【正文】 弦脈寬調(diào)制SPWM 信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，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，可以說直到目前為止， PWM 在各種應(yīng)用 場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 13 位，并一直是人們研究的熱點(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。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)。為求得改善，隨機(jī) PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生。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、解決問題的全新思路。運(yùn)算放大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點(diǎn)輸入信號(hào)就可使其輸出電壓達(dá)到飽和值，當(dāng)輸入電壓極性改變時(shí)，輸出電壓就在正、負(fù)飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉(zhuǎn)換作用。一個(gè)輸入信號(hào)是鋸齒波調(diào)制信號(hào)，另一個(gè)是控制電壓，其極性大小可隨時(shí)改變，與鋸齒波調(diào)制信號(hào)相減，從而在運(yùn)算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調(diào)制輸出電壓。 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。 在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開 ”時(shí)間的長(zhǎng)短 [19]。也正因?yàn)槿绱耍?PWM 又被稱為 “開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ”。 由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 PWM 調(diào)速 1） PWM 調(diào)速方法 基于單片機(jī)類由軟件來實(shí)現(xiàn) PWM：在 PWM 調(diào)速系統(tǒng)中占空比 D是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓 dU 不變的情況 下，電樞端電壓的平均值取決于占空比 D 的大小，改變 D 的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的 [20]。 ②．調(diào)寬調(diào)頻法： t2 時(shí)間不變，通過改變 t1 的時(shí)間來改變占空比，從而改變了周期 T。 前兩種方法在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期 (或頻率 )，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來改 變占空比從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓。 2) PWM 實(shí)現(xiàn)方式 方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè) us。故采用方案一。 2） 靜止可控整流器。 3） 脈寬調(diào)速系統(tǒng)。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以 GM系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。且技術(shù)落后，因此擱置不用。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱 PWM。 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的組成和功能 1) PWM 信號(hào)發(fā)生與調(diào)節(jié)模塊 作為一個(gè) PWM 調(diào)速系統(tǒng)，首要的是需要產(chǎn)生 PWM信號(hào)。本文采用單片機(jī)編程生成 PWM 信號(hào)， PWM 占空比的調(diào)節(jié)也采用軟件實(shí)現(xiàn)。本文采用專門的驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該文采用的是廉價(jià)的低電壓驅(qū)動(dòng)的直流步進(jìn)電機(jī) [21]。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。目前利用單片機(jī)進(jìn)行 PWM 控制， PWM 信號(hào)的產(chǎn)生有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。通過控制其中某一個(gè)計(jì)數(shù)器和工作寄存器，而實(shí)現(xiàn)從 AT89C51 的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形 ,能夠有效的節(jié)省單片機(jī)的資源。 根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)對(duì) PWM 信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行調(diào)速。采用的技術(shù)方案的好與壞直接影響系統(tǒng)的可操作性和安全性，以及后續(xù)設(shè)計(jì)工作的展開和進(jìn)行。 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容： 一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如 ROM、 RAM、 I/O、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。 系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則 [23]： ① . 盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。 ② . 系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進(jìn)行二次開發(fā)。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)殃，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。 ④ . 系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。 ⑤ . 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。驅(qū)動(dòng)能力不足時(shí)，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力或減少芯片功耗來降低總線負(fù)載。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。智能化按摩椅調(diào)速系統(tǒng)電路基本模塊方框圖如圖所示。為了方便用戶使用，給他們舒適的感受，按摩椅必須設(shè)計(jì)良好的用戶操作按鍵以及必要的顯示系統(tǒng)；并充分完善供電電源的設(shè)計(jì)。如圖 所示： 控 制 系 統(tǒng) A T 8 9 C 5 1按 鍵L C D 1 2 8 6 4指 示 燈L 2 9 8 N 驅(qū) 動(dòng) 模 塊四相步進(jìn)電機(jī)蜂 鳴 器 圖 硬件 系統(tǒng)框圖 1） 按鍵輸入與 L12864 液晶顯示 部分。其中， L12864 液晶顯示啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速。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 和 24V 供電電壓。步進(jìn)電機(jī)與 L298 連接實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。 L298N 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以取得一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V,可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。該模塊完成 按摩椅 的告警 提示，在一般工作情況下，蜂鳴器都將發(fā)聲告警（例如電機(jī)運(yùn)行超時(shí)）。按摩椅在各種工作狀態(tài)下使不同二極管發(fā)光以明確表示按摩椅的運(yùn)行情況。片內(nèi)帶有一個(gè) 4KB 的 Flash 可編程 ,可擦除只讀存儲(chǔ)器 (EPROM)，它采用了 COMS 工藝和公司 ATMEL 的高密度非易失性存儲(chǔ)器(NURAM) 技術(shù) ,而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MSC－ 51 兼容。因此 AT89C51是一種功能強(qiáng) ,靈活性高 ,且價(jià)格合理的單片機(jī) ,可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。 AT89C51 引腳功能說明 圖 是 AT89C51 的引腳結(jié)構(gòu)圖 ,有雙列直插封裝 (DIP)方式和方形封裝方式 ,下面分別敘述這些引腳的功能 . (1)主電源引腳 ① VCC 電源端 . ② GND:接地端 . (2)外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 ① XTAL1：接外部晶體的一個(gè)引腳 .在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。 ② XTAL2：接外部晶體的另一個(gè)引腳。 ③單片機(jī)外接電路 片內(nèi)電路與片外器件就構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路， CPU的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。 C C2 是反饋電容，其值在 5pF～ 30pF 之間選取，典型值為 30pF。這樣就確定了單片機(jī)的 4個(gè)周期分別是： 振蕩周期＝ 1/12 s? ；機(jī)器周期（ SM）＝ s?1 ； 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 20 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345678(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40AT89C511212M30pFC130pFC2SB0560R10VCC30pFC3VCC 圖 AT89C51 模塊 XTAL1 和 XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容。一般情況下 ，無論是機(jī)械振動(dòng)的振幅，還是交變電場(chǎng)的振幅都非常小。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱諧振頻率。石英晶振起振后要能在 XTAL2 線上輸出一個(gè) 3V 左右的正弦波，以便使 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)的 OSC 電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。電容 C1 和 C2 可以幫助起振，典型值為 30pF，調(diào)節(jié)它們可 以達(dá)到微調(diào)的目的 [26]。單片機(jī)的復(fù)位后是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的 RST 引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（ 2 個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便可實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。例如：若 MCS51 單片機(jī)時(shí)鐘頻率為 12MHz。 (3)控制或與其它電源復(fù)用引腳 RST,ALE/PROG,PSEN 和 EA/Vpp. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 21 ① RST：復(fù)位輸入端 .當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí) ,在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。因此 ,它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘 ,或用于定時(shí)目 的。 如果需要的話 ,通過對(duì)專用寄存器 (SFR)區(qū)中 8EH 單元的 D0 位置數(shù) ,可禁止 ALE操作。 ③ PSEN：程序存儲(chǔ)允許 (PSEN)輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。 ④ EA/VPP 外部訪問允許端 ,要使 CPU 只訪問外部存儲(chǔ)器 (地址為 0000H— FFFFH),則 EA 端外部必須保持低電平 (接到 GND 端 )然而要注意的是：如果保密被編程 ,復(fù)位時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存 EA端的狀態(tài)。在Flash 存儲(chǔ)器編程期間 ,該引腳也用于施加 12V 的編程允許電源 VPP(如果選用 12V 編程 )。 在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) ,它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址 (低 8 位 )/數(shù)據(jù)總線 ,在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。而在校驗(yàn)程序時(shí) ,則輸出指令字節(jié) .驗(yàn)證時(shí) ,要求外接 上拉電阻。 P1的輸出緩沖 器可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流方式 )4個(gè) TTL輸入 .對(duì)端口寫 1時(shí) ,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位 ,這時(shí)可用作輸入口 ,P1 口作輸入口使用時(shí) ,因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻 ,那些被外部信號(hào)低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 22 在訪問外部程序存儲(chǔ)器和 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (如執(zhí)行 MOVXDPTR 指令 )時(shí) ,P2送出高 8位地址。 P3 端口 (— ):P3 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口 .P3 的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流方式 )4 個(gè) TTL 輸入。 P3 作輸入口使用時(shí) ,因?yàn)閮?nèi)部的上拉電阻 ,那些 被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。 2） 靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的 23倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來（幾何尺寸） 3） 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參 考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 4） 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下 [27]： P= Ωn/60 P=2πnM/60 （ 1） 其 P為功率單位為瓦， Ω 為每秒角速度，單位為弧度， n 為每分鐘轉(zhuǎn)速， M為力矩單位為牛頓 45ZY直流電機(jī)，采用稀土材料，具有性能穩(wěn)定、力矩強(qiáng)勁特點(diǎn)。是小型機(jī)械設(shè)備、醫(yī)用保健按摩產(chǎn)品等首選小功率驅(qū)動(dòng)源。公司擁有國(guó)家級(jí)電機(jī)技術(shù)中心、浙江省高新技術(shù)研發(fā)中心，公司擁有完善的質(zhì)量保證體系，已通過 ISO9001:2021 質(zhì)量管理體系、 ISO/TS16949 汽 車行業(yè)質(zhì)量管理體系、 ISO14001 環(huán)境管理體系認(rèn)證。 LINIX 產(chǎn)品以優(yōu)異的性能、良好的服務(wù)獲得國(guó)內(nèi)外客戶的一致好評(píng)，主導(dǎo)產(chǎn)品占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的 70%以上份額，并出口到歐洲、美洲、非洲、東南亞等一百多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，出口勢(shì)頭迅猛，客戶中有世界 500 強(qiáng)企業(yè) 20