CN117298514A - 力量训练器械及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的力量训练器械及其控制方法，能够顺畅地进行等速运动等各种模式的力量训练。力量训练器械包括：永磁电机；力量输出输入结构；测量永磁电机的电流的电流传感器；驱动永磁电机的逆变器；根据位置检测信号、采样电流和给定电流值来生成驱动控制信号的电流控制器；根据当前转速和目标转速生成给定电流值的速度控制器；和运动及显示控制器，基于训练行程设定值、训练速度或训练拉力设定值、力量输出输入结构的当前位置/转速的至少一者，生成目标转速，并输出发力曲线信息，力量输出输入结构通过传动阻力小的传动机构与永磁电机的转子连接，当前转速和当前位置是基于位置检测信号获取的，当前拉力值是从采样电流通过运算获取的。

Description

力量训练器械及其控制方法

技术领域

本发明涉及健身设备技术领域，尤其涉及能够提供力量训练功能的电子配重式力量训练器械及其控制方法。

背景技术

近些年来家用健身器材有了大的发展，具有综合功能的智能家用健身器材陆续上市。有以家用智能自行车做有氧锻炼的健身设备，有以家用智能健身镜做有氧锻炼的健身设备等，还有以电机设置阻力的方式(即电子配重式)替代传统力训健身器材的配重块配重的方式的新型智能家用力量训练器械。

电子配重式力量训练器械使用电子配重替代物理配重，通过控制电机以电生磁力提供阻力。使用者对抗电机产生的阻力，将与电机连结的拉绳向外拉出，模拟了传统的拉动物理配重块的拉力器的健身方式。

另一方面，作为一种力量训练方式的等速运动训练，又称等速肌力运动、可调节抗阻运动或恒定角速度运动，通常是利用专门设备，根据运动过程的肌力大小变化，相应调节外加阻力，使整个关节运动依预先设定速度运动，运动过程中肌肉用力仅使肌张力增高，力矩输出增加。

等速运动技术在肌肉功能测试上具有很好的准确性、可靠性和可重复性，在肌力训练上具有很好的安全性、高效性和合理性，故在体育训练及康复医学的临床实践和科学研究中有广泛的应用前景。

发明内容

随着综合功能的智能家用健身器材的发展，人们正在开发利用智能家用健身器材来提供等速运动的技术。在电子配重式力量训练器械中，可以使设备的输出(绳索把手或连杆握把等)以恒定速度运动来实现，一般可以用小电机驱动大减速比的传动结构实现等速运动。

然而，综合功能的力量训练器械需要在同一个设备上实现等张训练和等速训练等多种训练模式，如果采用了阻力较大的大减速比传动结构，等张训练的阻力会比较大，顺畅性也会受影响。

此外，现有的等速肌力训练器为了调节电机的输出，均需要配置转矩传感器来检测输出端的转矩，这要求力量训练器械在输出端装备转矩传感器，大大限制了力量训练器械的结构设计空间，增大了力量训练器械的体积和系统复杂度。

为此，本发明提供一种力量训练器械，能够降低力量训练器械的阻力，实现包括等速训练在内的多种训练模式。

此外，本发明提供一种力量训练器械及其控制方法，无需外置测力传感器就能够精确地获取外力来控制电机的速度，实现包括等速训练在内的多种训练模式。

解决问题的技术手段

为了解决上述问题，本发明提供一种力量训练器械，包括为力量训练提供电子配重的永磁电机，以及与所述永磁电机的转子耦合的力量输出输入结构，所述力量训练器械包括：测量所述永磁电机的旋转角度的旋转编码器；测量所述永磁电机的电流的电流传感器；用于驱动所述永磁电机的逆变器；电流控制器，其根据来自所述旋转编码器的位置检测信号、来自所述电流传感器的采样电流和来自外部的给定电流值，生成输出到所述逆变器的驱动控制信号；速度控制器，其根据所述永磁电机的当前转速和给定的目标转速生成所述给定电流值，并将该给定电流值输出到所述电流控制器；和运动及显示控制器，其基于来自用户或上位机的训练行程设定值、训练速度或训练拉力设定值、以及所述力量输出输入结构的当前位置/转速的至少一者，生成所述目标转速并将该目标转速输出到所述速度控制器，并且将所述力量输出输入结构的当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出，其中，所述力量输出输入结构通过较小传动阻力的传动机构与所述永磁电机的转子连接，其中，所述当前转速和当前位置是基于所述旋转编码器的位置检测信号获取的，所述当前拉力值是从所述电流传感器的采样电流经过规定的运算获取的。

优选所述训练行程包括向心运动行程和运动方向与所述向心运动相反的离心运动行程，所述运动及显示控制器进行控制，以使得在所述向心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达近端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述离心运动的方向，在所述离心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达远端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述向心运动的方向，在所述向心运动行程和所述离心运动行程的至少任一者中，使所述力量输出输入结构进行等速运动或使所述永磁电机以等速转动。

优选所述当前拉力值，是在规定的第一时间内保持所述当前转速不变，在该规定的第一时间内从所述电流传感器的采样电流经过所述规定的运算获取的。

优选所述永磁电机为三相永磁同步电机，所述电流传感器测量所述三相永磁同步电机的至少两相电流信号，所述逆变器为三相逆变电路，所述给定电流值为给定Q轴电流值，所述驱动控制信号为SVPWM信号，还包括电流转换器，其基于所述至少两相电流信号和来自所述旋转编码器的位置检测信号将所述至少两相电流信号转换成D轴电流值和Q轴电流值，所述当前拉力值是是基于所述Q轴电流值求取的。

优选所述当前拉力值，是在所述规定的第一时间内保持所述当前转速不变，多次获取所述Q轴电流值Iq，并对多次获取的所述Q轴电流值Iq进行滤波和平均计算来获取所述Q轴电流值的平均值Iq_平均，基于Iq_平均求取的。

优选所述运动及显示控制器还基于所述力量输出输入结构的当前拉力值进行控制，当所述当前拉力值小于规定的最小张力设定值时将所述目标转速设定为0。

并且，本发明提供一种力量训练器械的控制方法，其中，所述力量训练器械为如上所述的力量训练器械，所述控制方法控制所述永磁电机的旋转以使得用户能够进行包括向心运动行程和离心运动行程的等速力量训练，所述控制方法包括：等速运动控制步骤(S1A、S2A)，在所述向心运动行程和离心运动行程中，基于所述运动及显示控制器输出的目标转速、所述旋转编码器的位置检测信号以及所述电流传感器的采样电流，通过所述速度控制器、所述电流控制器以及所述逆变器控制所述永磁电机使其以预先设定的训练速度旋转，其中，在所述向心运动行程和所述离心运动行程的至少任一者中，使所述力量输出输入结构进行等速运动或使所述永磁电机以等速转动；发力曲线信息获取及输出步骤(S1B、S2B)，在所述向心运动行程和离心运动行程中，基于所述旋转编码器的位置检测信号获取所述力量输出输入结构的当前位置，从所述电流传感器的采样电流经过规定的运算获取所述力量输出输入结构的当前拉力值，并将所当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出；和运动方向切换步骤(S3)，所述运动及显示控制器进行控制，以使得在所述向心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达预先设定的近端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述离心运动的方向，在所述离心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达预先设定的远端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述向心运动的方向。

优选在规定的第一时间内保持所述当前转速不变，在该规定的第一时间内从所述电流传感器的采样电流经过所述规定的运算获取所述当前拉力值。

优选所述永磁电机为三相永磁同步电机，所述电流传感器测量所述三相永磁同步电机的至少两相电流信号，所述逆变器为三相逆变电路，所述给定电流值为给定Q轴电流值，所述驱动控制信号为SVPWM信号，还包括电流转换步骤，其基于所述至少两相电流信号和来自所述旋转编码器的位置检测信号将所述至少两相电流信号转换成D轴电流值和Q轴电流值，所述当前拉力值是是基于所述Q轴电流值求取的。

优选所述当前拉力值，是在所述规定的第一时间内保持所述当前转速不变，多次获取所述Q轴电流值Iq，并对多次获取的所述Q轴电流值Iq进行滤波和平均计算来获取所述Q轴电流值的平均值Iq_平均，基于Iq_平均求取的。

优选在所述向心运动行程和离心运动行程中，所述运动及显示控制器还基于所述力量输出输入结构的当前拉力值进行控制，当所述当前拉力值小于规定的最小张力设定值时将所述目标转速设定为0。

有益效果

采用本发明的力量训练器械，由于力量输出输入结构通过较小传动阻力的传动机构与电机的转子连接，并且基于来自用户或上位机的训练行程设定值、训练速度或训练拉力设定值、以及力量输出输入结构的当前位置/转速的至少一者生成目标转速来控制电机的运行，因此，能够充分降低力量训练器械的阻力，从而能够顺畅地进行包括等速运动在内的各种模式的力量训练。

采用本发明的力量训练器械及其控制方法，能够基于旋转编码器的位置检测信号获取电机的当前转速，并基于电机当前的电流值得到当前拉力值。并基于用户设定的质量拉力模型生成电机的目标转速，通过速度控制器、电流控制器和逆变器对电机进行控制使其转速成为该目标转速。这样，无需外置测力传感器就能够精确地获取外力来控制电机的速度，实现包括等速训练在内的多种训练模式。

附图说明

图1是表示一个实施方式的电子配重式力量训练器械中提供力量训练功能的基本结构的示例的图。

图2是表示本发明的力量训练器械的控制装置的结构的框图。

图3是表示本发明的一个实施方式的电机驱动器的电路结构的电路图。

图4是表示力量训练的2种力学模型的示意图。

图5是表示本发明的力量训练器械的控制方法的流程图。

图6是表示等速运动训练过程中位置拉力随时间变化的曲线图。

图7是表示本发明的控制方法中的电机转速变化的示意曲线图。

图8是表示通过多次获取Q轴电流值来求取拉力值的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的具体实施方式。

(电子配重式力量训练器械的基本结构)

电子配重式力量训练器械使用电子配重替代物理配重，通过控制电机以电生磁力提供阻力。使用者对抗电机产生的阻力，将与电机连结的拉绳向外拉出，模拟了传统的拉动物理配重块的拉力器的健身方式。

在本发明的一个实施方式中，电子配重式力量训练器械中提供力量训练功能的基本结构可以是图1所示的结构。

具体而言，图1是表示一个实施方式的电子配重式力量训练器械中提供力量训练功能的基本结构的示例的图。如图1所示，力量训练器械包括作为阻力源或电子配重的2个电机20、分别固定在各个电机的转子上的用于缠绕绳索的2个绞盘21、各自的一端固定在各个绞盘上的2条绳索22、2组包括第一定滑轮23、第二定滑轮24、第三滑轮25和第四滑轮26的滑轮组、分别设置在左侧和右侧的2个摆臂30、以及分别连接在2条绳索各自的另一端的2个训练把手31。其中，绳索22经过第一定滑轮23后，绳索方向变成沿机身侧边向上，再经过顶部的第二定滑轮24调整到向下沿导轨的方向，经过第三滑轮25和第四滑轮26进入摆臂30内。绳索22通过摆臂的腕关节滑轮(未图示)穿出摆臂30，固定在训练把手31上。

当电机驱动器驱动电机20使得绞盘21向拉绳22拉动其旋转的反方向转动时，就产生了与电机阻力的力量对抗。当拉力大于电机阻力时就像拉起了一个物理上的重物一样，这在图1中表现为以拉力对抗通过拉绳21连接的电机20产生的等重量的力，训练把手31被向外拉出。当拉力小于电机阻力时，电机20旋转使绞盘21将拉绳22缠绕回收，相当于重物回落，训练把手31被向内拉回。需要说明的是，电机阻力与传统意义上的阻力，例如摩擦力具有不同的性质。传统意义的阻力的方向是与运动方向相反的，而电机阻力的方向是一个确定的方向，其可以是与运动方向相同的方向，例如在绞盘21将拉绳22缠绕回收时。电机阻力的性质与传统力量训练器械中的配重更为相近。这里，绞盘21、绳索22、以及包括第一定滑轮23、第二定滑轮24、第三滑轮25和第四滑轮26的滑轮组构成传动机构，绳索22以及训练把手31构成了力量输出输入结构。

这里，用于缠绕绳索的2个绞盘21分别固定在各个电机20的转子上，绳索22经由包括第一定滑轮23、第二定滑轮24、第三滑轮25和第四滑轮26的滑轮组与训练把手31连接，而没有使用例如齿轮组那样的大减速比传动结构，因此，能够充分降低拉动绳索时的阻力，实现了较高的总传动效率，从而能够顺畅地进行包括等速运动和等张运动在内的各种模式的力量训练。此外，采用了两个可独立地控制的电机20以及与各个电机的转子相连结的两套绳索滑轮机构，所以能够在从左侧和右侧的2个摆臂30穿出的2个训练把手31上以各自独立的方式产生电机阻力，大大提高了力量训练的自由度。

然而，提供力量训练功能的基本结构不限于上述结构，只要是具备较小传动阻力的传动结构的电子配重式力量训练器械，均可以用于实现本发明。具体而言，只要是具有能够产生阻力的电机和经由总传动效率大于或等于85％的传动结构与电机的转子耦合的力量输出输入结构，使用者能够通过该力量输出输入结构对电机施力或做功，并能够通过该力量输出输入结构接受电机对使用者的施力或做功，可以采用其他的结构，例如可以采用具有绞盘、拉绳和滑轮的机构，但是拉绳和滑轮的数量及配置不限于图1所示的方式，并且也可以不具有图1中的摆臂30而采用其他结构，例如滑块。此外，也可以不采用绞盘拉绳结构而采用连杆结构。作为传动结构，只要满足总传动效率较高的条件，也可以采用齿轮传动机构。

作为产生阻力或电子配重的电机，可以采用如申请号为202210461292.3的中国发明专利申请中所记载的扁平电机，该扁平电机具有多磁极的结构，能够以较低的转速转动并输出较大的扭矩。因此，不使用齿轮组那样的大减速比传动结构就能满足力量训练器械所需的低转速和大扭矩。当然，作为产生电机阻力或电子配重的电机不限于上述扁平电机，也可以采用其他结构和形状的电机。

(力量训练器械的控制装置)

本发明的力量训练器械还包括如下所述的控制装置。

图2是表示本发明的力量训练器械的控制装置的结构的框图。

如图2所示，本发明的力量训练器械的控制装置包括：测量永磁电机10的旋转角度的旋转编码器11；测量电机10的电流的电流传感器12；用于驱动永磁电机10的逆变器13；电流控制器(又叫电流控制环)14，其根据来自旋转编码器11的位置检测信号、来自电流传感器12的采样电流和来自外部的给定电流值，生成输出到逆变器13的驱动控制信号；速度控制器(又叫速度控制环)15，其根据永磁电机的当前转速和给定的目标转速生成所述给定电流值，并将该给定电流值输出到电流控制器14；和运动及显示控制器16，其基于来自用户或上位机的训练行程设定值、训练速度或训练拉力设定值、以及力量输出输入结构的当前位置/转速中的至少一者，生成所述目标转速并将该目标转速输出到速度控制器15，并且将力量输出输入结构的当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出。如后文中详细说明的那样，所述当前转速是基于旋转编码器11的位置检测信号获取的，所述当前拉力值是从电流传感器12的采样电流经过规定的运算获取的。

运动及显示控制器16能够基于来自用户或上位机的训练行程设定值、训练速度或训练拉力设定值、以及力量输出输入结构的当前位置/转速中的至少一者，生成目标转速来控制电机的运行。具体而言，在一个等速运动的行程中，能够基于来自用户或上位机的训练速度设定值生成目标转速来控制电机的运行，从而实现在一个行程中的等速运动。在一个非等速运动的行程中，能够基于来自用户或上位机的训练拉力设定值、以及力量输出输入结构的当前转速生成目标转速来控制电机的运行，从而实现在一个行程中的非等速运动。此外，运动及显示控制器16能够基于训练行程设定值和力量输出输入结构的当前位置生成目标转速来控制电机的运行，从而能够进行运动行程之间的运动方向切换。

图2所示的力量训练器械的控制装置，由于具有运动及显示控制器所以特别适合于对力量训练器械进行控制来实现等速运动功能。具体而言，采用图2所示的力量训练器械的控制装置，能够基于来自用户或上位机的训练行程设定值、训练速度设定值以及力量输出输入结构的当前位置，生成目标转速来控制电机的运行，实现包括运动行程之间的运动方向切换在内的等速运动的训练功能。并且，能够基于旋转编码器的位置检测信号获取电机的当前转速，并基于电机当前的电流值得到当前拉力值。这样，无需外置测力传感器就能够精确地获取外力来控制电机的速度，在实现等速训练功能的同时，能够将力量输出输入结构的当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出。

优选的是，训练行程包括向心运动行程和运动方向与向心运动相反的离心运动行程，所述运动及显示控制器进行控制，以使得在所述向心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达近端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述离心运动的方向，在所述离心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达远端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述向心运动的方向，在所述向心运动行程和所述离心运动行程的至少任一者中，使所述力量输出输入结构进行等速运动或使所述永磁电机以等速转动。

作为一种训练模式的等速运动模式，在包括一个向心运动及一个离心运动的一个往复动作中，只要包含了一定时间或行程的等速控制，都可以认为其是等速训练。例如可以在向心运动进行等速训练、离心运动为等张或无阻力状态；或者离心运动为等速训练、向心运动为等张或无阻力状态；也可以是向心运动和离心运动两者均为等速训练。

如后文中所说明的那样，优选的是，所述当前拉力值，是在规定的第一时间内保持所述当前转速不变，在该规定的第一时间内从所述电流传感器的采样电流经过所述规定的运算获取的。

优选的是，所述永磁电机为三相永磁同步电机，所述电流传感器测量所述三相永磁同步电机的三相电流信号，所述逆变器为三相逆变器，所述目标电流值为目标Q轴电流值，所述驱动控制信号为SVPWM信号。所述控制装置还包括电流转换器，其基于所述三相电流信号和来自所述旋转编码器的位置检测信号将所述三相电流信号转换成D轴电流值和Q轴电流值，所述当前拉力值是是基于所述Q轴电流值求取的。

如后文中所说明的那样，优选的是，所述当前拉力值，是在所述规定的第一时间内保持所述当前转速不变，多次获取所述Q轴电流值Iq，并对多次获取的所述Q轴电流值Iq进行滤波和平均计算来获取所述Q轴电流值的平均值Iq_平均，基于Iq_平均求取的。

优选的是，所述运动及显示控制器还基于所述力量输出输入结构的当前拉力值进行控制，当所述当前拉力值小于规定的最小张力设定值时将所述目标转速设定为0。

下面以采用三相交流永磁同步电机的方式为例对本实施方式的力量训练器械的控制装置进行更详细的说明。

随着三相交流永磁同步电机(3PH PMSM)的技术发展，更优的磁路仿真技术和电磁材料涌现出来。通过精心的设计，3PH PMSM具有极低的转矩脉动(在一个实施例中小于0.4％)。在Id＝0的控制下，3PH PMSM输入Q轴电流Iq与输出扭矩M成比较精确的线性正比。如果转矩脉动很大的话，例如2％，那么对于输入恒定的Iq，M会有2％的波动量。假如目标M是10Nm，那么实际M会在9.9Nm～10.1Nm之间变化。如果使用半径R＝4.5cm的绞盘，那么电机出力F在220N～224.4之间变化。这4.4N的力量变化，会给用户使用手感带来不良的影响，同时会对下文即将描述的张力测量精度带来影响。

如图2所示，为了使驱动器驱动3PH PMSM，控制装置具有2个控制环，分别是电流控制环和速度控制环。

电机轴上安装有高精度的旋转编码器(可以是光电编码器、磁编码器、旋转变压器等。在本实施例中，为了缩小尺寸和控制成本，使用的是磁编码器)。旋转编码器可以实时采集电机轴的角度，精度可以很容易的达到4000p/r(4000分之一圈，0.09度)，而且实时性非常高，输出频率可以很容易地达到2kHz以上。电流控制环中的park变换和SVPWM都需要基于编码器输出的电机轴绝对位置P结合电机级数，计算出电机电气角θE。

电流控制器(电流控制环)的输入是给定D轴电力Id和给定Q轴电力Iq，Id和Iq需要经过park和clark变换，转换成目标三相电流IU、IV、IW。系统通过SVPWM给电机三个相位线圈输入特定的电压，并且作为电流传感器可以通过至少一个采样电阻分时采样，获得实际的三相电流IU’、IV’、IW’，实际三相电流IU’、IV’、IW’经过park和正交变换，得到实际的Id’和Iq’，形成了电流控制环采样反馈。有了电流控制环反馈，能够利用PI(比例积分)控制算法，调整SVPWM分别给三相线圈输入的电压，以此控制Id’和Iq’快速和精确的逼近Id和Iq。

速度控制器(速度控制环)的输入是目标速度v，由于编码器可以实时反馈电机轴的绝对位置P，那么通过相邻间隔的较小时间Δt(如0.3ms)的连续采集，可以获得实际速度v’＝(P2-P1)/Δt计算得出。v’作为速度反馈，可以利用PI(比例积分)控制算法，调整Iq的大小，改变电机输出的扭矩大小，因此控制v’快速和精确的逼近v。

图3是表示本发明的一个实施方式的电机驱动器的电路结构的电路图。

如图3所示，该实施方式中的永磁电机为三相永磁同步电机，电机驱动器包括能够实现电流控制器和速度控制器之功能的MCU控制器，和由6个开关管组成三相逆变电路，在每个开关管上反向并联连接有二极管。

下面更具体地说明如何利用图3所示的电路结构进行电机的阻力控制。

6个开关管101-106组成三相逆变电路，控制逻辑则由MCU控制器112输出的6路PWM控制信号114决定：6路PWM控制信号经过驱动电路115进行功率放大与高压隔离，实现对IGBT开关管的控制。101、102作为U相107的逆变开关，103、104作为V相108的逆变开关，105、106作为W相109逆变开关，通过SVPWM或SPWM等逆变调制算法实现三相永磁同步电机110的控制信号输出。

116、117、118分别为三相下开关管的电流采样电阻，根据欧姆定律U＝R*I，可以通过采集电流采样电阻的电压值，计算出通过三相下开关管和采样电阻的电流119。101、102不能同时处于打开状态，103、104不能同时处于打开状态，105、106不能同时处于打开状态，否则将导致短路。根据这个原则，已知电流采样电阻通过的电流值，就可以得到107、108、109的输出电流。

电机的三相电流采样方式，不限于上述形式。也可以采用高位采样的方式，即把至少2个电阻串接在电机三相动力线中的2相线中，来采样电流。另外采样的传感器也有多种选择，包括但不限于：霍尔电流采样、电流互感器等。

另外为了降低成本，可以只采样两相电流，通过三相电流总和为零来计算出第三相电流。

三相永磁同步电机110提供光电编码器、磁旋转编码器、霍尔传感器等，MCU控制器112通过连接这些传感器，可以得到电机的位置、速度120等反馈信息。

MCU控制器112采集逆变器电路的母线电压121，必要时通过控制IGBT开关管111与刹车电阻113、电容器122形成放电回路，实现放电功能，从而阻止母线电压过高，损坏元器件。

以上说明了如何通过电流控制环和速度控制环，实现3PH PMSM的精确电机速度控制。也说明了3PH PMSM在扭矩控制环路中，Iq和扭矩M成比较精确的线性正比。基于此，我们能够实现无需外置拉力(扭矩)/称重/弹簧等外置拉力(扭矩)监测传感器，进行3PH PMSM的扭矩监测。下面将对此进行详细说明。

首先说明本发明的电子配重式力量训练器械中如何进行质量和拉力模拟。

图4是表示力量训练的2种力学模型的示意图。传统配重块器械表现出的力学模型为【A】。用电机作为阻力源的数字力量训练设备表现出的模型为【B】。由于电机转子的惯量是恒定的，无法随训练拉力设定值F的变化而变化，因此体验上会和模型【A】有明显差异。

而采用本发明的电子配重式力量训练器械，不仅能够用模型【B】来模拟模型【A】的感受，还能用模型B来模拟任何m和F的感受。

具体而言，模型【A】中，对于一个质量m的配重块，当受到垂直向上的拉力T和重力mg，其中g为重力加速度，取向上为正方向，那么配重块应该以加速度a＝(T-mg)/m运动。那么配重块在很小的时间片段Δt(例如取值范围1～10ms)内，速度变化量Δv＝a*Δt。那么在时间片Δt过后，新状态下的v’＝v+Δv。那么假如我们可以知道T，就可以利用已知条件m、Δt、上一时间片的速度v，得到时间片Δt后的速度v’。下一个Δt过后，新的v’又可以根据以上方法算出。

同样，在模型【B】中，能够基于公式v’＝(T-F)*Δt/m_虚拟配重+v，求取Δt后的速度v’，其中，T表示当前拉力值，m_虚拟配重表示虚拟质量设定值，F表示训练拉力设定值。

假如此时有一个物体，无论它是任何质量和受到任何摩擦力，只要它能够在受到外力T的时候，按以上算法的v’运动，人就会觉得这个物体具有m质量。

下面简单说明一下采用模型【B】能够实现的运动模式的例子。

(1)等张运动

所谓等张运动，就是在力量训练过程中，力量输出输入机构始终保持大致一定的拉力值。即在公式v’＝(T–F)*Δt/m_虚拟配重+v中，T与F大致相等，而m_虚拟配重取很小的值的情况。在实际控制中，可以把m_虚拟配重设置成很小的一个非零的数值。根据上面的公式，只要T-F≠0，那么受到分母m_虚拟配重很小的影响，v2会有非常剧烈的变化，这就是低惯量下的感觉，这种感觉可以参考拉橡皮筋。

(2)等速运动

所谓等速运动，就是在力量训练过程中，力量输出输入机构始终保持大致一定的速度。即在公式v’＝(T–F)*Δt/m_虚拟配重+v中，m_虚拟配重取非常大的值的情况。当m_虚拟配重无穷大的时候，(T–F)*Δt/m_虚拟配重趋近于零，v’＝v。

下面说明如何不设置外置测力机构地进行张力监测。

本发明的力量训练器械，具有高精度的编码器来监测电机转子的位置P，能够通过间隔一个Δt时间的2次监测P1和P2，计算出转子速度v＝(P2-P1)/Δt。也可以通过3次两两间隔Δt的P1、P2、P3，计算出转子速度a＝((P3-P2)/Δt-(P2-P1)/Δt)/Δt＝(P3+P1-2P2)/Δt2。

如果在一段时间Δt1内(例如1ms以上)，转子结构的加速度a＝0，v是恒定的，那么就可以认为转子结构此时受到的径向外力之和为0。转子结构受到的外力主要是电磁力F(电机定子和转子之间的作用力)、用户的拉力T(通过绳索张力传递到绞盘上)、摩擦力f。可以认为f是足够小的可以忽略(在一个实施例中f小于0.1N)。因为a＝0，所以F＝T(假如f不可忽略，可以对f进行测量取近似值，公式使用F＝T±f，加减号取决于转子的运动方向)。由于F和Iq成正比，且Iq是来自电流环PI自动控制系统反馈获得的，可以用公式F＝k1*Iq表示，那么T＝F＝k1*Iq。所以只要控制转子结构在Δt1内匀速运动，就能够通过Iq计算出用户拉力T。这样就无需设置外置测力/称重/弹力结构的张力监测。

k1的数值例如可以通过下述方式来确定：电机输入Iq＝1A时，用测力计测量T。再改变Iq多次测量后，得到Iq和T的对应表格，如果线性较好，可以直接用一次函数拟合即可。具体的k1可以是固定的，也可以查表得出。

对于基于Iq计算出用户拉力T的具体实现方式，将在对控制方法的说明中进行详细说明。

在本发明的上述实施方式中，提供电子配重的电机采用三相交流永磁同步电机。但是本发明并不限于上述实施方式，提供电子配重的电机可以采用其他电机。

(力量训练器械的控制方法)

本发明提供一种力量训练器械的控制方法，如上文中所说明的那样，所述力量训练器械包括为力量训练提供电子配重的永磁电机，以及与所述永磁电机的转子耦合的力量输出输入结构。该力量训练器械还包括控制装置，其包括：测量永磁电机的旋转角度的旋转编码器；测量电机的电流的电流传感器；用于驱动永磁电机的逆变器；电流控制器；速度控制器；和运动及显示控制器，其基于来自用户或上位机的等速训练的训练行程设定值、训练速度设定值以及力量输出输入结构的当前位置，生成所述目标转速并将该目标转速输出到速度控制器，并且将所述力量输出输入结构的当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出。

图5是表示本发明的一个实施方式的力量训练器械的控制方法的流程图。该控制方法是采用本发明的力量训练器械进行等速训练时的控制方法，其控制所述永磁电机的旋转以使得用户能够进行包括向心运动行程和离心运动行程的等速力量训练。

如图5所示，本发明的控制方法包括以下步骤：等速运动控制步骤(S1a、S2a)，在向心运动行程和离心运动行程中，基于运动及显示控制器输出的目标转速、旋转编码器的位置检测信号以及电流传感器的采样电流，通过速度控制器、电流控制器以及逆变器控制永磁电机使其以预先设定的训练速度旋转，其中，在所述向心运动行程和所述离心运动行程的至少任一者中，使所述力量输出输入结构进行等速运动或使所述永磁电机以等速转动；

发力曲线信息获取及输出步骤S1b、S2b，在向心运动行程和离心运动行程中，基于旋转编码器的位置检测信号获取所述力量输出输入结构的当前位置，从电流传感器的采样电流经过规定的运算获取所述力量输出输入结构的当前拉力值，并将所当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出；和

运动方向切换步骤(S3)，其中，运动及显示控制器进行控制，以使得在向心运动行程中力量输出输入结构的当前位置到达预先设定的近端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述离心运动的方向，在离心运动行程中力量输出输入结构的当前位置到达预先设定的远端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述向心运动的方向。

采用图5所示的控制方法，能够在向心运动行程和离心运动行程中，基于给定的目标转速、旋转编码器的位置检测信号以及电流传感器的采样电流，通过速度控制器、电流控制器以及逆变器控制永磁电机使其以预先设定的训练速度或训练模式旋转，从而实现了包括等速运动训练模式在内的多种训练模式。并且，在向心运动行程和离心运动行程中，基于旋转编码器的位置检测信号获取力量输出输入结构的当前位置，从电流传感器的采样电流经过规定的运算获取力量输出输入结构的当前拉力值，并将所当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出，从而实现了当前拉力值实时的检测和输出。并且，能够基于预先设定的近端极限位置和远端极限位置来切换目标转速的方向，实现了在给定行程范围内的、反复进行的向心运动和离心运动。

在等速运动的控制方法中，在包括一个向心运动及一个离心运动的一个往复动作中，只要包含了一定时间或行程的等速控制，都可以认为其是等速训练。例如可以在向心运动进行等速训练、离心运动为等张或无阻力状态；或者离心运动为等速训练、向心运动为等张或无阻力状态；也可以是向心运动和离心运动两者均为等速训练。

图6是表示等速运动训练过程中位置/拉力随时间变化的曲线图，该图显示的是向心运动和离心运动两者均为等速训练的情况。在图6中，左侧的坐标轴P表示位置，相应地多条倾斜的直线表示位置随时间的变化。右侧的坐标轴T表示张力，相应地多条大致弧状的曲线表示张力随时间的变化。

如图6所示，在等速运动训练过程中，位置P在近端极限位置和远端极限位置之间周期性地反复变化，近端极限位置和远端极限位置之间的距离就是一个向心运动或一个离心运动的行程。位置随时间呈直线状地变化，表示处于等速运动状态，其中直线的斜率即为训练速度。随着时间的变化张力呈大致弧状的曲线变化，这是基于电机的电流值检测出来的实时张力变化曲线。

等速运动训练主要有两个功能：训练和测量。在等速运动训练下肌肉募集速度比较快，容易突破等张运动模式下的瓶颈。测量是为了测试肌肉在不同长度的最大发力。因为肌肉长度和关节角度会影响发力大小，所以单一测量特定位置的肌肉发力，对肌肉能力的评价是不全面的。本发明中能够在整个等速运动训练过程中实时地检测张力变化曲线，对于用户而言，特别是专业运动员对肌肉能力全面的测量，能够帮助运动员寻找到最高效的发力区间。

优选的是，在所述向心运动行程和离心运动行程中，所述运动及显示控制器还基于所述力量输出输入结构的当前拉力值进行控制，当所述当前拉力值小于规定的最小张力设定值时将所述目标转速设定为0。

由此，当系统检测当前拉力值小于某个阈值时，判断为用户没有在使用设备或停止发力，系统停下来等待用户再次发力，客户再次发力后再恢复速度。这个功能一方面是出于节能和安全考虑，另一方面是能够用来防止用户偷懒，能够确保用户始终发力超过特定值。

下面说明如何在力量训练中进行拉力检测和速度控制。首先说明等速运动以外的运动模式，即可以具有任意的速度曲线的运动模式的情况。

在本发明中，采用的是在连续的两个毫秒量级的时间段，即规定的第一时间Δt1和规定的第二时间Δt2中，分别进行当前拉力值的获取和速度控制来实现拉力检测和速度控制的。

具体而言，在规定的第一时间Δt1内进行控制来保持当前转速不变，此时T＝F，而F与电机的电流成正比，通过在该规定的第一时间Δt1内从电流传感器的采样电流经过规定的运算能够获取所述当前拉力值。

在接下来的规定的第二时间Δt2中，基于公式v2＝(T–F)*Δt2/m_虚拟配重+v，求取规定的第二时间Δt2后的目标转速，其中v2表示目标转速，T表示当前拉力值，m_虚拟配重表示虚拟质量设定值，F表示训练拉力设定值，v表示当前转速。并且在所述规定的第二时间Δt2内控制所述电机的转速使其成为所述目标转子速度v2。

采用上述控制方法反复进行以Δt1+Δt2为一个单位的控制过程，能够不断地响应用户所施加的拉力来得到基于一个给定的质量拉力模型的运动速度。

图7是表示本发明的控制方法中的电机转速变化的示意曲线图。如图7所示，在第一个Δt1的时间内，电机转速被保持在v1，在此期间基于电机当前的电流值得到当前拉力值，并基于当前拉力值得到电机的目标转速v2。在第一个Δt2的时间内，对电机进行控制使其转速成为该目标转速v2。之后，在第二个Δt1的时间内，电机转速被保持在v2，在此期间基于电机当前的电流值得到当前拉力值，并基于当前拉力值得到电机的目标转速v3。在第二个Δt2的时间内，对电机进行控制使其转速成为该目标转速v3。接下来，进行同样的控制，就能够不断地响应用户所施加的拉力来得到基于一个给定的质量拉力模型的运动速度。

从图7中可知，电机转子的转速并非是连续的，实际上电机转子是运行在类似阶梯形曲线中的。但只要Δt1和Δt2足够小，就可以非常接近连续曲线。当然，Δt1和Δt2也存在下限，由旋转编码器的响应速度、对电机进行速度控制的控制器的工作频率等所决定。优选的是，所述规定的第一时间Δt1为1ms以上且10ms以下，所述规定的第二时间Δt2为0.5ms以上且5ms以下。在本发明中，由于不采用导致拉力T的采样滞后的应变仪、杆式测压元件、重量传感器等传感器，而基于电机当前的电流值得到当前拉力值，所以相比于现有技术能够大大地提高转速控制的响应速度和精度，提升进行力量训练的用户体验。

优选的是，所述永磁电机为三相永磁同步电机，所述电流传感器测量所述三相永磁同步电机的三相电流信号，所述逆变器为三相逆变器，所述目标电流值为目标Q轴电流值，所述驱动控制信号为SVPWM信号，所述控制方法还包括电流转换步骤，其基于所述三相电流信号和来自所述旋转编码器的位置检测信号将所述三相电流信号转换成D轴电流值和Q轴电流值，所述当前拉力值是是基于所述Q轴电流值求取的。

优选的是，所述当前拉力值，是在所述规定的第一时间Δt1内保持所述当前转速不变，多次获取所述Q轴电流值Iq，并对多次获取的所述Q轴电流值Iq进行滤波和平均计算来获取所述Q轴电流值的平均值Iq_平均，基于Iq_平均求取的。

下面参照图8，详细说明在第一时间Δt1内通过多次获取Q轴电流值Iq来求取当前拉力值的一个实施例。

图8是表示通过多次获取Q轴电流值来求取拉力值的流程图。

如图8所示，在步骤S11，开始对预先确定的Δt1，例如1ms进行计时。在步骤S12，控制电机转子的速度将其保持于v1不变。在步骤S13中，等待Δt3的时间，该Δt3可以是Δt1的1/5至1/10。在步骤S14，判断是否已经到达了Δt1的时间，如果没有到达Δt1的时间则进到步骤S15，如果到达了Δt1的时间则进到步骤S16。在步骤S15，获取当前的Q轴电流值Iq，并将其记录在数组内，然后返回步骤S12。这样经过多次步骤S12至步骤S15的循环，能够多次获取Q轴电流值Iq。在步骤S16，对数组内存储的多个Iq进行滤波和平均计算，得到Iq_平均。在步骤S17，通过Iq_平均计算出当前拉力(张力)值。

通过多次获取Q轴电流值Iq，并对多次获取的Q轴电流值Iq进行滤波和平均计算来获取Q轴电流值的平均值Iq_平均，基于Iq_平均求取当前拉力值，相比于基于一次获取的Q轴电流值Iq求取当前拉力值，能够提高所获取的当前拉力值的准确度，实现对电机速度更精确的控制。

下面说明如何在等速运动中进行速度控制。

在等速运动过程中，上述控制方法能够实现在一个向心运动行程或一个离心运动行程中的等速控制，其中一个向心运动行程或一个离心运动行程的持续时间为1秒至数秒，即是一个较长的时间段。维持这样一个较长的时间段的等速运动，是通过以毫秒量级的时间段为一个单位不断地进行速度控制来实现的。

具体而言，我们考虑一小段时间Δt1，当外力T变大时当前速度会突然变大，此时速度控制器中的误差值就变大了，于是Iq的给定值就变大了，在电流控制器中基于电流误差值来产生控制信号，使电机的Iq增大从而使电机的转矩增大，以平衡掉外力T的增大而保持速度不变。

更具体地说，Δt3为电流环控制回路周期，每个Δt3进行一次电流采样反馈和PID调整。Δt1为速度环控制回路周期，每个Δt1进行一次速度采样反馈和PID调整。一般情况下，Δt1为一个或多个Δt3，可以比较好的满足速度和电流控制需求。在Δt1中如果发现速度轻微的偏离目标速度，则会在下一个Δt1中根据PID计算的结果调整Iq给定值，以便于在下一个Δt1中，让速度更接近目标速度。Δt3一般为100微秒-500微秒。Δt1一般为1-10倍的Δt3。

Claims (11)

1.一种力量训练器械，包括为力量训练提供电子配重的永磁电机，以及与所述永磁电机的转子耦合的力量输出输入结构，所述力量训练器械的特征在于，包括：

测量所述永磁电机的旋转角度的旋转编码器；

测量所述永磁电机的电流的电流传感器；

用于驱动所述永磁电机的逆变器；

电流控制器，其根据来自所述旋转编码器的位置检测信号、来自所述电流传感器的采样电流和来自外部的给定电流值，生成输出到所述逆变器的驱动控制信号；

速度控制器，其根据所述永磁电机的当前转速和给定的目标转速生成所述给定电流值，并将该给定电流值输出到所述电流控制器；和

运动及显示控制器，其基于来自用户或上位机的训练行程设定值、训练速度或训练拉力设定值、以及所述力量输出输入结构的当前位置/转速的至少一者，生成所述目标转速并将该目标转速输出到所述速度控制器，并且将所述力量输出输入结构的当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出，

其中，所述力量输出输入结构通过较小传动阻力的传动机构与所述永磁电机的转子连接，

其中，所述当前转速和当前位置是基于所述旋转编码器的位置检测信号获取的，所述当前拉力值是从所述电流传感器的采样电流经过规定的运算获取的。

2.如权利要求1所述的力量训练器械，其特征在于，

所述训练行程包括向心运动行程和运动方向与所述向心运动相反的离心运动行程，所述运动及显示控制器进行控制，以使得在所述向心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达近端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述离心运动的方向，在所述离心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达远端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述向心运动的方向，在所述向心运动行程和所述离心运动行程的至少任一者中，使所述力量输出输入结构进行等速运动或使所述永磁电机以等速转动。

3.如权利要求2所述的力量训练器械，其特征在于，

所述当前拉力值，是在规定的第一时间内保持所述当前转速不变，在该规定的第一时间内从所述电流传感器的采样电流经过所述规定的运算获取的。

4.如权利要求1至3的任意一项所述的力量训练器械，其特征在于，

所述永磁电机为三相永磁同步电机，所述电流传感器测量所述三相永磁同步电机的至少两相电流信号，所述逆变器为三相逆变电路，所述给定电流值为给定Q轴电流值，所述驱动控制信号为SVPWM信号，

还包括电流转换器，其基于所述至少两相电流信号和来自所述旋转编码器的位置检测信号将所述至少两相电流信号转换成D轴电流值和Q轴电流值，

所述当前拉力值是是基于所述Q轴电流值求取的。

5.如权利要求4所述的力量训练器械，其特征在于，

所述当前拉力值，是在所述规定的第一时间内保持所述当前转速不变，多次获取所述Q轴电流值Iq，并对多次获取的所述Q轴电流值Iq进行滤波和平均计算来获取所述Q轴电流值的平均值Iq_平均，基于Iq_平均求取的。

6.如权利要求1至5的任意一项所述的力量训练器械，其特征在于，

所述运动及显示控制器还基于所述力量输出输入结构的当前拉力值进行控制，当所述当前拉力值小于规定的最小张力设定值时将所述目标转速设定为0。

7.一种力量训练器械的控制方法，其中，所述力量训练器械为权利要求1的力量训练器械，所述控制方法控制所述永磁电机的旋转以使得用户能够进行包括向心运动行程和离心运动行程的等速力量训练，所述控制方法的特征在于，包括：

等速运动控制步骤(S1A、S2A)，在所述向心运动行程和离心运动行程中，基于所述运动及显示控制器输出的目标转速、所述旋转编码器的位置检测信号以及所述电流传感器的采样电流，通过所述速度控制器、所述电流控制器以及所述逆变器控制所述永磁电机使其以预先设定的训练速度旋转，其中，在所述向心运动行程和所述离心运动行程的至少任一者中，使所述力量输出输入结构进行等速运动或使所述永磁电机以等速转动；

发力曲线信息获取及输出步骤(S1B、S2B)，在所述向心运动行程和离心运动行程中，基于所述旋转编码器的位置检测信号获取所述力量输出输入结构的当前位置，从所述电流传感器的采样电流经过规定的运算获取所述力量输出输入结构的当前拉力值，并将所当前拉力值和当前位置作为发力曲线信息输出；和

运动方向切换步骤(S3)，所述运动及显示控制器进行控制，以使得在所述向心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达预先设定的近端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述离心运动的方向，在所述离心运动行程中所述力量输出输入结构的当前位置到达预先设定的远端极限位置时将所述目标转速的方向切换为所述向心运动的方向。

8.如权利要求7所述的力量训练器械的控制方法，其特征在于，

在规定的第一时间内保持所述当前转速不变，在该规定的第一时间内从所述电流传感器的采样电流经过所述规定的运算获取所述当前拉力值。

9.如权利要求7或8所述的力量训练器械的控制方法，其特征在于，

所述永磁电机为三相永磁同步电机，所述电流传感器测量所述三相永磁同步电机的至少两相电流信号，所述逆变器为三相逆变电路，所述给定电流值为给定Q轴电流值，所述驱动控制信号为SVPWM信号，

还包括电流转换步骤，其基于所述至少两相电流信号和来自所述旋转编码器的位置检测信号将所述至少两相电流信号转换成D轴电流值和Q轴电流值，

所述当前拉力值是是基于所述Q轴电流值求取的。

10.如权利要求9所述的力量训练器械的控制方法，其特征在于，

所述当前拉力值，是在所述规定的第一时间内保持所述当前转速不变，多次获取所述Q轴电流值Iq，并对多次获取的所述Q轴电流值Iq进行滤波和平均计算来获取所述Q轴电流值的平均值Iq_平均，基于Iq_平均求取的。

11.如权利要求7至10的任意一项所述的力量训练器械的控制方法，其特征在于，

在所述向心运动行程和离心运动行程中，所述运动及显示控制器还基于所述力量输出输入结构的当前拉力值进行控制，当所述当前拉力值小于规定的最小张力设定值时将所述目标转速设定为0。