跑步機(jī)的控制方式

1、關(guān)于直流電機(jī)在跑步機(jī)中的控制方案調(diào)研報(bào)告對于專業(yè)的跑步機(jī)，國內(nèi)外跑步機(jī)用驅(qū)動電機(jī)仍以有刷直流電機(jī)為主，采用直流電動機(jī)不可逆PWM系統(tǒng)。此前，青島英派斯健身集團(tuán)開發(fā)的一款DP220T健身房用跑步機(jī)就是采用了跑步機(jī)用有刷直流電動機(jī)為驅(qū)動電機(jī)，以集成PWM控制芯片SG3525A為核心，硬件電路實(shí)現(xiàn)的電壓負(fù)反饋、電流補(bǔ)償控制的PWM閉環(huán)控制系統(tǒng)。盡管有著控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，但直流有刷電動機(jī)由于存在電刷和換向器的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，長期運(yùn)行必然需要經(jīng)常維護(hù)電刷和換向器，而且，由于損耗存在于轉(zhuǎn)子上，使得散熱困難、溫升增加，限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩重量比的進(jìn)一步提高。對于價(jià)格相對便宜的家庭用小型跑步機(jī)，主要是根據(jù)市場的實(shí)際需求

2、，在保證技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡量考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。家庭用跑步機(jī)幾乎都采用的是直流有刷調(diào)速系統(tǒng)。例如，國內(nèi)某型號的跑步機(jī)，采用低價(jià)位的8位單片機(jī)AT89C2051為核心單元構(gòu)成了直流有刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)采用脈寬調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)速，通過軟件編程改變控制算法，增加了控制的靈活性，具有較高的性價(jià)比。使用交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)取代直流有刷調(diào)速系統(tǒng)是目前研究的一個重要方向。但是我們不用交流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，故不做過多討論。目前無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在電動跑步機(jī)上的應(yīng)用也是研究的一大熱點(diǎn)。一方面，無刷直流電動機(jī)具有有刷直流電動機(jī)運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn);另方而，由于其采用電子換向裝置取代了

3、有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，從而又具有交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，采用無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)較其它方案具有更高的性價(jià)比。而對于電動跑步機(jī)系統(tǒng)，由于其要求較大的起動轉(zhuǎn)矩，所以，采用帶位置傳感器的PWM調(diào)速系統(tǒng)是性能較好的方案。對于其具體的實(shí)現(xiàn)方案主要有兩種，一種是以無刷直流電機(jī)專用控制芯片為核心控制單元構(gòu)成無刷電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。最具代表性的是MOTOROLA公司生產(chǎn)的第二代無刷電機(jī)控制專用芯片MC33035，它集成了譯碼、PWM生成、保護(hù)等無刷電機(jī)控制的諸多功能，組成的系統(tǒng)所需外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，可與同系列芯片MC33039配合構(gòu)成速度閉環(huán)控制，具有較好的調(diào)

4、速性能，其不足之處在于調(diào)速式單一，無法使用較為復(fù)雜的算法。另一種方案是采用高性能的微控制芯片對無刷電機(jī)進(jìn)行控制，控制方式靈活，調(diào)速系統(tǒng)具有更高的性能。系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要有開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。我們要做的控制系統(tǒng)因?yàn)橛蟹答仯鴱?fù)合控制較為復(fù)雜，所以選擇閉環(huán)的控制系統(tǒng)。同時對于系統(tǒng)控制器的選擇，也決定著系統(tǒng)的控制方式，目前市場上常見的控制器是單片機(jī)和PLC，但是現(xiàn)在也有很多人選擇用ARM作為系統(tǒng)的控制器。因此在直流電機(jī)的控制方式中主流的控制方式就是這三種。對于這三種的控制方式，PLC可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能；但是PLC的價(jià)格要比單片機(jī)貴很多，在選擇微

5、處理器上，不僅要注重滿足技術(shù)要求，還要綜合考慮成本因素，不應(yīng)片面追求微處理器的高速和高位數(shù)。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是對低頻的加速度信號在時域里進(jìn)行處理，因此不需要PLC作為控制器?；贏RM來控制直流電機(jī)的研究也比較廣泛，但是從復(fù)雜程度與性價(jià)比的綜合考慮，也不需要它，我們盡量考慮選擇用單片機(jī)來做控制器。選擇單片機(jī)作為控制器單片機(jī)是以工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)向著增強(qiáng)控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性方向發(fā)展。主要特點(diǎn)如下：種類多，型號全；提高性能，擴(kuò)大容量，性能價(jià)格比高；增加控制功能，向真正意義上的“單片”機(jī)發(fā)展。把原本是外圍接口芯片的功能集成到一塊芯片內(nèi)，在一片芯片中構(gòu)造了一個完整的功能強(qiáng)大的微處

6、理應(yīng)用系統(tǒng)；低功耗； C語言開發(fā)環(huán)境，友好的人機(jī)互交環(huán)境?；贑8051F005 的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的原理框圖如下：本系統(tǒng)以C8051F005 為核心構(gòu)成控制電路,包括C8051F005的外圍電路、速度給定電路、鍵盤及顯示電路、保護(hù)電路、隔離電路等。設(shè)計(jì)中使用12V,30W 的無刷直流電機(jī),電機(jī)的位置傳感器為霍爾式位置傳感器。采用全橋驅(qū)動,閉環(huán)控制。C8051 控制電路對無刷直流電機(jī)的控制工作主要包括電機(jī)的換相控制和轉(zhuǎn)速控制C8051 提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)進(jìn)行調(diào)速。同時采取PID 控制來保證電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢且響應(yīng)良好。C8051 通過光耦與IR2136 芯片來驅(qū)動三相橋式逆變器的功率

7、開關(guān)器件IGBT,IR2136 為無刷電機(jī)專用控制芯片,為驅(qū)動功率管提供驅(qū)動信號,驅(qū)動芯片IR2136 具有防止同一橋臂直通邏輯,以及欠壓、過流關(guān)閉所有輸出的功能。其中HALL- A、HALL- B、HALL- C為霍爾位置傳感器輸出的信號;MA、MB、MC 為無刷直流電機(jī)的三相繞組。圖2 IGBT 驅(qū)動電路上述只是選用了通用的51單片機(jī)，目前市場上單片機(jī)的種類比較多，因?yàn)榫蜎Q定了，在直流電機(jī)的控制中可以選用不同型號的單片機(jī)。一、下列是目前我找到的幾種控制方案，其中有不同類型的單片機(jī)控制方案，也有包括其他的芯片控制方案。1、基于AVR單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) 圖為控制系統(tǒng)的硬件框圖注：沒有

8、找到此控制系統(tǒng)的電路原理圖2、直接為24v直流電機(jī)配套的控制系統(tǒng)此系統(tǒng)采用了美國Microchip公司的PIC16F690單片機(jī)作為控制器，MOSFET為驅(qū)動元件它的系統(tǒng)原理框圖如下：與其他單片機(jī)相比，它的優(yōu)點(diǎn)在于引腳少，功能強(qiáng)；可直接帶LED負(fù)載，具有低耗能工作方式，較簡單地實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；外圍配置簡單，可靠性高并且具有較強(qiáng)的抗干擾性。3、比較經(jīng)濟(jì)的直流電機(jī)的pwm閉環(huán)調(diào)速設(shè)計(jì)PWM脈沖可由具有PWM輸出口的單片機(jī)(如80C552，80C198等)通過編程產(chǎn)生，或者由單片機(jī)外擴(kuò)8253來構(gòu)成脈寬調(diào)制器，還可以采用PWM專用芯片。在實(shí)踐中我們采用通用集成電路4585和4040設(shè)計(jì)了一種專用的PW

9、M的脈沖發(fā)生電路。這種普通，通用的單片機(jī)也可以達(dá)到設(shè)計(jì)的效果。直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖2所示。PWM信號發(fā)生器生成的PWM信號經(jīng)施密特反相器U5驅(qū)動光電藕合器01，送至直流電機(jī)驅(qū)動電路。大功率開關(guān)管Y1選擇N溝道VMOS功率場效應(yīng)管，其為壓控元件，具有很高的輸入阻抗，因而驅(qū)動功率很小，對驅(qū)動電路的要求也較低?？梢詫?l傳送來的PWM信號，經(jīng)并聯(lián)使用的六施密特反相器，直接接到Y(jié)l的柵極上對Yl進(jìn)行驅(qū)動。穩(wěn)壓管Dl和電阻R6構(gòu)成保護(hù)電路。4、如上面提到的用MC33035控制器以及MC33039電子測速器MC33039是為無刷直流電動機(jī)閉環(huán)速度控制專門設(shè)計(jì)的集成電路，系統(tǒng)不必使用較高價(jià)格的電磁式或光

10、電式測速器，就可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速控制。此系統(tǒng)目前已在電動車領(lǐng)域應(yīng)用，而且該領(lǐng)域的研究也成為一大熱門，但如上面所提到它的調(diào)速式單一，無法使用較為復(fù)雜的算法的這個缺點(diǎn)還需要改進(jìn)。至于此系統(tǒng)能否在跑步機(jī)中能否有大量的應(yīng)用，達(dá)到跑步機(jī)的性能要求，以及價(jià)格成本的控制還需要論證。5、通過變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速此方案目前已可實(shí)現(xiàn)，很多公司利用自己生產(chǎn)的變頻器已經(jīng)開始應(yīng)用在了跑步機(jī)領(lǐng)域，但更具體的方案內(nèi)容，目前還查不到，且此類產(chǎn)品的價(jià)格和成本會稍高。6、基于PIC16F616的電動跑步機(jī)控制方案首先PIC16F616是14引腳8位的CMOS閃存單片機(jī)，引入了閉環(huán)PIC控制技術(shù),采用直流有刷電機(jī)控制,其超低噪聲、高性價(jià)比

11、、功能強(qiáng)大等的優(yōu)勢均能使跑步機(jī)產(chǎn)品具有強(qiáng)大的市場競爭力,引領(lǐng)舒適、健康的時尚潮流. 功能特點(diǎn)。帶有自動步數(shù)檢測過、欠壓保護(hù) 過流、堵轉(zhuǎn)保護(hù) 安全保護(hù)功能技術(shù)指標(biāo)：連續(xù)輸出功率1.5HP 最大輸出功率2HP 最大輸入電流10A 速度0.8-16KM/H電壓AC220V50HZ 最大負(fù)荷重量150KG關(guān)于此方案的具體內(nèi)容目前還沒搜到。此方案的可行性還有待進(jìn)一步論證。7、智能型跑步機(jī)控制方案目前市場上已經(jīng)生產(chǎn)出帶有語音播放功能的控制芯片，如臺灣凌陽生產(chǎn)的新一代單片機(jī)SPCE500A具有語音識別、處理和控制的特點(diǎn)。該系統(tǒng)以SPCE500A為核心，根據(jù)使用者跑步時對速度的要求，由SPCE500A 輸出P

12、WM波形信號自動控制跑步機(jī)的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，同時可以實(shí)時測試心率并且具有急剎車等功能。該系統(tǒng)的所有操作均在語音提示下進(jìn)行，非常的人性化。由于PCE500A已經(jīng)具有PWM輸出，所以只需要調(diào)節(jié)其輸出的占空比即可達(dá)到調(diào)速的目的。下面的是電機(jī)的調(diào)速電路，非常的簡單。8、利用DSP控制直流無刷電機(jī)的數(shù)字信號處理器系列整合了通用數(shù)字信號處理器快速運(yùn)算功能和單片機(jī)外圍豐富的特點(diǎn)，使得該系列特別適合于那些要求有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時又要有較多控制功能的應(yīng)用中，對直流無刷電機(jī)的控制就是這一系列的典型應(yīng)用之一。目前該方案大體處于理論上的研究。二、以上的這些方案都是基于控制芯片的不同，而做出來的；對驅(qū)動電路這一模塊也有

13、一些方案，利用專門的驅(qū)動芯片做驅(qū)動電路來驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。1、 IR2110集成芯片該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力和保護(hù)功能。IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術(shù)，于1990年前后開發(fā)并且投放市場的，IR2110是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器。它把驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點(diǎn)在于，將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號，可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，可以達(dá)到600V，其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，成本

14、低、易于調(diào)試。高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電，與其他驅(qū)動電路相比，它在設(shè)計(jì)上大大減少了驅(qū)動變壓器和電容的數(shù)目，使得MOSFET和IGBT的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)大為簡化，而且它可以實(shí)現(xiàn)對MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動，還具有快速完整的保護(hù)功能。與此同時，IR2110的研制成功并且投入應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。圖為IGBT驅(qū)動電路 圖為電機(jī)驅(qū)動電路2、 恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298NL298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)。圖為L298N與51單片機(jī)相連的電路圖圖為L298N驅(qū)動直流電機(jī)