102_092-040AP-TW

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102_092-040AP-TW

發佈日期 : 2009-04-30

發明專利說明書


※申請案號：093139006	※I P C 分類：G05D1/02

一、	發明名稱：
	電動代步車數位式控制器(全文下載)
	DIGITAL CONTROLLER DESIGN FOR SCOOTERS

二、

中文發明摘要：

本發明揭露一種電動代步車數位式控制器，至少包括人機介面控制模組，可提供複數個參數輸入、微處理器單元，可將參數轉換為數位訊號，並運算這些數位訊號、數位/類比轉換模組，可將運算後之數位訊號轉換為複數個類比訊號後輸出、馬達驅動模組，可接收這些類比訊號並轉換成複數個馬達運轉電壓，以產生對應之馬達轉速來驅動一馬達、電流檢測單元，可檢測馬達驅動模組輸出之馬達運轉電壓與對應之電流，並迴授至微處理器單元，以抑制電流過載、以及儲存記憶模組，與微處理器單元相連，可儲存資料。

三、

英文發明摘要：

A digital controller design for scooters is disclosed. The digital controller design comprises an interface control by which users can input parameters, a micro controller unit in which the parameters will be transferred to digital signals and be computed, a digital/analog (D/A) converter in which the computed digital signals will be transferred to analog signals, a motor driven control receiving the analog signals and transferring to the operating voltage for the motor, a current feedback control checking the voltage and current of the motor and feedback to the micro controller unit, and a storage module connecting to the micro controller unit to save data.

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第3圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[0001]	本發明是有關於一種數位式控制器，特別是有關於一種電動代步車數位式控制器，可依使用者需求進行功能性調整。
	【先前技術】
[0002]	台灣已邁向高齡化社會，而伴隨生活品質之提高也衍生出許多慢性病、老人、功能性障礙及相關的醫療復健問題。為因應老人行動不便及體弱者的族群需求，70年代末期開始發展三輪及四輪電動代步車，提供輕便的電動行動代步輔具，以改善其日常生活的獨立性。台灣目前生產電動輪椅或代步車之廠商，其控制器皆由國外進口，分為類比式及數位式設計的硬體電路。類比式控制器有許多缺點。首先，它無法提供複雜的分析計算，因此對不同馬達之特性無法做適當匹配，導致整體代步車效率下降。其次，類比式控制器之電路功能修改及擴充性不易，難以滿足不同使用者需求。此外，它也難以防制外界雜訊電磁波干擾(EMI)。而近年來國內廠商大量使用的進口數位控制器，雖然其具有良好之擴充性及維護容易等優點，然而價格高且核心技術不易取得，因此一般廠商無法善用數位控制器所提供之多元化功能，也無法達到系統最佳化匹配及機電整合。
	【發明內容】
[0003]	因此，本發明的目的就是在提供一種電動代步車數位式控制器，採數位化設計，所有系統運作皆由微處理器(MCU)以軟體方式進行運算及控制。
[0004]	本發明的另一目的就是在提供一種電動代步車數位式控制器，引進汽車之電子式防鎖死之控制觀念，當煞車時不會讓使用者有向前遽衝之感覺。
[0005]	本發明的又一目的就是在提供一種電動代步車數位式控制器，可節約能量。
[0006]	根據本發明之上述目的，提出一種電動代步車數位式控制器，至少包括人機介面控制模組、微處理器單元(MCU)、數位/類比轉換模組(D/A)、馬達驅動模組、電流檢測單元以及儲存記憶模組。人機介面控制模組，可提供複數個參數輸入。微處理器單元，可將參數轉換為數位訊號，並運算這些數位訊號。數位/類比轉換模組，可將運算後之數位訊號轉換為複數個類比訊號後輸出。馬達驅動模組，可接收這些類比訊號並轉換成複數個馬達運轉電壓，以產生對應之馬達轉速來驅動一馬達。電流檢測單元，可檢測馬達驅動模組輸出之馬達運轉電壓與對應之電流，並迴授至微處理器單元，以抑制電流過載，以及儲存記憶模組，與微處理器單元相連，可儲存資料。其中，馬達驅動模組包括脈波寬度調變模組電路、H型馬達驅動模組電路、金氧半電晶體(MOSFET)驅動模組電路與磁碟煞車驅動模組電路。本發明更包括一儲能裝置，可在煞車期間收集反電動勢，並回饋至蓄電池進行充電。此外，微處理器單元也包括一馬達匹配表，可根據使用者輸入的速度，得到馬達的最佳輸出值。
[0007]	根據本發明之另一目的，提出一種電動代步車數位式控制器的控制方法，至少包括如下步驟。首先，使用者藉由人機介面控制模組輸入一速度命令，接著，微處理器單元將此速度命令轉為電壓，並根據內建之馬達匹配表，得到一馬達之輸出值。微處理器單元隨後從一儲存記憶模組讀取一比例積分微分控制參數，並根據馬達之輸出值，更新此比例積分微分控制參數。此外，微處理器單元亦從儲存記憶模組讀取一運動軌跡參數，根據已更新之比例積分微分控制參數與運動軌跡參數，作一速度控制輸出至數位/類比轉換模組。數位/類比轉換模組接收此速度控制輸出，並將此速度控制輸出轉換為一類比訊號後輸出。馬達驅動模組接收此類比訊號，並將此類比訊號轉換成一馬達運轉電壓後，輸出至馬達與電流檢測單元。最後，電流檢測單元將此馬達運轉電壓迴授至微處理器單元，以抑制電流過載。當有新的速度輸入時，則重複此流程。
	【實施方式】
[0008]	電動代步車使用一顆馬達搭配機械式傳動系統，由馬達提供輸出動力，帶動齒輪組等傅動機構，轉換成輪子轉速及轉矩輸出。本發明揭露一種電動代步車數位式控制器，系統設計上考量動力驅動分析與直流馬達特性分析，以數位架構為發展核心適當地整合軟硬體，提供使用者簡單功能設定及易於操作調整之高效率新型數位化控制器。直流馬達特性分析包括轉速、扭矩、電流及電壓測試，提供最佳化控制器及動力參數匹配設計，改善傳統電動代步車之低效率及功能性缺點，進而提昇個人功能性需求。
[0009]	本發明之電動代步車系統操作控制方式如第1圖所示，使用者下達前進後退命令後，系統首先打開煞車解除功能使煞車系統失效，並將命令轉成電壓訊號且對此訊號作修正及限制，調整信號至控制範圍內，包括速度修正、軌跡判斷等。訊號輸送至馬達後，欲將系統穩定運作需外加電壓電流迴授抑制、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，確保系統在平衡穩定速度下舒適行駛。本發明先對各馬達作測試，在不同負載下，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 (Proportional Integral and Derivative Control; PID Control)法則與脈波寬度調變方式來控制馬達的輸出。本發明可根據使用者輸入的速度，獲得馬達的電壓電流值，再根據內建之馬達匹配表，得到馬達的最佳輸出值，並配合電流檢測單元得到的回饋值，去調整實際的輸出速度，確保電動代步車的安全性與舒適性。
[0010]	本發明之電動代步車整體控制系統設計架構如第2圖所示，包括人機介面控制模組、微處理器單元、數位/類比轉換模組、馬達驅動模組、電流檢測單元、儲存記憶模組等。使用者下達速度及前後行進之命令，經由微處理器單元內建之類比/數位轉換功能，將外界物理訊號量化為數位訊號後，再經微處理器單元解譯命令及運算，接著將輸出結果送往數位/類比轉換模組轉換為類比訊號，並給予馬達驅動模組產生對應之馬達轉速。微處理器單元除了送出速度外，同時會對外部整體系統電路下達正反轉命令參數，並配合週邊驅動電路，控制馬達正反轉。本發明之電動代步車各模組說明如下。
[0011]	人機介面控制模組為搖桿之類等操作介面，可提供代步車之速度參數介面控制，例如前進/後退速度之控制(如：油門)。本發明之人機介面控制模組使用可變電阻，利用不同分壓來達到加減速之控制，且可變電阻具有使用上簡單、方便的優點。
[0012]	微處理器單元為中樞控制系統，在數位化設計下，協調管理，馬達之不同速度與電壓、週邊模組及演算法之控制程序等。目前常用之微處理器單元有MC68HC11、ST6(7)系列、8051系列、EM78系列、 PIC系列及DSP數位處理器等，本單元係採用PIC16C73晶片，優點為取得容易，穩定性高，且內建類比/數位(A/D)轉換功能，無須在製作類比 /數位轉換電路。
[0013]	微處理器單元將訊號作處理後，數位/類比轉換模組將訊號轉為連續變化之類比電壓，提供驅動馬達之速度控制與調變。數位/類比轉換模組產生0~3伏之電壓變化，提供給馬達驅動模組轉成不同脈波寬度調變 (PWM)之工作週期，進而控制馬達速度。本模組採用R-2R分壓網路設計，做電子式開關分壓輸出。
[0014]	馬達驅動模組由脈波寬度調變模組電路、H型，馬達驅動模組電路、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、前進後退及煞車磁盤控制。馬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真正馬達運轉電壓，進而控制一直流有刷馬達轉速，並配合全橋式設計達到正反轉效果。本模組採功率金氧半電晶體(Power 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。
[0015]	電流檢測單元檢測電流及速度，並迴授修正以趨達真正速度及電流過載抑制，可防止，馬達鎖死、過載等現象發生，防止產生大電流而燒毀驅動單元。此外，因電流與轉速之關係趨近線性，故可經由此單元檢測估算出目前馬達運轉之大約轉速。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。
[0016]	儲存記憶模組儲存資料參數，如：馬達參數、速度、煞車時間參數等，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電而造成之資料流失，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(SEEPROM)。
[0017]	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。另一方面，由於電動代步車主要電源為蓄電池，故本發明特別在煞車期間，設計系統自動收集反電動勢，並回饋至蓄電池進行充電，以提高代步車之續航力及節省能源。
[0018]	本發明使用MPLAB IDE之發展程式工具撰寫及編譯程式流程，可以有效率地處理電壓、電流所輸入之訊號及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(Real Time Control)的功能，避免因控制時間延緩導致電量流失使得效率減低。本發明主要控制程序為速度/前進及後退控制命令讀取、速度控制模式設定、比例積分微分控制參數的設定及系統狀態迴授處理與判斷，其控制流程如第3圖所示，本發明在使用者開啟電源後，會先讀取功能暫存器，在確定讀取完成後，便初始化系統功能。使用者輸入一速度命令後，微處理器單元將速度命令轉為電壓，並根據內建之馬達匹配表，得到馬達之最佳輸出值，接著從儲存記憶模組讀取比例積分微分控制參數，並根據，馬達之最佳輸出值更新比例積分微分控制參數。然後，載入運動軌跡參數，系統會根據使用者輸入的速度與參數資料值作一速度控制輸出，並檢查輸出之速度是否符合運動軌跡之要求。當使用者輸入新的速度時，則重複流程。軟體功能為負責控制程序執行，指定規劃/設定控制參數與加減/定速度。系統會自動偵測控制參數或速度命令值是否有改變，而自行更新與執行。重置程序是為了確保各裝置內部的參數暫存器、中斷旗標及工作模式等已起始化完畢，等待微處理單元的規劃與設定。
[0019]	因此，由上述本發明之較佳實施例可知，應用本發明具有下列優點。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微處理器單元設定，因此本發明可依隨個人習慣性及舒適性進行調整。其次，本發明在煞車期間，系統會自動收集反電動勢，並回饋至蓄電池進行充電，以提高代步車之續航力及節省能源。此外，本發明配合馬達特徵曲線測試及動力學考量設計，提供廠商最佳化組件匹配及機電整合，以改善電動代步車整體效率及使用功能。
[0020]	雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
	【圖式簡單說明】
[0021]	為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1圖係繪示本發明之電動代步車系統操作控制方式流程圖。
[0022]	第2圖係繪示本發明之電動代步車整體控制系統設計架構圖。
[0023]	第3圖係繪示本發明之電動代步車之控制流程圖。
	【主要元件符號說明】

七、

申請專利範圍：

1. 一種電動代步車數位式控制器，該電動代步車數位式控制器至少包括：一人機介面控制模組，提供複數個參數輸入；一微處理器單元(MCU)，將該些參數轉換為複數個數位訊號，並運算該些數位訊號；一數位/類比轉換模組(D/A)，將該些運算後之數位訊號轉換為複數個類比訊號後輸出；一馬達驅動模組，接收該些類比訊號並轉換成複數個馬達運轉電壓，以產生對應之馬達轉速來驅動一馬達；一電流檢測單元，檢測該馬達驅動模組輸出之該些馬達運轉電壓與對應之電流，並迴授至該微處理器單元，以抑制電流過載；以及一儲存記憶模組，與該微處理器單元相連，以儲存資料。
2.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該人機介面控制模組係為搖桿或介面控制器等操作介面。
3.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該人機介面控制模組係使用可變電阻。
4.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該微處理器單元包括類比/數位轉換功能。
5.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該數位/類比轉換模組係採用R-2R分壓網路。
6.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該些類比訊號為0~3伏之電壓變化。
7.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該馬達驅動模組至少包括脈波寬度調變模組電路、H型馬達驅動模組電路、金氧半電晶體(MOSFET)驅動模組電路與磁碟煞車驅動模組電路。
8.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該馬達驅動模組採用功率金氧半電晶體(Power MOSFET)。
9.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該馬達係直流有刷馬達。
10.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該電流檢測單元更包括估算馬達運轉之大約轉速的功能。
11.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該電流檢測單元係採用霍爾元件。
12.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，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)。
13.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，更包括電子式防鎖死控制，煞車時不會讓使用者向前遽衝。
14.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，更包括一儲能裝置，可在煞車期間收集反電動勢，並回饋至蓄電池進行充電。
15.如申請專利範圍第1項所述之電動代步車數位式控制器，其中該微處理器單元包括一馬達匹配表，可根據使用者輸入的速度，得到馬達的最佳輸出值。
16.一種電動代步車數位式控制器的控制方法，該電動代步車數位式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速度命令；一微處理器單元將該速度命令轉為電壓，並根據內建之馬達匹配表，得到一馬達之輸出值；該微處理器單元從一儲存記憶模組讀取一比例積分微分控制(Proportional Integral and Derivative Control; PID Control)參數，並根據該馬達之輸出值，更新該比例積分微分控制參數；該微處理器單元從該儲存記憶模組讀取一運動軌跡參數，根據該已更新之比例積分微分控制參數與該運動軌跡參數，作一速度控制輸出；一數位/類比轉換模組接收該速度控制輸出，並將該速度控制輸出轉換為一類比訊號輸出；一馬達驅動模組接收該類比訊號，並將該類比訊號轉換成一馬達運轉電壓輸出至一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微處理器單元，以抑制電流過載。
17.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該人機介面控制模組係為搖桿或介面控制器等控制介面。
18.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該人機介面控制模組係使用可變電阻。
19.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該微處理器單元包括類比/數位轉換功能。
20.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該數位/類比轉換模組係採用R-2R分壓網路。
21.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該類比訊號為0~3伏之電壓變化。
22.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該馬達驅動模組至少包括脈波寬度調變模組電路、H型馬達驅動模組電路、金氧半電晶體(MOSFET)驅動模組電路與磁碟煞車驅動模組電路。
23.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該馬達驅動模組採用功率金氧半電晶體(Power MOSFET)。
24.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該馬達係直流有刷馬達。
25.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該電流檢測單元更包括估算馬達運轉之大約轉速的功能。
26.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，其中該電流檢測單元係採用霍爾元件。
27.如申請專利範圍第16項所述之電動代步車數位式控制器的控制方法，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。

八、	圖式：
	第1圖第2圖第3圖

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