人性化輪椅設(shè)計(jì)0前言前幾年由于我們國(guó)家實(shí)行了獨(dú)生子女政策，所以預(yù)測(cè) 2020 年高齡者人數(shù)將達(dá)到百分之三十。在未來幾年內(nèi)我國(guó)將不可避免的要面對(duì)困擾西方國(guó)家多年的人口老齡化問題，據(jù)調(diào)查在未來三年內(nèi)老齡人口將達(dá)三億。人口迅速老化，已成為制約經(jīng)濟(jì)、我國(guó)社會(huì)發(fā)展的一枚定時(shí)炸彈。專家普遍認(rèn)為，我國(guó)這個(gè)全球人口最多的國(guó)家正面臨世界各國(guó)從未遇過的一場(chǎng)人口危機(jī)，即不遠(yuǎn)的將來我們國(guó)家有勞動(dòng)能力的人的數(shù)量要大幅度減少，而需要照顧的高齡者的人數(shù)將要增加。此外隨著科技的進(jìn)步、工業(yè)的發(fā)展、環(huán)境的污染、交通的緊張，使得意外事故頻繁發(fā)生，殘疾人數(shù)還在急劇增加，我國(guó)的殘疾人口每年以七十至八十萬的速度增長(zhǎng)，就是說，每天增加二千多名殘疾人，每四十秒鐘左右就要增加一名殘疾人。到目前為止，數(shù)據(jù)顯示按照 1987 年抽樣調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的殘疾人口都已經(jīng)突破六千萬，這其中很大一部分是喪失行走能力的人，這些殘疾人的權(quán)益也需要得到保障，殘疾群體的特殊需求需要得到社會(huì)的關(guān)注。以上所有這些無論是高齡者還是殘疾者在喪失行走能力的情形下顯然對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的未來發(fā)展是非常不利的。為了節(jié)省勞動(dòng)力，讓有勞動(dòng)能力的人為國(guó)家作貢獻(xiàn)創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富，就應(yīng)該使需要照顧的高齡者、肢體殘疾者在衣食住行等方面盡可能自立。因此基于這樣的考慮，對(duì)于這方面的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品設(shè)備開發(fā)將成為我們國(guó)家未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要課題。其中電動(dòng)輪椅是一個(gè)重要的研究課題。電動(dòng)輪椅的使用者是不能正常走路的殘疾人或腦部、腿腳疾病的患者，當(dāng)然，它也可以作為代步工具，用在高爾夫球場(chǎng)等諸多場(chǎng)合?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有很多電動(dòng)輪椅,能實(shí)現(xiàn)很多普通輪椅不能完成的功能，但是，他們多數(shù)是在現(xiàn)有普通輪椅的基礎(chǔ)上增加了電動(dòng)動(dòng)力的功能和控制系統(tǒng)，功能單一，很難滿足使用者的一些特殊需要。而它們的價(jià)格在 12000～46000 元不等。那么，功能強(qiáng)大，成本較低的輪椅就有很大的市場(chǎng)空間。我在現(xiàn)有電動(dòng)輪椅基礎(chǔ)上將其功能進(jìn)行改進(jìn)，使其更加人性化，更適合使用者及市場(chǎng)的需要。11 人性化輪椅概述本章簡(jiǎn)述現(xiàn)有電動(dòng)輪椅的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，電機(jī)及其控制技術(shù)，電池技術(shù)，介紹新型人性化輪椅的改進(jìn)和創(chuàng)新，進(jìn)一步說明本設(shè)計(jì)的意義。1.1 電動(dòng)輪椅的組成部分及其特點(diǎn)1.1.1 電動(dòng)輪椅的組成部分普通輪椅的主要組成部分有：輪椅架，輪，制動(dòng)裝置，座墊和靠背。輪椅架：有固定式和折疊式兩種。固定式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度和剛度好；折疊式折起后體積小，便于攜帶。輪椅兩側(cè)扶手有固定式和可拆卸式兩種?？刹鹦妒椒奖闶褂谜咴谳喴闻c床、汽車等之間的轉(zhuǎn)移。輪椅架多為薄壁鋼管制成，表面鍍鉻、 烤漆或噴塑。高檔輪椅架采用合金材料，以減輕輪椅重量。輪：輪椅裝有一對(duì)大輪和一對(duì)小輪，每個(gè)大輪都裝有驅(qū)動(dòng)輪圈，使用者雙手驅(qū)動(dòng)輪圈使輪椅前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)向。一對(duì)前小輪，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。其輪胎分為充氣和實(shí)芯兩種。制動(dòng)裝置：輪椅的制動(dòng)裝置均采用手扳式剎車，起駐車作用。座墊和靠背：采用人造革、尼龍牛津布等材料。電動(dòng)輪椅在普通輪椅的基礎(chǔ)上，增加了動(dòng)力部分、操縱制動(dòng)部分、電氣儀表部分。動(dòng)力部分通常由蓄電池和電機(jī)構(gòu)成，是電動(dòng)輪椅的動(dòng)力來源。其性能的好壞，直接影響電動(dòng)輪椅的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。操縱制動(dòng)部分的作用是直接控制行車方向、行駛速度、制動(dòng)等，以確保電動(dòng)輪椅行駛安全。它由操控手柄、控制器、制動(dòng)裝置等組成。電氣儀表裝置是保證車輛安全行駛并反映車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效地對(duì)車輛行駛適時(shí)地進(jìn)行控制。它由速度顯示裝置、電量顯示裝置等組成。1.1.2 電動(dòng)輪椅的特點(diǎn)做為輪椅的擴(kuò)展產(chǎn)品，電動(dòng)輪椅有以下幾個(gè)特點(diǎn)：無污染：電動(dòng)輪椅是以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，運(yùn)行過程中無廢氣排放，不會(huì)對(duì)大氣造成污染；低噪音、振動(dòng)小：電動(dòng)輪椅采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與用內(nèi)燃機(jī)的機(jī)動(dòng)輪椅相比，運(yùn)行中人性化輪椅設(shè)計(jì)2產(chǎn)生的噪音顯著減小，通常要低 10-15dB，且運(yùn)行比較平穩(wěn)；效率高：燃油助動(dòng)車的效率一般只有 30%左右，而電動(dòng)輪椅采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無空轉(zhuǎn)損失，電池能量的 80%以上轉(zhuǎn)化為動(dòng)力；安全、易維護(hù)：電動(dòng)輪椅的最高時(shí)速限制在 20km/h 以內(nèi)，可以快速起停，安全可靠。蓄電池是免維護(hù)的，電機(jī)的故障率也較低；易操作：只要有一支手能用，就可以控制電動(dòng)輪椅的行駛，從而使那些需要照顧的人生活可以自理。1.2 電機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展1.2.1 電機(jī)的發(fā)展電機(jī)是電動(dòng)輪椅的關(guān)鍵部件。為使電動(dòng)輪椅有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此外，由于電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是車載形式運(yùn)行的，這要求電機(jī)體積小、重量輕、效率高、且具有較好的能量回饋性能。永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)是發(fā)展歷史最悠久的電機(jī)，它的制造水平早已達(dá)到了成熟階段，且具有較高的運(yùn)行可靠性、良好的調(diào)速性能、較大的過載能力和簡(jiǎn)單的控制方法，因而在早期被廣泛采用。但是直流機(jī)的噪音較大，它采用電刷和換向器進(jìn)行電流換相，會(huì)產(chǎn)生電火花，而且碳刷容易磨損、損壞，增大維護(hù)、維修難度、增加使用成本。稀土永磁無刷直流電機(jī)是近 20 年發(fā)展起來的一類電機(jī)，由于電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，微機(jī)和稀土永磁材料的發(fā)展為無刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ).目前無刷直流電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)和大功率開關(guān)器件、專用集成電路、稀土永磁材料、微機(jī)、新型控制理論及電機(jī)理論的發(fā)展緊密結(jié)合，顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。與其它電機(jī)相比它具有幾個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn):①永磁無刷直流電機(jī)沒有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷引起的問題。②永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上、電樞繞組裝在定子上，故導(dǎo)熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；結(jié)構(gòu)也變得簡(jiǎn)單，并且節(jié)省了空間使其磁場(chǎng)損失也得到了減少。它的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會(huì)發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象，在節(jié)約能量方面也有明顯優(yōu)勢(shì)。從電動(dòng)輪椅的性能要求看，無刷直流電機(jī)即具有直流電機(jī)動(dòng)態(tài)特性好、調(diào)速性能優(yōu)良的特點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，且電磁轉(zhuǎn)矩大、脈動(dòng)小；從結(jié)構(gòu)要求看，這類電機(jī)軸向尺寸短，鐵心外徑較大，結(jié)構(gòu)上為扁平式，可方便的安裝在輪椅的后輪軸上，在其工作時(shí)力矩直接加到后輪上，不工作時(shí)可像普通輪椅那樣人工騎行，因此近幾年無刷直流電機(jī)在電動(dòng)輪椅中的應(yīng)用處于上升趨勢(shì) [1]。31.2.2 電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展近些年來 ，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。由于應(yīng)用了電力電子技術(shù)，電機(jī)的控制技術(shù)變得更加靈活，效率也更高了。己由過去簡(jiǎn)單的起?？刂?、提供動(dòng)力為目的應(yīng)用，上升到對(duì)其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制，以及這些被控量的綜合控制，使被控制的機(jī)械運(yùn)動(dòng)更符合預(yù)想要求。因此現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)離不開功率器件和電機(jī)控制器的發(fā)展電機(jī)控制器是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，以給驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào)；產(chǎn)生 PWM調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速；對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能；實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)功能 [2]?，F(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與微處理器的發(fā)展息息相關(guān)，每一次微處理器的進(jìn)步推動(dòng)了控制技術(shù)的一次飛躍。在微處理器出現(xiàn)之前，控制器只能由模擬系統(tǒng)構(gòu)成。由模擬器件構(gòu)成的控制器只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制，功能單一升級(jí)換代困難，而且由分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴(yán)重，使得維護(hù)成本增高，限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。隨著微處理器的迅速發(fā)展和推廣，控制器由模擬式轉(zhuǎn)換成了數(shù)?；旌鲜?，并進(jìn)一步發(fā)展到全數(shù)字式，技術(shù)的進(jìn)步使得許多模擬器件難以實(shí)現(xiàn)的功能都可以方便地用軟件實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)的可靠性和智能化水平大大提高。全數(shù)字系統(tǒng)簡(jiǎn)化了硬件，縮小了裝置體積，消除了溫度變化的影響，升級(jí)換代十分容易，控制精度不斷提高，重復(fù)性能也更好了。目前市場(chǎng)上微處理器品種繁多，檔次、性能各不相同，不同的廠商生產(chǎn)的微處理器都各有特點(diǎn)。有的價(jià)格低廉但功能不夠完善，速度慢，如傳統(tǒng)的 8051 單片機(jī)；有的具有高速的數(shù)字處理能力，能實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制算法，但價(jià)格不菲，如 DSP 微處理器 [3]。本論文根據(jù)電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求，希望選用的微處理器具有響應(yīng)速度快、功耗低、體積小、價(jià)格低廉以及組成系統(tǒng)時(shí)所需要的外圍器件少的特點(diǎn)。分析對(duì)比各類控制器后決定采用 ATME 公司推出的一款具有極高性能價(jià)格比的 AVR 單片機(jī)Atmega16，配合電動(dòng)自行車無刷電機(jī)控制器使用。在論文的后續(xù)章節(jié)中將對(duì)其作詳細(xì)介紹。1.3 電池技術(shù)的發(fā)展電池的制造技術(shù)近幾年來發(fā)展很迅速，但它仍是現(xiàn)階段制約所有電動(dòng)車輛技術(shù)發(fā)展人性化輪椅設(shè)計(jì)4的瓶頸技術(shù)。車載蓄電池要求有高的比能量、比功率、循環(huán)使用壽命、低成本和合理地運(yùn)行環(huán)境以及便于回收等特性。蓄電池的性能直接制約著電動(dòng)車輛的動(dòng)力性能指標(biāo)和一次充電的續(xù)行里程。目前，對(duì)蓄電池的研究，一方面是對(duì)傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的改進(jìn)和新型蓄電池的研制。近幾年開發(fā)出的新型化學(xué)電池主要有:鎳—鐵電池、鎳—錫電池、鎳—金屬氫化物電池、納—硫電池、鋰電池、鋅電池等。與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，這些新型電池在性能上已經(jīng)有了很大的提升，但在功率密度上還不能和燃油相媲美。另一方面，燃料電池和超級(jí)電容的出現(xiàn)與興起給電動(dòng)車輛用動(dòng)力電池提供了新的發(fā)展方向.一般燃料電池比能量都高于鉛酸電池，其應(yīng)用的主要難點(diǎn)在于如何縮小反應(yīng)裝置和提高反應(yīng)速度，同時(shí)安全性問題和制造價(jià)格問題還有待進(jìn)一步完善。超級(jí)電容的額定電壓雖然很低，但短時(shí)大功率輸出特性良好，在電動(dòng)車輛加速或是制動(dòng)期間，可以提供很大的功率輸出或能力吸收。它作為化學(xué)蓄電池的輔助能源，可以顯著減小電動(dòng)車輛對(duì)化學(xué)蓄電池的尖峰功率輸出的要求，在電動(dòng)車輛中的應(yīng)用也越來越受到重視 [4] [5]。1.4 人性化輪椅的改進(jìn)與創(chuàng)新電動(dòng)輪椅在功能上相對(duì)普通輪椅有很大的改進(jìn)和提高，但它本身也有很多可以改進(jìn)的地方。電動(dòng)輪椅應(yīng)該方便其使用者操作，在普通輪椅的基礎(chǔ)上增加乘坐的舒適性。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)電動(dòng)輪椅的動(dòng)力和操控設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，以滿足使用者的需要。普通電動(dòng)輪椅的可操控性并不很好，其調(diào)速、轉(zhuǎn)向，都不是十分靈活，這對(duì)于身體以缺陷的輪椅使用者來說，是十分不便的。本設(shè)計(jì)就是利用先進(jìn)的操作、控制系統(tǒng)，方便使用者使用，并采用合理的配件和控制電路，提高電動(dòng)輪椅的效率?，F(xiàn)在的電動(dòng)輪椅，座椅和一些輔助設(shè)備并不能滿足舒適性的要求，甚至，在一些情況下，會(huì)危及到使用者的健康和安全。本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)有輪椅的座椅和一些輔助設(shè)備，如輪椅架、扶手、腳托等進(jìn)行必要的改進(jìn)，增強(qiáng)輪椅的舒適性。52 人性化輪椅的總體設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)在上一章中介紹過，人性化輪椅是對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)輪椅進(jìn)行改進(jìn)，讓其人性化，充分滿足人體工程學(xué)要求。輪椅是由座椅總成、支架、扶手、腳托、動(dòng)力及制動(dòng)機(jī)構(gòu)、電池和充電器、其它附屬設(shè)備構(gòu)成。為了節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，我在一些功能模塊的設(shè)計(jì)上采用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，而在一些特殊的設(shè)備上進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。2.2 座椅總成設(shè)計(jì)人性化輪椅的一大改進(jìn)就是座椅的改進(jìn)。普通輪椅和電動(dòng)的座椅僅使用人造革、尼龍牛津布等材料做可折疊薄層或小型沙發(fā)式的結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期乘坐輪椅，對(duì)于輪椅使用者來說，是非常痛苦的。人性化輪椅座椅總成采用類似汽車可調(diào)座椅的設(shè)計(jì)，頭枕的高度，靠背角度都可以調(diào)節(jié)，并在汽車座椅設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加了腿托，以此增加乘坐輪椅的舒適性。2.2.1 頭枕設(shè)計(jì)轎車的座椅頭枕多數(shù)采用中空或中間有凹槽的設(shè)計(jì)，其流線形的設(shè)計(jì)使乘坐者的頭部部分接觸頭枕，避免過分壓迫頭部神經(jīng)。人性化輪椅在普通輪椅的基礎(chǔ)上增加了頭枕。頭枕應(yīng)用在輪椅中，不僅是增加乘坐的舒適度，也是為了防止風(fēng)對(duì)乘坐者帶來的影響。頭部患有疾病的患者，在外出時(shí)，風(fēng)對(duì)他們有很大的危害，加裝頭枕，并且頭將枕與座椅之間的連接處由汽車座椅的兩桿連接變?yōu)楸∷茕摪暹B接，可以避免風(fēng)給使用者帶來的不良影響。根據(jù)人體工程學(xué)原理，為了適應(yīng)不同身高的人使用，人性化輪椅的頭枕可調(diào)節(jié)高度約為 28cm，并且其運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為圓弧型 [6]。2.2.2 靠背設(shè)計(jì)人性化輪椅的靠背采用類似汽車座椅的靠背，可以有效的對(duì)座椅與乘坐者的身體直接接觸。座椅的舒適度大小直接影響到整個(gè)輪椅舒適度。因此我們選擇舒適度較高的能夠滿足人機(jī)工程學(xué)要求的座椅，也可以選擇有的醫(yī)療按摩作用的座椅套件。座椅為可折疊的座椅，可以在不使用時(shí)節(jié)省空間，并可以方便使用者從床、沙發(fā)到輪椅間的轉(zhuǎn)移。這就需要輪椅的靠背從 10°到 180°折疊 [6]。人性化輪椅設(shè)計(jì)62.2.3 腿托設(shè)計(jì)腿托連接在輪椅座椅最外側(cè)，用來支撐腿部。長(zhǎng)期乘坐輪椅，會(huì)使腿和腳產(chǎn)生酸痛的感覺。用腿托支撐腿部，可以減少腳承受的壓力，增加乘坐的舒適性。普通轎車、輪椅的座椅，都沒有設(shè)計(jì)腿托。但事實(shí)上，腿托是輪椅中不可缺少的部分。根據(jù)人體工程學(xué)的要求，腿托的折疊角度應(yīng)為 10°～80° [6]。2.3 支架設(shè)計(jì)普通輪椅的支架有固定式和折疊式兩種。固定式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度和剛度好；折疊式折起后體積小，便于攜帶。人性化輪椅的支架采用固定式，目的是提高輪椅的耐用度。2.3.1 支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支架用來支撐輪椅的座椅和輪，有固定和減震的作用。人性化與普通輪椅的支架類似，它普通輪椅的基礎(chǔ)上增加了液壓升降系統(tǒng)及其穩(wěn)定裝置。2.3.2 液壓升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)用來調(diào)節(jié)輪椅座椅的高度，以適應(yīng)不同的使用環(huán)境，并方便使用者在輪椅與床、汽車等之間的轉(zhuǎn)移。此液壓系是由液壓泵，雙作用液壓缸，三位四通電磁閥，和單向閥等構(gòu)成 [7] 。1. 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算1）液壓缸外部載荷的組成與計(jì)算液壓缸在升降的過程中，主要受到座椅和乘坐者的重力作用。取座椅重量 m1=20kg，人性化輪椅的在中能力為 100Kg，即乘坐者的最大重量為 m2=100kg。故 （2-112F=()m?外 (0+1)9.8 N?=176）除了外載荷，作用于活塞桿上的載荷 F 還包括 i 液壓缸密封處的摩擦阻力 Fm，由于各種缸的密封材質(zhì)和密封形式不同，密封阻力難以精確計(jì)算，一般估算為：（2-2）m=(1-)?式中 ηm—液壓缸的機(jī)械效率，一般取 0.90~0.95= （2-3）fmFfm(-)?ax176-0.9.??（ ） 30.N?7作用于活塞桿上的載荷F=Ff+Fm =1176+130.7=1306.7N （2-4）2) 液壓缸內(nèi)徑的選擇液壓缸理論作用力P= （2-5）tF??式中 F—活塞桿上實(shí)際作用力ψ—負(fù)載率，一般取 ψ=0.5~0.7ηt—液壓缸總效率，一般取 ηt-0.95= =2750.9NtFP???1306.759?無活塞桿腔的缸筒內(nèi)徑（2-6）4PDp??式中 p— 供油壓力，本系統(tǒng)取 p=0.8 Mpa則= =54.2mm4PDp??2750.9318?故選標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑 D=56 mm活塞桿直徑（2-7）1dD???式中 — 速比，選取 =1.33??=56 =27.4mm1d??.31??按標(biāo)準(zhǔn)取 d=28mm故此液壓缸內(nèi)徑參數(shù)為D=56 mm ，d=28 mm液壓缸的流量人性化輪椅設(shè)計(jì)8（2-8）Q=Av?式中 A— 液壓缸有效作用面積 m2D4?v— 活塞與缸體的相對(duì)速度，本系統(tǒng)中 v 定為 1 m/min= = =6.285×10-3 m3/min=6.285 L/min （2-9）Q??2v4??32(5610)??2. 液壓泵的選擇1） 液壓泵的工作壓力 PpPp=P1+△P1 （2-10）式中 P1 — 液壓執(zhí)行元件的最大工作壓力， Pa ；本系統(tǒng)中 P1 為馬達(dá)的工作壓力為 6MPa。P1— 進(jìn)回油路中的總壓力損失 Pa,包括局部損失和沿程損失。本系統(tǒng)的流?不大，只有一般的節(jié)流調(diào)速及簡(jiǎn)單管路，取△P 1 為 0.2~0.5MPa。Pp=P1+△P1 =6 + 0.5 =6.5 MPa考慮到液壓系統(tǒng)得工作情況，一般地取泵的額定壓力比系統(tǒng)工作壓力高 30%。泵的額定壓力Pr=(1+30%)Pp=1.3×6.5=8.45 MPa （2-11）2) 液壓泵的流量 QpQp≥k( ∑Qmax) （2-12）式中 k —系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 k=1.1~1.3∑Qmax— 同時(shí)作用的液壓缸和液壓馬達(dá)的最大總流量。由于本系統(tǒng)在工作過程中使用節(jié)流調(diào)速，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取 3 L/min馬達(dá)的最大流量Qm= = =15.925 L/min （2-13）axqn?3251067??∑Qmax=Qm+Q 恒 +Q 差 +3=15.925+6.285+1.26+3=26.47 L/min （2-14）Qp≥k（∑Q max）=1.3×26.47=34.411 L/min （2-15）根據(jù)泵的額定壓力和流量，選擇泵為 YB-D36 型號(hào)的單級(jí)葉片泵，其技術(shù)參數(shù)為：排量： 36ml/r 額定壓力：10MPa 驅(qū)動(dòng)功率：6.5kw轉(zhuǎn)速：額定 1000r/min 范圍 600~2000r/min 質(zhì)量：9kg93. 電動(dòng)機(jī)的選擇由于電動(dòng)機(jī)的功率不能小于泵的驅(qū)動(dòng)功率，所以必須要求電動(dòng)機(jī)功率 P P≥6.5kw選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 Y160M-6 的三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)，其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)為：功率：7.5kw 額定轉(zhuǎn)速：970 轉(zhuǎn)/分4. 液壓閥的選擇1）閥的規(guī)格節(jié)流閥、調(diào)速閥按系統(tǒng)工作壓力、最大流量和最小穩(wěn)定流量選擇；主溢流閥按系統(tǒng)工作壓力和泵的最大流量選擇；其它各種閥則按其所接入的回路所需最大流量和工作壓力選擇。2）閥的形式按閥的安裝和操作方式選擇本系統(tǒng)使用的各種閥及技術(shù)參數(shù)如表 2-1 所示表 2-1 液壓閥技術(shù)規(guī)格Таблица 2-1 Гидровлическая спецификация технологии клапана名稱 型號(hào) 壓力范圍（MPa） 額定流量（L/min） 質(zhì)量（kg）溢流閥單向閥電磁換向閥YF-L10BDIF-L10H124DP-B6C-T0.5~7211440572.50.345. 管件及其他輔助裝置的選擇1）考慮到本系統(tǒng)的工作壓力及成本方面，管道選用鋼管。其管子內(nèi)徑 d（2-Qd1.3v?16）式中 Q— 液體流量 m3/s ；v—流速 m/s，對(duì)于吸油管 v≤1~2m/s（一般取 1m/s 以下） 。對(duì)于壓油管v≤3~6m/s（壓力高、管道短或油黏度小的情況取大值，反之取小值。局部或特殊情況可取 v≤1.5~2.5m/s。參照液壓系統(tǒng)各元件的流量選擇管徑 d（單位: mm）為：人性化輪椅設(shè)計(jì)10油箱到泵：φ34 管接頭連接螺紋 M33×2泵到馬達(dá)：φ22 M22×1.5往復(fù)缸管：φ10 M10×1恒壓港管：φ10 M10×1管接頭 ：JB966-77 ,JB972-77 2) 確定油箱容積油箱的有效容積按下式計(jì)算（2-17）V=aQ?式中 QV —液壓泵每分鐘排出的壓力油的容積，m 3a —經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本系統(tǒng)取 a=5Qv=qn=32×10-6×1000=0.032 m3 （2-18）=5×0.032=0.16 m3V=a?6. 繪制正式液壓系統(tǒng)工作圖如圖 3-1，首先給各執(zhí)行元件供油。當(dāng)座椅升高時(shí)，工作液體首先流向施加恒壓力的油缸的左腔，當(dāng)油缸壓力上升到預(yù)先的調(diào)定值，在溢流閥的作用下保持恒壓。工作液體便推開單向閥，經(jīng)過調(diào)速閥后流進(jìn)電磁換向閥，先使雙電磁換向閥左端通電，工作液體流入液壓缸左腔，活塞桿向外伸出。當(dāng)活塞桿伸到一定程度，碰到行程開關(guān)，使電磁換向閥的左端斷電。當(dāng)座椅降低時(shí)，電磁換向閥右端通電，工作液體流入液壓缸右腔，活塞桿以與伸出相同的速度縮回。在工作過程中，施加壓力的油缸始終保持恒壓。液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)采用類似轉(zhuǎn)椅中的導(dǎo)柱，可以穩(wěn)定輪椅的座椅，并可以順利的完成升降動(dòng)作。11圖 2-1 液壓系統(tǒng)圖Рисунок 2-1 Гидровлическая схема2.4 扶手設(shè)計(jì)輪椅兩側(cè)扶手有固定式和可拆卸式兩種?？刹鹦妒椒奖闶褂谜咴谳喴闻c床、汽車等之間的轉(zhuǎn)移。由于輪椅的使用者身材各不相同，人性化輪椅的扶手采用電動(dòng)可調(diào)的設(shè)計(jì)。根據(jù)不同年齡，不同身高及使用者在不同姿勢(shì)下的需要，扶手的高度調(diào)節(jié)范圍是0～14cm，前后調(diào)節(jié)范圍是 0～21cm?？烧{(diào)扶手的調(diào)節(jié)采用齒輪齒條傳動(dòng) [6]。2.5 腳托設(shè)計(jì)腳托，是為了使使用者的腳有一個(gè)穩(wěn)定的支撐，即在坐輪椅時(shí)，把腳放在腳托上，支撐下半身部分重量，避免壓瘡。普通輪椅多采用手動(dòng)或固定腳托，人性化輪椅采用同電源電壓相同的直流減速電機(jī)帶動(dòng)腳托實(shí)現(xiàn)繞腳托軸 90°旋轉(zhuǎn)，以便于使用者上、下輪椅。根據(jù)人體工程學(xué)原理，腳托的最適合位置是距離座椅基準(zhǔn)點(diǎn)約 400mm，距座椅最前端約80mm。腳托用兩桿支撐與輪椅架連接，腳托軸內(nèi)固定一個(gè)微型直流減速電機(jī)，電機(jī)軸與腳托踏板連接，踏板在水平和垂直位置有定位 [6]。2.6 人性化輪椅的動(dòng)力及制動(dòng)機(jī)構(gòu)2.6.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)的組成本設(shè)計(jì)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用由電動(dòng)車的電機(jī)及車圈等改裝的輻條式車輪總成。這里選用臥龍公司的 48V350W 無刷電機(jī)。組裝后的車輪直徑為 55.88cm，寬為 40cm，軸寬為6.35cm。人性化輪椅設(shè)計(jì)122.6.2 制動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成及結(jié)構(gòu)人性化輪椅的剎車系統(tǒng)應(yīng)充分保證乘坐者及行人的安全。這就需要在不同的情況下實(shí)現(xiàn)不同程度的剎車，尤其是斷電之后的剎車問題：斷電之后應(yīng)該保證既可以剎車，又可以在人力作用下行駛。人性化輪椅的制動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)自行車的剎車盤、電磁拉桿、電磁拉桿套筒和機(jī)械拉桿構(gòu)成。斷電作用的電磁拉桿，配合剎車套使用，帶動(dòng)剎車盤，實(shí)現(xiàn)斷電剎車。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，通電撤銷剎車的作用，在剎車時(shí)，斷電即完成剎車作用；在突然斷電的情況下，起保護(hù)作用的電容可以實(shí)現(xiàn)輪椅的逐步剎車；在斷電的情況下，有時(shí)需要人力推動(dòng)輪椅行駛，機(jī)械拉桿將電磁拉桿套筒放開，取消其剎車作用，剎車時(shí)只需將機(jī)械拉桿放置原位即可；當(dāng)使用機(jī)械拉桿駐車后，再次通電時(shí)，續(xù)手動(dòng)將機(jī)械拉桿放置原位。2.7 電池及充電器2.7.1 電池的選用在上一章介紹了現(xiàn)階段電池的發(fā)展，電池的容量和質(zhì)量直接決定人性化輪椅的使用時(shí)間。這里我選用海寶公司的 20AH 的鎳氫電池。此電池組由四塊 12V 的電池串連組成，其一次充電時(shí)間為 8~10 個(gè)小時(shí)，可行駛 40~60km。2.7.2 充電器的選用由于選用的電池的容量較大，所以與其配套的充電器應(yīng)是性能較好，充電電流較平穩(wěn)的。這里選用路易達(dá) 48V 充電器。2.8 其它附屬設(shè)備為了滿足不同使用者在不同環(huán)境下的使用要求，人性化輪椅選配了一些附屬的設(shè)備。它包括：大燈、轉(zhuǎn)向燈、雜物筐、傘架、小桌。2.9 本章小節(jié)本章對(duì)輪椅的各部分組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了液壓提升系統(tǒng)。由于本設(shè)計(jì)主要研究人性化輪椅的控制部分，所以對(duì)本章的部分設(shè)計(jì)并不十分詳細(xì)。133 人性化輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人性化輪椅采用電動(dòng)及自動(dòng)控制代替手動(dòng)的操作，其主要控制動(dòng)力系統(tǒng)和其它各部分電路。3.1 基于 AVR 單片機(jī)的系統(tǒng)控制策略研究3.1.1 控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成在其它硬件條件相同的情況下，控制系統(tǒng)決定著電動(dòng)輪椅的性能，相當(dāng)于系統(tǒng)的神經(jīng)中樞發(fā)出控制命令及處理各種異常情況。它的作用如下:1.使電動(dòng)輪椅操作靈活舒適；2 提高電機(jī)和蓄電池的效率，節(jié)省能源；3.保護(hù)電機(jī)及蓄電池；4 降低電動(dòng)輪椅在受到破壞時(shí)的損傷程度；5.保障使用者和他人的人身安全。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:以單片機(jī)為核心的主控電路；以 IR2103 為核心的驅(qū)動(dòng)電路；功率逆變電路；位置信號(hào)處理電路、電流信號(hào)處理電路以及一些外圍輔助電路?？刂齐娐返闹饕δ苁峭瓿呻姍C(jī)的起動(dòng)、換相、調(diào)速、差速、制動(dòng)等控制并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電池的保護(hù)；驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是利用 IR2103 的自舉技術(shù)驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 管控制電機(jī)電流；而外圍輔助電路主要完成信號(hào)的采樣、對(duì)電路的供電、人性化輪椅設(shè)計(jì)14發(fā)出報(bào) 警信號(hào)等功能。系統(tǒng)原理框圖如圖 3-1 所示 [8]。報(bào)警信號(hào)電池電壓轉(zhuǎn)速給定單片機(jī)電源保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)電路I R 2 1 0 3電流信號(hào)處理電路位置信號(hào)處理電路整流穩(wěn)壓功率逆變器B L D C M圖 3－1 系統(tǒng)原理框圖Рисунок 3-1 Блок-схема системы функциональная3.1.2 系統(tǒng)主要控制策略概述直流電源通過 MOSFET 構(gòu)成的逆變橋向 BLDCM 供電，單片機(jī)在新的采樣周期到來時(shí)，先判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，如是靜止?fàn)顟B(tài)則用軟件開環(huán)起動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定速度后再切換到常規(guī)換相運(yùn)行狀態(tài)。 “軟啟動(dòng) ”的電控方案解決了零狀態(tài)起步耗電大的問題，大幅度地提高了一次充電的續(xù)行里程。常規(guī)的換相運(yùn)行是直接根據(jù)位置傳感器傳來的信號(hào)進(jìn)行換相控制，同時(shí)將電機(jī)速度反饋信號(hào)和手把給定的速度信號(hào)相減，得出偏差，經(jīng)過控制算法得出控制量。再以控制量驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)電位器，輸入給驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，系統(tǒng)的速度便達(dá)到了給定。3.1.3 故障檢測(cè)與系統(tǒng)保護(hù)一個(gè)控制系統(tǒng)能否正常工作，除了各環(huán)節(jié)能保證正常工作外，各環(huán)節(jié)之間的參數(shù)一定能絕對(duì)匹配，加之一些外在干擾因素對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)有可能發(fā)生故障。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時(shí)，如不及時(shí)處理，便會(huì)造成損壞功率管和其它設(shè)備的嚴(yán)重后果。所以必須設(shè)置保護(hù)環(huán)節(jié)，及時(shí)封鎖系統(tǒng)輸出，切斷主回路電源，使系統(tǒng)停止工作。完善的保護(hù)環(huán)節(jié)不但可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，而且使其可靠性大大提高，也保障了使用者的安全。本系統(tǒng)設(shè)置了過壓、欠壓、過流及功率器件的保護(hù)等保護(hù)環(huán)節(jié)，并根據(jù)簡(jiǎn)單可靠原則設(shè)計(jì)了具體的保護(hù)電路。過壓和欠壓保護(hù)主要是針對(duì)蓄電池設(shè)置的，在運(yùn)行過程中，電池的穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。由第二章對(duì)蓄電池特性分析可知，當(dāng)端電壓下降到15其終止電壓時(shí)，必須停止放電，否則會(huì)損壞電池。因此，要在蓄電池正極與地之間串上分壓電阻，然后進(jìn)行 A/D 采樣，單片機(jī)根據(jù)采樣結(jié)果判斷電池是否正常工作，如發(fā)生過壓或欠壓，立即發(fā)出譽(yù)報(bào)，并切斷電源以保護(hù)電池。過流保護(hù)由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是直流回路的過流保護(hù)，另一個(gè)是相電流的過流保護(hù)。前者是在直流側(cè)近地端串上一個(gè)電阻，將放大后的信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)集成電路 IR2103,利用其內(nèi)部的過流、直通、過壓、欠壓等檢測(cè)功能，在發(fā)生故障時(shí)將故障信號(hào)輸出給單片機(jī)，有單片機(jī)控制繼電器，使加在繞組上的電壓值不能太高，這樣就起到了過流保護(hù)作用。相電流的保護(hù)與直流側(cè)主回路的保護(hù)是相近的，都是通過軟件的電流環(huán)來進(jìn)行鉗位控制，只是控制的初始設(shè)置不同，一般來說，相電流的過流保護(hù)值為直流側(cè)的 1/3。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSPET 在控制系統(tǒng)中有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但它的薄弱之處是柵極絕緣易被擊穿損壞，柵源間電壓不得超過 120V，一般認(rèn)為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管易受各種靜電感應(yīng)而擊穿柵極絕緣。以下是功率 MOSFET 的保護(hù)措施：1. 靜電擊穿的防護(hù)功率 MOSPET 輸入阻抗極高，在高靜電場(chǎng)情況下，電荷難以泄漏，容易使柵極絕緣薄氧化層擊穿，造成柵一源短路，或因功率太大使柵極引線斷開造成柵極或源極開路。因此，在電路中，要保證柵源間外施電壓不要超過規(guī)定限制:而且在取用、搬運(yùn)、焊接等過程中人體盡量不要直接接觸 MOS 管，因?yàn)樵诟稍锃h(huán)境下活動(dòng)的人體電位可高達(dá)幾千伏甚至上萬伏，如果處理不當(dāng)就可能對(duì)器件造成永久性損壞。2 過電壓保護(hù)由于柵源阻抗很高，漏一源間電壓突然增加會(huì)通過極間電容耦合到柵極，使柵極絕緣擊穿。若為正向柵一源電壓增加，還會(huì)引起誤導(dǎo)通。為此應(yīng)在柵源間并聯(lián)電阻或齊那二極管（約 20V） ，絕對(duì)不允許開路。而漏一源之間也要外加保護(hù)電路以防止開關(guān)過程中因電壓的突變而產(chǎn)生的漏極尖峰電壓損壞管子?？梢圆扇↓R那二極管鉗位、二極管—RC 鉗位或 RC 緩沖電路等保護(hù)措施。另外，當(dāng)電機(jī)因意外突然停轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)繞組會(huì)產(chǎn)生瞬間的反向高壓，損壞功率管。如在系統(tǒng)直流母線上并聯(lián)一只高耐壓電容。在意外停機(jī)時(shí)，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。3 過電流保護(hù)由于負(fù)載的變化可能會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，以致超過器件的額定漏極峰值電流。在這種情況下，主回路的電流采樣電阻能迅速的將電流的變化情況，通過單片機(jī)內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換反映到電流調(diào)節(jié)環(huán)，要求系統(tǒng)能在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)將 MOS 管關(guān)斷，這就需要選用的單片機(jī)有足夠快的響應(yīng)速度。3.1.4 核心控制器件的選擇基于以上對(duì)控制策略的分析與研究，本系統(tǒng)是一個(gè)要求高速、高效、高可靠性的控人性化輪椅設(shè)計(jì)16制系統(tǒng)。要由一個(gè)能滿足這些條件的控制器來控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并希望其價(jià)位適宜，這樣才能事好的使研究成果向產(chǎn)品化發(fā)展。因此，單片機(jī)的選型十分重要。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)(Single-ChipMicrocomputer)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)，因其主要用于控制，所以又稱微控制器(MCU)。它在一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)必需的基本功能部件，包括中央處理器(CPU)、只讀寄存器(ROM)、輸入輸出口(1/O 口)，可編程定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器等。單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)合理、抗干擾性強(qiáng)和指令豐富的特點(diǎn)，它的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路、邏輯部件來實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在都可通過軟件來完成。從 1974 年美國(guó)仙童公司生產(chǎn)出第一塊單片機(jī)開始，在短短幾十年中，單片機(jī)發(fā)展迅速，由 4 位、8 位一直到 16 位單片機(jī)，目前 32 位的超大規(guī)模集成電路單片機(jī)(T414)也已面世，同時(shí)性能也不斷提高。目前單片機(jī)已成為工控領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域及日常生活中最廣泛使用的控制系統(tǒng)。高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位，一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)、賴以生存的必要條件。早期單片機(jī)主要由于工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，采用較高分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢。ATMEL 公司推出的 AVR 單片機(jī)，徹底打破這種就設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集 (RISC)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。在 AVR 大家庭中尤為突出的是一款新型 AVR 高檔單片機(jī) Atmega16。它是基于 AVR RISC、低功耗 CMOS 的 8 位單片機(jī)，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機(jī) MEGA 系列的全部性能和特點(diǎn)，且其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為 AVR 高檔單片機(jī)中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能價(jià)格比最好的品種 [10]。Atmega16 有如下特性：1. Atmega16 因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的 RISC 精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，所以具有足夠快的運(yùn)行速度，可達(dá) 1MIPS/MHZ，是普通 CISC 單片機(jī)的 10 倍；2.4 個(gè) PWM 通道，可實(shí)現(xiàn)任意小于 16 位、相位和頻率可調(diào)的 PWM 脈寬調(diào)制輸出；3.有 21 個(gè)不同的獨(dú)立中斷源，并有特定的中斷允許位，提高了系統(tǒng)的安全性；4.片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)空間足以17滿足系統(tǒng)需要，并為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了必要保證；5. 24 個(gè)可編程 I/O 口，可任意定義 I/O 的輸入/輸出方向；驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)LED 等大電流負(fù)載，且多數(shù)的 I/O 口為復(fù)用口，除了作為通用數(shù)字 I/O 使用外，其第二功能可作為芯片內(nèi)部其他外圍電路的接口；6.具有三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，除了能夠?qū)崿F(xiàn)通常的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、 脈寬調(diào)制輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)等更為強(qiáng)大的功能；7.帶 8 個(gè) 10 位的 ADC 和 DAC 轉(zhuǎn)換，可直接輸入模擬量、輸出數(shù)字量；8.有看門狗電路，一旦程序進(jìn)入死循環(huán)能自動(dòng)復(fù)位，保證系統(tǒng)工作的可靠性；9.有空閑、省電、掉電三種低功耗方式，很適合低功耗系統(tǒng)的要求。作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，Atmega16 單片機(jī)具有的功能特點(diǎn)使它非常適合作為電機(jī)的調(diào)速差速控制。3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.2.1 硬件系統(tǒng)概述任何一個(gè)控制系統(tǒng)都離不開軟件程序賴以實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)— 硬件設(shè)計(jì)。由于本文所研究的系統(tǒng)選用 AVR 單片機(jī) ATmega16 為控制核心，我們知道它不僅具有強(qiáng)大高速的運(yùn)算處理能力，而且在片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件，這就大大簡(jiǎn)化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，加之采取了“ 硬件軟化 ”的設(shè)計(jì)方案，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)潔 [9]?？刂葡到y(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成:1.核心微處理器 ATmega16；2 電流采樣部分，通過檢測(cè)定子及直流側(cè)電流，完成保護(hù)功能，并將電流和保護(hù)信號(hào)送至 AVR 單片機(jī)；3.轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，送至 AVR 的中斷引腳；4.轉(zhuǎn)速給定部分，由可調(diào)電位器將轉(zhuǎn)速的給定信號(hào)送到 AVR 的 ADC 口；5.其他部分，如 PWM 輸出，電池電量顯示，電池欠壓保護(hù)，故障指示、電源等。我用另一塊 ATmega16 單片機(jī)作為輔助設(shè)備的控制及電壓、速度的檢測(cè)，并驅(qū)動(dòng)LED 燈在手柄上顯示速度、電量等輪椅的狀態(tài)量。3.2.2 控制手柄設(shè)計(jì)人性化輪椅同其它電動(dòng)輪椅一樣，主要通過控制手柄控制輪椅的行駛。控制手柄由電源開關(guān)、行駛控制桿、大燈及其遠(yuǎn)近開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈、喇叭開關(guān)和狀態(tài)顯示屏組成。人性化輪椅設(shè)計(jì)18人體工程學(xué)對(duì)操控裝置和顯示裝置有著很嚴(yán)格的要求。手動(dòng)操控裝置中，按其操縱的運(yùn)動(dòng)方式可分為：旋轉(zhuǎn)式操縱器，移動(dòng)式操縱器，按壓式操控器。盡管操控裝置的種類很多，但對(duì)它們的人體工程學(xué)要求是一致的，即操控器的形狀、大小、位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和操控力等，都要符合人的生理、心理特性，以保證操作時(shí)的舒適和方便 [6]。本設(shè)計(jì)中手柄是主要的控制輸入裝置。其中，搖桿采用改進(jìn)后的 PC 游戲手柄的搖桿，電源、大燈及遠(yuǎn)近光用單刀雙擲開關(guān)，其它按鍵采用普通的按簧開關(guān)。常見的 PC 游戲手柄帶有兩個(gè)搖桿，搖桿由互相垂直的兩個(gè)電位器及連桿構(gòu)成。位于搖桿下的彈簧可以增加搖桿的撥動(dòng)力矩，并使之在無外力作用時(shí)自動(dòng)復(fù)位。由于手柄彈簧的彈力并不能滿足實(shí)際使用的要求，故需將彈簧進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。原彈簧尺寸為：d=0.6mm，D2=10mm，n=2，H0=14.5mm。其中 d—材料直徑；D2—彈簧中徑；n—彈簧的有效圈數(shù)；H0—彈簧的長(zhǎng)度。由附表 1 可知，此彈簧為非標(biāo)準(zhǔn)彈簧，其彈性系數(shù)約為 1.2。所以，利用實(shí)驗(yàn)估計(jì)設(shè)計(jì)后的搖桿中彈簧對(duì)桿的彈力應(yīng)為原彈簧彈力的 2～3 倍。故選彈簧為：d=0.8mm，D2=10mm，n=2，H0=14.5mm，k=4.02。位于搖桿左側(cè)的電位器為控制手柄的 Y 軸，控制前后方向；位于搖桿后側(cè)的電位器為控制手柄的 X 軸，控制左右方向。當(dāng)搖桿 Y 值變化是，輪椅的左右輪同時(shí)等速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)搖桿 X、Y 值同時(shí)不為零時(shí)，左右輪根據(jù) X、Y 值的不同做差速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)搖桿的 Y 值為零，X 值不為零時(shí)，輪椅兩輪速度相反做原地轉(zhuǎn)向。19搖桿的電位器有三個(gè)引腳，總電阻為 10k ，極限位置時(shí)，最小電阻為 0 。當(dāng)搖桿??X、Y 值為零時(shí)，電位器單側(cè)阻值為 5k 。位于搖桿前端的是按簧開關(guān)，按下開關(guān)，輪椅的制動(dòng)器急停，單片機(jī)復(fù)位。其中，位于 Y 軸的電位器連接單片機(jī)的 PA0 口，位于 X軸的電位器連接單片機(jī)的 PA1 口，完成單片機(jī)的 AD 轉(zhuǎn)換；按簧開關(guān)連接 PC0 口，控制輪椅剎車的開關(guān)量。顯示裝置是人性化輪椅中不可缺少的部分。它顯示輪椅的限速模式（即室內(nèi)或室外模式） ，行駛速度，電池電量，大燈及轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)。顯示裝置按照認(rèn)讀特征主要分為兩大類：（1）數(shù)字式顯示類儀表，它是直接用數(shù)碼來顯示有關(guān)的參數(shù)或工作狀態(tài)的裝置，如各種數(shù)碼顯示屏，機(jī)械、電子式數(shù)字計(jì)數(shù)器，數(shù)碼管等。其特點(diǎn)是顯示簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確可靠，可顯示各種參數(shù)和狀態(tài)的具體數(shù)值，對(duì)于需要計(jì)數(shù)或讀取數(shù)值的作業(yè)來說，這類顯示裝置有認(rèn)讀速度快，精度高，且不易產(chǎn)生視覺疲勞等優(yōu)點(diǎn)。（2）刻度指針式儀表，它是用模擬量來顯示機(jī)器有關(guān)參數(shù)和狀態(tài)的視覺顯示裝置。其特點(diǎn)是顯示的信息形象化、直觀，使人對(duì)模擬值在全量程范圍內(nèi)所處的位置一目了然，并能給出偏差量，對(duì)于監(jiān)控作業(yè)效果很好 [6]。本設(shè)計(jì)中的控制手柄并不適合使用數(shù)字式儀表，在輪椅的行駛中，儀表的數(shù)字很難為使用者識(shí)別，而其為人機(jī)顯示界面預(yù)留的空間也并不能滿足刻度指針式儀表的寬度要求，所以，本設(shè)計(jì)采用在電動(dòng)自行車中常用的連續(xù)擺放的發(fā)光二極管作為速度和電量的指示燈，并用不同顏色的發(fā)光二極管來顯示并區(qū)別這些不同的待顯示量。這里，速度顯示用紅色發(fā)光二極管，電量用綠色發(fā)光二極管，電量警告用紅色發(fā)光二極管，大燈及其遠(yuǎn)近顯示用黃色發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)向燈用綠色發(fā)光二極管。這樣既與其它產(chǎn)品，如電動(dòng)自行車、汽車類似，又可以避免不同顏色的燈在臨近位置造成混淆。圖 3-2 為手柄結(jié)構(gòu)圖。人性化輪椅設(shè)計(jì)20圖 3-2 手柄結(jié)構(gòu)圖Рисунок 3-2 Чертеж структуры ручки3.2.3 推手及其傳感器設(shè)計(jì)很多電動(dòng)輪椅都安裝了推手，同普通輪椅一樣，需要在外力作用下推動(dòng)輪椅運(yùn)動(dòng)。但是，電動(dòng)輪椅應(yīng)該利用自身的動(dòng)力源，來解脫人力。在推手內(nèi)加裝傳感器后，在使用推手時(shí)，將使用者的作用力采集到單片機(jī)中，控制輪椅的運(yùn)動(dòng)，可節(jié)省使用者的力。推手利用彈簧彈力限制使用者施力，利用霍爾元件采集推手移動(dòng)距離。推手的固定端是焊接在輪椅支架上的長(zhǎng)為 40mm 的同支架材料相同的空心圓管，在空心圓管的外面是長(zhǎng)為 12mm 的硬質(zhì)橡膠套筒，用一個(gè)螺釘與空心圓管固定，里面用連桿阻擋位于兩側(cè)的彈簧，并連接最外層的活動(dòng)套筒。其結(jié)構(gòu)如圖 3-3。21圖 3-3 推手結(jié)構(gòu)圖Рисунок 3-3 Нажимает чертеж структуры руки位于兩側(cè)的彈簧用來限制使用者對(duì)推手的作用力，避免誤操作對(duì)輪椅行駛的影響。根據(jù)人體工程學(xué)的要求，作用在推手上的力應(yīng)在 10～25N 之間，外套筒的單向行程應(yīng)在2～7.5mm 之間，推手的長(zhǎng)度為 135mm，平均直徑為 25mm。根據(jù)要求，需詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)彈簧。由f=kx （3-1）得 k= = =4 N/mm （3-2）fx307.5式中 f—對(duì)彈簧施加的壓力k—彈簧彈性系數(shù)x—彈簧壓縮長(zhǎng)度已知小彈簧的參數(shù)為：D=12mm H0=30mm大彈簧的參數(shù)為： D=15mm H0=22mm查附表 1，選取可與兩彈簧外徑配套的彈簧材料直徑 d 和中徑 D2 以及相關(guān)參數(shù)，得 小彈簧：d=0.9mmD2=10mmk=6.43n= =64328Gdk大彈簧：d=1mmD2=12mm人性化輪椅設(shè)計(jì)22k=5.68n= =44328GdkD其中 k—彈簧彈性系數(shù)；n—有效圈數(shù)；G—材料的切變模量，此彈簧材料為鋼絲， G=78.5GPa每側(cè)推手傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)采集、運(yùn)算，控制對(duì)應(yīng)的單側(cè)電機(jī)。左、右側(cè)傳感器分別連接單片機(jī)的 PA2、PA3 口。3.2.4 無線遙控裝置設(shè)計(jì)在輪椅的使用過程中，難免會(huì)遇到需要遙控的時(shí)候，這就需要在輪椅的控制器中增加無線遙控裝置。現(xiàn)在有很多無線遙控的產(chǎn)品，典型的產(chǎn)品有，遙控汽車，遙控飛機(jī)。這里選用由大功率遙控汽車的控制電路改進(jìn)而成的遙控發(fā)射及接收電路作為人性化輪椅的遙控電路。此遙控電路控制輪椅的前后、左右，其輸出信號(hào)為連續(xù)的模擬信號(hào)，將其分別輸入到單片機(jī)的 PA4、PA5 口，并需連接 5.1k 的電阻以保護(hù)單片機(jī)。?3.2.5 預(yù)留的其它設(shè)備控制接口人性化輪椅在設(shè)計(jì)上雖然對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)輪椅進(jìn)行了改進(jìn)，但是，隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)出現(xiàn)更先進(jìn)的控制輸入設(shè)備或控制系統(tǒng)。為了適應(yīng)硬件的升級(jí)，我在單片機(jī)中預(yù)留了兩個(gè) ADC 口，分別是 PA6 和 PA7。這兩個(gè) ADC 口輸入的電壓范圍是1V~4.2V，調(diào)速范圍是 0～ 20km/h。3.2.6 ADC 接口電路由以上各部分傳入單片機(jī) ADC 口的接口如圖 3-4 所示。23P A 1P A 2P A 3P A 4P A 5P A 6P A 7P A 04 03 93 83 73 63 53 43 3A R E F3 23 13 02 92 82 72 62 52 42 32 22 1G N DA v c cP C 6P C 5P C 4P C 3P C 2P C 1P C 0P C 7P D 7P B 1P B 2P B 3P B 4P B 5P B 6P B 7R E S E TV c cG N DP D 1P D 2P D 3P D 4P D 5P D 0P D 6P B 01234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0X T A L 1X T A L 2A t m e g a 1 6 — 4 0 P I N+ 5 V + 5 V + 5 V手柄Y軸電位器手柄X軸電位器左推手霍爾 I C 右推手霍爾 I C遙控前后端口遙控左右端口預(yù)留的輸入端前后端口預(yù)留的輸入端前后端口手柄剎車按鍵圖 3-4 ADC 接口電路圖Рисунок 3-4 Принципиальная схема соединения3.2.7 PWM 輸出電路設(shè)計(jì)在電機(jī)的控制系統(tǒng)中，PWM 被用來控制開關(guān)器件的開關(guān)時(shí)間，為電機(jī)繞組提供所需的能量，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。提供給電機(jī)的電壓或者電流就是這種調(diào)制信號(hào)。要產(chǎn)生一個(gè) PWM 信號(hào)，需要有一個(gè)合適的定時(shí)器來重復(fù)產(chǎn)生一個(gè)與 PWM 周期相同的計(jì)數(shù)周期，一個(gè)比較寄存器保持著調(diào)制值。比較寄存器的值不斷與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值比較，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)，在相應(yīng)的輸出上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換(由高到低或由低到高)。當(dāng)兩個(gè)值之間的第二個(gè)匹配產(chǎn)生，或當(dāng)一個(gè)定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)，相應(yīng)的就會(huì)在輸出上產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時(shí)間就會(huì)與比較寄存器的值成比例。在每個(gè)定時(shí)周期中，這個(gè)過程都會(huì)出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調(diào)制值是不同的，這樣相應(yīng)的輸出就會(huì)產(chǎn)生一個(gè) PWM 信號(hào)。本系統(tǒng)使用的控制芯片 ATmega16 有一個(gè) 16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1( T/C1)可運(yùn)行于PWM 模式，并利用 PB1 的第二功能— (OClA) T/Cl 輸出比較 A 匹配輸出口輸出相位、頻人性化輪椅設(shè)計(jì)24率可調(diào)的 PWM 波。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 可以從晶振時(shí)鐘、預(yù)定比例晶振時(shí)鐘或外部引腳中選擇時(shí)鐘源，這可由 T/C1 控制寄存器 B (TCCRlB)的低 3 位(CS12, CS11, CS10) 進(jìn)行設(shè)置，如表 3-1 所示。表 3-1 T/C1 的時(shí)鐘源選擇Форма3-1 Выбор источника часовT/C1CS12 CS11 CS10 說明0 0 0 無時(shí)鐘源（T/C1 被停止 ）0 0 1 CK（系統(tǒng)時(shí)鐘）0 1 0 CK/8（來自預(yù)分頻器）0 1 1 CK/64（來自預(yù)分頻器）1 0 0 CK/256（來自預(yù)分頻器）1 0 1 CK/1024（來自預(yù)分頻器）1 1 0 外部 T1 腳，下降沿驅(qū)動(dòng)1 1 1 外部 T1 腳，上升沿驅(qū)動(dòng)在 T/C1 的控制寄存器 A( TCCRlA)中可以設(shè)置 PWM 為 8 位、9 位或 10 位。當(dāng) T/C1處于 PWM 模式時(shí)，可以通過 COM1A1 和 COM1A2 位來設(shè)置 PB1 (OC1)，如表 3-2 所示。表 3-2 OC1 方式選擇Форма3-1 Выбор дороги OC1COM1A1 COM1A2 在 OC1 上的作用0 0 不連接0 1 不連接1 0清比較匹配值，向上計(jì)數(shù)，置比較匹配值，向下計(jì)數(shù)。1 1清比較匹配值，向下計(jì)數(shù)，置比較匹配值，向上計(jì)數(shù)。（PWM 翻轉(zhuǎn)）在相位、頻率可調(diào) PWM 模式下，計(jì)數(shù)器為雙程計(jì)數(shù)器 .從 0x0000 一直加到 TOP(可以為固定的 8, 9, 10 位)，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)時(shí)，改變計(jì)數(shù)方向，從 TOP 開始減 1 計(jì)數(shù)到 0x0000。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)上限 TOP 值大/小決定了 PWM 輸出頻率的低/ 高，而比較寄存器的數(shù)值則決定了輸出脈沖的起始相位和脈寬。通過設(shè)置比較寄存器 OCRlA/OCR1B 的25值，可以獲得不同占空比 的脈沖波形。?以左側(cè)電機(jī) PWM 控制為例。從 PB0 口輸出的 PWM 波經(jīng)阻容濾波后輸入 74LS08 其中一個(gè)與門，該與門的輸出為其它三個(gè)與門的一路輸入，另外三個(gè)輸入分別由 PB2, PB3, PB4 控制，這三個(gè)口的輸出電平?jīng)Q定了某一時(shí)刻三路 PWM 波中的某一路傳送給驅(qū)動(dòng)電路IR2131S 中相對(duì)應(yīng)的那路上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，使逆變器的上橋臂受控于 PWM 波，而下橋臂的通斷由單片機(jī)的另外三個(gè) I/0 口 PD1, PD2, PD3 控制。于是就實(shí)現(xiàn)了上一章所設(shè)計(jì)的單極性 PWM 波調(diào)制模式。這六個(gè)口的電平變化是由單片初通過軟件檢查上一時(shí)刻的相位表，進(jìn)而決定下一時(shí)刻是哪兩個(gè)口輸出有效電平，使電機(jī)運(yùn)行的相位和速度得到高效的控制，電路如圖 4.6 所示。右側(cè)對(duì)應(yīng)的 IO 口為 PB5,PB6,PB7,PD4,PD5,PD6。8 765432191 01 11 21 31 43 Y3 A3 B4 Y4 A4 BV c cG N D2 Y2 B2 A1 Y1 B1 A7 4 L S 0 8H I N 2H I N 1P B 3P B 2P B 4H I N 3P W M8 765432191 01 11 21 31 43 Y3 A3 B4 Y4 A4 BV c cG N D2 Y2 B2 A1 Y1 B1 A7 4 L S 0 8H I N 2H I N 1P B 6P B 5P B 7H I N 3P W M圖 3-5 PWM 波的輸出控制Рисунок 3-5 Контроль за выпуском продукции волны PWM3.2.8 電池電壓檢測(cè)單元蓄電池電壓的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)對(duì)其容量監(jiān)控的關(guān)鍵，也是對(duì)電池進(jìn)行欠壓保護(hù)的有效途徑。本系統(tǒng)通過采樣電池的端電壓，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波后輸入另一塊單片機(jī)的 ADC口，用軟件進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)小于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，立即采取措施，關(guān)閉電源，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的檢測(cè)及對(duì)蓄電池的必要保護(hù)。檢測(cè)電路見圖 3-6。4 8 V9 . 1 K( 4 5 . 2 V )9 1 0C A PC 11 KA D C O圖 3-6 電池電壓檢測(cè)Рисунок 3-6 Рассмотрение напряжения тока батареи人性化輪椅設(shè)計(jì)263.2.9 速度檢測(cè)單元電機(jī)的轉(zhuǎn)速是雙閉環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)重要反饋量，如果安裝測(cè)速器來解決這個(gè)問題無疑會(huì)增加系統(tǒng)的硬件投資和整個(gè)系統(tǒng)的體積。所以在本系統(tǒng)中將利用轉(zhuǎn)子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過上拉、濾波后的脈沖信號(hào)如圖 3-7 所示。它們是脈寬為 180°，相位上互差 120°的方波信號(hào)。對(duì)其中的任一位置傳感器而言，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生 p 個(gè)方波脈沖，P 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，顯然這種方波脈沖的頻率是正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的。脈沖信號(hào)再經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)電路的處理提高其脈沖頻率后送到單片機(jī)的中斷口，通過軟件運(yùn)用算法測(cè)速，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋。H 1H 2H 31 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 10 ° 6 0 ° 1 2 0 ° 1 8 0 ° 2 4 0 ° 3 0 0 ° 3 6 0 ° 轉(zhuǎn)子位置 （ 電角度 ）圖 3-7 三相位置信號(hào)Рисунок 3-7 Трехфазный сигнал положения3.2.10 各輔助設(shè)備控制設(shè)計(jì)各輔助設(shè)備，如頭枕、座椅、腿托、腳托、扶手等，均為電機(jī)完成啟動(dòng)、停止和正相、反相的運(yùn)動(dòng)，他們的控制電路如圖 3-8。M+ 1 2 V+ 5 V+ 5 V圖 3-8 輔助設(shè)備控制電路Рисунок 3-8 Поддерживая цепь управлением средства273.2.11 系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計(jì)可靠性指標(biāo)是系統(tǒng)非常重要的一個(gè)指標(biāo)，它關(guān)系到系統(tǒng)的安全與具體實(shí)現(xiàn)問題。影響系統(tǒng)可靠性的因素既有外部的也有內(nèi)部的，外部的因素如電源干擾，空間電磁干擾，機(jī)械震動(dòng)等，內(nèi)部原因有元器件失效，內(nèi)部電磁千擾，電氣接觸不良，軟件故障等。本章詳細(xì)討論系統(tǒng)的硬件可靠性設(shè)計(jì)，在下一章在結(jié)合軟件設(shè)計(jì)討論軟件的可靠性設(shè)計(jì)。影響本系統(tǒng)可靠性的硬件因素主要有: (1)電源及地線干擾； (2)電磁干擾；（3）電氣接觸不良等。針對(duì)這些問題，本系統(tǒng)采取