CN203775093U - 轨道式登楼椅升降电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轨道式登楼椅升降电机控制器，包括速度调节器模块，电流调节模块，PWM调节模块，驱动电路模块，电流检测模块和转速检测模块；所述速度调节器模块输入端接转速检测模块输出端并可设定转速，速度调节器模块和电流检测模块的输出端还分别接电流调节模块的输入端，电流调节模块的输出端接PWM调节模块的输入端，PWM调节模块的输出端接驱动电路模块的输入端，驱动电路模块的输出端分别接主电机和电流检测模块的输入端，转速检测模块的输入端接收主电机的转速信息。本实用新型的有益效果是：在保证速度达到要求的前提下，使电机电流不超过电机最大电流。结构合理，舒适性，安全性好。

Description

轨道式登楼椅升降电机控制器

技术领域

本实用新型涉及一种电机控制器，更具体说，它涉及一种轨道式登楼椅升降电机控制器。 

背景技术

随着21世纪的到来，我国现己进入老龄化社会，现在我国的老年人己达到1.3亿以上，并以年均3.3％的速度持续增长，此外，我国还有各类残疾人约6千万，大量的老年人和残疾人使助老助残问题日益成为一个重大的社会问题。 

在助老助残问题中，其中很重要的就是老人、残疾人上下楼梯的问题。而许多楼层较低(例如七层以下)的普通居民楼中没有安装电梯，老式小区这种情况颇为普遍。据调查，杭州60岁及以上老年人口有122万余人，占总人口数的17.53％。他们大多居住在没有安装电梯的老小区。在这些情况下，腿脚不便的老人、残疾人上下楼问题阻碍了他们的户外活动，影响到他们的健康，成为子女们的心病，是一个社会性的公益问题。因此，辅助残障人的登楼椅设施的研制显得非常有价值和意义。 

在登楼椅产品的研制方面，目前国内外的研究主要分为二类，第一类是无轨道的登楼轮椅；第二类是有轨道的登楼椅。其中第二类国内的研究还处于起步阶段。 

在第一类无轨道的登楼椅研究方面，例如长春工业大学机电工程学院设计了一种三星轮式爬楼梯电动轮椅，其中一个星轮为轮椅电机。采用三星轮机构实现爬楼越障，该电动轮椅可以在平地行驶，也可以借助三星轮机构实现爬楼动作。不足之处是该轮椅的爬楼速度为1-12阶/min，速度偏慢，而且处于设计仿真阶段，尚未形成产品。 

英国BARONMEAD公司推出了一款Stairmatic，该产品是一款间歇性爬楼轮椅，在欧洲得到了量产和应用，结构稳定，质量可靠，但售价较高(约为8万人民币)，只能用于上下楼梯，不具有自主的平地适应性，受到一定限制。再如北京金运世纪高新技术有限公司总经理李荣标老人发明了一款“手扶电动多功能爬楼轮椅”，该轮椅是一款无轨连续式爬楼轮椅，该产品采用星轮系结构，共用了14个轮子，可实现上下楼梯，一次充电最多可以爬2900多个台阶，速度能达到6-12个台阶/min，自重49公斤，受到媒体的关注，但目前也未能得到较广应用。在连续式爬楼椅方面比较突出的是美国Independence公司生产的IBOT型轮椅，它是目前星型轮机构爬楼梯轮椅中性能指标最高的产品。它结构非常紧凑，运动灵活，操作简便，不仅能爬上21cm以下高度的楼梯和不超过15cm高的马路牙子，不仅采用了比普通轮椅复杂的 驱动结构，还安装了多个感知人体、轮椅重心位置的陀螺仪，功能非常完备，但其售价为2.9万美元，是普通人所难以承受的。 

第二类有轨登楼椅方面，目前国内的研究尚属初级阶段，大多数在研究脱轨式登楼轮椅，已如上所述。研究相对就比较滞后了。国外很多国家，尤其是一些发达国家进行了很多登楼机械装置的开发，主要的开发公司有瑞士的Liftech和Deckenlift，德国的Rehalift、荷兰的Freelift、美国的AmeriGlide、Bruno、Acom、Summit等等，此外还有英国、加拿大和日本等国家的一些公司。在这些研究中，轮椅依托于安装在楼梯上的轨道，由相应的装置进行拖动，其轨道与轮椅间的传动主要有三种：第一种是钢丝绳牵引；第二种是链传动的方式；第三种是齿轮齿条啮合的传动方式。钢丝绳传动比较简单，易实现，本身无摩擦，无需润滑，造价也比较低。但存在两大问题：一方面当其强度降低后潜伏着断绳的危险；另一方面，钢丝绳在卷人、卷出卷筒时，会有一定的波动。链传动也是一种比较经济的传动方案，链条布在轨道上，链轮安装在坐椅上，通过链轮与链条的啮合，实现装置的上下运动，其缺点是输出速度不稳定。如果要求精确和等速翰出，链传动并不是最佳选择。而齿轮齿条传动是目前应用最普遍的一种传动方式。与上面两种传动方式比较，齿轮齿条传动需要润滑装置，但其传动的平稳性更好，而且造价也不高。 

从以上的分析看到，登楼装置分为无轨式和有轨式二种，前者由于不依托于轨道，因此其安全可靠性要求特别高，登楼机械电气机构复杂，因此造价极高、速度也较慢，而且是一种个体式设备，无法提供共享。而有轨式登楼椅与轨道进行传动连接，由于轨道固定于楼梯上，因此安全性有保证、速度也较前者较快，造价也比前者低，而且一旦安装于楼道，可以成为公用设施，供本单元的需要人士使用，利用率较高，适合于作为公益设施。其缺点是轨道安装需要占用少许楼梯宽度，但影响不大。 

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，舒适节能，稳定安全的轨道式登楼椅升降电机控制器。 

这种轨道式登楼椅升降电机控制器，包括速度调节器模块,电流调节模块,PWM调节模块,驱动电路模块，电流检测模块和转速检测模块；所述速度调节器模块输入端接转速检测模块输出端并可设定转速，速度调节器模块和电流检测模块的输出端还分别接电流调节模块的输入端，电流调节模块的输出端接PWM调节模块的输入端，PWM调节模块的输出端接驱动电路模块的输入端，驱动电路模块的输出端分别接主电机和电流检测模块的输入端，转速检测 模块的输入端接收主电机的转速信息；所述驱动电路模块:驱动部分包括前端驱动、场效应管和过电流保护组成的双极性脉宽调制电路；两路PWM信号从DSP出来经反相器后相位相反，分别经光电隔离器件6N137后变为P1、P2输入到驱动器IR2112的输入U9、U10；所述转速检测模块包括霍尔传感器和运算放大器LF353。 

本实用新型的有益效果是：结构合理，舒适节能，稳定安全。 

附图说明

图1是登楼椅运动控制总图； 

图2是主电机爬升侧视和主视图； 

图3是主电机控制硬件结构图； 

图4是主电机控制框图模型图； 

图5是主电机双环控制回路模型图； 

图6是主电机速度控制曲线图； 

图7是主电机控制器硬件结构图； 

图8是控制驱动电路部分机构图； 

图9是IR2112驱动器内部结构和外围引脚图； 

图10是测速反馈电路原理图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步描述。虽然本实用新型将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本实用新型限制在所述实施例中。相反，本实用新型将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本实用新型的范围内的替换物、改进型和等同物。 

登楼椅的运行中，有两个维度的运动系统，其一是椅身的上下楼运动(升降)，其二是椅身的维持水平运动(调平)。两种运动的驱动都是由电机及其控制器完成。因此，课题需要研究电机的功率计算、电机选型、电机控制系统设计、控制系统仿真及参数选择等，从而完成对登楼椅的运动控制。 

如图1所示，运动系统由二个维度构成： 

其一，椅身的升降由主电机负责。由于升降速度比电机额定转速低许多，而需求转矩比电机额定转矩大很多，因此，采用减速机输出，从而提高转矩同时降低速度，减速机与齿轮卡合，再由齿轮啮合齿条，从而带动椅身沿轨道升降。 

其二，椅身的调平由副电机负责。由于椅身卡合在轨道上，而轨道在楼梯中间是倾斜的， 而在楼梯平台的部分是水平的，椅身则会随着轨道倾角而变化。但作为乘客而言，要保证其乘坐的水平度，因此，要随时维持椅身乘坐面的水平角度。因此，需要由副电机带动椅身座椅部分旋转以保持水平。与升降相同，其输出转矩远大于电机额定转矩，而转速远低于电机额定转速，因此，同样选择减速机与副电机连接，然后卡合调平轴带动椅身调平转动。 

主电机运动控制 

I.电机功率等参数的计算 

首先，对升降轨道上的需求转矩和功率进行计算分析： 

如图2所示，经过实测，其中，θ＝30°，齿轮半径根据椅身和轨道的距离，设计为r＝5.25cm。 

设座椅上的人与座椅总重m＝150kg，并考虑摩擦损耗等，乘以系数1.5，则估算爬升齿轮需要的力矩T₂为： 

T₂＝1.5*f*r＝1.5*mgsinθ*r＝1.5*150*9.8*sin30°*0.0525＝58Nm   (1) 

根据行进的舒适度，30s(0.5min)内运动距离为半层楼梯L＝4.5m，齿轮每圈长度＝2πr＝32.97cm，则升降额定转速为：n₂＝27r/min  (2) 

需求功率：P₂＝T₂*n₂/9.55＝164w  (3) 

如果选择电机额定转速为1850r/min，则可以选择 

速比β＝1850/27＝69，根据减速机型号，取β＝60  (4) 

则电机的需求输出转矩：T₁＝58/60≈1Nm  (5)， 

考虑到涡轮蜗杆的传动效率(以50％计)，则取T₁＝2Nm  (6) 

电机输出功率：P₁＝T₁*n₁/9.55＝390w  (7) 

总结：电机转速1850rpm，额定扭矩2Nm，额定输出功率390w。减速机速比60:1，额定转速27rpm，额定扭矩58Nm，额定输出功率164w。 

II.主电机和减速机的选择 

主电机需求功率为390w，属于小型电机。由于电机供电将采用24V的锂电池作为直流电源，因此，需要采用直流电机。在直流电机种类中，主要有传统的有刷直流电机和新型的无刷直流电机二类，后者具有无电刷磨损、过载能力强等优点，但其价格较高、维护较复杂、控制电路也相对复杂。本项目的电机功率不大，属于间歇性运动，使用有刷直流电机即可满足使用要求，从控制成本及降低维护复杂方面来看，本项目中仍考虑使用有刷直流电机。考 虑到在轮椅上安装的尺寸，若直接采用普通直流电机，390w的体积较大。而进口盘式电机，体前后距离短、体积小、重量轻、转子无铁芯、电枢电感低(因此电刷的磨损极小)。因此，项目考虑采用进口盘式电机作为本项目之主电机。 

同时，需要采用速比i＝60的减速机驱动齿轮运动，从而提高转矩和降低转速。减速机结构有行星齿轮结构、蜗轮蜗杆结构等，考虑到要实现椅身运动的自锁，蜗轮蜗杆结构是较好的选择。根据所计算的输出转矩和减速比，国产减速机便能达到要求，而且体积较小。 

III.对主电机的运动控制 

对主电机的控制要求如下： 

椅身正常上下时，为保证人体的安全和舒适性，速度控制在9m/min，启动过程时，速度逐渐加大，转弯时，速度降低，控制在4m/min，系统根据角度传感器自动识别转弯状态。到达指定楼面时，根据行程开关进行制动并停止运行。中途如果乘客需要停止运行时，通过椅身扶手上的按钮可以实现。 

对主电机的控制采用双环结构，即外环为速度环，内环为电流环。在保证速度达到要求的前提下，使电机电流不超过电机最大电流，其控制结构见下文。 

电机控制的实现 

考虑到两个电机的功能差异较大，所使用的反馈电路也不同，控制电路也较为复杂，如果用一块控制板完成两个电机的控制有一定难度。本课题中考虑用两块控制板，分别完成对主电机和副电机的控制。由于二电机在控制功能上比较接近，下文以主电机控制为主介绍控制的实现。主电机控制结构如图3所示。 

本控制任务中的特殊之处在于：主电机带有自锁装置，即主电机无转矩输出时，外加负载无法使电机运动。因此电机控制参数的调试选择与普通的电机控制有所不同。 

主电机控制的传递函数模型框图如图4所示。自锁环节的处理：在控制器输出端加入符号判断函数，与电机转速结果相与，只有当输出驱动信号与转速一致时方有转速值，否则为0(即自锁)，该环节加入即实现了自锁的功能。 

电机采用双环控制结构，即转速环和电流环，双环部分如图5所示：双环控制分为电流控制环和速度控制环，都采用PI控制，经过调试，两个控制器的传递函数如下： 

电流环ACR： $G_i\left(S\right)=0.1042*\frac{(0.00025S+1)}{0.00025S}---\left(\text{8}\right)$

速度环ASR： $G_n\left(S\right)=0.02*\frac{(0.5S+1)}{0.5S}---\left(9\right)$

当速度设定值为1400rpm的时候，转速曲线如图6所示：超调量为0，上升时间为0.25秒，完全能达到预定的要求。 

其中主电机的控制电路中，还兼顾对锂电池充电的管理、操作按钮输入的处理等功能，其硬件功能如图7所示：考虑到此处的控制芯片不但需通过PWM波输出信号以控制电机速度，还需具备采集操纵按钮的信息、电源信息、对电池充放电进行控制等。因此，承担的任务较多，需要数据处理功能强大的芯片，综合考虑之后，拟选择TMS320F2407作为主控芯片，主要负责控制策略与控制算法的实现，实现系统的数据处理。其功耗小；指令周期可达33ns，具有多达41个通用、双向的数字I/0引脚，能够更加容易的和各种并行外设互联，具有16通道10位A/D转换器，转换时间500ns。提供了足够的获取外部模拟信号的通道。具有脉冲调宽波(PWM)输出电路和正交编码电路。用于进行电机控制是非常合适的。 

控制器硬件电路设计 

I.电源电路 

控制系统主要由控制部分和驱动部分组成，为了有效的减少各部分之间的干扰，我们将控制部分和驱动部分的电源完全隔离，这样可以有效抑制驱动部分和控制部分的相互干扰。系统控制部分电源主要有5V和3.3V两种电压，系统的外加电源为24V，为实现电源完全隔离，采用DC/DC变换器HDWS-24D05，变换器宽范围输入18-36V。输入输出完全隔离，大功率、小体积，符合系统设计要求。DSP芯片的供电电压3.3V，采用DC/DC变换器变换后的5V电源转换成3.3V，选择低功耗电源转换芯片TPS7333，输入5V，输出3.3V。 

编码器的反馈信号、脉冲控制量的输入信号都是5V的电平，为了实现与DSP的；3.3V电平的匹配，采用TI公司的电压转换芯片TPS73HD318或SN74LVC9245A或使用三端稳压器，系统所有的5V转换3.3V的信号都可以通过一块芯片实现。晶振采用3.3V，10M有源晶振HC04DY。 

II.控制驱动电路 

DSP的外扩接口SRAM用于仿真，存储数据、程序用。当系统通电初始化后，电机使能信号用于启动电机，还可以用于系统失效或紧急事件停机，LCD用于显示当前电机的速度，通用异步串口DART可以与PC通信。反馈电机的速度和位置信息。A/D采集给定的速度信号。正交编码器QEP输入接收反馈的位置和速度信号，两个事件管理器各自控制一路相互独 立的PWM信号分别控制电机的启停和正反转。控制驱动电路原理如图8所示： 

III.功率驱动部分 

驱动部分包括前端驱动、场效应管、过电流保护组成的双极性脉宽调制电路。两路PWM信号从DSP出来经反相器后相位相反，分别经光电隔离器件6N137后变为P1、P2输入到驱动器IR2112(U9、U10)的输入。图9是IR2112驱动器内部结构和外围引脚。 

当SD有效(为低)时，输出信号HO、LO分别和输入信号HIN、LIN一致。当使能信号SD为高，不管输入什么，输出为低。由于Pl与U9的HIN和U10的LIN连接，P2与U9的LIN和U10的HIN连接，所以当PWM的占空比为50％，使能端有效时，四个场管导通时间等长，连接在电机上的平均电压为0，此时电机停止。当PWM的占空比大于50％时，U9的HO和U10的LO占空比大于50％，Q1和Q4的导通时间比Q2，Q3的导通时间长，电机上平均电压大于0，电机正转。占空比越大，电压越大，正转转速就越大。当PWM的占空比小于50％时，此时电机上的平均电压小于0，电机反转。所以，控制PWM的占空比就可以控制电机的启停和正反转的速度。 

IV.测速反馈电路 

如图10所示，由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至DSP的ADCIN00，测出电动机的实际转速，与给定值进行比较。根据比较结果，调节占空比使电机驱动电路的输出控制电压，从而调整电机的转速。 

Claims (1)

1.一种轨道式登楼椅升降电机控制器，其特征在于：包括速度调节器模块,电流调节模块,PWM调节模块,驱动电路模块，电流检测模块和转速检测模块；所述速度调节器模块输入端接转速检测模块输出端并可设定转速，速度调节器模块和电流检测模块的输出端还分别接电流调节模块的输入端，电流调节模块的输出端接PWM调节模块的输入端，PWM调节模块的输出端接驱动电路模块的输入端，驱动电路模块的输出端分别接主电机和电流检测模块的输入端，转速检测模块的输入端接收主电机的转速信息；所述驱动电路模块:驱动部分包括前端驱动、场效应管和过电流保护组成的双极性脉宽调制电路；两路PWM信号从DSP出来经反相器后相位相反，分别经光电隔离器件6N137后变为P1、P2输入到驱动器IR2112的输入U9、U10；所述转速检测模块包括霍尔传感器和运算放大器LF353。