CN113852314A - 一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，包括：检测单元、判断单元、控制单元和电机；检测单元包括惯性传感器、压力传感器和握持传感器，判断单元用于对检测单元检测出的进行综合判断，确定用户对速度变化的感知反馈状态的调节参数并根据所述调节参数按预设方式生成档位曲线，所述挡位曲线用于控制轮椅速度变化，所述控制单元用于接收判断单元生成的档位曲线并根据档位曲线调节电机的输入电流，本申请通过惯性传感器、压力传感器和握持传感器对轮椅运动状态及用户躯体状态进行检测，通过判断单元综合判断生成最适合用户的速度变化的档位曲线，进行轮椅运动状态的调节，提高电动轮椅在速度突变时的平滑性，为用户创造平稳舒适的使用体验。

Description

一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电动轮椅技术领域，尤其涉及一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统及控制方法。

背景技术

电动轮椅主要适用于行动不便的老年人、下肢残障人士以及下肢受伤而导致不能独立行走及移动的人群，并使他们出行得以极大的方便。市面上现有的电动轮椅只是具有客观的调速功能，即通过手动操纵杆操控电动轮椅的电机输出功率大小进而改变电动轮椅速度变化的快慢,但是没有考虑乘坐轮椅的用户由于其自身生理、心理的状态而对速度变化的感知和反馈，导致电动轮椅由于起步，急停以及调速等速度变化及由此产生的颠簸现象与用户的生理、心理接受程度不匹配，使得用户舒适度降低，产品体验感变差。

发明内容

(一)申请目的

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，用以解决电动轮椅在使用过程中运行速度变化不合理给用户带来体验感差的问题。

(二)技术方案

本申请公开了一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，包括：检测单元、判断单元、控制单元和电机；

所述检测单元包括惯性传感器、压力传感器和握持传感器，其中所述惯性传感器用于检测电动轮椅的加速度信息，判断电动轮椅所处运行状态，所述压力传感器用于检测的实时压力值大小，判断用户的身体姿态，所述压力传感器按预设位置设置，所述握持传感器用于检测用户手掌对固定握杆和/或方向控制杆的施力大小和方向信息，根据用户施力的大小和方向，确定用户的心理状态以及对轮椅动作改变的预期；

所述判断单元用于对检测单元检测出的数据进行综合判断，确定用户对速度变化的感知反馈状态的调节参数并根据所述调节参数按预设方式生成档位曲线，所述挡位曲线用于控制轮椅速度变化；

所述控制单元用于接收判断单元生成的档位曲线并根据档位曲线调节电机的输入电流。

在一种可能的实施方式中，所述预设方式为从预设档位曲线中选取档位曲线的方式或根据调节参数生成不同于所述预设档位曲线的方式。

在一种可能的实施方式中，所述预设档位曲线为电动轮椅不同类别用户使用电动轮椅时最适运动状态的经验值绘制而成。

在一种可能的实施方式中，当根据所述调节参数不能从预设档位曲线中选取档位曲线时，所述判断单元根据所述调节参数生成不同于所述预设档位曲线的档位曲线。

在一种可能的实施方式中，所述档位曲线为速度时间曲线，其中横坐标为时间，纵坐标为速度。

在一种可能的实施方式中，所述控制单元包括通讯电路、功率跟随器、FOC控制器、预驱动电路和逆变器，所述通讯电路用于接收判断单元生成的档位曲线，将信息进行处理和解析为电流信号传输至所述FOC控制器，所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变器依次顺序连接，所述逆变器用于连接电机。

在一种可能的实施方式中，所述FOC控制器用于根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路，并采集所述电机的相电流及通讯电路输出的电流信号后计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器。

在一种可能的实施方式中，所述控制单元还包括电源，所述电源分别与所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变器连接。

作为本申请的第二方面，一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统的调控方法，包括如下步骤：

S1、检测单元采集数据，所述检测单元包括惯性传感器、压力传感器和握持传感器，所述检测单元分别通过惯性传感器、压力传感器和握持传感器采集电动轮椅加速度信息、人体对轮椅的实时压力值大小信息和手掌对固定握杆和/或方向控制杆的施力大小和方向信息；

S2、判断单元对检测单元采集数据进行综合判断并生成档位曲线，通过对检测单元检测出的信息进行综合判断来确定用户对速度变化的感知反馈状态的调节参数并根据所述调节参数按预设方式生成档位曲线，通过生成的档位曲线控制轮椅速度变化；

S3、控制单元根据所述档位曲线控制所述电机运转，使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应。

在一种可能的实施方式中，所述控制单元根据所述档位曲线控制所述电机运转，使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应具体步骤如下：

S31、控制单元中的通讯电路将档位曲线进行处理和解析为电流信号并传输至所述FOC控制器；

S32、FOC控制器根据电机的相电流及所述电流信号综合计算出电机速度和电机功率并将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以使所述功率跟随器调节所述功率跟随器输出至所述FOC控制器的参考电流；

S33、FOC控制器将调节后的参考电流通过第一PI控制器、Park逆变换和SVPWM单元输出至所述预驱动电路，预驱动电路将所述FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动所述逆变器的高压驱动信号，以控制所述电机运转，并通过Clark变换和Park变换反馈使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应。

(三)有益效果

本申请通过惯性传感器、压力传感器和握持传感器对轮椅运动状态及用户躯体状态进行检测，通过判断单元综合判断生成最适合用户的速度变化的档位曲线，进行轮椅运动状态的调节，提高电动轮椅在速度突变时的平滑性，为用户创造平稳舒适的使用体验。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导，本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

图1为本申请电机驱动控制系统框图；

图2为本申请控制单元框图；

图3为本申请FOC控制原理图；

图4为本申请调控方法框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1，本申请公开了一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，包括：检测单元、判断单元、控制单元和电机；

所述检测单元包括惯性传感器、压力传感器和握持传感器，其中所述惯性传感器用于检测电动轮椅的加速度信息，判断电动轮椅所处运行状态，所述运行状态包括启动、停止、加速、减速、上下坡、转弯和平路运行，所述压力传感器用于检测的人体对轮椅的实时压力值大小信息，所述压力传感器分布在所述电动轮椅座椅和/或靠背的预设位置，通过座椅和/或靠背预设位置设置的压力传感器得到的实时压力值大小来判断用户的身体姿态，所述身体姿态包括前倾、后仰和侧倾，所述握持传感器用于检测用户手掌对固定握杆和/或方向控制杆的施力大小和方向信息，根据用户施力的大小和方向，确定用户的心理状态以及对轮椅动作改变的预期，所述动作改变的预期包括加速、减速、停止。

判断单元用于对检测单元检测出的信息进行综合判断，所述检测单元检测出的信息包括电动轮椅加速度信息、人体对轮椅的实时压力值大小信息和手掌对固定握杆和/或方向控制杆的施力大小和方向信息，通过对检测单元检测出的信息进行综合判断来确定用户对速度变化的感知反馈状态的调节参数并根据所述调节参数按预设方式生成档位曲线，通过生成的档位曲线控制轮椅速度变化。

生成档位曲线的预设方式分为两种：其中一种方式为根据调节参数从预设档位曲线中选取档位曲线，所述预设档位曲线为电动轮椅不同类别用户使用电动轮椅时最适运动状态的经验值绘制而成，另一种方式为根据调节参数生成不同于所述预设档位曲线的方式，优选方式为根据调节参数从预设档位曲线中选取档位曲线的方式，但当根据所述调节参数不能从预设档位曲线中选取档位曲线时，所述判断单元根据所述调节参数生成不同于所述预设档位曲线的档位曲线。

判断单元生成的档位曲线为电动轮椅的速度时间曲线，其中横坐标为时间，纵坐标为速度，曲线斜率为电动轮椅实时加速度，曲线表示电动轮椅速度在一定时间内的变化情况。所述档位曲线中电动轮椅实时速度上限为15Km/h，为保证用户安全，对电动轮椅的速度调节上限应小于其最高限速。

如图2，所述控制单元用于接收判断单元生成的档位曲线并根据档位曲线调节电机的输入电流，所述控制单元包括通讯电路、功率跟随器、FOC控制器、预驱动电路和逆变器，所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变器依次顺序连接，所述逆变器用于连接电机，其中，所述通讯电路用于接收判断单元生成的档位曲线，将档位曲线进行处理和解析为电流信号并传输至所述FOC控制器；所述功率跟随器，用于采集所述电源模块输出至所述逆变器的母线电压和母线电流并向FOC控制器输出参考电流。

如图3中，所述FOC控制器，用于根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路，所述所述FOC控制器包括第一PI控制器、第二PI控制器、Clarke变换、Park变换、Park逆变换和SVPWM单元；本申请中的FOC控制器使用3个坐标系进行描述，3个坐标系包括:三相定子坐标系、两相静止坐标系和dq旋转坐标系。三相定子坐标系的坐标轴abc位置分别为电机定子三相绕组u，y，w的轴线方向，在空间上互差120度的电角度；两相静止坐标系是固定在电机定子上的正交坐标系，其坐标轴为α和β，其中α坐标轴与三相定子坐标轴的A轴重合；dq旋转坐标系是固定在转子磁链上的坐标系，其中d向量与转子磁链的合成向量重合，q向量正交于d向量。dq旋转坐标系与转子磁链旋转。id为方向电流，用以表征电机的转子磁场；iq为正交电流，用以表征电机对外输出的机械转矩。

所述FOC控制器还用于采集所述电机的相电流及通讯电路输出的所述电流信号后计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以使所述功率跟随器根据所述电机速度和电机功率调整所述参考电流；所述预驱动电路，用于将所述FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动所述逆变器的高压驱动信号，使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应。

通过三种类型的传感器检测电动轮椅的运动状态及用户的生理、心理状态，通过传感器信息采集接口传输给判断单元，综合判断出用户的目的输出调节参数，选择最合适的档位曲线，在系统没有合适档位曲线可选择时，会生成一条该调节参数的自适应档位曲线。通过通讯电路将档位曲线进行处理和解析为电流信号并传输至所述FOC控制器，FOC控制器采集所述电机的相电流及通讯电路输出的电流信号，综合计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以使所述功率跟随器根据所述电机速度和电机功率调整所述向FOC控制器输出参考电流，FOC控制器根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路，预驱动电路将所述FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动所述逆变器的高压驱动信号，以控制所述电机运转，使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应。

基于上述系统，本申请提供了一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统的控制方法，如图4所示，包括如下步骤：

S1、检测单元采集数据，所述检测单元包括惯性传感器、压力传感器和握持传感器，所述检测单元分别通过惯性传感器、压力传感器和握持传感器采集电动轮椅加速度信息、人体对轮椅的实时压力值大小信息和手掌对固定握杆和/或方向控制杆的施力大小和方向信息；

S2、判断单元对检测单元采集数据进行综合判断并生成档位曲线，通过对检测单元检测出的信息进行综合判断来确定用户对速度变化的感知反馈状态的调节参数并根据所述调节参数按预设方式生成档位曲线，通过生成的档位曲线控制轮椅速度变化；

S3、控制单元根据所述档位曲线控制所述电机运转，使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应，其具体步骤为：

S31、控制单元中的通讯电路将档位曲线进行处理和解析为电流信号并传输至所述FOC控制器；

S32、FOC控制器根据电机的相电流及所述电流信号综合计算出电机速度和电机功率并将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以使所述功率跟随器调节所述功率跟随器输出至所述FOC控制器的参考电流；

S33、FOC控制器将调节后的参考电流通过第一PI控制器、Park逆变换和SVPWM单元输出至所述预驱动电路，预驱动电路将所述FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动所述逆变器的高压驱动信号，以控制所述电机运转，并通过Clark变换和Park变换反馈使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，其特征在于，包括：检测单元、判断单元、控制单元和电机；

所述检测单元包括惯性传感器、压力传感器和握持传感器，其中所述惯性传感器用于检测电动轮椅的加速度信息，判断电动轮椅所处运行状态，所述压力传感器用于检测的实时压力值大小，判断用户的身体姿态，所述压力传感器按预设位置设置，所述握持传感器用于检测用户手掌对固定握杆和/或方向控制杆的施力大小和方向信息，根据用户施力的大小和方向，确定用户的心理状态以及对轮椅动作改变的预期；

所述判断单元用于对检测单元检测出的进行综合判断，确定用户对速度变化的感知反馈状态的调节参数并根据所述调节参数按预设方式生成档位曲线，所述挡位曲线用于控制轮椅速度变化；

所述控制单元用于接收判断单元生成的档位曲线并根据档位曲线调节电机的输入电流。

2.根据权利要求1所述的一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，其特征在于，所述预设方式为从预设档位曲线中选取档位曲线的方式或根据调节参数生成不同于所述预设档位曲线的方式。

3.根据权利要求2所述的一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，其特征在于，所述预设档位曲线为电动轮椅不同类别用户使用电动轮椅时最适运动状态的经验值绘制而成。

4.根据权利要求3所述的一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，其特征在于，当根据所述调节参数不能从预设档位曲线中选取档位曲线时，所述判断单元根据所述调节参数生成不同于所述预设档位曲线的档位曲线。

5.根据权利要求1-4所述的一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，其特征在于，所述档位曲线为速度时间曲线，其中横坐标为时间，纵坐标为速度。

6.根据权利要求5所述的一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，其特征在于，所述控制单元包括通讯电路、功率跟随器、FOC控制器、预驱动电路和逆变器，所述通讯电路用于接收判断单元生成的档位曲线，将信息进行处理和解析为电流信号传输至所述FOC控制器，所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变器依次顺序连接，所述逆变器用于连接电机。

7.根据权利要求6所述的一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，其特征在于，所述FOC控制器用于根据所述参考电流输出驱动信号至所述预驱动电路，并采集所述电机的相电流及通讯电路输出的电流信号后计算出电机速度和电机功率，将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器。

8.根据权利要求7所述的一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统，其特征在于，所述控制单元还包括电源，所述电源分别与所述功率跟随器、所述FOC控制器、所述预驱动电路和所述逆变器连接。

9.一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统的调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、检测单元采集数据，所述检测单元包括惯性传感器、压力传感器和握持传感器，所述检测单元分别通过惯性传感器、压力传感器和握持传感器采集电动轮椅加速度信息、人体对轮椅的实时压力值大小信息和手掌对固定握杆和/或方向控制杆的施力大小和方向信息；

S2、判断单元对检测单元采集数据进行综合判断并生成档位曲线，通过对检测单元检测出的信息进行综合判断来确定用户对速度变化的感知反馈状态的调节参数并根据所述调节参数按预设方式生成档位曲线，通过生成的档位曲线控制轮椅速度变化；

S3、控制单元根据所述档位曲线控制所述电机运转，使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应。

10.根据权利要求9所述的一种用于电动轮椅的电机驱动控制系统的调控方法，其特征在于，所述控制单元根据所述档位曲线控制所述电机运转，使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应具体步骤如下：

S31、控制单元中的通讯电路将档位曲线进行处理和解析为电流信号并传输至所述FOC控制器；

S32、FOC控制器根据电机的相电流及所述电流信号综合计算出电机速度和电机功率并将所述电机速度和电机功率反馈到所述功率跟随器，以使所述功率跟随器调节所述功率跟随器输出至所述FOC控制器的参考电流；

S33、FOC控制器将调节后的参考电流通过第一PI控制器、Park逆变换和SVPWM单元输出至所述预驱动电路，预驱动电路将所述FOC控制器输出的驱动信号转换成驱动所述逆变器的高压驱动信号，以控制所述电机运转，并通过Clark变换和Park变换反馈使电机运转驱动的电动轮椅的运动与所述档位曲线相应。

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