电动跑步机控制系统的设计

电动跑步机控制系统的设计

摘要：介绍了一种电动跑步机控制系统的结构和控制方法。该系统采用EM78P459和P89 C52 2个单片机，分别用于电机控制和人机交互，2个单片机之间通过I／O方式通信；在运动控制上，采用基于IGBT管的脉宽调制(PWM)直流调速技术，控制算法采用转速反馈闭环分段PID控制。对系统的电磁兼容性(EMC)设计进行了介绍。

关键词：电动跑步机；控制系统}PID校正；电磁兼容性

0 引言

电动跑步机是机电一体化产品，其技术含量主要体现在跑步机专用电机、控制系统、附带的其它功

流电机，其额定电压AC220 V，额定电流

光藕隔离，以高低电平收发方式通信。此外，仪表部分的十5 V DC电压，由控制板提供的+ 12 V DC电压转换得到。

1．2 调速电路的设计

驱动电机的调速电路是系统硬件的核心，如图2所示，采用基于IGBT 管的PWM 直流调速技术[2]。由于IGBT管集MOSFET管与双极型大功率晶体管的优点于一体，属压控型器件，对栅极驱动电路的要求降低，而且导通电阻低、通断速度快、单管容量大，适合作P WM 的功放管[3]，此处由于IG—BT作为硬性开关工作，因此选择了容量较大的G60N90DG3管，其V CES为900 V，Ic为6O～42 A(对应25～100℃)。

栅极驱动采用了专用芯片MC33153，它带有过流保护和故障输出功能。在IGBT管的漏一源两极间附加有RCD吸收网络R4C2D2，防止尖峰电压的冲击；用粗铜丝绕成的小电感L。是为了抑制尖峰电流。电机的续流二极管Dl为K3060G3。主电路的性能如何可由IGBT管的源极电压波形来检验，在PWM工作时，应接近理想方波。系统的PWM 的工作频率为16．45 kHz，由单片机产生。

驱动电机所需的直流电压由220 V交流电压经整流、滤波后得到。电机的电流，由低阻值、温度性能好的康铜丝R。检测，经调理后，一路进入MC33153，作硬件过流保护；另一路进EM78P459单片机，经A／D采样后，作软件限流。电机的实际转速，由电机自带的码盘经光电传感器，再进入单片机，最后用M 法测得[4]。

1．3 控制原理

采用转速反馈闭环调速控制，其工作原理为：电机转速由光电传感器检测，测得的实际转速与给定速度进行比较，随后进行PID 校正，产生相应的PWM，改变电机两端平均电压，实现调压调速。在加减速过程，为防止加速度过大，给定速度值并不立即参与比较，而

是由程序逐步改变。采用转速和电流双闭环控制可获得更好的速度控制性能[2]，但这需要对电流进行精确测量，且调速精度的提高，还要求有与之相配的纹波更小的直流电压，所以滤波电容也要加大，需要增加硬件;而且在算法上，电流环参与控制的切换条件也不易确定。实际上，若调速非常“理想”，因电流的变化率很大，电机的损耗也会加大。因此，在调速设计时，只要满足设计要求即可。若不考虑负载特性，系统校正前，速度对PWM控制量的开环传递函数可表示为[2]：

高了抗扰动性能，但恢复时间延长，系统稳定性下降，所以K D选得较小。1．4 软件设计

程序设计分基于P89C52的上位机程序和基于EM78P459的下位机程序，前者使用C5 1，后者使用汇编语言，均采用模块化设计方法。

上位机是系统的操作和管理中心，它分主程序和定时中断程序2部分。在主程序中主要有初始化、上电自检、相关功能设置、开中断和开看门狗，然后以循环方式分时进行键盘扫描、运动数据处理、LED屏显示、LED灯闪烁、与下位机通信、EEPROM中数据存＼取、心率检测、蜂鸣器控制、负离子发生器控制、制动开关检测和故障提示与处理等；在定时中断程序中有看门狗置数、主程序中各功能操作的时间到标志置位和动态显示刷新等操作。

下位机是操作指令执行者，运行状态的监测与反馈者，分主程序和中断程序2部分。在主程序中主要进行初始化、取EEPROM 中预设值、开中断和开看门狗，然后以循环方式分时进行升降电机控制、PID校正、存＼取EEPROM 参数和故障处理等；中断程序为定时中断，主要进行看门狗置数、电流检测(作软件限流)、转速检测、升降电机位置检测、与上位机通讯(接收给定速度、跑台倾斜度等数据、发送相关运行状态)、PWM计算及输出和故障检测等。

2 电磁兼容性

跑步机涉及到人身安全，要求其控制系统应有较高的可靠性和安全性。系统不仅在软硬件上采取了多种措施，如故障诊断、硬件冗余、数字滤波和软件看门狗等，还对器件的散热、防潮和抗震等作了相应的处理。此外，与可靠性相关的还有电磁兼容性(EMC)，因为在PWM 系统中，功率转换电路工作频率较高，电路在过渡过程中有较高的电流变化率和电压变化率，所以更须注重EMC设计。

EMC设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径及提高敏感器件的抗干扰性能。干扰源指产生干扰的元件、设备或信号，可以说，在du／dt，di／dt大的地方就是干扰源；干扰传播路径主要有导线传导和空间辐射，传导耦合常见于低频，辐射耦合常见于高频；敏感器件也就是易受干扰的器件。对于本系统，干扰源有继电器、IGBT管、电机、晶振、高频时钟、PWM信号和工频电源等，干扰传播路径有电源线(内、外)、上位机与下位机之间的连线、空间工频电磁场等，敏感器件有单片机、数字IC和弱信号放大器(对手握式心率检测信号)等。

2．1 电路板级EMC设计

在PCB板上，按功率大小，信号强弱等因素，进行合理的分区，尽可能把干扰源与敏感元件远离；对IGBT管、继电器和电机等要有良好的吸收回路；对电源(内电源)采用滤波等措施以提供稳定的电压和减小传导干扰；对接地系统，尽量将模拟地、数字地、电源地和屏蔽地等各自分开走，自成系统，然后汇集到一个公共接地点；栅级驱动的PWM 线应短、离IGBT管要近，板上的其它布线要按规范进行；单片机系统应选用频率较低的晶振；IC器件尽量直接焊在电路板上，减少接触电感等.

2．2 系统级EMC设计

应综合使用接地、屏蔽和滤波等措施，以保证系统的正常操作及人身安全。如，在AC220 V入口处(外电源)加电源滤波器；在上仪表与F电控之间的连线要有屏蔽，且在入出PCB板处，加磁环滤波；各种线的捆扎、固定要规范化；良好的接地可以消除各种电磁干扰。此外，在系统级EMC设计时，还要考虑降低系统对其它电子设备的不良电磁影响。

3 结束语

我们自行开发设计的电动跑步机控制系统，其结构简洁、功能实用、性价比较高，目前正在产品化。