基于UF控制的跑步机变频电路的设计 (7)

中北大学

毕业设计开题报告

学生姓名：金芃利学号：0805054113 学院、系：信息与通信工程学院电气工程系

专业：自动化

设计题目：基于U/F控制的跑步机变频电路的设计

指导教师:刘颖

2012 年3月15日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

1.研究的目的和意义

跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价的有氧健身运动，是保持一个人身心健康最有效，最科学的健身方式，也越来越受到大家喜爱。

户外长跑曾经是大众最喜闻乐见的运动形式，沿着林荫道呼吸着早晨清新的空气，听着指头的鸟鸣，既能愉悦身心，又可锻炼身体。只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑变得不那么流行了，而跑步机则成为了时下健身最热门的健身器械。跑步机不仅可以让我们免受汽车尾气之苦，也是我们可以选择自己方便的时间随时锻炼。

电动跑步机，是多年来国际流行的大众健身器材，通过电机带动跑带使人以不同的速度被动的跑步或走动。由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，锻炼者可体验不同的跑步环境，如平地跑，上坡跑，丘陵跑，变速跑等，个人可以根据自己的锻炼目的进行锻炼。跑步机在健身者运动是能显示出跑步时的速度，时间，心率，热量，节拍，距离等指标，使健身者能够随时根据自身的身体状况调节训练强度。

他是目前健身器材中的主流产品，它是通过电机带动跑步带使人以不同的速度被动地跑或走，在人体用力方面，比在地面上跑、走省去了一个蹬伸动作，可是人比在地面运动消耗更多能量。但由于其功能比较单一，缺乏娱乐性和交互性，长时间锻炼会使人感动枯燥乏味。在全社会崇尚健身就是生活质量的今天，传统电动跑步机这种单调重复运动已难以满足人们对健身品质的要求，而具有虚拟现实功能的智能跑步机，以计算机虚拟的模拟环境代替现实世界的真实环境，给人身临其境的沉浸感，增加了健身的乐趣，已成为目前的研究热点[1]。

变频器作为电动跑步机的主要变速执行和控制器件，在跑步机上也得到越来越广泛的应用。跑步机变频电路，是研发人员根据跑步机的实际需要，为跑步机量身定制的一宗变频电路。[2]

2.变频器研究现状

变频器自20世纪60年代左右问世，从主电路的结构形式来区分，可以分为两大类：交-交变频器和交-直-交变频器。在主电路中，有直流中间环节的为交-直-交变频器，没有的为交-交变频器。若根据变频器的主电路工作方式分，变频器可以分为电压型和电流型两种。交-交变频器一般用于低频，大容量电机的驱动，而交-直-交变频器则可以实现能量回馈电网以及四象限运行，主要用于中小容量电机的驱动[3]。

20世纪80年代后，电力电子技术快速发展，随着晶闸管，门极可关断晶闸管等的问世，以及随后出现的绝缘栅双极型晶体管，耐高压绝缘栅双极性晶闸管，使得变频器的容量越来越大而体积越来越小。近年来又出现了新的集成功率器件智能模块，它讲IGBT芯片与其外围的驱动电路，保护电路甚至于隔离器件全部集成到一个模块上[4]。智能功率模块的开关速度快，驱动电流小，可高速的检测出过流和短路。有很强的自我保护能力。总之，IPM模块功能强大，使用方便，进一步简化了变频器的硬件结构，提高了变频器的集成度和性能[5]。

从控制方式来讲，变频器由一开始的开环恒压频比的控制方式，发展成目前三种主要的控制方式：U/F控制方式，矢量控制方式和直接转矩控制方式，除此之外还有模糊控制，自适应控制等新型的空房是。三种主要应用的控制方式各有优势，在选择控制方式时，需要根据不同的控制对象和具体的工作场合以及要求来选择，以便达到最优的控制性能，同时尽量是电路的成本最低[6]。

变频器具体凸显出六大发展特性：1.主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化、开关频率不断提高。开关损耗进一步降低。2.变频器主电路的拓部结构方面：实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波减少对电网的公害。3.脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制（SPWM）控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）[7]。4.交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控

制系统方面。5.数字控制成为现代的发展方向[8]。

目前市场上变频器的品种很多，从市场需求以及变频器技术的发展趋势来看，变频

器总的发展趋势为：

大容量和小型化。随着生产力的进一步发展，变频器必然朝着大容量的方向前进。同时，变频器的系统设计大规模集成化，功率器件发热的改善以及冷却技术的提高是变频器小型化的重要因素。功率和控制元件的高集成度，智能化的功率模块，高性能的控制芯片都使得未来变频器将向小型化方向迈进[9]。

高性能专用化。由于矢量控制及转矩控制的引入，变频器的可靠性，控制精度得到极大提高，同时高的转矩，高动态性能，低谐波等也是变频器追求的性能指标之一。变频器的通信功能加强，可以提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，可由计算机控制盒操作变频器[10]。为了更好地发挥变频器的独特性能并且更好的满足现场控制的特殊需求，专用变频器的研制越来越受到人们的重视[11]。

智能化。矢量控制与直接转矩控制使交流调速在性能上有了较大提高，在此基础上，融合了现代控制理论中的模型参考自适应技术，最优控制技术，模糊控制等。使变频器自身智能化，可靠性提高，使用起来更加简单[12]。

绿色化。近年来，人们越来越重视环境的保护，变频器使用时产生的电磁污染，噪声较大等问题逐渐被人们重视。随着控制方式的发展，载波频率的提高，电力电子技术的发展，这些问题终将被逐步解决，绿色化的变频器在不久的将来会面世[13]。

总之，未来变频器的产品将朝着高性能，多功能，数字化，高可靠，易使用，绿色化和智能化的方向发展[14]。

3.研究内容

在学习单片机和交流电机原理的基础上，能够达到运用的程度，设计一个跑步机变频电路，控制对象为750W，220VAC的小功率交流电机，要求实现电机的平滑调速，有良好的人机接口，操作简单，使用方便，具有安全开关、速度/频率表等功能。本课题的主要设计内容包括：

1.系统主电路设计，主要是强电部分，交-直-交变换部分的设计。

2.控制电路的设计，控制电路时系统的弱电部分，主要产生各种控制信号，驱动信

号以及保护信号。

3.软件的设计，在控制电路的基础上，利用单片机实现各种控制功能。