基于新型无刷直流电机的双人运动健身系统的研制

论文摘要

随着生活节奏的提高,人们的健身场所逐渐由户外转移到户内,这既促进了室内健身器械产业的发展,也带来了巨大的挑战。人们不再满足于某一健身器械提供的单一运动,要求在使用健身器材达到锻炼目的的同时,也能得到运动带来的乐趣。针对这一问题,本文设计一款集跑步机和健身车于一体,具有互动性的节能双人运动健身系统。首先,论文从市场需求及功率匹配等方面分析了双人运动健身系统的可行性,并提出了性能指标。按照系统性能指标要求,选择健身车上发电机为深圳市网络信息电器重点实验室开发的新型盘式无刷直流电机,为了符合功率匹配要求,提出了一种大惯量飞轮嵌于发电机上的匹配方案。同时,选择系统跑步机所用电动机为该实验室专利产品的新型无刷直流电机,设计出系统的硬件结构,并设计了包括速度、电流闭环的双环控制方案。其次,本文详细分析了跑步机上电动机驱动控制策略。为了降低绕组电流纹波,采用了一种能使绕组电流充放电倍频的PWM调制方式,并对其进行详细推导。对于系统电流检测方式,采用一种改进型电流检测拓扑,其用一个电流传感器即可检测电机绕组电流的全部信息。为简化系统的设计过程,应用Matlab仿真软件建立了无刷直流电机控制系统的数学模型,并进行了仿真分析,得到合理的参数调试范围。再次,在仿真分析的基础上,设计了双人健身系统的硬件结构和软件程序。硬件设计部分包括功率输入切换、新型逆变器、驱动电路、辅助电源以及控制电路的设计;软件设计部分包括BLDCM换相、电流闭环、速度闭环以及输入输出子模块设计。最后,搭建了双人运动健身系统实验平台,并对双人健身系统软硬件各部分进行调试,实现了系统联调;调试完成后对整机进行了实验,并分析了部分实验结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和背景
• 1.1.1 健身车系统概述
• 1.1.2 电动跑步机系统概述
• 1.2 无刷直流电机的发展与研究现状
• 1.3 本课题的研究意义及主要研究内容
• 1.3.1 本课题的研究意义
• 1.3.2 本课题主要研究内容
• 第2章 双人运动健身系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 双人运动健身系统
• 2.2.1 系统功率匹配分析
• 2.2.2 系统功能指标
• 2.3 系统结构设计
• 2.3.1 电机的选择
• 2.3.2 系统传动比设计
• 2.3.3 系统惯性飞轮设计
• 2.4 系统控制方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统驱动控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 PWM 调制方式
• 3.2.1 倍频PWM 调制方式
• 3.3 电流检测方法
• 3.3.1 非换相时刻
• 3.3.2 换相时刻
• 3.4 系统仿真
• 3.4.1 仿真模型各组成模块
• 3.4.2 仿真结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统硬件及软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 系统硬件设计
• 4.2.1 功率输入切换方式设计
• 4.2.2 新型逆变器拓扑及设计
• 4.2.3 驱动电路设计
• 4.2.4 辅助电源设计
• 4.2.5 控制电路设计
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 电机换相模块
• 4.3.2 速度闭环控制模块
• 4.3.3 电流闭环控制模块
• 4.3.4 输入输出模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统调试及实验结果与分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统组成
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 电流检测方式验证
• 5.3.2 整机调试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢