DE19601194C2 - Verfahren zur Ansteuerung eines Hilfsantriebs eines Fahrrads in Abhängigkeit von dem von einem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoment - Google Patents
Verfahren zur Ansteuerung eines Hilfsantriebs eines Fahrrads in Abhängigkeit von dem von einem Fahrradfahrer abgegebenen DrehmomentInfo
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- B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D17/00—Control of torque; Control of mechanical power
- G05D17/02—Control of torque; Control of mechanical power characterised by the use of electric means
Description
Ein Vergleich ist insofern interessant, da bei einem
Hubkolbenmotor das Drehmoment periodisch durch den
Verbrennungsdruck erzeugt wird. Dadurch und da dieser seit
über 100 Jahren Objekt der Forschung ist, liegt es nahe, hier
geeignete Leistungsmeßverfahren zu finden.
Durch Anbringen von Zusatzschwungmassen mit bekanntem
Massenträgheitsmoment kann im nicht stationären Fall die
genaue Motorleistung bestimmt werden.
Dieses Verfahren arbeitet nur im nichtstationären Fall und kann
so nicht auf die Leistungsmessung an einem Fahrrad übertragen
werden. Das Fahrrad wird häufig im stationären Bereich
(konstante Geschwindigkeit) betrieben. Zur Bestimmung der
Leistung muß hier das Massenträgheitsmoment genau bekannt
sein.
Die Masse von dem Fahrer eingeben zu lassen, ist im Sinne der
Manipulationssicherheit, die von der StVZO gefordert wird,
nicht akzeptabel.
Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Motorleistung eines
Kraftfahrzeuges auf einem Rollenprüfstand.
Ein solches Verfahren ist nicht vergleichbar.
Es wird ein System zum Messen der Ausgangskraft eines
Fahrzeuges beschrieben. Es findet ein fünftes Rad Verwendung,
um eine genaue Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit
sicherzustellen. An den Antriebsrädern des Fahrzeuges
montierte Drehmoment- und Drehzahlsensoren werden zur
Bestimmung der Gesamtausgangsleistung des Fahrzeuges
eingesetzt.
Hierbei kommen Drehmoment- und Drehzahlsensoren zum Einsatz.
Auch ist ein zusätzliches Rad zur genauen
Geschwindigkeitsmessung notwendig. Für die Leistungssteuerung
des Hilfsantriebs am Fahrrad ist dieses Verfahren nicht
geeignet.
Im Folgenden werden bekannte Verfahren zur Leistungsmessung an
HPV (Human Powerd Vehicle) aufgelistet.
Die Vorrichtung zum Messen und Auswerten von Leistungsdaten
eines Fahrradfahrers dient der Ermittlung und Anzeige des
Runden Tritts, d. h. der Gleichmäßigkeit der
Winkelgeschwindigkeit der Kurbeldrehung. Hierzu wird mittels
einer Meßwertaufnehmereinrichtung die Winkelgeschwindigkeit
in wenigstens einem Teilabschnitt einer Kurbelumdrehung
erfaßt und durch Differenz- oder Quotenbildung in
Beziehung gesetzt zur Winkelgeschwindigkeit in wenigstens
einem anderen Teilabschnitt oder auf dem gesamten Umfang einer
Kurbelumdrehung. Das objektiv ermittelte Maß für die beim
Fahren erreichte Gleichmäßigkeit der Kurbeldrehung wird am
Fahrrad-Computer angezeigt.
Bei diesem Verfahren wird eventuell auch die Beschleunigung in
Abhängigkeit der Pedallage ausgewertet, jedoch kann aus dieser
ohne das Wissen über die Ersatzmasse nicht die
Momentanleistung des Fahrers ermittelt werden. Des weiteren ist
hier ein Meßaufnehmer zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit
an der Tretkurbel notwendig. Bei dem von uns vorgestellten
Verfahren genügt die Messung der Geschwindigkeit am Rad mit
Hilfe der Speichen.
Bisher war die erbrachte Leistung eines Menschen auf einem
Fahrrad nur stationär meßbar. Dabei wurde mit den Kurbeln über
eine Antriebsscheibe in Form des Kettenblatts oder einer
Riemenscheibe mittels Kette oder Riemen eine Schwungscheibe
angetrieben, die durch eine Bremse, zum Beispiel eine
Reibungs- oder Wirbelstrom-Bremse, gebremst wurde. Die
Drehgeschwindigkeit der Schwungscheibe und die an dieser
wirkende Bremskraft war ein Maß für die erbrachte Leistung.
Durch diese Art der Leistungsmessung ist eine nichtstationäre
Erfassung der Leistungswerte des Menschen nicht möglich, denn
es wird keine Energie in Vorwärtsbewegung umgesetzt. Bei der
gemäß vorliegender Erfindung vorgeschlagenen Leistungsmessung
wird die erbrachte Leistung direkt am Tretlager des Fahrrades
gemessen. Die Tretkraft wird durch die Verformung eines
geeigneten Biegeelementes, auf dem Dehnmeßstreifen appliziert
sind, in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch
induktive Übertragung auf einem mit dem Fahrradrahmen
verbundenen Empfänger übertragen.
Die Tretgeschwindigkeit wird durch eine Tretfrequenzmessung
ermittelt. Beide Werte, Tretkraft und Tretgeschwindigkeit,
werden in einem Mikrocomputer am Fahrrad verarbeitet, zur
Anzeige gebracht und abgespeichert.
Dieses Verfahren benötigt einen Drehmomentsensor für die
Leistungsermittlung.
Die bis jetzt bekannten Verfahren zur Leistungsmessung
gliedern sich in zwei Hauptgruppen.
1. Es wird zur Leistungsmessung ein Drehmomentsensor im
Antriebsstrang eingesetzt.
2. Um auf den Drehmomentsensor verzichten zu können, wird
die Drehbeschleunigung ermittelt. Um daraus die Leistung
ermitteln zu können, müssen alle vorhandenen Massen und
Reibmomente bekannt sein.
Zur Einhaltung der StVZO muß bei einem Fahrrad mit
Hilfantrieb mindestens 50% der durchschnittlichen
Vortriebskraft durch den Fahrer erzeugt werden. Um dies zu
gewährleisten, wird standardmäßig ein Drehmomentsensor
benötigt.
Mit dem hier vorgestellten Verfahren soll die Ansteuerung
eines Hilfsantriebs eines Fahrrads ohne einen Drehmomentsensor
ermöglicht werden. Dieses Problem wird durch ein Verfahren
gemäß Patentanspruch gelöst. Mit dieser Lösung können die
Kosten für den Drehmomentsensor gespart werden. Dadurch ist
eine einfache Nachrüstung eines Fahrrads mit einem
Hilfsantrieb möglich.
Der Verlauf des abgegebenen Drehmoments eines Fahrradfahrers
ist, bedingt durch den Kurbeltrieb, ähnlich dem
Funktionsverlauf des Betrages der Sinusfunktion. Das Minimum
des Drehmomentes wird bei senkrechtem Pedalarm erreicht, das
Maximum wird bei waagerechtem Pedalarm erreicht. Das sich
periodisch ändernde Drehmoment verursacht eine sich mit
derselben Periodendauer verändernde Geschwindigkeit. Bild 1a
zeigt den Geschwindigkeitsverlauf eines Fahrradfahrers bei
kleiner Beschleunigung aus dem Stillstand auf ebener Fläche.
Die durch den Kurbeltrieb hervorgerufenen
Geschwindigkeitsschwankungen sind deutlich zu erkennen.
Die Geschwindigkeitsänderung ist im Verhältnis zur
Absolutgeschwindigkeit sehr klein. Daher ist es notwendig, die
Geschwindigkeit mit mehreren Impulsen pro Pedalumdrehung zu
erfassen.
Zur Erfassung der Pedallage genügt ein Pedalsensor, der pro
Pedalumdrehung einen Impuls abgibt.
Zur Erfassung der Geschwindigkeit wird ein Speichersensor am
Fahrradrahmen befestigt. Mit bekanntem Speichenabstand kann
aus der Zeitdifferenz zweier Speichen die
Momentangeschwindigkeit ermittelt werden. Selbst bei einem
Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 zwischen Tretlager und Rad
ergeben sich z. B. 36 Geschwindigkeitswerte pro
Pedalumdrehung.
Die Speichenabstände können bei einem Auslaufversuch (Rad ohne
Bodenkontakt frei auslaufen lassen) ermittelt und
abgespeichert werden. Als Referenzmarke dient das Ventil.
Bild 2 zeigt die Speicherabstände des Versuchsfahrrades.
Die so ermittelten Speichenabstände sind zur Berechnung des in
Bild 1 gezeigten Geschwindigkeitsverlaufs benutzt worden. Vor
der Weiterverarbeitung des Geschwindigkeitssignals sollte
dieses mittels digitaler Filterverfahren geglättet werden.
(Bild 1b).
Der Prototyp mit Hilfsantrieb wurde zwecks einfacher
Handhabung (fester Standort) an einem Heimtrainer realisiert.
An diesem ergaben sich äquivalente Geschwindigkeitskurven. Aus
dem Geschwindigkeitssignal konnte durch die Mittelwertbildung
über mehrere Pedalumdrehungen der Beschleunigungsverlauf in
Abhängigkeit des Pedalwinkels ermittelt werden (Bild 3). Dies
ist für die Regelung nicht notwendig. Die ermittelte Kurve
verifiziert aber obige Annahme, daß der Drehmomentenverlauf
über dem Pedalwinkel dem Betrag der Sinusfunktion ähnelt.
Der Hilfsantrieb wird nun so gesteuert, daß er den identischen
Drehmomentverlauf über dem Pedalwinkel erzeugt wie der
Fahrradfahrer (Betrag des Sinus). Dabei ist der Verlauf
phasenversetzt zum Drehmomentverlauf des Fahrers. Das
Drehmomentmaximum des Fahrers trifft auf ein Drehmomentminimum
des Hilfsantriebes und umgekehrt (Bild 4). Um den identischen
Betrag zu erhalten, wird dieser so geregelt, daß die
Geschwindigkeitsänderung, die durch den Hilfsantrieb
verursacht wird, genauso groß ist wie die durch den Fahrer
verursachte Änderung. In Bild 4 ist ein Regelvorgang
dargestellt, bei dem das Drehmoment des Hilfsantriebs an das
Drehmoment des Fahrers angepaßt wird. Im Zeitraum t = 0s bis
t = 2s ist deutlich zu sehen, daß die
Geschwindigkeitsschwankungen nur durch den Fahrer verursacht
werden (Bild 4c).
Zum Zeitpunkt t = 2s wird die Regelung eingeschaltet. Die
Regelung ändert das Antriebsmoment, bis das
Geschwindigkeitsminimum, das zum Drehmomentminimum des Fahrers
gehört, genauso groß ist wie der Mittelwert der beiden
benachbarten und durch den Fahrer verursachten Maxima. Nach
zwei Pedalumdrehungen zum Zeitpunkt t = 6s ist der
Einschwingvorgang der Regelung abgeschlossen. Ab diesem
Zeitpunkt folgt das Drehmoment des Hilfsantriebs dem
Drehmoment des Fahrers.
In Abbildung 4d ist zu sehen, daß die
Geschwindigkeitsschwankungen von Hilfantrieb und Fahrer gleich
groß sind. Deutlich zu sehen ist, daß sich die Periodizät der
Schwankungen verdoppelt hat. Im ursprünglichen
Geschwindigkeitsminimum liegt jetzt ein weiteres Maximum. Bei
Bild 4 handelt es sich um eine Simulation, da keine
Meßeinrichtung für die direkte Messung des Fahrerdrehmoments
zur Verfügung stand.
Es konnte aber die Veränderung der Motordrehmomentamplitude in
Abhängigkeit der am Heimtrainer eingestellten Belastung
verifiziert werden.
Claims (1)
- Verfahren zur Ansteuerung eines Hilfsantriebs eines Fahrrads in Abhängigkeit von dem von einem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoment, wobei sich das von dem Fahrradfahrer abgegebene Drehmoment periodisch ändert und wobei der qualitative Verlauf des von dem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoments und in einem Punkt der Betrag des von dem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoments bekannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Drehzahlschwankungen, die durch die periodische Änderung des von dem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoments hervorgerufen sind, erfaßt werden und
- b) der Hilfsantrieb so angesteuert wird, daß
- ba) der Verlauf des vom Hilfsantrieb abgegebenen Drehmoments gleich dem Verlauf des von dem Fahrradfahrer abgegebenen Drehmoments ist,
- bb) die Amplitude des periodisch sich ändernden Drehmoments des Hilfsantriebs so geregelt ist, daß die vom Hilfsantrieb und die von dem Fahrradfahrer hervorgerufenen Drehzahlschwankungen identisch sind, und
- bc) der Drehmomentverlauf des Hilfsantriebs-um eine halbe Periode zeitversetzt zum Drehmomentverlauf des Fahrradfahrers ist.
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