DE2146499C3

DE2146499C3 - Regelanordnung zur abstandshaltenden elektromagnetischen Schwebeführung eines Schwebefahrzeuges gegenüber Trag- und Führungsschienen

Info

Publication number: DE2146499C3
Application number: DE2146499A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Zander
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1971-09-17
Filing date: 1971-09-17
Publication date: 1975-09-25
Also published as: FR2154069A5; GB1401313A; DE2146499A1; DE2146499B2

Description

und Führungsmagnete eines Magnetschwebefahrzeues werden die acht Abstandssignale zu fünf Regelgrößen verknüpft, die die Positionen des Fahrzeuges zu seinen Schienen in bezug auf die möglichen fünf Freiheitsgrade »Senken, Rollen, Nicken, Schieben und Gieren« exakt beschreiben und in je einem Regler für sich geregelt werden, die als Stellgiößen fünf Regelspannungen liefern, die durch Stellgrößen Verknüpfung in acht Äusgangsspannungen umgeformt werden, die die Ströme in den acht Trag- und Führungsmagneten des Fahrzeuges so beeinflussen, daß die Kräfte bzw. Drehmomente in den entsprechenden Freiheitsgraden jeweils die notwendige Steuerung der Fahrzeuglage bewirken.

Die Signalverknüpfung läßt sich durch folgende Gleichungen beschreiben:

»Senken« i S₄ = ^ (S, + S₂ 4- S, + S₄) U)

»Rollen« '/ S_v = ^ (S₁ - S₂ - S., + S₄) (2)

»Nicken« it Sj₁ = ^ ( S₁ - S₂ + S₃ + S₄I (3)

»Schieben« 7 St — ( -S₅ + S,, + S- - S₈) |4|

4 if

»eueren« y

-S₅ + S„ - S-, + SJ (5)

wobei mit S₁ bis S₈ die jeweiligen Abstandssignak fur die Luftspalte zwischen Schiene und Trag- bzw. Funrungsmagnet bezeichnet sind.

Die Verknüpfung der Regler-Ausgangssignale zu acht Stellgrößen läßt sich durch folgende Gleichungen beschreiben:

35

*'i - - ^V4 - V₉ + V₉ (6)

V₂ = - V, + V_m + K

40

15 = + ν_τ + ν_Φ

K = - ν, - ν_ψ

V- = - V₁ + ν_ψ

ν* = + v_t - ν_ψ

(I Oi (11)

(12) (131

Hierbei bedeutet ζ. B. ein positives, eine Spannung darstellendes Regler-Ausgangssignal I⁷,. daß cine Bevvegung des Fahrzcugmittelpunktes in positiver Z-Richtung verursacht wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Regelvcrfahrcns ist darin zu sehen, daß auf Grund der Signalvcrknüpfung die Magnetströme weder von der Spurbreite noch von unterschiedlichen Höhendifferenzen der Schienen zwischen den vorderen und hinleren Tragmagneten beeinflußt werden.

Aus der Tatsache, daß aus acht Abstandssignalen nur fünf Regelgrößen gebildet sind, ergibt sich, daß gewisse Kombinationen von Abstandsänderungen ohne Einfluß auf die Regler sind. Da Abstandsändcrungcn aber auch schon Krafländcrungcn mit sieh bringen, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung zweckmäßig, wenn jedem Trag- und Führungsmagncten cine die Abhängigkeit der Magnetkraft von der Größe des Luftspaltcs kompensierende '.usat/spannung zugeführt ist, deren Wert gebildet ist durch Multiplikation einer die jeweilige Luftspaltgröße repräsentierenden Signalspannung mit einem Faktor, der aus dem Verhältnis von Krafiabhängigkeit vom Luftspalt zu Kraftabhängigkeit v>jm Spulenstrcm unter Berücksichtigung de.·; Ohnischen Spulenwiderstandes gewonnen ist.

Im Arbeitspunkt eines Trag- und Führungsmagneien mit dem Spulenstrom / ist bekanntlich eine Kraft-Abhängigkeit vom Spulenstrom HL und eine Kraft-

BI

abhängigkeit vom Luftspalt ~ gegeben. Ein Ausgleich beider Kraftabhängigkeiten ist dann erzielbar, wenn der Spulenstrom /* bei einer Luftspaltänderung IS

CF CS

IS

(14)

Für eine Spannungsregelung, die sich technisch einfacher als eine Stromregelung realisieren läßt, gilt für die Trag- und Führungsmagnete mit dem Gleichstromwiderstand R

V* = V ■*- R

C- F CS CF Cl

IS

V* = V + K ■ IS,

(15)

(16)

wobei V* die als Spannung dargestellte Stellgröße und K ein Proportionalitätsfaktor ist.

Obwohl diese Zugkraftstabilisierung für jeden Magneten einzeln durchführbar ist. können nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als die jeweiligen Luftspaitgrößcn repräsentierende Signalspannungen drei Spannungen dienen, die aus den Abslandssignalen durch Verknüpfung gebildet sind entsprechend den drei möglichen Luftspaltändcrungen ohne Änderung der minieren Relativlage des Schwebefahrzeuges gegenüber den Trag- und Führungsschienen, nämlich erstens »Verwindung« um die Längsachse, zweitens »mittlerer Seitcnluftspalt« und drittens »Pfeilung«, d. h. unterschiedliche Scitenluftspaluumme vorne und hinten, und daß die erste Signalspannung zur Bildung der Zusatzspannung für die Tragmagnete und die Summe bzw. Differenz der /weilen und dritten Signalspannung zur Bildung der Zusatzspannung für die vorderen bzw. hinteren Führungsmagnete dient.

Die Signalspannungsvei knüpfung ist durch folgende Gleichungen beschrieben:

»Verwindung« r

S₁. = \ (S, - S, f X, - S₄I

»Minierer Scilcnluftspall« in

S_n, = ' (S, + S„ + S, + SJ

(I7)

(IK)

»Pfeilung« ρ

S. =ϊ (S₅ + S„ - S₇ - S₁₁)

(19) führt. Die Abstandsfühler für die Luftspalte sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Gemäß F i g. 3 werden nach einem ersten Ausrührungsbeispiel die acht Abstandssignale S₁ bis S₈ Hieraus erfolgt die Stellgrößenmischung auf Grund 5 über eine Einrichtung 60 zur Meßwertverknüpfung

gemäß den folgenden Gleichungen zu fünf Regelgrößen zusammengefaßt:

folgender	Gleichungen	S₁.	4- K, ■
V* =	= V₁ -\	s,	4 K₁. ■
K₂* =	= K₂-	s,.	*- K₁- ■*
Ki =	= K₃H	s,	*- K₁ ■*
K₄* =	= K₄-	S₁₁,
K₅* =	= K₅ H	S₁₁,
*vt :*	= K₆ -	S₁₁₁
K₇* =	= K₇ -	S₁₁,
K₈* =	= K₈ -

-K₁₁-
hK„-
-K₁₁-
hK_F-
*γ K₁ ■*
h K_F ·
h K₁ ·

(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
(25)
(26)
(27)

»Senken« ; S₄ = ' (S₁ 4 S, 4 S, 4 S₄) (1)

»Rollen« 7 S₉ = ^ (S, - S₂ - S₃ 4 S₄) C)

»Nicken« Ii S„ = ' (-S₁ - S₂ 4 S₃ 4 S₄) (3)

»Schieben« τ S, = ' (-S₅ 4 S„ 4 S- - S₈) (4)

»Gieren« T

= ^ < - S₅ + S„ - S₇ + S„) (5)

Hierbei bewirkt der Faktor K₁₁ die Zugkraftstabilisierung an den Tragmagneten, der Faktor K₁ an den Führungsmagneten.

Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Regelanordnungen läßt sich auch bei ungenauer Führung der Trag- und Führungsschienen eine Schweberegelung für Magnetschwebefahrzeuge durchführen, die ohne das Schwebefahrzeug verspannende Kräfte wirksam wird.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die zeichnerische Darstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Regelanordnung erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 in perspektivischer Darstellung das Schwebefahrzeug mit seinen Trag- und Führungsschienen,

F i g. 2 einen Regelkreis gemäß dem Stande der Technik,

F i g. 3 eine erfindungsgemäß ausgebildete Regelanordnung und

F i g. 4 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelanordnung.

Ein in F i g. 1 lediglich schematisch dargestelltes Schwebefahrzeug 4 weist symmetrisch zu seiner Längsachse X angeordnete Tragmagnete 10, 11 und 12, 13 sowie symmetrisch zu seiner Querachse Y angeordnete Führungsmagnete 20, 21 und 22, 23 auf. Den Trag- und Führungsmagneten sind als Winkelschienen ausgeführte Trag- und Führungsschienen 40 und 41 zugeordnet, die in hier nicht dargestellter Weise auf einer ebenfalls nicht dargestellten Trasse starr befestigt sind.

Das Schwebefahrzeug, dessen Antriebsvorrichtung nicht dargestellt ist, kann sich in fünf Freiheitsgraden um seine Längsachse X, um seine Querachse Y und um seine Hochachse Z bewegen. Die Bewegungen des Fahrzeuges um die Längsachse sind mit 9·, um die Querachse mit 9 und um die Hochachse mit ψ bezeichnet. Ferner kann das Fahrzeug die Hebebewegung £ und die Schiebebewegung τ durchführen. Den einzelnen Trag- und Führungsmagneten sind die den Luftspaltbreiten entsprechenden Abstandssignale S₁ bis S₈ zugeordnet.

In F i g. 2 ist ein zum Stande der Technik gehörender Regelkreis, bestehend aus einem Schweberegler 50 und einem Stromstellglied 51. gezeigt, der z. B. über den Luftspalt S₂ zwischen dem Tragmagneten 10 und dem waagerechten Schenkel der Schiene 40 rück geführt ist. Der vom Stromstellglied 51 gesteuerte Strom / wird der Erregerspule 25 des Tragmagneten 10 zugeDiese fünf Regelgrößen werden über einen Heberegler 61, über einen Rollregler 62, einen Nickregler 63, einen Schieberegler 64 und einen Gierregler 65 zu fünf Stellgrößen V«, V_v, K₈, V₁, ν_φ umgeformrund über eine Einrichtung 67 zu acht Stellsignalen K₁ bis K₈ verknüpft und den jeweiligen Trag- und Führungsmagneten 10,11,12,13,20,21,22 und 23 aufgeschaltet.

Nach einem zweiten in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zusätzlich für jeden Trag- und Führungsmagneten eine die Magnetkraft unabhängig von der Größe des Luftspaltes konstant haltende Zusatzspannung erzeugt. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Tatsache, daß ein Ausgleich der

Kraftabhängigkeiten vom Luftspalt ~ und Spulenstrom ^t dann erzielbar ist, wenn unter Berücksichtigung des Gleichstromwiderstandes des jeweiligen Trag- und Führungsmagneten die Erregerspannuni; gemäß der Gleichung

V* = V + K- IS (16)

gesteuert wird.

Diese Zugkraftstabilisierung ist mit der eingang' beschriebenen Meßwertmittelung kombinierbar, se daß folgende Gleichungen gelten:

»Verwindung« r S₁=I (S₁ -S₂+ S₃-SJ

»Mittlerer Seitenluftspalt« m S_1n= \ (S₅ + S_h + S₇ + S₈)

»Pfeilung« ρ

(17)

(18)

(19)

Hieraus erfolgt die Stellgrößenmischung auf Grum folgender Gleichungen:

V* = V₁ +K_H-S_r

Vf = V₂ - K„ ■ S_r

Vt = V, + K„S_T

K = Ki - K₁₁ ■ S,

(20) (21) (22) (23)

V* = V₅ + K₁ ■ S,„ + K, · S₁, (24)

Κ* = V_{1 +} K₁-S₁₁₁-K₁-S₁, (26)

l/₈* = K_{8 +} K_F -S_n-Kr-S₁, (27)

so daß die acht Abstandssignale S₁ bis S₈ des Magnetschwebefahrzeuges 4 zu fünf Regelgrößen verknüpft werden, die über fünf Regler 61 bis 65 zu Stellsignalen verarbeitet und durch Stellgrößenmischung zu acht Stellsignalen umgeformt und den Trag- und Führungsmagneten aufgeschaltet werden, wobei die ge-

nannten acht Abstandssignale S₁ bis S₈ zu drei weiteren Signalspannungcn S₁. S₁₁₁. S_n verknüpft und mit dein Faktor K₁₁ für die Hebemagneten und K₁. Tür die Führungsmagneten — Schaltglieder 68, 69 und 70 — multipliziert werden, der aus dem Verhältnis der Kraftabhängigkeit von Luftspalt und Spulenstrom unter Berücksichtigung des Ohmschen Spulenwiderslandes der Erregerspulen der Trag- und Führungsmagnete gewonnen wird. Die so gewonnenen Zusatzspannun-,o gen werden bei der Stellgrößenmischung Einrichtung 67 — den Stellsignalen K₁ bis K₈ aufgeschaltet, vgl. auch Fi g. 4.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

21 46 Patentansprüche:

1. Regelanordnung zur abstandshaltenden magnetischen Schwebeführung eines Schwebefahrzeuges gegenüber Trag- und Führungsschienen mit am Fahrzeug symmetrisch zur Längs- und Querachse angeordneten gleichstromgespeisten Tragmagneten und ebenso am Fahrzeug verteilten Führungsmagneten, wobei jedem Trag- bzw. Führungsmagnet ein Abstandsfühler als Meßwertgeber für das Regelsystem zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung(60) vorgesehen ist, in der die acht Äbstandssignale (S₁ bis S₈) verknüpft werden zu fünf Regelgrößen (S₄, S.„ S₉, S_x, S^,) entsprechend den fünf freiheitsgraden der Fahrzeugbewegung »Senken« vertikal zur Fahrtrichtung, »Rollen« um die Fahrzeuglängsachse (x), »Nicken« um die Fahrzeug-Querachse (>■), »Schieben« quer zur Fahrtrichtung und »Gieren« um die Fahrzeug-Hochachse (Z), daß die Regelgrößen fünf Reglern (61 bis 65) zugeführt sind und daß eine Einrichtung (67) vorgesehen ist.

in der die fünf Ausgangssignale (V.. ^'. l\. ν_ψ) der Regler zu acht Stellgrößen (V₁ bis Vg) für die acht Trag- bzw. Führungsmagnete (10 bis 13 und 20 bis 23) verknüpft werden, welche die Kräfte bzw. Drehmomente in den entsprechenden Freiheit*- graden bewirken.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jedem Trag- und FührungsmagnelendO bis 13 und 20 bis 23) eine die Abhängigkeit der Magnetkraft von der Größe des Lufispaltes kompensierende Zusatzspannung zugeführi ist. deren Wert gebildet ist durch Multiplikation einer die jeweilige Luftspaltgrößc repräsentierenden Signalspannung mit einem Faktor, der aus dem Verhältnis von Kraftabhängigkeit · vom Luftspalt ('-,Λ zu Kraftabhängigkeii vom

Spulenstrom ('-,) unter Berücksichtigung des Ohmsehen Spulenwiderstandes gewonnen ist.

3. Regelanordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß als die jeweiligen Luftspaltgrößen repräsentierende Signalspannuimen drei Spannungen(S,., S₁₁₁. S) dienen, die aus den Abstandssignalen (S₁ bis S₈) durch Verknüpfung gebildet sind entsprechend den drei möglichen Luftspaltänderungen ohne Änderung der mittleren Relativlage des Schwebefahrzeuges (4) gegenüber den Trag- und Führungsschienen, nämlich erstens »Verwindung« (S₁.) um die Längsachse, zweitens »mittlerer Seitenluftspalt« (S₁₁₁) und drittens »Pfeil"ng« (S_p), d. h. unterschiedliche Seitenluftspaltsumme vorne und hinten, und daß die erste Signalspannung (S₁) zur Bildung der Zusalzspannung Tür die Tragmagnete (10 bis 13) und die Summe bzw. Differenz der zweiten und dritten Signalspannung (S₁₁₁ + S,, bzw. S₁₁₁ - S₁,) zur BiI-dung der Zusatzspannung Rir die vorderen bzw hinteren Führungsmagnetc(20, 21 bzw. 22. 23) dient.

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung zur abstandshaltenden magnetischen Schweberührung eines Schwebefahrzeuges gegenüber Trag- und Führungsschienen mit am Fahrzeug symmetrisch zur Längs- und Querachse angeordneten gleichstromsespeisten Tragmagneten und ebenso am Fahrzeug verteilten Führungsmagneten, wobei jedem Trag- bzw. Führungsmagnet ein Abstandsfühler als Meßwertgeber für"das Regelsystem zugeordnet ist.

Bei bekannten Magnetschwebefahrzeugen werden die Magnetfelder durch Abstandssteuerorgane gesteuert, die den jeweiligen Spalt zwischen Trag- und Führungsmagneten und den zugeordneten Schienen messen und über elektrische Stromkreise die Erregerströme so steuern, daß bei einer vorgegebenen Spaltbreite die magnetischen Kräfte der Schwerkraft und den Störkräften das Gleichgewicht halten, vgl. DT-PS 643 316.

Zum Konstanthalten der Luftspalte zwischen den Führungs- und Tragschienen und den vier Tragmagneten und den vier Führungsmacenten dienen acht jeweils über den Luftspalt rückgeführte Regelkreise. Wie die Praxis gezeigt hat. führt die Anordnung von je einem Regelkrei * je Magnet /u Schwierigkeiten Ändert sich beispielsweise die Spurbreite der Schienen oder iiire Höhe gegenüber einer Referen/höhe. insbesondere innerhalb des vom Fahrzeug eingenommenen Bereichs, so können starre Magnetaufhängung, starres Fahrzeug und starre Schienen vorausgesetzt
aus geometrischen Gründen die gewünschten Luftspalte an allen acht Magneten nicht gleichzeitig eingehalten werden, über die Luftspaltrückführung führt dies /u erheblichen Unterschieden in den Spulenströmen der Trag- und Führungsmagnete. Im ungünstigsten Falle Kann dies dazu führen, daß nur zwei Tragmagnete die normalerweise auf vier Tragmagnete verteilte Last tragen müssen oder aber daß große, jedoch entgegengesetzt gerichtete seitliche Zugkräfte auf das Fahrzeug einwirken, die dieses verspannen. Die genannten Nachteile lassen sich nur zum Teil durch federnde Aufhängung der Trag- und Führungsmagnete oder durch ein elastisches Fahrzeug oder durch elastisch gelagerte Schienen beheben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Regelanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die unabhängig von auf Grund von Herstellungstoleranzen und auf Grund von atmosphärischen Einflüssen auftretenden Unterschieden im gegenseitigen Abstand der Schienen und ihrer Höhe in bezug auf eine Referenzhöhe sowie unabhängig von Fahrzeugtoleranzen geeignet ist, die Trag- und Führungskräfte möglichst gleichmäßig auf alle Trag- und Führungsmagnete zu verteilen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Einrichtung vorgesehen ist. in der die acht Äbstandssignale verknüpft werden zu fünf Regelgrößen entsprechend den fünf Freiheitsgraden der Fahrzeugbewegung »Senken« vertikal zur Fahrtrichtung. »Rollen« um die Fahrzeuglängsachse. »Nicken« um die Fahrzeug-Querachse, »Schieben« quer zur Fahrtrichtung und »Gieren« um die Fahrz.eug-Hoehachsc. daß die Regelgrößen fünf Reglern zugeführt sind und daß eine Einrichtung vorgesehen ist. in der die fünf Ausgangssign.ile der Regler zu acht Stellgrößen für die acht Trag- bzw. Führungsmagnet verknüpft werden, welche die Kräfte bzw. Drehmomente in den entsprechenden Frciheilsgradcn bewirken.
Durch eine solche Vcrbundregclung der acht Trag-