DE3022536C2

DE3022536C2 - Ergometer

Info

Publication number: DE3022536C2
Application number: DE19803022536
Authority: DE
Inventors: Gotthold 8520 Erlangen Sieber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1980-06-16
Publication date: 1983-04-07
Also published as: DE3022536A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ergometer mit einem vom Probanden zu betätigenden Antrieb, insbesondere Treteinrichtung, und einer dem Antrieb zugeordneten Bremseinrichtung für die vom Probanden aufzubringende Tretleistung, wobei bei Vorgabe eines Leistungssollwertes durch simultane Erfassung von Drehzahl und Drehmoment am Ergometergetriebe die Bremseinrichtung über eine zugehörige Steuer- und Regeleinrichtung durch Einspeisung eines gegensinnig drehzahlabhängigen Kompensationssignals drehzahlunabhängig arbeitet.

Ergometer dienen zur Bestimmung der physiologischen Leistungsfähigkeit eines Probanden. Ein häufig verwendetes Ergometer ist das Fahrradergometer, bei dem der Proband durch Treten der Pedale, die über ein Übersetzungsgetriebe od. dgl. mit einer Bremseinrichtung verbunden sind. Arbeit verrichtet. Die Größe der vom Probanden pro Zeiteinheit aufzubringenden Arbeit, d. h. die aufgebrachte Leistung, kann dabei mit der Bremseinrichtung durch mehr oder weniger starkes Abbremsen der angetriebenen Teile vorgegeben werden.

Speziell bei medizinisch zu verwendenden Ergometern soll nach Möglichkeit die Leistung von der Tretfrequenz des Probanden, d. h. von der Drehzahl der bewegten Teile, unabhängig vorgebbar sein. Dazu muß mit zunehmender Drehzahl η die Bremswirkung verringert bzw. bei abnehmender Drehzahl die Bremswirkung erhöht werden. Das mit der Bremseinrichtung erzeugte Bremsmoment M ist also im Arbeitsbereich des Ergometers in entsprechender, umgekehrt proportionaler Abhängigkeit von der Drehzahl η auszuregeln. Dazu sind entsprechende Steuer- und Regeleinrichtungen notwendig, wobei wegen der Vielzahl der verschiedenen Einflußfaktoren bei vertretbarem technischem Aufwand eine exakte Konstantregelung der Tretleistung meist nicht erreicht wird.

Entscheidender drehzahlabhängiger Faktor ist bei herkömmlichen Ergometern die sog. Verlustleistung. Verlustleistung entsteht bei Ergometern im wesentlichen durch Reibung in den Lagern, Übertragungsgliedern wie Kette, Zahnriemen u. dgl., oder auch durch Luftbewegung an schnell rotierenden Elementen des Ergometergetriebes. Die Verlustleistung hat eine exponentielle Drehzahlabhängigkeit, deren funktionalen Parameter im wesentlichen kosntruktionsbedingte Größen sind.

Bei Ergometern des Standes der Technik wird beispielsweise das Drehmoment M als auf einen definierten Hebelarm wirkende Kraft und die zugehörige Drehzahl π gemessen, woraus die Leistung durch Multiplikation zu ermitteln ist. Dabei b^;etet sich die Möglichkeit an, dem in der Meßeinrichtung gemessenen Drehmoment ein simuliertes Drehmoment aufzuaddieren, wodurch der drehzahlabhängigen Verlustleistung schon im wesentlichen Rechnung getragen ist. Speziell aus der DE-AS 14 66 837 ist bereits eine Schaltungsanordnung für ein Ergometer bekannt, mit welcher die Drehzahlabhängigkeit der Verlustleistung kompensiert werden soll. Dabei wird der Regelschaltung eine der Reibungsleistung entsprechende Größe gegensinnig aufgeschaltet. Hiermit wird also gewissermaßen eine Grundkompensation der Ausregelung der Drehzahlabhängigkeit erreicht. Obwohl beim Stand der Technik eine solche Kompensation bereits als hinreichend angesehen wird, haben doch neuere Messungen bestätigt, daß auch im Falle einer optimalen Justierung immer noch ein beträchtlicher systematischer Fehler verbleibt.

Neben den durch die Verlustleistung bewirkten Verzerrungen der Leistungs-Drehzahl-Kennlinien können im Arbeitsbereich eines Ergometers auch bei der Tretleistung Veränderungen auftreten. Für unterschiedliche Sollwertleistungen ergeben sich dadurch voneinander abweichende funktionale Abhängigkeiten der Tretleistung von der Drehzahl, insbesondere bei hohen Sollwertleistungen. Erfahrungsgemäß muß deswegen bei drehzahlunabhängigen Ergometern das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen größer sein als bei höheren, so daß es hier zu einer lastabhängigen Vergrößerung der Verlustleistung speziell im niedrigen Drehzahlbereich kommt. Im Ergebnis verlaufen deswegen verschiedene Leistungskurven im Arbeitsbereich des Ergometers trotz erfolgter Kompensation nicht exakt parallel.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Betriebsschaltung mit Steuereinrichtung bei drehzahlunabhängigen Ergometern so zu verbessern, daß auch Restfehlcr kompensiert werden. Dabei soll die bereits vorhandene Steuer- und Regeleinrichtung weiter verwendet werden, so daß die Schaltung insgesamt leicht und ohne zusätzlichen Aufwand realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß weitere Schaltungsmittel vorhanden sind, mit denen ein Verschieben und/oder Verschwenken der Leistungs-Drehzahl-Kennlinie im Sinne einer exakten Farallelstel-Iung der Kennlinie zur Abszisse im Leistungs-Drehzahl-Diagramm möglich ist, wobei die Schaltungsmittel die Beaufschlagung des Signals für die Steuer- und Regeleinrichtung durch Justierung von Beaufschlagungsparametern derart bewirken, daß die Drehzahlabhängigkeit der Verlustleistung und/oder der lastabhängigen Veränderung der Verlustleistung kompensiert und die damit verursachten Abweichungen der von. Probanden aufzubringenden Tretleistung vom Sollwert innerhalb des Arbeitsbereiches des Ergometers vollständig eliminiert sind.

Mit der Erfindung ist nun eine weitestgehende Kompensation der bisher noch störenden Restabhängigkeit der Verlustleistung und/oder Tretleistung selbst von der Drehzahl erreicht. Durch Beibehaltung der bei drehzahlunabhängigen Ergometern bewährten, bereits vorhandenen Schalt- und Steuermittel zur Grundkompensation können vorhandene Ergometer einfach komDlettiert werden.

Bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten Ergometer bietet es sich nun darüber hinaus an, die Betriebsschaltung mit Steuereinrichtung so auszulegen, daß bei Vorgabe von Sollwerten der Tretleistung die Leistung stetig von Nullwert auf den Sollwert im Arbeitsbereich eingeregelt werden kann, wodurch außerhalb des Arbeitsbereichs ein stationärer Betrieb, der von der Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl unabhängig ist, möglich ist Damit sind in einfachster Weise die bei beispielsweise vorgegebener Drehzahl sonst üblichen Anlaufschwierigkeiten des hohen Drehmomentes bei verschwindender Drehzahl beseitigt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen.
Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltung zur weitgehend vollständigen Kompensation der Verlustleistung, F i g. 2 eine spezielle Multiplikationsschaltung,

Fig. 3 eine Schaltung zur Einlaufregelung des Sollwertgebers für die Tretleistung bei vorgegebener Drehzahl und
Fig.4 zwei Diagramme mit Leistungs-Drehzahl-Kennlinien.

In der Fig. 1 bedeuten 1 eine Dehnungsmeßstreifenbrücke, deren Signal über die nachgeschalteten Widerstände 2 und 3 auf einen Differenzverstärker 4 gegeben wird. Der Brücke sind üblicherweise Mittel

jo zum Brückenabgleich zugeordnet, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Das verstärkte Signal ist über einen Widerstand 5 an eine Spannungsquelle LO mit justierbarem Widerstand 6 und einem weiteren Vorwiderstand 7 angeschlossen. Über die Spannungsquelle Uo mit justierbarem Vorwiderstand 6 kann also das Meßsignal in bereits dem Sinne beeinflußt werden, daß das von der Dehnungsmeßstreifenbrücke 1 gelieferte Signal mit einem Korrektursignal beaufschlagt wird. Dieses so korrigierte Signal wird auf einen Multiplikator 8 geschaltet, der das Verstärkersignal mit der Drehzahl η multipliziert.

Wenn man davon ausgeht, daß das Signal der Dehnungsmeßstreifenbrücke 1 proportional dem Drehmoment Md ist und das Beaufschlagungssignal der Spannungsquelle LO mit M^ bezeichnet wird, so läßt sich das Gesamtsignal nach Multiplikation mit der Drehzahl η folgendermaßen darstellen

oder

N~(M_d+M_ds)- η

N~Md ■ n+M_ds ■ η

(la)

Beide Summanden beinhalten also eine Leistung, wobei der erste die tatsächlich gemessent Leistung ist und der zweite die Kompensationsleistung darstellen kann, die durch Verluste verloren geht. Berücksichtigt man die exponentiell Drehzahlabhängigkeit der Verlustleistung, die durch

Λ/ο = A ■ n^B

beschrieben ist, wobei A und B Gerätekonstanien sind, so läßt sich zwar bei der oben dargestellten Signaladdition die Verlustleistung im wesentlichen eliminieren; da aber der Exponent Βφ 1 ist, verbleibt ein systematischer Fehler, der auch bei optimaler Justierung bis zu 10% betragen kann.

In der F i g. 1 wird nun das Signal des Multiplizierers 8 auf einen Eingang eines Addierverstärkers 9 angeschal-

tet, von dem eine Steuereinrichtung 10 angesteuert wird, auf die hier nicht im einzelnen eingegangen wird. Auf den zweiten Eingang des Verstärkers 9 wird eine variable Korrekturspannung gegeben. Durch Anschaltung an ein Widerstandsnetzwerk ist nun diese ■> Korrekturspannung im erwünschten Sinne frei einstellbar. Es sind drei Widerstandszweige angeschaltet. Über den Widerstand 11 mit Wert R₂ ist der zweite Eingang des Verstärkers 9 an den Abgleichwiderstand 12 mit Wert A4 und eine Spannungsquelle U₀ zum Offset-Ab- ι ο gleich angeschlossen. Dieser Spannung wird über die Widerstände 13 und 14 mit Widerstandswerten R\ und Ri eine weitere drchzahlabhängige Spannung U_n aufgeschaltet. Es ergibt sich so insgesamt eine Korrekturspannung ü

wobei D und E durch Widerstandswerte R\ bis Ra der Widerstände 11 bis 14 bestimmte Spannungsparameter sind. Als Nebenbedingung für die Widerstandswerte gilt noch R₁ < R₂, Ri.

Insgesamt ergibt sich also am Ausgang des Verstärkers eine Signalspannung, für die gilt

Nkarr-(M_d+Mos)- Π+D (E-ti)

(4)

Mit einem solchen Signal kann die Steuereinrichtung 10 des Ergometers weitgehend vollständig geregelt werden, wobei sich eine in F i g. 4 mit 42 bezeichnete Kennlinie ergibt.

In F i g. 2 bedeuten 20 ein Differenzverstärker, auf den ein drehmomentabhängiges Spannungssignal U_Md aufgeschaltet ist. In einer Eingangsleitung des Verstärkers 20 ist ein Schalter 21 über ein Widerstand 22 mit Widerstandswert Ri angeschaltet. Weiterhin sind noch die Widerstände 23 und 24 mit Werten R_b und R₁ sowie ein Kondensator 25 zur Beschaltung des Verstärkers 20 notwendig. Soll am Ausgang des Verstärkers 20 ein leistungsproportionales Signal UMd ■ λ erhalten werden, so läßt sich dieses Multiplikationssignal durch drehzahlproportionales Schließen des Schalters 21 bilden. Verwendet man als Schalter 21 einen elektronisch steuerbaren Schalter, so lassen sich dessen Schaltfrequenz und Schaltdauer einfach beeinflussen. Der Schalter 21 wird dazu von einem Monoflop 26 angesteuert, dessen Zeitimpuls 71 einstellbar ist. Um nun die Lastabhängigkeit der Leistung auszuregeln, ist zusätzlich vorgesehen, die Schaltzeit Tdes Schalters 21 drehzahlabhängig zu verändern, so daß sich T- 71 ±AT ergibt. Dies kann ganz einfach durch Beeinflussung des veränderbaren Zeitimpulses 71 des Monoflop 26 zur Ansteuerung des Schalters 21 erfolgen, welches von einem drehzahlabhängigen Signal des Ergometers angesteuert ist. Eine geeignete Versorgungsspannung des Monoflops 26 wird über einstellbare Spannungsteiler in der Spannungseinheit 27 drehzahlabhängig gewonnen. Durch Wahl verschiedener Polarität kann dadurch das Leistungssignal in Abhängigkeit von der Drehzahl sowohl negativ als auch positiv korrigiert werden.

Mit der Schaltung gemäß F i g. 2 läßt sich also durch bo Multiplikation einer drehmomenten abhängigen Spannung mit der Drehzahl ein Leistungssignal erzeugen, das im Sinne der Kennlinienkorrektur beeinflußbar ist. Damit lassen sich Abweichungen der Kennlinien bei hoher Last zusätzlich auskompensieren. tn

In der der F i g. 3 bedeuten 30 ein Sollwertgeber mit Innenwiderstand R_h Über die Widerstände 31 und 32 mit Werten Re und R? und dazwischengeschaltetem Schalter 33 sowie Kapazität 34 wird das Sollwertsignal zur Steuereinrichtung 10 gegeben. Als Schalter 33 wird wiederum ein elektronisch steuerbarer Schalter verwendet. Der Schalter 33 wird also mit einem weiteren Monoflop 36 mit Zeitimpuls T₂ angesteuert, das vom Drehzahlgeber des Ergometergetriebes getriggert wird. Ist der Schalter 33 geschlossen, wird die Ausgangsspannung des Sollwertgebers über den Widerstand Rs kurzgeschlossen; der an die Steuereinrichtung 10 weitergeleitete Wert ist also Null. Wird nun der Schalter 33 mit drehzahlabhängiger Periodizität angesteuert, so läßt sich bei Drehzahl Null beim Schließen des Schalters und damit bewirkten Kurzschluß der Sollwert unabhängig vom gewählten Lastwert auf Nuii einstellen, wogegen mit steigender Drehzahl der Sollwert entsprechend den Öffnungszeiten des Schalters 33 ansteigt. Die Periodenzahl ist dabei der Drehzahl proportional. Oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl, die die Untergrenze des Arbeitsbereiches darstellt, wird die Periodenzeit kleiner als die Schaltdauer T₂; d. h. also der Schalter 33 ist dauernd geöffnet. Über das Glättungsglied mit Widerstand 32 mit Wert Rq und Kapazität 34 mit Wert Centsteht dann die Steuerspannung für die Steuereinrichtung 10; die Spannung bleibt bei geöffnetem Schalter 33 konstant auf dem mit dem Sollwertgeber eingestellten Wert und ändert sich auch bei höheren Drehzahlen nicht mehr.

Durch die so beschriebene Schaltung läßt sich bei Vorgabe eines Sollwertes der Tretleistung die Leistung stetig von Nullwert auf den Sollwert im Arbeitsbereich des Ergometers einregeln. Die Schaltung arbeitet dabei stationär, d. h. sie ist unabhängig von der Antreigeschwindigkeit des Ergometerantriebs.

In der F i g. 4 bedeutet Λ/die Tretleistung als Funktion der Drehzahl n. Der Arbeitsbereich des Ergometers ist schraffiert mit 40 gekennzeichnet; er liegt üblicherweise zwischen 35 und 90 U/min. Verwendet man lediglich eine Grundkompensation, so liegt aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit der Verlustleistung keine exakte Drehzahlunabhängigkeit vor. Die entsprechende Kennlinie im Arbeitsbereich ist durch 41 gekennzeichnet. Wird nun eine zusätzliche Kompensation mittels Schaltung nach Fig. 1 benutzt, so wird die Leistungskurve gedreht und verschoben. Die Verdrehung bzw. Verschiebung läßt sich im einzelnen durch die Parameter D und E gezielt einstellen, so daß im Ergebnis weitestgehende Parallelität der Kennlinie 43 zur Abzisse vorliegt. Mit einer Schaltung nach Fig. 2 wird dabei die Parallelität der Kennlinien bei unterschiedlichen Leistungswenen gewährleistet. Mii 43 isi weiterhin eine Anlaufkennlinie bis zum Einlaufen in den Arbeitsbereich des Ergometers dargestellt, die durch eine Schaltung nach Fig. 3 erzielt wird. Diese gewährleistet ein kontinuierliches Ansteigen von Null auf den mit dem Sollwertgeber 30 des Ergometers vorgegebenen Sollwert der Tretleistung.

Mit der Erfindung ist also nun die Regelung eines Ergometers mit großer Genauigkeit möglich. Dabei sind insgesamt nur solche technischen Mittel verwendet, die keinen nennenswerten Mehraufwand für die Steuereinrichtung des Ergometers erfordern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ergometer mit einem vom Probanden zu betätigenden Antrieb, insbesondere Treteinrichtung, und einer dem Antrieb zugeordneten Bremseinrichtung für die vom Probanden aufzubringende Tretleistung, wobei bei Vorgabe eines Leistungssollwertes durch simultane Erfassung von Drehzahl und Drehmoment am Ergometergetriebe die Bremsein- ₎₀ richtung über eine zugehörige Steuer- und Regeleinrichtung durch Einspeisung eines eigensinnig drehzahlabhängigcn Kompensationssignals drehzahlunabhängig arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Schaltungsmittel (9 bis 14, , 20 bis 28) vorhanden sind, mit denen ein Verschieben und/oder Verschwenken der Leistungs-Drehzahl-Kennlinie (41, 42) im Sinne einer exakten Parallelstellung der Kennlinie zur Abszisse im Leistungs-Drehzahl-Diagramm möglich ist, wobei die Schal- ^₀ tungsmittel (9 bis 14, 20 bis 28) die Beaufschlagung des Signals für die Steuer- und Regeleinrichtung durch Justierung von Beaufschlagungsparametern (E. D) derart bewirken, daß die Drehzahlabhängigkeit der Verlustleistung und/oder der lastabhängigen Veränderung der Verlustleistung kompensiert und die damit verursachten Abweichungen der vom Probanden aufzubringenden Tretleistung (N) vom Sollwert innerhalb des Arbeitsbereiches (40) des Ergometers vollständig eliminiert sind.

2. Ergometer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Schaltungsmittel wenigstens einen Addierverslärker (9) umfassen, an dem das grundkompensierte Signal einerseits und ein spannungsbeaufschlagtes Widerstandsnetzwerk (11 -14) andererseits angeschaltet sind, wodurch das Signal für die Steuereinrichtung (10) mit dem gegensinnig drehzahlabhängigen Korrektursignal überlagert wird.

3. Ergometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk (11 — 14) an der Spannungsquelle (U_n) für den Offset-Ausgleich des Addierverstärkers (9) einerseits und an einer zusätzlichen drehzahlabhängigen Spannung (44) andererseits angeschaltet ist.

4. Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehmomentabhängige Spannung (UMd) mit einer der Drehzahl (n) entsprechenden Frequenz getaktet wird, um durch Multiplikation von Spannung (U_Md) und Drehzahl (n)ein Leistungssignal (N)zu erhalten.

5. Ergometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der frequenzabhängigen Taktfolge ein elektronisch gesteuerter Schalter (21) verwendet wird, der von einer Kippstufe (26) mit steuerbarer Schaltzeit (T\) drehzahlabhängig triggerbar ist.

6. Ergometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippstufe (26) ein monostabiler Multivibrator (Monoflop) ist, dessen Schaltzeit drehzahlgesteuert ist.

7. Ergometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung für das Monoflop (26) eine Einheit (27) zur Beeinflussung der Schaltzeit (T\ ± AT) enthält, die von einer _b5 drehzahlabhängigen Spannung beaufschlagt wird.

8. Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (10) bei Vorgabe von Sollwerten der Tretleistung die Leistung (N) stetig vom Nullwert auf den Sollwert im Arbeitsbereich (41) eingeregelt, wodurch außerhalb des Arbeitsbereiches (41) ein stationärer Betrieb, der von der Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl (n) unabhängig ist, ermöglicht wird.

9. Ergometer nach einem der Ansprüche 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwertgeber (30) zur Vorgabe des Leistungssoilwertes unterhalb des Arbeitsbereiches (40) des Ergometers über einen elektronisch getakteten Schalter (31) drehzahlabhängig gegensinnig kurzschließbar ist.

!0. Ergometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (31) mit einer der Drehzahl (n) entsprechenden Frequenz und vorgegebener Schaltzeit (T2) zyklisch aufgesteuert wird und im Arbeitsbereich (40) des Ergometers offen ist.