【《电动跑步机系统设计的国内外研究现状文献综述》3100字】

电动跑步机系统设计的国内外研究现状文献综述电动跑步机是在健身房和家庭中使用的比较高档的健身器材，它通过内部电机带动跑步机跑带使运动人员以不同的速度被带动走动或跑步。目前跑步机按用途来讲分为两类：商用跑步机和家用跑步机[1]，工业方面使用或者健身房使用的商用跑步机，使用交流电机可以维持长时间的运转，使跑步机的输出强劲有力，承重大，但是交流电机需要定期维护，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]。跑步机中的电机转速控制器控制着跑步机跑带的转动，是整个跑步机控制系统的核心部分，选用电机的性能是否良好对整个跑步机系统至关重要。黄永泉等人基于PHILIPSP87LP768单片机，利用单片机资源，使用给定的速度值、电压采样与电流采样计算出相应速度的PWM控制信号，使用PWM调速对跑步机进行控制。该跑步机控制器电路简单、性能良好、使用安全、成本低[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进行了软硬件设计，把交流电过零时刻作为基准时刻,对设定值和反馈值的偏差进行了PID算法调节,根据其结果获得可控硅的触发时刻,从而改变电动机两端的电压,实现了串励电机的无级平滑调速[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典型运动模型下脉冲式的负载特性,提出了基于重复控制补偿的单神经元自适应PID控制策略,对跑步机速度进行矢量控制，这种方法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基于STM32微控制器的跑步机控制系统，系统的硬件部分包括STM32微控制器、调速电路、电源电路和反馈电路等。文章在硬件上重点介绍了驱动电路的设计以及外围电路的设计，使用了PWM调速方法，软件上重点介绍了主程序和语音识别子程序的设计流程[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。对传统PID参数整定和遗传算法PID参数整定进行对比，遗传算法PID从多点并行操作，能够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，得到了良好的调速效果，与实际电机运行参数比较后发现遗传算法不仅高效，而且能够提高系统的稳定性[7]。程辉和周洪采用PID控制器和人工神经网络控制器相结合的直流斩波器对串励直流电动机进行调速驱动，希望提高闭环控制的性能。在不同负载及不同给定时验证并分析了系统的稳态性能和动态响应，研究结果表明该方式具有超调小、适应性强、动态特性好等优点，提高了系统适应抗外部干扰的鲁棒性。但是神经网络如果结构稍微复杂就不易于硬件实现[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把全桥与半桥相混合，以混合桥式电路作为控制系统主电路，研究串励直流电机的控制，通过改变电路中供电开关对的通断从而改变电枢电流的方向和回路，进而改变串励直流电机两端的电压和电机转速。他们提出的控制方法能够很好地控制串励直流电机，取代机械式换向方法，降低控制系统的体积和生产成本[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对串励电机调速系统的稳定性和连续性进行了研究，对于单相交流串励电机驱动电路、控制电路和保护电路，他们探索了一种通过控制IGBT管的通断来实现斩波式调压的方法，同时提出了一种基于STM32ARMCortex-M3内核单片机的调速系统。对单相串励交流电机速度的设定值和反馈值进行增量PID运算，根据运算结果计算脉冲输出的占空比，从而控制IGBT管的通断并改变串励电机两端的电压，最终实现无级平滑调速。该系统比传统系统使用了更少的IGBT管，既能够节约成本又能够提高系统的稳定性[10]。赵丽芳把STC89C52单片机作为控制核心，利用C语言程序来控制单片机各个引脚输出的变化，通过PWM调速方法来控制步进电机的转速，通过输出高低电平来改变步进电机的状态，实现了跑步机速度调节和坡度调节的功能。但是由于驱动电机本身就需要一定的电压，而PWM调速范围是有限的，驱动电机需要的电压占据了较多部分的脉冲宽度，所以没有实现多级调速[11]。王寿福对无刷直流电机调速系统进行研究，将神经网络与传统PID结合，由于神经网络有强大的逼近能力，所以通过学习可以确定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分析了跑步机的负载特性，根据永磁同步电机效率高、体积小和噪音低的优点设计了基于模糊控制的跑步机永磁同步电机调速系统，提出对系统的过热保护策略，采用模糊自适应PID控制算法对跑步机性能和稳定性进行优化，降低了运行噪音[13]。QiZhang等人对电动跑步机无刷直流电机驱动控制系统进行研究，为了保证系统的高集成度和高可靠性，他们采用智能电源模块（IPM）和保护模块，要求在低速启动和大负载时，控制周期电流来减小通过电机电枢绕组的平均电流。采用PID控制算法解决了脉冲负载变大时的速度波动问题。具有可靠性高、稳定性好、调速范围广和成本低寿命长等优点[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.KamatchiKannan设计了一种新的基于自适应极限学习机(ELM)神经网络的模糊控制器，应用ABC算法优化的自适应ELM神经模型对模糊PI控制器的输入参数进行调整，并对规则和模糊隶属度函数进行优化。利用优化的自适应ELM神经网络模糊PI控制器对永磁同步电机的转速调节进行了研究[18]。参考文献[1]章杨.适合各类人员的跑步机健身器材[J].质量报告.健身器材[2]KennethJ.HuntandLindsayJamieson.FeedbackControlDuringTreadmillExercise[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology.2008,16(4):624-635.[3]黄永泉,林群,朱善安.基于单片机的直流电动跑步机控制器设计[J].工业控制计算机,2004(05):41-42.[4]刘汉忠,邵群涛.单相串励电动机闭环调速控制器的设计与实现[J].微特电机,2006(12):21-23.[5]李传宝,宫杰,蔡春强.电动跑步机基于重复控制补偿的自适应PID控制[J].机械制造与自动化,2008(05):108-111.[6]李琳,张峰.基于STM32的智能跑步机控制系统设计[J].电子测试,2013(Z1):66-70.[7]倪有源,陈浩,赵亮.基于遗传算法实现单相串励电动机闭环调速[J].微特电机,2014,42(11):63-66.[8]程辉,周洪.基于神经网络PID控制的串励直流电动机调速系统[J].微特电机,2014,42(08):76-79.[9]吴松,莫岳平,周斌欣,谢莉,蒋伟.串励直流电机新型控制方法的研究与设计[J].微特电机,2015,43(10):53-55+59.[10]陈浩,吴定祥,康志远,杨增健,唐立军.单相交流串励电机调速系统设计[J].机电工程,2016,33(12):1483-1487.[11]赵丽芳.基于单片机的跑步机控制器设计[J].电子制作,2017(15):21-22.[12]王寿福.基于BP神经网络PID控制的无刷直流电动机调速系统设计[J].电子技术与软件工程,2016(24):136-138.[13]陈胜新.基于模糊控制的跑步机永磁同步电机调速系统设计[D].中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院),2019.[14]QiZhang,HuiLiangLibinWang.DesignofBLDCMDrivingandControlSystemforMotorizedTreadmill[J].ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonMechatronicsandAutomation.2006:2144-2149.[15]AntonioT.Alexandridis,GeorgeC.Konstantopoulos.ModifiedPIspeedcontrollersforseries-exciteddcmotorsfedbydc/dcboostconverters[J].ControlEngineeringPractice.2014(23):14–21.[16]YogieSanjaya,AhmadFauzi,DhewaEdikresnha,MuhammadMiftahulMunirandKhairurrijal.SinglePhaseInductionMotorSpeedRegulationUsingaPIDControllerforRotaryForcespinningApparatus[J].ProcediaEngineering.2017(170):404–409.[17]YadavDandVermaA.BehaviouranalysisofPMSMdriveusingANFISbasedPIDspeedcontroller[C].20185thIEEEUttarPradeshsectioninternationalconferenceonelectrical,electronicsandco