直流有刷電機(jī)在按摩椅中的應(yīng)用

劉燦華，何紹健，楊 廉

(寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福安 355000)

0 引 言

在生活節(jié)奏不斷加快，社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的當(dāng)今社會(huì)，越來(lái)越多的人處于“亞健康”狀態(tài)。依據(jù)世界衛(wèi)生組織資料顯示，目前世界范圍內(nèi)約有75%的人口正遭受著“亞健康”帶來(lái)的困擾[1]。保健按摩作為一種有效的擺脫“亞健康”的方式，越來(lái)越受到人們的推崇。電動(dòng)按摩椅是一種全自動(dòng)的保健按摩器具，其以豐富的功能與高性價(jià)比已成為家家戶戶家用電器當(dāng)中不可缺少的一員[2]。同時(shí)，我國(guó)也發(fā)布了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]，這些都促進(jìn)了按摩椅行業(yè)的快速發(fā)展。

電動(dòng)按摩椅發(fā)展至今，雖說(shuō)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但仍然還有一些問(wèn)題急需解決，其中舒適性問(wèn)題是影響電動(dòng)按摩椅進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。剖析目前市面上常見(jiàn)的電動(dòng)按摩椅系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，大多采用無(wú)反饋環(huán)節(jié)的有刷直流電機(jī)，其控制方式依然停留在簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制階段，當(dāng)給電機(jī)兩端通電時(shí)，電機(jī)直接轉(zhuǎn)動(dòng),缺少一個(gè)速度調(diào)節(jié)的過(guò)程。當(dāng)電機(jī)從停機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為全速狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速直接由0增加到全速(如4 000 r/min)，未有一個(gè)提速的過(guò)程，這就導(dǎo)致了按摩器具對(duì)人體的直接沖擊，使得按摩過(guò)程的舒適性大大降低。同時(shí)，未將轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給控制電路，在針對(duì)不同體重的人群時(shí)，相同的檔位給出的轉(zhuǎn)速卻是不一樣的，這也造成了同樣檔位有些人感覺(jué)不到力量，有些人卻感覺(jué)力度太大。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)的電動(dòng)按摩椅控制系統(tǒng)上選取帶有速度反饋的直流有刷電機(jī)，并提出了基于速度環(huán)增量式PID控制的按摩椅直流有刷電機(jī)控制方式，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)按摩椅的舒適性提升。

1 按摩椅中的電機(jī)及控制算法

1.1 按摩椅中電機(jī)及性能需求

電動(dòng)按摩椅的按摩區(qū)域主要分成兩個(gè)部分，即背部按摩區(qū)與腿部按摩區(qū)。背部區(qū)域的按摩功能主要通過(guò)一個(gè)由3～5個(gè)有刷電機(jī)組成的機(jī)芯實(shí)現(xiàn)揉捏、捶打以及上下行走功能。腿部按摩區(qū)域主要依靠4～6個(gè)有刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)腳底滾輪按摩以及小腿的屈伸功能。因此，一臺(tái)常見(jiàn)的電動(dòng)按摩椅大約需要10個(gè)直流有刷電機(jī)[4]?？偟膩?lái)說(shuō)，按摩椅所需要的電機(jī)屬于小功率電機(jī)，其最大功率在50 W左右，額定電壓在24 V左右，額定轉(zhuǎn)速為1 200～4 000 r/min，電機(jī)最大直徑尺寸在38 mm左右?；陔妱?dòng)按摩椅按摩過(guò)程對(duì)揉捏、捶打的平穩(wěn)效果需求，其所使用的電機(jī)需要有良好的調(diào)速性能，而直流有刷電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、工藝性能優(yōu)良的特性，能夠廣泛應(yīng)用在電動(dòng)按摩椅中[5]。而也正是由于直流有刷電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)上滿足了電動(dòng)按摩椅的基本性能需求，在對(duì)舒適性要求不高的設(shè)計(jì)之初，電動(dòng)按摩椅主要采用的是簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制方式，沒(méi)有將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速等信息進(jìn)行反饋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)按摩過(guò)程舒適性提升。隨著人們對(duì)電動(dòng)按摩椅舒適性要求的提高，對(duì)電動(dòng)按摩椅的性能需求也從初期的只需要能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)及調(diào)速提高到能夠平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)及調(diào)速的舒適過(guò)程，這時(shí)簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制滿足不了此性能需求。因此，本文選取帶有霍爾傳感器與磁環(huán)的能夠反饋轉(zhuǎn)速信息的直流有刷電機(jī)。

1.2 按摩椅中直流有刷電機(jī)的控制算法

由于傳統(tǒng)的電動(dòng)按摩椅電機(jī)控制多采用開(kāi)環(huán)控制，無(wú)法實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)動(dòng)情況，在追求舒適性的今天，有必要將反饋環(huán)節(jié)引入電動(dòng)按摩椅電機(jī)的控制中。最為經(jīng)典的反饋方式即為PID控制，由PID相關(guān)理論知識(shí)可知，PID算法可分為位置式與增量式[6]。

位置式PID控制算法每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，在運(yùn)算過(guò)程中需對(duì)每次的偏差值進(jìn)行累計(jì)，計(jì)算量大。同時(shí)，由于位置式PID的輸出對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際參數(shù)，若微機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輸出值將大幅變化，同時(shí)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅變化，對(duì)應(yīng)到電動(dòng)按摩椅系統(tǒng)中，將導(dǎo)致電動(dòng)按摩椅電機(jī)轉(zhuǎn)速大幅變化，降低舒適性及安全性。

增量式PID控制算法的每次輸出是速度控制量的增量，對(duì)應(yīng)到電動(dòng)按摩椅系統(tǒng)中，即每次的控制輸出是在現(xiàn)有速度上疊加一個(gè)增量，從而實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡。并且，增量式PID的運(yùn)算過(guò)程計(jì)算量小，在控制芯片相對(duì)低價(jià)的電動(dòng)按摩椅系統(tǒng)中可以得到廣泛的應(yīng)用。

另外，按摩椅執(zhí)行揉捏、捶打等動(dòng)作過(guò)程中電機(jī)時(shí)刻保持著轉(zhuǎn)動(dòng)，在控制過(guò)程中對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的位置要求不高，但對(duì)速度的性能要求相對(duì)較高。因此，在傳統(tǒng)的電動(dòng)按摩椅有刷電機(jī)開(kāi)環(huán)控制基礎(chǔ)上，修改硬件電路并且將增量式速度環(huán)PID控制算法移植到軟件程序中，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)按摩椅起動(dòng)及調(diào)速過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡，提升按摩椅工作過(guò)程的舒適性。

2 硬件電路

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)按摩椅用直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路具備轉(zhuǎn)速控制、方向控制及轉(zhuǎn)速測(cè)量功能，硬件方案如圖1所示。其中，操作面板能夠發(fā)送與接收轉(zhuǎn)速信息；直流有刷電機(jī)尾部配有霍爾傳感器與磁環(huán)，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的信息傳遞給測(cè)速模塊；直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊能夠接收微控制器發(fā)送的PWM信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)直流有刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制與方向控制功能；測(cè)速模塊能夠獲取直流電機(jī)提供的霍爾信號(hào)，并且經(jīng)過(guò)測(cè)速模塊的處理輸出方波信號(hào)到微處理器中進(jìn)行PID運(yùn)算，平穩(wěn)地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與測(cè)速模塊是硬件電路的主要組成部分，下面將具體介紹。

圖1 帶有速度反饋的電動(dòng)按摩椅硬件方案圖

2.1 直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本文基于L298N芯片，結(jié)合按摩椅的性能需求，設(shè)計(jì)了基于L298N的直流有刷電機(jī)控制硬件電路，如圖2所示。L298N芯片是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部集成了兩個(gè)H橋的高電壓大電流的全橋式驅(qū)動(dòng)器，故一個(gè)芯片為按摩椅中的多個(gè)直流有刷電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)[7]。

圖2 按摩椅直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖2中，4腳可依據(jù)所選的電機(jī)接入12 V或者24 V，最大可達(dá)46 V。9腳連接VCC，VCC(5 V)為保證L298N工作需要的電源。D1～D8為8個(gè)續(xù)流二極管，是為了消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的尖峰電壓保護(hù)電機(jī)而設(shè)計(jì)的。6腳和11腳為兩路電機(jī)通道的使能開(kāi)關(guān)，高電平使能，可以直接接高電平，也可以交由單片機(jī)控制。5、7、10、12腳為連接單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸入引腳，2、3、13、14腳為連接電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸出引腳，其驅(qū)動(dòng)輸入引腳與驅(qū)動(dòng)輸出引腳的狀態(tài)關(guān)系如表1所示。ENB、IN3和IN4相應(yīng)控制另一組電機(jī)狀態(tài)(OUT3和OUT4)。

表1 輸入引腳與輸出引腳狀態(tài)關(guān)系

2.2 測(cè)速模塊

測(cè)速模塊電路圖如圖3所示，其中U1為基于雙極半導(dǎo)體工藝設(shè)計(jì)的霍爾元件，IC2A為集成運(yùn)放芯片，結(jié)合R2、C1等元件構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較電路。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸上的磁環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，霍爾元件U1能檢測(cè)磁場(chǎng)變化從而輸出正弦波[8]，如圖4所示。并且霍爾元件的頻率高到1 MHz，滿足最高4 000 r/min的電動(dòng)按摩椅電機(jī)轉(zhuǎn)速性能需求。正弦波信號(hào)與比較電路的信號(hào)進(jìn)行比較后即可從IC2A的1引腳輸出方波信號(hào)，如圖5所示，并由J5端口輸入到單片機(jī)中，進(jìn)行轉(zhuǎn)速運(yùn)算。

圖3 測(cè)速模塊電路

圖4 霍爾傳感器輸出信號(hào)

圖5 比較電路輸出信號(hào)

3 軟件程序

3.1 軟件系統(tǒng)描述

軟件程序系統(tǒng)如圖6所示，當(dāng)程序啟動(dòng)后進(jìn)行相關(guān)模塊的初始化，包括定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、相關(guān)IO端口等。當(dāng)初始化結(jié)束后進(jìn)入死循環(huán)，實(shí)時(shí)接收操作面板發(fā)送的轉(zhuǎn)速檔位數(shù)據(jù)。每當(dāng)發(fā)生檔位變化或者從靜止起動(dòng)的過(guò)程中目標(biāo)轉(zhuǎn)速與現(xiàn)有轉(zhuǎn)速產(chǎn)生差距，在PID運(yùn)算模塊中對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與現(xiàn)有轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，從而驅(qū)動(dòng)定時(shí)器產(chǎn)生PWM發(fā)生器實(shí)時(shí)調(diào)整占空比，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)默F(xiàn)有轉(zhuǎn)速平穩(wěn)過(guò)渡到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖6 帶有速度反饋的電動(dòng)按摩椅控制程序框圖

3.2 基于速度環(huán)的增量型PID控制算法

在電動(dòng)按摩椅的整套控制程序中，PID運(yùn)算部分的程序直接決定了按摩椅的舒適性。基于電動(dòng)按摩椅按摩過(guò)程的平穩(wěn)性及可靠性的功能需求，本文選取了基于速度環(huán)的增量型PID控制算法。針對(duì)速度環(huán)的PID控制過(guò)程如圖7所示，每當(dāng)所測(cè)得的現(xiàn)有轉(zhuǎn)速Vt與目標(biāo)轉(zhuǎn)速Vi存在偏差時(shí)，所測(cè)得的偏差將輸入到PID運(yùn)算單元中，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后將偏差量直接輸入到定時(shí)器模塊，設(shè)置相應(yīng)的PWM輸出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

圖7 速度環(huán)PID工作流程圖

速度環(huán)的增量式PID調(diào)節(jié)公式如下：

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+

Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

式中：e(k)為第k次的目標(biāo)轉(zhuǎn)速Vi與現(xiàn)有速度Vt的誤差；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

可以看出，每次的偏差只與前三次的誤差相關(guān)，計(jì)算誤差對(duì)控制量計(jì)算的影響較小。而位置式算法要對(duì)近幾次的偏差進(jìn)行積分累加，容易產(chǎn)生較大的累加誤差。另外，增量式算法得出的是控制量的增量，在速度控制中，只輸出速度的變化部分，誤動(dòng)作影響小，必要時(shí)還可通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作；而位置式的輸出直接對(duì)應(yīng)對(duì)象的輸出，對(duì)系統(tǒng)影響較大。因此，針對(duì)本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)按摩椅系統(tǒng)中的有刷直流電機(jī)調(diào)速控制，速度環(huán)的增量式PID控制算法能較好地適應(yīng)并切入微處理器中。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況以及速度環(huán)增量式PID調(diào)速所消耗的時(shí)間，本文選取了一款帶有霍爾傳感器的直流有刷電機(jī)，其額定電壓為24 V，最大轉(zhuǎn)速Vmax為4 000 r/min。按照按摩椅中的力度要求選取了5個(gè)力度，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的占空比并測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)情況，記錄從靜止起動(dòng)到對(duì)應(yīng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速消耗的時(shí)間，多次測(cè)量取平均值后的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同力度下的轉(zhuǎn)速及消耗時(shí)間測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果可以看出，不同力度對(duì)應(yīng)不同的占空比，所測(cè)得的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。并且，從靜止到對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所消耗的時(shí)間基本在0.6 s左右，這樣的PID速度調(diào)節(jié)時(shí)間既不會(huì)讓人感覺(jué)調(diào)速過(guò)慢，也不會(huì)使人們感覺(jué)速度突然上升，達(dá)到電動(dòng)按摩椅的舒適性要求。因此，所測(cè)試的直流有刷電機(jī)及改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電路適用于按摩椅產(chǎn)品應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了電動(dòng)按摩椅在我國(guó)的廣泛使用情況，并針對(duì)現(xiàn)有按摩椅中直流有刷電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制存在的問(wèn)題，將基于速度環(huán)增量式PID控制的直流有刷電機(jī)用在按摩椅中。在選擇帶有霍爾傳感器的直流有刷電機(jī)之后，改進(jìn)了相應(yīng)的硬件控制電路，并設(shè)計(jì)基于速度環(huán)的增量式PID調(diào)速控制軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了直流有刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及速度控制，所測(cè)試的調(diào)速時(shí)間在0.6 s左右，滿足按摩椅舒適性要求。