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Die
Erfindung betrifft ein Trainingsgerät nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1. Ein solches Trainingsgerät ist aus der
EP 0 853 961 B1 bekannt. Bei
diesem Trainingsgerät
werden einem Frequenzumrichter von einer Recheneinrichtung Sollwerte
für die
Stromstärke
und für
die Frequenz des Stromes eines zur Drehmomenterzeugung vorgesehenen
Drehstrommotors vorgegeben. Der Recheneinrichtung wird das Ausgangssignal
eines Positionssensors zugeführt,
welcher die Stellung einer als Übungsorgan fungierenden
Kurbel, die von dem Motor angetrieben wird, erfaßt. Aus dem Positionswert ermittelt
die Recheneinrichtung anhand gespeicherter Tabellen, in denen alle
relevanten maschinenspezifischen Kenndaten abgelegt sind, die für einen
gewünschten
Verlauf des Drehmoments über
der Position benötigten Werte
der Stromstarke und der Frequenz des Motorstromes.
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Dieses
bekannte Trainingsgerät
funktioniert zwar durchaus zufriedenstellend, ist aber im Hinblick auf
bestimmte funktionale Anforderungen noch verbesserungsfähig. So
sind insbesondere für
die Anwendung derartiger Trainingsgeräte zu medizinischen Rehabilitationsmaßnahmen
sowohl eine hohe Genauigkeit bei der Einhaltung eines gewünschten Drehmoments,
als auch präzise
einstellbare Endanschläge
für den
Bewegungsbereich des Übungsorgans
gefordert. Letzteres ist beispielsweise dann von Bedeutung, wenn
der maximale Auslenkungswinkel eines Körpergelenks nach einem chirurgischen
Eingriff durch gymnastische Übungen
in definierten Schritten wieder auf den normalen Wert gebracht werden
soll.
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Aus
der
FR 2 709 067 A1 ist
ein Trainingsgerät
mit einem Drehstrommotor zur Drehmomenterzeugung bekannt, bei dem
sowohl die Drehzahl des Motors mit einem frequenzanalogen Drehratensensor,
als auch das abgegebene Drehmoment mit einem Kraftsensor gemessen
wird. Die gemessene Drehzahl wird zur Regelung der Frequenz und
das gemessene Drehmoment zur Regelung der Stärke des Motorstromes verwendet.
Das Konzept dieses Trainingsgerätes
beinhaltet also zwei Sensoren und zwei miteinander gekoppelte Regelschleifen
und ist relativ aufwendig in der Realisierung. Ferner birgt die Kraftmessung über einen
Sensor potentielle Probleme in Form von Temperatureinfluß, Langzeitdrift
und Störungen
durch Vibration oder Stöße.
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In
Anbetracht dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Trainingsgerät
der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, das ein vorgegebenes Drehmoment gleichzeitig den mit
hoher Genauigkeit einhält,
Bewegungsbereich durch präzise
einstellbare Endanschläge
begrenzt, und sich durch einfachen und zuverlässigen Aufbau auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Trainingsgerät
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Trainingsgerät zeichnet
sich dadurch aus, daß zur
Drehmomentregelung als Meßgröße der Drehwinkel
des Motors mittels eines Drehwinkelsensors erfaßt wird, dessen Meßsignal
sowohl dem Frequenzumrichter, als auch der Regeleinrichtung zugeführt wird.
Durch die Regeleinrichtung wird dem Frequenzumrichter ein Sollwert für das von
dem Motor abzugebende Drehmoment vorgegeben, in den das Meßsignal
des Drehwinkelsensors eingeht. Der Frequenzumrichter stellt die Frequenz
und die Stärke
des Motorstromes nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung
ein. Letztere ist zwar an sich als Konzept zur Regelung eines Asynchronmotors
bekannt, jedoch nicht im Zusammenhang mit Trainingsgeräten der
hier interessierenden Art.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber dem eingangs erwähnten Stand
der Technik besteht darin, daß sie
eine genauere Regelung des von dem Motor abgegebenen Drehmoments
erlaubt. Hierzu trägt
insbesondere bei, daß der
Motor im normalen Betriebsbereich einer Asynchronmaschine, d.h.
bei relativ geringem Schlupf betrieben wird, wo mit nur geringen
Exemplarstreuungen der Momentenkennlinie zu rechnen ist. Demgegenüber ist
der Betriebsbereich nach besagtem Stand der Technik, d.h, bei relativ
großem
Schlupf, von deutlich größeren Exemplarstreuungen
betroffen. Eine weitere vorteilhafte Wirkung des anderen Betriebsbereiches
ist die Verringerung der Verlustleistung des Motors und somit eine
Energieersparnis. Die geringere Verlustleisturg macht. auch eine
Kühlung
durch Zwangskonvektion entbehrlich, so daß die von einem Lüfter ausgehende
Geräuschentwicklung
vermieden wird. Schließlich
wird durch die direkte Erfassung des Drehwinkels des Motors anstelle
seiner rechnerischen Ermittlung aus einem gemessenen Drehwinkel des Übungsorgans
auch die Dynamik des Regelkreises nachhaltig verbessert.
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Um
einen vorbestimmten Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit
vom Drehwinkel vorgeben zu können,
ist es zweckmäßig, für die Regeleinrichtung
zwei Regelkreise in Kaskadenstruktur, nämlich einen äußeren zur
Regelung der Position und einen inneren zur Regelung der Drehzahl
des Übungsorgans
vorzusehen. Hierzu wird eine Auswertungseinrichtung benötigt, die
aus dem Meßsignal
des Drehwinkelsensors sowohl die Position, als auch die Drehzahl
des Übungsorgans
ermittelt und als Istgrößen für die beiden
Regelkreise bereitstellt.
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Aus
Sicherheitsgründen
ist es äußerst ratsam,
in dem Positionsregelkreis einen Begrenzer vorzusehen, der die Solldrehzahl
des Übungsorgans auf
einen Maximalwert begrenzt, damit der Motor das Übungsorgan nicht mit der systembedingten
Höchstdrehzahl
in seine vorgegebene Sollposition zurückschnellen läßt, wenn
die trainierende Person es losläßt oder
von ihm abrutscht.
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Im
Interesse der Ergonomie ist es darüber hinaus auch empfehlenswert,
wenn in dem Positionsregelkreis ein weiterer Begrenzer vorgesehen
ist, der die Änderungsrate
der Solldrehzahl des Übungsorgans
auf einen Maximalwert begrenzt, um ein ruckartiges Bewegungsverhalten
desselben zu vermeiden.
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Um
einen bestimmten Drehmomentverlauf in Abhängigkeit von der Position des Übungsorgans nach
einer bestimmten Funktion vorzugeben, ist in dem Drehzahlregelkreis
ein entsprechendes Übertragungsglied
vorzusehen, welches diese Funktion realisiert. Bestandteil dieser
Funktion können
sprunghafte Änderungen
des Drehmoments bei bestimmten Positionen sein, wodurch mechanische
Anschläge
simuliert werden können.
Aus Sicherheitsgründen
ist es hierbei sinnvoll, das Solldrehmoment des Übungsorgans betragsmäßig auf
einen Maximalwert zu begrenzen. Hierdurch läßt sich einer möglichen Überanstrengung
der trainierenden Person und der Gefahr von Verletzungen bei unsachgemäßer Benutzung
des Trainingsgerätes,
insbesondere durch eine falsche Körperhaltung oder durch eine
Verwendung unzulässiger
Hilfsmittel, entgegenwirken.
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Da
die von dem Übungsorgan
auf die trainierende Person ausgeübte Kraft nicht nur von dem
Motordrehmoment und der Getriebeuntersetzung abhängt, sondern zusätzlich von
einer Vielzahl mechanischer und/oder thermischer Betriebsparameter
wie beispielsweise der Getriebereibung, der Temperatur des Motors
und des Getriebes, und dem Gewicht des Übungsorgans, erfordert die
genaue Einhaltung einer am Übungsorgan
für die
trainierende Person wirksamen Kraft eine Korrektur des Solldrehmoments
des Motors in Abhängigkeit
von besagten mechanischen und/oder thermischen Betriebsparametern
des Gerätes.
Hierzu wird in dem Drehzahlregelkreis eine Recheneinrichtung benötigt, die
außer
der Umrechnung des Solldrehmoment des Übungsorgans in ein Salldrehmoment
des Motors auch besagte Korrektur ausführt, wozu ihr von der Auswertungseinrichtung aus
dem Meßsignal
des Drehwinkelsensors ermittelte Bewegungsgrößen des Übungsorgans, wie die Istposition
und/oder die Istdrehzahl als weitere Eingangsgrößen zugeführt werden müssen. So
hängt beispielsweise
der Beitrag des Eigengewichtes des Übungsorgans zur Kraft von der
Position des Übungsorgans
ab. Teilweise handelt es sich bei besagter Betriebsparametern aber
auch um feste Größen wie
beispielsweise die Hebellänge
des Übungsorgans.
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Aus
dem Ausgangssignal des Drehwinkelsensors kann von der Auswertungseinrichtung
nach der Umrechnung in die Drehzahl des Übungsorgans durch nochmalige
zeitliche Differentiation auch die Winkelbeschleunigung des Übungsorgans
gewonnen werden, Diese ist von Interesse, wenn in die zuvor erwähnte Korrektur
auch Trägheitseffekte
einbezogen werden sollen. So kann die Recheneinrichtung aus der
Winkelbeschleunigung des Übungsorgans als
weiteren mechanischen Betriebsparameter die Trägheitskomponente der von dem Übungsorgan
auf die trainierende Person ausgeübten Kraft ermitteln und berücksichtigen.
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Schließlich zählt auch
die Temperatur zu den wesentlichen Betriebsparametern eines erfindungsgemäßen Trainingsgeräts, da sowohl
die elektrischen Parameter des Motors, als auch Reibung und Trägheit des
Getriebes von der Temperatur abhängen.
Um Temperatureffekte zu kompensieren, kann das Solldrehmoment des
Motors temperaturabhängig
korrigiert werden, wozu dem Motor und/oder dem Getriebe mindestens
ein Temperatursensor zur Erfassung der aktuellen Temperatur zugeordnet
sein muß.
Die temperaturabhängige
Korrektur kann entweder gemeinsam mit der mechanischen Korrektur in
der Recheneinrichtung oder in einer separaten Kompensationseinrichtung
erfolgen, wobei diese auch bereits in den Frequenzumrichter integriert
sein kann.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Trainingsgerätes,
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2 die
Momentenkennlinie eines Drehstrommotors,
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3 einen
Drehmomentverlauf eines erfindungsgemäßen Trainingsgerätes als
Funktion der Position, und
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4 ein
elektrisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Trainingsgerätes.
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Gemäß 1 zählen zu
den Hauptkomponenten eines erfindungsgemäßen Trainingsgerätes ein Übungsorgan 1,
beispielsweise in Form einer Kurbel, und ein Drehstrommotor 2,
die durch ein Untersetzungsgetriebe 3 miteinander verbunden
sind. Der Motor 2 wird durch einen Frequenzumrichter 4 angesteuert,
der die Frequenz und die Stärke
des dem Motor 2 zugeführten
Stromes vorgibt, um ein gewünschtes
Drehmoment MM des Motors 2 einzustellen.
Dem Frequenzumrichter 4 wird das Solldrehmoment MM des Motors 2 durch eine Regeleinrichtung 5 vorgegeben.
Zum Zweck der Regelung wird als Istgröße des Motors 2 mittels
eines Drehwinkelsensors 6 dessen Drehwinkel φM erfaßt
und sowohl dem Frequenzumrichter 4, als auch der Regeleinrichtung 5 zugeführt.
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Die
Vorgabe des Sollwertes MS des Drehmomentes,
mit dem die Kurbel 1 anzutreiben ist, erfolgt durch eine
Bedieneinheit 7, die ein Tastenfeld 8 und eine
Anzeigeeinheit 9 aufweist. Optional können an der Bedieneinheit 7 auch
ein Magnet- oder Chipkartenleser 10 zur Dateneingabe und/oder
eine Busschnittstelle 11 zur Vernetzung mit einem nicht
dargestellten Zentralrechner, der mehrere Trainingsgeräte steuert,
vorgesehen sein.
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An
dem Motor 2 und/oder an dem Getriebe 3 ist noch
ein Temperatursensor 12 angebracht, dessen Temperatursignal
T dem Frequenzumrichter 4 und/oder der Regeleinrichtung 5 zugeführt wird,
um den Einfluß der
Temperatur bei der Regelung zu berücksichtigen und damit zu kompensieren.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik setzt die Istwerterfassung zur
Bildung eines Regelkreises erfindungsgemäß am Drehwinkel φM des Motors 2 und nicht an demjenigen
der Kurbel 1 an. Ein weiterer in der schematischen Darstellung
von 1 nicht erkennbarer, aber entscheidender Unterschied
ist die Realisierung einer feldorientierten Regelung des Asynchronmotors 2 durch
den Frequenzumrichter 4.
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Bei
der feldorientierten Regelung handelt es sich um einen Algorithmus
zur Regelung eines Asynchronmotors, der in einem Frequenzumrichter
abläuft und
auf einem sich mit dem Rotor des Motors drehenden Koordinatensystem
basiert. Durch die sogenannte Raumzeigertransformation erhält man in
diesem rotierenden Koordinatensystem einen komplexen Stromraumzeiger,
der sich in eine Komponente parallel zum magnetischen Fluß und eine
Komponente senkrecht zum magnetischen Fluß zerlegen läßt. Im stationären Zustand
sind die zu regelnden Stromkomponenten Gleichgrößen, die durch digitale Regler
auf den jeweiligen Sollwerten gehalten werden. Es erfolgt eine Rücktransformation
in ein Dreiphasensystem, mit dem die Pulsbreitenmodulatoren des
Frequenzumrichters angesteuert werden können. Die senkrecht zum magnetischen
Fluß gerichtete
Komponente des Motorstromes ist proportional zum Drehmoment, welches
dem Umrichter als Sollwert vorgegeben wird. Der Motor kann je nach
Bewegungsrichtung sowohl motorisch, als auch generatorisch arbeiten,
wobei die nicht durch Verluste aufgezehrte Energie über Bremswiderstände in Wärme umgesetzt
wird.
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Das
Prinzip der feldorientierten Regelung von Asynchronmotoren ist in
Fachkreisen an sich bekannt, beispielsweise aus D. Schröder, „Elektrische Antriebe
2", Springer Verlag,
1335, Kap. 15.5 oder aus J. Vogel, „Elektrische Antriebstechnik", 5. Auflage, Hüthig-Verlag,
1991, Kap. 5.2.3.3.. Es braucht daher hier nicht eingehend erläutert zu
werden und ist als solches auch nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung. Jedoch wurde es beim Einsatz von Asynchronmotoren in
Trainingsgeräten
bisher noch nicht angewendet, obwohl es gerade in dieser Anwendung
entscheidende Vorteile bietet.
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Dies
wird anhand 2 deutlich, welche den grundsätzlichen
Verlauf der Momentenkennlinie eines Asynchronmotors, d.h. den Verlauf
des Drehmoments als Funktion der Drehzahl n, bzw. des Schlupfes
s zeigt. Dieser Kennlinienverlauf ist an sich bekannt und in etlichen
Werken, die sich mit der Regelung von Elektromotoren befassen, wie
beispielsweise in den beiden zuvor genannten Lehrbüchern, in ähnlicher
Form wiedergegeben.
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Demnach
untergliedert sich das Betriebsverhalten eines Asynchronmotors in
einen Bremsbereich, einen Motorbereich und einen Generatorbereich,
wobei der Stillstand die Grenze zwischen dem Motorbereich und dem
Bremsbereich markiert und der Leerlauffall die Grenze zwischen dem
Motorbereich und dem Generatorbereich markiert. Die eigentliche
Momentenkennlinie ist die glatt verlaufende Kurve. Zusätzlich eingezeichnet
sind die durch die beiden Nennpunkte verlaufende Gerade und zwei nur
in größerer Entfernung
von den beiden Kippunkten gültige
Näherungskurven.
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In 2 sind
die beiden Bereiche gekennzeichnet, in denen ein Asynchronmotor
als Antriebselement eines Trainingsgeräts einerseits bei feldorientierter
Regelung im Sinne der vorliegenden Erfindung und andererseits nach
dem eingangs genannten Stand der Technik mit einer Steuerung der
Spannung und der Frequenz eines Umrichters betrieben wird. Während der
erfindungsgemäße Betriebsbereich
zwischen den beiden Kippunkten des motorischen und des generatorischen
Bereichs um den Leerlaufpunkt herum liegt, erstreckt sich der Betriebsbereich
nach dem Stand der Technik um den Stillstand herum, und zwar vom
Kippunkt des motorischen Bereichs aus bis weit in den Bremsbereich
hinein.
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Es
wird deutlich, daß der
erfindungsgemäße Betriebsbereich
dem normalen Betrieb eines Asynchronmotors entspricht, während der
nach dem eingangs erwähnten
Stand der Technik vorgesehene Bereich gewissermaßen einen Dauerbetrieb im Anlaufbereich
und damit eine Zweckentfremdung eines Asynchronmotors darstellt,
also anormal ist. Daraus ergibt sich beim Stand der Technik das
Problem, daß der
Kennlinienverlauf in seinem maßgeblichen
Bereich schlecht reproduzierbar ist, da Motorhersteller die Einhaltung
der Kenndaten nur für
den normalen Betriebsbereich in der Umgebung des Nennpunktes garantieren.
Um in besagtem anormalen Betriebsbereich eine genaue Drehmomenteinstellung
vornehmen zu können,
muß der
Kennlinienverlauf daher an jedem einzelnen Exemplar vermessen werden,
was mit einem hohen Aufwand verbunden ist, oder es müssen aufgrund
der Exemplarstreuungen der Kennlinie höhere Toleranzen der Genauigkeit
des eingestellten Drehmoments in Kauf genommen werden. Dieses Problem
entfällt
im normalen Betriebsbereich, der bei der feldorientierten Regelung
eingehalten wird, da dort die Kenndaten genau stimmen.
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Die
Verlustleistung eines Asynchronmotors ist darüber hinaus bekanntermaßen im normalen
Betriebsbereich, d.h, bei kleinem Schlupf, wesentlich geringer als
bei großem
Schlupf. Durch den Übergang
in den normalen Betriebsbereich aufgrund der Anwendung der feldorientierten
Regelung ergibt sich also eine geringere Wärmeentwicklung, so daß sich der
Einsatz eines Lüfters
erübrigt.
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Einen
typischen Drehmomentverlauf eines erfindungsgemäßen Trainingsgeräts in Abhängigkeit von
der Position einer als Übungsorgan
vorgesehenen Kurbel 1 zeigt 3. Das Drehmoment
liegt zwischen den Positionen φmin und φmax konstant auf dem Wert M0.
Dieses konstante Drehmoment M0 entspricht
einer bestimmten Kraft, welche die trainierende Person auf die Kurbel 1 ausüben muß, um sie
entgegen der Wirkung des Motors 2 in einer der beiden möglichen
Drehrichtungen bewegen zu können.
Der Sollwert für
die Positionsregelung der Kurbel 1 ist die Position φmin, d.h. bei Entlastung der Kurbel 1 durch die
trainierende Person wird die Position φmin angefahren
und beibehalten. Um die Kurbel 1 von dort aus in Richtung
der Position φmax zu bewegen, muß die trainierende Person das
Drehmoment M0 überwinden.
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Bei
der Position φmax springt das Drehmoment nahezu abrupt
auf einen wesentlich höheren Wert
Mmax, wodurch ein oberer mechanischer Anschlag
mit Hilfe des Motors 2 und seiner Regelung simuliert wird.
Ebenso springt das Drehmoment bei der Position φmin im
Fall einer Beaufschlagung der Kurbel 1 mit einem Drehmoment
in entgegengesetzter Richtung durch die trainierende Person nahezu
abrupt auf den negativen Wert -Mmax, wodurch
ein unterer mechanischer Anschlag simuliert wird. Der für die trainierende
Person zur Verfügung
stehende Bewegungsbereich der Kurbel liegt demnach zwischen den
Positionswerten φmin und φmax.
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Zwar
ist in 3 angenommen, daß das Drehmoment zwischen den
beiden Endpositionen φmin und φmax konstant M0 betragen
soll, doch wäre
es ohne weiteres auch möglich,
hier einen positionsabhängigen
Drehmomentverlauf vorzugeben, beispielsweise in Form eines linearen
Anstiegs des Drehmoments mit der Position φ.
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Der
Betrag des maximalen Drehmoments Mmax entspricht
nicht unbedingt dem maximalen Drehmoment, das der Motor 2 über das
Getriebe 3 überhaupt
an die Kurbel 1 abgeben kann, sondern ist auf einen niedrigeren
Wert begrenzt, um einer Verletzungsgefahr vorzubeugen. Er ist aber
so hoch gewählt,
daß das
Erreichen einer der beiden Endpositionen φmin oder φmax von der trainierenden Person jeweils
als mechanischer Anschlag empfunden wird.
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Um
den in 3 gezeigten Drehmomentverlauf über der Position φ zu realisieren,
ist eine Regeleinrichtung 5 vorgesehen, deren interne Funktionsweise
nachfolgend anhand des Blockschaltbildes von 4 erläutert wird.
Die in 4 rechts eingezeichneten Komponenten, nämlich die
aus der Kurbel 1 und dem Getriebe 3 bestehende
Maschine, der Motor 2, der Frequenzumrichter 4 sowie
der Drehwinkelsensor 6 und der Temperatursensor 12 entsprechen
den bereits anhand 1 erwähnten Komponenten des Trainingsgeräts und bedürfen daher
keiner weiteren Erläuterung.
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Die
Regeleinrichtung 5 enthält,
wie 4 erkennen läßt, zwei
Regelkreise in Kaskadenstruktur, nämlich einen inneren Regelkreis
für die
Drehzahl ω und
einen äußeren Regelkreis
für die
Position φ.
Dabei arbeiten diese Regelkreise im Bezugssystem des Übungsorgans,
d.h. der Kurbel 1. Die Position in Form eines Drehwinkels φ und die
Drehzahl ω beziehen
sich also auf die Bewegung der Kurbel 1. Um aus dem von
dem Sensor 6 gelieferten Signal, welches den Drehwinkel φM des Motors 2 anzeigt, die Istposition φI und die Tstdrehzahl ωI der
Kurbel 1 zu errechnen, ist eine Auswertungseinrichtung 13 vorgesehen, in
deren Berechnungen insbesondere die Untersetzung des Getriebes 3 eingeht.
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Die
Differenz aus einer Sollpasition φS und der
Istposition φI wird einem ersten Regler 14 zugeführt, bei
dem es sich vorzugsweise um einen Proportional-Regler handelt. Dabei
entspricht die Sollposition φS der unteren Endposition φmin in 3 Die Ausgangsgröße des Reglers 14 ist
eine Drehzahl, die zunächst
durch einen Begrenzer 15 auf einen Maximalwert ωmax begrenzt wird. Hierdurch wird vermieden,
daß die
Kurbel 1 die durch den Motor 2 und das Getriebe 3 gegebene
Maximalgeschwindigkeit erreichen kann, da bei solch extrem raschen
Bewegungen der Kurbel 1, beispielsweise im Fall einer plötzlichen
Entlastung durch Abrutschen der trainierenden Person von der Kurbel 1,
eine hohe Verletzungsgefahr gegeben wäre. Ein zweiter Begrenzer 16 begrenzt
auch noch die Winkelbeschleunigung auf einen Maximalwert αmax,
um einen übermäßigen Ruck beim
Anfahren der Kurbel 1 zu vermeiden, was zwar weniger gefährlich,
aber dem Trainingskomfort abträglich
wäre. Die
beiden Begrenzer 15 und 16 sind grundsätzlich optional,
aber unter den Gesichtspunkten der Sicherheit und des Komforts sehr
nützlich.
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Am
Ausgang des zweiten Begrenzers 16 liegt als Signal eine
Solldrehzahl ωS vor, von der die in der Auswertungseinrichtung 13 berechnete
Istdrehzahl ωI subtrahiert wird. Diese wird einem vorzugsweise
als Proportional/Integral-Regler ausgebildeten Drehzahlregler 17 zugeführt, der
als Ausgangsgröße ein Drehmoment
liefert. Dieses wird in einer Kennlinieneinheit 18 in Abhängigkeit
von der Istposition φI entsprechend einer vorgegebenen Funktion
variiert, wozu der Kennlinieneinheit 18 die Istposition φI als weitere Eingangsgröße zugeführt wird. Eine hierfür bevorzugte
Funktion mit drei konstanten Abschnitten und zwei gleich hohen Stufen zwischen
diesen Abschnitten wurde zuvor anhand 3 erläutert. Grundsätzlich könnte durch
die Kennlinieneinheit 18 aber auch ein anderer Verlauf des
Drehmoments in Abhängigkeit
von der Istposition φI als derjenige von 3 vorgegeben
werden. Die Ausgangsgröße der Kennlinieneinheit 18 ist
das Solldrehmoment MS für die Kurbel 1.
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Da
der Frequenzumrichter 4 als Eingangsgröße ein Solldrehmoment MM für
den Motor 2 benötigt,
muß das
von der Kennlinieneinheit 18 gelieferte Solldrehmoment
MS für
die Kurbel 1 in einer Recheneinrichtung 19 in
besagtes Solldrehmoment MM für den Motor 2 umgerechnet
werden. Zunächst
geht in diese Umrechnung die Untersetzung des Getriebes 3 ein.
Darüber
hinaus verfügt
die Recheneinrichtung 19 über einen Speicher, in dem
Tabellen abgelegt sind, die den Einfluß weiterer mechanischer Systemparameter
auf den Zusammenhang zwischen den beiden Solldrehmomenten MS und MM beschreiben. Hierzu
gehören
beispielsweise das Gewicht der Kurbel, die Reibungsverluste des
Getriebes, Trägheitsmomente
des Getriebes und der Kurbel, die Viskosität des Getriebeöls und dessen
Temperaturabhängigkeit.
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Die
in den Zusammenhang zwischen den beiden Drehmomenten MS und
MM eingehenden Parameter sind teilweise
konstant, teilweise aber auch von Bewegungsgrößen und/oder von der Temperatur abhängig. Daher
werden der Recheneinrichtung 19 von der Auswertungseinrichtung 13 zumindest
die Istposition φI und die Istdrehzahl ωI der
Kurbel 1, optional auch zusätzlich die Istwinkelbeschleunigung αI zugeführt, die
zur Berücksichtigung
von Trägheitseffekten
benötigt
wird. Des weiteren wird ihr zur Kompensation von Temperatureinflüssen auch
das Meßsignal
T des Temperatursensors 12 zugeführt.
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Die
Recheneinrichtung 19 führt
im Zuge der Umrechnung des Solldrehmoments MS der
Kurbel 1 in ein entsprechendes Soldrehmoment MM des
Motors 2 zugleich Korrekturen aus, welche zusätzliche mechanische
und thermische Einflüsse,
die außer der
Getriebeuntersetzung noch in die Umwandlung des Drehmoments des
Motors 2 in dasjenige der Kurbel 1 eingehen, kompensieren.
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Was
die Temperatur anbelangt, so kann die Kompensation ihres Einflusses
zwischen der Recheneinrichtung 19 und einer separaten Kompensationseinrichtung 20 oder
dem Frequenzumrichter 4 aufgeteilt sein, und zwar bevorzugt
dahingehend, daß die
Kompensation der Temperaturabhängigkeit des
Motors 2 allein bereits in den Frequenzumrichter 4 integriert
ist, oder von einer separaten Kompensationseinrichtung 20 wahrgenommen
wird, da diese Temperaturabhängigkeit
eine motorspezifische Eigenschaft ist. Das Vorhandensein der Kompensationseinrichtung 20 ist
demnach optional und hängt davon
ab, ob der verwendete Frequenzumrichter 4 bereits eine
interne Kompensation der Motortemperatur vorsieht oder nicht.
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Soweit
die Recheneinrichtung 19 eine Temperaturkompensation erfüllt, beschränkt sich
diese bevorzugt auf die Temperaturabhängigkeit der dem Motor 2 nachgeschalteten
mechanischen Komponenten, insbesondere auf das Getriebe 3,
bei dem beispielsweise die Viskosität des Öls und damit die Reibung und
die Trägheit
von der Temperatur abhängen.
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Die
bei der Korrektur durch die Recheneinrichtung 19 berücksichtigbaren
Parameter sind vielfältiger
Art. So ist es beispielsweise denkbar, der Recheneinrichtung 19 einen
Betriebsdauerzähler
zuzuordnen, einen von der Betriebsdauer abhängigen mechanischen Verschleiß bestimmter
Komponenten anhand eines mathematischen Modells vorherzusagen, und
das Solldrehmoment MM zur Kompensation der
Verschleißerscheinungen
im Laufe der Zeit entsprechend zu verändern.
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Auch
ist es möglich,
die Länge
des Hebelarmes der Kurbel 1 zur Anpassung an die Körpermaße der trainierenden
Person variabel zu gestalten. In diesem Fall hängt die von der Kurbel 1 in
Tangentialrichtung ausgeübte
Kraft, die das maßgebliche
Kriterium für
die physiotherapeutische Wirkung des Trainings ist, von der Hebellänge ab,
so daß zur
Einstellung einer bestimmten Kraft bei variabler Hebellänge das
Drehmoment entsprechend korrigiert werden muß. Dabei kann die Körpergröße dem Trainingsgerät über den
Magnet- oder Chipkartenleser 10 mitgeteilt werden, woraufhin
die Hebellänge über einen Servomotor
passend eingestellt und von der Recheneinrichtung 19 aus
den in ihrem Speicher abgelegten Datensätzen ein bestimmter zur Berücksichtigung der
eingestellten Hebellänge
ausgewählt
wird.
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Das
aus dem Drehmoment MS der Kurbel 1 umgerechnete
und korrigierte Solldrehmoment MM des Motors 2 wird
dem Frequenzumrichter 4 als Eingangsgröße zugeführt. Dieser regelt den Motor 2 eigenständig nach
dem zuvor erläuterten
Prinzip der feldorientierten Regelung, bildet also mit dem Motor 2 einen
unterlagerten weiteren Regelkreis. Hierzu benötigt er das Meßsignal
des Drehwinkelgebers 6 an der Welle des Motors 2,
das ihm direkt zugeführt wird.
Da der durch den Frequenzumrichter 4 gebildete Regelkreis
auf der Messung einer unmittelbaren Zustandsgröße des Motors, nämlich des
Motordrehwinkels φM basiert, reagiert dieser innerste Regelkreis
sehr schnell. Dies ist für
die dynamischen Eigenschaften und für die Stabilität der gesamten
Regelung von großem
Vorteil. Frequenzumrichter für Drehstrommotoren,
die nach dem Prinzip der feldorientierten Regelung arbeiten, sind
auf dem heutigen Markt für
Antriebselektronik verfügbar.
Die Anwendung in einem Trainingsgerät ist jedoch eine Neuerung,
die hier erstmals vorgeschlagen wird.