一种多重保护跑步机电机控制器
阅读说明：本技术 一种多重保护跑步机电机控制器 (Multiple protection treadmill motor controller ) 是由 王建军 何亚 张洪耿 于 2021-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明为一种多重保护跑步机电机控制器,其从软件和硬件两个方向同时对电机控制器做出全面的保护管理机制；避免因为电机驱动功率器件失效,导致的跑步机暴冲失速和/或控制器部件大面积损坏；最大限度的保证控制器的使用寿命。电机调速单元包括AC输入电路、继电器控制电路、工频整流电路、滤波电路、电机、功率开关管、电流检测电阻等部分组成,用于为电机供电并根据主控MCU的命令和电机保护单元的硬件反馈调整工作状态；主控MCU接收电机保护单元上报的信息且根据上报的信息对电机进行调控；电机保护单元用以对电机调速单元进行监测,当监测到发生异常时采取相应的保护措施,并将监测结果上报至主控MCU进行分析出处理并上报给上位机显示。(The invention relates to a multiple protection treadmill motor controller, which simultaneously makes a comprehensive protection management mechanism for the motor controller from two directions of software and hardware; the sudden rush and stall of the treadmill and/or the large-area damage of controller parts caused by the failure of a motor driving power device are avoided; the service life of the controller is ensured to the maximum extent. The motor speed regulation unit comprises an AC input circuit, a relay control circuit, a power frequency rectifying circuit, a filter circuit, a motor, a power switch tube, a current detection resistor and the like, and is used for supplying power to the motor and regulating the working state according to the command of the master control MCU and the hardware feedback of the motor protection unit; the main control MCU receives the information reported by the motor protection unit and regulates and controls the motor according to the reported information; the motor protection unit is used for monitoring the motor speed regulation unit, taking corresponding protection measures when monitoring that the motor speed regulation unit is abnormal, reporting the monitoring result to the main control MCU for analysis and processing, and reporting the monitoring result to the upper computer for display.)
技术领域
本发明涉及电机控制器领域，特别是一种多重保护跑步机电机控制器。
背景技术
传统的直流跑步机控制器都是采取单一软件控制或单一硬件控制的方式进行限流保护，这种限流保护方式不能有效保护跑步机控制器，如果发生电机驱动功率器件失效，容易导致跑步机暴冲失速和/或控制器部件大面积损坏，一方面会导致使用者摔倒甚至造成人身伤害，另一方面会大大缩短控制系统和跑步机的使用寿命。
发明内容
本发明为一种多重保护跑步机电机控制器，通过对检测采样电阻电流、功率开关管电压、电机电流的检测判断，从软件和硬件两个方向同时对电机控制器做出全面的保护管理机制；避免因为电机驱动功率器件失效，导致的跑步机暴冲失速和/或控制器部件大面积损坏；最大限度的保证控制器的使用寿命，使跑步机能够在标准使用寿命内始终保持转动顺畅、不失效。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种多重保护跑步机电机控制器，包括：
电机调速单元、电源、主控MCU以及电机保护单元；其中：
所述电机调速单元，包括AC输入电路、继电器控制电路、工频整流电路、滤波电路、电机、功率开关管、电流检测电阻，所述电机调速单元用于为电机供电并根据所述主控MCU的软件命令和所述电机保护单元的硬件反馈调整所述电机的工作状态；
所述电源，包括AC-DC开关电源和辅助电源，一方面给控制器功能模块提供电源，另一方面还给上位机提供必要电源需求；
所述主控MCU，一方面接收上位机指令所述电机保护单元上报的信息，另一方面根据所述电机保护单元上报的信息对所述电机进行调控；
所述电机保护单元，所述电机保护单元用以对所述电机调速单元进行监测，当监测到所述电机调速单元发生异常时采取相应的保护措施，并将监测结果上报至所述主控MCU。
进一步的，所述电机保护单元包括控制器过流、限流保护单元，控制器功率开关管短路保护单元，控制器电机短路保护单元中的至少一组。
进一步的，所述AC输入电路的输出端依次与所述AC-DC开关电源和所述辅助电源连接后，接入所述主控MCU。
进一步的，所述控制器过流、限流保护单元，其用于监测所述电机工作电流，当电机电流过高时采取保护措施，并将监测到的结果输送至所述主控MCU；
所述控制器功率开关管短路保护单元，其用于监测所述电机调速单元中功率开关管的状态，当所述功率开关管短路时采取保护措施，并将监测到的结果输送至所述主控MCU；
所述控制器电机短路保护单元，其用于监测所述电机状态，当所述电机发生短路时采取保护措施，并将监测到的结果输送至所述主控MCU。
进一步的，所述电机调速单元包括顺次信号连接的AC输入电路、继电器控制电路、工频整流电路(3)、滤波电路、电机、功率开关管、电流检测电阻(7)；所述电流检测电阻一端接入所述电机调速单元，另一端接地；所述功率开关管的漏极与所述电机连接，源极与所述电流检测电阻的一端连接，栅极接入所述电机保护单元；所述主控MCU的输出端与所述继电器控制电路的输入端信号连接。
进一步的，所述控制器过流、限流保护单元包括电机过流保护电路和驱动、电机限流检测控制电路；所述电机过流保护电路的输入端与所述功率开关管的源极连接，输出端与所述主控MCU输入端连接；所述驱动、电机限流检测控制电路一方面驱动控制所述功率开关管的栅极，另一方面采集所述功率开关管的源极信号，所述驱动、电机限流检测控制电路与所述主控MCU双向信号连接。
进一步的，所述控制器功率开关管短路保护单元包括开关管短路保护电路和驱动、电机限流检测控制电路；所述开关管短路保护电路输入端接入所述电机和所述功率开关管之间，输出端分为两路，一路与所述主控MCU的输入端连接，另一路与所述继电器控制电路信号连接；所述驱动、电机限流检测控制电路驱动控制所述功率开关管的栅极，所述驱动、电机限流检测控制电路与所述主控MCU双向信号连接。
进一步的，所述控制器电机短路保护单元包括开关管短路保护电路、电机短路保护电路和驱动、电机限流检测控制电路；所述电机短路保护电路输入端接入所述电流检测电阻和所述功率开关管之间，输出端分为两路，一路与所述驱动、电机限流检测控制电路输入端连接，另一路与所述开关管短路保护电路的输入端连接，所述开关管短路保护电路的输出端分为两路，一路与所述主控MCU的输入端连接，另一路与所述继电器控制电路信号连接；所述驱动、电机限流检测控制电路驱动控制所述功率开关管的栅极，所述驱动、电机限流检测控制电路与所述主控MCU双向信号连接。
进一步的，所述电机过流保护电路包括比较器U6C、电阻R201、电阻202、电阻R123、三极管Q201；
所述比较器U6C的反向输入端接入参考电压，正向输入端接入所述电机的电流；所述比较器的输出端与所述电阻R201连接后接入所述三极管Q201的基极，所述三极管Q201的集电极与所述电阻R202串联后接入到+5V电源，所述三极管Q201的发射极接地；所述电阻R123的一端与所述三极管Q201的集电极连接，另一端接入所述主控MCU。
进一步的，所述开关管短路保护电路包括比较器U6A、比较器U6B、电阻R20、电阻R55、电阻R56、电阻R57、电阻R58、稳压二极管D26；
功率开关管驱动信号经所述电阻R20后接入所述稳压二极管D26的负极，所述稳压二极管D26的正极接地；所述比较器U6A的反向输入端接入到所述电阻R20和所述稳压二极管D26之间；所述比较器U6A的正向输入端接入参考电压；所述比较器U6A的输出端接入所述比较器U6B的反向输入端；所述比较器U6B的正向输入端接入参考电压；所述比较器U6B的输出端分为三路，第一路与所述电阻R56连接后接入+15V电源，第二路与所述电阻R57连接后接入所述主控MCU，第三路与所述电阻R58连接后再与所述电机短路保护电路连接，所述电阻R55一端接入所述比较器U6B与所述电阻R57之间，另一端接入所述继电器控制电路。
进一步的，所述电机短路保护电路包括电阻R71、电阻R69、电阻R73、电容C68、比较器U6D；
所述电阻R69一端接入+5V电源，另一端与所述电容C68连接后接地；电机电流经所述电阻R71后接入至所述电阻R69与所述电容C68之间，再接入所述比较器U6D的反向输入端；参考电压接入所述比较器U6D的正向输入端；所述比较器U6D的输出端分为三路，第一路与所述电阻R73连接后接入+15V电源，第二路与所述开关管短路保护电路的电阻R58连接，第三路与所述驱动、电机限流检测控制电路连接。
进一步的，所述驱动、电机限流检测控制电路包括比较器U9A、比较器U9B、比较器U9C、比较器U9D、电容C62、电容C63、电容C65、电阻R72；
所述比较器U9B的正向输入端输入所述电机的电流，反向输入端输入参考电压，所述电容C63一端接地，另一端接入所述比较器U9B的反向输入端，所述比较器U9B的输出端接入所述比较器U9A的反向输入端，所述比较器U9A的正向输入端输入参考电压，所述比较器的正极接入+15V电源，负极接地；所述比较器U9A的输出端分为两路，一路接入所述比较器U9D的正向输入端，另一路与所述电机短路保护电路中所述比较器U6D的输出端连接；所述电容C62一端接地，另一端接入所述比较器U9A的正向输入端；所述电容C65跨接在所述比较器U9A的负极和输出端之间；
所述比较器U9C的正向输入端输入参考电压，反向输入端与所述电阻R72串联后接入主控MCU PWM I/O接口；所述比较器U9C的输出端接入所述比较器U9D的正向输入端，所述比较器U9D的反向输入端输入参考电压；所述比较器U9D的输出端接入所述功率开关管栅极。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
一、本发明多重保护功能跑步机控制器克服现有跑步机控制器单一限流保护控制器的缺点，提供一种包括功率开关管短路保护、电机限流保护、电机短路保护多重保护功能的跑步机电机控制器，控制器每一种保护功能兼容软件、硬件双重保护，使跑步机控制器在使用更加稳定可靠；提高跑步机和控制器系统的使用寿命。
二、本发明控制器过流、限流保护单元对跑步机电流进行监测，并将电机电流限定在设计的范围内，同时通过主控MCU进行判断处理，对当系统摩擦阻力或负载超额时造成的电机过流进行有效保护，进而提升电机及功率器件使用寿命。
三、本发明控制器功率开关管短路保护单元对跑步机的开关管进行监控，通过开关管短路保护电路和主控MCU的保护，当功率开关管被击穿造成短路的情况下通过开关管短路保护电路和主控MCU控制及时关闭主电源继电器并报错，当重新上电后，若功率开关管仍为击穿状态则继电器控制电路无法启动；从而有效保护因功率开关管短路导致的系统暴冲失速给使用者造成的意外伤害。
四、本发明控制器电机短路保护单元对电机进行监控，当电机短路时，通过电机短路保护控制电路、开关管短路保护电路和主控MCU的控制及时关闭主电源继电器并报错，当重新上电后，若电机仍然短路，则继续锁定保护，直到故障排除。有效保护因电机短路导致功率开关管损坏的风险。
五、本发明的电路结构简单，将各个单元通过主控MCU进行集成，使其兼具软硬件双重保护，更加稳定可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程框图的结构示意图；
图2为本发明控制器过流、限流保护单元的结构示意图；
图3为本发明控制器功率开关管短路保护单元的结构示意图；
图4为本发明控制器电机短路保护单元的结构示意图；
图5为本发明电机过流保护电路的电路图的结构示意图；
图6为本发明开关管短路保护电路的电路图的结构示意图；
图7为本发明电机短路保护电路的电路图的结构示意图；
图8为本发明驱动、电机限流检测控制电路的电路图的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种多重保护跑步机电机控制器，包括：
电机调速单元，主控MCU(12)以及电机保护单元；其中：
所述电机调速单元，包括电机，所述电机调速单元用于为电机供电并根据所述主控MCU(12)的软件命令和所述电机保护单元的硬件反馈调整所述电机的工作状态；
所述电源，包括AC-DC开关电源和辅助电源，一方面给控制器功能模块提供电源，另一方面还给上位机提供必要电源需求；
所述主控MCU(12)，一方面接收所述电机保护单元上报的信息，另一方面根据所述电机保护单元上报的信息对所述电机进行调控；
所述电机保护单元，所述电机保护单元用以对所述电机调速单元进行监测，当监测到所述电机调速单元发生异常时采取相应的保护措施，并将监测结果上报至所述主控MCU(12)进行分析出处理并上报给上位机显示，便于用户明确系统的工作状态。
进一步的，所述电机保护单元包括控制器过流、限流保护单元，控制器功率开关管短路保护单元，控制器电机短路保护单元中的至少一组。
进一步的，还包括AC-DC开关电源(13)和辅助电源(14)，所述AC输入电路的输出端依次与所述AC-DC开关电源(13)和所述辅助电源(14)连接后，接入所述主控MCU(12)，电源的核心为控制器提供辅助电源和上位机提供需要的电源电压。
进一步的，所述控制器过流、限流保护单元，其用于监测所述电机工作电流，当电机电流过高时采取保护措施，并将监测到的结果输送至所述主控MCU(12)；
所述控制器功率开关管短路保护单元，其用于监测所述电机调速单元中功率开关管的状态，当所述功率开关管短路时采取保护措施，并将监测到的结果输送至所述主控MCU(12)；
所述控制器电机短路保护单元，其用于监测所述电机状态，当所述电机发生短路时采取保护措施，并将监测到的结果输送至所述主控MCU(12)。
进一步的，所述电机调速单元包括顺次信号连接的AC输入电路(1)、继电器控制电路(2)、工频整流电路(3)、滤波电路(4)、电机(5)、功率开关管(6)、电流检测电阻(7)；所述电流检测电阻(7)一端接入所述电机调速单元，另一端接地；所述功率开关管(6)的漏极与所述电机(5)连接，源极与所述电流检测电阻(7)的一端连接，栅极接入所述驱动、电机限流检测控制保护单元；所述主控MCU(12)的输出端与所述继电器控制电路(2)的输入端信号连接。
本发明所述的多重保护跑步机电机(5)控制器，通过由AC输入电源(1)、继电器控制电路(2)、工频整流电路(3)、滤波电路(4)、电机(5)、功率开关管(6)、电流检测电阻(7)构成电机(5)调速功率部分；通过AC-DC开关电源(13)、辅助电源(14)、主控MCU(12)、驱动、电机限流检测控制电路(11)、开关管短路保护电路(8)、电机过流保护电路(9)、电机短路保护电路(10)等单元电路构成电源、驱动、检测等完善的电机驱动调速和保护机制，进而从软件、硬件做出全面的保护管理机制；避免因为电机驱动功率器件失效，导致跑步机暴冲失速让运动员摔倒受伤及控制器部件大面积损坏。最大限度的保证控制器的使用寿命，使跑步机能够在标准使用寿命内始终保持转动顺畅、不失效。
参照图2，所述控制器过流、限流保护单元包括电机过流保护电路(9)和驱动、电机限流检测控制电路(11)；所述电机过流保护电路(9)的输入端与所述功率开关管(6)的源极连接，输出端与所述主控MCU(12)输入端连接；所述驱动、电机限流检测控制电路(11)一方面驱动控制所述功率开关管(6)的栅极信号，另一方面采集所述功率开关管(6)的源极信号，所述驱动、电机限流检测控制电路(11)与所述主控MCU(12)双向信号连接。
在AC输入电源(1)、继电器控制电路(2)、工频整流电路(3)、滤波电路(4)、电机(5)、功率开关管(6)、电流检测电阻(7)回路中，当电流小于驱动、电机限流检测控制电路(11)和电机过流保护电路(9)的触发值，电机(5)调速正常；当跑步机系统摩擦阻力或负载超额时，电机电流持续升高，导致电流检测电阻(7)端电压超过驱动、电机限流检测控制电路(11)和电机过流保护电路(9)的设定值，电机过流保护电路(9)启动，拑位驱动、电机限流检测控制电路(11)，驱动、电机限流检测控制电路(11)启动，将电机(5)的电流限流在设计的范围内；电机过流保护电路(9)将过流信号送入主控MCU(12)判断处理，当电机(5)持续工作在过流情况下，主控MCU(12)控制驱动、电机限流检测控制电路(11)将减小PWM缓慢停机并报错，再将继电器控制电路(2)关闭，断开主电源电路，有效保护电机及功率器件使用寿命。
参照图3，所述控制器功率开关管(6)短路保护单元包括开关管短路保护电路(8)和驱动、电机限流检测控制电路(11)；所述开关管短路保护电路(8)输入端接入所述电机(5)和所述功率开关管(6)之间，输出端分为两路，一路与所述主控MCU(12)的输入端连接，另一路与所述继电器控制电路(2)信号连接；所述驱动、电机限流检测控制电路(11)驱动控制所述功率开关管(6)的栅极信号，所述驱动、电机限流检测控制电路(11)与所述主控MCU(12)双向信号连接。
当AC输入电源(1)、继电器控制电路(2)、工频整流电路(3)、滤波电路(4)、电机(5)、功率开关管(6)、电流检测电阻(7)回路正常工作时，开关管短路保护电路(8)不会被触发启动；当功率开关管(6)在任意状态下被击穿造成其短路，导致开关管短路保护电路(8)启动锁定开关管击穿信息送入继电器控制电路(2)关闭主电源继电器，同时送入主控MCU(12)检测判断。因功率开关管(6)被击穿短路，主控MCU(12)关闭驱动、电机限流检测控制回路(11)PWM，锁定当前状态并报错。
如果关闭系统电源重新上电，因功率开关管(6)击穿短路，所以开关管短路保护电路(8)启动并锁定，系统继电器控制电路(2)无法启动，电机(5)不转。从而有效保护因功率开关管(6)短路导致的系统暴冲失速给使用者造成的意外伤害。
参照图4，所述控制器电机短路保护单元包括开关管短路保护电路(8)、电机短路保护电路(10)和驱动、电机限流检测控制电路(11)；所述电机短路保护电路(10)输入端接入所述电流检测电阻(7)和所述功率开关管(6)之间，输出端分为两路，一路与所述驱动、电机限流检测控制电路(11)输入端连接，另一路与所述开关管短路保护电路(8)的输入端连接，所述开关管短路保护电路(8)的输出端分为两路，一路与所述主控MCU(12)的输入端连接，另一路与所述继电器控制电路(2)信号连接；所述驱动、电机限流检测控制电路(11)驱动控制所述功率开关管(6)的栅极信号，所述驱动、电机限流检测控制电路(11)与所述主控MCU(12)双向信号连接。
当AC输入电源(1)、继电器控制电路(2)、工频整流电路(3)、滤波电路(4)、电机(5)、功率开关管(6)、电流检测电阻(7)回路正常工作时，电机(5)短路保护控制电路(10)不会被触发启动；当电机(5)在任意状态下短路，导致电机短路保护电路(10)触发启动保护锁定，一条支路送入开关管短路保护电路(8)，将电机(5)短路信息及时送入继电器控制电路(2)，切断继电器控制电路(2)中的主电源继电器，断开主电源回路，同时送入主控MCU(12)检测判断；另一条支路同步送入驱动、电机限流检测控制电路(11)(强制)关闭PWM并锁定。主控MCU(12)检测到电机(5)短路信息后，关闭驱动、电机限流检测控制电路(11)的PWM，锁定当前状态并报错。
若关闭系统电源重新上电，系统运行电机(5)驱动电路，因电机(5)短路，电机短路保护电路(10)再次启动锁定保护，直到故障排除。有效保护因电机(5)短路导致功率开关管(6)损坏的风险。
参照图5，所述电机过流保护电路(9)包括比较器U6C、电阻R201、电阻202、电阻R123、三极管Q201；
所述比较器U6C的反向输入端接入参考电压，正向输入端接入所述电机(5)的电流；所述比较器的输出端与所述电阻R201连接后接入所述三极管Q201的基极，所述三极管Q201的集电极与所述电阻R202串联后接入到+5V电源，所述三极管Q201的发射极接地；所述电阻R123的一端与所述三极管Q201的集电极连接，另一端接入所述主控MCU(12)。
参照图6，所述开关管短路保护电路(8)包括比较器U6A、比较器U6B、电阻R20、电阻R55、电阻R56、电阻R57、电阻R58、稳压二极管D26；
功率开关管(6)驱动信号经所述电阻R20后接入所述稳压二极管D26的负极，所述稳压二极管D26的正极接地；所述比较器U6A的反向输入端接入到所述电阻R20和所述稳压二极管D26之间；所述比较器U6A的正向输入端接入参考电压；所述比较器U6A的输出端接入所述比较器U6B的反向输入端；所述比较器U6B的正向输入端接入参考电压；所述比较器U6B的输出端分为三路，第一路与所述电阻R56连接后接入+15V电源，第二路与所述电阻R57连接后接入所述主控MCU(12)，第三路与所述电阻R58连接后再与所述电机短路保护电路(10)连接，所述电阻R55一端接入所述比较器U6B与所述电阻R57之间，另一端接入所述继电器控制电路(2)。
参照图7，所述电机短路保护电路(10)包括电阻R71、电阻R69、电阻R73、电容C68、比较器U6D；
所述电阻R69一端接入+5V电源，另一端与所述电容C68连接后接地；电机(5)电流经所述电阻R71后接入至所述电阻R69与所述电容C68之间，再接入所述比较器U6D的反向输入端；参考电压接入所述比较器U6D的正向输入端；所述比较器U6D的输出端分为三路，第一路与所述电阻R73连接后接入+15V电源，第二路与所述开关管短路保护电路(8)的电阻R58连接，第三路与所述驱动、电机限流检测控制电路(11)连接。
参照图8，所述驱动、电机限流检测控制电路(11)包括比较器U9A、比较器U9B、比较器U9C、比较器U9D、电容C62、电容C63、电容C65、电阻R72；
所述比较器U9B的正向输入端输入所述电机(5)的电流，反向输入端输入参考电压，所述电容C63一端接地，另一端接入所述比较器U9B的反向输入端，所述比较器U9B的输出端接入所述比较器U9A的反向输入端，所述比较器U9A的正向输入端输入参考电压，所述比较器的正极接入+15V电源，负极接地；所述比较器U9A的输出端分为两路，一路接入所述比较器U9D的正向输入端，另一路与所述电机短路保护电路(10)中所述比较器U6D的输出端连接；所述电容C62一端接地，另一端接入所述比较器U9A的正向输入端；所述电容C65跨接在所述比较器U9A的负极和输出端之间；
所述比较器U9C的正向输入端输入参考电压，反向输入端与所述电阻R72串联后接入主控MCU PWM I/O接口；所述比较器U9C的输出端接入所述比较器U9D的正向输入端，所述比较器U9D的反向输入端输入参考电压；所述比较器U9D的输出端接入所述功率开关管栅极。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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