DE2540492B1

DE2540492B1 - Ergometer

Info

Publication number: DE2540492B1
Application number: DE19752540492
Authority: DE
Inventors: Friedrich Arnold; Richard Haeussermann; Werner Pfleiderer
Original assignee: Keiper Trainingsysteme GmbH and Co
Current assignee: Keiper Trainingsysteme GmbH and Co
Priority date: 1975-09-11
Filing date: 1975-09-11
Publication date: 1977-03-24
Also published as: FR2324045B1; IT1068171B; FR2324045A1; SE415232B; DE2540492C2; SE7609868L; BE845544A; NL7608913A; US4060239A; JPS5245427A; CH598586A5; GB1520947A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Ergometer mit einem Gleichstromgenerator, der mit einer von der Testperson zu betätigenden Antriebsvorrichtung gekuppelt ist und Permanentmagnete zur Erzeugung seines Erregerfeldes aufweist, einer an den Ausgang des Generators angeschlossenen Belastungseinrichtung mit einem elektronischen, die elektrische Belastung des Generators auf einem vorgegebenen Wert haltenden Laststeller und einer vom Generator gespeisten elektronischen Steuerschaltung, welche den dem Laststeller vorzugebenden, die durch mechanische Verluste bedingte zusätzliche Belastung berücksichtigenden Sollwert ermittelt

Bei einem bekannten Ergometer dieser Art (DT-OS 895) wird der Sollwert aus einer konstanten Spannung, welche mit Hilfe einer an den Generator angeschlossenen Schaltung erzeugt wird, und einer der Drehzahl des Generators proportionalen Spannung zusammengesetzt, welche mittels einer Tachomaschine erzeugt wird. Der Aufwand ist daher relativ groß und dennoch ist die von der Testperson aufzubringende Leistung nicht drehzahlunabhängig, da die mechanischen Verluste zumindest dann einen beträchtlichen Anteil mit einer quadratischen Abhängigkeit von der Drehzahl haben, wenn ein Lüfter für die Kühlung des Generators vorgesehen ist. Sieht man keinen derartigen Lüfter vor, dann muß der Generator wesentlich größer dimensioniert werden, was den Aufwand ebenfalls merklich beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ergometer zu schaffen, für das der Aufwand möglichst gering ist, mit dem aber dennoch die von der Testperson aufzubringende Leistung für alle wählbaren Leistungswerte weitgehend drehzahlunabhängig gehalten werden kann. Bei einem Ergometer der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung eine Laststrom-Sollwertgröße als Differenz aus einem ersten Anteil einerseits und der Summe eines zweiten und dritten Anteils andererseits bildet, wobei der erste Anteil dem Quotienten aus der von der Testperson aufzubringenden Leistung und der Generatorspannung proportional, der zweite Anteil der Generatorspannung proportional und der dritte Anteil eine Konstante ist.

Sowohl die Bildung der einzelnen Anteile als auch die Summation des zweiten und dritten Anteils und die Differenzbildung sind mit einfachen elektronischen Schaltungen möglich. Außerdem erlaubt diese Sollwertbildung die Berücksichtigung der nicht linear von der Drehzahl abhängigen mechanischen Verluste, wie sie bei einem Lüfter auftreten. Es kann daher ein Lüfter vorgesehen werden, was nicht nur im Hinblick auf die zulässige Ausnutzung des Generators von Vorteil ist, sondern auch für die Wärmeabfuhr aus der Belastungseinrichtung und gegebenenfalls auch den übrigen elektronischen Schaltungen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Laststeller einen PI-Regler auf, dem die Laststrom-Sollwertgröße als Stellgröße zugeführt wird. Hierdurch läßt sich ebenfalls mit verhältnismäßig geringem Aufwand der Laststrom ausreichend genau regeln.

Wenn die von der Testperson aufzubringende Leistung in relativ weiten Grenzen wählbar sein soll, ist es erforderlich, den Laststrom in entsprechend weiten Grenzen einstellen zu können. Da in der Regel der Innenwiderstand des Generators nicht vernachlässigbar klein ist, ändert sich die Ausgangsspannung des Generators nicht nur abhängig von dessen Drehzahl, sondern auch in Abhängigkeit vom Belastungsstrom. Um den dadurch bedingten Fehler bei der Einstellung des Laststroms auszuschalten, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Kompensation des Generatorinnenwiderstandes vorgesehen und zu diesem Zwecke an den Generator ein Kompensator angeschlossen, der eine vom Innenwiderstand des Generators unabhängige, also nur von der Drehzahl abhängige Spannung abgibt

Da sowohl aus elektrischen als auch physiologischen Gründen eine Mindestdrehzahl des Generators notwendig ist, ehe das Ergometer voll betriebsbereit ist, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform an den Generator eine innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereiches ansprechende Triggerschaltung angeschlossen. Eine solche Triggerschaltung gestattet es, mit sehr geringem Aufwand, beispielsweise optisch, anzuzeigen, ob die Drehzahl des Generators in dem vorgegebenen Drehzahlbereich liegt

Ferner ist es zweckmäßig, an den Generator einen eine konstante Ausgangsspannung erzeugenden Spannungsregler anzuschließen, damit für die Energieversorgung der elektronischen Schaltungen des Ergometers

und die Aufladung einer Pufferbatterie eine konstante Betriebsspannung zur Verfugung steht

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels,

F i g. 2 eine Ansicht von hinten des Ausführungsbeispiels,

F i g. 3 das Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels, ι ο

Ein als Ganzes mit 1 bezeichnetes Ergometer weist ein auf einer Grundplatte Γ stehendes Gehäuse 2 auf, an dessen Oberseite ein Sitz 3 sowie ein Haltegriff 4 für die Testperson vorgesehen sind. Im unteren Teil des Gehäuses 2 ist eine Tretkurbel 5 gelagert, welche die Testperson mit ihren Füßen in Umdrehung versetzt.

Mit der Tretkurbel 5 ist über ein nicht dargestelltes Getriebe, beispielsweise ein Keilriemengetriebe, ein Gleichstromgenerator 6 gekuppelt, der Permanentmagnete 7 zur Erzeugung des Erregerfeldes aufweist Mit der Tretkurbel 5 steht außerdem ein nicht dargestellter Lüfter in Getriebeverbindung, welcher den Generator 6 kühlt.

An die Ausgangsklemmen des Generators 6 ist ein Laststeller 8 angeschlossen, welcher eine regelbare Belastungseinrichtung bildet. Der Laststeller 8 enthält zu diesem Zweck elektronische Bauelemente, mittels deren der Laststrom / auf unterschiedliche Werte eingestellt werden kann. Um den Laststrom auf einem vorgegebenen Sollwert zu halten und bei Änderungen des Sollwertes den Laststrom entsprechend zu ändern, enthält der Laststeller 8 einen nicht dargestellten PI-Regler.

Für die an der Tretkurbel 5 aufzubringende Leistung gilt die Gleichung

N,-N* +Nr +N_L

wobei Nei die vom Generator 6 an den Laststeller 8 abgegebene elektrische Leistung,

Nr die beispielsweise in der Tretkurbel 5, im Getriebe zwischen dieser und dem Generator 6 sowie in letzterem auftretende Reibungsleistung und

Nl die Antriebsleistung für den Lüfter darstellen.

Da die Reibungsleistung proportional der Drehzahl und die Lüfterleistung annähernd proportional dem Quadrat der Drehzahl ist, erhält man für die an der Tretkurbel aufzubringende Leistung

N₃= U- 1+ k_x ■ n + k₂- n²,

Wegen der Erregung des Generators 6 mittels Permanentmagneten 7, gilt für die Generatorspannung

U = c ■ n.

Setzt man diesen Wert i/in die vorstehend genannte Gleichung ein und löst diese nach /auf, dann erhält man

U die Generatorspannung,

/ der Laststrom,

η die Drehzahl und

k\ sowie ki zwei Konstante sind.

55 Die an der Tretkurbel 5 aufzubringende Leistung N_a wird binär über eine an der Oberseite des Gehäuses 2 vorgesehene Tastatur 9 in eine Steuerschaltung 10 eingegeben, welche der Bildung der dem Sollwert I_s des Laststromes entsprechenden Stellgröße für den PI-Regler des Laststellers 8 dient. Wie F i g. 3 zeigt, wird die Größe Na einer elektronischen Dividierschaltung 11 zugeführt, der außerdem die Größe U= c ■ η zugeführt wird. Aus diesen beiden Werten bildet die Dividierschaltung 11 den Quotienten NJn als ersten Anteil der Sollwertgröße. Einer weiteren elektronischen Schaltung 12 wird ebenfalls die Generatorspannung U = c ■ π zugeführt welche auf Grund dieser Größe den Anteil —ki ■ η des Sollwertes bildet. Dieser Anteil wird in einer Summierschaltung 13 mit einem Anteil — k\ addiert Eine Addierschaltung 14 bildet die Differenz zwischen dem Wert NJn und der Summe k\+ki ■ n. Diese Differenz wird dem PI-Regler des Laststellers 8 als Stellgröße zugeführt Der Laststeller 8 hält deshalb unabhängig von der Drehzahl des Generators 6 die an der Tretkurbel 5 aufzubringende Leistung JV₃ auf dem vorgegebenen Sollwert

Da wegen des Innenwiderstandes des Generators 6 dessen Ausgangsspannung nicht nur von der Drehzahl, sondern auch von der Belastung abhängt, diese Belastungsabhängigkeit aber bei der Sollwertbildung nicht berücksichtigt wird, ist an den Generator 6 eine Kompensationsschaltung 15 angeschlossen, welche die nur von der Drehzahl abhängige Spannung U an die Steuerschaltung 10 abgibt

An den Generator 6 sind ferner, wie F i g. 3 zeigt, ein Spannungsregler 16 sowie eine elektronische Triggerschaltung 17 angeschlossen. Der Spannungsregler 16 erzeugt auf Grund der Generatorspannung eine konstante Versorgungsspannung für die Elektronik der Ergometer und die Ladung einer Pufferbatterie 18. Der Trigger 17 spricht an, wenn die Drehzahl des Generators 6 in einem vorgegebenen Bereich liegt. Dieses Signal kann beispielsweise zur Steuerung einer Signallampe verwendet werden. Eine derartige Drehzahlkontrolle ist nützlich, da unterhalb einer Mindestdrehzahl der Generator 6 nicht die erforderliche Mindestspannung erzeugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ergometer mit einem Gleichstromgenerator, der mit einer von der Testperson zu betätigenden Antriebsvorrichtung gekuppelt ist und Permanentmagnete zur Erzeugung seines Erregerfeldes aufweist, einer an den Ausgang des Generators angeschlossenen Belastungseinrichtung mit einem elektronischen, die elektrische Belastung des Generators auf einem vorgegebenen Wert haltenden Laststeller und einer vom Generator gespeisten elektronischen Steuerschaltung, welche den dem Laststeller vorzugebenden, die durch die mechanischen Verluste bedingte zusätzliche Belastung berücksichtigenden Sollwert ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung(10) eine Laststrom-Sollwertgröße als Differenz aus einem ersten Anteil einerseits und der Summe eines zweiten und dritten Anteils andererseits bildet, wobei der erste Anteil dem Quotienten aus der von der Testperson aufzubringenden Leistung (N₃) und der Generatorspannung (U) proportional ist, der zweite Anteil der Generatorspannung (U) proportional ist und der dritte Anteil eine Konstante ist

2. Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laststeller (8) einen PI-Regler aufweist, dem die Laststrom-Sollwertgröße als Stellgröße zugeführt wird.

3. Ergometer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen parallel zum Generator (6) geschalteten Generatorinnenwiderstand-Kompensator(15).

4. Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Generator (6) eine innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereiches ansprechende Triggerschaltung (17) angeschlossen ist

5. Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen an den Generator (6) angeschlossenen, eine konstante Ausgangsspannung erzeugenden Spannungsregler (16).