训练设备、装备和方法技术

本发明专利技术涉及一种训练设备，包括：用户用于进行锻炼的训练部件（1）；交流电动机（3）；用于控制交流电动机（3）的变频器（5），其包括测量装置和计算装置，测量装置用于测量交流电动机（3）的电压和电流，计算装置使用所测量出的电压和电流、基准转矩和基准磁通计算交流电动机（3）的磁状态，以生成交流电动机（3）的转矩。该训练设备还包括控制单元（6），其具有用于使用预期的总转矩计算基准磁通和基准转矩的机器控制模块（27），其连接至变频器（5）并被设置成将基准转矩和基准磁通发送至变频器（5）。本发明专利技术包括具有该训练设备的训练装备和用于操作训练装备的方法。该训练设备易于适用于针对锻炼人员肌肉的训练锻炼。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】训练设备、装备和方法
本专利技术涉及一种训练设备。这种训练设备包括：用户进行锻炼的训练部件；交流电动机；以及用于控制所述交流电动机的变频器，其中，所述变频器包括测量装置和计算装置，所述测量装置用于测量所述交流电动机的电压和电流，所述计算装置用于使用所测量出的电压、所测量出的电流、基准转矩和基准磁通计算交流电动机的磁状态，以生成所述交流电动机的转矩，所述变频器可以用于直接转矩控制(DTC)操作。因此，该训练设备可适用于锻炼人员肌肉的训练锻炼。本专利技术还涉及一种包括该训练设备的训练装备和一种用于操作该训练装备的方法。该方法使得能够在锻炼中以交互方式来支持锻炼人员。
技术介绍
在现有技术中已知用于肌肉训练的、具有电动机的训练设备。例如已知如下训练设备：在该训练设备中，计算单元向变频器提供用于生成转矩的三相交流电动机的电流的电流强度和频率的设定值。将用于测量用作训练部件的电动机驱动的曲柄的位置的位置传感器的输出信号提供给计算单元。借助于包含所有相关的机器特有的参数的存储表，计算单元基于该电动机驱动的曲柄的位置值计算转矩关于位置的期望路线所需的电动机电流的电流强度和频率的值。这些设备缺乏在高转矩范围上进行平稳训练所需的高精确度。现有技术中已知的、具有用以生成转矩的三相交流电动机的其它训练设备测量以下两个值：通过频率-模拟速度传感器测量电动机的旋转速度，以及通过力传感器测量转矩输出。所测量出的旋转速度用于控制频率，并且所测量出的转矩用于控制电动机电流。因而，该训练设备的原理包括两个传感器和两个互连的控制回路，其实施因此涉及相对高的设计复杂度。通过传感器测量力还涉及潜在的问题，诸如温度的影响、漂移的影响以及由振动或碰撞所导致的故障的影响。另外，在现有技术中，还已知具有与旋转角度传感器相关联的三相交流电动机的其它训练设备，其中旋转角度传感器所测量出的信号被提供给变频器和控制单元。在这些设备中，控制单元提供要由电动机生成的转矩的设定值，并且变频器使用磁场定向控制(也称为矢量控制)原理通过闭环控制回路(包括变频器、交流电动机以及附接到电动机并反馈至变频器的传感器)来控制转矩。然而，这些设备具有若干缺点。首先，由于前面存在减速装置，旋转角度传感器必须检测电动机的多个线匝，这使得传感器成为相对复杂的部件或者需要额外的计算来获得训练部件的绝对位置。其次，没有关于在电动机轴处正发生事件的直接信息。该设计很难检测出变速箱的反冲以及电动机轴后面的甚至可能是安全关键的其它影响。另外，例如，Halabeya(HighPerformanceElectricalDriveSystemforaBiomechanicalTextandRehabilitationEquipment，2000)描述了一种控制用于身体康复的训练设备中的感应电动机驱动的“常规的”DTC(直接转矩控制)方案。这种DTC控制方案将基准转矩和基准磁通与转矩和磁通的实际值进行比较。基于该比较，通过使用磁滞控制方法来生成控制信号。然而，在该设备中基准磁通被用作唯一的控制值以实现快速转矩响应时间。因此，电动机轴处的转矩量不够精确，并且，还可能发生高磁化的负面效应。这两者均导致驱动系统的不理想的高刚度，特别是在电动机工作在第二象限或第四象限(即，“作为制动器”)和处于低速的情况下。另外，Halabeya示教了如下用法：在负载轴处安装角度传感器，其中该角度传感器的信号反馈至变频器。安全措施包括安装在负载轴附近的四个开关，以及杠杆臂已达到其运动范围的上限或下限的信号。因此，Halabeya所描述的设备不能够检测危险事件，例如，角度传感器与负载轴之间的链接断开或者变频器中的故障。因此，Halabeya所描述的设备不能提供足够的安全性。因此，存在对于改进的训练设备的未满足的需求，该改进的训练设备能够实现高度准确的响应快的训练阻力、安全性以及训练设备的电动机的快速转矩响应时间。根据本专利技术，该需求通过如下所述的训练设备、训练装备、以及操作训练装备的方法来解决。特别地，本专利技术涉及一种训练设备，其包括：用于锻炼人员的训练部件；交流电动机；以及用于控制所述交流电动机的变频器，其中，所述变频器包括测量装置和计算装置，所述测量装置用于测量所述交流电动机的电压和电流，所述计算装置用于使用所测量出的电压、所测量出的电流、基准转矩和基准磁通来计算所述交流电动机的磁状态，以生成所述交流电动机的转矩。可以在用于交流电动机控制的DTC控制方案中使用这样的计算。该训练设备还包括控制单元，该控制单元具有用于使用预期的总转矩来计算基准磁通和基准转矩的机器控制模块，其中，所述机器控制模块连接至所述变频器并且被设置成将基准磁通和基准转矩发送至所述变频器。在使用中，训练部件受到训练期间由训练设备的锻炼人员所施加的力，并且作为非限制性示例，训练部件可以是曲柄。训练部件可以具有许多不同的形式，例如弓形柄、手柄等形式或者一个或两个踏板的形式或者通过线缆绞车连接到轴的线缆的形式。本专利技术的范围不限于曲柄，而是包括人可以施加肌力的训练部件的各种能够想到的变型。此外，这些训练部件还包括如下训练部件：这些训练部件不执行旋转运动，而执行稍后将被机械地转换成电动机轴的旋转的平移运动。在这种情况下，在此使用的术语“旋转角”，“旋转速度”和“转矩”将分别对应于术语“平移位移”或“平移速度”或“力”。在这样的锻炼期间，需要由电动机施加的力取决于大量的参数，包括机械摩擦力、惯量并且当然还包括锻炼人员想要进行的锻炼的类型。为此，在锻炼期间，控制单元计算基准转矩和基准磁通以向变频器连续地或不连续地提供所计算出的基准转矩和基准磁通。训练设备的创造性配置使得能够提供如下有益效果：例如，交流电动机的快速转矩响应时间，以及不费力地对电动机生成的转矩进行相对精确的控制。转矩响应时间在锻炼运动的反向点处是特别重要的，这是因为从训练的角度来看，期望经常从一个方向改变到另一个方向。有利地，根据在交流电动机的输出轴处所需的转矩的绝对量的函数调节基准磁通。这极大地改善了较低转矩处的训练体验，并且允许在宽范围上非常精确地调配(dosing)转矩，并且也有利于降低能量消耗，从而降低冷却需求，并且允许构建无需强制冷却而仅需对流冷却的系统。这使得能够避免由风机产生的噪音。优选地，在控制单元中，机器控制模块将预期的总转矩分成转矩分量和磁通分量，并且基于该转矩分量和磁通分量使用特性图来计算基准磁通和基准转矩。训练设备中的基准转矩和基准磁通的计算特别有助于减小交流电动机的刚度以及精确控制由交流电动机生成的转矩。优选地，控制单元的机器控制模块被设置成基于校正因子和提供给控制单元的预定义的训练阻力来计算预期的总转矩。基于校正因子和预定义的训练阻力计算预期的总转矩有助于补偿训练设备的摩擦力和机械惯量，由此，对于锻炼人员来说，锻炼是便利的。预定义的训练阻力可以依据训练杠杆的运动状态(包括杠杆的位置、速度和加速度)而改变，预定义的训练阻力可以依据锻炼的每次重复而改变，预定义的训练阻力可以依据锻炼中经过的时间而改变，或者预定义的训练阻力可以依据锻炼的方向而改变。本文所使用的术语“预定义的训练阻力”涉及由锻炼人员在训练设备处预定义的或在下文所描述的其它位置处(例如，网络接口处、用户接口处)预定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.30 EP 10168003.11.一种训练设备，包括：用于锻炼人员的训练部件(1)；交流电动机(3)；以及用于控制所述交流电动机(3)的变频器(5)，其中，所述变频器(5)包括测量装置和计算装置，所述测量装置用于测量所述交流电动机(3)的电压和电流，所述计算装置用于使用所测量出的电压、所测量出的电流、基准转矩和基准磁通来计算所述交流电动机(3)的磁状态，以生成所述交流电动机(3)的转矩，其中，所述训练设备包括控制单元(6)，所述控制单元(6)具有机器控制模块(27)，所述机器控制模块(27)被设置成使用预期的总转矩来计算所述基准磁通和所述基准转矩，其中，所述机器控制模块(27)连接至所述变频器(5)并且被设置成将所述基准磁通和所述基准转矩发送至所述变频器(5)，其中，在所述控制单元(6)中，所述机器控制模块(27)将所述预期的总转矩分成转矩分量和磁通分量，并且基于所述转矩分量和所述磁通分量使用特性图来计算所述基准磁通和所述基准转矩。2.根据权利要求1所述的训练设备，其中，所述控制单元(6)的所述机器控制模块被设置成基于校正因子和提供给所述控制单元(6)的预定义的训练阻力来计算所述预期的总转矩。3.根据权利要求1或2所述的训练设备，其中，所述机器控制模块(27)包括混合控制器，以给所述变频器(5)生成所述基准转矩和所述基准磁通。4.根据权利要求1所述的训练设备，其中，所述机器控制模块(27)包括级联控制装备，以给所述变频器(5)生成所述基准转矩和所述基准磁通。5.根据权利要求1或2所述的训练设备，其中，所述变频器(5)的所述计算装置包括用于计算所述交流电动机(3)的所述磁状态的数学模型。6.根据权利要求1或2所述的训练设备，包括连接至所述训练部件(1)的角度传感器(13)，其中，所述角度传感器(13)用于感测所述训练部件(1)的位置并且将所感测到的位置发送至所述控制单元(6)，并且其中，所述控制单元(6)被设置成使用所感...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗洛里安·绍特，
申请(专利权)人：德国益健有限责任公司，
类型：
国别省市：