第2章 控制系统设计

2。1驱动及转向系统设计

本次设计所要完成的最重要的动作就是驱动与转向，这个核心系统由驱动电机、减速器、传动装置、控制系统以及电机驱动器组成。

轮椅平稳前进或后退对驱动系统提出了要求，在保证乘坐的安全与舒适的前提下要尽量能大角度范围内灵活地进行转向。 

通过操作控制器来改变直流电机的转速，从而达到调节驱动轮转速及差速转向的目的。这样一来就能便捷地控制轮椅的运动速度和方向的调整。由于市场上售卖的标准直流电机的额定转速大都远髙于轮椅前进时所需要的转速，同时电机额定转矩低下，驱动轮不足以产生克服地面摩擦阻力转动的力，设计时在电机的输出轴连接一个减速器来增大输出转矩、降低输出转速。

确定设计目标后的工作就是构思一个可行的驱动和转向的方案，通过列举分析不同的方案，选出最恰当的结论。

2。2轮椅操控系统方案选择

电动智能轮椅整辆车的结构、行驶效率与性能都与驱动及转向系统有关，系统这方面供我们选择的方案很多，目前市场上的轮椅多是采用后轮驱动的方式，而不同的是转弯的方法，所以大致可以分为两种，即前轮转向和后轮转向。

1。 前轮转向

一个电机通过减速器带动两个后轮来完成轮椅的前进或后退，轮椅的行驶时的速度由这个电机来控制。还有另外一个电机控制两个前轮的偏转，使轮椅能在行进过程中完成转向动作。首先由控制器向电机传送两条同样长的信号，使接收命令的电机旋转事先设置好的角度，同时电机通过齿轮的齿条传动带动驱动前轮实现同步偏转。在前轮偏转轴的侧面与轮椅车架之间安装一个弹簧，这样电机没有输出的情况下，前轮就会回到最开始的位置，完成复位动作。

此方案的优点是驱动系统和转向系统相互独立，因此方向的控制与速度的控制不会相互干涉。本方案的控制系统设计起来较为简便，可轻松达到预想的目的。只需改变输入电机的信号时长來控制前轮偏转角度就可以实现转向，转向精度也相对较高。文献综述

在这方案中轮椅没办法在没有行驶的情况下进行原地转向，并且还有这转向半径大的缺点，所以造成了轮椅的转向灵活性较差。系统结构布局松散臃肿，底部空间占用过大。

2。后轮转向

本方案中使用两个直流电机分别对应驱动两个后轮，通过在plc中设置不同输出电压的方式分别控制左右两边车轮的转速，当两侧后轮等速转动时可实现轮椅直线前进或后退，而当两侧后轮差速转动时，轮椅将向转速低的一侧转动方向。通过plc系统控制两侧后轮的转速差和不等速转动的时长來调整转向角度的大小。转速差越大，不等速转动时长越长，转向的角度也就越大。当一后轮正转，另一后轮反转的时候，轮椅就可以实现原地360°转弯。

本方案采用两个等功率直流电机来驱动，因此需要的电机功率约为方案一的单直流电机驱动时所需要电机功率的一半，电机外形更加迷你，两个等功率直流电机及对应减速器都布置在后轮的轴线上，这样一来就取消了前轮的转向结构，系统的内部结构更为紧凑小巧。但是对电机转速以及转矩的变化范围要求较高，对电机性能的要求也水涨船高。使用后轮转向较为灵活灵活，能够随意调节转向半径及角度。

这个方案同时控制两个后轮的电机的转速和转向，就能让电动轮椅完成前进、后退或转弯。但转向的时候控制系统必须能够实时精准地控制两后轮的不同转速，对控制系统时效性的要求非常高。