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Einrichtung zur Geschwindigkeitsregelung für ein
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elektromagnetisch abgestütztes Fahrzeug Die vorliegende Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsregelung für ein elektromotorisch
angetriebes und elektromagnetisch abgestütztes Fahrzeug, beispielsweise einer Magnetschwebebahn,
und stellt sich die Aufgabe, einen vorgegebenen Geschwindigkeitssollwert überschwingungsfrei
unter Einhaltung bzw. Ausnutzung vorgegebener Ruck- und Beschleunigungsbegrenzungen
anzufahren, die dann erreichte Geschwindigkeit stationär mit großer Genauigkeit
einzuhalten und bei einem beabsichtigten Halt des Fahrzeugs, beispielsweise im Bahnhofsbereich,
sicherzustellen, daß das Fahrzeug trotz fehlender Reibung im Stillstand verharrt.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale. Mit der Erfindung kann unter Beachtung
der Fahrkomfortbedingungen die gewünschte Fahrgeschwindigkeit optimal schnell erreicht
werden.
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Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in Unteransprüchen
gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand der Figuren näher erläutert werden.
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Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
bei dem die Geschwindigkeit v eines elektromotorisch angetriebenen und elektromagnetisch,
d.h. reibungslos abgestützten Fahrzeugs, z.B.
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einer Magnetschwebebahn, auf vorgebbare Werte unter
Ausnutzung
vorgebbarer Grenzwerte für Ruck und Beschleunigung geregelt werden soll. Der Antrieb
dieses Fahrzeugs ist in Figur 1 mit A bezeichnet und symbolisch durch ein Regelkreisglied
mit Integral-Verhalten dargestellt, dessen Zeitkonstante TA von der Masse dieses
Antriebs abhängt. Auf den Antrieb A wirkt eine mit FL bezeichnete Lastkraft als
Störgröße. Der Ankerstrom i des Antriebs A wird mittels eines Stromregelkreises
IR geregelt, welcher vereinfacht als Verzögerungsglied mit der Zeitkonstanten Ti
dargestellt ist und seinen Sollwert i* über eine Begrenzerschaltung 4 vom Ausgang
eines Geschwindigkeitsreglers 2 erhält. Der Sollwert des Geschwindigkeitsreglers
besteht im Ausgangssignal v* eines Hochlaufgebers 1, welcher mit dem gewünschten
Sollwert vw* eingangsseitig beaufschlagt ist. Der Sollwert v* wird im Eingangskreis
des Geschwindigkeitsreglers 2 mit dem Geschwindigkeitsistwert v des Antriebs A verglichen.
Eine der Lastkraft FL entsprechende Größe FL wird mittels eines mit 3 bezeichneten
Störgrößenbeobachters aus dem Stromistwert i und dem Geschwindigkeitsistwert v ermittelt
und dem Ausgang des Geschwindigkeitsreglers 2 aufgesch1tet. Bei einer solchen StörgrößenaufschBltung
kann der Geschwindigkeitsregler 2 proportionales Verhalten aufweisen, ohne daß stationär
eine bleibende Regelabweichung auftritt.
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Der Hochlaufgeber hat die Aufgabe, seine Ausgangsgröße - - den Sollwert
der Geschwindigkeit - an seine Eingangsgröße vw*, welche dem gewünschten Sollwert
der Geschwindigkeit v entspricht, so anzugleichen, daß dabei ihre erste zeitliche
Ableitung, gewissermaßen der Sollwert der Beschleunigung, und ihre zweite zeitliche
Ableitung, gewissermaßen der Sollwert des Rucks bestimmte vorgebbare Werte einhalten,
welche für den Ruck in den Größen R+ für den Ruck im Treibbereich bzw. für den (negativen)
Ruck im Bremsbereich bestehen und für die Beschleunigung entsprechend
in
den Größen B+ und B-, wobei allerdings in weiterer Ausgestaltung der Erfindung hiervon
jeweils der Wert der von dem Störgrößenbeobachter 3 ermittelten Lastkraft FL abgesetzt
wird. Da die Werte B+ und B- auch die Grenzwerte der Begrenzerschaltung 4 darstellen,
wird somit verhindert, daß vom Hochlaufgeber dem Antrieb ein Sollwert vorgeschrieben
wird, der nicht realisierbar ist. Die Ausgangsgröße v* des Hochlaufgebers kann somit
immer in Fühlung mit dem Geschwindigkeitsistwert bleiben und ein überschwingungsfreies
Anfahren eines vorgegebenen Geschwindigkeitssollwertes ist sichergestellt.
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Für die Ausgangsgröße v* des Hochlaufgebers ergibt sich beispielsweise
bei einem sich von Null sprungartig auf einen positiven Wert ändernden Eingangssignal
vw* die in seinem Blockschaltbild dargestellte Zeitfunktion, wobei die maximale
Steigung dieser Funktion durch den Wert (B+ - Afp, die Krümmung durch die Werte
R und R-und ihr Endwert durch die Eingangsgröße vw* bestimmt ist.
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Sollte beispielsweise bei zu großer Belastungsänderung des Antriebs
der Stromsollwert i* an die Grenzen B+ bzw.
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B- ' des Begrenzungsgliedes 4 stoßen, so wäre ebenfalls ein Uberschwingen
beim Anfahren der Endgeschwindigkeit zu befürchten. In weiterer Ausgestaltung der
Erfindung wird deshalb ein Nachführregler NR in Aktion gesetzt, der für den Fall,
daß sein in der Eingangsgröße des Begrenzungsgliedes 4 bestehender Istwert größer
ist als sein in der Ausgangsgröße des Begrenzungsgliedes 4 bestehender Sollwert.
die Ausgangsgröße v* des Hochlaufgebers solange reduziert, bis die Eingangsgröße
des Begrenzungsgliedes 4 in Übereinstimmung mit seiner Ausgangsgröße i* gebracht
worden ist. Der Nachführregler sollte zweckmäßigerweise ein integrales Verhalten
aufweisen, falls der Nachführregelkreis
keine Glieder mit derartigem
Verhalten aufweist.
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Um den Stillstand beim Schweben des Fahrzeugs trotz fehlender Reibung
zu sichern, wird bei kleinen Geschwindigkeiten, etwa bei 1 - 4 % der Nenngeschwindigkeit,
eine hochgenaue digitale Wegregelung verlagert und dann als Stillstandsbremse benutzt.
Dieser digitale Wegregelkreis besteht aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6, welcher
über ein Glättungsglied mit der Zeitkonstanten T1 beaufschlagt wird und ein der
Größe v* frequenzproportionales Impulssignal an einen Differenzzähler 7 gibt. Dem
anderen Eingang des Differenzzählers 7 ist der Geschwindigkeitsistwert v*, digitalisiert
als entsprechend frequenzproportionale Impulsreihe Vdtg zugeführt. Der Differenzzähler
7 zählt die Differenz seiner Eingangsimpulse, sein Zählerstand wird damit proportional
einer Wegabweichung. In einem Digital/Analog-Wandler 8 wird ein dem Stand des Differenzzählers
7 proportionales Analogsignal gebildet und über den Wegregler 5 dem Eingang des
Geschwindigkeitsreglers 2 im positiven Sinne aufgeschaltet. Freigegeben wird dieser
Wegregelkreis zweckmäßigerweise schon bei kleinen Geschwindigkeiten, beispielsweise
zwischen 1 - 4 X der Nenngeschwindigkeit, mit einem entsprechend auf den Differenzzähler
wirkenden L-Signal am Ausgang eines UND-Gatters 15. Hierzu wird das UND-Gatter 15
eingangsseitig über einen Betragsbildner 16 und ein Schwellwertglied 17 mit der
Ansprechschwelle S1 vom Geschwindigkeitsistwert v beaufschlagt sowie von einem an
der Klemme 14 anliegenden Signal, welches ein L-Signal aufweist, wenn als Geschwindigkeitssollwert
tw* der Wert Null vorgegeben wird.
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Die Stillstandsbremse tritt in Aktion, d.h. der Wegregler 5 wirkt
nun allein auf den Sollwerteingang des Geschwindigkeitsreglers, wenn die Ausgangsgröße
v*, das ihrer zeitlichen Ableitung entsprechende Signal b* des Hochlaufgebers 1
und
der vorgegebene Sollwert vw* gleichzeitig den Wert Null aufweisen,
was von einem UND-Gatter 9 ausgewertet wird, welches eingangsseitig von den genannten
Führungsgrößen des Hochlaufgebers 1 jeweils über Betragsbildner 10 bzw. 11 und nachgeschaltete
Schwellwertglieder mit der Ansprechschwelle Null beaufschlagt ist und dem weiterhin
das Signal der Klemme 14 zugeführt ist. Mit dem L-Signal des UND-Gatters 9 wird
der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6 gesperrt, so daß an dem mit + bezeichneten Eingang
des Differenzzählers 7 als Frequenz-Sollwert nunmehr exakt der Wert Null erscheint.
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Damit ist der Wegregelkreis aktiviert und hält die Lage des Fahrzeugs
fest.
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Der Stbrgrößenbeobachter 3 zur modellmäßigen Ermittlung der Lastkraft
FL enthält in an sich bekannter Weise einen den Antrieb A modellmäßig nachbildenden
Integrator mit der Zeitkonstanten T3, welche der Zeitkonstanten TA entspricht. Er
wird von derselben Eingangsgröße beaufschlagt wie der Antrieb A und seine Ausgangsgröße
f - die nachgebildete Geschwindigkeit v - wird mit der tatsächlichen Geschwindigkeit
v in einem Mischglied 18 verglichen. Die Differenz- bzw. Fehlergröße e zwischen
tatsächlicher und nachgebildeter Istgeschwindigkeit wird proportional über ein Proportionalglied
19 und integral über einen Integrator 21 mit der Zeitkonstanten T6 rückgekoppelt,
dem noch ein Proportionalglied 20 vorgeordnet sein kann. Es entsteht am Ausgang
des Integrators 21 eine Größe -FL, welche über eine Umkehrstufe 22 dem Ausgang des
Geschwindigkeitsreglers 2 zur Lastkompensation aufgeschaltet ist und im Hochlaufgeber
1 zur Bildung der maximal zu realisierenden Beschleunigungswerte verwendet wird.
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Im Bereich kleiner Geschwindigkeiten und vor allem bei einem Halt,
welcher bei einem magnetisch abgestützten Fahrzeug einer Magnetschwebebahn im Bahnhofsbereich
mit
einem Absenken verbunden ist, kann ein ordnungsgemäßes Arbeiten
des Störgrößenbeobachters 3 nicht sichergestellt werden, wenn seine Integralglieder
in analoger Technik ausgeführt sind. Besonders für die Ausgangsgröße des Integrators
21, welcher ja die Lastkraft FL nachzubilden hat, wäre es wichtig, bei einem Neustart
exakt denselben Wert auszugeben, welcher vor dem Halt ermittelt wurde. Daher wird
laufend die Ausgangsgröße des Integrators 21 mittels eines Analog/Digital-Wandlers
erfaßt und digital abgespeichert. Die Ausgangsgroße des Analog/Digital-Wandlers
23 wird einem Mischglied 24 über einen Digital/Analog-Wandler 25 zugeführt. Den
anderen Eingang des Mischgliedes 24 beaufschlagt subtraktiv die Ausgangsgröße FL
des Störgrößenbeobachters 3 direkt. Es ist weiterhin ein Schaltglied 26 vorgesehen,
Uberwelches der Ausgang des Mischgliedes über ein Zeitkonstantenglied 27 mit der
Zeitkonstanten T7 dem Eingang des die Lastkraft -FL nachbildenden Integrators 21
zuführbar ist. Der eine Eingang eines UND-Gatters 30 wird über einen Betragsbildner
28 und ein Schwellwertglied 29 mit der Ansprechschwelle S2 vom Geschwindigkeitsistwert
v beaufschlagt. Wenn zu einem Zeitpunkt im unteren Geschwindigkeitsbereich der Betrag
der Geschwindigkeit eine bestimmte Schwelle S1, welche beispielsweise auch etwa
zwischen 1 und 4 96 der Nenngeschwindigkeit gewählt werden kann, unterschreitet
und gleichzeitig der gewünschte Sollwert vw* Null ist, d.h. das Signal an der Klemme
14 ein L-Signal wird, dann erscheint am Ausang eines UND;Gatters 30 ebenfalls ein
L-Signal, welches den Analog/Digital-Wandler 23 sperrt, d.h. seinen bis dahin erreichten
Zustand gewissermaßen "einfriert" und die Umschaltvorrichtung 26 in diejenige Stellung
bringt, in dem der Ausgang des Mischgliedes 24 mit dem Eingang des Zeitkonstantengliedes
27 verbunden ist. Wie aus der Figur 1 ersichtlich, wird damit ein Nachführregelkreis
geschlossen, welcher den Ausgang
des Integrators 21 stets demjenigen
Wert nachführt, den er zum Zeitpunkt des Auftretens eines L-Signals am Ausgang des
UND-Gatters 28 hatte. Damit wird sichergestellt, daß nach einem erneuten Start bzw.
nach Absenken des Fahrzeugs mit genau derselben Lastkraftgröße FL weitergearbeitet
wird, welche zuvor vom Störgrößenbeobachter 3 ermittelt worden ist.
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Figur 2 zeigt Details zum inneren Aufbau des Hochlaufgebers 1. Die
als Sollwert für den Geschwindigkeitsregler 2 bestimmte Ausgangsgröße v* wird am
Ausgang eines Integrators 31 abgenommen. Der Eingang des Integrators 31 stellt das
zeitliche Integral des Geschwindigkeitssollwertes v* dar und kann als Beschleunigungssollwert
b* betrachtet werden. Er wird einerseits dem Betragsbildner 10 zur Sperrung des
Spannungs-Frequenz-Umsetzers 6 zugeführt und andererseits über ein elektronisches
Zweipunktschaltglied 32 auf den Eingang eines zweiten Integrators 33 gegengekoppelt,
welcher dem Integrator 31 vorgeordnet ist. Am Eingang des Integrators 33 entsteht
somit die zeitliche Ableitung des Beschleunigungssollwertes b*, d.h. also der dem
Antrieb vorgeschriebene Ruck-Sollwert. Auf den Eingang des Integrators 33 wirkt
zusätzlich die Ausgangsgröße NF des Nachführreglers NR, welche jedoch nur dann ein
von Null verschiedenes Signal aufweist, wenn der Antrieb infolge extremer Belastung
an seine vorgebbaren Grenzen stößt.
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Sonst wird der Eingang des Integrators 33 je nach Vorzeichen der Eingangsgröße
des Zweipunktschaltgliedes 32 mit der Größe R+ bzw. R- beaufschlagt und damit die
maximalen Werte des Ruck-Sollwerts R* vorgegeben, mit denen dann letztlich die Sollwerte
für die Beschleunigung b* und für die Geschwindigkeit v* des Antriebs realisiert
werden. Das Zweipunktschaltglied 32 wird weiterhin über ein Mischglied 34 vom Ausgangssignal
eines Begrenzungsgliedes 35 beaufschlagt, dessen obere Grenze durch die
Differenz
einer konstant vorgebbaren Größe B+ und der vom Störgrößenbeobachter 3 ermittelten
Lastkraft FL bestimmt ist und dessen untere Grenze durch die Differenz zwischen
einer ebenfalls konstant vorgebbaren Größe B- und diesem Wert FL bestimmt ist. Dem
Begrenzungsglied 34 ist ein Funktionsgenerator 36 mit der in seinem Blockschaltbild
angegebenen invers parabelförmigen Kennlinie vorgeordnet, welcher eingangsseitig
von der in einem Proportionalglied 37 verstärkten Differenz zwischen dem gewünschten
Sollwert vw* und der Ausgangsgröße v* des Integrators 30 beaufschlagt ist.
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2 Figuren 5 Patentansprüche
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