軌道式登樓椅升降電機控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種軌道式登樓椅升降電機控制器，包括速度調節器模塊，電流調節模塊，PWM調節模塊，驅動電路模塊，電流檢測模塊和轉速檢測模塊；所述速度調節器模塊輸入端接轉速檢測模塊輸出端并可設定轉速，速度調節器模塊和電流檢測模塊的輸出端還分別接電流調節模塊的輸入端，電流調節模塊的輸出端接PWM調節模塊的輸入端，PWM調節模塊的輸出端接驅動電路模塊的輸入端，驅動電路模塊的輸出端分別接主電機和電流檢測模塊的輸入端，轉速檢測模塊的輸入端接收主電機的轉速信息。本實用新型的有益效果是：在保證速度達到要求的前提下，使電機電流不超過電機最大電流。結構合理，舒適性，安全性好。
【專利說明】軌道式登樓椅升降電機控制器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電機控制器，更具體說，它涉及一種軌道式登樓椅升降電機控制器。
【背景技術】
[0002]隨著21世紀的到來，我國現己進入老齡化社會，現在我國的老年人己達到1.3億以上，并以年均3.3%的速度持續增長，此外，我國還有各類殘疾人約6千萬，大量的老年人和殘疾人使助老助殘問題日益成為一個重大的社會問題。
[0003]在助老助殘問題中，其中很重要的就是老人、殘疾人上下樓梯的問題。而許多樓層較低(例如七層以下)的普通居民樓中沒有安裝電梯，老式小區這種情況頗為普遍。據調查，杭州60歲及以上老年人口有122萬余人，占總人口數的17.53%。他們大多居住在沒有安裝電梯的老小區。在這些情況下，腿腳不便的老人、殘疾人上下樓問題阻礙了他們的戶外活動，影響到他們的健康，成為子女們的心病，是一個社會性的公益問題。因此，輔助殘障人的登樓椅設施的研制顯得非常有價值和意義。
[0004]在登樓椅產品的研制方面，目前國內外的研究主要分為二類，第一類是無軌道的登樓輪椅；第二類是有軌道的登樓椅。其中第二類國內的研究還處于起步階段。
[0005]在第一類無軌道的登樓椅研究方面，例如長春工業大學機電工程學院設計了一種三星輪式爬樓梯電動輪椅，其中一個星輪為輪椅電機。采用三星輪機構實現爬樓越障，該電動輪椅可以在平地行駛，也可以借助三星輪機構實現爬樓動作。不足之處是該輪椅的爬樓速度為1-12階/min，速度偏慢，而且處于設計仿真階段，尚未形成產品。
[0006]英國BAR0NMEAD公司推出了一款Stairmatic，該產品是一款間歇性爬樓輪椅，在歐洲得到了量產和應用，結構穩定，質量可靠，但售價較高(約為8萬人民幣)，只能用于上下樓梯，不具有自主的平地適應性，受到一定限制。再如北京金運世紀高新技術有限公司總經理李榮標老人發明了一款“手扶電動多功能爬樓輪椅”，該輪椅是一款無軌連續式爬樓輪椅，該產品采用星輪系結構，共用了 14個輪子，可實現上下樓梯，一次充電最多可以爬2900多個臺階，速度能達到6-12個臺階/min，自重49公斤，受到媒體的關注，但目前也未能得到較廣應用。在連續式爬樓椅方面比較突出的是美國Ind印endence公司生產的IBOT型輪椅，它是目前星型輪機構爬樓梯輪椅中性能指標最高的產品。它結構非常緊湊，運動靈活，操作簡便，不僅能爬上21cm以下高度的樓梯和不超過15cm高的馬路牙子，不僅采用了比普通輪椅復雜的驅動結構，還安裝了多個感知人體、輪椅重心位置的陀螺儀，功能非常完備，但其售價為2.9萬美元，是普通人所難以承受的。
[0007]第二類有軌登樓椅方面，目前國內的研究尚屬初級階段，大多數在研究脫軌式登樓輪椅，已如上所述。研究相對就比較滯后了。國外很多國家，尤其是一些發達國家進行了很多登樓機械裝置的開發，主要的開發公司有瑞士的Liftech和Deckenlift,德國的Rehalift、荷蘭的 Freelift、美國的 AmeriGlide、Bruno、Acom、Summit 等等，此外還有英國、加拿大和日本等國家的一些公司。在這些研究中，輪椅依托于安裝在樓梯上的軌道，由相應的裝置進行拖動，其軌道與輪椅間的傳動主要有三種:第一種是鋼絲繩牽引；第二種是鏈傳動的方式；第三種是齒輪齒條嚙合的傳動方式。鋼絲繩傳動比較簡單，易實現，本身無摩擦，無需潤滑，造價也比較低。但存在兩大問題:一方面當其強度降低后潛伏著斷繩的危險；另一方面，鋼絲繩在卷人、卷出卷筒時，會有一定的波動。鏈傳動也是一種比較經濟的傳動方案，鏈條布在軌道上，鏈輪安裝在坐椅上，通過鏈輪與鏈條的嚙合，實現裝置的上下運動，其缺點是輸出速度不穩定。如果要求精確和等速翰出，鏈傳動并不是最佳選擇。而齒輪齒條傳動是目前應用最普遍的一種傳動方式。與上面兩種傳動方式比較，齒輪齒條傳動需要潤滑裝置，但其傳動的平穩性更好，而且造價也不高。
[0008]從以上的分析看到，登樓裝置分為無軌式和有軌式二種，前者由于不依托于軌道，因此其安全可靠性要求特別高，登樓機械電氣機構復雜，因此造價極高、速度也較慢，而且是一種個體式設備，無法提供共享。而有軌式登樓椅與軌道進行傳動連接，由于軌道固定于樓梯上，因此安全性有保證、速度也較前者較快，造價也比前者低，而且一旦安裝于樓道，可以成為公用設施，供本單元的需要人士使用，利用率較高，適合于作為公益設施。其缺點是軌道安裝需要占用少許樓梯寬度，但影響不大。
【發明內容】
[0009]本實用新型的目的是克服現有技術中的不足，提供一種結構合理，舒適節能，穩定安全的軌道式登樓椅升降電機控制器。
[0010]這種軌道式登樓椅升降電機控制器，包括速度調節器模塊，電流調節模塊，PWM調節模塊，驅動電路模塊，電流檢測模塊和轉速檢測模塊；所述速度調節器模塊輸入端接轉速檢測模塊輸出端并可設定轉速，速度調節器模塊和電流檢測模塊的輸出端還分別接電流調節模塊的輸入端，電流調節模塊的輸出端接PWM調節模塊的輸入端，PWM調節模塊的輸出端接驅動電路模塊的輸入端，驅動電路模塊的輸出端分別接主電機和電流檢測模塊的輸入端，轉速檢測模塊的輸入端接收主電機的轉速信息；所述驅動電路模塊:驅動部分包括前端驅動、場效應管和過電流保護組成的雙極性脈寬調制電路；兩路PWM信號從DSP出來經反相器后相位相反，分別經光電隔離器件6N137后變為P1、P2輸入到驅動器IR2112的輸入U9.U10 ;所述轉速檢測模塊包括霍爾傳感器和運算放大器LF353。
[0011]本實用新型的有益效果是:結構合理，舒適節能，穩定安全。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是登樓椅運動控制總圖；
[0013]圖2是主電機爬升側視和主視圖；
[0014]圖3是主電機控制硬件結構圖；
[0015]圖4是主電機控制框圖模型圖；
[0016]圖5是主電機雙環控制回路模型圖；
[0017]圖6是主電機速度控制曲線圖；
[0018]圖7是主電機控制器硬件結構圖；
[0019]圖8是控制驅動電路部分機構圖；
[0020]圖9是IR2112驅動器內部結構和外圍引腳圖；[0021]圖10是測速反饋電路原理圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步描述。雖然本實用新型將結合較佳實施例進行描述，但應知道，并不表示本實用新型限制在所述實施例中。相反，本實用新型將涵蓋可包含在有附后權利要求書限定的本實用新型的范圍內的替換物、改進型和等同物。
[0023]登樓椅的運行中，有兩個維度的運動系統，其一是椅身的上下樓運動(升降)，其二是椅身的維持水平運動(調平)。兩種運動的驅動都是由電機及其控制器完成。因此，課題需要研究電機的功率計算、電機選型、電機控制系統設計、控制系統仿真及參數選擇等，從而完成對登樓椅的運動控制。
[0024]如圖1所示，運動系統由二個維度構成:
[0025]其一，椅身的升降由主電機負責。由于升降速度比電機額定轉速低許多，而需求轉矩比電機額定轉矩大很多，因此，采用減速機輸出，從而提高轉矩同時降低速度，減速機與齒輪卡合，再由齒輪嚙合齒條，從而帶動椅身沿軌道升降。
[0026]其二，椅身的調平由副電機負責。由于椅身卡合在軌道上，而軌道在樓梯中間是傾斜的，而在樓梯平臺的部分是水平的，椅身則會隨著軌道傾角而變化。但作為乘客而言，要保證其乘坐的水平度，因此，要隨時維持椅身乘坐面的水平角度。因此，需要由副電機帶動椅身座椅部分旋轉以保持水平。與升降相同，其輸出轉矩遠大于電機額定轉矩，而轉速遠低于電機額定轉速， 因此，同樣選擇減速機與副電機連接，然后卡合調平軸帶動椅身調平轉動。
[0027]主電機運動控制
[0028]1.電機功率等參數的計算
[0029]首先，對升降軌道上的需求轉矩和功率進行計算分析:
[0030]如圖2所示，經過實測，其中，Θ =30°，齒輪半徑根據椅身和軌道的距離，設計為r = 5.25cm。
[0031]設座椅上的人與座椅總重m= 150kg，并考慮摩擦損耗等，乘以系數1.5，則估算爬升齒輪需要的力矩T2S:
[0032]T2 = 1.5*f*r = 1.5*mgsin Θ 打=1.5*150*9.8*sin30° *0.0525 = 58Nm (I)
[0033]根據行進的舒適度，30s (0.5min)內運動距離為半層樓梯L = 4.5m,齒輪每圈長度=2 r = 32.97cm,則升降額定轉速為:n2 = 27r/min (2)
[0034]需求功率:P2= Τ2*η2/9.55 = 164w (3)
[0035]如果選擇電機額定轉速為1850r/min,貝U可以選擇
[0036]速比β = 1850/27 = 69，根據減速機型號，取β = 60 (4)
[0037]則電機的需求輸出轉矩=T1 = 58/60 ^ INm (5)，
[0038]考慮到渦輪蝸桿的傳動效率(以50%計)，則取T1 = 2Nm (6)
[0039]電機輸出功率=P1= ?^η,/9.55 = 390w (7)
[0040]總結:電機轉速1850rpm，額定扭矩2Nm，額定輸出功率390w。減速機速比60:1，額定轉速27rpm,額定扭矩58Nm,額定輸出功率164w。[0041]I1.主電機和減速機的選擇
[0042]主電機需求功率為390w，屬于小型電機。由于電機供電將采用24V的鋰電池作為直流電源，因此，需要采用直流電機。在直流電機種類中，主要有傳統的有刷直流電機和新型的無刷直流電機二類，后者具有無電刷磨損、過載能力強等優點，但其價格較高、維護較復雜、控制電路也相對復雜。本項目的電機功率不大,屬于間歇性運動,使用有刷直流電機即可滿足使用要求，從控制成本及降低維護復雜方面來看，本項目中仍考慮使用有刷直流電機。考慮到在輪椅上安裝的尺寸，若直接采用普通直流電機，390w的體積較大。而進口盤式電機，體前后距離短、體積小、重量輕、轉子無鐵芯、電樞電感低(因此電刷的磨損極小)。因此，項目考慮采用進口盤式電機作為本項目之主電機。
[0043]同時，需要采用速比i = 60的減速機驅動齒輪運動，從而提高轉矩和降低轉速。減速機結構有行星齒輪結構、蝸輪蝸桿結構等，考慮到要實現椅身運動的自鎖，蝸輪蝸桿結構是較好的選擇。根據所計算的輸出轉矩和減速比，國產減速機便能達到要求，而且體積較小。
[0044]II1.對主電機的運動控制
[0045]對主電機的控制要求如下:
[0046]椅身正常上下時，為保證人體的安全和舒適性，速度控制在9m/min，啟動過程時，速度逐漸加大，轉彎 時，速度降低，控制在4m/min，系統根據角度傳感器自動識別轉彎狀態。到達指定樓面時，根據行程開關進行制動并停止運行。中途如果乘客需要停止運行時，通過椅身扶手上的按鈕可以實現。
[0047]對主電機的控制采用雙環結構，即外環為速度環，內環為電流環。在保證速度達到要求的前提下，使電機電流不超過電機最大電流，其控制結構見下文。
[0048]電機控制的實現
[0049]考慮到兩個電機的功能差異較大，所使用的反饋電路也不同，控制電路也較為復雜，如果用一塊控制板完成兩個電機的控制有一定難度。本課題中考慮用兩塊控制板，分別完成對主電機和副電機的控制。由于二電機在控制功能上比較接近，下文以主電機控制為主介紹控制的實現。主電機控制結構如圖3所示。
[0050]本控制任務中的特殊之處在于:主電機帶有自鎖裝置，即主電機無轉矩輸出時，外加負載無法使電機運動。因此電機控制參數的調試選擇與普通的電機控制有所不同。
[0051]主電機控制的傳遞函數模型框圖如圖4所示。自鎖環節的處理:在控制器輸出端加入符號判斷函數，與電機轉速結果相與，只有當輸出驅動信號與轉速一致時方有轉速值，否則為O (即自鎖)，該環節加入即實現了自鎖的功能。
[0052]電機采用雙環控制結構，即轉速環和電流環，雙環部分如圖5所示:雙環控制分為電流控制環和速度控制環，都采用PI控制，經過調試，兩個控制器的傳遞函數如下:
廠、/ο λ 1Λ/)^ _ (0.00025S+ I)
[0053]電流環ACR: 4(5) = 0.1042^(8)
().00025?
[0054]速度環ASR: Gn(S) = 0.02 * (°'5S+1)(9)
0.ss
[0055]當速度設定值為1400rpm的時候，轉速曲線如圖6所示:超調量為0，上升時間為
0.25秒，完全能達到預定的要求。[0056]其中主電機的控制電路中，還兼顧對鋰電池充電的管理、操作按鈕輸入的處理等功能，其硬件功能如圖7所示:考慮到此處的控制芯片不但需通過PWM波輸出信號以控制電機速度，還需具備采集操縱按鈕的信息、電源信息、對電池充放電進行控制等。因此，承擔的任務較多，需要數據處理功能強大的芯片，綜合考慮之后，擬選擇TMS320F2407作為主控芯片，主要負責控制策略與控制算法的實現，實現系統的數據處理。其功耗小；指令周期可達33ns，具有多達41個通用、雙向的數字I/O引腳，能夠更加容易的和各種并行外設互聯，具有16通道10位A/D轉換器，轉換時間500ns。提供了足夠的獲取外部模擬信號的通道。具有脈沖調寬波(PWM)輸出電路和正交編碼電路。用于進行電機控制是非常合適的。
[0057]控制器硬件電路設計
[0058]1.電源電路
[0059]控制系統主要由控制部分和驅動部分組成，為了有效的減少各部分之間的干擾，我們將控制部分和驅動部分的電源完全隔離，這樣可以有效抑制驅動部分和控制部分的相互干擾。系統控制部分電源主要有5V和3.3V兩種電壓，系統的外加電源為24V，為實現電源完全隔離，采用DC/DC變換器HDWS-24D05，變換器寬范圍輸入18-36V。輸入輸出完全隔離，大功率、小體積，符合系統設計要求。DSP芯片的供電電壓3.3V，采用DC/DC變換器變換后的5V電源轉換成3.3V，選擇低功耗電源轉換芯片TPS7333，輸入5V，輸出3.3V。
[0060]編碼器的反饋信號、脈沖控制量的輸入信號都是5V的電平，為了實現與DSP的；
3.3V電平的匹配，采用TI公司的電壓轉換芯片TPS73HD318或SN74LVC9245A或使用三端穩壓器，系統所有的5V轉換3.3V的信號都可以通過一塊芯片實現。晶振采用3.3V，IOM有源晶振 HC04DY。
[0061]I1.控制驅動電路
[0062]DSP的外擴接口 SRAM用于仿真，存儲數據、程序用。當系統通電初始化后，電機使能信號用于啟動電機，還可以用于系統失效或緊急事件停機，LCD用于顯示當前電機的速度，通用異步串口 DART可以與PC通信。反饋電機的速度和位置信息。A/D采集給定的速度信號。正交編碼器QEP輸入接收反饋的位置和速度信號，兩個事件管理器各自控制一路相互獨立的PWM信號分別控制電機的啟停和正反轉。控制驅動電路原理如圖8所示:
[0063]II1.功率驅動部分
[0064]驅動部分包括前端驅動、場效應管、過電流保護組成的雙極性脈寬調制電路。兩路PWM信號從DSP出來經反相器后相位相反，分別經光電隔離器件6N137后變為P1、P2輸入到驅動器IR2112(U9、U10)的輸入。圖9是IR2112驅動器內部結構和外圍引腳。
[0065]當SD有效(為低)時，輸出信號HO、LO分別和輸入信號HIN、LIN 一致。當使能信號SD為高，不管輸入什么，輸出為低。由于Pl與U9的HIN和UlO的LIN連接，P2與U9的LIN和UlO的HIN連接，所以當PWM的占空比為50%，使能端有效時，四個場管導通時間等長，連接在電機上的平均電壓為O，此時電機停止。當PWM的占空比大于50%時，U9的HO和UlO的LO占空比大于50%，Ql和Q4的導通時間比Q2，Q3的導通時間長，電機上平均電壓大于0，電機正轉。占空比越大，電壓越大，正轉轉速就越大。當PWM的占空比小于50%時，此時電機上的平均電壓小于0，電機反轉。所以，控制PWM的占空比就可以控制電機的啟停和正反轉的速度。
[0066]IV.測速反饋電路[0067]如圖10所示，由霍爾元件及外圍器件組成的測速電路將電動機轉速轉換成脈沖信號，送至DSP的ADCIN00，測出電動機的實際轉速，與給定值進行比較。根據比較結果，調節占空比使電機驅動電路的輸出控制電壓，從而調整電機的轉速。
【權利要求】
1.一種軌道式登樓椅升降電機控制器，其特征在于:包括速度調節器模塊，電流調節模塊，PWM調節模塊，驅動電路模塊，電流檢測模塊和轉速檢測模塊；所述速度調節器模塊輸入端接轉速檢測模塊輸出端并可設定轉速，速度調節器模塊和電流檢測模塊的輸出端還分別接電流調節模塊的輸入端，電流調節模塊的輸出端接PWM調節模塊的輸入端，PWM調節模塊的輸出端接驅動電路模塊的輸入端，驅動電路模塊的輸出端分別接主電機和電流檢測模塊的輸入端，轉速檢測模塊的輸入端接收主電機的轉速信息；所述驅動電路模塊:驅動部分包括前端驅動、場效應管和過電流保護組成的雙極性脈寬調制電路；兩路PWM信號從DSP出來經反相器后相位相反，分別經光電隔離器件6N137后變為P1、P2輸入到驅動器IR2112的輸入U9、U10 ;所述轉速檢測模塊包括霍爾傳感器和運算放大器LF353。
【文檔編號】H02P7/29GK203775093SQ201320816456
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】龐文堯, 劉泓, 肖鐸 申請人:浙江大學城市學院