手輪馬達電動輪椅控制器介紹

手輪馬達電動輪椅之控制器分為上下兩部分，上控制器包含搖桿與觸控螢幕 作為人機介面，並以 Arduino Due 作為核心處理器。在搖桿模式下，主要負責控 制整車行進方向及速度，並將經差速運算解耦的左右輪速度命令分別傳給兩輪的 下控制器以分別控制兩動力輪。在本研究的輔助控制應用中，由於主要人機介面

為動力輪本身而非搖桿，故上控制器僅負責兩下控制器的通訊中介，並在測試流 程中顯示回傳資訊(圖 2-2)。下控制器則使用本實驗室研發之馬達驅動器，配合 基於數位訊號處理器(DSP)晶片的自製控制卡作為運算核心。

圖 2-2 助推模式下控制架構圖

2.2.1 上控制器

由於上控制器隨時需要做轉速的運算、通訊以及資料的讀取，需要較高的運算 效能以維持系統的順暢運行，因此選用 Arduino 眾多種類裡較高階的 Arduino Due 作為其控制的核心(圖 2-3)。而 Arduino Due 使用 ATMEL 公司所開發的 ARM SAM3X8E Cortex-M3 的晶片，共有 54 個數位輸入/輸出口，12 個數位輸入，4 個 通用非同步收發傳輸器，2 個 TWI 口，擁有 84 Hz 的石英震盪器，一個 JTAG 和一 個 SPI 接口。Arduino Due 之詳細規格如表 2-2。

圖 2-3 Arduino Due 表 2-2 Arduino Due 規格

Microcontroller AT91SAM3X8E Operating Voltage 3.3V Input Voltage (recommended) 7-12V

Input Voltage (limits) 6-16V

Digital I/O Pins 54 (of which 12 provide PWM output) Analog Input Pins 12

Analog Output Pins 2 (DAC) Total DC Output Current on all I/O lines 130 mA DC Current for 3.3V Pin 800 mA DC Current for 5V Pin 800 mA

Flash Memory 512 KB available

SRAM 96 KB (two banks: 64KB and 32KB)

Clock Speed 84 MHz

在人機介面部分，使用 AMEL 公司 APEM-9000 系列的類比搖桿作為主要的 輸入裝置，另外配有 TFT 顯示器整合記憶卡模組作為輪椅即時資訊的顯示介面。

總體而言，整個上控制器功能包括[39]:

 系統開機與自我檢查安全機制

 搖桿輸入訊號處理(包含校正與死區運算機制)

 整車緩啟動控制

 上坡起步之電流補償

 差速控制運算

 雙輪轉速耦和控制

 與下控制器間之資料傳輸

 電池殘量、行駛速度與距離顯示

2.2.2 下控制器

輪椅下控制器採用本實驗室研發之馬達驅動器與控制卡。自製控制卡部分(圖 2-4) ， 為 了 滿 足 向 量 控 制 之 大 量 運 算 需 求 ， 選 用 德 州 儀 器 (TEXAS INSTRUMENTS,TI)生產之 TMS F28069 作為控制晶片，整個控制卡可視為 TI 自 行出品的 28069 controlCARD 的精簡縮小版。F28069 屬於 C2000 系列 DSP，專為 馬達控制應用設計，具有出色的運算能力及許多特色功能。其主要特色如下:

 高效 32 位元 CPU，主頻率 80 MHz

 浮點數運算，並具有 32 位元浮點數運算加速器，與主 CPU 分離

 嵌入式儲存器，RAM 100 KB ，FLASH 256 KB，OTP ROM 2 KB

 12 位元 ADC，具有雙路採樣保持功能，16 通道，取樣率 3.46 MSPS

 3.3V 單電源，低功耗模式

 支持外設中斷

 3 個 32 位元 CPU 計時器

 8 個增強型 PWM 模塊，每個模塊獨立 16 位計時器，總共 16 個 PWM 通 道

 串行接口外設，SCI、SPI、I2C、eCAN、USB2.0

 54 組可輸入濾波之獨立編程之 GPIO 腳位

 支持 JTAG 邊界掃描

圖 2-4 F28069 自製控制卡

在搖桿控制模式，下控制器中控制卡主要任務為接收上控制器傳送的左右輪 轉速命令，並對動力輪進行空間向量弦波控制，其中包括了電流與轉速的閉迴路 控制，詳細技術將在第三章中介紹。此外對於當前轉速等訊息亦將回傳給上控制 器，以作為整車動態控制的參考。在本文輔助控制中，則包辦所有主要的運算，

僅有整車速度由上控制器處接收。

由於無刷馬達的控制牽涉到大電流的換向，故控制卡無法直接對馬達進行驅 動，需有相關的電路作為中介。此外，仍有電流採樣與霍爾感測器等回授訊號在 輸入控制卡前須進行預處理，一些周邊系統的管理也需要額外電路。本實驗室開 發之馬達驅動板即為此而設計(圖 2-5)，除了基本馬達控制所需的三相逆變器電 路，也整合了上述的各種周邊電路，基本上可滿足馬達控制中大部分的硬體需 求。此外進行了縮小化與模組化，使整個下控制器模組體積減少，以達到使輪椅 可收折的目的。驅動器具體包含之電路模組如下:

 三組半橋及閘極驅動器組成之三相驅動電路

 電流取樣及放大電路

 霍爾感測器訊號調整電路

 機械煞車控制電路

 電源電路(12V/5V)

 防反電動勢回充電路

 電池電源緩啟動電路

圖 2-5 自製馬達驅動板實體圖