智能轮椅电动改装系统设计

1　引言

随着生活水平的提高,人们对老年人和残疾人的关注度日渐提高,越来越多的电动式轮椅进入消费者的视线[1],但由于大多电动式轮椅存在两个极端,进口轮椅大多拥有较好的性能但是价格昂贵,超出了普通民众的消费能力[2],而国内较为普遍的电动轮椅车功耗大、续航能力差[3],因此现在大多家用或者医院所用的轮椅仍然是传统手摇式轮椅。而且现在电机驱动大多采用位置传感器的控制方式,控制模式单一,稳定性有限,对于行动不便的人群而言可靠性和安全性较低,因而在实际应用中很难为老人和残疾人提供方便、安全、自由的出行。然而就当今的实际形式来看,中国的人口结构已经进入老年化时期,60岁以上的老年人数量是1.32亿,65岁以上的则达到了9000万[4]。而中国现有8000多万肢体有残疾的人,虽然他们的行动不如健康人,但在心理上他们仍然渴望和健康人一样享受生活[4]。

因此,本文将介绍一种安全稳定、绿色节能、价格低廉的电动轮椅改装系统,能自由快捷地将普通轮椅改装成电动轮椅。详细阐述了硬件电路的设计方案、完善的监测与保护电路以及高效的供电系统,并给出了控制软件的流程图。为亿万有需要的老人和残疾人提供一种既方便又安全的出行方式。

2　系统总体设计

整个系统基于32位ARM7 LPC2103微处理器,由机械部分、控制部分和锂电池供电部分组成。控制部分采用分离式结构,将控制部分分为上位机和下位机两个部分,上下位机通过串口进行数据通信来控制系统运行。上位机主要进行霍尔转把和速度、电量显示等弱电控制,下位机主要进行直流无刷电机等强电控制,并配以安全监控和保障的硬件电路。这样划分隔离了强电和弱电,增强了系统的可靠性。硬件部分主要由微处理器核心控制模块及外围的功能模块组成;软件部分由驱动软件和应用软件组成;机械部分采用的是可拆卸安装的结构,能自由移植到不同的轮椅上。系统结构总图如图1所示。

3　系统硬件设计

3.1　下位机硬件设计

3.1.1　系统芯片选择

系统主控制芯片采用NXP公司ARM内核的LPC2013芯片,LPC2103有4个定时器、8路10位ADC以及具有多达13个边沿或电平触发的外部中断管脚的32条高速GPIO线,所有定时器均有4个可配置为PWM模式的寄存器,并可以同时使用3个匹配输出作为单边沿控制的PWM输出。这使得该芯片特别适合于电机的控制。

3.1.2　电机驱动逆变电路

无刷电机的驱动逆变电路主要包括两个部分:驱动芯片和驱动桥式电路。电机驱动芯片采用IR2136,IR2136是专用的三相桥驱动芯片,它带有3个独立的高压侧和低压侧输出通道,可输出6路驱动脉冲,工作频率可达几十万赫兹,而且只需一个直流工作电源。同时具有完善的保护功能,能实现对功率MOSFET和IGBT的最优驱动[5]。无刷电机控制的主电路采用三相全桥逆变电路,这种桥式电路的好处是能增大转矩输出、有较好的稳定性,而且启动特性与低速平稳性较好,非常符合本系统的设计要求。逆变器的主要功能是将直流电转化为交流电为电机供电。如图2所示,逆变器电路与电枢绕组组合方式为星形连接三相桥式,采用PWM半桥调制方式,在120°导通区间内,各开关管前60°恒通,后60°采用PWM调制。功率开关管工作在二二导通方式,每个通电周期六种导通状态,每个状态60°电角度。通过改变功率开关的开关顺序可以实现电机的正反转。考虑到系统的电流大小,为防止电流过大发生击穿,实验中的逆变器功率开关管采用NMOS管IRF3710。