一种爬楼轮椅研究与设计

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老龄人口与下肢残障人士的与日俱增促进了养老产业与助残产业的迅猛发展,轮椅作为老年人与下肢残疾者不可或缺的助行工具,极大方便了他们的日常出行。然而目前市面上的轮椅极少可以攀爬楼梯,本文给出一类平地爬楼两用的轮椅,并对相关技术进行了研究。  本文首先分析了爬楼轮椅的机械结构,阐述了轮椅攀爬楼梯的原理,介绍了爬楼驱动电机与平地轮毂电机的选型,分析了爬楼机械模块及传动机构的相关参数,给出了爬楼轮椅驱动与控制系统的总体方案。  重点研究了轮椅用无刷直流电机的换相转矩脉动抑制问题,给出了电机运行在非换相区时采用H PWM-L_ ON与H ON-L_PWM分区交替调制的方案,而电机运行在换相区时采用三相配合调制方式,给出换相区三相PWM调制占空比的关系式,并进行了实验验证与分析,提高了爬楼驱动电机的运行平稳性。  介绍了爬楼轮椅系统的平地轮毂电机驱动器及触摸屏的选型,并结合课题组设计的基于TMS320F28335的主控制电路、基于IPM的爬楼电机驱动电路,搭建了爬楼轮椅的硬件系统。  重点设计了爬楼轮椅的软件系统,包括驱动控制模块与人机交互模块。其中驱动控制模块又包括主程序、转子电流检测与ADC转换、捕获中断与逻辑换相、脉宽调制与转矩脉动抑制、转速检测、调速控制等六个部分。人机交互模块主要基于Modbus RTU协议通信,分别从主站触摸屏、从站DSP两个部分进行软件设计。  最后,对硬件电路与软件模块进行测试,包括主控板最小系统、电机与驱动器、触摸屏串口通信、CAN通信模块,并结合轮椅车身与爬楼机械模块对整个系统装置进行调试,给出轮椅爬楼性能的评估,验证了爬楼轮椅运行的可行性。
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