DE102021127387A1

DE102021127387A1 - Verfahren zur automatischen Überführung einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange

Info

Publication number: DE102021127387A1
Application number: DE102021127387.0A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Tissen
Original assignee: KIEPE ELECTRIC GmbH
Current assignee: KIEPE ELECTRIC GmbH
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-04-27
Also published as: WO2023066966A1; CA3235205A1; EP4419370A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Überführung mindestens einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange (2), insbesondere eines Oberleitungsbusses (100), von einer Startposition (3) in eine, insbesondere einer Kontaktposition an einer Oberleitung (200) entsprechende, Endposition (4), wobei der Endposition (4) mindestens ein Positions-Sollwert (φS) zugeordnet wird, mindestens ein Positions-Istwerts (φ) einer aktuellen Position der Stromabnehmerstange (2) erfasst wird und die Stromabnehmerstange (2) automatisch um mindestens eine Achse (5, 6) verschwenkt wird, wobei aus einer Positionsabweichung (Δφ) des erfassten Positions-Istwerts (φ) von dem Positions-Sollwert (φS) eine Soll-Geschwindigkeit (ωS) ermittelt und zur Vermeidung eines Überschwingens beim Erreichen der Endposition dynamisch auf eine dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit (ωB) begrenzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Überführung mindestens einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange, insbesondere eines Oberleitungsbusses, von einer Startposition in eine, insbesondere einer Kontaktposition an einer Oberleitung entsprechende, Endposition, wobei der Endposition mindestens ein Positions-Sollwert zugeordnet wird, mindestens ein Positions-Istwerts einer aktuellen Position der Stromabnehmerstange erfasst wird und die Stromabnehmerstange automatisch um mindestens eine Achse verschwenkt wird. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Stromabnehmersystem zur Anordnung auf einem Fahrzeugdach, insbesondere eines Oberleitungsbusses, mit mindestens einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange, welche zur Überführung von einer Startposition in eine Endposition, welcher mindestens ein Positions-Sollwert zugeordnet ist, automatisch um mindestens eine Achse verschwenkbar ist, mit einer Regeleinheit zur Regelung der Überführung und mit mindestens einem Mittel zur Erfassung mindestens eines Positions-Istwerts der aktuellen Position der Stromabnehmerstange.
Solche Stromabnehmersysteme werden eingesetzt, um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug zur Energieversorgung mit einer Oberleitung zu verbinden. Um das Fahrzeug mit der sich über ihm befindlichen Oberleitung verbinden zu können, ist das Stromabnehmersysteme möglichst nahe an der Oberleitung und damit üblicherweise auf dem Fahrzeugdach angebracht und mit mindestens einer Stromabnehmerstange ausgestattet. Um das Fahrzeug über die Stromabnehmerstange mit der Oberleitung zu kontaktieren, lässt sich die Stromabnehmerstange um eine horizontale Achse an ihrem angelenkten Ende und somit in einer vertikalen Ebene verschwenken, so dass der vertikale Abstand eines freien Endes der Stromabnehmerstange zum Fahrzeugdach verändert werden kann.
Bei diesem Verschwenken wird die Stromabnehmerstange von einer Startposition, wie beispielsweise einer Ruheposition, in welcher die Stromabnehmerstange auf dem Fahrzeugdach aufliegt, in eine Endposition überführt. Soll das Fahrzeug mit der Oberleitung verbunden werden, was auch als Andrahten bezeichnet wird, so wird als Endposition eine Kontaktposition verwendet, in welcher das freie Ende der Stromabnehmerstange an der Oberleitung anliegt. Gleichwohl kann bei einem die Verbindung lösenden Abdrahten die Startposition der Kontaktposition und die Endposition der Ruheposition der Stromabnehmerstange entsprechen.
Insbesondere bei nicht-schienengebundenen Fahrzeugen, wie beispielsweise Oberleitungsbussen, welche auch als Trolleybusse bezeichnet werden, kann das Fahrzeug während der Überführung in die Endposition nicht parallel unter der Oberleitung, sondern in einem Winkel oder versetzt zu dieser stehen. Bei einigen Stromabnehmersystemen lässt sich die Stromabnehmerstange zum Ausgleich daher auch um eine vertikale Achse und somit in einer horizontalen Ebene verschwenken.
Zumeist wird die Stromabnehmerstange noch weitgehend manuell mit der Oberleitung kontaktiert. Dabei führt der Fahrer die Positionierung in horizontaler Richtung, d. h. das Verschwenken um die vertikale Achse, manuell durch. Wie weit die Stromabnehmerstange verschwenkt werden muss, schätzt er dabei optisch ab. Nach der Positionierung in der horizontalen Richtung löst der Fahrer eine Verriegelung der Stromabnehmerstange, so dass sich ihr freies Ende angetrieben durch eine Feder in vertikaler Richtung nach oben bewegt. Um kleinere Fehler bei der manuellen horizontalen Positionierung zu kompensieren, ist die Oberleitung mit einem Fangtrichter ausgestattet, welcher das freie Ende der Stromabnehmerstange einfängt und zur Oberleitung führt. Sollte der Fahrer die Stromabnehmerstange in horizontaler Ebene nicht ausreichend genau ausgerichtet haben, kann diese gleichwohl die Oberleitung und den Fangtrichter verfehlen. In diesem Fall müsste die Stromabnehmerstange zeitaufwändig wieder in die Startposition gebracht und die Positionierung erneut durchgeführt werden. Bei dem Erreichen der Oberleitung wird die Stromabnehmerstange durch die mechanisch gespannte Oberleitung abgebremst, wobei die Oberleitung nachgibt, bis ihre Spannung die auf die Stromabnehmerstange wirkende Federkraft ausgleicht.
Da diese Überführung mit einer erheblichen mechanischen Belastung sowohl der Oberleitung als auch der Stromabnehmerstange verbunden ist, kommen zunehmend auch automatische Überführungen zum Einsatz. Bei diesen wird der Endposition ein Positions-Sollwert zugeordnet, welchen der Stromabnehmerstange in zumindest einer Ebene nach der Überführung einnehmen soll. Ein zu automatischen Überführungen ausgelegtes Stromabnehmersystem weist zudem mindestens ein Mittel zur Erfassung mindestens eines Positions-Istwerts auf. Dieser Positions-Istwert gibt die aktuelle Position der Stromabnehmerstange in zumindest einer Ebene wieder. Zur Regelung der Überführung der Stromabnehmerstange weisen solche Stromabnehmersysteme eine Regeleinheit auf, welche das automatische Verschwenken der Stromabnehmerstange um mindestens eine Achse anhand des Positions-Sollwerts und des Positions-Istwerts regelt.
Bei diesem automatischen Verschwenken kann die Stromabnehmerstange stärker abgebremst werden als rein durch die gespannte Oberleitung. Jedoch erfolgt das Abbremsen der Stromabnehmerstange auch bei diesen Verfahren zur automatischen Überführung erst, sobald der Positions-Istwert den Positions-Sollwert erreicht hat, die Stromabnehmerstange also zum Beispiel an der Oberleitung anliegt. Aufgrund der Trägheit kommt die Stromabnehmerstange nicht unmittelbar beim Erreichen des Positions-Sollwerts zum Halt. Vielmehr tritt ein Überschwingen auf, bei welchem sich der Positions-Istwert über den Positions-Sollwert hinaus ändert. Durch die elastischen Eigenschaften der einseitig angelenkten und ca. 6 m langen Stromabnehmerstange wird dieses Überschwingen noch zusätzlich verstärkt. Denn selbst bei einem abrupten Halt des angelenkten Endes der Stromabnehmerstange käme es zu einem peitschenartigen Überschwingen des freien Endes.
Dieses Überschwingen wirkt sich negativ auf die zur Überführung benötigte Zeit aus. Denn durch das Überschwingen entspricht der Positions-Istwert nicht dem Positions-Sollwert, sobald die Stromabnehmerstange zum Halt kommt. Die Stromabnehmerstange muss dann wieder in entgegengesetzter Richtung hin zum Positions-Sollwert bewegt werden. Auch hierbei kann wiederum ein Überschwingen auftreten. Daher muss ein zeitintensiver Einschwingvorgang durchlaufen werden, bis der Positions-Istwert mit dem Positions-Sollwert für eine ruhenden Stromabnehmerstange übereinstimmen und die Überführung abgeschlossen ist. Ein Überschwingen in der vertikalen Ebene führt zudem zu einer mechanischen und zum Verschließ beitragenden Belastung der Oberleitung. Ein Überschwingen in der horizontalen Ebene kann über dies dazu führen, dass die Oberleitung beim Andrahten verfehlt wird und der gesamten Andrahtvorgang erneut durchgeführt werden muss.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, eine zuverlässige und zeitsparende Überführung einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange von einer Startposition in eine Endposition zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass aus einer Positionsabweichung des erfassten Positions-Istwerts von dem Positions-Sollwert eine Soll-Geschwindigkeit ermittelt und zur Vermeidung eines Überschwingens beim Erreichen der Endposition dynamisch auf eine dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit begrenzt wird.
Aus der Positionsabweichung des erfassten Positions-Istwerts von dem Positions-Sollwert kann die Soll-Geschwindigkeit auf einfache Weise, insbesondere anhand einer Zeitvorgabe, ermittelt werden. Durch die dynamische, d. h. in ihrer Stärke von der gegenwärtigen Position, insbesondere von dem Positions-Istwert, abhängige und sich mit dieser ändernden, Begrenzung der Soll-Geschwindigkeit kann eine Regelung mit einer zu hohen Soll-Geschwindigkeit, welche zu einem Überschwingen führen würde, verhindert werden. Auf einfache Weise können die elastischen Eigenschaften der Stromabnehmerstange durch die dynamische Begrenzung berücksichtigt werden. Durch die dynamische Begrenzung kann die Soll-Geschwindigkeit begrenzt werden und als dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit zur Regelung der Überführung des Stromabnehmerstange hin zum Positions-Sollwert genutzt werden. Die Überführung der Stromabnehmerstange von der Startposition in die Endposition kann ohne ein Überschwingen in einer möglichst kurzen Zeit abgeschlossen werden.
Der Positions-Sollwert und/oder der erfasste Positions-Istwert kann beispielsweise eine Höhe gegenüber dem Fahrzeugdach, ein Winkel um die horizontale Achse und/oder ein Winkel um die vertikale Achse sein.
Bevorzugt wird zur Überführung mehrerer Stromabnehmerstangen jede Stromabnehmerstange in eine eigene Endposition überführt. Beispielsweise können bei zweipoligen Fahrleitungssystemen, bei welchen ein Fahrzeug über zwei Oberleitungen mit Energie versorgt wird, jeder Stromabnehmerstange eine eigene Kontaktposition an einer der beiden Oberleitungen zugeordnet sein.
In vorteilhafter Weise erfolgt die dynamische Begrenzung der Soll-Geschwindigkeit abhängig von der Positionsabweichung des Positions-Istwerts vom Positions-Sollwert. Eine nicht nur vom Positions-Istwert, sondern von der Positionsabweichung abhängige dynamische Begrenzung gestattet es auf einfache Art und Weise, die Stärke der Begrenzung der Soll-Geschwindigkeit von der zum Abschluss der Überführung noch zu überwindenden Positionsabweichung zu machen. Die Stärke der dynamischen Begrenzung kann dabei in eine feste Relation zum Wert der Positionsabweichung gesetzt werden.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn relativ zur dynamischen Begrenzung bei größeren Positionsabweichungen eine stärkere dynamische Begrenzung bei kleineren Positionsabweichungen erfolgt. Indem bei kleinerem Positionsabweichungen, bei denen die Stromabnehmerstange nur noch über eine vergleichsweise kurze Distanz bis in die Endposition bewegt werden muss, eine stärkere dynamische Begrenzung erfolgt, kann eine zu hohe und zu einem Überschwingen führende Soll-Geschwindigkeit zum Ende der Überführung hin vermieden werden. Solange die Positionsabweichungen vergleichsweise groß sind, kann die dynamische Begrenzung schwächer ausfallen, so dass die dynamische begrenzte Soll-Geschwindigkeit höhere Werte annehmen kann, um ein schnelles Anfahren des Positions-Sollwertes zum Anfang der Überführung zu ermöglichen. Die Stärke der dynamischen Begrenzung kann dabei umgekehrt proportional zur Positionsabweichung sein. Bei Annäherung des Positions-Istwerts an den Positions-Sollwert kann durch die dynamische Begrenzung ein zunehmend kleinerer Wertebereich zulässiger dynamisch begrenzter Soll-Geschwindigkeiten vorgegeben werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit aus der Positionsabweichung und einem linearen Berechnungsfaktor ermittelt. Die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit kann auf diese Weise über ein lineares Verhältnis aus der Positionsabweichung hervorgehen. Der lineare Berechnungsfaktor kann als Faktor des linearen Terms bei der Berechnung der Soll-Geschwindigkeit aus der Positionsabweichung einfließen. In besonders einfacher Art und Weise kann die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit als Produkt der Positionsabweichung und des linearen Berechnungsfaktors ermittelt werden. Der lineare Berechnungsfaktor kann in einem reziproken Verhältnis zu einer vorgegebenen Überführungszeit oder zu einem verbleibenden Bruchteil einer vorgegebenen Überführungszeit stehen, insbesondere kann der lineare Berechnungsfaktor der Kehrwert der Überführungszeit oder des verbleibenden Bruchteils der Überführungszeit sein. Bei der Überführungszeit kann es sich um eine vorgebbare Zeit, nach welcher die Überführung der Stromabnehmerstange von der Startposition in die Endposition im abgeschlossen sein soll, oder einen groben Richtwert für diese Zeit handeln. Bei dem verbleibenden Bruchteil kann es sich um die gegenwärtig noch nicht abgelaufene Zeit der mit Start der Überführung beginnenden vorgegebenen Überführungszeit handeln.
Bevorzugt wird zur dynamischen Begrenzung eine maximal zulässige Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Positionsabweichung vorgegeben, insbesondere als Lookup-Tabelle mit einzelnen Positionsabweichungen oder Positionsabweichungsbereichen zugeordneten maximal zulässigen Geschwindigkeiten. Über eine maximal zulässige Geschwindigkeit, welche in Abhängigkeit von der Positionsabweichung vorgegeben wird, kann auf einfache Art und Weise ein Schwellenwert zur dynamischen Begrenzung vorgegeben werden. Diese durch die maximal zulässige Geschwindigkeit positionsabweichungsabhängig vorgegebene Schwelle kann die dynamische begrenzte Soll-Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Positionsabweichung begrenzen. Eine Lookup-Tabelle ermöglicht es auf einfache Art und Weise, für vorgegebene Positionsabweichungen maximal zulässige Geschwindigkeiten individuell vorzugeben oder für mehrere einen Positionsabweichungsbereich bildende Werte der Positionsabweichung eine gemeinsame maximale zulässige Geschwindigkeit zuzuordnen und so zur dynamischen Begrenzung vorzugeben. Die maximal zulässigen Geschwindigkeiten können beispielsweise im Bereich von 0,4 Grad pro Sekunde bis 20 Grad pro Sekunde liegen. Für größere Positionsabweichungen können dabei höhere maximal zulässige Geschwindigkeiten als für kleinere Positionsabweichungen vorgegeben werden. Die Änderung der maximal zulässigen Geschwindigkeit kann bei kleineren Positionsabweichungen größer sein als bei größeren Positionsabweichungen, so dass die maximal zulässige Geschwindigkeit in einem nichtlinearen Verhältnis zur Positionsabweichung steht. Beispielsweise kann bei einer Positionsabweichung von 20 Grad die maximal zulässige Geschwindigkeit 7 Grad pro Sekunde betragen und für geringer werdende Positionsabweichungen rapide fallen.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit und die maximal zulässige Geschwindigkeit zur dynamischen Begrenzung miteinander verglichen werden. Durch einen solchen Vergleich der zu begrenzenden Soll-Geschwindigkeit mit der maximal zulässigen Geschwindigkeit kann auf einfache Weise zur dynamischen Begrenzung festgestellt werden, ob die Soll-Geschwindigkeit einen durch die maximal zulässige Geschwindigkeit vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder nicht. Die weitere dynamische Begrenzung kann vom Ergebnis des Vergleichs abhängig gemacht werden. Insbesondere kann die maximal zulässige Geschwindigkeit als begrenzte Soll-Geschwindigkeit genutzt werden, wenn die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit den durch die maximal zulässige Geschwindigkeit vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Wenn der Vergleich ergibt, dass die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit unterhalb der maximal zulässigen Geschwindigkeit liegt, kann die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit zur dynamischen Begrenzung weiterverarbeitet werden oder als dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit zur Überführung genutzt werden.
Ferner kann der Wert der maximal zulässigen Geschwindigkeit, sofern die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit betragsmäßig größer als die maximal zulässige Geschwindigkeit ist, oder der Wert der zu begrenzenden Soll-Geschwindigkeit, sofern die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit betragsmäßig kleiner als die maximal zulässige Geschwindigkeit ist, als Wert der dynamisch begrenzten Soll-Geschwindigkeit benutzt werden. Auf diese Weise kann durch die maximal zulässige Geschwindigkeit ein richtungsunabhängiges Geschwindigkeitsfester für die Soll-Geschwindigkeit vorgegeben werden, innerhalb dessen die Soll-Geschwindigkeit nicht zu groß ist und daher zur weiteren Regelung als dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit genutzt werden kann. Erst eine außerhalb dieses Fensters liegende Soll-Geschwindigkeit kann zur dynamischen Begrenzung abgeschnitten und somit durch die maximal zulässige Geschwindigkeit ersetzt werden. Jenseits der maximal zulässigen Geschwindigkeit liegende Soll-Geschwindigkeiten, welche zu einem Überschwingen führen würden, können auf diese Weise einfach begrenzt werden. Über die maximal zulässige Geschwindigkeit kann die Größe dieses zur dynamischen Begrenzung genutzten Geschwindigkeitsfensters auf einfache Weise positionsabweichungsabhängig vorgegeben werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird aus dem erfassten Positions-Istwert eine Ist-Geschwindigkeit ermittelt. Durch die Ermittlung der Ist-Geschwindigkeit aus dem erfassten Positions-Istwert kann die gegenwärtige Geschwindigkeit der Stromabnehmerstange bei der Regelung mitberücksichtigt werden. Die Ermittlung der Ist-Geschwindigkeit aus dem erfassten Positions-Istwert kann auf einfache Weise durch eine, insbesondere diskrete, zeitliche Ableitung erfolgen. Das Ergebnis der Ableitung kann tiefpassgefiltert werden, um insbesondere durch die Ableitung diskreter Messwerte als Artefakte auftretende Spitzen herauszufiltern.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus der dynamisch begrenzten Soll-Geschwindigkeit und der Ist-Geschwindigkeit eine Stellgröße, insbesondere ein Pneumatikdruck, insbesondere zum Verschwenken der Stromabnehmerstange ermittelt. Indem die zum Verschwenken der Stromabnehmerstange dienende Stellgröße, bei welcher es sich beispielsweise um einen Pneumatikdruck, einen Hydraulikdruck, eine Motorgeschwindigkeit oder eine Schrittgeschwindigkeit handeln kann, aus der dynamisch begrenzten Soll-Geschwindigkeit und Ist-Geschwindigkeit ermittelt wird, kann die Stellgröße zur Anpassung der Ist-Geschwindigkeit an die dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit genutzt werden. Die Stellgröße kann an die zum Verschwenken der Stromabnehmerstange genutzte Aktuatoren weitergegeben werden, so dass die Ist-Geschwindigkeit über die Stellgröße erhöht oder verringert wird, um den durch die dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit vorgegebenen Wert anzunehmen. Insbesondere zum Regeln des Verschwenkens der Stromabnehmerstange, um eine horizontale Achse, d. h. eines Verschwenkens in einer vertikalen Ebene, kann der Stellgröße ein Offset-Wert zur Kompensation der Erdanziehungskraft hinzugefügt werden.
Ferner kann die Stellgröße als Ausgangsgröße einer Proportional-Integral-Regelung mit der Differenz der dynamisch begrenzten Soll-Geschwindigkeit und der Ist-Geschwindigkeit als Eingangsgröße ermittelt werden. Indem die Differenz der dynamisch begrenzten Soll-Geschwindigkeit und der Ist-Geschwindigkeit als Eingangsgröße der Proportional-Integral-Regelung genutzt wird, kann ein Überschwingen auf einfache Weise verhindert werden, wie es bei einer allein anhand der Winkeländerung erfolgenden konventionellen Regelung aufgrund der Trägheit, der an einem Ende erfolgenden Anlenkung und des sich so ergebenen großen Hebelarms der Stromabnehmerstange nicht möglich wäre, da eine solche konventionelle Regelung übersteuern würde. In konstruktiv vorteilhafter Weise kann die Proportional-Integral-Regelung mittels eines PI-Reglers erfolgen. Dieser PI-Regler kann zusammen mit einem die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit und maximal zulässige Geschwindigkeit miteinander vergleichenden Begrenzungsglied und/oder einem die Differenz der dynamischen begrenzten Soll-Geschwindigkeit und der Ist-Geschwindigkeit ermittelnden Subtraktionsglied eine bauliche Einheit bilden, insbesondere können die Funktionen des PI-Reglers, des Begrenzungsglieds und/oder des Subtraktionsglieds durch ein gemeinsames Bauteil umgesetzt werden.
Besonderes bevorzugt wird die Stromabnehmerstange automatisch um eine horizontale Ache und eine vertikale Achse verschwenkt. Das Verschwenken um die horizontale Achse und um die vertikale Achse kann parallel oder seriell erfolgen. Vorzugsweise wird der Endposition mindestens ein Positions-Sollwert für das Verschwenken um die horizontale Achse und mindestens ein Positions-Sollwert für das Verschwenken um die vertikale Achse zugeordnet. Ebenso kann für die horizontale Achse und die vertikale Achse jeweils mindestens ein Positions-Istwert einer aktuellen Position der Stromabnehmerstange erfasst werden. Auf diese Weise können die Verschwenkungen um die horizontale Achse und um die vertikale Achse getrennt voneinander erfasst und/oder geregelt werden. Die beschriebenen Verfahrensschritte zur automatischen Überführung können für das Verschwenken um die horizontale Achse und das Verschwenken um die vertikale Achse getrennt und insbesondere unabhängig voneinander durchgeführt werden. Durch das Verschwenken um die horizontale Achse und um die vertikale Achse kann insbesondere bei nicht-schienengebundenen Fahrzeugen ein Winkelversatz in der horizontalen Ebene zwischen der Fahrzeugausrichtung und dem Verlauf der Oberleitung ausgeglichen werden. Durch das automatische Verschwenken um die horizontale Achse und um die vertikale Achse kann zudem die gesamte Überführung der Stromabnehmerstange in die Endposition vollständig automatisch erfolgen, insbesondere ohne einen manuellen Eingriff.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Stromabnehmerstange kontinuierlich von der Startposition in die Endposition überführt wird. Durch die kontinuierliche Überführung der Stromabnehmerstange von der Startposition in die Endposition kann auf ein Zwischenstoppen oder ein Vorpositionieren bei der Bewegung um mindestens eine Achse verzichtet werden. Es kann ein verfahrenstechnisch einfacheres und schnelleres Überführen erzielt werden. Die kontinuierliche Überführung kann als eine gleichzeitig um mindestens zwei Achsen erfolgende, insbesondere eine horizontale Achse und eine vertikale Achse, kontinuierliche Bewegung durchgeführt werden. Eine kontinuierliche Überführung von der Startposition in die Endposition einer um zwei Achsen erfolgende, insbesondere um eine horizontale und eine vertikale Achse, verschwenkbaren Stromabnehmerstange kann alternativ als zwei seriell durchgeführte kontinuierliche Bewegungen durchgeführt werden. In einer ersten kontinuierlichen Bewegung kann die Stromabnehmerstange kontinuierlich um die erste Achse auf einen ersten der Endposition zugeordneten Positions-Sollwert geschwenkt werden und hieran anschließend kontinuierlich um die zweite Achse auf einen zweiten der Endposition zugeordneten Positions-Sollwert verschwenkt werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der mindestens eine Position-Istwert als Winkel-Istwert erfasst wird. Ein Winkel-Istwert kann bei einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange auf einfache Weise als ein die Position angebender Positions-Istwert erfasst werden. Aus dem Winkel-Istwert kann auf einfache Weise eine WinkelGeschwindigkeit ermittelt werden. Bei einer mehrere Achsen verschwenkbaren Stromabnehmerstange kann für jede Achse mindestens ein Positions-Istwert als Winkel-Istwert erfasst werden. Bei dem in der Endposition zugeordneten Positions-Sollwert kann es sich um einen Winkel-Sollwert oder einen Höhe-Sollwert handeln.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein erfasster Winkel-Istwert zur Regelung des Verschwenkens um eine horizontale Achse in einen Höhen-Istwert umgewandelt wird. Die Umwandlung eines erfassten Winkel-Istwerts in einen Höhen-Istwert kann eine einfache Verarbeitung ermöglichen, insbesondere bei einem als ein Höhen-Sollwert vorliegenden Positions-Sollwert. Ein Höhen-Istwert kann zudem an das Bedienpersonal, insbesondere einen Fahrer, ausgegeben und von diesem zur Überwachung der Überführung besser erfasst und verstanden werden als ein Winkel-Istwert. Die Umwandlung des erfassten Winkel-Istwerts in einen Höhen-Istwert kann unter Berücksichtigung der Länge der Stromabnehmerstange erfolgen. Die Umwandlung in einen Höhen-Istwert erfolgt vorzugsweise, insbesondere unmittelbar, nach dem Erfassen des Winkel-Istwerts. Für die weiteren Verfahrensschritte zur automatischen Überführung, insbesondere bei der Ermittlung der Positionsabweichung, kann der in einen Höhen-Istwert umgewandelte erfasste Winkel-Istwert in der zuvor beschriebenen Art und Weise genutzt werden.
Bevorzugt wird die Endposition aus Sensordaten ermittelt und/oder aus einer Datenbank entnommen. Die Endposition kann als Winkel um eine horizontale Achse, als Winkel um eine vertikale Achse und/oder als Höhendifferenz mit Bezug auf eine horizontale Achse über Sensoren ermittelt oder aus einer Datenbank entnommen werden. In der Datenbank können die Höhen sowie der Verlauf der Oberleitungen eines gesamten Oberleitungsnetzes hinterlegt sein. Aus der in der Datenbank hinterlegten Höhe der Oberleitung und der Höhe des Fahrzeugdachs kann die Höhendifferenz in Bezug auf die Höhe des Fahrzeugdachs ermittelt werden. Über die Höhendifferenz und die Länge der Stromabnehmerstange kann ein der Position zugeordneter Positions-Sollwert auf einfache Weise bestimmt werden.
Bei einem Stromabnehmersystem der eingangs genannten Art wird zur Lösung der vorstehenden Aufgabe vorgeschlagen, dass die Regeleinheit dazu eingerichtet ist, aus einer Positionsabweichung eines erfassten Positions-Istwerts von dem Positions-Sollwert eine Soll-Geschwindigkeit zu ermitteln und zur Vermeidung eines Überschwingens beim Erreichen der Position dynamisch auf eine dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit zu begrenzen.
Aus der Positionsabweichung des erfassten Positions-Istwerts von dem Positions-Sollwert kann die Soll-Geschwindigkeit auf einfache Weise, insbesondere anhand einer Zeitvorgabe, ermittelbar sein. Durch die dynamische, d. h. in ihrer Stärke von der gegenwärtigen Position, insbesondere von dem Positions-Istwert, abhängige und sich mit dieser ändernden, Begrenzung der Soll-Geschwindigkeit kann die Regeleinheit eine zu hohe Soll-Geschwindigkeit, welche zu einem Überschwingen führen würde, verhindern. Durch die dynamische Begrenzung sind elastische Eigenschaften der Stromabnehmerstange berücksichtigbar. Die Soll-Geschwindigkeit kann durch die dynamische Begrenzung von der Regeleinheit begrenzt werden als dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit zur weiteren Regelung der Überführung der Stromabnehmerstange hin zum Positions-Sollwert nutzbar sein. Die Stromabnehmerstange ist von der Startposition ohne ein Überschwingen in einer möglichst kurzen Zeit überführbar.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale können einzeln oder in Kombination auch bei dem Stromabnehmersystem zur Anwendung kommen. Es ergeben sich die gleichen Vorteile, welche bereits beschrieben wurden.
Gemäß einer konstruktiven Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Stromabnehmersystem zur Verwendung in einem zwei Oberleitungen aufweisenden zweipoligen Fahrleitungssystem zwei, insbesondere unabhängig voneinander verschwenkbare, Stromabnehmerstangen aufweist. Jeder der Stromabnehmerstangen kann eine eigene Regeleinheit oder eine gemeinsame Regeleinheit zur Regelung der Überführung zugeordnet sein. Jeder der Stromabnehmerstangen kann an einer eigenen Endposition an einer der beiden Oberleitungen überführbar sein, wobei insbesondere drei voneinander überführbare Stromabnehmerstangen auf einfache Art und Weise ein Andrahten an eine der individuell geführten Oberleitungen ermöglichen können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Regeleinheit Teil eines modularen Steuergeräts, insbesondere mit digitalen und/oder analogen Eingängen oder Ausgängen. Ein modulares Steuergerät kann auf einfache Weise das Stromabnehmersystem und/oder das gesamte Fahrzeug steuern. Durch den modularen Aufbau des Steuergeräts kann dieses auf einfache Weise an unterschiedliche Oberleitungsnetze, geänderter Betriebsbedingungen und/oder unterschiedliche Fahrzeugtypen anpassbar sein. Digitale und/oder analoge Ein- und Ausgänge ermöglichen eine einfache Verbindung zu Sensoren und/oder Erfassungsmitteln, wie beispielsweise ein Mittel zur Erfassung eines Positions-Istwerts. Das modulare Steuergerät kann einen Steuerrechner umfassen, um einzelne Steuerungs- und Regelungsschritte auf besonders einfache Weise softwaretechnisch implementieren zu können.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn das Stromabnehmersystem pneumatische Aktuatoren zum Verschwenken der Stromabnehmerstange um eine horizontale Achse und/oder eine vertikale Achse aufweist. Pneumatische Aktuatoren können ein einfaches und kostensparendes Verschwenken der Stromabnehmerstange um eine Achse gestatten. Die pneumatischen Aktuatoren können mit einem pneumatischen System des Fahrzeugs verbindbar sein. Jeder Achse, um welche die Stromabnehmerstange verschwenkbar ist, können mindestens zwei pneumatische Aktuatoren zugeordnet sein. Diese mindestens zwei pneumatischen Aktuatoren können einander entgegengesetzt auf die Stromabnehmerstange wirken, um ein Hin- und Herschwenken dieser um die Achse zu ermöglichen.
In einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung weist das Stromabnehmersystem Sensoren zur Erfassung der relativen Lage einer Oberleitung, insbesondere relativ zum Fahrzeugdach, auf. Mit den Sensoren kann die relative Lage einer Oberleitung gegenüber dem Stromabnehmersystem und insbesondere gegenüber dem Fahrzeugdach erfassbar sein. Die Regeleinheit und/oder das modulare Steuergerät kann eingerichtet sein, um die Sensordaten verarbeiten und aus der erfassten relativen Lage der Oberleitung die Endposition und insbesondere mindestens einen der Endposition zugeordneten Positions-Sollwert ermitteln zu können. Mit den Sensoren kann die relative Lage der Oberleitung als Winkel und/oder als Abstand erfassbar und zur Verarbeitung weitergebbar sein.
Außerdem können die zur Positionierung notwendigen Werte, insbesondere mindestens ein der Endposition zugeordneter Positions-Sollwert, bezogen auf eine definierte Fahrzeugposition im Oberleitungsnetz als Daten in einem Steuergerät hinterlegt sein. Abhängig von der Fahrzeugposition im Oberleitungsnetz kann der passende Datensatz als Vorgabe für die Stromabnehmersteuerung verwendet werden. Das Stromabnehmersystem kann zur Ermittlung der Fahrzeugposition im Oberleitungsnetz eine Ortsbestimmungsvorrichtung, insbesondere ein GPS-System, aufweisen oder mit einer, insbesondere fahrzeugeigenen, Ortsbestimmungsvorrichtung verbindbar sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eines erfindungsgemäßen Stromabnehmersystems sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung exemplarisch erläutert werden: Darin zeigt:

1a, 1b ein Fahrzeug mit einem Stromabnehmersystem von der Seite sowie von oben,
2 den zeitlichen Verlauf des Positions-Istwerts und der Ist-Geschwindigkeit bei einem Verfahren zum automatischen Überführen gemäß dem Stand der Technik,
3 den zeitlichen Verlauf des Positions-Istwerts und der Ist-Geschwindigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und
4 den schematischen Aufbau einer Regeleinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1a und 1b zeigen einen Oberleitungsbus 100, welcher über ein Stromabnehmersystem 1 mit einem aus zwei Oberleitungen 200 bestehenden Leitungsnetz verbunden ist. Das Stromabnehmersystem 1 ist auf dem Fahrzeugdach 110 angeordnet. Um den Oberleitungsbus 100 mit den Oberleitungen 200 zu verbinden, weist das Stromabnehmersystem zwei Stromabnehmerstangen 2 auf. Solange der Oberleitungsbus 100 nicht über die Oberleitungen 200 mit Energie versorgt werden muss, liegen die Stromabnehmerstangen 2 in ihrer jeweiligen Ruheposition auf dem Fahrzeugdach 110 auf.
Soll nunmehr eine Verbindung mit den Oberleitungen 200 hergestellt werden, so werden die Stromabnehmerstangen 2 jeweils in eine Kontaktposition gebracht, in welcher diese an den jeweils einer Oberleitung 200 anliegen. Über die Stromabnehmerstangen 2 wird in der Kontaktposition eine elektrische Verbindung zwischen dem Oberleitungsbus 100 und den Oberleitungen 200 hergestellt, was auch als Andrahten bezeichnet wird. Bei diesem Andrahten wird jede der Stromabnehmerstangen 2 somit von ihr eine Startposition 3 darstellende Ruheposition in ihre eine Endposition 4 darstellende Kontaktposition überführt. Jeder der Stromabnehmerstangen 2 weist dabei ein angelenktes Ende 2.1 auf, um welches die Stromabnehmerstange 2 um eine horizontal verlaufende Achse 5 sowie eine vertikal verlaufende Achse 6 verschwenkt werden kann, so dass ein freies Ende 2.2 der jeweiligen Stromabnehmerstange 2 relativ zum Oberleitungsbus 200 im Raum bewegt werden kann, um mit einer der Oberleitungen 200 in Kontakt gebracht zu werden. Um dieses Verschwenken um die Achsen 5, 6 zu ermöglichen, weist das Stromabnehmersystem 1 mehrere Aktuatoren 18 auf, welche ein Verschwenken um die jeweilige Achse 5, 6 ermöglichen und im gezeigten Ausführungsbeispiel als pneumatische Zylinder ausgestaltet sind.
Bei der Überführung von der Startposition 3 in die Endposition 4 wird die Stromabnehmerstange 2 bei einem Verschwenken um die horizontale Achse 5 in einer vertikalen Ebene angehoben, wie dies in 1a zusammen mit mehreren Zwischenschritten dargestellt ist. Auf diese Weise wird das freie Ende 2.2 der Stromabnehmerstange 2 auf die Höhe der Oberleitung 200 angehoben. Beim Verschwenken um die vertikale Achse 6 wird die Stromabnehmerstange 2 in einer horizontalen Ebene zur Seite verschwenkt, wie dies in 1 gezeigt ist. Jede der beiden Stromabnehmerstangen 2 ist dabei um eine eigene vertikale Achse 6 verschwenkbar, welche parallel zueinander verlaufen und die gemeinsame horizontale Achse 5 im Wesentlichen rechtwinklig schneiden. Durch das Verschwenken in der horizontalen Ebene kann die Position der Stromabnehmerstange 2 an den Leitungsverlauf der Oberleitung 200 angepasst werden, wenn der Oberleitungsbus 100 beispielsweise in einem Winkel zur Oberleitung 200 oder seitlich versetzt zu dieser steht, wie in 1b gezeigt.
Für jede Achse 5, 6 ist sowohl der Endposition 4 als auch der Startposition 3 jeweils ein Positions-Sollwert φ_S bzw. ein Positions-Startwert φ₀ zugeordnet, bei welchem es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um jenen Winkel handelt, welchen die Stromabnehmerstange 2 beim Verschwenken um die jeweilige Achse 5, 6 in der Endposition 4 bzw. der Startposition 3 einnimmt. Um eine automatische Überführung der Stromabnehmerstange 2 in die Endposition 4 zu ermöglichen, kann das Stromabnehmersystem 1 die aktuelle Position der Stromabnehmerstange 2 erfassen. Hierzu weist das Stromabnehmersystem 1 für jede der Achsen 5, 6 mindestens ein Mittel zur Erfassung eines Positions-Istwerts auf φ auf, bei welchem es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um den Winkel um die jeweilige Achse 5, 6 handelt, in welchem die Stromabnehmerstange 2 aktuell steht. Der Positions-Istwert φ, der Positions-Startwert φ₀ und der Positions-Sollwert φ_S können dabei relativ zur Ruheposition der Stromabnehmerstange 2 erfasst werden, so dass der Positions-Startwert φ₀ für das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel den Wert Null annehmen kann, da die gezeigte Überführung von der Ruheposition als Startposition 3 aus erfolgt.
Anders als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur automatischen Überführung der Stromabnehmerstange 2 kommt es bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu einem Überschwingen der Stromabnehmerstange 2 über den der Endposition 4 zugeordneten Positions-Sollwert φ_S hinaus, wie dies in 1a gezeigt ist. Aufgrund der Trägheit der Stromabnehmerstange 2 bewegt sich diese dabei nach dem Erreichen des Positions-Sollwerts φ_S weiter und kommt erst an einer Überschwung-Position φ_U zum Stillstand. Um die Überführung in die Endposition 4 abschließen zu können, muss die Stromabnehmerstange 2 daher von der Überschwung-Position cpu zurück zum Positions-Sollwert cps geführt werden, was die bekannten Überführungsverfahren zeitaufwändig macht. Ein solches Überschwingen der Stromabnehmerstange 2 bewirkt zudem eine ungewollte mechanische Belastung der Oberleitung 200 durch die von der Stromabnehmerstange auf diese ausgeübte Kraft und birgt hierüberhinaus die Gefahr, dass die Oberleitung 200, beispielsweise durch ein Überschwingen, in der horizontalen Ebene verfehlt wird.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Positions-Istwerts φ sowie der Ist-Geschwindigkeit ω der Stromabnehmerstange 2 bei einer bekannten automatischen Überführung. Die Überführung der Stromabnehmerstange 2 von der Startposition 3 in die Endposition 4 beginnt zum Zeitpunkt t₀, zu welchem der Positions-Istwert φ dem Positions-Startwert φ₀ entspricht. Ausgehend vom Positions-Startwert φ₀ wird die Stromabnehmerstange 2 beschleunigt, so dass ihre Ist-Geschwindigkeit ω ansteigt. Aufgrund der Trägheit der Stromabnehmerstange 2 erfolgt der Anstieg der Ist-Geschwindigkeit ω nicht sprunghaft, sondern über eine gewisse Zeit hinweg, bis die Ist-Geschwindigkeit ω einen weitgehend konstanten Wert annimmt. Mit dieser Ist-Geschwindigkeit ω nähert sich der Positions-Istwert φ dem der Endposition 4 zugeordneten Positions-Sollwert φ_S bis zum Zeitpunkt t₁ an, zu welchem der Positions-Istwert φ dem Positions-Sollwert φ_S entspricht. Ab diesem Zeitpunkt t₁ wird die Ist-Geschwindigkeit ω reduziert, kann aufgrund der Trägheit der Stromabnehmerstange 2 jedoch nicht sprunghaft auf null gesetzt werden, so dass sich die Stromabnehmerstange 2 und damit auch ihr Positions-Istwert φ weiter und über den Positions-Sollwert φ_S hinaus ändert.
Erst zum Zeitpunkt t₂ hat die Ist-Geschwindigkeit ω den Wert Null erreicht, so dass die Stromabnehmerstange 2 zum Halt kommt. Zum Zeitpunkt t₂ nimmt die Stromabnehmerstange 2 jedoch die vom Positions-Sollwert φ_S abweichende Überschwung-Position φ_U ein. Um die Überführung in die Endposition 4 abschließen zu können, d. h. den Positions-Istwert φ mit dem Positions-Sollwert φ_S für eine ruhende Stromabnehmerstange 2 in Deckung zu bringen, muss der Positions-Istwert φ von der Überschwung-Position φ_U auf den Positions-Sollwert φ_S zurückgebracht werden. Hierzu wird die Stromabnehmerstange 2 in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wobei die Ist-Geschwindigkeit ω einen negativen Wert annimmt. Zum Zeitpunkt t₃ entspricht der Positions-Istwert φ dann dem Positions-Sollwert φ_S, während die Ist-Geschwindigkeit ω gleichzeitig null ist. Erst unter diesen Bedingungen ist die ohne menschlichen Eingriff erfolgende automatische Überführung abgeschlossen.
Der zeitliche Verlauf des Positions-Istwerts φ und der Ist-Geschwindigkeit ω ist in 2 vereinfacht dargestellt. Bei der praktischen Umsetzung können zwischen Zeitpunkt t₂ und dem Zeitpunkt t₃ noch weitere Überschwingungen über den Positions-Sollwert φ_S hinaus erfolgen, so dass die Überführung erst nach einem längeren Einschwingvorgang abgeschlossen werden kann.
3 zeigt im Gegensatz zu 2 den zeitlichen Verlauf des Positions-Istwerts φ und der Ist-Geschwindigkeit ω bei einer Überführung der Stromabnehmerstange 2 von der Startposition 3 in die Endposition 4 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Auch hier beginnt der Positions-Istwert φ zum Startzeitpunkt T₀ der Überführung bei dem Positions-Startwert φ₀ und wird durch die ansteigende Ist-Geschwindigkeit ω in Richtung des Positions-Sollwerts φ_S verändert. Aufgrund der dynamischen und von der Positionsabweichung Δφ abhängigen Begrenzung, auf welche untenstehend näher eingegangen wird, verringert eine die Überführung regelnde Regeleinheit 10 des Stromabnehmersystems 1 die Ist-Geschwindigkeit ω bereits zu einem Zeitpunkt t₁, zu welchem der Positions-Istwert φ noch nicht mit dem Positions-Sollwert φ_S übereinstimmt. Die Stromabnehmerstange 2 wird beim erfindungsgemäßen Verfahren bereits abgebremst, wenn die Positionsabweichung Δφ des erfassten Positions-Istwerts φ vom Positions-Sollwert φ_S noch ungleich null ist.
Aufgrund der Trägheit der Stromabnehmerstange 2 kann die Ist-Geschwindigkeit ω ab dem Zeitpunkt t₁ nur stetig, jedoch nicht schlagartig reduziert werden. Entsprechend bewegt sich der Positions-Istwert φ auch nach dem Zeitpunkt t₁ weiterhin in Richtung des Positions-Sollwert φ_S. Die Ist-Geschwindigkeit ω nimmt erst zum Zeitpunkt t₂ den Wert Null an, so dass die Stromabnehmerstange 2 zur Ruhe kommt. Die erfindungsgemäße dynamische Begrenzung ist derart ausgelegt, dass der Positions-Istwert φ zum Zeitpunkt t₂ dem Positions-Sollwert φ_S entspricht und die Überführung somit ohne ein Überschwingen und insbesondere ohne Einschwingvorgang abgeschlossen wird. Die einseitig angelenkte Stromabnehmerstange 2 wird bei der Annäherung an den Position-Sollwert φ_S derart sanft abgebremst, dass es zu keinem peitschenartigen Überschwingen des freien Endes 2.2 kommt. Die Endposition 2 wird daher zeitsparend und zuverlässiger angefahren.
Wie in 3 zu erkennen, wird der Positions-Istwert φ kontinuierlich vom Positions-Startwert φ₀ hin zum Positions-Sollwert φ_S überführt. Diese kontinuierliche Überführung kann dabei sowohl für den Positions-Istwert φ einer Verschwenkung um die Achse 5 als auch für den Positions-Istwert φ einer Verschwenkung um die Achse 6 erfolgen. Da die Positions-Istwerte φ der Verschwenkungen um die horizontale Achse 5 und um die vertikale Achse 6 voneinander unabhängig Koordinaten eines sphärischen Koordinatensystems darstellen, können diese einzelnen kontinuierlichen Überführungen in die Positions-Sollwerte φ_S parallel oder in Serie durchgeführt werden.
4 zeigt den schematischen Aufbau der Regeleinheit 10, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur automatischen Überführung genutzt wird. Als Eingangsgrößen dieser Regelung dienen zum einen der Positions-Sollwert φ_S und zum anderen der Positions-Istwert φ. Der Positions-Sollwert φ_S kann dabei beispielsweise aus einer Datenbank, in welcher die Höhe der Oberleitung 200 oder ein zur Kontaktierung durch die Stromabnehmerstange 2 einzunehmender Winkel ortsaufgelöst hinterlegt ist, abhängig von der Position des Oberleitungsbusses 100 entnommen werden oder aus Sensordaten eines zur Erfassung der relativen Lage der Oberleitung 200 dienenden Sensors des Stromabnehmersystems 1 ermittelt werden.
Der Positions-Istwert φ wird von dem mindestens einen zu dessen Erfassung vorgesehenen Mittel des Stromabnehmersystems 1 erfasst. Sollte der Positions-Istwert φ von dem Mittel zu dessen Erfassung als ein Winkel-Istwert erfasst werden, der Positions-Sollwert φ_S jedoch als ein Längenmaß vorliegen, wie beispielsweise eine Höhe über dem Fahrzeugdach 110, so kann zuvor eine in der Figur nicht dargestellte Umwandlung erfolgen. Bei dieser Umwandlung wird der erfasste Winkel-Istwert in einen Höhen-Istwert umgewandelt und dieser als Positions-Istwert φ im weiteren Verfahren genutzt. Alternativ kann auch der Positions-Sollwert φ_S in ein Winkelmaß umgewandelt werden. Mittels der bekannten Länge der verschwenkbaren Stromabnehmerstange 2 ist eine solche Konvertierung von einem sphärischen Koordinatensystem in ein kartesisches Koordinatensystem bzw. von einem kartesischen Koordinatensystem in ein sphärisches Koordinatensystem auf einfache Weise möglich.
Aus dem Positions-Istwert φ und dem Positions-Sollwert φ_S wird die Positionsabweichung Δφ durch Subtraktion ermittelt. Die Positionsabweichung Δφ wird zum einen als Eingangsgröße an einen Multiplizierer 12 weitergegeben. Zusammen mit einem vorgebbaren Berechnungsfaktor B ermittelt dieser eine Soll-Geschwindigkeit ω_S. Der Berechnungsfaktor B kann dabei aus einem verbleibenden Bruchteil einer für die Durchführung der gesamten Überführung von der Startposition in die Endposition vorgegebenen Überführungszeit bestimmt werden, insbesondere kann es sich um den Wert dieses Bruchteils handeln. Der Multiplizierer 12 multipliziert diesen Berechnungsfaktor B dann mit der Positionsabweichung Δφ und gibt die Soll-Geschwindigkeit ω_S aus, welche so in einem linearen Verhältnis zur Positionsabweichung Δφ mit dem Berechnungsfaktor B als linearen Faktor steht. Diese Soll-Geschwindigkeit ω_S entspricht dabei jener Geschwindigkeit, mit welcher der Positions-Istwert φ konstant in Richtung des Positions-Sollwerts φ_S bewegt werden müsste, um innerhalb der Überführungszeit mit diesen in Übereinstimmung gebracht zu werden. Sollte die Überführungszeit bereits abgelaufen sein, so kann der Multiplizierer 12 eine hinterlegte und zur Bewegung der Stromabnehmerstange 2 durch die Aktuatoren maximal erzielbare Geschwindigkeit als Soll-Geschwindigkeit ω_S ausgeben.
Bei der Bestimmung dieser Soll-Geschwindigkeit ω_S wird das Vermeiden eines Überschwingens zunächst nicht berücksichtigt, so dass es zu einem wie im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Überschwingen kommen könnte, wenn diese Soll-Geschwindigkeit ω_S einfach zur Überführung genutzt würde.
Um einem Überschwingen entgegenzuwirken, wird die Positionsabweichung Δφ zum anderen zur dynamischen Begrenzung über eine maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max genutzt. In einem Betragsglied 11.1 wird dabei zunächst der Betrag der Positionsabweichung Δφ ermittelt, so dass das weitere Verfahren unabhängig davon durchgeführt werden kann, ob der der Endposition 4 zugeordnete Positions-Sollwert φ_S größer oder kleiner als der Positions-Istwert φ der aktuellen Position der Stromabnehmerstange 2 ist.
Das Betragsglied 11.1 kann Teil der nachgeschalteten und die maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max ermittelnden Regelungskomponente sein, welche in dem dargestellten Beispiel als Lookup-Tabelle 11 ausgestaltet ist. In der Lookup-Tabelle 11 sind unterschiedliche maximal zulässige Geschwindigkeiten hinterlegt, welche einzelnen Positionsabweichungen zugeordnet sind. Die aus dem Positions-Istwert φ und dem Positions-Sollwert φ_S ermittelte Positionsabweichung Δφ wird mit diesen hinterlegten Positionsabweichungen verglichen. Die maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max wird abhängig vom Vergleichsergebnis aus den hinterlegten maximal zulässigen Geschwindigkeiten ausgewählt oder per Interpolation zwischen den hinterlegten maximal zulässigen Geschwindigkeiten, deren hinterlegte Positionsabweichungen der Positionsabweichung Δφ am nächsten kommen, ermittelt. Die in der Lookup-Tabelle 11 hinterlegten Werte der maximal zulässigen Geschwindigkeit können mit abnehmenden Werten der ihnen zugeordneten Positionsabweichungen ebenfalls abnehmen. Auf diese Weise ermittelt die Lookup-Tabelle 11 zunehmend kleinere maximal zulässige Geschwindigkeiten ω_max, umso näher sich der Positions-Istwert φ dem Positions-Sollwert φ_S annähert, d. h. umso kleiner die Positionsabweichung Δφ wird.
Alternativ zu der Lookup-Tabelle 11, in welcher einzelne Wertepaare von Positionsabweichungen und maximalen Geschwindigkeiten oder Positionsabweichungsbereiche und ihnen zugeordnete maximale Geschwindigkeiten hinterlegt sind, kann ein Berechnungsglied genutzt werden, in welchem eine Funktion zur Berechnung der maximal zulässigen Geschwindigkeit ω_max in Abhängigkeit der Positionsabweichung Δφ genutzt wird. Diese Funktion kann derart gestaltet sein, dass bei abnehmenden Positionsabweichungen Δφ auch die maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max abnimmt, insbesondere in einem nicht linearen Verhältnis.
Durch die mit fallenden Positionsabweichungen Δφ zunehmend kleineren Werte der maximal zulässigen Geschwindigkeit ω_max wird eine dynamische Begrenzung ermöglicht, bei welcher für kleinere Positionsabweichungen Δφ eine stärkere Begrenzung erfolgt als bei größeren Positionsabweichungen Δφ.
Die ermittelte maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max wird zusammen mit der Soll-Geschwindigkeit ω_S an ein Begrenzungsglied 14 weitergeleitet. Da das Vorzeichen der Soll-Geschwindigkeit ω_S davon abhängt, ob der Positions-Istwert φ von einem oberhalb oder unterhalb des Positions-Sollwerts φ_S liegenden Positions-Startwert φ₀ in den Positions-Sollwert φ_S überführt werden soll, wird die maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max dem Begrenzungsglied 14 zusätzlich über einen Invertierer 15 als Eingangsgröße zuführt. Da dem Begrenzungsglied 14 somit die maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max, als auch der durch den Invertierer 15 invertierte Wert der maximal zulässigen Geschwindigkeit ω_max zugeführt wird, welche somit faktisch einen im negativen Bereich liegenden Minimalwert einer zulässigen Geschwindigkeit vorgibt, wird dem Begrenzungsglied 14 ein Geschwindigkeitsfenster zulässiger Geschwindigkeiten vorgegeben.
Zur dynamischen Begrenzung vergleicht das Begrenzungsglied 14 nunmehr die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit ω_S und die maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max miteinander. Sollte die Soll-Geschwindigkeit ω_S außerhalb des durch die maximal zulässige Geschwindigkeit ω_max vorgegebenen Geschwindigkeitsfensters liegen, so wird die maximal zulässige Gesamtgeschwindigkeit ω_max als dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit ω_B vom Begrenzungsglied 14 ausgegeben. Sollte die Soll-Geschwindigkeit ω_S hingegen innerhalb des Geschwindigkeitsfensters liegen, so wird der Wert der Soll-Geschwindigkeit ω_S als Wert der dynamisch begrenzten Soll-Geschwindigkeit ω_B vom Begrenzungsglied 14 ausgegeben und im Weiteren genutzt. Durch diese dynamische Begrenzung, welche von der Positionsabweichung Δφ des Positions-Istwerts φ vom Positions-Sollwert φ_S abhängt, werden bei großen Positionsabweichungen Δφ zum Anfang der Überführung noch vergleichsweise große dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeiten ω_B zugelassen, während bei zunehmender Abnahme der Positionsabweichung Δφ zum Ende der Überführung hin eine stärkere dynamische Begrenzung und somit zunehmend kleinere dynamische begrenzte Soll-Geschwindigkeit ω_B zur Vermeidung eines Überschwingens über dem Positions-Sollwert φ_S hinaus zugelassen werden.
Parallel zur Ermittlung der dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit ω_B wird aus dem Positions-Istwert φ und einem Zeitsignal t die Ist-Geschwindigkeit ω durch ein Ableitungsglied 13 ermittelt. Das Zeitsignal t kann dabei einer Zyklus-Zeit entsprechen, welche die Regeleinheit zum Durchlauf eines Regelzyklus benötigt. Sowohl die Ist-Geschwindigkeit Ω als auch die dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit ω_B werden als Eingangssignale an ein Subtraktionsglied 16 weitergegeben, welches ein Geschwindigkeitsdifferenz Δω ermittelt.
Die Geschwindigkeitsdifferenz Δω wird an einen PI-Regler 17 weitergeleitet, welcher anhand dieser eine zum Verschwenken der Stromabnehmerstange 2 dienende Stellgröße A ermittelt. Das Subtraktionsglied 16 und der PI-Regler 17 bilden dabei eine Proportional-Integral-Regelung mit der dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit ω_B und der Ist-Geschwindigkeit ω als Eingangsgrößen und der Stellgröße A als Ausgangsgröße.
Insbesondere bei einem Stromabnehmersystem 1 mit pneumatischen Aktuatoren 18 kann es sich bei der Stellgröße um den zum Verschwenken der Stromabnehmerstange 2 um eine der Achsen 5, 6 dienenden Pneumatikdruck handeln. Durch die Stellgröße A wird eine Veränderung der Position der Stromabnehmerstange und somit eine Änderung des Positions-Istwerts φ_S bewirkt. Nach der Ausgabe der Stellgröße A erfolgt daher erneut eine Erfassung des Positions-Istwerts φ, so dass die voranstehend beschriebenen Regelschritte solange zyklisch durchlaufen werden, bis bei ruhender Stromabnehmerstange 2 der Positions-Istwert φ dem Positions-Sollwert cps entspricht.
Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur automatischen Überführung einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange 2 von einer Startposition 3 in eine Endposition 4 sowie dem Stromabnehmersystem 1 wird eine zuverlässige und zeitsparende Überführung der Stromabnehmerstange 2 ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Stromabnehmersystem
2: Stromabnehmerstange
2.1: Ende
2.2: Ende
3: Startposition
4: Endposition
5: Achse
6: Achse
10: Regeleinheit
11: Lookup-Tabelle
11.1: Betragsglied
12: Multiplizierer
13: Ableitungsglied
14: Begrenzungsglied
15: Invertierer
16: Subtraktionsglied
17: PI-Regler
18: Aktuator
100: Oberleitungsbus
110: Fahrzeugdach
200: Oberleitung
φ0: Positions-Startwert
φ: Positions-Istwert
φS: Positions-Sollwert
φU: Überschwung-Position
Δφ: Positionsabweichung
ω: Ist-Geschwindigkeit
ωS: Soll-Geschwindigkeit
ωB: dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit
ωmax: maximal zulässige Geschwindigkeit
Δω: Geschwindigkeitsdifferenz
A: Stellgröße
B: Berechnungsfaktor
t: Zeit

Claims

Verfahren zur automatischen Überführung mindestens einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange (2), insbesondere eines Oberleitungsbusses (100), von einer Startposition (3) in eine, insbesondere einer Kontaktposition an einer Oberleitung (200) entsprechende, Endposition (4), wobei der Endposition (4) mindestens ein Positions-Sollwert (φ_S) zugeordnet wird, mindestens ein Positions-Istwerts (φ) einer aktuellen Position der Stromabnehmerstange (2) erfasst wird und die Stromabnehmerstange (2) automatisch um mindestens eine Achse (5, 6) verschwenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Positionsabweichung (Δφ) des erfassten Positions-Istwerts (φ) von dem Positions-Sollwert (φ_S) eine Soll-Geschwindigkeit (ω_S) ermittelt und zur Vermeidung eines Überschwingens beim Erreichen der Endposition dynamisch auf eine dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit (ω_B) begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Begrenzung der Soll-Geschwindigkeit (ω_S) abhängig von der Positionsabweichung (Δφ) des Positions-Istwerts (φ) vom Positions-Sollwert (φ_S) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass relativ zur dynamischen Begrenzung bei größeren Positionsabweichungen (Δφ) eine stärkere dynamische Begrenzung bei kleineren Positionsabweichungen (Δφ) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit (ω_S) aus der Positionsabweichung (Δφ) und einem linearen Berechnungsfaktor (B) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur dynamischen Begrenzung eine maximal zulässige Geschwindigkeit (ω_max) in Abhängigkeit vor der Positionsabweichung (Δφ) vorgegeben wird, insbesondere als Lookup-Tabelle mit einzelnen Positionsabweichungen oder Positionsabweichungsbereichen zugeordneten maximal zulässigen Geschwindigkeiten.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur dynamischen Begrenzung die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit (ω_S) und die maximal zulässige Geschwindigkeit (ω_max) miteinander verglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der maximal zulässigen Geschwindigkeit (ω_max), sofern die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit (ω_S) betragsmäßig größer als die maximal zulässige Geschwindigkeit (ω_max) ist, oder der Wert der zu begrenzenden Soll-Geschwindigkeit (ω_S), sofern die zu begrenzende Soll-Geschwindigkeit (ω_S) betragsmäßig kleiner als die maximal zulässige Geschwindigkeit (ω_max) ist, als Wert der dynamisch begrenzten Soll-Geschwindigkeit (ω_B) genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem erfassten Positions-Istwert (φ) eine Ist-Geschwindigkeit (ω) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit (ω_B) und der Ist-Geschwindigkeit (ω) eine Stellgröße (A), insbesondere ein Pneumatikdruck, zum Verschwenken der Stromabnehmerstange (2) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (A) als Ausgangsgröße einer Proportional-Integral-Regelung (16, 17) mit der Differenz der dynamisch begrenzten Soll-Geschwindigkeit (ω_B) und der Ist-Geschwindigkeit (ω) als Eingangsgröße ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmerstange (2) automatisch um eine horizontale Achse (5) und eine vertikale Achse (6) verschwenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmerstange (2) kontinuierlich von der Startposition (3) in die Endposition (4) überführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Positions-Istwert (φ) als Winkel-Istwert erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erfasster Winkel-Istwert (φ) zur Regelung des Verschwenkens um eine horizontale Achse (5) in einen Höhen-Istwert umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endposition (4) aus Sensordaten ermittelt und/oder aus einer Datenbank entnommen wird.
Stromabnehmersystem (1) zur Anordnung auf einem Fahrzeugdach (110), insbesondere eines Oberleitungsbusses (100), mit mindestens einer verschwenkbaren Stromabnehmerstange (2), welche zur Überführung von einer Startposition (3) in eine Endposition (4), welcher mindestens ein Positions-Sollwert (φ_S) zugeordnet ist, automatisch um mindestens eine Achse (5, 6) verschwenkbar ist, mit einer Regeleinheit (10) zur Regelung der Überführung und mit mindestens einem Mittel zur Erfassung mindestens eines Positions-Istwerts (φ) der aktuellen Position der Stromabnehmerstange, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (10) dazu eingerichtet ist, aus einer Positionsabweichung (Δφ) eines erfassten Positions-Istwerts (φ) von dem Positions-Sollwert (φ_S) eine Soll-Geschwindigkeit (ω_S) zu ermitteln und zur Vermeidung eines Überschwingens beim Erreichen der Endposition dynamisch auf eine dynamisch begrenzte Soll-Geschwindigkeit (ω_B) zu begrenzen.
Stromabnehmersystem (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (10) Teil eines modularen Steuergeräts, insbesondere mit digitalen und/oder analogen Eingängen und Ausgängen, ist.
Stromabnehmersystem (1) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, gekennzeichnet durch pneumatische Aktuatoren (18) zum Verschwenken der Stromabnehmerstange (2) um eine horizontale Achse (5) und/oder eine vertikale Achse (6).
Stromabnehmersystem (1) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch Sensoren zur Erfassung der relativen Lage einer Oberleitung (200), insbesondere relativ zum Fahrzeugdach (110).