DE3201408C2

DE3201408C2 -

Info

Publication number: DE3201408C2
Application number: DE19823201408
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dr.-Ing. 8520 Erlangen De Troendle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-01-19
Filing date: 1982-01-19
Publication date: 1989-05-11
Also published as: DE3201408A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen Differentialprüfstand, bei dem eine Vordermaschine über ein Differentialgetriebe mit zwei Hintermaschinen mechanisch gekuppelt ist und eine der Differenzdrehzahl der Hintermaschinen entsprechende Zustandsgröße zur Bedämpfung des Regelsystems dient.

Mit Hilfe des Differentialgetriebeprüfstandes will man das Verhalten des Differentialgetriebes bei unterschiedlichen Drehzahlen und Belastungszuständen erfassen. Als eintreibende Vordermaschine verwendet man in der Regel einen Verbrennungs- oder Elektromotor, als Hinter maschine - anstelle der Antriebsräder - im Normalfall Elektromotoren.

Beim Differentialgetriebeprüfstand handelt es sich um ein elastisch verkoppeltes Dreimassensystem. Beim Auf brechen der Differentialsperre (Reibung) ändert sich die Struktur der Regelstrecke, da sich die abtreibenden Wellen dann frei gegeneinander bewegen können. Es ist bereits eine Einrichtung zur Entkopplung der Regelstrecke bekannt, bei der ein p-kanonisches Netzwerk genutzt wird (vgl. den Aufsatz Dynamikverbesserungen geregelter Mehrmaschinenprüfstände der Firma BBC, Druckschriften- Bestellnummer DIA 508 21D). Bei dieser bekannten Lösung fordert das Entkopplungsnetzwerk einen verhältnismäßig großen Aufwand hinsichtlich der Parametrierung, der gesteuerten Adaption und der Inbetriebsetzung, da sich beim Schalten Übersetzung, Drehfedern und Drehmassen ändern. Außerdem ist die Bekämpfung des Dreimassen schwingers durch Aufschalten der Differenzdrehzahl zwischen Vordermaschine und einer Hintermaschine bei einer Simulation der Kurvenfahrt hinderlich und beherrscht darüber hinaus keine hochfrequenten mechanischen Schwingungen.

Aus der DE-AS 25 35 610 ist eine Einrichtung zur Drehzahl- und Drehmomentregelung von Mehrmaschinen-Prüfständen beschrieben. Dort werden unter anderem aus den Drehzahlen der Maschinen durch geeignete Differenzbildung die jeweiligen Zustandsgrößen gebildet, die mit geeigneter Phasenlage auf die Stromregelkreise geschaltet werden. So wird z. B. eine Zusatzdämpfung des Regelsystems durch Bildung der Differenzdrehzahl der Hinter maschinen und Aufschaltung auf den Regelkreis der Vordermaschine erreicht. Damit wird jedoch nicht die Entkopplung der Regel systeme der einzelnen Antriebe erreicht, da mechanische Schwingungen der Hintermaschinen in die Regelung mit eingehen.

Es ist daher die Aufgabe des Anmeldungsgegenstandes, für eine Regeleinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art, voneinander entkoppelte Zustandsgrößen anzugeben, die zur Bedämpfung der Regelstrecke gut geeignet sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Die Verkopplungen des mechanischen Systems werden also aufgebrochen durch Einführen von Schwerpunkt- und Differenz drehzahl der Hintermaschinen, Differenzdrehzahl zwischen Vordermaschine und Schwerpunktdrehzahl der beiden Hintermaschinen und Schwerpunktdrehzahl des Gesamt systems. Da die vorgenannten Zustandsgrößen voneinander entkoppelt sind, können sie auch gut geregelt werden. Zu regeln sind also z. B. die Schwerpunktdrehzahlen des Gesamtsystems und die Differenzdrehzahl der Hinter maschinen.

Ebenso können anstelle der einzelnen Wellenmomente der abtreibenden Wellen das Summen- und das Differenzmoment dieser Wellen geregelt werden. Die Antriebsmomente werden gleichfalls aufgespalten in einen Teil, der die Schwerpunktdrehzahl und einen Teil, der die Differenz drehzahl der Hintermaschinen beeinflußt.

Der Dreimassenschwinger wird damit in zwei Einmassen schwinger und ein träge Masse aufgespalten, die völlig voneinander entkoppelt sind.

Hierdurch gegeben sich folgende Vorteile:
Vollständige Entkopplung aller Regelkreise.
Einfache analytische Formeln für die Regelparameter und damit einfache gesteuerte Adaption.
Durch Mit- und Gegenkoppeln der Aufschaltung von Differenz drehzahl und Wellenmoment können nieder- und hoch frequente mechanische Schwinger sehr gut bedämpft werden.
Die beim Aufbrechen der Differentialsperre auftretende Strukturänderung betrifft nur einen einzigen Regelkreis.
Es ist eine einfache Inbetriebsetzung nach dem Prinzip der Kaskadenregelung durch gezieltes Probieren möglich.
Es können ferner einfache Beziehungen zwischen der Stell dynamik, der Meßwertglättung und der damit gedämpfbaren mechanischen Eigenfrequenz angegeben werden.
Die im Innern des mechanischen Systems verborgenen Schwinger (höherfrequent) können durch individuelle Filter unter Kontrolle gehalten werden.
Bei Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotoren - also unterschiedlich schnellen Stellorganen - ist die Regelung noch voll brauchbar.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispiels, das die Struktur der Regeleinrichtung dar stellt, sei die Erfindung näher erläutert:
Es seien folgende Bezeichnungen und Beziehungen gewählt:

R _{H 1} = R _{H 2}
Trägheitsmoment der Hintermaschine
R _H _Σ = 2 R _{H 1} @	C _{FH 1} = C _{FH 2}	Federkonstanten
Ω _{H 1}, Ω _{H 2}	Drehzahlen der Hintermaschinen
Ω _H _Δ = Ω _{H 1} - Ω _{*H 2}	Differenzdrehzahl
Ω _H _Σ = 0,5 · (Ω _{H 1} + Ω _{*H 2})	Schwerpunktdrehzahl der Hintermaschinen
Ω _vH _Δ = Ω _v - Ω _H _Σ	Ω _v = Drehzahl der Vordermaschine
Ω _* _Σ = (R _v · Ω _v + R _H _Σ Ω _*H _Σ)/(R _v + R _H _Σ) (1)	Schwerpunktsdrehzahl des Gesamtsystems
M _{FH 1}, M _{FH 2}	Drehmomente der Hintermaschinen
M* _FH _Δ = M _{FH 1} - M _{FH 2}	Differenzdrehmoment der Hintermaschinen
M _FH _Σ = M _{FH 1} + M _{*FH 2}	Summendrehmoment der Hintermaschinen

Das mechanische Gesamtsystem besteht aus einer Vorder maschine 1, die über ein Differentialgetriebe 4 mit zwei Hintermaschinen 2 und 3 mechanisch gekoppelt ist. Die rotierende Masse der Vordermaschine ist dabei mit 11 und ihre eintreibende Welle mit 12 bezeichnet, die Massen der Hintermaschinen mit 21 und 31 und ihre zugehörigen Wellen mit 22 und 32. Die Masse des Differen tialgetriebes 4 soll dabei auf diese einzelnen vorge nannten Massen mit aufgeteilt sein.

Wie ersichtlich, liegt also ein Dreimassenschwinger vor, und zwar die Vordermaschine 1 mit dem Massenträgheits moment R _v, der Drehzahl Ω _v und dem in der Welle 12 herrschenden Drehmoment M _FV, die Hintermaschine 2 mit dem Massenträgheitsmoment R _{H 1}, der Drehzahl Ω _{*H 1} und dem Drehmoment M _{*FH 1} und die Hintermaschine 3 mit der Massenträgheit R _{H 2}, der Drehzahl Ω _{*H 2} und dem Drehmoment M _{*FH 2}. Den drei Maschinen 1, 2 und 3, die der Einfach heit halber als Elektromaschinen angenommen sind, sind jeweils Stromregelkreise 14, 24 und 34 zugeordnet, mit denen sie entsprechend ausgesteuert werden können. Durch die Regeleinrichtung werden die Sollwerte für diesen einzelnen Stromregelkreise vorgegeben. Um das Regelschema zu vereinfachen, ist dabei angenommen, daß die Massenträgheiten der Hintermaschine und die Feder konstanten gleich sind, also R _{H 1}=R _{H 2} und C _{FH 1}=C _{FH 2}.

Zunächst sei der Regelkreis 5 für die Regelung der Differenz drehzahl Ω _*H _Δ der Hintermaschinen 2 und 3 beschrieben. Es werden hierzu der Sollwert der Differenzdrehzahl Ω _*WH _Δ und die tatsächliche Differenzdrehzahl Ω _*H _Δ in einem Punkt 53 miteinander verglichen und die Abweichungen über ein Integrierglied 51 - und ein Filter 54 - zur Bedämpfung von mechanischen Schwingungen - gegen sinnig auf die Eingänge 25 bzw. 35 der Regler 24 und 34 aufgeschaltet. Zusätzlich wird noch ein der Differenz drehzahl Ω _*H _Δ proportionaler Wert über ein Proportio nalglied 52 aufgeschaltet. Auf diese Weise kann die Differenzdrehzahl Ω _*H _Δ auf einem vorbestimmten Wert Ω _*WH _Δ gehalten werden.

Der Regelkreis 6 zur Regelung der Schwerpunktdrehzahl Ω _* _Σ umfaßt eine nicht gezeigte Einrichtung zur Bildung der Schwerpunktdrehzahl Ω _* _Σ gemäß der Formel (1), die in einem Vergleichspunkt 61 mit einem Sollwert Ω _W* _Σ ver glichen wird. Der Sollwert kann dabei über eine Soll wertglättung 65 geführt sein. Die Differenz wird über ein Proportionalintegrierglied 64, ein Filter 62 sowie weitere zur Wichtung dienende Proportionalverstärker 63 gleichsinnig auf die Eingänge 15, 25 bzw. 35 der Strom regelkreise 14, 24 bzw. 34 aufgeschaltet.

Zusätzlich wird noch in einem Regelkreis 7 die Differenzdrehzahl Ω _*vH _Δ zwischen Schwerpunktdrehzahl Ω _H _Σ der Hintermaschinen 2, 3 und Drehzahl Ω _v der Vordermaschine 1 gebildet und über ein Proportionalglied 71 und ein Filter 73 ebenfalls auf den Eingang 15 entgegengesetzt der Wirkung der Schwer punktdrehzahl geschaltet. Gleichzeitig wird dieser Wert auch noch in Proportionalverstärkern 23 und 33 halbiert und auf die Stromregelkreise 24 und 34 aufgeschaltet.

Zur Momentenregelung wird der Sollwert des Differenz momentes M _W*FH _Δ der Hintermaschinen 2, 3 mit dem Istwert des Differenzdrehmomentes der Hintermaschinen 2, 3 in einem Punkt 91 verglichen und über ein Integrierglied 92 und das Filter 54 auf die Stromregelkreise 24, 34 aufgeschaltet. Zusätzlich kommen noch über die Propor tionalglieder 52 und 93 dem Differenzdrehmoment M _*FH _Δ und die Differenzdrehzahl Ω _H _Δ proportionale Werte hinzu. Durch den Drehmomentregelkreis 9 wird das Differenz drehmoment M _FH _Δ geregelt.

Zur Regelung des Summendrehmoments M _*FH _Σ der beiden Hintermaschinen werden der Sollwert M _W*FH _Σ und der Istwert M _FH _Σ in einem Punkt 83 miteinander verglichen und über ein Integrierglied 82 auf den Punkt 72 aufgeschaltet, an dem auch die Differenzdrehzahl Ω _*vH _Δ liegt. Zusätz lich wird diesem Punkt 83 über ein Proportionalglied 81 ein dem Summenmomet M _FH _Σ proportionaler Wert zugeführt. Durch diesen Drehmomentregelkreis 8, der in die Schwer punktdrehzahl nicht eingreift, ist das Summenmoment der beiden Hintermaschinen 2, 3 regelbar. Anstelle des Summenmomentes der beiden Hintermaschinen kann auch Soll- und Istwert der Drehmomente (M _WFv, M_Fv) der Vorder maschine oder Soll- und Istwert M _{FH 1} bzw. M _{FH 2} einer der Hintermaschinen miteinander verglichen werden.

Bei Regelung von M _{FH 1} bzw. M _{FH 2} muß die geänderte Streckenverstärkung durch den Faktor 2 berücksichtigt werden.

Claims

1. Regeleinrichtung für einen Differentialprüfstand, bei dem eine Vordermaschine über ein Differentialgetriebe mit zwei Hintermaschinen mechanisch gekuppelt ist und eine der Differenz drehzahl der Hintermaschinen entsprechende Zustandgröße zur Bedämpfung des Regelsystems dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Solldifferenzdrehzahl (Ω _W*H _Δ) zur Istdifferenzdrehzahl (Ω _*H _Δ) der Hinter maschinen (2, 3) allein den Regelkreisen (24, 34) der Hintermaschinen (2, 3) aufgeschaltet ist und daß zusätzlich die Differenzdrehzahl (Ω _*vH _Δ) zwischen der Drehzahl (Ω _v) der Vordermaschine (1) und der Schwerpunktdrehzahl (Ω _*H _Σ) der Hintermaschinen (2, 3) auf die Regelkreise (14, 24, 34) der Vorder- und Hintermaschinen aufge schaltet ist, wobei die Schwerpunktdrehzahl (Ω _*H _Σ) als Quotient des Gesamtdrehimpulses der Hintermaschinen zu deren Trägheitsmoment definiert ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Bedämpfung die Zustandsgrößen

a) Differenzmoment (M _FH _Δ) der Hintermaschinen (2, 3) und/oder
b) Summenmoment (M _FH _Σ) der Hintermaschinen (2, 3) und/oder
c) das Moment (M _FV) zwischen Vorder- und Hintermaschinen auf die Regelkreise (14, 24, 34) aufgeschaltet sind.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsgrößen - mit Ausnahme der Differenzdrehzahl zwischen Vordermaschine (1) und Schwerpunktdrehzahl (Ω _H _Σ) der Hintermaschinen (2, 3) - und die Schwerpunktdrehzahl (Ω _* _Σ) des Gesamtsystems entsprechend vorgegebenen Sollwerten geregelt sind, wobei die Schwerpunkt drehzahl (Ω _* _Σ) des Gesamtsystems als Quotient des Gesamt drehimpulses zum Trägheitsmoment des Gesamtsystems definiert ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

a) eine gegensinnige Ansteuerung der Hintermaschinen (2, 3) bei der Regelung der Differenzdrehzahl (Ω _H _Δ) bzw. des Differenzmomentes (M _FH _Δ) der Hintermaschinen (2, 3),
b) eine gegensinnige Ansteuerung der Vorder- und der beiden Hintermaschinen (1, 2, 3) zur Bedämpfung der Differenz drehzahl zwischen Drehzahl der Vordermaschine (1) und Schwerpunktdrehzahl der Hintermaschinen (2, 3) und zur Regelung der Wellenmomente (M _FV, M_FH _Σ, M _{FH 1,2}),
c) und eine entsprechend den Trägheitsmomenten gewichtete, gleichsinnige Ansteuerung aller Maschinen (1, 2, 3) zur Regelung der Schwerpunktdrehzahl (Ω _* _Σ) des Regelsystems.