跑步机无刷控制方案

直流无刷电机在大功率跑步机的设计方案
一、     方案概述

1.1 产品的用途及使用范围

直流无刷驱动器输出功率小于2kW，适用于采用直流无刷驱动电机的跑步机。
1.2系统主要构成
    直流无刷驱动器主要由以下几大部分构成：整流电路、滤波电路、三相全桥逆变电路、开关电源、控制单元、检测单元、强电开关型输出单元。
    本方案中采用了美国微芯(Microchip)公司的16位电机控制专用单片机dsPIC30F2010作为主控芯片。驱动部分采用了飞兆IPM模块FSBS20CH60F。下面先对单片机和IPM的特性做个介绍。
1.2.1 Microchip公司dspic30F系列微控制器主要特点：
     Microchip公司通过在16位单片机内巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F数字信号控制器(DSC)同时具有单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和数据吞吐能力。因为它具有的DSP功能，同时具有单片机的体积和价格，所以本系统采用此芯片作为控制器。此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。
● 主要结构
    12KB程序存储器；
    512字节SRAM：
   1024字节EEPROM；
   3个16位定时器；
   4个输入捕捉通道；
   2个输出比较／标准PWM通道；
   6个电机控制PWM通道；
   6个10位500kspsSA／D转换器通道。
● 主要特点
   A／D采样速度快且多通道可以同时采样；
   6个独立／互补／中心对齐／边沿对齐的PWM：
   2个可编程的死区；
  在噪声环境下5V电源可正常工作；
  最低工作电压3V；
   A／D采样和PWM同期同步。 

1.2.2 飞兆IPM模块主要特点

本产品为飞兆公司 （Fairchild）最新的设计开发成果－先进的智能功率模块（SPMTM）。本产品用于制造结构紧凑、性能高效的交流电机驱动器，此类驱动器主要用于空调、洗衣机等低压逆变驱动设备。本产品组合了最优化的电路保护和驱动功能，与低损耗的绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）相匹配。本产品集成了欠压闭锁和短路保护功能，进一步提升了系统可靠性。内置的高速高压集成电路 （HVIC）提供了无需光耦（光电耦合器）的单电源IGBT 门极驱动能力，进一步缩小逆变器系统的整体尺寸。由于采用了分立的负端子，从而可独立检测逆变器的每一相电流。

● 产品特性

通过美国UL 认证，编号为E209204 （SPM27 － CA 封装），采用DBC 技术，热阻极低

600V-20A 三相IGBT 逆变器，内置门极驱动和功率器件保护用控制IC （集成电路）

分立的三相直流负端，用于逆变器的电流检测

内置高压集成电路（HVIC），可采用单驱动电源

绝缘等级为2500Vrms/min。

二、     系统方案介绍

2.1 概况

以dsPIC30F为核心的控制电路主要完成直流母线电流、直流母线电压等物理量的采集；并根据霍尔/光电信号进行速度计算，生成无刷电机控制信号； 逆变电路部分采用飞兆IPM模块。
   人在跑步机上跑步过程中，电动机的负载转矩呈周期性的波动，并且跑步机的转速不同时，其负载波动频率不同。而跑步机作为健身器，又要满足人们跑步过程的平稳性和舒适性。这就要求电动跑步机的调速系统既要有很好的跟踪能力，又要有很强的抗干扰性。针对需求，设计了基于重复控制补偿和自适应PID相结合的电动跑步机调速器。