DE19927223A1 - Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung von elektrischen Triebfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zu entwickeln, mit denen gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden und DOLLAR A die Ausbildung von Grenzzyklen vollständig verhindert und somit ein Betrieb am Kraftschlußmaximum bei konstanter Zugkraft ermöglicht wird und daß weiterhin der Wirkungsbereich der Regelungseinrichtung zur Kraftschlußhochausnutzung so klein wie möglich gehalten wird, wird dadurch gelöst, daß ein Sollwert für die Motordrehzahl aus einer vorgegebenen Soll-Fahrgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Soll-Zugkraft ermittelt wird, für den sich im stationären Zustand ein Kraftschlußgradient nahe dem Wert Null einstellt, wodurch ein Soll-Motordrehmoment bereitgestellt wird, das bei zeitinvarianten Kraftschlußbedingungen eine kontinuierliche Fahrt am Kraftschlußmaximum mit maximaler, konstanter Zugkraft gewährleistet, indem das Kraftschlußmaximum aus einer Nullstelle des Kraftschlußgradienten detektiert und für eine schrittweise Veränderung der Drehzahl des Antriebs über einen Sollwertintegrator 1 im Geschwindigkeitsregelkreis genutzt wird, über den der Sollwert für die Motordrehzahl ermittelt wird, wobei an dessen Eingang die Sollbeschleunigung angelegt wird, wobei die Sollbeschleunigung in Abhängigkeit von veränderlichen Kraftschlußbedingungen mit Hilfe des Kraftschlußgradienten bestimmt wird und durch eine gesonderte Steuerstrategie zur Stabilisierung des Antriebs beeinflußt wird, die in einem Block 3 realisiert wird, in ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Kraftschluß­ hochausnutzung bei elektrischen Triebfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Moderne Triebfahrzeuge können Zugkräfte bereitstellen, die nur unter günstigen Kraftschlußbedingungen übertragen werden können.

Günstige Kraftschlußbedingungen werden dabei durch eine Rei­ bungszahl gekennzeichnet, die dem heute üblichen Verhältnis von maximaler Zugkraft zu Gewichtskraft des Triebfahrzeugs von etwa 0,3 bis 0,5 entspricht.

Bei ungünstigen Kraftschlußbedingungen können bei zu hohen Zug- oder Bremskraftanforderungen die Triebräder schleudern bzw. gleiten. Während eines Gleit- oder Schleudervorganges können erhebliche Schäden an Rad und Gleis entstehen, die durch eine schnelle Reduktion der (Soll-)Motordrehmomente verhindert werden müssen. Um hohe Zug- und Bremskräfte auch unter ungün­ stigen Kraftschlußbedingungen zu erzielen, werden Regelungs­ verfahren zur Kraftschlußhochausnutzung erforderlich.

Im Nahverkehr wurde bisher überwiegend auf den Einsatz von Rege­ lungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung verzichtet. Der vorgesehene Gleit- und Schleuderschutz ist aufgrund seiner Wir­ kungsweise nicht in der Lage, einen fortwährenden Betrieb mit maximaler Zugkraft selbsttätig aufrechtzuerhalten, so daß manuelle Eingriffe des Zugführers bei ungünstigen Kraftschluß­ bedingungen erforderlich werden [Hahn et al., 1993, "Fortschritte bei der Kraftschlußausnutzung für die Hochgeschwindigkeits- und Schwerlasttraktion", ETR, 42 (1-2), 67-74].

Durch steigende Anforderungen im Nahverkehr werden seit kurzem jedoch auch dort Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochaus­ nutzung eingesetzt.

Für die Erzeugung einer Zugkraft bei schienengebundenen Trieb­ fahrzeugen ist ein Längsschlupf zwischen Rad und Schiene erfor­ derlich. Die Zugkraft setzt sich aus den Längsschlupfkräften zusammen, die an den Rädern des Triebfahrzeugs angreifen. Jede einzelne Längsschlupfkraft F_χ kann nicht beliebig groß werden, sondern wird durch das Produkt aus Normalkraft N und der Rei­ bungszahl µ am Rad-Schiene-Kontakt begrenzt. Der Quotient Längs­ schlupfkraft F_χ durch Normalkraft N ist der Längskraftschluß f_χ und erreicht bei einem von den Kraftschlußbedingungen abhängigen Längsschlupf s_{χ ,max} seinen durch die Reibungszahl µ gegebenen Maximalwert (Fig. 5).

Die Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung werden unter der Maßgabe entworfen, einen Längsschlupf zwischen Rad und Schiene einzustellen, der möglichst dem Schlupf s_{χ ,max} entspricht, bei dem der Längskraftschluß maximal wird.

Ein wichtiges Problem bei der Kraftschlußhochausnutzung ist, daß der Schlupf s_{χ ,max} zeitvariant und im allgemeinen unbekannt ist. Des weiteren ist auch der Längsschlupf s_χ zwischen Rad und Schiene unbekannt, da üblicherweise keine geeigneten Messungen durchgeführt werden.

Den älteren auf Suchstrategien basierten Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung ist gemeinsam, daß ein Betrieb am Kraftschlußmaximum nur möglich ist, wenn das Motordrehmoment zyklisch erhöht und wieder abgesenkt wird. Während der sich aus­ bildenden Grenzzyklen kommt es darüber hinaus bei einigen Ver­ fahren im Fahrbetrieb je Zyklus zu einem Schleudervorgang, der durch eine schnelle Reduktion des Drehmomentes des antreibenden Motors beendet werden muß. Bei der Reduktion des Motordrehmo­ mentes verringert sich die Leistungsaufnahme des Antriebes innerhalb weniger Millisekunden um bis zu mehreren 100 kW, und es treten somit zusätzliche mechanische Belastungen des Antriebsstranges auf. Diese Wechsel in den elektrischen und mechanischen Belastungen sind nicht erwünscht, müssen aber als eine den jeweils eingesetzten Verfahren immanente Eigenschaft akzeptiert werden.

Ein Ordnungsmerkmal zur Klassifikation von Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung kann aus der Strategie abgeleitet werden, die den Regelungsverfahren innewohnt und mit denen im Bedarfsfall die maximale Zugkraft erreicht werden kann.

Es können zwei verschiedene Klassen von Regelstrategien un­ terschieden werden:

• 1. Bei den Verfahren mit Suchlogik ist ein Betrieb am Kraft­ schlußmaximum nur möglich, wenn das Motordrehmoment im Fahrbetrieb zyklisch erhöht und nach einer Detektion des Kraftschlußmaximums wieder abgesenkt wird.
  Die Verfahren mit Suchlogik unterscheiden sich in den Krite­ rien, nach denen das Kraftschlußmaximum erkannt wird. Nach der Detektion des Kraftschlußmaximums wird durch ein Absenken des Soll-Motordrehmomentes M *|Mot ein Gleit- oder Schleudervorgang verhindert oder, falls der Beginn eines Gleit- oder Schleuder­ vorganges selbst zur Detektion des Kraftschlußmaximums heran­ gezogen wird, beendet. Danach wird das Soll-Motordrehmoment erneut erhöht. Allen Verfahren ist gemeinsam, daß es auch bei zeitinvarianten Kraftschlußbedingungen zur Ausbildung von Grenzzyklen bei der Kraftschlußhochausnutzung kommt.
  Die Verfahren mit Suchlogik weisen einige, prinzipbedingte Nachteile auf, die unmittelbar mit dem Auftreten von Grenzzy­ klen verknüpft sind:
  • - Zyklische Anregung von Resonanzstellen im elektrischen Teil­ system durch Schwankungen in der Leistungsaufnahme der elektrischen Antriebe um bis zu mehreren 100 kW.
  • - Zyklische Anregung von Resonanzstellen im mechanischen Teil­ system durch Schwankungen im Motordrehmoment um bis zu 50% des Nenndrehmomentes.
  • - Nicht optimale Ausnutzung des verfügbaren Kraftschlusses.
  Die zyklischen Anregungen des elektrischen wie mechanischen Teilsystemes ziehen z. B. erhöhte Anforderungen an die Motorre­ gelung und die Regelung des Vierquadrantenstellers nach sich.
• 2. Bei den Gradientenverfahren ist eine kontinuierliche Fahrt am Kraftschlußmaximum, das heißt mit konstanter Zugkraft, prinzi­ piell möglich.
  Durch eine Schätzung eines geeigneten Gradienten der Kraft­ schlußfunktion oder einer hierzu äquivalenten Größe kann das Kraftschlußmaximum detektiert und somit ein Überschreiten des Längsschlupfes maximalen Kraftschlusses s_{χ ,max} verhindert wer­ den. Die oben genannten Nachteile der Verfahren mit Suchlogik, die auf die dort auftretenden Grenzzyklen zurückzuführen sind, treten bei diesen Verfahren nur in abgeschwächter Form auf. Auch bei den Gradientenverfahren werden das elektrische und mechanische Teilsystem angeregt, da im allgemeinen auf eine künstliche Anregung für die Schätzung des Gradienten der Kraftschlußfunktion nicht verzichtet werden kann. Die Anregung fällt allerdings wesentlich schwächer aus als die aus den Grenzzyklen resultierende Anregung bei den Verfahren mit Suchlogik.

Aus der DE 196 34 363 A1 ist ein Verfahren zur Regelung des elektrischen Antriebs eines Schienenfahrzeugs unter Hochausnut­ zung des Kraftschlusses zwischen Rad und Schiene bekannt, bei dem der Arbeitspunkt durch eine bestimmte Steigung der jeweili­ gen Kraftschlußfunktion vorgegeben wird. Im Rahmen dieser Adhä­ sionsregelung mit Steigungsregler werden Konditionierungsmaßnah­ men zur Verbesserung des Rad-Schiene-Kontaktes durch einen Be­ trieb im sogenannten instabilen Bereich, also auf dem abfallen­ den Ast der Kraftschlußfunktion, durchgeführt.

In der DE 196 34 363 A1 ist der Gradient der Kraftschlußfunktion durch den funktionalen Zusammenhang zwischen Längskraftschluß f_χ und Schlupfgeschwindigkeit Δ_ν gegeben. Es gibt aber auch andere Gradienten der Kraftschlußfunktion, etwa die partielle Ableitung des Längskraftschlusses nach dem Längsschlupf s_χ, der Kraftschlußgradient f, oder nach der Raddrehzahl ω, ent­ sprechend der Kraftschlußgradient f ω|χ, an Stelle der Ableitung nach der Schlupfgeschwindigkeit Δν.

In der DE 196 34 363 A1 werden keine Maßnahmen zur Berücksichti­ gung von Gleit- und Schleudervorgängen und für Kraftschlußfunk­ tionen ohne Maximum erwähnt.

Aus der DE 43 12 949 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung und Re­ gelung eines elektrischen Antriebes eines Fahrzeuges bekannt, das zu den Gradientenverfahren gezählt werden kann. Mit dem vor­ gestellten Verfahren können jedoch keine Sollwerte für die Fahr­ geschwindigkeit verarbeitet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zu entwickeln, mit dem gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden und die Ausbildung von Grenzzyklen vollständig verhindert und somit ein Betrieb am Kraftschlußmaxi­ mum bei konstanter Zugkraft ermöglicht wird und daß weiterhin der Wirkungsbereich der Regelungseinrichtung zur Kraftschluß­ hochausnutzung so klein wie möglich gehalten wird.

Unter dem Wirkungsbereich der Regelungseinrichtung zur Kraft­ schlußhochausnutzung ist dabei alles das zu verstehen, was durch die Komponenten eines Triebfahrzeuges und die das Fahrzeug umge­ benden Systeme wie Energieversorgung oder Gleiskörper be­ schrieben werden kann und was den Folgen einer Kraftschlußhoch­ ausnutzung ausgesetzt ist. Derartige Komponenten sind:

• 1. Drehgestell mit Antriebsstrang (einschließlich Antriebs­ stromrichter und Motorregelung)
• 2. Regelung des Vierquadrantenstellers
• 3. Passive Filter im Eingangskreis des Transformators
• 4. Speisendes elektrisches Netzwerk
• 5. Signalanlagen des Fahrwegbetreibers
• 6. Andere Fahrzeuge im Netz

Der Entwurf der unter 2.,3. genannten Komponenten erfolgt u. a. unter Berücksichtigung dex von den Betreibern des Schienennetzes formulierten Grenzwerte. Derartige Grenzwerte beziehen sich auf die Zusammensetzung des Netzstromes, die sich aus den Bedürfnissen der signaltechnischen Einrichtungen der Bahn er­ gibt.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Da­ nach ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwert für die Motordrehzahl aus einer vorgegebenen Soll-Fahrgeschwin­ digkeit und einer vorgegebenen Soll-Zugkraft ermittelt wird, für den sich im stationären Zustand ein Kraftschlußgradient nahe dem Wert Null einstellt. Der Kraftschlußgradient wird dabei für eine schrittweise Veränderung der Solldrehzahl des Antriebs über ei­ nen Sollwertintegrator im Geschwindigkeitsregelkreis genutzt, über den der Sollwert für die Motordrehzahl ermittelt wird, wo­ bei an den Eingang des Sollwertintegrators die Sollbeschleuni­ gung angelegt wird, die in Abhängigkeit von der schrittweisen Veränderung der Solldrehzahl, der Regelkreisdynamik und des Re­ gelfehlers im Geschwindigkeitsregelkreis bestimmt wird und durch eine gesonderte Steuerstrategie zur Stabilisierung des Geschwin­ digkeitsregelkreises beeinflußt wird, die in einem Block, in dem Anti-Reset-Wndup-Maßnahmen für einen Drehzahlregler und den Sollwertintegrator implementiert sind und in dem das betragsmä­ ßig maximal zulässige Soll-Motordrehmoment aus der vorgegebenen Soll-Zugkraft ermittelt und einem Begrenzungsglied zwischen dem Drehzahlregler und dem Antrieb zugeführt wird, realisiert wird und als Zustandsgrößen x_I, x_ω, und Parameter M_max ausgegeben wer­ den. Das Kraftschlußmaximum wird aus einer Nullstelle des Kraftschlußgradienten detektiert. Es wird ein Soll-Motordrehmoment bereitgestellt, das bei zeitin­ varianten Kraftschlußbedingungen eine kontinuierliche Fahrt am Kraftschlußmaximum mit maximaler, konstanter Zugkraft gewährlei­ stet.

Das Regelungsverfahren weist folgende Vorteile auf:

• - Es erlaubt eine Kraftschlußhochausnutzung, ohne daß es zur Ausbildung von Grenzzyklen kommt. Es vermeidet damit die Nach­ teile der Verfahren mit Suchlogik. Der Vorteil liegt in einer Minimierung der durch die Regeleinrichtung zur Kraftschluß­ hochausnutzung injizierten Störungen in die elektrischen und mechanischen Teilsysteme eines Triebfahrzeuges.
• - Es können Sollwerte für die Zugkraft und die Fahrgeschwindig­ keit verarbeitet werden, ohne daß es einer Modifikation der Reglerstruktur bedarf.
• - Es erlaubt die Verwendung verschiedene Verfahren zur Detektion von Gleit- und Schleudervorgängen sowie zur Detektion von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum.
• - Es können verschieden Kraftschlußgradienten verarbeitet wer­ den, sofern sich diese in den Kraftschlußgradienten f um­ rechnen lassen. Es ist zu bedenken, daß der Längskraftschluß gemäß den gängigen Theorien vom Längsschlupf zwischen Rad und Schiene überwiegend abhängig ist. Das heißt die Einschränkung "kann in den Kraftschlußgradienten f umgerechnet werden" ist nicht verfahrensbedingt, sondern folgt aus den physikalischen Gegebenheiten am Rad-Schiene-Kontakt, aus denen Regeln zur Auswahl der notwendigen Meßgrößen abgeleitet werden können.

Es liegt eine universelle Regelungsstruktur für ein Gradienten­ verfahren vor.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel des Regelungsverfahrens näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Strukturbild des Regelungsverfahrens zur Kraft­ schlußhochausnutzung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Nullstellensuche des Kraftschlußgradienten mit dem Newtonschen Verfahren,

Fig. 3 eine grafische Darstellung eines typischen Verlaufs des Motordrehmomentes bei langfristig verschlechterten Kraftschlußbedingungen,

Fig. 4 die grafische Darstellung des normierten Motordrehmo­ mentenverlaufes nach der Detektion einer Kraftschlußfunktion ohne Maximum und

Fig. 5 die grafische Darstellung zweier typischer Kraftschluß­ funktionen bei Schienenfahrzeugen.

Mit dem erfindungsgemäßen Regelungsverfahren zur Kraftschluß­ hochausnutzung entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 kann ein Soll-Motordrehmoment bereit gestellt werden, das bei zeitin­ varianten Kraftschlußbedingungen eine kontinuierliche Fahrt mit maximaler Längsschlupf- bzw. Zugkraft ermöglicht. Dies kann erreicht werden, wenn ein Sollwert ω *|M für die Motordrehzahl er­ mittelt wird, für den der sich im stationären Zustand ein­ stellende Kraftschlußgradient nahe Null ist. Der Wert Null ist nicht als idealer Sollwert im Sinne einer Kraftschlußhochaus­ nutzung anzusehen, da in diesem Fall kleinste Störungen einen Gleit- oder Schleudervorgang verursachen können. Stattdessen wird für eine Kraftschlußhochausnutzung in Übereinstimmung mit dem Ansatz von [Engel, B., 1996, "Verschleißmindernde Kraftschlußregelung mit Zustandsregler für elektrische Trakti­ onsantriebe", Reihe 12: Verkehrstechnik/Fahrzeugtechnik (284), VDI Fortschrittsberichte] ein Betrieb auf dem ansteigenden Ast der Kraftschlußfunktion mit einem minimalen Kraftschlußgra­ dienten als vorteilhaft angesehen. Eine Kraftschlußhochaus­ nutzung liegt also dann vor, wenn die Nullstelle der Funktion, die durch die Differenz von Kraftschlußgradient minus dem mi­ nimalen Kraftschlußgradienten gegeben ist, durch geeignete Ma­ nipulation der Solldrehzahl ω *|M eines Drehzahlregelkreises gefunden wurde.

Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochaus­ nutzung bei elektrischen Triebfahrzeugen ist ein Gradienten­ verfahren. Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird eine konti­ nuierliche Fahrt am Kraftschlußmaximum mit konstanter Zugkraft möglich, die als Grundvoraussetzung für die angestrebte Minimierung des Wirkungsbereiches angesehen werden kann.

Das Verfahren ist durch Auswertung eines geeigneten Gradienten der Kraftschlußfunktion in der Lage, das Kraftschlußmaximum zu detektieren. Das Kraftschlußmaximum, bei dem auch der Längs­ schlupf s_χ betragsmäßig minimal ist, entspricht einer Nullstelle des Kraftschlußgradienten f, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Bei der Berechnung der Schrittweite Δs_{χ ,n}, die im Regelkreis einer Veränderung der Raddrehzahl um Δω_n bzw. der Motordrehzahl um ü_GΔω_n entspricht, können somit numerische Verfahren eingesetzt werden, wie sie bei der Bestimmung von Nullstellen aus der numerischen Mathematik bekannt sind. Ein derartiges Verfahren ist z. B. das Newtonsche Verfahren (Fig. 2 und (1)). Die Anwendung des Newtonschen Verfahrens bringt noch einen wei­ teren Vorteil: Wenn nämlich eine Zugkrafterhöhung seitens des Lokführers zu einem Zeitpunkt angefordert wird, in dem der Längskraftschluß wesentlich kleiner ist als die Reibungszahl µ, so kann die Sollbeschleunigung *|M größer gewählt werden als wenn der Längskraftschluß nur wenig kleiner als µ ist. Während in der erstgenannten Situation der Kraftschlußgradient f be­ tragsmäßig groß ist, ist er in der letztgenannten Situation betragsmäßig klein bzw. am Kraftschlußmaximum null. Eine mit dem Betrag des Kraftschlußgradienten f sinkende Sollbeschleunigung *|M wird bei numerischen Verfahren zur Nullstellensuche au­ tomatisch erreicht, da die Schrittweite in der Nähe der Null­ stelle stets klein ist.

Aus einer berechneten Schrittweite Δs_χ,n kann eine zugehörige Erhöhung der Raddrehzahl gemäß (2) berechnet werden.

Die zweite Ableitung des Längskraftschlusses nach dem Längs­ schlupf ∂²f_χ/∂ 2|χ (vgl. (1)) wird, da sie nicht bekannt ist, a priori für eine nominelle Kraftschlußfunktion berechnet und als Tabelle in der Regeleinrichtung zur Kraftschlußhochausnutzung abgespeichert. Die Verstärkung α_N wird so festgelegt, daß es bei einer von der nominellen Kraftschlußfunktion abweichenden Kraftschlußfunktion nicht zu einer Schrittweite Δs_{χ ,n} kommt, die einen Längsschlupf s_{χ ,n} auf dem waagerechten oder abfallenden Ast der Kraftschlußfunktion nach sich zieht. Die Speicherung einer nominellen Kraftschlußfunktion im Regler bedeutet nicht, daß das vorgestellte Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung für andere Kraftschlußfunktionen nicht funktionsfähig ist. Vielmehr wird durch die Einführung einer nominellen Kraftschlußfunktion das Ziel verfolgt, ein ungewolltes Über­ schreiten des Längsschlupfes maximalen Längskraftschlusses s_{χ ,max} durch eine vorab durchgeführte Berechnung der Verstärkung α_N bei gleichzeitiger Variation relevanter Parameter der nominellen Kraftschlußfunktion zu verhindern.

Die Fig. 1 zeigt das Strukturbild des Regelungsverfahrens. Die Regelungsstruktur wird danach im wesentlichen aus der Verknüp­ fung der folgenden Baugruppen gebildet: Sollwertintegrator 1, Steilheitsbegrenzer 5 für die Soll-Fahrgeschwindigkeit, Vorrich­ tung 6 zur Adaption der Soll-Beschleunigung an die Soll-Fahrge­ schwindigkeit, Schrittweitensteuerung 7, ein Begrenzungsglied 10 für den im Geschwindigkeitsregelkreis ausgewerteten Geschwin­ digkeitsfehler, ein Multiplikator 11 zur Bestimmung der Soll­ beschleunigung unter Berücksichtigung des Geschwindigkeitsfeh­ lers, Block 3 für Anti-Reset-Windup-Maßnahmen und Steuerstrate­ gien, Steilheitsbegrenzer 8 für die Soll-Zugkraft, Drehzahl­ regler 2, Begrenzungsglied 9 für das Solldrehmoment und zu re­ gelnder Antrieb 4. Aus diesem Strukturbild ist die folgende Ar­ beitsweise des Regelungsverfahrens abzuleiten:
Zentrales Element ist der Sollwertintegrator 1 im Geschwindig­ keitsregelkreis, an dessen Ausgang der Sollwert ω *|M für den un­ terlagerten Drehzahlregelkreis, der im Vorwärtszweig aus dem Drehzahlregler 2, dem Begrenzungsglied 9 und dem Antrieb 4 ge­ bildet wird, zur Verfügung steht. Am Eingang des Sollwertinte­ grators 1 liegt die Sollbeschleunigung *|M an, die u. a. dann Null wird, wenn das Kraftschlußmaximum erreicht ist. Die ver­ änderlichen Kraftschlußbedingungen werden überwiegend mit Hilfe des Kraftschlußgradienten, der in die Schrittweitensteuerung 7 eingegeben wird, bei der Bestimmung der Sollbeschleunigung *|M berücksichtigt.

Durch eine Begrenzung des im Geschwindigkeitsregelkreis ausge­ werteten Geschwindigkeitsfehlers auf den Extremwert Eins (Be­ grenzungsglied 10), entspricht die Summe der Ausgangssignale der Schrittweitensteuerung 7 und der Vorrichtung 6 der unter den je­ weiligen Kraftschlußbedingungen zugelassenen, maximalen Soll­ beschleunigung im Geschwindigkeitsregelkreis. Durch eine zu­ sätzliche Bewertung dieser maximalen Sollbeschleunigung mit dem begrenzten Geschwindigkeitsfehler mittels des Multiplikators 11 wird eine Verringerung der Sollbeschleunigung genau dann vorgenommen, wenn die Fahrgeschwindigkeit des Triebfahrzeuges nahe der Soll-Fahrgeschwindigkeit ist.

Bei der Vorgabe einer Sollzugkraft F *|z und einer Soll-Fahrge­ schwindigkeit ν *|G ist eine Minimalauswahl durchzuführen. Danach ist die Solldrehzahl ω *|M unabhängig von der Soll-Fahrgeschwin­ digkeit konstant zu halten, wenn entweder die aus dem Soll-Mo­ tordrehmoment *|Mot abgeleitete Zugkraft der Sollzugkraft F *|zd entspricht oder das Soll-Motordrehmoment *|Mot, betragsmäßig mit dem Nenndrehmoment des Antriebsmotors übereinstimmt. Es sind sog. Anti-Reset-Windup (ARW-)Maßnahmen (vgl. z. B. [Böcker et al., 1986, "Nichtlineare und adaptive Regelungssysteme", Sprin­ ger, Berlin/Heidelberg]) vorzusehen, um in den eben genannten Situationen einen "Überlauf" des Sollwertintegrators 1 zu verhindern. Gegebenenfalls werden auch für den Drehzahlregler 2 (je nach dessen interner Struktur) Anti-Reset-Windup-Maßnahmen erforderlich. Die Anti-Reset-Windup-Maßnahmen, die im Block 3 implementiert sind, wirken auf den Sollwertintegrator 1 (Zustandsgröße x_I) sowie die internen Zustände des Drehzahlreg­ lers 2 (Zustandsgrößen x_ω) und dienen einer Stabilisierung der Regeleinrichtung. Im Block 3 wird außerdem durch Auswertung der vorgegebenen Soll-Zugkraft F *|z das betragsmäßig maximal zulässige Soll-Motordrehmoment ermittelt und als Parameter M_max des Begren­ zungsgliedes 9 zugeführt.

Aus dem geschätzten Kraftschlußgradienten wird schrittweise eine Drehzahlerhöhung Δω_n ermittelt.

In einem zweiten Schritt wird unter Berücksichtigung der Regel­ kreisdynamik eine Zeitspanne ΔT_n ermittelt, um aus der Drehzah­ lerhöhung Δω_n eine Sollbeschleunigung *|M = ü_GΔω_n/ΔT_n zu be­ stimmen.

Bei Fahrten unterhalb des Kraftschlußmaximums sollte die (ge­ schätzte) Beschleunigung des Triebsfahrzeuges _G im nachhinein addiert werden. Andernfalls ist eine Beschleunigung des Trieb­ fahrzeuges am Kraftschlußmaximum nicht möglich. Die Summe aus beiden Beschleunigungen darf einen für den Geschwindigkeits­ regelkreis unter Stabilitätsgesichtspunkten festgelegten Maxi­ malwert nicht überschreiten. Die maximale Sollbeschleunigung des Triebfahrzeuges soll genau dann erreicht werden, wenn sowohl das Signal m_f seinen Maximalwert annimmt als auch der Geschwindig­ keitsfehler e_ν betragsmäßig größer ist als e_{ν ,max}. Die Sollbeschleunigung ist bis auf das Vorzeichen durch den Wert des Signals m_f gegeben.

Bei kleinen Werten m_f, das heißt bei einer Hochausnutzung des verfügbaren Längskraftschlusses, wirkt sich eine Absenkung des Sollwertes für die Fahrgeschwindigkeit in ungenügendem Maße auf die Sollbeschleunigung *|M bzw. die Solldrehzahl ω *|M aus.

Allerdings ist im Fahrbetrieb immer eine Absenkung der Fahrge­ schwindigkeit möglich, solange hierfür nicht aktiv gebremst werden muß. Für derartige Fahrsituationen ist eine Adaption der Soll-Beschleunigung an die Soll-Fahrgeschwindigkeit im Block 6 vorgesehen, dessen Ausgangssignal Δm_f ≧ 0 nur dann Werte ver­ schieden von Null annehmen kann, wenn m_f klein ist. Bei der Auslegung der Adaption ist sicherzustellen, daß die Summe aus m_f und Δm_f nicht den Maximalwert von m_f und damit die maximal zu­ lässige Sollbeschleunigung überschreitet.

Nach der Detektion eines Gleit- oder Schleudervorgangs oder einer Kraftschlußfunktion ohne Maximum wird jeweils eine ge­ sonderte Steuerstrategie zur Stabilisierung des Antriebes 4 für das Soll-Motordrehmoment erforderlich, die in dem Block 3 implementiert sind. Schnelle zeitliche Änderungen im Soll-Motor­ drehmoment sind dabei generell zur Minimierung des Wirkungsbe­ reiches der Regeleinrichtung zur Kraftschlußhochausnutzung zu vermeiden.

Für die Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen ist ein zu­ sätzlicher Detektor vorzusehen, dessen Ausgangssignal SSD hier als binär angenommen wurde.

Nach der Detektion eines Gleit- oder Schleudervorganges wird mit Hilfe einer Steuerstrategie das maximale Motordrehmoment M_max verringert, und damit auch eine Absenkung des Betrages des Solldrehmomentes M *|Mot mit Hilfe des Begrenzungsgliedes 9 durch­ geführt, und hiermit das Ende des Gleit- bzw. Schleudervorganges herbeigeführt. Während der Verringerung des Drehmomentes M_max ist mit den in Block 3 implementierten Anti-Reset-Windup- Maßnahmen durch Manipulation der Zustandsgrößen x_I und x_ω eine Stabilisierung der Regeleinrichtung vorzunehmen. Wenn das Ende eine Gleit- oder Schleudervorganges detektiert wurde, ist das Motordrehmoment im gesteuerten Betrieb betragsmäßig wieder zu erhöhen, um eine Zug bzw. Bremskraft zu erzielen, die möglichst geringfügig kleiner ist als die Kraft, die vor Eintritt des Gleit- oder Schleudervorganges erzielt wurde. Hierbei ist darauf zu achten, daß der Gleit- oder Schleudervorgang ggf. durch eine längerfristige Verschlechterung der Kraftschlußbedingungen ausgelöst wurde.

In der Fig. 3 ist für den Fahrbetrieb schematisch dargestellt, wie eine Reduktion des Motordrehmomentes vorgenommen werden kann. Es wurde angenommen, daß zum Zeitpunkt t = 0.5 s ein zwei­ ter Schleudervorgang aufgrund langfristig verschlechterter Kraftschlußbedingungen eintrat. Das Drehmoment M_Mot,2 wird vor­ teilhafterweise durch Auswertung der Zeitspanne Δt_SSE, die den zeitlichen Abstand zwischen zwei Gleit- oder Schleudervorgängen angibt, berechnet. Das Drehmoment M_Mot,2 ist um so kleiner zu wäh­ len, je kleiner die Zeitspanne Δt_SSE ist. Eine Möglichkeit ist:

Das Drehmoment M_Mot,min stellt dabei dasjenige Motordrehmoment dar, das auch unter ungünstigsten Kraftschlußbedingungen zu ei­ ner Zugkraft führt, ohne daß es zu einem erneuten Gleit- oder Schleudervorgang kommt. Der Faktor r_M gibt den Anteil wieder, auf den der Betrag des Solldrehmomentes maximal nach einem Gleit- oder Schleudervorgang im gesteuerten Betrieb erhöht wird.

Wenn die aktuelle Kraftschlußfunktion über kein Maximum verfügt, so kann es, z. B. im Fahrbetrieb, bei gleichbleibender Zugkraft zu einer kontinuierlichen, betragsmäßigen Vergrößerung des Längsschlupfes und damit einer unerwünschten Erhöhung der Reib­ leistung im Kontakt kommen. Es ist daher (optional) ein geeigneter Detektor zur Detektion einer Kraftschlußfunktion ohne Maximum vorzusehen, dessen Ausgangssignal FHD als binär angenom­ men wurde. Nachdem ein Betrieb im Sättigungsbereich der Kraftschlußfunktion detektiert wurde, wird z. B. im Fahrbetrieb das Motordrehmoment durch Absenken des maximalen Drehmomentes M_max vorübergehend reduziert; wie schon bei der Detektion eines Gleit- oder Schleudervorganges ist mit den in Block 3 implementierten Anti-Reset-Windup-Maßnahmen eine Stabilisierung der Regeleinrichtung vorzunehmen. Mit der Reduktion soll ein neuer Betriebspunkt auf der Kraftschlußfunktion mit größerem Längsschlupf bei nahezu gleichbleibendem Längskraftschluß erreicht werden.

Eine möglicher, normierter Verlauf des Motordrehmomentes nach der Detektion einer Kraftschlußfunktion ohne Maximum ist in der Fig. 4 dargestellt. Das Motordrehmoment erreicht für t < 1.3 s nicht seinen ursprünglichen Wert, sondern liegt geringfügig darunter, um einen neuen Betriebspunkt auf dem ansteigenden Ast der Kraftschlußfunktion sicherzustellen. Im Rahmen eines Rege­ lungsverfahrens zur Kraftschlußhochausnutzung sind die oben genannten Anti-Reset-Windup-Maßnahmen für 0.5 s ≦ t ≦ 1.3 s aktiviert.

Da die Sollwerte für die Fahrgeschwindigkeit bzw. der Zugkraft auf Größen einwirken, die die Beschleunigung des Fahrzeuges bestimmen, kann eine üblicherweise vorhandene Begrenzung des Ruckes mit Steilheitsbegrenzern in den Signalpfaden der Soll­ werte erreicht werden.

Wenn kein Sollwert für die Fahrgeschwindigkeit vorliegt, so ist er gemäß dem Vorzeichen der Sollzugkraft F *|z festzulegen:

Bezugszeichenaufstellung

1

Sollwertintegrator

2

Drehzahlregler

3

Block

4

Antrieb

5

Steilheitsbegrenzer

6

Vorrichtung

7

Schrittweitensteuerung

8

Steilheitsbegrenzer

9

Begrenzungsglied

10

Begrenzungsglied

11

Multiplikator
SSD Ausgangssignal
FHD Ausgangssignal
ν

*|G

Soll-Fahrgeschwindigkeit
F

*|z

Soll-Zugkraft

*|G

(geschätzte) Beschleunigung des Triebfahrzeuges

*|M

Soll-Beschleunigung
_G

(geschätzte) Geschwindigkeit des Triebfahrzeuges
ω

*|M

Sollwert Motordrehzahl
M

*|Mot

Soll-Motordrehmoment
M_max

Drehmoment
M_Mot,min

Drehmoment
f Kraftschlußgradient
s_χ

Längsschlupf

Claims (9)

1. Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung von elek­ trischen Triebfahrzeugen in der Art eines Gradientverfah­ rens, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Sollwert für die Motordrehzahl aus einer vorgegebenen Soll-Fahrgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Soll-Zug­ kraft ermittelt wird, für den sich im stationären Zustand ein Kraftschlußgradient nahe dem Wert Null einstellt,
• - wobei der Kraftschlußgradient für eine schrittweise Ver­ änderung der Solldrehzahl des Antriebs (4) über
• - einen Sollwertintegrator (1) im Geschwindigkeitsregelkreis genutzt wird, über den der Sollwert für die Motordrehzahl ermittelt wird, wobei
• - an den Eingang des Sollwertintegrators (1) die Sollbe­ schleunigung angelegt wird, die in Abhängigkeit von der schrittweisen Veränderung der Solldrehzahl, der Regel­ kreisdynamik und des Regelfehlers im Geschwindigkeitsre­ gelkreis bestimmt und durch eine gesonderte Steuerstra­ tegie zur Stabilisierung des Geschwindigkeitsregelkreises beeinflußt wird, die in einem Block (3), in dem Anti-Re­ set-Windup-Maßnahmen für einen Drehzahlregler (2) und, den Sollwertintegrator (1) implementiert sind und in dem das betragsmäßig maximal zulässige Soll-Motordrehmoment aus der vorgegebenen Soll-Zugkraft ermittelt und einem Begren­ zungsglied (9) zwischen dem Drehzahlregler (2) und dem An­ trieb (4) zugeführt wird, realisiert wird und als Zu­ standsgrößen (x_I, x_ω) und als Parameter (M_max) ausgegeben werden,
• - wobei das Kraftschlußmaximum aus einer Nullstelle des Kraftschlußgradienten detektiert wird und
• - ein Soll-Motordrehmoment bereitgestellt wird, das bei zei­ tinvarianten Kraftschlußbedingungen eine kontinuierliche Fahrt am Kraftschlußmaximum mit maximaler, konstanter Zug­ kraft gewährleistet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Block (3) für Anti-Reset-Windup-Maßnahmen zusätz­ lich die Steuerstrategien für das Motordrehmoment bei einem Gleit- oder Schleudervorgang und/oder bei einem detektierten Betrieb im Sättigungsbereich einer Kraftschlußfunktion ohne Maximum implementiert sind und als Zustandsgrößen für den Sollwertintegrator (1) und den Drehzahlregler (2) sowie das maximal zulässige Soll-Motordrehmoment als Parameter dem Be­ grenzungsglied (9) ausgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstelle des Kraftschlußgradienten durch Verfahren der numerischen Mathematik wie das Newtonsche Verfahren (2) ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schrittweise Veränderung der Solldrehzahl des Antrie­ bes (4) vorab berechnet und gleichzeitig relevante Parameter der nominellen Kraftschlußfunktion variiert werden, indem in einer Schrittweitensteuerung (7) eine nominelle Kraft­ schlußfunktion abgespeichert und damit ein ungewolltes Über­ schreiten des Längsschlupfes maximalen Kraftschlusses verhin­ dert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Fehlen eines betrieblich vorgegebenen Sollwertes für die Fahrgeschwindigkeit ein Sollwert aus der Soll-Zug­ kraft derart ermittelt wird, daß für Sollzugkräfte größer oder gleich Null die Soll-Fahrgeschwindigkeit gleich der ma­ ximal betrieblich zugelassenen Fahrgeschwindigkeit des Trieb­ fahrzeuges entspricht und für Sollzugkräfte kleiner als Null die Soll-Fahrgeschwindigkeit zu Null gesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Steilheitsbegrenzer (5, 8) in den Signalpfaden für die Sollwerte der Fahrgeschwindigkeit und der Zugkraft eine Begrenzung des Ruckes vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Vorrichtung (6) eine Adaption der Sollbe­ schleunigung an die Soll-Fahrgeschwindigkeit bei einer Umkeh­ rung des Fahrbetriebes eine Verbesserung der Regelkreisdy­ namik vorgenommen wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine dauerhafte Verschlechterung der Kraftschlußbedin­ gungen durch eine Auswertung der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gleit- oder Schleudervorgängen erkannt wird und in der Steuerstrategie für das Motordrehmoment bei einem Gleit- oder Schleudervorgang berücksichtigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung des Triebfahrzeuges bei der Bestimmung der schrittweisen Veränderung der Solldrehzahl des Antriebs (4) berücksichtigt wird.