FES脚踏车电机辅助系统的速度控制

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在构建和谐社会的进程中,残疾人作为社会的一个重要组成部分,越来越引起社会各界的高度关注。开展康复技术研究,尽快实现残疾人“人人享有康复服务”的目标,已成为广大科技工作者的重要任务之一。本论文完成的FES脚踏车电机辅助系统速度控制技术的研究,是利用功能性电刺激技术康复截瘫患者肢体运动功能系统研究的重要组成部分,论文结合目前FES脚踏车训练时间短,抗干扰能力差及功率控制与速度控制相脱节的现状,开展了FES脚踏车电机辅助系统速度控制技术的研究。研究工作得到了国家自然科学基金的资助(项目号:50575053)。  论文首先综述了FES脚踏车系统及其速度控制领域的国内外研究状况。以实现辅助电机速度闭环控制为目的,开展了电机驱动器和接口电路的设计工作。根据双极式H型PWM控制原理,设计出具有较强抗干扰能力和过流保护功能的电机驱动器。接口电路则利用单片机ATMEGA16L的I/O口和输入捕获功能,实现了对轴编码器输出的角度信号和力矩测量仪输出的频率信号的采集。在上位机中通过CMEXS-函数编写的串口通信软件来获取当前的角度和力矩值,满足了系统对实时性的要求。  为了简化电机模型的建立,采用系统辨识的方法来获取被控对象的模型。在试验设计中先后确定了输入信号,采样周期以及辨识时间。采用开环辨识,输入信号选择伪随机二位序列。鉴于FES脚踏车系统噪声是有色噪声,选用外源自回归滑动平均模型结构和增广最小二乘算法,利用最终预报误差准则来确定模型的阶次。在对模型有效性进行分析研究的基础上,得到了被控对象的数学模型。  针对普通的PID控制器参数难于调节的现象,本文研究中采用多项式极点配置算法进行控制器设计。研究结果表明,使用改进的极点配置算法,不仅减小了计算量,而且能够实现极点的任意配置。利用S-函数对辨识过程与控制算法进行一体化设计,简化了计算和操作。仿真与实验结果均表明系统的跟踪响应特性良好,抗干扰能力强,达到良好的控制效果。
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