基于PLC的可調按摩椅控制系統設計

翟海祥，肖光潤，吳何畏

（湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北 襄陽441053）

基于PLC的可調按摩椅控制系統設計

翟海祥，肖光潤，吳何畏

（湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北 襄陽441053）

為了緩解長時間工作后身體的不適，本文采用西門子PLC設計出一套按摩椅控制系統，用于按摩椅控制系統中，旨在控制按摩椅平穩、高效工作，從而滿足消費者對于可調按摩椅的使用需求。為了實現以上功能，設計系統將采用西門子PLC/S7-200作為主控單元，對步進電機驅動器進行控制，進而控制步進電機的工作狀態。同時由高速脈沖輸出個數，對步進電機的轉速進行控制，通過傳感器響應控制步進電機往返運動，從而帶動絲桿上的按摩小球同步往返運動。按摩小球是按摩椅的重要部位，由于前面對步進電機的平穩、高效控制，最終可使按摩椅按照使用者的需求正常工作，達到緩解使用者身體不適的目的。

按摩椅；西門子PLC；步進電機；高速脈沖

可調按摩椅功能最為全面、按摩效果最受認可的按摩器械之一，盡管國內已經出現了各式各類的電動按摩產品，也有很多的相關的企業，但是我國的按摩椅行業起步比較晚，按摩椅的普及程度不高，具有較大的市場潛力[1]。針對市面上出現的問題，根據人體工程和傳統的按摩理論，研究開發一種機構簡單，功能齊全，具有價格競爭優勢的可調按摩椅。該按摩椅采用靈活的編程方法，通過簡易的操作按鈕，實現按摩椅復雜運動的控制，增加按摩椅的可調性能；采用的比較輕質的材料，使得按摩椅整體的重量輕，便于搬運；采用簡單的運動機構，可使運動機構簡單易行，節約按摩椅的成本，它對人們的身心健康具有積極的意義。

1 系統總體框架

系統整體設計框架見圖1，按摩椅整體系統分為3個部分，（1）座椅曲面設計，根據人體對于座椅舒適度的感覺，將按摩椅靠背設計出長曲面型，同時座椅轉角處設計成內凹形，有利于使用者整體更好坐在椅上；同時在座椅的右邊，有一個可調節架構，可有效調節靠背的傾斜角度。（2）運動部分，運動部分是采用42步進電機KH42HM2B115微型馬達電機拖動絲桿，在絲桿的滑塊上裝有按摩小球，隨著電動機的轉動，按摩小球會相應的運動，按摩小球凸出部位可有效的與人體接觸，起到按摩效果。在按摩椅的左右兩邊上，裝有若干操作按鈕，可對步進電機的運動狀態進行調節，例如運動的速度、工作時間，從而滿足不同使用者的要求。（3）控制部分，采用PLC/S7-200作為主控，通過編程控制細分步進電機TB6600驅動器，進而控制步進電機的運動狀態，通過輸出脈沖個數，控制步進電機的運動速度，通過控制延時繼電器控制按摩椅工作時間，通過控制電平的高低，進而控制電機的正反轉，從而實現電機的往返。

圖1 按摩椅側面輪廓

1.1 機械硬件

1.1.1 運動機構

根據按摩小球運動的狀態需求，本文選取滑動絲桿作為動力裝置，可有效實現左右往返運動，從而帶動滑塊上按摩小球往返運動。

1.1.2 座椅調節裝置

由于使用者對于靠背的傾斜度要求不同，因此，本文采用可調節裝置，類似飛機上的座椅，可以通過調節柄，控制靠背的傾斜度，從而滿足不同使用者的需求[2]。

1.2 PLC硬件

1.2.1 驅動器簡介

步進電機是一種將數字脈沖信號轉化角位移的執行機構。即，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角、步距角）。通過對于程序設定，可以實現對步進電機精確控制。精確度的高低取決于單位時間內脈沖的個數，個數越多控制就越細，精度也就越高。

細分步進電機TB6600驅動器[3]，實物模型可以分為以下三部分。

1.2.2 電源電壓連線

VCC：電源正端“+” GND：電源負端“-”

1.2.3 信號輸入端

PUL+：脈沖信號輸入端 PUL-：脈沖信號輸入負

DIR-：電機正、反控制負 EN+：電機脫機控制正

EN-：電機脫機控制負

1.2.4 電機繞組

A+：連接電機繞組A+相 A-：連接電機繞組A-相

DIR+：電機正、反轉控制正 B-：連接電機繞組B-相

B：連接電機繞組B-相

1.3 驅動器的使用說明

1.3.1 驅動器功能

步進電機作為一種控制精密位移及大范圍調速專用的電機，它的旋轉是以自身固有的步距角一步一步運行的，其特點是每旋轉一步，步距角始終不變，能夠保持精密準確的位置。所以無論旋轉多少次，始終沒有積累誤差。由于控制方法簡單，成本低廉，廣泛應用于各種開環控制。步進電機的運行需要有脈沖分配的功率型裝置進行驅動，這就是步進電機驅動器。它接收控制系統發出的脈沖信號，按照步進電機的結構特點，順序分配脈沖，實現控制角位移、旋轉速度、旋轉方向、制動加載狀態、自由狀態。控制系統每發一個脈沖信號，通過驅動器就能夠驅動步進電機旋轉一個步距角。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。因此，對于按摩椅往返控制需要通過對驅動器進行控制，從而實現對步進電機精確控制。

1.3.2 共陽極接法：

分別將PUL+，PUL-接到控制系統的電源上，如果此電源是+5 V，則可直接接入，如果此電源大于+5 V，則必須外部另加限流電阻R接入，方向信號通過DIR-接入，使能通過EN-接入。

1.3.3 共陰極接發：

分別將PUL-，DIR-，EN連接到控制系統的地端；脈沖輸入信號通過PUL+接入，方向信號通過DIR+接入，使能信號通過EN+接入。若需限流電阻R的接法取值與共陰極接法相同。

兩種接法原理上是一樣的，實現的過程也類似，只不過對于輸出端點電平信號高低有所區別，控制動作有所不同，但是可以通過轉變程序里觸點的動斷，來控制步進電機驅動器的外接設備，基本參數引腳圖見圖2.

圖2 驅動器的引腳分配

2 系統控制及動力部分接線圖

本文采用共陰極接法，將圖2、圖3對應端子接起來，根據實際情況，將驅動器和步進電機以及PLC對應端接在一起，將電源端接入外接電源，由于本文選用的PLC/S7-200/CPU224DC[4]，因此電源接入端為外接直流24 V，直流24 V可由外接24 V電源提供。由驅動器根據使用說明可知，電源端也為24 V直流。整體控制接線見圖4、5.

圖3 系統接線圖

圖4 實物接線圖

圖5 接線調試

3 系統軟件部分

如圖6所示，當接通程序時，在第一個掃描周期內高速脈沖會復位[5]一次，即對輸出脈沖初始化一次，實現過程是由西門子編程中的傳送指令完成。如圖7所示，是高速脈沖輸出以及電機移動方向的控制，通過傳感器和限位開關進行控制，可以通過左右端的限位開關實現保護功能。

圖6 輸出脈沖初始化

圖7 左右往返控制

4 系統執行說明

4.1 系統程序執行說明

在本文中，由于M0.0串聯在每條程序中，且是常開狀態，當按下輸入按鈕SB0，接通中間繼電器M0.0，并且自鎖，即可啟動程序執行往返運動，當按下手動急停按鈕SB5時，會斷開繼電器M0.0所在線路，從而使整個過程停止。在滑臺兩端分別裝有限位開關，靠近步進電機端接I0.1，另一端接I0.3；同時在靠近電機端接入行程開關I0.2，另一端接行程開關I0.4，對應的手動按鈕如上圖3、圖4、圖5接線所示。程序開始執行時，假設此時絲桿上的金屬塊正處在靠近電機端，這時由于行程開關接收到金屬信號，觸發I0.1，同時輸出端QO.1接通，電機運動方向改變，朝著另一端運動，同樣當行程開關I0.3檢測到金屬塊時，也會觸發輸入端動作，此時，輸出端Q0.1由高電平變為低電平，從而使電機方向向靠近電機一端運動，就這樣形成一個循環，在無意外情況或者是認為干涉的情況下，電機會一直這樣循環下去，持續工作。同時也可通過修改程序，對電機輸入脈沖個數[6]進行修改，從而對電機運動的快慢進行修改，由于步進電機不適合太高的脈沖個數，因此，在修改脈沖個數時要以電機的實際參數作為依據，以免損壞電機。如果電機運動速度過快，在靠近行程開關時未能及時響應，此時左右兩端的限位開關會接入線路中，進行及時換向控制，確保設備和人身安全。

4.2 控制部分接線和調試

根據上述說明和器件實際接線，步進電機正常工作，按摩小球可以隨著絲桿滑塊正常運行。不僅可以實現往返控制，而且還可以通過修改程序對輸出脈沖進行控制，從而控制運動速度。根據系統執行流程說明，操作實驗設備，發現工作狀況與設計思想一致，可以實現往返調速控制，同時可以人為隨時中止設備，實現實驗設備可控，具體接線見圖4、圖5.

5 總結

對比國內外對按摩椅的研究歷史與現狀，以及按摩椅中存在的不足，對本文設計的可調按摩椅提出具體的設計要求。采用西門子PLC/S7-200為主控，通過PLC控制細分步進電機TB6600驅動器，進而對步進電機進行控制，通過修改程序中參數大小，可以設置脈沖輸出個數，實現對于電機細分控制，進而實現對于按摩小球的控制。同時，在步進電機兩端的絲桿上裝有行程開關和限位保護開關，使得步進電機可以自動換向且進行平穩運動，由于設定有急停按鈕，可以實現運動隨時中止，提高設備可控性。本文最大的特色在于將驅動器、步進電機、限位開關以及行程開關全部組合在一起，從理論學習轉向實際操作，將其應用于實際生活中，解決生活中一些常見問題，使得科技更好的為人類服務。本文設計思想在于讓電機輸出更加平穩可控，且能自動進行往返運動，提高效率，綜合以上優點，該按摩椅不僅坐著舒服，而且還可以緩解使用者身體的不適。

[1]中國按摩椅市場現狀分析.http：//www.icinet.com.cn/hyzx/gyzz/scfx/2012-06-25/6180.shtml環球資訊，2012.

[2]尤向陽.零起點超快學 PLC技術[M].北京：化學工業出版社，2016.3.

[3]唐佳偉.兩相混合式步進電機細分控制器的設計[D].浙江理工大學，2016.

[4]陳忠平，侯玉寶，李 燕.西門子S7-200 PLC從入門到精通[M].北京：中國電力出版社，2015.1.

[5]趙景波，阿 倫，鞏 雪.零基礎學西門子S7-200 PLC（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2013.8.

[6]常 麗.四相步進電機驅動器[J].沈陽工業大學學報，1999（03）：225-226+241.

Design of Adjustable Massage Chair Control System Based on PLC

ZHAI Hai-xiang，XIAO Guang-run，WU He-wei
（School of Mechanical and Automotive Engineering，Hubei College of Arts and Sciences，Xiangyang Hubei 441053，China）

In order to alleviate the long-term work after the discomfort of the body，this article uses Siemens PLC designed a massage chair control system for massage chair control system，designed to control the massage chair smooth and efficient work to meet the consumer for adjustable massage chair The use of demand.In order to achieve the above functions，the design system will use Siemens PLC/S7-200 as the main control unit，the stepper motor drive control，and then control the working state of stepper motor.At the same time by the number of high-speed pulse output，the stepper motor speed control，through the sensor response control stepper motor reciprocating movement，so as to drive the screw on the massage ball reciprocating movement.Massage ball is an important part of the massage chair，due to the front of the stepper motor smooth and efficient control，and ultimately the massage chair in accordance with the needs of users to work properly to achieve the purpose of alleviating the user’s physical discomfort.

massage chair；SIEMENS PLC；stepping motor；high speed pulse

TP27

A

1672-545X（2017）09-0213-04

2017-06-10

1.面向高光譜圖像分類的函數型數據分析方法研究，湖北省教育廳科學技術研究計劃青年人才項目，編號：Q20162603，2016-2017，主持，在研；2.基于函數型數據分析的高光譜圖像分類研究，湖北文理學院教師科研能力培育基金，編號：2016ZK014，2016-2017，主持，在研；3.面向機械產品無損檢測的高光譜圖像處理技術研究，“汽車零部件制造裝備數字化湖北省協同創新中心”開放基金，編號：hbuas201514，2015-2017，主持，在研；4.面向微流控芯片微加工形貌特征的視覺評價方法研究，“機電汽車”湖北省優勢特色學科群2017年度開放基金項目，編號：XKQ2017037，2017-2018，主持，在研。

翟海祥（1994－），男，湖北棗陽人，本科，研究方向：高端智能裝備 ；肖光潤（1987－），男，湖北宜城人，博士，講師，研究方向：高端智能裝備、機器視覺；吳何畏（1976－），男，湖北襄陽人，副教授，研究方向：機電一體化及自動化。