跑步机的控制方式分解

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。

5、通过变频器实现调速

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SPCE500A具有语音识别、处理和控制的特点。该系统以SPCE500A为核心，根据使用者跑步时对速度的要求，由SPCE500A 输出PWM波形信号自动控制跑步机的速度运转，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。

由于PCE500A已经具有PWM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。

下面的是电机的调速电路，非常的简单。

8、利用DSP控制直流无刷电机

Ｍｏｔｏｒｏｌａ的数字信号处理器ＤＳＰ５６８ｘｘ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ＤＳＰ的典型应用之一。目前该方案大体处于理论上的研究。

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，IR2110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。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。

PWM1PWM2

VD11PWM1PWM2

U g1U g2U g3U g4

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L298N

L298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。

图为L298N与51单片机相连的电路图

图为L298N驱动直流电机的实物连接图

总结：

在网上搜索了大量关于直流电机控制系统的文献资料，当然不是每一种都适合跑步机的控制系统；通过以上的阐述，以及本项目的实际要求，方案的设计以低成本为控制目标，尽量以芯片级的解决方案为主。同时也可以采用以单片机为控制芯片的控制方案。下面是厦门市优士达体育用品有限公司跑步机整个控制电路的功能图：

图1 控制电路的功能图

下面的图为部分电路的原理图，对设计控制部分电路很有参考价值。

图2 PWM波调速电路

图3 PWM信号发生电路

图为主电路