|
中國經(jīng)濟與世界的不斷接軌，使中國臺灣這個(gè)原先在電動(dòng)跑步機行業(yè)一直處于壟斷的地位，慢慢地被國內大陸的電跑廠(chǎng)家所削弱。據2006年、2007年成都體育產(chǎn)品博覽會(huì )的不完全統計，國內有100家以上生產(chǎn)電動(dòng)跑步機的企業(yè)。在電動(dòng)跑步機產(chǎn)品中，家用跑步機占據了最大的市場(chǎng)份額，而家用跑步機以性能實(shí)用、價(jià)格價(jià)廉的特點(diǎn)決定了跑步機的傳動(dòng)采用小功率的直流電機，由于直流電機的速度與電樞的輸出電壓成正比，因此，電機的調速問(wèn)題實(shí)際上成了直流電源的設計問(wèn)題。 近年來(lái)，隨著(zhù)新型電力電子功率器件的不斷出現，直流電機的控制方式發(fā)生了較大的變化。采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖寬度調制(pulse width modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM)已成為直流電機主要的調速方式之一。這種調速方法具有開(kāi)關(guān)頻率高、低速運行穩定、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)。 1 電源系統設計 本設計的跑步機電源控制對象是直流電機，目的是實(shí)現電機轉速的控制，簡(jiǎn)要的工作原理是市電經(jīng)全橋整流、濾波后實(shí)現AC／DC轉換，然后采用功率場(chǎng)效應管作為主開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)TL494來(lái)控制功率場(chǎng)效應管的通斷時(shí)間，從而控制電機的電樞電壓來(lái)實(shí)現轉速的控制。 1)主電路設計 我們設計的電源主電路見(jiàn)圖1所示。設計采用4個(gè)整流二極管6A10構成整流橋，再經(jīng)過(guò)電容C1的濾波，實(shí)現AC／DC的轉換。然后通過(guò)PWM控制器電路送來(lái)的PWM信號控制功率場(chǎng)效應管IRFP460的通斷，來(lái)改變直流電機電樞上的電壓。圖中Rq為電流保護的取樣電阻，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)跑步機啟動(dòng)運行后閉合。 2)控制電路 控制電路包括PWM信號產(chǎn)生電路和異常時(shí)的過(guò)流、過(guò)熱保護電路組成。 (1)PWM信號的產(chǎn)生 根據TL494的應用資料，鋸齒波的頻率可由公式計算如下： 式(1)中Rt和Ct取值參考范圍： Rt=5～lOOkΩ，Ct=0．001～0．1μF，根據后級功率場(chǎng)效應管推薦的開(kāi)關(guān)頻率l5kHz，本設計中Rt取7．5kΩ，Ct取0．01μF。由TL494產(chǎn)生PWM信號的電路如圖2所示。 系統中將誤差放大器、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，反相端輸入的是速度反饋信號，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，此方式下內部的觸發(fā)器不起作用，兩路輸出相同的PWM信號，且頻率與鋸齒波振蕩頻率相同。 接到TL494上的速度給定信號是由單片機根據用戶(hù)在面板上的操作而產(chǎn)生的數字脈沖信號經(jīng)變換后生成的模擬信號；而速度反饋信號是通過(guò)光電傳感器的數字脈沖信號獲得的，該光電傳感器是加裝在與電機同軸的碼盤(pán)上，其脈沖頻率直接反映電機的轉速，同樣該數字脈沖信號也變換成模擬信號，關(guān)于數字脈沖到模擬電路的轉換電路，因篇幅問(wèn)題不再贅述。 (2)保護電路 對電機的保護一般包括過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱等，考慮現場(chǎng)的實(shí)際情況和控制產(chǎn)品成本等諸多因素，設計了比較重要的過(guò)熱保護和過(guò)流保護功能，具體的保護電路如圖3所示。 圖1中主回路上的電流取樣電阻Rq，其值大小根據不同功率的電動(dòng)跑步機要求的限流值來(lái)決定，實(shí)際使用時(shí)選用不同長(cháng)度的康銅絲。Rw為熱敏電阻，其導熱部分用直徑φ3螺絲與功率場(chǎng)效應管緊固在一起，我們采用的是負溫度系統的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，反映電流信號的電壓不足以使VT1導通，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信號通過(guò)VT3，VT4去控制功率場(chǎng)效應管的通斷，從而控制電機的轉速。 當過(guò)流情況發(fā)生時(shí)，Rq上的壓降增大到VT1導通時(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導通，從而將TL494輸出的PWM信號封鎖，功率場(chǎng)效應管截止，電機失電，實(shí)現電機保護。實(shí)際上當過(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的導通還導致了比較器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，該信號同樣通過(guò)后面的或門(mén)確保了VT2的導通，因此從電路的形式上看過(guò)流保護實(shí)現的是雙重保護。 對于過(guò)熱保護來(lái)說(shuō)，一旦功率場(chǎng)效應管過(guò)熱時(shí)，熱敏電阻溫度也隨之升高，當熱敏電阻阻值小于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信號封鎖，使電機失電而實(shí)現保護。 2 結束語(yǔ) 本文設計的電動(dòng)跑步機電源，具有調速方式簡(jiǎn)單、電路結構簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，同時(shí)電源還具有過(guò)流、過(guò)熱等保護措施。三年來(lái)，該電源經(jīng)過(guò)國內多家電跑廠(chǎng)家的配套使用，客戶(hù)反映電機運轉平穩，保護性能可靠，是比較理想的小功率直流電機的控制電源，具有較好的使用價(jià)值。 |
