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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems und ein Antriebssystem zur Durchführung des Verfahrens.
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Es ist allgemein bekannt, dass ein Elektromotor als Antrieb eines Schienenfahrzeugs verwendbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems und ein Antriebssystem zur Durchführung des Verfahrens weiterzubilden, wobei Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems nach den in Anspruch 1 und bei dem Antriebssystem zur Durchführung des Verfahrens nach den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems sind, dass das Antriebssystem zumindest eine relativ zu einem Reaktionsteil bewegbare Polradscheibe aufweist, die von einem Elektromotor in Drehbewegung versetzbar ist,
wobei eine Drehzahl, insbesondere der Polradscheibe oder der Rotorwelle des Elektromotors, bestimmt wird und
wobei der Motorstrom bestimmt wird, insbesondere wobei als Motorstrom der erfasste Istwert des Motorstroms verwendet wird oder die Sollstromvorgabe eines den Elektromotor speisenden Wechselrichters verwendet wird,
wobei aus dem Motorstrom und der Drehzahl die Relativgeschwindigkeit zwischen Polradscheibe und Reaktionsteil bestimmt wird, insbesondere unter Berücksichtigung von Parametern, insbesondere wobei die Relativgeschwindigkeit als Linearkombination von Drehzahl und Motorstrom bestimmt wird, wobei die Koeffizienten Parameter (KI, Kn) sind,
wobei in einer ersten Betriebsart die bestimmte Relativgeschwindigkeit auf einen Sollwert, insbesondere von einem Profilerzeugungsmittel bestimmten Sollwert, hin geregelt wird, indem als Stellgröße eine Solldrehzahl für den Elektromotor bestimmt wird, insbesondere von einer Reglereinheit, wobei die Drehzahl des Motors vom Wechselrichter auf die Solldrehzahl hingeregelt wird,
wobei in einer zweiten Betriebsart die Solldrehzahl für den Elektromotor derart verändert wird, insbesondere schrittweise, dass der Motorstrom verschwindet, wobei aus der zum verschwindenden Motorstrom gehörigen Relativgeschwindigkeit Parameter bestimmt werden, insbesondere welche, insbesondere in der ersten Betriebsart, bei der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit aus Motorstrom und Drehzahl verwendet werden,
wobei das Antriebssystem abwechselnd in erster und zweiter Betriebsart betrieben wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass zwei Antriebe vorhanden sind und somit ein redundantes Betreiben ermöglicht wird, wodurch eine erhöhte Sicherheit erreichbar ist. Außerdem ist ein Verzicht auf Streckengeber oder Sensoren zur Erfassung der Relativgeschwindigkeit möglich. Somit ist also eine sensorlose Regelung des Antriebssystems ermöglicht, wobei sensorlos sich bezieht auf die Nicht-Erfassung des Istwertes der Relativgeschwindigkeit. Allerdings ist die Erfassung oder sonstige Bestimmung der Drehzahl des Elektromotors oder der Polradscheibe notwendig und die Erfassung des Motorstroms.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in der ersten Betriebsart ein zeitlicher Sollwerteverlauf für Relativgeschwindigkeit von einem Profilerzeugungsmittel vorgegeben, wobei das Profilerzeugungsmittel den Sollwerteverlauf auf einen Zielwert hinführt, wobei der maximal erlaubte Ruck, die maximal erlaubte Beschleunigung, die maximal erlaubte Bremsbeschleunigung, die maximal erlaubte Geschwindigkeit und die minimal erlaubte Geschwindigkeit berücksichtigt wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine Soll-Geschwindigkeits-Rampe oder dergleichen vorgebbar ist. Somit wird ein ruckartiges Beschleunigen vermeidbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in der ersten Betriebsart die Differenz zwischen der Relativgeschwindigkeit und dem aktuellen Sollwert des Sollwerteverlaufs für Relativgeschwindigkeit bestimmt und einem linearen Reglerglied, insbesondere PI-Reglerglied, zugeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Relativgeschwindigkeit auf ihren Sollwert hin regelbar ist. Mittels einer Vorsteuerung ist dies weiter verbesserbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Ausgangssignal des Reglerglieds einem Begrenzungsglied zugeführt und dessen Ausgangssignal abhängig von der Reibung des Antriebssystems verändert und entsprechend dem Verhältnis der erfassten Drehzahl und der Drehzahl der Polradscheibe verändert, insbesondere entsprechend der Getriebeübersetzung eines zwischen Motor und Polradscheibe angeordneten Getriebes verändert wird, und als Sollwertvorgabe für den den Motor speisenden Wechselrichter verwendet wird. Von Vorteil ist dabei, dass Reibung und Übersetzung berücksichtigbar sind. Die Drehzahl ist dabei aus Ist-Geschwindigkeit, Getriebeübersetzung und wirksamem Radius berechenbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Antriebssystem einen zweiten Polradantrieb mit demselben Reglerpfad auf, wobei erster und zweiter Polradantrieb nicht gleichzeitig in der zweiten Betriebsart betrieben werden. Von Vorteil ist dabei, dass während der zweiten Betriebsart eines der beiden Polradantriebe der jeweils andere in der ersten Betriebsart betreibbar ist. Somit ist ein alternierendes Messen ausführbar und trotzdem eine Antriebskraft für das Fahrzeug bereit stell bar.
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Wichtige Merkmale bei dem Antriebssystem sind, dass zumindest zwei Polradantriebe am Fahrzeug angeordnet sind, so dass eine Relativgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu einem Reaktionsteil erzeugbar ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit erhöhbar ist. Außerdem ist ein schnelles Bremsen ausführbar, indem die Scheiben der Polradscheiben entgegengesetzt gedreht werden. Außerdem ist der optimale Betriebspunkt der Polradscheiben ausnutzbar. Denn eine geeignete Rampe ermöglicht das Anpassen des Sollwerteverlaufs an den Wirkungsgrad des Antriebssystems.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Regelung für einen Wirbelstromantrieb 19 gezeigt.
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In der 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt der 1 gezeigt.
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In der 3 ist der andere Ausschnitt der 1 vergrößert gezeigt.
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Dabei ist der auf einem Fahrzeug vorgesehene Wirbelstromantrieb mit zumindest zwei Polradantrieben ausgeführt. Jeder Polradantrieb weist einen Getriebemotor auf, also ein von einem Elektromotor angetriebenes Getriebe, welches eine mit an ihrem Umfang mit Dauermagneten besetzte Scheibe antreibt, welche an einem Metallteil, insbesondere aus Aluminium, entlang vorbeigedreht wird. Auf diese Weise werden Wirbelströme im Reaktionsteil erzeugt und somit eine Antriebskraft wirksam. Das Reaktionsteil erstreckt sich parallel zur Kraftrichtung und somit auch Bewegungsrichtung des auf dem Fahrzeug vorgesehenen Wirbelstromantriebs. Das Fahrzeug ist vorzugsweise ein Schienenfahrzeug, wobei das Reaktionsteil sich parallel zur Schiene erstreckt.
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Das Fahrzeug ist also als Mobilteil mit Fahrwerk, insbesondere entlang der Schiene bewegbaren Rädern oder Rollen, ausgeführt. Die Schiene ist vorzugsweise selbst als Reaktionsteil ausführbar, so dass nur eine geringe Teilezahl erforderlich ist. Die Räder oder Rollen des Fahrzeugs weisen keine Antriebsfunktion auf sondern bewirken die Bewegbarkeit des Fahrzeugs entlang der Schiene.
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Die Elektromotoren der Polradantriebe sind als Synchronmotoren ausführbar. Die Drehachsen der mit Dauermagneten besetzten Scheiben sind parallel ausgerichtet oder alternativ erzeugen die beiden Polräder eine zueinander parallele Vortriebskraft.
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Auf dem Fahrzeug ist auch eine Steuerung angeordnet, welche die die Elektromotoren der Polradantriebe speisenden Umrichter ansteuert. Das Fahrzeug wird vorzugsweise berührungslos mit Energie versorgt. Hierzu ist entlang der Schiene ein Primärleiter verlegt, der mit einem mittelfrequenten Wechselstrom beaufschlagt wird, so dass eine am Fahrzeug angeordnete Sekundärwicklung, welche induktiv an den langgestreckt verlegten Primärleiter angekoppelt angeordnet ist, Energie zur Versorgung der Polradantriebe bereit stellt.
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Durch Aufmodulation höher frequenter Stromanteile sind auch Informationen übertragbar ans Fahrzeug oder vom Fahrzeug an eine übergeordnete stationär angeordnete Steuerung.
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Erfindungsgemäß wird die Geschwindigkeit, also die Relativgeschwindigkeit zwischen Polradantrieb und Schiene beziehungsweise Reaktionsteil, sensorlos geregelt, also ohne Erfassung der Streckenposition des Fahrzeugs und ohne Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
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Erfasst werden jeweils die Drehzahl einer jeweiligen an ihrem Umfang mit Dauermagneten besetzten Scheibe und der Motorstrom des die jeweilige Scheibe antreibenden Motors.
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Im synchronen Betrieb, also bei Gleichheit einer Kreisgeschwindigkeit der Dauermagnete und der Relativgeschwindigkeit, verschwindet der Motorstrom; nur bei Beschleunigung, also bei die Relativgeschwindigkeit übersteigender Kreisgeschwindigkeit, und bei Bremsbeschleunigung, also bei die Relativgeschwindigkeit unterschreitender Kreisgeschwindigkeit, ist ein nicht verschwindender Motorstrom vorhanden.
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Bei der Erfindung wird jeder Polradantrieb in zwei verschiedenen Betriebsarten alternierend betrieben. Dabei wird in erster Betriebsart die Geschwindigkeit, insbesondere Drehzahl, des Motors auf eine Solldrehzahl hin geregelt. Die zweite Betriebsart dient der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit. Die zweite Betriebsart wird nur in kurzen Zeitintervallen aktiviert. Somit wird überwiegend die erste Betriebsart aktiviert.
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Die beiden Polantriebe werden nicht gleichzeitig in der zweiten Betriebsart betrieben. Vorzugsweise ist der Zeitabschnitt, in welchem der erste Polantrieb in der zweiten Betriebsart betrieben wird, zeitlich beabstandet von demjenigen Zeitabschnitt, in welchem der zweite Polantrieb in der zweiten Betriebsart betrieben wird.
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Das Umschalten der Betriebsarten wird durch die Schalter 10 bewirkt, die von Block 2, also dem Geschwindigkeitskorrekturbestimmungsmittel 2, angesteuert werden. Dabei wird in einer ersten Schalterstellung, die der zweiten Betriebsart zugeordnet ist, eine feste Solldrehzahl vorgegeben In der anderen Schalterstellung, also in der ersten Betriebsart, wird das korrigierte und kompensierte Ausgangssignal des Geschwindigkeitsreglers statt der Solldrehzahl vorgegeben.
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In der ersten Betriebsart wird der Regelung jedes Polantriebs als Sollwert ein von dem Profilerzeugungsmittel 1 vorgegebener Sollwerteverlauf vorgegeben, auf den sie hinregelt.
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Dieser Sollwerteverlauf ist derart vom Profilerzeugungsmittel 1 bestimmt, dass ein maximal erlaubter Ruck nicht überschritten wird, eine maximal erlaubte Beschleunigung eingehalten wird und eine maximal erlaubte Bremsbeschleunigung eingehalten wird. Außerdem wird der Sollwerteverlauf auf einen maximal erlaubten Geschwindigkeitsbetrag beschränkt. Ebenso wird ein minimaler Geschwindigkeitsbetrag eingehalten. Der Sollwerteverlauf ist vorzugsweise von einem Anfangswert zu einem Zielgeschwindigkeitswert hin ausgeführt. Somit ist der Sollwerteverlauf auch als Geschwindigkeitsrampe bezeichenbar.
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Die vom Profilerzeugungsmittel 1 erzeugte Sollgeschwindigkeit wird einem Differenzbildner zugeführt, der die Differenz zwischen der Sollgeschwindigkeit und dem Istwert, also der aktuellen Geschwindigkeit, bestimmt. Diese Differenz wird dem Geschwindigkeitsreglerglied 4, vorzugsweise einem linearen Reglerglied, wie PI-Regler, zugeführt.
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Das Ausgangssignal des Geschwindigkeitsreglerglieds 4 wird um einen Vorsteuerwert der Beschleunigungsvorsteuerung 18 vergrößert, welcher dem Ausgangssignal des Profilerzeugungsmittels 1 entspricht. Der so durch Aufsummation des Vorsteuerwerts auf das Ausgangssignal des Geschwindigkeitsreglerglieds 4 entstandene Stellwert wird einem Begrenzer 5 zugeführt, dessen Ausgangssignal, also begrenztes Signal, einem Proportionalglied 6, insbesondere also P-Glied zur Massenanpassung, zugeführt wird. Dabei hängt der Proportionalfaktor von der Masse des Fahrzeugs und vom Auf- beziehungsweise Anbau der Polradscheibe ab und bestimmt die Umrechnung von der jeweils gewünschten Beschleunigung zur resultierenden Differenzdrehzahl der beiden Polradantriebe.
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Das Ausgangssignal des Proportionalglieds 6 wird durch Aufsummieren eines aus der Kompensation 7 der Reibung sich ergebenden Wertes vergrößert und zusätzlich vergrößert um einen Wert 8, der sich aus der aktuellen Geschwindigkeit durch Anpassung an die Getriebeübersetzung und an den Radius ergibt. Auf diese Weise ist die so bestimmte Solldrehzahl dem Polradantrieb vorgebbar.
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Der jeweilige Polradantrieb weist ein Mittel zum Erfassen der Drehzahl der an ihrem Umfang mit Dauermagneten besetzten Scheibe auf. Diese erfasste Drehzahl wird einem Proportionalglied zur Bestimmung des Drehzahlanteils der aktuellen Geschwindigkeit zugeführt.
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Der jeweilige Polradantrieb weist ein Mittel zum Erfassen des Motorstromes des Elektromotors des Polradantriebs auf. Dieser erfasste Strom wird einem Proportionalglied zur Bestimmung des Stromanteils, also Schlupfanteils, der aktuellen Geschwindigkeit zugeführt.
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Die aktuelle Geschwindigkeit, also Relativgeschwindigkeit, wird durch Summation des Stromanteils und des Drehzahlanteils gebildet und nachfolgend tiefpassgefiltert, wie durch den Block 9 dargestellt ist.
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Die so bestimmte Relativgeschwindigkeit wird dem Mittel 2 zur Geschwindigkeitskorrektur zugeführt. Dieses Mittel 2 verwendet dieses Relativgeschwindigkeitssignal zur Bestimmung eines korrigierten Wertes für Relativgeschwindigkeit. Die Korrektur der Werte erfolgt über den Block 3, der die Proportionalitätskonstante KI des Proportionalglieds 12 anpasst. Somit wird der dem erfassten Motorstrom entsprechende Wert des Schlupfes, also des Unterschieds der Drehzahl der Scheibe zur synchronen Drehzahl, also Drehzahl eines gedachten, auf der Schiene ohne Schlupf abrollenden Rades, genauer bestimmbar.
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Außerdem steuert dieses Mittel 2 die Schalter 10 zur Auswahl der Betriebsart an.
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Somit wird in der zweiten Betriebsart die Relativdrehzahl möglichst genau bestimmbar und mit diesem Ergebnis dann in der ersten Betriebsart der Parameter KI korrigiert.
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Von der übergeordneten Steuerung PLC 17 wird also erfindungsgemäß in der zweiten Betriebsart die Geschwindigkeit des Polradantriebs derart mittels Vorgabe eines entsprechenden Drehzahl-Sollwerts für den Polradantrieb vorgegeben, dass der erfasste Motorstrom verschwindet. Dies erfolgt vorzugsweise derart dass ein Sollwert vorgegeben wird, danach der sich einstellende Motorstrom erfasst wird und dann der Sollwert derart verändert wird, insbesondere um einen Wert, dass der Motorstrom kleiner wird. Dies wird solange wiederholt, bis ein verschwindender Motorstrom detektiert wird. Auf diese Weise wird also der Polradantrieb auf eine derartige Drehzahl gebracht, dass diese der synchronen Drehzahl entspricht, also kein Schlupf vorhanden ist und somit auch kein Motorstrom.
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Bei der synchronen Drehzahl wird das Fahrzeug weder gebremst noch beschleunigt.
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Auf diese Weise ist also von der übergeordneten Steuerung PLC 17 die synchrone Drehzahl bestimmbar. Somit ist aber auch die Relativgeschwindigkeit exakt bestimmbar, indem die Drehzahl mit dem effektiven Umfang der Polradscheibe multipliziert wird, wobei auch die Getriebeübersetzung mittels Multiplikation der Drehzahl mit der Getriebeübersetzung zu berücksichtigen ist. Somit gilt also V = 2πrn/im wobei im die Getriebeübersetzung des zwischen dem antreibenden Synchronmotor des Polradantriebs und der Polradscheibe des Polradantriebs angeordneten Getriebes des Polradantriebs ist, r der effektive Radius der Polradscheibe ist und n die Drehzahl der Rotorwelle des Synchronmotors des Polradantriebs ist.
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Der Parameter Kn ist somit aus der Getriebeübersetzung und dem effektiven Radius bestimmbar. Der Parameter KI ist durch Messung anpassbar, so dass die miteinander aufsummierten Ausgangssignale der Proportionalglieder 11 und 12 der wirklichen Relativgeschwindigkeit auch in der ersten Betriebsart entsprechen. Somit ist dann die aktuelle Relativgeschwindigkeit v bestimmbar gemäß v = n·Kn + I·KI, wobei I der Motorstrom, insbesondere die Sollstromvorgabe für den Motor des Polradantriebs, und n die Drehzahl des Polradantriebs, insbesondere erfasste Drehzahl des Polradantriebs, ist.
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Beim Umschalten von der zweiten zur ersten Betriebsart des jeweiligen Polradantriebs wird auf den vom Profilerzeugungsmittel 1 vorgegebenen Sollwerteverlauf hingeregelt.
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Dabei ist die Geschwindigkeit korrigiert vorgegeben vom Mittel 2 zur Geschwindigkeitskorrektur. Während der Zeitdauer der zweiten Betriebsart wird von den beiden Polradantrieben nicht dasselbe Drehmoment erzeugt. wenn ein Antrieb in der zweiten Betriebsart ist, wirkt dieser nicht mehr unterstützend; denn die Kräfte bei der Drehzahlanpassung sind vernachlässigbar; die jeweils anderen Antriebe müssen dann mehr Kraft aufwenden. Diese Ungleichmäßigkeit oder nicht gleichverteilte Belastungen der Polradantriebe führen zu einer Störkraftbelastung 14.
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Der Regelpfad 15 für den ersten Motor gleicht dem Regelpfad 16 für den zweiten Motor. Somit werden die beiden Regelpfade (15, 16) beziehungsweise Polradantriebe von der Steuerung 17, insbesondere PLC, gleichartig angesteuert.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Polradantrieb stationär angeordnet und das Reaktionsteil samt Schiene bewegbar. Hierzu sind Führungsteile zur Führung der Schiene ebenfalls stationär angeordnet, wobei die Führungsteile vorzugsweise Rollen zur Führung des jeweiligen Schienenteils aufweisen.
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Bei der Erfindung ist also in jedem Ausführungsbeispiel wichtig, dass der Betriebsmodus, also die erste oder zweite Betriebsart, immer wieder verändert wird. Der Messbetrieb und der Normalbetrieb werden also ständig abwechselnd ausgeführt.
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Zur Erhöhung der Sicherheit wird die Geschwindigkeit redundant ausgewertet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Profilerzeugung
- 2
- Geschwindigkeitskorrektur
- 3
- Parameteridentifikation
- 4
- Geschwindigkeitsregelung
- 5
- Begrenzung
- 6
- P-Glied Massenanpassung
- 7
- Kompensation Reibung
- 8
- Anpassung Getriebeübersetzung und Radius
- 9
- Filter
- 10
- Umschalter
- 11
- P-Glied Drehzahlanteil
- 12
- P-Glied Stromanteil
- 13
- Elektromotor
- 14
- Störkraft
- 15
- Regelpfad für den ersten Motor
- 16
- Regelpfad für den zweiten Motor
- 17
- Steuerung, insbesondere PLC
- 18
- Beschleunigungsvorsteuerung
- 19
- Antriebseinheit mit Polradscheiben
- 20
- Geschwindigkeitsschätzung
