智能型电动跑步机驱动控制系统设计与实现

论文摘要

电动跑步机作为一种重要的室内健身器材,一经出现就受到人们的广泛喜爱。稀土永磁无刷直流电机(BLDCM),由于具备类似于普通直流电机的控制性能,且拥有功率密度大、噪声低、损耗小、可靠性高等优点,因而在小功率驱动场合正得到日益广泛的应用。论文首先系统地介绍了稀土永磁无刷直流电机的基本结构,详细分析了其运行原理与调速方法;建立了稀土永磁无刷直流电机在三相A、B、C坐标系中的数学模型,给出了它和普通直流电机动态数学模型之间的关系,并在此基础上建立了稀土永磁无刷直流电机驱动控制系统的计算机仿真模型;针对跑步机的负载冲击特性,用仿真方法对无刷直流电机转速、电流双闭环调速进行了系统研究,验证了其在跑步机驱动控制系统中应用双闭环控制的理论可行性。其次,通过分析智能化跑步机驱动控制系统的功能需求,给出了系统硬件总体方案。重点研究了逆变器及其驱动电路,分析了采用自举驱动时存在的问题;确定了以单片机μPD 78 F1213作为控制电路核心,以智能功率模块(IPM)作为逆变电路核心的基本硬件架构。基于设计制作的系统硬件平台,采用前、后台软件架构和模块化编程方法编制了系统控制软件,实现了控制系统初始化、无刷直流电机双闭环控制、跑台坡度闭环控制等功能,并基于状态机方法完成了对上位控制面板下发控制帧的解析。最后,在完成软硬件设计制作的基础上,针对实际的电动跑步机平台进行了联机调试。实验结果表明,所设计的跑步机驱动控制系统完全达到了预期的功能与性能要求,系统运行安全可靠。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 电动跑步机系统概述
• 1.2.1 系统结构及控制要求
• 1.2.2 电动跑步机系统发展现状
• 1.3 稀土永磁无刷直流电机系统概述
• 1.3.1 稀土永磁无刷直流电机概述
• 1.3.2 无刷直流电机研究的主要问题
• 1.4 论文研究的内容和结构安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 无刷直流电机调速原理及仿真研究
• 2.1 系统基本结构
• 2.1.1 电机本体
• 2.1.2 转子位置检测装置
• 2.1.3 电子换向装置
• 2.2 运行原理分析
• 2.3 数学模型
• 2.4 调速系统研究
• 2.5 调速系统仿真
• 2.5.1 无刷直流电机模块
• 2.5.2 主电路及逆变控制模块
• 2.5.3 系统仿真及结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 硬件设计
• 3.1 硬件总体方案设计
• 3.2 主电路设计
• 3.2.1 整流电路
• 3.2.2 逆变及其驱动电路
• 3.2.3 缓冲电路
• 3.2.4 保护电路
• 3.3 升降控制电路设计
• 3.4 电源电路设计
• 3.4.1 电源需求分析
• 3.4.2 电源电路设计
• 3.5 控制电路设计
• 3.5.1 微控制器及其外围电路
• 3.5.2 继电器驱动电路
• 3.5.3 外部存储器电路
• 3.5.4 通信接口电路
• 3.5.5 霍尔信号接口电路
• 3.5.6 升降反馈接口电路
• 3.5.7 电流采集与调理电路
• 3.6 PCB设计要点
• 3.7 本章小结
• 第4章 软件设计
• 4.1 软件总体方案设计
• 4.1.1 主程序结构设计
• 4.2 系统初始化
• 4.3 电机闭环调速控制
• 4.3.1 速度反馈
• 4.3.2 电流反馈
• 4.3.3 换相控制
• 4.3.4 闭环调速控制
• 4.4 跑台坡度闭环控制
• 4.4.1 升降位置反馈
• 4.4.2 升降闭环控制
• 4.5 中断服务程序
• 4.5.1 A/D中断
• 4.5.2 定时中断
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统调试
• 5.1 硬件基本调试
• 5.2 软件基本调试
• 5.3 整机功能调试
• 5.3.1 关键点信号波形
• 5.3.2 跑台坡度标定
• 5.3.3 电机速度调节
• 5.3.4 跑台坡度调节
• 5.3.5 故障模拟测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及参加科研情况