DE2231948A1 - Drehzahl-regelvorrichtung fuer einen antriebsmotor - Google Patents

Drehzahl-regelvorrichtung fuer einen antriebsmotor

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DE2231948A1 DE2231948A DE2231948A DE2231948A1 DE 2231948 A1 DE2231948 A1 DE 2231948A1 DE 2231948 A DE2231948 A DE 2231948A DE 2231948 A DE2231948 A DE 2231948A DE 2231948 A1 DE2231948 A1 DE 2231948A1
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Description

29. Juni 1972
Dr B. <f;;.-NFR yAO-X-(OHJ
DIPL.-ING. J R;-.:>
IiXX) M C NCH
ENQINS MATRA S.A. Velizy (Yvelinee) Frankreich
Patentanmeldung
Drehzahl-Regelvorriohtung für einen Antriebsmotor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahl-Regelvorriohtung für einen Antriebsmotor, Insbesondere zur Ausrüstung von Fahrzeugen, die sich an geeigneten Stellen mit automatischer Steuerung fortbewegen, wie z.B· die Wagen eines Untergrundbahn-Triebwagenzuges oder andere Fahrzeuge·
Die automatische Steuerung derartiger Fahrzeuge ergibt eine Anzahl von Problemen· In der Praxis dürfen die B®sshleuni» gungen oder Abbremsungen und die Ableitungen der Beschleunigung, denen der oder die Wagen eines Triebwagenzuges unterworfen sind, nicht bestimmte physiologisch zulässige Werte überschreiten, ohne daß Beschwerden oder Schwierigkeiten bei den Passagieren auftreten*
So ist es in vielen Fällen festgelegt, daß die Besohleunigung oder Abbremsung nicht den Wert von 1,3 m/sea überschreiten darf und daß die Ableitung der normalen Beschleunigung einen Wert von 0,6 m/secr nicht überschreiten darf.
Zur Zeit bekannte Regelungen von Motoren ermöglichen nicht die Berücksichtigung dieser Werte, die im folgenden als
209883/0753
"Beschrankungen11 bezeichnet werden·
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde« eine Drehzahl-Regelvorrichtung für einen Antriebsmotor eines Fahrzeuges zu schaffen» die es ermöglicht, mit Hilfe von kontinuierlich oder diskontinuierlich übertragenen Sollwerten der Geschwindigkeit ein kontinuierliches Steuersignal für den Motor unter Berücksichtigung der Beschränkungen in bezug auf die Beschleunigung und die Ableitung der Beschleunigung zu gewinnen· Dabei &c4i die Sollgeschwindigkeit in minimaler Zelt unter ElnhaXtang der Beschränkungen erreicht werden und der so gesteuert-« Jfctor soll bereite drehzahlgeregelt sein können»
Dieee Aufg&3€ wird ausgehend von einer Urehzahl-Regelvorriohtung für einen Antrlebamatos? erflndungegemäß dadurch gelöst» daß die Vorrisnfcurig ßeschwindlgkeitsgollwsrte empfängt» die mit der tatr&shliehen Geschwindigkeit des Fahrzeuges verglichen vtevöer,, \*w. ein Signal aur Auswahl eier Qröfle der Ableitung öer ^clti^schleiiriigimg zu liefern, wobei diese Ableitung In eines? Tr 'c%r?*&-«Qv unter Berüöksiohfeigung der Beschränkungen in bes^v; i>«f das I&^egreJL integriert wird und wobei die resultisx'--;y.-''-c "Svilbeschleunlgusä mir Steuerung des Motors diern;
Nach feliifci; i/e-itjspbil&'Kg ötr Erfiadimg erfolgt die Integration der At!i.si.:.-';':';·.;; *Ί-$τ- BcsiilileisiIgung durch ©inen Integrator» zu dem ein-3 ;-^λ.?-i^&.mgseinrichtung für am Integrationswert parfellelger"*ii-M;et tat·
Die von ü&: *;'/■:■.t^gi'ivtcr geliefert« Solibesclileunigung wird einem Kotcpas-v*c? ü&sr Vergleichs*= sugeiU^t» der den Vergleich swtgöhci *3ar Boll'beschleunlgimg uu<3 der tatsächlichen Beeohiaiirvi^iJifT, dos Fahrzeugs durohfükrfc. wobei das resultierend«? SJpi-^l einen Verstärker steuert«, d<sr auf Motor
209Ö83/0753 BADORtQINAt
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Fall eines bereite drehzahlgeregelten Motors eine Sollgesohwlndigkelt verwendet, die durch einen Vergleich der tatsächlichen Geschwindigkeit des Fahrzeuges mit dem am Eingang empfangenen Geschwindigkeitasollwert gewonnen wird« wobei diese beiden Geschwindigkeiten einem Vergleicher zugeführt werden, dessen Ausgangesignal einer Auswahlschaltung fttr den Wert der Ableitung der Beschleunigung zugeführt wird, wobei das resultierende Signal integriert und begrenzt wird und die so gewonnene Sollbeschleunigung mit einem Signal verglichen wird, das sich aus dem Vergleich der Sollgeechwindigkeit und der tatsächlichen Geschwindigkeit ergibt, wobei dieses resultierende Signal einer Integrierelnrichtung zugeführt wird, die die Sollgeschwindigkeit ergibt.
Diese Einrichtung ermöglicht die Beibehaltung eines Anspre·» ebene in minimaler Zeit, wenn die Sollbesohleunigung größer als die tatsächliche Beschleunigung ist, die der Motor dem Fahrzeug erteilen kann·
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Br« findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen«
Pig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Regelvorrichtung;
Fig. 2 ein Diagramm der Beschleunigung, die ausgehend von den der Ableitung der Beschleunigung auferlegten Beschrankungen gewonnen Isti
209883/0753
Fig. 3k, die geometrische Gewinnung des Anspreohens 3B, JC der Hegelvorrichtung in Abhängigkeit von der
Zeit;
Fig· 4 ein Weg-Gescshwindigkeitsdiagraram eines ge-
regelten Fahrzeuges zwischen zwei Stationen; j
Fig« 5 ein Blockschaltbild einer zweiten AusfUhrungs- ,
form der Regelvorrichtung!
Fig. 6a eine Steuerung für eine diskontinuierliche ) Sollgeschwindigkeit; \ FIg* 6B eine Steuerung für einen binären (tout ou j
rien) Wert der Sollgeschwindigkeit· j
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Drehzahl-Regelvorrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges 1 bestimmt, das durch einen Motor 2 angetrieben wird, der durch einen Verstärker 2 gesteuert wird. Die Regelvorrichtung empfängt Geschwindigkeitssollwerte Vg in diskontinuierlicher Weise und es soll ein kontinuierliches Steuersignal für den Motor geschaffen werden, und zwar unter Berücksichtigung der Beschränkungen in bezug auf die Beschleunigung und die Ab« leitung der Beschleunigung.
Die Beschränkungen in bezug auf die Ableitung der Beschleunigung γ sind folgende:
Die Ableitung der Beschleunigung kann ausschließlich die drei folgenden Werte annehmen} +a, o, -a. Dabei 1st a der für die Annehmlichkeit der Passagiere maximal zulässige Wert. Es handelt sich hierbei um ein Anwendungsbeispiel für ein ge-
♦/.
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i - 5 -
regeltes Fahrzeug· Die Beschränkungen können im Fall eines Fahrzeuges« das zerbrechliche Gegenstände o.a. transportiert, unterschiedlich sein*
Die Beschränkungen in bezug auf die Ableitung der Beschleunigung γ sind in der nachfolgenden Tabelle (1) angegeben!
γ* m +a wenn t > ^ 1^ γ'» ο wenn-f< i y·» -a wenn t < ti
In dieser Tabelle wird die Veränderliche 6, von der T ab« hängt, durch den Vergleich der Sollgeschwindigkeit Vg und der tatsächlichen Geschwindigkeit V3 gewonnen, wie dies weiter unten erläutert wird·
Um eine Schwingung im Bereich von t a 0 zu vermeiden, wird für den Dauerbetrieb ein Grenzwert C1 gewählt, der ungleich 0, jedoch sehr klein ist· So wird E1 auf ungefähr 0,5 % des Geschwindigkeitsbereiches V£ festgelegt«
Ausgehend von den oben angegebenen Werten von γ wird eine Integration in den verschiedenen Abschnitten durchgeführt, wodurch sich die in der nachfolgenden Tabelle (2) aufgeführten Beschleunigungen ergebent
r* » S r at wenn -L« < )Te< +L ye β +L wenn J f" dt > L re - -L1 wenn Jy- dt <£ -L*
Dabei ist L die Beschränkung in bezug auf die Beschleunigung and L* die Beschränkung in bezug auf die Abbremsung.
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Das Ergebnis dieser Integration und die Ausgangsbeschränkungen, die für Y festgelegt sind, bilden den Gegenstand der Flg. 2. Als Steuerbeschleunigung für den Motor wird die Beschleunigung f c verwendet, die durch die folgende QIelohung definiert isti
Y8)
PUr den Koeffizienten K2 wird K2 «* 10 gewählt, damit die tatsächliche Beschleunigung }f g in der Nähe der Beschleunigung y*e liegt.
Der Regelvorrichtung wird die Sollgeschwindigkeit Vg zugeführt. Weiterhin wird der Regelvorrichtung die tatsächliche Geschwindigkeit Vg zugeführt, die beispielsweise an dem Fahrzeug abgenommen wird· Aus dem Vergleich dieser beiden Geschwindigkeiten in dem Vergleioher 4 ergibt sich ein bestimmtes Signal Vg -Vg. Da dieses Signal nicht die Phasenvoreilung berücksichtigt, wird das Signal V3 verwendet, das in der Vorrichtung 5 abgeleitet wird und das mit K1 in dem Multiplizierer 6 multipliziert wird, um es dem Vergleicher 7 zuzuführen«
Dieser Vergleioher 7 liefert am Ausgang das Signals
K P
£- vE - V3 - (jVrp*) vs
P ist der LAPLAGE-Operator.
Das Signal £ wird der Wählvorrichtung 8 für den Sollwert zugeführt, die an ihrem Ausgang einen der drei Werte von If liefert, die in der Tabelle (1) angegeben sind* Diese Ablei
2 0 9 R 8 3 / 0 7 5 3 ^
tung der Beschleunigung wird in dem Integrator 9 Integriert, Parallel zu diesem Integrator ist eine Begrenzungseinrichtung 10 angeschaltet, die die maximalen (L) und minimalen (-L1) Werte der Sollbesohleunigung γ festlegt· Diese Begrenzungseinrichtung arbeitet beispielsweise mit vollständiger Gegenkopplung, wenn das von dem Integrator 9 gelieferte Signal den Wert +L überschreitet oder kleiner als der Wert -L* 1st· Die Begrenzungseinrichtung ermöglicht weiterhin eine Ausführung in numerischer Steuerung, bei der der Ausgang des Integrators mit zwei Grenzwerten verglichen wird, die, wenn sie erreicht werden, den Integrator abschalten« Das Signal γ* wird dem Vergleioher 11 zugeführt, der sie mit der tatsächlichen Beschleunigung yg vergleicht, die ausgehend von der tatsächlichen Geschwindigkeit gewonnen wird« Daraufhin wird das Ausgangssignal des Vergleichers 11 in dem Multiplizierer 12 mit K2 multipliziert· Hierdurch ergibt sich die Steuerbeschleunigung yo, die dem Verstärker 3 zugeführt wird» Dieser Verstärker steuert den Motor 2, der das Fahrzeug 1 antreibt»
Durch die Wahl der verschiedenen Steuerelemente und insbesondere durch Festlegen von K2 auf K2 <** 10 erreicht man die Regelung von beträchtlichen Änderungen der durch das Fahrzeug transportierten Massen» In der Praxis kann das Fahrzeug von einer Station zur anderen vollständig besetzt oder leer sein« Die tatsächliche Geschwindigkeit Vg des Fahrzeuges wird in bekannter Welse gemessen» Zur Gewinnung der tatsächlichen Beschleunigung γ des Fahrzeuges, ausgehend von der tatsächlichen Geschwindigkeit wird im Nutzfrequenzbereich (0-1 Hz) abgeleitet.
Für die geometrische Darstellung des Ansprechens der Regelung wird auf die Fig. 3A, JB und 3C für die Darstellung der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in Abhängigkeit von der Zeit Bezug genommen·
2 09 8 8370 75 3
Durch Umformung der Gleichung (4) ergibt eich die folgende Gleichung!
Γΐ + (Τ + K1) P "7
[ ι+ rp J
PUr den gegebenen Pall T ο* 0,1 s und K1 ~ 1,1 s
# Γι + (r+ K1) ρ Ι
und iik/dem V * j ' ' ·
vs
gesetzt wird, ergibt sich die Kurve nach Pig· 3A.
Bei gegebenen Grenzwerten von B gewinnt man drei mögliche Werte von γ , die in Pig. JB dargestellt sind. Durch Integration wird der Wert y* gewonnen, der in Pig. 5C dargestellt ist* Das Ansprechen dieser Regelung ist extrem schnell. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache 1st es ausreichend,die Sollgeschwindigkeit V„ schnell zu ändern, um das Betriebeverhalten des gesteuerten Fahrzeuges zu ändern« Durch Anwenden dieser Regelung auf ein Fahrzeug, das sich auf einer Strecke zwischen verschiedenen Stationen bewegt, gewinnt man das Weg-Gesohwlndigkeitsdiagramm, das in Pig« 4 dargestellt ist. In diesem Diagramm ist die Sollgeschwindigkeit Vg mit gestrichelten Linien darstellte Dieses Diagramm zeigt insbesondere die Geschwindigkeitsabnahme des Fahrzeuges, das ausgehend von der Geschwindigkeit 0 an der Station A beschleunigt wird, bis es eine Geschwindigkeit erreicht, die dem Sollwert V entspricht» Das Fahrzeug bewegt sich dann mit dieser Geschwindigkeit fort und wird dann fortschreitend verlangsamt, nachdem es an den Punkten a, b, c die Sollwerte Vn , V1- ,
Ht JS JS
Vg empfangen hat, um schließlich an der Station B anzuhalten« Aus dem Diagramm nach Fig. 4 1st zu erkennen, dafl man
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ausgehend von diskontinuierlichen Geschwindigkeitssollwerten eine kontinuierliche Geschwindigkeit erhält.
Eine zweite Ausführungsform der Regelvorrichtung ist in Fig» dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um die Steuerung eines Motors, der bereits drehzahlgeregelt 1st« Diese Anordnung ist der Anordnung naoh der AusfUhrungsform naoh Fig. 1 sehr ähnlich und zur Vereinfachung der Darstellung wurden die gleichen Bezugsziffern für entsprechende Elemente beibehalten»
Die Regelung wird auf ein Fahrzeug 1 angewendet, das durch einen Motor 2 angetrieben wird» der bereits drehzahlgeregelt ist« Der Motor 2 empfängt eine Steuergsschwlndlgkeit Vg, die die tatsächliche Geschwindigkeit Vg und die Beschränkgungen in bezug auf die Beschleunigung und die Ableitung der Beschleunigung berücksichtigt* Zu diesem Zweck wird der tatsächlichen Geschwindigkeit V3 duroh die Einrichtung 13 eine Phasenvor- _ eilung gegeben« Das Ausgangssignal wird dem Vergleicher 4 zugeführt, der gleichzeitig ein der Sollgeschwindigkeit Vg ent« sprechendes Signal empfängt* Das Ausgangssignal £ liefert einen der drei Werte der Ableitung der Beschleunigung Y in der Vorrichtung 8„ Diese Ableitung der Beschleunigung Γ wird im Integrator 9 integriert, wobei der Wert des Integrals in der Einrichtung 10 begrenzt wird» Dies ergibt die Sollbeschleunigung y"_, die dem Vergleicher 14 zugeführt wird. Dieser Vergleicher 14 empfängt außerdem ein Signal, das von dem positiven Teil der Gesohwindlgkeitsdifferenz aus der Vorrichtung herrührt, die ihrerseits ein Geschwindigkeitsdifferenzsignal aus dem Vergleioher 1.6 empfängt. Die Funktion des "positiven Teils" der Vorrichtung 17 ist derart, daß für einen positiven Eingang der Ausgang dem Eingang entspricht; für einen negativen Eingang 1st der Ausganggleich 0« Die beiden Eingänge des Vergleichers 16 sind die tatsächliche Geschwindigkeit V0 und die Steuergesohwindigkeit V-* Der Vergleloher 14 liefert ein Signal,
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das in der Vorrichtung 15 transformiert wird und das Steuargesohwindlgkeltsslgnal V« liefert«
Wie es weiter oben gezeigt wurde, ist bei dem zweiten Ausftihrungsbeispiel der Regelvorrichtung die SteuerverBnderliohe nioht mehr ein Moment wie In dem ersten Fall« sondern eine Drehzahl· Das Ansprechen dieser Regelung entspricht dem der ersten AuafUhrungsform und die Anwendungsbereiche sind die gleichen.
Die beschriebene Drehzahl-Regel vorrichtung 1st Insbesondere für die Steuerung von Antriebsmotoren« die Fahrzeuge antreiben« geeignet« und ermöglicht eine automatische Steuerung an geeigneten Stellen» wie z.B. In einem U-Bahnnetz oder entsprechenden Stellen.
In der vorstehenden Beschreibung wurde eine Steuerung durch diskontinuierliche Sollgesohwlndlgkeiten angestrebt· Es ist Jedoch in gleicher Weise möglich« eine Steuerung durch "Allesoder-Nlohts-"Oeschwindigkeitsaignale zu erzielen«
Diese beiden Arten der Steuerung sind schematisoh in den Flg. 6A und 6b dargestellt. Die Aufgabe der ersten Art der Steuerung besteht darin« eine Modulation der Amplitude der Geschwindigkeit zu bewirken« während die zweite Art der Steuerung die Verwirklichung einer Steuerung der Dauer ermöglicht· Diese beiden Arten der Steuerung können sloh überlagern« wenn es darum geht« beispielsweise Gesohwlndlgkeitskorrekturen auszuführen.
Bei einem Vergleloh der Fig. 6k und 6B stellt man fest« daß in dem ersten Fall die tatsächliche Geschwindigkeit des Fahrzeuges am Ende einer bestimmten Zeit die Sollgesohwlndlgkeit erreichtt Im Gegensatz hierzu ist in dem Fall der "Alles-oder-Niohts-HSteuerung das Eingangssignal (im vorliegenden Fall
209883/075 3
positiv-negativ) ein Signal mit großer Amplitude* Die Amplitude dieses Signals bedeutet wenig» Tatsächlich folgt die Regelung der gestrichelten Kurve* ohne das Eingangssignal zu erreichen* .
Zn dieser Fig. 6B 1st ein erstes positives Signal vorhanden* Bel (V wird ein negatives Signal ausgesandt, und die Regelungskurve wird bis zu dem Zeltpunkt β umgekehrt, zu dem die Vorrichtung von neuem ein positives Signal empfängt, das die Zurückbiegung der Kurve ergibt·
Patentansprüche t
209803/0753

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1.) Drehzahl-Regelvorrichtung für einen Antriebsmotor* iadurch gekennzeichnet» daß der Drehzahl-Regelvorrichtung Sollgesohwindlgkeitswerte Vg zugeführt werden» die in einem Vergleioher (4) mit der tatsächlichen Geschwindigkeit Vg des angetriebenen Fahrzeuges (1) verglichen" werden» daß das Ausgangssignal des Vergleichere (4) ein Aue* wahlsignal für den Wert der Ableitung der Sollbesohleunigung ist» daß diese Ableitung in einem Integrator (9) unter Berücksichtigung der Beschränkungen in bezug auf das Integral integriert wird und daß die resultierende Sollbesohleunigung zur Steuerung des Motors (2) dient·
    2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1» gekennzeichnet durch die Zuführung von diskontinuierlichen Sollgesohwindlgkeltswerten Vg,
    3. Regelvorrichtung nach Anspruoh 1» gekennzeichnet . durch die Zuführung von kontinuierlichen Sollgesohwindigkeitswerten·
    4· Regelvorrichtung nach Anspruoh 1, gekennzeichnet durch die Zuführung von binKren (tout ou
    rien) Sollgesohwindigkeitswerten· j
    5. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4»
    dadurch gekennzeichnet» daß die Integration \
    der Ableitung der Beschleunigung in einem Integrator (9) erfolgt» zu dem eine Begrenzungseinrichtung (10) für den Inte- < grationswert parallelgesohaltet 1st.
    2 0 9 8 8 3/0753 ./.
    2231 9A8
    6. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Integrator (9) gelieferte Sollbeschleunigung einem Vergleicher (11) zum Vergleich der Sollbeschleunigung mit der tatsächlichen Beschleunigung des Fahrzeuges zugeführt ist, und daß das Ausgangssignal des Vergleichers (11) das Steuersignal für einen auf den geregelten Motor (2) einwirkenden Verstärker O) ist·
    7« Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet« daß der Antriebsmotor (2) drehzahlgeregelt ist, daß dem Motor (2) eine SoIlgesohwindigkeit Vq zugeführt wird, die durch den Vergleich der tatsächlichen, in einer Phasenverschiebungseinrichtung
    (13) phasenvorverschobenen Geschwindigkeit des Fahrzeuges mit dem am Eingang zugeführten Sollgeschwindigkeitswert Vg gewonnen 1st, daß beide Geschwindigkeiten einem Vergleioher (4) zugeführt sind, dessen Ausgangssignal einer Wählvorrichtung (8) für den Wert der Ableitung der Beschleunigung zugeführt ist, daß das Ausgangssignal der Wählvorrichtung (8) integriert und einer Begrenzungseinrichtung zugeführt wird, und daß die so gewonnene Sollbeschleunigung mit einem Signal verglichen wird, das sich aus dem Vergleich der Steuergeschwindigkeit Vq und der tatsächlichen Geschwindigkeit Vg ergibt, wobei von diesem Signal nur der positive Teil verwendet wird und wobei das sich ergebende Ausgangssignal des Vergleiohers
    (14) einem Integrator (15) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal die Steuergeschwindigkeit Vg ist.
    8« Regelvorrichtung nach Anspruoh 7» dadurch gekennzeichnet, daß.das dem Vergleicher (14) zügeführte Signal der Sollbesohleunigung ein Signal ist, das sich aus dem Vergleich der Steuergeschwindigkeit V_ und der tatsächlichen Geschwindigkeit V3 ergibt* die dem Beschleunl-
    3/075?!
    gungs-Vergleioher (14) nur im Fall einer positiven Differenz zugeführt wird und daß das gewonnene» einer Beschleunigung entsprechende Ausgangssignal dem Vergleloher (14) zugeführt wird» der die Differenz ergibt» aus der die Steuergeschwindigkeit Vq gewonnen wird*
    9· Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8» dadurch gekennzeichnet» daß die Wählvorrichtung (8) für die Ableitung der Beschleunigung als Wert drei unterschiedliche Signale liefert» von denen eines gleich ist, wobei das Ausgangssignal 0 bleibt» wenn das Eingangssignal mit geringer Amplitude um ein Eingangssignal schwingt» das diesem Ausgangswert 0 entspricht»
    10. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet» daß die Begrenzungseinrichtung (10) für den Integrationswert» die die Sollbesohleunigung liefert» eine Schaltung mit vollständiger Gegenkopplung ist» wenn das Auegangssignal größer oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist·
    11. Fahrzeug» dadurch gekennzeichnet» daß es mit einem Antriebsmotor ausgerüstet 1st» der eine Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist«
    209883/0753
    Leerseite
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