電動輪椅車的plc編程控制器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種電動輪椅車的PLC編程控制器，包括功率控制電路和數字操作、顯示控制電路。功率控制電路包括微處理器DSP、邏輯處理電路、功率驅動電路、電機、電流電壓檢測電路塊一、電子語音報警和故障檢測電路；數字操作、顯示控制電路包括單片機、手柄操縱桿及處理電路，楊聲器I/O模塊、按鍵I/O模塊、液晶顯示器、通訊模塊二。本發明采用MOS管進行方向切換，無觸點，安全可靠，壽命長，效率高。采用反電動勢測量電機轉速，優點是測量速度快，且結構簡單，無需維護。本發明使用MOS管內阻做為電流取樣電阻，無需外加取樣電阻，減少發熱，提高了檢測速度。采用數字方式進行傳輸，線路簡單，且準確。
【專利說明】電動輪椅車的PLC編程控制器
【技術領域】
[0001]本發明屬于電動輪椅車領域，涉及一種電動輪椅車的PLC編程控制器。
【背景技術】
[0002]我們國家非常重視發展，老年人和殘疾人事業。關心老年人和殘疾人生活水平的 提高，促進和諧社會發展。電動輪椅車是以電池為原動力，符合我國環保要求，屬綠色環 保產品。電動輪椅車可分為室內室外在普通道路上遠距離行駛的電動車輛，其特點要求 與普通手動輪椅車特性相同，區別由電力驅動，技術要求在國家標準GB/T12996-91中已 明確規定了各項技術指標。電動輪椅車特點:由雙電機動力驅動，要求輪椅車可實現走直 線，左右轉向，前進后退，原地360°C旋轉,爬坡、坡上駐停、原地起步等特點，可以想像比現 有電動自行車特性要復雜的多，其技術含量較高，對控制系統提出很高的性能指標，以滿 足GB/T12996-91國家標準中指出的各項技術指標的要求。目前市場上電動輪椅車主要以 進口為主，其中、德國、美國、日本、韓國等，但銷售價格非常昂貴同時也存在不同的技術缺 陷。現有國產電動輪椅車，因國產電機轉速誤差在10 %左右，導致電機轉速不同，噪音較 大，控制系統故障率高故生產的電動輪椅車不能滿足標準要求，市場認可度低。專利號為 ZL200630260094.1的“電動輪椅控制器”，采用單片機集成線路，數據采集采用光電傳感器 測量電機轉速，需2000KHZ即2MHZ，3000轉/分，即50轉/秒采集速度。目前國內測量電機 轉速均采用光電電磁編碼器，電磁編碼器頻率需要達到2MHZ ;電機轉速達到3000轉/分， 需40K即每圈4萬個脈沖，制造光電數碼盤難度大、精度難以保證。本發明是在原專利基礎 上研發的新產品。

【發明內容】

[0003]本發明所要解決的問題在于，克服現有技術的不足，提供一種電輪椅車的PLC編 程控制器，采用無傳感器法，測量電機轉速，每秒測量速度為20K次，其精度為I %，與PWM同 頻測速。
[0004]本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的:
[0005]依據本發明提供的一種電動輪椅車的PLC編程控制器。電動輪椅車的PLC編程控 制器，由功率控制電路和數字操作、顯示電路組成。所述的功率控制電路包括微處理器DSP、 邏輯處理電路、功率驅動電路、電機、電流電壓檢測電路、通訊模塊一、電子語音報警和故障 檢測電路，微處理器DSP的輸出順序連接邏輯處理電路、功率驅動電路和電機；所述的數字 操作、顯示控制電路包括單片機、手柄操縱桿及處理電路(剎車桿處理電路)，楊聲器I/O操 作模塊、按鍵I/O操作模塊、液晶顯示器和通訊模塊二。
[0006]系統運行時，由單片機采集手柄操縱桿，，和按鍵I/O的數據，通過SCI通訊模塊將 信號輸入給微處理器DSP，DSP接受X軸和Y軸電壓輸入后輸化成PWM輸出，經邏輯電路、功 率驅動電路放大后送給2臺直流電機，帶動輪椅運行，實現前進、后退、左轉、右轉功能，同 時DSP的A/D模塊采集、檢測電機的電壓、電流信號，形成電壓閉環控制、電流補償及過電流保護。
[0007]本發明解決其技術問題是采取以下技術方案進一步實現:
[0008]前述的功率驅動電路(PM0S驅動電路)包括:
[0009]Vh、Vl分別是低端和高端電源，但Vh應大于VI。Ql、Q2組成了一個反置圖騰柱， 用來隔離和確保兩只驅動管不會同時導通。R2、R3提供了 PWM電壓基準，通過改變這個基 準，可以讓電路工作，使得PWM信號波形處于較陡直的位置。Q3、Q4提供驅動電流，在導通 Q3、Q4時，相對Vh、GND有一個約0.3V Vce壓降，大大低于0.7的Vce，R5、R6是反饋電阻， 用于對gate電壓進行采樣，采樣后的電壓通過Q5對Q1、Q2的基極產生負反饋，從而把gate 電壓限制在有限數值上。此數值由R5、R6來調節。Rl提供了對Q3、Q4自基極電流限制，R4 提供了 MOS管的ga te電流限制即對Q3、Q4的Ice限制，有時可以在R4上并聯一個加速電 容。
[0010]前述的PWM信號轉換和功率驅動電路包括:
[0011]驅動電路是連接控制器與電機的橋粱。電路中DSP2407A連接了 2臺直流電機。功 率驅動部分由藕合器TLP521，反向驅動芯片HEF4069組成。反向驅動芯片HEF4069由12V 電源供電，主要起增大PWM驅動功率的作用，由于HEF4069內部具有MOSFET的核心結構，所 以能提高電機的驅動功率，HEF4069的輸入來自光電藕合器TLP521，TLP521輸出的PWM經 過HEF4069反向和功率增大后接至MOS功率管IRF540門控端，用來控制IRF540通斷。從 DSP出來的每一個PWM信號都接到兩個反向單元上去，這兩個反向單元并聯連接，這樣既可 以增大IRF540門控端的驅動功率又提高了電動輪椅的可靠性。
[0012]前述的剎車控制電路和故障檢測電路包括:
[0013]控制器設計增加了剎車控制電路和車閘故障檢測功能，這樣緩解了產品的抗沖擊 能力，使行使制動滑行距離低于1.1m,制動平穩。當輪椅運行時，程序絡DSP的10PB3引腳輸 出高電平信號，10PB3的引腳電平通過MC1413變為低電平，由1413Y3引腳輸出到繼電器的 控制端，繼電器接通24V，功率母線和剎車電路都供電了，隨即DSP也會在I/O引腳BREAK 上輸出高電平信號到到IRFR120，IRFR120導通，電機剎車通電，車閘松開；當控制器剎車 時，洽BREAK引腳輸出低電平信號關斷IRFR120。
[0014]車閘故障檢測功能:當IRFR120關斷而繼電器導通時，若車閘無故障DSP的10PB6 引腳上是商電平信號，如果是低電平，說明車閘有故障或電纜沒接好，這在初始化檢測時非 常有用。二極管D204是保護電源和繼電器的，由于輪椅電機剎車是感性元件，突然關斷或 導通都會有很大的電壓脈沖，二極管D204可以保證控制器的電源和繼電器不受影響，當 IRFR120關斷時，為了讓剎車電感中存儲的能量迅速耗光，設置了 D207。前述的電子語音報 警電路包括:
[0015]增加了輪椅電子語音報警系統，當電池電量不足、輪椅出現故障、或使用者操作不 當時，報警系統會自動提示。DSP的10PC7引腳平時被拉高，當按鍵按下時10PC7就為低， 當DSP檢測到該引腳為低電平時就給10PA4引腳輸出高電平，使得NPN三極管QlOO導通， 從而有電流流過揚聲器LS100，揚聲器便發出聲音。當控制器故障報警時，也給10PA4，引腳 輸出高電平使得三極管導通。二極管D105為反向保護二極管，防止由于反向電脈沖損壞揚 聲器。R113是限流電阻，阻值不宜太大，取300歐姆；R112為上拉電阻，根據DSP IO引腳電 器氣特性，取IOk可滿足電流要求。[0016]本發明與現有技術相比具有顯著的優點和有益效果:
[0017]由于本發明采用MOS管進行方向切換，無觸點，安全可靠，壽命長，效率高。本發明使用反電動勢測量電機轉速，優點是測量速度快，且結構簡單，無需維護。本發明使用MOS 管內阻做為電流取樣電阻，無需外加取樣電阻，減少發熱，提高了檢測速度。本發明使用數字方式進行傳輸，線路簡單，且準確。
[0018]本發明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為電動輪椅結構原理框圖；
[0020]圖2為PMOS驅動電路圖；
[0021 ] 圖3為PWM信號轉換和功率驅動電路圖；
[0022]圖4為剎車控制電路和車閘故障檢測電路圖；
[0023]圖5為電子語音報警、喇叭按鍵和揚聲器電路圖；
[0024]圖6為電動輪椅整體連接框圖。
【具體實施方式】
[0025]以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提供的【具體實施方式】、結構、特征及其功效，詳細說明如后。
[0026]如圖1所示，一種電動輪椅車的PLC編程控制器，由兩個模塊組成。一是功率驅動與控制電路:主要包括微處理器DSP、邏輯處理電路、功率驅動電路、電機、電流電壓檢測電路、通訊模塊一、電子語音和報警故障檢測電路組成。微處理器DSP采用TMS320LF2400， 微處理器DSP順序連接邏輯處理電路、功率驅動電路和電機；二是數字操作、顯示及控制電路:包括單片機、手柄控制桿及處理電路，楊聲器I/O操作模塊、按鍵I/O操作模塊、液晶顯示器，通訊模塊二，單片機采用PIC18F452。
[0027]系統運行時，由單片機PIC18F452采集手柄操縱桿和按鍵I/O的數據，通過SCI通訊模塊將信號輸入給DSP TMS320LF2400。DSP接受X軸和Y軸電壓輸入后轉化成PWM輸出，經邏輯電路、功率驅動電路放大后送給2臺直流電機，帶動輪椅運行，實現前進、后退、 左轉、右轉功能，同時DSP的A/D模塊采集電機的電壓、電流信號，形成了電壓閉環控制、電流補償及過電流保護。
[0028]如圖2所示，
[0029]電動輪椅控制器采用無傳感器快速測量電機轉速，利用PLC編程及積分器原理設計，快速測量電機轉速，本技術采用反電動勢法，測量電機轉速。直流有刷電機反電動勢與轉速成正比，但電機端電壓包括:E,6= Ek+E F+E M即反電動勢電阻壓降，電感感生電動勢。電阻壓降=Ek= 10R，只是知道I和R即可求得，而[HD ，所以
J E& ，而電流I可通過采樣電阻的壓降求得1 = ^*，這里
的采樣電阻為M°S內阻。Vl和Vh分別是低端和高端電源，但Vh應大于VI。Q1、Q2組成了一個反置圖騰柱，用來隔離和確保兩只驅動管不會同時導通。R2、R3提供了 PWM電壓基準， 通過改變這個基準，可以讓電路工作存PWM信號波形此較陡直的位置。Q3、Q4提供驅動電流，在導通時Q3、Q4相對Vh、GND有一個約0.3V Vce壓降，大大低于0.7的Vce、R5、R6是 反饋電阻，用于對gate電壓進行采樣，采樣后的電壓通過Q5對Ql、Q2的基極產生負反饋， 從而把gate電壓限制在有限數值上。此數值由R5、R6來調節。Rl提供了對Q3、Q4自基極 電流限制，R4提供了 MOS管的gate電流限制即對Q3、Q4的Ice限制，有時可以在R4上并 聯一個加速電容。
[0030]如圖3所示，
[0031]通過控制器的設計可實現在同等的輸出功率的基礎上增大扭矩，提高電動輪椅車 爬坡性能，駐坡啟動能力，現市場常見的電動輪椅車只能在8°坡度上駐坡啟動，而自形設 計的控制系統能實現12°坡度上駐坡啟動。
[0032]驅動電路是連接控制器與電機的橋粱。電路中DSP2407A連接了電動機的左右電 機。功率驅動部分由藕合器TLP521，反向驅動芯片HEF4069組成。反向驅動芯片HEF4069 由12V電源供電，主要起增大PWM驅動功率的作用，由于HEF4069內部具有MOSFET的核心 結構，所以能提高電機的驅動功率，J1EF4069的輸入來自光電藕合器TLP521，TLP521輸出的 PWM經過HEF4069反向和功率增大后接至MOS功率管IRF540門控端，用來控制IRF540通 斷。從DSP出來的每一個PWM信號都接到兩個反向單元上去，這兩個反向單元并聯連接，這 樣既可以增大IRF540門控端的驅動功率又提高了電動輪椅的可靠性。
[0033]如圖4所示，
[0034]控制器設計增加了剎車控制電路和車閘故障檢測功能，這樣緩解了產品的抗沖擊 能力，使行使制動滑行距離低于1.lm，制動平穩。當輪椅運行時，程序絡DSP的I 0PB3引腳 輸出高電平信號，10PB3的引腳電平通過MC1413變為低電平，由1413Y3引腳輸出到繼電器 的控制端，繼電器接通24V，功率母線和剎車電路都供電了，隨即DSP也會在I/O引腳BREAK 上輸出高電平信號到到IRFR120，IRFR120導通，電機剎車通電，車閘松開；當控制器剎車 時，洽BREAK引腳輸出低電平信號關斷IRFR120。
[0035]車閘故障檢測功能:當IRFR120關斷而繼電器導通時，若車閘無故障時，DSP的 10PB6引腳上是商電平信號，如果是低電平，說明車閘有故障或電纜沒接好，這在初始化檢 測時非常有用。二極管D204是保護電源和繼電器的，由于輪椅電機剎車是感性元件，突然 關斷或導通都會有很大的電壓脈沖，二極管D204可以保證控制器的電源和繼電器不受影 響，當IRFR120關斷時，為了讓剎車電感中存儲的能量迅速耗光，設置了 D207。如圖5所 示，增加了輪椅電子語音報警系統，當電池電量不足、輪椅出現故障、或使用者操作不當時， 報警系統會自動提示。DSP的10PC7引腳平時被拉高，當按鍵按下時10PC7就為低，當DSP 檢測到該引腳為低電平時就給10PA4引腳輸出高電平，使得NPN三極管QlOO導通，從而有 電流流過揚聲器LS100，揚聲器便發出聲音。當控制器故障報警時，也給10PA4，引腳輸出高 電平使得三極管導通。二極管D105為反向保護二極管，防止由于反向電脈沖損壞揚聲器。 R113是限流電阻，阻值不宜太大，取300歐姆；R112為上拉電陽，根據DSP IO引腳電氣特 性，取IOk可滿足電流要求。
[0036]如圖6所示，由控制器分別連接電機一、電機二、剎車桿和電池。
【權利要求】
1. 一種電動輪椅車的PLC編程控制器，包括功率控制電路和數字操作、顯示控制電路， 其特征在于:所述的功率控制電路包括微處理器DSP、邏輯處理電路、功率驅動電路、電機、 電流電壓檢測電路、通訊模塊一、剎車控制和車閘故障檢測電路，微處理器DSP的輸出順序連接邏輯處理電路、功率驅動電路和電機；所述的數字操作、顯示控制電路包括單片機、電子語音報警、喇叭按鍵及揚聲器電路、手柄操縱桿及處理電路，楊聲器I/O操作模塊、按鍵 I/O操作模塊、液晶顯示器和通訊模塊二。系統運行時，由單片機采集手柄操縱桿，，和按鍵I/O的數據，通過SCI通訊模塊將將號輸入給微處理器DSP，DSP接受X軸和Y軸電壓輸入后輸化成PWM輸出，經邏輯電路、功率驅動電路放大后送給2臺直流電機，帶動輪椅運行，實現前進、后退、左轉、右轉功能，同時DSP 的A/D模塊采集、檢測電機的電壓、電流信號，形成電壓閉環控制、電流補償及過電流保護。
2.根據權利要求1所述的一種電動輪椅車的PLC編程控制器，其特征在于:所述的功率驅動電路既PMOS驅動電路；包括R2、R3提供了 PWM電壓基準，通過改變這個基準，可以讓電路工作，使得PWM信號波形保持在比較陡直的位置。Q3、Q4提供驅動電流，在導通時Q3、 Q4相對Vh、GND有一個約0.3V Vce壓降，大大低于0.7的Nce, R5、R6是反饋電阻，用于對 gate電壓進行采樣，采樣后的電壓通過Q5對Ql、Q2的基極產生負反饋，從而把gate電壓限制在有限數值上。此數值由R5、R6來調節。Rl提供了對Q3、Q4自基極電流限制，R4提供了 MOS管的gate電流限制即對Q3、Q4的Ice限制，有時可以在R4上并聯一個加速電容。
3.根據權利要求1所述的一種電動輪椅車的PLC編程控制器，其特征在于:所述的PWM 信號轉換和功率驅動電路包括:功率驅動部分由藕合器TLP521，反向驅動芯片HEF4069組成。反向驅動芯片HEF4069由12V電源供電，主要起增大PWM驅動功率的作用，由于HEF4069 內部具有MOSFET的核心結構，所以能提高電機的驅動功率，HEF4069的輸入來自光電藕合器TLP521，TLP521輸出的PWM經過HEF4069反向和功率增大后接至MOS功率管IRF540門控端，用來控制IRF540通斷。從DSP出來的每一個PWM信號都接到兩個反向單元上去，這兩個反向單元并聯連接，這樣既可以增大IRF540門控端的驅動功率又提高了電動輪椅的可靠性。
4.根據權利要求1所述的一種電動輪椅車的PLC編程控制器，其特征在于:所述的剎車控制電路和車閘故障障檢測電路包括:當輪椅運行時，程序絡DSP的10PB3引腳輸出高電平信號，T0PB3的引腳電平通過MC1413變為低電平，由1413Y3引腳輸出到繼電器的控制端， 繼電器接通24V，功率母線和剎車電路都供電了，隨即DSP也會在I/O引腳BREAK上輸出高電平信號到到IRFR120，IRFR120導通，電機剎車通電，車閘松開；當控制器剎車時，洽BREAK 引腳輸出低電平信號關斷IRFR120。車閘故障檢測功能:當IRFR120關斷而繼電器導通時，若車閘無故障時，DSP的10PB6 引腳上是商電平信號，如果是低電平，說明車閘有故障或電纜沒接好，這在初始化檢測時非常有用。二極管D204是保護電源和繼電器的，由于輪椅電機剎車是感性元件，突然關斷或導通都會有很大的電壓脈沖，二極管D204可以保證控制器的電源和繼電器不受影響，當 IRFR120關斷時，為了讓剎車電感中存儲的能量迅速耗光，設置了 D207。
5.根據權利要求1所述的一種電動輪椅車的PLC編程控制器,其特征在于:所述的電子語音報警、喇叭按鍵及揚聲器電路包括:當電量不足、輪椅出現故障、或使用者操作不當時，報警系統會自動提示。DSP的10PC7引腳平時被拉高，當按鍵按下時10PC7就為低，當DSP檢測到該引腳為低電平時就給10PA4引腳輸出高電平，使得NPN三極管QlOO導通， 從而有電流流過揚聲器LS100，揚聲器便發出聲音。當控制器故障報警時，也給10PA4，引腳輸出高電平使得三極管導通。二極管D105為反向保護二極管，防止由于反向電脈沖損壞揚聲器。R113是限流電阻，阻值不宜太大，取300歐姆；R112為上拉 電阻，根據DSPIO引腳電氣特性，取IOk可滿足電流要求。
【文檔編號】A61G5/10GK103592885SQ201210290812
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年8月16日 優先權日:2012年8月16日
【發明者】劉安西, 何寶誠 申請人:天津市鑫成新科貿有限公司