【《某按摩轮椅STM32控制系统设计案例》3200字】

某按摩轮椅STM32控制系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8621某按摩轮椅STM32控制系统设计案例 1192311.1控制系统整体设计思路 1229831.2系统驱动设计 212231.2.1按摩驱动 2222851.3系统检测 576391.3.1限位检测 5108401.3.2电机转速检测 5217981.3.3脉搏检测 6191971.4小结 7本章主要采用STM32单片机作为整体系统的主体，搭建一个电路设计的框架，然后对各个电路的功能进行了一个分析。1.1控制系统整体设计思路本论文设计的按摩轮椅的控制系统的处理器是STM32单片机，它有着高性能、低成本、低功耗的优点，对于本设计的按摩轮椅是最佳选择，可靠性高。主要电路设计有驱动部分、脉搏检测系统、电机转速检测等。如图1.1为控制系统整体电路设计。限位检测脉搏检测限位检测脉搏检测SSTM32单片机按摩驱动控制器按摩驱动控制器电机转速检测电机转速检测图1.1整体设计思路本文根据需求所设计的按摩方式有：背部揉捏按摩和坐垫振动按摩。首先系统在得到揉捏按摩的一个信号后，整个系统根据电路检测判断是否能进行揉捏按摩，如果主处理器系统没有收到脉冲信号，那么说明机构没有到达限位，还在向限位前的方向移动，主处理器会通过控制电机，使电机驱动按摩机芯整体上下运动，使其到达指定位置，根据按摩者的需求可以进行相应的调整，进行按摩。坐垫按摩也是如此。脉搏检测是在检测人体脉搏的基础上进行一系列的处理，处理器内部软件会有控制算法，通过此算法来调整电机的转速，通过蜗轮蜗杆的减速，从而调整揉捏按摩强度与坐垫振动强度。不仅如此，整个控制系统还设置了电机转速检测部分，就是将电路内检测到的转速信息通过信息发送器传出的信号，通过电路的采集和整形传递给主芯片，然后主系统会根据信号进行相应的执行指令，以至于调整转速。本文主要采用的是按摩轮按摩，电机的运转起到了很重要的作用，所以主要针对电机的控制设计电路。1.2系统驱动设计1.2.1按摩驱动本文中按摩轮椅的调整电机可以调整按摩者按摩后背的不同位置，据此，可以适应不同老人，根据老人的要求自行调整按摩的地方。在按摩过程中，调整电机会承受外界施加给按摩轮椅的部分力矩，所以调整按摩位置的电机需选用承受负载大的电机，已确保电机不会损坏，甚至影响到人群。运动负载大的电机来进行按摩位置的调整，更加的安全合理。电动推杆的作用是支撑按摩机芯以及行走电机的行走，它的作用在于提供平稳的运行状态。调整按摩位置的电机的转速方向应是可以改变的。所以本设计选用一种额定电压为24V，功率为50W的直线电动推杆作为按摩轮椅调整按摩机芯的位置，以至于适应不同的使用者，型号为BML-DJ801，如图1.2所示[32]。图1.2电动推杆当人体在按摩时候，人体的整个后背就会压在按摩机芯上，按摩轮会承受一个压力，按摩机芯也随之承受，这会使按摩电机在驱动按摩机芯的过程中施加一个阻力，所以这个电机的选用也应选择扭矩大的电机，目的是让按摩机芯运行平稳。如图1.3所示为按摩轮椅的按摩机芯[32]。图1.3按摩机芯本文中所有电机均以无刷直流电机为例，设计电控模块的驱动程序，相同的控制模式可用于所有电子控制模块的电机[32]。如图1.4所示，无刷直流电动机的控制结构图是根据霍尔感应器传感到的电动机转子的位置，然后根据绕组确定逆变器功率晶体管的开启或关闭顺序，使电流按顺序流向电机线圈，产生一个旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，这样电动机就可以沿着，逆着这个方向运动。当电机转子旋转到霍尔传感器感应到另一组信号的位置时，控制部分将打开下一组功率晶体管，这样循环电机可以继续以同一方向旋转，直到控制器决定停止电机转子，然后关闭功率晶体管[32]。1.4无刷直流电机控制结构图本文中，电控模块的系统控制电路较为复杂，按摩机芯以及带动机芯运转的电机均选为无刷直流电机。因此在控制设计的过程中均是依据无刷直流电机来进行的系统设计，主要包括转速、正反转等。无刷直流电机最常用且实用的方法就是脉宽调制，脉宽调制是改变电机两端的输出电压，从而达到调速。PWM的控制原理：电机正常工作条件下，驱动器主要输出一个具有特定频率的W方波脉冲而不是连续电压信号来对电机供电。其中输出的W方波信号可采用不同大小的占空比，从而使电机输出不同转速。PWM信号主要可通过软件或者硬件产生，相比硬件来说，采用软件实现的自动化程度及控制的稳定性更好。根据上文提到的设计模块采用脉宽调制来进行调速，通过电路对PWM产生一个特定信号。本文的芯片为STM32嵌入式芯片作为驱动电机控制器，该芯片低成本，高性能。可控制电机正反转、能耗控制等功能，芯片引脚如图1.6所示。图1.6STM32芯片引脚图上述过程中，各电机加减速、正反转控制实现过程如下：（1）电机加减速的控制，通过主处理器发出电机加减速的脉冲信号，信号通过脉宽调制，调制成不同频率的方波信号，其方波信号的占空比是不同的，以至于电机可以反应出不同频率的信号，从而输出不同转速。最终达到了加减速的目的。（2）电机正反转的控制，通过主处理器的DIR输出端口发出电机正反转的脉冲信号，信号经过驱动器的采集整形处理，最终将信号转化为方向信号，霍尔传感器对此信号进行检测并且传递给逆变器，使其控制直线电流方向，进而控制电机正反转。1.3系统检测1.3.1限位检测按摩机芯是由电动推杆推动实现在后背上下运动，已到达特定的按摩位置，当按摩机芯由推杆推到极限位置的时候，就需要电机反转使推杆向反方向运动。所以，此按摩轮椅设置了一个限位检测电路，防止按摩机芯运动到极限位置时卡死。此装置采用来两端各设置一个限位开关，当机芯运动到极限位置的时候，就会发射一个电机反转的信号，经过放大器放大，系统会发出指令，限位开关接收到信号，使其反方向闭合，从而使电机的电压发变化，经过检测电压变化，使电机反方向运转。如图1.7位限位检测电路[32]。图1.7限位检测电路1.3.2电机转速检测一般情况来说，电机转速的测量方式有霍尔效应、光电效应以及磁阻等，半导体的霍尔效应很强，霍尔传感器就是通过霍尔效应制作的一种磁场传感器，它的精度测量准，本设计要求的就是各个电路部分的测量要准确，所以本文采用此传感器。如图1.8位电机转速测量电路[32]。1.8电机转速测量电路根据上图电路可知，当电机旋转工作时，经过高速轴的快速运转，磁铁会产生涡旋电场，涡旋电场通过电磁感应电流，将之信号传递给霍尔传感器。根据霍尔效应的原理，霍尔电压可以产生，电压的产生伴随着脉冲信号的发射，所以从霍尔传感器经过分析得到一个脉冲信号，这个脉冲信号会随着电路走向进入放大器，放大该信号，此后一个矩形的波形信号便形成，这是一个循环电路，这个脉冲信号会不断的在电路中循环，最后得到一个最清晰的矩形脉冲信号。在上图电路的分析中，第三级放大器的目的最终是让信号传递稳定，通过稳定的传递到达处理器终端并计算得出转速[32]。1.3.3脉搏检测根据资料的查询以及分析发现脉搏检测最实用的方法有两种，一种是反射式，另一种是透射式，在本设计中选择了透射式光电传感器，传感器通过发光感应人体经络的跳动程度，以至于达到测量脉搏的目的。实现过程是通过发光二极管发光，发出的光透过手指检测到血管中的血流量，血流量是人体脉搏跳动的节奏，其从生物学上来讲基本保持一致，由此可以得出光敏三极管接收的光照强度可以反映出脉搏跳动的频率，光强的改变则就是脉搏频率不同情况的结果。通过三极管发射出来的电脉冲信号经过放大器放大、脉冲整形之后，最后信号到达处理器并对信号进行分析、计算、得出结果，具体的电脉冲信号是怎么经过采集处理和整形处理的，主要通过下图电路，图1.9位采集信号电路，图1.10为整形处理电路。图1.9采集信号电路图1.10整形处理电路如上图采集电路中，U10产生的电脉冲由R61和C20经过处理后，经过C21和C22直接输入到AR10、R46和C23构成的低通滤波器，其中C21和C22主要是为了防止大电流进入后级电路，起到了保护的作用。在整形处理电路中，AR11的作用是电压的比较，C24和R68构成了微分器，输出电脉冲信号，AR12此时可以输出高电平，进而使C25充电一段时间后，C25接近饱和状态，电流流量减小，使AR12同向端电压低于反向端电压，于是AR