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。

1、承载量不同，人体重量越大对跑步机造成的压力和损伤也越重。家用跑步机的承载量一般在120公斤以内，所以如果家中有体重超标的购买跑步机时就要多关注承载量了；商用跑步机的承载量比家用跑步机要大，能满足大部分顾客的运动需求。

2、家用跑步机一般采用的是直流电机，而商用跑步机采用的则是交流电机。在跑步机运作过程中，交流电机的功率要比直流电机的功率大，也就是说商用跑步机的功率比家用跑步机的大，这样在相同作用力下，商用跑步机受到的损伤要比家用跑步机的小。

3、马达的性能不同，家用跑步机的马达性能差于商用跑步机的马达性能。

4、材料不同，商用跑步机的钢管要比家用的要厚。

1、15匹为设备的功率。 2、功率=电压电流 3、由2式可看出电压和电流无论谁大谁小只要它们的乘积等于功率，设备就可正常运行。4、成品设备其使用电压是一定的，请仔细阅读使用说明书。5、一般来说这种设备使用220V交流电源，设备中自带降压整流电器、电子元件。

一、选购跑步机时，需要考虑很多因素，除机型、马力、大小与价格外，质量也是个重要因素。一般来说，判断跑步机的质量是否合格，可以参考以下五个方面：

1、控制面板是否正常

现在跑步机都是智能化的，所以控制面板对于一台跑步机来说，是非常重要的，一些质量不好的跑步机，控制器在使用的时候很容易失灵，控制器失灵就容易对运动者带来一些危害。

2、运行是否平顺、有无静音效果

如果在现场，可以让商场导购员把跑步机开关打开，去感受一下跑步机的跑步带在运行的时候是否非常平稳、顺畅，特别是噪音大不大，一般质量较好的马达，在运行的时候声音是比较轻的。

3、跑带是否打滑

当跑步机运动起来的时候，可以试着上去跑一下，感受一下跑步带在运动的时候会不会打滑，或者突然的中断，如果有此类现象，就不建议购买了。

4、跑步机面积是否够用

在看跑步机的时候，不要忘了看踏板面积大不大，适不适合自己，最好上去跑一下，感觉一下空间够不够，别不别扭。毕竟跑步机每天都要用，空间小了会非常不舒服。

5、扶手是否顺手

一般在跑步机上面运动的时候，会用到扶手，扶手可以增加运动的安全性，如果跑步机的扶手不牢固或者不舒适，那么对于使用都会带来不便，因此需要试运行体验一下，以达到最好的使用效果。

二、跑步机的承载量

1、在选购跑步机的时候，一定要关注跑步机的最大承重量，要选择能够承载体重的跑步机。如果使用者体型比较高大，那么需要注意购买的跑步机最大承受的重量一定不要超出使用者的体重，不然，跑步机在日后使用的过程中会经常出现故障问题的。

2、跑步机承载量与马达的关系：

跑步机的承载量主要看电机马达性能大小，一般用几匹来表达，一匹马力的跑步机电机马达最大承受50-60公斤的重量；电机马力就在15-2匹之间的跑步机最大承载重量可以达到120公斤左右，当然，这里说的电机马力是指直流电机情况下。像健身房的里面的跑步机大多使用的是交流电机，同样一匹马力的跑步机要比家用跑步机的功率要大一些，也就是说，健身房里的跑步机一匹马力最大承载要大于50或者60公斤。

楼主：落伍了吧，现在还用直流跑步机，现在变频跑步机已经上市了，变频跑步机是交流跑步机，相对直流跑步机而言，更安全，更节能，寿命更长，现在各个健身会馆用的可都是变频跑步机啊，推荐你看看赛玛跑步机，很适合家用的有非直流跑步机。