張杰權(quán) 蘇廣濱 劉科明 徐玲玲 甘方敏

摘要：電機(jī)是電動輪椅的核心部件，電機(jī)響應(yīng)速度的快慢將直接影響著電動輪椅運行的平穩(wěn)性能。目前電動輪椅主流電機(jī)為傳統(tǒng)的鐵芯電機(jī)，運行穩(wěn)定性較差。根據(jù)空心杯電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)有刷電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比，針對兩組電機(jī)所需能耗的比較以及建立驅(qū)動模型證實仿真結(jié)果以及相關(guān)性能測試來進(jìn)一步展開空心杯電機(jī)應(yīng)用于電動智能輪椅的研究。

關(guān)鍵詞：空心杯電機(jī);轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性;驗證

0.引言

智能輪椅是一種通用型助老機(jī)械，智能輪椅通過電機(jī)帶動內(nèi)部齒輪，使其做出前進(jìn)、后退、差速轉(zhuǎn)彎、制動等基礎(chǔ)動作。文章以空心杯電機(jī)應(yīng)用于電動輪椅的可行性為研究對象，分析空心杯電機(jī)的工作與結(jié)構(gòu)原理，通過電學(xué)測試驗證其能耗低特性，通過推力測試驗證其高效性，通過電流監(jiān)測驗證其穩(wěn)定性。分析表明電機(jī)性能對電動輪椅穩(wěn)定性能有直接影響，根據(jù)實驗結(jié)果提出相應(yīng)方案，對電動智能輪椅的設(shè)計與改良具有參考價值。

1、空心杯電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及工作原理

空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示，與其他傳統(tǒng)的碳刷電機(jī)類似，空心杯電機(jī)同樣采用了圍繞轉(zhuǎn)子內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動方式（內(nèi)轉(zhuǎn)子式碳刷電機(jī)）。其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的原理與其他傳統(tǒng)的碳刷電機(jī)相同。但是值得注意的一點是，空心杯電動機(jī)采用的轉(zhuǎn)子是一個無鐵芯的轉(zhuǎn)子。（傳統(tǒng)的碳刷電機(jī)采用轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)詳見圖2）現(xiàn)在的空心杯碳刷電機(jī)最大的主要特點之一就是這個電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有鐵芯，轉(zhuǎn)子沒有其他部件支撐的結(jié)構(gòu)（全靠線圈和主軸支撐，因此現(xiàn)在的空心杯電機(jī)的體積普遍比杯子偏?。?，完全由線圈與連接板繞制而成，線圈通過三角形的連接板，和通過換向器，主軸繞組鏈接到一起。線圈、主軸、連接板共同一起組成轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子連接板由塑料和環(huán)氧樹脂兩種材料制成，起到固定轉(zhuǎn)子導(dǎo)線以及向磁鐵傳遞轉(zhuǎn)子力矩的重要作用。這個線圈在磁鐵和碳刷電機(jī)外殼之間的縫隙中旋轉(zhuǎn)，從而直接帶動整個碳刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

2、空心杯電機(jī)性能測試

2.1空心杯電機(jī)節(jié)能性驗證

實驗材料：

2.1.1測試原理：

比較兩種電機(jī)消耗相同電量所用的時間長短，驗證空心杯電機(jī)比傳統(tǒng)碳刷電機(jī)節(jié)能的說法。過程：利用電子調(diào)速器與轉(zhuǎn)速測量儀來確保測試電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。電源保護(hù)板與計時器相連，當(dāng)電池電壓跌至3.2伏時，電源保護(hù)板自動斷開電源，計時器停止計時。電流計確保測試電機(jī)消耗電容量相同。

2.1.2測試結(jié)果：

2.2 空心杯電機(jī)高效性測試

2.2.1測試原理

兩種電機(jī)以相同功率工作，比較兩種電機(jī)所產(chǎn)生的推力，進(jìn)而驗證空心杯電機(jī)效率高這一理論。實驗中，利用恒壓電源確保輸出電壓穩(wěn)定，電流計能夠?qū)崟r監(jiān)測電機(jī)實時電流以確保兩種電機(jī)能夠以相同且穩(wěn)定的功率工作。使用相同的螺旋槳，確保所有電機(jī)負(fù)載相同。

2.2.2 測試結(jié)果

3、智能輪椅整體設(shè)計

3.1智能輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)

智能輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)為四輪結(jié)構(gòu)，每個輪配備獨立電機(jī)組，四路電機(jī)組與主控制系統(tǒng)連接。在手動模式下用戶可通過控制器直接控制輪椅，半自動模式下用戶通過控制器控制的同時傳感器將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)出信號控制四個電機(jī)的轉(zhuǎn)動（順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)），通過齒輪、軸等結(jié)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為輪椅的運動以達(dá)到移動的目的。

電動智能輪椅的主要部件由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等裝置組成。

3.2技術(shù)參數(shù)

1、動力系統(tǒng)：8520空心杯電機(jī)（由于使用對象質(zhì)量不同，需要結(jié)合行星減速組為輪椅提供足夠的扭力以達(dá)到帶動輪椅的目的。理論推力：85公斤）

2、傳感器： 3個（陀螺儀，將實時監(jiān)測輪椅的姿態(tài)，能夠自主修正非人為操控出現(xiàn)的偏差; 紅外避障，能夠監(jiān)測周邊障礙物，是自動駕駛模式的核心部件; 氣壓計，能夠?qū)崟r監(jiān)測輪椅所在海拔高度，配合紅外傳感器使用，防止用戶從高處墜落的事故發(fā)生。）

傳感器的數(shù)量將決定著輪椅的智能化強(qiáng)度;由于輪椅體積大小限制，重量限制以及電池續(xù)航能力的限制。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1單片機(jī)

為了保證良好的操控性，輪椅的主控芯片為stc89c52rc單片機(jī)。該芯片是目前高校普遍使用較多的51芯片。在融合了傳統(tǒng)51的優(yōu)點的同時，作為增強(qiáng)型芯片，其運算速度、穩(wěn)定可靠性比較好。同時，價格便宜，是在多個方案中的最佳選擇。

4.2電路及控制

使用高性能聚合物鋰離子電池結(jié)合穩(wěn)壓模塊可以作為單片機(jī)電源的輸入和提供端。鋰電池經(jīng)過降壓模塊可以穩(wěn)定輸出5v的電壓，供整個單片機(jī)系統(tǒng)工作使用。其中，12v模塊提供電源給1298模塊，為整臺電機(jī)工作提供動力源。通過7805降壓，將12v的轉(zhuǎn)換電壓為5v，為整臺單片機(jī)提供5v的電源。在單片機(jī)的制作和調(diào)試過程中，測量了在單片機(jī)接通整臺電機(jī)時，7805輸入端以及1298輸出端的電壓波動情況，并在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)整臺電機(jī)完全接通的瞬間，輸入端就會出現(xiàn)有一定的電壓波動。

為了消除這一高頻波動現(xiàn)象，我們可以采用并聯(lián)大功率平波電容的解決措施。在兩個輸入端，我們分別并聯(lián)了兩個220uf的電解電容，作為一個平波電容。同時為了有效消除高頻的噪聲，我們在輸入端電解電容旁邊增加了104消火花的電容。在輸出端，加了10uf的電解電容做平波用。同時加104電容以便于獲得更好的輸出電源信號波形。

在電路板制作完成后，經(jīng)過測試，電壓波動降低，在可接受范圍內(nèi)。連接電機(jī)（8520空心杯電機(jī)）啟動平穩(wěn)，沒有“咳嗽”現(xiàn)象。

5.結(jié)語

通過對理論分析與實驗驗證，設(shè)計了以空心杯電機(jī)為驅(qū)動單元以stc89c52rc單片機(jī)為控制核心的平穩(wěn)型電動智能輪椅。通過比較有刷空心杯電機(jī)與傳統(tǒng)有刷電機(jī)的電氣數(shù)據(jù)，提出其存在的響應(yīng)速度慢，起步抖動的問題。空心杯電機(jī)的使用有效地解決上述問題。以stc89c52rc單片機(jī)為控制核心，增加了機(jī)器運行的穩(wěn)定性?？招谋姍C(jī)的使用解決了以往傳統(tǒng)電動輪椅所存在起步抖動，運行遲鈍的問題。最后，空心杯電機(jī)造價成本低廉、驅(qū)動電路簡易。與傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比，空心杯電機(jī)體積更為小巧，可生產(chǎn)出更為輕便的電動輪椅，電動輪椅的使用便利性將會得到更大的提升。

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基金項目：北部灣大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（202011607131）。

作者簡介：劉科明（1989-），男，廣西貴港，學(xué)士，工程師、高級技師，主要從事機(jī)械工程和教育教學(xué)管理等方面的研究，為本文通訊作者。

（北部灣大學(xué)?廣西?欽州?535011）