DE19707175C2

DE19707175C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Winkels um die Fahrzeuglängsachse in einer Kurvenfahrt

Info

Publication number: DE19707175C2
Application number: DE19707175A
Authority: DE
Inventors: Johannes Beike
Original assignee: Tzn Forschung & Entwicklung
Current assignee: ANF-INDUSTRIE S.A., CRESPIN, FR
Priority date: 1997-02-22
Filing date: 1997-02-22
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2017-02-23
Also published as: DE19707175A1; EP0860340A1; US6119056A; DE59709269D1; EP0860340B1; CA2229834C; CA2229834A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Winkels um die Fahrzeuglängsachse in einer Kurvenfahrt, nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 5, beispielsweise für eine gleisbogenabhängige Neigung eines Schienenfahrzeuges.

Zur Erhöhung der Geschwindigkeit beim schienengebundenen Personenverkehr zur Verkürzung der Reisezeit wird beim Durchfahren von Kurven bzw. Gleisbögen eine gleisbogenabhängige Neigungsregelung /-steuerung des Wagenkasten-Neigesystems angestrebt. Dadurch sollen die negativ auftretenden Querbeschleunigungserhöhungen beim Durchfahren von Gleisbögen vermieden bzw. minimiert werden, damit trotz Erhöhung der Zuggeschwindigkeiten eine Fahrkomforteinbuße nicht eintritt.

Bekannt sind dazu aktive und passive Neigungsverstellungen, wobei bei einer aktiven Einwirkung die Einstellung oder Veränderung der Neigung des Wagenkastens erfolgt, bei einer passiven Einwirkung die Pendelung des Wagenkastens ausgenutzt wird.

Bei einer aktiven Einwirkung wird als Signal ein Wert verwendet, der als relevante Größe für die wirksame Querbeschleunigung genutzt wird. Ein solcher Wert ist zum Beispiel der Neigungswinkel des Wagenkastens gegenüber der als horizontal verlaufend angenommenen Erdoberfläche. Dieser Neigungswinkel ergänzt sich mit einer Gleisüberhö hung und ist abhängig von der Gleisgeometrie des Gleisbogens und der Zuggeschwindig keit.

Die DE 37 27 768 C1 gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ansteuersignales für die gleisbogenabhängige Neigung eines Wagenkastens an. Unter Verwendung von Meßsignalen für die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeuggestelles um seine in Fahrtrichtung orientierte Längsachse sowie die senkrecht zur Fahrtrichtung und parallel zur Gleisebene gerichtete Querbeschleunigung wird das Ansteuersignal erzeugt. Zum Ein- und Ausschalten der Neigesteuerung wird ein aus der Rollgeschwindigkeit integrierter Rollwinkel ermittelt. Durch die Integration des Kreiseloffsets entsteht jedoch eine Rollwin keldrift, die den Schaltvorgang nach kurzer Zeit verfälscht. Zur Verlängerung der Funktionszeit sind Kreisel mit einem geringen Kreiseloffset erforderlich, wodurch die Erzeugung des Ansteuersignales kostenaufwendig wird.

Die DE 27 05 221 C2 gibt eine Anordnung zum Steuern einer Neigungsvorrichtung an, bei der die verrauschten Meßsignale eines Beschleunigungssensors durch Messungen mit einem Roll- und einem Gierkreisel ersetzt werden. Dadurch werden zwar unzulässige Zeitverzöge rungen bei der Erzeugung des Ansteuersignals vermieden, die bei einer notwendigen starken Filterung des Meßsignals des Beschleunigungssensors entstehen, aber durch die Integration des Rollwinkels aus der Rollgeschwindigkeit ergeben sich die bereits genannten Nachteile.

Aus der EP 0271592 A1 ist ein Verfahren zur Neigungsregelung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Zur Neigungsregelung wird das Streckenprofil in einem Massespeicher abgespeichert. In jedem Streckenfenster ist für jede Position der Strecke ein Kurvenradius und eine Kurvenüberhöhung gespeichert. Mit diesem Strecken fenster werden die Sollwerte für die Neigungsregelung ermittelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe ein Signal auf einfache und effektive Weise erzeugt wird, das dem Winkel um die Fahrzeuglängsachse in einer Kurvenfahrt entspricht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen 1 bzw. 5 enthaltenen Merkmale.

Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, den Winkel um die Fahrzeuglängsachse aus einer Rollgeschwindigkeit, einer Querbeschleunigung, einer Zuggeschwindigkeit sowie einer zusätzlich gemessenen Giergeschwindigkeit zu ermitteln.

Dazu wird aus der Rollgeschwin digkeit, die durch einen Kreisel gemessen wird, durch Integration ein Winkel um die Fahrzeuglängsachse berechnet, der jedoch als ein mit einem Amplitudenfehler behaftetes Signal auftritt. Mit Hilfe der Zuggeschwindigkeit, der Giergeschwindigkeit sowie der Erdbeschleunigung wird aus der Querbeschleunigung die Fliehkraft als eine Störgröße herausgerechnet, die durch einen Beschleunigungssensor gemessen wird. Dabei wird gleichfalls der Winkel um die Fahrzeuglängsachse berechnet, der nun jedoch ein störbehaftetes Signal ohne Amplitudenfehler ist.

Zwischen diesen beiden Winkelsignalen wird nun ein Vergleich durchgeführt und das daraus resultierende Differenzsignal gefiltert. Diese Filterung erfolgt auf Grund des höheren Signal-Störanteiles schnell und effektiv. Das gefilterte Differenzsignal wird dann auf das amplitudenfehlerbehaftete Signal aufgeschaltet, wodurch das amplitudenfehlerbehaftete Signal auf die richtige Amplitude korrigiert und als störarmer Winkel um die Fahrzeug längsachse verfügbar ist. Dieser störarme Winkel beschreibt die Gleisüberhöhung, aus der ein Signal für eine gleisbogenabhängige Neigung eines Wagenkastensystems erzeugt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In vorteilhafter Weise wird das amplitudenfehlerbehaftete Signal in einem simulierten, als inverses Modell des Meßwertgebers Kreisel arbeitenden System ermittelt.

Durch die Einbeziehung der Sensorkomponenten, z. B. Offsetgrößen, in das Simulationsmo dell wird erreicht, daß das Modell über eine höhere Genauigkeit bei der Winkelermittlung verfügt.

Mit diesem Verfahren kann die Grenzfrequenz zur Filterung der Störungen im Beschleuni gungssignal des Beschleunigungsaufnehmers erheblich abgesenkt werden, ohne die Dynamik der Winkelermittlung zu reduzieren. Da die Drift des Kreisels kompensiert wird, können kostengünstige Kreisel eingesetzt werden.

Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Ermittlung eines Winkels um die Fahrzeuglängsachse,

Fig. 2 einen inneren Aufbau eines Modells;

In Fig. 1 dargestellt ist ein Sensorpaket 1, eine Berechnungseinheit 2 sowie eine Neigewin kelgeneriereinheit 4 und ein Stellsystem 5 eines nicht näher dargestellten realen Wagenka stens. Das Sensorpaket 1 besteht vorzugsweise aus einem Meßwertgeber 6 zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ωR in der Rollebene, einem Meßwertgeber 7, beispielsweise einem Kreisel, zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit ωG in der Gierebene, sowie einen Meßwertgeber 8, beispielsweise einem Beschleunigungssensor, zur Erfassung der Querbeschleunigung aq. Das Sensorpaket 1 ist vorzugsweise am Fahrgestell des nicht näher dargestellten Wagenkastens und dabei vorzugsweise horizontal zur Erdoberfläche angeordnet. Die Zuggeschwindigkeit v wird in der Regel mit einem schon im Zug vorhandenen Meßwertgeber 9 ermittelt. Ausgänge A1, A2 bzw. A3 des Sensorpaketes 1 und damit die Ausgänge der Meßtwertgeber 6, 7 und 8 sind mit adäquaten Eingängen E1, E2 bzw. E3 der Berechnungseinheit 2 verbunden.

Ein Eingang E4 der Berechnungseinheit 2 ist mit einem Ausgang A1 des Meßwertgebers 9 verschaltet, wobei der Ausgang A1 gleichzeitig an einem Eingang E2 der Neigewinkelgene riereinheit 4 anliegt.

Ein Ausgang A1 dieser Neigewinkelgeneriereinheit 4 ist mit dem Stellsystem 5 verbunden.

In Fig. 2 ist der innere Aufbau der Berechnungseinheit 2 dargestellt. Dabei ist mit 10 ein invers arbeitendes dem Meßwertgeber 6 simuliertes System (Kreiselsystem) gekennzeichnet, mit 11 ein Vergleicher, der eingangsseitig am Ausgang A1 und ausgangsseitig am Eingang E2 des simulierten inversen Kreiselsystems 10 anliegt. Ein weiterer Eingang E2 des Vergleichers 11 liegt am Ausgang A1 eines Meßwertauswerters 12 an, der Eingang E1 der Berechnungseinheit 2 ist mit dem Eingang E1 des simulierten inversen Kreiselsystems 10 verbunden. Der Ausgang A1 des simulierten inversen Kreiselsystems 10 wird als Ausgang A1 aus der Berechnungseinheit 2 geführt. Eingänge E1, E2 und E3 der Meßwertauswerter 12 sind über die adäquaten Eingänge E3, E2 bzw. E4 der Beobachtereinheit 2 mit den Meßwertgebern 7, 8 und 9 verbunden.

Das Verfahren läuft dabei wie folgt ab:

Der Meßwertgeber 9 ermittelt auf herkömmliche Art und Weise die Zuggeschwindigkeit v, und gibt diesen Wert als ein die Zuggeschwindigkeit v repräsentierendes Ausgangssignal an den Eingang E4 der Berechnungseinheit 2. Die Meßwertgeber 6 und 7 messen die um die Rollachse und die Fahrzeugachse jeweils auftretende Winkelgeschwindigkeit ωR und ωG, welche als entsprechende Ausgangssignale an den Eingängen E2 und E1 der Berechnungs einheit 2 anliegen. Durch den Meßwertgeber 8 erhält der Eingang E3 der Berechnungsein heit 2 ein die Querbeschleunigung aq auf Schienenebene repräsentierendes Signal.

Fährt ein Schienenfahrzeug auf einer Streckengerade ohne Kurvenüberhöhung, so wird über den Meßwertgeber 9 die Zuggeschwindigkeit v gemessen. Der Meßwertgeber 6 und der Meßwertgeber 8 geben nur geringe Signale ab, weil nur eine minimale Querneigung des realen Wagenkastens erfolgt. Die Berechnungseinheit 2 aktiviert das Stellsystem 5 nicht, bzw. der Winkel um die Fahrzeuglängsachse überschreiten einen eingestellten Minimalwert nicht.

Beim Einfahren in einen Streckengleisbogen gelangt das Schienenfahrzeug auf einen Überhöhungsbogen, der durch einen nicht dargestellten realen Winkel Φg charakterisiert wird. Dabei erfolgt wegen der einsetzenden Querneigung des realen Wagenkastens eine Drehung des Fahrgestelles um seine Rollachse, so daß eine um die Rollachse auftretende Winkelgeschwindigkeit ωR vom Meßwertgeber 6 gemessen wird.

Die gemessene Rollwinkelgeschwindigkeit ωR ist, bedingt durch die technischen Daten des Meßwertgebers 6, ungenau. Um diese Ungenauigkeit zu eliminieren, wird über das simulierte inverse Kreiselsystem 10 der Berechnungseinheit 2 eine Winkelgeschwindigkeit ωs ermittelt. Dazu wird die gemessene Rollwinkelgeschwindigkeit ωR auf den Eingang E1 des simulierten Systems 10 geschaltet. In diesem System 10 werden technische Daten des Meßwertgebers 6 als inverses Modell berücksichtigt, so daß bautechnisch bedingte Mängel eliminiert werden. So wird beispielsweise der in technischen Datenblättern vorgegebene Offset des Meßwertgebers 6 derart berücksichtigt, daß im simulierten Modell des Systems 10 dieses Offset als inverser Wert eingebaut wird und die ausgangsseitig so ermittelte Winkelgeschwindigkeit ωs als geschätzte Winkelgeschwindigkeit ωs der realen Rollwinkel geschwindigkeit ωR annähernd entspricht. Zusätzlich können auch die dynamischen Glieder des Kreisels, z. B. verzögernde Glieder durch ihre inversen Elemente, z. B. voreilende Glieder, im inversen Simulationsmodell des Kreiselsystems 10 kompensiert werden. Die Ermittlung der realen Rollwinkelgeschwindigkeit ωR wird durch die inverse Kompensation genauer. Aus dieser ermittelten Winkelgeschwindigkeit ωs wird in bekannter Art und Weise ein Winkel Φgb um die Fahrzeuglängsachse generiert. Dazu wird dieser Winkel Φgb aus der Winkelgeschwindigkeit ωs integriert. Bedingt durch dieses Integrieren ist der ermittelte Wert des Winkels Φgb driftbehaftet und somit wächst die Ungenauigkeit des Wertes mit der Zeit an. Um jedoch den realen Winkel Φg um die Fahrzeuglängsachse zu ermitteln, werden die an den Eingängen E2, E3 und E4 der Berechnungseinheit 2 anliegenden Signale mit herangezogen. Aus der Zuggeschwindigkeit v, der Giergeschwindigkeit ωG des Drehge stells, der Querbeschleunigung aq auf Schienenebene und der Erdbeschleunigung g wird im Meßwertauswerter 12 ein Winkel Φgs um die Fahrzeuglängsachse berechnet. Dazu wird die Fliehkraft, die sich als Störgröße bei einer Querbeschleunigung einstellt, aus dem Signal aq des Meßwertgebers 8 mit Hilfe der Gierwinkelgeschwindigkeit ωG und der Zuggeschwin digkeit v in bekannter Art und Weise herausgerechnet. Der aus den gemessenen Signalen berechnete Winkel Φgs ist wertmäßig identisch mit dem realen Winkel Φg, besitzt jedoch hohe Störsignale. Deshalb werden das driftbehaftete bzw. amplitudenfehlerbehaftete Winkelsignal Φgb und das störbehaftete Winkelsignal Φgs mit Hilfe des Vergleichers 11 verglichen. Eine daraus resultierende Differenz ΔΦg setzt sich aus dem amplitudenfehler behafteten Winkelsignal Φgb abzüglich des störbehafteten Gleisüberhöhungswinkel Φgs zusammen und bildet eine noch nachzuregelnde (zu entstörende) Differenz ΔΦg. Diese Differenz ΔΦg, bestehend aus der Kreiseldrift und Störungen des Meßsignales des Meßwertgebers 8, wird im Regelkreis, der durch die Rückkopplung vom Vergleicher 11 auf das simulierte System 10 entsteht, gefiltert und zu Null geregelt. Die zeitliche Regelung ergibt sich aus dem Rückkopplungsfaktor K des über die Differenzbildung geschlossenen Regelkreises. Durch Voreinstellung des Rückkopplungsfaktors K wird die Dynamik des Regelkreises (Beobachterpole) sehr klein gewählt, vorzugsweise 0,1 Hz. Die kurzzeitigen Störungen des Meßsignales des Meßwertgebers 8 in der Differenz ΔΦg werden dadurch stark gefiltert und gehen nur sehr reduziert in das Winkelsignal Φg ein. Am Ausgang A1 des simulierten Kreiselsystems 10 und damit gleichzeitig am Ausgang A1 der Beobachtereinheit 2 liegt das Winkelsignal Φg an, das sich wertmäßig aus dem amplitudenfehlerbehafteten Winkelsignal Φgb sowie der noch nachzuregelnden (zu entstörende) Differenz ΔΦg ergibt, das auf die richtige Amplitude korrigiert und als störarmer Winkel Φg um die Fahrzeuglängsachse bereitgestellt wird.

In der der Berechnungseinheit 2 nachfolgenden Neigewinkelgeneriereinheit 4 wird aus dem Winkel Φg, der Zuggeschwindigkeit v, der Winkelgeschwindigkeit ωG (Giergeschwindigkeit) und der Erdbeschleunigung g ein Neigewinkel Φ_N gegenüber dem Fahrgestell berechnet und als Sollwert bzw. Ansteuer- und Schaltsignal Φ_N für das Wagenkasten-Neigesystem an das Stellsystem 5 gegeben. Nur bei Überschreitung eines Schwellwertes wird das Stellsystem aktiviert. Die Berechnung bzw. Generierung des Neigewinkels Φ_N erfolgt in bekannter Art und Weise.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung eines Winkels um eine Fahrzeuglängsachse in einer Kurvenfahrt unter Verwendung von Meßsignalen für die Zuggeschwindigkeit (v), für die Winkelge schwindigkeit eines Fahrgestells um die Rollachse (ω_R) sowie für die Querbeschleuni gung (a_q), dadurch gekennzeichnet, daß

1. in einem ersten Schritt ein Winkel um die Fahrzeuglängsachse aus der Rollwinkelge schwindigkeit (ω_R) integriert wird, wodurch ein amplitudenfehlerbehaftetes Signal (Φ_gb) errechnet wird,
2. in einem anderen Schritt aus der Querbeschleunigung (a_q), der Zuggeschwindigkeit (v) und einer Gierwinkelgeschwindigkeit (ω_G) der Winkel um die Fahrzeuglängsachse ermittelt wird, der jedoch ein störbehaftetes Signal (Φ_gs) ist,
3. danach das amplitudenfehlerbehaftete Signal (Φ_gb) und das störbehaftete Signal (Φ_gs) miteinander verglichen werden,
4. ein zwischen beiden Signalen (Φ_gb, Φ_gs) auftretendes Differenzsignal (ΔΦ_g) nach Eliminierung des Störanteils durch Filterung auf das amplitudenfehlerbehaftete Signal (Φ_gb) durch Rückkopplung aufgeschaltet wird, wobei das Differenzsignal (ΔΦ_g) auf Grund seines höheren Störanteils schnell und effektiv gefiltert wird,
5. so daß das amplitudenfehlerbehaftete Signal (Φ_gb) auf die richtige Amplitude korrigiert und als störarmer Winkel (Φ_g) um die Fahrzeuglängsachse bereitgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das amplitudenfehlerbehafte te Signal (Φ_gb) in einem simulierten, als inverses Modell eines Meßwertgebers (6) arbei tenden Systems (10) ermittelt wird, welches ständig mit den Meßsignalen der Rollwinkel geschwindigkeit (ω_R) versorgt wird, wobei Meßungenauigkeiten des Meßwertgebers (6) durch Einbeziehung der Sensorkomponenten im simulierten System (10) eliminiert wer den.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleisüberhöhung aus dem störarmen Winkel (Φ_g) bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Gleisüberhöhung ein Signal für einen Neigungswinkel (Φ_N) um die Fahrzeug längsachse in der Kurvenfahrt ermittelt wird, wozu zusätzlich die Zuggeschwindigkeit (v), die Giergeschwindigkeit (ω_G) und die Erdbeschleunigung (g) einbezogen werden.

5. Vorrichtung zur Ermittlung eines Winkels um eine Fahrzeuglängsachse in einer Kurven fahrt mittels Meßwertgebern zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit (v), der Winkel geschwindigkeit eines Fahrgestells um die Rollachse (ω_R) sowie für die Querbeschleuni gung (a_q), dadurch gekennzeichnet, daß
der Meßwertgeber (6) zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit des Fahrgestells um die Rollachse (ω_R) an einen Eingang (E1) eines invers arbeitenden, den Meßwertgeber (6) simulierenden Systems (10) geführt ist,
ein Meßwertgeber (7) zur Ermittlung einer Gierwinkelgeschwindigkeit (ω_G) am Eingang (E2), der Meßwertgeber (8) zur Ermittlung der Querbeschleunigung (a_q) am Eingang (E3) und der Meßwertgeber (9) zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) am Eingang (E4) eines Meßwertauswerters (12) anliegen;
ein Ausgang (A1) des Meßwertauswerters (12) am Eingang (E2) eines Vergleichers (11) geschaltet ist, an dessen Eingang (E1) ein Ausgang (A1) des Systems (10) anliegt und ein Ausgang (A1) des Vergleichers (11) mit einem Eingang (E2) des Systems (10) verbun den ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (6) zur Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit des Fahrgestells um die Rollachse (ω_R) und der Meßwertgeber (7) zur Ermittlung einer Gierwinkelgeschwindigkeit (ω_G) ein Kreisel sowie der Meßwertgeber (8) zur Ermittlung der Querbeschleunigung (a_q) ein Beschleunigungs sensor ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das System (10), der Meßwertauswerter (12) und der Vergleicher (11) eine Berechnungseinheit (2) bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungseinheit (2) sowie eine Neigungswinkelgeneriereinheit (4) zwischen einem Stellsystem (5) für die Verstellung eines Wagenkastens um die Fahrzeuglängsach se in der Kurvenfahrt angeordnet sind.