电动跑步机的工作原理、内部结构？！

摘要：介绍了一种电动跑步机上使用的开关电源设计，采用TL494作为脉冲宽度调制芯片，并在cPu的配合下进行速度的闭环控制，实现了直流电机的调速，同时还设计了过热、过流等保护电路，本设计的电源具有电路简单、性能可靠等特点。

关键词：跑步机电源；脉宽调制；保护电路

0 引言

    中国经济与世界的不断接轨，使中国台湾这个原先在电动跑步机行业一直处于垄断的地位，慢慢地被国内大陆的电跑厂家所削弱。据2006年、2007年成都体育产品博览会的不完全统计，国内有100家以上生产电动跑步机的企业。在电动跑步机产品中，家用跑步机占据了最大的市场份额，而家用跑步机以性能实用、价格价廉的特点决定了跑步机的传动采用小功率的直流电机，由于直流电机的速度与电枢的输出电压成正比，因此，电机的调速问题实际上成了直流电源的设计问题。

    近年来，随着新型电力电子功率器件的不断出现，直流电机的控制方式发生了较大的变化。采用全控型的开关功率元件进行脉冲宽度调制(pulse width modulation，简称PWM)已成为直流电机主要的调速方式之一。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点。

1 电源系统设计

    本设计的跑步机电源控制对象是直流电机，目的是实现电机转速的控制，简要的工作原理是市电经全桥整流、滤波后实现AC／DC转换，然后采用功率场效应管作为主开关元件，通过TL494来控制功率场效应管的通断时间，从而控制电机的电枢电压来实现转速的控制。

    1)主电路设计

    我们设计的电源主电路见图1所示。设计采用4个整流二极管6A10构成整流桥，再经过电容C1的滤波，实现AC／DC的转换。然后通过PWM控制器电路送来的PWM信号控制功率场效应管IRFP460的通断，来改变直流电机电枢上的电压。图中Rq为电流保护的取样电阻，该电阻的压降直接反映了主回路电流的大小，触点J1一1为电动跑步机启动运行后闭合。

    2)控制电路

    控制电路包括PWM信号产生电路和异常时的过流、过热保护电路组成。

    (1)PWM信号的产生

    根据TL494的应用资料，锯齿波的频率可由公式计算如下：

        式(1)中Rt和Ct取值参考范围：

    Rt=5～lOOkΩ，Ct=0．001～0．1μF，根据后级功率场效应管推荐的开关频率l5kHz，本设计中Rt取7．5kΩ，Ct取0．01μF。由TL494产生PWM信号的电路如图2所示。

    系统中将误差放大器、控制放大器并联使用，放大器的同相端输入的是速度给定信号，反相端输入的是速度反馈信号，形成闭环控制；2、3脚之间接入的是阻容校正；13脚接地，使TL494不使用推挽型输出，此方式下内部的触发器不起作用，两路输出相同的PWM信号，且频率与锯齿波振荡频率相同。

    接到TL494上的速度给定信号是由单片机根据用户在面板上的操作而产生的数字脉冲信号经变换后生成的模拟信号；而速度反馈信号是通过光电传感器的数字脉冲信号获得的，该光电传感器是加装在与电机同轴的码盘上，其脉冲频率直接反映电机的转速，同样该数字脉冲信号也变换成模拟信号，关于数字脉冲到模拟电路的转换电路，因篇幅问题不再赘述。

    (2)保护电路

    对电机的保护一般包括过压、欠压、过流、过热等，考虑现场的实际情况和控制产品成本等诸多因素，设计了比较重要的过热保护和过流保护功能，具体的保护电路如图3所示。

    图l中主回路上的电流取样电阻Rq，其值大小根据不同功率的电动跑步机要求的限流值来决定，实际使用时选用不同长度的康铜丝。Rw为热敏电阻，其导热部分用直径φ3螺丝与功率场效应管紧固在一起，我们采用的是负温度系统的RT338006，其在25℃的电阻值为lOkΩ，在60℃的电阻值为3．02kΩ。

    在正常情况下，主回路上的电流只有2A左右，反映电流信号的电压不足以使VT1导通，而在正常情况下热敏电阻Rw的阻值大于R10，比较器B的同相端电压小于反相端电压，输出为低电平；比较器A的反相输入端的电压大于同相输入端的电压，输出也为低电平。因此，三极管VT2截止，TL494输出的PWM信号通过VT3，VT4去控制功率场效应管的通断，从而控制电机的转速。

    当过流情况发生时，Rq上的压降增大到VT1导通时，比较器B的反相输入端电压下降到接近0V，此时同相输入端的电压高于反相输入端，输出高电平，使VT2导通，从而将TL494输出的PWM信号封锁，功率场效应管截止，电机失电，实现电机保护。实际上当过流发生时，Rq上压降增大的同时其值也反映到了比较器A的同相端，而此时VT1的导通还导致了比较器A反相端电压的降低，这样的效果也使得比较器A输出高电平，该信号同样通过后面的或门确保了VT2的导通，因此从电路的形式上看过流保护实现的是双重保护。

    对于过热保护来说，一旦功率场效应管过热时，热敏电阻温度也随之升高，当热敏电阻阻值小于3kΩ(约60℃)时，比较器B的同相输入端电压大于反相输入端的电压，比较器输出高电平，同样将TL494输出的PWM信号封锁，使电机失电而实现保护。

2 结束语

    本文设计的电动跑步机电源，具有调速方式简单、电路结构简单、成本低廉等特点，同时电源还具有过流、过热等保护措施。三年来，该电源经过国内多家电跑厂家的配套使用，客户反映电机运转平稳，保护性能可靠，是比较理想的小功率直流电机的控制电源，具有较好的使用价值。

跑步机中，一般是用变频器，高端的跑步机，是用伺服的。

要给跑步机配滤波器，需要配变频器，或者是伺服专用的滤波器。

需要知道以下几个参数：

第一，电源是单相的还是三相的，电压等级是多少？比方说220V，还是380V的。

第二，就是要知道其额定电流是多少？

一般来讲，只能以上两点，专业的供应商，就能帮您选型了。

可以

马达里面还有一个控制器，它是进行定速的

答：跑步机没有琢磨过，不知道电机电压与功率多少，如果电压是220VDC，配一个单相整流桥（2A的模块）就可以的，输入端直接接220VAC，输出端为220×09=198VDC接电机；如果电压是110VDC，配一个单个整流二极管（2～4A），交流火线接二极管的正极，二极管的负极与电源的零线为,输出端直流电压=220×045=99VDC，直接接电机。就OK，

不用变压器的，

但由于直流电压均偏低，所以跑步机不要连续的长期工作，连续工作2小时肯定不会有问题的。

直接用不可以，因为调速电机不是一个整体，电机独立全速运行，输出是电磁离合传动，通过调整电磁的大小 ，可以改变输出的转速。变频器是对电机直调速，但是没有传动磁场，就没有输出，从动转轴不会跟随电机运转，应急可以给传动线圈送个30-70伏的直流电压， 让传动磁场联动，这样就可以用变频器调速了。

电机调速器：分为交流电电机调速器、直流电电机调速器。普通电机也分为交流电电机，直流电电机。交流电调速器只能用于交流电电机，不能混淆乱用，否则不是烧毁电机就是损坏调速器。谢谢

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。由于被动地形成跑和走，从动作外形上看，几乎与普通在地面上跑或走一样，但从人体用力上看，在电动跑步机上跑、走比普通跑、走省去了一个蹬伸动作。正是这一点使每一个在电动跑步机上走跑的人感到十分轻松自如，可使人比普通跑步多跑1/3左右的路程，能量消耗也比普通走、跑为多。另外，由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，可体验不同的跑步环境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、变速跑等，您可根据您的锻炼目的进行选择。

直流电机（DC），直流电机比较安全，不用经常维护，噪音比交流小，输出稳定。一般适用于家用跑步机。直流电机不适合长时间运转，不过正常的家庭，每人跑1小时，也就是说连续工作4小时，还是没有问题的。 交流电机（AC），可持续长时间运转，输出强劲有力，但需要定期维护，声音偏大。一般适用于工业用途或者健身房的商用跑步机，目的是能够长时间的持续运转。 一般家庭使用的跑步机，基本都是直流电机。 再来说说马达的马力（HP，Horse Power），就是电机的额定功率。1HP大概等于735瓦。市面上的家用跑步机，一般是15HP、175HP、2HP、25HP、3HP左右。不过这个HP数值不一定是跑步机运行时的实际马力。 一般会有两种标识，HP和CP。

　　电动跑步机的动力来自电动马达，就是电机，跑步机专用马达有直流和交流两种，一般来说交流马达更皮实耐用。马达功率越大，跑步机的动力越强劲，家用的2匹左右，商用的4匹左右。很多跑步机通过变频器来控制马达转速实现调节跑步时的速度变化，变频器的控制按键被转换到跑步机控制面板上。跑步时的各种参数如消耗的热量、距离、速度等可以称为跑步机的显示系统，这些数据来自对马达转速的监控，然后转换成各种参数。再有就是跑步机的传动系统，马达通过传动带带动跑步机前端的滚轴，前滚轴通过跑带与后滚轴相连，实现跑带的运转，跑带下面是一块光滑的跑板，跑板用来支撑人的体重。为了提高跑步机的减震效果，跑板的前端要加装减震配件，可以使橡胶垫，也可以是减震弹簧。以上配件都要被固定在跑步机的钢架结构上。

　　电动跑步机通过电机带动跑步带，使人以不同的速度或坡度被动的跑步或走动，运动的舒适性大大改善，而且避免了在室外运动因天气、环境等不利因素对运动者的身体影响，降低发生运动伤害的可能性。人在电动跑步机上跑动或走动是一项全身性的运动方式，因其运动方式几乎没有蹬伸动作，与在陆地上运动相比，可以减小运动强度，提高运动量，对于提高使用者的心肺功能、肌体耐力以及脂肪消耗都具有非常好的效果。在相同的运动强度下，电跑较之其他常见的有氧运动器材，诸如健身车、划船器、登山机等，每小时可多消耗40％的热量。电动跑步机通过集成的电子设备及控制系统还可以方便地记录运动者运动距离、耗费的时间、消耗的热量等运动数据，心率测试功能可以准确显示出运动者当前的心率，更加科学、安全的进行锻炼。因此，电动跑步机是一种兼具运动生理学、人机工程学和精密机电一体化等多种技术的高科技产品，在电动跑步机上跑步或走动是最好的有氧运动方式之一。