WO2021013000A1 - 一种阻力发生装置和健身车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及健身器材技术领域。本发明公开了一种阻力发生装置和健身车，其中，阻力发生装置包括电源电路、第一开关电路、第二开关电路、电能消耗单元、电机控制板、电机驱动电路和永磁同步电机，所述电源电路为整个阻力发生装置供电，所述电源电路的一输出端通过第一开关电路接电机驱动电路的直流输入端，所述电机驱动电路的交流输出端接永磁同步电机的输入端，所述电机驱动电路的直流输出端通过第二开关电路接电能消耗单元，所述第一开关电路、第二开关电路和电机驱动电路的控制端分别与电机控制板的控制输出端连接。本发明既可以提供阻力进行锻炼，又可以提供动力帮助用户运动恢复，功能多样，提高用户体验，且结构简单，成本低。

Description

一种阻力发生装置和健身车 技术领域
本发明属于健身器材技术领域，具体地涉及一种阻力发生装置和健身车。
背景技术
随着社会的发展和生活水平的提高，人们的健康意识也越来越强，越来越多的人喜欢使用健身器材进行健身。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。健身车在健身俱乐部、社区活动中心成为非常受欢迎的健身形式，并越来越多地进入寻常百姓家。
现有健身车的阻力发生装置一般分为两类，磁控阻力和摩擦阻力，其功能都较单一，只能提供单一的阻力，不能提供动力，而人在一定强度的骑行运动后，肌肉会僵硬，此时，如果能提供动力(外力)带动肢体继续活动，则可以放松肌肉，使血液得以循环，促进身体恢复，显然，现有的健身车的阻力发生装置无法实现运动恢复功能，若再增加一个动力发生装置，则会增加健身车的结构复杂性和制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻力发生装置和健身车用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种阻力发生装置，包括电 源电路、第一开关电路、第二开关电路、电能消耗单元、电机控制板、电机驱动电路和永磁同步电机，所述电源电路为整个阻力发生装置供电，所述电源电路的一输出端通过第一开关电路接电机驱动电路的直流输入端，所述电机驱动电路的交流输出端接永磁同步电机的输入端，所述电机驱动电路的直流输出端通过第二开关电路接电能消耗单元，所述第一开关电路、第二开关电路和电机驱动电路的控制端分别与电机控制板的控制输出端连接，当处于动力模式时，电机控制板控制第一开关电路导通，第二开关电路关断，并控制电机驱动电路驱动永磁同步电机进行相应转动；当处于阻力模式时，电机控制板控制第二开关电路导通，第一开关电路关断，并通过电机驱动电路控制永磁同步电机输出相应的阻力。
进一步的，所述电能消耗单元为功率电阻。
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、电流测量电路和电机转速测量电路，所述母线电压测量电路用于测量直流母线的电压并输出给主控单元，所述电流测量电路和电机转速测量电路分别用于测量永磁同步电机的相电流和转速并输出给主控单元，所述主控单元根据直流母线的电压、永磁同步电机的相电流和转速进行相应的FOC闭环控制。
进一步的，所述电机驱动电路采用半桥驱动器和功率来实现。
进一步的，所述第一开关电路和第二开关电路均采用功率MOS管做开关通断，由电机控制板输出PWM信号进行控制。
进一步的，所述电源电路包括AC/DC电路、稳压电路和降压电路，所述AC/DC电路的输入端接交流输入，所述AC/DC电路的输出端通过第一开关电路接电机驱动电路的直流输入端，同时通过稳压电路和降压电路为该阻力发生装置的其它电子器件供电。
进一步的，包括仪表，所述仪表与电机控制板通信连接。
进一步的，所述永磁同步电机为轮毂状，嵌套在一环形配重块上。
本发明还提供了一种健身车，设有上述的阻力发生装置。
本发明的有益技术效果：
本发明的阻力发生装置既可以提供阻力进行锻炼，又可以提供动力来帮助用户运动恢复，功能多样，提高用户体验，且采用同一个装置来实现阻力和动力的提供，有效降低了健身车结构的复杂性和制造成本，给健身车的设计提供了更多的空间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明具体实施例的阻力发生装置的电路框图；
图2为本发明具体实施例的阻力发生装置的部分具体电路图；
图3为本发明具体实施例的阻力发生装置的另一部分具体电路图；
图4为本发明具体实施例的健身车的结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，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 施方式以及本发明的优点。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发明进一步说明。
如图1-3所示，一种阻力发生装置，包括电源电路1、第一开关电路2、第二开关电路3、电能消耗单元7、电机控制板、电机驱动电路4和永磁同步电机5，所述电源电路1为整个阻力发生装置供电，所述电源电路1的一输出端通过第一开关电路2接电机驱动电路4的直流输入端，所述电机驱动电路4的交流输出端接永磁同步电机5的输入端，所述电机驱动电路4的直流输出端(与直流输入端为同一个端口)通过第二开关电路3接电能消耗单元7，所述第一开关电路2、第二开关电路3和电机驱动电路4的控制端分别与电机控制板的控制输出端连接，当处于动力模式(也即恢复模式)时，电机控制板控制第一开关电路2导通，第二开关电路3关断，电源电路1给电机驱动电路4供电，电机控制板控制电机驱动电路4驱动永磁同步电机5进行相应转动，即按照设定的转速进行转动提供动力；当处于阻力模式(也即锻炼模式)时，电机控制板控制第二开关电路3导通，第一开关电路2关断，并通过电机驱动电路4控制永磁同步电机5输出相应的阻力(扭力)，即输出设定的阻力，用户驱动永磁同步电机5在该设定的阻力下转动而产生的电能通过电机驱动电路4转换为直流电经第二开关电路3输出给电能消耗单元7耗散掉。
本具体实施例中，所述电能消耗单元7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)控制来控制永磁同步电机5，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。
相应的，本具体实施例中，所述电机控制板包括主控单元6、母线电压测量电路10、电流测量电路8和电机转速测量电路9，所述母线电压测量电路10用于测量直流母线(与电机驱动电路4的直流输入端连接的)的电压并输出给主控单元6，所述电流测量电路8和电机转速测量电路9分别用于测量永磁同步电机5的相电流和转速并输出给主控单元6，所述主控单元6根据直流母线的电压、永磁同步电机5的相电流和转速进行相应的FOC闭环控制。
本具体实施例中，电机转速测量电路9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10、电流测量电路8和电机转速测量电路9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10、电流测量电路8和电机转速测量电路9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6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6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4采用半桥驱动器U8、U9和U10以及功率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4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，所述第一开关电路2和第二开关电路3均采用功率MOS管做开关通断，由电机控制板输出PWM信号进行控制，灵敏度和可靠性高，具体电路详见图3，此不再细说。当然，在其它实施例中，第一开关电路2和第二开关电路3也可以采用其它开关电路来实现。
本具体实施例中，所述电源电路1包括AC/DC电路、稳压电路和降压电路，所述AC/DC电路的输入端接交流输入(即市电)，所述AC/DC电路的输出端通过第一开关电路2接电机驱动电路4的直流输入端，同时通过稳压电路和降压电路为该阻力发生装置的其它电子器件供电。
本具体实施例中，AC/DC电路采用型号为VIPER26的离线转换器U4来实现，安全性和可靠性高，能耗低，具体电路详见图3，此不再细说。当然，在其它实施例中，AC/DC电路也可以采用现有的其它AC/DC电路来实现。
本具体实施例中，降压电路包括5V降压电路和3.3V降压电路，为该阻力发生装置的各个电子器件供电，稳压电路和降压电路的具体电路详见图3，但并不限于此。
本具体实施例中，包括仪表11，所述仪表11与电机控制板通信连接，具体的，仪表11与主控单元6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11设有显示屏和按键，用户通过仪表11可以选择锻炼模式、阻力大小、转速等。
本具体实施例中，所述永磁同步电机5为轮毂状，嵌套在一环形配重块即惯性轮上，以提供阻力或动力。
工作过程：
锻炼模式：用户在仪表11上选择锻炼模式，设定阻力，仪表11将其转换成阻力控制指令，发送到电机控制板；电机控制板控制第一开关电路2关断，并根据阻力大小，采用FOC恒扭力闭环控制算法通过电机驱动电路4控制永磁同步电机5输出对应的阻力，用户转动曲柄，通过传动装置带动永磁同步电机5和惯性轮转动进行锻炼；永磁同步电机5在设定的阻力下转动，产生电能，电机控制板控制电机驱动电路4将该电能转换为直流电，并控制第二开关电路3导通，使直流电通过第二开关电路3输出给电能消耗单元7以热能的方式耗散掉。
恢复模式：用户在仪表11上选择恢复模式，设定转速，仪表11将其转换成转速控制指令，发送到电机控制板；电机控制板控制第一开关电路2导通，第二开关电路3断开，电源电路1通过第一开关电路2为电机驱动电路4供电，电机控制板根据转速大小，根据FOC恒转速闭环控制算法控制电机驱动电路4驱动永磁同步电机5在设定的转速下转动，通过传动装置带动曲柄转动，曲柄带动锁定在脚踏上的脚做圆周运动，达到运动恢复的目的。
本发明还提供了一种健身车，设有上述的阻力发生装置，本具体实施例的健身车的具体结构如图4所示，还包括曲柄15、皮带轮13和皮带14，曲柄15与皮带轮13的转轴连接，曲柄15的转动带动皮带轮13转动，皮带轮13通过皮带14与永磁同步电机5传动连接，皮带轮13的转动通过皮带14带动永磁同步电机5和惯性轮12转动，或永磁同步电机5的转动通过皮带14带动皮带轮13转动，进而带动曲柄15转动。
具体工作过程可以参照上述的工作过程，此不再细说。
本发明的阻力发生装置既可以提供阻力进行锻炼，又可以提供动力来帮助用户运动恢复，功能多样，提高用户体验，且采用同一个装置来实现阻力和动 力的提供，有效降低了健身车结构的复杂性和制造成本，给健身车的设计提供了更多的空间。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，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发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

  1. 一种阻力发生装置，其特征在于：包括电源电路、第一开关电路、第二开关电路、电能消耗单元、电机控制板、电机驱动电路和永磁同步电机，所述电源电路为整个阻力发生装置供电，所述电源电路的一输出端通过第一开关电路接电机驱动电路的直流输入端，所述电机驱动电路的交流输出端接永磁同步电机的输入端，所述电机驱动电路的直流输出端通过第二开关电路接电能消耗单元，所述第一开关电路、第二开关电路和电机驱动电路的控制端分别与电机控制板的控制输出端连接，当处于动力模式时，电机控制板控制第一开关电路导通，第二开关电路关断，并控制电机驱动电路驱动永磁同步电机进行相应转动；当处于阻力模式时，电机控制板控制第二开关电路导通，第一开关电路关断，并通过电机驱动电路控制永磁同步电机输出相应的阻力。
  2. 根据权利要求1所述的阻力发生装置，其特征在于：所述电能消耗单元为功率电阻。
  3. 根据权利要求1所述的阻力发生装置，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、电流测量电路和电机转速测量电路，所述母线电压测量电路用于测量直流母线的电压并输出给主控单元，所述电流测量电路和电机转速测量电路分别用于测量永磁同步电机的相电流和转速并输出给主控单元，所述主控单元根据直流母线的电压、永磁同步电机的相电流和转速进行相应的FOC闭环控制。
  4. 根据权利要求1所述的阻力发生装置，其特征在于：所述电机驱动电路采用半桥驱动器和功率MOS管来实现。
  5. 根据权利要求1所述的阻力发生装置，其特征在于：所述第一开关电路和第二开关电路均采用功率MOS管做开关通断，由电机控制板输出PWM信号进行控制。
  6. 根据权利要求1所述的阻力发生装置，其特征在于：所述电源电路包括AC/DC电路、稳压电路和降压电路，所述AC/DC电路的输入端接交流输入，所述AC/DC电路的输出端通过第一开关电路接电机驱动电路的直流输入端，同时通过稳压电路和降压电路为该阻力发生装置的其它电子器件供电。
  7. 根据权利要求1所述的阻力发生装置，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所述的阻力发生装置，其特征在于：所述永磁同步电机为轮毂状，嵌套在一环形配重块上。
  9. 一种健身车，其特征在于：设有权利要求1-8任意一项所述的阻力发生装置。
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TWI822545B (zh) * 2022-04-01 2023-11-11 特通科技有限公司 具有內建訓練功能之電動腳踏車

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