电动轮椅控制系统的设计与实现

0 引言

目前的电动轮椅设计大体可分为两种：一种是采用前被动轮加后轮驱动的方式，因为是前被动轮加后驱动轮的方式，所以回转半径窄的地方不能使用;另一种是根据希望前后左右都能够自由移动的全方向移动方式，该方法是将驱动轮配在车体中央附近的区域，这样可以适应一定窄的环境，但由于车轮和车体之间不能产生相对运动，所以无论在驱动轮的配置上如何下功夫都不能使回转半径为零[1]。

针对上述两种轮椅控制方案的缺点，设计实现了一种全方向轮椅控制系统。它是以DSP作为控制核心的电动轮椅控制系统，采用单路电动轮PID控制，双路电动轮速度差协调控制方案。给出了主电路结构，通过实际电路实现了设计方案，最后通过试验结果证明了该设计方案的可行性。

1 系统总体设计

图1 所示为电动轮椅控制系统的结构框图。

主要采用单个DSP 带两路无刷直流电机，直接通过DSP 实现对两路电机的控制，并且将两路BLDCM当前的位置反馈信号发送给DSP，DSP 计算采样所得的反馈信号和位置给定信号，并发出相应的PWM 波，控制三相逆变器，进而控制电机动作。

在系统中两路BLDCM 对于DSP来说是一个集中的整体，DSP 获取数据并反馈数据。在系统中，两路BLDCM信息的处理有时是相互独立的，所以具有相对独立的软件和硬件系统。另外，各通道的控制性能及效果几乎一致，所以可以互换而不影响控制性能。

键盘和显示部件都是直接与DSP相连，不存在传输过程中的信号干扰问题，同时对于系统所处的各阶段都可以直接通过键盘控制，并且在显示部件上直观反映。

电机的霍尔传感器将电机转子位置以三路高低电平信号送入DSP 的捕获单元(CAP)，之后与换相表相比较，以控制三相逆变器功率管的开通、关断，使之与转子的位置相匹配。

此外，系统将所采样的相电压信号作为功率保护信号经电平转换后直接送入DSP的功率保护引脚，当出现低电平时，将触发DSP的功率保护中断，DSP将封锁对应通路的PWM 波。

DSP发出的PWM 波经光耦隔离后送入功率驱动芯片，进行功率放大后送入三相逆变器功率管的栅、源极之间，以控制功率管的开关动作。

2 系统控制策略

本设计主要控制策略包括以下两个方面。

2.1 单路电机控制策略

如图2所示，单路电机采用PID 闭环控制对转速进行调节。系统位置闭环性能直接决定了伺服系统的动、静态性能，是系统控制的关键部分。

PID算法具有结构简单，调试方便等特点。虽然在调节时改变量一定，但由于闭环产生的频率很高，所以将改变量设定为一个较小量时，也能满足系统的性能要求。在设定Ki，Kp，Kd 这3个参数范围的基础上，通过对实际电路参数进行微调，在基本满足系统快速性的基础上同时达到较好的超调量，从而提高系统稳定性。

2.2 双路电机控制策略

如图3所示，是设计含有两路独立驱动的电动轮的控制系统框图。由于两个电机是分别安装在两个驱动轮的轴上，所以当两轮的驱动装置内部参数及外界路况不等时，即使两个电机的输入一样，也不能保证两个驱动轮的速度相同，这里采用补偿系统，来消除系统在运行过程中产生的两电动轮之间的速度差。

在直线运行中，采用速度差协调系统来调节两个电动轮的转速。设定一主动轮，让从动轮速度跟随主动轮，使两个电动轮速度尽量一致。在转弯时，内外侧的电机同时减速，内侧电机的减幅远大于外侧电机的减速幅度。两电机分别采用自己的参考速度，进行独立的PID运算，从而保证在路面状况不是很好的情况下实现轮椅的转弯[2]。

3 系统硬件设计

根据电动轮椅功能需求，该设计主要由一片DSP和两路BLDCM驱动电路，以及必要的电平转化电路组成。DSP负责整个系统的设计和控制，所有的信号的采集和处理都由DSP完成，并且还产生所需的PWM 信号与故障保护中断请求。结合实际情况，设计中采用TMS320LF2407A 作为控制核心。它包括两个独立的事件管理器：每一个都包含两个16位通用定时器，8个16位脉宽调制(PWM)输出通道，三个捕捉单元，DSP主频为 40MHz[3]。

如图4 所示，驱动电路主要通过驱动芯片IR2130作为核心驱动。逆变器主体由6 个功率开关器件组成三相全控桥电路，通过这6 个开关的关断和导通完成BLDCM的驱动，实现对电机转速和转向的控制。为防止自举电容两端电压放电，二极管应选择高频恢复二极管HER107。另一方面为防止自举电容放电造成其两端电压低于欠压保护动作的门槛电压值，电容的取值应充分的大，本设计选择47 滋F电容，耐压25 V[4]。

4 系统软件设计

图5所示为产生逆变器驱动信号PWM 波的中断子程序流程图。图6所示为两路BLDCM 速度协调控制中断子程序流程图。两路BLDCM 分别选用T2和T4 作为时基，从而准确捕获两次中断的时间间隔，两个时钟都选用连续增计数模式。

每次捕获中断发生时，分别对两路BLDCM的速度相关参数进行调整。

5 试验结果

为验证以TMS320LF2407A 为控制核心的系统的工作效果，对电路进行了实际的搭建和调试。

由图7、8、9 可见，系统运行平稳可靠，对按键指令的反映时间可以满足系统的控制要求。该系统已完成原理样机系统联机调试，两路电机均可以平稳转动，并且实现前进、后退、加速、减速、停止等基本功能，说明系统所采用的控制策略是恰当且成功的。并且图8 示出，系统的两路BLDCM同时工作时，其各路性能都达到了系统性能的要求。

6 结语

系统实际搭建后的试验结果表明，系统采取的上述措施是合理且成功的，它能使系统达到预期的性能要求。