DE102007001479B4 - Verfahren und Einrichtung zum Messen des Pollagewinkels eines Magnetschwebefahrzeugs einer Magnetschwebebahn - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Messen eines Pollagewinkels (y) zwischen einer Bezugsachse (Bs) eines Stators (S) einer Magnetschwebebahn und einer Bezugsachse (Bf) eines Magnetschwebefahrzeugs (10) der Magnetschwebebahn, bei dem
- auf dem Magnetschwebefahrzeug (10) ein Tragmagnetfeld (T) erzeugt wird, indem ein fahrzeugseitiger Tragmagnetstrom in zumindest einen Tragmagneten (60) eingespeist wird,
- die Größe des fahrzeugseitigen Tragmagnetstroms und damit das Tragmagnetfeld (T) zeitlich verändert wird und eine durch die zeitliche Änderung der Größe des Tragmagnetfelds (T) im Stator (S) induzierte Spannung (UL1, UL2, UL3) erfasst wird und Spannungsmesswerte gemessen werden und
- mit den Spannungsmesswerten der induzierten Spannung (UL1, UL2, UL3) der Pollagewinkel (y) gebildet wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen eines Pollagewinkels zwischen einer Bezugsachse eines Stators einer Magnetschwebebahn und einer Bezugsachse eines Magnetschwebefahrzeugs der Magnetschwebebahn.
• Die deutsche Auslegeschrift DE 23 53 594 B1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung des Läuferwinkels einer von einem Umrichter gespeisten, selbst gesteuerten Synchronmaschine, deren ständerbezogener Läuferwinkel vom Stand eines Zählers angegeben wird. Bei dem vorbekannten Verfahren wird bei abgeschalteten Ständerwicklungen ein Spannungssprung an die Läufererregerwicklung der Synchronmaschine gelegt und aus den in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen die ständerbezogene Winkellage des Ständerspannungsvektors gemessen. Zusätzlich wird in einer Nachbildung der Synchronmaschine aus dem gleichen Spannungssprung und aus einem dem momentanen Zählerstand entsprechenden Läuferwinkel die ständerbezogene Winkellage eines nachgebildeten Ständerspannungsvektors errechnet. Die Winkellage des nachgebildeten Ständerspannungsvektors wird mit der Winkellage des gemessenen Ständerspannungsvektors verglichen und es wird ein Differenzwinkel bestimmt, der zur Verstellung des Zählerstandes herangezogen wird.
• Die deutsche Offenlegungsschrift DE 31 47 819 A1 offenbart eine Einrichtung für eine berührungslose elektrische Messung der Pollage, der Position und der Geschwindigkeit eines bewegten Körpers gegenüber einer quer zu der Bewegungsrichtung mit Nuten versehenen ferromagnetischen Schiene. In dem bewegten Körper sind Sensoren angeordnet, die mit nachfolgenden elektronischen Messwandlern zusammenwirken, wobei ein Sensor so beschaffen ist, dass in der genuteten ferromagnetischen Schiene ein gleich- oder wechselförmiger Transversalfluss in der Weise erzeugt wird, dass die durch die Nutung der ferromagnetischen Schiene hervorgerufene Modulation des Transversalflusses durch eine Flussdichtemessung erfasst und zur Ermittlung der Zahn-Nut-Struktur herangezogen wird.
• Die DE 31 30 506 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung der schubbildenden Kräfte von Synchronmaschinen. Die Offenlegung DE 28 06 601 A1 betrifft ein Energieversorgungssystem für den Synchron-Langstatormotor mit dezentraler Modultechnik der Wechselrichter. Die DE 23 41 761 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines fahrweggebundenen Triebfahrzeugs mit einem synchronen Linearmotor.
• Pollagemesseinrichtungen für Magnetschwebefahrzeuge zum Messen des Pollagewinkels sind beispielsweise beim Transrapid im Einsatz.
• Bei kleinen Geschwindigkeiten wird beim Transrapid ein gemischt inkrementales-/ absolutes Ortungssystem herangezogen, das Referenzmarken und die Nuten des streckenseitigen Stators zur Ortsbestimmung des Magnetschwebefahrzeugs benutzt. Aus der Kenntnis der Lage der Wanderfeldwicklung relativ zum Fahrweg und der Phasenlage der Statorströme wird die Pollageinformation als Differenz aus elektrischem und mechanischem Winkel gewonnen. Dieses vorbekannte Verfahren ist jedoch auf Grund dieser Differenzbildung auf einen in hohem Maße echtzeitfähigen Datenübertragungskanal vom Fahrzeug zu der ortsfesten Antriebsregelung angewiesen.
• Bei größeren Geschwindigkeiten wird beim Transrapid die vom Tragmagnetfeld des sich bewegenden Magnetschwebefahrzeugs im streckenseitigen Stator induzierte Polradspannung beobachtet. Hierzu werden an den Anschlüssen des streckenseitigen Stators und damit am Ausgang des Antriebs-Stromrichters Ströme und Spannungen gemessen und einem mathematischen Modell des Antriebssystems zugeführt. Dieses so genannte „Up - Verfahren“ ist für größere Geschwindigkeiten gut geeignet, setzt aber eine Mindestgeschwindigkeit des Magnetschwebefahrzeugs voraus, weil die im streckenseitigen Stator induzierten Spannungen sonst für eine Auswertung zu klein sind.
• Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Pollage eines Magnetschwebefahrzeugs anzugeben, das auch bei einer geringen Fahrzeuggeschwindigkeit oder bei stehendem Fahrzeug sehr genaue Messergebnisse liefert.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
• Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Größe des fahrzeugseitigen Tragmagnetstroms und damit das Tragmagnetfeld zeitlich verändert wird und eine durch die zeitliche Änderung der Größe des Tragmagnetfelds im Stator induzierte Spannung erfasst wird und mit den Spannungsmesswerten der induzierten Spannung der Pollagewinkel gebildet wird.
• Eine zeitliche Veränderung der Größe des fahrzeugseitigen Tragmagnetstroms kann beispielsweise durch eine zeitliche Änderung der Amplitude, des Scheitelwerts oder des Effektivwerts des Tragmagnetstroms oder durch eine Modulation des Tragmagnetstroms mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz erfolgen.
• Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass dieses auch bei sehr kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten und sogar bei stehendem Magnetschwebefahrzeug durchgeführt werden kann, weil - im Unterschied zu den eingangs beschriebenen vorbekannten Verfahren - keine Bewegung des Magnetschwebefahrzeugs für eine Pollagemessung nötig ist; denn erfindungsgemäß wird nicht eine Magnetflussänderung aufgrund einer Relativbewegung zwischen dem Tragmagneten und den Statorwicklungen des streckenseitigen Stators ausgenutzt, sondern eine Induktion in den Statorwicklungen aufgrund einer Änderung der Größe des Tragmagnetfelds.
• Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass dieses ohne aufwendige technische Einrichtungen auskommt, weil lediglich Spannungsmesswerte an den Statoranschlüssen gemessen und ausgewertet werden müssen.
• Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Variante des Verfahrens wird bei stehendem Magnetschwebefahrzeug die bei einem Anheben des Magnetschwebefahrzeugs auftretende zeitliche Änderung des Tragmagnetfelds herangezogen, indem die beim Anheben an den Statoranschlüssen des streckenseitigen Stators anliegende induzierte Spannung gemessen und mit diesen Spannungsmesswerten der Pollagewinkel ermittelt wird. Grundgedanke bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist, dass ein Magnetschwebefahrzeug beim Anhebevorgang in den Statorwicklungen eine Spannung induziert. In der Anfangsphase diese Vorganges wird das Tragmagnetfeld aufgebaut, wobei der magnetische Fluss ständig ansteigt, aber das Fahrzeug noch nicht abhebt, weil die Magnetkraft noch kleiner als die Gewichtskraft des Fahrzeugs ist; folglich kann sich das Fahrzeug auch noch nicht in Fahrtrichtung verschieben. Das in den Statorwicklungen induzierte Spannungssystem ist demgemäß ein bezüglich seiner Phasenlage dem Standort des Fahrzeugs entsprechendes, eingefrorenes Drehspannungssystem. Dieses Drehspannungssystem, bzw. dessen Auswirkungen, kann an den Anschlüssen bzw. Klemmen des Stators gemessen und zur Bestimmung der Startpollage verwendet werden. Zu bemerken ist, dass eine Pollagebestimmung ohne weitere technische Einrichtungen am Fahrzeug und beispielsweise nur durch eine erweiterte Software im Antriebsumrichter, mit dem der streckenseitige Stator angesteuert wird, durchgeführt werden kann.
• Vorzugsweise wird das Anheben des Magnetschwebefahrzeugs an dem Verlauf der an den Statoranschlüssen des streckenseitigen Stators anliegenden induzierten Spannungen erkannt. Beispielsweise wird auf ein Anheben des Magnetschwebefahrzeugs geschlossen, wenn die induzierte Spannung für eine vorgegebene Mindestzeitspanne einen vorgegebenen Mindestspannungswert erreicht oder überschreitet.
• Gemäß einer zweiten besonders bevorzugten Variante des Verfahrens wird - beispielsweise bei fahrendem Magnetschwebefahrzeug - der fahrzeugseitige Tragmagnetstrom mit einem Modulationssignal moduliert und damit ein zusätzliches Modulationstragmagnetfeld erzeugt; die durch das zusätzliche Modulationstragmagnetfeld an den Statoranschlüssen des streckenseitigen Stators anliegende induzierte Modulationsspannung wird gemessen, und mit den Modulationsspannungswerten wird der Pollagewinkel ermittelt. Grundgedanke hierbei ist, dass die an den Anschlüssen bzw. Klemmen des Stators messbaren Spannungen ein mit dem Modulationssignal und mit der jeweiligen Pollage des Fahrzeugs amplitudenmoduliertes Drehspannungssystem bilden. Die zweite Variante ermöglicht es, die Vorteile der oben beschriebenen ersten Variante (Messen während des Anhebens des Fahrzeugs) auf den stationären Schwebebetrieb vom Stillstand bis zu solchen Geschwindigkeiten hin auszudehnen, ab denen das eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebene Up - Verfahren greift. Bei der hier vorgeschlagenen zweiten Verfahrensvariante wird die eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebene, vorbekannte inkrementale Ortung des Fahrzeugs zum Bestimmen der Pollage gänzlich überflüssig.
• Vorzugsweise weist das Modulationssignal eine so hohe Frequenz auf, dass im Tragmagnet dadurch keine spürbare Kraftmodulation auftritt; andererseits wird die Frequenz vorzugsweise klein genug gewählt, um sicher unterhalb der ersten Resonanzfrequenz der Übertragungsfunktion der Statorwicklung des streckenseitigen Stators und des Streckenkabelnetzes zu bleiben. Ein geeigneter Frequenzbereich liegt beispielsweise zwischen 20 Hz und 2 kHz.
• Vorzugsweise wird ein zeitlich unsymmetrisches Modulationssignal erzeugt; beispielsweise weist ein positiver Signalanteil des unsymmetrischen Modulationssignals einen anderen zeitlichen Verlauf auf als ein negativer Signalanteil. Ist nämlich das Modulationssignal eine Wechselgröße mit, bezüglich der Zeitachse, unsymmetrischem Kurvenverlauf, so lässt sich die Unsicherheit der Pollageinformation um ±180° beseitigen, weil sich nämlich ermitteln lässt, ob zum jeweiligen Messzeitpunkt eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Tragmagnetfeldes beobachtet wird.
• Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung eines unsymmetrischen Modulationssignals kann auch eine Einrichtung zur zeitlichen Synchronisation der fahrzeugseitigen Modulation des Tragmagnetfelds mit der streckenseitigen Demodulation der in den Statorwicklungen induzierten Spannung eingesetzt werden.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, einen den Stator ansteuernden Antriebsstromrichter in bestimmten Zeitintervallen zu sperren, falls die in den Statorwicklungen induzierten Modulationssignale während des Betriebs des Antriebsstromrichters nicht oder nur schlecht beobachtet werden können; in den „abgeschalteten“ Zeitintervallen wird dann die Pollage gemessen.
• Um zu gewährleisten, dass das Modulationssignal den Spalt zwischen Tragmagnet und streckenseitiger Reaktionsschiene im zeitlichen Mittel nicht verändert, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn für das Modulationssignal gilt: $${\displaystyle \underset{0}{\overset{T}{\int }}Iq\left(t\right)dt=0}$$

  

  wobei Iq das Modulationssignal und T die Periodenlange des Modulationssignals bezeichnen.
• Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Pollagemesseinrichtung für eine Magnetschwebebahn zum Messen der Pollage eines Magnetschwebefahrzeugs, mit einer Auswerteinrichtung, die mit Spannungsmesswerten, die sich auf die Spannung an dem streckenseitigen Stator beziehen, den Pollagewinkel zwischen einer Bezugsachse des Stators und einer Bezugsachse des Magnetschwebefahrzeugs ermittelt. Eine solche Pollagemesseinrichtung ist aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bekannt.
• Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Pollagemesseinrichtung anzugeben, die auch bei einer geringen Fahrzeuggeschwindigkeit oder bei stehendem Fahrzeug sehr genaue Messergebnisse liefert.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Auswerteinrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung umfasst, die aufgrund einer zeitlichen Änderung der Größe des fahrzeugseitigen Tragmagnetstroms und aufgrund der zeitlichen Änderung des Tragmagnetfelds eine im streckenseitigen Stator induzierte Spannung erfasst und mit den Spannungsmesswerten der induzierten Spannung den Pollagewinkel ermittelt.
• Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Pollagemesseinrichtung und bezüglich der Vorteile vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pollagemesseinrichtung sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen, da die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteilen der erfindungsgemäßen Pollagemesseinrichtung im Wesentlichen entsprechen.
• Vorzugsweise ist die Auswerteinrichtung derart ausgestaltet, dass sie bei stehendem Magnetschwebefahrzeug ein Anheben des Magnetschwebefahrzeugs feststellt, die beim Anheben an den Statoranschlüssen des streckenseitigen Stators anliegende induzierte Spannung misst und mit diesen Spannungsmesswerten den Pollagewinkel ermittelt. Vorzugsweise stellt die Auswerteinrichtung das Anheben des Fahrzeugs anhand der Spannungsmesswerte an den Statoranschlüssen des streckenseitigen Stators fest.
• Zusätzlich oder alternativ kann die Pollagemesseinrichtung eine fahrzeugseitige Modulationseinrichtung aufweisen, die geeignet ist, den fahrzeugseitigen Tragmagnetstrom mit einem Modulationssignal zu modulieren und damit ein zusätzliches Modulationstragmagnetfeld zu erzeugen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
• 1 ein Magnetschwebefahrzeug zur allgemeinen Erläuterung,
• 2 einen Tragmagneten des Magnetschwebefahrzeugs und einen Stator gemäß der 1 im Detail,
• 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Pollagemesseinrichtung, bei der der Pollagewinkel während des Anhebens des Magnetschwebefahrzeugs ermittelt wird,
• 4 Messwertverläufe der Pollagemesseinrichtung gemäß der 3,
• 5 schematisch das Bestimmen des Pollagewinkels anhand von Zeigermessgrößen der in den Statorwicklungen induzierten Spannungen,
• 6 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Pollagemesseinrichtung mit einer fahrzeugseitigen Modulationseinrichtung und
• 7 ein unsymmetrisches Modulationssignal der fahrzeugseitigen Modulationseinrichtung gemäß der 6.
• In den 1 bis 7 werden für identische oder vergleichbare Komponenten aus Gründen der Übersicht dieselben Bezugszeichen verwendet.
• In der 1 sieht man den vorderen Bereich eines Magnetschwebefahrzeugs 10, das sich auf einer Magnetschwebebahnstrecke 20 befindet. Von der Magnetschwebebahnstrecke erkennt man in der 1 einen streckenseitigen Stator 30, der mit Statornuten 40 und Statorzähnen 50 ausgestattet ist.
• In den Statornuten 40 befinden sich in der 1 nicht weiter dargestellte Magnetspulen zum Erzeugen eines Statormagnetfeldes. Die Grundwelle des Statormagnetfeldes ist in der 1 mit dem Bezugszeichen S gekennzeichnet. Durch die Anordnung bzw. die Lage der Magnetspulen wird eine magnetische Bezugsachse Bs des Stators 30 definiert.
• Von dem Stator 30 ist in der 1 nur ein Abschnitt dargestellt; der Stator 30 erstreckt sich über die gesamte Strecke der Magnetschwebebahn und erzeugt somit - wie in der 1 erkennbar - auch vor dem Magnetschwebefahrzeug 10 das Statormagnetfeld S.
• Außerdem ist in der 1 ein vorderer Tragmagnet 60 des Magnetschwebefahrzeugs 10 dargestellt; dieser ist mit Magnetspulen 70 ausgestattet, die ein Tragmagnetfeld zum Anheben des Magnetschwebefahrzeugs 10 erzeugen. Das Tragmagnetfeld ist in der 1 mit dem Bezugszeichen T gekennzeichnet. Durch die Anordnung bzw. die Lage des Tragmagneten 60 wird eine magnetische Bezugsachse Bf des Magnetschwebefahrzeugs 10 definiert. Der Tragmagnet 60 ist auf einem Träger 110 befestigt.
• Die 2 zeigt den streckenseitigen Stator 30 und den Tragmagneten 60 nochmals näher im Detail. Man erkennt die Statorwicklungen des Stators 30, die mit den Bezugszeichen L1, L2 und L3 gekennzeichnet sind; die Bezugszeichen L1, L2 und L3 geben gleichzeitig die Zugehörigkeit der Statorwicklung zur jeweiligen elektrischen Phase des dreiphasigen Drehstromsystems an.
• Der Magnetfluss des Tragmagnetfeldes ist wiederum mit dem Bezugszeichen T gekennzeichnet. Außerdem ist der Luftspalt zwischen dem Tragmagneten 60 und dem Stator 30 mit dem Bezugszeichen 200 markiert.
• Im Zusammenhang mit der 3 wird nachfolgend ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit einer Pollagemesseinrichtung 270 erläutert; bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Pollage bei stehendem Fahrzeug 10 während des Anhebevorgangs bestimmt. Die Pollagemesseinrichtung 270 ist ausschließlich streckenseitig installiert.
• In der 3 erkennt man ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Anordnung mit dem Tragmagneten 60, den Statorwicklungen L1, L2 und L3 sowie der Pollagemesseinrichtung 270. Die an den Statorwicklungen abfallenden Spannungen (Sternpunktspannungen gegenüber dem Sternpunkt S) sind mit dem Bezugszeichen UL1, UL2 und UL3 gekennzeichnet. Mit der Tragmagnetwicklung LT liegt ein Widerstand R in Reihe; die Spannung an der Tragmagnetwicklung LT und dem Widerstand R ist mit dem Bezugszeichen UT markiert.
• Die elektrische Ansteuerung des Tragmagneten 60 erfolgt durch eine fahrzeugseitige Steuereinrichtung 250. Der streckenseitige Stator 30 und die Statorwicklungen L1, L2 und L3 werden von einer streckenseitigen Steuereinrichtung 260, die beispielsweise durch einen Antriebsumrichter gebildet ist oder einen solchen enthält, angesteuert. In der Steuereinrichtung 260 kann die Pollagemesseinrichtung 270 ganz oder teilweise integriert sein ; bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 ist die Pollagemesseinrichtung 270 stattdessen zur Steuereinrichtung 260 parallel geschaltet.
• Die Anordnung gemäß der 3 lässt beispielsweise wie folgt betreiben:
• Vor dem Anheben des Fahrzeugs 10 kann sich dieses in Fahrtrichtung noch nicht verschieben. Das in den Statorwicklungen induzierte Spannungssystem ist folglich ein bezüglich seiner Phasenlage dem Standort des Fahrzeugs entsprechendes, eingefrorenes Drehspannungssystem. Dieses Drehspannungssystem, oder dessen Auswirkungen, kann an den Anschlüssen bzw. Klemmen A1, A2 und A3 des Stators 30 gemessen und zur Bestimmung der Startpollage verwendet werden.
• Für den magnetischen Fluss Φ in den Statorwicklungen gilt allgemein: $$\text{Statorwircklung L1:}\mathrm{\Phi 1=\Phi }\text{T}\left(\text{t}\right)*\text{cos}\left(\mathrm{\gamma }\left(\text{t}\right)\right)$$

  

  $$\text{Statorwircklung L2:}\mathrm{\Phi 2=\Phi }\text{T}\left(\text{t}\right)*\text{cos}\left(\mathrm{\gamma }\left(\text{t}\right)-2\mathrm{\pi }/3\right)$$

  

  $$\text{Statorwircklung L3:}\mathrm{\Phi 3=\Phi }\text{T}\left(\text{t}\right)*\text{cos}\left(\mathrm{\gamma }\left(\text{t}\right)-4\mathrm{\pi }/3\right)$$

  

  wobei ΦL1, ΦL2 und ΦL3 den magnetischen Fluss in der jeweiligen Statorwicklung L1, L2 bzw. L3 bezeichnen und wobei ΦT(t) den magnetischen Fluss des Tragmagneten 60 und y(t) den Pollagewinkel zwischen der magnetischen Bezugsachse Bs des Stators 30 und der des Fahrzeugs 10 bezeichnet.
• Für die durch eine Änderung des Tragmagnetfeldes T induzierte Spannung UL1, UL2 und UL3 in den Statorwicklungen L1, L2 und L3 gilt nun: $$UL1=P*N*\frac{d\mathrm{\Phi 1}\left(t\right)}{dt}$$

  

  $$UL2=P*N*\frac{d\mathrm{\Phi 2}\left(t\right)}{dt}$$

  

  $$UL3=P*N*\frac{d\mathrm{\Phi 3}\left(t\right)}{dt}$$

  

  wobei P die Anzahl der beteiligten Pole des Tragmagneten 60 und N die Anzahl der Windungen der Statorwicklungen pro Nut und Phase bezeichnet.
• Für die induzierten Spannungen erhält man nun: $$UL1=P*N*\left[\frac{d\mathrm{\Phi 1}\left(t\right)}{dt}*\text{cos }\gamma \left(t\right)+\mathrm{\Phi 1}\left(t\right)*\frac{d\text{ cos}\left(\gamma \left(t\right)\right)}{dt}\right]$$

  

  $$UL2=P*N*\left[\frac{d\mathrm{\Phi 2}\left(t\right)}{dt}*\text{cos }\gamma \left(t\right)+\mathrm{\Phi 1}\left(t\right)*\frac{d\text{ cos}\left(\gamma \left(t\right)-2\pi /3\right)}{dt}\right]$$

  

  $$UL3=P*N*\left[\frac{d\mathrm{\Phi 3}\left(t\right)}{dt}*\text{cos }\gamma \left(t\right)+\mathrm{\Phi 1}\left(t\right)*\frac{d\text{ cos}\left(\gamma \left(t\right)-4\pi /3\right)}{dt}\right]$$

  
• Wie sich anhand der obigen Gleichungen erkennen lässt, setzt sich die induzierte Spannung aus zwei Anteilen zusammen, nämlich einem transformatorischen Anteil $\left[\frac{d\mathrm{\Phi }\left(t\right)}{dt}*\text{cos}\gamma \left(t\right)\right],$

  

  der entsteht, wenn sich der magnetische Fluss des Tragmagneten ändert, und einem translatorischen Anteil $\left[\mathrm{\Phi }\left(t\right)*\frac{d\text{ cos}\left(\gamma \left(t\right)\right)}{dt}\right],$

  

  der entsteht, wenn sich das Tragmagnetfeld relativ zum Stator 30 verschiebt. Wie nachfolgend deutlich werden wird, wird bei dem hier vorgestellten Verfahren der transformatorische Anteil ausgewertet, im Unterschied zu Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen der translatorische Anteil ausgewertet wird.
• Da das Fahrzeug 10 während des Anhebens noch steht, fällt der translatorische Anteil $\left[\mathrm{\Phi }\left(t\right)*\frac{d\text{ cos}\left(\gamma \left(t\right)\right)}{dt}\right]$

  

  weg, so dass nur der transformatorische Anteil $\left[\frac{d\mathrm{\Phi }\left(t\right)}{dt}*\text{cos}\gamma \left(t\right)\right]$

  

  auszuwerten ist.
• In der Anfangsphase des Anhebens des Fahrzeugs 10 wird das Tragmagnetfeld T aufgebaut, wobei der magnetische Fluss ΦT(t) des Tragmagneten 60 ständig ansteigt, ohne dass das Fahrzeug 10 jedoch schon abheben kann, weil die Magnetkraft noch kleiner als die Gewichtskraft des Fahrzeugs ist.
• In der 4 ist der Messwertverlauf beispielhaft anhand der Statorwicklung L1 und der Spannung UL1 gezeigt. Im oberen Teil der 4 erkennt man den Verlauf des magnetischen Flusses Φ1(t) und den des Spalts d zwischen dem Tragmagneten und der Reaktionsschiene; im unteren Teil der 4 ist der Verlauf von dΦ(t)/dt, der proportional zum Verlauf der induzierten Spannung UL1(t) ist, und der Verlauf der aufintegrierten Spannung ${\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL1\left(t\right)dt}$

  

  dargestellt. Man sieht, dass die induzierte Spannung UL1 während des Anhebens näherungsweise konstant ist.
• Werden nun die drei induzierten Spannungen UL1, UL2 und UL3 während des Anhebens gemessen, so kann der Pollagewinkel y(t) rechnerisch oder zeichnerisch bestimmt werden. Eine zeichnerische Lösung zeigt die 5, in der die Spannungen UL1, UL2 und UL3 als Zeigermessgrößen UL1, UL2 und UL3 eingezeichnet sind. Die Richtungen der Zeiger sind durch das Drehstromsystem vorgegeben; die Beträge der Zeiger entsprechen den Messwerten für UL1, UL2 und UL3.
• Anstelle der in der 5 gezeigten zeichnerischen Lösung ist auch eine rechnerische Lösung möglich gemäß: $$\mathrm{\gamma }\left(\text{t}\right)=\text{f}\left(\text{UL1}\text{,UL2}\text{,UL3}\right)=\text{atan2}\left(\left(0.86*\text{UL2}-0.86*\text{UL3}\right)/\left(1*\text{UL1-0}\text{.5*UL2}-0.5*\text{UL3}\right)\right)$$

  
• Unter der Funktion atan2 ist dabei bekanntermaßen die Umkehrfunktion der Winkelfunktion Tangens zu verstehen, bei der zusätzlich zum Quotienten tan(x) = sin(x)/cos(x) durch die Berücksichtigung des Vorzeichens des Zählers ein Gültigkeitsbereich von - π bis +π, also einer kompletten Periode des gesuchten Winkels y1, erreicht wird; die Funktion atan(x) ist demgegenüber nur im Bereich - π/2 bis +π/2 definiert.
• Alternativ kann eine Auswerteinrichtung der Pollagemesseinrichtung 270 die an den Klemmen des Stators gemessenen Phasenspannungen Ul1, UL2 und UL3 zunächst aufintegrieren und am Ende des Aufmagnetisierungsvorgangs aus den Integrationsergebnissen die Startpollage bestimmen. Es gilt dann entsprechend: $$\mathrm{\gamma }\left(\text{t}\right)=\text{f}\left({\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL1\left(t\right)dt},{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL2\left(t\right)dt},{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL3\left(t\right)dt}\right)=\text{atan2}\left(\left(0.86*{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL2\left(t\right)dt}-0.86*{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL3\left(t\right)dt/(1*{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL1\left(t\right)dt}-0.5*{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL2\left(t\right)dt}-0.5*{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}UL3\left(t\right)dt}}\right)\right)$$

  
• Die Integration kann beispielsweise mit Integratoren durchgeführt werden. Eine solche Vorgehensweise ist sehr robust selbst bei großen Leitungslängen sowie gegenüber einem etwaigen Quantisierungsrauschen von Spannungswandlern, die mit den Anschlüssen A1, A2 und A3 in Verbindung stehen und die Spannungswerte für die Pollagemesseinrichtung erzeugen.
• Der Start des Anhebevorgangs zum Zeitpunkt t=0 wird vorzugsweise am Spannungsanstieg an mindestens einer der Statorwicklungen erkannt und zum Reset der zum Integrieren verwendeten Integratoren herangezogen. Das Ende tA ≈ 0,6 Sekunden der Aufmagnetisierung (Fahrzeug hebt zum ersten Mal ab) kann an einem Vorzeichenwechsel der Phasenspannungen erkannt werden. Der Vorzeichenwechsel bzw. die Spannungsumkehr sind darin begründet, dass ein Schweberegler der fahrzeugseitigen Steuereinrichtung 250 den zur Reaktionsschiene „fliegenden“ Tragmagneten 60 durch Spannungsumkehr, die ihrerseits einen Stromrückgang zur Folge hat, abfängt.
• Besonders bevorzugt wird das Integrieren erst dann begonnen, wenn die induzierte Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert Umin überschreitet, um ein Hochlaufen des Integrators auf „Unendlich“ zu verhindern. Wird der Schwellenwert Umin während des Integrierens wieder unterschritten, so wird das Integrieren beendet und der Integrationswert zur Bildung des Phasenwinkels y verwendet.
• Im Zusammenhang mit der 6 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Pollagemesseinrichtung erläutert, mit der sich während der Fahrt des Fahrzeugs 10 die Pollage bestimmen lässt. Die Pollagemesseinrichtung umfasst eine streckenseitige Auswerteinrichtung 280 und - im Unterschied zu der Anordnung gemäß der 3 - zusätzlich eine fahrzeugseitige Modulationseinrichtung 300, die in der fahrzeugseitigen Steuereinrichtung 250 untergebracht ist. Die Pollagemesseinrichtung erstreckt sich somit auf fahrzeugseitige und streckenseitige Komponenten.
• Die Modulationseinrichtung 300 ist mit einem Addierglied 310 verbunden, das zusätzlich an einen Antriebsumrichter 320 angeschlossen ist. Die Modulationseinrichtung 300 erzeugt ein Modulationssignal in Form einer Modulationsspannung Umod(t), die in den Tragmagneten 60 über das Addierglied 310 eingekoppelt wird und darin einen zusätzlichen Modulationsstrom Imod erzeugt. Bei der Modulationsspannung Umod handelt es sich um eine Wechselgröße mit einer Modulationsfrequenz fmod vorzugsweise zwischen 20 Hz und einigen hundert Hertz. Die Modulationsfrequenz wird bevorzugt so groß gewählt, dass das Schienenfahrzeug aufgrund mechanischer Trägheit keine merkliche Auslenkung in vertikaler Richtung erfährt; auch sollte die Modulationsfrequenz größer sein als die durch die translatorische Bewegung des Tragmagneten in den Statorwicklungen induzierte Wechselspannung: Bei einer Geschwindigkeit von ca. 30 km/h beträgt die induzierte Frequenz aufgrund der Bewegung ca. 20 Hz, so dass die Modulationsfrequenz größer als dieser Wert sein sollte. Andererseits sollte die Modulationsfrequenz so klein gewählt werden, dass das elektrische und magnetisches Netzwerk noch keine zu große Dämpfung bewirkt und die in den Statorwicklungen induzierte Spannung groß genug bleibt; bevorzugt liegt die Modulationsfrequenz unterhalb der ersten Resonanzfrequenz der Übertragungsfunktion der jeweiligen Statorwicklung und des Streckenkabelnetzes. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass bei Geschwindigkeiten ab ca. 30 km/h das eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebene Up-Verfahren einsetzbar wird, weil die durch die Bewegung in den Statorwicklungen induzierte Spannung ausreichend groß wird, so dass eine Auswertung des Modulationssignals in den Statorwicklungen nicht mehr nötig ist.
• Wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurde, gilt für die Leiterspannung UL1: $$UL1=P*N*\left[\frac{d\mathrm{\Phi 1}\left(t\right)}{dt}*\text{cos}\gamma \left(t\right)+\mathrm{\Phi 1}\left(t\right)*\frac{d\text{ cos}\left(\gamma \left(t\right)\right)}{dt}\right]$$

  

  so dass durch den Modulationsstrom Imod mit der Frequenz fmod ein Frequenzanteil ΦT(fmod) im Tragmagnetfluss und ein entsprechender Frequenzanteil UL1(fmod) in der induzierten Spannung UL1 gebildet wird; die induzierte Spannung UL1 wird also durch den Frequenzanteil Φ1(fmod) im Tragmagnetfluss amplitudenmoduliert. Der Frequenzanteil bei f = fmod in der induzierten Spannung UL1 kann herausgefiltert und separat unter Bildung eines Messwertes UL1(fmod) gemessen werden.
• In entsprechender Weise werden Messwerte UL2(fmod) und UL3(fmod) erzeugt, die sich auf die induzierten Spannungen in den Statorwicklungen L2 und L3 bei der Frequenz fmod beziehen.
• Beispielsweise zeichnerisch - wie in der 3 gezeigt - oder rechnerisch wird dann der Pollagewinkel y(t) bestimmt gemäß: $$\mathrm{\gamma }\left(\text{t}\right)=\text{f}\left(\text{UL1}\left(\text{fmod}\text{,t}\right),\text{UL2}\left(\text{fmod}\text{,t}\right),\text{UL3}\left(\text{fmod}\text{,t}\right)\right)=\text{a}-\text{tan2}\left(\left(0.86*\text{Glr}\left(\text{UL2}\right)-0.86*\text{Glr}\left(\text{UL}\text{3})\right)/\left(1*\text{Glr}\left(\text{UL1}\right)-0.5*\text{Glr}\left(\text{UL2}\right)-0.5*\text{Glr}(\text{UL}3\right)\right)\right)$$

  
• Glr(x) bezeichnet eine phasenrichtige Gleichrichterfunktion für das jeweilige Signal x; die Gleichrichterfunktion kann wie folgt beschrieben werden: Findet beispielsweise ein Modulationssignal Imod gemäß 7 Verwendung, so soll der Augenblickswert des Signals x während der längeren, in der 7 positiven, Teilperiode des Signals (0 < t < T') mit „+1“ und während der kürzeren, in der 7 negativen Teilperiode (T' < t < T) mit „-1“ multipliziert werden. Zur Glättung des resultierenden Signals wird anschließend beispielsweise ein Tiefpass mit einer Grenzfrequenz grenz < fmod nachgeschaltet. Dieser Tiefpass wird hinsichtlich seiner Grenzfrequenz vorzugsweise so dimensioniert, dass er die maximal zu erwartenden Änderungen des Signals x aufgrund der Änderung des zu messenden Winkels y nicht merklich beeinflusst.
• Wird zusätzlich die eingangs erwähnte Option „Zeitsynchronisation“ eingesetzt, so wird die auf die Synchronisationsmarke folgende Teilperiode im Fahrzeug positiv ausgegeben und in der Auswerteinheit mit „+1“ multipliziert, während die darauf folgende Teilperiode im Fahrzeug negativ ausgegeben wird und in der Auswerteinheit mit „-1“ multipliziert wird. Bezüglich der Filterung gilt das oben Ausgeführte entsprechend.
• Vorzugsweise handelt es sich bei der Modulationsspannung U-mod(t) um eine reine Wechselgröße mit, bezüglich der Zeitachse, unsymmetrischem Kurvenverlauf; einen solchen Verlauf zeigt beispielhaft die 7. Im Falle eines unsymmetrischen Verlaufs der Modulationsspannung Umod lässt sich nämlich während des Messens der induzierten Statorspannungen UL1, UL2 oder UL3 feststellen, ob das Tragmagnetfeld ansteigt oder abfällt; die im Falle eines symmetrischem Modulationssignals auftretende Unsicherheit der Pollageinformation um ±180° wird somit beseitigt.
• Um zu gewährleisten, dass das Modulationssignal Umod(t) den Spalt d zwischen Tragmagnet und streckenseitiger Reaktionsschiene im zeitlichen Mittel nicht verändert, wird bevorzugt folgende Beziehung eingehalten: $${\displaystyle \underset{0}{\overset{T}{\int }}U\text{ mod}\left(t\right)dt=0}$$

  

  wobei T die Periodendauer des Modulationssignals bezeichnet.
• Alternativ kann auch ein Echtzeitbezug bzw. eine Synchronisation zwischen dem modulierten Tragmagnetstrom Imod(t) und den induzierten Statorspannungen UL1(t), UL2(t) und UL3(t) hergestellt werden, damit anhand der induzierten Statorspannungen stets bestimmt werden kann, ob das Tragmagnetfeld ansteigt oder abfällt. Ist ein solcher Echtzeitbezug vorhanden, kann anstelle eines unsymmetrischen Modulationssignals auch ein symmetrisches Modulationssignal verwendet werden, ohne dass eine Unsicherheit bezüglich Pollageinformation um ±180° hingenommen werden muss.
• Bezugszeichenliste

10

Magnetschwebefahrzeug

20

Magnetschwebebahnstrecke

30

streckenseitiger Stator

40

Statornuten

50

Statorzähne

60

Tragmagnet

70

Magnetspulen

110

Träger

250

fahrzeugseitige Steuereinrichtung

260

streckenseitige Steuereinrichtung

270

Pollagemesseinrichtung

280

streckenseitige Auswerteinrichtung

300

fahrzeugseitige Modulationseinrichtung

310

Addierglied

320

Antriebsumrichter

Bs

magnetische Bezugsachse des Stators

Bf

magnetische Bezugsachse des Magnetschwebefahrzeugs

S

Grundwelle des Statormagnetfeldes

T

Tragmagnetfeld

y

Pollagewinkel

LT

Tragmagnetwicklung

R

Widerstand

Umod(t)

Modulationssignal

Imod

Modulationsstrom

fmod

Modulationsfrequenz

L1,L2,L3

Statorwicklungen

UL1,UL2,UL3

Sternpunktspannungen

A1,A2,A3

Anschlüsse

ΦL1, ΦL2, ΦL3

magnetischer Fluss

ΦT(t)

magnetischer Fluss des Tragmagneten

Claims (9)

1. Verfahren zum Messen eines Pollagewinkels (y) zwischen einer Bezugsachse (Bs) eines Stators (S) einer Magnetschwebebahn und einer Bezugsachse (Bf) eines Magnetschwebefahrzeugs (10) der Magnetschwebebahn, bei dem - auf dem Magnetschwebefahrzeug (10) ein Tragmagnetfeld (T) erzeugt wird, indem ein fahrzeugseitiger Tragmagnetstrom in zumindest einen Tragmagneten (60) eingespeist wird, - die Größe des fahrzeugseitigen Tragmagnetstroms und damit das Tragmagnetfeld (T) zeitlich verändert wird und eine durch die zeitliche Änderung der Größe des Tragmagnetfelds (T) im Stator (S) induzierte Spannung (UL1, UL2, UL3) erfasst wird und Spannungsmesswerte gemessen werden und - mit den Spannungsmesswerten der induzierten Spannung (UL1, UL2, UL3) der Pollagewinkel (y) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei stehendem Magnetschwebefahrzeug (10) die bei einem Anheben des Magnetschwebefahrzeugs (10) auftretende zeitliche Änderung des Tragmagnetfelds (T) herangezogen wird, indem die beim Anheben an dem Stator (30) anliegende induzierte Spannung (UL1, UL2, UL3) gemessen und mit diesen Spannungsmesswerten der Pollagewinkel (y) ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der fahrzeugseitige Tragmagnetstrom mit einem Modulationssignal (Umod(t), Imod) moduliert wird und damit ein zusätzliches Modulationstragmagnetfeld erzeugt wird und - die durch das zusätzliche Modulationstragmagnetfeld an dem streckenseitigen Stator (30) anliegende induzierte Modulationsspannung (UL1, UL2, UL3) gemessen und mit den Modulationsspannungswerten der Pollagewinkel (γ) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlich unsymmetrisches Modulationssignal (Umod(t), Imod) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein positiver Signalanteil des unsymmetrischen Modulationssignals (Umod(t), Imod) einen anderen zeitlichen Verlauf aufweist als ein negativer Signalanteil.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass für das Modulationssignal gilt: $${\displaystyle \underset{0}{\overset{T}{\int }}Iq\left(t\right)dt=0}$$

   

   wobei Iq das Modulationssignal und T die Periodenlänge des Modulationssignals bezeichnen.
7. Pollagemesseinrichtung (270) für eine Magnetschwebebahn zum Messen eines Pollagewinkels (y) zwischen einer Bezugsachse (Bs) eines Stators (S) einer Magnetschwebebahn und einer Bezugsachse (Bf) eines Magnetschwebefahrzeugs (10) der Magnetschwebebahn, mit einer Auswerteinrichtung (280), die aufgrund einer zeitlichen Änderung der Größe des fahrzeugseitigen Tragmagnetstroms und aufgrund der zeitlichen Änderung des Tragmagnetfelds (T) eine im streckenseitigen Stator (30) induzierte Spannung (UL1, UL2, UL3) erfasst und mit den Spannungsmesswerten der induzierten Spannung (UL1, UL2, UL3) den Pollagewinkel (y) ermittelt.
8. Pollagemesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (280) derart ausgestaltet ist, dass sie mit Spannungsmesswerten(UL1, UL2, UL3), die sich auf die beim Anheben des Magnetschwebefahrzeugs (10) im streckenseitigen Stator (30) induzierte Spannung (UL1, UL2, UL3) beziehen, den Pollagewinkel (y) ermittelt.
9. Pollagemesseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, d a durc h gekennzeichnet, dass die Pollagemesseinrichtung eine fahrzeugseitige Modulationseinrichtung (300) aufweist, die geeignet ist, den fahrzeugseitigen Tragmagnetstrom mit einem Modulationssignal (Umod(t), Imod) zu modulieren und damit ein zusätzliches Modulationstragmagnetfeld zu erzeugen.

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