电动轮椅车的plc编程控制器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电动轮椅车的PLC编程控制器，包括功率控制电路和数字操作、显示控制电路。功率控制电路包括微处理器DSP、逻辑处理电路、功率驱动电路、电机、电流电压检测电路块一、电子语音报警和故障检测电路；数字操作、显示控制电路包括单片机、手柄操纵杆及处理电路，杨声器I/O模块、按键I/O模块、液晶显示器、通讯模块二。本发明采用MOS管进行方向切换，无触点，安全可靠，寿命长，效率高。采用反电动势测量电机转速，优点是测量速度快，且结构简单，无需维护。本发明使用MOS管内阻做为电流取样电阻，无需外加取样电阻，减少发热，提高了检测速度。采用数字方式进行传输，线路简单，且准确。
【专利说明】电动轮椅车的PLC编程控制器
【技术领域】
[0001]本发明属于电动轮椅车领域，涉及一种电动轮椅车的PLC编程控制器。
【背景技术】
[0002]我们国家非常重视发展，老年人和残疾人事业。关心老年人和残疾人生活水平的 提高，促进和谐社会发展。电动轮椅车是以电池为原动力，符合我国环保要求，属绿色环 保产品。电动轮椅车可分为室内室外在普通道路上远距离行驶的电动车辆，其特点要求 与普通手动轮椅车特性相同，区别由电力驱动，技术要求在国家标准GB/T12996-91中已 明确规定了各项技术指标。电动轮椅车特点:由双电机动力驱动，要求轮椅车可实现走直 线，左右转向，前进后退，原地360°C旋转,爬坡、坡上驻停、原地起步等特点，可以想像比现 有电动自行车特性要复杂的多，其技术含量较高，对控制系统提出很高的性能指标，以满 足GB/T12996-91国家标准中指出的各项技术指标的要求。目前市场上电动轮椅车主要以 进口为主，其中、德国、美国、日本、韩国等，但销售价格非常昂贵同时也存在不同的技术缺 陷。现有国产电动轮椅车，因国产电机转速误差在10 %左右，导致电机转速不同，噪音较 大，控制系统故障率高故生产的电动轮椅车不能满足标准要求，市场认可度低。专利号为 ZL200630260094.1的“电动轮椅控制器”，采用单片机集成线路，数据采集采用光电传感器 测量电机转速，需2000KHZ即2MHZ，3000转/分，即50转/秒采集速度。目前国内测量电机 转速均采用光电电磁编码器，电磁编码器频率需要达到2MHZ ;电机转速达到3000转/分， 需40K即每圈4万个脉冲，制造光电数码盘难度大、精度难以保证。本发明是在原专利基础 上研发的新产品。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种电轮椅车的PLC编 程控制器，采用无传感器法，测量电机转速，每秒测量速度为20K次，其精度为I %，与PWM同 频测速。
[0004]本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0005]依据本发明提供的一种电动轮椅车的PLC编程控制器。电动轮椅车的PLC编程控 制器，由功率控制电路和数字操作、显示电路组成。所述的功率控制电路包括微处理器DSP、 逻辑处理电路、功率驱动电路、电机、电流电压检测电路、通讯模块一、电子语音报警和故障 检测电路，微处理器DSP的输出顺序连接逻辑处理电路、功率驱动电路和电机；所述的数字 操作、显示控制电路包括单片机、手柄操纵杆及处理电路(刹车杆处理电路)，杨声器I/O操 作模块、按键I/O操作模块、液晶显示器和通讯模块二。
[0006]系统运行时，由单片机采集手柄操纵杆，，和按键I/O的数据，通过SCI通讯模块将 信号输入给微处理器DSP，DSP接受X轴和Y轴电压输入后输化成PWM输出，经逻辑电路、功 率驱动电路放大后送给2台直流电机，带动轮椅运行，实现前进、后退、左转、右转功能，同 时DSP的A/D模块采集、检测电机的电压、电流信号，形成电压闭环控制、电流补偿及过电流保护。
[0007]本发明解决其技术问题是采取以下技术方案进一步实现:
[0008]前述的功率驱动电路(PM0S驱动电路)包括:
[0009]Vh、Vl分别是低端和高端电源，但Vh应大于VI。Ql、Q2组成了一个反置图腾柱， 用来隔离和确保两只驱动管不会同时导通。R2、R3提供了 PWM电压基准，通过改变这个基 准，可以让电路工作，使得PWM信号波形处于较陡直的位置。Q3、Q4提供驱动电流，在导通 Q3、Q4时，相对Vh、GND有一个约0.3V Vce压降，大大低于0.7的Vce，R5、R6是反馈电阻， 用于对gate电压进行采样，采样后的电压通过Q5对Q1、Q2的基极产生负反馈，从而把gate 电压限制在有限数值上。此数值由R5、R6来调节。Rl提供了对Q3、Q4自基极电流限制，R4 提供了 MOS管的ga te电流限制即对Q3、Q4的Ice限制，有时可以在R4上并联一个加速电 容。
[0010]前述的PWM信号转换和功率驱动电路包括:
[0011]驱动电路是连接控制器与电机的桥粱。电路中DSP2407A连接了 2台直流电机。功 率驱动部分由藕合器TLP521，反向驱动芯片HEF4069组成。反向驱动芯片HEF4069由12V 电源供电，主要起增大PWM驱动功率的作用，由于HEF4069内部具有MOSFET的核心结构，所 以能提高电机的驱动功率，HEF4069的输入来自光电藕合器TLP521，TLP521输出的PWM经 过HEF4069反向和功率增大后接至MOS功率管IRF540门控端，用来控制IRF540通断。从 DSP出来的每一个PWM信号都接到两个反向单元上去，这两个反向单元并联连接，这样既可 以增大IRF540门控端的驱动功率又提高了电动轮椅的可靠性。
[0012]前述的刹车控制电路和故障检测电路包括:
[0013]控制器设计增加了刹车控制电路和车闸故障检测功能，这样缓解了产品的抗冲击 能力，使行使制动滑行距离低于1.1m,制动平稳。当轮椅运行时，程序络DSP的10PB3引脚输 出高电平信号，10PB3的引脚电平通过MC1413变为低电平，由1413Y3引脚输出到继电器的 控制端，继电器接通24V，功率母线和刹车电路都供电了，随即DSP也会在I/O引脚BREAK 上输出高电平信号到到IRFR120，IRFR120导通，电机刹车通电，车闸松开；当控制器刹车 时，洽BREAK引脚输出低电平信号关断IRFR120。
[0014]车闸故障检测功能:当IRFR120关断而继电器导通时，若车闸无故障DSP的10PB6 引脚上是商电平信号，如果是低电平，说明车闸有故障或电缆没接好，这在初始化检测时非 常有用。二极管D204是保护电源和继电器的，由于轮椅电机刹车是感性元件，突然关断或 导通都会有很大的电压脉冲，二极管D204可以保证控制器的电源和继电器不受影响，当 IRFR120关断时，为了让刹车电感中存储的能量迅速耗光，设置了 D207。前述的电子语音报 警电路包括:
[0015]增加了轮椅电子语音报警系统，当电池电量不足、轮椅出现故障、或使用者操作不 当时，报警系统会自动提示。DSP的10PC7引脚平时被拉高，当按键按下时10PC7就为低， 当DSP检测到该引脚为低电平时就给10PA4引脚输出高电平，使得NPN三极管QlOO导通， 从而有电流流过扬声器LS100，扬声器便发出声音。当控制器故障报警时，也给10PA4，引脚 输出高电平使得三极管导通。二极管D105为反向保护二极管，防止由于反向电脉冲损坏扬 声器。R113是限流电阻，阻值不宜太大，取300欧姆；R112为上拉电阻，根据DSP IO引脚电 器气特性，取IOk可满足电流要求。[0016]本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果:
[0017]由于本发明采用MOS管进行方向切换，无触点，安全可靠，寿命长，效率高。本发明使用反电动势测量电机转速，优点是测量速度快，且结构简单，无需维护。本发明使用MOS 管内阻做为电流取样电阻，无需外加取样电阻，减少发热，提高了检测速度。本发明使用数字方式进行传输，线路简单，且准确。
[0018]本发明的【具体实施方式】由以下实施例及其附图详细给出。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为电动轮椅结构原理框图；
[0020]图2为PMOS驱动电路图；
[0021 ] 图3为PWM信号转换和功率驱动电路图；
[0022]图4为刹车控制电路和车闸故障检测电路图；
[0023]图5为电子语音报警、喇叭按键和扬声器电路图；
[0024]图6为电动轮椅整体连接框图。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的【具体实施方式】、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0026]如图1所示，一种电动轮椅车的PLC编程控制器，由两个模块组成。一是功率驱动与控制电路:主要包括微处理器DSP、逻辑处理电路、功率驱动电路、电机、电流电压检测电路、通讯模块一、电子语音和报警故障检测电路组成。微处理器DSP采用TMS320LF2400， 微处理器DSP顺序连接逻辑处理电路、功率驱动电路和电机；二是数字操作、显示及控制电路:包括单片机、手柄控制杆及处理电路，杨声器I/O操作模块、按键I/O操作模块、液晶显示器，通讯模块二，单片机采用PIC18F452。
[0027]系统运行时，由单片机PIC18F452采集手柄操纵杆和按键I/O的数据，通过SCI通讯模块将信号输入给DSP TMS320LF2400。DSP接受X轴和Y轴电压输入后转化成PWM输出，经逻辑电路、功率驱动电路放大后送给2台直流电机，带动轮椅运行，实现前进、后退、 左转、右转功能，同时DSP的A/D模块采集电机的电压、电流信号，形成了电压闭环控制、电流补偿及过电流保护。
[0028]如图2所示，
[0029]电动轮椅控制器采用无传感器快速测量电机转速，利用PLC编程及积分器原理设计，快速测量电机转速，本技术采用反电动势法，测量电机转速。直流有刷电机反电动势与转速成正比，但电机端电压包括:E,6= Ek+E F+E M即反电动势电阻压降，电感感生电动势。电阻压降=Ek= 10R，只是知道I和R即可求得，而[HD ，所以
J E& ，而电流I可通过采样电阻的压降求得1 = ^*，这里
的采样电阻为M°S内阻。Vl和Vh分别是低端和高端电源，但Vh应大于VI。Q1、Q2组成了一个反置图腾柱，用来隔离和确保两只驱动管不会同时导通。R2、R3提供了 PWM电压基准， 通过改变这个基准，可以让电路工作存PWM信号波形此较陡直的位置。Q3、Q4提供驱动电流，在导通时Q3、Q4相对Vh、GND有一个约0.3V Vce压降，大大低于0.7的Vce、R5、R6是 反馈电阻，用于对gate电压进行采样，采样后的电压通过Q5对Ql、Q2的基极产生负反馈， 从而把gate电压限制在有限数值上。此数值由R5、R6来调节。Rl提供了对Q3、Q4自基极 电流限制，R4提供了 MOS管的gate电流限制即对Q3、Q4的Ice限制，有时可以在R4上并 联一个加速电容。
[0030]如图3所示，
[0031]通过控制器的设计可实现在同等的输出功率的基础上增大扭矩，提高电动轮椅车 爬坡性能，驻坡启动能力，现市场常见的电动轮椅车只能在8°坡度上驻坡启动，而自形设 计的控制系统能实现12°坡度上驻坡启动。
[0032]驱动电路是连接控制器与电机的桥粱。电路中DSP2407A连接了电动机的左右电 机。功率驱动部分由藕合器TLP521，反向驱动芯片HEF4069组成。反向驱动芯片HEF4069 由12V电源供电，主要起增大PWM驱动功率的作用，由于HEF4069内部具有MOSFET的核心 结构，所以能提高电机的驱动功率，J1EF4069的输入来自光电藕合器TLP521，TLP521输出的 PWM经过HEF4069反向和功率增大后接至MOS功率管IRF540门控端，用来控制IRF540通 断。从DSP出来的每一个PWM信号都接到两个反向单元上去，这两个反向单元并联连接，这 样既可以增大IRF540门控端的驱动功率又提高了电动轮椅的可靠性。
[0033]如图4所示，
[0034]控制器设计增加了刹车控制电路和车闸故障检测功能，这样缓解了产品的抗冲击 能力，使行使制动滑行距离低于1.lm，制动平稳。当轮椅运行时，程序络DSP的I 0PB3引脚 输出高电平信号，10PB3的引脚电平通过MC1413变为低电平，由1413Y3引脚输出到继电器 的控制端，继电器接通24V，功率母线和刹车电路都供电了，随即DSP也会在I/O引脚BREAK 上输出高电平信号到到IRFR120，IRFR120导通，电机刹车通电，车闸松开；当控制器刹车 时，洽BREAK引脚输出低电平信号关断IRFR120。
[0035]车闸故障检测功能:当IRFR120关断而继电器导通时，若车闸无故障时，DSP的 10PB6引脚上是商电平信号，如果是低电平，说明车闸有故障或电缆没接好，这在初始化检 测时非常有用。二极管D204是保护电源和继电器的，由于轮椅电机刹车是感性元件，突然 关断或导通都会有很大的电压脉冲，二极管D204可以保证控制器的电源和继电器不受影 响，当IRFR120关断时，为了让刹车电感中存储的能量迅速耗光，设置了 D207。如图5所 示，增加了轮椅电子语音报警系统，当电池电量不足、轮椅出现故障、或使用者操作不当时， 报警系统会自动提示。DSP的10PC7引脚平时被拉高，当按键按下时10PC7就为低，当DSP 检测到该引脚为低电平时就给10PA4引脚输出高电平，使得NPN三极管QlOO导通，从而有 电流流过扬声器LS100，扬声器便发出声音。当控制器故障报警时，也给10PA4，引脚输出高 电平使得三极管导通。二极管D105为反向保护二极管，防止由于反向电脉冲损坏扬声器。 R113是限流电阻，阻值不宜太大，取300欧姆；R112为上拉电阳，根据DSP IO引脚电气特 性，取IOk可满足电流要求。
[0036]如图6所示，由控制器分别连接电机一、电机二、刹车杆和电池。
【权利要求】
1. 一种电动轮椅车的PLC编程控制器，包括功率控制电路和数字操作、显示控制电路， 其特征在于:所述的功率控制电路包括微处理器DSP、逻辑处理电路、功率驱动电路、电机、 电流电压检测电路、通讯模块一、刹车控制和车闸故障检测电路，微处理器DSP的输出顺序连接逻辑处理电路、功率驱动电路和电机；所述的数字操作、显示控制电路包括单片机、电子语音报警、喇叭按键及扬声器电路、手柄操纵杆及处理电路，杨声器I/O操作模块、按键 I/O操作模块、液晶显示器和通讯模块二。系统运行时，由单片机采集手柄操纵杆，，和按键I/O的数据，通过SCI通讯模块将将号输入给微处理器DSP，DSP接受X轴和Y轴电压输入后输化成PWM输出，经逻辑电路、功率驱动电路放大后送给2台直流电机，带动轮椅运行，实现前进、后退、左转、右转功能，同时DSP 的A/D模块采集、检测电机的电压、电流信号，形成电压闭环控制、电流补偿及过电流保护。
2.根据权利要求1所述的一种电动轮椅车的PLC编程控制器，其特征在于:所述的功率驱动电路既PMOS驱动电路；包括R2、R3提供了 PWM电压基准，通过改变这个基准，可以让电路工作，使得PWM信号波形保持在比较陡直的位置。Q3、Q4提供驱动电流，在导通时Q3、 Q4相对Vh、GND有一个约0.3V Vce压降，大大低于0.7的Nce, R5、R6是反馈电阻，用于对 gate电压进行采样，采样后的电压通过Q5对Ql、Q2的基极产生负反馈，从而把gate电压限制在有限数值上。此数值由R5、R6来调节。Rl提供了对Q3、Q4自基极电流限制，R4提供了 MOS管的gate电流限制即对Q3、Q4的Ice限制，有时可以在R4上并联一个加速电容。
3.根据权利要求1所述的一种电动轮椅车的PLC编程控制器，其特征在于:所述的PWM 信号转换和功率驱动电路包括:功率驱动部分由藕合器TLP521，反向驱动芯片HEF4069组成。反向驱动芯片HEF4069由12V电源供电，主要起增大PWM驱动功率的作用，由于HEF4069 内部具有MOSFET的核心结构，所以能提高电机的驱动功率，HEF4069的输入来自光电藕合器TLP521，TLP521输出的PWM经过HEF4069反向和功率增大后接至MOS功率管IRF540门控端，用来控制IRF540通断。从DSP出来的每一个PWM信号都接到两个反向单元上去，这两个反向单元并联连接，这样既可以增大IRF540门控端的驱动功率又提高了电动轮椅的可靠性。
4.根据权利要求1所述的一种电动轮椅车的PLC编程控制器，其特征在于:所述的刹车控制电路和车闸故障障检测电路包括:当轮椅运行时，程序络DSP的10PB3引脚输出高电平信号，T0PB3的引脚电平通过MC1413变为低电平，由1413Y3引脚输出到继电器的控制端， 继电器接通24V，功率母线和刹车电路都供电了，随即DSP也会在I/O引脚BREAK上输出高电平信号到到IRFR120，IRFR120导通，电机刹车通电，车闸松开；当控制器刹车时，洽BREAK 引脚输出低电平信号关断IRFR120。车闸故障检测功能:当IRFR120关断而继电器导通时，若车闸无故障时，DSP的10PB6 引脚上是商电平信号，如果是低电平，说明车闸有故障或电缆没接好，这在初始化检测时非常有用。二极管D204是保护电源和继电器的，由于轮椅电机刹车是感性元件，突然关断或导通都会有很大的电压脉冲，二极管D204可以保证控制器的电源和继电器不受影响，当 IRFR120关断时，为了让刹车电感中存储的能量迅速耗光，设置了 D207。
5.根据权利要求1所述的一种电动轮椅车的PLC编程控制器,其特征在于:所述的电子语音报警、喇叭按键及扬声器电路包括:当电量不足、轮椅出现故障、或使用者操作不当时，报警系统会自动提示。DSP的10PC7引脚平时被拉高，当按键按下时10PC7就为低，当DSP检测到该引脚为低电平时就给10PA4引脚输出高电平，使得NPN三极管QlOO导通， 从而有电流流过扬声器LS100，扬声器便发出声音。当控制器故障报警时，也给10PA4，引脚输出高电平使得三极管导通。二极管D105为反向保护二极管，防止由于反向电脉冲损坏扬声器。R113是限流电阻，阻值不宜太大，取300欧姆；R112为上拉 电阻，根据DSPIO引脚电气特性，取IOk可满足电流要求。
【文档编号】A61G5/10GK103592885SQ201210290812
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年8月16日 优先权日:2012年8月16日
【发明者】刘安西, 何宝诚 申请人:天津市鑫成新科贸有限公司