PWM電動跑步機電源

　　中國經(jīng)濟與世界的不斷接軌，使中國臺灣這個原先在電動跑步機行業(yè)一直處于壟斷的地位，慢慢地被國內(nèi)大陸的電跑廠家所削弱。據(jù)2006年、2007年成都體育產(chǎn)品博覽會的不完全統(tǒng)計，國內(nèi)有100家以上生產(chǎn)電動跑步機的企業(yè)。在電動跑步機產(chǎn)品中，家用跑步機占據(jù)了最大的市場份額，而家用跑步機以性能實用、價格價廉的特點決定了跑步機的傳動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(diào)速問題實際上成了直流電源的設(shè)計問題。

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

　　1 電源系統(tǒng)設(shè)計

　　本設(shè)計的跑步機電源控制對象是直流電機，目的是實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制，簡要的工作原理是市電經(jīng)全橋整流、濾波后實現(xiàn)AC／DC轉(zhuǎn)換，然后采用功率場效應(yīng)管作為主開關(guān)元件，通過TL494來控制功率場效應(yīng)管的通斷時間，從而控制電機的電樞電壓來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。

　　1)主電路設(shè)計

　　我們設(shè)計的電源主電路見圖1所示。設(shè)計采用4個整流二極管6A10構(gòu)成整流橋，再經(jīng)過電容C1的濾波，實現(xiàn)AC／DC的轉(zhuǎn)換。然后通過PWM控制器電路送來的PWM信號控制功率場效應(yīng)管IRFP460的通斷，來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J1一1為電動跑步機啟動運行后閉合。

　　2)控制電路

　　控制電路包括PWM信號產(chǎn)生電路和異常時的過流、過熱保護電路組成。

　　(1)PWM信號的產(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)后級功率場效應(yīng)管推薦的開關(guān)頻率l5kHz，本設(shè)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(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，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(nèi)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(jù)用戶在面板上的操作而產(chǎn)生的數(shù)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光電傳感器的數(shù)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上，其脈沖頻率直接反映電機的轉(zhuǎn)速，同樣該數(shù)字脈沖信號也變換成模擬信號，關(guān)于數(shù)字脈沖到模擬電路的轉(zhuǎn)換電路，因篇幅問題不再贅述。

　　(2)保護電路

　　對電機的保護一般包括過壓、欠壓、過流、過熱等，考慮現(xiàn)場的實際情況和控制產(chǎn)品成本等諸多因素，設(shè)計了比較重要的過熱保護和過流保護功能，具體的保護電路如圖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)不同功率的電動跑步機要求的限流值來決定，實際使用時選用不同長度的康銅絲。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信號通過VT3，VT4去控制功率場效應(yīng)管的通斷，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。

　　當(dāng)過流情況發(fā)生時，Rq上的壓降增大到VT1導(dǎo)通時，比較器B的反相輸入端電壓下降到接近0V，此時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信號封鎖，功率場效應(yīng)管截止，電機失電，實現(xiàn)電機保護。實際上當(dāng)過流發(fā)生時，Rq上壓降增大的同時其值也反映到了比較器A的同相端，而此時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，該信號同樣通過后面的或門確保了VT2的導(dǎo)通，因此從電路的形式上看過流保護實現(xiàn)的是雙重保護。

　　對于過熱保護來說，一旦功率場效應(yīng)管過熱時，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，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，使電機失電而實現(xiàn)保護。

　　2 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的電動跑步機電源，具有調(diào)速方式簡單、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點，同時電源還具有過流、過熱等保護措施。三年來，該電源經(jīng)過國內(nèi)多家電跑廠家的配套使用，客戶反映電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，保護性能可靠，是比較理想的小功率直流電機的控制電源，具有較好的使用價值。