爬樓梯的自行輪椅車(chē)設(shè)計(jì)（含全套CAD圖紙）

全套畢業(yè)設(shè)計(jì)CAD圖紙加 36296518目錄1 緒論31.1 課題研究原因和意義31.1.1課題研究的原因31.1.2課題研究的意義31.2 目前國(guó)內(nèi)外研究狀況31.2.1輪組式41.2.2履帶式51.2.3腿式61.2.4復(fù)合式61.3 目前研究中所存在問(wèn)題72 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)92.1 系統(tǒng)方案確定92.2智能電動(dòng)越障爬樓輪椅系統(tǒng)構(gòu)成102.2.1底盤(pán)系統(tǒng)102.2.2座椅姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)152.2.3驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)163 輪椅驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)183.1 電機(jī)的選擇183.2 電機(jī)工作原理203.3 電源的選擇233.4控制核心C8051F020233.4.1 C8051FO20概述233.4.2主要性能參數(shù)243.5電機(jī)轉(zhuǎn)速控制253.5.1電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理253.5.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方案263.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路274 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)304. 1操縱桿設(shè)計(jì)304. 2雙電機(jī)同步控制方案324.2.1 并行控制324.2.2 主從控制335 輪椅車(chē)控制算法設(shè)計(jì)355.1 速度檢測(cè)電路355.2 PID控制方法365.2.1 PID控制方法介紹365.2.2 數(shù)字式增量PID控制算法385.2.3 標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)395.2.4 干擾的抑制405.2.5 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定406 輪椅車(chē)控制模塊的數(shù)學(xué)模型436.1 系統(tǒng)運(yùn)行方框圖436.2系統(tǒng)運(yùn)行原理446.3建立數(shù)學(xué)模型447 軟件實(shí)現(xiàn)507.1 單片機(jī)片內(nèi)的資源配置507.1.1 單片機(jī)內(nèi)各功能模塊配置507.1.2 單片機(jī)的端口配置517.2 程序模塊介紹517.2.1 初始化模塊517.2.2 測(cè)速子程序537.2.3 主程序567.3 總程序58總結(jié)67參考文獻(xiàn)68致謝69全套圖紙加 362965181 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(guó)總?cè)丝诳倲?shù)的比重愈來(lái)愈大，他們喪失了部分行動(dòng)能力，更需要有人來(lái)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(huì)選擇輪椅作為他們的外出行動(dòng)工具，而且大都需要在家人或護(hù)理人員下使用輪椅來(lái)進(jìn)行活動(dòng)。隨著現(xiàn)今社會(huì)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(duì)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(dòng)范圍，影響其一系列的社交生活。尤其是國(guó)內(nèi)城市樓房公寓，電梯并沒(méi)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(duì)老年人、殘障人士的出行帶來(lái)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(shì)群體人群增加而給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療護(hù)理各方面帶來(lái)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(wú)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(jiàn)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(duì)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(guó)內(nèi)外研究狀況 在爬樓梯裝置的研究領(lǐng)域內(nèi)，國(guó)外對(duì)爬樓梯裝置的研究開(kāi)始得相對(duì)較早，最早的專(zhuān)利是1892 年美國(guó)的Bray 發(fā)明的爬樓梯輪椅。此后，各國(guó)紛紛開(kāi)始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)相對(duì)比較成熟，且有一些產(chǎn)品己經(jīng)投入市場(chǎng)使用。國(guó)內(nèi)的研究也在近一、二十年內(nèi)取得了顯著成果，近年來(lái)相關(guān)專(zhuān)利屢見(jiàn)不鮮，目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專(zhuān)利種類(lèi)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(lèi)型，主要可歸結(jié)為輪組式、履帶式、腿式三類(lèi)。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(dòng)：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(guó)發(fā)明家Dean Kamen 發(fā)明的IBOT （專(zhuān)利號(hào)：US6 , 443 , 250 BI ）是一種能自動(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)，而且安裝了多個(gè)感知人 輪椅重心位置的陀螺儀，控制器根據(jù)陀螺儀的信號(hào)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(chē)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(dòng)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 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(lèi)似于履帶裝甲運(yùn)兵車(chē)或坦克，技術(shù)較成熟，操作簡(jiǎn)單，行走時(shí)重心波動(dòng)很小，對(duì)樓梯的形狀、尺寸適應(yīng)性強(qiáng)。英國(guó)Baronmead 公司開(kāi)發(fā)的一種電動(dòng)輪椅車(chē)，底部是履帶式的傳動(dòng)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(tái)階。法國(guó)Topchalr 公司生產(chǎn)的電動(dòng)爬樓梯輪椅，它的底部有四個(gè)車(chē)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(guò)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(chē)輪收起，依靠履帶無(wú)需旁人輔助便能自動(dòng)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(dòng)，如此重復(fù)這兩個(gè)過(guò)程直至爬完一段樓梯。步行式爬樓梯裝置模仿人類(lèi)爬樓的動(dòng)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 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(guó)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(dòng)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(lái)完成越障，以及履帶平穩(wěn)性和輪組的靈活性來(lái)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(wèn)題履帶式的缺點(diǎn)就是對(duì)樓梯邊緣施加的強(qiáng)壓力，不可避免的對(duì)樓梯沿有一定的損壞，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(duì)于其他結(jié)構(gòu)，履帶式轉(zhuǎn)彎需要更大的動(dòng)力，使用過(guò)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(dòng)相對(duì)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(lèi)型裝置對(duì)控制的要求較高，操作比較復(fù)雜，在平地行走時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度不大，動(dòng)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(guò)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(dòng)操作省力與省時(shí)的問(wèn)題以及反向自鎖等問(wèn)題仍然存在。綜上所述，國(guó)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(guó)家人民的經(jīng)濟(jì)承受能力。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較晚，雖然也誕生了很多專(zhuān)利，但由于受到體積、重量、穩(wěn)定性及安全性的限制，還沒(méi)有產(chǎn)品真正投入使用。由此可見(jiàn)，為了解決移動(dòng)輪椅使用受限的問(wèn)題，同時(shí)考慮到我國(guó)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(jiǎn)單；( 3 ）爬樓時(shí)重心波動(dòng)緩和，穩(wěn)定性好；( 4 ）不平坦地形下對(duì)系統(tǒng)的重心作適時(shí)調(diào)節(jié)，避免車(chē)體傾斜給使用者帶來(lái)恐懼；( 5 ）上下樓時(shí)符合日常運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，避免反向上樓給乘坐者帶來(lái)不便；（6）輪椅結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)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(dòng)較小、正面上樓的平地、樓梯兩用助行裝置，并對(duì)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(guò)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(dòng)機(jī)構(gòu)方式輪式履帶式腿式移動(dòng)速度快較快慢越障能力差一般好機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度簡(jiǎn)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(shì)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(guò)程中通過(guò)中心軸驅(qū)動(dòng)中心輪帶動(dòng)行星輪從而帶動(dòng)輪椅前迸,通過(guò)翻轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)行星架實(shí)現(xiàn)爬樓梯動(dòng)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(chē)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(chē)輪接地，利用輪組的定軸輪系傳遞動(dòng)力，使小車(chē)輪快速的前進(jìn)，其效率與普通輪式驅(qū)動(dòng)車(chē)輛相同。當(dāng)遇到可跨越的障礙時(shí)，輪組通過(guò)形星輪系翻滾前進(jìn)。(2)可靠的上下樓梯能力。輪椅小車(chē)上下樓梯時(shí)，小車(chē)輪驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪組翻滾時(shí)，輪組中心齒輪不轉(zhuǎn)動(dòng)。這使得在上下樓梯過(guò)程中，小車(chē)輪不會(huì)發(fā)生滾動(dòng)，使得運(yùn)動(dòng)方位的控制得到精確的保證。這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)小車(chē)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(chē)體左邊車(chē)輪組著地小車(chē)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(dòng)輪椅的行走狀態(tài)。(4)由電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器來(lái)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(dòng)單元，所需的轉(zhuǎn)彎半徑即為車(chē)身寬度。2.2智能電動(dòng)越障爬樓輪椅系統(tǒng)構(gòu)成智能電動(dòng)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(pán)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(pán)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與座椅姿態(tài)檢測(cè)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(dòng)越障爬樓輪椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2.1底盤(pán)系統(tǒng)爬樓底盤(pán)系統(tǒng)釆用了創(chuàng)星的行星輪機(jī)構(gòu)作前輪驅(qū)動(dòng)行走，萬(wàn)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(duì)崎嶇的路面具有較好的適應(yīng)能力。根據(jù)GBT 18029&#46;23-2008,可知一般樓梯每階髙度為180 mm±5 mm,最小樓梯坡度為35°,容許誤差為(見(jiàn)下圖)。所有樓梯的梯級(jí)突邊都在由兩個(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(huà)出爬樓底盤(pán)運(yùn)動(dòng)效果如圖2.3所示： 圖2.3 爬樓底盤(pán)運(yùn)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。下圖2.5是2K-H周轉(zhuǎn)輪系的 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖2.5 K-H周轉(zhuǎn)輪系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖萬(wàn)向輪由于受到輪胎直徑的影響，在水平作用力推動(dòng)的情況下只能翻爬小于輪胎 半徑的臺(tái)階或樓梯。在翻越樓梯及障礙的過(guò)程中采用中.純的萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)不僅會(huì)產(chǎn)生阻力，而且在翻爬樓梯時(shí)會(huì)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(wàn)向輪相配合后，輪椅在翻越的過(guò)程中，障礙物或樓梯的臺(tái)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(tái)階與萬(wàn)向輪和接觸。這樣不僅有利于提高萬(wàn)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(cè)采用雙軸傾角傳感器，實(shí)吋檢測(cè)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，同時(shí)又使得行星輪在翻轉(zhuǎn)的過(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路、電池組組成。驅(qū)動(dòng)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(dòng)作，保證輪椅的正常運(yùn)行。電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的效果圖如下: 圖2.8 電力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的效果圖3 輪椅驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)3.1 電機(jī)的選擇 考慮到輪椅車(chē)的戶外使用條件,我們需要選擇永勵(lì)直流電機(jī)。永勵(lì)直流電機(jī)根據(jù)有無(wú)機(jī)械換向裝置又分為有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：a) 電子換向來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械換向，性能可靠、永無(wú)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(dòng)車(chē)大部分都采用無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)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(dòng)時(shí)有輕微振動(dòng)； 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(wú)刷電機(jī)所不可比擬的：a) 變速平穩(wěn)，幾乎感覺(jué)不到振動(dòng)； b) 溫升低，可靠性好； c) 價(jià)格低基于有刷直流電機(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(guò)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(chē)專(zhuān)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 DGM4電機(jī)參數(shù)該電動(dòng)機(jī)構(gòu)由一個(gè)帶電磁離合器（剎車(chē)）裝置的永磁電動(dòng)機(jī)和帶一級(jí)直齒和一級(jí)蝸輪副傳動(dòng)的全封閉齒輪箱組成；手推輪椅時(shí)，可以通過(guò)簡(jiǎn)易操作手柄釋放花鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)離合。通過(guò)計(jì)算行走電機(jī)與翻轉(zhuǎn)電機(jī)均可為DG-M4。通過(guò)對(duì)花鍵的操作即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)的切換，而蝸輪蝸桿傳動(dòng)對(duì)于爬樓裝置來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)自鎖，這對(duì)爬樓這一動(dòng)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(lái)建立電機(jī)所需的磁場(chǎng)，無(wú)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(guò)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(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。下圖為電機(jī)的四個(gè)永磁體磁極，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(guò)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(guò)機(jī)腳來(lái)安裝固定電機(jī)。 永磁直流電機(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(guò)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(duì)位置。 圖3.3 轉(zhuǎn)子與電刷組件的相對(duì)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(dòng)輪椅車(chē)的電源為可充電式電池，選擇好電池也是輪椅車(chē)正常工作的先決條件之一。本次方案選擇一般電動(dòng)車(chē)上使用的鉛蓄電池。鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是放電時(shí)電動(dòng)勢(shì)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(méi)有電勢(shì)，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+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C8051F0203.4.1 C8051FO20概述C8051FO20系列單片機(jī)是Cygnal公司新推出的一種混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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(chǔ)器，4352B的RAM、8個(gè)IO端口共64根IO口線、一個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8位AD轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)雙12位DA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、看門(mén)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IO，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(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)。芯片上有 64 位數(shù)字 I/O 口（C8051F020/2)或 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(kāi)關(guān)；l 8位、500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開(kāi)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(chǔ)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(chǔ)器接口；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(mén)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(hào)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 （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(dòng)勢(shì)常數(shù)。可推出有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)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(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jí)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(dòng)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(guò)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(guò)數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),即通過(guò)PWM波來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬電路法功耗大，且對(duì)于精確控制來(lái)說(shuō)非常困難。固一般均采用PWM驅(qū)動(dòng)法。 PWM驅(qū)動(dòng)原理是就是直流斬波原理，利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源。按一個(gè)固定的頻率來(lái)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(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流電動(dòng)機(jī)電樞上的占空比來(lái)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(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。PWM輸出波形如圖1.3所示，周期為T(mén)，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，= t /T稱(chēng)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)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(dòng)電路 單片機(jī)雖然可以輸出PWM波，但其輸出功率太小，無(wú)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(lái)放大，而這些分立元件組合起來(lái)就是一個(gè)完整的功率放大器?，F(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(chǎng)上有專(zhuān)門(mén)的針對(duì)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NovalithIC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(chǎng)效應(yīng)晶體管，二是一個(gè)n型通道的低電位場(chǎng)效應(yīng)晶體管，結(jié)合一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(duì)芯片和芯片芯片技術(shù)。電源開(kāi)關(guān)應(yīng)用垂直場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)來(lái)確保最佳的阻態(tài)。由于p型通道的高電位開(kāi)關(guān)，需要一個(gè)電荷泵消除電磁干擾。通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(guò)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(dòng)結(jié)構(gòu)。圖框如下： 圖3.8 BTS7960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(dòng)電機(jī)的應(yīng)用實(shí)例： 圖3.9 BTS7960驅(qū)動(dòng)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(guò)操縱桿來(lái)實(shí)現(xiàn)。操縱桿輸出兩路相互垂直的模擬信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制輪椅運(yùn)動(dòng)的方向和速度，如圖所示： 圖4.1 操縱桿輸出信號(hào)分解 在上圖（a）中，操縱桿搬動(dòng)的方向和傾斜的程度分解為和兩路互相垂直的信號(hào)輸出；在圖（b）中，輪椅運(yùn)動(dòng)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(duì)相應(yīng)通道的操縱桿輸出信號(hào)的檢測(cè)就越靈敏。通過(guò)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(hào)分別轉(zhuǎn)化為左右兩輪的給定速度。方案二：我們直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，翻轉(zhuǎn)電機(jī)只需一個(gè)開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)電機(jī)的爬樓動(dòng)作；行使電機(jī)則需要兩個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)同時(shí)按下則實(shí)現(xiàn)直線行走，只開(kāi)一個(gè)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速則通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。 方案一是目前市場(chǎng)上專(zhuān)用控制手柄采用的方案，其操縱簡(jiǎn)單，但成本相當(dāng)高昂，且對(duì)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(hào)處理電路。實(shí)物圖如下： 圖4.2專(zhuān)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，操作人員經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)分布圖：圖4.3 控制開(kāi)關(guān)分布圖 方案二要解決的一個(gè)突出問(wèn)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(huì)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(duì)并行控制和主從控制這兩種基本的控制方式作一下簡(jiǎn)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，這是一種最簡(jiǎn)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(dòng)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(kāi)環(huán)控制，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中某一臺(tái)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)，電機(jī)之間將會(huì)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(dòng)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(dòng)都會(huì)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(dòng)卻不會(huì)反饋回給主電機(jī)，也不會(huì)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(duì)速度或者位置的同步精度不是很高的工業(yè)生產(chǎn)中?？刂破骺刂破麟姍C(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(tái)電機(jī)速度受到外部擾動(dòng)或人為干擾時(shí)兩臺(tái)電機(jī)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(duì)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(wèn)題可以通過(guò)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(chē)控制算法設(shè)計(jì)5.1 速度檢測(cè)電路測(cè)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(dòng)機(jī)的低速平穩(wěn)性，要求測(cè)速元件低速輸出穩(wěn)定，波紋小，線性度好。常用的測(cè)速元件有模擬式測(cè)速元件和數(shù)字式測(cè)速元件。模擬式測(cè)速元件通常采用測(cè)速發(fā)電機(jī)；數(shù)字式測(cè)速元件采用光電式脈沖發(fā)生器。數(shù)字測(cè)速元件具有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(dòng)控制系統(tǒng)中，為了提高速度反饋檢測(cè)精度，正在摒棄直流測(cè)速發(fā)電機(jī)加A/D轉(zhuǎn)換器的方案，而采用光電碼盤(pán)直接數(shù)字測(cè)速的方案。本系統(tǒng)采用增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量電機(jī)的速度。將光電編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。光電編碼器由光源，光電轉(zhuǎn)盤(pán)，光敏元件和光電整形放大電路組成。光電轉(zhuǎn)盤(pán)與被測(cè)軸連接，光源通過(guò)光電轉(zhuǎn)盤(pán)的透光孔射到光敏元件上，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光敏元件便發(fā)出與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，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(cè)速的常用方法有兩種：M法和T法。（1）M法測(cè)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(lái)反映轉(zhuǎn)速值，即在規(guī)定的時(shí)間間隔T內(nèi)，測(cè)量編碼器光柵所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)獲得被測(cè)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(cè)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(cè)量值之差與實(shí)際值之比定義為測(cè)量誤差率，反映了測(cè)速方法的準(zhǔn)確性，越小，準(zhǔn)確度越高。M法測(cè)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(cè)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。因此，M法測(cè)速誤差率的最大值為： （5-2）由上式可知，誤差率與M成反比，即脈沖數(shù)越大，誤差越小，故M法測(cè)速適用于高速段。（2）T法測(cè)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(lái)反應(yīng)速度值，即測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)確定被測(cè)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： （5-3）T法測(cè)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(cè)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(zhǎng)，測(cè)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(cè)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(zhuān)家特色。PID調(diào)節(jié)器及其改進(jìn)型是在工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的控制器。PID控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱(chēng)，本身是一種基于對(duì)“過(guò)去”、“現(xiàn)在”和“未來(lái)”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(guò)硬件（電子元件，氣動(dòng)和液壓元件）來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制器系統(tǒng)原理圖如圖5.2所示?，F(xiàn) 在過(guò) 去未 來(lái)對(duì) 象 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(dòng)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: （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(duì)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(jiǎn)單快速，但對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp可以減小靜差，但過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨勢(shì)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(duì)高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度，但對(duì)噪聲非常敏感，使用前需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。5.2.2 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(hào)，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(duì)應(yīng)于被控對(duì)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(chēng)為PID位置型控制算式。可以看出，按PID位置型控制算式計(jì)算u(k)時(shí)，輸出值與過(guò)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(duì)數(shù)值，而是其增量時(shí)(如步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng))，可導(dǎo)出下式： （5-7） 其中， 此式稱(chēng)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，因而誤動(dòng)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(dòng)-自動(dòng)切換時(shí)，控制量沖擊小，能夠較平滑地過(guò)渡。位置式控制算法可通過(guò)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(guò)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<u<Umax，如果由計(jì)算機(jī)給出的控制量u在上述范圍內(nèi)，那么控制可以按預(yù)期的結(jié)果進(jìn)行。一旦超出上述范圍，例如超出最大閥門(mén)開(kāi)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(lèi)效應(yīng)通常稱(chēng)為飽和效應(yīng)。這類(lèi)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(chēng)為啟動(dòng)效應(yīng)。下面,我們分析這類(lèi)效應(yīng)在PID算法中帶來(lái)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(zhǎng)要比沒(méi)有限制時(shí)慢。偏差e將比正常情況下持續(xù)更長(zhǎng)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(guò)給定值w0后，開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)偏差，但由于積分項(xiàng)的累積值很大，還要經(jīng)過(guò)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(chēng)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(shuō)，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(hào)，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(guò)大。上面的方法是一開(kāi)始就積分，但進(jìn)入限制范圍后即停止累積。積分分離法與其相反，它在開(kāi)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(kāi)始有過(guò)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(huì)太大。所以相對(duì)而言，干擾對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)它們求平均值，干擾的影響也會(huì)反映出來(lái)。因此，應(yīng)剔除其中的最大最小值，對(duì)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(lèi)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(lái)說(shuō)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(duì)于有滯后性質(zhì)的對(duì)象，往往引入微分環(huán)節(jié)等。另外，根據(jù)對(duì)象和對(duì)控制性能的要求，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(lái)，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(wèn)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(huì)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(huì)由于采樣的頻帶寬度不夠而無(wú)法反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，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(hào)最高頻率的410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(lèi)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(hào)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(hào)，采樣頻率應(yīng)該與干擾信號(hào)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)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(lái)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(duì)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(duì)象的模型可通過(guò)物理建?；蛳到y(tǒng)辨識(shí)方法得到，但這樣通常只能得到近似的模型。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定法（如試湊法，工程整定法）來(lái)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(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。 試湊法是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶋H運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸入作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)（Kp，Ti，Td）對(duì)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(guò)大會(huì)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(duì)控制系統(tǒng)性能的影響趨勢(shì)，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(wú)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?。ㄈ?.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(dòng)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(dòng)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(duì)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。706 輪椅車(chē)控制模塊的數(shù)學(xué)模型針對(duì)雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制在負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí)同步控制性能較差的問(wèn)題，建立了兩臺(tái)直流電動(dòng)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(wèn)題是對(duì)兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，畫(huà)出結(jié)構(gòu)框圖，算出傳遞函數(shù)， 對(duì)于國(guó)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(duì)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)?？捎行Ы鉀Q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(chē)控制模塊的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于控制器的優(yōu)化問(wèn)題已是現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題不在本文研究范圍內(nèi)，故沒(méi)有進(jìn)行論述。本方案是一個(gè)雙直流電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。主電機(jī)轉(zhuǎn)速由操作者通過(guò)加減速開(kāi)關(guān)直接給定，而從電機(jī)對(duì)其進(jìn)行跟隨同步轉(zhuǎn)動(dòng)，我們只需通過(guò)控制器調(diào)整加于從電機(jī)上的pwm波來(lái)控制從電機(jī)。在該系統(tǒng)中，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由測(cè)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(guò)控制器和驅(qū)動(dòng)電路之后，作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，再通過(guò)兩個(gè)測(cè)速傳感器的差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋，當(dāng)測(cè)速傳感器的差值不等于零時(shí)，通過(guò)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(dòng)電路1的作用下開(kāi)始運(yùn)行，控制器1將預(yù)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為信號(hào)使驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路2的作用下運(yùn)行，測(cè)速傳感器2將電機(jī)1的速度數(shù)據(jù)與電機(jī)1測(cè)速傳感器測(cè)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(guò)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行控制的任務(wù)，除了對(duì)干擾信號(hào)的清除作用之外，還兼具有整流作用。在整個(gè)控制過(guò)程當(dāng)中，也會(huì)對(duì)輸入信號(hào)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(huì)再直接接上驅(qū)動(dòng)電路，起到真正的放大信號(hào)作用，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。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(duì)輸入信號(hào)的控制和整流等，而不是使信號(hào)放大。所以應(yīng)注意適當(dāng)選取比例，微分，積分參數(shù)（通過(guò)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(dòng)器 圖6.4 驅(qū)動(dòng)器電路圖我們選取驅(qū)動(dòng)電路的目的，是為了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，輸入一個(gè)較小的信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大之后，使之能夠達(dá)到對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的目的。結(jié)合相應(yīng)的實(shí)際情況，可以選取驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中的兩個(gè)放大器件， 串聯(lián)。由此可得驅(qū)動(dòng)器框圖：圖6.5 驅(qū)動(dòng)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(dòng)勢(shì)，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)，為