随着全球经济的迅猛发展，人们对自身的健康状况越来越重视，而有规律的适量运动无疑是健康的重要保证。在现代社会，由于城市人口数量的急剧增长，人口密度越来越大，户外运动存在诸多不便。很多人尤其是脑力劳动者，由于时间和空间的限制较少参与户外体育运动，导致这类人群长期处于“亚健康”状态。因此，在家中或健身房等室内场合利用跑步机进行运动逐渐成为新的运动时尚。

本次设计的目的就是运用稀土永磁无刷直流电机来实现对目前现阶段跑步机劣势的改进，从而达到让跑步机能够更好地为人们对日常生活服务，给人们更好地健康生活方式。

普通直流电机是历史上最早出现的电机，由于它易于实现速度调节和转矩控制，自上世纪三十年代起直流调速系统就开始被应用。随着功率半导体器件的发展以及数字化控制的应用，直流调速系统的快速性、经济型、可靠性不断提高，应用也越来越广泛。然而，普通直流电机由于其复杂的换向问题使其使用环境受限，且很难向高转速、大容量方向发展。因此，人们一方面研究交流调速系统，另一方面尝试采用电子换向装置取代普通直流电机机械换向装置，无刷直流电机应运而生。在 20 世纪 30 年代，有学者开始从事无刷直流电机方面的研究，并取得了一定成果，但是由于受当时功率半导体器件水平的限制，未找到理想的电子换向装置。而后经过人们多年的不懈努力，终于在 1962 年试制成功了借助于霍尔元件实现换流的无刷直流电机。1978 年，商用无刷直流电机正式推出。经历了近50 年的发展，无刷直流电机在理论和应用上都趋于成熟。电力电子技术、稀土永磁材料技术以及计算机技术的飞速发展为无刷直流电机的发展奠定了坚实的基础。

稀土永磁材料的出现对无刷直流电机的发展起着巨大的推动作用。采用稀土永磁体的无刷直流电机除具备前述永磁同步电机的一些优点外，还具有其他一些优越性： （1）稀土永磁无刷直流电机转子磁钢采用高磁能积的稀土永磁材料，使电机的体积和重量明显减轻，有利于电机功率密度的进一步提高。(2) 稀土永磁材料的矫顽力高，剩磁大，可以产生很强的气隙磁场，缩小了转子外径，有利于减小转子转动惯量，从而改善电机的动态性能。同时，在保证一定气隙磁场强度的前提下，可适当加大气隙，以削弱因齿槽效应和电枢反应导致的转矩波动。(3) 稀土永磁材料的磁场定向性好，因而容易实现在气隙中建立近似梯形波的磁场。当与120°导通型三相逆变器配合时，可实现方波驱动，从而有效地减小力矩波动，提高电机的转矩输出能力。此外，电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小，故稀土永磁无刷直流电机更容易满足堵转运行或突然反转等特殊运行场合的性能要求。

由于稀土永磁无刷直流电机具有上述一系列优点，因而在各个行业得到了广泛的应用，特别是对电机重量和体积有较高要求的场合，如航空航天、电动车、工业自动化、家用电器等领域。尤其在第三代稀土永磁材料钕铁硼出现之后，其优越的磁性能和相对较低的价格，展示出稀土永磁无刷直流电机在民用领域的广阔应用前景。无刷直流电机的机械特性类似于普通直流电机，因此可以采用直流调速系统中常用的PWM调压调速方法。另一方面，无刷直流电机本质上是三相交流电机，驱动电路又不同于普通直流电机，通常为三相逆变电路结构，因而其调速实际上是通过PWM调压和三相逆变的配合完成。PWM调制方式的不同会导致电机驱动系统转矩脉动、开关损耗等指标的差异，因而无刷直流电机PWM调制方式的优化成为近年来研究的热点之一。 本次设计的意义就是运用无刷直流电机来对现阶段的跑步机控制进行改进，从而能够减小普通直流电机的不足之处，使跑步机的设计更加完善。

2. 研究的基本内容与方案

目前无刷直流电动机调速系统在电动跑步机上的应用也是研究的一大热点。一方面，无刷直流电动机具有有刷直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等优点;另方而，由于其采用电子换向装置取代了有刷直流电动机的机械换向结构，从而又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点。因此，采用无刷直流电动机调速系统较其它方案具有更高的性价比。而对于电动跑步机系统，由于其要求较大的起动转矩，所以，采用带位置传感器的PWM调速系统是性能较好的方案。对于其具体的实现方案主要有两种，一种是以无刷直流电机专用控制芯片为核心控制单元构成无刷电动机调速系统。最具代表性的是MOTOROLA公司生产的第二代无刷电机控制专用芯片MC33035，它集成了译码、PWM生成、保护等无刷电机控制的诸多功能，组成的系统所需外围电路结构简单，运行可靠，可与同系列芯片MC33039配合构成速度闭环控制，具有较好的调速性能，其不足之处在于调速式单一，无法使用较为复杂的算法。另一种方案是采用高性能的微控制芯片对无刷电机进行控制，控制方式灵活，调速系统具有更高的性能。