[发明专利]一种智能健身器材的伺服负载控制方法

权利要求书

1.一种智能健身器材的伺服负载控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、在所述的智能健身器材的工控机中设置向心目标负载力F_S1和离心目标负载力F_S2，在所述的智能健身器材的伺服驱动控制器中设定采样周期，采样频率为300Hz，在工控机中设定临界低速值V_l，V_l的取值大于等于0.01m/s且小于等于0.05m/s；

步骤2、开启所述的智能健身器材中的伺服电机，所述的伺服电机在所述的智能健身器材的伺服驱动控制器驱动下输出与向心目标负载力F_S1相匹配的输出力矩，所述的伺服驱动控制器开始进行周期性的采样，获取所述的伺服电机的实时转速、实时角加速度和实时输出扭矩并发送给所述的工控机，与此同时，所述的工控机开始进行周期性的负载控制，所述的伺服电机内部设置的绝对值编码器实时记录所述的伺服电机的输出轴的转动角度，所述的伺服驱动控制器周期性的获取所述的伺服电机的输出轴的转动角度；

步骤3、将所述的伺服驱动控制器当前采样周期数记为N，即所述的伺服驱动控制器当前进入第N个采样周期，此时所述的工控机同步进入第N个控制周期，当所述的伺服驱动控制器开始采样时，N的取值为1，后续每进入一个采样周期，N的取值加1；

步骤4、将当前控制周期下，所述的智能健身器材中传动机构的拉绳输出端的实时线速度记为V_N、拉绳输出端的实时线加速度记为A_N、拉绳输出端的实时负载力值记为F_N，所述的智能健身器材的工控机内通过公式(1)、(2)和(3)分别计算得到V_N、A_N和F_N，并通过显示装置将V_N、A_N和F_N进行显示：

V_N＝ω_Nr (1)

A_N＝ε_Nr (2)

F_N＝F_N/r (3)

式(1)～(3)中，r为伺服电机的输出轴的传动半径，ω_N为当前控制周期伺服电机的实时转速，ε_N为当前控制周期伺服电机实时角加速度，T_N为当前控制周期伺服电机的实时输出扭矩；

步骤5、判断N的取值是否小于3，如果小于3，则所述的工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果大于等于3，则进入步骤6；

步骤6、在所述的工控机中判断A_N，A_N-1，A_N-2中的最小值是否大于等于0，以及V_N是否大于等于临界低速值V_l，如果A_N，A_N-1，A_N-2中的最小值大于等于0，并且V_N大于等于临界低速值V_l，则预测智能健身器材在当前控制周期的运动状态为向心运动，否则为离心运动；

步骤7、判断N的取值是否等于3，如果等于3，则所述的工控机对伺服电机的输出扭矩不作调整，直接等待下一个控制周期的到来，如果大于3，则进入步骤8。

步骤8、判定智能健身器材当前控制周期的运动状态与前一控制周期的运动状态是否相同，如果相同，则所述的工控机不作处理，直接等待下一个控制周期的到来，如果不同，则进入步骤9；

步骤9、将当前控制周期的运动方向切换等待时间记为t_N，采用公式(4)计算得到t_N：

t_N＝ηV_Nfabs(e_N(f)) (4)

其中，η为时间偏差修正系数，取值范围为0.5～50，e_N(f)为目标负载与实际输出负载相对偏差，e_N(f)＝μ(F_S-F_N)/F_S，μ为负载偏差修正系数，μ的取值大于等于1且小于等于1.8，F_S为当前运动方向目标负载力值，如果当前控制周期为向心运动，则F_S＝F_S1，如果当前控制周期为离心运动，则F_S＝F_S2，fabs(*)表示对*取绝对值；

步骤10、将当前控制周期下伺服电机的输出扭矩变化增减值记为ζ_N，采用公式(5)计算得到ζ_N：

其中，e为自然常数，θ_N为扭矩变化增减修正系数，θ_N的取值根据式(6)确定：

式(6)中，θ₀为低速固定系数，θ₀的取值大于等于5且小于等于20，θ_max为扭矩变化增减修正系数阈值，θ_max的取值大于等于200且小于等于300；

步骤11、将下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩记为T_SN+1，采用公式(7)计算得到下一控制周期伺服电机的实际输出扭矩：

T_SN+1＝ζ_N+T_SN (7)

其中T_SN为当前控制周期，伺服电机的实际输出扭矩；

步骤12、当前控制周期结束后，所述的工控机控制所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机保持当前输出状态t_N后进入下一个采样周期，在下一个采样周期，所述的伺服驱动控制器驱动所述的伺服电机的输出力矩为T_SN+1。