CN210225290U - 一种电动轮椅无刷电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电动轮椅无刷电机控制系统。本系统包括DSP芯片、第一电机、第二电机、霍尔信号处理电路、第一电机电流采样电路、第二电机电流采样电路、第一PWM信号电路和第二PWM信号电路；第一电机上设置有第一霍尔传感器，第一霍尔传感器采集第一电机的转子角度信号，第一电机电流采样电路采集第一电机的电流信号，DSP芯片根据第一电机的转子角度信号和第一电机的电流信号进行矢量控制，发出第一PWM信号，控制第一电机转动；DSP芯片以相同的方式，控制第二电机转动。通过同一芯片以相同的控制方式，同时对两个电机进行控制，降低两个电机运行过程中产生的稳定性差异，降低电动轮椅使用时，电机产生的振动。

Description

一种电动轮椅无刷电机控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种电动轮椅无刷电机控制系统。

背景技术

随着社会文明的发展进步，人口老龄化问题已经越来越凸显，保障及提高老年人及残疾人士等弱势群体的生活质量，已经受到社会各界人士的普遍关注。大量研究表明，有效增加老年人及残疾人士的行动能力，不仅使得他们的日常生活变得方便，而且对他们的心理健康，精神状态有着深远的影响。因此，一种能为老年人提供方便的代步轮椅应运而生，并得到了广泛的应用。

目前市场上的电动轮椅的动力系统有采用有刷电机的，也有采用无刷电机的，而采用无刷电机动力系统控制还比较少，主要是由于无刷电机控制比有刷控制难度大，但是无刷电机相对于有刷电机具有不用维护和更换碳刷的优势，这使得未来无刷电机在轮椅中的应用会越来越广泛。

而目前市场上的电动轮椅无刷电机控制系统的电路结构中，对电动轮椅的两个电机分别进行单独控制，或使用多个不同的芯片进行控制，使两个电机受到的控制不同，造成电动轮椅使用时，两个电机的运行稳定性不同，产生的振动较大。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种电动轮椅无刷电机控制系统，降低电机的振动。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种电动轮椅无刷电机控制系统，所述控制系统包括：

DSP芯片、第一电机、第二电机、霍尔信号处理电路、第一电机电流采样电路、第二电机电流采样电路、第一PWM信号电路和第二PWM信号电路；

所述第一电机上设置有第一霍尔传感器；

所述第二电机上设置有第二霍尔传感器；

所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器均与所述霍尔信号处理电路相连；

所述第一霍尔传感器用于采集所述第一电机的转子角度信号，并将所述第一电机的转子角度信号传输至所述霍尔信号处理电路；

所述第二霍尔传感器用于采集所述第二电机的转子角度信号，并将所述第二电机的转子角度信号传输至所述霍尔信号处理电路；

所述霍尔信号处理电路与所述DSP芯片连接，用于对接收到的所述第一电机的转子角度信号和所述第二电机的转子角度信号分别进行滤波和整形处理，得到第一霍尔信号和第二霍尔信号，并将所述第一霍尔信号和所述第二霍尔信号传输至所述DSP芯片；

所述第一电机电流采样电路分别与所述第一电机和所述DSP芯片连接；

所述第一电机电流采样电路用于采集所述第一电机的电流信号，并对所述第一电机的电流信号进行整形、滤波和电平处理，将处理后的第一电机的电流信号传输至所述DSP芯片；

所述第二电机电流采样电路分别与所述第二电机和所述DSP芯片连接；

所述第二电机电流采样电路用于采集所述第二电机的电流信号，并对所述第二电机的电流信号进行整形、滤波和电平处理，将处理后的第二电机的电流信号传输至所述DSP芯片；

所述DSP芯片根据所述第一霍尔信号和所述处理后的第一电机的电流信号发出第一PWM信号；

所述第一PWM信号电路分别与所述DSP芯片和所述第一电机连接；

所述第一PWM信号电路用于将所述第一PWM信号的波形进行放大，驱动所述第一电机转动；

所述DSP芯片根据所述第二霍尔信号和所述处理后的第二电机的电流信号发出第二PWM信号；

所述第二PWM信号电路分别与所述DSP芯片和所述第二电机连接；

所述第二PWM信号电路用于将所述第二PWM信号的波形进行放大，驱动所述第二电机转动。

可选的，所述控制器还包括通讯电路；所述通讯电路与所述DSP芯片连接，用于建立DSP芯片与上位机之间的通讯。

可选的，所述控制器还包括抱闸控制电路；所述抱闸控制电路与所述DSP芯片的I/O口依次相连。

可选的，所述控制器还包括键盘显示电路；所述键盘显示电路与所述DSP芯片的SPI口依次相连。

可选的，所述控制器还包括故障保护电路；所述故障保护电路与所述DSP芯片的TZ口依次相连。

可选的，所述控制器还包括电池供电电路、电池电压采集电路和DC/DC变压电路；

所述电池供电电路分别与所述电池电压采集电路和所述DC/DC变压电路连接；

所述DC/DC变压电路用于将所述电池供电电路提供的电压变换成控制系统中各元件所需的电压；

所述电池电压采集电路用于采集所述电池供电电路的电压；

所述DSP芯片根据所述电池电压采集电路采集到的电池电压，进行过压和欠压保护。

可选的，所示DSP芯片型号为TMS320F28034。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型的电动轮椅无刷电机控制系统包括DSP芯片、第一电机、第二电机、霍尔信号处理电路、第一电机电流采样电路、第二电机电流采样电路、第一PWM信号电路和第二PWM信号电路；其中，第一电机上设置有第一霍尔传感器，所述第一霍尔传感器采集所述第一电机的转子角度信号，将采集的信号经过霍尔信号处理电路传输至DSP芯片；所述第一电机电流采样电路采集所述第一电机的电流信号，传输至所述DSP芯片；第二电机上设置有第二霍尔传感器，所述第二霍尔传感器采集所述第二电机的转子角度信号，经所述霍尔信号处理电路后传输至所述DSP芯片；所述第二电机电流采样电路采集所述第二电机的电流信号，传输至所述DSP芯片；

所述DSP芯片根据第一电机的转子角度信号和第一电机的电流信号进行矢量控制，发出第一PWM信号，控制第一电机转动；

同时DSP芯片以同样的方式，根据第二电机的转子角度信号和第二电机的电流信号进行矢量控制，发出第二PWM信号，控制第二电机转动。

通过同一DSP芯片以相同的控制方式，同时对第一电机和第二电机进行控制，降低第一电机与第二电机运行过程中产生的稳定性差异，从而降低电动轮椅使用时，电机产生的振动。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的电动轮椅无刷电机控制系统结构图；

图2为本发明实施例提供的电动轮椅无刷电机控制系统电路图；

图3为本实用新型实施例提供的电动轮椅无刷电机控制原理图；

附图标记说明：1-DSP芯片，2-第一电机电流采样电路，3-第一PWM信号电路，4-第一电机，5-霍尔信号处理电路，6-第二电机，7-第二PWM信号电路，8-第二电机电流采样电路，9-通讯电路，10-键盘显示电路，11-故障保护电路，12-抱闸控制电路，13-DC/DC变压电路，14-电池供电电路，15-电池电压采集电路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种电动轮椅无刷电机控制系统，降低电机的振动。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例提供的电动轮椅无刷电机控制系统结构图，图2为本发明实施例提供的电动轮椅无刷电机控制系统电路图，如图1、2所示，一种电动轮椅无刷电机控制系统，所述控制系统包括：

DSP芯片1、第一电机4、第二电机6、霍尔信号处理电路5、第一电机电流采样电路2、第二电机电流采样电路8、第一PWM信号电路3和第二PWM信号电路7；

所述第一电机4上设置有第一霍尔传感器；

所述第二电机6上设置有第二霍尔传感器；

所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器均与所述霍尔信号处理电路5相连；

所述第一霍尔传感器用于采集所述第一电机4的转子角度信号，并将所述第一电机4的转子角度信号传输至所述霍尔信号处理电路5；

所述第二霍尔传感器用于采集所述第二电机6的转子角度信号，并将所述第二电机6的转子角度信号传输至所述霍尔信号处理电路5；

所述霍尔信号处理电路5与所述DSP芯片1连接，用于对接收到的所述第一电机4的转子角度信号和所述第二电机6的转子角度信号分别进行滤波和整形处理，得到第一霍尔信号和第二霍尔信号，并将所述第一霍尔信号和所述第二霍尔信号传输至所述DSP芯片1；

所述第一电机电流采样电路2分别与所述第一电机4和所述DSP芯片1连接；

所述第一电机电流采样电路2用于采集所述第一电机4的电流信号，并对所述第一电机4的电流信号进行整形、滤波和电平处理，将处理后的第一电机4的电流信号传输至所述DSP芯片1；

所述第二电机电流采样电路8分别与所述第二电机6和所述DSP芯片1连接；

所述第二电机6电流采样电路用于采集所述第二电机6的电流信号，并对所述第二电机6的电流信号进行整形、滤波和电平处理，将处理后的第二电机6的电流信号传输至所述DSP芯片1；

所述DSP芯片1根据所述第一霍尔信号和所述处理后的第一电机4的电流信号发出第一PWM信号；

所述第一PWM信号电路3分别与所述DSP芯片1和所述第一电机4连接；

所述第一PWM信号电路3用于将所述第一PWM信号的波形进行放大，驱动所述第一电机4转动；

所述DSP芯片1根据所述第二霍尔信号和所述处理后的第二电机6的电流信号发出第二PWM信号；

所述第二PWM信号电路7分别与所述DSP芯片1和所述第二电机6连接；

所述第二PWM信号电路7用于将所述第二PWM信号的波形进行放大，驱动所述第二电机6转动。

本实施例中，所述第一电机电流采样电路2与所述第二电机电流采样电路8均采用三电阻电流采样。三电阻电流采样分别采样电机的U相、V相和W相的电流，提高电流采样精确度。

DSP芯片1为美国TI公司高性能32位DSP芯片1，型号为：TMS320F28034。

通过同一DSP芯片1以相同的控制方式，同时对第一电机4和第二电机6进行控制，降低第一电机4与第二电机6运行过程中产生的稳定性差异，从而降低电动轮椅使用时，电机产生的振动。

所述控制器还包括通讯电路9；所述通讯电路9与所述DSP芯片1连接，用于建立DSP芯片1与上位机之间的通讯。

所述控制器还包括抱闸控制电路12；所述抱闸控制电路12与所述DSP芯片1的I/O口依次相连。

所述控制器还包括键盘显示电路10；所述键盘显示电路10与所述DSP芯片1的SPI口依次相连。本实施例中，键盘显示电路10包含数码管或者液晶屏，属于人机界面，便于用户调节电机的相关参数提升舒适感。

所述控制器还包括故障保护电路11；所述故障保护电路11与所述DSP芯片1的TZ口依次相连。通过设置故障保护电路11，在有过流和过载等情况发生时，能及时保护控制系统的相关硬件器件，从而提高轮椅整车行使的安全和可靠性。故障保护电路11的工作过程为：检测轮椅电机的当前电流，然后与硬件上的电流过流点进行比较，如果电机电流大于过流点，则上报故障。

所述控制器还包括电池供电电路14、电池电压采集电路15和DC/DC变压电路13；

所述电池供电电路14分别与所述电池电压采集电路15和所述DC/DC变压电路13连接；

所述DC/DC变压电路13用于将所述电池供电电路14提供的电压变换成控制系统中各元件所需的电压；

所述电池电压采集电路15还与所述DSP芯片1连接，

所述电池电压采集电路15用于采集所述电池供电电路14的电压；

所述DSP芯片1根据所述电池电压采集电路15采集到的电池电压，进行过压和欠压保护。

本实施例中，控制系统通过电池供电电路14供电，而电池电压一般为24V，由于控制系统的逆变部分主回路需要24V电源，其他元件需要3.3V、5V或12V等不同的电源，通过设置DC/DC变压电路13，把电池提供的电压转变成其他电压源，例如12V、5V或3.3V电源，为控制系统其他需要供电的元件提供电源。

本实用新型的电动轮椅无刷电机控制系统有完善的保护，如过流，过压，欠压，抱闸失效等，提高电动轮椅使用安全性和可靠性。

图3为本实用新型实施例提供的电动轮椅无刷电机控制原理图，如图3所示的电动轮椅无刷电机控制原理，以相同的方法同时实现对第一电机4和第二电机6的控制。

所述原理包括：

获取上位机的运行指令；

控制抱闸控制电路12处于非抱闸状态；

获取当前电机的转动角速度及电机的电流信号；

根据所述当前电机的转动角速度计算得到第一转子角度位置；

判断是否捕获到霍尔信号处理电路5的霍尔信号，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为是，则根据所述霍尔信号，对所述第一转子角度位置进行矫正，得到第二转子角度位置；

根据所述第二转子角度位置对所述电流信号进行解耦；

若所述第一判断结果为否，则根据所述第一转子角度位置对所述电流信号进行解耦；

根据所述霍尔信号和解耦的电流信号，进行矢量控制，输出相应的PWM信号控制电机转动。

所述根据所述当前电机的转动角速度计算得到第一转子角度位置，具体包括：

根据公式θ＝θ₀+ω*t计算所述第一转子角度位置，其中θ₀为上一时刻的转子角度位置，ω为所述当前电机的转动角速度，t为当前转动时间。

本实施例中，在判断捕获到霍尔信号处理电路5的霍尔信号，之后，还包括判断所述霍尔信号是否正常的处理过程，具体地，三相霍尔信号如果全为高电平或者全为低电平，那么就判处出霍尔信号不正常。

所述根据所述霍尔信号，对所述第一转子角度位置进行矫正，得到第二转子角度位置，具体包括：

根据所述霍尔信号得到转子所在区间；

判断所述第一转子角度位置是否处于所述区间内，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果为是，则将所述第一转子角度位置作为所述第二转子角度位置；

若所述第二判断结果为否，则将所述第一转子角度位置调节至所述区间内，得到所述第二转子角度位置。

具体地，根据霍尔信号对第一转子角度位置进行矫正，先根据电机的转动角速度计算出第一转子角度位置，再根据霍尔信号处理电路5传来的霍尔信号判断转子所在位置，即仅根据霍尔信号得知转子所在区域，再将计算得到的第一转子角度位置与根据霍尔信号判断得到的转子所在区域进行比较，判断第一转子角度位置是否处于该区域，如果第一转子角度位置在该区域内，则不再进行矫正；如果第一转子角度位置不在该区域内，则进行矫正，将第一转子角度位置调节到该区域内，得到第二转子角度位置。

具体地，根据所述第二转子角度位置对所述电流信号进行解耦，得到解耦的电流信号为力矩电流和励磁电流。

所述根据所述霍尔信号和解耦的电流信号，进行矢量控制，输出相应的PWM信号控制电机转动，具体包括：

判断速度调节时钟周期是否到达，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果为是，则根据所述霍尔信号计算电机当前运行速度，根据计算结果进行速度环调节，得到当前速度环调节结果；

若所述第三判断结果为否，则直接将上一次的速度环调节结果作为当前速度环调节结果；

根据所述当前速度环调节结果和所述解耦的电流信号进行电流环调节，得到电流环调节结果；

根据所述电流环调节结果，输出PWM信号控制电机转动。

具体地，在进行速度环调节和电流环调节时，控制速度环调节周期小于电流换调节周期，将DSP芯片1的运行中断作为电流环调节周期，人为设置速度环调节周期，比如10ms；在DSP芯片正常产生中断时，进行电流环调节，当速度环调节周期到时，进行速度环调节。

在速度环调节中，计算反馈速度的依据为：根据捕获到的霍尔信号的脉冲数除以时间得到电机当前运行的速度。

在电流环调节中，将速度环的调节结果作为电流环的输入值，将电流解耦后得到的力矩电流和励磁电流作为信号反馈，进行电流环调节。

最后根据电流环的调节结果，更新占空比，输出新的PWM控制信号，控制电机转动。

本实用新型的电动轮椅无刷电机控制系统采用了矢量控制，即正弦波控制，提高了电机的效率，减少了电机低频的噪音和低频的振动，从而进一步提高了乘客乘坐的舒适感；

同时，由于采用了矢量控制，具有转矩控制精度高，制动控制效果好，刹车快的效果。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种电动轮椅无刷电机控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

DSP芯片、第一电机、第二电机、霍尔信号处理电路、第一电机电流采样电路、第二电机电流采样电路、第一PWM信号电路和第二PWM信号电路；

所述第一电机上设置有第一霍尔传感器；

所述第二电机上设置有第二霍尔传感器；

所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器均与所述霍尔信号处理电路相连；

所述第一霍尔传感器用于采集所述第一电机的转子角度信号，并将所述第一电机的转子角度信号传输至所述霍尔信号处理电路；

所述第二霍尔传感器用于采集所述第二电机的转子角度信号，并将所述第二电机的转子角度信号传输至所述霍尔信号处理电路；

所述霍尔信号处理电路与所述DSP芯片连接，用于对接收到的所述第一电机的转子角度信号和所述第二电机的转子角度信号分别进行滤波和整形处理，得到第一霍尔信号和第二霍尔信号，并将所述第一霍尔信号和所述第二霍尔信号传输至所述DSP芯片；

所述第一电机电流采样电路分别与所述第一电机和所述DSP芯片连接；

所述第一电机电流采样电路用于采集所述第一电机的电流信号，并对所述第一电机的电流信号进行整形、滤波和电平处理，将处理后的第一电机的电流信号传输至所述DSP芯片；

所述第二电机电流采样电路分别与所述第二电机和所述DSP芯片连接；

所述第二电机电流采样电路用于采集所述第二电机的电流信号，并对所述第二电机的电流信号进行整形、滤波和电平处理，将处理后的第二电机的电流信号传输至所述DSP芯片；

所述DSP芯片根据所述第一霍尔信号和所述处理后的第一电机的电流信号发出第一PWM信号；

所述第一PWM信号电路分别与所述DSP芯片和所述第一电机连接；

所述第一PWM信号电路用于将所述第一PWM信号的波形进行放大，驱动所述第一电机转动；

所述DSP芯片根据所述第二霍尔信号和所述处理后的第二电机的电流信号发出第二PWM信号；

所述第二PWM信号电路分别与所述DSP芯片和所述第二电机连接；

所述第二PWM信号电路用于将所述第二PWM信号的波形进行放大，驱动所述第二电机转动。

2.根据权利要求1所述的一种电动轮椅无刷电机控制系统，其特征在于，

所述控制系统还包括通讯电路；所述通讯电路与所述DSP芯片连接，用于建立DSP芯片与上位机之间的通讯。

3.根据权利要求1所述的一种电动轮椅无刷电机控制系统，其特征在于，

所述控制系统还包括抱闸控制电路；所述抱闸控制电路与所述DSP芯片的I/O口依次相连。

4.根据权利要求1所述的一种电动轮椅无刷电机控制系统，其特征在于，

所述控制系统还包括键盘显示电路；所述键盘显示电路与所述DSP芯片的SPI口依次相连。

5.根据权利要求1所述的一种电动轮椅无刷电机控制系统，其特征在于，

所述控制系统还包括故障保护电路；所述故障保护电路与所述DSP芯片的TZ口依次相连。

6.根据权利要求1所述的一种电动轮椅无刷电机控制系统，其特征在于，

所述控制系统还包括电池供电电路、电池电压采集电路和DC/DC变压电路；

所述电池供电电路分别与所述电池电压采集电路和所述DC/DC变压电路连接；

所述DC/DC变压电路用于将所述电池供电电路提供的电压变换成控制系统中各元件所需的电压；

所述电池电压采集电路用于采集所述电池供电电路的电压；

所述DSP芯片根据所述电池电压采集电路采集到的电池电压，进行过压和欠压保护。

7.根据权利要求1所述的一种电动轮椅无刷电机控制系统，其特征在于，

所述DSP芯片型号为TMS320F28034。

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