基于AVR的电动轮椅控制系统设计与实现
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摘 要：
根据永磁无刷直流电机控制系统设计参数、成本等各方面要求，设计以AVR单片机为主控以及MOSFET驱动电路的硬件平台，提出了一种针对轮毂式两轮驱动电动轮椅的差速控制及驱动方案。综合各项参数设计出合理的差速协调控制策略构成主从控制系统具有平滑启动、速度稳定安全和过流、过压和过热保护功能。本控制系统功能较完善、硬件结构简单、成本较低，实际工程中有一定应用价值。
关键词：电动轮椅;AVR单片机;BLDC;PID控制;差速控制
中图分类号：TM33
文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0058-04
0 引 言
据老龄委统计结果显示，2014年底，中国60岁及以上老年人口将达2亿，2016年将达到3亿，老龄人口规模将越来越大。同时在我国人口中有8 296万残疾人，占总人口比例的6.34%，其中肢体残疾人数2 412万，占29.07%。老年人和残疾人这个庞大的弱势群体需要一种适合他们心理和生理的电动轮椅来满足日常生活及参与社会活动的需要。
电动轮椅是以蓄电池为能源、电机驱动的轮椅，为残疾人和老年人活动提供更多便利，因此电动轮椅控制器的设计要充分考虑便捷操作、安全等特点，控制系统需具备启动平缓、无极调速，安全刹车以及电气系统故障检测与保护等功能。根据电动轮椅性能及要求，本文设计了一种双独立电机差速驱动的电动轮椅控制系统。
1 系统组成及工作原理
电动轮椅由轮椅车主体、控制器、操纵杆人机接口和蓄电池4部分组成。轮椅由4轮构成，其中前轮起到换向和跟从的作用，2个后轮采用独立驱动方式，即每个车轮轮毂直接由无刷直流电机构成，无任何联动结构，轮椅的运行姿态均通过控制器提供的控制参数实现。电动轮椅人机接口由方向摇杆与速度按键组成。其中方向控制操纵杆可以提供前进、后退、左转、右转4个方向档。对应方向操纵杆4个档位及设定的速度，配置4种控制指令，如表1所示[2]。
图1为电动轮椅控制系统框图。该控制系统由ATmega128主控电路和ATmega8操纵杆电路组成。其中系统主控电路部分包括：三相桥式MOSFET逆变电路、驱动功率保护电路、位置传感器检测电路、LIN总线通信电路和电源5个部分;操纵杆电路部分包括：开关、喇叭、加减档、方向控制、充电接口等几个部分。
表1 电动轮椅的典型控制策略
轮椅运
动状态前进/
（r・min-1）后退/
（r・min-1）左转向/
（r・min-1） 右转向/
（r・min-1）
左电机正转
ω=50c（v）反转
ω=50c（v） 反转
ω=50c（v） 正转
ω=50c（v）
右电机反转转速
跟随左轮正转转速
跟随左轮正转
ω=50c（v）反转
ω=30c（v）
注：ω代表电机转速;c（v）是车速的线性函数。
图1 电动轮椅控制系统框图
蓄电池24 V电压供给控制器电源模块，经过DC-DC转换模块得到15 V及5 V的直流电压分别供给MOSFET驱动电路及单片机MCU。控制器根据操纵杆、档位按键的信号，输出相应的PWM方波信号经过信号的预处理单元整形、滤波控制MOS管驱动电路，控制电机转速。ATmega128接收电机霍尔位置传感信号，对其译码，以决定换相顺序，从而实现电机电子换相。电流采样单元检测负载电流，一旦电机电流过大，触发中断，单片机发出过流保护指令，避免电机和控制器损坏。
2 控制系统主要硬件电路设计
本系统主控采用Atmel公司的ATmega128-16U。该型号单片机片内资源比较丰富，内部带有128 K的系统内可编程Flash存储器，可同时读写;4 KB的SRAM;53个通用I/O端口;32个通用工作寄存器;集成了PWM、A/D转换、EEPROM以及多种通信接口电路等功能模块[3]。
2.1 MOSFET驱动电路
电动轮椅的2个驱动后轮分别由2个直流无刷电机带动，每个直流电机由3个半桥驱动芯片IR2103S控制6个N沟道的MOS管进行驱动。MOSFET驱动电路时控制器与电机相连的部分，驱动电路依据控制器发出的逻辑信号控制上下桥MOS管的导通与截止。
以无刷直流电机U，V相为例，如图2所示。
当U_PWM、U_EN输入高电平时，T1导通T2截止，V_PWM、V_EN输入低电平时，T3截止T4导通，此时电流由U相流向V相，改变无刷电机三相电流流向，实现电子换向，通过PWM占空比来调整MOS管开关频率实现电机调速[4]。
图2 MOSFET驱动电路
由于电机额定功率较大，在设计MOSFET驱动电路是要注意过载保护和功率元件的散热问题。电动轮椅通过左右电机的差速运动实现各个方向运动，为了达到控制协调性，要在完善的硬件设计上，对电机的运动算法不断改进。除此之外要考虑电机启动或停止时加减速过程，保证运动的平稳性[5]。
2.2 相电流检测电路
无刷直流电机采用两两导通方式，在低速大负载时，电机绕组上会产生大电流，进而使得MOS管流过大电流，很容易使MOS管烧毁，造成控制器无法正常工作。因此需要实时对相电流进行检测，以便电流过大时发出中断指令保护控制器。
如图3所示，运用一个LM358构成相电流检测电路。LM358包含2个独立、高增益的运放，图3中U1A为比较器，用于过流时产生比较中断，U1B为放大器。采样电阻用一个小阻值的康铜（图3中KT），其两端电压经放大输出给MCU，完成电流采样。放大倍数由R50，R51决定。同时康铜两端电压与已知电压比较，比较器阈值由R47，R48分压得到，超过阈值产生过流中断，完成过流保护。
图3 相电流检测电路
2.3 操纵杆及人机接口
操纵杆是轮椅最重要的输入设备，既可以控制左右电机速度又能控制运行方向。控制器需要通过检测操纵杆的位置来确定电机运行速度，操纵杆实际上是一个位置传感器，一个包含X和Y两垂直方向的位置传感器。操纵杆由位置固定的线性霍尔和可移动磁钢组成，推动操纵杆，线性霍尔输出电压线性变化，控制器通过A/D采样X和Y轴电压值，然后通过一定算法得出左右电机PWM驱动信号。
面板是重要的人机接口，良好的人机界面给操纵者带来方便，包括功能按键、速度档位显示、蓄电池电量显示等。考虑到整体美观和成本，面板采用LED组成的光柱显示这些值的变化。面板功能按键有5个，分别是电源开关键，速度档位加减键，蜂鸣器键和面板灯键;共12个LED，其中速度档位5个，用于反应当前速度档，电量显示7个，实时显示蓄电池电量，提醒用户及时充电[6]。
3 控制系统软件设计思路
根据电动轮椅的功能需求，控制器软件主要划分以下几个模块：系统初始模块、操纵杆检测模块、操纵杆与控制电路通信模块、控制参数算法处理模块、电机驱动控制模块。系统程序流程框图如图4所示。
系统初始模块主要完成自身运行状态和故障检测，是轮椅安全性能的关键。由于轮椅使用对象为老年人和残疾人，所以控制系统安全至关重要。完成蓄电池、制动器、操纵杆接口、故障等检测，并显示在面板上。
操纵杆检测模块主要完成获取操纵杆位置参数，计算左右驱动轮运行方向和PWM脉宽。把操纵杆信号看作二维输出信号，用二维坐标X轴和Y轴表示。用户实现转向或前进后退可以将轮椅运动方向看作是X和Y轴的矢量合成。
图4 系统程序流程框图
3.1 通信协议
通过串口完成操纵杆电路到主控电路的数据交换，操纵杆电路给主控电路发送控制信息，主控电路给操纵杆电路发送电量、故障等信息。
根据通信的内容和长度，通信协议的数据帧格式如表2所示。每位数据编码使用标准不归零码（NRZ）。数据帧采用一个字节定义参数代码，规定传输数据的内容，随后一个字节表示具体传输的内容，校验和表示奇校验的值。
表2 通信协议数据帧格式
起始
数据参数代码数据校验和停止位
55H1 byte2 byte1 byteAAH
3.2 PID控制
要使电机平滑启动、转速稳定在某一预定转速，需要随时监测电机转速并与设定值相比较根据比较结果调整电机转速，使之尽量接近设定值，采用典型的闭环控制反馈策略PID（比例-积分-微分）控制算法[7]。PID控制算法较普遍，直接给出PID表达式：
ui=kpei+kl∑kj=0ej+kd（ei-ei-1）+u0（1）
式（1）中：i为采样序号;ui为第i次采样时刻的输出值;kp为比例系数;kl为积分系数;kd为微分系数;ei为第i次采样时刻输入偏差值;ei-1为第i-1次采样时刻输入的偏差值;u0为PID控制的原始初值。
由式（1）可以得到第i-1时刻的输出值，式（1）与之相减得到输出增量：
Δui=kpΔei+klei+kdΔ2ei（2）
其中：Δei=ei-ei-1，Δ2ei=Δei-Δei-1
调整上述3项系数，可以根据前后测量值偏差，计算出控制增量，用该增量控制PWM波占空比，实现对转速的控制和调整。
3.3 差速控制策略
由于轮椅车质量较轻，启动时瞬间负载不均衡以及较大摩擦力可能引起轮毂电机差速过大，造成不安全事故的发生，因此需要智能化的控制策略进行轮毂电机的调速，采用软件控制差速转向。
由车辆低速转向行驶Ackermann-Jeantand模型[8]得到：
VoutVin=RoutRin=1+BtanδL（3）
式（3）中：Vout，Vin分别为转向时的外侧轮和内侧轮的速度;Rout，Rin为两后内外轮的转向半径;B，L分别为轮椅车宽度和长度;δ为轮椅前导轮角度，计算时根据操纵杆控制信号得到前导轮角度和内侧轮目标速度，由（3）式实现电子差速控制。
闭环及差速控制如图5所示。根据当前速度设定两电机最大差速值，当两轮毂电机差速超过最大差速值时，根据差速策略相应改变左右轮毂电机速度设定值。
图5 闭环及差速控制
4 仿真及实验结论分析
MPLAB集成开发环境支持与Proteus进行联合调试。在安装vdmmplab.exe文件后，在MPLAB工具下会出现Proteus VSM，这样完成程序编译后，与Proteus的硬件仿真电路进行联合调试[9]。
本文对250 W，24 V电压、额定转速为240 r/min的轮毂电机进行实验。先在Proteus软件完成PWM信号的产生，根据AD采样值调节PWM调制信号，当操纵杆信号变化时，PWM占空比变化，图6是测试时CCP模块产生的PWM波形，第1个波形是操纵杆采样值为额定值的50%时PWM波形，第2个波形为采样值为额定值90%时的PWM波形，可以看出操纵杆采样值与PWM占空比成正比。采样值与轮毂电机的转速测量数据见表3所示。
图6 PWM波形
表3 操纵杆采样值与轮毂电机转速测量数据
采样值/V54.531.50
转速/（r・min-1）240221132920
5 结束语
文中给出了基于avr的电动轮椅双轮毂电机独立驱动的控制策略及软硬件设计方法。该控制器功能参数还需进一步的优化，在系统安全性、舒适性、操控智能化等方面进一步改进和完善，为老年人和残疾人提供更好的产品服务。
参考文献：
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作者简介：
王 星（1990），男，湖北仙桃人，硕士研究生，主要研究方向为单片机与嵌入式。
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Design and Implements of the system of
electric wheelchair control based on AVR
WANG Xing， HUANG Jun， TAN Qinghong
（School of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， P.R.China）
Abstract：According to the permanent magnet brushless DC motor control system design parameters， cost requirements， designed to AVR single-chip microcomputer control and driving circuit of MOSFET hardware platform， the drive scheme for a two wheel drive electric wheelchair wheel differential control and. All parameters to design a reasonable differential coordination control strategy composed of master-slave control system has a smooth start， stable and safe speed and overcurrent， overvoltage and overheating protection function. This system function is perfect， has the advantages of simple hardware structure， low cost， and has certain application value in practical engineering.
Key words：electric wheelchair，AVR single-chip microcomputer，BLDC，PID control，differential coordination control