CN113794409B - 基于磁编码器的健身器材驱动装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁编码器的健身器材驱动装置及其控制方法，所述驱动装置包括控制器和三相直流无刷电机，所述三相直流无刷电机设于健身器材的移动臂上，所述三相直流无刷电机上设置有磁编码器，所述控制器通过采集磁编码器的信号进行电子换向控制电机转向，并输出PWM电压信号控制电机转速；所述控制器通过磁编码器获得电机的绝对位置。本发明提供的基于磁编码器的健身器材驱动装置及其控制方法，采用三相无刷直流电机代替传统的机械动力装置，通过磁编码器实时准确地监测移动部件的位置，方便地进行速度控制和力矩调节，大大提升用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及一种健身器材及其控制方法，尤其涉及一种基于磁编码器的健身器材驱动装置及其控制方法。
背景技术
健身器材常以训练功能多少来分为单功能和综合型多功能两大类。，常用的单功能器械有划船器、健美车、健步机、跑步机、美腰机等。它们的主要功能是：增加臂力：哑铃握力器多功能仰卧起坐板。比如跑步机主要用以锻炼腿、臀、腰、腹部肌肉及心肺功能，划船器主要用来增强手臂力量、背阔肌和动作协调能力。
综合型多功能器：一般都包括扩胸器、引体向上、仰卧推举、仰卧起坐等器械的功能。扩胸器、引体向上、仰卧推举，主要是用来锻炼上肢力量及胸大肌力量；仰卧起坐，主要用来锻炼腰肌群，减少腰腹部多余脂肪。
健身器材都会用到拉伸或者推压的动力装置，现有的动力装置一般采用机械动力装置，力矩和速度控制比较呆板，难于进行实时调节和显示，用户体验较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁编码器的健身器材驱动装置及其控制方法，能够实时准确地监测移动部件的位置，方便地进行速度控制和力矩调节，大大提升用户体验。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于磁编码器的健身器材驱动装置，包括控制器和三相直流无刷电机，所述三相直流无刷电机设于健身器材的移动臂上，所述三相直流无刷电机上设置有磁编码器，所述控制器通过采集磁编码器的信号进行电子换向控制电机转向，并输出PWM电压信号控制电机转速；所述控制器通过磁编码器获得电机的绝对位置。
进一步地，所述控制器包括主控芯片，所述主控芯片的电源端和供电电路相连，所述主控芯片的输入端和温度采样电路、电压电流采样电路、磁编码电路和HALL检测电路相连，所述主控芯片的输出端和电机驱动电路、泄放电路、风机控制电路和电磁泵控制电路相连；
温度采样电路：采样板子温度和泄放电阻温度，当温度超过预设阈值时，开启温度报警；
电压电流采样电路：采集输入电压及电机相电流数据；
磁编码电路：寻找电机位置和采集电机转速；
HALL检测电路：采集HALL条上的输入信号，并判断驱动装置两边的拉力臂的高度位置输出开关信号；
电机驱动电路：采用三相桥式电路，驱动三相直流无刷电机转动；
泄放电路：当三相直流无刷电机被人为拉动过程中，电机产生的反相电动势高于预设阈值时，泄放电路导通，将产生的能量泄放到泄放电阻上；
风机控制电路：控制直流风机进行散热；
电磁泵控制电路：当需要调节驱动装置两边拉力臂的角度时，电磁泵控制电路控制电磁阀的解锁使力臂处于松弛状态，完成角度调整后，控制电磁阀锁住力臂处于固定状态。
进一步地，所述主控芯片通过内部数据总线和通信模块相连，所述通信模块包括：RS232通信电路：用于与显示屏进行数据交互通信，并把力矩曲线图实时描绘在显示屏上；CAN通信电路：供电电路为数字电源，用于与数字电源通信，并控制数字电源输出指定电压；RS485/RS232通信电路：用于与蓝牙设备通信，远程遥控电机的启动停止。
进一步地，所述主控芯片为STM32F302单片机。
进一步地，所述三相直流无刷电机包括定子部件和转子部件，所述定子部件包括定子座和定子线圈，所述转子部件包括转子底座和转子轴；所述定子座和转子底座为一对法兰盘，所述定子座上设置有外部固定孔和电机内部固定孔；所述定子座通过固定销和外部固定孔按单边法兰进行固定，所述定子线圈嵌入安装在定子座中，所述转子底座外设置有钢圈和皮带轮，所述转子底座采用法兰传动。
进一步地，所述定子座和转子底座通过转子轴进行同心固定，所述皮带轮采用齿轮传动。
进一步地，所述定子座、转子底座和定子线圈的中间镂空形成电机散热槽，且所述定子座、转子底座和定子线圈上的电机散热槽相对应连通形成通风散热通道。
进一步地，所述定子座和转子底座沿圆周方向对应分布设置有多个第一散热槽，相邻的两个第一散热槽之间形成有第二散热槽或电机出线槽。
进一步地，所述三相直流无刷电机还包括刹车器，所述刹车器包括齿型刹车盘，所述齿型刹车盘和Z型连杆的一端相连，所述Z型连杆的另一端通过弹簧和电磁铁相连；当电磁铁失电时，所述齿型刹车盘通过弹簧的拉力与转子底座相抵接实现制动；当电磁铁得电时，产生电磁吸力把Z形连杆往上拉，使得齿型刹车盘向下张开，并与转子底座脱离接触，从而松开刹车。
本发明为解决上述技术问题还提供一种上述的基于磁编码器的健身器材驱动装置的控制方法，其中，包括如下步骤：S1)利用磁编码器实时识别电机的绝对位置，并根据绝对位置计算当前电机的行程和转动速度；S2)在开机初始化的时候利用位置和速度标定初始零位；在调整力臂位置的时候利用位置和速度重新标定初始零位；S3)控制三相直流无刷电机的速度和输出力矩，实现恒定力矩控制和多种力矩可调的控制模式。
进一步地，所述多种力矩可调的控制模式包括：
(1)观察者模式：当拉伸的速度小于某个预设阈值，则降低力矩；
(2)力量递增模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，每完成一次拉收动作则力矩增加一定数值；
(3)力量递减模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，每完成一次拉收动作则力矩减小一定数值；
(4)极限挑战模式：利用绝对式位置与速度判断何时拉何时收，并根据拉出来的速度判断当前力矩是否达到或超过用户的极限范围，然后自动调整力矩使当前力矩刚好达到用户能承受的力的极限；
(5)划船模式：利用磁编码器计算的速度实时调整力矩大小，速度越大力矩越大，速度越小力矩越小；
(6)链条模式：利用绝对式位置判断电机行程，并根据拉伸的行程实时改变力矩的大小；
(7)高尔夫模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，拉的时候力矩为较小的基础值，当用户准备要收时则增大力矩帮助用户把绳子快速往回收。
进一步地，所述三相直流无刷电机还包括刹车器，所述刹车器默认处于制动状态，共享用户扫码付款后松开刹车器，家庭用户登入个人账号后松开刹车器。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于磁编码器的健身器材驱动装置及其控制方法，采用三相无刷直流电机代替传统的机械动力装置，通过磁编码器实现健身器材的力矩控制、速度控制、位置识别；采用三相无刷直流电机做动力源不仅能实现传统机械动力设备的恒力矩控制，还可以实现把力矩曲线图描绘在屏幕上，让用户更加直观的看到自己锻炼过程所使用的力以及实时消耗的卡路里。
附图说明
图1为本发明基于磁编码器的健身器材驱动装置系统架构示意图；
图2为本发明使用的无刷电机的控制框图；
图3为本发明基于磁编码器的健身器材驱动装置的电路方框图；
图4为本发明用于健身器材的驱动电机结构示意图；
图5为本发明用于健身器材的驱动电机分解结构示意图；
图6为本发明驱动电机的定子座结构示意图；
图7为本发明驱动电机的刹车器结构示意图；
图8为图7中刹车器实现制动及松开刹车示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为发明基于磁编码器的健身器材驱动装置系统架构示意图。
请参见图1，本发明提供的基于磁编码器的健身器材驱动装置，包括控制器和三相直流无刷电机，所述三相直流无刷电机设于健身器材的移动臂上，所述三相直流无刷电机上设置有磁编码器和霍尔传感器，所述控制器通过采集霍尔传感器的信号进行电子换向控制电机转向，并输出PWM电压信号控制电机转速；所述控制器通过磁编码器获得电机的绝对位置。
本发明的基于磁编码器的健身器材驱动装置，控制步骤如下：
S1)利用磁编码器实时识别电机的绝对位置，并根据绝对位置计算当前电机的行程和转动速度；
S2)在开机初始化的时候利用位置和速度标定初始零位；在调整力臂位置的时候利用位置和速度重新标定初始零位；
S3)控制三相直流无刷电机的速度和输出力矩，实现恒定力矩控制和多种力矩可调的控制模式。多种力矩可调的控制模式具体包括：
(1)观察者模式：当拉伸的速度小于某个预设阈值，则降低力矩；
(2)力量递增模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，每完成一次拉收动作则力矩增加一定数值；
(3)力量递减模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，每完成一次拉收动作则力矩减小一定数值；
(4)极限挑战模式：利用绝对式位置与速度判断何时拉何时收，并根据拉出来的速度判断当前力矩是否达到或超过用户的极限范围，然后自动调整力矩使当前力矩刚好达到用户能承受的力的极限；
(5)划船模式：利用磁编码器计算的速度实时调整力矩大小，速度越大力矩越大，速度越小力矩越小；
(6)链条模式：利用绝对式位置判断电机行程，并根据拉伸的行程实时改变力矩的大小；
(7)高尔夫模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，拉的时候力矩为较小的基础值，当用户准备要收时则增大力矩帮助用户把绳子快速往回收。
图2为本发明使用的无刷电机的控制框图。
控制算法采用FOC磁场定向控制，通过ADC采集到无刷电机三相电流，然后进行clark变换得到Iɑ,Iβ；然后进行park变换得到IQ,ID。利用IQ与力矩成线性关系的特性进行对IQ做PID控制，得到控制电机的PWM，通过PWM对电机进行力矩控制。
图3为本发明基于磁编码器的健身器材驱动装置的电路方框图。
请继续参见图3，整个硬件电路图由单板供电电路、复位电路，温度采样电路，光电编码电路，电压电流采样电路，磁编码电路，HALL检测电路，电机驱动电路，泄放电路，风机控制电路，电磁泵控制电路，232通信电路，CAN通信电路，485通信电路以及STM32F302单片机控制电路组成。
单板供电电路：给整个系统供电。
复位电路：对整个系统进行软件复位。
温度采样电路：采样板子温度和泄放电阻温度，当温度超过一定值时，开启温度报警；
电压电流采样电路：采集输入电压及电机相电流数据；
磁编码电路：寻找电机位置和采集电机转速；
HALL检测电路：开关信号，采集HALL条上的输入信号；
电机驱动电路：采用三相桥式电路，驱动无刷电机转动；
泄放电路：当采集的反电动势高于一定值时，泄放电路导通，将产生的能量泄放到泄放电阻上。
风机控制电路：控制直流风机进行散热；
电磁泵控制电路：控制电磁阀进行动作；
RS232通信电路：此电路实现与显示屏幕进行数据交互通信；
CAN通信电路：与数字电源通信，可以控制数字电源输出指定电压；
RS485/RS232通信电路：与蓝牙通信；
STM32F302单片机控制电路：系统的主控芯片，所有的模块电路都受单片机控制。
图4为本发明用于健身器材的驱动电机结构示意图；图5为本发明用于健身器材的驱动电机分解结构示意图。
请参见如4和图5，对于健身器材，如果直接采用现有的电机进行驱动，不但体积较大难于安装，而且安全稳定性较差，难于保持平衡和定位控制，用户体验较差。为此，本发明还提供了一种专用于健身器材的三相无刷直流电机，包括定子部件1和转子部件2，其中，所述定子部件1包括定子座11和定子线圈12，所述转子部件2包括转子底座21和转子轴22；所述定子座11和转子底座21为一对法兰盘，所述定子座11上设置有电机散热槽13、电机出线槽17、外部固定孔15和电机内部固定孔16，所述定子座11通过固定销5和外部固定孔15按单边法兰进行固定，不但拆卸方便，而且节省空间；所述定子线圈12嵌入安装在定子座11中并避开定子座11上的孔槽。定子线圈座12中间镂空设计配合两边镂空法兰盘实现整机通风对流散热效果最大化。
本发明的定子座11和转子底座21沿圆周方向对应分布设置有多个第一散热槽13，相邻的第一散热槽13之间形成有第二散热槽14或电机出线槽17，让电机能更好的散热，并实现减重，如图6所示。
本发明的三相直流无刷电机还包括刹车器，请参见图7，所述刹车器包括齿型刹车盘6，所述齿型刹车盘6和Z型连杆7的一端相连，所述Z型连杆7的另一端通过弹簧8和电磁铁9相连；当电磁铁9失电时，所述齿型刹车盘6通过弹簧8的拉力与转子底座21相抵接实现制动；当电磁铁9得电时，产生电磁吸力把Z形连杆7往上拉，使得齿型刹车盘6向下张开，并与转子底座21脱离接触，从而松开刹车，如图8所示。
采用刹车器后，通过控制电磁铁9的得电或失电，可以方便地实现制动或取消制动，达到安全使用和管理的目的。所述刹车器默认处于制动状态，共享用户可通过扫码付款后松开刹车器，对于家庭用户，则可以登入个人账号后松开刹车器。
本发明的转子底座21采用法兰传动和转子轴传动的双传动方式，采用法兰传动时，转子轴22起到定子和转子之间同心固定的作用，不做传动输出；转子底座21外设置有钢圈4和皮带轮3，钢圈4起磁钢导磁作用，皮带轮3采用齿轮传动，放弃传统健身器轴传动占用空间大的缺点，实现传动的空间缩小到极限，减少传动部件节约成本，安装更方便等优点。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (11)
1.一种基于磁编码器的健身器材驱动装置，其特征在于，包括控制器和三相直流无刷电机，所述三相直流无刷电机设于健身器材的移动臂上，所述三相直流无刷电机上设置有磁编码器，所述控制器通过采集磁编码器的信号进行电子换向控制电机转向，并输出PWM电压信号控制电机转速；所述控制器通过磁编码器获得电机的绝对位置；
所述控制器包括主控芯片，所述主控芯片的电源端和供电电路相连，所述主控芯片的输入端和温度采样电路、电压电流采样电路、磁编码电路和HALL检测电路相连，所述主控芯片的输出端和电机驱动电路、泄放电路、风机控制电路和电磁泵控制电路相连；
温度采样电路：采样板子温度和泄放电阻温度，当温度超过预设阈值时，开启温度报警；
电压电流采样电路：采集输入电压及电机相电流数据；
磁编码电路：寻找电机位置和采集电机转速；
HALL检测电路：采集HALL条上的输入信号，并判断驱动装置两边的拉力臂的高度位置输出开关信号；
电机驱动电路：采用三相桥式电路，驱动三相直流无刷电机转动；
泄放电路：当三相直流无刷电机被人为拉动过程中，电机产生的反相电动势高于预设阈值时，泄放电路导通，将产生的能量泄放到泄放电阻上；
风机控制电路：控制直流风机进行散热；
电磁泵控制电路：当需要调节驱动装置两边拉力臂的角度时，电磁泵控制电路控制电磁阀的解锁使力臂处于松弛状态，完成角度调整后，控制电磁阀锁住力臂处于固定状态。
2.如权利要求1所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置，其特征在于，所述主控芯片通过内部数据总线和通信模块相连，所述通信模块包括：
RS232通信电路：用于与显示屏进行数据交互通信，并把力矩曲线图实时描绘在显示屏上；
CAN通信电路：供电电路为数字电源，用于与数字电源通信，并控制数字电源输出指定电压；
RS485/RS232通信电路：用于与蓝牙设备通信，远程遥控电机的启动停止。
3.如权利要求1所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置，其特征在于，所述主控芯片为STM32F302单片机。
4.如权利要求1所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置，其特征在于，所述三相直流无刷电机包括定子部件(1)和转子部件(2)，其特征在于，所述定子部件(1)包括定子座(11)和定子线圈(12)，所述转子部件(2)包括转子底座(21)和转子轴(22)；所述定子座(11)和转子底座(21)为一对法兰盘，所述定子座(11)上设置有外部固定孔(15)和电机内部固定孔(16)；所述定子座(11)通过固定销(5)和外部固定孔(15)按单边法兰进行固定，所述定子线圈(12)嵌入安装在定子座(11)中，所述转子底座(21)外设置有钢圈(4)和皮带轮(3)，所述转子底座(21)采用法兰传动。
5.如权利要求4所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置，其特征在于，所述定子座(11)和转子底座(21)通过转子轴(22)进行同心固定，所述皮带轮(3)采用齿轮传动。
6.如权利要求4所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置，其特征在于，所述定子座(11)、转子底座(21)和定子线圈(12)的中间镂空形成电机散热槽，且所述定子座(11)、转子底座(21)和定子线圈(12)上的电机散热槽相对应连通形成通风散热通道。
7.如权利要求4所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置，所述定子座(11)和转子底座(21)沿圆周方向对应分布设置有多个第一散热槽(13)，相邻的两个第一散热槽(13)之间形成有第二散热槽(14)或电机出线槽(17)。
8.如权利要求4所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置，所述三相直流无刷电机还包括刹车器，所述刹车器包括齿型刹车盘(6)，所述齿型刹车盘(6)和Z型连杆(7)的一端相连，所述Z型连杆(7)的另一端通过弹簧(8)和电磁铁(9)相连；当电磁铁(9)失电时，所述齿型刹车盘(6)通过弹簧的拉力与转子底座(21)相抵接实现制动；当电磁铁(9)得电时，产生电磁吸力把Z形连杆(7)往上拉，使得齿型刹车盘(6)向下张开，并与转子底座(21)脱离接触，从而松开刹车。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)利用磁编码器实时识别电机的绝对位置，并根据绝对位置计算当前电机的行程和转动速度；
S2)在开机初始化的时候利用位置和速度标定初始零位；在调整力臂位置的时候利用位置和速度重新标定初始零位；
S3)控制三相直流无刷电机的速度和输出力矩，实现恒定力矩控制和多种力矩可调的控制模式。
10.如权利要求9所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置的控制方法，其特征在于，所述多种力矩可调的控制模式包括：
(1)观察者模式：当拉伸的速度小于某个预设阈值，则降低力矩；
(2)力量递增模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，每完成一次拉收动作则力矩增加一定数值；
(3)力量递减模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，每完成一次拉收动作则力矩减小一定数值；
(4)极限挑战模式：利用绝对式位置与速度判断何时拉何时收，并根据拉出来的速度判断当前力矩是否达到或超过用户的极限范围，然后自动调整力矩使当前力矩刚好达到用户能承受的力的极限；
(5)划船模式：利用磁编码器计算的速度实时调整力矩大小，速度越大力矩越大，速度越小力矩越小；
(6)链条模式：利用绝对式位置判断电机行程，并根据拉伸的行程实时改变力矩的大小；
(7)高尔夫模式：利用绝对式位置与速度判断何时用户完成一次拉收动作，拉的时候力矩为较小的基础值，当用户准备要收时则增大力矩帮助用户把绳子快速往回收。
11.如权利要求9所述的基于磁编码器的健身器材驱动装置的控制方法，其特征在于，所述三相直流无刷电机还包括刹车器，所述刹车器默认处于制动状态，共享用户扫码付款后松开刹车器，家庭用户登入个人账号后松开刹车器。
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