一种多功能健身器材的制作方法

本发明属于健身器材及电机闭环控制，具体涉及一种多功能健身器材及其工作模式的电控实现方法。

背景技术：

1、传统的跑步机等健身器材通常仅具备单一的前向跑步功能，难以满足用户多元化的运动康复、高频低幅运动训练或模拟特殊物理环境的需求。在现有技术中，若要实现正反向双向运动、高频往复律动或阻力波浪式变化，通常需要复杂的机械变速齿轮箱或物理换向机构，这不仅大幅增加了器材前部的空间占用和物理死区，还容易产生剧烈的机械换向冲击、高发热量以及噪声。此外，普通永磁电机在面临高频换向、零速悬停或非线性阻力实时波动等极端工况时，容易因缺乏精确的位置、速度和电流闭环响应导致系统超调或失步，无法在单一硬件平台上稳定运行多种差异化的运动工艺。

2、特别是在高端家用和专业医疗场景下，用户对健身器材提出了更多样化、高精度和智能化控制的需求。例如，在面对人体落脚冲击或突然发力等“负载突变”工况时，传统电机控制系统由于缺乏高响应的闭环能力，容易导致跑带产生明显的“顿挫感”，不仅极大恶化了运动体验，还存在造成膝关节损伤或康复训练跌倒的安全隐患。另外，现有的律动模式由于多依赖偏心轮机械结构，其振幅和频率固定且死板，噪音极大；而瑜伽拉伸辅助、冲浪运动模拟等柔性、非线性变阻力场景更是传统驱动系统所无法实现的。

3、因此，如何开发一种集成了高度紧凑的机械优化布局，且具备超高瞬态响应、支持多种智能化运动模式（跑步、反向、高频律动、精密康复阻力感知、瑜伽恒转矩保护、冲浪非线性波动）切换，并具有电子无磨损电磁制动能力的直接驱动型永磁同步电机控制系统及方法，成为了本领域的核心痛点中国专利文件cn114665489a公开了一种永磁同步电机多模式控制方法、系统及控制器，该专利公开了一种基于 foc（矢量控制）的闭环控制方案，重点解决了电机在不同负载工况下（如启动、恒速、弱磁）的平稳切换逻辑。其采用了经典的电流环、速度环双闭环结构，并引入了参数辨识算法来优化动态响应，但在健身器材特有的应用场景下仍存在局限性。例如，在康复训练模式下，需要较高的位置精度和较快的力矩响应以确保运动安全，而现有技术往往侧重于恒速运行，在频繁变负载或极低速运行时的转矩脉动较大，难以满足高精度健身器材的闭环控制需求。因此，研发一种能够兼顾高精度轨迹跟踪、多模式智能切换、且具备电机制动能力的控制系统，已成为健身器材领域亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多功能健身器材，包括跑台边框、主动滚筒、从动滚筒、跑带、跑台踏板以及驱动结构，所述主动滚筒和所述从动滚筒分别设置在所述跑台边框的前部和后部，所述跑带绕设在所述主动滚筒与所述从动滚筒上；所述驱动结构包括带编码器的永磁电机、散热结构和控制板；所述永磁电机与所述控制板并排设置在所述跑台边框的前部，且位于所述跑台边框的前框边与所述跑带前端之间的容置空间内；所述永磁电机与所述主动滚筒传动连接，所述散热结构朝向所述永磁电机设置；

2、所述控制板与所述永磁电机及所述编码器通讯连接并构成闭环控制系统；所述控制板内预设有多工作模式切换逻辑，所述工作模式包括：跑步模式、反向跑步模式、律动模式、康复模式、瑜伽模式和冲浪模式；所述控制板依据当前被触发的工作模式，动态生成目标指令并驱动所述永磁电机执行对应的正转、反转、交替换向或力矩保持动作。

3、进一步，所述控制板采用磁场定向控制（foc）策略驱动所述永磁电机，且所述闭环控制系统为包含位置环、速度环和电流环的三闭环控制架构；所述控制板根据所述编码器反馈的转子位置信息，结合不同工作模式下的目标指令，通过空间矢量脉宽调制（svpwm）输出对应的驱动电压至所述永磁电机。

4、进一步，在所述跑步模式和反向跑步模式下：

5、所述控制板以所述速度环作为主导控制环，通过pid算法实时消除目标速度与所述编码器反馈的实际速度之间的静态误差；其中，跑步模式下输出持续的正向转矩，反向跑步模式下输出持续的反向转矩。

6、进一步，在所述律动模式下：

7、所述控制板以所述位置环和所述速度环作为主导控制环，向所述永磁电机（3）输入高频交变的脉冲位置指令；所述永磁电机在所述控制板的驱动下，带动所述跑带执行高频次、微小振幅的正反向交替往复运动，产生高频振动效果。

8、进一步，在所述康复模式下：

9、所述控制板同时激活所述速度环与所述电流环的限幅保护逻辑；所述控制板在输出低速平稳运行指令的同时，实时监测所述电流环的反馈电流，当所述反馈电流超过预设的安全阻力阈值时，所述永磁电机主动降低输出转矩或执行柔性停机。

10、进一步，在所述瑜伽模式下：

11、所述控制板以所述位置环为核心进行零速悬停控制；所述控制板记录当前的跑带物理位置作为基准零位，当人体在跑带上运动产生偏置外力时，所述编码器捕捉微小位移偏量，所述控制板即时输出反向补偿转矩，使所述跑带抵抗外力并保持绝对静止或极低速的柔性跟随状态。

12、进一步，在所述冲浪模式下：

13、所述控制板内预设有非线性的阻抗控制模型或变频波动曲线；所述控制板根据所述波动曲线，周期性或随机性地动态改变所述永磁电机的输出速度和转矩，使所述跑带的运行阻力和速度呈现波浪式的实时起伏变化，模拟水流冲刷的动态阻力感。

14、进一步，所述预设的多工作模式切换逻辑中包含平滑过渡算法；当所述健身器材在所述六种工作模式之间发生任意切换时，所述控制板读取当前时刻的所述编码器状态，利用插值算法将当前pid控制器的输出状态平滑过渡至新模式下的目标pid参数，避免模式切换瞬间所述永磁电机产生机械冲击。

15、进一步，所述散热结构为与所述控制板电连接的智能变频风扇：

16、所述控制板实时采集所述永磁电机在不同工作模式下的定子电流和持续运行时间，并根据预设的温度-电流拟合模型计算当前的发热量，据此动态调节所述智能变频风扇的转速。

17、进一步，所述主动滚筒的端部同轴固定有大同步带轮，所述永磁电机的输出轴同轴固定有小同步带轮，所述小同步带轮位于所述大同步带轮的正前方，且两者通过前后向延伸的同步带传动连接，所述永磁电机的交变力矩通过所述同步带传递至所述主动滚筒。

18、本发明的有益效果在于：通过控制板与带编码器的永磁电机组成位置、速度和电流的三闭环系统，利用foc和svpwm策略，在无需增加换向减速箱的单一物理结构下，平稳实现了六种高精度差异化工况的驱动。预设切换逻辑集成平滑过渡算法，消除跨模式交替换向瞬间的力矩突变与机械冲击。智能变频风扇根据不同模式下的拟合发热量动态调速，提高了前部容置空间内的散热效率。传动和前置电源空间排布紧凑，提升了运动安全性。。

1.一种多功能健身器材，包括跑台边框（1）、主动滚筒（2）、从动滚筒、跑带、跑台踏板以及驱动结构，所述主动滚筒（2）和所述从动滚筒分别设置在所述跑台边框（1）的前部和后部，所述跑带绕设在所述主动滚筒（2）与所述从动滚筒上；所述驱动结构包括带编码器的永磁电机（3）、散热结构（4）和控制板；所述永磁电机（3）与所述控制板并排设置在所述跑台边框（1）的前部，且位于所述跑台边框（1）的前框边与所述跑带前端之间的容置空间内；所述永磁电机（3）与所述主动滚筒（2）传动连接，所述散热结构（4）朝向所述永磁电机（3）设置；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的多功能健身器材，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的多功能健身器材，其特征在于，在所述跑步模式和反向跑步模式下：

4.根据权利要求2所述的多功能健身器材，其特征在于，在所述律动模式下：

5.根据权利要求2所述的多功能健身器材，其特征在于，在所述康复模式下：

6.根据权利要求2所述的多功能健身器材，其特征在于，在所述瑜伽模式下：

7.根据权利要求2所述的多功能健身器材，其特征在于，在所述冲浪模式下：

8.根据权利要求2至7任一项所述的多功能健身器材，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的多功能健身器材，其特征在于，所述散热结构（4）为与所述控制板电连接的智能变频风扇：

10.根据权利要求1所述的多功能健身器材，其特征在于：