用于健身应用的模块化电磁驱动装置的制作方法

用于健身应用的模块化电磁驱动装置
1.相关申请的交叉引用
2.本专利合作条约(pct)申请要求于2019年10月14日提交的名称为“用于健身应用的模块化电磁驱动装置”的第62/914,899号美国临时专利申请的优先权，其全部内容特此通过引用结合到本技术中。
技术领域
3.本发明的方面涉及用于锻炼和健身应用的马达驱动装置，并且特别地涉及用于锻炼器材的模块化驱动装置及其控制/操作。


背景技术：

4.机电锻炼器材通常包括提供对由用户提供的生物机械力的阻力的马达或类似的力产生部件。力产生部件的控制和监控可以取决于待提供的阻力、待进行的锻炼、用户的身体特征、潜在的安全问题(对于用户和装置本身两者)以及许多其他因素。
5.鉴于上述情况，需要一种可以容易地适于考虑这样的器材中广泛潜在可变性的用于机电锻炼器材中的控制系统。正是考虑到这些问题，构思了本公开的方面。


技术实现要素：

6.在本公开的一个方面，提供了一种用于健身器材中的模块化马达驱动装置。模块化马达驱动装置包括开关电路，开关电路包括多个开关。开关电路响应于开关控制信号通过选择性地重新配置多个开关以根据开关控制信号控制对锻炼设备的马达的电力供应。马达驱动装置还包括可与健身器材的应用控制板连接的接口。响应于第一开关控制信号，开关电路将多个开关配置成驱动锻炼设备的马达。响应于对应于马达的电制动的第二开关控制信号，开关电路将多个开关配置成停止驱动锻炼设备的马达。
7.在某些实施方式中，马达为交流(ac)马达，并且模块化马达驱动装置的开关电路或制动控制电路中的至少一者配置成响应于第二开关控制信号向马达的定子绕组施加直流(dc)，从而通过dc注入制动来制动马达。
8.在其他实施方式中，开关电路或制动控制电路中的至少一者配置成响应于第二开关控制信号使马达的定子绕组的场反向，从而通过反相制动来制动马达。在这样的实施方式中，马达可以为ac马达，并且使定子绕组的场反向可以包括使定子绕组的场的旋转反向。
9.在另外的实施方式中，开关电路或制动电路中的至少一者配置成响应于第二开关控制信号发送(route)由马达产生的动力，从而通过再生制动来制动马达。在这样的实施方式中，模块化马达驱动装置可以还包括第二接口，第二接口用于将开关电路和制动电路中的至少一者可操作地互连到锻炼设备的动力系统，以在再生制动期间从马达向动力系统提供动力。
10.在其他实施方式中，模块化马达驱动包括通信地联接到开关电路的马达驱动控制器，并且接口还用于将马达驱动控制器通信地联接到应用控制板的应用控制器。在这样的
实施方式中，开关电路可以配置成从马达驱动控制器接收开关控制信号。
11.在某些实施方式中，接口还用于将开关电路通信地联接到应用控制板的应用控制器。在这样的实施方式中，开关电路可以配置成从应用控制器接收开关控制信号。
12.在另一实施方式中，第二开关控制信号响应于与健身器材的用户相关联的用户事件而产生。用户事件可以可基于以下各项中的至少一者来检测：满足力分布的阈值偏差、检测到来自传感器的信号丢失、检测到指示用户失衡的力读数、检测到指示用户脱离的传感器信号或接收到来自算法的信号，算法通过监控系统信息、环境信息或状态信息中的至少一者来识别可能的用户安全问题。
13.在又一个实施方式中，开关电路和制动电路中的至少一者配置成响应于接收到第二开关控制信号而使马达的相位短路。在这样的实施方式中，开关电路和制动电路中的至少一者可以配置成默认进入马达相位短路的状态。
14.在本公开的另一方面，提供了一种锻炼设备。该锻炼设备包括具有马达的马达组件；包括应用板控制器的应用板，和可操作地联接到马达和应用板中的每一者的马达驱动装置。马达驱动装置包括开关电路，开关电路包括多个开关并且响应于开关控制信号通过选择性地重新配置开关以根据开关控制信号控制对马达的电力供应。响应于第一开关控制信号，开关电路将多个开关配置成驱动马达。响应于对应于马达的电制动的第二开关控制信号，开关电路将多个开关配置成停止驱动马达。
15.在某些实施方式中，开关电路配置成从应用板控制器接收第一控制信号和第二控制信号。在其他实施方式中，马达驱动装置还包括可操作地联接到应用板控制器的马达驱动控制器，并且开关电路配置成从马达驱动控制器接收第一控制信号和第二控制信号。
16.在其他实施方式中，电制动为dc注入制动、反相制动或再生制动器中的一者。
17.在本公开的又一方面，提供了一种控制健身器材中的马达的方法。该方法包括在联接到锻炼设备的马达的马达驱动装置的开关电路处接收开关控制信号。开关电路包括开关并且响应于开关控制信号通过选择性地重新配置开关以根据开关控制信号来控制对马达的电力供应。该方法还包括，响应于在马达驱动期间接收到控制信号，激活开关电路以停止驱动马达，以及通过dc注入制动、反相制动或再生制动中的至少一者向马达施加电制动。锻炼设备包括应用板和模块化马达驱动装置中的每一者，应用板包括应用控制器，模块化马达驱动装置可操作地连接到应用板。模块化马达驱动装置包括开关电路和能操作地连接到应用控制器的马达驱动控制器，并且开关电路从马达驱动控制器接收开关控制信号。
18.在某些实施方式中，模块化马达驱动装置为第一模块化马达驱动装置，开关电路为第一开关电路。在这样的实施方式中，该方法可以还包括，在用第二模块化马达驱动装置替换第一模块化马达驱动装置之后，并且在第二模块化马达驱动装置的开关电路处，接收第二控制信号，并且响应于接收到第二控制信号，激活开关电路以驱动马达或电制动马达中的至少一者。
附图说明
19.示例实施例在附图的参考图中示出。旨在将本文公开的实施例和附图认为是说明性的而非限制性的。
20.图1是根据本公开的锻炼设备的框图。
21.图2是可以在根据本公开的锻炼设备中实施的第一系统架构的框图。
22.图3是可以在根据本公开的锻炼设备中实施的第二系统架构的框图。
23.图4是可以在根据本公开的锻炼设备中实施的第三系统架构的框图。
24.图5是可以在根据本公开的锻炼设备中实施的第四系统架构的框图。
25.图6是可以在根据本公开的锻炼设备中实施的第五系统架构的框图。
26.图7是可以在根据本公开的锻炼设备中实施的第六系统架构的框图。
27.图8是可以在根据本公开的锻炼设备中实施的第七系统架构的框图。
28.图9是用于根据本公开的用于锻炼设备中的动力多路复用器的框图。
29.图10是示出了可以在根据本公开的锻炼设备中实施的制动方法的流程图。
30.图11是示出了示例计算系统的框图，其可以实现本文提供的各种系统、过程和方法。
具体实施方式
31.本公开涉及一种控制电磁致动器(例如马达)的电子马达驱动装置(本文也称为马达驱动装置或驱动器)。特别地，本文公开的马达驱动装置具有使得它们特别适用于健身器材的特定的设计属性，电磁致动器为健身器材提供对抗由用户在有氧和/或无氧运动期间的移动产生的生物机械力的反作用力。虽然不限于这样的应用，但是本文描述的实施例将参考这样的健身应用。
32.本发明的某些方面涉及模块化马达驱动装置，并且更具体地涉及可以与专用电子设备联接用于提供具有不同性能特征的锻炼设备的模块化马达驱动装置。在至少一个实施方式中，这样的模块化马达驱动装置可以为基本上独立的单元，其包括开关电路和用于联接到特定类型或版本的锻炼设备专用的应用控制板的接口。在操作期间，模块化马达驱动装置的开关电路用于根据从锻炼设备的控制器接收的开关信号驱动马达。这样的开关信号可以由应用控制板的控制器提供，或者由集成到模块化马达驱动装置中的控制器提供。因此，在由开关电路接收的这样的信号的上下文中，术语控制信号通常应该理解为包括控制开关电路的开关的信号。如下面进一步详细讨论的，根据本公开的锻炼设备的功能可以以各种方式在模块化马达驱动装置与应用控制板之间分配。
33.根据本公开的模块化马达驱动装置可以提供与制造和产品定制相关的各种益处。例如，模块化马达驱动装置可以被设计用于多种类型的锻炼设备中，从而能够有助于模块化马达驱动装置的批量成本杠杆作用。作为另一个示例，通过使用户能够更换给定健身器材的模块化马达驱动装置，设备阻力范围、功能等可以是可扩展的或可定制的。因此，根据本公开的模块化马达驱动装置通常导致机电健身器材，相对于具有独特的专用定制马达驱动装置的设备，可以更经济地开发和制造，更可靠，更通用，更易于制造，并且是可扩展/可升级的，以及其他优点。
34.虽然不限于这样的锻炼设备，但是在于2019年5月13日提交的第16/410,971号美国专利申请(“力量训练和锻炼平台”)中讨论了基于线缆的锻炼设备的示例，在基于线缆的锻炼设备中可以实施马达驱动装置和本公开的其他方面，该美国专利申请的全部内容出于所有目的通过引用特此被并入。
35.a.总体架构
36.图1是根据本公开的实施方式的锻炼设备100的框图。锻炼设备100通常包括壳体102，各种电子部件可以设置在壳体102内。例如，但不限于此，这样的部件包括应用控制器104、马达驱动装置106、马达组件108、动力系统110和器材输入/输出(i/o)112。在某些实施方式中，应用控制器104和/或马达驱动装置106可以配置成通过有线和/或无线连接113与壳体102外部的一个或多个外围设备114通信。如下面进一步详细描述的，马达组件108伸出或缩回连接线116，连接线116可以联接到锻炼附件118。
37.连接线116可以是马达组件108可以选择性地从壳体102伸出和/或缩回到壳体102中的任何合适的部件。锻炼附件118可以是可以联接到或设置在连接线116的一端上以便于各种锻炼的进行的任选附件。锻练设备100可以配置成允许锻练附件118被更换、移除或以其他方式修改，使得可以使用锻练设备100进行不同的锻练。在至少某些实施方式中，并且不限制于此，连接线116和锻炼附件118可以分别为线缆和手柄。因此，为了清楚起见，连接线116和锻炼附件118在下文中被称为线缆116和手柄118。
38.锻炼设备100包括应用控制器104和马达驱动装置106中的每一者。在至少某些实施方式中，应用控制器104控制并监督锻炼设备特定的功能。其中，这样的功能可以包括与外围设备114的通信、器材i/o 112的控制和监控、动力管理(例如，通过监控并控制动力系统110)以及与马达驱动装置106的接口连接，另一方面，马达驱动装置106包括合适的部件(例如，开关部件)来控制到马达组件108的电流，马达组件108通常包括马达，但是还可以包括传感器、致动器和其他与马达相关的i/o部件。
39.应用控制器104、马达驱动装置106以及它们各自的功能的前述描述仅仅是一个示例，并且功能可以在应用控制器104与马达驱动装置106之间不同地分布。更一般地，马达驱动装置106根据锻炼设备100的操作状态向马达组件108的马达提供动力并控制动力。例如，马达驱动装置106可以控制电压、电流、频率、模式电流(例如，ac相对于dc)、换向模式(例如，正弦、方波、表面声波等)、极性或提供给马达组件108的马达的动力的其他类似参数。另一方面，应用控制器104至少为马达驱动装置106提供与锻炼设备100的其他部件的接口。锻炼设备100的各种功能的监督和控制可以以各种不同的方式在应用控制器104与马达驱动装置106之间划分。例如，在一个实施方式中，马达驱动装置106可以仅由开关电路和对应用控制器104和马达组件108合适的接口组成。在这样的情况下，开关电路的控制(例如，通过开关信号)和锻炼设备100的基本上所有其他功能可以由应用控制器104处理。相反，在另一个实施方式中，应用控制器104可以仅提供马达驱动装置106与锻炼设备100的其他部件之间的接口，而锻炼设备100的其余功能由集成到马达驱动装置106中的控制器处理。本公开的其他实施方式涉及应用控制器104与马达驱动装置106之间的功能的可替换分布，并且因此位于前述实施方式之间的某处。下面在图2至图8的背景下讨论本公开的实施例的非限制性示例，其中锻炼设备功能在应用控制器104与马达驱动装置106之间不同地划分。
40.锻练设备100可以包括动力系统110，动力系统110可以至少部分地由应用控制器104和马达驱动装置106中的一者或两者控制。动力系统110通常包括用于在锻炼设备100的操作期间控制、分配、存储、回收动力等的部件。如下文在图8的上下文中所述，用于根据本公开的锻炼设备中的动力系统可以包括在锻炼设备的不同系统和部件之间动态地、有效地和智能地传送动力的动力多路复用器。
41.如上所述，锻炼设备100可以包括器材i/o 112。通常，器材i/o 112包括锻炼设备
100的任何部件，其用于接收来自用户或其他设备的输入，或者用于向用户或其他设备提供输出。在某些实施方式中，器材i/o 112包括用于测量锻炼设备100的操作参数的各种传感器。举例来说且不受此限制，这样的传感器可以包括负载传感器(例如，应变仪或测压元件)、电传感器(例如，电流传感器、电压传感器、电位计/变阻器)、运动相关传感器(例如，加速度计、编码器)、按钮/开关、温度传感器、光传感器等。器材i/o 112还可以包括用于从用户接收输入的输入设备，包括但不限于按钮/按键、开关、触摸屏、鼠标/轨迹球、麦克风等。器材i/o 112还可以包括输出设备，例如但不限于屏幕/显示器、灯、扬声器、触觉反馈设备等。应该理解，器材i/o 112的前述示例是非限制性的，并且器材i/o 112更一般地包括可以包括在锻炼设备100中用于促进锻炼设备100的操作的任何合适的i/o设备，其用于接收来自用户或其他设备的输入、用于向用户或其他设备提供输出，等等。此外，虽然在图1中示出为单独的方框，但是器材i/o 112也可以至少部分地集成在锻炼设备100的其他部件内。例如，动力系统110、马达驱动装置106和马达组件108中的每一者都可以包括传感器、致动器、开关和其他类似的i/o装置，它们中的每一者都可以通信地联接到应用控制器104或包括在锻炼设备100中的另一个控制器(例如，马达驱动装置106的控制器)。
42.锻炼设备100也可以配置成与一个或多个外围设备114(有线或无线地)通信。举例来说且不受限制，外围设备114可以包括台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、智能手机、远程服务器系统或任何其他类似的计算设备。
43.虽然本文一般讨论为包括单个马达组件(例如，具有相关联传感器和致动器的单个马达)，但是本公开的实施方式不限于包括单个马达组件。相反，本公开的实施方式可以包括多个马达组件，每个马达组件配置成致动相应的连接线。在包括多个马达组件的实施方式中，锻练设备可以包括用于每个马达组件的相应的马达驱动装置，或者单个马达驱动装置可以配置成操作多个马达组件。因此，本文讨论的包括单个马达/马达组件的实施方式可以被修改为包括附加马达或马达组件，例如，通过包括附加马达驱动装置或配置开关电路、控制器等来控制多个马达。
44.b.模块性
45.在本公开的至少某些实施方式中，马达驱动装置106配置成模块化的。换句话说，马达驱动装置106可以是可以容易地联接到应用控制器104的基本上单一的部件。在至少某些实施方式中，应用控制器104和马达驱动装置106配置成使得马达驱动装置106可以容易地(电地和/或机械地)联接到应用控制器104，使得马达驱动装置106可以容易地与可替换马达驱动装置进行更换。这样的联接的示例可以包括但不限于插入式堆叠连接器、通孔引脚、焊盘和双列直插式存储模块(dimm)-/小型dimm(so-dimm)型pcb连接器。在某些实施方式中，马达驱动装置106可以被设计并制造为集成电路部件。在其他实施方式中，马达驱动装置106可以是例如经由电缆或柔性带联接到应用控制器104的模块。为了便于更换马达驱动装置106，壳体102可以包括舱口、门、槽或类似的开口，马达驱动装置106可以通过这些开口插入，或者马达驱动装置106可以从这些开口中取出，而无需进一步拆卸锻炼设备100。
46.模块化马达驱动装置可以在动力水平、输入电压、速度范围、散热能力、马达驱动通道数量、输出波形或其他类似特征方面有所不同。在至少在某些应用中，单个马达驱动装置可以用于一系列锻炼设备。因此，公共马达驱动装置可以用于具有不同形状因素的锻炼设备(例如划手/测力计、缆索机器、绳索牵引器、跑步机、基于缆索的锻炼平台等)或不同的
可能配置，从而通过标准化简化制造并有助于马达驱动装置的批量成本杠杆作用。单个锻练设备也可以与多个模块化马达驱动装置兼容，多个模块化马达驱动装置可以用于改变锻练设备的特征。因此，例如，制造商可以生产锻炼设备的基本单元，在该基本单元中可以插入不同的模块化马达驱动装置，以产生多种形式的锻炼设备，每种形式具有不同的特征或能力。类似地，在最初购买具有第一马达驱动装置的锻炼设备之后，用户可以购买并更换第二马达驱动装置，第二马达驱动装置例如通过增加最大可用阻力、增加不同的锻炼形式等来扩展锻炼设备的功能。
47.为了进一步增加批量成本杠杆作用，对于多种类型的锻炼设备通用或接近通用的其他部件可以集成到模块化马达驱动装置中。例如，但不限于，有线通信系统(例如，usb、火线、以太网等)、无线通信系统(例如，wifi、蓝牙、ant/ant 、蜂窝等)、扬声器、ui控制器、灯、led、触摸屏、热调节元件等可以与马达驱动装置集成。
48.在至少某些实施方式中，模块化马达驱动装置还可以降低与马达控制相关联的电噪声通过锻炼设备的其他系统/部件(例如，应用控制器104或通信相关部件)传播并影响其操作的倾向。然而，应用控制器104、马达驱动装置106或者锻炼设备106的任何其他系统或部件可以在适当的地方包括屏蔽，以进一步减轻无论由锻炼设备100的马达还是其他来源产生的电噪声的影响。
49.与模块化马达驱动装置的实施方式相关联的其他益处包括改善的机械占地面积、机械稳定性(例如，振动或其他)以及电子器件的热管理的简化。热管理可以是主动的或被动的，包括但不限于空气冷却、相变材料(pcm)的使用、液体冷却(例如，静态或流动)或一个或多个散热器的实施。
50.应当理解，将马达驱动装置106提及为模块化不应当意味着关于马达驱动装置106和应用控制器104的尺寸或配置的任何特定限制，除了马达驱动装置106和应用控制器104中的每一者基本上是一体的。例如，如本文所讨论的，马达驱动装置106通常被提及为可与包括应用控制器104的基本单元更换。然而，在其他实施方式中，马达驱动装置106可以结合到基座单元中，该基座单元还包括马达组件108和锻炼设备100的其他部件，该基座单元配置成接收多个不同的应用控制器104。在这样的实施方式中，马达驱动装置106和应用控制器104中的每一者仍然被认为是模块化的，因为它们是可以彼此通信地联接的基本上单一的部件。类似地，在某些实施方式中，马达驱动装置106和应用控制器104中的任一者都可以被认为是主板，马达驱动装置106和应用控制器104中的另一者可以作为子板联接到该主板。
51.c.其他示例架构
52.如上所述，根据本发明的锻炼设备可以包括应用控制器和模块化马达驱动装置，锻炼设备的各种功能可以分布在它们之间。虽然不是限制性的，图2至图8是旨在示出根据本公开的锻炼设备的至少一些可能的配置的示例系统架构的框图。
53.图2是根据本公开的锻炼设备的第一系统架构200的框图。如图所示，应用控制器板202经由接口250通信地联接到马达驱动板210。应用控制器板202包括控制器204，控制器204控制锻炼设备的各种功能，包括但不限于控制并监控动力系统206、管理经由通信(com)单元208的通信以及管理器材i/o。
54.马达驱动板210包括通信地联接到开关电路214的控制器212。开关电路214又连接
到锻炼设备的马达。控制器212还通信地联接到马达的i/o(例如，传感器、致动器)，以便于监控、数据收集、控制和与马达操作相关联的其他功能。
55.开关电路214和动力系统206中的每一者都被示为连接到电源(例如，如点划线所示)，比如电插座。
56.尽管根据本公开的马达驱动装置的开关电路不必限于这样的变化，但是至少某些开关电路包括4开关配置(例如，用于直流(dc)马达的h桥)或6开关配置(例如，用于交流(ac)和无刷dc(bldc)马达的“六单元”)。这样的配置中的开关通常包括晶体管(例如，mosfet或igbt)或其他电开关组件。在操作期间，开关电路的开关是调节流向马达及其相位的电流的量、方向、频率等的控制器(例如，通过从控制器204或控制器212接收的开关信号)。
57.图2的配置旨在示出第一示例架构，其中与马达相关的功能基本上与锻炼设备的其他功能隔离/分离。尽管被描述为包括能操作地联接的“板”，但是术语“板”主要是为了简单和清楚而使用的。除了马达驱动板210和应用控制器板202是通过接口250可操作地联接的物理上分离且基本上单一的部件之外，不应将特定含义归因于术语板的使用。就术语“板”在应用控制器和马达驱动装置的上下文中使用的程度而言，这样的语言仅旨在便于分离的系统部件之间的区分，并且不应被认为增加了关于马达驱动装置或应用控制器的任何特定结构限制。
58.图3是根据本公开的锻炼设备的第二系统架构300的框图。系统架构300包括应用控制器板302，应用控制器板302经由第一接口310通信地联接到马达驱动板320，第一接口310在下文中称为驱动/应用板接口310。应用控制器板302包括控制器304，控制器304控制锻炼设备的各种功能，包括但不限于经由动力系统接口306和管理器材i/o 308控制并监控动力系统。
59.马达驱动板320包括控制器322。在图3的实施方式中，控制器322管理的功能包括与外部设备的通信、锻炼设备马达的控制和监控、紧急制动系统的控制和监控以及数据收集。
60.关于与外部设备的通信，控制器322通常可以控制并管理与外部设备的通信，外部设备诸如但不限于其他计算设备(例如，台式计算机、膝上型计算机、智能手机、平板电脑等)。为了便于这样的通信，马达驱动板320可以包括能够与外部设备340进行有线和/或无线通信的通信模块324。如图3所示，通信模块324可以进一步促进与编程设备342(例如，用于编程或重新配置锻炼设备的专用计算设备)以及锻炼设备的器材i/o 308的通信。马达驱动板320还可以包括外部设备接口326，以便于与外部设备(比如编程器342)通信，如图3所示。
61.关于锻练设备马达的控制和监控，控制器322可以通信地联接到开关电路323并且可以控制开关电路323。开关电路323又可以经由马达接口330联接到马达350，并且可以响应于从控制器322接收的开关信号来控制向马达350的电流输送。
62.关于紧急制动系统的控制和监控，控制器322可以通信地联接到适于向包括紧急制动装置360的紧急制动系统输送动力的驱动器332。在某些实施方式中，紧急制动系统可以为配置成快速停止并锁定马达350的机械制动器。在其他实施方式中，紧急制动系统可以进一步或可替代地包括电子制动系统，比如dc注入制动系统或反相制动系统。因此，在包括
紧急制动系统的实施方式中，马达驱动板320可以包括紧急制动接口334，通过紧急制动接口334可以将动力从驱动器332输送到紧急制动装置360，以接合机械制动装置或者提供动力以促进电子制动。
63.关于数据收集，马达驱动板320可以包括一个或多个数据采集单元336，数据采集单元336通信地联接到控制器322，并且配置成获取、接收、处理、存储来自锻炼设备系统的各种传感器的数据，等等。例如，如图所示，数据采集单元336例如分别通过马达接口330和紧急制动接口334通信地联接到马达传感器352和紧急制动传感器362中的每一者。马达传感器352可以测量各种参数，参数包括但不限于位置、力、速度、加速度、电参数(例如，电流、电压等)，以及马达350的其他类似操作参数。类似地，紧急制动传感器362可以测量(但不限于此)位置、力、速度、加速度、电参数(例如，电流、电压等)和紧急制动装置360的其他类似操作参数。
64.如图3中进一步示出的，控制器322还可以通信地联接到存储器338，存储器338可以用于存储由控制器322使用和执行的指令和数据。存储器338还可以存储由应用控制板302的控制器304使用和执行的数据和指令。
65.图4是根据本公开的锻炼设备的第三系统架构400的框图。系统架构400包括应用控制器板402，应用控制器板402经由第一接口410通信地联接到马达驱动板420，第一接口410在下文中被称为驱动/应用板接口410。在图3的实施方式中，马达驱动板320提供了与锻炼设备的操作相关的大量功能，与图3的实施方式相反，系统架构400示出了一种可替换方案，其中除了由马达驱动板420的开关电路423提供的开关功能之外，锻炼设备的大量功能由应用控制器板402控制/管理。
66.如图4所示，应用控制器板402包括控制器404，控制器404控制锻炼设备的各种功能，功能包括但不限于通过动力系统接口406控制并监控动力系统，以及与锻炼设备的部件和外部设备的一般通信。为此，应用控制器板402可以包括便于与其他设备和部件进行有线和/或无线通信的通信模块424，其他设备和部件包括但不限于编程器440、外部设备442和器材i/o 408。应用控制器板402还可以包括用于存储能由控制器404执行的数据和指令的存储器438。
67.如前所述，与图3的马达驱动板320相比，马达驱动板420相对较小。更具体地，马达驱动板420包括经由驱动/应用板接口410联接到应用板402的开关电路423。如图4所示，马达驱动板420可以不包括它自己的独立控制器。在这样的实施方式中，开关电路423可以改为由应用板402的控制器404控制，例如通过驱动器/应用板接口410从控制器404接收开关信号。类似地，驱动器/应用板接口410也可以促进例如从电源系统通过动力系统接口406到开关电路423的动力传输。马达驱动板420还可以包括马达接口430，用于促进与锻炼设备的马达450和相关联的马达传感器452的动力传输和通信。
68.图5是示出根据本公开的锻炼设备的第四系统架构500的框图。系统架构500包括经由驱动器/应用板接口510通信地联接到马达驱动板520的应用控制器板502。类似于图4的实施方式，锻炼设备的大量功能由应用控制器板502控制/管理，而主要的马达开关功能由马达驱动板520提供。
69.应用控制器板502包括控制器504，控制器504可以通信地联接到存储器538，并且控制器504控制锻炼设备的各种功能，功能包括但不限于通过动力系统接口506对动力系统
的控制和监控，以及与锻炼设备的部件和外部设备的一般通信。对于这样的通信，应用控制器板502可以还包括促进与其他设备和部件的有线和/或无线通信的通信模块524，其他设备和部件诸如但不限于编程器540、外部设备542和器材i/o 508。
70.类似于图4的马达驱动板420，马达驱动板520通常限于开关功能，并且因此包括开关电路523，开关电路523例如通过驱动/应用板接口510从应用板502的控制器504接收开关信号并且通常由应用板502的控制器504控制。然而，与包括马达接口430的马达驱动板420不同，马达驱动板520不直接连接到锻炼设备的马达550或马达传感器552。相反，由开关电路523控制的动力通过应用控制器板502并通过应用控制器板502的马达接口530传递回马达550。
71.图6是根据本公开的锻炼设备的第五系统架构600的框图。系统架构600包括经由驱动器/应用板接口610通信地联接到马达驱动板620的应用控制器板602。与包括具有相对有限功能的马达驱动板的图4和图5的实施方式相比，图6示出了马达驱动板620处理锻炼设备的显著更多操作的实施方式。
72.在图6的实施方式中，应用控制器板602通常包括可以执行与锻炼设备相关联的至少一些基本功能的控制器604。例如，应用控制器板602可以处理非运动相关的控制任务，控制任务诸如但不限于有线或无线联网、加载和存储用户数据或者确定锻炼设备的当前状态(例如，开/关)。
73.锻练设备的剩余功能的绝大部分由包括控制器622的马达驱动板620处理。类似于图3的结构300，与锻炼设备的操作相关的各种功能由控制器622和马达驱动板620的相应部件处理。例如，控制器622控制开关电路623，开关电路623又根据从控制器622接收的开关信号和设置经由马达接口630向马达650提供动力。通信模块624和外部设备接口626也促进例如与编程器642和/或外部设备640的有线和无线通信。控制器622还处理对紧急制动系统的监控和控制，其可以包括用于向紧急制动器660提供动力的驱动器632。马达驱动板620也可以促进数据收集和处理。例如，马达驱动板620可以包括用于从但不限于马达传感器652(例如，通过马达接口630)和紧急制动传感器662(例如，通过紧急制动接口634)收集数据的一个或多个数据采集单元636。控制器622还可以通信地联接到用于存储数据和指令的存储器638，数据和指令包括供控制器622或控制装置604使用的数据和指令。
74.与包括作为应用板302的一部分的器材i/o 308和动力系统接口306的图3的架构300相反，架构600将器材i/o 608和动力系统接口606中的每一者移动到马达驱动板620。
75.图7是根据本公开的锻炼设备的第六系统架构700的框图。系统架构700包括经由驱动器/应用板接口710通信地联接到马达驱动板720的应用控制器板702。类似于图3的系统架构300，系统架构700涉及应用控制器板702与马达驱动板720之间的锻炼设备控制和操作的分配，尽管应用板702比图7的应用板302处理更多的功能。
76.应用控制器板702包括控制锻炼设备的各种功能的控制装置704，功能包括但不限于经由动力系统接口706和管理器材i/o 708控制并监控动力系统。应用控制器板702还包括通信模块724和外部设备接口726，外部设备接口726促进与包括但不限于编程器740和外部设备742的其他设备和部件进行有线和/或无线通信。应用控制器板702进一步经由驱动器732并在使用一个或多个数据采集单元736的各种数据采集功能之前控制紧急制动装置760。例如，数据采集单元736可以与一个或多个紧急制动系统传感器762通信。
77.如上所述，马达驱动板720经由驱动器/应用板接口710联接到应用控制器板702。马达驱动板720包括通信地联接到应用板702的控制装置704的独立控制器722。控制器722控制开关电路723的操作，开关电路723进而通过马达接口730向锻炼设备的马达750提供动力。控制器722还可以通信地联接到用于存储数据和指令的存储器738，数据和指令包括供控制器722或控制装置704使用的数据和指令。
78.马达750可以包括马达传感器752，来自马达传感器752的信号可以通过马达接口730接收，并传递过去传递到数据采集单元736进行处理。类似地，数据采集单元736可以接收来自紧急制动传感器762的附加信号。
79.图8是根据本公开的锻炼设备的第七系统架构800的框图。系统架构800包括经由驱动器/应用板接口810通信地联接到马达驱动板820的应用控制器板802。类似于图7的系统结构700，系统架构800包括应用控制器板802与马达驱动板820之间的锻炼设备控制和操作的分布。
80.应用控制器板802包括控制锻炼设备的各种功能的控制器804，功能包括但不限于经由动力系统接口806和管理器材i/o 808控制并监控动力系统。应用控制器板802还包括用于存储操作锻炼设备时使用的数据和/或指令的存储器838。
81.马达驱动板820包括控制器822，控制器822通信地联接到应用控制器板802的控制器804。马达驱动板820包括通信地联接到应用板802的控制器804的独立控制器822。控制器822控制开关电路823的操作，开关电路823进而通过马达接口830向锻炼设备的马达850提供动力。马达驱动板820还包括通信模块824和外部设备接口826，外部设备接口826促进与包括但不限于编程器840和外部设备842的其他设备和部件进行有线和/或无线通信。马达驱动板820还使用一个或多个数据采集单元836控制各种数据采集功能。例如，数据采集单元836可以从与马达850相关联的马达传感器852接收传感器数据。数据采集单元836还可以接收来自其他部件(比如传感器862)的数据，该数据可以通过例如驱动器/应用板接口810传递过去传递到数据采集单元836。
82.图2至图8旨在仅用于说明，并且为了清楚起见，可能省略了某些部件。此外，尽管所包括的特定部件和系统可以在图2至图8之间变化，但是上面讨论的任何部件和系统都可以包括在本公开的实施方式中。例如，除了紧急制动系统、数据采集系统、存储器或本文讨论的其他系统和部件之外，上述任何实施方式仍然可以被修改以包括这样系统，除非另有说明。
83.上面讨论的各种结构中的每一者都可以适用于不同的应用和不同的锻炼设备设计。例如，图3的实施方式可以适用于动力和驱动电子设备将与锻炼设备的机械设备深度集成的情况。相比之下，图4和图5的简化马达驱动装置在马达驱动装置和动力电子器件可以更松散地联接到系统和/或可以在装配过程的结尾添加的应用中可能是有益的。图4和图5的结构在锻炼设备适合于多种动力水平的配置和操作的情况下也是有用的，其中每种动力水平可能需要不同的驱动设计。更一般地，给定的架构可以基于(除了别的以外)产品路线图或产品线；锻炼设备的可升级性；制造、采购、关税、组装或其他限制；等等来实现。
84.d.通信和数字驱动电子设备
85.在某些实施方式中，根据本公开的锻炼设备可以包括简化内部和外部部件和系统之间的通信的各种部件。例如，根据本公开的锻炼设备可以包括通过提供直接接口简化通
信的微型计算机、模拟电路、控制器等。这样的接口可以符合某些标准，所述标准包括但不限于rs485或控制器局域网(can)标准。接口还可以支持脉宽调制(pwm)信号发送或可以为基于一个或多个电压电平促进通信的模拟接口。
86.根据本公开的锻炼设备中的信号发送和通信可以通过适当的隔离/屏蔽来促进。例如，在至少一些实施方式中，信号发送可以被电隔离(例如，通过数字光联接或类似的隔离技术)以保护锻炼设备的电子设备免受马达开关噪声的影响。
87.就在部件之间实现数字接口而言，这样的接口可以提供实现高级控制配置和将数据报告回锻炼设备的控制器的附加优点。这样的数据可以包括，例如但不限于，马达性能参数(诸如速度、位置、电流等)、电池电压等。
88.在某些实施方式中，栅极驱动信号直接从应用板提供给马达驱动板的开关电路。例如，图4和图5各自示出了一种示例架构，其中应用控制器板的控制器被通信地联接，并且直接向马达驱动装置的开关电路提供栅极驱动信号或其他控制信号，而无需中间控制器。这样的布置可以具有使马达驱动装置更便宜和制造更简单的优点。
89.e.反馈
90.对根据本公开的锻炼设备的控制，更具体地说，对这样的锻炼设备的马达(例如，无刷马达或交流马达)的控制通常需要转子位置反馈，以保持高效操作和低速扭矩。因此，参考图1，在至少一些实施方式中，马达驱动装置106可以配置成从马达组件108接收传感器测量值，或者可以包括用于测量马达组件108的各种操作参数的传感器。在转子位置的情况下，传感器可以直接报告转子位置，或者可以提供可以例如由马达驱动装置106处理以确定转子位置的数据。由马达驱动装置106确定的转子位置然后可以被马达驱动装置106用来控制马达组件108，和/或马达驱动装置106可以向应用控制器104报告(例如，通过数字信号)转子位置，以便于锻炼设备100的进一步控制和操作。除了转子位置之外或者代替转子位置，对于马达组件108的任何其他可测量参数，马达驱动装置106可以充当应用控制器104与马达组件108之间的中间装置。
91.代替测量马达组件108的转子位置或者除了测量马达组件108的转子位置之外，锻炼设备100可以包括各种与位置相关的传感器，诸如但不限于踏板位置传感器、划线轴传感器等。这样的传感器可以用于消除对直接转子位置反馈的需要。用于这个目的的特定传感器类型可以包括但不限于编码器、霍尔效应传感器、磁力计、磁簧传感器、感应检测器和分解器。
92.传感器的合并，比如仅依靠转子位置或另一个位置相关的传感器，可以通过消除冗余传感器来降低锻炼设备100的总成本，并且在某些情况下，可以简化锻炼设备100的控制和操作。可替代地，锻炼设备100可以包括用于提供位置或其他反馈的多个传感器。这样的冗余可以增加锻炼设备100的可靠性。
93.f.调谐接口
94.在至少某些实施方式中，马达驱动装置106可以包括促进马达驱动装置106的编程和调节的调谐接口。这样的编程和调整可以用于例如使马达驱动装置106适应不同的应用/锻炼，为特定的应用/锻炼调整马达驱动装置106的性能特征，执行马达驱动装置106的调试/诊断等。其中，但不限于，调谐接口可以促进对马达驱动装置106进行调谐/编程，以考虑不同的马达、考虑可用的传感器、建立或修改安全阈值、访问或修改马达驱动装置106的操
作参数、改变与不同操作模式(例如，动力模式、扭矩传递模式)相关联的参数、修改与热保护/主动冷却相关的参数、启用特定的操作模式(例如，调试/r&d模式)以及访问相应的数据等。在至少某些实施方式中，调谐接口可以用于根据订阅级别或用户支付的费用来锁定/解锁特征、范围、模式等。
95.调谐接口可以包括马达驱动装置106上的物理端口和/或可以包括例如通过合适的无线连接能访问的软件接口。在其他实施方式中，调谐接口可以例如通过网络连接从远程计算设备能访问，以便于对马达驱动装置106的远程调谐、重新编程、更新、诊断等。
96.在某些实施方式中，调谐接口可以配置成便于在运送给用户之前进行初始编程、校准、调整等，或者以其他方式仅能由锻炼装置100的制造商访问。在其他实施方式中，至少一些调谐特征可以对用户可用。
97.如之前在图2至图8的上下文中所讨论的，在本公开的至少某些实施方式中，锻炼设备可以包括外部设备接口(例如，图3的外部设备接口326)或者可以与一个或多个外部设备通信的通信模块(例如，图3的通信模块324)。这样的外部设备可以包括专门的编程器(例如，图3的编程器342)，其可以用于修改锻炼设备的设置/配置。因此，在这样的情况下，通信模块或外部设备接口都可以作为上述调谐接口来操作。
98.g.固件更新
99.在某些实施方式中，本公开的马达控制板可以包括引导加载器或类似的基本级固件接口。这样的接口可以允许更新马达控制板的马达控制器的固件，并且可以通过马达控制器的物理端口和/或经由无线接口来访问。在某些实施方式中，固件接口可以由远程计算设备例如通过网络/互联网访问，以便于部署固件更新。结果，固件更新可以在任何时候(包括在锻炼设备部署之后)容易地发布。在通信由应用控制器处理的实施方式中，用于锻炼设备的马达控制器或任何其他部件的固件更新可以由应用控制器接收，并例如经由应用控制器与部件之间的相应接口发送到相应的部件，或经由机载无线或有线接口直接接收。
100.h.存储器
101.如所讨论的，例如，在图3的上下文中，根据本公开的马达控制板可以包括存储器单元。这样的存储器单元可以在马达控制板的控制器内部，或者可以是与控制板分离的分立单元。存储器通常可以用于存储使用统计、系统故障历史、数据日志、操作周期数据、传感器信息、其他原始或计算的度量等。这样的数据可以被循环擦除和重写，保留在设备上，和/或通过有线和/或无线连接向外传输用于远程存储和/或处理。在通信由应用控制器处理的实施方式中，记录的数据可以由应用控制器从马达控制板发送或接收，用于外部传输。所记录的数据可以用于各种目的，这些目的包括但不限于分析测试中或现场的设备的使用信息，或者为故障单元提供事件的“事后”排序。记录的数据还可以用于向用户提供统计信息，以及用于其他与用户体验/用户界面相关的目的。例如，在至少一个实施方式中，收集的使用数据可以用于提供关于用户使用锻炼设备完成锻炼的频率或不频率的警报、提醒或类似通知，警报、提醒或类似通知可以包括与用户的同龄人或根据本发明的锻炼设备的其他用户的比较。
102.i.动力供应多路复用
103.锻炼设备通常必须消耗使用者运动时产生的能量，并吸取能量为自身提供动力。常规地，健身器经由大的散热表面消耗能量，同时从ac电源，比如壁装插座获取能量。这样
的方法效率非常低，这是因为用户产生的能量被大量浪费，并且ac动力可能被过度消耗。
104.为了解决前述问题，其中，根据本公开的锻炼设备可以配置成将来自一系列不同电源的动力动态地发送到锻炼设备的各种负载，从而促进锻炼设备的有效能量使用。更具体地，根据本公开的锻炼设备可以包括基于各种因素促进动力发送的动力多路复用器。其中，动力多路复用器和相关联的动力管理系统协调流入/流出各种动力相关部件的动力，这些部件包括但不限于电池、ac适配器、发电电网供应系统、耗散元件、电容器或类似的端点。在某些应用中，动力复用器可以配置成基于各种系统输入来发送动力和/或可以配置成在可用动力端点之间进行负载平衡。
105.图9是用于比如图1的锻炼设备100的锻炼设备中的示例动力系统900的框图。动力系统900包括充当其他动力相关设备部件的集线器的动力多路复用器902。如图9所示，这样的部件可以包括但不限于动力供应装置908、再生单元910、马达驱动电子设备912、耗散负载914、一个或多个换能器916、能量存储装置918、发电机920和制动驱动电子设备922。动力多路复用器902还被示为连接到各种其他组合电源/负载924、负载926和电源928，这些电源/负载旨在包括当前已知或以后开发的任何合适的电源/接收器。
106.仅作为示例而非限制，电源/负载908-928可以采取各种形式。例如，动力供应装置908可以对应于可以与传统壁装插座一起使用的ac适配器或类似插头。再生单元910通常指锻炼设备的任何系统，响应于锻炼设备的使用，可以从该系统产生动力。举例来说且不受限于此，再生单元910可以对应于当用户进行锻炼时从马达绕组获取能量的再生制动系统。马达驱动电子设备912通常指的是引导并控制到锻炼设备的马达的驱动部件(例如，定子和转子)的动力的电子设备。这样的部件可以被结合到马达控制器中，比如图1的马达驱动装置106中。耗散负载914通常指用作耗散或“吸收”动力的装置的任何负载。例如，在某些实施方式中，耗散负载914可以为接地电阻器。换能器916通常指能够在电力与机械能之间转换(单向或双向)的任何部件。其中，换能器916可以包括摩擦电设备、压电设备和机电设备。能量存储装置918通常是指用于以任何合适的形式存储能量的锻炼设备的任何部件。在某些实施方式中，能量存储装置918可以为电池(例如，锂离子电池)；然而，能量存储装置918也可以包括其他合适的能量存储部件，诸如但不限于电容器、飞轮、压缩气体等。发电机920通常是指能够发电的设备或系统，并且在某些实施方式中，可以对应于可以包含在锻炼设备内或者可以联接到锻炼设备的设备。发电机的示例包括但不限于太阳能电池、燃料电池、风力涡轮机等。最后，制动驱动电子设备922通常指便于锻炼设备制动的电子部件。在包括反相制动或注入制动的实施方式中，制动驱动电子设备922可以对应于用于将dc电压施加到锻炼设备的马达的系统。可替代地，制动驱动电子设备922可以对应于用于向马达施加机械制动力(例如，通过使得制动垫或类似的制动元件致动)的系统。
107.如图9所示，动力多路复用器902通常包括通信地联接到开关906并控制开关906的控制器904。开关906联接到电源/负载908-928中的每一者，并且通常促进它们之间的选择性连接。控制器904可以对应于通信地联接到应用控制器或马达控制器(例如，应用控制器104或马达驱动装置106)中的一者或两者的独立控制器。可替代地，控制器904可以改为对应于锻炼设备的应用控制器或马达控制器中的一者或两者。换句话说，锻炼设备的应用控制器或马达控制器中的一者或两者(单独或组合)可以配置成提供控制器904的一些或全部功能。
108.在操作期间，控制器904通常确定如何在电源/负载908-928之间传送动力并相应地改变开关906的状态。控制器904可以基于各种因素来确定如何操作开关。
109.在一个示例实施方式中，控制器904可以基于一个或多个电源/负载908-928的状态来操作开关906。其中，控制器904可以基于某些电源/负载的存在或不存在或者可用电源/负载的操作条件来发送动力。
110.在一个特定的示例应用中，控制器904可以基于电池或类似的能量存储装置918的充电状态来发送动力。在这样的实施方式中，控制器904可以访问或以其他方式被提供能量存储装置918的充电状态(例如，充电容量的百分比)。当充电状态指示充电低于某个阈值时，控制器904可以将由连接到开关906的一个或多个电源提供的多余动力(例如，其他锻炼设备功能不需要的动力)发送到能量存储装置918。在到达能量存储装置918的充电阈值或者给能量存储装置918完全充电之后，控制器904可以操作开关906来将任何多余的动力发送到耗散负载914或者发送到联接到动力复用器902的一些其他能量存储设备。
111.控制器904还可以监控或以其他方式被提供对应于一个或多个电源/负载908-928的运行状态的数据。在一个示例中，可以给控制器904提供联接到动力复用器902的一个或多个电源/负载908-928的运行温度。如果控制器904确定运行温度接近或超过安全运行温度，则控制器904可以相应地开始发送动力。类似地，控制器904可以监控联接到动力多路复用器902的负载的电流汲取，并且可以在过电流已经发生或可能发生的情况下转移动力。相关地，控制器904可以操作开关902，以在锻炼设备的部件开始不可预测地操作、损坏、失效或以其他方式表现为与正常操作相反的情况下发送动力。
112.在其他实施方式中，控制器904可以配置成基于由电源提供的和/或由负载需求的动力的特性来发送。例如，可以给控制器904提供关于由每个电源供应的和每个负载需求的动力的信息(例如，电压、ac/dc、频率等)或者控制器904可以访问这些信息。控制器904然后可以仅在具有某些共同特征的电源与负载之间发送动力。因此，例如，控制器904可以仅在在特定电压范围(例如，低电压、高电压)内运行或具有特定电流类型(例如，ac电压或dc电压)的电源与负载之间发送动力。在任何情况下，从连接到动力复用器902的电源接收的动力的特性可以不同于连接到动力复用器902的负载所需的动力。在这种情况下，电源/负载908-922可以联接到变压器、整流器、逆变器、转换器或其他类似部件，用于根据需要修改动力特性。
113.在其他实施方式中，控制器904可以配置成基于预期的或历史的动力消耗来发送动力。一般来说，根据本公开的锻炼设备在打开但不使用时保持基本的动力消耗水平。当用户进行锻炼时，锻炼设备消耗的动力，特别是锻炼设备的马达消耗的动力增加，以便以所需的速度驱动马达并提供必要的阻力/负载。因此，马达消耗的动力可以基于(除了别的以外)正在进行的锻炼的类型、在锻炼过程中提供的阻力(包括在锻炼过程中阻力的任何变化)、进行锻炼的速度等而变化。因此，例如，相对缓慢、低阻力的锻炼通常会涉及相应的低但延长的动力消耗，以便提供必要的致动和阻力。相反，具有相对高阻力的快速、爆发性移动将涉及相应高但短的动力消耗。锻炼的阻力和速度可能会随着个人重复、一组或一次锻炼的过程而变化。举例来说且不受限制，重复可以涉及在重复的运动范围内施加动态负荷，一组可以涉及在重复之间逐渐增加或减少负荷，或者负荷和速度可以在更广泛的锻炼中从一组到另一组变化，更广泛的锻炼可以包括一项或多项不同的锻炼。
114.鉴于前述内容，控制器904可以配置成基于预期的动力消耗来发送动力。例如，控制器904可以接收锻炼的参数(例如，锻炼类型、阻力水平等)或由多项锻炼组成的一次锻炼。响应于接收到参数，控制器904可以计算，除了别的以外，但不限于，例如由锻炼设备的马达预计消耗动力的量、定时和方式。在锻炼过程中，控制器904可以控制开关906相应地发送动力，例如通过动态改变通过动力多路复用器902的动力发送以提供所需的阻力。
115.例如，参照图9，在一次锻炼的初始热身阶段，用户可以进行相对较慢且阻力较低的锻炼，使得马达的所有动力需求可以由动力供应装置908满足。因此，控制器904可以将动力多路复用器902配置成将动力从动力供应装置908发送到马达驱动电子设备912。就动力供应装置908能够提供超出热身锻炼所需的附加动力而言，控制器904可以将动力多路复用器902进一步配置成将来自动力供应装置908的动力的一部分发送到能量存储装置918和/或耗散负载914。在该次锻炼的后续部分期间，可能需要更高的阻力水平，并且控制器904可以动态地增加提供给马达驱动电子设备912的动力量，并减少提供给能量存储装置918的动力。
116.作为另一个示例，用户可以从涉及相对缓慢且一致的移动模式的第一锻炼开始一次锻炼，然后改变到涉及实质上更具爆发力的移动的第二锻炼。在这样的情况下，在第一锻炼期间，控制器904可以将动力从动力供应装置908发送到马达驱动电子设备912。在第一锻炼接近结束时，控制器904可以开始将动力发送到电容器组或类似的能量存储元件，用于提供在第二锻炼期间所需的增加电阻的短脉冲，并且可以在第二锻炼正在进行时继续将动力输送到能量存储元件。
117.尽管在图9中示出为包括一个开关906，但是动力复用器902可以包括多个开关，开关中的每个开关都可以用于发送具有特定特性的动力。例如，动力多路复用器902可以包括用于发送不同电压的不同开关(例如，120v、12v和5v开关中的每一者)，其中每个开关通信地联接到控制器904并且可由控制器904操作。换句话说，控制器904可以配置成同时操作多个开关集线器，其中每个集线器对应于某一组动力特性。对于给定的一组动力特性，也可以实现多个集线器，例如，在其中可能需要组件分离的物理分组的实施方式中。
118.j.电制动
119.根据本公开的锻炼设备还可以包括电制动功能。电制动可以以各种方式执行；然而，一般来说，电制动涉及修改供应到马达定子绕组的电流，使得转子在第一方向上的旋转相反，例如，通过在与第一方向相反的第二方向上产生扭矩。电制动可以用于减慢或停止马达的旋转，以消耗动力(特别是当其他动力消耗或能量回收元件不存在或不可用时)，或者在某些情况下，将转子的动能转换成电能，然后可以存储电能或将电能用于其他目的。
120.在包括ac马达的本公开的某些实施方式中，电制动可以是dc注入制动。dc注入通常包括首先从马达的定子绕组断开ac电压，随后向定子绕组施加dc电压。这样做产生稳定的磁场，并在与转子当前旋转方向相反的方向上向转子施加扭矩，从而减慢并最终停止转子的旋转。一旦停止，保持定子绕组上的dc电压就将转子保持在适当的位置，并对转子的旋转提供相当大的阻力。制动力和保持力通常与施加的dc电压成比例，较高的dc电压导致较大的制动力和保持力。
121.在使用多相马达的至少某些实施方式中，马达的电制动可以通过使马达的相位选择性地短路来实现。例如，在马达为三相马达的实施方式中，用于驱动马达的开关电路的逆
变器可以包括一组高侧开关和相应的一组低侧开关，其中每个高/低对对应于马达的一相。在正常操作期间，开关对选择性地断开和闭合，以交替方式向每个相提供动力。为了使相位短路，高侧开关可以全部闭合，同时保持低侧开关处于断开位置。可替代地，短路可以通过闭合低侧开关同时保持高侧开关处于打开位置来实现。在任一情况下，相位短路都会导致对转子的制动。在至少某些实施方式中，根据本公开的马达驱动装置可以默认为短路状态，在短路状态下，向转子施加制动，从而阻止或防止锻炼设备的线缆/手柄伸出。
122.在其他实施方式中，电制动可以通过反相制动来实现。一般来说，反相制动指的是使定子的场反向的过程。在dc马达中，反相制动通常通过使定子场的极性反向来实现。另一方面，在ac马达中，定子场在马达操作期间是旋转的。结果，使定子场反向涉及使定子场的旋转方向反向。在任一情况下，使场反向有效地在转子上产生使转子快速减速的扭矩。与转子可能最终停止旋转的dc注入制动相反，如果在反相制动期间保持反向场，则转子将最终开始旋转并沿反向加速。
123.电制动也可以通过再生制动来实现。在再生制动期间，定子线圈的电流被切断，并且允许使马达转子旋转减慢。当使转子在定子内旋转时，定子绕组中感应出电流，有效地将电动机转换成发电机。电流持续产生，直到转子停止旋转。值得注意的是，与简单地允许使转子在定子内自由旋转相比，定子与转子的场之间的相互作用通常会在转子上引起使转子变慢的扭矩。因此，虽然再生制动在停止转子时通常比主动制动方法(例如，dc注入或反相制动)慢，但是它通常比允许转子简单地自由旋转减慢更快地使转子减慢，同时提供了产生可被使用或存储在例如电池或电容器中的电流的额外的好处。
124.在某些实施方式中，可以通过将电制动电流保持在恒定水平来施加电制动。在其他情况下，可以周期性地(例如根据工作循环)进行电制动。可以实施这样的制动，例如，以管理制动水平(例如，逐渐减速相对于突然停止)，以管理由于制动而产生的电流量，或者以其他方式简化制动的应用。
125.虽然电制动在本文主要描述为响应于安全或故障相关的情况而被应用，但是电制动也可以在锻炼设备的正常操作期间被应用，以使线缆或其他链接的行进平稳、向用户提供反馈、在锻炼期间提供阻力等。例如，至少某些锻炼可以包括从锻炼设备的壳体伸出线缆，随后将线缆缩回到壳体中进入原始或开始位置。一般来说，收缩可能会很快发生。因此，当线缆/手柄接近初始/开始位置时，可以使用制动，以避免线缆/手柄撞上壳体或者产生潜在的危险情况。
126.在某些实施方式中，电制动可以由马达驱动装置的开关电路控制。例如，响应于特定的开关控制信号，开关电路可以配置或控制开关电路的开关，以促进dc注入、反相、再生或其他制动技术。在其他实施方式中，可以至少部分地通过一个或多个第二电路来促进电制动，第二电路在本文中通常被称为制动电路，其可以包括开关或用于选择性地控制到马达的动力或从马达接收动力以启动制动的其他部件。类似于开关电路，制动电路可以包括用于控制对马达定子绕组的供电以提供不同的制动模式的一个或多个开关，这些开关响应于制动电路接收的控制信号可操作地断开/闭合(例如，使定子绕组断电/通电)。
127.k.用户和设备安全
128.在某些实施方式中，根据本公开的锻炼设备可以包括监控/固件软件、数字部件和/或模拟部件，其控制锻炼设备的制动，并且响应于某些事件，控制锻炼设备转换到“安
全”或禁用模式。为此，在至少某些实施方式中，锻炼设备可以包括监控软件/固件(在与正常操作相关联的任何软件/固件相同或不同的内核中运行)、数字部件和/或模拟部件，其配置成在锻炼设备发生故障或以潜在损坏的方式操作的情况下或在系统检测到用户相关事件时，迫使马达应用制动(例如，反相制动、dc注入制动)，用户相关事件例如但不限于用户跌倒、受伤、移动失败或处于身体能力受损的状态而为此不建议完成运动。在某些实施方式中，也可以响应于用户输入，比如语音命令或按钮按压，而施加制动。在至少一些实施方式中，锻炼设备的制动可以使用反相制动来实现，这是因为反相制动导致马达转子被电“锁定”并且阻止在任一方向上旋转，即使用户施加的负载被移除。
129.在某些情况下，制动可以包括完全停止锻炼设备的操作。然而，在其他情况下，制动可以改为导致相对于特定活动的预期力和/或位移分布，或其他测量的或内部的系统参数成比例的增加或减少。例如，制动可以用于在执行重物提升时模拟观察者，使得在用户不能成功和/或安全地完成锻炼的情况下，可以减小由用户施加到移动的阻力，从而使用户能够在减小的负荷下完成锻炼。
130.至少在某些情况下，锻练设备的制动可以导致保护锻练设备和马达免受损坏。例如，可以响应于潜在的超速状况而启动制动。设备安全模式也可以由锻炼设备的热、湿度、力或任何其他传感器感测的事件触发，以便保护锻炼设备的系统和部件。
131.在至少某些实施方式中，可以响应于锻炼设备的控制器(例如，应用控制器或马达控制器)可检测的用户事件来施加制动。在第一个示例中，用户事件可以为偏离力分布阈值。例如，力分布可以包括用户不能实现的目标力/负载。作为响应，锻炼设备可以施加全部或部分制动，从而完全移除或减少负载。类似地，用户事件可以为大大超过马达的安全操作力的力(例如，可以导致超速或过扭矩状况的力)。作为另一个示例，用户事件可以为检测到来自传感器的信号丢失或用户脱离。例如，锻炼设备可以包括集成到用户在锻炼期间抓握的手柄或用户在锻炼期间站立的平台中的安全开关。在正常操作期间，开关被按下，并且相应的信号被传输到锻炼设备的控制器。然而，如果使用者松开把手或离开平台，则开关释放并停止信号，使控制器启动制动机构。作为又一个示例，可以响应于检测到指示用户失衡的力读数来施加制动。例如，在某些实施方式中，锻炼设备可以包括平台，用户在锻炼期间站在该平台上，并且该平台包括测压元件、应变仪或可以用于检测用户的平衡或足部位置的其他传感器。然后，在检测到失衡的情况下，可以施加制动(例如，通过测量由用户的脚施加的力的高差值)。最后，并且更一般地，可以响应于算法产生的信号来施加制动，该算法通过监控系统信息、环境信息或状态信息中的至少一者来识别可能的用户安全问题。
132.图10是示出锻炼设备中制动的示例方法1000的流程图。在操作1002处，锻炼设备进入正常操作状态，其中锻炼设备的控制器根据与特定锻炼相关联的力分布或类似操作参数来控制锻炼设备的马达的输出。在操作1004处，检测制动事件。如上所述，制动事件可以包括与维护用户安全相关联的用户相关事件(例如，用户未能完成锻炼、脱离锻炼设备等)或与保持锻炼设备本身的安全性相关联的设备相关事件(例如，部件故障、超速状况、过电流状况等)。在操作1006处，响应于检测到制动事件，锻炼设备激活制动，制动可以为机械和/或电子制动，从而使马达减慢或停止。在使用电制动的实施方式中，电制动可以为dc注入制动、反相制动、再生制动或其他电制动机制。同样在这样的实施方式中，电制动的施加可以包括在马达驱动装置的开关电路处接收开关控制信号，开关控制电路使得马达驱动装
置停止驱动马达。进一步响应于开关控制电路，可以激活开关电路或制动电路以提供一种或多种形式的电制动。例如，在dc注入中，开关控制电路或制动电路可以配置(例如，通过配置电路的开关)成向马达的定子绕组提供dc动力。在操作1008处，锻炼设备可以释放制动装置，例如，响应于传感器测量值进入安全/可接受的范围、来自用户的命令、返回到初始/零位置、或通常对应于或指示制动事件的解决的类似条件。
133.l.反作用力的规律性和校准
134.为了确保力传递的规律性，用于根据本公开的锻炼设备的驱动的控制回路也可以与来自锻炼设备或可以与锻炼设备一起使用的附件/外围设备的各种传感器的反馈联系起来。这样的传感器可以用于例如便于校准或作为一般控制方案的数据/信号源。为此，根据本公开的锻炼设备可以包括在生产/制造期间或作为产品常规使用的一部分实现自动校准、调整或去皮重的软件。这样的能力减轻了系统中任何一个特定传感器随时间、环境条件等偏离的影响。校准回路还可以使用来自马达、电子设备或设备中其他地方的其他环境传感器(包括但不限于热、湿度、重力或环境压力)的反馈，以补偿最终传递的力的变化。
135.在一个特定的示例校准程序中，锻炼设备可以执行“拖拉(tug)”测试，在“拖拉”测试期间，马达被短暂启动以缩回锻炼设备的线缆，并确保线缆处于“原始”/零位置，其他系统部件可以围绕该位置配置。在这样的实施方式中，马达传感器可以用于监控电流、位置、速度等，以确定手柄是否响应试图缩回而移动。测压元件、应变仪、加速度计和其他传感器也可以用于确定线缆/手柄是否移动，或者手柄是否由于处于原始位置而在锻炼设备的其他部件上施加负载。
136.类似地，拖拉测试也可以用于校准各种传感器。例如，向线缆/手柄施加已知的扭矩将导致来自锻炼设备及其部件/附件的各种传感器(例如，测压元件、应变仪、电流/电压传感器等)的特定读数。因此，如果在已知扭矩下的拖拉不会导致预期的传感器读数，则可以相应地调整/校准传感器。
137.m.声音和感觉
138.当使用锻炼设备进行锻炼时，声音和感觉固有地与用户的体验联系在一起。为此，许多设备包括专用的音频、触觉或类似的反馈系统。然而，对于电动锻炼设备，设备的至少一些声音和感觉能归因于与设备的马达的操作(包括马达如何被驱动)相关联的振动。鉴于前述内容，根据本公开的锻炼设备可以包括目的为控制马达驱动装置以增强用户听觉和/或触觉体验的功能。
139.电马达的操作噪声通常是由于多种因素引起的马达的振动造成的，这些因素包括但不限于开关频率、换向模式和其他基本参数(例如，供应给马达的电流/电压幅度)。例如，梯形换向方案通常可以导致马达的明显振动，马达的明显振动产生可听见的嗡嗡声和相应的可触知的嗡嗡声，这可通过例如触摸或握住联接到马达或与马达接触的部件(例如，通过电缆连接到马达的手柄)来感觉到。如果改为实施具有类似参数的低频正弦换向方案，则嗡嗡声和感觉通常被不太尖锐/明显的哼哼声所替代。在某些情况下，可以通过增加正弦换向方案的频率来衰减哼哼声，直到它变得实际上不可察觉。
140.通过利用前述概念，可以控制根据本公开的锻炼设备的马达驱动以在使用期间提供不同的听觉和/或触觉体验。这样的控制可以响应于各种事件或参数，包括但不限于用户简档、一天中的时间、锻炼类型、一次锻炼的类型、一次锻炼或锻炼的强度、电池状态、电源
的可用性和范围、马达类型/配置、传感器类型/配置、温度或手动输入。
141.虽然各种不同的操作模式是可能的，但是在第一示例模式中，锻炼设备可以配置成发出低的哼哼声，例如通过使用低频换向方案驱动马达。这样的模式对于某些用户来说可以是有用的或优选的，以告知锻炼设备是打开的/活动的。在第二示例模式中，锻炼设备可以配置成以“静音”模式操作，例如通过使用高频正弦换向方案驱动马达。在第三种模式中，锻炼设备可以配置成以“嘈杂”模式操作，其中产生更明显的听觉和触觉嗡嗡声。这样的模式可以，例如，在嘈杂的环境中(例如，健身房设置)是优选的以克服环境噪声。
142.作为另一个示例，可以响应于锻炼/健身进度或强度来控制马达的驱动。例如，在一组或一次锻炼开始时，马达可以被初始操作以产生低振动。随着用户进行更多的重复、增加阻力或以其他方式增加锻炼的强度，所提供的听觉和触觉可以通过增加哼哼声的强度或产生更明显的嗡嗡声来增加。
143.在某些实施方式中，马达可以被驱动以在单次锻炼的运动范围内产生不同的振动曲线。例如，为了产生“嗖嗖”的声音和感觉，类似于划手/测力计的声音和感觉，马达可以在锻炼的第一部分期间由嘈杂/嗡嗡声信号驱动，但是在运动范围结束时逐渐过渡到更安静或甚至无声的声音。为此，马达最初可以用低频正弦或梯形换向方案驱动马达，但是随着用户在运动范围内进行锻炼，例如通过增加驱动器的开关电路的开关频率来转换。换句话说，基于(除了别的以外)使用者如何进行锻炼、使用者在锻炼中的位置等因素，可以控制马达驱动装置以产生具有不同特性的振动。
144.为了提供不同声音/感觉对马达驱动的控制可以由控制马达驱动的开关和其他操作的锻炼设备的任何合适的控制器来执行。因此，例如，在包括具有独立控制器的模块化马达驱动装置的本公开的实施方式中，在使用期间为了实现不同声音/感觉对马达驱动装置的控制可以由马达驱动装置控制器来执行。类似地，在马达驱动控制由应用板的控制器提供或者马达驱动不是独立的模块化单元的实施方式中，控制可以改为由应用板的控制器提供。
145.在声音/感觉控制在模块化马达驱动装置中实现的实施方式中，不同的马达驱动装置可以配置成提供不同的用户体验。例如，某些模块化马达驱动装置可以特别定制成产生高频驱动信号，以便产生基本上无声的操作。其他模块化马达驱动装置可以改为配置成产生多个可感知的“体积”或强度。在其他情况下，模块化马达驱动装置可以配置成产生与特定锻炼相关联的声音/感觉曲线，如以上在划手/测力计的情况下所述。
146.n.其他考虑/应用
147.尽管主要集中在具有旋转致动器/马达的锻炼设备的背景下，但是本文包括的概念可以容易地适用于其他力产生系统。例如，本文讨论的模块化马达驱动概念可以适用于驱动线性马达、液压、气动或其他力传递致动器。本文讨论的概念的其他示例应用包括工业机器人、工业自动化设备、医疗设备、移动机器人、电动车辆、乘用车客舱控制、发电机等。
148.o.计算系统
149.参考图11，提供了示出示例计算系统1100的框图，示例计算系统1100具有可以实现本文讨论的各种系统、过程和方法的一个或多个计算单元。例如，示例计算系统1100可以对应于(除了别的以外)根据本公开的锻炼设备的应用控制器、马达驱动装置的马达控制器、与锻炼设备通信的用户计算设备、或包含在结合本公开的方面的系统中的任何类似的
计算设备中的一者或多者。将会理解，这些设备的具体实现可以是不同的可能的具体计算架构，本文没有具体讨论所有这些架构，但是本领域普通技术人员将会理解所有这些架构。
150.计算系统1100可以是能够执行计算机程序产品以执行计算机进程的计算系统。数据和程序文件可以输入到计算系统1100，计算系统1100读取文件并执行其中的程序。图11中示出了计算系统1100的一些元件，包括一个或多个硬件处理器1102、一个或多个数据存储器设备1104、一个或多个存储设备1108和/或一个或多个端口1108-1112。此外，本领域技术人员将认识到的其他元件可以包括在计算系统1100中，但是没有在图11中明确示出或在本文进一步讨论。计算系统1100的各种元件可以通过一条或多条通信总线、点对点通信路径或图11中未明确示出的其他通信手段相互通信。
151.处理器1102可以包括例如中央处理单元(cpu)、微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)和/或一级或多级内部缓存。可以有一个或多个处理器1102，使得处理器1102包括单个中央处理单元，或者能够彼此并行地执行指令和执行操作的多个处理单元，其通常称为并行处理环境。
152.计算系统1100可以为常规计算机、分布式计算机或任何其他类型的计算机，比如经由云计算架构可用的一个或多个外部计算机。当前描述的技术任选地在存储在数据存储设备1104上、存储在存储器设备1106上和/或经由一个或多个端口1108-1112传送的软件中实现，从而将图11中的计算系统1100转换成用于实现本文描述的操作的专用机器。计算系统1100的示例包括个人计算机、终端、工作站、移动电话、平板电脑、膝上型电脑、个人计算机、多媒体控制台、游戏控制台、机顶盒等。
153.一个或多个数据存储设备1104可以包括能够存储在计算系统1100内生成或采用的数据的任何非易失性数据存储设备，数据比如用于执行计算机进程的计算机可执行指令，计算机可执行指令可以包括管理计算系统1100的各种部件的应用程序和操作系统(os)的指令。数据存储设备1104可以包括但不限于磁盘驱动装置、光盘驱动装置、固态驱动装置(ssd)、闪存驱动装置等。数据存储设备1104可以包括可移除数据存储介质、不可移除数据存储介质和/或具有这样的计算机程序产品的经由有线或无线网络架构变得可用的外部存储设备，这样的计算机程序产品包括一个或多个数据库管理产品、网络服务器产品、应用服务器产品和/或其他附加软件部件。可移除数据存储介质的示例包括光盘只读存储器(cd-rom)、数字通用光盘只读存储器(dvd-rom)、磁光盘、闪存驱动器等。不可移动数据存储介质的示例包括内部磁性硬盘、ssd等。一个或多个存储器设备1106可以包括易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(dram)、静态随机存取存储器(sram)等)和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(rom)、闪存等)。
154.包含实现根据当前描述技术的系统和方法的机制的计算机程序产品可以驻留在数据存储设备1104和/或存储器设备1106中，它们可以被称为机器可读介质。应当理解，机器可读介质可以包括任何有形的非暂时性介质，非暂时性介质能够存储或编码指令以执行本公开的任何一个或多个操作，用于由机器执行，或者非暂时性介质能够存储或编码由这样的指令使用或与这种指令相关联的数据结构和/或模块。机器可读介质可以包括存储一个或多个可执行指令或数据结构的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库，和/或相关联的缓存和服务器)。
155.在一些实施方式中，计算系统1100包括用于与其他计算、网络或类似设备通信的
一个或多个端口，诸如输入/输出(i/o)端口1108、通信端口1110和子系统端口1112。应当理解，端口1108-1112可以组合或分开，并且计算系统1100中可以包括更多或更少的端口。
156.i/o端口1108可以连接到i/o设备或其他设备，信息通过i/o设备或其他设备被输入到计算系统1100或从计算系统1100输出。这样的i/o设备可以包括但不限于一个或多个输入设备、输出设备和/或环境传感器设备。
157.在一种实现方式中，输入设备将人类产生的信号，诸如人类语音、身体移动、身体接触或压力等，转换成电信号作为输入数据经由i/o端口1108输入到计算系统1100中。类似地，输出设备可以将经由i/o端口1108从计算系统1100接收的电信号转换成可以被人类感知为输出的信号，诸如声音、光和/或触摸。输入设备可以为字母数字输入设备，包括用于经由i/o端口1108向处理器1102传送信息和/或命令选择的字母数字键和其他键。输入设备可以为另一种类型的用户输入设备，包括但不限于：方向和选择控制设备，诸如鼠标、轨迹球、光标方向键、操纵杆和/或滚轮；一个或多个传感器，诸如照相机、麦克风、位置传感器、方位传感器、重力传感器、惯性传感器和/或加速度计；和/或触敏显示屏(“触摸屏”)。输出设备可以包括但不限于显示器、触摸屏、扬声器、触觉和/或触觉输出设备等。在一些实施方式中，例如，在触摸屏的情况下，输入设备和输出设备可以为相同的设备。
158.环境传感器设备将一种形式的能量或信号转换成另一种形式，用于经由i/o端口1108输入到计算系统1100或从计算系统1100输出。例如，在计算系统1100内生成的电信号可以被转换成另一种类型的信号，和/或反之亦然。在一个实施方式中，环境换能器设备感测计算系统1100本地或远程的环境的特征或方面，诸如光、声音、温度、压力、磁场、电场、化学属性、身体移动、方位、加速度、重力等。此外，环境换能器设备可以生成信号，以对示例计算系统1100本地或远离的环境施加某种影响，诸如某些对象(例如，机械致动器)的身体移动、物质的加热或冷却、添加化学物质等。
159.在一个实施方式中，通信端口1110连接到网络，通过该网络，计算系统1100可以接收在执行本文阐述的方法和系统以及传输信息和由此确定的网络配置变化时有用的网络数据。换句话说，通信端口1110将计算系统1100连接到一个或多个通信接口设备，通信接口设备配置成通过一个或多个有线或无线通信网络或连接在计算系统1100与其他设备之间发送和/或接收信息。这样的网络或连接的示例包括但不限于通用串行总线(usb)、以太网、wifi、近场通信(nfc)、长期演进(lte)等。一个或多个这样的通信接口设备可以经由通信端口1110被用来直接通过点对点通信路径、通过广域网(wan)(例如，因特网)、通过局域网(lan)、通过蜂窝(例如，第三代(3g)或第四代(4g))网络或通过另一通信手段与一个或多个其他机器通信。此外，通信端口1110可以与用于电磁信号传输和/或接收的天线通信。
160.计算系统1100可以包括子系统端口1112，系统端口1112用于与一个或多个子系统通信，以控制一个或多个子系统的操作，并在计算系统1100与一个或多个子系统之间交换信息。这样的子系统的示例包括但不限于成像系统、雷达、激光雷达、马达控制器和系统、电池控制器、燃料电池或其他能量存储系统或控制装置、照明系统、导航系统、环境控制、娱乐系统等。
161.图11中阐述的系统仅仅是可以采用或根据本公开的方面配置的计算机系统的一个可能的示例。应当理解，可以利用存储用于在计算系统上实现当前公开的技术的计算机
可执行指令的其他非暂时性有形计算机可读存储介质。
162.尽管上文已经以一定程度的特殊性描述了各种代表性实施例，但是在不脱离说明书中阐述的本发明主题的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施例进行多种改变。所有方向引用(例如，上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶部、底部、上方、下方、竖直、水平、顺时针和逆时针)仅用于识别目的，以帮助读者理解本发明的实施例，并不产生限制，特别是关于本发明的位置、取向或使用，除非在权利要求中特别阐述。连接引用(例如，附接、联接、连接等)将被广义地解释，并且可以包括元件连接之间的中间构件和元件之间的相对移动。同样地，连接引用不一定意味着两个元件直接连接并且彼此成固定关系。
163.在一些情况下，引用具有特定特征和/或连接到另一部分的“端”来描述部件。然而，本领域的技术人员将会认识到，本发明不限于直接终止于它们与其他部分的连接点之外的部件。因此，术语“端”应该广义地解释，包括邻近、向后、向前或以其他方式靠近特定元件、连接线、部件、构件等的末端的区域。在本文直接或间接阐述的方法中，以一种可能的操作顺序描述了各种步骤和操作，但是本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以重新安排、替换或删除这些步骤和操作。本公开旨在以上描述中包含的或附图中示出的所有内容应被解释为仅是说明性的，而不是限制性的。在不脱离所附权利要求中限定的本发明的精神的情况下，可以进行细节或结构上的改变。