CN210350963U - 一种健身车 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及健身器材技术领域。本实用新型公开了一种健身车，包括无刷电机、电机控制板、电机驱动电路、电源管理电路、开关电路、电能消耗单元和可充电的电池单元，所述电池单元通过电源管理电路为健身车供电，所述电机控制板通过电机驱动电路控制无刷电机输出相应的扭力作为该健身车的踩踏阻力，所述无刷电机在该扭力下转动产生的电能经过电机驱动电路处理后通过电源管理电路为电池单元充电和/或通过开关电路输出给电能消耗单元消耗掉，所述电源管理电路和开关电路的控制端分别与电机控制板连接。本实用新型既可以实现实时精确扭力控制，又可以对能量进行回收，进行自供电，甚至给外部设备使用，节能降耗，且结构简单，成本低。

Description

一种健身车

技术领域

本实用新型属于健身器材技术领域，具体地涉及一种健身车。

背景技术

当前随着人们生活水平不断提高，对身体的健康越来越重视，在工作之余抽空使用健身器材进行锻炼成为人们的一种选择，健身车也因此逐渐普及到我们生活中。健身车属于典型的模拟户外运动的有氧健身器材，也被称为心肺训练器材，主要是通过身体较长时间，适当强度的踩踏运动来促进心血管的运动，加快新陈代谢，增强心脏和肺部功能，从而改善人体的体质。

市面上现有的健身车一般采用电磁控技术来调节阻力，阻力调节准确性差，经常调整不到位，且阻力调节反应慢，需要较长的反应过程。另外现有的健身车都需要外部交流电源作为动能供电，耗电大不环保且操作不方便；或者虽然有些健身车设有自发电装置，但自发电装置只能提供微少的电能供仪表显示使用而已，无法将用户健身运动时动能转换为电能并有效存储输出。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种健身车用以解决上述存在的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种健身车，包括无刷电机、电机控制板、电机驱动电路、电源管理电路、开关电路、电能消耗单元和可充电的电池单元，所述电池单元通过电源管理电路为健身车供电，所述电机控制板通过电机驱动电路控制无刷电机输出相应的扭力作为该健身车的踩踏阻力，所述无刷电机在该扭力下转动产生的电能经过电机驱动电路处理后通过电源管理电路为电池单元充电和/或通过开关电路输出给电能消耗单元消耗掉，所述电源管理电路和开关电路的控制端分别与电机控制板连接。

进一步的，所述电机控制板包括主控单元、母线电压测量电路、电流测量电路和位置检测电路，所述母线电压测量电路用于测量无刷电机母线的电压并输出给主控单元，所述电流测量电路和位置检测电路分别用于测量无刷电机的相电流和转子位置并输出给主控单元，所述主控单元根据无刷电机母线的电压、无刷电机的相电流和转子位置进行相应的FOC闭环控制。

进一步的，所述电机驱动电路包括半桥驱动电路和功率逆变电路，所述功率逆变电路采用功率MOS管来实现。

进一步的，所述电源管理电路包括DC降压电路和充放电管理电路，所述无刷电机在该扭力下转动产生的电能经过电机驱动电路处理后，再经过DC降压电路降压后，通过充放电管理电路为电池单元充电和为健身车供电。

进一步的，所述电能消耗单元为功率电阻。

进一步的，所述电池单元由锂电池构成。

进一步的，还包括仪表，所述仪表与电机控制板通信连接。

进一步的，所述电源管理电路还设有输出接口和输入接口，所述输入接口用于接外界充电电源为该电池单元供电，所述输出接口用于接外界用电单元。

进一步的，所述开关电路的控制端与电机控制板的PWM控制端连接。

更进一步的，在电机控制板未开启的时候，无刷电机在该扭力下转动产生的电能经过电机驱动电路处理后通过电源管理电路为电池单元充电；电机控制板开启后，电机控制板把电源管理电路的充电回路关断，并控制开关电路进行相应导通，来维持无刷电机母线电压稳定；当无刷电机做功超过设定值后，再把电源管理电路的充电回路打开，同时对开关电路进行相应控制，来维持无刷电机母线电压稳定。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型既可以实现实时精确扭力控制，又可以对能量进行有效回收，进行自供电，甚至给外部设备使用，节能降耗环保，且结构简单，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本实用新型具体实施例的电路框图；

图2为本实用新型具体实施例的部分具体电路图一；

图3为本实用新型具体实施例的部分具体电路图二；

图4为本实用新型具体实施例的部分具体电路图三。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1-4所示，一种健身车，包括无刷电机2、电机控制板、电机驱动电路、电源管理电路3、开关电路5、电能消耗单元6和可充电的电池单元4，所述电池单元4通过电源管理电路3为健身车(包括电机控制板和仪表)供电，所述电机控制板通过电机驱动电路控制无刷电机2输出相应的扭力作为该健身车的踩踏阻力，所述无刷电机2在该扭力下转动产生的电能经过电机驱动电路处理后，即整流滤波后通过电源管理电路3为电池单元4充电进行能量回收，和/或通过开关电路5输出给电能消耗单元6消耗掉，所述电源管理电路3和开关电路5的控制端分别与电机控制板连接。

本具体实施例中，所述电能消耗单元6优选为功率电阻，易于实现，成本低，但并不限于此，在其它实施例中，也可以采用其它可以消耗电能的装置来实现。

本具体实施例中，电机控制板采用FOC(磁场定向控制)控制来控制无刷电机2，实时性和精确度高，FOC控制已是非常成熟的技术，具体可以参照现有技术，此不再细说。

相应地，本具体实施例中，所述电机控制板包括主控单元1、母线电压测量电路9、电流测量电路10和位置检测电路11，所述母线电压测量电路9用于测量无刷电机2母线的电压并输出给主控单元1，所述电流测量电路10和位置检测电路11分别用于测量无刷电机2的相电流和转子位置并输出给主控单元1，所述主控单元1根据无刷电机2母线的电压、无刷电机2的相电流和转子位置进行相应的FOC闭环控制。

本具体实施例中，位置检测电路11采用霍尔传感器来实现，精确度高，且易于实现，但并不限于此。

本具体实施例中，母线电压测量电路9、电流测量电路10和位置检测电路11的具体电路连接关系详见图2和3，此不再细说，当然，在其它实施例中，母线电压测量电路9、电流测量电路10和位置检测电路11也可以采用现有的其它电路形式来实现，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

本具体实施例中，主控单元1采用型号为STM32F105RBT6的单片机U2来实现，具体电路详见图3，此不再细说，当然，在其它实施例中，主控单元1也可以采用其它单片机来实现。

本具体实施中，所述电机驱动电路包括半桥驱动电路8和功率逆变电路7，半桥驱动电路8的控制端接主控单元1的控制输出端，半桥驱动电路8的输出端接功率逆变电路7的控制输入端，用于驱动功率逆变电路7，功率逆变电路7的交流端接无刷电机2，功率逆变电路7的直流端分别接电源管理电路3和开关电路5。

本具体实施中，半桥驱动电路8采用半桥驱动器U8、U9和U10来实现，功率逆变电路7采用功率MOS管MOS1-MOS12来实现，半桥驱动器U8、U9和U10的型号为IR2181S，具体电路连接关系详见图2，此不再细说。采用该电机驱动电路，控制精度高，实时性高，且可靠性高，但并不限于此，在其它实施例中，电机驱动电路也可以采用现有的其它电机驱动电路来实现，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

本具体实施中，所述开关电路5采用功率MOS管做开关通断，由主控单元1输出PWM信号进行控制其导通以及控制其导通电流的大小，灵敏度和可靠性高，功耗低，具体电路详见图3，此不再细说。当然，在其它实施例中，开关电路5也可以采用其它开关电路来实现。

本具体实施中，所述电池单元4优选采用锂电池来实现，容量大，体积小，但并不以此为限。本实施例中，电池单元4采用3节18650锂电池并联组成，自带过压、过流、短路保护，当然，在其它实施例中，电池单元4的锂电池数量和规格可根据系统供电电压调整，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。

本具体实施中，电源管理电路3包括DC降压电路和充放电管理电路，功率逆变电路7的直流端输出的直流电经过DC降压电路降压后，通过充放电管理电路为电池单元4充电和为健身车供电，在健身车的系统负载比较大的时候，输入电流优先提供给系统供电，剩余的负载能力再给电池单元4充电。

本具体实施中，充放电管理电路采用现有的充放电管理IC来实现，优选采用支持3节以上的充电管理，2A以上的电池充电电流，支持预充电、恒流充电、恒压充电管理；具有电池温度检测、充电过流保护、充电过压保护、电池短路保护等保护措施；同时还需具备电池充放电路径管理，实现电池边充边放功能的充放电管理IC来实现。

充放电管理IC的控制端与主控单元1的控制端连接，由主控单元1根据电池单元4不同的电量设置不同的充电电流。

进一步的，本实施例中，所述电源管理电路3还设有输出接口和输入接口，所述输入接口用于接外界充电电源为该电池单元4供电，在电池单元4由于放置时间比较长处于低电保护，这时可以通过DC适配器输入进行充电激活。所述输出接口用于接外界用电单元，给外界用电单元供电。本实施例的电源管理电路3的具体电路详见图4，此不再细说。

本具体实施例中，包括仪表12，所述仪表12与电机控制板通信连接，具体的，仪表12与主控单元1通信连接，可通过通用的有线接口，如：UART、CAN、485等相连，当然，也可以采用无线通信连接，如蓝牙、WIFI等。

仪表12设有显示屏和按键，用户通过仪表12可以选择锻炼模式、阻力大小、转速等。

工作过程：

用户在仪表12上设定阻力参数，仪表11将其转换成扭力控制指令，发送到电机控制板；电机控制板控制根据扭力大小，采用FOC恒扭力闭环控制算法通过半桥驱动电路8驱动功率逆变电路7控制无刷电机2输出对应的扭力，人体踩踏骑行的时候，通过皮带轮带动无刷电机2转动进行锻炼；无刷电机2在设定的扭力下转动，产生电能，电机控制板控制半桥驱动电路8驱动功率逆变电路7将该电能转换为直流电，该直流电通过电源管理电路3为电池单元4充电，电机控制板控制电源管理电路3的充电电流大小，使得无刷电机2母线的电压稳定保持在42V，实现扭力的精确控制；当电池单元4充满电之后，再控制开关电路5导通，通过电能消耗单元6把无刷电机2产生的电能消耗掉，防止电压过高损坏系统和影响扭力的精确控制，电机控制板通过调整输出的PWN信号来调整通过开关电路5的电流，使得无刷电机2母线的电压稳定保持在42V；当无刷电机2产生的电能大于电池单元4的充电电能时，可以同时控制给电池单元4充电和控制开关电路5导通，把多余的电能消耗掉；电池单元4通过电源管理电路3为整个健身车供电。

进一步的，为了保证无刷电机2母线电压的稳定，从而保证电机控制板对无刷电机2扭力的精确控制，在电机控制板未开启的时候，无刷电机2在该扭力下转动产生的电能经过功率逆变电路7转换为直流电后，直接通过电源管理电路3(即电源管理电路3的充电回路默认为开启状态)为电池单元4充电，由于此时处于空载状态，无刷电机2产生的能量比较有限，可以直接对电池单元4进行充电，不会影响无刷电机2母线电压的稳定；电机控制板开启后，电机控制板把电源管理电路3的充电回路关断，并控制开关电路5进行相应导通，来维持无刷电机2母线电压稳定，避免这个充电功率大于无刷电机2产生的功率影响扭力的精确控制；当人体骑行做功超过30W(可根据系统功耗和充电功耗调整)，再把电源管理电路3的充电回路打开，同时对开关电路进行相应控制，即进行上一段落所述的控制，来维持无刷电机2母线电压稳定。

本实用新型既可以实现实时精确扭力控制，又可以对能量进行有效回收，进行自供电，甚至给外部设备使用，节能降耗环保，且结构简单，成本低。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种健身车，其特征在于：包括无刷电机、电机控制板、电机驱动电路、电源管理电路、开关电路、电能消耗单元和可充电的电池单元，所述电池单元通过电源管理电路为健身车供电，所述电机控制板通过电机驱动电路控制无刷电机输出相应的扭力作为该健身车的踩踏阻力，所述无刷电机在该扭力下转动产生的电能经过电机驱动电路处理后通过电源管理电路为电池单元充电和/或通过开关电路输出给电能消耗单元消耗掉，所述电源管理电路和开关电路的控制端分别与电机控制板连接。

2.根据权利要求1所述的健身车，其特征在于：所述电机控制板包括主控单元、母线电压测量电路、电流测量电路和位置检测电路，所述母线电压测量电路用于测量无刷电机母线的电压并输出给主控单元，所述电流测量电路和位置检测电路分别用于测量无刷电机的相电流和转子位置并输出给主控单元，所述主控单元根据无刷电机母线的电压、无刷电机的相电流和转子位置进行相应的FOC闭环控制。

3.根据权利要求1所述的健身车，其特征在于：所述电机驱动电路包括半桥驱动电路和功率逆变电路，所述功率逆变电路采用功率MOS管来实现。

4.根据权利要求1所述的健身车，其特征在于：所述电源管理电路包括DC降压电路和充放电管理电路，所述无刷电机在该扭力下转动产生的电能经过电机驱动电路处理后，再经过DC降压电路降压后，通过充放电管理电路为电池单元充电和为健身车供电。

5.根据权利要求1所述的健身车，其特征在于：所述电能消耗单元为功率电阻。

6.根据权利要求1所述的健身车，其特征在于：所述电池单元由锂电池构成。

7.根据权利要求1所述的健身车，其特征在于：还包括仪表，所述仪表与电机控制板通信连接。

8.根据权利要求1所述的健身车，其特征在于：所述电源管理电路还设有输出接口和输入接口，所述输入接口用于接外界充电电源为该电池单元供电，所述输出接口用于接外界用电单元。

9.根据权利要求1所述的健身车，其特征在于：所述开关电路的控制端与电机控制板的PWM控制端连接。

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