直流無(wú)刷電機(jī)在大功率跑步機(jī)的設(shè)計(jì)方案
一、     方案概述

1.1 產(chǎn)品的用途及使用范圍

直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器輸出功率小于2kW，適用于采用直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)的跑步機(jī)。
1.2系統(tǒng)主要構(gòu)成
    直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器主要由以下幾大部分構(gòu)成：整流電路、濾波電路、三相全橋逆變電路、開(kāi)關(guān)電源、控制單元、檢測(cè)單元、強(qiáng)電開(kāi)關(guān)型輸出單元。
    本方案中采用了美國(guó)微芯(Microchip)公司的16位電機(jī)控制專用單片機(jī)dsPIC30F2010作為主控芯片。驅(qū)動(dòng)部分采用了飛兆IPM模塊FSBS20CH60F。下面先對(duì)單片機(jī)和IPM的特性做個(gè)介紹。
1.2.1 Microchip公司dspic30F系列微控制器主要特點(diǎn)：
     Microchip公司通過(guò)在16位單片機(jī)內(nèi)巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)同時(shí)具有單片機(jī)(MCU)的控制功能以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力。因?yàn)樗哂械?span lang="EN-US">DSP功能，同時(shí)具有單片機(jī)的體積和價(jià)格，所以本系統(tǒng)采用此芯片作為控制器。此芯片主要適用于電機(jī)控制，如直流無(wú)刷電機(jī)、單相和三相感應(yīng)電機(jī)及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；同時(shí)也適用于不間斷電源(UPS)、逆變器、開(kāi)關(guān)電源和功率因數(shù)校正等。
● 主要結(jié)構(gòu)
    12KB程序存儲(chǔ)器；
    512字節(jié)SRAM：
   1024字節(jié)EEPROM；
   3個(gè)16位定時(shí)器；
   4個(gè)輸入捕捉通道；
   2個(gè)輸出比較／標(biāo)準(zhǔn)PWM通道；
   6個(gè)電機(jī)控制PWM通道；
   6個(gè)10位500kspsSA／D轉(zhuǎn)換器通道。
● 主要特點(diǎn)
   A／D采樣速度快且多通道可以同時(shí)采樣；
   6個(gè)獨(dú)立／互補(bǔ)／中心對(duì)齊／邊沿對(duì)齊的PWM：
   2個(gè)可編程的死區(qū)；
  在噪聲環(huán)境下5V電源可正常工作；
  最低工作電壓3V；
   A／D采樣和PWM同期同步。 

1.2.2 飛兆IPM模塊主要特點(diǎn)

本產(chǎn)品為飛兆公司 （Fairchild）最新的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成果－先進(jìn)的智能功率模塊（SPMTM）。本產(chǎn)品用于制造結(jié)構(gòu)緊湊、性能高效的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，此類驅(qū)動(dòng)器主要用于空調(diào)、洗衣機(jī)等低壓逆變驅(qū)動(dòng)設(shè)備。本產(chǎn)品組合了最優(yōu)化的電路保護(hù)和驅(qū)動(dòng)功能，與低損耗的絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）相匹配。本產(chǎn)品集成了欠壓閉鎖和短路保護(hù)功能，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)可靠性。內(nèi)置的高速高壓集成電路 （HVIC）提供了無(wú)需光耦（光電耦合器）的單電源IGBT 門(mén)極驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)一步縮小逆變器系統(tǒng)的整體尺寸。由于采用了分立的負(fù)端子，從而可獨(dú)立檢測(cè)逆變器的每一相電流。

● 產(chǎn)品特性

通過(guò)美國(guó)UL 認(rèn)證，編號(hào)為E209204 （SPM27 － CA 封裝），采用DBC 技術(shù)，熱阻極低

600V-20A 三相IGBT 逆變器，內(nèi)置門(mén)極驅(qū)動(dòng)和功率器件保護(hù)用控制IC （集成電路）

分立的三相直流負(fù)端，用于逆變器的電流檢測(cè)

內(nèi)置高壓集成電路（HVIC），可采用單驅(qū)動(dòng)電源

絕緣等級(jí)為2500Vrms/min。

二、     系統(tǒng)方案介紹

2.1 概況

以dsPIC30F為核心的控制電路主要完成直流母線電流、直流母線電壓等物理量的采集；并根據(jù)霍爾/光電信號(hào)進(jìn)行速度計(jì)算，生成無(wú)刷電機(jī)控制信號(hào)； 逆變電路部分采用飛兆IPM模塊。
   人在跑步機(jī)上跑步過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩呈周期性的波動(dòng)，并且跑步機(jī)的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，其負(fù)載波動(dòng)頻率不同。而跑步機(jī)作為健身器，又要滿足人們跑步過(guò)程的平穩(wěn)性和舒適性。這就要求電動(dòng)跑步機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)既要有很好的跟蹤能力，又要有很強(qiáng)的抗干擾性。針對(duì)需求，設(shè)計(jì)了基于重復(fù)控制補(bǔ)償和自適應(yīng)PID相結(jié)合的電動(dòng)跑步機(jī)調(diào)速器。