DE3826097A1

DE3826097A1 - Verfahren zur regelung von kurs und geschwindigkeit von elektrisch angetriebenen rollstuehlen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3826097A1
Application number: DE3826097A
Authority: DE
Inventors: Hans W M Koerber
Original assignee: Ortopedia GmbH
Current assignee: Ortopedia GmbH
Priority date: 1988-08-01
Filing date: 1988-08-01
Publication date: 1990-02-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Kurs und Geschwindigkeit von elektrisch angetriebenen Rollstüh len mit einer Regelvorrichtung, mit der die Istdrehzahlen der Antriebsräder erfaßt und bei einer Abweichung von der durch die Stellung des mit einem Bedienhebel bedienbaren Fahrschalters vorgegebenen Solldrehzahl an diese nachge regelt werden, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, zur Erhöhung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit elektrisch angetriebene Rollstühle mit einer Regelvorrichtung zu versehen, bei der in einem ge schlossenen Regelkreis die Differenzen zwischen Soll- und Istdrehzahl ausgeregelt werden. Von außen auf die An triebsräder einwirkende Störungen können so nicht mehr wirksam die Raddrehzahlen beeinflussen und damit zu einer Änderung der Fahrtrichtung und des Kurses führen. Eine derartige Regelvorrichtung ist beispielsweise durch die DE 33 04 708 C2 bekannt.

Der Nachteil dieser Regelvorrichtungen besteht darin, daß sie stets eine ausreichende Regelreserve als Spannungsdif ferenz zwischen der maximal verfügbaren Betriebsspannung und der an den Motor zur Erreichung eines bestimmten Ar beitspunktes für Drehzahl und Drehmoment anzulegenden Spannung erfordern, damit noch eine Nachregelung der Rad drehzahl durch Einwirkung des betreffenden Fahrmotors erzielt werden kann. Wenn z.B. bei nahezu erschöpfter Batterie die Batteriespannung abfällt, kann keine notwen dige Regelreserve mehr bereitgestellt werden. Wenn in einem solchen Fall das eine Antriebsrad durch äußere Ein flüsse stärker abgebremst wird als das andere Antriebsrad, kann der Fahrmotor des abgebremsten Antriebsrades nicht mehr mit der notwendigen erhöhten Leistung beaufschlagt werden. Hierdurch wird die Regelung wirkungslos mit der Folge, daß das Fahrzeug den gewünschten Kurs nur mangel haft hält und Steuerungseingriffe des Fahrers erforderlich werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für eine Regel vorrichtung der eingangs genannten Art ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens aufzuzei gen, mit dem es möglich ist, auch bei abfallender Bat teriekapazität stets eine ausreichende Regelreserve für einen Fahrmotor vorhalten zu können.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe hinsicht lich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Anordnung durch die kenn zeichnenden Merkmale des Anspruchs 4. Durch diese Merkmale wird der große Vorteil erzielt, daß sich das Fahrverhalten eines elektrisch angetriebenen Rollstuhls auch bei nahezu entleerter Batterie mit Ausnahme der Reduktion der Maxi malgeschwindigkeit nicht ändert. Dadurch bleibt das Fahr zeug für den Benutzer auch dann beherrschbar. Der Fahrkom fort bleibt bis zum Ende der nutzbaren Batteriekapazität erhalten.

Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm über den Verlauf der Batterie spannung bei der Entladung von Bleiakkumulatoren,

Fig. 2 ein weiteres schematisches Diagramm mit dem Verlauf von Wirkungsgrad und Regelreserve,

Fig. 3 die Anordnung zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens in einer schematischen Darstel lung,

Fig. 4a bis 4c Diagramme über den Zusammenhang zwischen Maximalgeschwindigkeit und Betriebsspannung,

Fig. 5 einen potentiometrischen Multiplizierer zur Ermittlung des Sollwertes der Fahrgeschwindigkeit.

Fig. 1 verdeutlicht, daß bei Entladevorgängen von Bleiak kumulatoren die Entladespannung zunächst nur geringfügig abfällt. Nach Überschreiten einer bestimmten Entladezeit verringert sich die verfügbare Spannung extrem schnell.

In dem Diagramm in Fig. 2 ist schematisch dargestellt, daß die Regelreserve und der Wirkungsgrad nicht für sich opti miert werden können, da sie gegenläufige Tendenzen auf weisen. Es muß daher stets versucht werden, für beide Größen ein gemeinsames relatives Optimum zu finden. In dem Diagramm ist mit η max der Wirkungsgrad, mit RR die Re gelreserve und mit UN die Motornennspannung eines Perma nentmagnet-Motors bezeichnet.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Anordnung 1, mittels derer die Maximalgeschwindigkeit an die jeweils vorliegende Batteriekapazität angepaßt werden kann. Die Anordnung 1 besteht aus der Regelvorrichtung 2, die üblicherweise einen Regler 3 aufweist. Der Regler 3 ist mit Drehzahlsen soren 6, 7 verbunden. Die Drehzahlsensoren 6, 7 messen die jeweiligen Istdrehzahlen der Antriebsräder 10, 11. Beide Antriebsräder 10, 11 werden jeweils für sich von einem Fahrmotor 8, 9 angetrieben. Jeder Fahrmotor 8, 9 weist ein Stellglied 4, 5 auf, das jeweils mit dem Regler 3 verbun den ist.

Der Regler 3 ist mit einer Sollwertsteuerung 14 für die Maximalgeschwindigkeit verbunden, die mit der Batterie 13 in Verbindung steht. Bei abfallender Batteriekapazität wird von der Sollwertsteuerung 14 ein Signal an den Regler 3 weitergegeben, so daß die maximale Fahrgeschwindigkeit angepaßt werden kann. Die Sollwertsteuerung 14 kann pro grammierbar ausgebildet sein. Hierdurch ist es möglich, daß die Sollwertsteuerung 14 nicht nur die Batteriekapazi tät, sondern auch beispielsweise das Fahrumfeld berücksich tigt.

Die Sollwertsteuerung 14 ist mit einem durch einen kleinen Bedienhebel bedienbaren Fahrschalter 15 verbunden. Der Fahrschalter 15 liefert die originäre Führungsgröße an die Sollwertsteuerung 14, die im Regelfall die vom Benutzer des Fahrzeugs mittels des Bedienhebels vorgegebenen Fahr geschwindigkeit ist. Der Fahrschalter 15 ist vorzugsweise als Kreuzsteuereinheit ausgebildet, die entsprechend ihrer Achsabschnitte zwei voneinander unabhängige Signale in allen vier Quadranten liefert. Die Kreuzsteuereinheit ist so in einem Bediengerät untergebracht, daß ihre Koordi naten mit Längs- und Querachse des Rollstuhls überein stimmen. Die Signale der Kreuzsteuereinheit sind den Roll stuhlbewegungen derart zugeordnet, daß Längsauslenkungen des Bedienhebels die Soll-Geschwindigkeit nach vorwärts bzw. rückwärts und Querauslenkungen den Soll-Kurs nach rechts bzw. links oder je nach Rollstuhlausgestaltung die Translations- und Rotations-Geschwindigkeit repräsen tieren. Für die Funktion der beschriebenen Anordnung 1 sind für einen Permanentmagnet-Motor die folgenden in zulässiger Weise vereinfachten Beziehungen zugrundegelegt:

Es bedeuten:

U _KL Motorklemmenspannung
R _A Ankerkreis-Widerstand
I _A Ankerstrom
k Motorkonstante
ω Anker-Winkelgeschwindigkeit
M Anker-Drehmoment
Ludolfsche Zahl
n Anker-Drehzahl

Mit Gleichung (2) und (3) in Gleichung (1) ergibt sich

Diese zeigt, daß die am Motor anliegende Klemmenspannung die Summe zweier Produkte darstellt. Das erste Produkt ist dem am Anker auftretenden Drehmoment, das zweite der Anker-Drehzahl proportional. Zur Einnahme eines bestimmten Arbeitspunktes ist der Motor somit mit einer definierten Spannung zu beaufschlagen.

Um bei einer Maximalgeschwindigkeit des Rollstuhls (n= n _max) diese trotz auftretenden Hindernisses und/oder zu befahrender Steigung konstant zu halten, muß die Motor klemmenspannung erhöht werden:

Für den Fahrbetrieb stellt die Beziehung

U _B = U _KL + Δ U _KL (6)

die maximal mögliche an den Motor anlegbare Spannung dar, wobei Δ U _KL die jeweils mögliche Steigerung der Motor klemmspannung als Regelreserve darstellt. Der Grenzwert ist dann erreicht, wenn die Motorklemmenspannung U _KL ihren maxi mal möglichen Wert, nämlich die Batteriebetriebsspannung U _B erreicht hat. In diesem Fall ist keine Regelreserve mehr vorhanden. Bei gegebener Fahrsituation, bei der das Werte paar M/n konstant ist, reduziert sich die Regelreserve um den Batteriespannungsabfall. Damit der Motor einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist, ist anzustreben, die Regelres erve relativ klein zu halten, was in dem Diagramm Fig. 2 verdeutlicht wird. Für konstante Drehzahlen kommt es bei Batteriespannungseinbrüchen folglich zwangsläufig zu ent scheidenden Regelreservebeschneidungen. Soll die Reglerfunk tion aufrechterhalten bleiben, muß daher die Bedingung
U _B<U _KL+Δ U _KL (7)
eingehalten werden. Dies läßt sich durch Rücknahme des Sollwertes der Maximalgeschwindigkeit bei fallender Bat teriespannung (Batteriekapazität) erzielen. Da die Fahr geschwindigkeit proportional der Drehzahl des Ankers ist, gilt auch
n _max=f=(U _B) (8)

In Fig. 4a ist dargestellt, daß die maximal mögliche Fahr geschwindigkeit linear von der Batteriebetriebsspannung abhängt. Soll die Regelreserve bei variabler Betriebs spannung konstant gehalten werden, darf die Fahrgeschwin digkeit nur bis zu der in Fig. 4b gezeigten strichtpunk tierten Linie vorgegeben werden. Der hiermit verbundene funktionale Zusammenhang ist in Gleichung (9) beschrieben.

Da nur der in den Fig. 4b und 4c zwischen den Grenzen Min. und Max. gekennzeichnete Bereich der Betriebsspannung technisch ausnutzbar ist, ist es für den praktischen Fahr betrieb zulässig, auf eine gleichbleibende Regelreserve zu verzichten. Die dann vereinfachten Verhältnisse zeigt Fig. 4c mit der Gleichung
Vm _ax=P ₂ · U _B (10)
Diese Gleichung (10) wird für die Funktion der Anordnung 1 berücksichtigt.

Die vorgegebene Soll-Fahrgeschwindigkeit hängt primär vom Auslenkwinkel der Kreuzsteuereinheit in der entsprechenden Achse ab. Im einfachsten Fall ist der Zusammenhang linear
V=f(γ)=P ₃ · γ (11)
Es bedeutet
V Geschwindigkeits-Sollwert
γ Kreuzsteuereinheit-Auslenkwinkel einer Achse
P ₃ Proportionalitätsfaktor
Wird für Gleichung (11) Gleichung (10) gem. Fig. 4c berück sichtigt ergibt sich
V=f(γ, U _B)=P ₄ · γ · U _B (12)
wobei P ₄ ein Proportionalitätsfaktor ist.

Die Soll-Fahrgeschwindigkeit ist somit mit dem Auslenk winkel der Kreuzsteuereinheit und der Betriebsspannung multiplikativ verknüpft. Weitere funktionale Zusammenhänge können ggf. berücksichtigt werden, sofern hierdurch spe zifische Vorteile erzielt werden. Hierfür ist die Soll wertsteuerung 14 gem. Fig. 3 vorgesehen, die die jewei ligen Beziehungen zwischen der Geschwindigkeit V, dem Auslenkwinkel γ, der Kreuzsteuereinheit und der Batterie betriebsspannung U _B berücksichtigt.

Eine multiplikative Verknüpfung gem. Gleichung 12 ist auf verschiedene Weise ausführbar und kann analog oder digi tal, mechanisch, hydraulisch und/oder pneumatisch er folgen. Fig. 5 stellt als Beispiel einen potentiome trischen Multiplizierer 16 dar. Ein Potentiometer 17 ist mit der Batteriebetriebsspannung U _B beaufschlagt. Der Schleifer 18 des Potentiometers 17 wird analog zu dem Auslenkwinkel der Kreuzsteuereinheit verstellt. Das am Schleifer 18 gemessene Potential wird dann mit dem ver glichen, das bei der Schleiferruhestellung als Schleifer ruhepotential auftritt. Diese Potentialdifferenz stellt eine Signalspannung dar, die die oben genannte Gleichung (12) erfüllt.

Bei Kreuzsteuereinheiten, bei denen die Auslenkachsen der Rollstuhl-Fahrgeschwindigkeit sowie dem Rollstuhl-Kurs ent sprechen, ist nur der Sollwert des Geschwindigkeitspegels von der Betriebsspannung abhängig, um keine Rückwirkungen auf den Kurs zu erzeugen. Bei derartigen Rollstühlen ist im Regelfall eine Zwangslenkung erforderlich. Sofern die Kreuz steuereinheit in ihren Achsen die Translation und Rotation vorgibt, können beide Sollwert-Kanäle im gleichen Maße in Abhängigkeit von der Batteriebetriebsspannung stehen, um den Kurs unabhängig von der Batteriebetriebsspannung zu halten. Derart ausgebildete Rollstühle sind besonders wendig, da sie frei bewegliche Schwenkräder besitzen können und ein gegen sinniges Drehen der Antriebsräder möglich ist.

Claims

1. Verfahren zur Regelung von Kurs und Geschwindigkeit von elektrisch angetriebenen Rollstühlen mit einer Regelvorrichtung, mit der die Istdrehzahlen der An triebsräder erfaßt und bei einer Abweichung von der durch die Stellung des mit einem Bedienhebel bedien baren Fahrschalters vorgegebenen Solldrehzahl an diese nachgeregelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb des Rollstuhls an der Regelvorrichtung die mögliche maximale Geschwindigkeit und damit Solldreh zahl in Abhängigkeit von der vorhandenen Batterie kapazität so eingestellt wird, daß bei einer Abweich ung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl die Regel reserve als jeweils mögliche Steigerung der Motor klemmenspannung stets so groß ist, daß an den jewei ligen Fahrmotor die für das Erreichen der Solldrehzahl erforderliche Spannung angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit abnehmender Batteriekapazität die jeweils mögliche maximale Fahrgeschwindigkeit stufenweise verkleinert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit abnehmender Batteriekapazität die jeweils mögliche maximale Fahrgeschwindigkeit kontinuierlich verringert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß die im Fahrbetrieb jeweils mögliche maximale Fahrgeschwindigkeit so eingeregelt wird, daß die je weils vorhandene Batteriebetriebsspannung stets größer ist als die Summe von aktueller Motorklemmenspannung und vorhandener Regelreserve.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß bei Ausbildung des Fahrschalters als Kreuz steuereinheit die jeweils mögliche maximale Fahrge schwindigkeit proportional zum Produkt aus jeweils vorhandener Batteriebetriebsspannung, Auslenkwinkel einer Achse der Kreuzsteuereinheit und einem roll stuhlantriebsspezifischen Proportionalitätsfaktor ein geregelt wird.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (3) der Regelvorrichtung (2) mit einer Sollwertsteue rung (14) für die Maximalgeschwindigkeit verbunden ist, die den Regler (3) mit einem von der Batterieka pazität abhängigen Sollwert der Fahrgeschwindigkeit beaufschlagt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertsteuerung (14) für die Maximalgeschwindig keit programmierbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertsteuerung (14) mit einer Programmierein heit (12) verbunden ist.

9. Anordnung nach Anspruch 6 bis 8, bei der der Fahr schalter als Kreuzsteuereinheit ausgebildet ist, des sen Koordinaten der Längsachse und Querachse des Roll stuhls zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertsteuerung (14) für die Vorgabe des Soll wertes der maximalen Fahrgeschwindigkeit mit den Meß wertgebern für die Auslenkwinkel der Achsen der Kreuz steuereinheit des Fahrschalters (15) und Meßwertgebern für die Betriebsspannung der Batterie (13) verbunden ist.