PWM技術的電動跑步機電源設計分析

　　摘要：介紹了一種電動跑步機上使用的開關電源設計，采用TL494作為脈沖寬度調制芯片，并在cPu的配合下進行速度的閉環控制，實現了直流電機的調速，同時還設計了過熱、過流等保護電路，本設計的電源具有電路簡單、性能可靠等特點。

　　0 引言

　　中國經濟與世界的不斷接軌，使中國臺灣這個原先在電動跑步機行業一直處于壟斷的地位，慢慢地被國內大陸的電跑廠家所削弱。據2006年、2007年成都體育產品博覽會的不完全統計，國內有100家以上生產電動跑步機的企業。在電動跑步機產品中，家用跑步機占據了的市場份額，而家用跑步機以性能實用、價格價廉的特點決定了跑步機的傳動采用小功率的直流電機，由于直流電機的速度與電樞的輸出電壓成正比，因此，電機的調速問題實際上成了直流電源的設計問題。

　　近年來，隨著新型電力電子功率器件的不斷出現，直流電機的控制方式發生了較大的變化。采用全控型的開關功率元件進行脈沖寬度調制（pulse width modulation，簡稱PWM）已成為直流電機主要的調速方式之一。這種調速方法具有開關頻率高、低速運行穩定、動態性能優良、效率高等優點。

　　1 電源系統設計

　　本設計的跑步機電源控制對象是直流電機，目的是實現電機轉速的控制，簡要的工作原理是市電經全橋整流、濾波后實現AC／DC轉換，然后采用功率場效應管作為主開關元件，通過TL494來控制功率場效應管的通斷時間，從而控制電機的電樞電壓來實現轉速的控制。

　　1）主電路設計

　　我們設計的電源主電路見圖1所示。設計采用4個整流二極管6A10構成整流橋，再經過電容C1的濾波，實現AC／DC的轉換。然后通過PWM控制器電路送來的PWM信號控制功率場效應管IRFP460的通斷，來改變直流電機電樞上的電壓。圖中Rq為電流保護的取樣電阻，該電阻的壓降直接反映了主回路電流的大小，觸點J1一1為電動跑步機啟動運行后閉合。

　　2）控制電路

　　控制電路包括PWM信號產生電路和異常時的過流、過熱保護電路組成。

　?。?）PWM信號的產生

　　根據TL494的應用資料，鋸齒波的頻率可由公式計算如下：

　　式（1）中Rt和Ct取值參考范圍：

　　Rt=5～lOOkΩ，Ct=0．001～0．1μF，根據后級功率場效應管推薦的開關頻率l5kHz，本設計中Rt取7．5kΩ，Ct取0．01μF。由TL494產生PWM信號的電路如圖2所示。

　　系統中將誤差放大器、控制放大器并聯使用，放大器的同相端輸入的是速度給定信號，反相端輸入的是速度反饋信號，形成閉環控制；2、3腳之間接入的是阻容校正；13腳接地，使TL494不使用推挽型輸出，此方式下內部的觸發器不起作用，兩路輸出相同的PWM信號，且頻率與鋸齒波振蕩頻率相同。

　　接到TL494上的速度給定信號是由單片機根據用戶在面板上的操作而產生的數字脈沖信號經變換后生成的模擬信號；而速度反饋信號是通過光電傳感器的數字脈沖信號獲得的，該光電傳感器是加裝在與電機同軸的碼盤上，其脈沖頻率直接反映電機的轉速，同樣該數字脈沖信號也變換成模擬信號，關于數字脈沖到模擬電路的轉換電路，因篇幅問題不再贅述。

　?。?）保護電路

　　對電機的保護一般包括過壓、欠壓、過流、過熱等，考慮現場的實際情況和控制產品成本等諸多因素，設計了比較重要的過熱保護和過流保護功能，具體的保護電路如圖3所示。

　　圖l中主回路上的電流取樣電阻Rq，其值大小根據不同功率的電動跑步機要求的限流值來決定，實際使用時選用不同長度的康銅絲。Rw為熱敏電阻，其導熱部分用直徑φ3螺絲與功率場效應管緊固在一起，我們采用的是負溫度系統的RT338006，其在25℃的電阻值為lOkΩ，在60℃的電阻值為3．02kΩ。

　　在正常情況下，主回路上的電流只有2A左右，反映電流信號的電壓不足以使VT1導通，而在正常情況下熱敏電阻Rw的阻值大于R10，比較器B的同相端電壓小于反相端電壓，輸出為低電平；比較器A的反相輸入端的電壓大于同相輸入端的電壓，輸出也為低電平。因此，三極管VT2截止，TL494輸出的PWM信號通過VT3，VT4去控制功率場效應管的通斷，從而控制電機的轉速。

　　當過流情況發生時，Rq上的壓降增大到VT1導通時，比較器B的反相輸入端電壓下降到接近0V，此時同相輸入端的電壓高于反相輸入端，輸出高電平，使VT2導通，從而將TL494輸出的PWM信號封鎖，功率場效應管截止，電機失電，實現電機保護。實際上當過流發生時，Rq上壓降增大的同時其值也反映到了比較器A的同相端，而此時VT1的導通還導致了比較器A反相端電壓的降低，這樣的效果也使得比較器A輸出高電平，該信號同樣通過后面的或門確保了VT2的導通，因此從電路的形式上看過流保護實現的是雙重保護。

　　對于過熱保護來說，一旦功率場效應管過熱時，熱敏電阻溫度也隨之升高，當熱敏電阻阻值小于3kΩ（約60℃）時，比較器B的同相輸入端電壓大于反相輸入端的電壓，比較器輸出高電平，同樣將TL494輸出的PWM信號封鎖，使電機失電而實現保護。

　　2 結束語

　　本文設計的電動跑步機電源，具有調速方式簡單、電路結構簡單、成本低廉等特點，同時電源還具有過流、過熱等保護措施。三年來，該電源經過國內多家電跑廠家的配套使用，客戶反映電機運轉平穩，保護性能可靠，是比較理想的小功率直流電機的控制電源，具有較好的使用價值。