DE3021809A1

DE3021809A1 - Regelungsanordnung zur schwebefuehrung eines magnetisch getragenen schwebefahrzeuges

Info

Publication number: DE3021809A1
Application number: DE19803021809
Authority: DE
Inventors: Gpnter 8018 Grafing Steinmetz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1980-06-11
Filing date: 1980-06-11
Publication date: 1981-12-24
Also published as: DE3021809C2; JPS5731305A; FR2484350B1; FR2484350A1

Description

Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, JO. Mai 1980

Gesellschaft mit BTO1 Cz/Rd

beschränkter Haftung 8742
München

Regelungsanordming zur Schwebeführung eines magnetisch getragenen S chweb ef ahrζeuge s -' -

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelungsanordnung für Trag- und Führungsmagnete eines längs Trag- und Führungsschienen in Schwebeführung gehaltenen Schwebefahrzeuges nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Bei bekannten Magnetschwebefahrzeugen mit starr am Fahrzeuggestell angeordneten Trag- und Führungsmagneten ist jedem Magneten ein eigener unabhängiger Regler zugeordnet. Zur Regelung des Spaltes zwischen jedem Magnet und der zugeordneten Schiene auf einen möglichst konstanten Wert wird der jeweilige Spalt durch Meßfühler gemessen und in dem Regler mit einem festgelegten Spaltsollwert verglichen. Aufgrund dieses Vergleiches wird für jeden Magneten der Erregerstrom so gesteuert, daß bei dem vorgegebenen Spaltsollwert die magnetischen Kräfte der Schwerkraft und den Störkräften das Gleichgewicht halten; vgl. DE-PS 643 316.

Derartige Einzelmagnetregelungen mit an dem Schwebefahrzeug bzw. an den Fahrzeuggestellen starr angeordneten Magneten haben den Nachteil, daß das gesamte System statisch instabil ist. Wenn z.B. vier Tragmagnete an dem Fahrzeuggestell· starr befestigt sind und alle, vier Magnete einzeln bezüglich des Luftspaltes hart geregelt werden, d.h. daß der Regler einen hohen Proportionalanteil und einen Integralanteil· aufweist, dann können sich unter bestimmten umständen beiiebige Stromwerte in dem Magneten einstehen. Ändert sich beispieisweise die Spurbreite der Schienen oder die Höhe gegenüber einer Referenzhöhe innerhaib des vom Schwebefahrzeug eingenommenen Bereiches, so können bei einer starren Magnet-

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• aufhängung bei Voraussetzung eines starren Fahrzeuges und starren Schienen aus geometrischen Gründen die gewünschten Luftspalte an allen Magneten nicht gleichzeitig eingehalten werden, über die Rückführung des gemessenen Luftspaltes führt dies zu erheblichen Unterschieden in den Spulenströmen der Magnete. Im ungünstigsten Fall kann dies dazu führen, daß nur zwei Tragmagnete die normalerweise auf vier Tragmagnete verteilte Last des Schwebefahrzeuges tragen müssen, oder aber daß große, jedoch entgegegesetzt gerichtete seitliche Zugkräfte auf das Schwebefahrzeug einwirken, die dieses verspannen und verwinden.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden ist es bekannt, für die Einzelmagnete eines Schwebefahrzeuges einen dezentralen hierarischen übergreifenden Regler zu verwenden. Bei dieser modalen bzw. Freiheitsgrad-Regelung werden die gemessenen Werte der einzelnen Luftspalte an den insgesamt acht Trag- und Führungsmagneten zu fünf Regelgrößen miteinander verknüpft, die dann fünf für je einen Freiheitsgrad des Fahrzeuges zuständigen Reglern als Regelgröße zugeführt werden. Die fünf Ausgangsgrößen dieser Regler werden anschließend so verknüpft, daß daraus acht Stellgrößen für die Einzelmagnete gebildet werden; vgl. DE-PS 21 46 499.

Der Vorteil dieser Verbundregelung ist darin zu sehen, daß aufgrund der Signalverknüpfung die Magnetströme weder von der Spurbreite noch von unterschiedlichen Höhendifferenzen der Schienen zwischen den vorderen und hinteren Trag- und Führungsmagneten beeinflußt werden und das erwähnte Weglaufen der Magnetströme verhindert wird.

Probleme bei derartigen übergeordneten Verbundregelungen treten allerdings dann auf, wenn einer der übergeordneten Regler entweder vollständig ausfällt oder aufgrund eines Teilausfalls eines Elementes fehlerhaft arbeitet. Da hierdurch die Regelung aller Magnete beeinflußt wird, kann das Fahrzeug unter Umständen auf den Schienen mit entsprechenden Folgen aufschlagen. Aus diesem

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Grunde müssen derartige übergeordnete Verbundregelungen redundant ausgeführt werden, was einen erheblichen technischen Mehraufwand erfordert. Auch die Wartbarkeit. derartig verkoppelter Verbundsysteme ist problematisch; der Wartungsaufwand ist dementsprechend hoch.

Eine zweite Möglichkeit zur Überwindung der oben genannten Schwierigkeiten liegt darin, die Magnete elastisch am Schwebefahrzeug bzw. am Fahrzeuggestell aufzuhängen und die Magnete jeweils einzeln entsprechend dem ersten Vorschlag zu regeln. Damit kann das gesamte System statisch eindeutig bestimmt werden; es ist eine elektrisch saubere Einzelmagnetregelung möglich, ohne daß es zu Verwindungen des Fahrzeuges und zum Weglaufen der Magnetströme kommt; vgl. DE-OS25 11 382. '

Trotz der hierdurch möglichen einfachen Konzeption des Reglers erfordert die Realisierung der federnden Aufhängung und Verstellmöglichkeit der Einzelmagnete einen erheblichen mechanischen Aufwand, Außerdem können bei den zu realisierenden Abfederungsfrequenzen von ca. 6 bis 7 Hz und den vorherrschenden ebenfalls in diesem. Bereich liegenden Anregungsfrequenzen bei der Magnetregelung unerwünschte Resonanzen auftreten. Dies erfordert wiederum einen größeren Lüftspalt bzw. einen größeren Bereich, innerhalb dessen der Luftspalt verstellbar sein muß. Infolgedessen sind hier gegenüber arideren vergleichbaren Regelungen stärkere Magnetkräfte erforderlich.; Außerdem sind die Federn für die Aufhängung der Magnete erheblichen Dauerlasten ausgesetzt, wodurch an die Federqualität sehr hohe Ansprüche gestellt werden müssen.

Durch die federnde Aufhängung der Magnete entstehen zusätzlich nicht geregelte Freiheitsgrade, die z.B. aus den Drehbewegungen der Fahrzeuggestelle resultieren. Diese bestimmen jedoch auch die Bewegungen"der Einzelmagnete und werden selbstverständlich über die Meßfühler für den Luftspalt mitgemessen. Hieraus können Fehlreaktionen in den- geregelten Freiheitsgraden erzeugt werden im Extremfall sehr niedriger Abfederungsfrequenzen kann das System sogar rotatorisch statisch instabil werden; dies insbesondere, wenn die effektive Drehsteif igkeit der Gestell-Magnetanordnung , bedingt durch Ausfälle einzelner Magnete, verschlechtert wird. Ursache hierfür ist die Instabilität des Magneten bezüglich Drehbewegung.

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Hinzu kommt, daß bei Ausfall einer Komponente eines Einzelmagnetsystems, so z. B. bei Ausfall des Stromstellers, des Meßfühlers oder des Reglers selbst, der zugeordnete Magnet bei fahrendem Schwebefahrzeug sich praktisch ungebremst an die Schiene anklammern kann, wodurch die Gefahr von Zerstörungen am Magnet bzw. an der Schiene besteht, da die restlichen Magnete des Gestells dem Anklammern aufgrund der relativ weichen Federn nur ungenügend entgegenwirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelungsanordnung für ein Schwebefahrzeug anzugeben, bei der die technisch einfach zu realisierende Einzelmagnetregelung bei starr an den Fahrzeuggestellen befestigten Magneten verwendet wird, bei der jedoch das Regelkonzept so abgeändert ist, daß die erwähnten Schwierigkeiten nicht mehr auftreten können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung wird demnach eine Einzelmagnetregelung für starr am Fahrzeug angeordnete Magnete verwendet, bei der das Regelkonzept jedoch dahingehend abgeändert ist, daß der Sollwert für die Regelgröße nicht mehr konstant gehalten, sondern in Abhängigkeit des jeweiligen Magnetstromes veränderbar ist. Mit einer solchen Einzelmagnetregelung können starr am Schwebefahrzeug bzw. an dessen Fahrzeuggestell montierte Einzelmagnete verwendet werden, ohne daß unerwünschte Verwindungskräfte auf das Schwebefahrzeug auftreten oder die Magnetströme weglaufen.

Bei hohen Magnetströmen wird entsprechend dem Regelkonzept gemäß der Erfindung der Sollwert für den Luftspalt vergrößert, so daß der Einzelmagnet auf diesen neuen Sollwert eingeregelt wird, wobei gleichzeitig bei dieser Einregelung die Tendenz besteht, den Luftspalt und damit den Magnetstrom in Richtung auf geringere Werte zu beeinflussen. Umgekehrt wird bei einem Magnetstrom, der kleiner als der dem Nenn-Sollwert des Luftspaltes entsprechende Magnetstrom-Nennwert ist, der Luftspalt auf einen Sollwert eingeregelt, der kleiner als der Nennwert des Luftspaltes ist, mit der

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Tendenz, daß der Sollwert wieder in Richtung auf den Nennwert geführt wird.

Das Regelkonzept gemäß der Erfindung erfüllt auch die von dem Regelsystem des gesamten Schwebefahrzeuges gewünschten Anforderungen. Die Vergrößerung des Sollwertes des Luftspaltes bei entsprechend hohen Magnetströmen ist insofern vorteilhaft, weil in diesen Bereichen die Dynamik des Regelsystems verschlechtert ist und dementsprechend die Schwankungsbreite für den Luftspalt größer sein soll. Wäre der Sollwert des Luftspalts bei bisherigen Einzelmagnetregelungen unabhängig von dem Magnetstrom, so müßte immer dann, wenn kleinere Magnetströme auftreten, das Fahrzeug mit einem unnötig großen Luftspalt gefahren werden. Dies wird durch die Erfindung verhindert.

Mit dem Regelungskonzept gemäß der Erfindung können z.B. Spurweitenschwankungen der Führungsschienen oder Höhenschwankungen der Tragschienen trotz der starren Aufhängung der Magnete so verarbeitet werden, daß eine Rückwirkung auf die Regelung und auf das Schwebefahrzeug praktisch nicht auftritt. Durch die Variierung des Sollwertes für den Luftspalt treten an dem Schwebefahrzeug gegenüber einem Fahrzeug mit federnder Einzelmagnetaufhängung wesentlich weniger Strukturschwingungen auf, da die oben erwähnten möglichen Resonanzen aufgrund der fehlenden federnden Aufhängung der Magnete nicht auftreten. Im ausgeregelten Zustand wird sich im niederfrequenten Bereich ein Grenzzyklus mit Frequenzen etwa von 0,3 bis 0,4 Hz und Magnetstromamplitüden einstellen, die etwa 5 % des maximalen Stromes betragen. Auch aufgrund dieser Daten wird eine zu Strukturschwingungen auftretende Rückführung praktisch nicht auftreten.

Ein wesentlicher Vorteil der Regelungsanordnung gemäß der Erfindung ist auch darin zu sehen, daß bei Ausfall eines Magnete, z.B. durch Fehler im Magneten, Stromsteller., Meßfühler oder Regler , die Nachbarmagnete, die die gleiche Funktion haben,

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dann mit maximaler Effektivität arbeiten, um die Auswirkung dieses Ausfalls zu vermindern. Auf keinen Fall kann durch einen solchen Ausfall etwa das Schwebefahrzeug auf die Schienen mit den angegebenen Polgen aufschlagen. Dementsprechend ist eine Regelungsanordnung gemäß der Erfindung trotz des einfachen Aufbaus sicherer als bekannte Regelungsanordnungen.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser stellen dar:

Figur 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Schwebefahrzeuges, das längs.Trag- und Führungsschienen mit einem Luftspalt durch Magnete gehalten und geführt ist;

Figur 2 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Luftspaltes von dem durch die Magnete fließenden Magnetstrom;

Figur 3 ein Blockdiagramm eines Reglers für einen Magneten.

Ein in Figur 1 lediglich schematisch dargestelltes Schwebefahrzeug weist symmetrisch zu seiner Längsachse angeordnete Tragmagnete 10, 11, 12, 13 sowie symmetrisch zu seiner Querachse angeordnete. Führungsmagnete 20, 21 und 22, 23 auf. Den Trag- und Führungsmagneten sind z.B. als Winkelschienen■ausgeführte Trag- und Führungs schienen 3 0 und 31 zugeordnet, die in hier nicht dargestellter Weise auf einer ebenfalls nicht dargestellten Trasse starr befestigt sind.

Zwischen Trag- und Führungsmagneten und Trag- bzw. Führungsschienen sind Luftspalte S1 bis S8 vorhanden, deren Größe mit hier nicht dargestellten Meßfühlern gemessen werden. Die Meßwerte werden im folgenden als S bezeichnet.

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Jedem Einzelmagneten ist ein Regler 40 zugeordnet, der wegen der geförderten Dynamik des gesamten Systems als Regler unter anderem mit einem hohen Proportional- und einem Integraganteii ausgebildet ist.Der P- und I-Anteil ist der für die Aufgabe relevante Teil der Regelung; generell besitzt der Einzelmagnetregler öatür liehweitere Aufschaltungen, so z. B. des differenzierten Spalts igna;ls anderer Meßgrößen wie z. B. der Besehleunigurig;; diese Auf schaltungen sind in Figur 3 schematisch durch einen Block 41 dargestellt, in den die den Aufschaltungen zugehörigen Transferfunktionen allgemein mit K (p) eingetragen sind. Jedem: dieser Regler 30 wird das dem zugehörigen Magneten zugeordnete Meß signal S des Meßspaltes zugeführt; am Reglereingang wird wie üblich die Differenz zwischen dem Sollwert .und dem Istwert (S_ τ- - S..) gebildet. Im Regler werden diese Signale entsprechend dem Regelkonzept so miteinander verknüpft, daß ;der Reglerausgang ein Ausgangssignal V aufweist, das einem Stormsteller 50 zugeführt wird, der seinerseits den Magnetstrom I-des zugehörigen Magneten so verändert, daß der gemessene Wert S . des Luftspaltes S auf den Sollwert hingeführt wird. ."".■."" ^:'_/ ----;-: -''----- - -

Der Sollwert des Luftspaltes ist in diesem Falle veränderlich und als Funktion/des Magnetstromes dargestellt. In Figur 2 ist die Abweichung des Sollwertes Δ S₀₁₁ von dem Nennwert S„

'.; "-./"■:■- Soll Nenn

in Millimetern in Abhängigkeit von dem Magnetstrom ι gezeigt. Dei: Wert Null auf der;Ordinate entspricht dem Nenn-Luftspalt S_n , dem auf?der Abszisse ein.Nennwert I des Magnetstromes zugeordnet, ist.= Die- Abweichung Δ. S ,,des Sollwertes des Luftspältes von dem Nennwert variiert von ca. (-1) Millimeter bis ca. (+2) Millimeter; der maximalen positiven Abweichung von 2 Millimetern ist ein maximaler JMagnetstrom I , der maximalen negativen Abweichung von (-1) Millimeter ein minimaler Magnetstrom I . zugeordnet. Der variable Sollwert S„ , _Λ wird in Abmm Soll

hänigkeit des-vorhandenen Magnetstromes entsprechend der in Figur

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dargestellten Beziehung zwischen diesen beiden Größen festgelegt. Für einen Magnetstrom I* wird auf diese Weise ein Sollwert S* ,. festgelegt, der sich zusammensetzt aus dem Nenn- . wert S des Luftspaltes und der Abweichung Δ* ^sloll * ^Di-^e~ ser Sollwert S* ,, wird zur Differenzbildung am Eingang des

bOi.X

P-I-Reglers 40 verwendet. Dem in Figur 3 dargestellten Reglerdiagramm ist diese Bildung des variablen Sollwertes zu entnehmen: Der Differenzstelle wird einmal der Nennwert S.._T des

Nenn

Luftspaltes und additiv die Abweichung A. S _ ^ entsprechend Figur 2 zugeführt, wobei diese Abweichung über einen Tiefpaß F gefiltert ist. Diese Tiefpaßfilterung erfolgt, um etwa durch Erschütterungen des Schwebefahrzeuges vorhandene hochfrequente minimale Schwankungen um einen Sollwert nicht auf den Regler kommen zu lassen.

Durch eine derartige Regelung mit variablem Sollwert in Verbindung mit einem Regler mit hoher Proportional- und Integralaufschaltung für jeden Einzelmagneten wird das Schwebefahrzeug längs der Trag- und Führungsschienen 30, 31 ruhig längs einer Ideallinie geführt, wobei diese Ideallinie durch die Sollwertveränderung praktisch nicht durch Spurweiten- bzw. Höhenänderungen der Schienen beeinflußt wird.

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Claims

Messerschmitt-Bölkow-Blohm . Öttobrunn, 30. Mai 1980 Gesellschaft mit V BT01 Cz/Rcl

beschränkter Haftung 87^2

München ' -

Regelungsanordnung zur Schwebeführung eines magnetisch getragenen Schwebefahrzeuges -' -- -

P- a t e nt a ns ρ r ü c he

.j Regelungsanordnurig für Trag- und Führungsmagnete eines längs Trag--und Führungsschienen in Schwebeführung gehaltenen Schwebefährzeuges mit voneinander unabhängigen Reglern für jeden ; Einzelmagneten> wobei die Regelgröße jeweils die Differenz "■"- zwischen dem gemessenen Luftspalt zwischen Magnet und Schiene und einen Luftspalt-Sollwert ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei starr am Schwebefahrzeug (1) angeordneten Magneten (10, 11, 12, 13-, 20, 21, 22, 23) der Sollwert (Sg_oll) der Regelgröße (Luftspalt S) und für jeden Einzelregler (4 0) in Abhängigkeit von dem durch den zugeordneten Magneten fließenden _: Magrietstrom (!) veränderbar ist.
2. Regelungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Regler (40) eines Einzelmagneten (10 bis 13, 20 bis 23)

_;; ein Sollwert (S„ ,,) der Regelgröße (Luftspalt S) zugeordnet

1st, der einem, das Schwebefahrzeug (1) im Gleichgewicht - haltenden: Mägnetstrom (T) entspricht.
3. Regelungsanördnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler (40) für die Einzelmagnete (10 bis 13, 20 bis 23)_: Regler mit hoher Proportional- und Integralaufschaltung (P-I-Regler) sind.

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4. Regelungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang eines Reglers (4 0) eines Einzelmagneten (10 bis 13, 20 bis 23) ein Signal entsprechend dem negativen gemessenen Wert (S ) sowie additiv Signale entsprechend einem konstanten Nennwert (S^ ) und entsprechend der Abweichung ( A ) des variablen Sollwerts [S„ ,,) zuführbar sind.
5. Regelungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das der Abweichung ( A ) vom Sollwert (S ,,) entsprechende

-- - " bOXJ.

Signal dem Regler (40) über einen Tiefpaß (F) zugeführt ist.

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