基于直流无刷伺服系统的新型电动轮椅设计

　　本世纪是一个人口老龄化程度较高的世纪，老年人和残疾人的护理将是社会的一个沉重负担，所以亟需一种能够满足老年人、残疾人自我护理的高级医疗康复设备， 以减轻健康人群的工作压力。随着科学技术的迅速发展，人们生活水平不断提高，欧美经济发达国家的老年人、残疾人专用手动轮椅已逐步被淘汰，取而代之的是性能更优越、操作更简便、行驶更安全可靠，使用电脑芯片可编程控制，具有人工智能功能的电动轮椅。

　　电动轮椅在发达国家已获得广泛使用，目前的年需求 量约为40万台。随着我国开始进入老龄社会，以及经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，我国对高档电动轮椅也将有十分旺盛的需求。本文介绍了如何利用直流伺服技术开发出两款功能独特、结构简单、成本低廉的电动轮椅。

　　图一

　　传统的电动轮椅及驱动方式

　　目前国内外主流型电动轮椅如图1所示：这些轮椅的两个主动轮是由两台直流有刷电机经过减速器(蜗轮蜗杆)分别驱动的;其控制水平属于速度开环控制，也就是通过pwm(脉宽调制)来改变电枢电压，达到调速目的。

　　由于减速器的存在，使得机械结构复杂，重量和成本增加。笔者利用直流伺服技术，研制出免除 减速器的新型轮椅。

　　直接驱动的速度闭环控制的新型电动轮椅

　　新型电动轮椅如图2所示。该轮椅采用直流无刷电机直接驱动，因此结构简单，重量轻，可以折叠便于室内外搬运和车载外出活动。它的驱动电机是外转子式，即轮毂电机(由电机和充气轮胎构成车轮)，其电机参数如附表所示。

　　图2 直接驱动的电动轮椅

　　附表永磁直流无刷电机参数

　　图3 控制系统方块图

　　图4 单极性可逆三相无刷电机驱动

　　其控制系统方块图如图3所示，单片机将由操作杆送来的命令解码，输出左右2个车轮(电机)的运动速度和方向命令作为后面的速度伺服系统的给 定。

　　根据实际应用的需要，该速度伺服系统的动、静态指标要求不高，故采用具有电流限幅的速度环，速度环的控制规律为比例积分(pi)控制;电流限幅值为8a; 为满足低速性能，采用深度速度负反馈：利用无刷电机3个霍尔换相信号产生的脉冲，经频压转换(f/v)芯片产生模拟电压uf，它正比于电机转速。由于电机 有20个磁极，电机一圈产生的脉冲数为3×20=60个，电机最高转速为200r/min，因此产生的脉冲数为60×(1 /60s)×200=200hz，调节f/v环节放大系数使200hz输入时，输出为5v(等于速度给定最大值)。