智能按摩椅调速系统设计毕业设计

1、长春工业大学学士论文摘要按摩椅是根据物理学，仿生学学，生物电学、中医学以及多年临床实践而研制开 发出的新一代保健器材。本设计所选择的是电子按摩器中的震动按摩椅， 利用单片机 PWM控制直流步进电机的转速，从而控制震动的快慢和幅度。步进电机是一种将脉冲 信号转换成直线位移或角位移的控制微电机， 其机械角位移和转速分别与输入电机绕 组的脉冲个数和脉冲频率成比例。它易于实现与计算机或其它数字元件接口， 适用于 数字控制系统。本文介绍了基于AT89C51单片机的按摩椅调速系统的软硬件设计方法。该系统接 收到信号后，转化成步进电机的步进脉冲，然后通过单片机控制器驱动步进电机旋转， 以带动丝杆传动系统，进

2、而控制进步电机运动。通过按键，用户可以让按摩机工作在 最具舒适的按摩工作方式和振动速度上； 利用蜂鸣器来告警或提示按摩完成；利用发 光二极管显示当前的工作状态。此按摩椅具有显示直观、功能多样、电路简洁、成本 低廉等诸多优点，具有广阔的市场前景。关键词：按摩椅；单片机；PWM步进电机I长春工业大学学士论文Title : Desig n of speed regulat ing system of in tellige ntMassage ChairAbstractMassager chair is based on physics, bioni cs, bio-electricity, medi

3、c ine and cli ni cal practice for many years and developed a new gen erati on of health-care equipme nt. The desig n was chose n by the vibrati on in the electro nic massage chair, use of microc on troller PWM con trol DC motor speed to con trol the speed and magn itude of vibrati on.Stepper motor i

4、s a pulsedsignal conversion into linear or angular displacement control of micro-motor , its mecha ni cal an gular displaceme nt and speed separately and en tered motor winding is proporti onal to the nu mber of pulses and pulse freque ncy .It is easy to realize and the computer or other digital par

5、t connections, is suitable to the nu merical con trol system.This article describes AT89C51 microc on troller Massage Chair method of speed con trol system of hardware and software. The system is that the sig nal is received, and turning them into stepper motor step-by-step pulse, and then click the

6、 con troller drivea stepper motor to turn screw drive system, whichcon trols motor moti on progress. By key, users can leave a massage in one of the most comfortable massage work on speed and vibrati on; using a buzzer to alert or prompt massages complete; work using light-emitt ing diode displays t

7、he curre nt status. This massage has a visual display, versatile, circuit simplicity, low cost and many other adva ntages, and has broad market prospects.Key Words: Massage Chair ； Monolithic integrated circuit； PWM；Stepper Motor#长春工业大学学士论文目 录摘 要 IAbstract II1绪论 11.1 选题背景 11.2 按摩椅的发展状况 21.3 按摩椅的研究意义

8、 51.4 本课题研究内容 182系统控制原理 72.1 步进电机 72.1.1步进电机简介及特点 72.1.2步进电机工作原理 83.1.3步进电机分类 83.1.4步进电机的技术参数 93.1.5步进电机控制方案 92.2 PWM脉宽调制 112.2.1 PWM控制技术简介 112.2.2 PWM的基本原理 122.2.3 PWM 调速 142.2.4 PWM调速系统分类 152.2.5 PWM调速系统的组成和功能 152.2.6 PWM调速系统的优点 163系统基本实现方案 173.1 系统硬件设计 173.2 单片机的选择 183.3 步进电机的选择 22步进电机驱动电路的选择 24i

9、ii长春工业大学学士论文3.4 按键电路的选择 263.5 显示电路的选择 263.6 蜂鸣器电路的选择 293.7 过流检测电路的选择 313.8 测速电路的选择 333.10电源电路的选择 344系统软件设计 264.1整体软件流程图 264.2 显示子程序流程图 264.3时钟程序流程图 264.4驱动程序流程图 264.5电机正反转流程图 404.6 故障处理控制流程图 41总结 42致谢 43参考文献 44V长春工业大学学士论文1.1选题背景按摩是通过手法作用于人体的肌表， 以调整人体的生理、病理状态，从而达到治 病和保健的作用。其作用原理与各种手法有密切关系，是依据祖国医学中的经络

10、学说。 经络贯通于人体内外、上下联络脏腑，贯通九窍，是气血运行的途径，也是津液输布 的网络。经络壅阻，人体气血不畅，阴阳失调，就会产生疲劳和病变。根据我国的中医经典理论，按摩能调解阴阳平衡，疏通气血经络，而且还能够活 血化瘀、强身壮骨、调整脏腑、增强人体抗病能力等。通过不同的按摩手法，能够达 到平衡阴阳、疏通气血、平和脏腑、旺盛正气，使邪气不得侵袭。故对儿童正常发育， 青年健康成长，中老年人防止早衰具有独特的功效、尤其对从事伏案工作、商业、广告业、贸易及汽车驾驶人员（因长期缺乏锻炼而引起的倦怠无力，饮食障碍及颈、 肩、背、腰 等部位的酸痛）疗效显著，且无任何副作用；现代西医则认为，按摩不但可以

11、调整内分泌、加强胃肠蠕动、拨离组织粘连、缓 和复位等作用，而且具有调节大脑皮层、皮质功能，使大脑神经产生冲动，进而达到 兴奋或抑制神经作用。我国传统中医认为，经络在人体内有运行血气，沟通内外，联络脏腑，贯穿上下 的作用。人体通过经络系统把各个组织器官连成一个有机整体，以进行正常的生命活动。按摩治病，就是根据脏腑经络、营卫气血等学说，并视疾病发生的不同病因和症 状，运用不同的补泻手法，以柔和、轻按之劲，按穴道，走经络，以改善经络的功能 活动和调节卫气营血，并通过经络的传导作用，调整脏腑组织器官的功能，从而扶正 气、祛邪气，达到治疗疾病的目的 0大量科学研究实践证明，各种按摩手法是由各种动作所产生

12、的力在机体上引起的 一系列反应，人体接受按摩以后，能使大小循环系统畅通、血流丰富、改善血液循环， 加速人体各器官组织的新陈代谢、消除疲劳、解除病痛，具有延年益寿之功效。随着社会经济的发展、生活节奏的加快以及工作压力的增大， 人们对健康越来越 关注，由于家庭和办公室里个人电脑的普遍使用，导致肩部僵硬成为常见病。按摩椅 这种依据按摩原理而产生的保健器械越来越得到人们的亲睐， 作为一种可以在短时间 内缓解身体疲劳、放松神经的保健器械，得到广大消费者的喜爱，而且越来越普遍地 进入寻常百姓家中。人疲倦了，坐上按摩椅，听听音乐松弛神经，这就是科学的休息。 对于长时间坐着工作和学习的人来说， 按摩令血液循环

13、通畅，改善腰酸背痛及预防病 症，还能提高睡眠质量，改善姿势及锻炼健康身体。按摩椅的原理是利用机械的滚动力作用和机械力挤压来进行按摩。人工推拿按摩能够疏通经络，使气血循环，保持机体的阴阳平衡，所以按摩后可感到肌肉放松、关节灵活，使人精神振奋、消除疲劳，对保证身体健康有重要作用。对正常人来说，人 工按摩能增强人体的自然抗病能力， 取得保健效果。但按摩椅的机械按摩与人工按摩 是不同的，按摩椅虽有几个触点，但不能选穴、点穴和进行类似人工推拿的动作，只 是模仿人“揉”、“捏”的动作，如图1所示。因此，按摩椅只能消除疲劳、减轻不适, 起到放松作用，不会有治疗作用，而且它的力道不易控制，力道小时，作用不大，

14、力 道大时则会使肌肉疼痛。使用按摩椅要调整椅子按摩的力度，因为用力过小起不到应 有的刺激作用，过大易产生疲劳，且损伤皮肤，按摩力量和次数要由少到多，由轻渐 重。要使用按摩椅掌握好按摩的时间，每次以 20分钟为宜，最好早晚各一次，如清 晨起床后和临睡前。因此为按摩椅市场提供一款结构简单、功能多样、经济实惠的智 能化按摩椅显得十分必要。乎習气閒技胯图1.1按摩椅功能图1.2按摩椅的发展状况按摩又称推拿，是一种古老的医治疾病的方法，远在两千余年前的春秋战国时期， 按摩疗法就被广泛应用于医疗实践， 以脏像经络理论为指导，根据不同的病情，在人 体一定部位或穴位上运用不同的手法以疏通经络、畅通血气、调节脏

15、腑功能，从而起到保健与治疗作用。按摩分为医疗按摩和保健按摩。医疗按摩是应用按摩手法以治疗 疾病为目的的物理方法；保健按摩是运用按摩手法以达到防病健身、 休闲娱乐和巩固 疗效之目的的方法。按摩是我国古代中医养生保健方法之一， 它通过对身体各处的轻柔，达到行气活 血、祛病强身的目的。其中人工按摩是最受欢迎的消除疲劳的一种途径，但在外接受按摩，需要花费大量的时间和金钱，普通收入的人群很难承受；选择在家中完成，又 因需要配合和手法力度未必到位等客观因素制约而难以达到预期效果，甚至可能带来副作用。为此，近年来，国内外相关企业花费大量人力、物力和财力，开发出各种代 替人工按摩的按摩器具，女口：按摩椅、脚部

16、按摩器、按摩垫、按摩床、手持式按摩器、 气血循环机（生氧机）及足浴按摩椅等。按摩器具是指通过机械、电子以及电热的技术方法产生模拟人手的各种按摩、揉捏、锤打以及电热等刺激人体某些穴位，以消除疲劳并起到定保健作用的电动器具。 按摩器具最早起源于日本，后在欧洲、北美等发达国家兴起，上世纪九十年代引进中 国，经过短短的十几年，现已发展成为集设计、生产、销售和服务为一体的庞大的产 业链，中国设计和制造的按摩器具在功能、 性能上已达到了国际先进的水平， 并成为 世界出口量较大的国家。据统计，2008年，全球按摩器具市场规模约56亿美元。其 中，美国按摩器具市场容量约为13. 8亿美元；亚洲按摩器具市场容量

17、约为 20.2亿 美元；欧洲按摩器具市场容量约为15.9亿美元；大洋洲按摩器具市场容量约为 1.1 亿美元。2008年，全球按摩椅的市场容量约为16亿美元。2009年全球按摩器具市场 仍有望保持稳定小幅增长，但受金融危机影响，增幅会出现回落态势。预计随着全球 经济复苏，我国按摩器具的出口金额年均增长率仍可恢复到15-20%的较高水平。到2012年，全球按摩椅的市场规模将达到 33亿美元。对国外市场的调研报告表明，日 本仅按摩椅市场每年销售量就高达 60万台，销售额约80亿人民币，由此可见该类产 品的市场需求量之大。我国设计和制造的按摩器具在功能、性能上已达到了国际先进的水平，并成为世 界出口量

18、较大的国家。据权威部门统计，目前全国生产和经营按摩器具的企业有 1786 家，出口销售额达千万美元的有14家，达百万美元的有172家，全国从业人员超过 20万。中国按摩器具的出口量越来越大，品种越来越多，2008年，我国按摩器具出口额达10. 47亿美元，其中加工贸易2. 73亿美元，因受金融危机的影响，同比仅 增长8. 9%,出口金额增幅明显回落。预计随着全球经济复苏，我国按摩器具的出 口金额年均增长率仍可恢复到1520%的较高水平。至2012年，按摩器具市场规模 预计达到81. 47亿美元2。近年来，随着科学技术的不断发展，人们的生活水平也发生了翻天覆地的变化： 但越来越多的物质诱惑使得我

19、国目前的“亚健康”人群的比重已达到70%左右，超过了9亿人。所谓亚健康，通俗一点讲就是指在健康与不健康之间的中问状态。那何为健康呢?1948年世界卫生组织指出：人不但要没有疾病，而且要没有缺陷，同时还要 有良好的生理、心理状态，以及社会适应能力。如此看来，现代人的健康状态很不乐 观。而利用推拿按摩进行保健和治疗，是我国医学的传统项目，而随着具有保健治疗 功能的各种按摩器具如按摩椅、脚部按摩器、按摩床、按摩垫等因对缓解疲劳、消除 亚健康效果显著，备受处于亚健康生活状态的消费者欢迎。臣大的需求与发展空间，使得我国的各种类型的家用按摩器具发展势头正劲，市场需求旺盛，已成为健康产品的一新的增长点。除了

20、传统的人工按摩外，按摩器具在现代人体闲保健生活中起着越 来越重要的作用。按摩器具不仅突破了传统人工按摩空间的限制， 让人们有一个物美 价廉的“家庭按摩师”，而且蕴涵着高新科技，使消费者能享受到高端技术带来的健 康与舒适。因此按摩椅正处在高速增长的黄金期、成长期。理由如下：第一：现代消费新观念，为按摩椅的销售打下了坚实的基础。一方面，人们有购 买“按摩椅”的心理需求。随着时代的进步，科学技术的广泛应用，人们希望自己的 亲密座椅使用更加舒适，功能更加齐全，造型更加美观高档。如目前市场上已有售价 几万元的按摩椅，其购买者不在少数。与此同时，现代社会中，人们工作节奏加快， 工作效率高，竞争压力大，休息

21、时间相对减少。因此，人们非常珍惜休息时间，重视 休息的质量，需要一个休闲康体的按摩椅。传统的椅子已经不能达到人们休闲康体的 需求，然而按摩椅的出现，正好填补了人们需求的空白。另一方面，人们有购买和使 用“按摩椅”的条件。一是从经济条件看，人们的生活水平越来越高，消费水平越 来越高，买得起，用得起。二是从家具的品种来看，无论是办公室，还是在家庭，人 们想到的品种都有了，正在寻找新的消费空间-按摩椅。第二：中国人口年龄结构变化趋势，是按摩椅的销售的前奏。据报道，中国 60 岁以上的人口已超过1.3亿，占全国总人口的10%已经进入了老龄化时代，老年人 问题已成为全社会倍加关注的大问题。在城市，“一对

22、夫妇牵挂四个老人几乎是每一个家庭所面临的困难。特别是在人们生活快节奏、工作高效率的今天和明天，对老年 人特别是对长期卧床的老年人的照料问题， 是每一个家庭，每一个做晚辈要遇到的问 题。有一张“按摩椅”，有利于老年人修心养性之外，还能为老人提供保健按摩，因 此，必将受到每个家庭的欢迎。第三：中华民族的优秀传统文化，是按摩椅的销售的温床。中国是世界闻名的礼 仪之邦，文明之邦。忠、孝、仁、义缺一不可。“按摩椅”作为高级礼品，送给上司和朋友及商业伙伴以表忠心；送给父母、岳父岳母、公婆以尽孝心；送给情侣浪漫 型；给新婚的亲朋好友表真情；更是人之常情。老人群体、办公群体、休闲群体、新 婚群体等，无处不在，

23、爱心、孝心、事业心、激情、友情、爱情、感情无处不有，为 按摩椅市场提供了无数的商机。随着按摩椅市场的不断扩大，产品的推广与应用将会更加的广泛， 而这种广泛的 应用必然会导致产品以前只能揉腰捶背不同， 现在的按摩椅几乎从头到脚都可以按摩 到。一些企业通过发展具有自主知识产权的核心技术， 也给整个保健医疗器械行业带 来了新的生气和更多的信心。企业技术的更新换代，单靠模仿和仿制，以后将难以在 市场上生存，按摩椅厂商必须加大自己的技术和产品开发力度，不断推出新产品。随着企业在芯片、电脑程序等核心技术上不断进步，目前的按摩器具较之以前有了很大的变化，行业普遍感到只有专注于技术更新， 加强产品品质和内部管

24、理，才能 谋求更高、更快的发展。1.3按摩椅的研究意义按摩椅可以疏通经络，使气血循环，保持机体的阴阳平衡，所以按摩后可感到肌 肉放松、关节灵活，使人精神振奋、消除疲劳，对保持身体健康有重要作用，并可根 据实际情况，选择需要的按摩力度和按摩压力。系统按摩功能速度调节可以通过快慢 按键实现。按摩功能可以上下运行，局部以及定点进行按摩。该按摩器控制系统中的 主要硬件为AT89C51微处理器。本控制系统采用的是 AT89C51单片机驱动L298的输 入和输 出来进行控制进步电机从而实现按摩功能。小徒轮固定铀胜部按摩蔬背部按席轮减連齿轮主债动轴藤部按摩轴图1.2按摩椅机械结构图按摩椅是指通过机电、电子以

25、 及电热的技术方法产生模拟人手 的各种按摩、揉捏、以及电热等 刺激人体某些穴位，以消除疲劳 并起到一定保健作用的电动工 具。如图2所示，按摩椅主要有 两部分组成：颈部、背系统控制 电路板、电动机、丝杆及其润滑 装置、s型滑动槽、机械手等。 各个区域划分为颈部、中部、腰 部以及尾椎四个按摩区间。以大规模集成电路为主的微型计算机单片微型计算机(Sin gle chipmicrocomputer)，简称单片机，又称嵌入式微控制器 (Embeddedmicrocontroller )。 单片机具有优异的性能价格比，集成度高、体积小、可靠性高，控制功能强和低电压、 低功耗等特点，在工业控制、智能化仪器仪

26、表、智能接口、家用电器、儿童玩具、健 身器材等许多领域都得到了广泛的应用。随着社会的发展和进步，随着电子信息技术的飞跃，单片机开发与应用技术已经显得越来越重要，成为了一门重要的电子电气技术学科，同时亦成为了新产品研发设计的关键技术 。现代社会发展越来越快，人们生活节奏也快，随之而来工作压力也越来越大。 人 们渴望休闲，渴望健康。于是当前人们对健康非常关注和重视，而按摩对人体健康有 特殊促进功效。按摩椅就是在这一背景下产生。为了满足人们的需要和市场的需求， 按摩椅控制系统开发技术应运而生。本毕业设计采用单片机开发与应用技术而设计一 种简易的按摩椅调速系统，以实现基本按摩功能。本按摩椅传动控制电路

27、可实现市面 上各类型按摩椅的基本功能，并且结构简单，成本低廉，体积不大，可满足人体背部、 腰部、足部以及颈部的按摩需要。1.4本课题研究内容本按摩椅调速系统利用 AT98C51单片机完成系统总体控制功能，并利用按键、 L12864液晶显示芯片、L298等外围设备为用户提供服务，实现人机交换，实现其按 摩功能；通过按键，用户可以让按摩椅工作在最具舒适的按摩工作方式和振动速度上； 利L12864液晶屏显示电机当前的转速快慢正反转等。本按摩椅由步进电机的转动形成振动，而单片机可以通过控制振动的方式和时间 来按用户的需要进行按摩，其具体按摩描述如下：1）可以有5档速度进行按摩，按摩椅选用调速性能较好的

28、进步电机，利用按键 SB3和SB4对进步电机进行调速，共设5档速度。按键SB3可以实现对步进电机加速； 按键SB4可以实现对步进电机加速。2）用户可根据个人喜好利用按键调节速度档次、按摩方式及预约。按摩椅提供了 5个按键：两个调速定时按键，分别为 SB3和SB4; 个启停转换按键SB1; 个 正反转按键SB2 一个功能预约键SB53）通过液晶显示当前按摩状态及速度变化情况。4）通过蜂鸣器提示超时运转。5）当按摩椅正常运转后，发光二极管显示运行状态。7长春工业大学学士论文2系统控制原理2.1.步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进 驱动器接收到一个脉冲信号，它就

29、驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的 角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确 定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。2.1.1步进电机简介及特点步进电机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自 动化等各种运动控制系统的要求5。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功 能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电机。步进电机

30、的发展与计算机工业密切相关。自从步进电机在计算机外围设备中取代 小型直流电机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电机的发展。另一方面， 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械 等。步进电机特点:1）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。2）步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退 磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机 磁性材料的退磁点

31、；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高 达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90度完全正常。3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随 频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，而且伴有啸叫2.1.2步进电机工作原理步进电机是一种用电脉冲进行控制 ，将电脉冲信号转换成相位移的电机 ，其机械 位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成正比，每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的

32、角度脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电机运转的速度当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的 方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行 的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的；同时可以通 过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的0步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速， 因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度， 这样就可以通过控制步进电机的 一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率， 延时的长短来具体控制步进角 来改变电机的转速，从而实现步进

33、电的调速。具体的延时时间可以通过软件程序来实 现。这就需要采用单片机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时 间间隔,单片机控制步进电机加减法运转可实现的方法有软件和硬件两种，软件方法指的是依靠延时程序来改变脉冲输出的频率 ，其中延时的长短是动态的，软件法在电 机控制中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间,使单片机无法同时进 行其他工作；硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的，在每次进入定时中断后， 改变定时常数，从而升速时使脉冲频率逐渐增大，减速时使脉冲频率逐渐减小9,这种 方法占用CPU时间较少，在各种单片机中都能实现，是一种比较实用的调速方法。2.1.3步进电机的

34、分类1） 反应式步进电机 简称VR，反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转 子中没有绕组。它的结构简单，成本距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。2） 永磁式步进电机 简称PM,永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转 子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同， 所以一般步进角比较大，它输 出转矩大，动态性能好，消耗功率小（相比反应式），但启动运行频率较低，还需要 正负脉冲供电。3）混合式步进电机 简称HB，混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优 点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点， 而定子激磁只需提供

35、变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热少。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作 用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作 为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流， 这种 电动机也能做步进增量运动10。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种 电机在工业领域中得到广泛应用 。2.1.4步进电机的技术参数1）空载启动频率即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生失步或堵转的现象。在有负载的情况下，启动频率更低。 如果要使电机达到高

36、速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后一定 加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。2）电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号， 电机所转动的角度。电机出厂时给出了 一个步距角的值，如86BYG250;型电机给出的值为0.9 ° /1.8。（表示半步工作时为 0.9。、整步工作时为1.8 °）,这个步距角可以称之为电机 固有步距角，它不 一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。3）步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9

37、° /1.8 °、三相的为0.75 ° /1.5。、五相的为0.36 ° /0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不 同的相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，贝厂相数将 变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。4）保持转矩是指步进电机通电但没有转动时， 定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的 参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。 由于步进电机的输出力矩随 速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡 量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m的步进电

38、机，在没有特殊说明 的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机11。2.1.5步进电机控制方案1）控制方式步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步 进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电 机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制。一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向， 这样周而复始就可发出一定频率的 CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换 向程序所用的时间和，就是 CP脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行

39、。但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作。因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的 定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。 将电机换向子程序放在 定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由 于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调 整12。但是，在某些应用中，需要更多的可靠

40、性、安全性或产品质量的保证，因此， 闭环控制也是一种选择。以下是一些实现步进电机闭环控制的方法： .步进确认，这是最简单的位移控制，使用一个低值的光电开关计算步进移动 的数量。一个简单的回路与指令校验的步进电机比较，验证步进电机移动到预计的位 置； .反电动势，一种无传感器的检测方法，使用步进电机的反电动势信号，测量 和控制速度。当反电动势电压降至监测探测水平时，闭环控制转为标准开环，完成最 终的位移移动； .全伺服控制，指全时间的使用反馈设备，用于步进电机一光电开关或其它反 馈传感器上，从而更为精确地控制步进电机位移和转矩。大多数基于步进电机的系统，一般都运行在开环状态下，这样可提供一个低成

41、本 的方案。但是，当步进电机在开环时运行，在命令步幅和实际步幅之间会有同步损耗 的可能。闭环控制，是传统步进控制的一个部分，能有效地提供更高地可靠性、安 全性或产品质量。在这些步进系统中，反馈设备或间接参数传感方法的闭环能进行校 正或控制失步、监测电机停滞，以及确保更大的可用转矩输出。然而，开环操作会有 失步的风险，这将产生定位失误。但与伺服系统中使用的编码器相比，闭环步进电机 采用的光电开关成本更低。故选择闭环控制。2）驱动方式步进电机的驱动一般有两种方法，一种是通过单片机的CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为 CPU的输出电流脉冲是特别小，它不能足以让步进电机的 转动；别一种是通过

42、单片机的CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大， 然后直接驱动或是再通过光电耦合间接来驱动步进电机，这种方法比较安全可靠。固本次设计应采用CPU间接驱动步进电机。因为选择了闭环控制，就必须有反馈元件， 反馈元件一般有两种，一种是采用同轴的测速发电机，把步进电机的转速反馈回来， 然后通过显示器显示出来并对步进电机转速进行调节；别一种是通过光电开关把步进电机的转速反馈回来对步进电机进行调节； 两者相比，后者的设计比较简单，价格便 宜，安全可靠，污染少。固采用后者，用光电开关作为反馈元件。3）驱动电路步进电机的驱动电路有多种，但最为常用的就是单电压驱动、 双电压驱动、斩波 驱动、细分控制

43、驱动等。单电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。它的最大特点是结构简单，因它的工作效率低，特别 是在高频下更显的突出。它的外接电阻R要消耗相当一部分的热量，这样就会影响电路的稳定性所以此种驱动方式一般只用在小功率的步进电机的驱动电路中。双电压驱动是电路一般采用两种电源电压来驱动， 因这两个电源分别是一个为高压一个为低 压，因此也称为高低压驱动电路13。双电压驱动电路的缺点是在高低压连接处电流出 现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降，不宜于电机的正常运行。对于斩波电路驱 动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。所以从提高效率来看这是 一种很好的

44、驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定期额定电 流和减少时间常数。但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以会产生较大的电磁噪声。 细分驱动是用脉冲电压来供电的， 对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步，一般会 根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组会轮流切换，固可以使步进电机的转子 旋转。细分控制的电路一般分为两类，一类是采用线性模拟功率放大器的方法获得阶 梯形电流，这种方法简单，但效率低。别一种是用单片机采用脉宽调制的方法获得阶 梯电流，这种方法需要复杂的计算可使细分后的步距角一致。但因本次设计对步进电机的精度要求比较高，转速的调节范围比较广，固应选用驱动芯片L298来驱动，并

45、通过软件来实现步进电机的调速。2. 2 PWh脉宽调制PWM （脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两 端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如： 电机调速、温度控制、压力控制等等。2.2.1 PWM控制技术简介PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约， 在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子 器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电 子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技

46、术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种 PWM控制技术。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最 广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学 科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一14222 PWM的基本原理1）PWM信号简介脉宽调制（PWM:Pulse Width Modulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电 路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许 多领域中。如图2.1所示，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法

47、。图2.1模拟电平的PWM数字编码通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电 平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电 要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重 复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编 码15。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变

48、为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是 PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在 某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信 距离。在接收端，通过适当的 RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为 模拟形式16。PWM 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面17。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制 SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化

49、的实 时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地 位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。 由此在交流传动及至其它 能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类，正弦 PWM （包 括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种 PWM方案，多重PWM也应归于此类）， 优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流 波形，降低电源系统谐波的多重 PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如 ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追 求的则是实现电流

50、谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉 动最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管， 载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的 关注18。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机 电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合， 随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）

51、；别一方面则告诉人们消除机 械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。2）PWM调速原理脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成 脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。 一个输入信 号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信 号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。只要 改变

52、控制电压的极性，也就改变了 PWM变换器输出平均电压的极性，因而改变了电动 机的转向改变控制电压的大小，则调节了输出脉冲电压的宽度，从而调节电动机的转 速只要锯齿波的线性度足够好，输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的。PWM （脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两 端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源， 并且根 据需要改变一个周期内 接通”和 断开”时间的长短19。通过改变直流电机电枢上电压 的占空比”来达到改变平均电压大小的目

53、的， 从而来控制电动机的转速。也正因为如 此，PWM又被称为开关驱动装置”。如图2.2所示:11t21r图2.2 PWM信号的占空比设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Sax,设占空比为D= t1 / T ，则电机 的平均速度为 V = Vmax * D,其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时 的最大速度；D = t1 / T 是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T 时，就可以得到不同的电机 平均速度Vd,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度 Vd与占空比D并非严格的 线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。2.2.3

54、 PW调速1) PW碉速方法基于单片机类由软件来实现 PWM在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在 电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比 D的大小，改变D的 值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的20。改变占空比D的值有三种方 法： .定宽调频方法：t1时间不变，通过改变t2的时间来改变占空比，从而改变 了周期To .调宽调频法：t2时间不变，通过改变t1的时间来改变占空比，从而改变了 周期To .定频调宽法：保证周期 T不变，同时改变t1和t2的时间来改变占空比。前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统 的固有频率接近时，将会引

55、起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直 流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的 自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。2) PWM实现方式方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精 确，误差只在几个us方案二：米用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断 后，将有一定的误差。故采用方案一。224 PWM调速系统的分类1) 串电阻调速系统。2) 静止可控整流器。简称 V-M系统。3) 脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机

56、的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速21。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电 动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、 维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半 波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 它的另一个缺点是运行条件 要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时

57、，系统的功率因数很低，并产 生较大的谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶 闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉 冲宽度调制(Pulse Width Modulation )，简称PWM脉冲周期不变，只改变晶闸管 的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。2.2.5 PW调速系统的组成和功能1) PWM信号发生与调节模块 作为一个PW碉速系统，首要的是需要产生 PWM 信号。PW啲产生方法有很多，包括纯硬件电路产生方法和采用基于可编程器件的软 件实现方法。本文采用单片机编程生成PW信号，PWM占空比的调节也采用软件实现。2) PWMI号放大与电机驱动模块 由单片机产生的PWMI号很微弱，PW信号 产生后并不能直接驱动电机等负载模块，而需要使用专门的电路对该 PW信号进行放 大