智能按摩椅调速系统设计

I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IITitle： Design of speed regulating system of intelligentMassage Chair AbstractMassager chair is based on physics, bionics, bio-electricity, medicine and clinical practice for many years and developed a new generation of health-care equipment. The design was chosen by the vibration in the electronic massage chair, use of microcontroller PWM control DC motor speed to control the speed and magnitude of vibration. Stepper motor is a pulsed signal conversion into linear or angular displacement control of micro-motor，its mechanical angular displacement and speed separately and entered motor winding is proportional to the number of pulses and pulse frequency .It is easy to realize and the computer or other digital part connections, is suitable to the numerical control system. This article describes AT89C51 microcontroller Massage Chair method of speed control system of hardware and software. The system is that the signal is received, and turning them into stepper motor step-by-step pulse, and then click the controller drive a stepper motor to turn screw drive system, which controls motor motion progress. By key, users can leave a massage in one of the most comfortable massage work on speed and vibration; using a buzzer to alert or prompt massages complete; work using light-emitting diode displays the current status. This massage has a visual display, versatile, circuit simplicity, low cost and many other advantages, and has broad market prospects.Key Words：Massage Chair ； Monolithic integrated circuit ； PWM ；Stepper MotorIII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 .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 .18IV3.3 步进电机的选择 .223.4 步进电机驱动电路的选择 .243.5 按键电路的选择 .263.6 显示电路的选择 .263.7 蜂鸣器电路的选择 .293.8 过流检测电路的选择 .313.9 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 .4411 绪 论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 1。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2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，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。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3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，如：按摩椅、脚部按摩器、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 138 亿美元；亚洲按摩器具市场容量约为 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.l 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 1047 亿美元，其中加工贸易 273 亿美元，因受金融危机的影响，同比仅增长 89，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 8147 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4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，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5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。按摩椅是指通过机电、电子以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 图 1.2 按摩椅机械结构图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（Single chip microcomputer） ，简称单片机，又称嵌入式微控制器 3（Embedded microcontroller） 。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 4。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6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；一个启停转换按键 SB1；一个正反转按键 SB2；一个功能预约键 SB5。3）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。72 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 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 6。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 7：）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。）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；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。）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。8）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,而且伴有啸叫声。 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 8。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9作点，而定子激磁只需提供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 86BYG250A 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 0.9/1.8、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，则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10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。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11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，并通过软件来实现步进电机的调速。22 PWM 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12性系统控制思想的应用，PWM 控制技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 14。2.2.2PWM 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。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13H.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） ；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，改变负载两14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：图 2.2 PWM 信号的占空比设电机始终接通电源时，电机转速