【《跑步机控制系统研究的国内外文献综述》2500字】

跑步机控制系统研究的国内外文献综述电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，它通过电机带动跑带使人以不同的速度被动地跑步或走动。目前跑步机分为商用跑步机和家用跑步机[1]，用于工业用途或者健身房的商用跑步机，使用交流电机可持续长时间运转，输出强劲有力，承重大，但需要定期维护，声音偏大。家用跑步机一般适用直流电机，比较安全，不用经常维护，噪音比交流小，输出稳定，价格也更便宜，但是直流电机不适合长时间运转，且家用跑步机承重轻[2]。跑步机中的转速控制器控制着跑带的运行，是整个跑步机控制系统的核心，选用电机的性能对整个跑步机系统至关重要。黄永泉等人基于PHILIPSP87LP768单片机，利用给定的速度值、电压采样与电流采样计算出相应速度的PWM控制信号，对跑步机进行控制。该控制器具有电路简单，性能安全，成本低等优点[3]。控制器的硬件结构图如图1所示。图1硬件结构图刘汉忠和邵群涛对单相串励电动机闭环调速控制器的硬件和程序设计，是以交流电过零时刻作为定时基准,对设定值和反馈值的偏差进行PID调节运算,根据其结果获得可控硅相应的触发时刻,从而改变电动机两端的电压,实现电动机的无级平滑调速[4]。图2闭环调速系统结构框图李传宝等人针对电动跑步机的脉冲式负载特性,提出了基于重复控制补偿的单神经元自适应PID控制策略,并应用于电动跑步机调速矢量控制中，对控制信号有强跟踪能力和良好的抗干扰性[5]。单神经元PID控制系统如图3所示。图3单神经元PID控制系统李琳和张峰提出了一种以STM32微控制器为控制核心的跑步机控制系统，系统的硬件部分包括了STM32微控制器、电源电路、反馈电路和调速电路等。硬件上重点介绍了PWM驱动电路的设计以及LD3320外围电路的设计，软件上重点介绍了主程序和语音识别程序的设计流程，该驱动程序也可用于其他相关的控制领域[6]。设计如图4所示。图4系统组成框图倪有源等人采用遗传算法进行PID参数整定，实现食物搅拌机用单相串励电动机起动和调速过程。对比了传统PID整定和遗传算法PID整定，遗传算法从多点并行操作，在参数解空间中高效地寻找最优解，极大加速了单相串励电机调速过程中PID参数的整定，得到了从起动到变速的良好调速效果，并与实际电机运行参数进行比较，不仅验证了遗传算法的高效性，而且提高了系统的稳定性[7]。程辉和周洪研究了采用PID控制器和ANN（人工神经网络）控制器相结合的直流斩波器（DC－DC降压转换器）驱动的串励直流电动机的调速系统，以期提高闭环控制的性能。在不同负载及给定设定不同时验证并分析了系统的稳态性能和动态响应，结果表明该控制方式具有适应性强、超调小、动态特性好等优点，提高了系统适应抗外部干扰的鲁棒性。但是神经网络控制若结构稍复杂，则不易于硬件实现[8]。系统控制结构如图5所示。图5ANN-PID系统控制结构图吴松等人以全桥与半桥混合桥式电路作为控制系统主电路，以串励直流电机作为控制对象，通过改变电路中供电开关对的通断，改变电枢电流方向和回路，实现串励直流电机调压调速、电子换向和四象限运行控制。他们提出的控制方法能很好地实现对串励直流电机的控制，取代机械式换向方法，降低控制系统体积与生产成本[9]。控制系统主电路拓扑如图6所示。图6主电路拓扑图陈浩等人针对串励电机调速系统的连续性和稳定性问题，对单相交流串励电机控制电路、保护电路和驱动电路进行了研究，探索了一种通过控制IGBT管的通断来实现斩波式调压方法，提出了一种基于STM32ARMCortex-M3内核单片机的调速系统。通过对单相交流串励电机速度的设定值和反馈值的偏差进行增量PID运算算，根据PID运算结果计算PWM输出的占空比，来控制IGBT管的通断，从而改变串励电机两端电压，实现无级平滑调速。该系统使用了比传统系统更少的IGBT管，既节约成本又提高了系统稳定性[10]。赵丽芳以STC89C52单片机为核心，利用C程序程序来控制STC89C52单片机各个引脚输出的变化，通过PWM调节实现直流电机转速的控制，并通过输出高低电平来改变步进电机的状态，以实现跑步机的速度调节模拟以及坡度调节模拟的功能。不过因为电机本身需要一定的电压来进行驱动，而PWM调速范围有限，驱动电机的电压占据了相当一部分的脉冲宽度，因此没能实现多级调速[11]。王寿福将神经网络控制与传统PID结合，对无刷直流电机调速系统进行了研究，利用神经网络强大的逼近能力，通过学习来确定PID控制相关参数，针对系统空载和负载扰动进行仿真，表明此方法具有良好的静动态性能。但是还有不足之处且未进行物理验证[12]。控制结构如图7所示。图7基于BP神经网络的PID控制系统结构图陈胜新从跑步机调速系统的性能和可靠性出发，分析跑步机的负载特性，采用用词同步电机设计了基于模糊控制的跑步机永磁同步电机调速系统，采用模糊自适应PID控制算法提升调速系统的稳定性，并且提高了跑步机系统动态性能和降低运行噪音[13]。QiZhang等人研制了一种电动跑步机无刷直流电机驱动控制系统，采用智能电源模块(IPM)并包含保护模块，保证了系统的高集成度和高可靠性。采用周期电流控制的方法，减小跑步机低速启动、大负载增加时通过电机电枢绕组的平均电流。采用分段比例积分微分(PID)控制算法，解决了增加脉冲负载时的速度波动问题。具有可靠性高、稳定性好和调速范围广等优点[14]。AntonioT.Alexandridis和GeorgeC.Konstantopoulos考虑了一个由dc/dc升压变换器和串联励磁直流电机组成的完整系统。提出了一种改进的非线性PI速度控制器，该控制器直接提供变换器的占空比输入，提高了整个非线性系统的动态性能，实现了独立于系统参数变化或负载转矩变化的电机精确调速，保证了闭环系统的稳定性，验证了所提PI控制器在参考信号和外部负载快速变化下的性能[15]。YogieSanjaya等人为了在纤维生产过程中保持电机速度的稳定，使用PID控制器。采用调光电路来控制提供给感应电机的交流电压，并采用带有信号调理器的旋转编码器来测量电机转速，以调节电机转速。采用齐格勒-尼科尔斯整定方法，得到PID控制器常数[16]。调速系统及PID控制器如图8、9所示。图8调速系统框图图9PID控制器框图Yadav和Verma将自适应神经模糊推理系统(ANFIS)和基于改进粒子群优化(MPSO)技术的PID速度控制器纳入永磁同步电机，以提高其动态性能[17]。F.VijayAmirthaRaj和V.Kama