運(yùn)行過程中某一臺電機(jī)受到擾動時(shí)，電機(jī)之間將會產(chǎn)生同步偏差，同步性能較差。 控制器 電機(jī)1 控制器 電機(jī)2 圖4.4 并行控制結(jié)構(gòu)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(lián)運(yùn)行方式。以雙電機(jī)為例，主從同步控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示。 在這

41、種控制方式中，主電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速作為從電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考值。由此可推斷，任何加在主電機(jī)上的速度命令或是負(fù)載擾動都會被從電機(jī)反映并且跟隨，但是任何從電機(jī)上受到的擾動卻不會反饋回給主電機(jī)，也不會影響到其他的從電機(jī)。 主從式特點(diǎn)是從系統(tǒng)跟蹤主系統(tǒng)的輸出，大大增加了其控制策略的穩(wěn)定性，但存在跟蹤滯后。這種控制方式要求伺服系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，主要應(yīng)用在對速度或者位置的同步精度不是很高的工業(yè)生產(chǎn)中。 控制器 控制器 電機(jī)1 電機(jī)2 圖4.5 主從控制結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電機(jī)同步控制為了提高抗干擾能力，在一臺電機(jī)速度受到外部擾動或人為干擾時(shí)兩臺電機(jī)

42、仍能保持速度的同步，采用了帶速度負(fù)反饋的主從式控制結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠浞€(wěn)定性很好，這對爬樓輪椅是相當(dāng)有利的，速度負(fù)反饋可以確保相應(yīng)的控制精度。跟蹤滯后問題可以通過pid算法和構(gòu)建控制電路校正網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行改進(jìn)。 5 輪椅車控制算法設(shè)計(jì) 5.1 速度檢測電路 測速元件是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，改善電動機(jī)的低速平穩(wěn)性，要求測速元件低速輸出穩(wěn)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(shù)字式測速元件。模擬式測速元件通常采用測速發(fā)電機(jī)；數(shù)字式測速元件采用光電式脈沖發(fā)生器。數(shù)字測速元件具有

43、低慣量低噪聲高分辨率和高精度的特點(diǎn)，有利于控制直流電機(jī)。在現(xiàn)代驅(qū)動控制系統(tǒng)中，為了提高速度反饋檢測精度，正在摒棄直流測速發(fā)電機(jī)加A/D轉(zhuǎn)換器的方案，而采用光電碼盤直接數(shù)字測速的方案。 本系統(tǒng)采用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器測量電機(jī)的速度。將光電編碼器與電動機(jī)相連，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出相應(yīng)的信號。光電編碼器由光源，光電轉(zhuǎn)盤，光敏元件和光電整形放大電路組成。光電轉(zhuǎn)盤與被測軸連接，光源通過光電轉(zhuǎn)盤的透光孔射到光敏元件上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時(shí)，光敏元件便發(fā)出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號，為了判別電機(jī)的轉(zhuǎn)向，光電編碼器輸出兩路相隔90度電脈沖角度的正交脈沖。 利用光電編碼器進(jìn)行數(shù)字測速的常用方法有兩種：M

44、法和T法。 （1）M法測速：M法又叫定時(shí)計(jì)數(shù)法，是用計(jì)數(shù)器記取規(guī)定時(shí)間內(nèi)光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)來反映轉(zhuǎn)速值，即在規(guī)定的時(shí)間間隔T內(nèi)，測量編碼器光柵所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測的速度值。設(shè)編碼器光柵每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為Z，且在規(guī)定的時(shí)間T內(nèi)，測得的脈沖數(shù)為M，則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為： n=60M/ZT （5-1） 將轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測量值之差與實(shí)際值之比定義為測量誤差率δ，δ反映了測速方法的準(zhǔn)確性，δ越小，準(zhǔn)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(shí)間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等，最多可以產(chǎn)生一個(gè)脈沖的誤差。

45、因此，M法測速誤差率的最大值為： （5-2） 由上式可知，誤差率δ與M成反比，即脈沖數(shù)越大，誤差越小，故M法測速適用于高速段。 （2）T法測速：T法又叫定數(shù)計(jì)時(shí)法，是用定時(shí)器記取光電編碼器輸出脈沖一個(gè)周期內(nèi)的高頻時(shí)基個(gè)數(shù)，然后取其倒數(shù)來反應(yīng)速度值，即測量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來確定被測速度。設(shè)編碼器光柵每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為Z，定時(shí)器的時(shí)基是一已知頻率為F的高頻脈沖，定時(shí)器的起始和終止由編碼器光柵脈沖的兩個(gè)相鄰脈沖的起始沿控制。若定時(shí)器的讀數(shù)為M，則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為：

46、 （5-3） T法測速的誤差產(chǎn)生原因與M法相仿，定時(shí)器的計(jì)數(shù)M最多存在一個(gè)脈沖的誤差，因此，T法測速誤差率的最大值為： （5-4） 低速時(shí)，編碼器相鄰脈沖間隔時(shí)間長，測得的高頻脈沖個(gè)數(shù)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(zhuǎn)一圈發(fā)出1000個(gè)脈沖。設(shè)電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速下，即n=500轉(zhuǎn)/分，則在0.1秒的采樣間隔內(nèi)，計(jì)數(shù)器所應(yīng)接受到的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)為M=500/60*0.1*1000=833個(gè)，可以看出，精度還是較高的。 本設(shè)計(jì)中速度反饋回路的原理圖下圖

47、所示。 圖5.1 速度反饋原理圖 5.2 PID控制方法 5.2.1 PID控制方法介紹 PID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(shù)，根據(jù)現(xiàn)代理論的觀點(diǎn)，PID調(diào)節(jié)器具有本質(zhì)的魯棒性、符合二次型最優(yōu)控制選型原則、且具有智能化的專家特色。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)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(xiàn)在”和“未來”信息估計(jì)的控制算法，最早出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，通過硬件（電子元件，氣動和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)。 控制器系統(tǒng)原理圖如圖5.2所示。 現(xiàn) 在 過 去 未 來 對 象

48、 圖5.2 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖 PID的三種控制規(guī)律可以組成不同的線性控制器。在電力傳動控制系統(tǒng)中，常采用的串聯(lián)校正控制裝置有比例微分（PD）控制器、比例積分（PI）控制器及比例積分微分（PID）控制器。由PD控制器構(gòu)成的超前校正可以提高穩(wěn)定裕度并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI控制器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但快速性不佳；用PID控制器實(shí)現(xiàn)的滯后-超前校正兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能。 連續(xù)控制系統(tǒng)中的模擬PID控制規(guī)律為:

49、 （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(shù) Ti 積分時(shí)間常數(shù) Td 微分時(shí)間常數(shù) (1) 比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)對偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)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(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp可以減小靜差，但過大會使系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量震蕩,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (2) 積分環(huán)節(jié) 為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘

50、余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)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(shí)間常數(shù)Ti大，則積分作用弱，反之為強(qiáng)。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分環(huán)節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。 (3) 微分環(huán)節(jié) 為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨勢進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度，但對噪聲非常敏感，使用前需要對輸入信號進(jìn)行濾波。 5.2.2

51、 數(shù)字式增量PID控制算法 計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。因此，連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法，根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，離散化得： （5-6） 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(dāng)精確。式中u（k）為全量輸出，它對應(yīng)于被控對象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)第k次采樣時(shí)刻應(yīng)達(dá)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

52、制算式計(jì)算u(k)時(shí)，輸出值與過去所有狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對數(shù)值，而是其增量時(shí)(如步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動)，可導(dǎo)出下式： （5-7） 其中， 此式稱為增量型PID控制算式，增量型PID控制算式具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而

53、誤動作影響小。 2. 在k時(shí)刻的輸出u(k)，只需要用到此時(shí)刻的偏差，及前兩次的偏差和前一次的輸出值，這大大節(jié)約了內(nèi)存的計(jì)算時(shí)間。 3. 在手動-自動切換時(shí)，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(jì)算公式： （5-8） 這就是目前在計(jì)算機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推PID控制算式。 5.2.3 標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn) 在實(shí)際過程中，控制變量因受到執(zhí)行元件機(jī)械和物理性能的約束而限制在有限范圍內(nèi)，即Umin

54、述范圍，例如超出最大閥門開度或進(jìn)入執(zhí)行元件的飽和區(qū)，那么實(shí)際執(zhí)行的控制量就不再是計(jì)算值，由此將引起不希望的效應(yīng)，這類效應(yīng)通常稱為飽和效應(yīng)。這類現(xiàn)象在給定值發(fā)生突變時(shí)特別容易發(fā)生，所以有時(shí)也稱為啟動效應(yīng)。下面,我們分析這類效應(yīng)在PID算法中帶來的影響及克服的辦法： 若給定值w從0突變到w0，且根據(jù)PID位置算法算出的控制量超出限制范圍，那么實(shí)際上控制量只能取上界值Umax，而不是計(jì)算值。此時(shí)系統(tǒng)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(shí)慢。偏差e將比正常情況下持續(xù)更長的時(shí)間保持在正值，而使PID位置算式中的積分項(xiàng)有較大的累積值。當(dāng)輸出超過給定值w0后，開始出現(xiàn)負(fù)偏差，但由于積

55、分項(xiàng)的累積值很大，還要經(jīng)過相當(dāng)一段時(shí)間后控制變量u才能脫離飽和區(qū)，這樣，就使系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的超調(diào)。 顯然，在PID位置算法中“飽和作用”主要是由積分項(xiàng)引起的，故稱為”積分飽和”?？朔e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(jìn)入飽和區(qū)，將只執(zhí)行削弱積分項(xiàng)的運(yùn)算而停止進(jìn)行增大積分項(xiàng)的運(yùn)算。具體說，在計(jì)算ui時(shí)，將判斷上一時(shí)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(jù)偏差的符號，判斷系統(tǒng)輸出是否在超調(diào)區(qū)域，由此決定是否將相應(yīng)偏差計(jì)入積分項(xiàng)。 2．積分分離法。減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過大。上面的方法是一開始就積分，但進(jìn)入限制范圍

56、后即停止累積。積分分離法與其相反，它在開始時(shí)不積分，直到偏差達(dá)到一定閥值后才進(jìn)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(jìn)入飽和后，因積分累積小，也能較快退出，減少了超調(diào)。 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(tǒng)輸出的差。在進(jìn)入正常調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)有較大的影響，除了從系統(tǒng)硬件及環(huán)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(shí)間較為短暫的快速干擾，例如采樣器，A/D轉(zhuǎn)換器的偶然出錯(cuò)等，我們可以簡單地采用連續(xù)多次采樣求平均值的辦法予以濾除。例如圍繞著

57、采樣時(shí)刻ti連續(xù)采樣N次，可得到ei1、ei2、… 、eiN。由于快速干擾往往比較強(qiáng)烈，只要有一個(gè)采樣數(shù)據(jù)受到快速隨機(jī)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(yīng)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N次中連續(xù)偶然出錯(cuò)的可能很小，故這樣做已足以消除這類快速隨機(jī)干擾的影響。 5.2.5 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)一般來說可分為兩個(gè)部分，首先是選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，并盡可能消除穩(wěn)態(tài)誤差。如要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，則應(yīng)選擇包含積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器如PI，PID等。對于有滯后性質(zhì)的對象，往往引入微分環(huán)節(jié)等。另外，根據(jù)對象和對控制性能的

58、要求，還可采用一些改進(jìn)的PID算法。一旦調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)確定下來，下一步的任務(wù)就是調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。 采樣周期的選定 進(jìn)行數(shù)字PID控制器參數(shù)整定時(shí)，首先應(yīng)該解決的一個(gè)問題是確定合理的采樣周期T。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(jì)算機(jī)的任務(wù)，影響工作效率，因此應(yīng)合理選擇采樣周期。 采樣周期T應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中其它的時(shí)間常數(shù)，否則可能會由于采樣的頻帶寬度不夠而無法反映系統(tǒng)的動態(tài)過程。一般來說，采樣周期T的最大值受系統(tǒng)穩(wěn)定性條件和香農(nóng)采樣定理的限制而不能太大。T的最小值則受到計(jì)算機(jī)在一個(gè)采樣周期內(nèi)能完成的計(jì)算工作量的限制，實(shí)際中常選2PAI/T為系統(tǒng)有用信號

59、最高頻率的4~10倍。系統(tǒng)的給定頻率較高時(shí)，采樣周期T相應(yīng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型有關(guān)。當(dāng)采用數(shù)字PID控制算法時(shí)，積分作用和微分作用都與采樣周期有關(guān)。選擇T太小時(shí)，e（k）變化就很小，積分和微分作用將都不明顯。此外，通常執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣性較大，采樣周期T應(yīng)能與之相適應(yīng)。如果系統(tǒng)的干擾是高頻的，則要適當(dāng)?shù)倪x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(tǒng)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(yīng)該與干擾信號的頻率成整數(shù)倍的關(guān)系。 PID參數(shù)的整定 采樣周期T通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)

60、的時(shí)間常數(shù)，因此，PID參數(shù)的整定可以按模擬調(diào)節(jié)器的方法來進(jìn)行。參數(shù)整定通常有兩種：理論設(shè)計(jì)法和實(shí)驗(yàn)確定法。前者需要有被控對象的精確模型，然后采用最優(yōu)化的方法確定PID的各參數(shù)。被控對象的模型可通過物理建模或系統(tǒng)辨識方法得到，但這樣通常只能得到近似的模型。因此，通過實(shí)驗(yàn)確定法（如試湊法，工程整定法）來選擇PID參數(shù)是經(jīng)常采用又行之有效的方法。本方案采用了試湊法。試湊前先要知道PID各調(diào)節(jié)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。 試湊法是通過計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶋H運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對典型輸入作用的響應(yīng)

61、曲線，根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)（Kp，Ti，Td）對系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。 增大比例系數(shù)Kp將加快系統(tǒng)響應(yīng)并減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但過大會產(chǎn)生較大的超調(diào)量，產(chǎn)生震蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 增大積分時(shí)間常數(shù)Ti可使減小超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但系統(tǒng)誤差的消除將隨之變慢。 增大微分時(shí)間常數(shù)Td可加速系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但系統(tǒng)抗干擾能力下降。 試湊時(shí)，可參考以上參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響趨勢，實(shí)行先比例，后積分，再微分的反復(fù)調(diào)整。 （1）首先只調(diào)比例系數(shù)，將Kp由小到大，使響應(yīng)曲線略有超調(diào)。此時(shí)系統(tǒng)若無穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍內(nèi)，并且認(rèn)為響

62、應(yīng)曲線已屬滿意，那么，只須用比例調(diào)節(jié)器即可。 （2）若在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差太大，則必須加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)先將第一步所整定的比例系數(shù)略為縮小（如0.8倍），再將積分時(shí)間常數(shù)Ti置為一較大值并連續(xù)減小，使得在保持良好動態(tài)性能的前提下消除穩(wěn)態(tài)誤差。這一步可反復(fù)進(jìn)行。 （3）若使用PI調(diào)節(jié)器消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)經(jīng)反復(fù)調(diào)整后仍不能令人滿意，則加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID控制器。在整定時(shí)先將微分時(shí)間常數(shù)Td設(shè)定為零，再逐步增加Td并同時(shí)進(jìn)行前面兩步的調(diào)整，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 需要指出，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響通常并不十分敏感，參數(shù)整定結(jié)果可以不唯一。

63、 70 6 輪椅車控制模塊的數(shù)學(xué)模型 針對雙電機(jī)同步驅(qū)動控制在負(fù)載發(fā)生擾動時(shí)同步控制性能較差的問題，建立了兩臺直流電動機(jī)同步控制系統(tǒng)（速度控制）的數(shù)學(xué)模型。主要解決的問題是對兩臺直流電動機(jī)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，畫出結(jié)構(gòu)框圖，算出傳遞函數(shù)， 對于國家標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格要求的控制器標(biāo)準(zhǔn)，由此可以對其進(jìn)行校正，構(gòu)建校正網(wǎng)絡(luò)電路，從而使得系統(tǒng)能夠得到較好的性能指標(biāo)。可有效解決控制系統(tǒng)快速性和平穩(wěn)性的矛盾，使系統(tǒng)具有更高的同步控制精度。本文僅建立輪椅車控制模塊的數(shù)學(xué)模型，對于控制器的優(yōu)化問題已是現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)實(shí)際問題不在本文研究范圍內(nèi)，故沒有進(jìn)行論述。 本方案是一個(gè)

64、雙直流電機(jī)同步驅(qū)動控制系統(tǒng)。主電機(jī)轉(zhuǎn)速由操作者通過加減速開關(guān)直接給定，而從電機(jī)對其進(jìn)行跟隨同步轉(zhuǎn)動，我們只需通過控制器調(diào)整加于從電機(jī)上的pwm波來控制從電機(jī)。在該系統(tǒng)中，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由測速傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由電源直接為系統(tǒng)提供輸入量，并經(jīng)過控制器和驅(qū)動電路之后，作為電機(jī)的驅(qū)動信號以驅(qū)動電機(jī)工作，再通過兩個(gè)測速傳感器的差值對系統(tǒng)進(jìn)行反饋，當(dāng)測速傳感器的差值不等于零時(shí)，通過反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)。若差值為零，保持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 6.1 系統(tǒng)運(yùn)行方框圖 圖6.1系統(tǒng)運(yùn)行方框圖 6.2系統(tǒng)運(yùn)行原理 在給定電壓 輸入下，電機(jī)1在控制器1及驅(qū)動電路1的作用下開始

65、運(yùn)行，控制器1將預(yù)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為信號使驅(qū)動電路作用直流電機(jī)，使之達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速。同理，直流電機(jī)2在控制器2及驅(qū)動電路2的作用下運(yùn)行，測速傳感器2將電機(jī)1的速度數(shù)據(jù)與電機(jī)1測速傳感器測得的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將電機(jī)1和電機(jī)2的速度差值作為反饋系統(tǒng)的輸入量，通過調(diào)節(jié)，使電機(jī)1和電機(jī)2實(shí)現(xiàn)同步控制的目的。 6.3建立數(shù)學(xué)模型 （1）控制器 圖6.2 控制器電路圖 可得 式中 本方案的控制器，承擔(dān)著對輸入信號進(jìn)行控制的任務(wù)，除了對干擾信號的清除作用之外，還兼具有整流作用。在整個(gè)控制過程當(dāng)中，也

66、會對輸入信號的其他一些因素起到一定的影響。放大功能就是其中之一，由于在控制器之后會再直接接上驅(qū)動電路，起到真正的放大信號作用，最終實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動。所以控制器還是以實(shí)現(xiàn)控制作用為主。所以在考慮參數(shù)的選擇的時(shí)候，應(yīng)該盡量考慮到對輸入信號的控制和整流等，而不是使信號放大。所以應(yīng)注意適當(dāng)選取比例，微分，積分參數(shù)（通過實(shí)驗(yàn)可獲得較好的效果）。 由此可得控制器框圖： 圖6.3 控制器框圖 （2）驅(qū)動器 圖6.4 驅(qū)動器電路圖 我們選取驅(qū)動電路的目的，是為了對輸入信號進(jìn)行放大，輸入一個(gè)較小的信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大之后，使之能夠達(dá)到對電機(jī)驅(qū)動的目的。結(jié)合相應(yīng)的實(shí)際情況，可以選取驅(qū)動器當(dāng)中的兩個(gè)放大器件， 串聯(lián)。 由此可得驅(qū)動器框圖： 圖6.5 驅(qū)動器框圖 （3）直流電機(jī) 圖6.6 直流電機(jī)的等效電路圖 由直流電機(jī)的等效電路圖可得： 為電樞反電動勢，方向與電樞電壓相反 為反電樞系數(shù)，電磁矩方程 為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)