（机械电子工程专业论文）运动健身装置电控系统的研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 运动健身装置电控系统的研究 机械电子工程 沙林秀( 签名) 李琳( 签名) 张奇志( 签名) 摘要 运动健身装置的电控系统是保证运动健身装置安全、稳定的核心。因此电控系统的 研究是运动健身装置研究的关键。通过对电控系统的研究和开发，生产出具有安全性、 智能性和性价比高的运动健身装置。 本论文中运动健身装置的电控系统以a t 8 9 c 5 1 单片机为数字处理核心部件，键盘 l e d 显示作为人机界面，实现运动装置二维空间的调速控制和位置升降控制。其中， 二维空间里调速控制和位置升降控制包括以下两个方面：一是运动健身装置水平方向上 调速控制。调速控制采用交流变频调速技术，将小功率变频器运用到运动装置中，采用 f r e 5 2 0 一c h 型三菱变频器作为运动装置的调速控制驱动器件。二是运动健身装置垂直 方向上位置升降控制。位置升降控制采用j s l 5 一b 型伺服电机作为运动装置的垂直方向 的位置升降控制驱动器件。从而实现运动健身装置在水平和垂直二维空间上的运动控 制。 调速控制的开发和调试着重从两个方面阐述。首先，从f r e 5 2 0 一c h 型三菱变频器 的通讯协议研究入手。三菱变频器采用r s - 4 8 5 总线标准，其运行选择参数、通用磁通 量控制参数、通讯参数、p i d 控制参数和通讯协议均是开放的，采用数字处理器完成比 较复杂的点对点控制系统。其次，针对运动装置负载的脉动、易变特性，通过对 f r e 5 2 0 c h 型三菱变频器控制的y 8 0 2 2 型鼠笼电机进行数学建模，采用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，从而确定变频器的p i d 控制参数，使运动装置能够自动 平滑地进行加减速，实现无极调速，其精度可达到o 5 l 。 。 垂直方向上的位置升降控制是以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心控制元件，经过整流滤波 回路、继电器执行回路、位移传感器和压控振荡回路，实现j s l b 1 5 型伺服电机的位移 控制。其中，位移传感器和压控振荡器构成位置采样，作为反馈闭环实现j s l b 一1 5 伺服 电机位移的精确定位。 本电控系统的控制单元不仅具有调速精度高、操作简单、个性化的设定、实时监测 等优点，而且具有安全、可靠性能高、性能价格比高的优点。 关键词：单片机；变频器；伺服电机；运动装置 论文类型：应用研究 ( 本文得到陕西省教育厅产业化培育基金的资助) u 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo fe l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e mo fr u n n i n gf i t n e s se q u i p m e n t s p e c i a l i t y ：m a c h i n ea n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ： s h a l i n x i u ( s i g n a t u r e ) 三叁：奎垡丝 i n s t r u c t o r ：l il i n z h a n gq i z h i ( s i g a t u r e ) i ! ! l ( s i g n a 趔呼越虹 a b s t r a c t i t i sa ni m p o r t a n tp a r to ft h a te l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e mw h i c hi sg u a r a n t e e di n s e c u r i t y a n d s t a b i l i t yo fr u n n i n gf i t n e s se q u i p m e n tf e d 7 9 ) w i t hr e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n go ft h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e mo ft h er f e ，p r o d u c t i o nt h er f ew h i c hh a s c h a r a c t e r so ft h es e c u r i t y ，t h ei n t e l l i g e n t ，t h eh i g hp e r f o r m a n c ep r i c er a t i o ，i ti sak e yo f r e s e a r c h i n go ft h er f e i np r e s e n tp a p e r , t h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e mo ft h er y e ， w h i c ht a k e sa t 8 9 c 51m i c r o c o m p u t e ra sd i g i t a lp r o c e s s i n gc o r ep a r t ，u s e sk e y b o a r d d i s p l a y a st h em a n m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c ep a r t ，c a nc a r r yo u tt om o d u l a t et h ev e l o c i t yc o n t r o la n d t h ep o s i t i o nf l u c t u a t i o nc o n t r o li nt h et w o d i m e n s i o n a l s p a c e ，o n e i st h ev e l o c i t y m o d u l a t i o nc o n t r o lo ft h er f ea tt h eh o r i z o n m id i r e c t i o n t h ev e l o c i t ym o d u l a t i o nc o n t r o l m a k e su s eo fm o d u l a t i o nv e l o c i wt e c h n o l o g yb yc h a n g i n gf r e q u e n g yw h i c hi sp o p u l a ri n d o m e s t i ca n da b r o a d u s i n gt h el o wh o r s e p o w e ri n y e r t e ri nt h ec o n t r o l l e ds y s t e m ，s u c ha s t h ef r - e 5 2 0 - c hm i t s u b i s h ii n v e r t e r , s e r v ea sad r i v e rc o m p o n e n to ft h er f ea tt h e h o r i z o n t a ld i r e c t i o n t w oi st h ep o s i t i o nf l u c t u a t i o nc o n t r o lo ft h er f ea tt h ev e r t i c a l d i r e c t i o n t h ep o s i t i o nf l u c t u a t i o nc o n t r o lr i s e st h ej s l 5 - bs e r v om o t o rw h i c hi sd r i v e r c o m p o n e n to ft h er f ea tt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n b yt h i sm e a n s ，t h ec o n t r o l l e ds y s t e mo ft h e r f ec a nc o n t r o lr u n n i n gm a c h i n ei nt h et w o d i m e n s i o n ns p a c e t h ev e l o c i t ym o d u l a t i o nc o n t r o li se l a b o r a t e df r o mt w oa s p e c t sw h i c ha r ed e v e l o p m e n t m a dt h ed e b u g g i n go fi t sc o n t r 0 1 f i r s t l y , i ti so b t a i n e df r o mt h ec o m m u n i c a t i o ns e t t i n go f f r e 5 2 0 ，c hm i t s u b i s h ii n v e r t e r t h em o t o rc a nb ec o n t r o l l e db va t 8 9 c 51w h i c hi s c o n n e c t e dw i t hm i t s u b i s h ii n v e r t e rt h r o u g hr s 一4 8 5 t h ei n v e r t e r sp a r a m e t e r s s u c ha s a d v a n c e d m a g n e t i c f l u xv e c t o r c o n t r o l ，p a r a m e t e r s f o r o p e r a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n p a r a m e t e r s ，p i dc o n t r o lp a r a m e t e r sa sw e l la sc o m m u n i c a t i o ns e t t i n g ，a r eo i o e n e d u s i n gt h e i n v e r t e rw i t ht h ed i g i t a lp r o c e s s o rc a nb ec o m p l e t e dt h em o r ec o m p l e xp o i n t - - t o - - p o i n t c o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ，a i m i n ga tp u l s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr f e sl o a dp t f l s a t i o n ，i ti s c a r r i e do nb o t hm a t h e m a t i c sm o d e l i n go fy 8 0 2 2m o u s e c a g em o t o rw h i c hc o n t r o l st ot h e f r e 5 2 0 一c hm i t s u b i s h ii n v e r t e ra n ds i m u l a t i o nm o d e l i n go fi tb ym a t l a b s i m u l i n k a n dt h e n ，t h ev e l o c i t yc o n t r o ls y s t e mc a ns e tt h ep i dp a r a m e t e r so fi n v e r t e rt oa c h i e v e 一1 1 1 英文摘要 s m o o t h l ya n dh i g hp r e c i s i o n ( o 5 - 1 ) v e l o c i t ym o d u l a t i o np e r f o r m a n c e t h ep o s i t i o nf l u c t u a t i o nc o n t r o lo f t h er f e a tt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ，w h i c hi sc o n s i s to f t h er e c t i f i c a t i o n f i l t e r l o o p ，t h er e l a y l o o p ，t h ep o s i t i o n t r a n s m i t t e ra n d v o l t a g e t o f r e q u e n c yc o n v e r s i o nl o o p ，r e a l i z e st h ep o s i t i o n f l u c t u a t i o ntc o n t r o lo ft h e j s l b 1 5s e r v om o t o r b o t hv o l t a g e - t o f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dt h ep o s i t i o nt r a n s m i t t e r c o n s t i t u t ef e e d b a c kl o o pw h i c hi sr e a l i z ej sl b 1 5s e r v om o t o rf e e d b a c kc o n t r o l ： t h i se l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e mn o to n l y h a st h e h i g h l yp r e c i s i o nv e l o c i t y m o d u l m i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，p e r s o n a l i t ys e t t i n g ，a n ds oo nr e a l - t i m em o n i t o r , b ma l s oh a s h i g hp e r f o r m a n c eo f t h es e c u r i t y , t h er e l i a b i l i t ya n dt h eh i g hp e r f o r m a n c ep r i c er a t i o k e yw o r d s ：m i c r o c o m p u t e r i n v e r t e r s e r v om o t o r r u n n i n ge q u i p m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y ( t h i sp a p e ri ss u p p o s e db yi n d u s t r yc u l t i v a t i o nf u n do f s h a a n x ie d u c a t i o n a lb u r e a u ) i 、r ? 学位论文创新性声明 y ，9 毒1 6 9 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 烨 日期：a 肋r o 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复 制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论 文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 ， 论文作者签名 导师签名 塑坠查 o k 二， 日期 日妇：q 也 r o 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究运动健身装置的电控系统的目的、意义 2 0 世纪9 0 年代后期，随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，强身健体 已经成为社会一项新的时尚追求。电动跑步机以其形式简单，适合在家庭、健身房等室 内进行锻炼而被广泛选购，成为商业以及家庭的首选健身器械，其市场前景也变得越来 越广阔。 ， 跑步机从最初的机械向电动、定速向变速、直流调速向交流调速演变，人们对健身 器材有了更高的要求，发达国家的电动跑步机开始大量进入我国市场。据业内人士测算， 中国健身器材行业市场将达1 0 0 0 亿，但是，一边是极大的市场潜力的，一边是尴尬的 产品的性能。其主要因素，中国没有自己生产的人性化、智能化、低成本、高性能的运 动健身装置的电控系统参与国际竞争。因而研发出性能良好的电控系统，是提高运动健 身装置性能关键，是生产具有国际竞争力产品的前提。 同时科技的进步对运动健身装置提出新的要求。运动不仅是为了健身，同时也是一 种时尚的标志，因而人们在得到健身的同时，也对跑步机的人性化、智能化、低成本各 个方面都提出了更高的要求。 伴随着电子技术的发展，特别是数字电子技术的快速发展和广泛应用，对运动健身 装置的电控系统也有较高的要求。运动健身装置的电控系统要求在安全的前提下，实现 不同状态下电机的转速调节控制，设计符合人体的具有良好的起停性能的运动健身装 置。开发研究出具有人性化、数字化电控制系统，为运动健身装置的开发另辟新径，是 保证运动健身装置性能良好，生产具有国际竞争力的运动健身产品的成为可能。 本课题研究的调速控制单元中，针对运动负载周期性频繁变动的特点，。充分运用了 a t 8 9 c 5 1 单片机功能和变频调速技术，实现处理器和变频器组成的点对点控制系统。将 变频器的控制方式应用到跑步机的调速控制系统中，不仅可以提高运动装置的安全可靠 性、性能价格比和调速精度，同时还使其具有操作简单、监示直观和智能化、设置个性 化运动模式等优点。 一、 。、” 1 2 国内外现状 1 2 1 运动健身装置发展现状和趋势 一 随着科学技术的目新月异，运动健身器材发展变化的速度越来越快。2 0 世纪8 0 年 代出现的电动跑步机以其广泛的适用性，不但是健身房的必配器械，也是一种很好的家 用健身器械。电动跑步机以电力作为动力，通过电机带动底座前部的滚筒转动，而滚筒 j ， 西安石油大学硕士学位论文 又带动跑步带移动，使锻炼者在跑步机上保持一定的速度跑步，同时面板会显示出健身 者跑步的时间、速度、路程、心率、热能消耗等数据。健身者可以选择适合自己体质的 运动方式和强度。科技含量的提高促进电动跑步机的快速发展。如何根据锻炼者的机能、 素质状况用程序控制运动强度、运动量大小和运动方式使电动跑步机更富于竞争力? 针 对一些特殊体形的电动跑步机和趣味性、竞技性、训练性溶为一体的电动跑步机会更受 欢迎。 在新的世纪，技术创新是健身器材迅速发展的强大推动力。作为跑步机核心驱动装 置的交流电机，其调速性能的改善将直接关系到跑步机的安全性、节能性、平滑变速、 紧急制动、稳定性、电气安全等多项性能指标。 经过了二十多年的发展，变频调速已经发展为一种成熟并被广泛运用的交流调速技 术，故变频器的开发应用就成了当前电气传动研究中最活跃、最有实际应用价值的工作。 调速技术辅助以计算机信息处理技术，成为新世纪变频器向数字化发展的方向，使变频 器运用得到了进一步得延伸。变频调速数字化发展为运动健身装置电控系统的研究开发 提供了新的思路，新的方法，并为运动健身装置实现数字化、人性化和高性能、低能耗 发展另辟新径。 1 2 2 运动健身装置发展趋势 * ：k ， ， 以跑步机为代表的系列室内运动健身装置，其发展走向数字化j 智能化、趣味性并 结合其他设施构成健身房成套设备，旨在体现和倡导快乐健身、时尚健身理念，无疑是 运动健身装置发展的趋势。 。 运动健身装置发展将以数字化娱乐家用跑步机替代传统的枯燥健身方式，将数字化 网络、游戏、虚拟现实等高科技手段有机地结合在一起，革命性地展示了科学健身的新 理念。通过虚拟空间将户外自然界实景与天气变化结合在室内电动跑步机中，使健身者 在室内健身的同时，感受到自然界变化，如同身临其境，充分享受自然界带来的乐趣。 同时，通过网络可接受专家们的科学健身指导，并可与其他健身者进行交流和竞技比赛， 使健身者在健身的同时得到全方位的健康指导与游戏娱乐所带来的愉悦，从而激发使用 者的健身热情，久而久之于不经意间养成健身的习惯，最终达到强身健体的目的。 1 3 课题来源、主要研究内容及创新点 1 , 3 1 课题来源 该课题根据市场调研承厂家的需求。本论文依据该帚求，研究运动健身装置的电控 一j 系统。 ， 第一章绪论 1 3 2 本论文主要研究内容 近年来随着电力电子、微处理器以及控制技术的发展，极大的提高了交流异步电机 的调速性能，将交流变频技术运用到健身运动装置，使交流调速技术的普及到民用的产 品成为可能。运动健身装置电控系统的研究主要包括f r e 5 2 0 s c h 2 2 型三菱变频器调 速度控制和j s l 5 b 型伺服电机升降控制。该电控系统辅助键盘显示输入输出部件，通 过单片机控制变频器以实现水平速度控制和伺服电机实现垂直方向上升降控制两大部 分。鉴于此，论文中：首先研究交流调速控制系统中，并采用了三菱公司的 f r e 5 2 0 c h 2 2 型变频器作为执行装置，通过对三菱变频器通讯协议的研究开发，利用 单片机a t 8 9 c 51 控制运动装置实现水平方向的运动速度；其次，在完成了整个电控系 统软硬件的设计基础上，通过对调速控制系统的理论推导、数学建模，采用 m a t l a b s i m u l i n k 对系统作动态仿真，并通过工程调试，从而完成了调速控制系统的 工程调试；最后，研究了j s l 5 b 型伺服电机控制系统，主要采用单片机a t 8 9 c 5 1 为控 制核心，经闭环反馈回路及继电器执行回路实现运动装置垂直方向上的位移升降精确控 制。全文的研究内容安排如下： 第一章分析目前国际上运动健身器材发展现状，阐述研发运动健身装置电控系统的 重要性。中国作为运动健身器潜在最大销售市场，要人性化、智能化、低成本、高性能、 有国际竞争力的运动健身装置的知名品牌，运动健身装置的电控系统开发是关键。阐述 当前运动健身装置的向全数字化、网络化的发展的趋势，把变频调速技术运用运动健身 装置调速中。最后给出了论文题目的来源，给出了本论文主要的研究内容。 第二章将运动健身装置的电控系统按驱动元件戈| 分为两部分：变频调速控制和伺服 电机j s l 5 。b 控制，从两个方面分别描述电控系统的控制原理。首先，介绍运动健身装 置的负载具有脉动、易变的特点，为了便于分析控制系统的各项指标，把这种负载特性 的等效为脉冲信号，信号的幅值、宽度和周期是随机的、可变的。其次，介绍了基于 a t 8 9 c 5 1 单片机控制系统的硬件设计。硬件分为：变频调速控制单元、伺服电机升降控 制单元，输入输出键盘显示单元。变频调速控制单元方面：介绍了三菱变频控制调速的 特点、硬件结构图，采样回路中f 八，转换电路、v i 转换电路等。j s l 5 一b 伺服电机控制 方面：主要从介绍了j s l 5 一b 型伺服电机的特点和使用范围。最后，着重介绍了基于 a t 8 9 c 5 1 控制系统的软件设计，软件部分主要包括：电控系统软件总流程、伺服电机处 理子程序流程、变频器通讯流程、键盘显示流程。其中由a t 8 9 c 5 1 单片机和t m p 8 2 c 7 9 实现按键显示的管理，作为运动健身装置电控系统的输入输出。通过键盘显示，实现 变频器的参数设置、状态选择、实时监控以及与变频器数据通讯；同时通过键盘状态的 切换，实现伺服电机j s l 5 b 参数设定、运行状态的监视等。 第三章主要对三菱变频器通讯协议的进行研究及开发应用。研究三菱变频器通讯协 议，开发以a t 8 9 c 5 1 单片机为数字处理核心器件的三菱变频器控制的运动装置的电控 ，。；i，；。 西安石油大学硕士学位论文 系统。首先，介绍了a t 8 9 c 5 1 单片机和变频器通讯的硬件实现，即r s - 4 8 5 r s 2 3 2 转 化电路。其次，从通讯参数的初始化、通讯数据格式、单片机和变频器间通讯时序三个 方面较全面的介绍三菱变频器通讯协议的具体内容，通过通讯实例详细阐述三菱变频器 的参数的读写过程中通讯协议的具体运用。在参数的读写过程中不同类型参数所选用 的数据格式的区别，以及数据格式中总和校验位的算法。最后，结合通讯调试过程中遇 到的通讯问题，硬件方面采用光电隔离保护以提高系统的抗干扰能力、加装终端电阻消 除由于反射对通讯的影响等；软件方面，对“网络参数的其他设置”参数处理，对于收 发不同格式数据结束时延时5 0 m s ，等，以提高单片机与变频器之间数据传输可靠性， 保障了控制系统的鲁棒性。最后对本章作了一个小结。 第四章介绍了p i d 控制系统建模、仿真和调试过程。首先，对调速控制单元进行 数学建模。调速控制系统包括对变频器、鼠笼电机、脉动负载( 看作干扰信号) 、闭环 采样四个部分。其中重点是通过电机参数的等效计算，推导出y 8 0 2 2 型异步电机的控 制系统数学模型，建立变频器控制y 8 0 2 2 型鼠笼电机调速的闭环控制系统的控制模型。 其次，采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真控制模型，从而推导出p 1 d 参数控制理论值。在理 论值的基础上，通过工程调试试验，最终确定p i d 的最佳整定参数。 第五章本章从软硬件分别描述j s l 5 b 型伺服电机的控制系统。硬件主要介绍 j s l 5 b 伺服电机的电控系统，即以a t 8 9 c 5 1 单片机为控制核心元件，有整流滤波、继电 器执行回路，位移传感器和压控振荡器构成。其中位移传感器和压控振荡器构成采样闭 环回路，通过闭环实现j s l 5 b 型伺服电机位置的精确自动定位系统。软件介绍了如何 实现单片机控制j s l 5 b 型伺服电机的垂直方向上的位置升降精确定位。为保证j s l 5 一b 型伺服电机自动定位系统能实现无积累误差的精确定位、电动机的反馈端位移采样采了 数字中值滤波技术，最后通过试验将j s l 5 b 型伺服电机的位移做线性化处理，以实现 j s l 5 b 型伺服电机快速、精确定位。 最后总结了全文的工作，提出进一步研究的方向。 1 4 创新点 借鉴国内外的先进技术，针对负载频繁变动特性，利用单片机和变频器的可靠通讯， 开发交流驱动的运动健身装置的电控系统。 第二章运动健身装置的电控系统设计 第二章运动健身装置的电控系统设计 运动健身装置的电控系统是运动健身装置安全、可靠运行的保证，是运动健身装置 实现智能化、人性化、数字化发展的核心。运动健身装置的电控系统按照其驱动元件可 分为两部分：变频调速控制和位置升降控制。运动健身装置采用f r e 5 2 0 c h 2 2 型三菱 变频器作为水平方向上的调速控制装置，充分的利用变频器具有用磁通矢量控制使其在 低频启动时能输出较大转矩、内置p i d 控制的，内置的r s 4 8 5 接口可实现联网控制、 柔性p w m 可实现更低噪音运行等优点； 运动健身装置采用a t 8 9 c 5 1 控制实现垂直方 向上的升降精确定位，j s l 5 一b 型伺服电机作为驱动元件，充分利用电机控制方式简单， 体积小，起重负载2 0 0 - 4 0 0 k g 等性能。本章着重从软硬件两个方面系统介绍运动健身 装置电控系统的设计。 2 1 运动健身装置的负载特性 人在跑步机上作跑步运动过程中，负载转矩随之发生周期性波动，随着跑步机的运 行速度不同，其负载转矩的频率不同。为了保证不同速度下，跑步过程的平稳和舒适度， 电动跑步机的调速单元应在不同频率脉动负载的冲击下具备良好的动态性能。根据负载 的脉动、易变特性，可将负载看作幅值可变的脉冲信号，如图2 1 所示。 j ? 力 矩 步一步间 m 隔时间免 1 7 弓 雪值 荔荔 ， 台 t ( s ) 力矩的作用时间t ， 、 一 图2 - 1 负载脉动、易变特性 一 若用脉冲信号反映运动健身装置的负载脉动、易变的特性，那么脉冲信号必须可以 反映：运动者的体重、运动的速度。如图2 1 所示，负载的力矩的幅值m ( g ，s ，f ) 受三 个因素的影响：g 运动者的体重、运动者产生力矩方向上的力臂s ( 即运动者脚的大小) 和力矩的作用时间t l 。步一步间隔时间幻和f ，可以表征运动的速度。在控制系统p i d 分析 时，把运动负载看作一个脉冲的幅值、宽度和周期均可随机变化的脉冲信号。 西安石油大学硕士学位论文 2 2 基于a t 8 9 c 5 1 控制系统的硬件设计 运动健身装置的电控系统是基于a t 8 9 c 5 1 为核心的控制器件，以变频器和伺服电机 为执行元件所组成的控制系统。运动健身装置电控系统的硬件按其功能分主要有变频调 速控制单元、伺服电机升降控制单元以及输入输出单元三部分。 2 2 1 控制系统总硬件原理框图 运动健身装置的电控系统硬件原理框图如图2 2 所示，电控系统是以a t 8 9 c 5 1 单片 、机为数字处理核心控制器件，由t m p 8 2 c 7 9 p 2 控制键盘显示构成电控系统的输入输出 单元，采用三菱f r e 5 2 0 c h - 2 2 型变频器和j s l 5 b 型伺服电机作为运动装置的执行元 件构成整个电控系统。 。n 沙 4 4 7 n m 张蝴i i a 键盘显示 l 才e ：。烯旺l f 转换电路 模块i 义拟葡l v 霍尔开关 寒 裂 。 翻 赵 r s 一4 8 5 r s 2 3 2 弋 搀 翻 转换电路 ， 一、 篓 斛 f，譬岁磁0 v、 ， 8 9 c 51 单片机控制 、 由动棚 、 整 乐摔振荡模块 c ，一r 、一 继电器 流 2 2 0 v 控制回路 回 路 后懦r 1 - 4 v 由乐、， l 一- 弋：西亟：亘逦豆蔓西元。 图2 2 运动健身装置的电控系统 变频调速控制单元：由f r e 5 2 0 c h 2 2 型三菱变频器、r s 4 8 5 r s 2 3 2 转换电路、 y 8 0 2 2 型鼠笼电机、霍尔开关、f 转换电路和v i 转换电路组成。采用两线制的光电 传感器采集转速，实现转速n ( r m i n ) 转化为频率f l h z ) 信号，然后将频率信号转化为电压 信号，最后转化为4 - 2 0 m a 标准电流信号，并将该电流信号送入变频器，构成变频器速 度闭环控制。 伺服电机升降控制单元：由j s l 5 b 型伺服电机、交流整流回路、继电器执行回路 和压控振荡模块组成。其中：整流回路是将a c2 2 0 v 电源经整流滤波，得到d c + 2 4 v 和d c + 5 v ，以提供继电器线圈执行电压位移传感的工作电压。压控振荡回路选择 6 第二章运动健身装置的电控系统设计 c d 4 0 4 6 芯片作为反馈信号处理的芯片，经位移传感器将电机升降物理量转化为模拟电 压量，经数字滤波处理，得到数字量和设定的执行量比较，伺服电机控制单元采用闭环 反馈控制，实现电机的定位控制。 输入输出单元：由一块具有可编程键盘显示接口的t m p 8 2 c 7 9 p 一2 芯片、一块 9 4 4 6 芯片、一块7 4 l s l 3 8 、五块7 5 4 5 1 芯片、1 2 个按键以及6 个l e d 显示块组成。采 用静态显示方案，为了显示电机的速度，采用单片机的串行通讯口。8 2 c 7 9 与六个共阴 极显示器和一个1 2 个键的小键盘连接。s l o s l 2 的扫描按编码方式经7 4 l s l 3 8 译码输 出作为键盘的行扫描线，同时经驱动器7 5 4 5 1 接l e d 显示器的c o m 端为显示器的位扫 描驱动信号。 2 ；2 2 变频调速控制单元 2 2 2 1 将小功率变频器运用到运动装置上 目前，变频调速作为公认的一种高精度、低能耗的无极调速方法。采用变频调速技 术的控制系统，其优点有： 调速系统采用了变频调速技术，电机是软起软停方式。无级调速，起动电流很小， 对供电电源的要求降低，对电源无冲击，对电机实行全面保护。 采用了p i d 闭环控制，1 5 段速度控制，运行安全可靠。 变频运行使电机长期在工频以下运转，压力稳定，无能量损失，消耗的电能远低 于额定值，节电率在3 5 4 0 ，节能效果显著。 可实现点动运行和稳定运行，可将启动停止时间随意设置，到达额定运行速度时 间可长，并可以实现断电的慢减速运行。 实现零速制动，运行平稳无冲击，能延长跑步机构架和传动件的寿命 由于跑步机要求的运行速度的调节范围非常宽( 1 ：2 0 以上) ，并且跑步机在运行过 程中人的跑动产生的运动特性为脉动、易变的负载，所以，对调速系统的调速范围、低 频转矩特性、稳态转速精度以及动态响应精度有较高的要求。可喜的是，变频器的性能 几乎可以满足跑步机主要性能指标的要求，同时跑步机也充分利用矢量型变频器的主要 性能特点和优势。 。二 。t 一 一一 2 2 2 2 三菱变频器特点 、i o j 。 。 ! 鼍io i - 4 ： o 。 ：。i 。 。：1 1 一- 。- jj ， 变频调速器又称v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 装置。在运动装置的变频 调速单元中，选用的变频器是f r - e 5 2 0 一c h 2 2 型三菱变频器，它是三菱公司生产的 f r e 5 0 0 系列产品，其输入电压为单相2 2 0 v ，输出功率范围n 4 - 2 2 k w ，是- - s e e d , 型、 高性能的小功率变频器。f r e 5 2 0 c h 一2 2 型三菱变频器有以下特点：。 。 西安石油大学硕士学位论文 采用磁通矢量控制，实现1 h z 运行1 5 0 转矩输出。 内置：p i d 控制。 内置r s 一4 8 5 通讯口。 柔性p w m ，实现更低噪音运行。 三菱变频器采用滑差补偿结合通用磁通矢量控制，实现了1 h z 时1 5 0 的转矩输出。 即使在使用离线自动调整功能后，电机特性参数发生一些变化后，仍能通过通用磁通矢 量控制控制运行。 ， 以跑步机的运动特性为例，针对运动健身装置的水平调速电控系统，说明采用三菱 变频器如下几个方面的优势： a 磁通矢量控制：普通的变频调速装置大多采用恒u f 控制，一旦选定u f 曲线， 通常不能在线修改，在轻载时就会造成电能的浪费。这种变频调速系统虽具有结构简单、 价格低廉的优点，但动态性能较差，不能使电机处于最经济的运行状态。众所周知，磁 场定向矢量控制变频调速是- , e e 高性能的调速方式，尤其能满足驱动系统宽调速范围和 快速转矩响应的要求。但是，矢量控制变频调速通常是采用恒磁通控制，轻载时低效， 也就是说，性能卓越的矢量控制变频调速系统在效率方面并不是最优的。目前所提出的 各种效率优化控制策略在本质上都是控制磁通随负载减小而下降，从而使电机的损耗下 降，效率和功率因数随之提高。采用先进磁通矢量控制方式，调速比可达1 ：1 2 0 ( 0 5 6 0 h z ) ，实现1 h z 运行15 0 转矩输出。f r e 5 2 0 一c h 一2 2 型三菱变频器将单相2 2 0 v 5 0 h z 的电源，输出转换成三相交流变频电压提供给电动机，控制电动机的转速。磁通 矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它具有许多优点： 可以从零转速起进行速度控制，即使较低速度也能运行，因此调速范围很广； 可以对转矩实行精确控制； 系统的动态响应速度非常快； 具有电动机良好的加速度特性等； + 矢量控制方式的运用，使异步电动机的低频工作特性达到了十分完美的地步，与直 流电动机相比，已经毫不逊色了。在低频力矩方面，能够提供1 h z 时1 5 0 的输出力矩。 b 柔性p w m 控制方式：p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，脉冲宽度调制) 是一种 。 按一定规律改变脉冲信号的脉冲宽度，以调节输出量值和波形的一种调制方法。柔性 “ p w m ( f l e x i b l ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 是采用- , 0 e 灵活的脉宽调制方式，它用在变频调速 的控制中，可实现低噪音运行，平滑速度矢量控制方式。控制系统的软化对c p u 芯片提 出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在 线计算和适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控 制的在线实时调节等，这不仅需要存储多种数据同时还需要快速实时处理大量信息。可 以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，柔性算法、柔性控制及柔性p w m 应用，使交流调速系统的性能有很大的提高，实现更低噪音运行，平滑速度矢量控制方 第二章运动健身装置的电控系统设计 式。 。 。 c 内置p i d 控制：目前三菱公司生产的所有变频器均有p i d 控制功能，在e 5 0 0 系列中f r e 5 2 0 s c h 2 2 型变频器中，可选用电流型( 4 2 0 m a ) 传感器，通过设定参 数p r l 2 8 来确定运行模式：p r l 2 8 = 0 为普通的v f 控制方式；p r l 2 8 = 2 0 或2 1 为p i d 控制 方式，对于加热、压力控制系统p r l 2 8 = 2 0 ；对于冷却控制系统则p r l 2 8 = 2 1 ，实际运行时 需要进行二种模式切换。因各系统结构特征不同，电机的具体运行特点和所带的负载有 一定的差异，在对电机数学建模后，推算出p i d 理论值，再对变频器p 皿参数进行工程 调试。这种内置的p i d 控制可以实现在线修改，在试运行时可以在线条件下边观察测量 值的变化边反复调节p 、i 、d 参数，直至测量值稳定及静态误差等多项性能指标符合动 态控制要求。这样简化了工程调试过程，缩短了调试周期。 d 内置标准的r s 4 8 5 通讯接口：三菱变频器采用r s 一4 8 5 总线标准，其运行选择 参数、通用磁通量控制参数、通讯参数、p i d 控制参数和通讯协议均是开放的。用户可 将多台变频器接入p r o f i b u s 、d e v i c en e t 等现场总线系统，通过监控计算机对多台 变频器的运行，实现联网控制，监视其运行状态，并对其参数进行在线修改，从而大大 地提高变频控制器的智能性；也可以采用数字处理器完成比较复杂的运算，使得变频调 速控制性能更加完善，实现处理器和变频器组成的点对点控制系统，从而适应低成本、 单台变频器的控制方式。 变频器采用标准的r s 一4 8 5 通讯接口，从而加快了开发调试进度和简化了操作。原 本每一台变频器都需要手工设置参数，现在只需要执行下载参数，参数就会快捷地写入 到变频器中，减轻了调试人员的重复劳动量；在配线方面也更加简洁，r s 4 8 5 通讯只需 要连接两根信号线( s g + s g ) 。如果采取信号端子控制，单单控制启动、停止，速度的 模拟量变化就超过4 根，而且由于变频器本身就是一个干扰源，采用r s 4 8 5 接口在抗 干扰能力上也比模拟量输入强。 ： j 2 2 2 3 变频调速控制单元硬件框图 + 一 运动健身装置的水平方向上速度控制采用的是三菱公司生产的f r e 5 2 0 c h 2 2 型 变频器，它是_ 种小功率的变频器。变频调速控制单元硬件框图，如图2 - 3 所示。它包 括采样回路模块和变频器通讯模块。采样回路模块包括：转速采样、f v 转化电路和v i 转换电路。其中，变频器通讯模块将在第三章中通讯硬件部分作详细阐述。 一 ，：一一： 西安石油大学硕士学位论文 2 2 2 4 转速采集 采 样 回 路 模 块 。r 转速采集电路采用的霍尔开关，将电机的转速转化为0 5 0 h z 频率信号。下面先介 绍霍尔开关。 1 霍尔开关原理 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电 位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势u ，其表达式为： u = k i b i d( 2 1 ) 其中：k ：霍尔系数； i ：薄片中通过的电流； b ：外加磁场( 洛伦磁力l o r r e n t z ) d ：薄片的厚度； 的磁感应强度； 由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与c b ；b a 磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开 关属于有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制 作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实 际应用易操作和可靠性的要求。 2 内部原理图及输入输出的转移特性 霍尔开关的