基于无刷电机驱动的智能减负背包设计

基于无刷电机驱动的智能减负背包设计

石泽文邢杰

沈阳化工大学信息工程学院

1引言

但是随着人们外出和学生上课所需物品越来越多，书包的载重量也越来越大。尤其，对于中小学生来讲，书包的重量越大，长时间负重对脊柱的伤害也就不言而喻。对于传统背包而言，它无法实现借助一定的外在动力来减小背包给人们带来的负担。现在市场上的一些智能化书包也只是简单地实现了无线通讯等功能，在减负方面仍有欠缺。因此，本文提出了一种基于创新和智能化理念的背包设计方案。智能减负背包将运用动力学、物联网数据等方式达到减负和无线通讯等效果。

2驱动装置模型

驱动装置模型如图1所示，若背包持续超重，将会发出警告提醒。当肩带处压力超过预定值后，传感器输出信号并经信号调理传给微控制器，微控制器将PWM信号传送到电调实现无刷电机驱动四轴螺旋桨产生升力减小背包的重力。而转速的调节主要是根据不同的压力信号调节PWM的占空比来控制无刷电机的转速，我们所模拟的就是这个过程。

图1驱动装置模型

3.驱动系统硬件设计

3.1驱动电机的选择

电机是智能减负背包的关键部件。为使背包具有良好的减负性能，驱动电机应具有宽调速范围、高转速和足够大的起动转矩。此外，由于本身实现减负功能，这就要求电机体积孝重量轻、效率高、且具有良好的能量回馈性能。在电机机型上我选择三相无刷电机，它的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象，在节约能源方面也有明显优势。其次无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。当负载变化时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor)，作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。以上无刷电机的优点完全符合本设计理念。

3.2电机驱动控制的实现

智能减负背包的动力系统主要通过PWM信号间接驱动无刷直流电机。PWM脉冲宽度调制技术简称脉宽调制，是一种利用微处理器的数字输出对模拟电路的控控制技术。它通过直流脉冲序列的占空比改变直流电的平均值进而实现变频技术。微处理器内部集成了PWM，可以产生高频的PWM波形，而且具有多路PWM输出口。相较而言一般采用相对应的电子调速器电路（无刷电调）直接对无刷电机进行驱动和控制。无刷电调的输入是直流，通常直接接电源，输出是三相交流来驱动无刷电机。首先微处理器的地要和电调的地相接，当微处理器发送一定频率和脉宽范围的PWM给电调时，电调会根据脉宽和设置控制电机。

3.3系统电源设计

背包外侧安装有一块太阳能电池板，并在内部置入了一块可拆卸式电池。它配备了10W太阳能电池板和19,800mAh电池，背包内的电池通过太阳能和电源适配器两种方式进行充电，其硬件采用最轻材质且体积较小，因此总体重量是合理的。电池通过太阳能充满电需要12小时，而通过电源适配器充满电只需4小时。系统的模块较多且相对复杂，因此对电源的要求也比较高，不同的电路模块会对电源有不同的要求，首先为了方便通过外部电源适配器对系统供电，系统会留出24V外部电源接口。输入的24V电压通过一个双极性输出DCDC模YND24D12转换输出12V电压和一个双极性输DCDC模块YND24D5转换输出5V电压。这一部分作为前置电源，为系统的模拟电路部分供电。为了给后续数字电路提供电源，使用低压差线性稳压器作为后置稳压源。

3.4驱动系统硬件框架设计

其驱动系统框架如图2，它由主控板、无刷电机，无刷电调、无线通信模块、压力传感器、电源接口、MPU6050陀螺仪和扩展接口组成。四个电机前后左右对称分布，每个电机上都有一个旋翼。中间的主控板接受来自压力传感器的控制信号后，通过控制四个电调来控制电机的转速，从而改变飞行器的升力和推力大小，以达到控制要求。为了平衡螺旋桨旋转对机身产生反扭矩作用，若相对方向上的一组螺旋桨为对桨，则两组对桨的旋转方向相反。如图2所示前后马达顺时针方向旋转则需要安装反桨，左右马达逆时针旋转则需要安装正桨。机械结构上要尽量使四轴飞行器质量分布均匀，四个电机位于同一水平线上。

图2驱动系统框架

4.电机控制软件设计

本设计不仅采用模块化的思想设计硬件系统，同时也用该思想进行了软件设计。无刷电机驱动模块的软件设计主要包括主控芯片数据处理模块、电机控制模块，数据通讯模块。模块化的设计方法不仅可以简化系统软件设计的复杂度，也便于程序的调试。总体的软件流程图如下：

图3软件流程图

5.结语

在智能化高速发展的当代，普通背包的沉重感不再符合人们出行的要求，为了改变这一现状，本作品在延续传统背包的背负功能的前提下，又创新性的突破了传统背包的外观和功能的局限性。从开始对压力信号的采娶转换、放大及其运算，间接利用PWM信号对无刷电机控制的动力装置，使四轴旋翼智能化地产生升力。让人们以后出行远离背包带来的沉重感。

参考文献：

[1]郭庆鼎，赵希梅.直流无刷电动机原理与技术应用[M].北京:中国电力出版社,2008，1.

[2]于维顺.无刷直流电动机驱动动电路分析[J].江苏机械制造与自动化,1998,6.

[3]彭刚.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京：电子工业出版社,2012.

[4]梅隆魁.基于嵌入式技术的四旋翼飞行器系统设计与实现[D].北京邮电大学,2013.