基于STM32的电动按摩椅控制板卡设计

摘 要：本文选用噪音小、效率高、维护成本低的无刷电机作为电动轮椅动力装置，采用最ST公司最新32位Cortex-M4内核处理器作为主控制器，设计了一套电动轮椅无刷电机控制器，系统可以实现S曲线加减速控制，速度闭环控制等特定控制算法。

关键词：STM32；无刷电机；S曲线控制

中图分类号：TM921.2

目前，我国部分城市已经进入老龄化阶段，特别是一些大型城市，老龄化逐渐严重。随着人们生活水平的提高，老年人和下肢行动不便的人群对电动轮椅等辅助行动工具的需求量将日益增加。目前国内对电动轮椅的研究尚处于起步阶段，国内电动轮椅厂家普遍采用进口电动轮椅控制器，并且还只能驱动控制有刷电机，所以存在成本高、寿命低的缺点，相对目前国内消费者普遍收入尚低的现状，电动轮椅的普及和推广收到一定阻力。电动轮椅控制器作为电动轮椅的核心器件，其价格往往可以占到电动轮椅全部成本的1/3，该控制器的性能和价格直接决定了电动轮椅的性能和成本，所以研究高性能、低成本的的电动轮椅控制器具有主要意义。

1 系统设计设计

本系统采用高性能的cortex-M4内核单片机STM32F405VG作为主控制器，实现对操纵杆，LED显示面板，刹车控制检测，电池电量检测，温度检测，电枢电流检测和电机驱动控制，将采用硬件设计、关键算法设计和嵌入式软件设计以及整体性能测试的步骤进行开发设计。ST推出的STM32F4系列高性能微控制器基于ARM? Cortex?-M4内核，其采用了90 纳米的NVM 工艺和自适应实时存储器加速器（ART）。ART技术使得程序零等待执行，提升了程序执行的效率，使得STM32 F4系列可达到210DMIPS@168MHz， 使Cortex?-M4的性能发挥到极致。STM32F4系列微控制器集成了单周器DSP指令和FPU（浮点单元），大大提升了计算能力，从而可以满足一些复杂的计算和控制。系统架构图1。

图1 系统框图

2 控制板卡电路设计

2.1 MCU部分主电路

对于无刷电机控制器来说，所需要的资源如下：开关量输入信号：限速、定速、刹车、霍尔、启动、加速、减速等8个信号。模拟量输入信号：调速、限流、电池电压等一共5路信号。开关量输出信号：保护锁定、保护输出等一共8个信号。内部定时器：看门狗、蜂鸣器PWM、电机驱动输出等至少4个定时器。工作温度范围：-20度-60度。

因此对于电动轮椅控制器来说，即需要较多的IO口，有需要能满足大数据量计算、高精度性能要求的MCU，因此选用STM32F05VG芯片，该芯片具有自带的12位ADC接口，12位DAC接口，17个内部定时器可以实现PWM输出功能和脉冲捕捉功能。

图2 MCU主电路

2.2 电机驱动电路设计

电机功率管驱动电路如图所示。该电路是本设计中两路电机功率驱动电路中的一路，三相六线电机由6个功率管组成，其中AH、AL、BH、BL、CH、CL为功率管开关控制信号，P1接口为电机接口，R_SENSOR为相电流检测信号，RMA+到RMC+为相电压检测信号。

图3 电机驱动电路

3 S曲线加减速控制算法设计

优良的驱动性能和严格的安全保障是首要的技术要求，安全性和舒适性是的前提是轮椅的运行速度需要连续。如果通过操作杆计算出的轮椅速度如果直接给控制器作为运行速度，会出现速度突然变化，从而使轮椅的运行在启动或者速度变化时产生强烈的冲撞，从而威胁使用者的安全。因此，电机的速度变化必须经过合理的加减速处理。常用的加减速度控制曲线主要有3种，分别是梯形曲线、指数型加减速曲线、S型加减速曲线。控制算法主要有查表发和插补迭代法。

本系统采用S曲线加减速控制算法，基于模糊整定参数结合实验分析。

由于S曲线是非线性函数，因此其合成和编程相对梯形曲线复杂很多，并且电动轮椅的运行过程中加减速都是人为随机控制的，因此，完整的七段加减速过程是难以实现的。本设计通过控制MCU的TIM产生6路PWM信号的频率来控制电机的转速，通过中断重新装载预分频器TIM的值改变PWM输出频率，加减速控制算法通过设定的加减速速度值不断减小或者增加预分频器值实现对速度的增加和减小的控制，匀速阶段保持输出脉冲频率的恒定。使用定时器中断，可以实现精确控制PWM脉冲输出个数和频率，实现位置与速度的协调控制，使电路输出S曲线运动控制脉冲模式的脉冲信号，本设计把S曲线加速阶段分为三个阶段，第一个阶段加速度递增，第二阶段加速度匀速，第三阶段加速度递减，到达设定的匀速运动速度时，加速度为0，S曲线减速阶段同样分为三个阶段，实现过程为加速阶段的逆实现过程。本设计采用三段直线近似模拟S曲线，这样可以大大简化了编程的复杂性，如图4所示。

图4 S曲线近似模拟示意图

根据人体的敏感性，当加速度值小于1.5m/s2、平均加减速度大于0.5 m/s2、加加速度小于1.5 m/s3，设系统定时器的中断周期为T，直线的斜率为K，设定轮椅在t时间内加速到速度给定的最大值，三者的关系式： 三段的K值设置为可调参数，使用者可以根据自身的舒适性对其进行相应调整。

4 结束语

本文充分利用STM32F405VG单片机的优点，利用单芯片实现了电动轮椅无刷电机控制器的设计，利用S曲线加减速控制算法，使电动轮椅的加速和减速非常平稳，因此轮椅的舒适性和安全性也得到了保障。经过艰辛的努力工作与设计，本研究完成了电动轮椅控制器各项指标达到了预期的指标。

参考文献：

[1]ST.Advanced developers guide for STM32F100x/103x/2x/40x/41x MCUs PMSM single/dual FOC library.[DB/CD]，2012.12.

[2]王贵兰.电动轮椅车用无刷直流电动机控制系统的研究[D].河北工业大学，2006.

[3]单玲弟.基于无刷直流电机的电动车驱动系统研究[D].西安理工大学，2008.

[4]尹伟江.基于无刷直流电动机的电动汽车差速控制设计[D].大连理工大学，2009.

作者简介：刘剑（1973.07-），高级讲师，维修电工技师，研究方向：工业自动化。

作者单位：江苏省如皋中等专业学校，江苏如皋 226500