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残疾人电动滑板车试验台的设计与实现

摘要：

本研究为残障人士或老人使用的三轮及/或四轮电动滑板车模型设计了测试装置。该系统由一个能够测量车辆速度的测试平台、一个数据采集卡和一个用C#程序编写的接口组成。利用所设计的数据采集卡，在试验过程中瞬时测量了蓄电池和电机电流、蓄电池和电机端电压、每分钟转数、环境温度和电机温度7个量，并通过USB设备传输到计算机。利用传输的这些数据，电机每分钟的转速、电机产生的扭矩、电机轴功率、电机和驱动器效率、车辆的瞬时速度，在整个试验过程中，在C#中准备的接口中实时计算从车辆开始使用时获得的总距离覆盖信息，并绘制和记录它们的图表。因此，在不同的环境温度、不同的使用者重量和不同坡度的道路等条件下进行的测试中，电动滑板车的电池、电机或驱动器中的故障很容易被检测到。

关键词

电动踏板车、轮椅、数据采集卡、故障检测、测量、单片机

绪论

许多人在日常生活中会遇到超出他们控制的疾病或事故，并将他们一生局限在轮椅上。然而，有些人天生就有残疾。因此，轮椅，无论是否由电池供电，都是它们生活中不可或缺的组成部分。如今，各种各样的电动轮椅模型都是为那些想用电动轮椅的残疾人生产的，只要他们能负担得起。双电机的被称为电池驱动轮椅。只有一台发动机的摩托车被称为电动摩托车。但是，两者的基本成分是一样的。根据使用条件的不同，提供了不同的动力选择，并且有电池驱动的轮椅模型可以将用户带到车辆上的直立位置。1然而，无论这些轮椅的型号和动力是什么，这些车辆的基本部件都是电池、电机和驾驶员。当这些车辆的生产商被调查时，可以看到他们通常从不同的公司获得电池、马达和驱动器，然后将它们安装在底盘上并出售。然而，当车辆发生故障时，他们试图用不太专业的方法检测故障。这类车辆出现的故障并不总是以电动机不能转动或蓄电池不能充电的形式出现。随着时间的推移，在电机和驾驶员效率方面观察到的降低，电机的快速加热，电池比正常放电快，因此，车辆在充满电的情况下行驶的距离较短，都是可能的故障。仅通过测量电机电流或蓄电池电流无法确定驱动器效率，也无法仅在室温下确定在极高或极低温度下出现的故障。适当的故障检测方法，将被认为有故障的电机带到另一辆车上进行测试。当考虑到所有这些因素时，需要确保车辆的所有部件相互作用，并且需要对它们进行整体评估。为了确保这一点，需要收集蓄电池和电机电流、蓄电池和电机端子电压、电机速度、电机和环境温度、电机产生的扭矩、电机的瞬时速度以及从车辆开始使用时收集的路线信息，转移到计算机环境中，并进行分析，以便确定故障的真正来源。在一项研究中，其中一些数据是在电动汽车中采集并传输到数据库中的。2然而，使用放置在车轮内的磁铁和簧片开关来测量速度并不是一种正确的速度测量方法，在这种情况下，每秒转数远远低于1，因为这将扩展计算相对于速度计算的其他参数的范围，从而导致不同速度阶段的数据采集频率不同。这反过来又会导致在测量电池传递给电机的能量时出现误差。关于这些车辆的出版物中没有涉及轮椅参数的研究，如重心、惯性矩、电机的速度和扭矩常数。3同样，在审查这方面的出版物时，据了解，已经有人试图为截肢者（没有胳膊和腿的人）找到各种解决办法。例如，通过头部移动控制轮椅、4-7通过眼睛控制轮椅、8-12通过语音命令控制轮椅、13-16通过嘴巴移动控制轮椅等等。此外，还对乘客特性进行了评估，研究了18个人为因素，19通过实验测量了车辆的惯性矩，20通过座椅下的九轴传感器研究了不同道路条件下的振动，21以及车辆的机械阻抗和电阻已经使用传感器进行了测量。22然而，还没有发现一个完整的系统被设计用于检测电池驱动轮椅的故障或测试这些车辆。为了满足这一要求，本研究设计了一套残疾人或老年人使用的电动滑板车模型试验装置。在这个装置中，七个量，即电池和电机电流、电池和电机端子电压、车轮转速、环境温度和电机温度，在过程中被瞬时测量，并通过USB传输到计算机。然后，利用这些传输的数据，在准备好的接口中，在整个实验过程中实时计算电机速度、电机产生的扭矩、电机轴功率、电机和驱动器效率、车辆的瞬时速度以及从车辆开始使用时获得的总距离覆盖信息在C#中，绘制并记录了它们的图形。所有测量和计算的数据也可以同时进行实时监测。如果电机电流和电机温度异常升高，系统会发出声音错误警告。当由经验丰富的技术人员对测量参数图进行评估时，可以详细确定故障原因。

设计的系统及其组件

首先，在装置中设计了一个平台来确定车辆的速度。然后，设计了测量电流和电压所需的传感器和读取卡。设计了数据采集卡，读取计划测量的量并将其发送到计算机上，设计了一个界面，使其能够在计算机上显示、绘制和记录。下面将详细介绍系统的所有这些组件。

测速试验台的研制

首先，有必要设计一个能够在实验室测量所有电池驱动车辆速度的机械装置。因此，设计了一个用于速度测量的非常简单有效的测试平台（图1）。为了准备测试平台，使用滚柱轴承将两个气缸安装在铁制形状上。然后，一个每转产生1000个脉冲的增量式编码器被安装到这个装置上测量速度。车轮之间的间隙设计成可调节的，以适应不同的车轮直径。因此，可以确保在车轮直径不同的车辆上，可以获取车辆和电机的信息。设计了一个简单的电路板，用于测试所设计的测试平台和速度测量算法。该板采用PIC18F4550，利用编码器输出的信号计算出信号的频率、电机和车轮的速度、车辆的瞬时速度信息以及试验结束前的行驶距离，并将其写入液晶屏。在计算上述信息时，考虑了编码器所附气缸的周长、车轮的周长和齿轮箱转速。通过改变车内电机的参考转速，在不同转速下进行了一些实验。在实验中，观察到示波器的频率读数和电路板的频率读数重叠。其中一个测试中从电路板和示波器读取的值如图2所示。当检查图2的频率值时，从示波器和设计的卡上读取的频率为8.81 kHz。

蓄电池和电机电流的测量

为了测量电流，选择了Allegro公司生产的电流传感器。该传感器（ACS712）是一个电流传感器，可以双向测量高达30A，没有任何问题，并在5V下运行。这些传感器产生0到5V之间的模拟输出与电流成比例。该值在正电流的2.5-5 V范围内，而在负电流的2.5-0 V范围内。由于它可以作为一个完整的模块获得，它将足以将此传感器的输出直接连接到卡的任何模拟输入端，所有数据都将被读取。由于将测量电池和电机电流，因此将使用两个此类传感器模块。

蓄电池和电机电压的测量

为了测量电压，选用了LEM公司生产的电压传感器。由于该传感器，提供了两种绝缘，并将温度的影响降至最低。这种传感器可以测量交流和直流电压，需要对称供电，产生的输出电流随输入电压的大小而变化。连接到该传感器欠压侧的电阻器端子处的电压可以连接到要使用的微控制器的任何模拟输入，以便可以容易地测量传感器输入处的电压。该传感器的典型连接图如图3所示。如图3所示，有必要确定电压传感器的测量范围，并设计适合该范围的电路。由于本研究中测量的电压水平永远不会超过30 V，因此相应地确定了连接到传感器高压侧的电阻值。此外，由于电压传感器需要对称馈电，因此将电压测量电路设计成独立的卡件被认为是一种较好的选择。两个这样的传感器被用来读取电池和电机端子上的电压。考虑到上述考虑因素而设计和生产的电子卡如图4所示。该公司生产的温度传感器达拉斯半导体，用于测量测试环境温度和电机表面温度。

数据采集卡

电子卡是用来读取两个电压、两个电流、两个温度和一个速度信息的。图2。使用增量编码器进行的速度测量试验的视图。图3。低压25-P电压传感器典型接线图。图4。设计并实现了电压测量电路卡。1436测量和控制52（9-10）该卡允许在液晶屏上查看数据，并通过USB实时传输到计算机。选用PIC18F4550作为微控制器，工作频率为48mhz。通过1000次采样确定电流和电压值。温度测量是在电流和电压回路外进行的。利用单片机的定时器中断来测量速度。根据该采样次数，所有数据读取、评估和传输到计算机所需的时间为375ms。为执行这些程序而设计和实现的电子卡和总结微控制器测量算法的流程图分别如图5和图6所示。

数据读取接口程序

在Visual C#程序上设计了一个接口，接收数据采集卡发送的数据，在计算机上显示，存储，并得到一些必要的数据，图形化地同时绘制在屏幕上。该系统需要根据不同功率、不同轮周或不同变速箱转速的车型进行设计。图7给出了涉及设计中需要输入的参数的接口部分。同时，可以确定电池电压警告级别，以防止电池深度放电或观察过程，直到电池电压下降到一定值。当电池电压降至输入的该值时，会向操作员发出语音警告。此外，还增加了允许的最高电机温度部分，以防止电机过热或观察过程，直到温度达到一定值。此外，它还可以输入在实验研究了用户权重对测量参数的影响。需要使用扭矩传感器来计算电机的扭矩和与之相关的一些参数。然而，在这些车辆中，电动机直接与变速箱相连。因此，在电机和变速箱之间放置一个扭矩传感器是非常烦人和不必要的操作。用转矩常数代替它是一种更实用的方法。因为这些车辆使用的是永磁直流（PMDC）电机。这些电动机产生的转矩等于电枢电流乘以转矩常数的结果。因此，将瞬时测得的电机电流乘以事先已知的转矩常数就足以计算出电机将产生的转矩。因此，将车辆上电机的扭矩常量值添加到要输入的参数中。了解电流和电压传感器在设计系统中的连接位置将有助于解释计算接口中某些参数的方法。关于这一点的解释性模式如图8所示。在设计的接口中，如前所述，计算了电机速度、电机产生的扭矩、电机的轴功率、电机和驱动器效率、电机的瞬时速度以及车辆开始使用时的总行驶距离信息，在整个测试过程中瞬时测量七个量。由于电机转速在其他参数的计算中起着关键作用，首先需要计算这个量。但是，为了能够计算电机转速，首先需要计算车轮转速车轮转速为：

式中，nw表示轮速（r/min），pu表示编码器1s内产生的脉冲数，cs表示编码器所附气缸的周长（cm），cw表示车轮的周长（cm）。当考虑变速箱转速（pg）时，电机转速（Nm）是

如果记住所使用的编码器在一次旋转时产生1000个脉冲，则编码器将在一秒钟内产生的脉冲总数的千分之一将等于编码器连接到的气缸的每秒转数（Ns）。因此，为了计算车辆当前行驶的总距离（Xt），首先需要计算它在一秒钟内行驶的距离（Xs）。据此，车辆在1s内行驶的距离（单位：m）按公式（3）计算。

当前覆盖的总距离是通过将一秒钟内覆盖的距离加上在此之前覆盖的总距离（X（t-1） ）中。每秒更新的总距离按公式（4）计算。

因此，车辆的瞬时速度（单位：km/h）为

由于此类车辆中使用的电机为PMDC电机，转矩常数（Kt）和电机电流（Imot）足以计算电机产生的转矩（T）。根据这个，扭矩是

图9所示为不使用轮椅上除电机和驾驶员（前照灯、喇叭、右/左指示灯等）以外的电气设备的情况下的功率流程图。从功率流图可以理解，为了能够以百分比计算电机效率（hmot）和驱动器效率（hd），首先需要计算从电池（Pb）、电机（Pmot）、驱动器消耗的功率（Pd）和电机轴功率（Pshf）。在方程式（7）–（10）中给出了这些计算，这些计算忽略了齿轮箱摩擦引起的功率损失。

在方程式中，i表示电池电流（A）、Vb电池端子电压（V）和Vmotmotor端子电压（V）。据此，电机和驱动器效率计算如下。

所有这些测量和计算的数据都在界面的相关部分中即时记录，同时在界面中创建的表中注册，以便将来进行检查。如果需要，此表中的所有数据都可以自动传输到Excel。图10给出了在设计接口中使用的算法的流程图。所有测量和计算的数据都显示在界面中，直到下一个数据到达。图11给出了在示例测试期间从接口的这一部分接收到的屏幕截图。为了更好地观察和检验同一数量的变化，还进行了图形演示。在14个测量和计算的量中，有10个被归为一组以六个图形表示。在这些同时绘制的图形中，数据在y轴上，而数据编号在x轴上。设计的接口程序在连接到数据采集卡之前的屏幕截图如图12所示。由于在数据采集卡连接到计算机后开始绘制图形，因此在图12中看不到任何图形。

电动踏板车设计系统的测试

在电动滑板车上测试了系统的效率。试验中使用的踏板车满足了两个串联的电池所需的电能，12 V-33 Ah值。踏板车上的PMDC电机为24 V，轴功率为750 W。驱动程序的工作电压可使踏板车控制在16-28 V范围内。驱动程序用20 kHz的PWM信号驱动电机。滑板车的速度可以根据需要在用户的控制下用电位器调节。系统测试期间拍摄的照片如图13所示。将具有不同重量的负载放置在车辆座椅上，以便能够更好地看到试验期间电流和其他参数的变化。每批货物的重量在20到35公斤之间。这些载荷是用不同的数字和组合加载的。车辆上的最大载荷值为230公斤。当试验平台上的车辆以最大速度运行时，将荷载放置在座椅上。测试过程中截图如图14所示。但是，图15给出了将数据传输到Excel后的屏幕截图。数据传输到Excel后，可以使用不同的程序绘制图表，进行详细的检查和分析。由于所有的数据都根据数据编号在不同的列中传输到Excel（图15），所以所需数据的图形可以不同于接口。为了证明这一点，使用图15中的数据在MATLAB中绘制了各种图。例如，图16显示了使用传输

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