专利名称：跑步机的马达驱控电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种马达驱控电路，特别是指在电动跑步机中，可间接控制跑步机履带(treadmill belt)运转的马达驱控电路。
背景技术：
电动跑步机的履带可受一马达的驱动而循环绕转，而且跑步机设有一可驱控马达的电路，使得履带可按照使用者的控制而启动、停止，并在使用过程中以预定速度绕转。在习知技艺中，马达的转速控制通常采用脉宽调变(Pulse WidthModulation；PWM)技术，以控制方法最简单的直流有刷马达为例，可利用一具有预定工作周期(duty cycle)的连续方波讯号(一般即称PWM讯号)，控制设在电源回路上的一开关元件(通常是功率晶体)，使其快速地在「on」与「off」之间切换，使得施加在马达正、负极之间的直流偏压反复且快速地接通、切断。如此，通过调控PWM讯号的工作周期即可改变施加在马达上的平均电流，控制马达以对应的转速运转。
在习知的跑步机马达驱控电路中，前述用于控制电源接通、断路的PWM讯号通常是利用振荡器产生，并搭配若干参数对应的电子元件，以获得具有所需频率、工作周期、电压、电流的方波讯号。此种传统电路的缺点在于，研制过程中，为了能良好驱控配合使用的马达，设计者必须详细计算并反复测试所选用的元件参数，才能产生与马达匹配良好的PWM讯号，使电路正确且有效率地驱控马达。而且，业者在设计跑步机时，通常会根据履带系统的结构特性及作功需求，或是产品型式、市场定位等因素，选用规格不同(特别是功率不同)的马达，因此，为了对应不同规格的马达，即需使用元件参数不同的驱控电路，使得电路的生产成本较高。
再者，一般的马达驱控电路中大多会设计保护机制(例如美国第5944635、4851743号等专利案所揭示)，防止过流、过载(overload)等意外状况损坏电路或马达。习用驱控电路中的保护机制大多是采用运算放大器(op-amp)、电晶体等电路，达到测知异常及关断驱动讯号或电源的目的。同样地，针对不同的马达，驱控电路必须使用参数适当的电子元件，才能准确并即时地测知异常并采取保护动作。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种跑步机的马达驱控电路，它可以解决习用电路必须针对马达规格而使用不同参数的电子元件，导致调校费时以及不同马达必须使用不同驱控电路等缺点。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种跑步机的马达驱控电路，跑步机具有一可驱动履带绕转的马达，以及一可供使用者输入所需的履带绕转速度的介面单元，介面单元可输出一对应前述所需速度的指令讯号，驱控电路驱控马达，它还包含有一回授单元，在马达运转时输出一对应马达实际转速的回授讯号；一功率选择单元，具有至少一设定开关，功率选择单元可输出一对应开关状态的设定讯号；一中央处理单元，接收分别来自介面单元的指令讯号、来自回授单元的回授讯号以及来自功率选择单元的设定讯号，进而利用一预设的演算法，并以指令讯号及回授讯号分别作为输入源及回授源，进行比例-积分-微分控制，同时根据设定讯号所代表的马达功率，按照预设法则调整前述演算法中的参数，输出一具有预定工作周期的连续方波讯号；一电源供应单元，输出一适合马达的电源，并通过一电源回路施加在马达上；一开关单元，具有一设在电源回路上的开关元件，开关元件具有一接受来自中央处理单元的PWM讯号的控制端，当控制端承受预定标准的高电压时，电源回路的对应部位呈导通状态，反之，当控制端承受相对的低电压时，对应部位呈断路状态。
本发明的有益效果是，采用上述电路设计，当生产者在研制或改版电路时，可利用软件方式简便地调校中央处理单元的PID控制参数，或是异常动作探测的判断标准，能有效地将电路调校成与马达理想匹配的状态。而且，针对不同的马达功率，只需将设定开关切换为适当状态即可搭配使用，使得同一驱控电路可适用多种不同规格的马达，产业利用性极高。
图1是本发明一较佳实施例的基本方块图；图2是本发明一较佳实施例中的功率选择单元的局部电路示意图；图3是本发明一较佳实施例中的电源供应单元的局部电路示意图；图4是本发明一较佳实施例中的过电流保护单元的局部电路示意图。
具体实施例方式
本发明提供的马达驱控电路应用在一电动跑步机中，跑步机具有一可供使用者在上面行走或跑步的环状履带，并且设有一可驱动履带循环绕转的马达，本发明提供的马达驱控电路即是用来驱控马达。在本实施例中，马达是一直流有刷马达，通过控制施加在马达上的偏压反复且快速地接通、切断，便可驱控马达以预定转速运转。跑步机另外设有一可供使用者输入各种控制指令的介面单元(实际上通常设计成具有若干按钮及显示器的控制面板)，控制指令包含对履带绕转速度的指示(间接代表对马达转速的指示)，介面单元可依据前述指示而输出一对应的指令讯号，在习知技艺中，该指令讯号通常是一PWM讯号，且其工作周期与前述指示所对应的转速成正比，本发明的实施例也是按照此种形式的指令讯号设计的。以上所述为习知技艺，并非本发明的发明内容。
如图所示，为本发明一较佳实施例所提供的马达驱控电路的基本方块图，驱控电路主要包含一中央处理单元10、一回授单元12、一功率选择单元14、一电源供应单元16及一开关单元18，此外，还有受驱控电路驱动的马达90，以及供使用者指示所需转速的介面单元95。
中央处理单元10为本发明的控制中枢，在实施中可采用单一积体电路(IC)的微处理器，本实施例采用美国Microchip公司所生产的单片微型计算机(single chipmicrocomputer；SCM)——PIC16F73。依据本发明的设计，SCM中储存有预先写入的程序，而且晶片脚位当中设定有若干讯号输入端及若干讯号输出端，内存程序会根据输入各输入端的讯号，将经过特定演算或判断处理的讯号由各输出端输出，详细说明请见后文。
介面单元95输出的指令讯号传输至中央处理单元10，在本实施例中，为了配合中央处理单元10的讯号处理方式，呈PWM形式的指令讯号会先经过整形、滤波等处理(电路省略)，转换成电流值与PWM工作周期成正比(即与使用者指示转速成正比)的直流讯号，再进入中央处理单元接受判断处理。对本发明而言，用于转换讯号的电路也可能被整合在介面单元95或中央处理单元10中，或者，根据中央处理单元10的讯号处理方式，也有可能无需进行讯号转换。
回授单元12可在马达90运转时输出一对应马达90实际转速的回授讯号，在实施中可采用习知的光电编码器(photo encoder)，即配合一可受马达90驱转的光栅盘，以及设置在光栅盘两侧的光发射器及光接收器，利用光电触发电路产生频率对应马达90转速的连续方波讯号。回授单元12所产生的回授讯号(即前述方波讯号)也传输至中央处理单元10。
功率选择单元14具有可供手动切换的实体开关，并能根据开关的状态输出一对应的设定讯号至中央处理单元10，使中央处理单元10能以此识别开关的设定状态。其目的在于使生产者可依据本驱控电路所要驱控的马达90的工作功率，适当地设定开关的状态，使中央处理单元10能够识别马达90的功率并作对应处理，详细说明请见后文。
如图2所示，为本发明实施例所使用的功率选择单元14的局部电路示意图，其包含有一运算放大器20，放大器20的正相输入端接地，一输入电压Vin经过一输入电阻22施加到放大器20的反相输入端，同时，放大器20的反相输入端与输出端之间连接有相互并联的一基础回授电阻24以及四条阻抗线路26，各阻抗线路26上具有串联的一合并回授电阻28及一设定开关30，各设定开关30在实施中为一可供手动切换的两段式指拨开关，当其处于“off”状态时，阻抗线路26即呈断路，反之，当其处于“on”状态时，阻抗线路26导通，使得同线路上的合并回授电阻28跨接在放大器20的反相输入端与输出端之间，进一步而言，当有复数的开关为“on”时，对应的合并回授电阻28与基础回授电阻24即以相互并联的形式连接在反相输入端与输出端之间，当所有开关均为“off”时，仍有基础回授电阻24连接在反相输入端与输出端之间。由运算放大器的知识可知，前述电路布局属于“反相放大器(inverting amplifier)”，其可将输入电压Vin反相放大，且其电压增益为总回授电阻与输入电阻22的比值。由于不同的设定开关30状态组合便有不同的总回授电阻(注实际上要得到此结果，可使各合并回授电阻28的电阻值互不相同，或仅认可某些可使总回授电阻不同的开关状态组合)，使得放大器20的输出电压Vout与各设定开关30的状态组合具有对应关系。对本发明而言，输出电压Vout可直接作为功率选择单元14输出的设定讯号，或是作为设定讯号的前级讯号(即可根据需要先经过放大等处理再送至中央处理单元10)。
由此，生产者可根据所要驱控的马达90的工作功率，适当地切换各设定开关30的状态(在本实施例中，设计成当马达90的工作功率愈大时，放大器20的输出电压Vout即愈大)，使得中央处理单元10能够根据来自功率选择单元14的设定讯号来识别马达90的功率。
综上所述，中央处理单元10可接收分别来自介面单元95的指令讯号、来自回授单元12的回授讯号以及来自功率选择单元14的设定讯号，中央处理单元10可根据内存程序预设的算法，以指令讯号及回授讯号分别作为输入源及回授源，进行比例-积分-微分控制(PID control)，同时根据设定讯号所代表的马达功率，按照预设法则调整PID算法中的比例、积分、微分等补偿参数，输出一具有预定工作周期并能与马达90良好匹配的PWM讯号。
电源供应单元16可将外接的市电经整流、滤波之后，产生合适的直流偏压供给马达90，在本实施例中，电源供应单元16输出偏压的正极连接马达90的正极，输出偏压的负极连接在与马达90共通的一接地点。
如图3所示，电源供应单元16在以桥式整流器32对交流电进行整流之前，设有相互串联的二继电器34，各继电器34的电感两端分别连接在一直流电源(在本实施例中为+15V)与一晶体管36的集电极(collector)上，晶体管36的发射极(emitter)接地，基极(base)承接来自中央处理单元10的一控制电流。只有当中央处理器10同时给二晶体管36提供足够的控制电流时，二继电器34才会双双导通，即电源供应单元16才能正常供电。同时，各继电器34的开关两端跨接一电容38，防止继电器34在导通瞬间的冲击电流过大。此外，其中一继电器34的开关两端又跨接一负温度系数(NTC)热敏电阻40，可防止电容38在继电器34导通的一瞬间形同短路而造成桥式整流器32的损坏。
在本实施例中，电源供应单元16除了提供马达90所需的电源外，还能提供电路中所有主动元件(例如SCM、运算放大器、晶体管)所需的直流偏压(电路省略)。
如图1所示，开关单元18包含有一开关元件42，在本实施例中采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其栅极(gate)承接中央处理单元10输出的PWM讯号，源极(source)连接马达的负极，漏极(drain)连接接地点。由MOSFET的特性可知，栅极形同一控制端，当其承受预定标准的高电压时，电流可由源极流向漏极，使得电源供应单元16的输出偏压可通过马达90而构成一完整的电源回路，反之，当栅极承受相对的低电压时，源极与漏极之间呈现断路，使得马达90无法获得电源。由此，在频率极高(一般在数KHz)的PWM讯号控制下，开关元件42会反复且快速地导通、断路，使得前述电源回路对应地高速断续，因此，中央处理单元10可通过调控PWM讯号的工作周期来控制供给马达90的平均电流，达到控制马达90转速的目的。
在实际电路中，由于中央处理单元10(控制电路)与马达90、开关单元18(功率电路)具有不同的电压，因此在中央处理单元10与开关单元18之间设有一隔离驱动单元44，其利用光耦电路达到隔离驱动的目的，并可避免马达90、开关单元18的瞬间高压、突波高压造成中央处理单元10方面的讯号错误或元件损害。
除了驱动、控制马达旋转以外，本发明实施例的驱控电路另外设有若干保护机制，可避免电路在非预期的错误状态下继续运作，造成电路、马达损坏或跑步机误动作。
例如，在隔离驱动单元44与开关单元18之间设有一过电流保护单元46，其可监测前述电源回路上的电流，当电流超过安全额定值时，可封锁PWM讯号使其无法传输至开关单元18，即中止驱动马达90。如图4所示，为本发明实施例所采用的过电流保护单元46的局部电路示意图，其主要包含有两个作为比较器(comparator)使用的运算放大器，其中，第一比较器48的反相输入端承接一额定电压Vnomal，正相输入端则由前述电源回路上撷取一取样电压Vsamp(在本实施例中，取样电压Vsamp从MOSFET晶体管的漏极与接地点之间的一取样电阻50上取得)；第二比较器52的反相输入端连接第一比较器48的输出端，正相输入端则承接一输入电压Vin；一电容54连接在第二比较器52的输出端与接地点之间；一单向二极管56，其阳极连接在PWM讯号由隔离驱动单元44往开关单元18的流路58上，阴极连接在第二比较器52的输出端。
通过上述电路，当流经马达90的电流在额定范围内时(表现为取样电压Vsamp小于额定电压Vnomal)，第一比较器48输出低电压(低于输入电压Vin)，第二比较器52输出高电压，使二极管56处于逆向偏压的断路状态，因此PWM讯号可经由流路58从隔离驱动单元44驱动开关单元18。反之，当马达90的电流超过额定值时，第一比较器48输出高电压，第二比较器52输出低电压，使二极管56处于正向偏压的导通状态，因此PWM讯号会通过二极管56流向电容54放电，不会驱动开关单元18。当马达90的电流恢复正常后，二极管56再度呈断路状态，PWM讯号可继续经由流路58驱动开关单元18。
此外，前述电源回路与中央处理单元10之间还设有一爆冲检测单元60，其可在开关元件42(MOSFET)因电路失控等原因而产生爆冲(burst)现象，造成源极与漏极不正常短路时，产生一通知讯号(同样通过一隔离驱动单元62)输入中央处理单元10。中央处理单元10一收到来自爆冲检测单元60的讯号，便会立即中止向电源供应单元16的晶体管36的基极输出控制电流(或将控制电流降低到无法驱动晶体管36)，使电源供应单元16的继电器34断路，不能向马达90提供电源，即让马达90停止运转，达到保护电路及维护安全的目的。
再者，当马达90运转时，回授单元12会产生一频率对应马达90实际转速的方波讯号(回授讯号)输入中央处理单元10，作为PID控制中的比较讯号。在中央处理单元10接收回授讯号的同时，会以软体方式监测马达90的转速，在使用者未指示减缓转速的状况下，当回授讯号的频率异常降低(代表马达过载)且时间超过3秒时，中央处理单元10同样会中止输出(或降低)给晶体管36基极的控制电流，使马达90停止运转。
以上即为对本发明一较佳实施例工作原理的说明，由上述说明可知，本发明所提供的马达驱控电路具有以下特色及优点一、本发明利用微处理器(中央处理单元)作为驱控电路的控制中枢，可提高电路运作的精密度与稳定性，并可通过软件的设定而简便地调校参数，比较容易制出具有理想效率的驱控电路。
二、生产者在制造跑步机时，可根据跑步机所要使用的履带马达的功率，将本发明驱控电路中的设定开关切换为适当状态，即可精确且有效率地驱控马达，即，相同的驱控电路可适用多种不同功率的马达，相比于过去必须针对马达功率而使用特定参数元件的驱控电路，本发明显然较具经济效益。
三、爆冲保护与过载保护等安全机制，均通过由中央处理单元切断电源供给而实现，与习用方式不同，而且稳定性较高，在根据产品进行电路改版时也比较容易调校参数。
权利要求
1.一种跑步机的马达驱控电路，所述跑步机具有一可驱动履带绕转的马达，以及一可供使用者输入所需的履带绕转速度的介面单元，所述介面单元可输出一对应前述所需速度的指令讯号，所述驱控电路驱控所述马达，其特征在于包含有一回授单元，在所述马达运转时输出一对应马达实际转速的回授讯号；一功率选择单元，具有至少一设定开关，所述功率选择单元可输出一对应所述开关状态的设定讯号；一中央处理单元，接收分别来自所述介面单元的指令讯号、来自所述回授单元的回授讯号以及来自所述功率选择单元的设定讯号，进而利用一预设的演算法，并以所述指令讯号及所述回授讯号分别作为输入源及回授源，进行比例-积分-微分控制，同时根据所述设定讯号所代表的马达功率，按照预设法则调整前述演算法中的参数，输出一具有预定工作周期的连续方波讯号；一电源供应单元，输出一适合所述马达的电源，并通过一电源回路施加在所述马达上；一开关单元，具有一设在所述电源回路上的开关元件，所述开关元件具有一接受来自所述中央处理单元的PWM讯号的控制端，当所述控制端承受预定标准的高电压时，所述电源回路的对应部位呈导通状态，反之，当所述控制端承受相对的低电压时，所述对应部位呈断路状态。
2.根据权利要求1所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述功率选择单元具有一反相放大器，所述放大器的反相输入端及输出端之间连接有相互并联的一基础回授电阻以及至少一阻抗线路，各所述阻抗线路上具有串联的一合并回授电阻及一所述设定开关，各所述设定开关可被切换为“on”或“off”状态，当其处于“off”状态时，所述阻抗线路断路，反之，当其处于“on”状态时，所述阻抗线路导通，使得同线路上的所述合并回授电阻跨接在所述反相输入端与输出端之间；使所述放大器可按照所述设定开关的状态输出电压大小不同的讯号，作为所述设定讯号或作为所述设定讯号的前级讯号。
3.根据权利要求1所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述马达为一直流有刷马达，所述电源供应单元输出的电源为一直流偏压，且施加在所述马达的正极和一接地点之间；所述开关单元的开关元件连接所述马达的负极和所述接地点，控制其间电路导通与否。
4.根据权利要求3所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述开关元件为一金属氧化物半导体场效晶体管，其栅极为所述控制端，其源极连接所述马达的负极，其漏极连接所述接地点。
5.根据权利要求1所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述介面单元输入至所述中央处理单元的指令讯号是一电流值，其为与使用者指示的速度成正比的直流讯号；所述回授单元输入至所述中央处理单元的回授讯号，是一频率与所述马达转速成正比的连续方波讯号。
6.根据权利要求1所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述中央处理单元与所述开关单元之间设有一隔离驱动电路，使所述中央处理单元输出的PWM讯号以隔离驱动的方式控制所述开关元件。
7.根据权利要求1所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述中央处理单元与所述开关单元之间设有一过电流保护单元。
8.根据权利要求7所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述过电流保护单元包含有一第一比较器、一第二比较器、一电容及一单向二极管；所述第一比较器的反相输入端承接一额定电压，正相输入端由所述电源回路上撷取一取样电压；所述第二比较器的反相输入端连接所述第一比较器的输出端，正相输入端承接一输入电压；所述电容连接所述第二比较器的输出端与一接地点；所述单向二极管的阳极连接在所述PWM讯号由所述中央处理单元往所述开关单元的流路上，阴极连接在所述第二比较器的输出端；当所述电源回路上的电流大于预设值时，所述取样电压大于所述额定电压，所述第一比较器输出一大于所述输入电压的高电压，使所述第二比较器输出一低电压，所述二极管处于正向偏压的导通状态。
9.根据权利要求1所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述电源回路与所述中央处理单元之间设有一爆冲检测单元，其可在所述开关元件产生爆冲现象造成所述电源回路不正常短路时，产生一通知讯号传输至所述中央处理单元，所述中央处理单元接收到来自所述爆冲检测单元的讯号后，使所述电源供应单元中止向所述马达输出电源。
10.根据权利要求1所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于在使用者未指示转速减缓的状况下，所述中央处理单元若探测到所述回授讯号所代表的马达转速有异常降低且长达预定时间，会使所述电源供应单元中止向所述马达输出电源。
11.根据权利要求1所述的跑步机的马达驱控电路，其特征在于所述电源供应单元具有相互串联的二继电器，各所述继电器的开关两端跨接一电容，其中一继电器的开关两端又跨接一负温度系数热敏电阻；所述中央处理单元通过控制二所述继电器的导通状况，来控制所述电源供应单元向所述马达输出电源。
全文摘要
本发明涉及一种跑步机的马达驱控电路，主要包括一回授单元，输出一对应马达实际转速的回授讯号；一功率选择单元，具有至少一设定开关，可输出一对应所述开关状态的设定讯号；一中央处理单元，接收指令讯号、回授讯号以及设定讯号，再利用一预设的演算法，进行比例－积分－微分控制，同时输出一具有预定工作周期的连续方波讯号；一电源供应单元，输出一适合的电源，并通过一电源回路施加在马达上；一开关单元，具有一设在电源回路上的开关元件，开关元件具有一控制端，当控制端承受预定的高电压时，电源回路的对应部位呈导通状态，反之，则呈断路状态。通过调整演算法中的参数，与马达功率相匹配，使同一驱控电路可适用多种规格不同的马达，较为经济。
文档编号A63B22/00GK1768880SQ20041008873
公开日2006年5月10日 申请日期2004年11月2日 优先权日2004年11月2日
发明者孙大军 申请人:乔山健康科技股份有限公司