基于dSPACE的平地—楼梯两用助行装置控制系统的设计

摘要

随着社会老龄化进程的加快以及肢体残障人数的增加，服务于行动不便人士的助行装置成为了国内外学者研究的重点。我国作为全球人口大国，对助行装置的需求更为迫切。然而，国内的普通助行装置功能单一，不能实现攀爬楼梯的功能;国外的可爬楼梯装置，价格昂贵，让普通消费者望而却步。因此，本文给出了一种性价比较高的平地-楼梯两用助行装置方案，并设计了相应的控制系统。
　　首先，本文对平地-楼梯两用助行装置系统进行了总体分析。主要包括助行装置的整体结构介绍、助行装置各项结构参数的分析、助行装置重心波动的计算以及助行装置驱动控制系统原理的阐述。
　　其次，对助行装置的驱动控制系统进行了建模与仿真。采用模块化思想，基于Matlab/Simulink软件对驱动控制系统中的无刷直流电机调速系统进行设计。其中转速控制器的设计分别运用了PID控制和模糊PID控制两种算法。通过对调速系统的仿真与调试，得到电机调速系统性能指标的仿真曲线。通过对各性能参数曲线的分析，说明了模糊PID控制算法可以去的更好的电机转速控制效果。
　　接着，从硬件和软件两方面介绍了半实物仿真平台dSPACE。基于dSPACE平台，采用模糊PID控制算法，编写驱动电机的转速控制程序。编写过程中分模块进行分析设计，完成电机转速控制的调试工作，并对实验数据进行了分析。
　　最后，基于dSPACE平台，以平地-楼梯两用助行装置为对象，编写调试程序，对其在不同环境、不同运行状态下的运行状态进行调试。通过对电机转速、HALL三相信号、端电压信号和PWM导通情况等方面的分析，对助行装置的性能进行综合评估，验证助行装置的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 爬楼轮椅国内外研究现状

1．2．1 爬楼轮椅主要分类及特点

1．2．2 爬楼轮椅的控制器设计研究现状简析

1．2．3 爬楼轮椅的发展趋势

1．3 本课题的研究内容与结构安排

2 平地-楼梯两用助行装置系统分析

2．1 平地-楼梯两用助行装置的结构分析

2．2 平地-楼梯两用助行装置的参数分析

2．3 助行装置重心波动分析

2．4 平地-楼梯两用助行装置驱动控制系统分析

2．5 本章小结

3 驱动控制系统的建模与仿真

3．1 驱动电机的建模

3．1．1 驱动电机的数学模型

3．1．2 驱动电机负载转矩的估算

3．1．3 驱动电机的Simulink建模

3．2 驱动电机调速系统的建立

3．2．1 驱动电机模块

3．2．2 参考电流给定模块

3．2．3 电流滞环调节器模块

3．2．4 电压逆变器模块

3．3 转速调节器算法设计

3．3．1 PID控制策略研究

3．3．2 模糊PID控制策略研究

3．3．3 仿真结果分析

3．4 本章小结

4 基于dSPACE平台的助行装置驱动控制系统设计

4．1 dSPACE半实物仿真平台的简介

4．1．1 dSPACE硬件系统简介

4．1．2 dSPACE软件系统简介

4．2 dSPACE控制系统的开发过程

4．2．1 实时仿真

4．2．2 基于dSPACE平台的开发过程

4．3 基于dSPACE平台的驱动电机控制

4．3．1 控制方案介绍

4．3．2 控制器模块的设计

4．3．3 占空比限幅模块的设计

4．3．4 PWM信号输出模块的设计

4．3．5 dSPACE接口模块的设计

4．3．6 转速计算模块的设计

4．4 实验结果分析

4．4．1 开环运行

4．4．2 闭环运行

4．5 本章小结

5 平地-楼梯两用助行装置的调试

5．1 助行装置硬件驱动系统简介

5．1．1 助行装置的供电电池

5．1．2 助行装置的操纵杆电路板

5．1．3 助行装置的控制器

5．1．4 平地电机驱动器

5．2 助行装置的整体调试

5．2．1 助行装置平地行走调试结果

5．2．2 助行装置爬楼行走调试结果

5．3 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献