電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

目前的電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)大體可分為兩種：一種是采用前被動(dòng)輪加后輪驅(qū)動(dòng)的方式，因?yàn)槭乔氨粍?dòng)輪加后驅(qū)動(dòng)輪的方式，所以回轉(zhuǎn)半徑窄的地方不能使用;另一種是根據(jù)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(qū)動(dòng)輪配在車體中央附近的區(qū)域，這樣可以適應(yīng)一定窄的環(huán)境，但由于車輪和車體之間不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以無論在驅(qū)動(dòng)輪的配置上如何下功夫都不能使回轉(zhuǎn)半徑為零[1]。

針對(duì)上述兩種輪椅控制方案的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種全方向輪椅控制系統(tǒng)。它是以DSP作為控制核心的電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)，采用單路電動(dòng)輪PID控制，雙路電動(dòng)輪速度差協(xié)調(diào)控制方案。給出了主電路結(jié)構(gòu)，通過實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案，最后通過試驗(yàn)結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 所示為電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

主要采用單個(gè)DSP 帶兩路無刷直流電機(jī)，直接通過DSP 實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路電機(jī)的控制，并且將兩路BLDCM當(dāng)前的位置反饋信號(hào)發(fā)送給DSP，DSP 計(jì)算采樣所得的反饋信號(hào)和位置給定信號(hào)，并發(fā)出相應(yīng)的PWM 波，控制三相逆變器，進(jìn)而控制電機(jī)動(dòng)作。

在系統(tǒng)中兩路BLDCM 對(duì)于DSP來說是一個(gè)集中的整體，DSP 獲取數(shù)據(jù)并反饋數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中，兩路BLDCM信息的處理有時(shí)是相互獨(dú)立的，所以具有相對(duì)獨(dú)立的軟件和硬件系統(tǒng)。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。

鍵盤和顯示部件都是直接與DSP相連，不存在傳輸過程中的信號(hào)干擾問題，同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)所處的各階段都可以直接通過鍵盤控制，并且在顯示部件上直觀反映。

電機(jī)的霍爾傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以三路高低電平信號(hào)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通、關(guān)斷，使之與轉(zhuǎn)子的位置相匹配。

此外，系統(tǒng)將所采樣的相電壓信號(hào)作為功率保護(hù)信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后直接送入DSP的功率保護(hù)引腳，當(dāng)出現(xiàn)低電平時(shí)，將觸發(fā)DSP的功率保護(hù)中斷，DSP將封鎖對(duì)應(yīng)通路的PWM 波。

DSP發(fā)出的PWM 波經(jīng)光耦隔離后送入功率驅(qū)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，以控制功率管的開關(guān)動(dòng)作。

2 系統(tǒng)控制策略

本設(shè)計(jì)主要控制策略包括以下兩個(gè)方面。

2.1 單路電機(jī)控制策略

如圖2所示，單路電機(jī)采用PID 閉環(huán)控制對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)位置閉環(huán)性能直接決定了伺服系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵部分。

PID算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便等特點(diǎn)。雖然在調(diào)節(jié)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(shè)定為一個(gè)較小量時(shí)，也能滿足系統(tǒng)的性能要求。在設(shè)定Ki，Kp，Kd 這3個(gè)參數(shù)范圍的基礎(chǔ)上，通過對(duì)實(shí)際電路參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，在基本滿足系統(tǒng)快速性的基礎(chǔ)上同時(shí)達(dá)到較好的超調(diào)量，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 雙路電機(jī)控制策略

如圖3所示，是設(shè)計(jì)含有兩路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)輪的控制系統(tǒng)框圖。由于兩個(gè)電機(jī)是分別安裝在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的軸上，所以當(dāng)兩輪的驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部參數(shù)及外界路況不等時(shí)，即使兩個(gè)電機(jī)的輸入一樣，也不能保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度相同，這里采用補(bǔ)償系統(tǒng)，來消除系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的兩電動(dòng)輪之間的速度差。

在直線運(yùn)行中，采用速度差協(xié)調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)兩個(gè)電動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。設(shè)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(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)外側(cè)的電機(jī)同時(shí)減速，內(nèi)側(cè)電機(jī)的減幅遠(yuǎn)大于外側(cè)電機(jī)的減速幅度。兩電機(jī)分別采用自己的參考速度，進(jìn)行獨(dú)立的PID運(yùn)算，從而保證在路面狀況不是很好的情況下實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)彎[2]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)電動(dòng)輪椅功能需求，該設(shè)計(jì)主要由一片DSP和兩路BLDCM驅(qū)動(dòng)電路，以及必要的電平轉(zhuǎn)化電路組成。DSP負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制，所有的信號(hào)的采集和處理都由DSP完成，并且還產(chǎn)生所需的PWM 信號(hào)與故障保護(hù)中斷請(qǐng)求。結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)中采用TMS320LF2407A 作為控制核心。它包括兩個(gè)獨(dú)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(diào)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(qū)動(dòng)電路主要通過驅(qū)動(dòng)芯片IR2130作為核心驅(qū)動(dòng)。逆變器主體由6 個(gè)功率開關(guān)器件組成三相全控橋電路，通過這6 個(gè)開關(guān)的關(guān)斷和導(dǎo)通完成BLDCM的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制。為防止自舉電容兩端電壓放電，二極管應(yīng)選擇高頻恢復(fù)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(hù)動(dòng)作的門檻電壓值，電容的取值應(yīng)充分的大，本設(shè)計(jì)選擇47 滋F電容，耐壓25 V[4]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5所示為產(chǎn)生逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM 波的中斷子程序流程圖。圖6所示為兩路BLDCM 速度協(xié)調(diào)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(zhǔn)確捕獲兩次中斷的時(shí)間間隔，兩個(gè)時(shí)鐘都選用連續(xù)增計(jì)數(shù)模式。

每次捕獲中斷發(fā)生時(shí)，分別對(duì)兩路BLDCM的速度相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

5 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證以TMS320LF2407A 為控制核心的系統(tǒng)的工作效果，對(duì)電路進(jìn)行了實(shí)際的搭建和調(diào)試。

由圖7、8、9 可見，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，對(duì)按鍵指令的反映時(shí)間可以滿足系統(tǒng)的控制要求。該系統(tǒng)已完成原理樣機(jī)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，兩路電機(jī)均可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、加速、減速、停止等基本功能，說明系統(tǒng)所采用的控制策略是恰當(dāng)且成功的。并且圖8 示出，系統(tǒng)的兩路BLDCM同時(shí)工作時(shí)，其各路性能都達(dá)到了系統(tǒng)性能的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)實(shí)際搭建后的試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)采取的上述措施是合理且成功的，它能使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能要求。