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研究生: 呂維揚
Lu, We-Young
論文名稱: 電動輪椅閉迴路差速控制之研發
Design of Closed-Loop Differential Speed Control for the Powered Wheelchair
指導教授: 鍾高基
Chung, Kao-Chi
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 醫學工程研究所
Institute of Biomedical Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 永磁式直流馬達電動輪椅電瓶
外文關鍵詞: PMDC motor, PID, controller
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  • 摘要

    隨著醫療科技快速發展,社會逐漸邁向高齡化,電動輪椅為較嚴重神經肌肉病變之功能性障礙者、老年人或慢性病患者主要日常生活行動輔助工具。目前國內、外電動輪椅主要包括:永磁式直流有刷(PMDC)馬達、開迴路控制器、機械傳動裝置及電瓶。

    因此本研究目的為探討PID對PMDC馬達之速度回饋控制表現,來提供最佳化差速控制器設計,以改善傳統電動輪椅之效率、穩定性。本研究定目標:(1) Matlab/Simulink軟體建立PID控制PMDC馬達速度模型,(2) 模擬分析電動輪椅馬達平地運動、斜坡運動不同負載時之暫態及穩態系統表現,電動輪椅馬達做轉彎時兩輪差速比較,(3) 閉迴路控制應用PMDC馬達改變速度的控制表現,並建立PMDC馬達理想差速控制參數作為發展設計電動輪椅之閉迴路差速數位控制器。

    結果顯示PID控制器經由公式計算而得知 =0.5, =8, =0.08之解析參數值,與本研究模擬不同負載、速度下,電流及速度安定時間短、電流及速度上升時間快不至於產生電流最大超越量更能追隨電動輪椅的變速關係、減少電動輪椅暴衝結果相符。因此,本研究電動輪椅馬達應用在平地運動、斜坡運動及轉彎運動不同負載、不同速度下:(1)開迴路控制PMDC馬達啟動時馬達電流隨著速度增加而上升越高,PMDC馬達停止時馬達電流隨著速度增加而下降越多;(2)閉迴路控制PMDC馬達啟動與停止時馬達速度不會受負載影響,電流隨著負載增加。PMDC馬達加速與減速時結果相同於PMDC馬達啟動停止時;(3)開迴路控制電動輪椅轉彎時左右兩輪差速隨著速度增加而上升,左右兩輪差速隨著負載增加而下降;(4)閉迴路控制電動輪椅轉彎時左右兩輪差速不受負載影響,根據上述使用閉迴路控制理想PID參數Kp=0.5、 Ki=8、 Kd=0.008相較於開迴路控制電動輪椅穩定性佳。

    建議未來實際場試來改善電動輪椅控制器的功能。控制法則方面,可考量使用適應控制、可變結構控制來做差速控制,進而設計安全性的電子差速控制器。

    Abstract

    Powered wheelchairs (PW/Cs) are the major mobility-aided device for persons with moderate/severe physical disabilities, chronic diseases, and the elderly. The PW/C system includes: PMDC motor, open-loop controller, gear box, battery. This research was to design a digital differential speed controller with velocity feedback for improved efficiency and stability of PW/Cs.

    The specific aims include:(1) to develop and establish PID speed control on PMDC motor speed model by using Matlab/Simulink software; (2) at flat and inclined surfaces and different speed and loading conditions, investigate the closed-loop and open-loop PMDC motor current and speed responses including transient and stable states also the motor responses for differential speed on left and right motors in the turning; (3) investigate the effect of speed accelerations and decelerations on the closed-loop and open-loop PMDC motor current and speed responses .

    The parameter values of Kp =0.5 and Ki =8 and Kd =0.008 are illustrated to be optimal in the PID control on PMDC motor speed, which is agreed to the analytic results. At flat and inclined surfaces and different speed and loading conditions, (1) the PMDC motor shows that the initial current at the open-loop is more rapidly increasing than that of at the closed-loop with PID during the starting state, but more rapidly decreasing during the stopping state; (2) the PMDC motor with PID control shows that the motor speed is not influenced by the different loadings during the starting and stopping states, but the motor current is positively proportional to the loading. Atthe
    acceleration and deceleration conditions, the PMDC motor with PID control has demonstrated the same current and speed responses resulted from the starting and stopping states. At the turning conditions, (1) the open-loop control shows that the differential speed of right and left motors is increasing with the PW/C speed, but is decreasing with the increase of external loading; (2) the PID closed-loop control sows that the differential speed of right and left motors is not influenced by the external loading. Therefore, the PID parameter with Kp =0.5 and Ki =8 and Kd =0.008 has demonstrated to be useful in the improved design of closed-loop controller for the efficiency and stability of the PW/C.

    The future works are recommended to conduct field testing of the controller on PW/Cs and to investigate other control methods such as adaptive and variable structure control.

    中文摘要……………………………………….….………………………..…I ABSTRACT…………………………………………...…….………...….……II 誌謝……………………………………….……..…………………...……….IV 目錄……………………………..………….……………………….…...….…V 圖目錄………………………………………….……..……………….…….VII 表目錄………………….……………………….……….……………....…XIII 第一章 緒論 1.1 電動輪椅基本介紹……………………………………….…………..…3 1.1.1 電動輪椅主要組件……………….……………...………..….…………3 1.1.2 電動輪椅驅動控制模式……………….………………………………10 1.2 電動輔具車之動力系統分析………………………..………………12 1.2.1 馬達驅動之動力模式……………………………………………...…12 1.2.2 永磁式直流馬達動態分析 ……………………….…………………19 1.2.3 PWM原理與設計…………………………………....………………22 1.3 電動輪椅驅動控制器相關設計原理…………………..………...…23 1.3.1 電子差速原理……………………………………………………….…..…24 1.3.2 PID 控制原理………………………………………..…..…….……27 1.4 文獻回顧………………………………………………………..….……30 1.5 研究動機、目的及研究假說…………………………………….……32 第二章 材料方法 2.1 PID控制PMDC馬達速度之解析模型……………………..….……34 2.1.1 PMDC馬達之模型建立……………………………………….…..……34 2.1.2 PID控制模擬系統方塊建立及參數設計方法……………….…..……35 2.2 電動輪椅不同驅動狀態下馬達之閉及開迴路速度控制模擬測試….…37 2.2.1 平地運動時之閉及開迴路馬達速度控制模擬測試………..…….…38 2.2.2 斜坡運動時之閉及開迴路馬達速度控制模擬測試……….….….…40 2.2.3 轉彎運動時之閉及開迴路馬達速度控制模擬測試……….….….…43 第三章 結果與討論 3.1 PID閉迴路PMDC馬達速度控制模擬結果與討論……........…….47 3.2 電動輪椅不同驅動狀態下馬達之閉及開迴路速度控制測試結果…………………………………………………………………….……..…56 3.2.1 平地運動時之閉及開迴路馬達暫態響應……….…….….....………56 3.2.2 斜坡運動時之閉及開迴路馬達暫態響應…………….……..………64 3.2.3 轉彎運動時之閉及開迴路馬達暫態響應…………………...……....71 第四章 結論與未來發展………………………………………………79 參考文獻……………………………………………………………………80

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    下載圖示 校內:2009-07-28公開
    校外:2011-07-28公開
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