基于STM32的電動(dòng)按摩椅控制板卡設(shè)計(jì)

摘 要：本文選用噪音小、效率高、維護(hù)成本低的無(wú)刷電機(jī)作為電動(dòng)輪椅動(dòng)力裝置，采用最ST公司最新32位Cortex-M4內(nèi)核處理器作為主控制器，設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)輪椅無(wú)刷電機(jī)控制器，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)S曲線(xiàn)加減速控制，速度閉環(huán)控制等特定控制算法。

關(guān)鍵詞：STM32；無(wú)刷電機(jī)；S曲線(xiàn)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM921.2

目前，我國(guó)部分城市已經(jīng)進(jìn)入老齡化階段，特別是一些大型城市，老齡化逐漸嚴(yán)重。隨著人們生活水平的提高，老年人和下肢行動(dòng)不便的人群對(duì)電動(dòng)輪椅等輔助行動(dòng)工具的需求量將日益增加。目前國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)輪椅的研究尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)電動(dòng)輪椅廠(chǎng)家普遍采用進(jìn)口電動(dòng)輪椅控制器，并且還只能驅(qū)動(dòng)控制有刷電機(jī)，所以存在成本高、壽命低的缺點(diǎn)，相對(duì)目前國(guó)內(nèi)消費(fèi)者普遍收入尚低的現(xiàn)狀，電動(dòng)輪椅的普及和推廣收到一定阻力。電動(dòng)輪椅控制器作為電動(dòng)輪椅的核心器件，其價(jià)格往往可以占到電動(dòng)輪椅全部成本的1/3，該控制器的性能和價(jià)格直接決定了電動(dòng)輪椅的性能和成本，所以研究高性能、低成本的的電動(dòng)輪椅控制器具有主要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用高性能的cortex-M4內(nèi)核單片機(jī)STM32F405VG作為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱桿，LED顯示面板，剎車(chē)控制檢測(cè)，電池電量檢測(cè)，溫度檢測(cè)，電樞電流檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，將采用硬件設(shè)計(jì)、關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)和嵌入式軟件設(shè)計(jì)以及整體性能測(cè)試的步驟進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。ST推出的STM32F4系列高性能微控制器基于ARM? Cortex?-M4內(nèi)核，其采用了90 納米的NVM 工藝和自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器（ART）。ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，提升了程序執(zhí)行的效率，使得STM32 F4系列可達(dá)到210DMIPS@168MHz， 使Cortex?-M4的性能發(fā)揮到極致。STM32F4系列微控制器集成了單周器DSP指令和FPU（浮點(diǎn)單元），大大提升了計(jì)算能力，從而可以滿(mǎn)足一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。系統(tǒng)架構(gòu)圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 控制板卡電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU部分主電路

對(duì)于無(wú)刷電機(jī)控制器來(lái)說(shuō)，所需要的資源如下：開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)：限速、定速、剎車(chē)、霍爾、啟動(dòng)、加速、減速等8個(gè)信號(hào)。模擬量輸入信號(hào)：調(diào)速、限流、電池電壓等一共5路信號(hào)。開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)：保護(hù)鎖定、保護(hù)輸出等一共8個(gè)信號(hào)。內(nèi)部定時(shí)器：看門(mén)狗、蜂鳴器PWM、電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出等至少4個(gè)定時(shí)器。工作溫度范圍：-20度-60度。

因此對(duì)于電動(dòng)輪椅控制器來(lái)說(shuō)，即需要較多的IO口，有需要能滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)量計(jì)算、高精度性能要求的MCU，因此選用STM32F05VG芯片，該芯片具有自帶的12位ADC接口，12位DAC接口，17個(gè)內(nèi)部定時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)PWM輸出功能和脈沖捕捉功能。

圖2 MCU主電路

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖所示。該電路是本設(shè)計(jì)中兩路電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路中的一路，三相六線(xiàn)電機(jī)由6個(gè)功率管組成，其中AH、AL、BH、BL、CH、CL為功率管開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，P1接口為電機(jī)接口，R_SENSOR為相電流檢測(cè)信號(hào)，RMA+到RMC+為相電壓檢測(cè)信號(hào)。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 S曲線(xiàn)加減速控制算法設(shè)計(jì)

優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能和嚴(yán)格的安全保障是首要的技術(shù)要求，安全性和舒適性是的前提是輪椅的運(yùn)行速度需要連續(xù)。如果通過(guò)操作桿計(jì)算出的輪椅速度如果直接給控制器作為運(yùn)行速度，會(huì)出現(xiàn)速度突然變化，從而使輪椅的運(yùn)行在啟動(dòng)或者速度變化時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖撞，從而威脅使用者的安全。因此，電機(jī)的速度變化必須經(jīng)過(guò)合理的加減速處理。常用的加減速度控制曲線(xiàn)主要有3種，分別是梯形曲線(xiàn)、指數(shù)型加減速曲線(xiàn)、S型加減速曲線(xiàn)?？刂扑惴ㄖ饕胁楸戆l(fā)和插補(bǔ)迭代法。

本系統(tǒng)采用S曲線(xiàn)加減速控制算法，基于模糊整定參數(shù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析。

由于S曲線(xiàn)是非線(xiàn)性函數(shù)，因此其合成和編程相對(duì)梯形曲線(xiàn)復(fù)雜很多，并且電動(dòng)輪椅的運(yùn)行過(guò)程中加減速都是人為隨機(jī)控制的，因此，完整的七段加減速過(guò)程是難以實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)通過(guò)控制MCU的TIM產(chǎn)生6路PWM信號(hào)的頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)中斷重新裝載預(yù)分頻器TIM的值改變PWM輸出頻率，加減速控制算法通過(guò)設(shè)定的加減速速度值不斷減小或者增加預(yù)分頻器值實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的增加和減小的控制，勻速階段保持輸出脈沖頻率的恒定。使用定時(shí)器中斷，可以實(shí)現(xiàn)精確控制PWM脈沖輸出個(gè)數(shù)和頻率，實(shí)現(xiàn)位置與速度的協(xié)調(diào)控制，使電路輸出S曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制脈沖模式的脈沖信號(hào)，本設(shè)計(jì)把S曲線(xiàn)加速階段分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段加速度遞增，第二階段加速度勻速，第三階段加速度遞減，到達(dá)設(shè)定的勻速運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，加速度為0，S曲線(xiàn)減速階段同樣分為三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)過(guò)程為加速階段的逆實(shí)現(xiàn)過(guò)程。本設(shè)計(jì)采用三段直線(xiàn)近似模擬S曲線(xiàn)，這樣可以大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，如圖4所示。

圖4 S曲線(xiàn)近似模擬示意圖

根據(jù)人體的敏感性，當(dāng)加速度值小于1.5m/s2、平均加減速度大于0.5 m/s2、加加速度小于1.5 m/s3，設(shè)系統(tǒng)定時(shí)器的中斷周期為T(mén)，直線(xiàn)的斜率為K，設(shè)定輪椅在t時(shí)間內(nèi)加速到速度給定的最大值，三者的關(guān)系式： 三段的K值設(shè)置為可調(diào)參數(shù)，使用者可以根據(jù)自身的舒適性對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文充分利用STM32F405VG單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，利用單芯片實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)輪椅無(wú)刷電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，利用S曲線(xiàn)加減速控制算法，使電動(dòng)輪椅的加速和減速非常平穩(wěn)，因此輪椅的舒適性和安全性也得到了保障。經(jīng)過(guò)艱辛的努力工作與設(shè)計(jì)，本研究完成了電動(dòng)輪椅控制器各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：劉劍（1973.07-），高級(jí)講師，維修電工技師，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化。

作者單位：江蘇省如皋中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇如皋 226500