本發(fā)明屬于電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種跑步機(jī)用三相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)民生活水平的不斷提升，人們對(duì)身體健康的要求越來越高，跑步機(jī)等運(yùn)動(dòng)健身裝置以其簡(jiǎn)易適用，適宜在健身房、家庭等室內(nèi)進(jìn)行身體鍛煉的特點(diǎn)被廣泛選購，其

驅(qū)動(dòng)電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)，目前最常見的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為三相交流異步電機(jī)，調(diào)速控制單元?jiǎng)t是保證健身運(yùn)動(dòng)裝置性能良好的核心，最常見的調(diào)速控制系統(tǒng)是以dsp和fpga為控制芯片，dsp有如采樣頻率的選擇、pwm信號(hào)頻率及其精度、采樣延時(shí)、運(yùn)算時(shí)間及其精度等局限性，而fpga價(jià)格比較貴，在低價(jià)格產(chǎn)品中使用受到極大的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決上述難題，提出一種跑步機(jī)用三相交流異步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。

本發(fā)明包括主電路、下位機(jī)控制電路、上位機(jī)控制電路三個(gè)部分，其中主電路包括整流電路、濾波電路和逆變電路；下位機(jī)控制電路包括下位機(jī)微處理器、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、定子電壓檢測(cè)電路和定子電流檢測(cè)電路；上位機(jī)控制電路包括上位機(jī)微處理器、手控鍵盤、心率檢測(cè)電路和液晶顯示電路。

整流電路、濾波電路、逆變電路按照順序連接后接入三相交流異步電機(jī)，電壓檢測(cè)電路和電流檢測(cè)電路的兩端分別連接逆變電路和下位機(jī)微處理器，定子電壓檢測(cè)電路、定子電流檢測(cè)電路和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路分別連接至三相交流異步電機(jī)，另一端連接至下位機(jī)微處理器。上位機(jī)微處理器通過rs232接口與下位機(jī)微處理器連接，手控鍵盤、心率檢測(cè)電路和液晶顯示電路分別連接至上位機(jī)微處理器。

整流電路采用的是整流橋來實(shí)現(xiàn)。

濾波電路采用的是電容濾波電路。

逆變電路采用的是智能功率模塊spm作為逆變電路的主開關(guān)元件。

下位機(jī)微處理器采用的是80c196mc單片機(jī)芯片。

電流檢測(cè)電路和電壓檢測(cè)電路均采用的是采樣電阻法進(jìn)行檢測(cè)。

轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路采用的是脈沖編碼器測(cè)速法進(jìn)行檢測(cè)。

定子電壓監(jiān)測(cè)電路采用的是pto1c-2/2型的互感器。

定子電流檢測(cè)電路采用的是霍爾電流傳感器tt10-p。

上位機(jī)微處理器采用的是sh79f1611單片機(jī)芯片。

手控鍵盤設(shè)有參數(shù)設(shè)置、加速、減速以及開和關(guān)這些功能按鍵。

心率檢測(cè)電路采用紅外對(duì)管ir928-6c和pt928-6c作為檢測(cè)心率的傳感器。

液晶顯示電路采用的是12864液晶顯示模塊。

由于采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果。

1、本發(fā)明主要針對(duì)于民用跑步機(jī)速度調(diào)節(jié)、人機(jī)交互界面等方面的需要，根據(jù)跑步機(jī)的特點(diǎn)，增加了心率檢測(cè)電路、手控鍵盤和液晶顯示電路，無需再增加任何模塊就能實(shí)現(xiàn)顯示使用者當(dāng)前心率和手動(dòng)調(diào)節(jié)速度的功能，能很大程度的減小跑步機(jī)的體積。

2、本發(fā)明的上位機(jī)微處理器和下位機(jī)微處理器采用的都是單片機(jī)芯片，在實(shí)現(xiàn)所有功能的前提下，減少了整個(gè)系統(tǒng)的成本。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2為直流電流電壓檢測(cè)圖。

圖3為轉(zhuǎn)速檢測(cè)圖。

圖4為定子電壓檢測(cè)電路圖。

圖5為定子電流檢測(cè)電路圖。

圖6為手控鍵盤電路圖。

圖7為心率檢測(cè)流程圖。

圖8為傳感器及前置放大電路圖。

圖9為液晶顯示電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

如圖1所示：本發(fā)明包括主電路1、下位機(jī)控制電路2、上位機(jī)控制電路3三個(gè)部分，其中主電路包括整流電路101、濾波電路102和逆變電路103；下位機(jī)控制電路2包括下位機(jī)微處理器201、電流檢測(cè)電路202、電壓檢測(cè)電路203、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路204、定子電壓檢測(cè)電路205和定子電流檢測(cè)電路206；上位機(jī)控制電路3包括上位機(jī)微處理器301、手控鍵盤302、心率檢測(cè)電路303和液晶顯示電路304。

整流電路101、濾波電路102、逆變電路103按照順序連接后接入三相交流異步電機(jī)，電壓檢測(cè)電路203和電流檢測(cè)電路202的兩端分別連接逆變電路103和下位機(jī)微處理器201，定子電壓檢測(cè)電路205、定子電流檢測(cè)電路206和轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路204分別連接至三相交流異步電機(jī)，另一端連接至下位機(jī)微處理器201，上位機(jī)微處理器301通過rs232接口與下位機(jī)微處理器201連接，手控鍵盤302、心率檢測(cè)電路303和液晶顯示電路304分別連接至上位機(jī)微處理器301。

整流電路101采用的是整流橋來實(shí)現(xiàn)，跑步機(jī)是一種常見的家用電器，電源來自單相220v家用交流電，而且變頻器的輸出功率不大，因此其整流電路選取整流橋來實(shí)現(xiàn)。由于整流電路輸出的電壓是含有電壓紋波的脈動(dòng)直流電壓，為了確保逆變器穩(wěn)定工作必須加濾波電路。

濾波電路102采用的是電容濾波電路，本系統(tǒng)為電壓型變頻系統(tǒng)，濾波器件選用的是電容濾波電路，屬于中間直流電路，中間直流電路進(jìn)行濾波為電動(dòng)機(jī)提供無功功率，所以要采用大容量的電容，以保證最后輸入逆變電路的母線電壓為大小恒定的直流電壓，本系統(tǒng)選用兩只耐壓較高的電解電容并聯(lián)。

逆變電路103采用的是智能功率模塊spm，逆變電路是主電路的核心部分，直流電在控制電路的作用下，轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可調(diào)的交流電，并作為變頻器的輸出。選用智能功率模塊spm作為逆變電路的主開關(guān)元件，該芯片集成了欠壓、過熱、短路和過流的保護(hù)電路以及特定應(yīng)用型電路hvic，還有igbt的驅(qū)動(dòng)電路，具有高電流密度，高耐壓和低飽和電壓等優(yōu)點(diǎn)。

下位機(jī)微處理器201采用的是80c196mc單片機(jī)芯片。由于該cpu是專為交流電機(jī)變頻器而設(shè)計(jì)的，因此使用它作為cpu構(gòu)成的變頻器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，并且具有較高的可靠性及抗擾性能。

電流檢測(cè)電路202和電壓檢測(cè)電路203均采用的是采樣電阻法進(jìn)行檢測(cè)。本系統(tǒng)采用采樣電阻法對(duì)spm進(jìn)行檢測(cè)，原理簡(jiǎn)易行。康銅絲電阻選用高精密合金絲并經(jīng)過特殊工藝處理，其阻值低，精度高，溫度系數(shù)低。一般阻值在0.1mω至100mω之間，本系統(tǒng)采用10mω康銅絲來進(jìn)行電流采樣，康銅絲把主電路電流轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)，電壓信號(hào)在lm358p構(gòu)成的運(yùn)算放大電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大到5v，通過對(duì)電壓信號(hào)的濾波和限流再送入下位80c196mc的模擬量輸入口ad00。直流側(cè)還需對(duì)直流母線電壓的檢測(cè)，直流母線測(cè)得的電壓取自濾波電容兩端，信號(hào)經(jīng)電阻分壓后取得，為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離的目的，為了防止高壓信號(hào)進(jìn)入到控制電路中，取樣信號(hào)經(jīng)lm358p接入ad01口。如圖2所示，lm358p內(nèi)部含有兩個(gè)高增益、單獨(dú)的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大電路。由于其含有兩個(gè)放大器，其中一個(gè)用于電流檢測(cè)，另一個(gè)用于直流母線電壓檢測(cè)。

轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路204采用的是脈沖編碼器測(cè)速法進(jìn)行檢測(cè)。本控制系統(tǒng)采用脈沖編碼器測(cè)速法，轉(zhuǎn)速采樣反饋電路如圖3所示，j3外接h2b6光電傳感器，由h2b6檢測(cè)到的脈沖信號(hào)經(jīng)三極管放大后，分別有電容和光電耦合器pc817對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形和光耦進(jìn)行隔離，從pc817輸出信號(hào)為0~5v，接入下位80c196mc芯片ad08口。

定子電壓監(jiān)測(cè)電路205采用的是pto1c-2/2型的互感器。三相定子電壓的檢測(cè)采用pto1c-2/2型的互感器，耐高溫、耐腐蝕、隔離性能好。采集到的a相定子電壓接入到ad02口，其檢測(cè)電路圖如圖4所示。b、c相定子電壓檢測(cè)同理，分別接入ad03、ad04口。

定子電流檢測(cè)電路206采用的是霍爾電流傳感器tt10-p。電路對(duì)電機(jī)的三相定子電流和三相定子電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，用于80c196mc微處理器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器tt10-p，其測(cè)量范圍0~20a，輸出電流范圍是0~20ma，而80c196mc的采樣電壓范圍是0~5v，所以反饋電阻為150歐姆，用電容和滑動(dòng)變阻器進(jìn)行補(bǔ)償，a相定子電流檢測(cè)如圖5。接入80c196mc的ad05口。b、c相電流檢測(cè)同理，分別接入ad06、ad07口。

上位機(jī)微處理器301采用的是sh79f1611單片機(jī)芯片。本系統(tǒng)選用先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制方式和svpwm控制技術(shù)，涉及到較為復(fù)雜的兩個(gè)積分運(yùn)算，運(yùn)算量相對(duì)較大，所以我們從系統(tǒng)控制精度和成本的角度出發(fā)，采用價(jià)格更為便宜的sh79f1611芯片來設(shè)計(jì)上位機(jī)按鍵、顯示以及心率檢測(cè)部分。

如圖6所示手控鍵盤302設(shè)有“參數(shù)設(shè)置”、“加速”、“減速”以及“開”和“關(guān)”這些功能按鍵。本系統(tǒng)中涉及跑步機(jī)參數(shù)設(shè)置、加速、減速以及開和關(guān)。因此，需要3個(gè)按鍵key1、key2、key3分別接上位sh79f1611的i/o口相連供用戶選擇，其中按鍵key1接芯片的p2.1口、key2接芯片的p2.0口、key3接芯片的p3.0口。key1為系統(tǒng)整體總控按鍵，控制整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，當(dāng)系統(tǒng)通電后，第一次按下key1鍵，系統(tǒng)則按照初始化設(shè)置運(yùn)行，在原有的電機(jī)參數(shù)下，按照額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，再次按下key1鍵，則整個(gè)系統(tǒng)停止。key2為跑步機(jī)加速按鍵，按下key2鍵，跑步機(jī)以0.1km/h遞加。key3為跑步機(jī)減速按鍵，按下key3鍵，跑步機(jī)以0.1km/h遞減，經(jīng)換算，電動(dòng)機(jī)以11.07r/min遞增和遞減。led0用以指示系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障警告。

心率檢測(cè)電路303采用紅外對(duì)管ir928-6c和pt928-6c作為檢測(cè)心率的傳感器。通過光電傳感器采集到的人體脈搏信號(hào)，再經(jīng)過前置放大、濾波和積分比較等信號(hào)處理電路，即可轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號(hào)，再利用sh79f1611微處理器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算出心率并顯示，其流程圖如圖7所示，脈沖信號(hào)作為中斷信號(hào)交給上位sh79f1611進(jìn)行脈沖周期計(jì)算，獲得每分鐘脈搏的搏動(dòng)次數(shù)（即心率），并在12864顯示屏中顯示所測(cè)心率。檢測(cè)心率的傳感器采用紅外對(duì)管ir928-6c和pt928-6c。反射式不但可以精確測(cè)得血管內(nèi)容積變化，而且反射式只需將傳感器接觸身體任何部位，當(dāng)照射部位血流量隨心臟跳動(dòng)而變化時(shí)，紅外線接收探頭則接收到隨心臟周期性地收縮與舒張的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號(hào)，然而人體的生理信號(hào)是十分微弱的，它的幅值一般位于微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)中。通過前置級(jí)放大電路，高倍放大采集到的脈搏信號(hào)，這就要求電路具有高共模抑制比和高增益，至少在80db以上，即集成運(yùn)放要有極低的零漂和很高的共模抑制比等，所選用電阻的參數(shù)一定要精確。放大電路由op07和電阻網(wǎng)絡(luò)組成，op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于op07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以op07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。op07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得op07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。傳感器及前置放大電路如圖8所示。由于50hz工頻干擾和內(nèi)外噪聲等因素，即便是電路具有很高的共模抑制比，脈搏信號(hào)也非常的微弱，容易淹沒在干擾信號(hào)中，所以將低通濾波器的上限設(shè)計(jì)成截止頻率為40hz。采用對(duì)稱性雙t阻容有源陷波器專門濾除工頻干擾。再通過積分、比較電路整形之后，可以得到上位sh79f1611芯片所需要的標(biāo)準(zhǔn)的0~5v脈沖信號(hào)。檢測(cè)出來的心率信號(hào)接入上位sh79f1611芯片的p4.0即an6，從而采集到心臟搏動(dòng)信號(hào)。

液晶顯示電路304采用的是12864液晶顯示模塊。液晶顯示模塊用來實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，能夠讓健身者實(shí)時(shí)了解到跑步機(jī)的具體速度，了解到健身者自身的心率、健身時(shí)間、里程等一系列健身參數(shù)。如圖9所示，液晶模塊的接口為20引腳，其中控制和數(shù)據(jù)引腳與上位sh79f1611的i/o口相連，其中，12864的db0-db7接上位sh79f1611芯片的p4.0~p4.7，rs接芯片的p2.5，r/w接芯片的p2.4，e接芯片的p2.3，psb接芯片的p2.2，r13和c23構(gòu)成液晶的復(fù)位電路，低電平復(fù)位。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡(jiǎn)單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。