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"Regelkreis für die Luftspaltregelung eines Linearmotors eines Fahrzeuges
Die Erfindung betrifft einen Regelkreis für die Luftspaltregelung eines Linearmotors
eines Fahrzeuges, des Luftspaltes zwischen einem Primärteil und einem Sekundärteil,
wobei einer dieser Teile beweglich am Fahrzeug aufgehängt, parallel gegenüber dem
anderen Teil gehalten und mit Hilfe einer Stell-Vorrichtung bewegbar ist. Die Erfindung
findet Anwendung für Schwebebahnen, insbesondere im Fernverkehr.
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Es ist bekannt, zum Regeln der Beschleunigung und/oder der Schubkraft,
die durch einen linearen Asynchronmotor der vorgenannten Gattung erzeugt wird, die
Breite des Spaltes zwischen dem Statorteil und der Schiene zu variieren (DT-OS 1
933 405).
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Der Stator wird dabei in einer parallelen Lage zu der Schiene gehalten
und ist an seinem einen Ende drehbar gelagert, so daß er auf die Schiene zu oder
von ihr weg geschwenkt werden kann.
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Bei dem doppelseitig ausgebildeten linearen Asynchronmotor sind die
beiden auf entgegengesetzten Seiten der Schiene angeordneten Statorteile mittels
einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung aufeinander zu und voneinander weg bewegbar.
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Die Erfindung beschäfMaghtrsich nicht mit der Regelung der Schubkraft
und/oder dev Beschleunigung, sondern sie bezweckt die relative Lage von Primärteil
und Sekundärteil konstant zu halten. Diese Aufgabe ist als solche bekannt, und es
ist weiterhin bekannt, die relative Soll-Lage durch Servobetätigungsvorrichtungen
einzustellen (DT-OS 2 o46 021).
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Es ist ferner bekannt, als Trag- und Führungssysteme für Hochleistungs-Schnellbahnen
elektromagnetische und elektrodynamische Schwebesysteme oder Luftkiss.en-Abstützsysteme
zu verwenden (DT-OS 2 131 702; "Elektrodynamisches Schweben" -Erlanger Erprobungsstrecke,
Druckschrift von AEG-BBC-Siemens, Best.-Nr. E 41 PM/1329).
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Bei einem älteren Vorschlag (P 24 18 481.4) vlird im Zusammenhang
mit einem zweiseitigen Linearmotor davon ausgegangen, daß aufgrund der endlichen
Feder-Steifigkeit der Abstützsysteme das Fahrzeug bei Kurvenfahrt durch die Fliehkraft
quer zur Fahrbahn verschoben und durch die Unebenheiten der Fahrbahn zu Querschwingungen
angeregt wird. Außerdem weicht die Reaktionsschiene, infolge der Verlegungstoleranzen
von der Mittellage ab. Um einen nahezu konstanten Luftspalt zwischen Linearmotor
und Reaktionsschiene zu erzielen, muß der Linearmotor mindestens von der Fahrzeugquerbewegung
entkoppelt und getrennt gegenüber der Reaktionsschiene geführt werden. Bei einer
gemäß dem älteren Vorschlag in Querrichtung durch Regelung stabilisierten pendelnden
Aufhängung des Primärteiles mit starrer Pendelstange ist die Gefahr von Vertikalbewegungen
des Primärteiles gegenüber dem Fahrzeug gering.
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Bei einem einseitigen Linearmotor (der beweglich aufgehängte Teil
befindet sich7 i er der Reaktionsschiene) sind andere Gegebenheiten zu berücksichtigen.
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Im Zusammenhang "konstanter Luftspalt" ist zu beachten, daß das über
ein Trag- und Führungssystem an der Fahrbahn abgestützte Fahrzeug durch deren Unebenheiten
zu Hub- (=Vertikal-), Roll- (um die Längsachse) und Nick- (um die Querachse) Bewegungen
angeregt wird und diese Bewegungen zumindestens teilweise auf den aufgehängten Teil
übertragen werden. Ferner weicht der Zugteil bzw. die Reaktionsschiene infolge der
Bewegungstoleranzen in vertikaler Richtung von der Sollage ab. Schließlich ändert
sich je nach Beladungszustand der mittlere Abstand (bezogen auf die Fahrzeuglänge)
vom Fahrzeug zur Fahrbahn.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom Gegenstand
der eingangs genannten Gattung, eine Luftspaltregelung zu schaffen, mit der der
am Fahrzeug beweglich aufgehängte Teil im wesentlichen parallel zur Reaktionsschiene
gehalten und der Luftspalt des Linearmotors unter Berücksichtigung vorgenannter
Störgrößen auf einen konstanten Wert geregelt wird.
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Die Lösung besteht darin, daß erfindungsgemäß am Bug und Heck des
beweglich aufgehängten Teiles jeweils berührungsfrei arbeitende Weggeber für die
Messung des Luftspaltes in Vertikalrichtung zwischen dem einen Teil und dem anderen
und Beschleunigungsgeber für die Erfassung der Vertikalbeschleunigu g oder - geschwindigkeit
des beweglich aufgehängten Teiles angeordnet sind, daß an die Meßwertgeber Auswerteschaltungen
angeschlossen sind und für die Luftspaltregelung an Bug und Heck je eine Vergleichsstelle
vorgesehen ist, an die sich Stellvorrichtungen anschließen.
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Zweckmäßig sind an der Unterseite des Fahrzeuges und am beweglich
aufgehängten Teil lagegeregelte Servohydraulikzylinder gehalten, die den beweglich
aufgehängten Teil führen.
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Dabei sind verschiedene Anordnungen vorteilhaft: a) Jeweils zwei von
elektrohydraulischen Servoventilen angesteuerte Servohydraulikzylinder führen den
beweglich aufgehängten Teil in einer vorderen und in einer hinteren Ebene bzw. am
Bug und am Heck. Bei dieser Anordnung wird auf Raumkoordinaten geregelt. Der Hub-,
Roll- und Nickbewegung kann jeweils ein getrennter Regelkreis zugeordnet sein.
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b) In der vorderen oder der hinteren Ebene führen zwei von elektrohydraulischen
Servoventilen angesteuerte Servohydraulikzylinder und in der entsprechenden anderen
Ebene führt ein angesteuerter Servohydraulikzylinder den beweglich aufgehängten
Teil.
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c) Der beweglich aufgehängte Teil ist über eine Parallelführungsvorrichtung
für Rollbewegungen um die Längsachse mit dem Fahrzeug verbunden und in Vertikalrichtung
in der vorderen und der hinteren Ebene jeweils nur von einem Servohydraulikzylinder
geführt. Bei dieser Anordnung können Luftspaltänderungen infolge von Rollbewegungen
des Fahrzeuges nicht mehr ausgeregelt werden.
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Die Anordnungen b) und c) umfassen für jeden Hydraulikzylinder einen
getrennten Lageregelkreis.
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Vorteilhaft kann durch die Ermittlung und Rückführung des vertikalen
Abstandes von Primär und Sekundärteil an jeweils
zwei Stellen, nalich
an der Vorderseite und Rückseite bzw. am Bug und iieck des beweglich aufgehängten
Teiles, eine etwa parallele Lage des beweglich aufgehängten Teiles zum anderen Teil
in vorbestimmtem Abstand erhalten.
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Vorteilhaft wird weiterhin über die Rückführung der Vertikalgeschwindigkeit
oder -beschleunigung des beweglich aufgehängten Teiles die erforderliche Dämpfung
für die Luftspaltregelung vorgegeben. Durch die Rückführung der Vertikalbeschleunigung
des Fahrzeuges ist es weiterhin möglich, die Dämpfung des Trag- und Führungssystemes
zu erhöhen. Dadurch kann besonders bei nur schwach gedämpften Abstützsystenen (z.B.
beim elektrodynamischen Schweben) das Systemverhalten verbessert werden.
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Für diese Verbesserung kann eine leichte Verschlechterung der Luftspaltregelung
im Resonanzbereich des Aufhängesystemes des aufgehängten Teiles in Kauf genommen
werden.
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Eine erhebliche Verbesserung der Regelung.wird erreicht, durch eine
Parallelschaltung mindestens einer Feder zu den Servohydraulikzylindern zwischen
Fahrzeug und aufgehängtem Teil.
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Die Feder übernimmt den Gleichanteil, das Gewicht des aufgehängten
Teiles, so daß die Servohydraulikzylinder entlastet und allein für die Ausführung
des Stellbefehles zuständig sind.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein prinzipielles Geräteschaltbild von Strecke,
Meßwertgebern und Stellgliedern des Luftspaltregelkreises in einer Schnittebene
senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeuges; Fig. 2 eine Variante zu Fig. 1; Fig.
3 ein Blockschaltbild des Regelkreises und Fig. 4 eine Variante zu Fig. 3.
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Das Auführungsbeispiel bezieht sich zunächst auf einen Linearmotor
mit einem Kurzstator als Primärteil 1.
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Der Primärteil 1 ist beweglich am Fahrzeug 2 aufgehängt. Das Trag-
und Führungssystem des Fahrzeuges 2 ist durch ein Ersatzfeder-Dämpfungs-System 3
angedeutet. Z.B. kann sich das Fahrzeug 2 während der Anfahr-und Bremsphase über
gummibereifte Trag- und Führungsräder und während des Schwebens über supraleitende
Trag- und Führungsmagnete an der Fahrbahn abstützen.
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Über berührungsfrei arbeitende Weggeber 4 wird der Luftspalt zwischen
Primärteil und Reaktionsschiene 5 am Bug und Heck bzw. Vorder- und Hinterteil des
Primärteiles 1 gemessen. Das Prinzipschaltbild nach Fig. 1 zeigt nur die für den
Vorderteil notwendigen Elemente. - Weiterhin versteht sich, daß bei in Sonderfällen
möglicher gleichzeitiger Regelung der Querbewegung die Aufhängung auch in dieser
Richtung beweglich gehalten wird . -über
Beschleunigungsgeber 6
wird die Vertikalbeschleunigung (oder -geschwindigkeit) des Primärteiles 1 und über
Beschleunigungsgeber (oder Geschwindigkeitsgeber) 7 die Fahrzeugvertikal beschleunigung
oder -geschwindigkeit am Bug und Heck des Fahrzeuges erfasst. (Nachfolgend wird
allein die besser zu realisierende Beschleunigungsrückführung beschrieben.) (arstellunefsxleise
siehe DIN 24 30 Jeweils zwei Servohydraulikzylinder 8/führen den beweglich am Fahrzeug
2 aufgehängten Primärteil an Bug und Heck. Die Servohydraulikzylinder 8 sind auf
ihrer einen Seite mit dem Fahrzeug und auf ihrer anderen Seite mit dem Primärteil
1 des Linearmotors verbunden. Die Servohydraulikzylinder 8 werden von elektrohydraulischen
Servoventilen 9 angesteuert. Das Hydraulik-Aggregat zur Druckversorgung befindet
sich an Bord des Fahrzeuges. Den Servohydraulikzylindern 8 sind Federn lo parallelgeschaltet,
die das Gewicht des Primärteiles tragen.
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Der vertikale Luftspalt an Bug und Heck wird jeweils von einem getrennten
Lageregelkreis geregelt (Fig. 3). Die von den Meßwertgebern 4,6 und 7 gemessenen
Zustandsgrößen, Luftspalt zwischen Primärteil 1 und Reaktionsschiene 5, Vertikalbeschleunigung
des Primärteiles und Fahrzeugquerbeschleunigung, werden zurückgeführt.
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Der Gleichanteil der Vertikalbeschleunigung des Primärteiles und der
Fahrzeugvertikalbeschleunigung wird, falls erforderlich, in den Blöcken 61 und 67
abgetrennt (z.B. über ein differenzierendes Glied mit Verzögerung erster Ordnung,
ein DT1-Glied). I Der Wechselanteil der Vertikalbeschleunigung des Primärteiles
und der Fahrzeugvertikalbeschleunigung wird in den Blöcken 11 und 12 verzögert (z.B.
über ein Proportionalglied mit
Verzögerung erster Ordnung, ein PT1-Glied,
oder ein integrierendes Glied, ein 1Glied), wobei höherfrequente Wechselanteile
ausgesiebt werden und die für die Regelung relevanten Wechselanteile in den Auswerteschaltungen
14 und 15 bewertet werden.
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Der Luftspalt zwischen Primärteil und Reaktionsschiene wird in der
Auswerteschaltung 13 bewertet.
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Die Rückführung der Vertikalbeschleunigung des Primärteiles 1 verhält
sich für tiefe Frequenzen wie eine Druck- bzw. Beschleunigungsrückführung, für höhere
Freauenzen wie eine Rückführung der Vertikalgeschwindigkeit des Primärteiles 1.
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Durch die mitgekoppelte Rückführung der Fahrzeugvertikalbeschleunigung
wird die Dämpfung der Fahrzeugbewegung stark erhöht. Bei nahezu ungedämpften Abstützsystemen
wie dem elektrodynamischen Schwebesystem kann somit durch die Rückführung der Fahrzeugvertikalbeschleunigung
noch eine ausreichende Dämpfung in Vertikalrichtung erreicht werden.
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Die bewerteten Zustandsgrößen werden zusammen mit jeweils dem Signal
16,17 für den Luftspaltsollwert summiert. Die Summensignale 18 und 19 steuern jeweils
einen Analogumsetzer 20 und 21 an, z.B. einen Spannungs-Stromumsetzer, und dieser
wiederum steuert die elektrohydraulischen Servoventile 9 für die beiden Servohydraulikzylinder
8 an Vorder- und Hinterseite des Primärteiles 1. Mit den Blöcken 22 und 23 ist die
jeweilige Strecke (Luftspalt) symbolisiert.
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Weiterhin kann der Wechselanteil der Vertikalbeschleunigung des Primärteiles
zusätzlich unverzögert bzw. mit minimaler Verzögerung über ein proportionales Glied
111 (P-Glied) und eine Auswerteschaltung 141 rückgeführt werden, ebenso die Fahrzeugvertikalbeschleunigung
über ein P-Glied 121 und eine Auswerteschaltung
151. Letztere
wird jedoch der Vergleichsstelle in diesen. Palle mit negativerI Vorzeichen geführt.
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Die Rückführung über ein P-Glied 111 bzw. 121 entsnricht einer Druckrückführung
und erhöht d2 e Dän.pfung der Schwingungen in der Servohydrauli@. Aufgrund der endlichen
Ölfedersteifigkeit schwingen Linearmotor und Fahrzeug gegeneinander. Diese Schwingung
ist ohne die P-Rückführung nur schwach über eine interne Druck-Rückfüllruncj im
Servoventil gedämpft. Es ist auch möglich, bei Zweikammersystemen den Differenzdruch
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bei Einkammersystemen den Druck im Servohydraulikzylinder gesondert
zurückzuführen, und zwar jeweils den Wechselanteil.
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Dabei ergibt sich eine Verbesserung der Dynamik.
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Gemäß Fig. 2 kann die Vertikalstellvorrichtung auch durch jeweils
mittig des Primärteiles 1 angeordnete Servohydraulikzylinder 8 mit elektrohydraulischelr
Servoventil 9 realisiert sein.
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Bei der Anordnung von jeweils zwei Servohydraulikzylindern 8 an Bug
und Ifeck wird auf Raum},oordinaten geregelt, so daß unter Berücksichtigung aller
Meßwerte und bei entsprechender Gestaltung der Auswerteschaltung drei Regelkreise
(Hub, Rollen, Nicken) genügen.
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Der Hub-, Roll- und Nickbewegung kann jedoch auch, wie bereits erwähnt,
jeweils ein getrennter Regelkreis zugeordnet sein.
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Bei weniger als vier Servohydraulikzylinder wird jedem IIydraulikzylinder
ein getrennter Lageregelkreis zugeordnet (vgl Fig. 3).
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Die erfindungsgemäße Luftspaltregelung ist nicht auf die Kurzstator-Version
beschränkt. Bei der Langstator-Version befindet sich der Primärteil in der Fahrbahn,
der Sekundärteil am Fahrzeug. Das hier Gesagte für den Primärteil des Linearmotors
bezieht
sich in diesem Fall auf den Sekundärteil und umgekehrt.
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Weiterhin ist die Realisierung sowohl mit einem Asynchronals auch
mit einem Synchronmotor möglich.
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Durch den erfindungsgemäßen Lageregelkreis werden insbesondere die
Amplituden der durch Fahrbahnanregungen erzeugten Schwingungen im Resonanzbereich
gesenkt. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aufgrund folgender Zusammenhänge: Das
Hydraulikaggregat zur Druckerzeugung im Hydrauliksystem befindet sich an Bord des
Fahrzeuges. Man ist bemüht, das Gesamtgewicht des Aggregates so klein wie möglich
zu halten. Das Gewicht wird zum überwiegenden Teil vom benötigten elektrischen Antriebsmotor
für die Hydraulikpumpe bestimmt. Die benötigte Pumpenantriebsleistung ist für einen
bestimmten Systemdruck dem Durchfluß proportional. Die benötigte Pumpenleistung
in Abhängigkeit von der Frequenz, insbesondere bei Fahrbahnanregung und auch bei
Anregungen über die Reaktionsschiene, besitzt eine deutliche Resonanz spitze - ohne
Rückführung der Fahrzeugbeschleunigung. Nach Rückführung der Fahrzeugbeschleunigung
kann im Resonanzbereich der benötigte Durchfluß und damit auch die Pumpenantriebsleistung
gesenkt werden, d.h. der Antriebsmotor kann kleiner bzw. leichter sein.