毕业设计（论文）-跑步机装置及控制系统的设计.doc

目录摘要1第一章 绪论31.1课题的背景和意义31.2国内外数字化智能跑步机的研究现状41.3最新成果及课题发展趋势分析61.4课题研究的目的及意义6第二章 跑步机的总体方案设计82.1 系统结构82.2 电动跑步机控制系统的组成92.3 跑步机调速电机的选择92.4 电动跑步机负载特性分析102.5下位控制系统112.6 无刷直流电动机的电流、位置、速度检测122.7 无刷直流电动机的起动142.8心率控制方案152.9卡路里消耗计算模型17第三章 系统硬件体系结构183.1人机交互系统183.1.1上位机控制183.1.2液晶显示183.1.3矩阵键盘设计和控制193.1.4语音控制203.2下位机控制系统203.2.1 无刷直流电动机的控制213.2.2电源电路的设计223.3 驱动电流的设计243.3.1 驱动电路的设计要求243.3.2 ir2130介绍253.3.3 pwm驱动电路的设计273.4 与上位机接口电路的设计283.5 电流检测电路的设计283.6 位置信号检测电路的设计293.7 系统保护电路的设计303.7.1 过流保护电路的设计303.7.2 过压欠压保护电路的设计313.8 心率检测模块323.9 直流升降电机控制模块323.10 超声波距离检侧模块333.11 系统抗干扰设计363.11.1 硬件电路杭干扰设计373.11.2 软件的抗干扰设计37第四章 跑步机控制器软件体系设计384.1下位机系统控制程序设计384.1.1 矩阵键盘模块程序设计384.2 程序锻炼模式实现434.3 心率控制模式算法设计444.4 安全控制算法设计48第五章 总结51参考资料.52英文翻译.53跑步机控制系统的设计摘要：近年来，随着人们生活水平的提高和健身意识的增强，电动跑步机作为一种重要的健身器材得到了较为广泛的应用。传统的跑步机驱动系统为永磁直流有刷电机调速，但由于其固有的缺点，即有机械换向器和电刷从而导致电机容量有限、噪声大且可靠性不高，促使人们寻找一种低噪声、高可靠性和高效率的驱动电机。随着电力电子技术和微控制技术的迅速发展而成熟起来的永磁无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、容量大且可靠性高等优点，因此使用无刷直流电机取代传统的直流电机作为跑步机驱动电机具有较大的研究价值。本文以内置霍尔位置传感器的无刷直流电动机(bldcm)为控制对象，提出了基于dsp芯片tms320lf2407a的永磁无刷直流电动机调速系统设计方案。采用dsp系列芯片进行调速系统的设计，能够简化系统结构、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。关键词:跑步机无刷直流电动机调速系统dsp位置传感器the design of treadmill control system abstract：in recent years, with the improvement of the peoples living standard and enhancement of the consciousness of health-training, treadmill, one of the most important health-training equipments, is becoming more and more permanent-magnet dc servo motors are widely used in traditional treadmill popular driving systems. however, its inner deficiency-limited capability, big noise and low reliability because of its mechanical commentator and the brush, leads us to search for a kind of new drive motor with low noise, high efficiency and reliability instead of dc motor. permanent-magnet brushless dc motor(bldcm), which is more and more sophisticated with the development of the power-electronics and micro-control technique, takes on the advantage of small volume, light weight, high efficiency, low noise, big capacity and high reliability. as a result, it is significant to research on the application of brushless dc motor to the treadmill driving system.in this paper, a solution of building a speed-adjustment system for brushless dc motors with hall position sensors based on tms320lf2407a is presented. the new family of dsp enables cost-effective design of intelligent controllers for brushless motors. they can fulfill more conditions, configure fewer system components, lower system cost and increase performances.key words: treadmill; bldcm; speed-regulating system; dsp; position sensor第一章 绪论1.1课题的背景和意义随着全球经济的迅猛发展，人们对自身的健康状况越来越重视，而有规律的适量运动无疑是健康的重要保证。在现代社会，由于城市人口数量的急剧增长，人口密度越来越大，户外运动存在诸多不便。很多人尤其是脑力劳动者，由于时间和空间的限制，较少参与户外体育运动，导致这类人群长期处于“亚健康”状态。因此，在家中或健身房等室内场合利用健身器材进行运动逐渐成为新的运动时尚。健身器材通常可分为有氧健身器材和无氧健身器材两大类。有氧健身即通过有氧代谢运动如慢跑、骑自行车、跳舞等运动形式来达到健身的目的，这类运动可以有效地改善心血管和肺等器官的机能，其特点是强度低、时间长。无氧健身运动的特点通常是高强度、运动量大、时间短，这类运动主要用于锻炼肌肉、骨骼、以及韧带等部位，如跳高、举重、俯卧撑等运动。我国健身器材行业的发展开始于20世纪80年代末，2000年以来，特别是我国加入wto和北京申奥成功以后，为健身器材行业的发展提供了有利条件和发展机遇，健身器材生产企业数量、全行业产值增长迅速。2004年整机生产企业数近百家，工业总产值70多亿元，到2009年整机生产企业数和工业总产值分别增至150家和600多亿元，体现出我国健身器材行业良好的发展态势。未来欧洲、亚洲和拉丁美洲将是市场的主要增长点，逐渐富裕的人群将会提高自己对健康生活方式的追求，并将成为健身器材的主要消费者。跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价并积极推荐的有氧运动，是保持一个人身心健康最科学、最有效的运动方式。因此，电动跑步机作为一种有氧健身器材，一经出现就受到了人们的喜爱。一方面，它满足了人们在室内进行跑步锻炼的需要，为室内跑步健身运动提供了极大的便利。另一方面，从科学的角度分析，在跑步机上进行的走动或跑动，在动作外形上与地面运动相差无几，但从跑步者的实际用力来看，在跑步机上的运动比地面运动省去了蹬伸动作，从而使得跑步者感觉比较舒适。作为健身器材行业重要的组成部分，跑步机行业的发展也呈现了良好的发展势头。进入二十一世纪以来，我国跑步机行业保持了多年高速增长，跑步机行业的出口也一度保持较好的发展状况。2008年，全球金融危机爆发，我国跑步机行业发展也遇到了一些困难，如国内需求下降，出口量减少等，跑步机行业普遍出现了经营不景气和利润下降的局面。2009年，随着我国经济刺激计划出台和全球经济走出低谷，我国跑步机行业也逐渐从金融危机的冲击中恢复，重新进入良性发展轨道。一方面，进入2010年后国内经济结构调整逐渐升温，跑步机行业企业如何面对新的经济环境和政策环境，制定适合当前形势和自身特点的发展策略与竞争策略，是跑步机行业企业在未来我国经济结构调整大潮中立于不败之地的关键。跑步机行业中技术含量低的人力密集型企业、缺乏品牌的企业面临发展危机，而注重培养品牌和技术创新的企业将占得先机。另一方面，由于我国跑步机产业相对于国外起步较晚，大多数产品仍停留在仿制和吸收阶段，国产跑步机在国际以及国内的市场竞争力较弱。因此，发展具有自主知识产权的跑步机品牌成为跑步机企业发展的当务之急。同时，与欧美等发达国家相比，跑步机在我国的家庭普及率及人均消费水平仍然较低。因此，我国跑步机行业仍有很广阔的发展空间，开发具有优异性能的电动跑步机具有重大的现实意义。1.2国内外数字化智能跑步机的研究现状跑步机的历程演变要从80年代开始，从那时一直流行至今，到目前为至已发展到第四代产品，第一代产品是用圆形滚筒组合排列而成的跑台，现在已基本淘汰。第二代产品是两个滚筒中间加装塑胶跑带及跑板，主要运动方式是通过健身者主动用力滑动而达到跑步或走步的效果。第三代跑步机是原有的第二代跑步机的基础上增加电机来增加传动装置和升降装置以及微处理器控制程序，使其可通过微电脑控制速度，坡度，距离等功能。第四代跑步是在第三代的墓础上增加了减震系统，娱乐系统及自然环境营造系统等功能。使跑步机运动在真正的意义上超越了传统室外跑步运动。电动跑步机是机电一体化产品，采用汇编语言编程，用计算机控制，是国家鼓励的发展行业。该产品的发展带动了钢管制造、塑料制品、电子工业、电机工业等系列发展，使人们身体锻炼不受场地、环境、气候的制约，寓体育锻炼于休闲娱乐之中，全面提高国民身体素质。产品制作过程中，无污染物及有害物质产生，外采购钢铁、塑料配件，电子元器件组装，是绿色制造产业。2009年24届中国国际体育用品博览会上，由国家总局体育科学研究所数字体育研究发展中心推出的网络健身设备和产品成为本届体博会的最大亮点。 图1.1 数字网络跑步机博会推出的网络健身产品，属于该中心研发的数字体育系列产品之一，该产品首次创造性地实现了传统体育健身器材与电脑互联网络的连接，将传统体育器材和装备进行网络化改造，将其联上网络，全世界任何地方的用户，只要拥有网络环境，利用联网化的健身器材和设备，即可实现互动交流和运动健身，过去枯操乏味的锻炼健身过程变得轻松有趣。美国力健公司(life fitness)属宾士域集团(brunswick corporation)旗下子公司，是全球高品质商用和家用健身设备设计和制造行业的领导者。力健全新elevation系列跑步机整合了视觉、音质享受以及更加出众的性能，将充分调动会员的身心感受。图1.2 力健跑步机整合式触摸液晶操作显示系统 图1.3 兼容ipod播放器图1.4 非常的智能功能：usb连接、landscape锻炼场景泰诺健(technogym)公司是全球健身市场的领导者，总部设立在意大利。泰诺健公司拥有的wellness设备的公司，目前产品为全球超过2万家健身中心所采用，泰诺健健身设备是世界顶级产品，是世界健身器品牌中的劳斯莱司，各系列产品科技含量高。 泰诺健开发的visio娱乐系统，包含的功能包括支持usb插槽、无线网连接、内嵌式tv和电台信号、游戏娱乐、wellness健身指导，同时还支持nike+ ipod技术。最富创新及数字化的技术就是wellness钥匙系统，它以体能训练设备为平台的智能化数字化的体能训练管理系统。在每台健身机器上都可配有钥匙接口，工作过程如下：首先健身者向教练提出自己的健身目标，教练根据个人的身体素质不同将个性化常规训练输入到每个使用者的个人wellness系统钥匙中去，健身者将钥匙接入任何一台泰诺健健身器械上按照钥匙中的程序提示进行健身训练。每个健身中心或健身房都有一台wellness expert互动亭，使用者可以通过它来获取他们的锻炼程序资料，如包括来自教练的和其它俱乐部会员的信息，另外健身者还可以通过它来更新训练结果。1.3最新成果及课题发展趋势分析从科学技术的进步和国内外的数字化智能跑步机的发展过程可以看出，未来健身器材的数字化、网络化、智能化将是发展趋势，这符合人性的最基本规律，也是改变现行的体育锻炼模式的最好途径。这也是创新体育、科学健身的内涵所包涵的内容。网络化、数字化、智能化的体育是将数字技术整合创意内容并传统体育相结合的产物，是互联网、虚拟现实和数字媒体等数字科技同体育锻炼、竞技健身、互动娱乐的完美结合，属于交叉学科，涉及到信息产业、文化内容产业、体育运动产业。与传统电子竞技和网络游戏单纯的眼球加手指的相对静止的活动形态不同，数字体育更加强调“流汗”的肢体运动，借助摄像头、嵌入式传感器、动作捕捉系统、体育器械网络接口，实现人机之间、人一网络系统一人之间的交互运动和娱乐。健康综合评估系统脉搏传感器运动员 身体状态 数据系统报告反馈、评价干预图1.5 数字健康管理综合信息系统示意图图1.7中是未来最具热门的数字化个人健康管理综合信息系统的示意图，数字体育是个体健康管理服务体系的重要环节，将健身者运动参数通过网络进行实时监测、分析并提供最准确最及时的指导方案，实现锻炼效果的可预见性、锻炼数据的可再用性等特征，必将成为世界流行的主要体育锻炼形式，是可见未来数字化跑步机乃至整个健身器材产业的发展方向。1.4课题研究的目的及意义数字化跑步机的研究在健身器械领域有着广泛的意义，跑步机一直以来是家庭及健身房最常见的器材，近年来，随着中国生活水平的提高，人们由衣食住行向提高生活质量发展，跑步机的销售额逐年高速上升，专家们认为未来跑步机市场将以高价位高档跑步产品为主导，这些迹象都表明，未来跑步机市场中数字化智能跑步机具有广阔的市场前景。同时，数字化智能跑步机的研究也是一种体育创新、科学健身的探索，它将改变现行的体育锻炼模式，是实现我国体育强国必须跨越的技术保障，是解决民众“锻炼意识不足”的良方。一直以来，高档电动跑步机都是国外产品，国人对价格十几万乃至几十万元的进口电动跑步机望而生畏。目前，国际著名品牌爱康、力健、泰诺健、必确、太空等纷纷涉足中国市场，有的斥巨资投资建厂，并以较高的品牌知名度向国内企业施压，在此情况下，研制开发、生产销售自己的高档跑步机产品并尽快促进跑步机名牌产品的崛起有着刻不容缓的作用。众所周知，健身行业是绿色制造产业是朝阳产业，关系到人们最关心同时也是最容易忽视的身体健康，对数字化智能电动跑步机的研究是一项为体育事业、为人类健康事业做贡献的不朽科学研究。第二章 跑步机的总体方案设计2.1 系统结构 图2.1 电动跑步机系统结构图如图2.1所示，电动跑步机主要由机架、升降电动机、速度控制电动机、下位控制系统、滚筒、跑带、扶手以及上位控制面板等部件组成。机架一般为钢质结构，构成整个系统的骨架，以确保系统的机械稳定性，同时为其他部件提供物理支撑。升降电动机用于调节跑台坡度，该坡度可在一定范围内调节，用于模拟不同跑步环境如登山、爬坡等，以满足用户的多种健身需求。速度控制电动机及控制器是跑步机系统的核心，其性能直接决定着跑步机的整机性能。电动机通过减速装置拖动滚筒旋转，进而带动与滚筒相连的跑带运动。跑步者以与跑带移动速度大小近似相等、方向相反的速度在跑带上运动，以模拟地面跑步，从而达到锻炼目的。下位控制系统的主要作用是接收控制面板发出的控制指令，并根据该指令进行电动机速度和跑台坡度的调节。扶手的主要作用是当跑步者未适应跑带速度时，给跑步者提供身体支撑，以确保人身安全。另外，有些跑步机在扶手上整合了加减速控制按钮以及心率检测器件，通过扶手即可控制跑带速度，同时进行心率测量。上位控制面板主要由显示面板和控制按钮组成：显示面板用于显示当前设定速度、时间、距离、心率、体能消耗、系统运行状况等信息。控制按钮主要包括速度和坡度的快捷调节、步进调节、跑步模式选择、急停开关等。其中，速度和坡度快捷调节用于快速选择特定的跑带速度和跑台坡度；跑步模式选择用于切换不同的跑步模式，如慢跑、登山、爬坡等；急停开关用于紧急停机，当跑步者感觉不适时，拉开此开关则跑带以较快的速度减速直至停止，以保障使用者人身安全。2.2 电动跑步机控制系统的组成电动跑步机以电为动力，通过控制驱动电机的转动来带动跑步机底座上滚筒的转动，进而实现跑步带的移动。而锻炼者要保持在跑步带上的位置，则必须以与跑步带速度大小相等、方向相反的速度跑步，从而达到锻炼的目的。电动跑步机控制系统一般由三大部分组成，分别为人机交互部分(主要实现使用者的命令输入和跑步机运行过程中的时间、速度以及消耗的能量等的信息显示)、调速部分(根据使用者的速度设定来控制跑步带驱动电机的转速，从而实现跑步带的速度控制)和生理信号(如心率)测量部分。很显然，调速部分是整个电动跑步机控制系统的核心，它的性能对整个跑步机系统至关重要。2.3 跑步机调速电机的选择对于当前的电动跑步机，其调速系统主要有以下几种类别：1.直流有刷调速系统。直流有刷调速系统以其控制线路简单、调速范围宽、过载能力较大和优异的控制性能在各类跑步机产品中得到了广泛的应用。目前，国内外跑步机用驱动电机仍以有刷直流电机为主，采用有刷直流电动机不可逆脉宽调速系统。有刷直流电机尽管存在控制简单的特点，但由于存在电刷和换向器的机械结构，长期运行势必需要经常维护电刷和换向器。2.交流伺服驱动系统。使用交流伺服驱动系统取代有刷直流调速系统是目前研究的一个重要方向。一种方案是采用感应电动机作为驱动电机，感应电动机本身比直流电动机具有寿命长、免维护等优点，但是为了获得较宽的调速范围，需要采用较为复杂的矢量控制技术，电机的参数变化对其也有较大影响，目前用感应电动机构成伺服系统的总成本比直流伺服系统要高。韩国秀健健身集团曾推出使用高性能交流伺服驱动系统的电动跑步机。另一种方案采用正弦波驱动的永磁同步电机驱动系统，利用磁场定向矢量控制技术，较感应电动机易于实现，并采用非接触式的电子换向结构，在高档跑步机应用领域具有较广阔的发展前景。3.无刷直流电动机调速系统。无刷直流电动机调速系统在电动跑步机上的应用也是近年来研究的一大热点。一方面，无刷直流电动机具有有刷直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等优点;另一方面，由于其采用电子换向装置取代了有刷直流电动机的机械换向结构，从而又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点。表2.1常见电机的性能指标比较 性能指标电机类型机械特性过载能力可控制性平稳性噪声效率维护体积成本直流有刷电机硬大易较好大高难较小较高交流异步电机软小难较差较大低易大低直流无刷电机硬大易好小高易小较高 稀土永磁材料的出现对无刷直流电动机的发展起着强有力的推动作用。采用稀土永磁体的无刷直流电动机不仅保持了铁氧体永磁、铝镍钴永磁等传统无刷直流电动机的优点，如可靠性高、维护方便、结构简单、特性好、散热容易、转速不受机械换向限制、噪声小等，而且还具有以下优越性：1.由于稀土永磁材料的高磁能积，使得电动机可明显降低重量、减小体积；2.稀土永磁材料的矫顽力hc高，剩磁br大，因此可产生很大的气隙磁通，大大缩小了永磁转子的外径，从而减小了转子的转动惯量，降低时间常数，改善电动机的动态特性。同时，在保持一定气隙磁感应强度的条件下，气隙宽度可以选择较大值，这样可减小由于齿槽效应引起的力矩波动，也可以抑制电枢反应对力矩波动的影响；3.稀土永磁材料的内部hq极高，磁场定向性好，因而容易实现在气隙中建立近似于矩形波的磁场，电动机可设计成方波电动机。当与1200导通型三相逆变器相匹配时，可实现方波驱动，从而有效地减小力矩波动，同时提高电动机的出力；4.稀土永磁材料的去磁曲线是线性、可逆的，该特性给稀土永磁无刷电动机的工作点计算带来方便，简化了磁路设计和磁场分析方法。正是由于稀土永磁无刷直流电动机具有上述一系列优点，在本课题中电动跑步机选择以稀土永磁无刷直流电动机作为驱动电机，设计了跑步机驱动电机调速系统。2.4 电动跑步机负载特性分析由于电动跑步机与人身安全密切相关，其加、减速控制要求与一般的调速系统指标要求有所差异，如图2.2所示：在电机加速时，要保证尽量缓慢平滑加速，以使用户有充足的时间适应跑带的节奏；在电机减速时，要求跑带缓慢平滑减速，以防止使用者由十惯性而摔倒，造成人身伤害；当使用者拉掉安全开关或系统发生故障时，又要在保证使用者安全的前提下尽快停机，以免发生意外。 跑带速度 km/h速度稳定 加速正常减速 意外减速 t/s图2.2跑步机的主控电机的运动模型在典型的运动模式下，跑步机的负载转矩不是定值，负载转矩的变化特别大，并且近似为时间的周期函数。如图2.3所示，显示了跑步机在典型的运动模式下的负载转矩的变化曲线。由此图可见，负载转矩的变化非常大，并且近似为时间的周期函数。稀土永磁无刷直流电动机的调速系统应该保证电动跑步机在冲击负载的作用下保持相对稳定的转速。同时，考虑到人体本身作为负载的一些感受，期望当负载施加到跑步机上时，转速的调节能对人体有缓冲作用，以避免运动损伤。 时间图2.3典型运动下的负载特性2.5下位控制系统本课题所设计的电动跑步机无刷直流调速系统采用tms320lf2407a作为跑步机的下位控制系统的主控芯片，实现系统的协调工作。图2.4 是采用tms320lf2407a实现的内置霍尔位置传感器的无刷直流电动机全数字闭环控制框图。在系统中我们设置了两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串级联接，也就是说把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出控制功率开关管的触发。从闭环结构上看，电流调节环在里面，称为内环；转速调节环在外面，叫作外环。为了获得良好的静、动态性能，这两个调节器都采用pi调节器，并且这两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器的输出限幅限制了电流调节器输入参考电流iref的最大值，电流调节器的输出限幅限制了加在功率管上的pwm波形的最大占空比。系统的工作原理如下：当给定速度信号后，通过两个调节器的控制作用，使参考电流iref、pwm占空比上升，当iref大于起动电流时，电动机开始转动。由于电动机机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器的输入偏差值比较大，其输出很快达到限幅值，强迫电机中电流im迅速上升。当im与iref近似相等时，电流调节器的作用使im不再迅速增长，从而保证了电动机以允许的最大电流起动，具有良好的起动性能。从电流im上升到最大值开始，到转速上升到给定值为止，电动机恒流升速。在这一阶段，转速环相当于开环状态，系统基本保持电流im不变(在这一过程中，电流可能会超调)，调速系统的加速度恒定，转速线性增长，与此同时电动机的反电动势也按线性增长。对于电流调节系统来说，这一反电动势是线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，pwm占空比也必须基本按线性增长，才能保持im的恒定。 tms320lf2407a位置检测速度计算速度反馈 位置信息参考pwm控制无刷直流电动机电流调节速度调节 给定速度 + 电流 + 电波检测 电流反馈图2.4 无刷直流电动机调速系统控制框图当转速达到给定值以后，转速调节器的给定与反馈转速相平衡，所以转速调节器的输出偏差为零，但其输出值却由于积分作用维持在限幅值，电动机依然在允许的最大电流下加速，使转速超调。转速超调以后，转速调节器输入端出现负偏差，其输出立即从限幅值降下来，电机中的电流im也随着下降。但由于im仍大于负载电流，转速继续上升，到im等于负载电流时，转速达到最大.，此时电动机才开始在负载的阻力下减速，1m也出现小于负载电流的过程，直至稳定。当系统稳定运行时，一旦出现外界干扰(如负载扰动、电网电压波动等)，可通过转速调节、电流调节产生抗干扰作用，使系统保持在稳定运行状态。2.6 无刷直流电动机的电流、位置、速度检测1、电流检测如图3-3所示，用位于桥式逆变电路的低电压端与地之间的精密取样电阻rs检测主回路上的电流。rs上的电压信号经调理后进入tms320lf2407a内部的adc单元，转换为数字信号供电流调节器使用并作限流保护用。在这里，pwm信号的调制频率为20khz，为了实现20khz的电流环，每50us必须采样一次电流，在新的pwm波产生之初载入电流检测值，与给定的参考电流值一起来控制pwm波宽度，从而产生新的pwm波。同时，当电流检测值超过所允许的最大值即主电路过流的时候，发出中断信号，产生中断，执行相应的中断处理程序就可以启动过流保护程序，封锁所有驱动信号的输出，直至故障解除。图2.5 电流检测原理图同时，有一个问题需要注意：在一个pwm周期中何时对电流进行采样。下面，以对v1和v6开关管的控制为例进行分析。无论采用哪种pwm调制方式，在pwm开期间，电流流向一致：电源正极v1a相绕组中性点nb相绕组v6取样电阻rs电源负极。如果开关管采用h_onl_ pwm型单极性pwm控制，在pwm周期的关断期间，电流流过常开的开关管v1和开关管v3上反并联的续流二极管形成续流回路，电流流向为：v1a相绕组中性点nb相绕组v3的反并联二极管v 1。这个续流回路并不经过采样电阻rs，因此rs没有电流输出，所以在pwm周期的关期间不能采样电流。如果对开关管采用双极性pwm控制，在pwm周期的关期间，电流经过同一桥臂的另两个开关管v4, v3上反并联的续流二极管到电源形成续流回路，电流流向为：电源负极取样电阻rsv4的反并联二极管a相绕组中性点nb相绕组v3的反并联二极管电源正极。在采样电阻上有反向电流流过，产生负压降，所以在pwm周期的关断期也不能采样电流。另外，在pwm的开瞬间，电流上升并不稳定，也不宜采样。所以电流采样时刻应该选在pwm开期间的中间时刻。通过设置tms320i,f2407a中的模/数定时器由片内事件管理模块中断同步启动转换，来实现在每次pwm波高电平的中间时刻启动对电流的模/数转换。2、位置检测在本系统中通过无刷直流电动机内置的开关式霍尔位置传感器获得转子位置信息。霍尔位置传感器的输出经隔离、整形后输入到tms320lf2407a的事件管理模块eva的三个输入捕获接口。通过检侧霍尔传感器输出的三个1800宽、相位互差1200的方波信号的上升沿和下降沿，可以得到六个位置变化的时刻。在捕获到位置变化时刻的同时，除了将时基计数寄存器的值装入相应的fifo堆找外，并且dsp相应的中断标志位置1，发出中断请求，产生捕获中断，调用捕获中断处理程序即可得到所需的位置信号进行相应处理。3、速度检测如果要对无刷直流电动机的转速进行精确的控制，首先要对它的转速进行精确的测量。由于电动跑步机用无刷直流电动机的体积较小，不易在转轴上安装测速装置，因此在这里利用转子位置传感器的位置信号得到转速信息。对于无刷直流电动机，若其极对数为p，则每个机械转有6p次换相，这就是说转子每转过3600/(6p)机械角都有一次换相。这样，只要测得两次换相的时间间隔，就可以根据式(3-1)计算出两次换相间隔期间的平均角速度。 （3-1）由此可看出速度的计算可简化成简单的除法，只须测出相邻两次霍尔位置信号变化之间的时间间隔就可得到所需的转速信号。虽然做除法的时候会产生浮点问题，但是在本系统中简单的16位除法己经足够了。另外，转速越高时做除法时产生的误差越小。2.7 无刷直流电动机的起动无刷直流电动机起动的时候，转子可能位于任意位置角，因此起动时确定电机转子的位置非常重要。控制软件首先检测三个霍尔传感器输出的位置信号，结合表3-1确定出电机的哪两相应该导通，然后给无刷直流电动机加上一定大小的起动电流，使无刷直流电动机起动。当无刷直流电动机转子位置发生变化时，其导通相也跟着发生变化。同时，电机由静止开始起动时，由于转速为零，绕组中旋转电势为零，绕组电流仅由电阻和电感所限制，其上升率很大，因此应该借助pwm波的占空比限制过大的起动电流。表2.2 正反转换相表转向霍尔信号输入工作的开关管a相b相c相正转101v1、v6100v1、v2110v3、v2010v3、v4011v5、v4001v5、v6反转101v3、v4001v3、v2011v1、v2010v1、v6110v5、v6100v5、v42.8心率控制方案原理是人体心肌产生的电信号传导到体表皮肤以后，由于在体表分布的不同而产生电位表，利用心电图检测原理( ecg)将微弱的信号进行滤波放大等处理来获得心率值。具体的检测方法见图11。跑步机手柄隔离电路仪器放大器 陷波滤波器 心电图 dc伺服电路 放大器 三阶低通滤波器反相放大器反相偏置电路avr微处理器 接口电路工控机 图2.6 心率检测方法框图参考文献，心率控制方案如图2.8所示，电脑控制器利用心率检测模块得到的锻炼者的心率值来指导其锻炼。 心率模式锻炼者跑步机电脑控制器心率测量系统 心率 速度 锻炼 电脑控制跑步机图2.7 跑步机心率控制系统图2.9卡路里消耗计算模型能量消耗率(eer)的量化在许多应用中有极大的作用，包括康复，疾病预防，健康管理和运动医学中。目前提供的几个技术在无限制的条件下进行能量消耗量化，包括双标记水，间接热量，心率监视器，运动传感器等。运动传感器，比如躯干加速度计，已经提出一个方法来评估跟运动有关的能量消耗率(eer)。美国运动医学学院(acsm)发表了一个公式用来计算在稳定状态下的跑步机健身运动中的氧气消耗，成立条件是在速度小于6km/h (100m/min )时成立： 式中ew是能量消耗率，跑步机的水平速度，和倾斜度，各自分别的单位是mlo2/ kg min , m / min和%度来表示。由于种种原因，包括性别，年龄，身体形态和休息代谢都会严重影响到ew ，美国运动医学学院的公式可以帮助获得在跑步机健身运动过程中出现的一个总的代谢能量消耗。图2.8 文章指出的测量装置示意图 amsabatini等人在文章中加了一个外部的倾斜测量装置，正在研究的脚惯性遥感器，用来改进根据身体加速度来分析的标准方法不能精确预测上坡/下坡跑步机的能量消耗率的问题。用一个双轴加速度计和一个速率陀螺仪嵌入到一个惯性测量单元中(imu )。传感器进行信号的采样，imu是放在脚背上，用来作为加速度计敏感轴矢状面，陀螺敏感轴是在内侧为导向横向，如图2.9所示。a.m. sabatini等人实验的测试结果的结论得出他们提出的方法可用于不管在什么状态下都可以执行长期的卡路里消耗监测，认为脚惯性检测是非限制性步行运动中能量消耗中有前途的工具，是目前达到这一目的的所有方法中至关重要的设计。第三章 系统硬件体系结构3.1人机交互系统人机交互系统由液晶显示、键盘控制部分、上位机控制和语音控制四部分组成，为健身者提供了良好的人机交互界面。 .3.1.1上位机控制上位机的控制硬件结构如图3.1所示，主要功能包括：对视频采集卡的电视、s-video , av等输入信号进行控制，实现有线、无线电视节目等视频的观看、录制，并可调整画面大小。tv端子工控机15寸lcdsvideo视频采集卡 pciav端子 rs232 下位机控制系统 图3.1上位机控制硬件结构视频采集卡上位机中的视频采集卡采用impress硬压王视频采集卡。该款视频采集卡提供s-video, av, tv输入端子。集成有电视调谐器，支持有线、无线电视节目的收看、录制.可调整画面大小。兼容pci2.i,windows即插即用。wmd驱动程序，支持sdk二次开发。3.1.2液晶显示本系统采用15寸宽屏液晶显示模块，液晶显示模块能够让健身者实时了解到跑步机的具体速度、坡度、视频娱乐功能，了解到健身者自身的心率、里程消耗卡路里、健身时间等一系列健身参数。3.1.3矩阵键盘设计和控制控制键盘采用基于状态机思想的中断响应矩阵式键盘。大部分教课书中介绍的按键输入软件程序虽然简单但存在很大的缺陷和不足。有限状态机是实时系统设计中的一种数学模型，是一种重要的、易于建立的、应用比较广泛的、以描述控制特性为主的建模方法，它可以应用于从系统分析到设计的所有阶段。鉴于控制操作等功能的复杂多样性需要较多的按键，采用4x8矩阵式键盘： 图3.2 4x8矩阵键盘的组成采用循环查询的方法会大量占用mcu的时间，而采用状态机的方法来设计以尽量减少键盘查询过程对mcu的占用时间。键盘的硬件电路加了一个四输入的与门逻辑电路，对键盘的扫描和处理方式能采用中断扫描方式，即增加了一个按键产生中断信号的输入线，当键盘有热键按下时，被按下的键所在的列就会变成低电平，这时与门输出0，键盘硬件电路就会产生一个外部的中断信号。mcu响应外部中断，进行键盘处理。其中中断响应矩阵键盘的真值表如表3.1所示 ：表3.1 中断响应矩阵式键盘的真值表输入输出pb0pb1pb2pb3into11111011101011011010111003.1.4语音控制健身者在健身过程中用手操作按键可能会不方便，而利用语音控制，健身者只要在健身过程中说出特定的语音控制指令，就可以实现对跑步机的智能控制。语音控制模块可以实现对特定命令集的识别，这些指令通过指令下载程序下载到语音控制卡中，用户可以直接通过语音向跑步机发布控制命令，完成诸如增减速、坡度的近升降、电视频道的换台、交互界面的切换、娱乐功能的变换等。此语言识别系统无需进行特定训练，只要用户的说话比较标准，其识别率就很可以达到很高的水平，并且占用资源很低。3.2下位机控制系统底层控制系统主要由ti公司的16位高性能电机控制用dsp芯片tms320lf2407a组成，它主要承担无刷直流电动机调速、心率检测模块、紧急安全锁定模块、功能键模块、升降电机控制模块等。上位机控制系统距离检测avr微处理器位置检测心率检测升降电机继电器紧急制动开关功能键（4*8矩阵键盘）麦克信号声控模块无刷直流电动机图3.3 下位机系统硬件组成图3.2.1 无刷直流电动机的控制根据调速系统要求实现的无刷直流电动机调速、电压保护、电流保护以及与电动跑步上位机主控芯片通讯等功能，设计了系统硬件电路。本系统以ti公司的16位高性能电机控制用dsp芯片tms320lf2407a为下位控制机，采用pwm方式实现对无刷直流电动机的调速，系统硬件框图如图3.4所示。本调速系统主要由tms320lf2407a及其外围电路、无刷直流电动机、功率逆变及其驱动电路、转子位置检测电路、电流检测及过流保护电路、过压欠压保护电路、过热保护电路、与上位机主控芯片通讯电路以及电源电路等部分组成。 整流器功率逆变电路无刷直流电动机 220v ac过压欠压保护电路过热保护电路电流检测及过流保护电路位置检测电路驱动电路 pwmdsp tms320lf2407a上位机接口电路 图3.4 下位控制系统框图 其基本工作原理为：上位机的主控芯片根据电动跑步机使用者输入的指令信息向tms320lf2407a发送速度指令信号及相应的控制信号，而tms32qlf2407a根据收到的指令信息并结合无刷直流电机的当前状态生成相应的换相和pwm信号。该信号经隔离后通过功率驱动电路去驱动功率开关器件，从而实现对无刷直流电动机的控制。通过在全桥逆变电路与接地端之间串入旁路电阻将流过主回路的电流信号转变为电压信号，该电压信号经调理并隔离后进入tms320lf2407a，由其内部的a/d转换模块进行采样，从而获得反馈的电流量。该电流量一方面作为电流环的反馈信号，另一方面用于限流保护。来自于电动机内部霍尔传感器的转子位置信号经位置信号检测电路进入tms320lf2407a的输入捕获引脚，从而得到转子位置信息。由霍尔位置传感器反馈的位置信号，在得到转子位置信息的同时可以计算出电机的转速信息。因此通过位置检测和电流检测可以实现对无刷直流电动机进行位置环、速度环和电流环的三闭环控制。此外，为了防止电压异常以及功率开关管温度过高对系统的损害，设计了过压欠压保护电路和过热保护电路。当发生过流现象时，驱动电路在自身采取硬件保护的同时将过流信号传入tms320lf2407a，由其采取软件保护措施。3.2.2电源电路的设计如图3.5所示，主电源电路由emi滤波电路、功率整流电路、软起动电路和电源滤波电路构成。图3.5 整流电路的原理图220v工频交流电经emi滤波器滤除电网中的谐波以及干扰噪声后，经过全波整流桥整流bg1和电解电容ci滤波后得到311v左右的直流电压vdc该直流电压一方面作为无刷直流电动机的供电电源，送入三相逆变电路，另一方面作为辅助电源电路的输入直流电压。由于电源采用的是公共电网上的交流电，公共电网中存在诸多的干扰，如雷击所产生的过电压、负荷的变动、电焊机的电火花放电、继电器动作所产生的干扰等，去除这些干扰行之有效的办法是在整流电路前端加入emi滤波器，减少电网电压波动对直流电源的影响，也可以防止电磁干扰信号窜入控制系统。在emi滤波电路之前的相线和零线之间并接了一压敏电阻r，当电压在极短的时间内上升到一个很高的电压阀值时，压敏电阻的阻值会变得很小，以旁路可能影响系统的瞬时过电压。此外，一般的电源滤波主要考虑两种干扰，即共模干扰和串模干扰。所谓的共模干扰是指公共电源线的相线、零线及安全地线均感应等幅值、同相位的干扰。这种干扰主要来源于架空输电线在传输过程中受到周围空间电磁环境的辐射。所谓串模干扰是指公共电源线的相线与零线所感应的幅度大体相等，但相位差1800电角度的干扰。这种干扰主要来源于公共电源线上连接的其他设备。共模干扰和串模干扰往往同时存在，emi滤波电路的设计需要统一考虑各种干扰。在这里，采用最常用的型无源滤波器作为emi滤波电路，如图3.6所示。图3.6 型无源滤波电路图3.33中，lc为共模扼流圈。lc的两个线圈绕向一致，当电源电流流过lc时，两个线圈中的电流方向相反，所产生的磁场可以相互抵消，相当于没有电感效应。lc对共模干扰来说，相当于一个很大电感量的电感，故它能有效地抑制共模干扰。为了提高对干扰的抑制能力，扼流圈一般用高磁导率、频率特性好的铁氧体材料作为磁芯，这样可提高消除共模干扰的效果。电感量lc的大小，与滤波器的额定电流有关，额定电流越大电感量就越小。因为电流的增大，使线圈的线径增大，同一磁环上所能绕的线圈匝数必然相应减少。共模扼流圈的接入对串模干扰不起作用。电路中的两个电容c1，主要用来滤除串模干扰，一般选用薄膜电容器，c1的容量越大，则插入损耗越大