摘要：提出一種高性能低成本的電動代步車控制器設計方案。該控制器以Atmel公司的AVR單片機為控制核心，H橋電路作為直流電機驅動器，使用者通過搖桿操控電動代步車的速度和轉向?？刂破鞯能浖糠钟上到y自檢、搖桿位置檢測和電機運動3大部分組成，并靈活使用系統時標，事件觸發(fā)機制和有限狀態(tài)機等編程新方法，以確保系統的安全性和穩(wěn)定性。實踐表明，該電動代步車控制器能夠實現多種故障診斷功能，電機啟動和停止時運行平穩(wěn)，搖桿操作靈活，系統整體性能良好，能夠滿足實際使用要求。
關鍵詞：代步車；微處理器；直流電機；搖桿

    本世紀將是一個人口老齡化程度越來越高的世紀，老年人和殘疾人的護理將是社會的一個沉重負擔。據老齡委統計結果顯示，2004年底，中國60歲及以上老年人口為1．43億，2014年將達到2億，2026年將達到3億，老齡人口的規(guī)模將越來越大。同時在我國人口中有8 296萬殘疾人，占全國總人口的比例為6．34％，其中肢體殘疾人數2 412萬，占29．07％。老年人和殘疾人這個龐大的弱勢群體需要一種適合他們心理和生理的代步車來滿足日常生活及參與社會活動的需要。
    隨著科學技術的迅速發(fā)展和人民的生活水平的不斷提高，手動輪椅逐漸被性能優(yōu)越、操作簡單、行駛安全的電動代步車所替代。電動代步車的出現除了能滿足老年人或殘疾人室內外活動的要求之外，還在醫(yī)療康復中發(fā)揮著越來越大的作用。例如，腿部骨折的患者可以在康復過程中使用電動代步車，那么即使腿腳不便也可以在一定的范圍內自由活動。電動代步車作為醫(yī)療康復工具時也將增加若干功能，例如使用者可以通過調整座椅和靠背的角度，在電動代步車的幫助下實現平躺或站立等不同姿勢。
    電動代步車使用蓄電池作為能源，以直流電動機作為執(zhí)行機構，安全可靠。老年人、殘疾人或者康復者只需要控制搖桿就可以控制電動代步車的運動速度和方向，學習簡單，操作方便，無需他人看護，這些特點可以很好的擴大使用者的運動空間，豐富他們的生活。
    由于電動代步車的使用對象為老年人或殘疾人，所以安全性尤為重要。控制器必須具有一定的故障診斷功能，能夠自動排除故障或將故障所帶來的后果減小到最低程度。為了造福萬家，開發(fā)一款性能穩(wěn)定、功能完善、價格低廉的電動代步車通用控制器尤為重要。

1 系統構成
    電動代步車大致可以分為4類：室內型，庭院型，功能型和道路型。室內型電動代步車操作輕巧靈活，適于室內使用；庭院型電動代步車主要用作戶外短距離代步使用；功能型電動代步工具主要滿足醫(yī)療康復使用，功能較多；道路型電動代步車動力較強，適于在城市道路上較長距離行駛。本文主要介紹庭院型電動代步車。
    電動代步車的機械結構延續(xù)了傳統輪椅車的機械結構，體現出人性化，具有舒適性和便攜性，同時為了配合電動代步車的特性，在傳統的機械結構上加裝了一些減震部件，使得運行更舒適平穩(wěn)。
    如圖1所示，電動代步車主要由座椅、車架、驅動后輪、導向前輪、蓄電池、電子控制器構成。座椅固定在車架上，驅動后輪一般設置在座椅后部，轉向前輪一般設置在椅座前部，蓄電池設置在椅座下方兩個驅動后輪之間，電子控制器設置在椅座的扶手上。

    圖2為電動代步車控制器結構示意圖，主要包括微控制器、電機驅動電路、搖桿檢測電路以及人機對話接口等。為了有效保護和監(jiān)控電機的運轉，提高電動代步車的安全性能，還加入了電源電壓檢測接口、電機電流檢測、充電器檢測接口等功能。

2 硬件設計
2．1 微控制器
    微控制器并不是功能越豐富越好，應遵循以下2條基本原則：一是微控制器的片內資源恰好能滿足設計要求，靈活地使用片內資源可以減少外圍擴展芯片的數量，也以減小電路板的面積；二是在滿足功能的前提下，價格要盡可能的低。
    本控制器采用Atmel公司的Atmgeal6(L)。該型號的單片機片內資源較為豐富，集成了EEPROM、A／D轉換器、PWM等功能模塊。EEPROM功能可以用于相關控制參數的掉電保存：PWM功能通過H橋實現對直流電機的調速控制；A／D轉換功能可以實現直流電機的電流檢測，同時也可以實現搖桿位置信息的采集。作為RISC精簡指令的高速8位單片機，和51內核的單片機相比，在相同價格基礎上具有運算速度上的優(yōu)勢。
2．2 電機驅動電路
    電動代步車的2個驅動后輪分別由2個直流電機帶動。直流電機由2個半橋驅動器IR2104控制的H橋功率電路進行驅動，即由4個功率MOSF-ET電路IRF1010N(VDSS=55 V，RDS(on)=11 MΩ，ID=85 A)組成電機的雙向速度控制電路，如圖3所示。當PWM2為低電平時，VQ3截止，VQ4導通，PWM1輸入調速信號，電機正轉；當PWM1為低電平時，VQ1截止，VQ2導通，PWM1輸入調速信號，電機反轉。

    由于電機的額定功率較大，在設計電機相關驅動電路時，應注意過載保護和功率元件的散熱問題。電動代步車通過左右電機差速運動實現各方向的運動，為了達到控制的協調性，電機的運動算法也需要通過試驗不斷修改。除此之外應考慮電機啟動或停止時的加減速過程，保證運動的平穩(wěn)性。
2．3 搖桿檢測電路
    搖桿是電動代步車最為重要的輸入設備，搖桿既可以控制電機電源的打開和關閉，也可以控制左右兩個電機的速度和運行方向。
    控制器需要通過檢測搖桿的位置來確定電機的運行速度，搖桿實質上是一個位置傳感器，一個包含XY兩個垂直方向的位置傳感器。搖桿主要由4個位置固定的線性霍爾和4個可以移動的磁鋼組成，若搖桿被推動，磁鋼和線性霍爾的相對位置就會改變，線性霍爾的輸出電壓也跟著變化，控制器通過A／D轉換器測量這4個電壓值，以確定搖桿的位置。
    線性霍爾的靈敏度越高，其輸出電壓值范圍越寬，搖桿位置的分辨率也就越高，電動代步車的操縱性能也就越好，所以線性霍爾的選擇非常重要。本控制器采用Honeywell的SS490系列線性霍爾，其靈敏度可達3．125 mV／G，可以滿足要求。
2．4 人機對話接口
    面板是重要的人機對話接口，包括功能按鍵接口，速度檔位顯示接口，蓄電池電量顯示接口。前面板的設計原則是簡潔美觀、成本低，速度檔位顯示和電池電量顯示均采用LED組成的光柱來顯示這些值的變化情況。
    面板功能鍵共有5個，分別是速度檔位增加鍵，速度檔位降低鍵，電源打開鍵，電源關閉鍵和蜂鳴器鍵；共有12個LED，其中速度檔位顯示5個，用于反映當前速度檔位，蓄電池電量顯示7個，用于實時顯示蓄電池電量，提醒用戶在電量過低時及時充電。

3 軟件設計
3．1 程序結構
    根據電動代步車的功能需求，將控制器軟件劃分為4個主要模塊：系統自檢模塊、鍵盤和LED顯示模塊、搖桿檢測模塊以及電機控制模塊。圖4為控制器的主程序流程框圖。

3．2 系統自檢模塊
    系統自檢模塊是電動代步車安全性能的關鍵，主要完成對自身運行狀態(tài)和故障診斷，故障信息應及時處理并通過人機接口提醒用戶。由于電動代步車的使用對象為老年人和殘疾人，所以控制器的安全性尤為重要。系統自檢模塊主要完成如下任務：1)檢查充電器接口；2)檢查蓄電池電壓；3)檢查制動器接口；4)檢查搖桿接口；5)顯示故障狀態(tài)。
    為保障系統的穩(wěn)定性和可靠性，自檢模塊采用事件觸發(fā)機制。圖5為系統自檢狀態(tài)機，這些功能函數每秒執(zhí)行約100次。在系統自檢函數中有若干自檢標志，這些標志位初始值均是FALSE，如果在系統自檢函數中被置成TRUE或者在其他模塊中被置成TRUE，則說明故障發(fā)生，需要及時處理和對策。

3．3 搖桿檢測模塊
    搖桿檢測模塊的主要功能是獲取搖桿的位置參數，以計算左右驅動后輪的運轉方向和PWM脈寬，搖桿位置參數是電動代步車的關鍵參數之一。搖桿檢測模塊的主要功能有：1)檢測搖桿X方向的位置；2)檢測搖桿Y方向的位置：3)處理搖桿X方向的位置；4)處理搖桿Y方向的位置；5)獲得左電機的脈寬和方向；6)獲得右電機的脈寬和方向。
    如果把搖桿的信號看作是二維輸出信號，分別在二維坐標系中用X軸和Y軸表示。可以將X軸信號看作是代步車的轉向速度給定信號，而Y軸信號則可以看作是代步車的前向或后向速度給定信號。如果用戶想要轉向或前進，則可將代步車的運動方向看作是X和Y的矢量合成。當代步車前進或后退時，左右輪同時向前或向后轉動。當代步車向左轉時，右輪正向轉動，左輪反向轉動或保持不動；相反，當代步車向右轉時，左輪正向轉動，右輪反向轉動或保持不動。當兩輪中一輪向前轉動而另一輪向后轉動，電動代步車做原地360°回轉。
    搖桿模塊工作時，通過A／D轉換器不斷獲取搖桿XY兩個方向的坐標值，然后對這些坐標值進行處理，計算控制左右電機的PWM脈寬值。搖桿位置和左右電機脈寬的關系如圖6所示，在實際的檢測中，由于搖桿幾何尺寸的限制，XY坐標值不可能同時為最大值。出于安全因素的考慮，為防止出現死區(qū)，當XY坐標值都大于某一值時，左右電機的脈寬都輸出最大值。

3．4 電機控制模塊
    電機控制模塊是電動代步車的核心模塊，由于電機的運動狀態(tài)較多，所以該部分也采用了有限狀態(tài)機的編程方法，實踐表明通過合理地抽象電機運動狀態(tài)，可以使編程達到事半功倍的效果。電機控制的狀態(tài)流程圖如圖7所示。

    電機控制模塊有以下主要功能：1)左電機的速度和方向控制功能：2)右電機的速度和方向控制功能；3)左電機加減速功能；4)右電機加減速功能；5)左電機電流檢測功能；6)右電機電流檢測功能。
    合理的加減速控制可以大大增強電動代步車的舒適性。從搖桿檢測模塊獲得的電機脈寬參數并不會直接作用在電機上，而是有一個中間的變量，這個中間變量會和當前的脈寬進行比較，當和當前脈寬相差不大時，當前的脈寬值和期望值相同；若這兩個值相差較大時，這個中間變量會變大或者變小以減小和期待脈寬的差距。由于這些函數都是以每秒100次的速度快速運行，所以用戶感覺電機的啟動和停止都非常平穩(wěn)。

4 結論
    未來的電動代步車控制器將會朝著多功能化和個性化方向發(fā)展，操作舒適性和使用安全性依然是控制器設計的主旋律。工程師在安全性和舒適性方面不斷地精益求精，同時也更重視控制參數的可調整性，例如可以調整搖桿的靈活性，以適應不同的室內室外環(huán)境。提高電動代步車的安全性能，降低生產成本，提高用戶的自主操控能力，對取代傳統輪椅車具有重要意義。本文介紹的電動代步車控制器，能夠保證產品的使用性能，也降低了成本，已在實際產品中得到成功應用。該控制器功能還將在系統安全性，搖桿操控性能以及智能化程度等方面進一步改進和完善，為老年人和殘疾人提供更好的產品。