电动跑步机电控系统的研制

论文摘要

近年来,随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,人们对自身的健康也日益关注,健身成为一种流行时尚,健身器材行业也逐步兴起为一个大的消费领域,电动跑步机作为一种重要的健身器材得到了越来越广泛的应用,具有广阔的市场前景。研发具有多功能和高附加值的人性化科学化的电动跑步机具有重要的现实意义。电动跑步机的电控系统是整个跑步机运转的核心,它需要具有用户接口界面功能、电机调速功能和其他附加功能。本论文以电动跑步机电控系统为研究对象,以实用、舒适、高性价比、高可靠性和高安全性为目标,以微控制器ATmega32为控制核心,完成了有刷直流电动机调速系统硬件设计、电动跑步机手握式电子心率计软硬件设计和电控系统总体软件开发等任务。从理论分析到软硬件实现,全面详细的阐述了电动跑步机电控系统的设计全过程。首先,文章叙述了永磁有刷直流电动机的基本结构和工作原理,对其调速原理和调速方法进行了理论分析,建立了电压负反馈电流补偿控制的有刷直流电机调速系统的数学模型,并创新性的提出在电动跑步机中使用“突加负载速度缓冲”的方法实现人体运动缓冲,增加跑步机跑感舒适度,避免运动损伤。并依据此基本控制策略,对电动跑步机有刷直流电动机的调速系统进行了硬件实现。其次,文章介绍了电动跑步机附加的电子心率计的软硬件开发。心率是人体健康状况的一个重要反馈信号,合理控制健身过程中的心率,是科学健身的重要内容。心率测量系统作为提高健身器材附加值的重要组成部分,逐渐成为电动跑步机选购的一个重要参考。本论文对电动跑步机附带的手握式电子心率计的测量原理和具体设计实现进行了详细介绍。心率计通过电动跑步机手柄上的金属电极获取人体手掌上的心电信号,再经过放大滤波等信号调理后,提取R波并整形输出方波信号,然后使用单片机测量出方波周期,经数字滤波和计算后,最终得出心率值。心率计在硬件设计上,着重放大R波能量集中且受干扰小的10～30Hz心电信号成分;软件设计上,使用条件筛选、中值滤波、限幅滤波和滑动平均滤波等算法大大提高了测量精度。再次,在整个系统硬件设计的基础上,应用ATmega32专用汇编语言进行了软件程序的编写。系统程序设计采用软件查询与中断相结合的控制方式,即主程序循环加中断服务子程序的形式。主程序主要实现系统初始化、各状态标志位的轮询、事件处理、数据计算、键值处理、显示缓冲区刷新等功能,并在心率计设计的基础上,实现了心率控制速度功能。中断服务子程序的主要功能是完成数据采集,键盘扫描、动态显示刷新、过载检测等对实时性要求比较高的事件任务,包括定时器T0溢出中断服务子程序和定时器T2溢出中断服务子程序。最后,对实际设计的电动跑步机电控系统在理论分析的基础上进行了调试和实验。实验结果证明所设计的电控系统达到功能和性能指标要求,并具有很高的安全性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 电动跑步机的发展现状
• 1.2.1 电动跑步机驱动系统的现状
• 1.2.2 电动跑步机附加功能的现状
• 1.3 本课题电动跑步机电控系统整体结构
• 1.3.1 电控系统设计要求
• 1.3.2 电控系统整体结构
• 1.3.3 微控制器芯片的选型
• 1.3.4 码表板部分介绍
• 1.3.5 电机控制器部分介绍
• 1.3.6 心率计部分介绍
• 1.4 本课题的研究内容及创新点
• 第2章 跑步机电动机调速系统理论分析
• 2.1 有刷直流电动机的机械特性
• 2.2 脉宽调速原理
• 2.3 电动跑步机负载特性分析
• 2.4 电动跑步机有刷直流电机的控制策略
• 2.5 电压负反馈电流补偿直流调速系统的数学模型
• 2.6 调速系统动态校正
• 2.6.1 给定变化时的动态响应要求
• 2.6.2 突加负载速度缓冲
• 2.6.3 动态校正装置PI调节器
• 2.7 本章小结
• 第3章 跑步机电动机调速系统的硬件设计
• 3.1 供电电源的设计
• 3.1.1 主电源电路的设计
• 3.1.2 辅助电源电路的设计
• 3.2 有刷直流电机调速系统给定电压电路的设计
• 3.2.1 用PWM实现D/A转换的原理
• 3.2.2 PWM信号频率的确定
• 3.2.3 D/A转换硬件电路的设计
• 3.3 脉宽调制变换器的设计
• 3.3.1 PWM调制芯片SG3525介绍
• 3.3.2 硬件电路设计
• 3.4 直流电动机主电路的设计
• 3.4.1 功率开关器件的选择及其缓冲电路
• 3.4.2 续流二极管的选择
• 3.5 直流电动机电压电流反馈回路的设计
• 3.5.1 电压反馈回路的设计
• 3.5.2 电流反馈回路的设计
• 3.6 比例积分调节器的设计
• 3.7 保护电路的设计
• 3.7.1 过电流保护电路
• 3.7.2 过电压保护电路
• 3.8 本章小结
• 第4章 手握式电子心率计的设计
• 4.1 心率计测量原理和框图
• 4.1.1 心电信号及其干扰
• 4.1.2 心率计设计思想
• 4.2 心率计硬件设计
• 4.2.1 单片机芯片的选型
• 4.2.2 前置差动放大器电路
• 4.2.3 滤波电路
• 4.2.4 R波提取和脉冲整形电路
• 4.3 心率计软件设计
• 4.3.1 程序框架
• 4.3.2 数字滤波算法
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 软件开发环境
• 5.2 软件设计的任务
• 5.3 主程序设计
• 5.3.1 主程序框架
• 5.3.2 系统初始化
• 5.3.3 键值处理
• 5.3.4 卡路里消耗累加
• 5.3.5 紧急开关断开处理和速度电机过电压保护
• 5.3.6 显示缓冲区刷新
• 5.3.7 运行信息记录
• 5.3.8 速度监控和异常处理
• 5.3.9 心率读取和心率控制速度功能
• 5.3.10 电动跑步机预设置和校准
• 5.4 中断优先级
• 5.5 定时器0溢出中断子程序
• 5.5.1 定时常数的确定
• 5.5.2 程序框架
• 5.5.3 动态显示刷新
• 5.5.4 键盘扫描
• 5.5.5 PWM输出
• 5.5.6 过电压检测
• 5.6 定时器2溢出中断子程序
• 5.6.1 定时常数的确定
• 5.6.2 程序框架
• 5.7 软件的可靠性设计
• 5.8 本章小结
• 第6章 调试及实验
• 6.1 实验环境
• 6.2 系统调试
• 6.2.1 功能测试
• 6.2.2 性能指标测试
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 今后的工作
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表