摘 要

随着人们生活水平的上升，人们对身体的健康越来越看重。所以在当今人们逐渐形成了一股健身潮，年轻人注重户外打球锻炼、老年人沉迷于广场舞。许多年轻人正在上班，没有很多多余的时间，而且许多运动场地有限，而且户外的污染很严重，因此许多年轻人选择了在室内健身。毕竟室内运动十分方便，不需要挤出大把时间出来，也不受天气的限制。

在户内运动中，许多人选择的都是跑步，跑步相较于其他的室内运动而言十分方便，而且没有门槛，每个人都会。跑步锻炼的部位也十分全面，对人体的心肺功能锻炼、腿的肌肉锻炼等。所以跑步机的需求将会是十分具大的。

本次的设计是一个跑步机运动模块，主要需要该运动模块能够与变频器串口通信，控制主电机的速度调节、启停与紧急制动接收主控制板运动功能配置和运动参数设置等。该运动模块的设计主要使用了PIC16C73芯片作为控制核心，利用IGBT电路作为驱动电路，利用光电感应模块作为速度检测电路，用继电器作为开关控制扬升电机的升或降等基本实现了跑步机的速度的控制，扬升电机的升降。本次的设计前景光明，市场需求大，具有不错的研究价值。

关键词：PIC16C73芯片；跑步机运动模块；PWM；无刷直流电机；IGBT电路

Abstract

As people's living standards rise, people value their health more and more. So in today people gradually formed a fitness tide, young people pay attention to outdoor play exercise, the elderly indulged in the square dance. Many young people are working, don't have much extra time, and many sports venues are limited, and outdoor pollution is very serious, so many young people choose to exercise indoors. After all, indoor exercise is very convenient, do not need to squeeze out a lot of time out, and not subject to the weather.

In indoor sports, many people choose to run, running is more convenient than other indoor sports, and there is no threshold, everyone will. The part of running exercise is also very comprehensive, to the body's cardiopulmonary function exercise, leg muscle exercise and so on. So the need for a treadmill will be huge.

This design is a treadmill movement module, the main need this movement module can communicate with the inverter serial port, control the speed adjustment of the main motor, start and stop and emergency brake receiving the main control board motion function configuration and motion parameters setting. The design of the motion module mainly uses the PIC16C73 chip as the control core, the IGBT circuit as the driving circuit, the photoelectric induction module as the speed detection circuit, and the relay as the switch to control the lift or drop of the lifting motor, which basically realizes the speed control of the treadmill and the lifting motor. This design prospect is bright, the market demand is big, has the good the value of research.

Key Words：PIC16C73 chip; treadmill exercise module; PWM;BLDC ; IGBT circuit

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2 国内外现状及发展情况 1

1.3论文主要内容 3

第2章 跑步机运动模块方案设计 4

2.1无刷直流电机简介 4

2.1.1无刷直流电机工作原理 4

2.1.2无刷直流电机的基本结构 4

2.1.3无刷直流电机数学模型 5

2.2控制系统总体方案设计研究 6

2.2.1控制系统总体方案 6

2.2.2控制结构 7

2.3控制技术 8

2.3.1调速原理 8

2.3.2电枢电压调节 8

2.3.3PWM相关技术 10

第3章 硬件电路设计.........................................................................................12

3.1电路设计总体框图 12

3.2 PIC16C73芯片 12

3.3 跑步机运动控制模块的硬件设计 13

3.3.1电源电路 13

3.3.2 A/D转换模块电路 13

3.3.3存储器电路 14

3.3.4IGBT驱动电路 15

3.3.5电流采样 16

3.3.6扬升马达控制 17

第4章 系统软件设计 18

4.1编程语言及开发环境 18

4.2系统程序设计 19

4.2.1主程序 19

4.2.2子程序的初始化 21

4.2.3 PWM波形生成模块 22

4.2.4定时器中断模块 23

4.2.5电机保护中断模块 24

第5章 结束语 26

参考文献 27

致谢 29

附录A：硬件电路图...........................................................................................30

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

直流电机有着良好的启停功能，调速方面也十分平滑，但是因为电刷等问题，所以限制了它的发展空间；而交流电机的优点是结构十分的简单，运行速度稳定，适用与容量大、转速高的调速系统，但是它的启停和调速却远不及直流电机好，所以使得它的应用范围再次受到制约^[1]。

所以人们则希望有一种电机能将直流电机和交流电机的优点结合起来。随着技术的发展，特别是大功率电子器件的不断更新，这个条件逐渐得以实现。一种新型电机——BLDC（直流电机）进入人们的视野，传统的机械换相被电子换相所取代。

BLDC有着交流电机和直流电机所拥有的各种优点，它最大的特长就是：电枢轴十分的长，使得用来进行速度检测的脉冲发生器和推力轴接头容易安装上去。转子直径比直流与交流电机的直径都要小，轴长也比它们要长一些，这些设计都是为了适应转子的高速旋转。电枢槽必须要设计得多一些，这样的话散热效率才会高。检查口必须做的大一点，方便对换向器片、电刷等进行定期的检查和维护。同时电刷的预紧压力要高一点，防止因为震动而引起电刷的误动作。目前，国内外对BLDC的定义是在工作磁场内产生跳跃式旋转磁场（例如方波）的永磁电机，产生180°导通型正弦波的永磁电机则为自控式永磁同步电机（PMSM）。这二种电机虽然基本结构相同，但是他们的工作运行原理截然不同^[2]：

直流电机的转子位置传感器采用霍尔器件，力矩脉动大，精度差，适用于功率低速度单一且不精密的稳定的控制系统；