一种力矩式运动的力反馈装置的制作方法

专利名称：一种力矩式运动的力反馈装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种力矩式运动的力反馈装置。
背景技术：
在模拟自行车类的力矩式体育健身运动，反馈力的真实模拟是一直没有很好解决 的一个问题。其重要缺陷在于，用户仅仅只能感受到健身器材对自己的运动产生单向的阻 力的效果。 在CN03126721. l(—种实现虚拟骑车的方法以及设备)中就公开了这样的一种方 法使用的可调励磁的发电机作为阻力的模拟设备，通过调整励磁电压，可以实现阻力的无 极调节，但是仅能实现单方向阻力。在CN200420109811.7(馈能式健身运动自行车)共公 开的方法为使用发电机作为阻力的模拟设备，使用分级式的电阻作为调整阻力的设备，可 以实现阻力的调节，但是也只能实现单方向的阻力产生。 而在实际的运动中，运动器材是能够对运动者产生动力/阻力双向效果的，比如 在自行车进入下坡的时候，骑车的人应该会感觉到自行车受到重力影响，速度会不断加快， 器材对人产生的是动力的效果。但是，作为体育训练采用的可逆电机，因为经常处于空载， 轻载和拖拽发电状态下，传统的驱动电路方式会出现电流断续。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种力矩式运动的力反馈装置，它能够针 对力矩式运动产生动力/阻力双向效果的力反馈。 为解决上述技术问题，本实用新型提供一种力矩式运动的力反馈装置，作用于力
矩式运动机构，其特征在于包括可逆电机、电机驱动器、直流电源、速度传感器、力矩传感 器，电流传感器，微处理器；所述可逆电机通过传动机构连接所述力矩式运动机构，并向所 述力矩式运动机构输出一定反馈作用力；所述电机驱动器连接并控制所述可逆电机，所述 速度传感器用于采集所述可逆电机的转速信号，所述力矩传感器用于采集所述可逆电机的 输出力矩信号，所述电流传感器用于采集所述可逆电机通过的电流，分别传输到所述微处 理器；所述微处理器用于实时接收所述速度传感器的转速信号、力矩传感器的输出力矩信 号，电流传感器的输出电流大小，并输出脉冲宽度调制信号到所述电机驱动器，并通过调节 所述脉冲宽度调制信号控制所述电机驱动器。 作为本发明中的一种改进，所述电机驱动器，包括桥臂驱动电路，功率驱动电路， 所述功率驱动电路为电流可逆驱动电路，包括第一、第二开关管，所述桥臂驱动电路接受所 述P丽信号输入，产生并输出状态互补的电压信号分别驱动所述第一、第二开关管。在可逆 电机跨象限运行时，电流可逆驱动电路不论电流的方向，均能提供对电流的控制，从而实现 对电机的控制。 作为体育训练时用的电机，因为长期处于反拖发电状态下，本实用新型还包括并 联跨接在直流母线两端的馈能检测电路与能量吸收回路，用来处理电机在提供阻力运行时
3的能量去向问题。 作为进一步改进，所述能量吸收回路为多级回路设计，不仅能提供足够的大电流 吸收能力，而且对突入电流，浪涌电压也有保护功能。 为了提高力反馈装置的灵活性，本实用新型还包括上位机，上位机包括人机交互 界面，用于接收微处理器上传的可逆电机的实时数据，对该实时数据作数据处理形成图像、 音频输出，或者通过人机交互界面操作，对微处理器的算法或参数进行设置或修改。 另外，本实用新型的微处理器采用了 PID(比例，积分，微分)控制算法控制电机。 传感器检测电机的实时工作状态，微处理器计算得出电机的力反馈期望值，与实际值相减 得到误差值，再经过PID控制算法，对当前电机实际力反馈值进行校正。所述的P丽驱动信 号之占空比由微处理器产生。当电机需要产生动力矩时，其过程是首先增加P丽波的占 空比，增加电源向电机的输出功率。直到当前转速的维持不需要人体的输出能量，这时电机 开始作为动力源。当电机需要产生阻力矩时，其过程是首先减小P丽波的占空比，即减小 电源向电机的输出功率，使速度有下降趋势，人体为了维持转速不得不输出功率，这时电机 开始作为阻力源。如果继续减小P丽波的占空比直到电机的转速超过了该电压下的额定转 速，电机的感应电动势将大于驱动电路加载的平均电压，电流将反向流动，向直流母线上流 动。 本实用新型克服了现有力矩式运动力反馈装置的缺陷，能够针对力矩式运动产生 动力/阻力双向效果的力反馈。用于模拟力矩式体育健身运动，能产生更为真实的运动效 果，为运动训练提供科学辅助手段。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。

图1为本实用新型整体框架图。 图2为包括多级能量吸收回路的系统框架图。 图3为在本具体实施例的机械结构图。 图4为机械结构上的力反馈装置图。 图5为电流可逆的两象限直流_直流变换器电路图。 图6所示为桥臂驱动电路。 图7所示为馈能检测电路。 图8所示为能量吸收回路的电路图。
具体实施方式本具体实施例提供一种自行车运动模拟健身器材中使用的力反馈模拟装置，在利 用此装置的时候可以在上位机的控制下，提供现双向的、精确的力反馈。通俗地说，能够让 用户在自行车运动模拟器上骑车时，像在真实环境中骑车一样，感受到在环境上带来的不 同的力觉，下坡的时候就算不用踩踏板，也能够感受到自行车的加速。 如图1所示的系统框架图，包括直流电源、可逆电机、速度传感器、力矩传感器，电 流传感器、微处理器以及图中虚线框所示的电机驱动器，电机驱动器包括桥臂驱动电路、功 率驱动电路、馈能检测电路、能量吸收回路。速度传感器用于采集可逆电机的转速信号，力矩传感器用于采集可逆电机的输出力矩信号，所述电流传感器用于采集所述可逆电机的通 过的电流，分别传输到所述微处理器；微处理器用于实时接收所述速度传感器的转速信号、 力矩传感器的输出力矩信号，并输出脉冲宽度调制信号(P丽)到驱动电路，电源为驱动电 路供电，驱动电路驱动可逆电机，可逆电机向作用于用户的力矩式运动机构反馈输出一定 作用力。功率驱动电路通过直流母线连接馈能检测电路与能量吸收回路。馈能检测电路检 测到驱动电路存在馈能时，打开能量吸收回路，吸收反馈回直流母线上的多余能量。 图2所示为包括多级能量吸收回路设计的系统结构图，结合图l，多级的能量吸收 回路不仅能提供足够的大电流吸收能力，而且对突入电流，浪涌电压也有保护功能。 图3为在本具体实施例的机械结构图，平放在地面上的支架l，将自行车轮2撑起 离地并固定。力反馈装置通过可以调整位置的机座安装在支架上套，结合图4所示在机械 结构上的力反馈装置图，力反馈装置包括连接机构3、可逆电机4，连接机构3连接可逆电机 4的输出轴5。连接机构3上安装圆柱形滚轮，圆柱形滚轮用于与自行车轮2摩擦，使得可 逆电机4能够通过滚轮对自行车轮2产生所需的反馈力，进而对人体产生锻炼的效果。 为了准确地模拟自行车在上坡，下坡，加速等动作下的车轮的受力情况，用传感器 来采集这些动作的变化，并用一控制系统对电机的输出力矩进行控制显得十分必要。采集 动作状态的传感器可以安装在自行车上，也可以安装于与自行车一同运动的力反馈装置 上。在本实施例中速度传感器安装于可逆电机的轴端，力矩传感器安装于可逆电机输出轴 与滚轮之间的连接处。 本实施例中使用了增量型编码器作为速度检测的传感器。 增量型编码器输出的一对A/B相差90度相位的正交矩形脉冲，通常从编码器轴端 看，顺时针转时，A相信号在B相前，反之滞后，经过频率计与鉴向器，可以测算其频率和方 向，从而计算速率和方向。 速度计算速度检测即为检测与后轮摩擦相连的滚轮的速度，使用增量式光栅编 码器作为速度传感器，有公式 其中，nps为光栅编码器A(或B)项在一秒内的检测的脉冲数，r为滚轮的半径，R 为自行车后轮的半径，rv为光栅编码器旋转一周产生的脉冲数。增量型编码器检测电路属 于相关领域技术人员所熟知。 对力矩的控制首先要实现对力矩的检测。 一般电机的输出力矩是关于电流和其它 一些参数的函数，通过对电机建立模型，可以电压，电流，转速等数据确定其输出力矩。特别 对于直流电机，其输出力矩与电流趋近于线性关系。可通过用PID算法改变P丽波的占空 比控制电流，实现对应力矩的输出，并可以通过软件消除非线性误差。控制电机也需要检测 电机的电流。 由于本实施例中采用了直流电机，故可通过测电流法估计电机输出力矩。电流检 测使用了串联电阻法。在确定电机工作时的最大电流Imax后，电阻的阻值一般选取为O. 5V 除以Imax.，这样电阻在电路中将产生O-O. 5V的电压。这个电压经过放大器放大后产生 0-5V的模拟电压，再经过A/D转换成可以供微处理器使用的数据。 但由于本发明中电机工作时采用的是电流可逆型电路，串联的电阻其两端的电压值也存在反向，动态范围将变成-0. 5V-0. 5V，这时可以在放大器输入端增加一个正向偏置 电压，以防止放大器出现负向饱和，使进入A/D之前的模拟信号始终为正，保证数据的正确 性。关于电压的放大，属于电子工程领域技术人员所熟知。 在实现了力矩检测的前提下，采用微处理器来控制力矩满足力反馈的要求，包括 以下两方面 1.力回馈的控制方式一般电机输出力矩，是关于电流，电压，转速的函数。通过 建立数学模型，可以从这些信息计算输出力矩。对于直流电机，其输出力矩近似地有如下公 式 Teni = CtXIa 其中，Ct为电机的一个常数，Ia为电枢电流，由电流传感器采集。 实际中为消除非线性误差，可在软件上对力矩进行一定的修正。即根据实验测定
的结果，将对Ct认为是关于当前电机状态的函数，消除在实际过程中其它因素的影响。 另外，力反馈所需要的P丽占空比，是通过PID(比例，积分，微分)算法校正产生
的。PID控制算法可以使得调整的时间更短，力矩脉动更小，增强系统的性能。 2.力反馈的PID控制算法 叫4
7 7 e「 & + ^ + # (a - 2e" 在本实施例中，AUi为当前输出需要改变的值，即为输出脉冲宽度调制(P丽)波形 的占空比的改变量，&为期望值与实际采样值之间的误差量。T为采样周期，Ti， Td， K为需 要调整的参数，在本实施例中，P丽波的占空比被限定在0到1之间。 在力反馈装置的电路控制上，包含电流可逆功率驱动电路，桥臂驱动电路，馈能检 测电路，能量吸收回路。电流可逆功率驱动电路的结构必须与电机的类型匹配，保证电机 可以跨象限工作，即在电动与发电状态中随时切换。本实施例中，电流可逆驱动电路为直 流_直流变换器 电机的电动与发电两种状态，与它的电流方向相关。在电流方向为正向时，是电动 状态。反之，则处于发电状态。为实现电机跨一，二象限的机械特性，我们需要对电机的电 流进行控制，避免空载，轻载，反拖时出现电流断流。 图5所示的直流_直流变换器即为电流可逆的功率驱动电路。开关型器件VI和 V2串联，再并联到直流母线VCC与VSS上。VT1和VT2分别并联在VI和V2两端，起到续流 作用，因为由于电机本身带有感性负载，其电流值不能突变。V1、V2的开关状态逻辑上是互 补的，当电流正向流动时 在V1导通，V2关断期间，电流从VCC开始，经过V1，电机，Is，流向VSS ;在这时，
VT1没有工作。 在VI关断，V2打开期间，电流经过VT2续流，存在有从C点，经过电机，Is，再经过 VT2流回C点的通路。在这时，VT1没有工作。 当电流反向流动时 在VI打开，V2关断期间，电流从VSS，经过Is，再经过电机，流向VCC。 在VI关断，V2打开期间，有电流从Is点经过电机流向C点，再流回Is的通路。 因此，无论电流正向与反向，均能改变加载于电机的平均电压，实现对电流的控制，可控制电机在电动与发电状态变功率运行。 VI与V2的导通，受到基极的HIN与LIN电压信号的控制，HIN与LIN电压信号由
桥臂驱动模块IR2110，根据微处理器发出的脉冲宽度调制(P丽)信号而产生，如图6所示。
在使用P丽信号控制开关元件时，为了避免VI与V2同时打开造成短路，在VI和V2在导通
状态发生切换时，需要在P丽信号中增加小段时间Td(死区时间)让VI与V2同时处于关
断状态。这个工作由死区时间发生器完成。 故在一个P丽波周期内，VI与V2有三种状态。 VI导通，V2关断，C点电压为VCC。 VI关断，V2导通，C点电压为VSS。 V1，V2同时关断，这是在Td时间内。 如图6所示的桥臂驱动电路。桥臂驱动模块IR2110，根据微处理器发出的脉冲宽 度调制(P丽)信号产生直流直流变换器中的开关型器件V1和V2所需的开关电压信号，以 及电机加载电压。脉冲宽度调制(P丽)信号可以采用双极性，单极性，单极性倍频的P丽模 式。 电机在发电机工作状态下的问题在于，所发出的电能必须解决其去向。电机泵升 电压会造成直流母线上的电荷累积，如果没有及时释放，势必烧毁电路元件。故在反馈模拟 装置中必须设置过压保护。 如图7所示的馈能检测电路。VCC、 VSS分别对应的直流母线的高、低电位端，D对 应的电机驱动电路中的G极。通过一个可调电阻Rpl分压，分压后的电压通过Rl进入比较 器Opl的正端，用于直流母线的电压取样。另一方面，一个15v的电压源通过R2， R4分压， 得到一个参考电压，经过R3进入0pl的负端。在直流母线上接入电容C2，它的作用是临时 储存直流母线上的电能。当电机处于发电机状态运行时，经过直流-直流变换器升压，C2 被充电，电压升高。在C2电压值到达某一高度后，如果发现实际采样电压高于参考电压，则 Opl输出高电平，打开能量吸收回路中的V3管。能量吸收回路接入直流母线工作。 如图8所示的能量吸收回路，能量吸收回路起释放直流母线上的电荷的作用，如 果它缺失或者失效，将导致能量累积和泵升电压对电子线路的损害。能量吸收回路的主要 结构包括开关型器件和负载，在本实施例中分别为场效应管V3和大功率电阻R8来实现。R8 可以是除电阻外的其他器件与设备，例如可以是如电阻，电灯，电池，逆变器等，其作用是从 直流母线上吸收能量。在实际运行中，当力反馈装置相对于车轮前进的方向产生阻力时，电 机处于发电状态下，若场效应管V3关闭，电流向电容C2充电，直流母线电压上升；当直流母 线电压高于设定阈值时，场效应管V3打开，电流从VCC，经R8， V3，流向VSS，直流母线上电 压得以释放；直到母线电压低于电压检测器件的触发阈值后，V3关闭。正是因为有电容C2 的储能作用机制，V3管处于一开一断的高速切换状态，调节直流母线电压稳定，故起到保护 的作用。 有时电机反馈电压会出现瞬间增长，如果前述的一级电路不能产生足够的保护电 流，可设置多级保护。图8中的与C2并联的二级管Z2，它的触发电压高于之前其它级的触 发电压，一旦电压持续攀升到它的触发电压，二极管Z2内部击穿，可以产生很大的电流，起 进一步的过压保护作用，因此，并联二级管Z2回路为次级能量吸收回路。二级管Z2可采用 雪崩二极管，金属氧化物压敏电阻，转折二极管等。[0063] 另外，微处理器根据所需要的电流大小，以及根据电流传感器传回的当前电流大 小，通过PID算法，调整作用于驱动电路的P丽信号的输出，使得电流可以稳定在所需要的 电流数值上。 上位机根据数据库内的训练计划，根据自行车当前的速度计算出自行车当前所需 要的力矩(电流)的大小和方向，并传回微处理器。微处理器内部计算出速度传感器的速 度，并传回上位机。 在本实施例中，微处理器使用的Microchip公司的dsPIC30F系列芯片，具有工作 频率高，速度快，等方面的优点，且包含A/D，DSP，电机控制模块。在本系统中使用的USB作 为与上位机通讯端口。上位机是普通的电脑，根据微处理器通过USB向上位机传回速度信 息，上位机进行处理后向微处理器发送所需要的力矩信息，这属于相关领域技术人员所熟 知，在此不再赘述。 最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本实用新型的技术方案而非限 制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精 神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求一种力矩式运动的力反馈装置，作用于力矩式运动机构，其特征在于包括可逆电机、电机驱动器、直流电源、速度传感器、力矩传感器，电流传感器，微处理器；所述可逆电机通过传动机构连接所述力矩式运动机构，所述电机驱动器连接并控制所述可逆电机，所述速度传感器用于采集所述可逆电机的转速信号，所述力矩传感器用于采集所述可逆电机的输出力矩信号，所述电流传感器用于采集所述可逆电机通过的电流，分别传输到所述微处理器；所述微处理器用于实时接收所述速度传感器的转速信号、力矩传感器的输出力矩信号，电流传感器的输出电流大小信号，并输出脉冲宽度调制信号到所述电机驱动器，并通过调节所述脉冲宽度调制信号控制所述电机驱动器。
2. 根据权利要求1所述的力矩式运动的力反馈装置，其特征在于，所述电机驱动器包 括桥臂驱动电路，功率驱动电路，所述功率驱动电路为电流可逆驱动电路，包括第一、第二 开关管，所述桥臂驱动电路接受所述脉冲宽度调制信号输入，产生并输出状态互补的电压 信号分别驱动所述第一、第二开关管。
3. 根据权利要求2所述的力矩式运动的力反馈装置，其特征在于，所述电机驱动器还 包括馈能检测电路与能量吸收回路，所述馈能检测电路与能量吸收回路并联在所述直流电 源母线两端。
4. 根据权利要求3所述的力矩式运动的力反馈装置，其特征在于，所述能量吸收回路 为多级回路。
5. 根据权利要求1所述的力矩式运动的力反馈装置，其特征在于，还包括上位机，所述 上位机具有人机交互界面，与所述微处理器通信连接，用于接收微处理器上传的可逆电机 的实时数据，对该实时数据作数据处理形成图像、音频输出，或者通过人机交互界面操作， 对微处理器的算法或参数进行设置或修改。
6. 根据权利要求5所述的力矩式运动的力反馈装置，其特征在于，所述微处理器为包 括具有PID运算功能的运算处理器。
专利摘要本实用新型涉及一种力矩式运动的力反馈装置，作用于力矩式运动机构，该装置包括可逆电机，电机驱动器，直流电源，速度传感器，力矩传感器，电流传感器，微处理器。可逆电机通过传动机构连接力矩式运动机构，并向力矩式运动机构输出一定反馈作用力；电机驱动器连接并控制可逆电机，速度传感器、力矩传感器和电流传感器分别用于采集可逆电机的转速、输出力矩、电流信号，分别传输到微处理器；微处理器实时接收转速、输出力矩、电流信号，输出PWM信号到电机驱动器，并通过调节PWM信号控制电机驱动器的输出。本实用新型克服了现有力矩式运动力反馈装置的缺陷，能够针对力矩式运动产生动力/阻力双向效果的力反馈，为体育训练提供科学辅助手段。
文档编号G06F17/00GK201543166SQ20092031061
公开日2010年8月11日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者代超, 冯傲风, 张征, 忻韬, 杨海涛, 谭望达, 邓佳佳 申请人:杨海涛;谭望达;忻韬