跑步机的控制方式分解

1、关于直流电机在跑步机中的控制方案调研报告对于专业的跑步机，国内外跑步机用驱动电机仍以有刷直流电机为主，采用直流电动机不可逆PWM（统。此前，青岛英派斯健身集团开发的一款DP220T健身房用跑步机就是采用了跑步机用有刷直流电动机为驱动电机，以集成PW赃制芯片SG3525A为核心，硬件电路实现的电压负反馈、电流补偿控制的 PWM!环控制系统。尽管有着控制简单的优点，但直流有刷电动机由于存在电刷和换向器的机械换向结构，长期运行必然需要经常维护电刷和换向器，而且，由于损耗存在于转子上，使得散热困难、温升增加，限制了电机转矩重量比的进一步提高。对于价格相对便宜的家庭用小型跑步机，主要是根据市场的实际需求

2、，在保证技术指标的前提下，尽量考虑设计的经济性和实用性。家庭用跑步机几乎都采用的是直流有刷调速系统。例如，国内某型号的跑步机，采用低价位的8位单片机AT89C2051为核心单元构成了直流有刷电机调速系统，电机采用脉宽调制方式进行调速，通过软件编程改变控制算法，增加了控制的灵活性，具有较高的性价比。使用交流伺服驱动系统取代直流有刷调速系统是目前研究的一个重要方向。但是我们不用交流伺服电机驱动系统，故不做过多讨论。目前无刷直流电动机调速系统在电动跑步机上的应用也是研究的一大热点。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; 另方而，由于其采用电子换向装置取

3、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。因此，采用无刷直流电动机调速系统较其它方案具有更高的性价比。而对于电动跑步机系统，由于其要求较大的起动转矩，所以，采用带位置传感器的PW涧速系统是性能较好的方案。对于其具体的实现方案主要有两种，一种是以无刷直流电机专用控制芯片为核心控制单元构成无刷电动机调速系统。最具代表性的是MOTOROLA司生产的第二代无刷电机控制专用芯片MC33035它集成了译码、PW也成、保护等无刷电机控制的诸多功能，组成的系统所需外围电路结构简单，运行可靠，可与同系列芯片MC33039配合构成速度闭环控制，具有较好的调速性

4、能，其不足之处在于调速式单一，无法使用较为复杂的算法。另一种方案是采用高性能的微控制芯片对无刷电机进行控制，控制方式灵活，调速系统具有更高的性能。系统控制系统主要有开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统。我们要做的控制系统因为有反馈，而复合控制较为复杂，所以选择闭环的控制系统。同时对于系统控制器的选择，也决定着系统的控制方式，目前市场上常见的控制器是单片机和PLC,但是现在也有很多人选择用ARM乍为系统的控制器。因此在直流电机的控制方式中主流的控制方式就是这三种。对于这三种的控制方式，PLC可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键 性能；但是PLC的价格要比单片机贵很多，在选择微处

5、理器上，不仅要注重满足技术要求,还要综合考虑成本因素， 不应片面追求微处理器的高速和高位数。 本项目的设计是对低频的 加速度信号在时域里进行处理， 因此不需要PLC作为控制器。基于AR怫控制直流电机的研 究也比较广泛，但是从复杂程度与性价比的综合考虑， 也不需要它，我们尽量考虑选择用单 片机来做控制器。选择单片机作为控制器单片机是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性方向发展。 主要特点如下：种类多，型号全；提高性能，扩大容量，性能价格比高； 增加控制功能，向真正意义上的“单片”机发展。把原本是外围接口芯片的功能集成到一块芯片内，在一片芯片中构造了一个完整的

6、功能强大的微处理应用系统；低功耗；C语言开发环境，友好的人机互交环境。 基于C8051F005的无刷直流电机控制系统的原理框图如下：无 刷 亘 流 电 机位置反愦信号电流反俄信号故障报警信号PWNI驱动电MCUC8051F005图1 C8051F005控制原理框图本系统以C8051F005为核心构成控制电路,包括C8051F005勺外围电路、速度 给定电路、键盘及显示电路、保护电路、隔离电路等。设计中使用 12V,30W的无 刷直流电机，电机的位置传感器为霍尔式位置传感器。采用全桥驱动，闭环控制。C8051控制电路对无刷直流电机的控制工作主要包括电机的换相控制和转速控 制C8051提供脉冲宽度

7、调制（PWM进行调速。同时采取PID控制来保证电机能够 运转顺畅且响应良好。C8051通过光耦与IR2136芯片来驱动三相桥式逆变器的 功率开关器件IGBT,IR2136为无刷电机专用控制芯片，为驱动功率管提供驱动信 号，驱动芯片IR2136具有防止同一桥臂直通逻辑，以及欠压、过流关闭所有输出 的功能。其中HALL- A HALL-B、HALL- C为霍尔位置传感器输出的信号；MA、MB MC为无刷直流电机的三相绕组。1HJC什5V+5V-C8051F005IClHALL-AlHML-BHALLYPl. 4FL 5PL 6P0.5PO. 2R43VCCVCV0K GNDR4D4 7KF22u

8、SA74HC04AM6N137图2 IGBT驱动电路上述只是选用了通用的51单片机，目前市场上单片机的种类比较多，因为就决定了，在直流电机的控制中可以选用不同型号的单片机。一、下列是目前我找到的几种控制方案，其中有不同类型的单片机控制方案，也有包括其他的芯片控制方案。1、基于AV印片机的无刷直流电机控制系统图为控制系统的硬件框图注：没有找到此控制系统的电路原理图2、直接为24v直流电机配套的控制系统此系统米用了美国 它的系统原理框图如下:单片机$控" 电路电离路光，展电基于”|眉E 的照动电路阀位反馈V流剧机24克川也Microchip公司的PIC16F690单片机作为控制器，MOS

9、FET驱动元件图1 校制系统原理框图与其他单片机相比，它的优点在于引脚少，功能强；可直接带LED负载，具有低耗能工作方式，较简单地实现掉电保护；外围配置简单，可靠性高并且具有较强的抗干扰性。困3系.统的电源电踹设计H4晟于MOSFET加驱动电珞连计3、比较经济的直流电机的 pwnffl环调速设计PW脉冲可由具有PW输出口的单片机（如80C552, 80C19舞）通过编程产生，或者由单 片机外扩8253来构成脉宽调制器，还可以采用PW版用芯片。在实践中我们采用通用集成电路4585和4040设计了一种专用的PW的脉冲发生电路。这种普通，通用的单片机也可以达到 设计的效果。窜甲口工中般ffll PW

10、M信导发生耨工作陵理图直流电机驱动系统原理如图 2所示。PWMF号发生器生成的PWMF号经施密特反相器U5 驱动光电藕合器01 ,送至直流电机驱动电路。 大功率开关管Y1选择N勾道VMOS率场效应管， 其为压控元件，具有很高的输入阻抗，因而驱动功率很小，对驱动电路的要求也较低。可以将01传送来的PWM1号，经并联使用的六施密特反相器，直接接到Yl的栅极上对Yl进行驱动。稳压管D1和电阻R6构成保护电路。4、如上面提到的用 MC3303酸制器以及MC3303能子测速器MC3303是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用较高价 格的电磁式或光电式测速器，就可以实现精确调速控制

11、。此系统目前已在电动车领域应用，而且该领域的研究也成为一大热门，但如上面所提到它的调速式单一，无法使用较为复杂的算法的这个缺点还需要改进。至于此系统能否在跑步机中能否有大量的应用，达到跑步机的性能要求，以及价格成 本的控制还需要论证。(JRk1020R2Anil k ， 1 zMC33O35MC33039o10：，kIM闭环电路(N O.)图3-23三相无刷直流电动机O TP2VM( i S - 30V)2.2kRi故磁状态 3电,00luRs 33闭环调速系统5、通过变频器实现调速I 变频调速嘉域的结构.1 IGBT P*M电动机兼修通速系林主也呼如田1所示.系统的主电躇由不可控三相播式整流

12、器UR,三相拚式FWM逆变耨和中间口流环节等3部分组成,K中间代灌环带采用大电容C迸行滤波期中间储舱.二极管整渔虽塔是全波善流电路，但由于整流畅愉 H；端挂渔通电容,只有因交流电味国过电器电不时筌流 电躇才进行充电.交流电压小于电界电集时电流为零， 这将善致在电网L产生清波.为了抑制靖波.通用在电河和业蟆落之间加一十进线电抗器L一例于电容量阻«大，合制宪而电压时.电容器相当于短路，将产生幅大的-J 充电电流，损坏整施二撷管.为了限制充电电瓶.黎川限也流电阻&和延时开美SA加成的传充电电路灯电容C 进行先电.电源含网片.延时数秒,通过及射电容口进nr片机不HS餐图1 PWM f

13、修耨速系统行充电一由于二检管整武的PWM变弱速系短不匿再生制初,因此对于小容ii的通用变像算一般都用电 阳吸收制动容*1. 2 塌87cl96M£讷依心妁单乂机捏制卡蚪以87日州MC为嬉心的单片机控制疏境组或乐意图如图2所示.图£ BFC1露MC柱斜系崎(1 ) 67C1S6MC 单 片 机.Int±l公司 推出的 87cl96M£是专门为兖候词速设计的一静$位单片机， 由一个C196核心、一个三相波形发生舞、一个奈件处理 器阵列£EP幻，哨个定时器和一个脉施制整元PWM 等蜗成.<2>PROM.存衙茶境设定控制参数.鼓掌信靠 等*

14、选用IC率行总线的E, PROM容量力】kbit,使用寿 命拘为1。万次.C)健盘和显示.在亚字电机控制系统中.变事器* 数的设定覆撵件非常复杂*必衡为用户提供一个友好的人机界面.为了就少主控芯片的讣其负担*可察用双CPU方案.雄星反示与主控板之间利用率行口进行 ,据交黑曲.此方案目前已可实现，很多公司利用自己生产的变频器已经开始应用在了跑步机领域， 但更具体的方案内容，目前还查不到，且此类产品的价格和成本会稍高。6、基于PIC16F616的电动跑步机控制方案首先PIC16F616是14引脚8位的CMOS闪存单片机，引入了闭环PIC控制技术，采用直流有 刷电机控制，其超低噪声、高性价比、功能强

15、大等的优势均能使跑步机产品具有强大的市场 竞争力，引领舒适、健康的时尚潮流.功能特点。带有自动步数检测 过、欠压保护过流、堵转保护安全保护功能技术指标：连续输出功率1.5HP最大输出功率2HP 最大输入电流10A速度0.8-16KM/H电压AC220V50HZ 最大负荷重量150KG关于此方案的具体内容目前还没搜到。此方案的可行性还有待进一步论证。7、智能型跑步机控制方案目前市场上已经生产出带有语音播放功能的控制芯片，如台湾凌阳生产的新一代单片机SPCE500俱有语音识别、处理和控制的特点。该系统以SPCE500的核心，根据使用者跑步时 对速度的要求，由SPCE500A输出PWM形信号自动控制

16、跑步机的速度运转，同时可以实时测试心率并且具有急刹车等功能。该系统的所有操作均在语音提示下进行，非常的人性化。电路-语音惭出电路等组成,图1 系统硬件结构框图由于PCE500AB经具有PW输出，所以只需要调节其输出的占空比即可达到调速的目的。卜面的是电机的调速电路，非常的简单。+5V图2 电机跑步机电机调速电路8、利用DSP控制直流无刷电机Motorola的数字信号处理器D S P 5 6 8 x x系列整合了通用数字信号处理器快速运算功能和单片机外围丰富的特点， 使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处 理能力，同时又要有较多控制功能的应用中， 对直流无刷电机的控制就是这一系列D S P的

17、 典型应用之一。目前该方案大体处于理论上的研究。上位机起停控制|三相电厚DSP内部应用It赛速度给定值SCI模块QEP 模块速度电海*节豁+尸4位置调节叁PWM控制第动电路三相逆变A/D . 转揍电渣 果样爱辑运笄木置号位信BLCD可逆计败K图3 系统硬件推图图4系统控制框图二、以上的这些方案都是基于控制芯片的不同， 而做出来的；对驱动电路这一模 块也有一些方案，利用专门的驱动芯片做驱动电路来驱动电机的运转。1、IR2110集成芯片该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁 CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR

18、2110是一 种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它把驱动高压侧和低压侧 MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就 能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V,其内设欠压封锁，成本低、易于调试。高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相 比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对 MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能

19、。 与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。PWM1PWM2SDCOMLOLIN HINIR21100VssVs HO VbVD10Iu;2R10C4Ugi图为IGBT驱动电路图为电机驱动电路2、恒压恒流桥式2A驱动芯片L298NL298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N ,内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可宜接的对电机进行柠制，无J8隔离电路.通过单片机的I/O输入改变芯 片控制端的电平.却可以对电机进行正反转，疗上的操作一1常便，亦能满足 直流减速电机的大电流要求,调试时在依照上表，用程序输入对应的和值,能够 实现对应的动作，调试通过:EN AIS0X368/XJ6811EN B+