基于无感FOC的多维度辅助运动床板及其电机控制方法与流程

本发明涉及辅助运动，尤其涉及一种基于无感foc的多维度辅助运动床板及其电机控制方法的设计。

背景技术：

1、目前，多维度辅助运动床板的设计利用了许多现有技术来提高病人在医疗设施中的舒适性和便利性。对于电动调节功能，运动床板通常具有电动调节功能，可以提供高度、倾斜角度等方面的调节。这使得病人能够根据自己的需求和舒适度进行相应的调整，从而减轻压力和不适感。智能遥控系统：现代多维度辅助运动床板通常配备了智能遥控系统，允许病人通过遥控器或移动设备来控制床板的各项功能。这种便捷的操作方式增加了使用者的便利性，并提供了更加个性化的体验，压力分布技术：一些运动床板使用特殊的压力分布技术，如气囊和多层填料系统，来缓解病人长时间卧床导致的压力集中问题，这些技术可以提供均匀的压力分布，减少病人身体部位的压力点，降低褥疮风险。

2、但现有技术方案的活动仅限于腰部和腿部的旋转，同时旋转的角度幅度，速度频率控制等方面对于病人没有针对性的照顾。本发明通过电压的反馈值来检测是否达到最大限位，避免过度旋转给病人带来感受上的不适。

3、为提高多维度辅助运动床板设计的个性化需求体验，以及用户的使用安全，康复效果，需要多维度包括腰部，腿部，脖子，手臂这4个主要关节，有限位保障的，能够保证康复效果的多维度辅助运动床板。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是在满足病人在卧床过程中，对于身体多个关节部位进行活动的需要，在保证活动安全的前提下，防止病人因长期卧床导致的抵抗力低下。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种基于无感foc的多维度辅助运动床板，其特征在于，包括：床板、头颈支撑托、手臂支撑部件、腿部支撑部件，所述头颈支撑托安装在床板前端，两个手臂支撑部件和两个腿部支撑部件分别设置在床板两侧，床板下部四个顶点处有四个支撑柱，每个所述支撑柱下方有对应的防滑垫，所述床板的纵向对称轴线安装有电机，所述床板的支撑柱通过支撑杆连接滑轨，其中电机设计为轴马达一体化，所述电机的控制算法为无感foc算法。

4、进一步地，一种适用于上述基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于：

5、步骤1，对电机(3)中的逆变器产生的三相交流电进行采样，获取三相电流iabc，三相电压uabc；

6、步骤2，感应电动势的测算，利用位置观测策略，求解电机的感应电动势，其中电机的感应电动势的测量公式为：

7、

8、其中，ea，eβ表示测算出的电机交直轴的感应电动势，p表示微分算子，ia,iβ表示电机交直轴感应电流，ω是电机转子的角速度，θ表示转子相对于初始位置的角度，la,lβ分别表示交直轴的定子电感，其中交直轴坐标系利用二维坐标系，所述二维坐标系的获取方式是将原始三维坐标系进行clark变换；

9、步骤3，电机转子运动位置的测算：

10、δe＝-ea*cos(θ)-eβ*sin(θ)

11、ea，eβ表示电机交直轴的感应电动势，θ表示转子相对于初始位置的角度，δe表示电机感应电动势分解计算结果，其中对ea，eβ进行测量时的信号利用低通滤波器处理；

12、步骤4，驱动电压的生成，利用pwm算法控制产生频率为10khz，占空比为50％的基准信号，并将产生的所述基准信号输入电机。

13、进一步地，所述床板还设置有固定腰部的安全带，所述安全带的材料是尼龙材料。

14、进一步地，所述电机(3)的定子电感ls＝9mh，定子电阻r＝0.2ω，电机转轴的转动惯量是j＝0.001kg·m2，阻尼系数b＝1。

15、进一步地，对于床板旋转范围的限制利用矢量控制策略控制，所述矢量控制策略通过计算磁场扇区的作用时间进而控制不同开关的切换，其中磁场映射至二维坐标系，形状理想化为圆形，扇区均匀划分为6部分。

16、进一步地，步骤3计算δe电机感应电动势分解结果时，通过pid算法测算的电压δe进行修正，对旋转角度达到[-30°，30°]的时刻，进行开关的切换，电机反向旋转驱动床板，其中pid算法表示为：

17、

18、其中uout(t)是pid算法得到的控制输出，kp，ki，kd分别是pid算法中的比例系数、积分系数、微分系数，t表示时间，dt表示时间微分，dδe(t)是电机感应电动势分解计算结果对时间t的微分，通过计算记录下旋转角度达到[-30°，30°]的输出电压uout(t)的输出特性，进而计算控制开关的切换周期与切换时机。

19、进一步地，步骤2所述的clark变换的变换矩阵为：

20、

21、其中t3s/2s代表变换矩阵，原始三维坐标系为xyz笛卡尔坐标，转换后的二维坐标系为αβ，其中电流的转化为：

22、

23、其中ia,ib,ic是步骤1获取三相电流和电压采样得到的电流，iα，iβ是二维坐标系αβ下的电流。

24、进一步地，步骤3所述的低通滤波器得到的感应电动势为：

25、

26、其中ea，eβ表示电机交直轴的感应电动势，va和vβ分别是α、β轴滑模控制律，kslf表示低通滤波器的增益。

27、进一步地，所述低通滤波处理时存在相位延迟，利用相位补偿修正精度，

28、

29、其中ωc是低通滤波器的截至频率，θe是转子位置的估计值，θe＝-arctan(ea/eβ)。

30、进一步地，所述手臂支撑部件(4)，腿部支撑部件(2)通过电机驱动，所述电机利用步进电机驱动，传动机械结构利用丝杠传动，位置测算利用smo滑模观测算法。

31、本发明的有益效果包括：

32、本发明提供的多维度辅助运动床板满足用户的个性化需求以及使用安全，实现了多维度包括腰部，腿部，脖子，手臂的辅助运动，同时通过无感foc算法的滑模控制率，实现了驱动电机转子和转速的高精度控制，同时利用pid算法修正电压，通过电压进而测算出电机转子在磁场中转动的角度，对旋转以及移动达到最大移动幅度的电机进行限位，即切换开关进行反向驱动，实现了有限位保障的辅助运动。

技术特征：

1.一种基于无感foc的多维度辅助运动床板，其特征在于，包括：床板(9)、头颈支撑托(8)、手臂支撑部件(4)、腿部支撑部件(2)，所述头颈支撑托(8)安装在床板(9)前端，两个手臂支撑部件(4)和两个腿部支撑部件(2)分别设置在床板(9)两侧，床板(9)下部四个顶点处有四个支撑柱(10)，每个所述支撑柱(10)下方有对应的防滑垫(7)，所述床板(9)的纵向对称轴线安装有电机(3)，所述床板的支撑柱(10)通过支撑杆(5)连接滑轨(6)，其特征在于，其中电机(3)设计为轴马达一体化，所述电机(3)的控制算法为无感foc算法。

2.一种基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其基于权利要求1所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板实现，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于，所述床板(9)还设置有固定腰部的安全带(1)，所述安全带(1)的材料是尼龙材料。

4.根据权利要求2所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于，所述电机(3)的定子电感ls＝9mh，定子电阻r＝0.2ω，电机转轴的转动惯量是j＝0.001kg·m2，阻尼系数b＝1。

5.根据权利要求2所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于，对于床板(9)旋转范围的限制利用矢量控制策略控制，所述矢量控制策略通过计算磁场扇区的作用时间进而控制不同开关的切换，其中磁场映射至二维坐标系，形状理想化为圆形，扇区均匀划分为6部分。

6.根据权利要求5所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于，步骤3计算δe电机感应电动势分解结果时，通过pid算法测算的电压对δe进行修正，对旋转角度达到[-30°，30°]的时刻，进行开关的切换，电机(3)反向旋转驱动床板(9)，其中pid算法表示为：

7.根据权利要求2所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于，步骤2所述的clark变换的变换矩阵为：

8.根据权利要求4所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于，步骤3所述的低通滤波器得到的感应电动势为：

9.根据权利要求2所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于，所述低通滤波处理时存在相位延迟，利用相位补偿修正精度，表达式如下：

10.根据权利要求2所述的基于无感foc的多维度辅助运动床板的电机控制方法，其特征在于，所述手臂支撑部件(4)、腿部支撑部件(2)通过电机(3)驱动，所述电机(3)利用步进电机驱动，传动机械结构利用丝杠传动，位置测算利用smo滑模观测算法。

技术总结
本发明公开了一种基于无感FOC的多维度辅助运动床板及其电机控制方法。目前，多维度辅助运动床板的设计利用了许多现有技术来提高病人在医疗设施中的舒适性和便利性，但对于病人活动的提供仅限于腰部和腿部的旋转，此外旋转的角度幅度，速度频率控制等方面对于病人没有针对性的照顾。为提高多维度辅助运动床板设计的个性化需求体验，以及用户的使用安全，康复效果，本发明的提基于无感FOC算法的多维度包括腰部，腿部，脖子，手臂的辅助运动床板，可根据滑模控制律对活动部件的旋转和升降进行位置测算进而限位，具有保障康复效果、病人使用体验和病人使用安全性等多方面优势。

技术研发人员：高盼军,章柳柳,李义江
受保护的技术使用者：江苏社汇通智能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15