基于PWM技術(shù)的電動(dòng)跑步機(jī)電源設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了一種電動(dòng)跑步機(jī)上使用的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，采用TL494作為脈沖寬度調(diào)制芯片，并在cPu的配合下進(jìn)行速度的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的調(diào)速，同時(shí)還設(shè)計(jì)了過(guò)熱、過(guò)流等保護(hù)電路，本設(shè)計(jì)的電源具有電路簡(jiǎn)單、性能可靠等特點(diǎn)。

　　0 引言

　　中國(guó)經(jīng)濟(jì)與世界的不斷接軌，使中國(guó)臺(tái)灣這個(gè)原先在電動(dòng)跑步機(jī)行業(yè)一直處于壟斷的地位，慢慢地被國(guó)內(nèi)大陸的電跑廠家所削弱。據(jù)2006年、2007年成都體育產(chǎn)品博覽會(huì)的不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)有100家以上生產(chǎn)電動(dòng)跑步機(jī)的企業(yè)。在電動(dòng)跑步機(jī)產(chǎn)品中，家用跑步機(jī)占據(jù)了最大的市場(chǎng)份額，而家用跑步機(jī)以性能實(shí)用、價(jià)格價(jià)廉的特點(diǎn)決定了跑步機(jī)的傳動(dòng)采用小功率的直流電機(jī)，由于直流電機(jī)的速度與電樞的輸出電壓成正比，因此，電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題實(shí)際上成了直流電源的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

　　近年來(lái)，隨著新型電力電子功率器件的不斷出現(xiàn)，直流電機(jī)的控制方式發(fā)生了較大的變化。采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱PWM)已成為直流電機(jī)主要的調(diào)速方式之一。這種調(diào)速方法具有開(kāi)關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)的跑步機(jī)電源控制對(duì)象是直流電機(jī)，目的是實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，簡(jiǎn)要的工作原理是市電經(jīng)全橋整流、濾波后實(shí)現(xiàn)AC／DC轉(zhuǎn)換，然后采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為主開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)TL494來(lái)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的通斷時(shí)間，從而控制電機(jī)的電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。

　　1)主電路設(shè)計(jì)

　　我們?cè)O(shè)計(jì)的電源主電路見(jiàn)圖1所示。設(shè)計(jì)采用4個(gè)整流二極管6A10構(gòu)成整流橋，再經(jīng)過(guò)電容C1的濾波，實(shí)現(xiàn)AC／DC的轉(zhuǎn)換。然后通過(guò)PWM控制器電路送來(lái)的PWM信號(hào)控制功率場(chǎng)效應(yīng)管IRFP460的通斷，來(lái)改變直流電機(jī)電樞上的電壓。圖中Rq為電流保護(hù)的取樣電阻，該電阻的壓降直接反映了主回路電流的大小，觸點(diǎn)J1一1為電動(dòng)跑步機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后閉合。

　　2)控制電路

　　控制電路包括PWM信號(hào)產(chǎn)生電路和異常時(shí)的過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路組成。

　　(1)PWM信號(hào)的產(chǎn)生

　　根據(jù)TL494的應(yīng)用資料，鋸齒波的頻率可由公式計(jì)算如下：

　　式(1)中Rt和Ct取值參考范圍：

　　Rt=5～lOOkΩ，Ct=0．001～0．1μF，根據(jù)后級(jí)功率場(chǎng)效應(yīng)管推薦的開(kāi)關(guān)頻率l5kHz，本設(shè)計(jì)中Rt取7．5kΩ，Ct取0．01μF。由TL494產(chǎn)生PWM信號(hào)的電路如圖2所示。

　　系統(tǒng)中將誤差放大器、控制放大器并聯(lián)使用，放大器的同相端輸入的是速度給定信號(hào)，反相端輸入的是速度反饋信號(hào)，形成閉環(huán)控制；2、3腳之間接入的是阻容校正；13腳接地，使TL494不使用推挽型輸出，此方式下內(nèi)部的觸發(fā)器不起作用，兩路輸出相同的PWM信號(hào)，且頻率與鋸齒波振蕩頻率相同。

　　接到TL494上的速度給定信號(hào)是由單片機(jī)根據(jù)用戶在面板上的操作而產(chǎn)生的數(shù)字脈沖信號(hào)經(jīng)變換后生成的模擬信號(hào)；而速度反饋信號(hào)是通過(guò)光電傳感器的數(shù)字脈沖信號(hào)獲得的，該光電傳感器是加裝在與電機(jī)同軸的碼盤上，其脈沖頻率直接反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同樣該數(shù)字脈沖信號(hào)也變換成模擬信號(hào)，關(guān)于數(shù)字脈沖到模擬電路的轉(zhuǎn)換電路，因篇幅問(wèn)題不再贅述。

　　(2)保護(hù)電路

　　對(duì)電機(jī)的保護(hù)一般包括過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱等，考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和控制產(chǎn)品成本等諸多因素，設(shè)計(jì)了比較重要的過(guò)熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能，具體的保護(hù)電路如圖3所示。

　　圖l中主回路上的電流取樣電阻Rq，其值大小根據(jù)不同功率的電動(dòng)跑步機(jī)要求的限流值來(lái)決定，實(shí)際使用時(shí)選用不同長(zhǎng)度的康銅絲。Rw為熱敏電阻，其導(dǎo)熱部分用直徑φ3螺絲與功率場(chǎng)效應(yīng)管緊固在一起，我們采用的是負(fù)溫度系統(tǒng)的RT338006，其在25℃的電阻值為lOkΩ，在60℃的電阻值為3．02kΩ。

　　在正常情況下，主回路上的電流只有2A左右，反映電流信號(hào)的電壓不足以使VT1導(dǎo)通，而在正常情況下熱敏電阻Rw的阻值大于R10，比較器B的同相端電壓小于反相端電壓，輸出為低電平；比較器A的反相輸入端的電壓大于同相輸入端的電壓，輸出也為低電平。因此，三極管VT2截止，TL494輸出的PWM信號(hào)通過(guò)VT3，VT4去控制功率場(chǎng)效應(yīng)管的通斷，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　當(dāng)過(guò)流情況發(fā)生時(shí)，Rq上的壓降增大到VT1導(dǎo)通時(shí)，比較器B的反相輸入端電壓下降到接近0V，此時(shí)同相輸入端的電壓高于反相輸入端，輸出高電平，使VT2導(dǎo)通，從而將TL494輸出的PWM信號(hào)封鎖，功率場(chǎng)效應(yīng)管截止，電機(jī)失電，實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)。實(shí)際上當(dāng)過(guò)流發(fā)生時(shí)，Rq上壓降增大的同時(shí)其值也反映到了比較器A的同相端，而此時(shí)VT1的導(dǎo)通還導(dǎo)致了比較器A反相端電壓的降低，這樣的效果也使得比較器A輸出高電平，該信號(hào)同樣通過(guò)后面的或門確保了VT2的導(dǎo)通，因此從電路的形式上看過(guò)流保護(hù)實(shí)現(xiàn)的是雙重保護(hù)。

　　對(duì)于過(guò)熱保護(hù)來(lái)說(shuō)，一旦功率場(chǎng)效應(yīng)管過(guò)熱時(shí)，熱敏電阻溫度也隨之升高，當(dāng)熱敏電阻阻值小于3kΩ(約60℃)時(shí)，比較器B的同相輸入端電壓大于反相輸入端的電壓，比較器輸出高電平，同樣將TL494輸出的PWM信號(hào)封鎖，使電機(jī)失電而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

　　2 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)跑步機(jī)電源，具有調(diào)速方式簡(jiǎn)單、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，同時(shí)電源還具有過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)措施。三年來(lái)，該電源經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)多家電跑廠家的配套使用，客戶反映電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，保護(hù)性能可靠，是比較理想的小功率直流電機(jī)的控制電源，具有較好的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

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