摘要：提出一種高性能低成本的電動(dòng)代步車(chē)控制器設(shè)計(jì)方案。該控制器以Atmel公司的AVR單片機(jī)為控制核心，H橋電路作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使用者通過(guò)搖桿操控電動(dòng)代步車(chē)的速度和轉(zhuǎn)向?？刂破鞯能浖糠钟上到y(tǒng)自檢、搖桿位置檢測(cè)和電機(jī)運(yùn)動(dòng)3大部分組成，并靈活使用系統(tǒng)時(shí)標(biāo)，事件觸發(fā)機(jī)制和有限狀態(tài)機(jī)等編程新方法，以確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。實(shí)踐表明，該電動(dòng)代步車(chē)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)多種故障診斷功能，電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，搖桿操作靈活，系統(tǒng)整體性能良好，能夠滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。
關(guān)鍵詞：代步車(chē)；微處理器；直流電機(jī)；搖桿

    本世紀(jì)將是一個(gè)人口老齡化程度越來(lái)越高的世紀(jì)，老年人和殘疾人的護(hù)理將是社會(huì)的一個(gè)沉重負(fù)擔(dān)。據(jù)老齡委統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2004年底，中國(guó)60歲及以上老年人口為1．43億，2014年將達(dá)到2億，2026年將達(dá)到3億，老齡人口的規(guī)模將越來(lái)越大。同時(shí)在我國(guó)人口中有8 296萬(wàn)殘疾人，占全國(guó)總?cè)丝诘谋壤秊?．34％，其中肢體殘疾人數(shù)2 412萬(wàn)，占29．07％。老年人和殘疾人這個(gè)龐大的弱勢(shì)群體需要一種適合他們心理和生理的代步車(chē)來(lái)滿(mǎn)足日常生活及參與社會(huì)活動(dòng)的需要。
    隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和人民的生活水平的不斷提高，手動(dòng)輪椅逐漸被性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)單、行駛安全的電動(dòng)代步車(chē)所替代。電動(dòng)代步車(chē)的出現(xiàn)除了能滿(mǎn)足老年人或殘疾人室內(nèi)外活動(dòng)的要求之外，還在醫(yī)療康復(fù)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。例如，腿部骨折的患者可以在康復(fù)過(guò)程中使用電動(dòng)代步車(chē)，那么即使腿腳不便也可以在一定的范圍內(nèi)自由活動(dòng)。電動(dòng)代步車(chē)作為醫(yī)療康復(fù)工具時(shí)也將增加若干功能，例如使用者可以通過(guò)調(diào)整座椅和靠背的角度，在電動(dòng)代步車(chē)的幫助下實(shí)現(xiàn)平躺或站立等不同姿勢(shì)。
    電動(dòng)代步車(chē)使用蓄電池作為能源，以直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安全可靠。老年人、殘疾人或者康復(fù)者只需要控制搖桿就可以控制電動(dòng)代步車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度和方向，學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單，操作方便，無(wú)需他人看護(hù)，這些特點(diǎn)可以很好的擴(kuò)大使用者的運(yùn)動(dòng)空間，豐富他們的生活。
    由于電動(dòng)代步車(chē)的使用對(duì)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(dòng)排除故障或?qū)⒐收纤鶐?lái)的后果減小到最低程度。為了造福萬(wàn)家，開(kāi)發(fā)一款性能穩(wěn)定、功能完善、價(jià)格低廉的電動(dòng)代步車(chē)通用控制器尤為重要。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
    電動(dòng)代步車(chē)大致可以分為4類(lèi)：室內(nèi)型，庭院型，功能型和道路型。室內(nèi)型電動(dòng)代步車(chē)操作輕巧靈活，適于室內(nèi)使用；庭院型電動(dòng)代步車(chē)主要用作戶(hù)外短距離代步使用；功能型電動(dòng)代步工具主要滿(mǎn)足醫(yī)療康復(fù)使用，功能較多；道路型電動(dòng)代步車(chē)動(dòng)力較強(qiáng)，適于在城市道路上較長(zhǎng)距離行駛。本文主要介紹庭院型電動(dòng)代步車(chē)。
    電動(dòng)代步車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)延續(xù)了傳統(tǒng)輪椅車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出人性化，具有舒適性和便攜性，同時(shí)為了配合電動(dòng)代步車(chē)的特性，在傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上加裝了一些減震部件，使得運(yùn)行更舒適平穩(wěn)。
    如圖1所示，電動(dòng)代步車(chē)主要由座椅、車(chē)架、驅(qū)動(dòng)后輪、導(dǎo)向前輪、蓄電池、電子控制器構(gòu)成。座椅固定在車(chē)架上，驅(qū)動(dòng)后輪一般設(shè)置在座椅后部，轉(zhuǎn)向前輪一般設(shè)置在椅座前部，蓄電池設(shè)置在椅座下方兩個(gè)驅(qū)動(dòng)后輪之間，電子控制器設(shè)置在椅座的扶手上。

    圖2為電動(dòng)代步車(chē)控制器結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括微控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、搖桿檢測(cè)電路以及人機(jī)對(duì)話(huà)接口等。為了有效保護(hù)和監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，提高電動(dòng)代步車(chē)的安全性能，還加入了電源電壓檢測(cè)接口、電機(jī)電流檢測(cè)、充電器檢測(cè)接口等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 微控制器
    微控制器并不是功能越豐富越好，應(yīng)遵循以下2條基本原則：一是微控制器的片內(nèi)資源恰好能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，靈活地使用片內(nèi)資源可以減少外圍擴(kuò)展芯片的數(shù)量，也以減小電路板的面積；二是在滿(mǎn)足功能的前提下，價(jià)格要盡可能的低。
    本控制器采用Atmel公司的Atmgeal6(L)。該型號(hào)的單片機(jī)片內(nèi)資源較為豐富，集成了EEPROM、A／D轉(zhuǎn)換器、PWM等功能模塊。EEPROM功能可以用于相關(guān)控制參數(shù)的掉電保存：PWM功能通過(guò)H橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速控制；A／D轉(zhuǎn)換功能可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的電流檢測(cè)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)搖桿位置信息的采集。作為RISC精簡(jiǎn)指令的高速8位單片機(jī)，和51內(nèi)核的單片機(jī)相比，在相同價(jià)格基礎(chǔ)上具有運(yùn)算速度上的優(yōu)勢(shì)。
2．2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    電動(dòng)代步車(chē)的2個(gè)驅(qū)動(dòng)后輪分別由2個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)。直流電機(jī)由2個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器IR2104控制的H橋功率電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即由4個(gè)功率MOSF-ET電路IRF1010N(VDSS=55 V，RDS(on)=11 MΩ，ID=85 A)組成電機(jī)的雙向速度控制電路，如圖3所示。當(dāng)PWM2為低電平時(shí)，VQ3截止，VQ4導(dǎo)通，PWM1輸入調(diào)速信號(hào)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)PWM1為低電平時(shí)，VQ1截止，VQ2導(dǎo)通，PWM1輸入調(diào)速信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

    由于電機(jī)的額定功率較大，在設(shè)計(jì)電機(jī)相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)注意過(guò)載保護(hù)和功率元件的散熱問(wèn)題。電動(dòng)代步車(chē)通過(guò)左右電機(jī)差速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各方向的運(yùn)動(dòng)，為了達(dá)到控制的協(xié)調(diào)性，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)算法也需要通過(guò)試驗(yàn)不斷修改。除此之外應(yīng)考慮電機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)的加減速過(guò)程，保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。
2．3 搖桿檢測(cè)電路
    搖桿是電動(dòng)代步車(chē)最為重要的輸入設(shè)備，搖桿既可以控制電機(jī)電源的打開(kāi)和關(guān)閉，也可以控制左右兩個(gè)電機(jī)的速度和運(yùn)行方向。
    控制器需要通過(guò)檢測(cè)搖桿的位置來(lái)確定電機(jī)的運(yùn)行速度，搖桿實(shí)質(zhì)上是一個(gè)位置傳感器，一個(gè)包含XY兩個(gè)垂直方向的位置傳感器。搖桿主要由4個(gè)位置固定的線(xiàn)性霍爾和4個(gè)可以移動(dòng)的磁鋼組成，若搖桿被推動(dòng)，磁鋼和線(xiàn)性霍爾的相對(duì)位置就會(huì)改變，線(xiàn)性霍爾的輸出電壓也跟著變化，控制器通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器測(cè)量這4個(gè)電壓值，以確定搖桿的位置。
    線(xiàn)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(dòng)代步車(chē)的操縱性能也就越好，所以線(xiàn)性霍爾的選擇非常重要。本控制器采用Honeywell的SS490系列線(xiàn)性霍爾，其靈敏度可達(dá)3．125 mV／G，可以滿(mǎn)足要求。
2．4 人機(jī)對(duì)話(huà)接口
    面板是重要的人機(jī)對(duì)話(huà)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(shè)計(jì)原則是簡(jiǎn)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(lái)顯示這些值的變化情況。
    面板功能鍵共有5個(gè)，分別是速度檔位增加鍵，速度檔位降低鍵，電源打開(kāi)鍵，電源關(guān)閉鍵和蜂鳴器鍵；共有12個(gè)LED，其中速度檔位顯示5個(gè)，用于反映當(dāng)前速度檔位，蓄電池電量顯示7個(gè)，用于實(shí)時(shí)顯示蓄電池電量，提醒用戶(hù)在電量過(guò)低時(shí)及時(shí)充電。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 程序結(jié)構(gòu)
    根據(jù)電動(dòng)代步車(chē)的功能需求，將控制器軟件劃分為4個(gè)主要模塊：系統(tǒng)自檢模塊、鍵盤(pán)和LED顯示模塊、搖桿檢測(cè)模塊以及電機(jī)控制模塊。圖4為控制器的主程序流程框圖。

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

3．3 搖桿檢測(cè)模塊
    搖桿檢測(cè)模塊的主要功能是獲取搖桿的位置參數(shù)，以計(jì)算左右驅(qū)動(dòng)后輪的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和PWM脈寬，搖桿位置參數(shù)是電動(dòng)代步車(chē)的關(guān)鍵參數(shù)之一。搖桿檢測(cè)模塊的主要功能有：1)檢測(cè)搖桿X方向的位置；2)檢測(cè)搖桿Y方向的位置：3)處理?yè)u桿X方向的位置；4)處理?yè)u桿Y方向的位置；5)獲得左電機(jī)的脈寬和方向；6)獲得右電機(jī)的脈寬和方向。
    如果把搖桿的信號(hào)看作是二維輸出信號(hào)，分別在二維坐標(biāo)系中用X軸和Y軸表示?？梢詫軸信號(hào)看作是代步車(chē)的轉(zhuǎn)向速度給定信號(hào)，而Y軸信號(hào)則可以看作是代步車(chē)的前向或后向速度給定信號(hào)。如果用戶(hù)想要轉(zhuǎn)向或前進(jìn)，則可將代步車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向看作是X和Y的矢量合成。當(dāng)代步車(chē)前進(jìn)或后退時(shí)，左右輪同時(shí)向前或向后轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)代步車(chē)向左轉(zhuǎn)時(shí)，右輪正向轉(zhuǎn)動(dòng)，左輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)或保持不動(dòng)；相反，當(dāng)代步車(chē)向右轉(zhuǎn)時(shí)，左輪正向轉(zhuǎn)動(dòng)，右輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)或保持不動(dòng)。當(dāng)兩輪中一輪向前轉(zhuǎn)動(dòng)而另一輪向后轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)代步車(chē)做原地360°回轉(zhuǎn)。
    搖桿模塊工作時(shí)，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器不斷獲取搖桿XY兩個(gè)方向的坐標(biāo)值，然后對(duì)這些坐標(biāo)值進(jìn)行處理，計(jì)算控制左右電機(jī)的PWM脈寬值。搖桿位置和左右電機(jī)脈寬的關(guān)系如圖6所示，在實(shí)際的檢測(cè)中，由于搖桿幾何尺寸的限制，XY坐標(biāo)值不可能同時(shí)為最大值。出于安全因素的考慮，為防止出現(xiàn)死區(qū)，當(dāng)XY坐標(biāo)值都大于某一值時(shí)，左右電機(jī)的脈寬都輸出最大值。

3．4 電機(jī)控制模塊
    電機(jī)控制模塊是電動(dòng)代步車(chē)的核心模塊，由于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較多，所以該部分也采用了有限狀態(tài)機(jī)的編程方法，實(shí)踐表明通過(guò)合理地抽象電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以使編程達(dá)到事半功倍的效果。電機(jī)控制的狀態(tài)流程圖如圖7所示。

    電機(jī)控制模塊有以下主要功能：1)左電機(jī)的速度和方向控制功能：2)右電機(jī)的速度和方向控制功能；3)左電機(jī)加減速功能；4)右電機(jī)加減速功能；5)左電機(jī)電流檢測(cè)功能；6)右電機(jī)電流檢測(cè)功能。
    合理的加減速控制可以大大增強(qiáng)電動(dòng)代步車(chē)的舒適性。從搖桿檢測(cè)模塊獲得的電機(jī)脈寬參數(shù)并不會(huì)直接作用在電機(jī)上，而是有一個(gè)中間的變量，這個(gè)中間變量會(huì)和當(dāng)前的脈寬進(jìn)行比較，當(dāng)和當(dāng)前脈寬相差不大時(shí)，當(dāng)前的脈寬值和期望值相同；若這兩個(gè)值相差較大時(shí)，這個(gè)中間變量會(huì)變大或者變小以減小和期待脈寬的差距。由于這些函數(shù)都是以每秒100次的速度快速運(yùn)行，所以用戶(hù)感覺(jué)電機(jī)的啟動(dòng)和停止都非常平穩(wěn)。

4 結(jié)論
    未來(lái)的電動(dòng)代步車(chē)控制器將會(huì)朝著多功能化和個(gè)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(shè)計(jì)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(shí)也更重視控制參數(shù)的可調(diào)整性，例如可以調(diào)整搖桿的靈活性，以適應(yīng)不同的室內(nèi)室外環(huán)境。提高電動(dòng)代步車(chē)的安全性能，降低生產(chǎn)成本，提高用戶(hù)的自主操控能力，對(duì)取代傳統(tǒng)輪椅車(chē)具有重要意義。本文介紹的電動(dòng)代步車(chē)控制器，能夠保證產(chǎn)品的使用性能，也降低了成本，已在實(shí)際產(chǎn)品中得到成功應(yīng)用。該控制器功能還將在系統(tǒng)安全性，搖桿操控性能以及智能化程度等方面進(jìn)一步改進(jìn)和完善，為老年人和殘疾人提供更好的產(chǎn)品。