DE2629516B2

DE2629516B2 - Ergometer

Info

Publication number: DE2629516B2
Application number: DE2629516A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. 6760 Rockenhausen Bargenda
Original assignee: Keiper Trainingsysteme GmbH and Co
Current assignee: Keiper Trainingsysteme GmbH and Co
Priority date: 1976-07-01
Filing date: 1976-07-01
Publication date: 1979-08-30
Also published as: FR2356921B1; IT1081006B; US4141248A; SE7707179L; DE2629516A1; FR2356921A1; GB1564168A

Description

Die Erfindung betrifft ein Ergometer mit einer vom Benutzer zu betätigenden, eine Rotationsbewegung erzeugenden Antriebsvorrichtung, einer Belastungsvorrichtung, einem Istwertgeber, der einen das Drehmoment ermittelnden und in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelnden ersten Meßumformer, einen die Drehzahl des mit dem gemessenen Drehmomentes beaufschlagten Bauteils ermittelnden und in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelnden zweiten Meßumformer sowie eine aus beiden Signalen ein dem Istwert der Verlustleistung entsprechendes Signal erzeugende Multipliziereinrichtung aufweist, sowie einem die Belastungseinrichtung aufgrund des Vergleichs eines vorgegebenen Sollwertes mit dem Istwert der Verlustleistung steuernden Regler.

Bei einem bekannten Ergometer dieser Art (DE-OS 24 015) ist die Belastungseinrichtung als Reibungsbremse mit einem Rad und einem an dessen Mantelfläche mit steuerbarer Kraft andrückbaren Bremselement ausgebildet Der erste Meßumformer ermittelt das am Rad wirksame Drehmoment und der zweite Meßumformer ist als Tachogenerator ausgebil-ϊ det, welcher die Drehzahl des Rades mißt Der Istwert, den der Regler mit dem Sollwert vergleicht stellt also die Verlustleistung der Belastungsvorrichtung dar und nicht die Gesamtleistung, die der Benutzer des Ergometers auf dieses überträgt und die auß_vr der

in Verlustleistung der Belastungsvorrichtung beispielsweise die Lagerverluste der Belastungseinrichtung und der Antriebsvorrichtung, die mechanischen Verluste der üblicherweise erforderlichen Kraftübertragungseinrichtung zwischen der Antriebsvorrichtung und der

ι Belastungseinrichtung sowie die Verluste gegebenenfalls vorhandener Aggregate, beispielsweise eines Gebläses zur Abfuhr der Verlustwärme, beinhaltet. Dies hat zum einen zur Folge, daß der Benutzer nicht <iie ihm vom Ergometer tatsächlich abverlangte Leistung kennt Zum anderen läßt sich die vom Benutzer aufzubringende Leistung nicht unabhängig von der Drehzahl halten, weil die außer der Verlustleistung der Reibungsbremse vorhandenen und bei der Regelung unberücksichtigt bleibenden Verluste drehzahlabhängig sind.

Bei einem anderen bekannten Ergometer (DE-OS 16 16 895), das als Belastungseinrichtung einen Generator hat, ist die Drehzahlabhängigkeit der vom Benutzer aufzubringenden Leistung dadurch verringert daß der dem Regler vorgegebene Sollwert aus einer konstanten

H) Spannung und einer der Drehzahl des Generators proportionalen Spannung zusammengesetzt wird. Die inneren Verluste des Generators sowie die übrigen, mechanischen Verluste des Ergometers werden hier also durch eine linear von der Drehzahl abhängigen Größe berücksichtigt mit der der Sollwert für die Bremsleistung des Generators korrigiert wird. Eine Drehzahlunabhängigkeit der vom Benutzer des Ergometers aufzubringenden Leistung läßt sich aber auch hiermit nicht erreichen, da die zusätzlichen Verluste nur zum Teil linear mit der Drehzahl anwachsen. Andere Teile haben eine quadratische Abhängigkeit von der Drehzahl oder steigen mit der dritten Potenz an, wie dies beispielsweise bei der Antriebsleistung eines Gebläses der Fall ist. Wegen der ungenauen Beriicksich-

« tigung der zusätzlichen Verluste kennt der Benutzer auch nicht die genaue Leistung, die das Ergometer ihm abverlangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ergometer zu schaffen, bei dem der Regler die gesamte

">n vom Benutzer an der Antriebsvorrichtung erzeugte Leistung auch bei unterschiedlichen Antriebsdrehzahlen konstant zu halten vermag, dennoch aber der Aufwand für die Leistungsregelung gering ist Diese Aufgabe ist mit einem Ergometer der eingangs genannten Art

■v") erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Belastungseinrichtung ein mit der Antriebsvorrichtung gekuppelter Generator mit angeschlossener Belastung vorgesehen ist und daß der erste Meßumformer das vom Benutzer auf die Antriebsvorrichtung ausgeübte Drehmoment

m> ermittelt.

Dadurch, daß für die Istwertbestimmung die Eingangsleistung, also die vom Benutzer auf das Ergometer übertragene Antriebsleistung, ermittelt wird, braucht nicht berücksichtigt zu werden, daß die gesamte Bremsleistung sich aus einem elektrischen und aus einer mechanischen Verlustleistung zusammensetzt und letztere wiederum aus Teilen mit unterschiedlicher Abhängigkeit der Drehzahl besteht. Es entfällt also die

Bestimmung oder Annahme des funktionell Zusammenhangs zwischen den einzelnen Komponenten der mechanischen Verluste und der Drehzahl, wodurch sich zum einen die Berücksichtigung der mechanischen Verluste vereinfacht und zum anderen ihre Beirücksieh- ί tigung mit größerer Genauigkeit möglich ist Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die mechanischen Verluste des Ergometers im Istwert berücksichtigt werden, wodurch der Sollwert als konstanter, drehzahlunabhängiger Wert vorgegeben werden kann und der ι ο tatsächlich vom Benutzer abverlangten Leistung entspricht, was die Sollwertvorgabe erheblich vereinfacht. Der Regler kann dabei analog oder digital, im letztgenannten Falle auch unter Verwendung eines Mikroprozessors arbeiten.

Vor allem dann, wenn davon ausgegangen werden muß, daß der Benutzer kein konstantes Drehmoment auf die Antriebsvorrichtung ausübt, wie dies in der Regel der Fall sein wird, wenn die Antriebsvorrichtung eine Tretkurbel aufweist, ist es vorteilhaft, zwischen den ersten Meßumformer und die Multipliziereinrichtung einen Integrator zu schalten. Dieser bildet dann den Mittelwert des Drehmomentes während einer Umdrehung, was im Hinblick auf die Regelung der Belastungseinrichtung zweckmäßig ist

Das vom Benutzer auf die Antriebsvorrichtung übertragene Drehmoment kann in verschiedener Weise gemessen werden. Beispielsweise ist eine Messung an einer Kupplung möglich. Vorzugsweise erfolgt die Messung an einem sich entsprechend dem Drehmoment elastisch verformenden, insbesondere durchbiegenden oder dehnenden Konstruktionsteil mit Hilfe eines Dehnungsmeßstreifens. Vorteilhafterweise wird ein ruhendes Konstruktionsteil gewählt Da in der Regel die Antriebsvorrichtung eine Tretkurbel aufweist, kann das Drehmoment aber auch aufgrund der Beanspruchung der Arme der Tretkurbel bestimmt werden. Hierzu eignet sich ebenfalls ein Dehnungsmeßstreifen, der am Arm der Tretkurbel angebracht ist

Aus Gründen einer hohen Empfindlichkeit und *n Meßgenauigkeit ist es bei Verwendung eines Dehnungsmeßstreifens vorteilhaft, eine Dehnungsmeßstreifenbrücke mit nachgeschaltetem Differenzverstärker vorzusehen.

Da der Sollwert keine drehzahlabhängige Korrektur « od. dgl. erfahren muß, kann der Sollwertgeber sehr einfach ausgebildet sein. Man kann aber beispielsweise auch den Sollwert mittels eines Prozessors vorgeben und den Sollwertgeber als einen dem Prozessor nachgeschalteten Digital-Analog-Wandler ausbilden. Es können dann beispielsweise auch Programme mit sich ändernder Leistung durchgeführt werden.

Um nicht nur die Istwertbestimmung und Sollwertvorgabe, sondern auch den Regler möglichst einfach auszubilden, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform « ein den Ankererregerstrom eines Ein- oder Mehrphasengenerators mit an die Ständerwicklung angeschlossener Last steuernder Regelverstärker vorgesehen. Vorteilhaft ist hierbei auch, daß eine derartige Belastungseinrichtung störunanfällig ist. to

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert Die einzige Figur zeit ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels.

Das nicht dargestellte Ergometer weist als Antriebs- 6> vorrichtung eine Tretkurbel auf, deren Drehung auf den Rotor eines Drehstromgenerators 1 einer Belastungseinrichtung übertragen wird. An die Ständerwicklung 2 des Generators 1 ist über einen Gleichrichter 3 ein Belastungswiderstand 4 angeschlossen, dessen Größe nicht veränderbar ist Der Rotor des Generators 1 trägt eine Erregerwicklung 5. Das vom Generator 1 erzeugte Bremsmoment hängt von der Höhe des durch die Erregerwicklung 5 fließenden Erregerstroms, die Bremsleistung vom Bremsmoment und der Drehzahl des Rotors ab. Ein nicht dargestellter, mit dem Rotor gekuppelter Lüfter gewährleistet eine ausreichende Kühlung der Wicklungen des Generators und des Belastungswiderstandes 4.

Die Größe des durch die Erregerwicklung 5 fließenden Erregerstromes und damit auch die Größe der Bremsleistung des Generators 1, die in diesem und insbesondere im Belastungswiderstand 4 in Verlustwärme umgesetzt wird, wird von einem Regelverstärker 6 aufgrund des vorgegebenen Sollwertes und des Istwertes der vom Benutzer auf die Tretkurbel übertragenen Leistung gesteuert Der Regelverstärker 6 vergleicht den Istwert mit dem Sollwert und steuert den Erregerstrom stets so, daß die /.egelabweichung möglichst gering ist

Der Sollwert wird dem Regelverstärker 6 von einem Digital-Analog-Wandler 7 vorgegeben, dessen Eingänge an einen Prozessor angeschlossen sind, der den Sollwert aufgrund der beispielsweise über Tasten eingegebenen Größe bestimmt oder aufgrund vorgegebener und/oder gespreicherter Angaben errechnet

Der Regelverstärker 6 hat außer einem Sollwerteingang einen Istwerteingang. Zur Ermittlung des Istwertes der vom Benutzer an der Tretkurbel erzeugten Antriebsleistung ist an einem Konstruktionselement, das eine dem Drehmoment proportionale Verformung erfährt beispielsweise an einem sich entsprechend der von einer Getriebekette übertragenen Kraft dehnenden Tragteil des Getriebes zwischen der Tretkurbel und dem Generator 1 oder am einen Kurbelarm ein Dehnungsmeßstreifen 8 so befestigt daß er die Verformung des Konstruktionselementes mißt, die durch die Kraft bewirkt wird, welche der Benutzer auf das Konstruktionselement ausübt Aufgrund der vorn Dehnungsmeßstreifen 8 ermittelten Biegung oder Dehnung läßt sich das übertragene Drehmoment bestimmen. Ist der Dehnungsmeßstreifen 8 am einen Kurbelarm angeordnet, dann ist mit ihm ein Dehnungsmeßstreifen 9 in Reihe geschaltet der in entsprechender Weise am anderen Kurbelarm befestigt ist und daher gestattet, das über diesen Kurbelarm vom Benutzer auf die Antriebsvorrichtung aufgebrachte Drehmoment zu ermitteln. Der Dehnungsmeßstreifen 8, bei Verwendung des zweiten Dehnungsmeßstreifens 9 auch dieser, liegt im einen Zweig einer als Ganzes mit 10 bezeichneten Dehnungsmeßstreifenbrücke, deren Diagonalspannung der beiden Eingängen eines Differenzverstärkers 11 zugeführt wird. Letzterem ist ein Integrator 12 nachgeschaltet, welcner das Drehmoment über jeweils eine Umdrehung der Tretkurbel integriert

Der Ausgang des Integrators ist mit dem einen Eingang einer Multinlizierschaltung 13 verbunden. Der andere Eingang dieser Multiplizierschaltung ist mit einem Drehzahlgeber 14 verbunden, welcher die zu dem gemessenen Drehmoment gehörende Drehzahl, bei einer Drehmomentmessung an der Tretkurbel also deren Drehzahl, mißt und in ein entsprechendes elektrisches Signal unvvandelt. Da die Multiplizierschaltung 13 das Produkt aus dem Drehmoment und der Drehzahl an der Tretkurbel bildet stellt die Ausgangsgröße der Multiplizierschaltung den Istwert der vom

Benutzer an der Tretkurbel aufgebrachten Leistung dar. Wie sich diese Leistung auf elektrische Verluste und mechanische Verluste aufteilt, spielt keine Rolle, da der Regelverstärker den Generator 1 und damit die elektrischen Verluste stets so steuert, daß unabhängig von der Drehzahl die Summe aller Verlustleistungen gleich dem Sollwert der vom Benutzer an der Tretkurbel aufzubringenden Leistung ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ergometer mit einer vom Benutzer zu betätigenden, eine Rotationsbewegung erzeugenden Antriebsvorrichtung, einer Belastungsvorrichtung, einem Istwertgeber, der einen das Drehmoment ermittelnden und in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelnden ersten Meßumformer, einen die Drehzahl des mit dem gemessenen Drehmoment beaufschlagten Bauteils ermittelnden und in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelnden zweiten Meßumformer sowie eine aus beiden Signalen ein dem Istwert der Verlustleistung entsprechendes Signal erzeugende Multipliziereinrichtung aufweist, sowie einem die Belastungseinrichtung aufgrund des Vergleichs eines vorgegebenen Sollwertes mit dem Istwert der Verlustleistung steuernden Regler, dadurch gekennzeichnet, daß als Belastungseinrichtung ein mit der Antriebsvorrichtung gekuppelter Generator (1) mit angeschlossener Belastung vorgesehen ist und daß der erste Meßumformer (10, 11) das vom Benutzer auf die Antriebsvorrichtung ausgeübte Drehmoment ermittelt

2. Ergometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen den ersten Meßumformer (10,-11) und die Multipliziereinrichtur.g (13) geschalteten Integrator (12).

3. Ergometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der erste Meßumformer als Dehnungsmeßstreifenbrücke (10) mit nachgeschaltetem Differenz, erstärker (11) ausgebildet ist

4. Ergometer nach Acspruch Λ dadurch gekennzeichnet daß der Dehnungsmeßstreifen (8, 9) an einem sich entsprechend dem zu messenden Drehmoment elastisch verformenden, vorzugsweise stationären Konstruktionsteil angeordnet ist

5. Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen an einen Prozessor angeschlossenen Digital-Analog-Wandler (7) als Sollwertgeber.

6. Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen den Anker-Erregerstrom eines Ein- oder Mehrphasengenerators (1) mit an die Ständerwicklung (2) angeschlossener Last (3, 4) steuernden Regelverstärker (6).