跑步机的控制方式

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系统。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PWM控制芯片SG3525A为核心，硬件电路实现的电压负反馈、电流补偿控制的PWM闭环控制系统。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，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PWM调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公司生产的第二代无刷电机控制专用芯片MC33035，它集成了译码、PWM生成、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作为系统的控制器。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ARM来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：

本系统以C8051F005 为核心构成控制电路,包括C8051F005的外围电路、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。

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AVR单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

此系统采用了美国Microchip公司的PIC16F690单片机作为控制器，MOSFET为驱动元件它的系统原理框图如下：

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。

3、比较经济的直流电机的pwm闭环调速设计

PWM脉冲可由具有PWM输出口的单片机(如80C552，80C198等)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PWM专用芯片。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PWM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。

直流电机驱动系统原理如图2所示。PWM信号发生器生成的PWM信号经施密特反相器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沟道VMOS功率场效应管，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0l传送来的PWM信号，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Dl和电阻R6构成保护电路。

4、如上面提到的用MC33035控制器以及MC33039电子测速器

MC33039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。

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。