DE19927223C2 - Control procedure for the high utilization of electric traction vehicles - Google Patents

Control procedure for the high utilization of electric traction vehicles

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Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Kraftschluß­ hochausnutzung bei elektrischen Triebfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a control method for frictional engagement high utilization of electric traction vehicles according to the Preamble of claim 1.

Moderne Triebfahrzeuge können Zugkräfte bereitstellen, die nur unter günstigen Kraftschlußbedingungen übertragen werden können.Modern locomotives can provide traction that only can be transferred under favorable adhesion conditions.

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.Favorable adhesion conditions are thereby a Rei exercise number, which corresponds to the ratio of maximum traction to weight of the locomotive of about Corresponds to 0.3 to 0.5.

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.In the case of unfavorable adhesion conditions, excessive tensile or braking force requirements, the drive wheels are thrown or slide. Can during a gliding or spinning process considerable damage to the wheel and track caused by a rapid reduction of the (target) engine torques prevented Need to become. For high traction and braking forces even under to achieve permanent adhesion conditions become regulatory Processes for the use of high adhesion are required.

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 Kraftschlußbedingungen erforderlich werden [Hahn et al., 1993, "Fortschritte bei der Kraftschlußausnutzung für die Hochgeschwindigkeits- und Schwerlasttraktion", ETR, 42 (1-2), 67-74].Up to now, local traffic has mainly been based on the use of rain Development process for the use of high adhesion is dispensed with. The anti-skid and anti-skid protection is due to its us may not be able to continue operation with to maintain maximum traction automatically, so that manual intervention by the driver in unfavorable adhesion conditions  [Hahn et al., 1993, "Progress in the adhesion utilization for the high-speed and Heavy duty traction ", ETR, 42 (1-2), 67-74].

Durch steigende Anforderungen im Nahverkehr werden seit kurzem jedoch auch dort Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochaus­ nutzung eingesetzt.Due to increasing demands in local transport have been recently however, there are also control procedures for the high-rise building used.

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 Fx 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 Fx durch Normalkraft N ist der Längskraftschluß x und erreicht bei einem von den Kraftschlußbedingungen abhängigen Längsschlupf sx,max seinen durch die Reibungszahl µ gegebenen Maximalwert (Fig. 5).A longitudinal slip between the wheel and the rail is necessary to generate a tractive force in rail-bound locomotives. The tractive force is made up of the longitudinal slip forces that act on the wheels of the locomotive. Each individual longitudinal slip force F x cannot become arbitrarily large, but is limited by the product of normal force N and the friction coefficient µ at the wheel-rail contact. The quotient of longitudinal slip force F x by normal force N is the longitudinal force connection x and, with a longitudinal slip s x, max which is dependent on the force connection conditions , reaches its maximum value given by the coefficient of friction µ ( FIG. 5).

Die Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung werden unter der Maßgabe entworfen, einen Längsschlupf zwischen Rad und Schiene einzustellen, der möglichst dem Schlupf sx,max entspricht, bei dem der Längskraftschluß maximal wird.The control procedures for the use of high traction are designed with the proviso that a longitudinal slip between the wheel and the rail is set which corresponds as closely as possible to the slip s x, max at which the longitudinal traction becomes maximum.

Ein wichtiges Problem bei der Kraftschlußhochausnutzung ist, daß der Schlupf sx,max zeitvariant und im allgemeinen unbekannt ist. Des weiteren ist auch der Längsschlupf sx zwischen Rad und Schiene unbekannt, da üblicherweise keine geeigneten Messungen durchgeführt werden.An important problem in the case of the high utilization of the adhesion is that the slip s x, max is time-variant and generally unknown. Furthermore, the longitudinal slip s x between the wheel and the rail is also unknown, since usually no suitable measurements are carried out.

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 Verfahren 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.The older control procedures based on search strategies for Force utilization is common that an operation on Maximum adhesion is only possible if the engine torque is increased and decreased cyclically. While out In addition, there are some processes in the formative limit cycles  in driving mode per cycle to a spin cycle, the by quickly reducing the torque of the driving Motors must be stopped. When reducing the engine torque The power consumption of the drive is reduced within a few milliseconds by up to several 100 kW, and there are therefore additional mechanical loads on the Drive train on. This change in the electrical and mechanical loads are not desirable, but must be considered a property inherent in the methods used be accepted.

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.A classification feature for the classification of control procedures to the full use of the force can be derived from the strategy be inherent in the regulatory process and with those in the If necessary, the maximum traction can be achieved.

Es können zwei verschiedene Klassen von Regelstrategien un­ terschieden werden:
Two different classes of control strategies can be distinguished:

  • 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.
    1. In the case of methods with search logic, operation at the maximum power connection is only possible if the engine torque is increased cyclically while driving and is reduced again after detection of the maximum power connection.
    The procedures with search logic differ in the criteria according to which the adhesion maximum is recognized. After the detection of the adhesion maximum, a sliding or skidding process is prevented by lowering the target engine torque M * | Mot or, if the beginning of a sliding or skidding process itself is used to detect the adhesion maximum, is ended. The target engine torque is then increased again. All of the processes have in common that even with time-invariant force-locking conditions, limit cycles are formed in the force-factor utilization.

Die Verfahren mit Suchlogik weisen einige, prinzip bedingte Nachteile auf, die unmittelbar mit dem Auftreten von Grenzzy­ klen verknüpft sind:
The methods with search logic have some disadvantages, which are inherent in principle and are directly linked to the occurrence of limit cycles:

  • - Zyklische Anregung von Resonanzstellen im elektrischen Teil­ system durch Schwankungen in der Leistungsaufnahme der elektrischen Antriebe um bis zu mehreren 100 kW.- Cyclical excitation of resonance points in the electrical part system due to fluctuations in the power consumption of the electric drives by up to several 100 kW.
  • - Zyklische Anregung von Resonanzstellen im mechanischen Teil­ system durch Schwankungen im Motordrehmoment um bis zu 50% des Nenndrehmomentes.- Cyclical excitation of resonance points in the mechanical part system due to fluctuations in engine torque of up to 50% of the nominal torque.
  • - Nicht optimale Ausnutzung des verfügbaren Kraftschlusses.- Not optimal use of the available adhesion.

Die zyklischen Anregungen des elektrischen wie mechanischen Teilsystemes ziehen z. B. erhöhte Anforderungen an die Motorre­ gelung und die Regelung des Vierquadrantenstellers nach sich.
The cyclical excitations of the electrical and mechanical subsystem draw z. B. increased demands on the engine control and the regulation of the four-quadrant actuator itself.

  • 1. 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 sx,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.
    1. With the gradient method, a continuous drive at the maximum adhesion, that is, with constant traction, is in principle possible.
    By estimating a suitable gradient of the force-locking function or an equivalent size to this, the force-locking maximum can be detected and thus exceeding the longitudinal slip maximum force-locking s x, max is prevented. The above-mentioned disadvantages of the methods with search logic, which can be attributed to the limit cycles that occur there, only occur in a weakened form in these methods. The electrical and mechanical subsystem are also excited in the gradient method, since in general an artificial excitation for estimating the gradient of the force-locking function cannot be omitted. However, the excitation is much weaker than the excitation resulting from the limit cycles in the case of methods with search logic.

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.DE 196 34 363 A1 describes a method for regulating the electric drive of a rail vehicle under high groove tion of the frictional connection between the wheel and rail known, at which the working point by a certain slope of the respective gene adhesion function is specified. As part of this Adhä sition control with slope controller are conditioning measures men to improve the wheel-rail contact by a Be drifted in the so-called unstable area, i.e. on which fall off the branch of the adhesion function performed.

In der DE 196 34 363 A1 ist der Gradient der Kraftschlußfunktion durch den funktionalen Zusammenhang zwischen Längskraftschluß x und Schlupfgeschwindigkeit Δν gegeben. Es gibt aber auch andere Gradienten der Kraftschlußfunktion, etwa die partielle Ableitung des Längskraftschlusses nach dem Längsschlupf sx, der Kraftschlußgradient , oder nach der Raddrehzahl ω ent­ sprechend der Kraftschlußgradient f ω|x, an Stelle der Ableitung nach der Schlupfgeschwindigkeit Δν.In DE 196 34 363 A1, the gradient of the adhesion function is given by the functional relationship between the longitudinal adhesion x and the slip speed Δν. But there are also other gradients of the adhesion function, such as the partial derivation of the longitudinal adhesion after the longitudinal slip s x , the adhesion gradient, or according to the wheel speed ω accordingly the adhesion gradient f ω | x, instead of the derivative according to the slip speed 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.DE 196 34 363 A1 does not take any measures into account tion of sliding and spinning processes and for adhesion radio mentions without maximum.

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.DE 43 12 949 A1 describes a method for controlling and re known an electric drive of a vehicle, that can be counted among the gradient methods. With the before However, the set procedures cannot set the target values for the speed can be processed.

Aus der DE 42 25 683 C2 ist ein Verfahren zur Radschlupfregelung bekannt, das einen Integrator im Geschwindigkeitsregelkreis zur Bildung eines Drehzahlsollwertes enthält. DE 42 25 683 C2 describes a method for wheel slip control known that an integrator in the speed control loop Includes formation of a speed setpoint.  

Aus dem Beitrag "Untersuchung eines Verfahrens zur Hochausnutzung des Rad-Schiene-Kraftschlusses bei Triebfahrzeugen [Vogel, Ulrich, eb-Elektrische Bahnen 89 (1991) S. 285-292] ist die Detektion des Kraftschlußmaximums aus einem Vorzeichenwechsel (= Nullstelle) des Kraftschlußgradienten bekannt.From the article "Examination of a procedure for High utilization of the wheel-rail adhesion Locomotives [Vogel, Ulrich, eb-electric railways 89 (1991) Pp. 285-292] is the detection of the maximum adhesion from one Sign change (= zero) of the adhesion gradient known.

Aus der DE 40 20 350 A1 ist weiterhin eine Suchlogig bekannt, welche erkennt, ob der Radsatz sich im stabilen oder instabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie befindet.A search logic is also known from DE 40 20 350 A1, which detects whether the wheelset is in stable or unstable Area of the adhesion characteristic is located.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung von elektrischen Triebfahrzeugen in der Art eines Gradientenverfahrens, wobei ein Sollwert für die Motordrehzahl aus einer vom Fahrzeugführer vorgegebenen Soll- Fahrgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Soll-Zugkraft ermittelt wird, für den sich im stationären Zustand ein Kraftschlußgradient nahe dem Wert Null im Kraftschlußmaximum einstellt, anzugeben, mit dem gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden und 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 Kraftschluß­ hochausnutzung so klein wie möglich gehalten wird.The invention is therefore based on the object Control procedure for the high utilization of electric traction vehicles in the manner of a Gradient method, where a setpoint for the engine speed from a target set by the vehicle driver Driving speed and a predetermined target pulling force is determined for who is in steady state Traction gradient close to zero at the traction maximum recruits to ensure that the Disadvantages of the prior art avoided and the training of limit cycles completely prevented and thus an operation on Maximum adhesion  is made possible with constant traction and that continues the range of action of the control device for frictional engagement high utilization is kept as small as possible.

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:
Under the sphere of action of the control device for power high utilization is to be understood everything that can be written by the components of a traction vehicle and the vehicle surrounding systems such as energy supply or track body and what is exposed to the consequences of a high power utilization. Such components are:

  • 1. Drehgestell mit Antriebsstrang (einschließlich Antriebs­ stromrichter und Motorregelung)1.Bogie with drivetrain (including the drive converter and motor control)
  • 2. Regelung des Vierquadrantenstellers2. Regulation of the four-quadrant controller
  • 3. Passive Filter im Eingangskreis des Transformators3. Passive filters in the input circuit of the transformer
  • 4. Speisendes elektrisches Netzwerk4. Feeding electrical network
  • 5. Signalanlagen des Fahrwegbetreibers5. Signal systems of the infrastructure manager
  • 6. Andere Fahrzeuge im Netz6. Other vehicles on the network

Der Entwurf der unter 2., 3. genannten Komponenten erfolgt u. a. unter Berücksichtigung der 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.The components mentioned under 2., 3. are designed. a. taking into account that of the operators of the rail network formulated limit values. Such limits refer to the composition of the mains electricity resulting from the Needs of the railway signaling equipment gives.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Da­ nach ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftschlußgradient für eine schrittweise Veränderung der Solldrehzahl des Antriebs über einen Sollwertintegrator im Geschwindigkeitsregelkreis genutzt wird, über den der Sollwert für die Motordrehzahl ermittelt wird, wobei an den Eingang des Sollwertintegrators die Sollbeschleunigung 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 Begenzungsglied zwischen dem Drehzahlregler und dem Antrieb zugeführt wird, realisiert wird und als Zustandsgrößen xI, xω und Parameter Mmax ausgegeben wer­ den. Das Kraftschlußmaximum wird aus einer Nullstelle des Kraftschlußgradienten durch Verfahren der numerischen Mathematik wie das Newtonsche Verfahren detektiert. Es wird ein Soll- Motordrehmoment bereitgestellt, das bei zeitinvarianten Kraftschlußbedingungen eine kontinuierliche Fahrt am Kraftschlußmaximum mit maximaler, konstanter Zugkraft gewährlei­ stet, wobei ein Betrieb im instabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie nicht angestrebt wird.The object is achieved with the features of claim 1. The method is then characterized in that the adhesion gradient is used for a gradual change in the setpoint speed of the drive via a setpoint integrator in the speed control loop, via which the setpoint for the motor speed is determined, the setpoint acceleration being applied to the input of the setpoint integrator Dependence on the gradual change of the target speed, the control loop dynamics and the control error in the speed control loop is determined and is influenced by a separate control strategy for stabilizing the speed control loop, which in a block in the anti-reset wndup measures for a speed controller and Setpoint integrator are implemented and in which the maximum permissible nominal motor torque is determined from the specified nominal tensile force and is supplied to a limiting element between the speed controller and the drive nd sizes x I , x ω and parameters M max are output. The adhesion maximum is detected from a zero of the adhesion gradient by methods of numerical mathematics like Newton's method. A target engine torque is provided which, in the case of time-invariant adhesion conditions, ensures a continuous drive at the maximum adhesion with maximum, constant tractive force, operation in the unstable region of the adhesion characteristic not being sought.

Das Regelungsverfahren weist folgende Vorteile auf:
The regulatory process has the following advantages:

  • - 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.- It allows a high traction without it to Training of limit cycles comes. It avoids the after parts of the procedure with search logic. The advantage is one Minimization of the frictional connection by the control device high utilization injected into the electrical and electrical interference mechanical subsystems of a locomotive.
  • - Es können Sollwerte für die Zugkraft und die Fahrgeschwindig­ keit verarbeitet werden, ohne daß es einer Modifikation der Reglerstruktur bedarf.- There can be setpoints for the tractive force and the driving speed speed are processed without a modification of the Controller structure required.
  • - Es erlaubt die Verwendung verschiedene Verfahren zur Detektion von Gleit- und Schleudervorgängen sowie zur Detektion von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum. - It allows the use of different detection methods of sliding and spinning processes as well as for the detection of Traction functions without a maximum.  
  • - Es können verschieden Kraftschlußgradienten verarbeitet wer­ den, sofern sich diese in den Kraftschlußgradienten 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 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.- Different adhesion gradients can be processed the, if these are in the adhesion gradient calculate. It should be borne in mind that the longitudinal traction according to common theories of longitudinal slip between wheel and Rail is largely dependent. That is the limitation "can be converted into the adhesion gradient" not procedural, but follows from the physical Conditions at the wheel-rail contact, from which rules for Selection of the necessary measured variables can be derived.

Es liegt eine universelle Regelungsstruktur für ein Gradienten­ verfahren vor.There is a universal control structure for a gradient proceed before.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous developments of the invention are in the Subclaims described.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel des Regelungsverfahrens näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below in a drawing Embodiment of the control method explained in more detail. It demonstrate:

Fig. 1 das Strukturbild des Regelungsverfahrens zur Kraft­ schlußhochausnutzung, Fig. 1 shows the structure diagram of the control method closing high utilization for power,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Nullstellensuche des Kraftschlußgradienten mit dem Newtonschen Verfahren, Fig. 2 is a graphical representation of the zeros of the search Kraftschlußgradienten with the Newton's method,

Fig. 3 eine grafische Darstellung eines typischen Verlaufs des Motordrehmomentes bei langfristig verschlechterten Kraftschlußbedingungen, FIG. 3 is a graphical representation of a typical profile of the motor torque in the long term deteriorated power circuit conditions,

Fig. 4 die grafische Darstellung des normierten Motordrehmo­ mentenverlaufes nach der Detektion einer Kraftschlußfunktion ohne Maximum und Fig. 4 shows the graphical representation of the normalized engine torque curve after the detection of a force-locking function without maximum and

Fig. 5 die grafische Darstellung zweier typischer Kraftschluß­ funktionen bei Schienenfahrzeugen. Fig. 5 shows the graphical representation of two typical adhesion functions in rail vehicles.

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 Zustandsregeler 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.With the control method according to the invention for high-efficiency adhesion according to the illustration in FIG. 1, a target engine torque can be provided, which enables continuous travel with maximum longitudinal slip or tractive force in time-variant adhesion conditions. This can be achieved if a setpoint value ω * | M for the engine speed is determined for which the frictional engagement gradient that occurs in the steady state is close to zero. The value zero is not to be regarded as an ideal setpoint in the sense of a high-pressure use, since in this case the smallest disturbances can cause a sliding or spinning process. Instead, an operation on the increasing branch of is for a high-efficiency utilization in accordance with the approach of [Engel, B., 1996, "Wear-reducing adhesion control with condition controller for electric traction drives", series 12: traffic engineering / vehicle technology (284), VDI progress reports] Traction function with a minimal traction force served as considered advantageous. A high-power use is then available if the zero point of the function, which is given by the difference between the power gradient minus the minimum force gradient, was found by suitable manipulation of the target speed ω * | M of a speed control loop.

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. The control method according to the invention for the high-rise building use in electric traction vehicles is a gradient method. With the method according to the invention, a continuous Nuclear ride at the traction maximum with constant traction possible, which is a basic requirement for the desired Minimization of the area of effect can be viewed.  

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 sx betragsmäßig minimal ist, entspricht einer Nullstelle des Kraftschlußgradienten , wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Bei der Berechnung der Schrittweite Δsx,n, die im Regelkreis einer Veränderung der Raddrehzahl um Δωn bzw. der Motordrehzahl um üGΔωn 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 ω .*|M größer gewählt werden als wenn der Längskraftschluß nur wenig kleiner als µ ist. Während in der erstgenannten Situation der Kraftschlußgradient be­ tragsmäßig groß ist, ist er in der letztgenannten Situation betragsmäßig klein bzw. am Kraftschlußmaximum null. Eine mit dem Betrag des Kraftschlußgradienten sinkende Sollbeschleunigung ω .*|M wird bei numerischen Verfahren zur Nullstellensuche au­ tomatisch erreicht, da die Schrittweite in der Nähe der Null­ stelle stets klein ist.
By evaluating a suitable gradient of the adhesion function, the method is able to detect the adhesion maximum. The adhesion maximum, at which the longitudinal slip s x is also minimal, corresponds to a zero point of the adhesion gradient, as shown in FIG. 2. When calculating the step size Δs x, n , which in the control loop corresponds to a change in the wheel speed by Δω n or the motor speed by ü G Δω n , numerical methods can be used, such as those known when determining zeros from numerical mathematics are. Such a method is e.g. B. Newton's method ( Fig. 2 and (1)). The application of the Newtonian method has another advantage: If the train driver requests an increase in tractive force at a point in time when the axial traction is significantly smaller than the coefficient of friction µ, the target acceleration ω. * | M can be chosen greater than if the axial traction is only slightly smaller than µ. While in the first-mentioned situation the adhesion gradient is large in terms of amount, in the latter situation it is small in amount or zero at the adhesion maximum. A target acceleration ω. * | M that decreases with the magnitude of the adhesion gradient is automatically achieved in numerical methods for searching for a zero point, since the step size near the zero point is always small.

Aus einer berechneten Schrittweite Δsx,n kann eine zugehörige Erhöhung der Raddrehzahl gemäß (2) berechnet werden.A corresponding increase in the wheel speed can be calculated according to (2) from a calculated step size Δs x, n .

Die zweite Ableitung des Längskraftschlusses nach dem Längs­ schlupf ∂2 x/∂s 2|x (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 αN wird so festgelegt, daß es bei einer von der nominellen Kraftschlußfunktion abweichenden Kraftschlußfunktion nicht zu einer Schrittweite Δsx,n kommt, die einen Längsschlupf sx,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 sx,max durch eine vorab durchgeführte Berechnung der Verstärkung αN bei gleichzeitiger Variation relevanter Parameter der nominellen Kraftschlußfunktion zu verhindern.The second derivative of the longitudinal traction after the longitudinal slip ∂ 2 x / ∂s 2 | x (cf. (1)), since it is not known, is calculated a priori for a nominal traction function and saved as a table in the control device for the traction utilization. The gain α N is determined in such a way that in the case of a force-locking function deviating from the nominal force-locking function, a step size Δs x, n does not occur, which results in a longitudinal slip s x, n on the horizontal or sloping branch of the force-locking function. The storage of a nominal adhesion function in the controller does not mean that the presented control method for the utilization of the adhesion force is not functional for other adhesion functions. Rather, the aim of introducing a nominal force-locking function is to prevent an undesired exceeding of the longitudinal slip maximum longitudinal force-locking s x, max by a previously performed calculation of the gain α N with simultaneous variation of relevant parameters of the nominal force-locking function.

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: Fig. 1 shows the structure diagram of the control method. The control structure is then essentially formed from the combination of the following modules: setpoint integrator 1 , steepness limiter 5 for the target driving speed, device 6 for adapting the target acceleration to the target driving speed, step control 7 , a limiting element 10 for the in the speed control loop evaluated speed error, a multiplier 11 for determining the target acceleration taking into account the speed error, block 3 for anti-reset windup measures and control strategies, steepness limiter 8 for the target tractive force, speed controller 2 , limiting element 9 for that Target torque and drive to be regulated 4 . The following working principle of the control procedure can be derived from this structure:

Zentrales Element ist der Sollwertintegrator 1 im Geschwindig­ keitsregelkreis, an dessen Ausgang der Sollwert ω *|M für den unterlagerten 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 ω .*|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 ω .*|M berücksichtigt.The central element is the setpoint integrator 1 in the speed control loop, at whose output the setpoint ω * | M for the lower-level speed control loop, which is formed in the forward branch from the speed controller 2 , the limiter 9 and the drive 4 , is available. At the input of the setpoint integrator 1 there is the set acceleration ω. * | M, which among other things becomes zero when the maximum adhesion is reached. The variable traction conditions are mainly taken into account when determining the setpoint acceleration ω. * | M with the aid of the traction gradient that is entered in the step size control 7 .

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.By limiting the speed error evaluated in the speed control loop to the extreme value one (limiting element 10 ), the sum of the output signals of the step size control 7 and the device 6 corresponds to the maximum desired acceleration permitted in the speed control loop under the respective adhesion conditions. By additionally evaluating this maximum target acceleration with the limited speed error by means of the multiplier 11 , the target acceleration is reduced precisely when the driving speed of the locomotive is close to the target driving speed.

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 abgeleitete Zugkraft der Sollzugkraft F *|zd entspricht oder das Soll-Motordrehmoment 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 xI) sowie die internen Zustände des Drehzahlreg­ lers 2 (Zustandsgrößen xω) 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 Mmax des Begren­ zungsgliedes 9 zugeführt.When specifying a target tractive force F * | z and a target driving speed ν * | G, a minimum selection must be made. Thereafter, the target speed ω * | M is to be kept constant regardless of the target driving speed if either the tractive force derived from the target motor torque corresponds to the target tractive force F * | zd or the target motor torque corresponds to the nominal torque of the drive motor. So-called anti-reset windup (ARW) measures (cf., for example, [Böcker et al., 1986, "Nonlinear and Adaptive Control Systems", Springer, Berlin / Heidelberg]) are to be provided in order to include the mentioned situations to prevent an "overflow" of the setpoint integrator 1 . Anti-reset windup measures may also be required for speed controller 2 (depending on its internal structure). The anti-reset windup measures implemented in block 3 act on the setpoint integrator 1 (state variable x I ) and the internal states of the speed controller 2 (state variables x ω ) and serve to stabilize the control device. In block 3 is also determined by evaluating the predetermined target tensile force F * | z the maximum permissible nominal engine torque and supplied as a parameter M max of the limiter 9 .

Aus dem geschätzten Kraftschlußgradienten wird schrittweise eine Drehzahlerhöhung Δωn ermittelt.A speed increase Δω n is determined step by step from the estimated adhesion gradient.

In einem zweiten Schritt wird unter Berücksichtigung der Regel­ kreisdynamik eine Zeitspanne ΔTn ermittelt, um aus der Drehzah­ lerhöhung Δωn eine Sollbeschleunigung ω .*|M = üGΔωn/ΔTn zu be­ stimmen.In a second step, taking into account the control dynamics, a time span ΔT n is determined in order to determine a target acceleration ω. * | M = ü G Δω n / ΔT n from the speed increase Δω n .

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 mf seinen Maximalwert annimmt als auch der Geschwindig­ keitsfehler eν betragsmäßig größer ist als eν,max. Die Sollbeschleunigung ist bis auf das Vorzeichen durch den Wert des Signals mf gegeben.When driving below the adhesion maximum, the (estimated) acceleration of the traction vehicle G should be added afterwards. Otherwise, an acceleration of the engine at the maximum adhesion is not possible. The sum of the two accelerations must not exceed a maximum value set for the speed control loop from the point of view of stability. The maximum setpoint acceleration of the locomotive should be achieved if both the signal m f assumes its maximum value and the speed error e ν is greater in magnitude than e ν, max . The target acceleration is given up to the sign by the value of the signal m f .

Bei kleinen Werten mf, das heißt bei einer Hochausnutzung des verfügbaren Längskraftschlusses, wirkt sich eine Absenkung des Sollwertes für die Fahrgeschwindigkeit in ungenügendem Maße auf die Sollbeschleunigung ω .*|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 Δmf ≧ 0 nur dann Werte verschieden von Null annehmen kann, wenn mf klein ist. Bei der Auslegung der Adaption ist sicherzustellen, daß die Summe aus mf und Δmf nicht den Maximalwert von mf und damit die maximal zu­ lässige Sollbeschleunigung überschreitet.If the values m f are small, that is to say if the available longitudinal traction is fully utilized, a lowering of the setpoint for the driving speed has an insufficient effect on the set acceleration ω. * | M or the set speed ω * | M. However, a lowering of the driving speed is always possible while driving, as long as this does not have to be actively braked. For such driving situations, an adaptation of the target acceleration to the target driving speed is provided in block 6 , the output signal Δm f ≧ 0 of which can only assume values other than zero if m f is small. When designing the adaptation, it must be ensured that the sum of m f and Δm f does not exceed the maximum value of m f and thus the maximum permissible setpoint acceleration.

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.After the detection of a sliding or spinning process or a force-locking function without a maximum, a special control strategy for stabilizing the drive 4 for the desired engine torque is required, which are implemented in block 3 . Rapid changes over time in the target engine torque are generally to be avoided in order to minimize the range of effectiveness of the control device for the use of positive traction.

Für die Erkennung von Gleit- und Schleudervorgängen ist ein zu­ sätzlicher Detektor vorzusehen, dessen Ausgangssignal SSD hier als binär angenommen wurde.For the detection of gliding and spinning is a too provide additional detector, its output signal SSD here was accepted as binary.

Nach der Detektion eines Gleit- oder Schleudervorganges wird mit Hilfe einer Steuerstrategie das maximale Motordrehmoment Mmax 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 Mmax ist mit den in Block 3 implementierten Anti-Reset-Windup- Maßnahmen durch Manipulation der Zustandsgrößen xI und xω 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. After the detection of a sliding or spinning process, the maximum engine torque M max is reduced with the aid of a control strategy, and thus the amount of the desired torque M * | Mot is also reduced with the aid of the limiter 9 , and the end of the sliding or Spin process brought about. While the torque M max is being reduced, the control device is to be stabilized with the anti-reset windup measures implemented in block 3 by manipulating the state variables x I and x ω . If the end of a sliding or spinning process has been detected, the motor torque must be increased again in controlled operation in order to achieve a pull or braking force that is as little as possible less than the force that was achieved before the sliding or spinning process began . It is important to ensure that the sliding or spinning process may have been triggered by a long-term deterioration in the adhesion conditions.

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 MMot,2 wird vor­ teilhafterweise durch Auswertung der Zeitspanne ΔtSSE, die den zeitlichen Abstand zwischen zwei Gleit- oder Schleudervorgängen angibt, berechnet. Das Drehmoment MMot,2 ist um so kleiner zu wäh­ len, je kleiner die Zeitspanne ΔtSSE ist. Eine Möglichkeit ist:
In Fig. 3 is schematically shown for the driving operation, such as reduction of the engine torque can be made. It was assumed that at time t = 0.5 s a second spin process occurred due to long-term deterioration of the adhesion conditions. The torque M Mot, 2 is calculated before geous by evaluating the time period Δt SSE , which indicates the time interval between two sliding or spinning processes. The torque M Mot, 2 is to be selected the smaller, the smaller the time span Δt SSE . One possibility is:

Das Drehmoment MMot,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 rM gibt den Anteil wieder, auf den der Betrag des Solldrehmomentes maximal nach einem Gleit- oder Schleudervorgang im gesteuerten Betrieb erhöht wird.The torque M Mot, min represents the engine torque that leads to a pulling force even under the most unfavorable adhesion conditions, without a renewed sliding or spinning process. The factor r M represents the proportion to which the amount of the target torque is increased after a sliding or spinning process in controlled operation.

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 Mmax 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. If the current adhesion function has no maximum, it can, for. B. while driving, with constant traction to a continuous, magnification of the longitudinal slip and thus an undesirable increase in friction come in contact. It is therefore (optionally) to provide a suitable detector for the detection of a force-locking function without a maximum, the output signal FHD of which was assumed to be binary. After an operation in the saturation range of the adhesion function has been detected, e.g. B. temporarily reduces the engine torque while driving by lowering the maximum torque M max ; As with the detection of a sliding or spinning process, the control device is to be stabilized with the anti-reset windup measures implemented in block 3 . The reduction is intended to achieve a new operating point on the traction function with greater longitudinal slip with almost the same longitudinal traction.

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.A possible, normalized course of the engine torque after the detection of a force-locking function without a maximum is shown in FIG. 4. The engine torque does not reach its original value for t <1.3 s, but is slightly below it to ensure a new operating point on the increasing branch of the adhesion function. The above-mentioned anti-reset wind-up measures are activated for 0.5 s ≦ t ≦ 1.3 s as part of a control procedure for the use of high levels of force.

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.Since the target values for the driving speed or the tractive force act on quantities that accelerate the vehicle can determine a usually existing limitation of the Jerks with slope limiters in the signal paths of the target values can be achieved.

Wenn kein Sollwert für die Fahrgeschwindigkeit vorliegt, so ist er gemäß dem Vorzeichen der Sollzugkraft F *|z festzulegen:
If there is no setpoint for the vehicle speed, it must be set according to the sign of the setpoint force F * | z:

BezugszeichenaufstellungList of reference symbols

11

Sollwertintegrator
Setpoint integrator

22nd

Drehzahlregler
Speed controller

33rd

Block
block

44

Antrieb
drive

55

Steilheitsbegrenzer
Slope limiter

66

Vorrichtung
contraption

77

Schrittweitensteuerung
Step size control

88th

Steilheitsbegrenzer
Slope limiter

99

Begrenzungsglied
Limiting element

1010th

Begrenzungsglied
Limiting element

1111

Multiplikator
SSD Ausgangssignal
FHD Ausgangssignal
v
multiplier
SSD output signal
FHD output signal
v

*|G        * | G     

Soll-Fahrgeschwindigkeit
F
Target driving speed
F

*|z        * | z     

Soll-Zugkraft
(geschätzte) Beschleunigung des Triebfahrzeuges
ω
Target pulling force
(Estimated) acceleration of the locomotive
ω

.*|M        . * | M     

Soll-Beschleunigung
G
Target acceleration
G

(geschätzte) Geschwindigkeit des Triebfahrzeuges
ω
(Estimated) speed of the locomotive
ω

*|M        * | M     

Sollwert Motordrehzahl
M
Setpoint engine speed
M

*|Mot        * | Mot     

Soll-Motordrehmoment
Mmax
Target engine torque
M max

Drehmoment
MMot,min
Torque
M Mot, min

Drehmoment
Kraftschlußgradient
sx
Torque
Adhesion gradient
s x

Längsschlupf
Longitudinal slip

Claims (6)

1. Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung von elek­ trischen Triebfahrzeugen in der Art eines Gradientverfah­ rens, wobei ein Sollwert für die Motordrehzahl aus einer vom Fahrzeugführer vorgegebenen Soll-Fahrgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Soll-Zugkraft ermittelt wird, für den sich im stationären Zustand ein Kraftschlußgradient nahe dem Wert Null im Kraftschlußmaximum einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Kraftschlußgradient für eine schrittweise Veränderung 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 (xI, xω) und als Parameter (Mmax) ausgegeben werden,
  • - wobei das Kraftschlußmaximum aus einer Nullstelle des Kraftschlußgradienten durch Verfahren der numerischen Mathematik wie das Newtonsche Verfahren ((2)) detektiert wird und
  • - ein Soll-Motordrehmoment bereitgestellt wird, das bei zeit­ invarianten Kraftschlußbedingungen eine kontinuierliche Fahrt am Kraftschlußmaximum mit maximaler, konstanter Zug­ kraft gewährleistet, wobei ein Betrieb im instabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie nicht angestrebt wird.
1. Control method for the traction utilization of electric traction vehicles in the manner of a Gradientverfah rens, wherein a target value for the engine speed is determined from a predetermined driving speed specified by the driver and a predetermined target traction, for which there is a traction gradient close to the value in the steady state Sets zero in the adhesion maximum, characterized in that
  • - The adhesion gradient for a gradual change in the target speed of the drive ( 4 )
  • - A setpoint integrator ( 1 ) is used in the speed control loop, via which the setpoint for the engine speed is determined, wherein
  • - At the input of the setpoint integrator ( 1 ), the setpoint acceleration is applied, which is determined as a function of the gradual change in the setpoint speed, the control loop dynamics and the control error in the speed control loop and is influenced by a separate control strategy for stabilizing the speed control loop, which in a block ( 3 ) in which anti-reset wind-up measures for a speed controller ( 2 ) and the setpoint integrator ( 1 ) are implemented and in which the maximum permissible nominal motor torque is determined from the specified nominal tractive force and a limit tion element ( 9 ) between the speed controller ( 2 ) and the drive ( 4 ) is supplied, implemented and output as status variables (x I , x ω ) and as parameters (M max ),
  • - The maximum adhesion from a zero of the adhesion gradient is detected by methods of numerical mathematics such as Newton's method (( 2 )) and
  • - A target engine torque is provided, which ensures a continuous drive at the maximum force with maximum, constant traction force in time-invariant adhesion conditions, operation in the unstable area of the adhesion characteristic is not aimed.
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.2. The method according to claim 1, characterized in that in the block ( 3 ) for anti-reset windup measures Lich additional control strategies for the engine torque during a sliding or skidding process and / or in a detected operation in the saturation range of a force-locking function without Are implemented as a maximum and are output as state variables for the setpoint integrator ( 1 ) and the speed controller ( 2 ) as well as the maximum permissible setpoint engine torque as parameters to the limiting element ( 9 ). 3. 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. 3. The method according to claim 1, characterized, that in the absence of an operationally specified setpoint for the driving speed a target value from the target train force is determined in such a way that greater for target tensile forces or zero the target driving speed is equal to the ma ximal operational speed of the drive corresponds to the vehicle and for target tensile forces less than zero the target driving speed is set to zero.   4. 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.4. The method according to claim 1, characterized in that a steepness limiter ( 5 , 8 ) in the signal paths for the setpoints of the driving speed and the tractive force is used to limit the jerk. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 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.5. The method according to claim 1, characterized, that a permanent deterioration in the adhesion conditions by evaluating the time period between two successive gliding or spinning processes detected and in the control strategy for the engine torque a sliding or spinning process is taken into account. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung des Triebfahrzeuges bei der Bestimmung der schrittweisen Veränderung der Solldrehzahl des Antriebs (4) berücksichtigt wird.6. The method according to claim 1, characterized in that the acceleration of the locomotive is taken into account when determining the gradual change in the target speed of the drive ( 4 ).
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