【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 換當(dāng)前的按摩方式；一個(gè)電源開(kāi)關(guān)按鍵，提供系統(tǒng)上電；一個(gè)氖燈轉(zhuǎn)換按鍵，顯示按摩機(jī)工作狀態(tài)；一個(gè)數(shù)碼管轉(zhuǎn)換按鍵，顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。 設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架時(shí)，除了考慮實(shí)現(xiàn)按摩功能外，系統(tǒng)的可操作性和安全性也是至關(guān)重要的。為了方便用戶使用，給他們舒適的感受，按摩機(jī)必須設(shè)計(jì)良好的用戶操作按鍵以及必要 的顯示系統(tǒng)；為了保證使用過(guò)程中的安全， 在設(shè)計(jì)中必須考慮告警措施，東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 6 并充分完善供電電源的設(shè)計(jì)。圖 11 所示為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，包括按鍵輸入與 LED指示、蜂鳴器提示輸出、交流信號(hào)檢測(cè)、供電電源處理、氖燈指示和電動(dòng)機(jī)控制。 單片機(jī)控制系統(tǒng)蜂鳴器提示輸出按鍵輸入 LED指示交流信號(hào)檢測(cè)氖燈指示電動(dòng)機(jī)供電電源 圖 11 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢 業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 7 二 、 按摩機(jī)的主要功能模塊可劃分為 6 部分。 1. 按鍵輸入與 LED 指示部分。該模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)按摩機(jī) 6 個(gè)按鍵輸入信號(hào)，并利用數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。其中，數(shù)碼管顯示按摩振速，發(fā)光二極管顯示按摩方式。 2. 蜂鳴器提示輸出部分。該模塊完成按摩機(jī)的告警和工作提示，在一般工作情況下，蜂鳴器都將發(fā)聲告警（例如，按鍵輸入、電機(jī)運(yùn)行超時(shí)和系統(tǒng)出錯(cuò)）。 3. 氖燈指示部分。氖燈只在按摩機(jī)工作時(shí)發(fā)光，否則熄滅。該模塊利用 220V 市電為氖燈供電，并配合相應(yīng)的控制電路。 4. 交流檢測(cè)部分。檢測(cè)交流過(guò)零點(diǎn)，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)和氖燈。 5. 電源部分。該模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)從交流中整流出穩(wěn)定的 5V 供電電壓。 6. 電機(jī)部分。電機(jī)采用 220V 市電供電，控制方式與氖燈控制相同。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架構(gòu)建并劃分了系統(tǒng)的整體功能模塊，但是在硬件實(shí)現(xiàn)和 軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了合理布線和優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，并不嚴(yán)格按照這種頂層的模塊劃分來(lái)完成電路和程序。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件功能模塊實(shí)現(xiàn)劃分為 5 個(gè)電路塊，分別是電源電路、復(fù)位電路、電機(jī)和氖燈控制電路、按鍵顯示部分電路。系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)則根據(jù)軟件流程劃分出各函數(shù)功能模塊，與圖 11 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架所示沒(méi)有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 直流電機(jī) PWM調(diào)速控制原理 8 2 直流電機(jī) PWM 調(diào)速控制原理 在 70年代開(kāi)始至 80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過(guò) 5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為 求得改善，隨機(jī) PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，即使?IGBT 已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī) PWM 仍然有其特殊的價(jià)值（ DTC 控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)殡S機(jī) PWM 技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問(wèn)題的全新思路。 PWM 控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)最初是在無(wú)線電技術(shù)中用于信號(hào)的調(diào)制，后來(lái)在電機(jī)調(diào)速中得到了很好的應(yīng)用。 1964 年 和 首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的局面。 PWM（ Pulse Width Modulated），即脈沖寬度調(diào)制 . PWM 脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制 ,達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法 . 常用 PWM技術(shù)的基本原理是利用高頻載波與控制波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)制的 PWM 波。為滿足逆變電源的需要，減小輸出電壓的諧波含量 ，載波信號(hào)采用對(duì)稱的三角波實(shí)現(xiàn)PWM 輸出波形的對(duì)稱雙邊調(diào)制，使輸出電壓不含偶次諧波。 從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM 信號(hào)以控制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的 PWM 信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止， PWM 在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。 由于 PWM 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動(dòng)及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 PWM 控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦 PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種 PWM 方案，多重 PWM 也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化 PWM 及隨機(jī) PWM。正弦 PWM 已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重 PWM 技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如ABB， ACS1000 系列和美國(guó) ROBICON 公司的完美無(wú)諧波系列等）；而優(yōu)化 PWM 所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（ THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。 本按摩機(jī)的電動(dòng)機(jī)采用直流供電 ,利用 PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速 .控制原理包括直東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 直流電機(jī) PWM調(diào)速控制原理 9 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇和調(diào)速控制原理 .本按摩機(jī)使用了雙向驅(qū)動(dòng)方式 ,并采取控制電樞電壓改變電機(jī)轉(zhuǎn)速 .下面兩小節(jié)詳細(xì)闡述了本設(shè)計(jì)所采用電機(jī)控制技術(shù)。 直流電動(dòng)機(jī)由于有著廣泛的起制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且直流拖動(dòng)系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，因而目前應(yīng)用廣泛。直流電機(jī)在一定范圍內(nèi)無(wú)極平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式最好。直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代 VM 系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)壓調(diào)速方式中的一種，它采用全控型電力電子器件組成的直流脈沖調(diào)制型的調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成熟，用途越來(lái)越廣 ，與傳統(tǒng)的VM 系統(tǒng)相比，在很多方面有很大的優(yōu)越性。 一、 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點(diǎn)： （ 1）電流一定連續(xù)； （ 2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； （ 3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （ 4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1:20210 左右； （ 5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過(guò)程中， 4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈 沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 直流雙極式可逆 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的組成見(jiàn)附錄 1。圖中可逆 PWM 變換器主電路系采用 MOSFET 所構(gòu)成的 H 型結(jié)構(gòu)形式，它由四個(gè)功率 MOSFET 管和四個(gè)續(xù)流二極管組成的雙極式 PWM 可逆變換器，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)上可得到 +或 的直流電壓。 PWM 變換器的作用是：用 PWM 調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 TG 是與直流電動(dòng)機(jī)連動(dòng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)，經(jīng)過(guò)速度變換器 FBS后可獲得一反映轉(zhuǎn)速變 化的速度反饋信號(hào)，此信號(hào)接入速度調(diào)節(jié)器 ASR 的反饋輸入端， G 為電壓給定器，可提供正、負(fù)電壓，電壓大小可以調(diào)節(jié) 。 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 由上述可知控制原理包括直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇和調(diào)速控制原理。本按摩機(jī)使用了雙向驅(qū)動(dòng)方式，并采取控制電樞電壓改電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式包括單向驅(qū)動(dòng)和雙向驅(qū)動(dòng) [2]。 1. 單向驅(qū)動(dòng) 這種方式又分為兩種情況，功率較小的電動(dòng)機(jī)常常采用單相電源輸入，并采用可控硅晶閘管控制導(dǎo)通輸入。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 直流電機(jī) PWM調(diào)速控制原理 10 而功率較大的電動(dòng)機(jī)的主電路需要采用三相以上電源，這種情況一般都有整流變壓器，相數(shù)和接法 有多種，大部分采用三相橋式連接。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)不要用到，在此就不贅述，只做簡(jiǎn)單介紹，詳見(jiàn)電機(jī)控制手冊(cè)。 2. 雙向驅(qū)動(dòng) 雙向驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)可采用兩組反相并聯(lián)的整流電路，第一組整流電路使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，第二組整流電路使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)或正向制動(dòng)。 要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，晶閘管控制電路必須使整流器輸出反向連接至電動(dòng)機(jī)的電壓，或者使加到勵(lì)磁電路上的電壓反向。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)和變速時(shí)，要求快速響應(yīng)，負(fù)載變動(dòng)時(shí)也要求快速恢復(fù)到原來(lái)速度，因此，希望在逆變運(yùn)行時(shí)把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行的能量饋送給電源。 了解和掌握了驅(qū)動(dòng)方式的種類，知道在本設(shè)計(jì)中要用到雙 向驅(qū)動(dòng)方式，后面的章節(jié)將介紹具體電路實(shí)現(xiàn)。 在此還應(yīng)該考慮脈動(dòng)電流對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的影響。這種影響可大可小，對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性影響很大 [3]。 因?yàn)椴捎镁чl管器件把交流電源變?yōu)橹绷麟娫磿r(shí)，電路相數(shù)、負(fù)載性質(zhì)的不同，所以會(huì)產(chǎn)生不同的脈動(dòng)電流。而且晶閘管整流供電在電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電流斷續(xù)的特殊現(xiàn)象，這也對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性影響很大。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，晶閘管整流供電電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速升高，電動(dòng)機(jī)械特性顯著變軟，電動(dòng)機(jī)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩的很小變化就能引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的很大變化。 所以，在直流電動(dòng)機(jī)由晶閘管可控整流電路供電 時(shí)，為了改善電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，應(yīng)使其始終工作在特性較硬的區(qū)域，直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載中大多串聯(lián)了電抗器，以使電動(dòng)機(jī)在空載或輕載時(shí)也工作在電流連續(xù)區(qū)域。 了解了本次設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式所要注意的類容，接下來(lái)關(guān)注直流電機(jī) PWM調(diào)速和控制技術(shù)。 直流電機(jī) PWM 調(diào)速原理與控制技術(shù) 對(duì)直流電機(jī)調(diào)速可以有 3 種方法 [4]： 控制電樞電壓改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)整； 控制電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； 在電樞回路中，串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻。 由電機(jī)知識(shí)可知，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由公式 1 給出。 ??? KIRUn /)( （ 21） 公式 1 中 U 是電樞電壓， I 是電樞電流， R 是電樞總電阻， ? 是每極磁通量， K電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 直流電機(jī) PWM調(diào)速控制原理 11 圖 21 直流電機(jī)調(diào)速原理 由公式 21 可知，用單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，可 通過(guò)改變磁通量或電壓來(lái)完成。一般采用調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。隨著功率器件的發(fā)展，現(xiàn)在的電機(jī)調(diào)速大部分采用開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗小。如果采用直流供電，一般利用 PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。在電路實(shí)現(xiàn)上，將脈沖輸入連接至 MOSFET 管的源極，并利用極間壓降完成 PWM 調(diào)試，如圖 21 所示 [5]。 根據(jù)圖 2 的原理實(shí)現(xiàn)電路，直流電機(jī)兩端的電壓 Uo 可用公式 22 表示： ccVaU ??0 （ 22） 其中， a 為 PWM 的占空比； ccV 為直流電源的供電電壓。 ccV 實(shí)際為 220V 的交流市電經(jīng) 過(guò)整流后的直流電源，用作直流電機(jī)供電電源，而 MOSFET 管在此利用雙向可控硅替代，通過(guò)控制導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度的控制，如圖 22 所示。 圖 22 實(shí)用直流電機(jī)調(diào)速原理圖 可控硅導(dǎo)通需滿足以下兩 個(gè)條件 [7]： 1. 門極觸發(fā)電流大于閾值； 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 直流電機(jī) PWM調(diào)速控制原理 12 2. 在門極電流大于閾值的情況下，負(fù)載電流大于設(shè)定值。 調(diào)速其實(shí)就是控制導(dǎo)通角，利用觸發(fā)脈沖的導(dǎo)通位置控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)零時(shí)立即觸發(fā)可控硅，則電機(jī)通電時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)速度較快 。檢測(cè)過(guò)零后，若延時(shí)一段時(shí)間后再觸發(fā)，則電機(jī)通電時(shí)間短，電機(jī)速度較慢，過(guò)零觸發(fā)與電機(jī)通電如圖 4 所示 . 紅色線條表示市電的正弦曲線，藍(lán)色線條表示用手電機(jī)調(diào)速的觸發(fā)脈沖。如果脈沖觸發(fā)時(shí)，市電立刻導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)行在整個(gè)脈沖間歇期間，那么通電時(shí)間長(zhǎng)；如果脈沖觸發(fā)時(shí)，市電不能立刻導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間不 在整個(gè)脈沖間歇期間，甚至是一段很短的時(shí)間，則通電時(shí)間短。這樣便實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)速 [8]。 圖 23 過(guò)零觸發(fā)與電機(jī)通電 按照本次設(shè)計(jì)按摩機(jī)所需功能設(shè)計(jì)，電機(jī)的速度要被分成 18 檔，相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間表格應(yīng)放在單片機(jī)的 ROM 中。假設(shè)單片機(jī) 128 s? 中斷一次，則延時(shí) 10 128 s? 為最快檔，延時(shí) 64 128 s? 為最慢檔。最快和最慢檔之間相差 54 128 s? ，即相鄰兩檔之間相差 3 128 s? 。中斷模塊查表后發(fā)生延時(shí)，并產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制速度，并且雙向可控硅在門極驅(qū)動(dòng)，當(dāng)負(fù)可控硅兩端達(dá)到設(shè)定值后，即使觸發(fā)脈沖消失，同樣可以導(dǎo)通 [9]。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 按摩機(jī)控制系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì) 13 3 按摩機(jī)控制系統(tǒng) 單元電路設(shè)計(jì) 按摩機(jī)控制