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Regel system für Magnetschwebefahrzeuge
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem für Magnet schwebefahrzeuge
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei bekannten Magnetschwebefahrzeugen mit elastisch am Fahrzeugestell
angeordneten Trag und Führungsmagneten ist jedem Magneten ein eigener unabhängiger
Regler zugeordnet. Zur Regelung des tuftspaltes zwischen Magnet und Schiene auf
einen möglichst konstanten Wert wird der jeweilige Luftspalt durch Meßfühler gemessen
und in den Regler mit einem festgelegten Spaltsollwert verglichenç Aufgrund dieses
Vergleiches wird für jeden Magneten die Maqnetspannung und der damit erzeugte Erregerstrom
so gesteuert, daß die magnetischen Kräfte der Schwerkraft ; den zum Zweck des Folgens
erforderlichen Trägheitskräften der Magnetmasse und den Störkräften das Gleichgewicht
halben, vgl. DE-PS 643 316.
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Bei derartigen, heutzutage weiterentwiclselten und verfeinerten Regel
systemen für die Abstandsregelung zwischen Magnet und Schiene sollen folgende Ziele
und Aufgaben erfüllt werden: a) der Luftspalt soll auf einen möglichst kleinen mittleren
Wert
eingeregelt werden können, damit das Magnetgewicht niedrig und auch die zur Regelung
geforderliche elektrische Leistung, d.h. die Verlustleistung in bezug zur installierten
Leistung, gering gehalten werden kann; b) die Meßfühler bzw. Sensoren und der Regler
sollen trotz gutem Folgeverhalten zur Verbesserung des Signal-Rauschverhaltens schmalbandig
sein; c) auch bei kleinen Luftspalten, bei denen sehr große Magnetkräfte möglich
sind, muß unbedingt verhindert werden, daß der Magnet die Schiene berührt.
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Aus Sicherheitsgründen und aufgrund des verwendeten Regelung konzeptes
wurden bei bekannten Regel systemen durch Sensoren nicht nur die einzelnen Luftspalte,
sondern auch die Beschleunigung und der Magnetfluß bzw. der Magnetstrom als Zustandsgrößen
gemessen, die dann im Regler für jeden Magneten zu einer Regelspannung miteinander
verkoppelt wurden, mit der ein Magnetstromstellerbeaufschlagt wurde. Dieser Magnetstromsteller
ist z.B. ein mit konstanter Frequenz getakteter Schalter, der entsprechend der Regelspannung
die Versorgungsspannung an den jeweiligen Magneten pulsdauermoduliert so anlegt,
daß sich am Magneten eine mittlere Spannung einstellt, mit der das Schwebefahrzeug
im Gleichgewicht gehalten wird. Derartige Regelsysteme arbeiten jedoch im zeitlichen
Folgeverhalten verhältnismäßig träge und können die oben angegebenen Ziele und Forderungen
nicht voll befriedigend lösen. Bedingt durch die Verwendung von Thyristor- oder
Transistor-Choppern, die im Bereich von 250 bis 1000 Hz arbeiten, lieferten diese
Regler im wesentlichen ein Sollsignal für die Magnetspannung.
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Die gesamte Regelstrecke bestand dann im relevanten 5-Hz-Bereich praktisch
aus drei Integrationen, nämlich der zweifachen Integration von der Beschleunigung
auf den Weg und der in den Magneten erfolgenden Integration, da diese Magnete Zeitkonstanten
von etwa 0,3 Sekunden und mehr haben
und dahernäherungsweise asIntegratoren
anzusehen sind Die bekannten Regler steuern demnach nicht die eigentlich interessierende
Zustandsgröße des Systems, d,h. die Magnetkraft bzw. den der Magnetkraft in dem
betrachteten Bereich eindeutig zuzuordnenden Magnetstrom bzw. Magnetfluß, sondern
die Ableitung der Magnetkraft bzw. die Ableitung des Magnetstroms Um mit einer solchen
Regelung einigermaßen befriedigendes Folgeverhalten zu erzielen, müssen dementsprechend
viele Sensoren verwendet werden, wie oben erwähnt zB. für den Spalt, die Beschleunigung
und den magnetischen Fluß, um Abweichungen des Magnetschwebefahrzeugs von den Sollwerten
möglichst rasch erkennen und ausregeln zu können Außerdem muß hier ein relativ großer
mittlerer Lugtspaltwert angenormen werden, um mit den verwendeten linearen Regelgesetzen
die Zustandsänderungen des Magnetschwebefahrzeuges noch innert halb des möglichen
Rahmens ausregeln zu können. Es verbleibt jedoch eine unbefriedigende Kontrolle
der kommandierten Magnetkraft und ein ungühstiges Signal-Rauschverhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelsystem für Magnetschwebefahrzeuge
so zu gestalten, daßs zeitliche Folgeverhalten verbessert und das Ziel einer direkten
Magnetkraftsteuerung möglichst erreicht wird.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist demnach ein zusätzlicher
innerer unterlagerter Regelkreis, über den eine der Magnetkraft zugeordnete Größe,
so z.B. der Magnetstrom oder der Magnetfluß, auf den Eingang des Stellgliedes zurückgeführt
ist. Voraussetzung für eine solche Regelung ist
weiterhin die Ausführung
des Stellgliedes als sogenannter schneller Magnetstromsteller, der in kurzen Zeitabständen
von etwa 10 ijsec einen Schaltbefehl ausführen kann. Derartige Magnetstromsteller
sind in letzter Zeit entwickelt worden und z.B. als Transistor-Chopper mit spezidlen
Entlastungsschaltungen ausgebildet.
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Durch den inneren Regelkreis wird in das Regel system eine Korrekturgröße
eingeführt, die eine Funktion der tatsächlich interessierenden Magnetkraft ist.
Durch die Rückführung dieser Korrekturgröße auf den Eingang des Magnetstellers wird
das System immer mit maximal möglicher Geschwindigkeit auf das von dem Regler kommandierte
Sollsignal entsprechend einer Soll-Magnetkraft zurückgeführt. Im praktischen Anwendungsfall
bedeutet dies, daß im Gegensatz zu bisher bekannten getakteten Stellgliedern bei
einer-Abweichung von dem Sollwert der schnell schaltende Magnetstromsteller solange
eingeschaltet bleibt, bis aufgrund der Rückführung im inneren Regelkreis angezeigt
wird, daß die gewünschte Magnetkraft erreicht ist. Das von dem Regler errechnete
Stellsignal, das als Sollwert für den schnellen Magnetstromsteller dient, wird durch
den inneren Regelkreis ohne die sonst vorhandenen Verzögerungen auf den gewünschten
Wert entsprechend der interessierenden Magnetkraft mit geringst möglicher Verzögerung
zurückgeführt. Die bei bekannten Regelsystemen vorhandene , durch das Zeitverhalten
der Magnete bedingte dritte Integration innerhalb der Regelstrecke kann damit bestiBlich
eliminiert werden. Hierdur.diwird das Folgeverhalten des Reglers bedeutend verbessert,
da mit dem Regelsystem gemäß der Erfindung nicht mehr die zeitliche Ableitung der
Magnetkraft bzw. des Magnetstroms , sondern im wesentlichen die tatsächliche Magnetkraft
bzw. der Magnetstrom oder Magnetfluß gesteuert wird.
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Durch eine Regelung gemäß der Erfindung kann auch die Anzahl
der
sonst notwendigen Meßfühler verringert werden. So kann z.B. auf die teuren und im
Betrieb auch unzuverlässigen Beschleunigungssensoren verzichtet werden. Trotz einer
solchen möglichen einfacheren Ausstattung des Regel systems kann aufgrund der schnellen
Regelung der mittlere einzuhaltende Luftspalt gegenüber bekannten Systemen verringert
werden. Dies kann noch dadurch verbessert werden , wenn anstelle eines sonst üblichen
linearen Reglers ein progressiver Regler verwendet wird, bei dem die Regelverstärkung
bei kleiner werdendem Luftspalt ansteigt; in diesem Bereich ergibt sich dann eine
härtere Führung des Magneten in bezug zu der Schiene, ohne daß Strukturanregungen
verursacht werden oder das Signal Rauschverhalten verschlechtert wird.
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Das Regel system gemäß der Erfindung kann quasi als eine Regelung
mit nachgeschalteter Magnetkraftsteuerung betrachtet werden.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel anhand
der Zeichnung näher erläutert ist. In der Zeichnung stellen dar Figur 1 ein Blockschaltbild
für ein Regelsystem zum Regeln des Luftspaltes zwischen einem Magnet und einer Schiene
bei einem Magnetschwebefahrzeug mit einem inneren Regelkreis gemäß der Erfindung;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen inneren Regelkreis gemäß der Erfindung
mit einem schnellen Magnetstromsteller mit Dreipunkt-Verhalten; Figur 3 eine schematische
Darstellung für einen Magnetstromsteller gemäß Figur 2.
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Ein Regelsystem 1 für ein Magnetschwebefahrzeug weist einen Regler
2 auf, in dem aus Meßsignalen von Sensoren 3 eine Regelgröße abgeleitet wird. Als
Regelgröße wird hier die Magnetkraft F eines Magneten 4 am Schwebefahrzeug angenommen.
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Die Sensoren 3 messen das Verhalten des gesamten zu regelnden Systems,
d.h. des Magnetschwebefahrzeugs mit dem Magneten 4, was hier schematisch durch den
Block 5 "Regelstrecke" dargestellt ist. Die Regelgröße des Reglers 2 wird einem
schnellen Magnetstromsteller 6 zugeführt, der in Abhängigkeit des Signals am Eingang
die Versorgungsspannung UB (siehe Figur 3) in entsprechender Dauer dem Magneten
4 auf schaltet.
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Der beschriebene Regelkreis ist von einem zweiten inneren Regelkreis
unterlagert. Dieser Regelkreis weist vom Ausgang des Magneten 4 eine Rückführung
auf, über die mit Hilfe eines Sensors 7 eine der tatsächlichen Magnetkraft Fist
proportionale Größe auf eine Differenzstufe 8 am Eingang des Magnetstromstellers
6 geleitet wird. An der Differenzstufe 8 liegt demnach das Ausgangssignal des Reglers,
das der Sollkraft Fsoll entspricht sowie das Ausgangssignal des Sensors 7 an, welches
der Ist-Kraft entspricht. Der Sensor 7 ist z.B.
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ein Sensor,mit dem der Magnetfluß am jeweiligen Magneten gemessen
wird. Bekanntlich kann der Magnetfluß der tatsächlichen Magnetkraft zugeordnet werden,
und zwar ist in der Regel das Quadrat des Flusses direkt proportional der Kraft.
Demgemäß ist es möglich als, Sensor 7 z.B. einen Magnetflußsensor zu verwenden und
dessen Ausgangssignal nach Quadrierung und eventueller Korrektur mittels Filtern
als Rückführungssiqnal für den inneren Regelkreis zu verwenden. Eine wesentlich
einfachere Methode besteht darin, anstelle des Magnetflusses den tatsächlichen Magnetstrom
zu messen. Zwar besteht hier keine lineare Beziehung zwischen Strom und Magnetkraft
über den gesamten Luftspalt Bereich, jedoch kann für den hier interessierenden Bereich,
der der Variation des Luftspalts beim Betrieb des Magnetsch»kwe fahrzeugs entspricht,
eine in der Regel ausreichend genaue Be-
ziehung zwischen Strom
und Magnetkraft angenommen werden Dementsprechend könnte als Sensor 7 ein einfaches
Strommeßgerät verwendet werden, dessen Ausgangssignal nach eventueller Korrektur
dann als Rtskfthrungssignal in dem inneren Regelkreis verwendet würde.
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Selbstverständlich kann dieser Sensor 7 auch als Sensor-verwendet
werden der eine Meßgröße an den Regler 2 liefert.
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Für den dargestellten Fall liefern die Sensoren 3 als Meßgrößen den
tatsächlichen Luftspalt S und den Magnetfluß # bzw den Magnetetrom 1. Möglich, jedoch
nicht unbedingt notwendig ist es, als Meßgröße auch noch die Beschleunigung des
Magneten einzugeben. In dem Regler werden aus diesen Meßgrößen bestimmte Funktionen
entwickelt, so z.B.
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einaFunktion des differenzierten Luftspalts S., wobei die einzelnen
Signale bzw. Signalfunktionen in herkömmlicher Weise über Filter geleitet werden,
um die Phasenlagen aneinander anzupassen. Der Regler bildet aus diesen Signalen
das Regelsignal Fsoll das ein Maß für die Sollwert-Magnetkraft ist. Ist die Differenz
zwischen diesem Soll signal Fsoll und dem tatsächlich gemessenen Kraftsignal F ist
Null, so bleibt der Magnetstromsteller 6 geschlossen, d.h. der Magnet 4 steht nicht
unter Spannung.
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Weicht das Differenzsignal am Eingang des Magnetstromstellers 6 in
positiver Richtung ab, so wird die Versorgungsspannung UB dem Magneten aufgeschaltet.
Dies erfolgt solange, bis über den inneren Regelkreis mit dem Sensor 7 an der Differenzstufe
8 festgestellt wird, daß die Differenz zwischen Soll-und Ist-Signal wieder Null
ist. Weicht die Differenz zwischen Soll- und Ist-Signal in negativer Richtung ab,
so wird an den Magneten die negative Versoryungsspannung UB angelegt, und zwar wiederum
solange, bis an der Differenzstufe 8 Gleichheit von Soll- und Ist-Signal festgestellt
wird.
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Das Abschalten des Magnetstromstellers erfolgt innerhalb weniger Mikrosekunden;
der Magnetstromsteller kann ebenfalls innerhalb weniger Mikrosekunden erneut eingeschaltet
werden.
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Der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Magnetstromsteller 6
ist ein Steller mit Zweipunkt-Verhalten. In Figur 2 ist eine Variation des inneren
Regelkreises dargestellt, bei dem ein Magnetstromsteller 6' mit Dreipunkt-Verhalten
verwendet wird. Die sonstige Anordnung des inneren Regelkreises entspricht dem in
Figur 1 dargestellten, so daß mit 4 wiederum der Magnet und mit 7 der Sensor in
der Rückführung zur Aufschaltung eines der tatsächlichen Magnetkraft First zugeordneten
Signales auf die Differenzstufe 8 bezeichnet sind.
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Der Magnetstromsteller 6' schaltet die Versorgungsspannung +UB dem
Magneten 4 auf, sobald das Differenzsignal am Eingang größer als ein Wert (+) ist
und schaltet die negative Versorgungsspannung -UB dem Magneten 4 auf, falls das
Differenzsignal kleiner als (- £ ) ist. Die Werte für (+ £) und (-£) werden so gewählt,
daß der zugehörige Magnetstrom etwas kleiner als 1 % des statischen Magnetstromes
ist. In dem Bereich zwischen (- ) und (+r) ) bleibt der Magnetstromsteller ausgeschaltet,
so daß auch der Magnet nicht mit Spannung versorgt wird.
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Ein schematisches Schaltbild für den Magnetstromsteller 6' ist in
Figur 3 dargestellt. In dem Magnetstromsteller sind zwei gesteuerte Halbleiterschalter
T1 und T2und zwei Dioden D1 und D2 vorgesehen. Die Schalter sind hier als einfache
Thyristoren dargestellt. Selbstverständlich soll diese einfache Darstellung nur
der Erläuterung der Funktionen dienen, nicht jedoch der tatsächlichen Schaltungsausführung
entsprechen. Die gemeinsamen Verbindungspunkte zwischen den Halbleitern sind
über
den Magneten 4 miteinander verbunden. Uberschreitet das Differenzsignal an der Differenzstufe
8 den Wert (), so werden die Schalter T1 und T2 geöffnet. In diesem Fall wird der
Magnet 4 über den Schalter T1 und den Schalter T2 mit der Versorgungsspannung UB
gespeist. Fällt das Differenzsignal zwischen den Signalen Fsoll und F ist wieder
unter den Wert (+ £) r so wird der Schalter T2 geschlossen, am Magneten liegt dann
keine Spannung, er arbeitet im sogenannten Freilauf.
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Fällt das Differenzsignal unter den negativen Wert (-)p so werden
die Schalter T1 und T2 geschlossen Der Magnet 4 wird jetzt mit negativer Spannung
versorgt.
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Die beschriebene Regelung für ein Magnetschwebefahrzeug ist aufgrund
der dem Regler nachgeordneten Kraftsteuerung bzw Kraftregelung vorteilhaft, da die
Abweichungen vom Soll-.
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Verhalten des Systems auf raschest möglichem Wege korrigiert werden.
Das Folgeverhalten des Systems kann hiermit wesentlich verbessert werden. Aus diesem
Grunde ist es auch möglich, den mittleren Soll-Luftspalt kleiner als bisher zu wählen.
Hierdurch werden die Gewichte der Magnete und auch die für die Erzeugung der Magnetkräfte
notwendigen elektrischen Leistungen verringert. Mit einer solchen Regelung ist auch
eine einfache Möglichkeit gegeben, das Anklatschen der Magnete an die Schiene zu
verhindern. Für diesen Fall ist in der Rückführung des inneren Regelkreises ein
Begrenzer 9 vorgesehen, der den Magnetstromsteller sperrt, sobald die über den Sensor
7 ermittelte tatsächliche Magnetkraft einen vorbestimmten Wert, z.B. den vierfachen
Nennwert der Magnetkraft überschreitet. Erreicht die Magnetkraft diesen vorgegebenen
Wert , hat demnach der Magnet gegenüber der Schiene
nur einen geringen
Abstand, so wird die Versorgung des Magneten unterbrochen, wodurch sich der Luftspalt
zwischen Magnet und Schiene wieder vergrößert. Fällt dann die Magnetkraft unter
den durch den Begrenzer 9 vorgegebenen Wert, so erfolgt die Regelung weiter, wie
oben beschrieben.
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Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die in dem Regler 2 entwickelten
Abstandssignale und das Differential des Abstands progressiv mit kleiner werdendem
Luftspalt b-zw.
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kleiner werdender Luftspaltgeschwindigkeit aufzuschalten, d.h.daß
der Regelernichtlinaararbeitet. Hierdurch wird im Bereich kleinerer Luftspalte eine
härtere Führung des Magneten an der Schiene erreicht, ohne daß beim Nenn-Luftspalt
Strukuranregungen verursacht werden. Zusätzlich wird eine schnellere Rückführung
des Magnetschwebefahrzeuges in den Nennzustand erreicht.