صندلی چرخدار الکتریکی
چکیده مقاله
صندلی چرخدار الکتریکی وسیله مناسبی برای کمک به افرادی است که از ناتواناییهای حاد حرکتی رنج می برند و به آنها تا حد زیادی استقلال می دهد. در این پروژه یک صندلی چرخدار با نیروی رانش الکتریکی که کاربر توسط جوی استیک آنرا هدایت می کند، ساخته شد. با بررسی های مختلف خواهیم دید که موتور مناسب برای این منظور، موتور DC مغناطیس دائم است که به منظور استفاده در صندلی چرخدار الکتریکی طراحی شده است.
منبع انرژی دو عدد باتری سرب- اسید ۱۲ V, 60 Ah انتخاب شد و مدار تحریک موتور برشگر PWM می باشد که در آن عمل برشگری توسط ماسفت انجام می گیرد. برای کنترل سیستم ابتدا پایداری دینامیک ثابت آنرا با استفاده از ماتریسهای تبدیل دوران، در حالت کلی بررسی کرده و سپس یک مدار خطی از مجموعه را در نظر گرفتن پارامترهای شخص راننده ارائه کردیم. با وجود همه ساده سازیهای ممکن خواهیم دید که مدل به دست آمده از پیچیدگی زیادی برخوردار است و برای کنترل حلقه بسته آن باید از روشهای پیشرفته کنترل وفقی مبتنی بر شبکه های عصبی و منطق فازی استفاده کرد. در صورت عدم استفاده از کنترل حلقه، بسته، هدایت صندلی در محیطهایی با موانع زیاد، با دشواری همراه خواهد بود.
فصل اول
مقدمه
معلولیت دگرگونیهایی از نظر آناتومی و فیزیولوژی در بدن فرد ایجاد می کند که در یک مقطع شخص بیمار محسوب می شود ولی بعد از درمان، علی رعم داشتن ضایعه، باید تا حد امکان زندگی طبیعی داشته باشد. وسایل کمکی در این بین نقش مهمی دارند. از جمله این وسایل کمکی، صندلی چرخدار است که در صورت استفاده و تجویز درست، وسیله مناسبی برای دادن کمکهای حرکتی به افراد معلولیت دار بوده و به آنها در انجام امور شخص تا حد زیادی استقلال می دهد. صندلی چرخدار دارای انواع و اقسام مختلفی است که بسته به نوع و میزان معلولیت فرد و شرایط دیگر تجویز می شود. [۱]. صندلی های چرخدار در یک سیستم تقسیم بندی به دو گروه که در یکی نیروی محرکه توسط انسان و در دیگری از طریق یک موتور سوختی یا الکتریکی تأمین می گردد. هدف در این پروژه طراحی و ساخت صندلی چرخدار الکتریکی می باشد. صندلی چرخدار الکتریکی نخستین بار در اوایل قرن بیستم اختراع شد [۲]. اما به دلیل مشکلاتی که وجود داشت مصرف عمومی پیدا نکرد. در دهه ۱۹۴۰ استفاده از باتری اتومبیل و موتورهای استارتر، امکان ساخت صندلیهای ساده تری را فراهم کرد. البته سیستم های اولیه فقط با یک سرعت حرکت می کردند.
کمی بعد با استفاده از روشهای مکانیکی مثل کلاچ، امکان کنترل سرعت برای صندلیها ایجاد شد. از دهه ۱۹۶۰ به بعد استفاده از ترانزیستور دو قطبی دو طراحی کنترل کننده های سرعت ایمنی صندلیها بسیار بالا رفت. در حال حاضر از ماسفت قدرت برای کنترل سرعت موتورهای DC در صندلی چرخدار الکتریکی استفاده می شود. علی رغم سابقه زیاد صندلی چرخدار الکتریکی در دنیا، این وسیله تاکنون در ایران ساخته نشده است. هدف پروژه آغاز گاهی در این مسیر می باشد. البته وسیله ای که ساخته شد در ظاهر یک صندلی چرخدار الکتریکی نیست ولی با توجه به مطالعات و بررسی های انجام شده، می توان در زمانی کوتاه روشهای به کار رفته در این پروژه را برای ساخت صندلی چرخدار الکتریکی عملی به کار برد.
در فصل دوم توضیحاتی کلی در مورد صندلی چرخدار و مشخصات آن از نظر ابعاد، استحکام و غیره آورده شده است. در تجویز صندلی چرخدار نکات متعددی باید در نظر گرفته شود که وزن، ابعاد صندلی و چرخها از آن جمله است. صندلی چرخدار از چند جزء اصلی تشکیل شده است که شامل سیستم نگهدارنده بدن، سیستم رانش، چرخها و اسکلت بدنه می باشد [۱۴]. در این فصل در مورد مشخصات صندلیهای چرخدار الکتریکی و نکاتی که در طراحی آنها باید مد نظر قرار داد، توضیح داده شده است. از جمله این نکات مهم حداکثر سرعت، شیب مسیر، نحوه اتصال موتور و باتریها به صندلی و منبع تغذیه است. صندلی چرخدار الکتریکی را می توان با روشهای دستی و در صورتی که ممکن نباشد با روشهای غیر دستی کنترل نمود. از روشهای کنترل غیر دستی می توان کنترل چانه کنترل زبان لبها یا دندان، کنترل بر اساس دمیدن و مکیدن کنترل صوتی نام برد.
فصل سوم در مورد انتخاب ادوات مورد نیاز می باشد. خود صندلی چرخدار مهمترین قسمت است. به دلایل مختلف به جای صندلی چرخدار استاندارد مدلی از آن ساخته شد. این مدل شامل یک صفحه فلزی است که در زیر آن چهار چرخ نصب شده است. دو چرخ عقب آن نقش انتقال نیرو و هدایت کننده را دارند و دو چرخ جلو هرزگرد هستند. جزئیات مربوط به انتخاب قسمتهای مکانیکی شامل بلبرینگ . چرخها و نحوه انتقال نیرو از موتور به چرخها و غیره کاملاً توضیح داده شده است. بعد از قسمتهای مکانیکی، نوبت به انتخاب موتور الکلتریکی می رسد.
در این زمینه بررسی های متعددی انجام گرفت و در نهایت موتور DC خاص صندلی چرخدار برای این منظور انتخاب گردید. این موتور در حجم کم توان بالایی دارد و در طراحی آن حجم و وزن از مهمترین پارامترها بوده اند. جعبه دنده نصب شده بر روی موتور سرعت آن را تا حد مورد نیاز کاهش داده و به حدود ۵۰۰ دور در دقیقه رسانیده است. با محاسبه توان مورد نیاز برای حرکت صندلی با سرعت m/s3 و وزن Kg150 خواهیم دید که توان یک موتور به این منظور کافی نبوده و ناچاریم که از دو موتور استفاده کنیم که علاوه بر داشتن توان کافی، مزایای دیگری نیز خواهد داشت. موتور یک مبدل انرژی الکتریکی به مکانیکی است ؛ بنابراین باید منبع انرژی الکتریکی همراه موتور باشد. با این توضیح مشخص است
که باید از باتری به این عنوان استفاده کنیم. در این فصل، باتریهای قابل شارژ مجدد مانند نیکل- کادمیوم و سرب- اسید بررسی کنیم. در این فصل باتریهای قابل شارژ مجدد آنها و همچنین محافظتهای مورد نیاز، توضیح داده شده است. قسمت بعدی مدار تحریک است که با کنترل کاربر، انرژی را از باتری گرفته و به موتور منقل می کند. از آنجا که موتور از نوع DC بود و منبع تغذیه نیز DC است. بنابراین مدار تحریک از نوع DC/DC خواهد بود. مبدل DC/DC اصطلاحاً برشگر نامیده می شود. برشگرها با قطع و وصل ولتاژ DC ثابت بر روی بار، متوسط ولتاژ دو سر بار را تغییر می دهند که این عمل باید توسط یک عنصر قدرت انجام گیرد. به این منظور المانهای مختلف بررسی شدند و در نهایت از ماسف قدرت استفاده کردیم.
در ادامه انواع مختلف برشگرها بررسی شده و نوع مناسب انتخاب گردیده است. خاصیت مهمی که بعضی از انواع برشگرها دارند این است که وقتی بار آنها موتور DC است هنگام کاهش سرعت و یا توقف کامل می تواند انرژی جنبی ذخیره شده موتور را به منبع DC بازگردانند. به این خاصیت بازیابی انرژی گفته می شود.این عمل باعث افزایش راندمان، مجموعه می گردد. با بررسی این موضوع خواهیم دید که به دلایل مختلف، میزان انرژی تحویل شده به منبع در مقابل پیچیدگی مدار، ناچیز است.
بنابراین از انجام این کار صرف نظر خواهد شد. با در نظر گرفتن این فرض که کاربر فردی نیمه فلج و یا کاملاً مفلوج است، برای هدایت صندلی از جوی استیک استفاده کردیم. جوی استیک ازدو مقاومت متغیر تشکیل شده است که مقدار مقاومت یکی از آنها با حرکت جوی استیک در راستای جلو و عقب، از صفر تا حداکثر تغییر می کند و مقاومت دیگر همین عمل را در جهت چپ و راست انجام می دهد. در فص چهارم در مورد تعریف چگونگی حرکت صندلی چرخدار با توجه به حرکت جوی استیک، توضیحاتی آورده شده است.
فصل چهارم در مورد کنترل صندلی چرخدار الکتریکی می باشد. در ابتدا پروتکل حرکت صندلی بر اساس حرکت جوی استیک بیان شده و سپس روابطی که با استفاده از آن می توان سرعت خطی و سرعت زاویه ای صندلی را بر حسب دور موتورها بدست آورد، معرفی شده اند. در ادامه دینامیک ثابت صندلی چرخدار الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است و حداکثر سرعت خطی صندلی چرخدار برای آنکه پایداری آن حول محور x (راستای حرکت) حفظ شود، بدست آمده است.
این بررسی در حالت کلی است و با استفاده از ماتریسهای دوران، شیب مسیر در جهت های مختلف را در نظر می گیرد. در ادامه این فصل، با کوچک فرض کردن تغییرات، یک مدل خطی از سیستم صندلی چرخدار الکتریکی با در نظر گرفتن هدایت انسان، ارائه می کنیم. در این سیستم خطی، ورودی، مسیر دلخواه شخص و خروجی، نوسانات مجموعه حول محور x (راستای حرکت) می باشد. همانطور که خواهیم دید این سیستم پیچیدگی زیادی خواهد داشت؛ بنابراین در صندلیهای پیشرفته جدید، کنترل کننده های وفقی که با استفاده از شبکه های عصلی و منطق فازی طراحی می شوند، کاربرد فراوان دارند. در پایان فصل در مورد سازگاری الکترومغناطیسی و استانداردهای مربوط به صندلی چرخدار الکتریکی در این زمینه، توضیحاتی آورده شده است.
در فصل پنجم طراحی قسمتهای مختلف توضیح داده شده است. طراحی مدار برشگر PWM و بخش مهمی از این فصل را تشکیل می دهد. مدار برشگر شامل مولد سیگنال PWM و اعمال آن به ماسفتها می باشد. انتخاب فرکانس برشگری بسیار مهم است چرا که پایین بودن فرکانس، باعث افزایش تلفات در موتور می شود. با استخراج پارامترهای موتور توسط آزمایشهای مختلف و سپس مدل کردن موتور توسط Pspice فرکانس برشگری با دقت مناسب، ۲۵ Hz انتخاب شده است.
ماسفت اگرچه در حالت پایدار جریانی از گیت نمی کشد، ولی در هنگام روشن و خاموش شدن سریع، جریان قابل ملاحظه ای باید به گیت تزریق و یا از آن کشیده شود. نحوه طراحی مداری برای تأمین این جریانهای لحظه ای، توضیح داده شده است. مجموعه مدار تحریک را می توان به صورت آنالوگ یا دیجیتال و یا ترکیبی از آنالوگ و دیجیتال پیاده سازی نمود. در قسمت برشگر PWM به علت بالا بودن فرکانس برشگری و در مقابل پایین بودن سرعت میکروکنترلرهای معمولی استفاده از مدار آنالوگ مناسب تر است؛
ولی تشخصی فرمان جوی استیک و تصمیم درمورد سرعت و جهت حرکت هر یک از موتورها را می توان توسط مدارهای آنالوگ و یا دیجیتال طراحی نمود که هر یک از این دو مدار مزایا و معایبی دارند که توضیج داده خواهند شد. برای تولید سیگنال PWM از تراشهTL 949 استفاده شده است.
این تراشه در ساخت منابع تغذیه سوئیچنگ کاربرد فراوان دارد. فرکانس سیگنال PWM با یک خازن یک مقاومت تعیین شده و سیکل وظیفه با یک سطح DC تعیین می شود. در مدار دیجیتال میکروکنترولر ۸۹۵۱ که از خانواده ۸۰۳۱ است استفاده کردیم. مزیت ۸۹۵۱ در این است که دارای EEPROM داخلی است و نوشتن و پاک کردن برنامه به سادگی مکان پذیر است و نیازی به اشعه ماورای بنفش دارد. در ادامه در مورد نشان دادن وضعیت شارژ باتری توضیح داده ایم. در انتها مقایسه ای بین مدار دیجیتال و آنالوگ انجام شده است.
فهرست مطالب
فصل اول- مقدمه
فصل دوم- بررسی صندلی چرخدار
مقدمه
۱-۲- اجزاء صندلی چرخدار
۱-۱-۲- سیستم رانش
۳-۱-۲- چرخها
۴-۱-۲- اسکلت بندی
۲-۲- انواع صندلی چرخدار
۳-۲- ابعاد استاندارد صندلی چرخدار
۴-۲-پارامترهای مهم در انتخاب صندلی چرخدار
۵-۲-نکات مهم در انتخاب صندلی چرخدار
۶-۲-مشخصات صندلی چرخدار الکتریکی
۱-۶-۲-روشهای هدایت صندلی چرخدار الکتریکی
۲-۶-۲-روشهای هدایت صندلی چرخدار الکتریکی
۷-۲-موارد استفاده از صندلی چرخدار
۸-۲-موارد عدم استفاده از صندلی چرخدار
خلاصه
فصل سوم- انتخاب ادوات مورد نیاز
مقدمه
۱-۳-صندلی چرخدار
۲-۳- موتور الکتریکی
۱-۲-۳-باتریک نیکل- کادمیوم
۲-۳-۳- باتری سرب- اسید
۴-۳- مدار کنترل سرعت
۵-۳- انتخاب المال سوئیچ
۶-۳- انتخاب وسیله هدایت
خلاصه
فصل چهارم- طراحی کنترل کننده
مقدمه
۱-۴- پروتکل هدایت صندلی بر اساس حرکت صندلی چرخدار
۲-۴- رابطه بین سرعت خط
۳-۴- بررسی دینامیک ثابت صندلی چرخدار
۴-۴- بررسی کنترل حلقه بسته
۴-۵- روشهای کنترل صندلی چرخدار الکتریکی
۱-۵-۴- کنترل کننده های قابل تنظیم
۲-۵-۴- کنترل با سنسورها یا همکار
۳-۵-۴- کنترل تحمل پذیر خطا
۶-۴- سازگاری الکترومغناطیسی
فصل پنچم
مقدمه
روشهای ساخت مدار
۱-۵-پیاده سازی به روش آنالوگ
۱-۱-۵- کنترل کننده PWM
۲-۱-۵- محاسبه جریان گیت ماسفت
۳-۱-۵- انتخاب فرکانس برشگری
۴-۱-۵- استخراج پارامترهای موتور ANCN7152
۵-۱-۵- ساختن ولتاژ منفی از ولتاژ مثبت
۲-۵- پیاده سازی به روش دیجیتال
۱-۲-۵- روشهای سنجش شارژ باتری
۲-۲-۵- ساخت منبع تغذیه منفی
خلاصه
فصل ششم- نتایج آزمایشات
فصل هفتم- نتیجه گیری و پیشنهاداتی برای ادامه کار
مراجع
ضمیمه (۱)- نرم افزار هدایت صندلی چرخدار
ضمیمه (۲)- برنامه ثبت و تحلیل داده ها برای تعیین
ضمیمه (۳)- گاتالوگ موتور ANCN7152
ضمیمه (۴)- گاتالوگهای ۸۹۵۱ و TL494
فهرست شکلها
شکل (۲-۱): نمودار ابعاد اساسی صندلی چرخدار
شکل (۱-۳): تصاویر تقربی صندلی چرخدار از زوایای مختلف
شکل (۲-۳): نمای چرخ عقب و متعلقات آن
شکل (۳-۳) نیروهای وارد شده به محور چرخ
شکل (۴-۳): نیروهای وارد شده به صندلی چرخدار در سطح شیبدار
شکل (۵-۳): برشگر کاهنده با بار اهمی
شکل (۶-۳): تقسیم بندی برشگرها
شکل (۷-۳): برشگر کلاس B
شکل (۸-۳): برشگر کلاس C
شکل (۹-۳): برشگر کلاس D
شکل (۱۰-۳): برشگر کلاس E
شکل (۱۱-۳): کنترل دو جهته دور موتور DC با رله SPDT
شکل (۱۲-۳): نمای مداری GTO
شکل (۱۳-۳): نمای مداری ماسفت کانال N
شکل (۱۴-۳): نمای مداری IGBT
شکل (۱-۴): چرخهای صندلی عقب صندلی چرخدار
شکل (۲-۴): نیروهای وارد شده به مرکز جرم
شکل (۳-۴): دستگاه مختصات صندلی چرخدار
شکل (۴-۴): دیاگرام بلوکی سیستم صندلی چرخدار الکتریکی با کنترل انسان
شکل (۵-۴): سینماتیک صندلی چرخدار
شکل (۶-۴): دیاگرام بلوکی دیاگرام بلوکی کامل شده شکل (۴-۴)
شکل (۱-۵): جمع کننده و تفریق کننده آنالوگ
شکل (۲-۵): پیاده سازی تابع قدر مطلق با پل دیودی
شکل (۳-۵): یکسوساز نیم موج ایده آل
شکل (۴-۵): یکسوساز تمام موج ایده آل
شکل (۵-۵): نحوه تضعیف سیگنال خروجی جمع کننده
شکل (۶-۵): نحوه تضعیف سیگنال خروجی تفریق کننده
شکل (۷-۵): نحوه بافر کردن خروجی جوی استیک
شکل (۸-۵): تراشه TL494
شکل (۹-۵): جریانهای کشیده شده توسط گیت هنگام روشن شدن
شکل (۱۰-۵): روشن شدن ماسفت با مقاومت
شکل (۱۱-۵): روشن شدن ماسفت با مقاومت ترانزیستور
شکل (۱۲-۵): مدار تحریک ماسفت
شکل (۱۳-۵): ولتاژ و جریان سوئیچ در حال روشن شدن
شکل (۱۴-۵): روشن پاسخ پله برای استخراج
شکل (۱۵-۵): اعمال ولتاژ پله به موتور
شکل (۱۶-۵): پاسخ پله به موتور
شکل (۱۷-۵): مدار معادل الکتریکی برای موتور DC
شکل (۱۸-۵): پاسخ فرکانس جریان آرمیچر و سرعت موتور
شکل (۱۹-۵): تنظیم دوره کار توسط TL494
شکل (۲۰-۵): ساخت منبع تغذیه منفی
شکل (۲۱-۵): شکل موجهای رگولاتور باک- بوست
شکل (۲۲-۵): تنظیم فرکانس و دوره کار توسط IC 555
شکل (۲۳-۵): نمای شماتیک مدار دیجیتال
شکل (۲۴-۵): نمودار گردشی برنامه نرم افزاری
شکل (۲۵-۵): تبدیل ولتاژ به جریان
شکل (۲۶-۵):ساخت منبع تغذیه منفی در مدار دیجیتال
فهرست جداول
جدول (۱-۲): ابعاد استاندارد صندلی چرخدار
جدول (۳-۱): مقایسه خواص المانهای قدرت