电动跑步机的设计毕业论文

跑步机的主要运动区域就是跑道，跑带的运动方向与跑步者的运动是相反的，想要保持运动状态需要跑步者的速度保持一致，达到在 跑步机 上原地锻炼的目的。多功能自动跑步机主要由机架、电动机、可调电源、跑步皮带及仪表控制盘组成，使您在繁忙的工作之余仍然可以尽享运动的乐趣。 机械设计原理 ： 框架与支架垂直连接，前轴与后轴分别装在框架的两端，前滚筒与后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，跑步皮带张紧绕装在前后滚筒上，跑步皮带下装有支撑跑步板，从动皮带轮紧装在前滚筒的一端，电动机、可调电源，安装在框架的前端，控制传感器装在电动机上，速度传感器安装在紧靠在从动皮带轮的框架上，皮带调节螺栓一端连接在电动机外 壳的孔板上，另一端连接在焊接于框架前端的孔板上，跑步机扶手架安装于支架的顶端，仪表控制盘安装于扶手架上。传动方式采用带传动机构，传动级为一级。同时在支架上安有扭腰盘和伏地挺身架使机器实现其多功能性。 外部框架的设计： 为了保证整个系统的稳定性和减震系统的有效性，基架全部采用焊接结构。基架的设计是整个设计的基础，也是其他设计的基准。支架，滚筒的选择，以及前后ABS塑料罩等等，都是依据基架的尺寸和形状设计的，所以设计开始首先考虑基架的设计，进行样式，结构，还有尺寸的确定 1.支架设计分为上下两部分通过插拔的形式安装和拆卸，目的是包装时节省空间，材料采用空心钢管，连接为焊接，保证稳定性。支架包括扶手，仪表安装  2.辅助支架，扭腰盘连接处等，仰卧起坐架直接焊接于辅助连杆上。与基架的连接采用螺栓连接，方便位置的调整和拆装。底部安有橡胶垫和尾套，保证平衡，重要的是实现减震的二级缓冲。滚筒轴的要求： 1.轴与轴上零件应具有准确的工作位置——定位要求 2.轴上零件应易于装拆和调整——安装调整要求 3.轴上零件的固定应牢固可靠——紧固要求 4.轴应具有良好的制造工艺性——工艺要求 5.应尽量减少应力集中——提高疲劳强度的要求 轴的材料要求： 轴常在交变应力的作用下工作，其材料的要求是：强度高、刚度好、应力集中的敏感度小，抗疲劳，加工性能好，有的轴表面要求也较高。轴的材料主要采用中碳钢35或45钢和 合金钢20Cr或40Cr等。 跑步带的设计： 跑带要求双层粘合跑带，具有高传导性，跑步带国际防滑型，运动时安全可靠跑步机，其实就是提供一个跑步的面积，所以绝对要在乎跑步带面积的大小，左右宽度及前后长度 都要够，否则无法自然迈开步伐，跑起来弯扭不顺畅，更容易跌倒。 减震的设计： 跑步的头等大事就是要保护好膝盖———跑步鞋具有缓冲减震的效果就是这个道理。使用跑步机比起在户外路跑的好处是：跑步机它提供了避震效果，大量消除每一步伐的反作 用冲击力，保护了膝盖关节。跑步机的避震方式采用具弹性的橡胶垫将跑台和底座框架垫隔开，使跑台成悬吊状态，进而产生吸收震动的功能而达到避震的效果。因此避震效果 是否可以有效的展现发挥，完全得看跑步机的基座结构是否牢靠稳固。所以采用了足够牢固的钢材规格，结构撑架以焊熔连接，没有采用螺栓，在基座结构上再加上橡胶垫和橡 胶尾套，使整个基架又对力产生一个缓冲，实现二级缓冲。 自动跑步机可以消除关节因为路跑而带来的损伤，对于一些恢复身体机能的人来说也可作为辅助训练设备。另外，由于自动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，使用者还可体 验不同的跑步环境。

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。

电动跑步机是通过电机带动跑带使人以不同的速度或坡度被动的跑步或走动以体验不同的跑步环境,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,这样与陆地上相比,可以减小运动强度,提高运动量,比陆地多跑1/3的路程,这对于提高使用者的心肺功能、肌耐力以及减肥都具有非常好的效果。因此,跑步机也深受广大健身爱好者的欢迎,是一种最好的有氧运动方式。这类产品是一种模拟跑步、散步运动的健身器材设备。跑步和散步属于全身性有氧代谢运动。跑步机系列主要有主动性跑步机和被动性跑步机两大类。1、主动式跑步机是依靠人体为动力而进行主动性跑步的跑步机，是以锻炼者自身的肌肉收缩作为能源，人停止运动，器械亦停止转动。因此，主动性跑步机（跑步台）相对比较安全。按其健美功能数量可分为单功能和多功能两种；按其跑道结构可分为滚筒式、平板式和综合式，目前处于淘汰的状态。2、被动性跑步机又称为电动跑步机，它一般属于电脑程控式，功能单一，豪华高档，价格偏贵。其动力是电源，调节电动机转速的快慢，通过多楔皮带将力量传递到前后滚筒，再通过前后滚筒使跑步带运动起来，人在跑步带上跑动。由于人的运动属于被动运动，因此，如人的速度一旦低于机器的运转速度，人就有可能从跑台上摔下来。

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