TWI338587B - - Google Patents

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1338587 九、發明說明： - 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種跑步機之控制系統架構及其方法，特別是指一種藉 由置測直流馬達電源端訊號與反電動勢波形，以獲得馬達轉速與跑步者之 ·* 負載量、步數、步幅等運動行為的跑步機之控制系統架構及其方法。 【先前技術】 社會發展迅速，由於都市化緣故使國人運動的空間相形之下少了很 ® 夕，加上近來民眾越來越重視身體的健康，對運動的要求和需求量提高很 多，因此室内運動器材漸漸被重視，而跑步機擁有簡單的操作介面，不管 小孩和老人都可以簡單的使用它，目前跑步機常見於一般的健身中心，日 後會因價格的普及化，使需求量慢慢增加。 跑步機的驅動來源常為直流馬達（DCMotor)，馬達是一種將電能轉換 為機械能的裝置，廣泛地應用於在工業界和日常生活等場合中，直流馬達 擁有高起動轉矩，極易控制轉速等優點，加上磁性材料及碳刷不斷更新， # 使得直流馬達在價格成本壓低後之後仍保有優越的性能，所以跑步機為了 使價格普及而使用直流馬達當作驅動來源。 現今仍有許多控制系統，只需利用開路控制已足足有餘，但大多是用 . 在定負載或定輸出功率的場合，跑步機因為負載隨不同使用者之體重與運 動姿態而改變，使得皮帶的速度會減慢而產生不同的變化，為了達到定速 的控制’必須量測馬達轉速訊號，作閉迴路控制。一般在跑步機的驅動系 統是以旋轉編碼器或光遮斷器搭配縫隙圓盤量測馬達轉速，雖然可以求出 5 確的數值’但感測器為額外的組袭機構，加工費時，需要裝配工資及元 …心咖嶋’不咖_化，錢、衡量、飛程時間等 ^動仃為4要定祕用者錢、步數甚至於勒行树，係透過於跑步 下的機構纖姆❹細者在账崎制，賴測到的 壓力資料來蚊義’而方法也是目前唯—齡析單__步伐（單腳落地） 資枓的-項依據’其它量測與分析步伐儀器，包括有利用影像娜、觀察

跑步者之步鶴作或者是其絲力學的法轉出跑者姿勢的差異 性、腳步切換關、力量制電阻料，這些都是需要額外安裝感測器。 。有鐘於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失提出—種無須使用感 測器轉速檢測電路的跑步機之控齡贿構及其㈣，來解決上述問題， 再者本發明不僅可量啦流馬達轉速，使跑錢之线達酬迴路的速度 制卜也有跑步機的斜坡度控制、過電流、異常電壓保護措施等系 統功能’此外更可细對直流馬達電源端城進行處理，來分析跑者的步 伐、步數、步幅等運動行為。

【發明内容】 本發明之主要目的在提供—種跑步機之控·絲構及其方法，其可 在無額外加裝感測ϋ下，藉由直接制馬達電源端信號與反電動勢波形， 而獲知馬達的轉速和跑者的步幅、步數等運動訊號，進而推論出跑者當時 的運動行為並使跑步機之系統達到閉迴路的速度控制。 本發明之另一目的在提供一種跑步機之控制系統架構及其方法，其利 用較傳統跑步齡關單的量啦流訊號作分析處理，續得跑者當時的 1338587 運動行為的相關資訊。 ， 為達上述之目的’本發明提供一種跑步機之控制系統架構，其包含有一 微控制器；一接收微控制器之訊號來驅動一直流馬達帶動跑步機作變速運 轉的直流馬達驅動電路；一與微控制器以及一交流馬達相連接的斜坡度控 制與偵測電路’其係用以驅動跑步機作模擬上坡及下坡之斜坡度控制；一 LCD傳輸介面，其係接收微控制器之訊號，以作為一 lCD顯示板與跑步機 系統間的傳輸介面；一檢測轉速電路，其係用以檢測直流馬達之碳刷與換 向片的信號，以求得轉速訊號，並傳遞至微控制器，以進行跑步機系統速 度的閉迴路蝴；以及—用以供應上述元制需的電觀的電驗應電路。 本發明尚提供一種跑步機之系統控制方法，其中跑步機之變速運動係 利用直如·馬達來達成，該系統控制方法包含有利用一微控制器驅動直流 馬達進行運轉’接續制錢馬達之碳刷與換向#的信號，以獲得轉速訊 號，並傳遞至微控制器，以進行跑步機系統的閉迴路控制。 底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術内 容、特點及其所達成之功效。 【實施方式】 跑步機之機構包含有-機身與固定於機身上的傳動機件、皮帶、直流 馬達、電路控碰錢交流馬料’其巾直流馬達是箱傳賴件帶動皮 帶做變速補，而錢馬達是在_跑步_贿±坡及下舰度控制。 請參閱第1圖’其係本發明之控制系統架構示意圖。如圖所示，整個 系統1以單晶片微控制器12如E廳⑽作為核心，以其内建的脈寬調變 (Pulse WidthMod—，PWM)電路推動功率_元件如则ρΕτ，驅 1338587 馬達14之碳刷與換相片切換的轉缚訊號，，以算出直流馬達的轉速；再將直 — 流馬達轉速迴授至微控制器12，以進行系統1速度的閉迴路控制。 - 麵控㈣12驅動跑步機之直流馬達14後，可同時或單獨量測直流 馬達14之電源端訊號，並回傳至微控制H 12，以計算出跑者的步幅、步數、 .距離等資訊。再者，也可利用微控制器12秘動-斜坡控制與偵測電路】8, 以帶動交流馬達20作模擬上坡下坡速度控制。 針對電源供應電路26的部分再進行說明，請一併參閱第2圖，其更可 • 包含有電源保護單元28、EMI濾波器3〇、整流電路％、AC/DC轉換電路 34與穩壓電路36。 在電源保護單元28的部分，由於輸八為單敏流電源UGV，為避免 異常過電流毁壞零件，所以使用保險絲及過電流保護元件保護整個系統。 而EMI濾波器30主要係消除、減弱外界環境之EMI對系統之干擾及系統 本身產生之雜訊對外界環境之干擾，整流電路32主要是將單相交流電源橋 式整流後，經過一顆容量470viF耐壓400伏特之電解電容，將電壓整合為 ^ 一直流準位’提供直流馬達驅動跑步機所需之直流電源，在本發明中可以 選用之元件為KPBC5002，其為碰200伏特之橋式整流器，整流後之電壓 約為155伏特直流電壓。而AC/DC轉換電路34係用以將交流電源轉換為 微控制器及馬達驅動等電路需要使用的直流電路。穩麼電路36係用以將由 AC/DC觀狀4錢源’賴成各織路所^之電源，如財能驅動各 個電路動作。 而保護偵測電路38更包含有：1,保護電路，其係為馬達保護偵測電路； 1338587 2.過電流偵測電路，其係用以當微蜱制器讀取到負載短路或超過某一電流值 J 時，便停止傳送PWM信號，以避免馬達及電路遭到破壞；3.電壓異常偵測 電路，其係g供應的電力品質不穩定或使用電源不當，可能造成輸入電壓 過大或過小，對元件本身造成破壞，所以需隨時偵測電壓是否異常保護 系統避免被破壞。 接續針對上述馬達速度運算與步伐感測進行更詳盡的說明。首先，電 流訊號因系統電路處理與負載變化包含各種不同的信號成份，請一併參閱 Φ 第3圖’其係顯示出信號成份包含有PWM產生的20KHz信號、市電6〇Hz 經橋式整流後之120Hz信號、閉迴路控制造成電流突昇信換，換向片與碳 刷產生之機械信號，不平整的傳動機構與跑者不同的運動姿態造成負載的 變動訊號。 本發明中電流訊號乃反應在反電動勢訊號上，因此從反電動勢，可建 立一組電路决算流程，渡除其餘不要的訊號，掏取碳刷與換向片切換的轉 速訊號，以算出馬達轉速。 ^ 請參閱第4圖為速度檢測電路之信號處理的演算流程，其首先經由lc 電路42消除PWM產生的20KHz尚頻訊號；接續在經由i2〇Hz消除電路 44 ’去除大部分電源干擾與負載變動的訊號；之後由以光耦合器為主體的 隔離電路46將信號隔離以便於回授控制；後級則選用適當檢波放大電路 48、帶通濾波放大電路50、放大電路52擷取速度訊號；最後經由史密特觸 發器54整形後即可得到如光編器般的速度波形》 上述之LC電路42係因為當馬達保護電路採用如快速二

10 1338587 極科，馬達的反物勢訊魏大部枕被此戦速二極體⑽為提并 - 喊的反電轉喊，必須麵外加上-組LC電路42，崎伽訊號更 * 為明顯’請參閱第5圖’其縣加在馬達兩端之LC電路示意圖。 而12GHZ消除電路44為將馬達反電動勢訊號經-個電解電容遽除 PWM所產生之2GKHz錢，此外，市電整流率波，仍存留—些12他的 電源波動訊號在馬達兩端，當取出馬達反電動勢時，會使碳刷與換向片的 切換訊號受麻的干擾，造軌聽誠(S/N)會彳M、，目此在訊號柄 • 合前需先消除，以避免後級訊號處理的困難度，請參閱第6圖，其係為消 除電源干擾的120Hz雜訊電路的電路圖，其原理為渡波處理取出反相之 120Hz的電源干擾訊號，再和原有訊號用加法電路相加，即可得到s/N較 好漣波訊號。 凊參閱第7圖’其係光耦合隔離電路46之使用光耗合器隔離電路。由 於馬達取出之反電動勢訊號並不大，為避免負載效應造成訊號減弱，因此 本發明使用光耦合器隔離並配合電壓追隨、電流放大的電路以使反電動勢 # 訊號可以得到適當的利用。 請參閱第8圖為檢波放大電路48的電路架構示意圖。檢波放大電路48 主要分為檢波及放大兩部分。在檢波電路方面，利用電容充放電及電阻放 電，來消除雜訊；在放大電路方面，利用〇p放大波檢處理後之信號，以方 便後及電路之處理。而第9圖為檢波放大前後之波形圖。 第10圖為帶通濾波放大電路50之電路架構示意圖。帶通濾波放大電 路為一組高通濾波放大電路與低通濾波電路所組構而成。高通濾波電路主 1338587 要用來消除市電整流後之120Hz的殘留訊號，或是因為傳動機構摩擦不均 影響馬達驅動，造成反電動勢波動的信號，此信號頻率都低於轉速信號， 再經由反向放大器放大，以利後級訊號處理，之後經由二階低通濾波電路 消除其餘的1¾頻雜訊。 第11圖為放大電路52之電路架構示意圖。此電路主要係將波形比例 放大，使後級電路方便處理。

第12圖為史密特觸發電路54之電路架構示意圖。此電路主要係將類 比的弦波信號轉換為數位的方波信號，以便讓微控制器讀取。 當馬達有Μ個換向片時的組數’/；為換向片與碳刷的切換頻率，&為 換向片與碳刷的切換週期’則馬達之轉速Ν (φηι)可換算為下列第（！） 或第（2)式： 量測馬達轉速實驗結果 請參閱第13 (a)與13㈦圖，其係為了驗證無感測器電路轉速檢測 之準確度’與傳統式光遮段驗繼速之結果作比較以無跑者、體重6〇 公斤之跑者在_關轉速作實驗的速錢糊。_已知光遮斷器之縫 隙圓盤有64個洞，而馬達擁有24組換向片，來直接計算輪出波形的速度， 以驗證本發明之量測方式。 在第13 (a)圓中可獲知光遮斷器之方波平均週期乃為. rp 93ms , ^ =-^- = 1.1625 (ms) 12 (^ ) 1338587 光遮斷器量測之轉速Ni為：

NI 60 1.1625^^64 =8°6^ 無感測器檢測轉速電路之方波平均週期忍為： rp 12.4 w , .、 ^=-T-=3.1 {ms)

無感測器檢測轉速電路量測之轉速”2為·· 在第U⑻财可獲知光遮斷器之方波平均週期 τ， 9.4 ms . 1 句 刃=—g — = 1175 (ms) 光遮斷器量測之轉速為]^為： \7% _ 60 :798(r/w) 1.175/W5-X64 無感測器檢測轉速電路之方波平均週期乃為 m 12 Ams ,. T 12.4ms ^ / 、Γ2=—τά w

無感測器檢測轉速電路量測之轉速N2為： 由實驗結果發現檢測電路計算之觀和光編碼^相近、誤差小，因此 於系統中了省略速度感測II，由本發明之量測馬達轉速之電路取代。 針對量測步伐波形，；ί;同於前__節介紹的速度織量測，跑者的運動 是瞬時的_負載’會造成電流的脈動訊號 ，從第3圖電流訊號反應至反 電動勢之鮮分析圖可看純者的倾魏是狀最低鮮的貞載變動訊 號，透過適當的訊號處理，即可擷取出跑者的步伐波形。請一併參與第1 圖與參閱第14圖，為進行步伐信號量測時，係於電源供應電路26傳輸電 源至直流馬達驅動電路13之線路上設置有一步伐分析電路4〇,而步伐分析 13 1338587 電路40之步伐量測電路餘方塊，如第14 _示。第―級電路結構是 以-個圓職心穿過MOSFET源極與地的導線，在鐵心繞上幾圈導線所構 成之圓形鐵碰圈56，由於流過M〇SFET上的電流為交流職，基於電磁 感應原理纟鐵〜上的導線可以感應出正比於電流訊號的電動勢，經過電 流轉電壓電路58處理’即可從電壓社小來判斷電流訊號，因為跑者步伐 L號的頻率低於其它信號成份，故選用―低賴波^ ό()將步伐訊號掏取出 來’最後由史密特觸發器62整形成數位訊號，傳回微控制器12，即可計算 出跑步者的步數，步幅等多樣的運動資訊。 實驗結果 閉迴路控制會因為負載大小而調整電極電壓，進而改變電樞電流’當 皮帶機構損耗不平均時，從電流波形即可發現相異之處，f 15 (a)〜15(c) 圖係各為,,、、九者時與6〇公斤跑者、SO公斤跑者在⑽師m下跑步時量測之 步戈波形，、中，L為馬達電流波形，L為第__次渡波之電流;皮形，尚存 在因馬達閉迴路控制所產生之瞬間突昇電流’此波形仍不容易判斷負載情 形需再、.呈過-人遽波處理如圖中的^波形，再由A/D傳回EM78P458， °刀析九者之運動行為，&經過史密特觸發^，則可得到步頻的數位訊號 G，此方波的週期即為跑者的步幅。 觀察實驗所獲得之電流波形，在第(a)圖無跑者情形下，「3與l近 似一直線，表示無任何負«動造成的步伐訊號，而從第15⑻圖與第 15 (C)圖作比較時’麵—轉速抑4量跑者，當跑者以-樣的跑步姿態， ’’、、任何故卿動作崎況下，體重越重者，波料值越高，由於測試者 1338587 身高不同’腳長不同，從波形明顯的看出步幅的差異，且當轉速越快時， 跑者步伐的頻率也相對提高。 再者，請參閱第16圖’其係體重為60公斤之跑者在議聊下跑步 時量測之步伐波形。由關巾可觸出同i人的錢波形湘腳尖姿 態跑步和⑽掌落地_會有-辦均電位^，㈣著地齡式會使腳步 負擔力量較重’施與皮帶的力量也較重所轉致波形下拉情形比整個腳掌 面著地更明顯。 舉例來說若轉速為1500rpm，利用馬達轉速與跑步帶速度v的關係 其中D1A馬達轉軸直徑(km)，D2為滑輪直徑㈤， D3為跑步帶轉轴直徑（km)，可計算出跑者在第15圖之_下跑步的距離 Ld與步幅距離LP。 利用微控制器計數跑者之跑步步數，可發現以第16圖為例，跑者在$ 秒内共跑了 12步。 ，再者，進-步將第16圖之步幅波放大如第17圖所示，來分析跑者運 動行為與波形_聯性’其中B點為跑者_踏下時，負重增加，電流上 升’ C點為跑者整個腳掌踏下齡帶時，代表跑步機皮帶承受最大力量的 時候’ D點為跑者腳纽要_跑步料，如腳步後麟力太大，波形會 有下拉情形’故Μ之間的時間Ts即為跑者跑步之飛程時間。 綜上所述，本發明之跑步機係利用不同於以往的量測方式，以直流馬 達輸出之電流訊號_出直流馬達碳刷與換向片切換_速訊號，來求出 馬達轉速，並完成跑步機系統速度的閉迴路控制，再者，更針對輸出至直 15 1338587 流馬達的電流峨進行分析，財出跑者的步錢形，精相量測出跑者 • 跑步的轉m料資訊，充分翻瞭解者當時之跑步狀態，可用 。 以分析不同跑步姿勢對體力消耗的_，崎助運動者達到最省力的跑步 姿勢。 唯以上所述者’僅為本發明之較佳實施例*已，並非用來蚊本發明 實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化 或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍内。 ，【圖式簡單說明】 第1圖係本發明之跑步機之系統架構示意圖。 第2圓係本發明之跑步機之系統架構中電源供應電路的架構示意圖。 第3圖係電流訊號反應至反電動勢之頻率分析圓。 第4圖係本發明之跑步機之速度檢測電路流程圓。 第5圖係本發明於直流馬達外加之LC電路圖。 第6圖係本發明之消除120Hz雜訊電路圖。 > 第7圖係本發明之隔離電路圖。 第8圖為本發明之檢波放大電路圖。 第9圖為本發明之檢波放大前後波形圖。 第10圖為本發明之帶通濾波放大電路圖。 第11圖為本發明之放大電路的示意圖。 第12圖為本發明之史密特觸發電路圖。 第B (a)與（b)圖為以無跑者、體重6〇公斤之跑者在_不同轉速作實 驗的速度波形圖。 公斤跑者在lOOOrpm 第14圖為本發明之步伐®測電路流程方塊圖。 第5(a)〜l5(c)圖係各為無跑者時與公斤跑者、⑽ 下跑步時量測之步伐波形。 第16圖係體重為6〇公斤之跑者在譲rpm下跑步時量 第17圖係進—步將第16圖之步幅波放大後的示意圖。 【主要元件符號說明】 1系統 12微控制器 13直流馬達驅動電路 14直流馬達 16檢測轉速電路 18斜坡度控制與偵測電路 20交流馬達 22 LCD傳輸介面 24按鍵與功能選擇電路 26電源供應電路 28電源保護單元 30EMI濾波器 32整流電路 34AC/DC轉換電路 36穩壓電路 38保護偵測電路 測之步伐波形。 17 1338587 40步伐分析電路 42 LC電路 44120Hz消除電路 46隔離電路 48檢波放大電路 50帶通濾波放大電路 52放大電路 54史密特觸發器 56圓形鐵心線圈 58電流電壓電路 60低通渡波器 62史密特觸發器

Claims (1)

1338587 十、申請專利範圍： - ι 一種跑步機之控制系統架構，其包含有： , —微控制器； 一直流馬達驅動電路，其係接收該微控制器之訊號，以驅動一直流馬達 作變速運轉； 一檢測轉速電路，其係用以檢測該直流馬達之碳刷與換向片的信號，以 求得轉速訊號，並傳遞至該微控制器，以進行該跑步機之系統速度的閉 φ 迴路控制； 以及 一電源供應電路，其係用以供應上述元件所需的電壓源。 2.如申請專利細第1項所述之跑步機之控制系統架構，其中在該電源供 應電路供賴錢馬達電祕之'祕上更連接L直流馬達之供電 訊號量測結果進行分析’並雜至纖控繼之步齡析祕，以分析 出跑者的運動姿態。 • 3.如申請專利範圍第1項所述之跑步機之控制系統架構，其中該電源供應 電路更包含有一用以避免電流異常之電源保護元件。 4.如申請專利範圍帛1項所述之跑步機之控制系統架構，其中該電源供應 電路更包含有- EMI遽波器，以消除、減弱外界環境之M對系統之 干擾及系統本身產生之雜訊對外界環境的干擾。 5·如申請專利範_ 1 _述之跑步機之控·統架構，其中該電源供應 電路更包含有一 AC/DC轉換電路。 6.如申請專觀圍第5獅狀跑錢之控贿構，其巾該船^轉 19 1338587 換電路更包含有一穩壓電路’以將由該AC/DC轉換電路轉換後之直流電 源穩壓為各個電路所需之電源。 7.如申請專利範圍第1項所述之跑步機之控制系統架構，其中該檢測轉速 電路更包含有： 一 LC電路，其係與該直流馬達相連接，以將該直流馬達之反電動訊號 加強； 一消除電路，其係把經該LC電路處理後之訊號去除大部分干擾與負載 變動訊號；以及 一隔離電路，其係將經該消除電路處裡後之訊號作隔離並再依序經過一 檢波放大電路、一帶通電路、一放大電路與一史密特觸發電路，以將轉 速訊號處理成方波，並傳送至該微處理器。 如申請專利範圍第2項所述之跑步機之控制系統架構，其中該步伐分析 電路依序包含有一圓形鐵心線圈、一電流轉電壓訊號電路、一低通滤波 器、-二階低通I皮器以及-史密特觸發電路’以量測該直流馬達負載 的變化’觀察跑步者的運動情形。 9·如申請專利範圍第1項所述之跑步機之控㈣統架構，其中該微控制器 包含有脈波寬度調變電路與A/D轉換功能。 〇.如申明專利細第丨項所述之跑步機之控齡贿構，其更包含有一按 鍵與功能選擇電路’其係與該微控制器進行訊號傳遞，以達到系統擴充 與維修方便之目的。 如申請專利細第丨項所述之跑步機之控齡贿構，其更包含有一 20 1338587 LCD傳輸介面’以傳遞該微控制器之訊號至一 LCD顯示板。 12. 如申請專利範圍第1項所述之跑步機之控制系統架構，其更包含有一斜 坡度控制與偵測電路，該斜坡度控制與偵測電路係與該微控制器以及一 交流馬達相連接，以驅動該跑步機作模擬上坡及下坡之斜坡度控制。 13. —種跑步機之系統控制方法，其中該跑步機之變速運動係利用一直流馬 達來達成’該系統控制方法包含有下列步驟： 利用一微控制器驅動該直流馬達進行運轉；以及 量測該直流馬達之碳刷與換向片的信號，以獲得轉速訊號，並傳遞至該 微控制器，以進行該跑步機系統的閉迴路控制。 μ.如申4專利範圍第η項所述之跑步機之系統控帝】方法，其中量測該直流 馬達之碳猶換向片驗號的步驟係透過—檢爾魏路所達成。 15. 如申請專利範圍第13項所述之跑步機之系統控制方法，其中該微控制器 驅動該直流馬達進行運轉時，係透過一與該微控制器連接之直流馬達驅 動電路來執行。 16. 如申凊專利範圍第π項所述之跑步機之系統控财法，其更包含有對該 直流馬達的供電信號進行分析，以獲得跑者的運動姿態。 17. 如申請專利細第16項所述之跑步機之纽控制方法，其中該分析步驟 係利用一步伐分析電路來達成。 如申明專槪H第Π項所述之跑步機之系統控制方法，其更包含有透過 該微控制__跑步機之錢馬達’㈣賴跑步卿觀上坡及下 坡之斜坡度控制。 (:β 21 1338587 25.如申請專利範圍第24項所述之窄步機之系統控制方法，其中該電源供 電路包含有避免電流異常之電源保護元件。 26.如申請專利範圍第24項所述之跑步機之系統控制方法，其中該電源供應 電路更包含有- EMI濾波器，以消除、減弱外界環境之函對系統之干 熳及系統本身產生之雜訊對外界環境的干擾。 如申請專利範圍帛24項所述之跑步機之系統控制方法，其中 電略更包含有- AC/DC轉換電路。 該電源供應

’如申請專利範圍第27項所述之跑步機之控系統控制方法，其中該ac/Dc 轉換電路更包含有-穩壓電路，以將減ac/〇c轉換電路轉換後之直节 電療讎為各個電略所需之電源。 机

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