无力传感器智能助力轮系统设计

发布时间：2017-04-15 10:06

  本文关键词：无力传感器智能助力轮系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：据第六次全国人口普查数据显示,我国肢体残疾人士与老龄人口(超过60岁)占全国人口总数比例高达16.12%。这些人群面临着出行或者行动不便的困境,由此带来了一系列的社会问题。在此背景下,智能轮椅发展迅速,为肢体残疾与行动不变的老人提供了诸多便利。然而它们价格高昂,核心控制器件需要进口且控制系统安全性与可靠性低,难以得到普及。为了降低成本并保证控制系统可靠性,本文研发了一款应用于手动轮椅的助力设备——智能助力轮。在大量阅读国内外助力设备相关文献的基础上,本文提出了DSP控制芯片+直流无刷电机(BLDCM)的系统总体方案并设计了DSP外围以及相关电路。首先,以应用于手动轮椅的智能助力轮为研究对象,建立并分析了驱动系统的动力学模型。由此,确定了所需电机的功率与扭矩并且搭建了相关实验平台。其次,本文采用模型辨识的方法,通过模型降阶处理、采用低频正弦扫频的方法、并引入自适应卡尔曼滤波辨识算法抑制量测噪声对辨识结果的影响,从而精确地建立了驱动系统的数学模型,并检验了辨识模型的控制性能。再次,控制系统采用了无力传感器自适应模型阻抗助力控制策略(简称FSLAMIPAC)。本文使用经典控制理论分析了FSLAMIPAC算法的助力性能与鲁棒稳定性,揭示了力观测器的鲁棒性限制因素并且提出一个解决低鲁棒性的设计方法。借助MATLAB/simulink对控制架构中的各个模块进行了设计,根据仿真结果选取了最佳控制参数。FSLAMIPAC算法没有使用力传感器仅使用编码器估测外部施加力信息,大幅降低了控制成本。它通过对路面倾斜角度的监测实时修正模型阻抗的大小,以达到自适应助力输出的效果。最后,使用Dspace实验平台对设计的控制系统进行了检验。实验结果表明,电机能够按照助力要求完成输出。
【关键词】：智能助力轮 扭矩模式 系统辨识 力估测 无力传感器
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TH789
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 研究背景以及研究意义10-11
• 1.2 国内外助力设备的研究现状11-15
• 1.2.1 有力/力矩传感器的方案11-14
• 1.2.2 无力/力矩传感器方案14-15
• 1.3 智能助力设备的发展趋势15-16
• 1.4 论文创新点16-17
• 2 系统总体方案设计17-28
• 2.1 智能助力轮的外形设计17-18
• 2.2 系统的整体架构18-19
• 2.3 直流无刷电机19-20
• 2.4 驱动器及接口电路设计20-23
• 2.5 主控芯片及外围电路设计23-27
• 2.5.1 供电电路24
• 2.5.2 时钟振荡电路24-25
• 2.5.3 JTAG接口电路25
• 2.5.4 ADC模数转换电路25-26
• 2.5.5 DAC数模转换电路26
• 2.5.6 eQEP捕获电路26-27
• 2.6 信号转换电路27
• 2.7 本章小结27-28
• 3 智能助力轮驱动系统模型28-43
• 3.1 驱动系统的运动学模型28-30
• 3.1.1 普通轮椅的基本参数28
• 3.1.2 驱动系统运动学模型28-30
• 3.2 实验方案的确定30-32
• 3.2.1 电机参数选择30-31
• 3.2.2 实验平台的搭建31
• 3.2.3 无刷直流电机扭矩模式的调试31-32
• 3.3 驱动系统数学模型的理论推导32-35
• 3.3.1 无刷直流电机工作原理32-34
• 3.3.2 驱动系统机理建模34-35
• 3.4 系统辨识驱动系统数学模型35-39
• 3.4.1 自适应卡尔曼滤波算法36-38
• 3.4.2 DSP28335测速程序的编写38-39
• 3.4.3 模型辨识39
• 3.5 辨识模型控制性能检测39-42
• 3.5.1 实际电机PI控制的阶跃响应40
• 3.5.2 辨识模型PI控制40-41
• 3.5.3 电机与辨识模型同一PI控制的阶跃响应对比41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 4 控制系统的分析与设计43-59
• 4.1 FSLAMIPAC系统架构43-44
• 4.2 传递函数的结构特点44-45
• 4.3 经典反馈控制解析45-47
• 4.4 扰动观测器与力观测器的设计47-49
• 4.4.1 系统带宽设计47
• 4.4.2 状态观测器的校验47-49
• 4.5 自适应模型阻抗助力比的设计与鲁棒性49-51
• 4.6 追踪性能的反馈控制器的设计51-53
• 4.7 仿真实验53-58
• 4.7.1 系统带宽设计的验证54
• 4.7.2 反馈控制器A的对比设计验证54-56
• 4.7.3 仿真实例56-58
• 4.8 本章小结58-59
• 5 基于Dspace实验平台的程序开发与调试59-69
• 5.1 Dspace的结构体系59-61
• 5.1.1 Dspace软件环境59-60
• 5.1.2 Dspace DS1103硬件控制板60-61
• 5.2 Dspace旋转式增量编码器参数调试61-65
• 5.3 Dspace平台上控制系统的C代码生成65-68
• 5.4 本章小结68-69
• 6 总结与展望69-71
• 6.1 结论69
• 6.2 展望69-71
• 附录71-74
• 参考文献74-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果79-80
• 致谢80-81

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 沈久珩;大力测量技术的新进展——附着式超轻型大力传感器[J];中国工程科学;2001年10期

2 张小龙,张为公;轮力传感器及其在汽车道路试验中的应用[J];仪表技术与传感器;2005年01期

3 王志刚,李振加,曲国军;一种新型轨道二维力传感器的研究[J];黑龙江工程学院学报;2005年02期

4 尹瑞多,王宣银,程佳,李强;广义六维力传感器的特点及研究和应用状况[J];液压与气动;2005年10期

5 刘建华;周思跃;;虚拟指尖力传感器的建模与实现[J];机电工程;2007年05期

6 赵延治;赵铁石;温锐;王洪光;;基于结构变形的大型并联六维力传感器精度研究[J];机械设计;2007年09期

7 谢殿煌;姚晓先;彭增辉;;一种评定力传感器真实动态特性的方法[J];现代制造工程;2009年02期

8 刘芳华;倪受东;张弛;;一种新型大刚度高灵敏度的并联六维力传感器设计研究[J];机械设计与制造;2012年01期

9 赵延治;鲁超;赵铁石;;新型并联过约束六维力传感器的仿真计算[J];机械设计与研究;2013年04期

10 李自武;沈运杰;张磊;曹仕国;;力传感器检定和使用中相关问题探讨[J];计测技术;2013年S1期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 沈久珩;;大力测量技术的新进展——附着式大力传感器[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展（下册）[C];1999年

2 高建树;;机电误差互补法在力传感器中的应用[A];2000全国力学量传感器及测试、计量学术交流会论文集[C];2000年

3 杨敏;申飞;;一种大量程六维力传感器标定方法[A];第22届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2013年

4 闫荣格;杨庆新;樊长在;陈海燕;刘福贵;;超磁致伸缩力传感器的研究[A];2005年中国固体科学与新材料学术研讨会专辑[C];2005年

5 陈乐;宋爱国;;三维力传感器的设计[A];2008年江苏省计量测试学术论文集[C];2008年

6 赵玉虎;林明;张鸣雷;蒲浩;吴文凯;;力传感器在离心机平衡检测与保护系统中的应用[A];四川省电子学会传感技术第九届学术年会论文集[C];2005年

7 叶璇;李喜德;;变刚度后屈曲式微力传感器的数值模拟与设计[A];北京力学会第20届学术年会论文集[C];2014年

8 刘意杨;王越超;于鹏;席宁;董再励;;亚μN微力传感器信号处理及标定方法的研究[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（1）[C];2008年

9 汪恩清;丁世敬;;YML型锚索力传感器环境防护技术[A];1998电子产品防护技术研讨会论文集[C];1998年

10 崔岩;佟建华;董维杰;王立鼎;;基于硅基PZT微力传感器标定系统的初步研究[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集（一）[C];2005年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 本报记者 曾永联　本报通讯员 李莉丽 欧阳钢桥;科技产业的沃土 自主创新的摇篮[N];广西日报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 赵延治;大量程柔性铰并联六维力传感器基础理论与系统研制[D];燕山大学;2009年

2 张景柱;特种六分力传感器设计原理研究[D];南京理工大学;2008年

3 姚建涛;大量程并联式六维力传感器基础理论与实验研究[D];燕山大学;2010年

4 王志军;双层预紧式六维力传感器基础理论与应用研究[D];燕山大学;2012年

5 李映君;新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究[D];大连理工大学;2010年

6 赵现朝;Stewart结构六维力传感器设计理论与应用研究[D];燕山大学;2003年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 杨真真;平面并联柔铰三维力传感器研制[D];燕山大学;2015年

2 崔朋肖;容错柔性并联六维力传感器性能分析及实验研究[D];燕山大学;2015年

3 孙立广;新型六维力传感器标定台系统建模与误差分析[D];大连交通大学;2015年

4 李东;集成式压电六维力传感器测量原理与技术研究[D];大连理工大学;2015年

5 董跃龙;六维力传感器动态解耦方法的研究[D];安徽工程大学;2015年

6 王耀弘;新型六维力传感器的计量测试技术与量值溯源研究[D];重庆交通大学;2015年

7 李玉钦;压电式六维大力传感器的并联分载原理研究及其结构设计[D];济南大学;2015年

8 姜山;汽车轮胎力传感器结构优化方法研究[D];安徽农业大学;2014年

9 陈丹凤;面向空间作业的多维力传感器设计及标定研究[D];东南大学;2015年

10 王佩;基于无线传输的车轮力传感器嵌入式采集系统设计[D];东南大学;2015年

  本文关键词：无力传感器智能助力轮系统设计，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：308161