第一届北京国际康复医学论坛论文集基于D S P 的智能轮椅运动控制设计宋亮1 王喜太2 王战臂1 苏宏伦21 河北工业大学自动化系天津3 0 0 1 3 22 民政部假肢科学研究所北京1 0 0 0 2 0[ 摘要] 本文采用T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S P 对智能轮椅的运动控制系统进行了设计，并提出了基于此D S P 的双闭环控制硬件电路设计及主要的软件编程实现了对智能轮椅的底层驱动[ 关键字] T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S P ：智能轮椅；无刷直流电机D e s i g no faI n t e l l i g e n tW h e e l c h a i rS y s t e mf o rm o ti o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nD S PA b s t r a c t ：T h i sp a p e rr e s e a r c h e do n em o t i o nc o n t r o ls y s t e mo fb r u s h l e s sD CM o t o rb a s e do nD S P ，a n du s e dt h i sc o n t r o ls y s t e mi ni n t e l l i g e n t i z e dw h e e l c h a i r ．I td e s i g nT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 Ao nt h eb a s i So fB L D C Mc o n t r o lm e t h o dr e a l i z e d ．At w o —I o o pc o n t r o ls y s t e mb a s e do nD S Pi sd e v e l o p e da n d t h ec o n t r o lc o d e si sp r o g r a m m e d ．K e yw o r d s ：T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S Pi n t e l l i g e n t i z e dw h e e l c h a i rb r u s h l e s sD CM o t o r ( B L D C M )l 引言中国的残疾人口人数众多，于社会发展的不平衡，这个特殊群体在工作与生活水平上与正常人的差距越来越远。
这些残疾人不但给家人带来了巨大的精神和经济上的负担，而且因为有太多的生活细节问题需要不断的求助于人，也使残疾人自己感到失去了某种程度上的尊严如何从技术上更好地帮助他们，提高他们的生活质量和最大程度地满足他们在生活和上作中的需要，是康复和助残工程研究的一个重要方向随着现代电子、计算机和通讯技术的发展和推广，残疾人的康复和护理已经由最初的人上护理发展到残疾人自助型的辅助装置高水准的家庭护理工作站和护理机器人也是目前国际上的发展方向，电动轮椅车作为基本的助残工具也在努力向这一方向发展，然而目前国内还很少有人致力于这类产品的开发，为了填补国内的这项空白，提高中国残疾人的生活质量，我们自主研制了基于D S P的智能电动轮椅车，它也可以成为一个小型的可移动护理机器人它的底层驱动采用基于D S P 的控制器本文对其基本的运动控制系统设计进行了阐述2 3 0第一届北京国际康复医学论坛论文集2 田内外现状我国轮椅控制器的研究起步较晚，研究单位有中科院自动化所、台湾中正大学电机系、上海交通大学和第三军医大学目前的市场上电动轮椅车上的控制器主要依靠进口，在国内进行组装，像德林等厂家国外起步早，目前取得了一定的成果。
美国麻省理工学院提出了一种用四个电机实现全方向移动的球型驱动方式，日本机器技术研究所提出了用六个电机实现全方向移动的方式这些方法的力学原理都是一样的，不是直接按照前进方向驱动，而是把不同方向的两个驱动力合成到前进方向实现万向移动这种全方向移动的电动轮椅比一般的电动轮椅所用的电机数量多、消耗能量太、成本高、可靠性和轻量化差，所以不容易普及如果能设计出一种能在较小的空间内，甚至是在无回转半径下实现全方向运动的室内外两用电动轮椅无疑将有很好的价值和前景本次设计提出的新型电动轮椅正是基于日本学者提出的用两个电机来实现轮椅的全方向运动，其在轮椅的研究上是新颖的3 智能电动轮椅设置参数的计算由于轮椅的使用对象是失去运动能力的残疾人，对智能电动轮椅的运动控制参数也就具有其自己的特点在这里我们参考了先行的国际标准，提出了一下的参数设定来构造其运动的基本模型3 ．1 轮椅模型的选择轮椅基本模型为两驱动轮，前后四个支撑轮的设计模型木轮椅的驱动轮直径D = 4 0c m支撑轮直径d = 2 4C l l l得，驱动轮的周长( 即单转里程) L = ⅡD = 3 ．1 4 ．4 0 = 1 2 5 ．6c m木设驱动轮承担总质量的6 0 ％得，水平面上：单个驱动轮承受的正压力N 。
0 ．5 水( 1 0 0 + 7 0 ) 冰9 ．8 * 6 0 ％= 4 9 9 ．8N第一届北京国际康复医学论坛论文集单个支撑轮承受的正压力N 2 = O ．2 5 * ( 1 0 0 + 7 0 ) 串9 ．8 * 4 0 ％= 1 6 6 ．6N单个驱动轮承受的水平摩擦力f ，=单个支撑轮承受的水平摩擦力f z =l a 木N 1 = 0 ．1 ．4 9 9 ．8 = 4 9 ．9 8NI J 木N 3 = 0 ．1 ．1 6 6 ．6 = 1 6 ．6 6N由于，2 f > 4 f 得，满足行驶要求3 ．2 电机模型的选择单个驱动轮旋转所需的力矩T = 2 f 2 木D 木0 ．5 = 2 ．1 6 ．6 6 * 0 ．4 * 0 ．5 = 6 ．6 6 4N ·m交流电机的调速范围小，数学模型复杂，转速调节不精确直流电机与交流电机相比，具有优秀的线性机械特征、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点有刷直流电动机机械电刷和换向器因强迫性接触造成它结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题，影响电动机的调速精度和性能所以本题选择无刷直流电机直流电源无刷直流电动机的原理框图无刷直流电机控制系统由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成。
直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而控制绕组通断，实现电子换相4 轮椅控制核心硬件及软件结构的实现数字信号处理器( D S P ) 技术的发展为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持由于D S P 采用了多总线的哈佛结构、专用的硬件乘法器( 一个周期内完成乘法和加法两种运算) 、多级流水线操作和专用的D S P 指令等方法使其获得了高速并行处理能力，能够实时地完成复杂的控制算法，所以，D S P 已成为高性能处理器的首选器件为此，我们选用高性能、低价位的1 6 位定点T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S P 控制器来实现智能电动轮椅的运动控制系统由于其具有极高的速度，这可以大大缩短系统的采样周期，提高系统的调节频率，从而提高系统的动态性能：另外，D S P 具有丰富的硬件资源，集成了闪存、高速A ／D 转换器、高性能的C A N 模块，可以大大简化控制系统的硬件结构，大大提高系统的可靠性第一届北京国际康复医学论坛论文集电流反馈三相无刷直流电动机调速控制框图本图为实现三相无刷直流电动机调速的控制和驱动电路的控制框图，拟采用D S P 的软件编程实现三相无刷直流电动机的全数字双闭环控制。
4 ．1 硬件设计给定转速与速度反馈量形成偏差，经过速度调节后产生电流参考量，经电流调节它与电流反馈量偏差后形成P W M 占空比的控制量，实现电动机的速度调节三个以间隔1 2 0 度分布的霍尔传感器H 1 、H 2 、H 3 经过整形隔离电路分别与D S P 的捕捉引脚C A P l 、C A P 2 、C A P 3 相连，通过产生捕捉中断来给出换相时刻，得到位置信息用D S P 的P W M l - P W M 6引脚经过反向驱动电路连接到六个开关管，实现定频P W M 和换向控制电机每次只有两相通电，形成一个回路，因此每次只需要一个控制电流把电阻R 安放在电源对地端，作为电流传感器就可以实现电流的检测和反馈其输出量经过滤波放大电路连接到D S P 的A D C 输入端A D C I N 0 0 ，在每个P W M 周期都对电流进行采样，对P W M 占空比进行控制，以达到速度控制的目的4 ．2 软件实现其主程序流程如下：2 3 3，J ，，—’～、、～ ( ，开始)● i 配制系统 t 控制寄存器⋯～P _ 一’～^ ～V ⋯～一，L ⋯～⋯ 设置中断． 逻辑～—⋯～～一“；第一届北京国际康复医学论坛论文集主程序流程图————————孽⋯⋯⋯． { 循环等待{ 中断 一{ _ ‘h ‘⋯，_ t “ ，●●* 。
～其中为了保证得到稳定的最大转矩，必须就无刷直流电动机进行换向控制恰好的换向时刻，可以减小转矩的波动，因此位置检测不但用于换相控制还用于产生速度控制量每个霍尔传感器都会产生1 8 0 度脉宽的输入信号，三个霍尔传感器输出信号互差1 2 0 度相位这样在每个机械转中有6 个上升或者下降沿，对应6 个换向时刻通过将D S P 设置为双沿出发捕捉中断就可以获得这6 个时刻通过将D S P 的捕捉口C A P l 一C A P 3 设置为i ／o 口、并检测该口的电平状态就得到霍尔传感器触发的捕捉中断其捕捉口的电平状态称为换相控制字，做出换向控制字表就能准确的得到正确的换相信息每个机械转有6 次换相，每转过6 0 度都有一次换相，测得两次换相的时间间隔t ，得：u = 6 0 ／t两次换相的时间间隔t 可以通过捕捉中断发生时读定时器2 的T 2 C N T 寄存器的值来获得5 结束语根据此方法能够实现T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S P 对三相无刷直流电动机的准确控制，实现了对智能轮椅底层驱动电路的设计和编程，具体的试验过程正在进行中希望可以早日造福残疾人参考文献第一届北京国际康复医学论坛论文集1 ．薛迎成，潘俊民，潘志杨．基于D S P 永磁无刷直流电动机位置伺服系统．上海：上海交通大学．2 0 0 2 ．2 ．清源科技，T M S 3 2 0 L F 2 4 0 xD S P 应用程序设计教程[ M ] ．北京：机械工业出版社，2 0 0 3 ．3 ．张东亮，常宏敏，田新城等．无刷直流伺服电机的D S P 全数字控制系统的研究，山东大学学报．2 0 0 2 年1 0 月第3 2 卷第5 期．4 ．[ 日] 见城尚志，永守重信等．陈忠等译．直流伺服电动机．上海科学技术文献出版社，1 9 8 6 ．2 3 5。