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摘要：电机是电动轮椅的核心部件，电机响应速度的快慢将直接影响着电动轮椅运行的平稳性能。目前电动轮椅主流电机为传统的铁芯电机，运行稳定性较差。根据空心杯电机内部转子结构与传统有刷电机内部转子结构对比，针对两组电机所需能耗的比较以及建立驱动模型证实仿真结果以及相关性能测试来进一步展开空心杯电机应用于电动智能轮椅的研究。
关键词：空心杯电机;转子结构;稳定性;验证
0.引言
智能轮椅是一种通用型助老机械，智能轮椅通过电机带动内部齿轮，使其做出前进、后退、差速转弯、制动等基础动作。文章以空心杯电机应用于电动轮椅的可行性为研究对象，分析空心杯电机的工作与结构原理，通过电学测试验证其能耗低特性，通过推力测试验证其高效性，通过电流监测验证其稳定性。分析表明电机性能对电动轮椅稳定性能有直接影响，根据实验结果提出相应方案，对电动智能轮椅的设计与改良具有参考价值。
1、空心杯电机的结构以及工作原理
空心杯电机转子结构如图1所示，与其他传统的碳刷电机类似，空心杯电机同样采用了围绕转子内部的旋转的转动方式（内转子式碳刷电机）。其转子旋转的原理与其他传统的碳刷电机相同。但是值得注意的一点是，空心杯电动机采用的转子是一个无铁芯的转子。（传统的碳刷电机采用转子的结构详见图2）现在的空心杯碳刷电机最大的主要特点之一就是这个电机转子没有铁芯，转子没有其他部件支撑的结构（全靠线圈和主轴支撑，因此现在的空心杯电机的体积普遍比杯子偏小），完全由线圈与连接板绕制而成，线圈通过三角形的连接板，和通过换向器，主轴绕组链接到一起。线圈、主轴、连接板共同一起组成转子。转子连接板由塑料和环氧树脂两种材料制成，起到固定转子导线以及向磁铁传递转子力矩的重要作用。这个线圈在磁铁和碳刷电机外壳之间的缝隙中旋转，从而直接带动整个碳刷电机转子的旋转。
2、空心杯电机性能测试
2.1空心杯电机节能性验证
实验材料：
2.1.1测试原理：
比较两种电机消耗相同电量所用的时间长短，验证空心杯电机比传统碳刷电机节能的说法。过程：利用电子调速器与转速测量仪来确保测试电机转速恒定。电源保护板与计时器相连，当电池电压跌至3.2伏时，电源保护板自动断开电源，计时器停止计时。电流计确保测试电机消耗电容量相同。
2.1.2测试结果：
2.2 空心杯电机高效性测试
2.2.1测试原理
两种电机以相同功率工作，比较两种电机所产生的推力，进而验证空心杯电机效率高这一理论。实验中，利用恒压电源确保输出电压稳定，电流计能够实时监测电机实时电流以确保两种电机能够以相同且稳定的功率工作。使用相同的螺旋桨，确保所有电机负载相同。
2.2.2 测试结果
3、智能轮椅整体设计
3.1智能轮椅机械结构
智能輪椅机械结构为四轮结构，每个轮配备独立电机组，四路电机组与主控制系统连接。在手动模式下用户可通过控制器直接控制轮椅，半自动模式下用户通过控制器控制的同时传感器将数据传入单片机，由单片机发出信号控制四个电机的转动（顺时针或逆时针旋转），通过齿轮、轴等结构将电机的转动转换为轮椅的运动以达到移动的目的。
电动智能轮椅的主要部件由执行机构、驱动系统、控制系统等装置组成。
3.2技术参数
1、动力系统：8520空心杯电机（由于使用对象质量不同，需要结合行星减速组为轮椅提供足够的扭力以达到带动轮椅的目的。理论推力：85公斤）
2、传感器： 3个（陀螺仪，将实时监测轮椅的姿态，能够自主修正非人为操控出现的偏差; 红外避障，能够监测周边障碍物，是自动驾驶模式的核心部件; 气压计，能够实时监测轮椅所在海拔高度，配合红外传感器使用，防止用户从高处坠落的事故发生。）
传感器的数量将决定着轮椅的智能化强度;由于轮椅体积大小限制，重量限制以及电池续航能力的限制。
4 系统硬件设计
4.1单片机
为了保证良好的操控性，轮椅的主控芯片为stc89c52rc单片机。该芯片是目前高校普遍使用较多的51芯片。在融合了传统51的优点的同时，作为增强型芯片，其运算速度、稳定可靠性比较好。同时，价格便宜，是在多个方案中的最佳选择。
4.2电路及控制
使用高性能聚合物锂离子电池结合稳压模块可以作为单片机电源的输入和提供端。锂电池经过降压模块可以稳定输出5v的电压，供整个单片机系统工作使用。其中，12v模块提供电源给1298模块，为整台电机工作提供动力源。通过7805降压，将12v的转换电压为5v，为整台单片机提供5v的电源。在单片机的制作和调试过程中，测量了在单片机接通整台电机时，7805输入端以及1298输出端的电压波动情况，并在调试中发现，当整台电机完全接通的瞬间，输入端就会出现有一定的电压波动。
为了消除这一高频波动现象，我们可以采用并联大功率平波电容的解决措施。在两个输入端，我们分别并联了两个220uf的电解电容，作为一个平波电容。同时为了有效消除高频的噪声，我们在输入端电解电容旁边增加了104消火花的电容。在输出端，加了10uf的电解电容做平波用。同时加104电容以便于获得更好的输出电源信号波形。
在电路板制作完成后，经过测试，电压波动降低，在可接受范围内。连接电机（8520空心杯电机）启动平稳，没有“咳嗽”现象。
5.结语
通过对理论分析与实验验证，设计了以空心杯电机为驱动单元以stc89c52rc单片机为控制核心的平稳型电动智能轮椅。通过比较有刷空心杯电机与传统有刷电机的电气数据，提出其存在的响应速度慢，起步抖动的问题。空心杯电机的使用有效地解决上述问题。以stc89c52rc单片机为控制核心，增加了机器运行的稳定性。空心杯电机的使用解决了以往传统电动轮椅所存在起步抖动，运行迟钝的问题。最后，空心杯电机造价成本低廉、驱动电路简易。与传统有刷电机相比，空心杯电机体积更为小巧，可生产出更为轻便的电动轮椅，电动轮椅的使用便利性将会得到更大的提升。
参考文献
[1]丁宁新.性能卓越的驱动元件：空心杯电动机[J].中国科技信息，2001（21）：68-68.
[2]崔海大.国外直流空心杯电动机样机分析[J].微特电机，1979（2）：81-81.
[3]郑文纬、吴克坚.东南大学机械学学科组 《机械原理 》.（第七版）高级教育出版社，1996-11
[4]李朝青.《单片机原理 及接口技术》（第3版）.北京航天航空大学出版社，2005-10-1
基金项目：北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目（202011607131）。
作者简介：刘科明（1989-），男，广西贵港，学士，工程师、高级技师，主要从事机械工程和教育教学管理等方面的研究，为本文通讯作者。
（北部湾大学 广西 钦州 535011）
关键词：空心杯电机;转子结构;稳定性;验证
0.引言
智能轮椅是一种通用型助老机械，智能轮椅通过电机带动内部齿轮，使其做出前进、后退、差速转弯、制动等基础动作。文章以空心杯电机应用于电动轮椅的可行性为研究对象，分析空心杯电机的工作与结构原理，通过电学测试验证其能耗低特性，通过推力测试验证其高效性，通过电流监测验证其稳定性。分析表明电机性能对电动轮椅稳定性能有直接影响，根据实验结果提出相应方案，对电动智能轮椅的设计与改良具有参考价值。
1、空心杯电机的结构以及工作原理
空心杯电机转子结构如图1所示，与其他传统的碳刷电机类似，空心杯电机同样采用了围绕转子内部的旋转的转动方式（内转子式碳刷电机）。其转子旋转的原理与其他传统的碳刷电机相同。但是值得注意的一点是，空心杯电动机采用的转子是一个无铁芯的转子。（传统的碳刷电机采用转子的结构详见图2）现在的空心杯碳刷电机最大的主要特点之一就是这个电机转子没有铁芯，转子没有其他部件支撑的结构（全靠线圈和主轴支撑，因此现在的空心杯电机的体积普遍比杯子偏小），完全由线圈与连接板绕制而成，线圈通过三角形的连接板，和通过换向器，主轴绕组链接到一起。线圈、主轴、连接板共同一起组成转子。转子连接板由塑料和环氧树脂两种材料制成，起到固定转子导线以及向磁铁传递转子力矩的重要作用。这个线圈在磁铁和碳刷电机外壳之间的缝隙中旋转，从而直接带动整个碳刷电机转子的旋转。
2、空心杯电机性能测试
2.1空心杯电机节能性验证
实验材料：
2.1.1测试原理：
比较两种电机消耗相同电量所用的时间长短，验证空心杯电机比传统碳刷电机节能的说法。过程：利用电子调速器与转速测量仪来确保测试电机转速恒定。电源保护板与计时器相连，当电池电压跌至3.2伏时，电源保护板自动断开电源，计时器停止计时。电流计确保测试电机消耗电容量相同。
2.1.2测试结果：
2.2 空心杯电机高效性测试
2.2.1测试原理
两种电机以相同功率工作，比较两种电机所产生的推力，进而验证空心杯电机效率高这一理论。实验中，利用恒压电源确保输出电压稳定，电流计能够实时监测电机实时电流以确保两种电机能够以相同且稳定的功率工作。使用相同的螺旋桨，确保所有电机负载相同。
2.2.2 测试结果
3、智能轮椅整体设计
3.1智能轮椅机械结构
智能輪椅机械结构为四轮结构，每个轮配备独立电机组，四路电机组与主控制系统连接。在手动模式下用户可通过控制器直接控制轮椅，半自动模式下用户通过控制器控制的同时传感器将数据传入单片机，由单片机发出信号控制四个电机的转动（顺时针或逆时针旋转），通过齿轮、轴等结构将电机的转动转换为轮椅的运动以达到移动的目的。
电动智能轮椅的主要部件由执行机构、驱动系统、控制系统等装置组成。
3.2技术参数
1、动力系统：8520空心杯电机（由于使用对象质量不同，需要结合行星减速组为轮椅提供足够的扭力以达到带动轮椅的目的。理论推力：85公斤）
2、传感器： 3个（陀螺仪，将实时监测轮椅的姿态，能够自主修正非人为操控出现的偏差; 红外避障，能够监测周边障碍物，是自动驾驶模式的核心部件; 气压计，能够实时监测轮椅所在海拔高度，配合红外传感器使用，防止用户从高处坠落的事故发生。）
传感器的数量将决定着轮椅的智能化强度;由于轮椅体积大小限制，重量限制以及电池续航能力的限制。
4 系统硬件设计
4.1单片机
为了保证良好的操控性，轮椅的主控芯片为stc89c52rc单片机。该芯片是目前高校普遍使用较多的51芯片。在融合了传统51的优点的同时，作为增强型芯片，其运算速度、稳定可靠性比较好。同时，价格便宜，是在多个方案中的最佳选择。
4.2电路及控制
使用高性能聚合物锂离子电池结合稳压模块可以作为单片机电源的输入和提供端。锂电池经过降压模块可以稳定输出5v的电压，供整个单片机系统工作使用。其中，12v模块提供电源给1298模块，为整台电机工作提供动力源。通过7805降压，将12v的转换电压为5v，为整台单片机提供5v的电源。在单片机的制作和调试过程中，测量了在单片机接通整台电机时，7805输入端以及1298输出端的电压波动情况，并在调试中发现，当整台电机完全接通的瞬间，输入端就会出现有一定的电压波动。
为了消除这一高频波动现象，我们可以采用并联大功率平波电容的解决措施。在两个输入端，我们分别并联了两个220uf的电解电容，作为一个平波电容。同时为了有效消除高频的噪声，我们在输入端电解电容旁边增加了104消火花的电容。在输出端，加了10uf的电解电容做平波用。同时加104电容以便于获得更好的输出电源信号波形。
在电路板制作完成后，经过测试，电压波动降低，在可接受范围内。连接电机（8520空心杯电机）启动平稳，没有“咳嗽”现象。
5.结语
通过对理论分析与实验验证，设计了以空心杯电机为驱动单元以stc89c52rc单片机为控制核心的平稳型电动智能轮椅。通过比较有刷空心杯电机与传统有刷电机的电气数据，提出其存在的响应速度慢，起步抖动的问题。空心杯电机的使用有效地解决上述问题。以stc89c52rc单片机为控制核心，增加了机器运行的稳定性。空心杯电机的使用解决了以往传统电动轮椅所存在起步抖动，运行迟钝的问题。最后，空心杯电机造价成本低廉、驱动电路简易。与传统有刷电机相比，空心杯电机体积更为小巧，可生产出更为轻便的电动轮椅，电动轮椅的使用便利性将会得到更大的提升。
参考文献
[1]丁宁新.性能卓越的驱动元件：空心杯电动机[J].中国科技信息，2001（21）：68-68.
[2]崔海大.国外直流空心杯电动机样机分析[J].微特电机，1979（2）：81-81.
[3]郑文纬、吴克坚.东南大学机械学学科组 《机械原理 》.（第七版）高级教育出版社，1996-11
[4]李朝青.《单片机原理 及接口技术》（第3版）.北京航天航空大学出版社，2005-10-1
基金项目：北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目（202011607131）。
作者简介：刘科明（1989-），男，广西贵港，学士，工程师、高级技师，主要从事机械工程和教育教学管理等方面的研究，为本文通讯作者。
（北部湾大学 广西 钦州 535011）