DE19539652A1 - Verfahren zur verschleißorientierten Kraftschlußregelung mit variablem Arbeitsintervall für Triebfahrzeuge mit stromrichtergespeisten Fahrmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelung des stromrichtergespeisten Fahrmotors eines Triebfahrzeugs aber auch von gebremsten Laufachsen in der Art, daß sich das Arbeitsintervall auf der Kraftschlußkennlinie (Fig. 2) in einem Bereich mit hohem Kraftschluß aber niedrigem Radschlupf bzw. niedriger Differenzgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene befindet. Dieses Intervall ist in Fig. 2 als Bereich A gekennzeichnet. Bei dieser Kraftschlußregelung ist nur die Messung der Größen erforderlich, die auch bei einer normalen Antriebsregelung benötigt werden. Die ohne Laufachsen schwierige Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund ist nicht erforderlich.

Bei bekannten Kraftschlußregelungen, wie z. B. bei den in DE 39 29 497 A1 und DE-AS 4 22 568 beschriebenen Verfahren, ist das Ziel, einen Arbeitspunkt im Kraftschlußmaximum zu finden. Dieser Betrieb rund um den Arbeitspunkt MAXIMUM in Fig. 2 bringt zwar eine geringfügig höhere Kraftschlußausnutzung (im Beispiel ca. 5%), aber auch einen überproportionalen hohen Radreifenverschleiß mit sich als ein Betrieb im Bereich A. Dies ist insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen unerwünscht. Ein Betrieb im Bereich rund um das MAXIMUM ist bei der erfindungsgemäßen Kraftschlußregelung bei entsprechender Vorgabe auch möglich, aber im Hinblick auf den Verschleiß nicht erstrebenswert. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist es, daß ein Betrieb im Bereich negativer Kennliniensteigung (Bereich B) leichter ausgeschlossen werden kann. Dort besteht die Gefahr der Selbsterregung sogenannter Slip-Stick-Schwingungen (siehe z. B. Zeitschrift "Elektrische Bahnen", Jahrgang 91 (1993), Heft 5, Seiten 163-178), die den mechanischen Antriebsstrang extrem belasten. Die Erfindung ist besonders geeignet für den Betrieb auf Kennlinien ohne ausgeprägtes Maximum (Kennlinie K2 in Fig. 2), die für feuchte, rutschige Schienenoberflächen gelten. Hier haben bekannte, das Maximum suchende Verfahren prinzipielle Schwierigkeiten und können nur mit Zusatzmaßnahmen funktionieren.

Die Erfindung basiert auf einer drehzahlgeregelten Antriebsachse und einer Suchlogik. Die Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels zeigt Fig. 1. Die Suchlogik stellt nach den Vorgabewerten MIN und MAX ein gewünschtes Arbeitsintervall im stabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie mit Hilfe einer Drehzahlregelung (2) ein. Hierbei ist MIN ein Kennwert für den Umschaltpunkt A1 mit minimaler Differenzgeschwindigkeit und MAX kennzeichnet den Umschaltpunkt A2 mit maximaler Differenzgeschwindigkeit. Die Drehzahlregelung kann mit einer in P 4435775.3 beschriebenen Regelung zur Unterdrückung der ersten und zweiten von null verschiedenen Torsionseigenschwingung zur weiteren Verringerung der Beanspruchung der Antriebskomponenten kombiniert werden (Antriebsstrangbedämpfungs­ regler).

Die Vorgabewerte können entweder fest voreingestellt sein oder vom Triebfahrzeugsführer bzw. einer Automatik als ein "Ausnutzungsverschleißgrad" vorgegeben werden. In diesem Begriff kommt zum Ausdruck, daß bei steigender Kraftschlußausnutzung auch der Verschleiß überproportional mit der Differenzgeschwindigkeit Δv ansteigt. Nur in Ausnahmenfällen wie bei Zugverspätungen sollte der "Ausnutzungsverschleißgrad" auf 100 Prozent - das heißt auf ein Fahren rund um das Maximum - eingestellt werden. Über entsprechende Kennlinienglieder (3, 4) werden dann die Werte für MIN und MAX bestimmt.

Da die Suchlogik als Ausgangsgröße eine Sollbeschleunigung herausgibt, wird diese im Integrierglied (5) zu einer Solldrehzahl gewandelt, die die Eingangsgröße z. B. für eine Drehzahlregelung darstellt (2). Dieses Verfahren ist aus der Literatur bekannt (z. B. DE-AS 42 25 683 A1). Ausgangsgröße ist ein Drehmomentsollwert oder eine proportionale Größe (Ankerstrom, drehmomentbildender Strom) für die Stromrichtersteuerung. Dieser Drehmomentwert, es kann auch ein drehmomentproportionaler Istwert verwendet werden, ist wieder ein Eingangssignal der Suchlogik.

Zur Erläuterung der Suchlogik ist in Fig. 3 als Ausführungsbeispiel ein Ablaufschema für ein Echtzeitrechnerprogramm angegeben. In diesem Beispiel ist MIN eine Prozentangabe für ein Drehmoment (95%) und MAX ist der Schwellwert für eine zeitliche Ableitung des Drehmomentes (2% _* Nennmoment/Sekunde). Anhand von Fig. 2 und Fig. 3 sowie den Versuchsergebnissen in Fig. 4 soll die Funktionsweise der Suchlogik erklärt werden. Diese Versuche wurden an einem Prüfstand durchgeführt, der das dynamische Verhalten des Antriebsstranges der Baureihe 120 einschließlich Rad-Schiene-Kontakt nachbildet. Aufgetragen sind in dem Oszillographenplot in Fig. 4 das mit einer Meßwelle gemessene Drehmoment in der Hohlwelle MMeßwelle, das nach der Zeit differenzierte Luftspaltmoment Mdif, die Sollbeschleunigung bsoll sowie die Differenzgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene Δν. Die letzte Größe kommt aus dem Rad-Schiene-Modell des Belastungsantriebes und steht der Regelung nicht zur Verfügung. Bei der Belastungsmaschine wurde eine Kraftschlußkennlinie nach Fig. 2 eingestellt, wobei sich das Kraftschlußmaximum bei 1 m/s befindet. Zum Zeitpunkt t1 (Fig. 4), dies entspricht Punkt A1 auf der Kraftschlußkennlinie, erfolgt eine Umschaltung in Zustand (14) in Fig. 3. Durch die größere Sollbeschleunigung bsoll = bmax = 0,5 m/s² beschleunigt der Radsatz schneller als das Fahrzeug, so daß sich die Differenzgeschwindigkeit erhöht. Mit wachsendem Schlupf wird jedoch die Zugkraftzunahme pro Zeit und damit die Drehmomentzunahme pro Zeit Mdif immer geringer. Das bedeutet, daß Mdif zum Zeitpunkt t2 kleiner ist als der Schwellwert MAX (Punkt A2 in der Kraftschlußkennlinie in Fig. 2), so daß jetzt Bedingung (12) erfüllt ist. Jetzt wird das augenblickliche Drehmoment in MSpeicher gespeichert (15) und die komplementäre Sollbeschleunigung bsoll = bmin = 0,05 m/s² ausgegeben. Dieser Zustand wird so lange beibehalten, bis zum Zeitpunkt t3 das aktuelle Drehmoment M kleiner ist als MIN_*MSpeicher (Punkt A1 auf der Kraftschlußkennlinie in Fig. 2). Wenn diese Bedingung (11) erfüllt ist, wird wieder auf bsoll = bmax geschaltet und der Suchzyklus beginnt von neuem. Während des gesamten Versuches bleibt die Differenzgeschwindigkeit in einem engen Intervall und deutlich unter 1 m/s, der Differenzgeschwindigkeit der maximalen Kraftschlußausnutzung.

In Abänderung des Ausführungsbeispiels ist es auch möglich, daß MIN ebenfalls ein Schwellwert für eine zeitliche Ableitung des Drehmomentes ist. Die Bedingung in (11) hieße dann Mdif < MIN, wobei MIN eine entsprechende negative Zahl ist.

Im Fall, daß die Sollzugkraft kleiner als die durch Kraftschlußregelung realisierbare ist, gibt es mehrere Möglichkeiten der Begrenzung:

• 1. Man begrenzt den Ausgang des Drehzahlreglers (2) Msoll auf das aus der Sollzugkraft ausgerechnete Drehmoment Mfzsoll. Diese Lösung ist aus DE 39 29 467 A1 bekannt. Im Fall der Begrenzung muß der Integrator (5) angehalten werden.
• 2. Die Abfrage (12) wird ergänzt um einen Vergleich des aktuellen Drehmomentes mit dem aus der Sollzugkraft ausgerechnete Drehmoment Mfzsoll. Falls das aktuelle Drehmoment zu groß ist, wird auf ein bmin geschaltet, so daß die Differenz­ geschwindigkeit und damit die aktuelle Zugkraft verkleinert wird.
• 3. Man begrenzt die Regeldifferenz zwischen Istdrehzahl und Solldrehzahl. Bei einem P-Regler gibt es kein Unterschied zu 1., bei einem auf einer Zustandsregelung basierenden Antriebsstrangbedämpfungsregler gewinnt man einen zusätzlichen Stellgrößenbereich zur Dämpfung der Torsionsschwingungen. Im Fall der Begrenzung muß der Integrator (5) angehalten werden.
• 4. Ein Nachteil der aus DE 39 29 467 A1 bekannten Lösung der Drehmomentbegrenzung ist es, daß durch die direkte Begrenzung des Drehreglerausganges keine aktive Dämpfung der Torsionsschwingungen möglich ist. In der Erfindung nach Anspruch 3 wird nicht das Drehmoment direkt begrenzt, sondern nur der Mittelwert, so daß die dynamischen Anteile zur Torsionsschwingung erhalten bleiben. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5, das anhand Fig. 6 erklärt wird. Das Sollmoment Msoll aus dem Drehzahlregler wird dabei über einen Tiefpaß (20), der die mechanischen Eigenfrequenzen des Antriebsstranges ausfiltert (soll), auf einen Komparator (21) gegeben, der das Signal mit dem zur Sollzugkraft proportionalen Drehmoment Mfzsoll vergleicht. Im Fall, daß Mfzsoll kleiner oder gleich dem Mittelwert des Sollmomentes soll ist, wird das logische Signal B für eine Begrenzung erzeugt. In diesem Fall wird von einer Umschaltlogik (22) Msoll′ = Mfzsoll + Msoll-soll gesetzt. Andernfalls wird Msoll unverändert auf Msoll′ durchgeschaltet.

Die Beschleunigungsvorgabe kann durch eine Beschleunigungsadaption z. B. nach DE-AS 42 25 683 verbessert werden. Die Erfindung ist für Fahr- und Bremsbetrieb gleichermaßen geeignet, da die Kraftschußkennlinie näherungsweise punktsymmetrisch zum Ursprung ist. Dabei müssen die Vorgabewerte MIN und MAX entsprechend angepaßt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Krafschlußregelung mit selbsttätiger Suchlogik nach Vorgabe einer Sollzugkraft (Sollbremskraft) für Schienenfahrzeuge mit drehmomentgeregeltem Antrieb (bzw. Bremse) und vorzugsweise elektrischen Fahrmotoren (Bremsen) sowie der Drehmoment­ regelung überlagerter Drehzahl oder Zustandsregelung des Antriebes, die ihren Drehzahlsollwert aus einem Integrator erhält, der seinerseits die Eingangsgröße Sollbeschleunigung aus der Suchlogik bekommt, dadurch gekennzeichnet, daß ein verschleißminimierter Betrieb im gewünschten Arbeitsbereich auf der Kraftschlußkennlinie möglich ist, wobei dieser durch zwei Schwellwerte MIN und MAX, die entweder fest voreingestellt sind oder durch den Triebfahrzeugführer oder eine Automatik als sogenannter Ausnutzungsverschleißgrad mit zwei Kennliniengebern vorgegeben werden, gekennzeichnet ist und von der Suchlogik betriebsmäßig durchfahren wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Schwellwerten MIN oder MAX die zeitliche Ableitung eines gemessenen oder errechneten Drehmomentes (Ist-/Sollmoment) bzw. einer hierzu proportionalen Größe verglichen wird.

3. Verfahren zur Kraftschlußregelung mit selbsttätiger Suchlogik nach Vorgabe einer Sollzugkraft (Sollbremskraft) für Schienenfahrzeuge mit drehmomentgeregeltem Antrieb (bzw. Bremse) und vorzugsweise elektrischen Fahrmotoren (Bremsen) sowie der Drehmomentregelung überlagerter Drehzahl- oder Zustandsregelung des Antriebes, die ihren Drehzahlsollwert aus einem Integrator erhält, der seinerseits die Eingangsgröße Sollbeschleunigung aus der Suchlogik bekommt, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein durch einen Tiefpaß gefilterter Wert des Solldrehmomentes begrenzt wird, so daß höherfrequente Anteile im Drehmomentsollwertsignal weiterhin der Schwingungsbedämpfung dienen können.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit einer auf der Zustandsregelung basierenden Antriebsstrangbedämpfungsregelung kombiniert wird, wobei die Differenz zwischen Drehzahlistwert und Drehzahlsollwert begrenzt wird.