CN114337388A - 基于线性霍尔的双电机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线性霍尔的双电机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的数目为两个，对称设于健身器材的拉力臂的两端，每个三相直流无刷电机上设置有线性霍尔传感器，所述控制器通过采集线性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；所述控制器通过线性霍尔传感器获得电机的绝对位置。本发明提供的基于线性霍尔的双电机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，通过线性霍尔传感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，尤其涉及一种基于线性霍尔的双电机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线性霍尔的双电机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线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，包括控制器和三相直流无刷电机，所述三相直流无刷电机的数目为两个，对称设于健身器材的拉力臂的两端，每个三相直流无刷电机上设置有线性霍尔传感器，所述控制器通过采集线性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；所述控制器通过线性霍尔传感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、线性霍尔电路相连，所述主控芯片的输出端和电机驱动电路、显示电路相连；
温度采样电路：采样板子温度和电机温度，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；
线性霍尔电路：寻找电机位置和采集电机转速；
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；
显示电路：将电机拉力参数，大小及模式显示出来。
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，所述通信模块为蓝牙通信电路，用于与无线终端手机连接，通过终端得知设计相关数据，同时可控制终端运动参数。
进一步地，所述主控芯片为STM32G431单片机；所述三相直流无刷电机还包括电池供电，所述电池供电为可充电三元锂电池。
进一步地，所述三相直流无刷电机包括壳体，所述壳体的一端设置有前盖，另一端设置有后盖，所述壳体内设置有磁铁和定子铁芯，所述壳体包括钢圈，所述磁铁围绕钢圈内壁布置，所述定子铁芯固定在支撑轴上并伸入到钢圈中，所述支撑轴的一端通过轴承固定在前盖上，另一端通过轴承固定在后盖上；所述支撑轴上设置有霍尔板，所述线性霍尔传感器为设置在前盖上的霍尔感应磁环，所述支撑轴作为定子固定不动使得壳体整体旋转输出，所述前盖的中间部分沿轴向镂空形成收线轮。
进一步地，所述霍尔板通过绝缘垫固定在支撑轴的一端，所述支撑轴的另一端形成有电机出线孔，所述后盖的中间镂空使得电机出线孔裸露出来。
进一步地，所述支撑轴的另一端还形成有轴外部固定孔、方形槽和中心孔，所述方形槽设于中心孔外，所述轴外部固定孔和电机出线孔设于方形槽外。
进一步地，所述定子铁芯的两端通过磁铁保持架固定在钢圈内壁。
本发明为解决上述技术问题还提供一种上述的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置的控制方法，其中，包括如下步骤：S1)利用线性霍尔传感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)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：利用线性霍尔信号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。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于线性霍尔的双电机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，通过线性霍尔传感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，让用户更加直观地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为本发明基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置系统架构示意图；
图2为本发明使用的双电机的控制框图；
图3为本发明的线性霍尔电机整体结构示意图；
图4为本发明的线性霍尔电机侧面结构示意图；
图5为本发明的线性霍尔电机分解结构示意图。
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为发明基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置系统架构示意图。
请参见图1，本发明提供的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，包括控制器和三相直流无刷电机，所述三相直流无刷电机的数目为两个，对称设于健身器材的拉力臂的两端，每个三相直流无刷电机上设置有线性霍尔传感器，所述控制器通过采集线性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；所述控制器通过线性霍尔传感器获得电机的绝对位置。本发明的控制器数目为一个，但是两个三相直流无刷电机可以独立控制。
本发明的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，控制步骤如下：
S1)利用线性霍尔传感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：利用线性霍尔信号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为本发明基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置的电路方框图。
请继续参见图2，整个硬件电路的主控芯片为STM32G431单片机，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、线性霍尔电路相连，所述主控芯片的输出端和电机驱动电路、显示电路、蓝牙通信电路相连；各电路模块的主要功能如下：
温度采样电路：采样板子温度和电机温度，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；
线性霍尔电路：寻找电机位置和采集电机转速；
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；
显示电路：将电机拉力参数，大小及模式等显示出来；
蓝牙通信电路：与无线终端(手机)连接，可以通过终端得知设计相关数据，同时也可控制终端运动参数；
所述三相直流无刷电机还包括电池供电，所述电池供电是指可充电三元锂电池。
请继续参见图3、图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，包括壳体，所述壳体的一端设置有前盖1，另一端设置有后盖13，所述壳体内设置有磁铁6和定子铁芯8，其中，所述壳体包括钢圈7，所述磁铁6围绕钢圈7内壁布置，所述定子铁芯8固定在支撑轴12上并伸入到钢圈7中，所述支撑轴12的一端通过轴承固定在前盖1上，另一端通过轴承固定在后盖13上；所述支撑轴12上设置有霍尔板10，所述线性霍尔传感器为设置在前盖1上的霍尔感应磁环2；所述支撑轴12作为定子固定不动使得壳体整体旋转输出，霍尔板10上的线性霍尔感应芯片通过感应到转子上的旋转磁铁(霍尔感应磁环2)来产生变化的模拟信号，所述前盖1的中间部分沿轴向镂空形成收线轮。
本发明提供的三相无刷直流电机，其中，所述霍尔板10通过绝缘垫11固定在支撑轴12的一端，所述支撑轴12的另一端形成有电机出线孔1204，所述后盖13的中间镂空使得电机出线孔1204裸露出来。所述支撑轴12的另一端还形成有轴外部固定孔1201、方形槽1202和中心孔1203以便起到更好地固定电机的作用；所述方形槽1202设于中心孔1203外，所述轴外部固定孔1201和电机出线孔1204设于方形槽1202外。优选地，轴外部固定孔1201的数目为3个，电机出线孔1204的数目为1个，沿方形槽1202外围四周对称分布。
本发明提供的三相无刷直流电机，其中，所述定子铁芯8的两端通过磁铁保持架4固定在钢圈7内壁。前盖1通过M3螺丝5和钢圈7锁紧相连，后盖13通过M2螺丝9和钢圈7锁紧相连。
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 (10)
1.一种基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，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的数目为两个，对称设于健身器材的拉力臂的两端，每个三相直流无刷电机上设置有线性霍尔传感器，所述控制器通过采集线性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；所述控制器通过线性霍尔传感器获得电机的绝对位置。
2.如权利要求1所述的基于线性霍尔的健身器材驱动装置，其特征在于，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、线性霍尔电路相连，所述主控芯片的输出端和电机驱动电路、显示电路相连；
温度采样电路：采样板子温度和电机温度，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；
线性霍尔电路：寻找电机位置和采集电机转速；
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；
显示电路：将电机拉力参数，大小及模式显示出来。
3.如权利要求2所述的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，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，所述通信模块为蓝牙通信电路，用于与无线终端手机连接，通过终端得知设计相关数据，同时可控制终端运动参数。
4.如权利要求2所述的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，其特征在于，所述主控芯片为STM32G431单片机；所述三相直流无刷电机还包括电池供电，所述电池供电为可充电磷酸铁锂电池。
5.如权利要求1所述的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，其特征在于，所述三相直流无刷电机包括壳体，所述壳体的一端设置有前盖，另一端设置有后盖，所述壳体内设置有磁铁和定子铁芯，所述壳体包括钢圈，所述磁铁围绕钢圈内壁布置，所述定子铁芯固定在支撑轴上并伸入到钢圈中，所述支撑轴的一端通过轴承固定在前盖上，另一端通过轴承固定在后盖上；所述支撑轴上设置有霍尔板，所述线性霍尔传感器为设置在前盖上的霍尔感应磁环，所述支撑轴作为定子固定不动使得壳体整体旋转输出，所述前盖的中间部分沿轴向镂空形成收线轮。
6.如权利要求5所述的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，其特征在于，所述霍尔板通过绝缘垫固定在支撑轴的一端，所述支撑轴的另一端形成有电机出线孔，所述后盖的中间镂空使得电机出线孔裸露出来。
7.如权利要求5所述的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，其特征在于，所述支撑轴的另一端还形成有轴外部固定孔、方形槽和中心孔，所述方形槽设于中心孔外，所述轴外部固定孔和电机出线孔设于方形槽外。
8.如权利要求5所述的基于线性霍尔的双电机健身器材驱动装置，其特征在于，所述定子铁芯的两端通过磁铁保持架固定在钢圈内壁。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的基于线性霍尔的双电机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)利用线性霍尔传感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)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所述的基于线性霍尔的双电机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：利用线性霍尔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。
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