一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，属于电机控制领域，包括主电路、下位机控制电路、上位机控制电路三个部分，其中主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路；下位机控制电路包括下位机微处理器、电流检测电路、电压检测电路、转速检测电路、定子电压检测电路和定子电流检测电路；上位机控制电路包括上位机微处理器、手控键盘、心率检测电路和液晶显示电路，本实用新型主要针对于民用跑步机速度调节、人机交互界面等方面的需要，根据跑步机的特点，增加了心率检测电路、手控键盘和液晶显示电路，无需再增加任何模块就能实现显示使用者当前心率和手动调节速度的功能，能很大程度的减小跑步机的体积，同时节省了成本。
【专利说明】
一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统
技术领域
[0001]本实用新型属于电机控制领域，尤其涉及一种跑步机用三相交流异步电机驱动系统。
【背景技术】
[0002]随着国民生活水平的不断提升，人们对身体健康的要求越来越高，跑步机等运动健身装置以其简易适用，适宜在健身房、家庭等室内进行身体锻炼的特点被广泛选购，其驱动电机有直流电机和交流电机，目前最常见的驱动电机为三相交流异步电机，调速控制单元则是保证健身运动装置性能良好的核心，最常见的调速控制系统是以DSP和FPGA为控制芯片，DSP有如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及其精度等局限性，而FPGA价格比较贵，在低价格产品中使用受到极大的限制。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型旨在解决上述难题，提出一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统。
[0004]本实用新型包括主电路、下位机控制电路、上位机控制电路三个部分，其中主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路；下位机控制电路包括下位机微处理器、电流检测电路、电压检测电路、转速检测电路、定子电压检测电路和定子电流检测电路;上位机控制电路包括上位机微处理器、手控键盘、心率检测电路和液晶显示电路。
[0005]整流电路、滤波电路、逆变电路按照顺序连接后接入三相交流异步电机，电压检测电路和电流检测电路的两端分别连接逆变电路和下位机微处理器，定子电压检测电路、定子电流检测电路和转速检测电路分别连接至三相交流异步电机，另一端连接至下位机微处理器。上位机微处理器通过RS232接口与下位机微处理器连接，手控键盘、心率检测电路和液晶显示电路分别连接至上位机微处理器。
[0006]整流电路采用的是整流桥来实现。
[0007]滤波电路采用的是电容滤波电路。
[0008]逆变电路采用的是智能功率模块SPM作为逆变电路的主开关元件。
[0009]下位机微处理器采用的是80C196MC单片机芯片。
[0010]电流检测电路和电压检测电路均采用的是采样电阻法进行检测。
[0011]转速检测电路采用的是脉冲编码器测速法进行检测。
[0012]定子电压监测电路采用的是PT01C-2/2型的互感器。
[0013]定子电流检测电路采用的是霍尔电流传感器TT10-P。
[0014]上位机微处理器采用的是SH79F1611单片机芯片。
[0015]手控键盘设有参数设置、加速、减速以及开和关这些功能按键。
[0016]心率检测电路采用红外对管IR928-6C和PT928-6C作为检测心率的传感器。
[00?7] 液晶显不电路米用的是12864液晶显不模块。
[0018]由于采用以上技术方案，本实用新型具有以下有益效果。
[0019]1、本实用新型主要针对于民用跑步机速度调节、人机交互界面等方面的需要，根据跑步机的特点，增加了心率检测电路、手控键盘和液晶显示电路，无需再增加任何模块就能实现显示使用者当前心率和手动调节速度的功能，能很大程度的减小跑步机的体积。
[0020]2、本实用新型的上位机微处理器和下位机微处理器采用的都是单片机芯片，在实现所有功能的前提下，减少了整个系统的成本。
【附图说明】
[0021]图1为系统整体结构图。
[0022]图2为直流电流电压检测图。
[0023]图3为转速检测图。
[0024]图4为定子电压检测电路图。
[0025]图5为定子电流检测电路图。
[0026]图6为手控键盘电路图。
[0027]图7为心率检测流程图。
[0028]图8为传感器及前置放大电路图。
[0029 ]图9为液晶显不电路图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本实用新型进行进一步的说明。
[0031]如图1所示:本实用新型包括主电路1、下位机控制电路2、上位机控制电路3三个部分，其中主电路包括整流电路11、滤波电路102和逆变电路103;下位机控制电路2包括下位机微处理器201、电流检测电路202、电压检测电路203、转速检测电路204、定子电压检测电路205和定子电流检测电路206;上位机控制电路3包括上位机微处理器301、手控键盘302、心率检测电路303和液晶显示电路304。
[0032]整流电路101、滤波电路102、逆变电路103按照顺序连接后接入三相交流异步电机，电压检测电路203和电流检测电路202的两端分别连接逆变电路103和下位机微处理器201，定子电压检测电路205、定子电流检测电路206和转速检测电路204分别连接至三相交流异步电机，另一端连接至下位机微处理器201，上位机微处理器301通过RS232接口与下位机微处理器201连接，手控键盘302、心率检测电路303和液晶显示电路304分别连接至上位机微处理器301。
[0033]整流电路101采用的是整流桥来实现，跑步机是一种常见的家用电器，电源来自单相220V家用交流电，而且变频器的输出功率不大，因此其整流电路选取整流桥来实现。由于整流电路输出的电压是含有电压纹波的脉动直流电压，为了确保逆变器稳定工作必须加滤波电路。
[0034]滤波电路102采用的是电容滤波电路，本系统为电压型变频系统，滤波器件选用的是电容滤波电路，属于中间直流电路，中间直流电路进行滤波为电动机提供无功功率，所以要采用大容量的电容，以保证最后输入逆变电路的母线电压为大小恒定的直流电压，本系统选用两只耐压较高的电解电容并联。
[0035]逆变电路103采用的是智能功率模块SPM，逆变电路是主电路的核心部分，直流电在控制电路的作用下，转换成频率、电压均可调的交流电，并作为变频器的输出。选用智能功率模块SPM作为逆变电路的主开关元件，该芯片集成了欠压、过热、短路和过流的保护电路以及特定应用型电路HVIC，还有IGBT的驱动电路，具有高电流密度，高耐压和低饱和电压等优点。
[0036]下位机微处理器201采用的是80C196MC单片机芯片。由于该CPU是专为交流电机变频器而设计的，因此使用它作为CPU构成的变频器具有结构简单，经济实用的特点，并且具有较高的可靠性及抗扰性能。
[0037]电流检测电路202和电压检测电路203均采用的是采样电阻法进行检测。本系统采用采样电阻法对SPM进行检测，原理简易行。康铜丝电阻选用高精密合金丝并经过特殊工艺处理，其阻值低，精度高，温度系数低。一般阻值在0.1mQ至10mQ之间，本系统采用1mΩ康铜丝来进行电流采样，康铜丝把主电路电流转换为小电压信号，电压信号在LM358P构成的运算放大电路对电压信号进行放大到5V，通过对电压信号的滤波和限流再送入下位80C196MC的模拟量输入口 AD00。直流侧还需对直流母线电压的检测，直流母线测得的电压取自滤波电容两端，信号经电阻分压后取得，为了实现强弱电隔离的目的，为了防止高压信号进入到控制电路中，取样信号经LM358P接入ADOl 口。如图2所示，LM358P内部含有两个高增益、单独的、内部频率补偿的双运算放大电路。由于其含有两个放大器，其中一个用于电流检测，另一个用于直流母线电压检测。
[0038]转速检测电路204采用的是脉冲编码器测速法进行检测。本控制系统采用脉冲编码器测速法，转速采样反馈电路如图3所示，J3外接H2B6光电传感器，由H2B6检测到的脉冲信号经三极管放大后，分别有电容和光电親合器PC817对信号进行整形和光親进行隔离，从PC817输出信号为O?5V，接入下位80C196MC芯片AD08 口。
[0039]定子电压监测电路205采用的是PT01C-2/2型的互感器。三相定子电压的检测采用PT01C-2/2型的互感器，耐高温、耐腐蚀、隔离性能好。采集到的A相定子电压接入到AD02 口，其检测电路图如图4所示。B、C相定子电压检测同理，分别接入AD03、AD04 口。
[0040]定子电流检测电路206采用的是霍尔电流传感器TT10-P。电路对电机的三相定子电流和三相定子电压进行实时检测，用于80C196MC微处理器对电动机进行控制，本系统采用霍尔电流传感器TT10-P，其测量范围O?20A，输出电流范围是O?20mA，而80C196MC的采样电压范围是O?5V，所以反馈电阻为150欧姆，用电容和滑动变阻器进行补偿，A相定子电流检测如图5。接入80C196MC的AD05 口。B、C相电流检测同理，分别接入AD06、AD07 口。
[0041 ]上位机微处理器301采用的是SH79F1611单片机芯片。本系统选用先进的直接转矩控制方式和SVP丽控制技术，涉及到较为复杂的两个积分运算，运算量相对较大，所以我们从系统控制精度和成本的角度出发，采用价格更为便宜的SH79F1611芯片来设计上位机按键、显示以及心率检测部分。
[0042]如图6所示手控键盘302设有“参数设置”、“加速”、“减速”以及“开”和“关”这些功能按键。本系统中涉及跑步机参数设置、加速、减速以及开和关。因此，需要3个按键KEYl、KEY2、KEY3分别接上位SH79F1611的I/O 口相连供用户选择，其中按键KEYl接芯片的P2.1 口、KEY2接芯片的P2.0 口、KEY3接芯片的P3.0 口。KEYl为系统整体总控按键，控制整个系统的启动和停止，当系统通电后，第一次按下KEYl键，系统则按照初始化设置运行，在原有的电机参数下，按照额定转速运行，再次按下KEYl键，则整个系统停止。KEY2为跑步机加速按键，按下KEY2键，跑步机以0.lkm/h递加。KEY3为跑步机减速按键，按下KEY3键，跑步机以0.lkm/h递减，经换算，电动机以11.07r/min递增和递减。LEDO用以指示系统运行中出现的故障警告。
[0043]心率检测电路303采用红外对管IR928-6C和PT928-6C作为检测心率的传感器。通过光电传感器采集到的人体脉搏信号，再经过前置放大、滤波和积分比较等信号处理电路，即可转换为脉冲电压信号，再利用SH79F1611微处理器对脉冲信号进行处理计算出心率并显示，其流程图如图7所示，脉冲信号作为中断信号交给上位SH79F1611进行脉冲周期计算，获得每分钟脉搏的搏动次数(即心率)，并在12864显示屏中显示所测心率。检测心率的传感器采用红外对管IR928-6C和PT928-6C。反射式不但可以精确测得血管内容积变化，而且反射式只需将传感器接触身体任何部位，当照射部位血流量随心脏跳动而变化时，红外线接收探头则接收到随心脏周期性地收缩与舒张的动脉搏动光脉冲信号，然而人体的生理信号是十分微弱的，它的幅值一般位于微伏到毫伏的数量级中。通过前置级放大电路，高倍放大采集到的脉搏信号，这就要求电路具有高共模抑制比和高增益，至少在SOdB以上，即集成运放要有极低的零漂和很高的共模抑制比等，所选用电阻的参数一定要精确。放大电路由0P07和电阻网络组成，0P07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于0P07具有非常低的输入失调电压，所以0P07在很多应用场合不需要额外的调零措施。0P07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得0P07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。传感器及前置放大电路如图8所示。由于50 Hz工频干扰和内外噪声等因素，SP便是电路具有很高的共模抑制比，脉搏信号也非常的微弱，容易淹没在干扰信号中，所以将低通滤波器的上限设计成截止频率为40 Hz。采用对称性双T阻容有源陷波器专门滤除工频干扰。再通过积分、比较电路整形之后，可以得到上位SH79F1611芯片所需要的标准的O?5 V脉冲信号。检测出来的心率信号接入上位SH79F1611芯片的P4.0即AN6，从而采集到心脏搏动信号。
[0044]液晶显不电路304米用的是12864液晶显不模块。液晶显不模块用来实时显不当前系统的工作状态，能够让健身者实时了解到跑步机的具体速度，了解到健身者自身的心率、健身时间、里程等一系列健身参数。如图9所示，液晶模块的接口为20引脚，其中控制和数据引脚与上位SH79F1611的I/O 口相连，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构成液晶的复位电路，低电平复位。
[0045]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式的限制，本领域的技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1.一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，包括主电路、下位机控制电路、上位机控制电路三个部分，其特征在于:所述主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路;所述下位机控制电路包括下位机微处理器、电流检测电路、电压检测电路、转速检测电路、定子电压检测电路和定子电流检测电路;所述上位机控制电路包括上位机微处理器、手控键盘、心率检测电路和液晶显示电路，所述整流电路、所述滤波电路、所述逆变电路按照顺序连接后接入三相交流异步电机，所述电压检测电路和所述电流检测电路的两端分别连接所述逆变电路和所述下位机微处理器，所述定子电压检测电路、所述定子电流检测电路和所述转速检测电路分别连接至三相交流异步电机，另一端连接至所述下位机微处理器，所述上位机微处理器通过RS232接口与所述下位机微处理器连接，所述手控键盘、所述心率检测电路和所述液晶显示电路分别连接至所述上位机微处理器。2.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述逆变电路采用的是智能功率模块SPM作为逆变电路的主开关元件。3.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述下位机微处理器采用的是80C196MC单片机芯片。4.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述电流检测电路和电压检测电路均采用的是采样电阻法进行检测。5.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述转速检测电路采用的是脉冲编码器测速法进行检测。6.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述定子电压监测电路采用的是PT01C-2/2型的互感器。7.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述定子电流检测电路采用的是霍尔电流传感器TT10-P。8.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述上位机微处理器采用的是SH79F1611单片机芯片。9.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述手控键盘设有“参数设置”、“加速”、“减速”以及“开”和“关”这些功能按键。10.根据权利要求1所述一种跑步机用三相交流异步电机调速控制系统，其特征在于:所述心率检测电路采用红外对管IR928-6C和PT928-6C作为检测心率的传感器。
【文档编号】H02P25/02GK205509917SQ201620001529
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年1月4日
【发明人】王筱林
【申请人】江苏煌明能源科技有限公司