CN107951634B - 一种自助式爬楼轮椅驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，其包括：基于DSP控制器的指令发出手柄、爬楼驱动系统和平地驱动系统，所述爬楼系统包括第一调节按钮、用于控制履带电机的第一驱动控制器；所述平地驱动系统包括第二调节按钮、第三调节按钮、分别用于控制轮椅左主动轮电机的第二驱动控制器和控制右主动轮电机的第三驱动控制器；其中，所述履带电机、左主动轮电机及右主动轮电机均通过由直流电源通过逆变电路所转换的交流电源供电，所述第一驱动控制器、第二驱动控制器及第三驱动控制器均通过D/A转换器与所述DSP控制器连接。本发明采用闭环控制策略，通过电流环、位置环及速度环的三环反馈控制，能够使爬楼轮椅的控制精度大大提高。

Description

一种自助式爬楼轮椅驱动系统
技术领域
本发明涉及电动轮椅技术领域，尤其涉及一种自助式爬楼轮椅的驱动系统。
背景技术
当今社会，中国现在早已进入老年化社会，现在中国居住的老龄人人口已经达到1.32亿，每年平均的老年人口增长率为3.30％，且持续增长中，另外还有各种残疾人约6000万，老年人和残疾人越来越多使帮助残疾人能够独立进行日常生活不仅仅具有现实的需求意义，更成为一个关爱老人和残疾人群体心理健康的社会问题。
目前，仍有许多住在旧式多层楼房的老人，大多旧式的多层楼房建造时均为安装电梯，因此爬楼梯对老人和残疾人这一轮椅使用群体来说是件非常困难的事。虽然近20年的时间里电动轮椅不断在发展，而且在这20年里电动轮椅的研究发展非常迅速，各种电动轮椅层出不穷，功能性也越来越强，安全性也不断提高，但是仍达不到十全十美。电动轮椅还存在一些问题比如：人们与电动轮椅的交互性不高。即使已经研制了许多的电动轮椅，轮椅上增加了人机交互接口，却仍然处于简单控制的初步阶段，许多功能无法实现，无法达到我们所需要的自然交互的要求。第二点，轮椅的安全性不够高。目前商城上大多电动轮椅平台注重轮椅的功能性，导致在特定环境下发生人身危险的可能性，电动轮椅的保障不够足等等。此外，国内市场上生产的滚动式或履带式电动爬楼轮椅需要在旁人协助下才能运行，且很费力，或出现机械故障时有严重的伤害风险；而国外的这类自主爬楼轮椅发展相对较为发达，如全轮式座位自平衡爬楼梯轮椅及活动支撑杆爬楼梯轮椅的爬楼梯技术较成熟，但价格昂贵。因此，为了进一步解决上述问题，有必要研发一种提高人机交互能力和控制精度的自助式爬楼梯轮椅驱动系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，能够通过对无刷直流电机的转动速度进行控制，对无刷直流电机的转子位置进行控制，通过电流环、位置环及速度环的三环控制，从而使爬楼轮椅的控制精度大大提高，进一步提高了爬楼轮椅的安全性和人机交互能量，以解决上述现有技术不足的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明公开了一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，其特征在于，包括：基于DSP控制器的指令发出手柄、爬楼驱动系统和平地驱动系统，所述爬楼系统包括第一调节按钮、用于控制履带电机的第一驱动控制器；所述平地驱动系统包括第二调节按钮、第三调节按钮、分别用于控制轮椅左主动轮电机的第二驱动控制器和控制右主动轮电机的第三驱动控制器；其中，所述履带电机、左主动轮电机及右主动轮电机均通过由直流电源通过逆变电路所转换的交流电源供电，所述第一驱动控制器、第二驱动控制器及第三驱动控制器均通过D/A转换器与所述DSP控制器连接；所述履带电机、左主动轮电机及右主动轮电机均为无刷直流电机，所述爬楼系统还包括用于反馈履带电机转子位置信号的第一检测装置，所述平地驱动系统还包括分别用于反馈左主动轮电机转子位置信号的第二检测装置和反馈右主动轮电机转子位置信号的第三检测装置，所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均通过逻辑电路与所述DSP控制器连接；所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均为磁敏式位置传感器；所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均通过处理线路和计数器连接DSP系统。
作为本发明对上述方案的优选，所述处理线路连接有外设电源。
作为本发明对上述方案的优选，所述DSP控制器采用TMS320LF2407A作为控制芯片。
作为本发明对上述方案的优选，所述DSP控制器安置有JTAG接口。
作为本发明对上述方案的优选，所述履带电机通过减速器控制履带运动，左主动轮电机及右主动轮电机分别通过左主动轮减速器及右主动轮减速器控制左主动轮、右主动轮转动。
本发明的有益效果在于：本发明采用闭环控制技术，能够通过对无刷直流电机的转动速度进行控制，对无刷直流电机的转子位置进行控制，通过电流环、位置环及速度环的三环控制，从而使爬楼轮椅的控制精度大大提高，其中电流环指的是本发明的电流反馈系统.本发明将输出电流采用第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置的负反馈方式接入处理环节的方法，主要为了通过提高电流的稳定性能来提高系统的性能；位置环的作用是产生履带电机、左主动轮电机及右主动轮电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪，通过设定的目标位置与电机的实际位置相比较，利用其偏差通过对应的第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置来产生电机的速度指令反馈给DSP系统，从而提高系统的控制精度；速度环的作用是当给定速度或反馈速度变化时，该速度环的输出控制了当前目标电机的转矩设定，通过电流环来保证达到目标转矩，因此传动系统可以实现加速或减速，直到速度反馈和速度给定相等。此外，本发明电动轮椅的控制器可以通过JTAG接口连接上位机，可以提供程序下载功能。
附图说明
图1为本发明所述的一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统中爬楼驱动系统的控制原理框图。
图2为本发明所述的一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统中平地驱动系统的控制原理框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1及图2所示的一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，其包括：基于DSP控制器的指令发出手柄、爬楼驱动系统和平地驱动系统，所述爬楼系统包括第一调节按钮、用于控制履带电机的第一驱动控制器；所述平地驱动系统包括第二调节按钮、第三调节按钮、分别用于控制轮椅左主动轮电机的第二驱动控制器和控制右主动轮电机的第三驱动控制器；其中，所述履带电机、左主动轮电机及右主动轮电机均通过由直流电源通过逆变电路所转换的交流电源供电，所述第一驱动控制器、第二驱动控制器及第三驱动控制器均通过D/A转换器与所述DSP控制器连接。本发明中爬楼轮椅具有爬楼驱动系统和平地驱动系统两种模式，通过设于指令发出手柄上的第一调节按钮、第二调节按钮及第三调节按钮控制DSP控制器向第一驱动控制器、第二驱动控制器及第三驱动控制器发出相应指令，从而使爬楼轮椅使用履带电机完成爬楼驱动过程以及使用左主动轮电机及右主动轮电机完成平地驱动系统过程。
在本实例中，所述履带电机、左主动轮电机及右主动轮电机均为无刷直流电机，所述爬楼系统还包括用于反馈履带电机转子位置信号的第一检测装置，所述平地驱动系统还包括分别用于反馈左主动轮电机转子位置信号的第二检测装置和反馈右主动轮电机转子位置信号的第三检测装置，所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均通过逻辑电路与所述DSP控制器连接。
在本实例中，所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均为磁敏式位置传感器。本发明中采用第一、第二及第三位置传感器检测对应电机的主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，也就是电压和频率的变化信号，通过逻辑电路为第一、第二及第三驱动控制器提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，电机通过接受位置传感器信号来让逆变器换相与转子同步来驱动电机持续运转。本发明采用闭环控制技术，通过对无刷直流电机的转动速度进行控制，对无刷直流电机的转子位置进行控制，从而实现电流环、位置环及速度环的三环控制，使爬楼轮椅的控制精度大大提高。
在本实例中，所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均通过处理线路和计数器连接DSP系统。其中，计数器为一个计算的时序电路，所述处理线路作用为将第一、第二及第三检测装置的位置传感器检测信号传递给时序电路，再通过时序电路传递给相应的驱动控制器。
在本实例中，所述处理线路连接有外设电源。
在本实例中，所述DSP控制器采用TMS320LF2407A作为控制芯片。本发明采用的这种TMS320LF2407A_DSP中有种技术叫做CMOS技术，具有足够高的性能优势，可以使供电的电压下降到3.1V，大大的提高了控制系统的性能，执行速度可以提高到不常见的40MIPS，使我们的指令处理时间缩短到23ns。
在本实例中，所述DSP控制器安置有JTAG接口。这种接口可以是我们爬楼梯电动轮椅的控制器可以连接上位机，作用就是可以为我们提供一些程序下载，以达到我们需要的一些功能。
在本实例中，所述履带电机通过减速器控制履带运动，左主动轮电机及右主动轮电机分别通过左主动轮减速器及右主动轮减速器控制左主动轮、右主动轮转动。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，其特征在于，包括：基于DSP控制器的指令发出手柄、爬楼驱动系统和平地驱动系统，所述爬楼系统包括第一调节按钮、用于控制履带电机的第一驱动控制器；所述平地驱动系统包括第二调节按钮、第三调节按钮、分别用于控制轮椅左主动轮电机的第二驱动控制器和控制右主动轮电机的第三驱动控制器；其中，所述履带电机、左主动轮电机及右主动轮电机均通过由直流电源通过逆变电路所转换的交流电源供电，所述第一驱动控制器、第二驱动控制器及第三驱动控制器均通过D/A转换器与所述DSP控制器连接；所述履带电机、左主动轮电机及右主动轮电机均为无刷直流电机，所述爬楼系统还包括用于反馈履带电机转子位置信号的第一检测装置，所述平地驱动系统还包括分别用于反馈左主动轮电机转子位置信号的第二检测装置和反馈右主动轮电机转子位置信号的第三检测装置，所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均通过逻辑电路与所述DSP控制器连接；所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均为磁敏式位置传感器；所述第一检测装置、第二检测装置及第三检测装置均通过处理线路和计数器连接DSP系统。
2.根据权利要求1所述的一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，其特征在于，所述处理线路连接有外设电源。
3.根据权利要求1所述的一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，其特征在于，所述DSP控制器采用TMS320LF2407A作为控制芯片。
4.根据权利要求1所述的一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，其特征在于，所述DSP控制器安置有JTAG接口。
5.根据权利要求1所述的一种自助式爬楼梯轮椅驱动系统，其特征在于，所述履带电机通过减速器控制履带运动，左主动轮电机及右主动轮电机分别通过左主动轮减速器及右主动轮减速器控制左主动轮、右主动轮转动。
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