CN203790166U - 一种电动轮椅控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动轮椅控制装置，由通讯连接的操作部和驱动部两个部分组成，所述操作部包含有单片机，所述单片机的输入端与按键、操作杆、扬声器通过信号线连接，所述驱动部包含有数字信号处理器DSP、电机驱动电路和无刷电机，所述无刷电机设置为左右两台，分别对应连接电机驱动电路，所述单片机输出端与数字信号处理器DSP通讯连接，数字信号处理器DSP输出两组PWM信号分别对应与电机驱动电路的输入端连接。本实用新型采用直流无刷电机，通过单片机控制MOS管的通断实现电动轮椅的速度和转矩的调节和控制，无碳刷磨损，平滑性强，噪音小，简单耐用。

Description

一种电动轮椅控制装置

技术领域

本实用新型涉及轮椅控制部件，具体的说是一种电动轮椅控制装置。

背景技术

随着社会的发展和理疗保障的提高，人们对医用器械的要求越来越高，电动轮椅已经成为残疾人不可缺少的工具，目前市场上的电动轮椅种类繁多，多数采用串励电机控制或者他励电机控制，利用接触器换向实现轮椅的前进和后退。这些电动轮椅虽然能够实现前进、后退和转向的基本功能，但其控制器为串励控制器或者他励控制器，需要频繁换向，不仅碳刷易磨损，而且有噪声，并且串励电机控制策略受限，致使矢量控制和高次谐波控制难以实现，电动轮椅的运行平滑性也欠缺。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本实用新型提供了一种电动轮椅控制装置，采用直流无刷电机，通过单片机控制MOS管的通断实现电动轮椅的速度和转矩的调节和控制，无碳刷磨损，平滑性强，噪音小，简单耐用。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种电动轮椅控制装置，由通讯连接的操作部和驱动部两个部分组成，所述操作部包含有单片机，所述单片机的输入端与按键、操作杆、扬声器通过信号线连接，所述驱动部包含有数字信号处理器DSP、电机驱动电路和无刷电机，所述无刷电机设置为左右两台，分别对应连接电机驱动电路，所述单片机输出端与数字信号处理器DSP通讯连接，数字信号处理器DSP输出两组PWM信号分别对应与电机驱动电路的输入端连接。

所述电机驱动电路包含有功率放大芯片、自举电路和三相桥式电路，所述功率放大芯片连接自举电路，所述功率放大芯片的输出端通过三相桥式电路与无刷电机连接。

所述功率放大芯片的型号采用IR2136，所述三相桥式电路中MOS管采用MOSFET管。

还包括故障检测电路，所述故障检测电路连接于电机驱动电路与数字信号处理器DSP之间。

还包括电流电压检测电路，所述电流电压检测电路分别连接于左右两台无刷电机与数字信号处理器DSP之间。

所述操作部与驱动部之间通过CAN总线通讯模块连接。

还包含有电源装置，所述电源装置采用24V直流蓄电池为驱动部两台无刷电机供电，将24V直流蓄电池转换成低压直流电源为操作部及驱动部的数字信号处理器DSP供电。

本实用新型改变现有电动轮椅控制器的基本结构，采用单片机、MOS管组成的三相桥式驱动电路和无刷电机连接，通过单片机采集操作信号经过处理后输出PWM信号驱动无刷电机，调控输出的速度和转矩，实现电动轮椅的无传感器、无刷控制，由矢量控制增强其平滑性，噪声小，无碳刷磨损，结构简单，持久耐用。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理框图；

图2为本实用新型的电机驱动电路图；

图3为本实用新型控制原理图（a）；

图4为本实用新型控制原理图（b）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述：

如图1所示为本实用新型的一个具体实施例，该电动轮椅控制装置，由通讯连接的操作部和驱动部两个部分组成，所述操作部包含有单片机1，所述单片机1的输入端与按键6、操作杆7、扬声器8通过信号线连接，所述驱动部包含有数字信号处理器DSP15、电机驱动电路11和无刷电机2，所述无刷电机2设置为左右两台，分别对应连接电机驱动电路11，所述单片机1输出端与数字信号处理器DSP15通讯连接，数字信号处理器DSP15输出两组PWM信号分别对应与电机驱动电路11的输入端连接。

作为优选的方式，所述电机驱动电路包含有功率放大芯片3、自举电路4和三相桥式电路5，所述输出的PWM信号与功率放大芯片3的输入端连接，所述功率放大芯片3连接自举电路4，所述功率放大芯片3的输出端通过三相桥式电路5与无刷电机2连接，所述三相桥式电路5设置为由MOS管和对应的图腾电路连接组成。所述功率放大芯片的型号采用IR2136，所述三相桥式电路中MOS管采用MOSFET管。

作为优选的方式，本实用新型还包括故障检测电路9，所述故障检测电路9连接于电机驱动电路16与数字信号处理器DSP15之间。故障检测电路9检测电机驱动电路11的运行状态，并将故障信息传给数字信号处理器DSP15,通过CAN总线通讯模块14传送给单片机1，单片机1向扬声器8发出故障处理信号，扬声器8报警。

作为优选的方式，本实用新型还包括电流电压检测电路10，所述电流电压检测电路10分别连接于左右两台无刷电机2与数字信号处理器DSP15之间。数字信号处理器DSP15的A/D模块通过电流电压检测电路10采样两台无刷电机2的电压和电流信号，形成电压闭环控制和电流补偿及过流保护。

单片机1内部数据采集模块采集到按键6、操作杆7发出的输入信号，将信号进行处理后，通过CAN总线通信模块14传给数字信号处理器DSP15，数字信号处理器DSP15接收到电压变化，将其转化为两组PWM信号输出，经过电机驱动电路11分别传给左右两台无刷电机2，按照预先编写好的控制程序，带动轮椅运行，实现前进、后退、左转、右转的功能。单片机1向数字信号处理器DSP15发送的信号包括:速度档位信号、操作杆的A/D转换结果、开机信号、关机信号，数字信号处理器DSP15向单片机1发送的信号主要是故障信号。

如图2所示，本实施例中，电机驱动电路的具体连接关系如下：

包括以MOS管Q1和MOS管Q4串联为主组成的第一个模块、以MOS管Q2和MOS管Q5串联为主组成的第二个模块以及以MOS管Q3和MOS管Q6串联为主组成的第三个模块，并由这三个模块整体并联组成三相桥式电路；在以MOS管Q1和MOS管Q4串联为主组成的第一个模块中，电阻R37接于功率放大芯片IR2136的27引脚与MOS管Q1的G极之间，电阻R50接于MOS管Q1的G极和S极之间，电阻R40接于功率放大芯片IR2136的16引脚与MOS管Q4的G极之间，电阻R53接于MOS管Q4的G极和S极之间；在以MOS管Q2和MOS管Q5串联为主组成的第二个模块中，电阻R38接于功率放大芯片IR2136的23引脚与MOS管Q2的G极之间，电阻R51接于MOS管Q2的G极和S极之间，电阻R42接于功率放大芯片IR2136的15引脚与MOS管Q5的G极之间，电阻R55接于MOS管Q5的G极和S极之间；在以MOS管Q3和MOS管Q6串联为主组成的第三个模块中，电阻R39接于功率放大芯片IR2136的19引脚与MOS管Q3的G极之间，电阻R52接于MOS管Q3的G极和S极之间，电阻R45接于功率放大芯片I R2136的14引脚与MOS管Q6的G极之间，电阻R57接于MOS管Q6的G极和S极之间；电容C34与电容C35串联，电容C34的+端与电源正极B+相连接，电容C35的-端接地，二极管D2和电容C28串联，二极管D3和电容C29串联，二极管D4和电容C30串联，这三个二极管的正极接电阻R35，电阻R35的另一端接+15V电源，电容C28、电容C29和电容C30的负极分别接功率放大芯片IR2136的26、22和18管脚，二极管D2、二极管D 3和二极管D4的正极分别接功率放大芯片IR2136的28、24和20管脚，电容C22接于+15V和地之间，电阻R27接于+15V和功率放大芯片IR2136的10引脚之间，电阻R26接于+15V和功率放大芯片IR2136的11引脚之间，IR2136的12引脚和13引脚接地；MOS管Q1和MOS管Q4串联电路的中间抽头接U相电压，MOS管Q2和MOS管Q5串联电路的中间抽头接V相电压，MOS管Q3和MOS管Q6串联电路的中间抽头接W相电压；单片机输出的驱动信号是PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5和PWM6, 功率放大芯片IR2136的13管脚接地；电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R42和电阻R45的阻值为200欧姆，皆为驱动电阻，电阻R50、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R55和电阻R57的阻值为20k，电阻R30的阻值为10k，电阻R64为1k，电阻R26和电阻R27的电阻值为10k，电阻R35的电阻值为5.1欧姆和功率为0.5w，电容C34和电容C35电容量为100uF/50V，电容C25的电容量为25uF，电容C22的电容量为0.1uF，电容C28、电容C29和电容C30的电容量为1uF，二极管D2、二极管D3和二极管D4均是二极管FR107。CON1是一个三插针插头，用于接三相电机，RA+、RA-和RB+、RB-分别为两个电流传感器的两个端子。

另外一条电机驱动电路与上述电路完全相同，这里不做赘述。

作为优选的方式，本使用新型电源装置采用24V直流蓄电池12为驱动部两台无刷电机2供电，根据电机驱动电路11中电路元器件的数值，将24V直流蓄电池12转换成12V、5V、3.3V直流电源13为操作部及驱动部的数字信号处理器DSP15供电。

IR2136集成电路能兼容CMOS输出或LSTTL输出，提供低至3.3V的逻辑，可直接入微控制器或其它逻辑器件，并提供 120mA/250mA 输出源/承电流。此外，全新集成电路支持坚固耐用的设计，提供高达50V/ns                                               的耐量和较低的驱动电流，防止噪音干扰。IR2136集成电路的性能超过光耦或变压器，并支持高频工作，死区时间低至250ns，一般接通/关断时间为400ns。输出驱动器设有专为降低驱动器交叉传导的大脉冲电流缓冲级。该集成电路集成了交叉传导防护逻辑，以消除短路情况。单一集成电路封装内6个通道的传播延迟可互相配合，确保稳定的高频工作，从而在低速下发挥更完善的电机转矩性能，并降低可闻噪音。

如图3所示，轮椅的运动要求电机能可逆运行、输出转矩连续平稳、变速灵活。本实用新型电动轮椅控制装置采用双极式工作模式，其优点有：电机可在4个象限运行；电枢电流一定连续；电机停止时有微振电流，能消除摩擦死区,起到动力润滑的作用；低速平稳性好，调速范围很宽,低速时每个功率管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率管可靠导通。因此，采用工作于双极模式下的全桥PWMDC/DC变换器来驱动直流无刷电机，能很好地满足轮椅运动性能的要求。电枢平均电压、电流脉动量与输入电压、占空比、电枢电感、开关周期的关系如下：

                                               (1)

                                            (2)

本实用新型的输出具有低压大电流的特点，开关管采用功率MOSFET。MOSFET的驱动采用高速功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器即功率放大芯片IR2136。由于采用悬浮方式，它非常适用于驱动由压控型器件构成的三相桥式电路,并由单电源供电，采取自举电路。速度的给定由用户通过操纵杆来实现，操纵杆输出两路相互垂直的模拟信号，来体现轮椅运动的方向和速度。

在图3（a）中,操纵杆扳动的方向和倾斜的程度分解为和两路相互垂直的信号输出；图4（b）中，轮椅运动的方向V由X方向的速度分量和Y方向的速度分量矢量合成。设左、右轮的转速分别为、，则易知为两轮转速的差模分量,，为两轮转速的共模分量。、 、、按照下面的算法建立联系：

                                   

                                       

式中，—和方向的控制灵敏度系数。

，是加权平均系数，，值越大，对相应通道的操纵杆输出信号的检测就越灵敏。通过适当配置，，就能获得满意的操纵性能。是速度档设定的系数，速度档越高， 越大，转速给定也就越大。依据式(3)和式(4),即可将用户给定的控制信号分别转化为左右两轮的速度给定。

若，则MOTL_SPEED=；MOTL_SPEED为左轮油门；

若，则MOTL_SPEED=-；MOTL_SPEED为左轮油门；

若，则MOTR_SPEED=；MOTL_SPEED为右轮油门；

若，则MOTR_SPEED=-；MOTL_SPEED为右轮油门；

若且，则两电机均正转；

若且，则左电机正转右电机反转；

若且，则左电机反转右电机正转；

若且，则两电机均反转；

档位为四个档位，根据需要进行设定。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种电动轮椅控制装置，其特征在于，由通讯连接的操作部和驱动部两个部分组成，所述操作部包含有单片机(1)，所述单片机（1）的输入端与按键（6）、操作杆（7）、扬声器（8）通过信号线连接，所述驱动部包含有数字信号处理器DSP(15)、电机驱动电路（11）和无刷电机（2），所述无刷电机（2）设置为左右两台，分别对应连接电机驱动电路（11），所述单片机（1）输出端与数字信号处理器DSP(15)通讯连接，数字信号处理器DSP(15)输出两组PWM信号分别对应与电机驱动电路（16）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种电动轮椅控制装置，其特征在于，所述电机驱动电路（11）包含有功率放大芯片（3）、自举电路（4）和三相桥式电路（5），所述功率放大芯片（3）连接自举电路（4），所述功率放大芯片（3）的输出端通过三相桥式电路（5）与无刷电机（2）连接。

3.根据权利要求2所述的一种电动轮椅控制装置，其特征在于，所述功率放大芯片（3）的型号采用IR2136，所述三相桥式电路（5）中MOS管采用MOSFET管。

4.根据权利要求1所述的一种电动轮椅控制装置，其特征在于，还包括故障检测电路（9），所述故障检测电路（9）连接于电机驱动电路（11）与数字信号处理器DSP(15)之间。

5.根据权利要求1所述的一种电动轮椅控制装置，其特征在于，还包括电流电压检测电路（10），所述电流电压检测电路（10）分别连接于左右两台无刷电机（2）与数字信号处理器DSP(15)之间。

6.根据权利要求1所述的一种电动轮椅控制装置，其特征在于，所述操作部与驱动部之间通过CAN总线通讯模块（14）连接。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种电动轮椅控制装置，其特征在于，还包含有电源装置，所述电源装置采用24V直流蓄电池（12）为驱动部两台无刷电机（2）供电，将24V直流蓄电池（12）转换成低压直流电源（13）为操作部及驱动部的数字信号处理器DSP(15)供电。