TWI248811B - Digital controller design for powered wheelchair - Google Patents

Description

1248811 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種數位式電動輪椅控制器，特別是有 關於-種採數位化設計，所有系統運作皆由微處理器d) 以軟體方式進行運算及控制的電動輪椅控制器。 【先前技術】 早期的電動輪椅，乃將電池、馬@、 Λ ^^^ 3運、搖桿及控制器等鸯 1控#)$置加裝在手動輪椅上，因此電動輪椅 元全與手動輪椅㈣，並無考量相關人 設計的匹配。直到80车供，其於士去、 工鞋及動乂 的需求、人ra ώ " 度神經肌肉病變使用清 座姿擺位支撐的臨床治療效益考量，潑 展出動力底盤（P0wered Chassis)盥靠 斗 >4, ^ #月椅座支撐分籬的1 " 神！肌肉病變患者、行動不便 導致下貼七 ,^ 老人、中風、脊髓損傷 导致下肢或四肢癱瘓之患者等缺乏獨立 椅成為他們* φ ΑΛ A 動之功能’因此輜 風马他們主要的曰常生活行動辅具。 台灣目前為電動輪椅/代步車主 的類比控制哭n ^早主要輪出目，但本土所開發 進口。類比；It /新型的數位式控制器則皆由國外 大員比式設計的硬體電路，苴 充性不易、盔法VΦf a、”，、為电路功能修改及擴 者對不同介面的兩卡，曰甘、 此難以滿足不同使用 的效果不佳。此：:類弋、：制外界雜訊電磁波干擾(EMI)等 因此在電路特性不匹配下無法提供複雜的分析計算， 近年來國内廠商大曰倍用’導致整體電動輪椅的效率下降。 礙商大董使用進口的數位控制器，其高耗能導致 ^48811 效率低，且處理速度慢 組裝過程中無法提供、、、处理爆衝之情形），故在輪椅設計 統匹配及機電整人。尋達、輪椅結機構及控制器最佳化之系 例增益式搖桿，2 : ’木:乍介面為利用卩變電阻所設計的比 為解析度及靈敏度；J執仃速度與轉動方向的變化，其缺點 作使用，例如患者常^不因此對於影響神經肌肉病變者的操 情形時，搖桿；二不自主性的顫動、肌肉張力及痙攣的 椅的使效:^斷控制命令。針對電動輪 中重度腦性麻痺，導致::都疋因為脊髓損傷、腦傷、中風、 活、行動不便：:、!肌肉控制異常，造成手功能不靈 者肢k %疋及下肢癉瘓等情形發生，因使用

牙肢體功能性不佳，雲 M 巴控制、無線控制等），拉 控介面（如吹吸控制、下 ,H 寺）廷些特殊操控介面多以數位式編碼1 言:配合數位控制器使用，而目前國内現有輪椅操控== 滿足使用者需求。 千L 面無法 【發明内容】 口此本發明的目的就是在提供一種數位 制器，針對使用者的介而” ^ 电動輪才可控 们彡丨面雨求，以數位訊號處理（Ds 統化設計。 式糸 π本發明的另-目的就是在提供一種數位式電動輪椅控制 為’引進η車之電子式防鎖死(ABS)之控制觀念，當 會讓使用者有向前遽衝之感覺。 〜 ^ 本發明的又—目的就是在提供一種數位式電動輪椅控制 1248811 益’提供良好的制者操控介面，並簡化電路設計。 „„根據本發明之上述目的，提出—種數位式電動輪椅㈣ 少包括人機介面控制模組、數位訊號處理器模組、馬 =動模組、電流檢測單元以及儲存記憶模組。 控

:換組可提供複數個參數輪入。數位訊號處 J 將這些參數轉換為複數個數位訊號，並運算這些數)位訊： 後，將之轉為複數個類比訊號後輸 ;u .+.s L ^ 現俊輸出。馬達驅動模組接收這 二類比汛號並轉換成複數個馬達 、圭絲岵十 楚逑柃电壓，以產生對應之馬 鈿认山 私机^測早兀可檢測馬達驅動模 、，且輸出之馬達運轉電壓與對瘅 、 s 4 、對應之电流，亚迴授至數位訊號處 理為杈組，以抑制電流過载， -fl Ψ ^ ^ ^ ^ :子5己憶模組，與該數位 Λ號處理态扠組相連，以儲存 Μ, 碎孖貝枓。其中，數位訊號處理器 板、、且至y包括類比/數位轉換單 、 （A/D)、脈波寬度調變（PWM) 早凡以及電腦通訊（SCI)單元，而民、去庄▲ t ^ ^ ^ ^ 馬達驅動模組至少包括脈波 广=缝組電路、Η型馬達驅動模级電路、金氧半電晶體 驅動模組電路與磁碟煞車驅動模組電路。此外，數 位訊號處理器模組也包括一馬達 ’運匹配表，可根據使用者輸入 的速度，得到馬達的最佳輸出值。 根據本發明之另一目的，楹 ,5 . . ^ ^ 知出一種數位式電動輪椅控制 為的控制方法，至少包括如下步 八二驟百先，使用者藉由人機 W面控制模組輸入一訊號，接菩， .,^ σ. 者數位訊號處理器模組接收 此汛號，並轉換為複數個參數。 此灸奴、， 数數位訊唬處理器模組運算這 ,,,,r . ^ ^侍到一輸出訊號。然後， 馬達驅動杈組接收此輸出訊號 U亚將此輸出訊號轉換成一馬 1248811 達運轉電壓輸出至至少一馬達與一電流檢測單元。最後，電 流檢測單元將馬達運轉電壓迴授至數位訊號處理器模組，以 抑制電流過載。當使用者有新的訊號輸入時，則重複此流程。 其中’當數位訊號處理器模組接收使用者輸入之訊號時，數 位訊號處理器模組會先判斷此訊號為人機介面控制模組之搖 桿或按鍵輸入，當訊號為搖桿輸入時，數位訊號處理器模組 利用内建之類比/數位轉換單元轉換訊號，而當訊號為按鍵輸 入時，數位訊號處理器模組則利用内建之輸入/輸出（1/〇)轉換 功能轉換㈣。此外’本發明還可使用數位訊號處理器模組 内建之電腦通訊單元，透過與電腦通訊的功能，以電腦紀錄 這些參數。 【實施方式】 電動輪椅採用兩顆馬達以電子式差速 者經搖桿或操作介面，達 气入入、，队 達速度及轉向^令後，經控制器解 本輪馬達不同琶壓，來達到不同轉速效果。 |種數位式電動輪椅控制器，考量使用者功处之 差異及不同需求，在機1入卜〜号里使用者功月匕之 有刷馬達⑽DC)功率心八:楝討動力驅動模型及直流 配設計。 、’刀斤，亚對系統各單元做最佳化匹 本毛月之电動輪椅系統操作控制方 _ 控制轉彎方向η山w '如弟1圖所示，其 退命令後，系絲古土 4 用者下達轉彎或前進後 將命令轉成電壓 吏…、車糸統失效，並 虎且對此訊號作修正及限制，調整信號至 1248811

:’乾圍内’包括速度修正、執跡判斷等。訊號輸送至馬達 後，欲將系統穩定運作需外加電㈣流迴授抑制、比例積分 微分控制鎖定裝置，使輸出訊號迴授至前級監督及控制修 正’確保系統可以在平衡穩定速度下舒適行駛。本發明先對. 各馬達作測試，在^同負載下，量測各馬達之電壓、電流、 轉速扭矩與效率，建立一馬達匹配表，並以比例積分微分 控制咖P〇rtl〇nal Integral and Denvative c〇_! ; piD

Cc—)法則與驗寬度調變方式來控制馬達的#出。本發明 可根據使用者輸人的速度，獲得馬達的電壓電流值，再根據 内建之馬達匹配表’侍到馬達的最佳輸出值，並配合電流檢 測單元得到的回饋值，去調整左右輪實際的輸出速度，以達 到左右輪的匹配，確保電動輪椅的安全性與舒適性。 本發明之電動輪椅整體控制系統設計架構如第2圖所 不，包括人機介面控制模組、數位訊號處理器（〇§ρ)模組、馬 達驅動模組、電流檢測單元以及儲存記憶模組，其中，數位 訊號處理器模組包括類比/數位轉換單元（A/D)、脈波寬度調變 (PWM)單元以及電腦通訊（SCI)單元。使用者利用搖桿或鍵盤 下達命令，經由數位訊號處理器模組内建之類比/數位轉換單 元將"卩7 σί1唬®化為數位訊號後，再經數位訊號處理器模 組解譯命令及運算，接著將輸出結果送往馬達驅動模組，以 產生對應之馬達轉速。本發明之電動代步車各模組說明如下。 人機介面控制模組為搖桿或按鍵之類等操作介面，提供 方向及速度參數等介面控制，例如··前進、後退、左轉、右 轉 '原地旋轉、速度之控制等，電動輪椅需要透過電子式差 1248811 、、弋達成以上的需求。本模組使用二維平面的電阻式分壓 搖才干作為訊號輸人，可以直接提供穩定的訊號，有利於差速 時之計算分析。 數位訊號處理器模組包括類比/數位轉換單元、脈波寬度 調變單元以及電腦通訊單元。因為外界訊號之物理量皆為類 比訊號，在使用數位方法設計控制器時，必須將類比訊號量 化成〇、1等數位訊號才能演算控制，因A，本模組之類比/ 數位轉換早兀包括搖桿界面、前進、後退、方向參數的量化， 舁，飢、電壓檢測值的量化。本單元以LM324作為搖桿與控 制之"面電壓及阻抗的訊號處理，具有良好的阻抗匹配與 雜訊抑制等優點。 脈波寬度調變單元以數位方式設計，可以快速且有效率 地控制馬達的轉速。脈波寬度調變單元可應用於控制直流有 刷馬達的速度，在輸出電壓不變的狀況下，可調整時間週期， 使其輸出之平均電壓下降。在數位化設計了，本單元使用 LF2407晶片提供16組脈波寬度調變訊號輸出，且有四種操作 模式，可解決傳統電路複雜之缺點，具有由程式處理訊號輪 出、早電源、不需要數位/類比(D/A)轉換電路 意調整等優，點。 羊了任 窃電腦通訊單元利用LF2術晶片之串列傳輸的介面，操取 電壓、電流、搖桿、比例積分微分控制等參數，作 數及診斷測試之用途。LF2407曰片之串值& ’、、。又， 日日片之串列傳輪介面透過 助2的通訊格式與桌上型或筆記型電腦完成通訊，且將^ 儲存。本早兀採用AD32G2作為桌上型電腦與l 、 1 ^ /曰曰月之 10 1248811 "面傳輸’其優點為容易取得且可即時透過筆記型電 所需參數。 、、、輝 矣“馬達驅動模組由脈波寬度調變模組電路、H型馬達驅動模 、且電路、金氧半電晶體驅動模組電路與磁碟煞車驅動模組電 路所組成，負責驅動馬達運轉、前進後退及煞車磁^控制。 ^達驅動模組將前級控制馬達之脈波寬度調變小訊號轉換成 二正馬達運轉電壓，進而控制—直流有刷馬達轉速，並配合 橋式4什達到正反轉效果。本模組採功率金氧半電晶體 (P〇Jver MOSFET)作為速度及電壓運轉之控制，其優點為功率 金氧半電晶體無切換噪音，且體積小、速度快。 電’IL & 單元可檢測電流及速度，並迴授修正以趨達真 正速度及電流過載抑制’以防止馬達鎖死、過載等現象發生， 並防止產生大電流而燒毀驅動單元。此外，因電流與轉速之 奇係趨近於線性，故可經由此單元檢測估算出目前馬達運轉 之大約轉速。另一方面，由於電動輪椅具有兩顆馬達以控制 右轉故本單元可藉由檢測電流數值，判斷兩顆馬達是否 達到同步之功能，以避免輪椅翻覆之危險。本單元係採用霍 爾元件，感應磁場換算出電流，具有不耗功率的優點。 儲存冗憶模組儲存資料參數，如：馬達參數、速度、煞 ^ $間參數等，方便提供使用者在煞車時間及速度上之極限 設定，提供個別化之參數資料儲存。儲存記憶模組可防止因 斷^而這成之資料流失，故設計上採用電子可抹除可程式化 唯讀記憶體（EEPROM)當記憶體，而為了更節省空間，本模組 採用串列式電子可抹除可程式化唯讀記憶體（SEE叹⑽）。 11 1248811 此外本發明引進汽車之電子式防鎖死（abs)之控制觀 念，煞車時不會讓使用者有向前遽衝之感覺，提供使用者及 老年人更舒適安全之操控。 本發明使用C〇mposer發展程式工具撰寫及編譯程式流 程’可以有效率地處理搖桿、電壓、電流所輸入之訊號，且 在比例積分微分控制或馬達的驅動控制上，更具有即時控制 (R^Tlme Control)的功能’避免因控制時間延緩導致電量流 失使仟效率減低’其優點為容易修改程式碼及在編譯程式 時’使用者可以由簡單的人機介面處理編譯程式。本發明之 控制流私如弟3圖所示，雷、、；§戸弓岛· /么 .. 口⑺不电源開啟後，會先初始化系統功能。 在使用者藉由搖桿或按鍵輸人—訊號後，數位訊號處理器模 組先利用内建之功能，如按鍵訊號利用輸入/輸出（ι/〇)功能、 搖杯訊號利㈣比/數位（A/D)轉換功能，將訊號轉換為數值表 數，接著將數值參數處理成前進、後退、左轉、右轉等命令 進行運算。接著進行運_跡_，並㈣比例積分微分控 制法則控制馬達速度，且限制增益與啟動速度，以防止爆衝 見象i:後’馬達电塵及電流處理程式將電塵及電流迴授至 數位訊號處理器模組，以抑制電流過載。當使用者輸入新的 訊號時，則重複流程。此外，本發明還可使用數位訊號處理 器模組内建之電腦通訊單元，透過與電腦通訊的功能，以電 腦紀錄電流及運動軌跡參數。 因此，由上述本發明之較佳實施例可知，應用本發明且 有下列優點。首先’本發明採數位化設計，故煞車時間、操 控靈敏度、馬達反應時間等皆可由控制器之軟體程式調整設 12 1248811 定因此本發明可依隨個人習慣性及舒適性進行調整。其次， 本名X月提t、良好的使用者操控介面且簡化電路設計。此外， 本發明配合馬達特徵曲線測試及動力學考量設計，提供廠商 取“化組件匹配及機電整合，改善電動輪椅整體效率及使用— 功能。 /、、、:本I明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以 =疋本發明’任何熟f此技藝者，在不脫離本發明之精神和 範圍内’當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 备視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和置# /、 的、特徵、和優點能更明顯 易懂，下文特舉一較佳眚施栩 ^ 月匕 明如下： I佳α例，並配合所關式，作詳細說 圖 第1圖係繪示本發明之電動輪椅系 統操作控制方式流程 圖 第2圖讀示本發明之電動輪椅整體控㈣統設計架構 第3圖係緣示本發明 之電動輪椅之控制流程圖 主要元件符號說明 13

Claims (1)

1248811 十、申請專利範園 至少=種數位式電動輪椅控制器，該數位式電動輪椅控制器 一人機介面控制模組，提供複數個參數輸入· 數位；處理器(DSP)模組，將該些參:轉換為複數個 於轉為些數位㈣後，料㈣算後之數位訊 唬轉為硬數個類比訊號後輸出； 達運轉電Τ動Γ，接收該些類比訊號並轉換成複數個馬 轉電昼，以產生對應之馬達轉速來驅動至少一馬達； 電流檢測單元，檢測贫呙遠 … 運轉電物應之電流，組：出之該些馬達 以抑制電流過載；以及 U至缝位«處理器模組， 存資：錯存記憶模組，與該數位訊號處理器模組相連，以儲 2 ·如申請專利範圍第1項所述之數# + + 器，A m德入 Η κ數位式電動輪椅控制 介面。 ~ 忏Α 面控制器等控制 器 桿 3 ·如申請專利範圍第1 其中該人機介面控制模 項所述之數位式電 組使用《一維平面的電 動輪椅控制 阻式分壓搖 14 1248811 器，4其專利範㈣1項所述之數位式電動輪椅控制 〃位訊號處理器模組至少包括類比/數位轉換單元 服波寬度調變（PWM)單元以及電腦通訊（SCI)單元。 器二_t申請專利議1項所述之數位式電動輪椅控制 :衾4馬達驅動模組至少包括脈波寬度調變模組電路、Η 與磁碑！：模組電路、金氧半電晶體(MOSFET)驅動模組電路 碟…、車驅動模組電路。 6.如申請專利範圍第i項所述之數位式電動輪椅控制 [其中該馬達驅動模組採用功率金氧半電 p MOSFET)。 7.如申請專利範圍第1項所述之數位式恭說认μ 默1正忒屯動輪椅控制 器，其中該馬達係直流有刷馬達。 8·如申請專利範圍帛"員所述之數位式電動輪椅控制 器’其中該電流檢測單元更包括估算馬 功能。 逆轉之大約轉速的 9.如申請專利範圍第1項所述之數位式雷說认士 |m巧冤動輪椅控制 器，其中該電流檢測單元係採用霍爾元 制 1〇·如申請專利範圍第！項所述之數位式電動輪椅控 15 1248811 斋’其中該儲存記憶模組係使用串列式電子可抹除可程式化 唯讀記憶體（SEEPROM)。 11 ·如申請專利範圍第丨項所述之數位式電動輪椅控制 為’更包括電子式防鎖死控制，煞車時不會讓使用者向前遽 衝。 ^丨2·如申請專利範圍第1項所述之數位式電動輪椅控制 中《亥數位訊號處理器模組包括一馬達匹配表，可根據 使用者輸入的速度，得到馬達的最佳輸出值。 13 · —種數位式電動輪椅控制器的控制方法，該數位式電 動輪椅控制器的控制方法至少包括： 使用者藉由一人機介面控制模組輸入一訊號； 一數位訊號處理器模組接收該訊號，並轉換為複數個參 數； ’ 、，該數位訊號處理器模組運算該些參數，並進行運動執跡 判斷’以得到一輸出訊號； 一馬達驅動模組接收該輸出訊號，並將該輪出訊號轉換 成-馬達運轉電壓輸出至至少—馬達與一電流檢測單元；以 及 該電流檢測單元將該馬達運轉電壓迴授至該數位訊號處 理器模組，以抑制電流過載。 16 1248811 •如申請專利範圍第13項所述之數位 器的控制方法，1中节人嫵人 笔動輪椅控制 ^ 一甲4人機介面控制模組係為搖搵> μ二 介面控制器等控制介面。 梓、知鍵或 I5·如申請專利範圍第13項所述之數位 器的控制方、本 甘+ 次％動輪椅控制 法，/、中該數位訊號處理器模組至少 數位轉換單亓rA/m .,. 匕括類比/ 通訊（SCI)單元。 轉換早碌/D)、-脈波寬度調變（pWM)單元以及一電腦 i6·如申請專利範圍第 哭沾知4 〜，丨心〜妖很八冤動輪椅控讳 二她工彳方法，其中該數位訊號處理器模組接收該訊號，J 、為複數個參數之步驟更包括判斷該訊號為該人機介面老 制核組之該搖桿或該按鍵輸入。 哭、I7·如申請專利範圍第16項所述之數位式電動輪椅控制 為的控制方法，其中當該訊號為該搖桿輸入時，該數位訊號 處理器模組利用内建之該類比/數位轉換單元轉換該訊號。 哭、18·如申請專利範圍第16項所述之數位式電動輪椅控制 w的控制方法，其中當該訊號為該按鍵輸入時，該數位訊號 處·王里35 士从z 為核級利用内建之一輸入/輸出（I/O)轉換功能轉換該訊 號。 19·如申請專利範圍第13項所述之數位式電動輪椅控制 17 1248811 器的控制方法， 並進行運動執跡 用該數位訊號處 錄該些參數。 其中該數位訊號處理器模組運算該些參數， 判斷，以得到一輸出訊號之步驟，更包括使 理器模組内建之該電腦通訊單元，以電腦紀 哭 士申、明專利範圍第1 3項所述之數位式電動輪椅控制 :/控制方法’其中該數位訊號處理器模組運算該些參數， 田、丁運動執跡判斷’以得到一輸出訊號之 用比例積分微分控制法則、限制增益與啟動速度。 器的=專項所述之數位式電動輪椅控制 電阻式分壓搖桿:〃面控制模組係使用二維平面的 器的控：：：專::圍弟、13項所述之數位式電動輪椅控制 模组:路、H型"S馬達驅動模組至少包括脈波寬度調變 误、、且逼路、H型馬達驅動模 路與磁碟煞車驅動模組電路/ 電晶體驅動模組電 23.如申請專利笳圚镇 器的控制方法，^項所述之數位式電動輪椅控制 (Power MOSFET)〇 巧杈組_㈣金氧半電晶體 认如申請專利範圍第13項所述之數位式電動輪椅控制 18 1248811 為的控制方法，其中該馬達係直流有刷馬達。 25·如申請專利範圍第Η項所述之數 哭沾如心+、 、兒動輪椅控制 "、控制方法，其中該電流檢測單元更包括估算 ,,,^ 巧建運轉之 器的 • σ甲請專利範圍第1 3項所述之數位式電動季 控制方法，其中該電流檢測單元係採用霍爾元件 哭的=:、:專利範圍第13項所述之數位式電動輪椅控制 " 去，其中該儲存記憶模組係使用串列式Φ j 除可程式化唯讀記憶體。 J式電子可抹

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