DE2813253C2

DE2813253C2 - Schaltungsanordnung zum Anfahren eines fahrweggebundenen elektrischen Triebfahrzeuges mit einem eisenlosen synchronen Linearmotor

Info

Publication number: DE2813253C2
Application number: DE2813253A
Authority: DE
Inventors: John Philip Dr. 8520 Erlangen Gibson; Claus Peter Dipl.-Ing. 8510 Fürth Parsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-28
Filing date: 1978-03-28
Publication date: 1982-12-16
Also published as: DE2813253A1; FR2421079A1; JPS54132918A; FR2421079B1; US4238715A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Anfahren eines fahrweggebundenen elektrischen Triebfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-PS 23 41 761 bekannt.

Bei einem derartigen Triebfahrzeug mit einem

synchronen linearmotor bestimmt die Stromstärke in der Wanderfeldwicklung die Größe der Vortriebskraft Die Frequenz des Stromes bestimmt die Geschwindigkeit Eine entsprechend ausgebildete Regeleinrichtung sorgt dafür, daß der synchrone linearmotor möglichst im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Die Regeleinrichtung erzeugt als Stellsignale dL·, Steuerspannungen für den Steuersatz des Umrichters. Für eine derartige Regelung ist die Kenntnis des Betriebszustandes des Linearmotors und insbesondere seiner Polsiellung to erforderiich. Als Polstellung oder Fahrzeuglagewinkel wird die relative Lage des Erregers bezüglich der Wanderfeldwicklung bezeichnet Der Fahrzeuglagewinkel kann aus elektrischen Meßwerten ermittelt werden, die am Einspeir.epunkt des Umrichters in die Wanderfeldwicklung abgegriffen werden. Dieses bekannte indirekte Meßverfahren beruht auf der Überlegung, daß sich aus der Hauptfeldspannung, die vom translatorisch bewegten Erreger in der Wanderfeldwicklung induziert wird, alle für die Regelung wichtigen Informationen ermitteln lassen. Insbesondere kann aus der Frequenz der Hauptfeldspannung die Fahrzeuggeschwindigkeit und aus ihrem Phasenwinkel die Polstellung ermittelt werden. Dieses Meßverfahren ist im Stillstand eines Triebfahrzeuges nicht funktionsfähig, da der stillstehende Erreger keine Hauptfeldspannung in der Wanderfeldwicklung induziert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die ein Anfahren eines Triebfahrzeuges mit einem eisenlosen synchronen Linearmotor ermöglicht, ohne daß der Motor außer Tritt fällt und ohne daß unerwünschte Pendelungen auftreten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Eine eingangs genannte Regelung kann als eine in Polarkoordinaten arbeitende Regelung ausgeführt sein, bei der der Betrag und die Phasenlage des Stromvektors getrennt beeinflußt werden. Bei einer Regelung in Polarkoordinaten wird bei der Erfindung beim Anfahren der Betrag des Stromes konstant gehalten und der Stromwinkel oder seine Winkelgeschwindigkeit wird gesteuert vorgegeben.

Eine eingangs genannte Regelung kann auch als eine in kartesischen Koordinaten arbeitende Regelung ausgeführt sein, bei der die Stromkomponenten in den Park'schen Achsen getrennt beeinflußt werden. In diesem Falle wird bei der Erfindung die Stromkomponente, welche die Hubkraft des Linearmo;ors bestimmt, konstant gehalten und die Stromkomponente, welche so die Schubkraft bestimmt, wird gesteuert vorgegeben.

In beiden Fällen muß dafür gesorgt werden, daß beim Anfahren Pendelungen vermieden werden. Hierzu wird aus einem Meßwert für die Schubkraft ein Signal zur Bedämpfung der die Schubkraft bestimmenden Regelkomponente abgeleitet. Dabei kann entweder der mit einem Verringerungsfaktor gewichtete Meßwert für die Schubkraft auf die die Schubkraft bestimmende Regelkomponente in kompensatorischsm Sinn aufgeschaltet werden. Es kann auch ein Schubkraftregler vorgesehen sein, der mit der Differenz aus dem Meßwert der Schubkraft und der ermittelten, die Schubkraft bestimmende Regelkomponente ausgesteuert wird, und dessen Ausgangssignal zur Bestimmung der relativen Erregerlage bezüglich der Wanderfeldwicklung und zur Bestimmung der Fahrgeschwindigkeit verwendet wird.
Eine unmittelbare Messung der Schubkraft ist beispielsweise mit Hilfe von Kraftmeßdosen möglich, die an den Halterungen angeordnet sind, mit denen der Erreger am Triebfahrzeug befestigt ist

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Triebfahrzeuges auf der Trasse mit den zugehörigen Regeleinrichtungen,

F i g. 2 ein Raumvektordiagramm zur Erläuterung des Regelverfahrens,

Fig.3 ein Ausführungsbeispiel einer Regelungseinheit für eine Streckenabschnittslänge,

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel einer ersten Version einer erfindungsgemäßen Fahrzeugregelung,

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Version einer erfindungsgemäßen Fahrzeugregelung,

Fig.6 ein Blockschaltbild eines 3/2-Koordinatenwandlers,

Fi g. 7 ein Blockschaltbild eines Vektordrehers,

Fig.8 ein Blockschaltbild eines Winkeldifferenzierers,

F i g. 9 ein Blockschaltbild eines Hochlaufgebers,

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines elektronischen Modells zur Nachbildung der Fahrzeugdynamik,

F i g. 11 ein Blockschaltbild eines Motormodells,

F i g. 12 ein Blockschaltbild einer Motorentkopplung,

Fig. 13 ein Blockschaltbild eines 2/3-Koordinatenwandlers,

F i g. 14 ein Blockschaltbild eines Vektoroszillators,

F i g. 15 ein Blockschaltbild eines Kennliniengenerators.

F i g. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein fahrweggebundenes Triebfahrzeug 1, das sich in Pfeilrichtung entlang einer Trasse bewegt Das Triebfahrzeug 1 enthält einen Erreger 2, der sich über die gesamte Fahrzeuglänge erstrecken kann. Der Erreger oder Translator wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Gleichstrom gespeist. Er kann beispielsweise aus einer Spulenwicklung bestehen, die durch ein geeignetes Kühlmittel im supraleitenden Zustand gehalten wird.

Der gesamte Fahrweg ist in Streckenabschnitte unterteilt, von denen in F i g. 1 die Streckenabschnitte A, B, Cdargestellt sind. In der praktischen Realisierung hat jeder Streckenabschnitt eine Länge von mehreren Kilometern. In jedem Streckenabschnitt ist eine dreiphasige Wanderfeldwicklung verlegt, die als Stator anzusehen ist. Die Wanderfeldwicklung beispielsweise des Streckenabschnittes B wirkt mit dem darüber bewegten Erreger 2 des Triebfahrzeuges als synchroner Linearmotor.

Die Wanderfeldwicklungen in den einzelnen Strekkenabschnitten werden von ortsfesten, steuerbaren statischen Umrichtern gespeist. Beispielsweise ist der Streckenabschnitt B an einen Umrichter 3 angeschlossen, der aus einem Drehstromnetz 4 gespeist wird. Die Umrichter bestehen vorzugsweise jeweils aus einem steuerbaren Gleichrichter, einem Gleichspannungszwischenkreis und einem Wechselrichter, sowie den zugehörigen Steuereinrichtungen, die nicht eigens dargestellt sind. Mit an den Klemmen 15, 16, 17 vorgegebenen Steuerspannungen ist es möglich, elektrische Leistung aus dem Versorgungsnetz 4 mit der gewünschten Spannung, Frequenz und Phasenlage in die Wanderfeldwicklung einzuspeisen. Die Steuerspannungen für den Umrichter 3 des Streckenabschnittes B

" werden von einer Regelungseinheit 5 für einen Streckenabschnitt, sowie einer vorgeschalteten Fahrzeugregelung 6 erzeugt. Der Aufbau dieser Regelungseinheiten wird später anhand der F i g. 3 bis 5 eingehend erläutert Die Regelungseinheiten für die einzelnen Streckenabschnitte sind in nicht näher dargestellter Weise derart miteinander synchronisiert, daß der Übergang des Fahrzeuges 1 von einem Streckenabschnitt auf den nächsten stoßfrei erfolgt Zwischen dem Fahrzeug 1 und den Regelungseinheiten der einzelnen Streckenabschnitte besteht eine Nachrichtenverbindung, die durch einen Sender mit einer Sendeantenne 7 am Triebfahrzeug 1 und einen Empfänger mit einer Empfangsantenne 8 an der dem Streckenabschnitt B zugeordneten Fahrzeugregelung 6 angedeutet ist.

Fig.2 zeigt zur Erläuterung des Regeiprinzips ein Raumvektordiagramm des Stromes in der Wanderfeldwicklung. Der Vektordarstellung liegt eine Betrachtung zugrunde, bei der die translatorische Bewegung des Erregers über der Wanderfeldwicklung in Analogie zur rotierenden Synchronmaschine als Drehwinkel κ des Stromvektors / gegenüber der Ä-Achse ausgedrückt wird, wobei eine Periode der Wanderfeldwicklung einem Drehwinkel von 2 π entspricht. Als d, q-Koordinatensystem werden die aus der Theorie der Synchronmaschine bekannten Park'schen Achsen verwendet. Die d- Achse schließt mit der Phase R den Fahrzeuglagewinkel θ ein.

Für eine Zweikomponenten-Stromregelung kann prinzipiell eine Regelung in Polarkoordinaten oder in kartesischen Koordinaten gewählt werden. Eine Regelung in Polarkoordinaten, bei der Strombetrag und Phase unabhängig voneinander geregelt werden könne, ist in der DE-PS 23 41 761 beschrieben.

Für das vorliegende Ausführungsbeispiel ist eine Regelung in kartesischen Koordinaten mit den Stromkomponenten υ i_q in Richtung der d, ^-Achsen vorgesehen. Die Stromkomponente /</ in Richtung der £/-Achse bestimmt die Hubkraft. Die Stromkomponente /, in Richtung der ς-Achse bestimmt die Schubkraft F des synchronen Linearmotors.

Voraussetzung für die unabhängige Regelung der Stromkomponenten id und /, in Richtung der c/-Achse und der g-Achse ist die Kenntnis des Fahrzeuglagewinkels θ zwischen der cZ-Achse des translatororientierten d, q-Koordinatensystems und der Ä-Achse des dreiphasigen wanderfeldwicklungsorientierten Koordinatensystems. Der Fahrzeuglagewinkel θ charakterisiert bei einem Linearmotor die relative Lage des am Fahrzeug befindlichen Erregers zur Wanderfeldwicklung. Der so Fahrzeuglagewinkel θ kann durch eine geeignete Fahrzeugiage-tvießeinrichtung uniniUeibar erfaßt werden. Es ist jedoch auch möglich, den Fahrzeuglagewinkel aus den gemessenen Phasenströmen und Phasenspannungen am Einspeisepunkt in die Wanderfeldwicklung zu ermitteln. Dieses aus der DE-PS 23 41 761 bekannte Prinzip wird auch bei der nachstehend beschriebenen Regelung angewendet

Ein unmittelbar gemessener oder ein aus anderen Meßwerten berechneter Fahrzeuglagewinkel wird im allgemeinen mit Meßfehlern behaftet sein. Im nachstehend beschriebenen Schaltungsbeispiel liefert die entsprechende Rechenschaltung die Werte für einen rechnerischen Fahrzeuglagewinkel B_n der um einen Fehlerwinkel f vom tatsächlichen Fahrzeuglagewinkel θ abweicht

Das beschriebene Regelkonzept sieht vor, daß im normalen Betriebszustand, also bei bewegtem F?hrzeug, der Fehlerwinkel ξ durch eine Rechenschaltung ermittelt und einem Lagewinkelregler als Regelabweichung zugeführt wird. Der Lagewinkelregler bestimmt die Stromkomponenten derart daß der rechnerische Fahrzeuglagewinkel B_r auf den tatsächlichen Fahrzeuglagewinkel θ eingestellt wird.

Erfindungsgemäß wird beim Anfahren aus einem Geschwindigkeitssollwert ein rechnerischer Fahrzeuglagewinkel Θ_Γ vorgegeben und hochgefahren. Weiterhin wird die Schubkraft ermittelt die erforderlich ist damit das Fahrzeug dem vorgegebenen Fahrzeuglagewinkel 8r folgen kann. Pendelungen werden bedämpft

F i g. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Regelungseinheit 5 für einen Streckenabschnitt Von der Fahrzeugregelung 6 werden an den Klemmen 9, 10 die Führungsgrößen iS und ;j für die Stromkomponenten in den d, ^-Achsen, sowie an den Klemmen 11, 12 die Winkelkomponenten cos B_n smB_r des errechneten Fahrzeuglagewinkels B_r vorgegeben. Der Regelungseinheit 5 werden weiterhin von Strommeßwandlern Meßwerte für die Phasenströme /«, is, /ram Speisepunkt 13 der Wanderfeldwicklung und Meßwerte der Phasenspannungen ur, Us, uram Einspeisepunkt von Meßwandlern 14 zugeführt. Die Regelungseinheit 5 erzeugt an den Klemmen 15,16,17 die Steuerspannungen uh uS, uf für den Steuersatz des Umrichters 3 und an den Klemmen 25 und 26 Signale für den Fehlerwinkel ξ und die Schwebehöhe z.

Die Meßwerte der dreiphasigen Strangströme /«, i& ir am Einspeisepunkt werden in einem 3/2-Koordinatenwandler 18 in Stromkomponenten 4 und iß eines rechtwinkeligen «^-Koordinatensystems transformiert Die Stromkomponenten /„, iß und die Winkelkomponenten cos B_n sin B_r des errechneten Fahrzeuglagewinkels Qr werden einem Vektordreher 19 eingegeben. Die Ausgangssignale des Vektordrehers 19 stellen die Regelgrößen für die Stromkomponenten /,#„ i_qr dar. Die Regelgrößen der Stromkomponenten idn iqr werden mit den vorgegebenen Führungsgrößen iS, iq in Differenzgliedern 21 und 20 verglichen. Die Regelabweichungen werden in den Stromkomponentenreglern 23 und 22 verarbeitet. Eine Entkoppiungsschaltung 24 sorgt für die statische und dynamische, vom Betriebspunkt abhängige Entkopplung der beiden Stromregelkreise. An den Ausgängen der Entkopplungsschaltung 24 erscheinen die Stellgrößen uSr, uf für Spannungskomponenten im d_n Qr Koordinatensystem, die einem weiteren Vektordreher 27 zusammen mit den Winkelkomponenten cos Br, sin B_r des errechneten Fahrzeuglagewinkel.; B_r eingegeben werden. Die Ausgangssignale des zweiten Vektordrehers 27 werden in einem 2/3-Koordinatenwandler 28 in ein dreiphasiges System von Steuerspannungen ur, Us, ut für den Steuersatz des Umrichters 3 umgesetzt

Die dargestellte Regelungseinheit 5 enthält weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Fahrzeuglage, ausgedrückt im Fehlerwinkel f und der Schwebehöhe z. Die dargestellte Schaltung beruht auf de;· Überlegung, daß die vom translatorisch bewegten Erreger in der Wanderfeldwicklung induzierte Hauptfeldspannung alle für die Regelung erforderlichen Informationen enthält Insbesondere kann aus der Frequenz der Hauptfeldspannung die Fahrgeschwindigkeit, aus ihrem Phasenwinkel die relative Fahrzeuglage i'.nd bei einem eisenlosen synchronen Linearmotor aus den Werten von Betrag und Frequenz der Hauptfeldspannung die Schwebehöhe ermittelt werden. Wenn ein Oszillator phasengenau mit der vom translatorischen

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Erreger in der Wanderfeldwicklung induzierten Hauptfeldspannung synchronisiert wird, so lassen sich von diesem Oszillator die Referenzsignale für die Regeleinrichtung ableiten. Die hierfür benötigten Meßwerte für den Betrag und den Phasenwinkel der Hauptfeldspannung sind zwar einer direkten Messung nicht zugänglich, sie können aber durch eine Modellschaltung aus den Rückwirkungen des synchronen Linearmotors auf meßbare Größen am Einspeisepunkt des Umrichters in die Wanderfeldwicklung ermittelt werden.

Die von den Meßwandlern 14 erfaßten dreiphasigen Strangspannungen u«, us, ut am Einspeisepunkt werden in einem 3/2-Koordinatenwandler 29 in Spannungskomponenten U_x, Uß des rechtwinkligen ot,ß-Koordinatensystems umgeformt. Diese rechtwinkligen Spannungskomponenten u,x,Uß und die Winkelkomponenten cos B_n sin Θ_Γ werden einem dritten Vektordreher 30 eingegeben. Die Ausgangssignale des dritten Vektordrehers stellen die Istwerte für die Spannungskomponenten Udr, u_qr im d, ^-Koordinatensystem dar und werden zusammen mit den Istwerten der entsprechenden Stromkomponenten id_r, i_qr vom Vektordreher 19 einem Motormodell 31 zugeführt. De,s Motormodell 31 ermittelt aus diesen Eingabewerten, sowie aus der errechneten Kreisfrequenz ω_Γ und aus Werten des ohmschen Widerstandes R und der Induktivität L des Motors ein Signal für den Fehlerwinkel f und ein Signal für die Schwebehöhe z.

Fig.4 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fahrzeugregelung 6. Die symbolisch dargestellten Schaltkontakte der Umschalter 32,33 und 34 sind in der Stellung eingezeichnet, die sie während des Anfahrvorganges einnehmen. Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird jedoch zunächst nicht der Anfahrvorgang beschrieben, sondern der Fahrzustand. Im Fahrzustand befinden sich die Schaltkontakte der Umschalter 32, 33, 34 in der strichliert dargestellten Lage.

Von einer nicht näher dargestellten Eingabevorrichtung wird die Führungsgröße für die Fahrgeschwindigkeit als Sollwert ω* für die Kreisfrequenz vorgegeben. Dieser Sollwert ω* wird einem Hochlaufgeber 35 zugeführt, der einen begrenzten Sollwert ω? für die Kreisfrequenz bildet. Der begrenzte Sollwert ω? wird mit dem Istwert ω_Γ für die Kreisfrequenz in einem Differenzglied 36 verglichen. Die Regelabweichung steuert einen Frequenzregler 37 mit PI-Charakteristik aus. Das Ausgangssignal des Frequenzreglers 37 ist die Stellgröße für die erforderliche Schubkraft und wird als Sollwert ϊξ für die Stromkomponente in ^-Richtung an Klemme 10 ausgegeben. Der Istwert ω_Γ für die Kreisfrequenz wird von einem Winkeiregler 41 aus dem an der Klemme 25 zugeführten Fehlerwinkel f gebildet Das Ausgangssignal des Winkelreglers 41 wird dem Differenzglied 36, sowie einem Vektoroszillator 42 zugeführt Der Vektoroszillator 42 bildet die Winkelkomponenten cos B_n sin e_rdes errechneten Fahrzeuglagewinkels θ_η die an den Klemmen 11 und 12 ausgegeben werden. Weiterhin ist ein Hubkraftregler 38 mit PD-Charakteristik vorgesehen, der von dem an der Klemme 26 eingespeisten Signal ζ für die Schwebehöhe ausgesteuert wird. Das Ausgangssignal des Hubkraftreglers 38 wird an der Klemme 9 als Sollwert für die Stromkomponente id in d-Richtung an die Regelungseinheit 5 für einen Streckenabschnitt ausgegeben.

Wie aus der gemeinsamen Betrachtung der Regeiungseinheit 5 für einen Streckenabschnitt gemäß F i g. 3 und der Fahrzeugregelung 6 gemäß Fig.'4 hervorgeht, werden im Fahrbetrieb die Winkelkomponenten cos B_n sin Br des Fahrzeuglagewinkels B_r aus den gemessenen dreiphasigen Strom- und Spannungskomponenten am Einspeisepunkt der Wanderfeldwicklung über den vom Motormodell 31 berechneten Fehlerwinkel f, den Winkelregler 41 und den Vektoroszillator 42 ermittelt Zur Bildung der Sollwerte #und i$ für die Stromkomponenten in d, ^-Richtung wird die vom Motormodell 31 ermittelte Schwebehöhe ζ und der vom Winkelregler 41

ίο gebildete Istwert o_r für die Kreisfrequenz benötigt, der seinerseits wiederum aus dem Fehlerwinkel f vom Motormodell 31 abgeleitet wird. Das gesamte Regelungskomzept ist somit darauf abgestellt, daß das Motormodell 31 mit Eingangssignalen gespeist wird, die aus den gemessenen Strangströmen und Strangspannungen am Einspeisepunkt der Wanderfeldwicklung abgeleitet sind und deren durch den translatorisch bewegten Erreger bewirkten Änderungen eine Bestimmung der für die Regelung erforderlichen Größen gestatten. Dieses Verfahren ist im Stillstand des Erregers nicht funktionsfähig.

Erfindungsgemäß wird daher für das Anfahren des Triebfahrzeuges das nachstehend beschriebene Konzept verfolgt. Beim Anfahren werden die Umschalter 32, 33, 34 in die dargestellte Lage gebracht, d. h. die Ausgänge des Frequenzreglers 37 und des Hubkraftreglers 38 und der Eingang des Winkelreglers 41 werden aufgetrennt. Der vorgegebene Sollwert ω* für die Kreisfrequenz wird einem weiteren Hochlaufgeber 46 zugeführt, der einen begrenzten Sollwert wLfür die Kreisfrequenz, sowie seine zeitliche Ableitung St bildet. Die zeitliche Ableitung ωί, des begrenzten Sollwertes für die Kreisfrequenz hat die Bedeutung eines Sollwertes für die Beschleunigung.

In einem Differenzglied 47 wird dem begrenzten Sollwert ωί, für die Kreisfrequenz ein Signal im kompensatorischen Sinne aufgeschaltet, das aus einem Meßwert Fi für die Schubkraft des Triebfahrzeuges abgeleitet wird. Der Meßwert Fi der Schubkraft wird hierzu am Fahrzeug gemessen und beispielsweise über die bereits beschriebene Nachrichtenverbindung zur Fahrzeugregelung übertragen. Dort wird der Meßwert Fi der Schubkraft in einem Proportionalglied 45 mit dem gewünschten Grad der Dämpfung gewichtet.

Die Fahrzeugregelung 6 enthält weiterhin ein elektronisches Modell der Fahrzeugdynamik (Dynamikglied 44). Das Modell 44 errechnet aus dem vom Hochlaufgeber gebildeten Sollwert 8? für die Beschleunigung und aus dem von einem Winkeldifferenzierer 43 gebildeten Istwert ω_Γ der Kreisfrequenz die für diese Beschleunigung erforderliche Antriebskraft Das Ausgangssignal des Dynamikgliedes 44 wird über den Umschalter 33 als Sollwert ;Jfür die Stromkomponente in Richtung der q-Achse der Regeleinheit 5 für einen Streckenabschnitt über die Klemme 10 zugeführt.

Der Sollwert iSfür die Stromkomponente in Richtung der J-Achse wird von einem Kennlinicngenerator 40 gebildet, dem der vom Winkelregler 41 erzeugte Wert (ur für die Kreisfrequenz und der vom Dynamikglied 44 gebildete Sollwert ijj für die Stromkomponente in Richtung der q-Achse zugeführt werden.

Die Stromkomponenten /</ und i_q in Richtung der c/-Achse und q-Achse werden somit beim Anfahren nicht in Abhängigkeit vom gemessenen oder errechneten Fahrzeuglagewinkel B_n sondern aus dem vorgegebenen Sollwert für die Geschwindigkeit bzw. Kreisfrequenz ermittelt Das Anfahren erfolgt über einen gesteuerten Hochlauf der Kreisfrequenz, wobei ein

Meßwert für die Schubkraft im kompensatorischen Sinne benutzt wird, um Pendelungen zu dämpfen.

Einem weiteren Differenzglied 48 wird das Ausgangssignal des Differenzgliedes 47 und das Ausgangssignal des Winkeldifferenzierers 43 zugeführt. Der Winkeldifferenzierer 43 bildet aus den Winkelkomponenten cos θ_η sin Q_r des Fahrzeuglagewinkels Θ_Γ ein Signal für die Kreisfrequenz, das bei kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten sehr genau ist. Das Ausgangssignal des Differenzgliedes 48, das die Abweichung der vom Winkeldifferenzierer 43 gebildeten Kreisfrequenz und ihrem begrenzten und bedämpften Sollwert darstellt, wird über den Umschalter 34 dem Winkelregler 41 zugeführt, dessen Ausgangssignal die errechnete Kreisfrequenz ω_Γ darstellt. Das Ausgangssignal des Winkelreglers 41 wird dem Vektoroszillator 42 zugeführt, der die Winkelkomponenten cos θ_η sin Θ_Γ des ermittelten Fahrzeuglagewinkels Θ_Γ bildet. Die Winkelkomponenten des Fahrzeuglagewinkels Θ_Γ werden dem Winkeldifferenzierer 43 und an den Klemmen 11 und 12 der Regelungseinheit 5 für einen Streckenabschnitt zugeführt. In der Anfahrphase werden somit die Winkelkomponenten des ermittelten Fahrzeuglagewinkels B_r nicht auf den gemessenen Phasenströmen und -spannungen am Einspeisepunkt der Wanderfeldwicklung bestimmt, sondern aus dem vorgegebenen Sollwert für die Geschwindigkeit bzw. die Kreisfrequenz unter Berücksichtigung der gewünschten Bedämpfung abgeleitet.

F i g. 5 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fahrzeugregelung 6a. Die Wirkungsweise der dargestellten Schaltung ist im Fahrbetrieb die gleiche wie bei der Schaltung nach Fig.4. Es wird daher nachstehend lediglich die Wirkungsweise der Schaltung beim Anfahren beschrieben. In der Anfahrphase befinden sich die Schaltkontakte der Umschalter 32, 33, 34 in der dargestellten Lage.

Die Führungsgröße für die Fahregeschwindigkeit wird als Sollwert ω* für die Kreisfrequenz vorgegeben und einem Hechlaufgeber 46 zugeführt, der die zeitliche Ableitung At eines begrenzten Sollwertes für die Kreisfrequenz bildet der wiederum als Soliwert für die erforderliche Beschleunigung aufgefaßt werden kann und dem Dynamikglied 44 zugeführt wird.

Dem Dynamikglied 44 wird weiterhin das Ausgangssignal des Winkeldifferenzierers 43 zugeführt. Dem Winkelregler 41 ist eingangsseitig ein Differenzglied 52 vorgeschaltet, dem das Ausgangssignal des Winkeldifferenzierers 43 und das Ausgangssignal eines Schubkraftreglers 50 mit Pl-Charakteristik zugeführt werden. Dem Schubkraftregler 50 ist ein Differenzglied 49 vorgeschaltet dem das Ausgangssignal des Dynamikgliedes 44, das den Sollwert für die erforderliche Schubkraft darstellt sowie ein Meßwert Fi für die am Fahrzeug auftretende Schubkraft zugeführt werden. Der Sollwert eo?für die Kreisfrequenz wird somit vom Ausgangssignal des Schubkraftreglers 50 bestimmt der von der Differenz aus der gemessenen Schubkraft Fi und dem vom Dynamikglied 44 ermittelten Schubkraftsollwert ausgesteuert wird. Damit werden auch die Wikelkomponenten cos Q_n sin B_r des ermittelten Fahrzeuglagewinkels Q_r in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Schubkraftreglers 50 gebracht Der vom Winkeldifferenzierer 43 ermittelte Wert der Kreisfrequenz beeinflußt seinerseits wiederum das Dynamikglied 44 dessen Ausgangssignal unmittelbar als Sollwert jjfür die Stromkomponente in Richtung der 9-Achse an Klemme 10 ausgegeben wird. Der vom Winkelregler 41 ermittelte Wert ω_Γ der Kreisfrequenz beeinflußt weiterhin über den Kennliniengenerator 40 den Sollwert ti für die Stromkomponente in d-Richtung, der an Klemme 9 ausgegeben wird.

Fig.6 zeigt das Schaltbild eines 3/2-Koordinatenwandlers 29, der die gemessenen Spannungskomponenten Ur, us, Ut der dreiphasigen Wanderfeldwicklung in die zweiphasigen Spannungskomponenten u_x und u_ß eines rechtwinkligen «^-Koordinatensystems transformiert. Der 3/2-Koordinatenwandler 29 enthält zwei Operationsverstärker 53 und 54, die in der dargestellten Weise mit Eingangswiderständen und Rückführungswiderständen mit den angegebenen Widerstandswerten beschaltet sind.

Der 3/2-Koordinaten wandler 18 für die Umsetzung der Meßwerte der Phasenströme in das rechtwinklige <xß- Koordinatensystem ist in analoger Weise aufgebaut.

Fig.7 zeigt das Blockschaltbild des Vektordrehers

30. Der Vektordreher 30 enhtält vier Multiplizierer 55 bis 58, sowie einen Subtrahierer 59 und einen Addierer 60. Die genannten Bausteine, die in der dargestellten Weise miteinander verschaltet sind, verwirklichen das Additionstheorem für Summenwinkel. Aus den Komponenten u& und Uß und den Winkelkomponenten cos θ_η sin Θ_Γ werden die Komponenten u</_rund umgebildet.

Die weiteren Vektordreher 19 und 27 sind in analoger Weise aufgebaut

F i g. 8 zeigt das Blockschaltbild des Winkeldifferenzierers 43, der aus den Winkelkomponenten cos Q_n sin Θ_Γ des errechneten Fahrzeuglagewinkels Θ, die Kreisfrequenz ω_Γ ermittelt. Der Winkeldifferenzierer 43 enthält die Differenzierglieder 61 und 62, sowie die Multiplizierer 63 und 64 in der dargestellten Beschattung. Die Ausgangssignale der Multiplizierer 63 und 64 werden einem Differenzglied 65 eingegeben, dessen Ausgangssignal die Kreisfrequenz ω_Γ darstellt.

F i g. 9 zeigt das Blockschaltbild des Hochlaufgebers 46, der aus dem vorgegebenen Sollwert ω* für die Kreisfrequenz einen begrenzten Sollwert ω& und einen

Beschleunigungs-Sollwert &{, ermittelt. Der Hochlaufgeber 46 enthält eine Begrenzerstufe 67, der ein Integrator 68 und ein Verzögerungsglied 69 nachgeschaltet sind. Das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 69 ist auf ein Differenzglied 66 im Eingang des Begrenzergliedes 67 rückgekoppelt. Der Ausgang des Begrenzergliedes 67 ist auf ein weiteres Verzögerungsglied 70 geführt dessen Ausgangssignal A& als Beschleunigungssollwert anzusehen ist der durch die zeitliche Ableitung des begrenzten Sollwertes für die Kreisfrequenz bestimmt ist

F i g. 10 zeigt das Blockschaltbild des elektronischen Modells zur Nachbildung der Fahrzeugdynamik (Dynamikglied 44), welches die erforderliche Schubkraft aus der zeitlichen Ableitung des begrenzten Sollwerts &t, für die Kreisfrequenz und aus dem Wert ω_Γ für die Kreisfrequenz ermittelt Der Wert <a_r für die Kreisfrequenz wird einem Funktionsgeber 72 eingegeben, dessen Funktionsverlauf in der Weise gewählt ist daß sein Ausgangssignal ein Abbild der Reibungskraft

darstellt Der Beschleunigungs-Sollwert ÄJ, wird in einem Proportionalglied 71 mit der Fahrzeugmasse gewichtet Das Ausgangssignal des Proportionalgliedes 71 gibt die für die gewünschte Beschleunigung erforderliche Kraft an. Die Ausgangssignale des Proportionalgliedes 71 und des Kennliniengebers 72 werden in einem Addierglied 73 addiert dessen Ausgangssignal ein Maß für die benötigte Schubkraft darstellt

F i g. 11 zeigt die Struktur einer gerätetechnischen Realisierung eines Motormodells 31 zur Bestimmung des Fehlerwinkels f und der Schwebehöhe ζ aus den Spannungskomponenten Udr, u_qr und den Stromkomponenten id,, ig, unter Berücksichtigung der Kreisfrequenz O)_n des ohmschen Widerstandswertes R_s und der Induktivität Ls der Statorwicklung. Die Stromkomponente idr wird in einem Multiplizierer 80 mit dem ohmschen Widerstandswert Rs der Statorwicklung multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 80, das die entsprechende Komponente des Spannungsabfalls in der Statorwicklung angibt, wird in einem Differenzglied 78 von der Spannungskomponente Ud, subtrahiert und das Ergebnis wird einem weiteren Differenzglied 79 zugeführt. Die Stromkomponente idr wird weiterhin einem Differentialglied 81 zugeführt, dessen Ausgangssignal dem Subtraktionseingang des weiteren Differenzgliedes 79 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des weiteren Differenzgliedes 79 wird einem Addierglied 77 zugeführt. Die Stromkomponente iqr wird in einem Proportionalglied 83 mit der Induktivität Ls gewichtet und einem Multiplizierer 82 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit der Kreisfrequenz ω_Γ beaufschlagt ist. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 82 wird dem Addierglied 77 zugeführt, dessen Ausgangssignal über ein Verzögerungsglied 75 dem ersten Eingang eines Vektoranalysators 74 zugeführt wird. Ein geeigneter Vektoranalysator ist in der DE-PS 23 53 594, F i g. 8 beschrieben.

In analoger Weise wird die Stromkomponente i_qr in einem Multiplizierer 88 mit dem ohmschen Widerstandswert Rs der Statorwicklung multipliziert und in einem Differenzglied 90 von der Spannungskomponente Uqr abgezogen. Die Stromkomponente i_qr wird über ein Differentialglied 87 geführt, dessen Ausgangssignal in einem weiteren Differenzglied 89 vom Ausgangssignal des Differenzgliedes 90 subtrahiert wird. Die Stromkomponente id_r wird in einem Proportionalglied 84 mit der Induktivität Ls der Statorwicklung gewichtet und in einem Multiplizierer 85 mit Kreisfrequenz ω_Γ multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 85 wird in einem weiteren Differenzglied 86 vom Ausgangssignal des Differenzgliedes 89 subtrahiert und dessen Ausgangsspannung wird über ein Verzögerungsglied 76 auf den zweiten Eingang des Vektoranalysators 74 gegeben. Der Vektoranalysator ermittelt den Fehlerwinkel ξ und die Hauptfeldspannung, die in guter Näherung der Schwebehöhe ζ gleichzusetzen ist.

Die Schaltung zwischen den mit den Spannungskomponenten Ud_n Uqr und den Stromkomponenten idr, iqr belegten Eingängen und den Ausgängen des Addiergliedes 77 und des Differenzgliedes 86 realisiert die auf einen synchronen Linearmotor angewandten Park-'schen Gleichungen.

Fig. 12 zeigt die Struktur einer gerätetechnischen Realisierung einer Entkopplungsschaltung 24. Die Eingangssignale sind die Sollwerte Jj_n i_qr für die Stromkomponenten in den d_n <7rAchsen, die von den Stromkomponentenreglern 22,23 gebildet werden. Das Eingangssignal i$r wird in einem Proportionalglied 91 mit dem Widerstandswert Rs der Statorwicklung gewichtet und einem Differenzglied 92 zugeführt Der Subtraktionseingang des Differenzgliedes 92 ist mit dem Ausgang eines Multiplizierers 98 verbunden, dessen Eingänge mit der Kreisfrequenz io_r und dem Ausgang eines Verzögerungsgliedes 96 verbunden sind. Das Verzögerungsglied 96 ist vom anderen Eingangssignal iqr beaufschlagt Das Ausgangssignal des Differenzgliedes 92 ist der Sollwert uSr für die Steuerspannungskomponente in Richtung der d-Achse.

In analoger Weise wird das Eingangssignal ifr in einem Proportionalglied 93 mit Rs gewichtet und einem Addierglied 94 zugeführt. Der weitere Additonseingang des Addiergliedes 94 ist mit einem weiteren Multiplizierer 97 verbunden, dessen Eingänge mit der Kreisfrequenz ω_Γ und einem weiteren Verzögerungsglied 95 verbunden sind, das mit dem Eingangssignal iSr beaufschlagt ist. Das Ausgangssignal des Addiergliedes 94 ist der Sollwert ufr für die Steuerspannungskomponente in q- Richtung.

Fig. 13 zeigt den Aufbau eines 2/3-Koordinatenwandlers 28. Der Wandler umfaßt zwei Operationsverstärker 99 und 100, die in der gezeigten Weise mit Widerständen beschaltet sind. Die Widerstandswerte sind jeweils angegeben. Der 2/3-Koordinatenwandler realisiert folgende Gleichungen.

VT

ur—z-ih-u,

VI

Die Ausgangssignale des 2/3-Koordinatenwandlers sind die dreiphasigen Steuerspannungen für den Umrichter 3.

Fi g. 14 zeigt die Struktur eines Vektoroszillators 42. Der Vektoroszillator 42 enthält zwei in Reihe geschaltete Integratoren 102 und 107, deren Rückführungen jeweils einen Multiplizierer 103 bzw. 108 enthalten. Einem Differenzglied 105 im Eingang des ersten Integrators 102 ist das Ausgangssignal des Multiplizierers 103 in der Rückführung des Integrators 102 und das Ausgangssignal eines Multiplizierers 101 zugeführt. Die Eingänge des Multiplizierers 103 sind mit dem Ausgang des Integrators 102 und dem Ausgang eines Reglers 109 mit Pl-Charakteristik beschaltet. Die Eingänge des Multiplizierers 101 sind mit der Kreisfrequenz ω,-und dem Ausgang des zweiten Integrators 107 verbunden. Dem Differenzgüed 106 im Eingang des zweiten Integrators 107 ist das Ausgangssignal eines weiteren Multiplizierers 104 und des Multiplizierers 108 in der Rückführung des zweiten Integrators 107 zugeführt. Die Eingänge des Multiplizierers 104 sind mit dem Ausgang des Integrators 102 und der Kreisfrequenz ct)_r verbunden. Die Eingänge des Multiplizierers 108 sind mit dem Ausgang des integrators iö7 und dem Ausgang des Reglers 109 verbunden.

Das Ausgangssignal des Integrators 107 stellt die Sinuskomponente A. sin Θ_Γ und das Ausgangssignal des Integrators 102 die Costnuskomponente A. cos B_r einer Schwingung mit der Amplitude A dar. Die beiden Winkelkomponenten werden in Quadrierern 110 und 113 quadriert und in einem Summierglied 112 addiert Das Ergebnis A² wird in einem Differenzgüed 111 mit einer vorgegebenen Amplitudensteuerspannung As verglichen. Die Differenz steuert den Regler 109 aus, dessen Ausgangssignal den Multiplizierern 103 und 108 in den Rückführungen der Integratoren 102 und 107 zugeführt wird.

Die dargestellte Schaltung erzeugt eine stationäre Schwingung, bei der sowohl die Frequenz als auch die

Amplitude steuerbar ist Die beiden Multiplizierer 101 und 104 in Reihe zu den Integratoren 102 und 107 wirken wie eine steuerbare Integrationszeit und bestimmen so über die Kreisfrequenz ω_Γ die Frequenz der Schwingung und damit des Fahrzeuglagewinkels. Die Steuerung der Amplitude erfolgt über die Amplitudensteuerspannung As- Sie dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Normierung des Pegels der Signalverarbeitung.

F i g. 15 zeigt die Struktur eines Kennliniengenerators 40. Die als Eingangssignale zugeführte Kreisfrequenz ω_Γ und der Sollwert /J für die Stromkomponente in Richtung der q-Achse werden einem Multiplizierer 114 zugeführt Das Ausgangssignal des Multiplizierers 114

wird über einen ersten Kennliniengeber 115 mit der dargestellten Charakteristik geführt Die Kreisfrequenz ω_Γ wird außerdem über einen zweiten Kennliniengeber 116 mit der im Blockschaltbild eingezeichneten Charakteristik geführt Die Ausgangssignale der beiden Kennliniengeber 115 und 116 werden in einem Summierglied 117 addiert Das Ausgangssignal des Summiergliedes stellt die stationäre Komponente der die Hubkraft bestimmenden Stromkomponente in

ίο Richtung der d-Achse dar. Es wird beim Anfahren im wesentlichen vom Kennliniengeber 116 und beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit im wesentlichen vom Kennliniengeber 115 bestimmt

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Anfahren eines fahrweggebundenen elektrischen Triebfahrzeugs mit einem synchronen Linearmotor, dessen Stator eine entlang der Trase verlegte Wanderfeldwicklung und dessen Erreger ein auf dem Triebfahrzeug angeordneter Translator ist, wobei die Wanderfeldwicklungen jeweils von einem ortsfesten steuerbaren statischen Umrichter gespeist werden, dessen Spannung oder Strom in Frequenz und Amplitude nach Maßgabe einer Regeleinrichtung veränderlich ist und die Regeleinrichtung folgende Merkmale aufweist:

a) ein Stromregelkreis (18 bis 24, 27, 28) mit zwei Strom-Reglern (22, 23) und einer Transformationsschaltung (18, 19, 27, 28) liefert die Stellgrößen (uj?, u& u?) für die Aussteuerung des steuerbaren statischen Umrichters (3), wobei den Reglern Sollwerte (ή, i$) und Istwerte für die beiden elektrischen Freiheitsgrade (»Schubkraft« I₉, »Hubkraft« /</) des Motorstromes vorgegeben sind und die Transformationsschaltung jeweils in Abhängigkeit von einem zugeführten, die Lage des Fahrzeuges beschreibenden Fahrzeuglagewinkel-Signals (cos B_n' sin Θ_Γ) einerseits am Speisepunkt (13) des Motors abgegriffene Stromistwerte (ir, is, ί-ή in die Istwerte (k_n idq) der beiden Strom-Freiheitsgrade und andererseits die Ausgangsgrößen dec Stromregler (22, 23) in die Stellgrößen (i/j{, u& uf) des Umrichters transformiert,

b) ein Istwertrechner (29,30, 31) ermittelt mittels eines Motormodells (31) aus Ist- oder Sollwerten der Motorspannung (ur, us, ut), Istwerte des Stromes (/<y_n i_qr), dem Fahrzeuglagewinkel-Signal (cos θ_η sin Θ_Γ) und/oder dessen Kreisfrequenz (ω«) sowie eingegebenen Parametern für Widerstand (R) und Induktiviiät (L) der Sta- « torwicklung ein die Hauptfeldlage bezüglich der Fahrzeuglage bestimmendes Hauptfeldlagewinkel-Signal (|),

c) ein Fahrzeuglagegeber (Winkelregler 41, Vektoroszillator 42) bildet das der Transformations- *5 schaltung und dem Istwertrechner zuzuführende Fahrzeuglagewinkel-Signal (cos0„ sin0_r) sowie dessen Kreisfrequenz, indem der Fahrzeuglagewinkel (Θ_Γ) dem Hauptfeldlagewinkel (|) nachgeführt wird und

d) aus einem vorgebbaren Sollwert (*<>, Hochlaufgeber 35) für die Fahrzeuglagewinkel-Kreisfrequenz und aus der Kreisfrequenz (ω_Γ) des Fahrzeuglagewinkels (B_r) bildet ein Sollwertbildner (37 bis 40) die den Stromreglern (22,23) vorzugebenden Sollwerte (/<* /$) für die Freiheitsgrade des Motorstromes entsprechend der Vorgabe eines Beschleunigungsmomentes, durch das die Kreisfrequenz (ω_Γ) des Hauptfeldlagewinkels (ξ) bzw. des nachgeführten Fahrzeuglagewinkels (Bn) dem Sollwert (ωί) für die Fahrzeuglagewinkel-Kreisfrequenz nachgeführt wird,

gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

e) zum Anfahren unterhalb einer Mindestkreisfrequenz (ω_Γ) des Fahrzeuglagewinkels werden mittels Umschaltern (32,33,34) der Fahrzeuglagegeber (Winkelregler 41, Vektoroszillator 42) und der Sollwertbildner von dem Istwertrechner abgekoppelt und auf eine Anfahrsteuerung geschaltet,

f) die Anfahrschaltung liefert dem Fahrzeuglagegeber ein Frequenzsteuersignal zur gesteuerten Vergabe der Kreisfrequenz (o_r) des Fahrzeuglagewinkel-Signals (cos θ_η sin Br),

g) das Frequenzsteuersignal wird von einem Hochlaufgeber (46) als Sollwert für die Anlauffrequenz (ωί, F i g. 4) oder die Anlauf-Kreisbeschleunigung (ω£ F i g. 5) geliefert, dem ein der gemessenen Schubkraft des Fahrzeugs proportionaler Wert (F) dämpfend aufgeschaltet ist, und

h) der Sollwertbildner (39, 40) liefert die dem Stromregelkrois einzugebenden Sollwerte (i& I₉) entsprechend einem Beschleunigungsmoment, das durch den vom Hochlaufgeber gelieferten Sollwert für die Anlauf-Kreisbeschleunigung gegeben ist, und einer mittels eines Kennliniengenerators für einen stabilen Anlaufbetrieb vorgegebenen endlichen Hubkraft (Fig.4, F ig. 5).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

i) für den Normalbetrieb enthält der Fahrzeuglagegeber zum Nachführen des Fahrzeuglagewinkel-Signals einen mit dem Hauptfeldlagewinkel-Signal (I) beaufschlagten Winkelregler (41), dem ein Vektoroszillator (42) zum Erzeugen einer Sinus- und Cosinusschwingung als Fahrzeuglagewinkel-Signal mit der am Winkelreglerausgang abgreifbaren Kreisfrequenz (<a_r) nachgeschaltet ist, und für den Anlaufbetrieb ist zur genaueren Vorgabe der Kreisfrequenz ein Differenzierglied (Winkeldifferenzierer 43) nachgeschaltet, das die Kreisfrequenz der Sinus- und Cosinusschwingung bildet und die Differenz zwischen Frequenzsteuersignal und Kreisfrequenz der Sinus- und Cosinusschwingung dem Winkelregler aufschaltet (Fig.4, F ig. 5).

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Differenzierglied (43) gebildete Kreisfrequenz und der am Hochlaufgeber abgegriffene Sollwert der Anlauf-Kreisbeschleunigung (ωί) einem Dynamikglied (44) zugeführt ist, dessen Ausgangsgröße als Beschleunigungsmoment dem Sollwertbildner (39, 40) zugeführt ist (F i g. 4, F ig. 5).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzsteuersignal von einem Schubkraftregler (50) gebildet ist, dessen Eingang die Differenz zwischen dem dem Sollwertbildner einzugebenden Beschleunigungsmoment und dem der Schubkraft (F₁) proportionalen Wert aufgeschaltet ist (F i g. 5).