基于STM32,的电动辅助轮椅运动控制系统设计
时间：2023-04-16 09:45:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
胡睿，蒋全
（上海理工大学机械工程学院电气系，上海 200093）
当前，随着社会医疗水平和经济状况的提升，我国人口的平均寿命得到明显的提升。但是我国老年人的健康状况并不乐观，只有约三成老年人健康状况较好[1]，截止到2019 年，至少有2 800 万60 岁以上的老年人因为下肢功能问题导致出行不便[2]，使得轮椅需求量显著增加。
随着电子科技的发展，很多研究单位以及厂商都推出了电动轮椅，为老年残疾人士提供更好的出行体验[3]。文献[4]设计了一款用户可以自己使用操纵杆完成移动操作的电动轮椅车。文献[5]提出了一款基于脑电波控制的智能轮椅，同时该轮椅还拥有语音控制等功能。上述文献中的电动轮椅车控制方法，能够满足不同人群的要求，但往往都需要乘坐者自行使用控制器对轮椅车进行控制，某些丧失了基本控制能力和意识的人群使用该类产品时会比较困难，而基于生理信号方案的传感器以及控制系统的商用落地成本也较为高昂。针对此类问题，文中提出了一款以手柄推力为控制信号的电动轮椅车，以达到辅助推行者推力的效果，该电动轮椅车的驱动电机使用无刷直流电机，整车成本也较低。
对比有刷电机，无刷直流电机拥有诸多优点，比如体积较小、结构简单，使得安装布局更加容易，也使得自身输出的功率密度较大，配合合适的控制方法可以输出足够大的转矩，拥有优良的动态性能[6-7]。考虑到驱动轮椅车需要良好的转速以及负载特性，经过技术选型，文中系统采用装有霍尔传感器的无刷直流电机作为驱动电机。
1.1 无刷直流电机数学模型
由无刷直流电机的特性可知，其自身是复杂的非线性系统，直接建立数学模型去描述其运行特性会提升建模的复杂度。所以为了方便地进行模型分析，对模型作出一定的假设，忽略如电枢反应和齿槽效应等物理量的干扰[8]。
参考电机等效电路后可以得到电机在平稳转动时各相绕组电压平衡方程为[9]（使用静止坐标系）：
式中，ua、ub、uc为三相定子绕组电压，ia、ib、ic为三相定子电流，Ψabc为定子三相磁链。
将定子电压值变换到dq轴坐标系下，可得dq轴定子电压方程：
式中，ud、uq,id、iq,Ψd、Ψq分别为旋转坐标系下dq轴上的电压、电流以及磁链分量。
定子磁链方程为：
式中，Ld、Lq分别为d轴和q轴电感，Ψf为永磁体磁链。
电机的电磁转矩方程为：
式中，p为电机极对数。由公式可知，电磁转矩由主电磁转矩Ψfiq和磁阻转矩组成，其中主电磁转矩是电枢电流和永磁磁链相互作用产生的，而磁阻转矩取决于Ld、Lq的关系，对于文中使用的隐极式电机而言，有Ld=Lq，故没有磁阻转矩部分。
1.2 BLDC矢量控制
为了得到更好的控制性能，设计的系统采用矢量控制的方式驱动电机，通过坐标变换、解耦变量的方式简化控制变量。首先，将在三相静止坐标系下的定子交流电流ia、ib、ic通过Clark 变换得到静止坐标系下的交流电流iα、iβ，再将这两项通过Park 变换得到同步旋转坐标系下的直流电流id、iq。使用上述变换方式即可将交流电机数学模型等效地变换到同步坐标系，就可以在数学模型上被等效地视作他励直流电机[10]。
通过他励直流电机的数学模型可以得知，在空间方向上，电枢电流与励磁磁场是互相垂直的，而电枢电流几乎全部用于产生电磁转矩，这样就可以对电机磁链和转矩分别进行控制。同理，对于交流电机，通过调节坐标变换后得到的d轴电流和q轴电流，可以分别对交流电机的电机转矩与磁链进行控制，从而实现对转矩和磁链的解耦[9]。
在该系统中，使用的无刷直流电机为隐极式电机，为了使电机在基速以下获得最大转矩，直接令d轴电流id恒等于零，从而使定子电流中只含有交轴分量，使得在空间中转子磁动势和定子磁动势的矢量方向互相垂直。经过仿真与实验，该控制方法的转矩曲线和调速性能都能很好地满足驱动电机的要求。
图1 为矢量控制系统的框图，该系统包含一个转速外环和一个电流内环。电机内安装了三相霍尔传感器，以提供离散的转子位置信号。通过计算可以得到实时的转子转速n以及离散的转子位置角度θ。计算得到转子转速后，与转速外环给定的转速值nr（该系统通过控制手柄信号转换后给定）进行比较后作为系统中转速外环PI 调节器的输入，而外环的输出则送至电流内环调节器作为输入q轴的电流[11]。
图1 矢量控制系统框图
电机的三相电流通过驱动电路中的电流传感器采集，得到三相静止坐标系电流后，经过坐标变换可以得到d、q轴电流。令d轴电流为零，而q轴电流与给定值比较后送入电流内环，经过PI 调节后得到的d、q轴电压ud、uq，再经过反变换得到电压矢量值uα、uβ，并最终送入SVPWM 模块，SVPWM 模块输出三相六路控制信号，达到对电机的矢量控制要求[12-13]。
该系统旨在使用一对控制手柄作为信号输入控制单元，使用者推动手柄控制轮椅车的两轮电机转速，使两轮转动配合完成轮椅的前进、后退以及转弯功能。手柄控制单元使用了电阻式传感器，产生控制信号经过RS485 协议送至MCU，起到控制作用，轮椅车轮上安装了一对无刷直流电机作为驱动电机，电机内部装有霍尔传感器。
考虑到矢量控制的驱动原理，控制电路需要采集霍尔传感器输出的三相霍尔信号，得到电机转动信息，MCU 输出开关信号至驱动芯片，此外，还需要一定的外围电路用于电流检测以及提供稳定电压的功能。考虑以上要求后，文中围绕STM32F103 芯片拥有的外设资源进行了整体电路设计。
2.1 霍尔信号输入电路
电机的内部等间距地安装了三相开关式霍尔传感器，电机转子旋转时会输出不停变化的高低电平信号，标示着电机转子的相位。
图2 为霍尔传感器信号采集电路，三相霍尔信号接入MCU 前需要经过滤波电路滤除高次谐波。
图2 霍尔信号采集电路
2.2 逆变桥驱动电路
MCU 输出的驱动信号一般为3.3 V 的低压低功率信号，需要通过逆变驱动器提高其功率，并完成系统驱动侧与控制侧的隔离。驱动器选择高速高压功率驱动器IR2101S，该驱动器采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了电路对功率器件的控制要求，此外，芯片的欠压保护以及过流保护功能也使驱动电路的稳定性进一步提高[14]。图3 中，电路左侧输入为MCU 的定时器比较输出通道PWM 波，右侧输出控制信号至电机控制逆变桥。经过软件控制，令驱动电路中的6 个MOS 管开关器件有序通断就可以得到所需要的交流电压矢量[15]。
图3 逆变驱动电路
2.3 电流采集电路
电流采集电路通过一个运放对采集到的相电流进行放大，再送到MCU 的ADC 采集通道中，经过芯片内部计算得到实际的电流值[13]。图4 中右侧为采集到的左电机V相电流值经过一个采样电阻R5得到的电压值。采集到的相电流信号在经过MCU 计算后得到相电流的真实值，用于电流闭环控制功能，此外，相电流达到预设最大值时，程序也会控制关闭所有开关管并停止运行。
图4 电流采集电路
2.4 控制信号输入电路
考虑到系统控制信号的兼容性和未来功能的扩展需要，设计的系统中使用RS485 通信协议与手柄控制器进行通信，RS485 协议作为一种半双工通信协议，具有抗干扰能力强的优势，在远距离传输信号亦能获得不错的传输性能。RS485 协议需要用到两条通信线传输数据信号，一个时刻完成一个方向的信息传输，很好地符合了系统的需要。
如图5 所示，信号输入电路使用SP485R 芯片将MCU 管脚输出的TTL 电平信号转换成为RS485 电平信号输出。芯片的RE 和DE 都接到MCU 设定好的GPIO 口上，可以通过软件来控制SP3485 的功能。当GPIO 输出低电平时，为接收模式；
当GPIO 输出高电平时，为发送模式。通过控制信号输入电路，作用于手柄上的推拉力信号被转变为控制电信号送入MCU，MCU 根据RS485 协议对采集到的信号进行处理，送入电机的转速环。
图5 RS485信号输入电路
设计的系统基于STM32 的各种外设硬件资源，文中开发了主程序和各个中断子程序。总体上看，手柄输送控制信号给MCU，MCU 负责对驱动电机输出控制信号，完成矢量控制的功能，同时不停地使用ADC 等外设模块采集电机的运行状态信息。
3.1 主程序
程序启动时，在主程序中调用初始化PWM、ADC、USART 等模块的配置函数，完成对各个模块的初始化配置，之后便进入循环，等待各个中断程序触发，完成电机的控制功能[12]。
3.2 自动制动子程序
轮椅在不受推力且停在斜坡上时，可能会因为重力向下滑行，如果患者丧失行动能力，或推行者没有注意到，可能会使患者置于危险之中，所以程序中设置了自动制动功能。
程序在运行过程中，会检测电阻传感器的信号以及霍尔信号，进行综合判断，再在一定的延时后由电机进行制动。
如图6 所示，在系统正常运行时，中断程序会不断采集霍尔传感器信号并计算出转速和加速度，同时与手柄控制信号滤波处理后一同输出至自动制动程序模块。该控制模块会综合判断当前的速度、控制信号值以及加速度计算值，如果当前的速度为零、电阻传感器没有信号且加速度为零，则会进入制动模式抢占中断，停止正常控制流程，防止轮椅车体因为惯性发生滑动并产生危险状况。系统需要电机制动时，先停止输出正常的控制信号，再输出控制信号将电机驱动电路的上桥臂开关管全部打开，下桥臂全部关闭完成制动动作。
图6 制动子程序流程图
3.3 转速和角度估计
为满足系统中转速环以及SVPWM 矢量控制的要求，需要进行转速和角度的估算。由于设计的电机内部等间距地安装了三个霍尔传感器，通过霍尔传感器给MCU 传来的霍尔信号即可获知当前电机转子的角度θ，在一定的时间内采集转子的角度并计算，即可得到当前电机的转速，一般用来计算转速的平均速度法公式如下：
如图7 所示，由于电机控制的时间常数远远小于机械常数，因此该方法假设电机在一个霍尔位置区间内转速不变，通过计算时间差来计算转速值，如此计算得到电机转速的分辨率为60°。但是实际运用过程中，轮椅的驱动电机需要经常进行加减速转动，使用平均速度法估算转子速度和转子角度往往不够精确，需要更高精度的估算转速的方法。
图7 平均速度法估计
如图8 所示，为了提高估算的精度，不再假定电机在一个60°的霍尔位置区间内转速固定，而是引入加速度a，计算公式为：
图8 加速度法估计
该方法在平均加速度法的基础上，对电机在区间内加减速引起的估算误差进行了补偿，减少了误差并提高了转速估计和角度计算的准确性[16]。
如图9 所示，在电机加速时，加速度法估计能够得到较为准确的转子角度以及系统状态估计。
图9 仿真速度估计结果
在实际计算转速程序中，使用两个不同的变量存储i-1 区间的转速ωi-1和i-2 区间的转速ωi-2。在霍尔中断子程序中，先使用ωi-1和ωi-2计算出这两个区间的平均加速度ai-1，再使用i-1 区间的转速加上计算后的加速度得到当前区间的转速ωi，并在中断子程序的末尾更新两个转速变量以便进行下一次转速的计算。
在上文的设计中，一直假设霍尔传感器等间距互差120°地安装在电机的定子圆周上，但是在电机实际生产中，出于安装精度的考虑，往往会导致每相霍尔信号输出角度并非均等的120°，而是如图10 所示出现角度偏差，忽视该误差会使角度估计出现误差，从而导致控制精度下降，使电机输出的转矩出现脉动[16]。
图10 霍尔传感器安装误差
在开始使用电机之前，先对每个霍尔传感器的安装实际角度进行测量。具体方法：在电机扇区换相点的±10°范围内，依次使用矢量SVPWM 强制给定的方式，使电机的转子转动到该角度，与此同时，不断测量当前霍尔传感器的输出信号，直到找到霍尔组合信号值的变换点，此时给定的转子角度就是真实的霍尔区间边界的角度值，在角度以及转速计算时程序自动补偿该角度误差。
3.4 闭环计算程序以及SVPWM矢量输出
设计的系统在普通定时器中断程序中进行转速外环的计算，计算频率设定为2 kHz。转速外环将控制信号经过比例转换后与当前实际转速进行对比，外环的输出经过比例转换为电流量后，送入电流内环计算。电流环计算放到PWM 环节的载波中断程序中，将给定电流与实际电流变换后的值iq进行对比后，变换成uα、uβ输出到SVPWM 模块中。
SVPWM 模块首先根据传来的uα、uβ判断应该输出哪个扇区的矢量，之后需要计算各个基本空间矢量的作用时间。该系统中选取了七段式SVPWM的生成方法，其优点是可以减少功率的损耗，且输出信号的高次谐波含量也较低。通过uα、uβ及SVPWM 算法，可以计算出两个有效矢量T1、T2以及零矢量的作用时间T0。MCU 程序实现上述算法需要进行大量三角函数的计算，为了提高运算速度，程序中使用查正弦值表的方式得到各个三角函数值，此方法先将正弦值以Q 格式存入到数组中，当需要查找某一角度的正弦值时直接查询取值即可[9]。
最后根据开关损耗最小原则，确定各个扇区矢量切换的顺序和切换点的时刻，并按照各电压矢量的作用时间确定各桥臂的占空比。
该设计已经应用于实际产品上，可以可靠地工作。根据如表1 所示的电机参数，系统可以调整驱动参数以满足不同的需求。
表1 驱动电机参数表
在电机带载平稳运行时，使用电流钳在电机的相线上测量，可以得到图11 所示的单相电流波形。
图11 单相电流波形
轮椅车的车身物理参数如表2 所示。该车身可以很好地满足残疾人以及中老年人的乘坐需求。
表2 车身物理参数表
经过测试，得到轮椅车的运行参数如表3 所示。
表3 轮椅车运行参数表
针对当前日益增长的残疾人数量以及其出行需求，文中提出了一种电动辅助轮椅驱动系统，该系统可以帮助人们更方便、省力地推动轮椅出行，引入的自动制动功能较好地提高了轮椅的安全性。经过设计和测试验证，该系统可以长时间可靠地运作，并能够很好地辅助残疾人出行。
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