一种多用途数字阻力装置输出电路的制作方法

1.本实用新型涉及磁粉阻尼器技术领域，具体涉及一种多用途数字阻力装置输出电路。


背景技术：

2.目前的健身器材中，通常会采用阻力的方式来实现力量训练。如现有的力量训练器械的阻力以强磁铁产生的磁阻力为主，其主要以移动磁铁与动轮铝环的相对位置来调节阻力，加上距离伺服系统组成，还有用电机的阻力系统，由于结构的限制，控制精度差，成本高，前者还与铝环(车轮)的速度成正比，即脚踩的速度越快，阻力越大，无法做成数字阻力精准控制。因此有采用磁粉阻尼器来提高控制精度，但是目前磁粉阻尼器采用的控制电路通常存在结构复杂，成本高的问题。
3.因此，亟待一种能够显著提高控制精度、降低成本的磁粉阻力输出电路。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种多用途数字阻力装置输出电路。
5.为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种多用途数字阻力装置输出电路包括多用途数字阻力装置以及设于多用途数字阻力装置内的线圈，还包括该线圈电连接的脉宽调制电路，脉宽调制电路包括依次连接的第一电阻、高速开关管、第四电阻及场效应管，第一电阻一端接入单片机的pwm信号，另一端连接高速开关管的基极，且该第一电阻通过第二电阻接地，该第二电阻一端连接高速开关管的基极，另一端接地并连接高速开关管的发射极，高速开关管的集电极连接第四电阻，第四电阻另一端通过第三电阻接电源，场效应管的栅极与该第四电阻另一端连接，该场效应管的源极与该电源连接，且该场效应管的漏极输出与线圈连接，该线圈另一端接地。
6.工作原理及有益效果：1、与现有技术相比，本技术通过线圈通电来控制磁场，只需要控制脉宽调制电流大小即可控制磁场大小，而磁场所产生的力能够使多用途数字阻力装置起到阻尼效果，该阻尼效果与所加的脉宽调制电流大小成正比，其阻力可以精准地由脉宽调制电流所控制，从面实现数字控制和智能控制，从而解决了现有技术中无法精确控制的问题，且精度高，主要通过场效应管利用电场效应来控制晶体管的电流，如此在前面的经过对pwm信号的功率放大后，可以起到精确调整电流大小的效果，如此就能够精确地调节磁场所产生的力的大小，也就是阻力大小，实现阻尼数字化调整，可适用于ai控制。
7.进一步地，场效应管的漏极和源极之间连接有稳压二极管。又叫齐纳二极管。利用pn结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。
8.进一步地，场效应管的型号为nce60p25。该场效应管采用先进的沟槽技术和设计，提供出色的rds(on)和低栅极电荷。因此器件非常适合高电流负载应用，能够显著提高脉宽
调制电路的性能。
9.进一步地，线圈的漆包线线径为0.12～0.44mm，圈数为500～2500圈。
10.进一步地，多用途数字阻力装置包括密封腔以及设于该密封腔内的磁粉和机芯圆片，该密封腔外设有用于安装线圈的线圈骨架。如此通过该脉宽调制电路能够将单片机的pwm信号进行功率放大并输出不同大小的电流，以控制磁粉产生的磁力大小，在没有被励磁时，磁粉没有磁性，机芯圆片在密封腔内自由活动，此时无阻力状态，当线圈加有脉宽调制电流时，磁粉被励磁，产生磁场，磁场所产生的力把机芯圆片与密封腔内壁相吸引在一起，这个吸引力作用在机芯轴上，形成阻力，这个力矩与所加的脉宽调制电流成正比，就是所加的脉宽调制电流大小就决定了机芯轴上的阻力之大小，其阻力可以精准地由脉宽调制电流所控制，从面实现数字控制和智能控制。
11.进一步地，密封腔和机芯圆片均通过电工纯铁制成。电工纯铁质地特别软，韧性特别大，电磁性能很好。作为电磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。因此，非常适合用于本技术，尤其对于机芯圆片非常适合。
附图说明
12.图1是本实用新型多用途数字阻力装置的内部结构图；
13.图2是本实用新型线圈骨架与线圈安装示意图；
14.图3是本实用新型脉宽调制电路的结构图。
15.图中，1、弹性挡圈；2、第二密封圈；4、z型十字槽沉头螺钉；6、轴承；8、惯性轮；9、第一机体；10、第二机体；11、第三机体；121、机芯轴；122、机芯圆片；13、第一密封圈；14、线圈骨架；15、阻力皮带轮；16、线圈；17、密封腔；r1、第一电阻；r2、第二电阻；q1、场效应管；q2、高速开关管；r3、第三电阻；r4、第四电阻；vdd、电源。
具体实施方式
16.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
17.本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。
18.实施例1，
19.如图1-2所示，本多用途数字阻力装置包括机芯轴121、固设于该机芯轴121中间段的机芯圆片122、与该机芯轴121旋转连接的第一机体9和第二机体10以及与该机芯轴121同轴旋转连接的惯性轮8。其中，第一机体9和第二机体10均通过轴承6与机芯轴121实现旋转连接，且每个该轴承6均通过弹性挡圈1限定径向自由度。由于第一机体9和第二机体10与机芯轴121之间通过安装轴承6来实现旋转连接，因此只要通过弹性挡圈1限定轴承6的径向自
由度，再通过第二密封圈2对轴承6与机芯轴121以及轴承6与第一机体9和第二机体10的间隙进行阻挡密封，如此可以显著提高密封性能。惯性轮8内侧有方键由十字槽盘头螺钉锁紧在机芯轴121上。
20.具体地，第一机体9和第二机体10分别设于机芯圆片122的两侧，并通过密封圈合并形成密封腔17，密封腔17内设有磁粉，且机芯圆片122位于该密封腔17内，其中，密封圈包括设于第一机体9和第二机体10接缝处的第一密封圈13，以及设于密封腔17外的两个第二密封圈2，其中一个第二密封圈2设于第一机体9与机芯轴121的接触位置，另一个第二密封圈2设于第二机体10与机芯轴121的接触位置。对于所有存在的缝隙处都进行密封圈密封，显著提高了密封性能。其中，在第一机体9第二机体10对接处设有第一密封圈13为了防止磁短路，增加通过机芯圆片122的磁场强度。
21.在本实施例中相关零件尺寸与材质：
22.机芯圆片122厚度2～5mm，直径30～100mm，材质：电工纯铁；
23.机芯轴121直径5～20mm，总长50～150mm，材质：45#钢；
24.第一机体9直径60～150mm，材质：电工纯铁；
25.第二机体10直径60～150mm，材质：电工纯铁；
26.线圈16的漆包线线径0.12～0.44mm，圈数：500～2500圈；
27.机芯圆片122与第一机体9以及第二机体10之间的间隙：0.5～2.0mm；
28.轴承6为深沟球轴承。
29.电工纯铁质地特别软，韧性特别大，电磁性能很好。作为电磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。因此，非常适合用于本技术，尤其对于机芯圆片122非常适合。
30.具体地，密封腔17外设有供线圈16安装的线圈骨架14，该线圈16卷绕安装于该线圈骨架14上，且该线圈骨架14上设于用于封闭线圈16的第三机体11，第一机体9、第三机体11及第二机体10各用3颗z型十字槽沉头螺钉4锁紧，机芯轴121上装有阻力皮带轮15，阻力皮带轮15内则有方键由十字槽盘头螺钉锁紧。
31.如图3所示，具体地，本多用途数字阻力装置输出电路包括与线圈16电连接的脉宽调制电路，该脉宽调制电路用于将单片机的pwm信号(power pwm)进行功率放大并输出不同大小的电流，以控制磁粉产生的磁力大小，从而吸引第一机体9和第二机体10往机芯圆片122方向运动形成阻力，该阻力与输出电流大小成正比，其中，脉宽调制电路包括依次连接的第一电阻r1、高速开关管q2、第四电阻r4及场效应管q1，第一电阻r1一端接入单片机的pwm信号，另一端连接高速开关管q2的基极，且该第一电阻r1通过第二电阻r2接地，该第二电阻r2一端连接高速开关管q2的基极，另一端接地并连接高速开关管q2的发射极，高速开关管q2的集电极连接第四电阻r4，第四电阻r4另一端通过第三电阻r3接电源vdd，场效应管q1的栅极与该第四电阻r4另一端连接，该场效应管q1的源极与该电源vdd连接，且该场效应管q1的漏极输出与线圈16连接，该线圈16另一端接地，场效应管q1的漏极和源极之间连接有稳压二极管。
32.可见图3中，当单片机信号通过power pwm端口加到第一电阻r1，通过第一电阻r1加到高速开关管q2基极，当pwm信号高电平时，高速开关管q2导通，当pwm低电平时高速开关管q2截止，高速开关管q2基极有第二电阻r2电阻接地，以确保pwm低电平时高速开关管q2截止。
33.当高速开关管q2导通时,通过第四电阻r4，使场效应管q1栅极低电平，稳压场效应管q1漏极输出高电平，推动线圈16产生电磁场。
34.当高速开关管q2截止时,第四电阻r4相当于开路，由第三电阻r3提供高电平，使场效应管q1栅极高电平，场效应管q1漏极输出低电平，线圈16失去电流，其产生的电磁场消失。
35.在本实施例中，pwm频率一般在2～6khz，速度非常快，pwm的脉冲宽度就决定了线圈16所产生的电磁场强度，等同于所产生的阻力大小，由于pwm的脉冲宽度可以由数字控制，因此本装置所产生的阻力大小等同于数字控制。即由脉宽调制电路决定本数字阻力装置的阻力。而由本脉宽调制电路工作在开关状态，因此能量消耗非常之小，器件发热也非常之小，提高了电路的可靠性。
36.通过该脉宽调制电路能够将单片机的pwm信号进行功率放大并输出不同大小的电流，以控制磁粉产生的磁力大小，在没有被励磁时，磁粉没有磁性，机芯圆片122在密封腔17内自由活动，此时无阻力状态，当线圈16加有脉宽调制电流时，磁粉被励磁，产生磁场，磁场所产生的力把机芯圆片122与第一机体9和第二机体10相吸引在一起，这个吸引力作用在机芯轴121上，形成阻力，这个力矩与所加的脉宽调制电流成正比，就是所加的脉宽调制电流大小就决定了机芯轴121上的阻力之大小，其阻力可以精准地由脉宽调制电流所控制，从面实现数字控制和智能控制。主要通过场效应管q1利用电场效应来控制晶体管的电流，如此在前面的经过对pwm信号的功率放大后，可以起到精确调整电流大小的效果，如此就能够精确地调节磁场所产生的力的大小，也就是阻力大小，实现阻尼数字化调整，可适用于ai控制。
37.其中，在图3中，场效应管q1的型号为nce60p25，该场效应管q1采用先进的沟槽技术和设计，提供出色的rds(on)和低栅极电荷，以使输入波形和输出流形同相位。而pwm信号为power pwm。q2选用高速开关管能够降低开关损耗。所有电阻均选用1/4w高精度电阻，以确保该脉宽调制电路能够可靠工作。
38.本实用新型未详述部分为现有技术，故本实用新型未对其进行详述。
39.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
40.尽管本文较多地使用了弹性挡圈1、第二密封圈2、z型十字槽沉头螺钉4、轴承6、惯性轮8、第一机体9、第二机体10、第三机体11、机芯轴121、机芯圆片122、第一密封圈13、线圈骨架14、阻力皮带轮15、线圈16、密封腔17、第一电阻r1、第二电阻r2、高速开关管q2、稳压二极管、第三电阻r3、第四电阻r4、电源vdd等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
41.本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本技术相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。