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电动跑步机控制系统的设计摘 要：介绍了一种电动跑步机控制系统的结构和控制方法该系统采用EM78P459和P89C52 2个单片机，分别用于电机控制和人机交互，2个单片机之间通过I／O方式通信；在运动控制上，采用基于IGBT管的脉宽调制(PWM)直流调速技术，控制算法采用转速反馈闭环分段PID控制对系统的电磁兼容性(EMC)设计进行了介绍 关键词：电动跑步机；控制系统}PID校正；电磁兼容性0 引言 电动跑步机是机电一体化产品，其技术含量主要体现在跑步机专用电机、控制系统、附带的其它功流电机，其额定电压AC220 V，额定电流

栅极驱动采用了专用芯片MC33153，它带有过流保护和故障输出功能在IGBT管的漏一源两极间附加有RCD吸收网络R4C2D2，防止尖峰电压的冲击；用粗铜丝绕成的小电感L是为了抑制尖峰电流电机的续流二极管Dl为K3060G3主电路的性能如何可由IGBT管的源极电压波形来检验，在PWM工作时，应接近理想方波系统的PWM 的工作频率为16．45 kHz，由单片机产生 驱动电机所需的直流电压由220 V交流电压经整流、滤波后得到电机的电流，由低阻值、温度性能好的康铜丝R检测，经调理后，一路进入MC33153，作硬件过流保护；另一路进EM78P459单片机，经A／D采样后，作软件限流电机的实际转速，由电机自带的码盘经光电传感器，再进入单片机，最后用M 法测得[4]1．3 控制原理 采用转速反馈闭环调速控制，其工作原理为：电机转速由光电传感器检测，测得的实际转速与给定速度进行比较，随后进行PID 校正，产生相应的PWM，改变电机两端平均电压，实现调压调速在加减速过程，为防止加速度过大，给定速度值并不立即参与比较，而是由程序逐步改变采用转速和电流双闭环控制可获得更好的速度控制性能[2]，但这需要对电流进行精确测量，且调速精度的提高，还要求有与之相配的纹波更小的直流电压，所以滤波电容也要加大，需要增加硬件;而且在算法上，电流环参与控制的切换条件也不易确定。

实际上，若调速非常“理想”，因电流的变化率很大，电机的损耗也会加大因此，在调速设计时，只要满足设计要求即可若不考虑负载特性，系统校正前，速度对PWM控制量的开环传递函数可表示为[2]：高了抗扰动性能，但恢复时间延长，系统稳定性下降，所以KD选得较小1．4 软件设计 程序设计分基于P89C52的上位机程序和基于EM78P459的下位机程序，前者使用C51，后者使用汇编语言，均采用模块化设计方法 上位机是系统的操作和管理中心，它分主程序和定时中断程序2部分在主程序中主要有初始化、上电自检、相关功能设置、开中断和开看门狗，然后以循环方式分时进行键盘扫描、运动数据处理、LED屏显示、LED灯闪烁、与下位机通信、EEPROM中数据存＼取、心率检测、蜂鸣器控制、负离子发生器控制、制动开关检测和故障提示与处理等；在定时中断程序中有看门狗置数、主程序中各功能操作的时间到标志置位和动态显示刷新等操作 下位机是操作指令执行者，运行状态的监测与反馈者，分主程序和中断程序2部分在主程序中主要进行初始化、取EEPROM 中预设值、开中断和开看门狗，然后以循环方式分时进行升降电机控制、PID校正、存＼取EEPROM 参数和故障处理等；中断程序为定时中断，主要进行看门狗置数、电流检测(作软件限流)、转速检测、升降电机位置检测、与上位机通讯(接收给定速度、跑台倾斜度等数据、发送相关运行状态)、PWM计算及输出和故障检测等。

2 电磁兼容性 跑步机涉及到人身安全，要求其控制系统应有较高的可靠性和安全性系统不仅在软硬件上采取了多种措施，如故障诊断、硬件冗余、数字滤波和软件看门狗等，还对器件的散热、防潮和抗震等作了相应的处理此外，与可靠性相关的还有电磁兼容性(EMC)，因为在PWM 系统中，功率转换电路工作频率较高，电路在过渡过程中有较高的电流变化率和电压变化率，所以更须注重EMC设计 EMC设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径及提高敏感器件的抗干扰性能干扰源指产生干扰的元件、设备或信号，可以说，在du／dt，di／dt大的地方就是干扰源；干扰传播路径主要有导线传导和空间辐射，传导耦合常见于低频，辐射耦合常见于高频；敏感器件也就是易受干扰的器件对于本系统，干扰源有继电器、IGBT管、电机、晶振、高频时钟、PWM信号和工频电源等，干扰传播路径有电源线(内、外)、上位机与下位机之间的连线、空间工频电磁场等，敏感器件有单片机、数字IC和弱信号放大器(对手握式心率检测信号)等2．1 电路板级EMC设计 在PCB板上，按功率大小，信号强弱等因素，进行合理的分区，尽可能把干扰源与敏感元件远离；对IGBT管、继电器和电机等要有良好的吸收回路；对电源(内电源)采用滤波等措施以提供稳定的电压和减小传导干扰；对接地系统，尽量将模拟地、数字地、电源地和屏蔽地等各自分开走，自成系统，然后汇集到一个公共接地点；栅级驱动的PWM 线应短、离IGBT管要近，板上的其它布线要按规范进行；单片机系统应选用频率较低的晶振；IC器件尽量直接焊在电路板上，减少接触电感等.2．2 系统级EMC设计 应综合使用接地、屏蔽和滤波等措施，以保证系统的正常操作及人身安全。

如，在AC220 V入口处(外电源)加电源滤波器；在上仪表与F电控之间的连线要有屏蔽，且在入出PCB板处，加磁环滤波；各种线的捆扎、固定要规范化；良好的接地可以消除各种电磁干扰此外，在系统级EMC设计时，还要考虑降低系统对其它电子设备的不良电磁影响3 结束语 我们自行开发设计的电动跑步机控制系统，其结构简洁、功能实用、性价比较高，目前正在产品化参考文献； [1] 深圳市兴威帆电子技术有限公司．EM78P459手册[z]．2002． [2] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2003． [3] 李 宏．电力电子设备用器件与集成电路应用指南[M]．北京：机械工业出版社．2001． [4] 谢剑英．微型计算机控制技术[M]．北京：国防工业出版社1991． [5] 陶永华．等．新型PID控制及其应用[M ．北京：机械工业出版社2002。