DE3929497A1

DE3929497A1 - Verfahren und anordnung zur selbstadaptierenden regelung der radsatzdrehzahl elektrischer triebfahrzeuge im kraftschlussmaximum

Info

Publication number: DE3929497A1
Application number: DE19893929497
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Ing Schwartz
Original assignee: AEG Westinghouse Transport Systeme GmbH; AEG Westinghouse Transportation Systems Inc
Current assignee: SCHWARTZ, HANS-JUERGEN, DIPL.-ING., 64293 DARMSTAD
Priority date: 1989-09-01
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1991-03-14
Also published as: DE3929497C2

Description

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zur selbstadaptie renden Regelung der Radsatzdrehzahl elektrischer Triebfahrzeuge im Kraft schlußmaximum des Rad-Schienenkontaktes der Räder, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

Die Zugkraftübertragung zwischen Rad und Schiene ist bekanntermaßen durch die in Fig. 1 dargestellte Kennlinie des Kraftschlußbeiwertes f_x als Funk tion der Relativgeschwindigkeit v_diff zwischen Rad und Schiene beschreib bar. Die resultierende Zugkraft F_Z ist proportional zur Gewichtskraft Q im Radaufstandspunkt. Es gilt die Formel

F_Z = Q · f_x (v_diff).

Die Abszisse ist unterteilbar in einen stabilen Bereich guter Kraftüber tragung und einen instabilen Bereich, in dem die übertragbare Zugkraft nach einem Maximum mit zunehmender Differenzgeschwindigkeit v_diff abfällt. Ziel jeder Radschlupfregelung ist es, die Differenzgeschwindigkeit v_diff so zu regeln, daß der Treibradsatz möglich nahe am Kraftschlußmaximum X arbeitet.

Um hohe Zugkräfte ausüben zu können, ist man somit bestrebt, das Reibungs gewicht bis nahe an die Schleudergrenze der Treibradsätze auszunuten. Da die Reibungsverhältnisse zwischen Rad und Schiene sehr unterschiedlich sein können, treten ab und zu Schleudervorgänge auf. Dies ist unerwünscht, da die Schleudervorgänge nicht nur mit einem Zugkraftabfall verbunden sind, sondern auch erheblichen Verschleiß und hohe Materialbeanspruchungen be deuten. Auftretende Schleudervorgänge sind deshalb möglichst schnell zu erfassen und durch Verkleinerung des Antriebs- bzw. Bremsdrehmomentes zu beenden. Besser noch, sie werden bereits im Entstehen unterdrückt. Hier setzt die Erfindung an.

Da die Radsatzdrehzahlen nur dann der realen Fahrzeuggeschwindigkeit pro portional sind, wenn kein Schleudern (beim Bremsen Gleiten) auftritt, muß mit der Schleudererfassung auch die reale Fahrzeuggeschwindigkeit erfaßt werden, was dann ein weiteres Problem darstellt, wenn - sie bei modernen Triebfahrzeugen - keine Laufradsätze mehr vorhanden sind.

Durch die DE-AS 27 07 047 oder DE-PS 30 11 541 sind bereits Anordnungen zur Erfassung des Schleuderns oder Gleitens der Radsätze von laufachsenlosen Schienentriebfahrzeugen bekanntgeworden, bei denen eine Beschleunigungs werte integrierende Einrichtung als sogenannte Pseudolaufachse Verwendung findet, deren Ausgang mit Referenzdrehzahlen bzw. -spannungen verglichen und die Differenz zur Reduzierung der Antriebs- bzw. Bremskräfte an den betreffenden Radsätzen ausgewertet wird. Die bekannten Anordnungen weisen keine echte Drehzahlregelung auf, was die Genauigkeit beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Drehzahl der Radsätze noch sicherer und besser zu regeln, so daß die maximal mögliche Zugkraft auf die Schienen übertragen werden kann, ohne daß eine Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund erforderlich wird. Die Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des An spruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Verfahrensausbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 7 und zweckmäßige Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens den weiteren Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand der Zeichnungsfiguren wird die Erfindung im nachstehenden näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Kraftschlußkennlinie (wurde schon erläutert)

Fig. 2 eine Blockschaltbild der Radschlupfregelung für einen Treibradsatz

Fig. 3a bis 3c Signalverläufe zur Funktionsweise der Suchlogik bei einer Anfahrt aus dem Stillstand

Fig. 4a und 4b gespreizten Signalverläufe im Ausschnitt aus den Fig. 3a und 3b bei Beschleunigungsfahrt

Fig. 4c Verlauf der Differenzgeschwindigkeit.

Zu Fig. 2

Vom Triebfahrzeugführer wird eine Zugkraft F vorgegeben. Die Eingabegröße für die Regelung ist eine Zugkraft F_soll. Ein Steilheitsbegrenzer 1 ver hindert einen zu schnellen Anstieg und damit einen unzulässigen Ruck bei der Anfahrt. Bei bekannter Zugmasse m kann eine gewünschte Beschleunigung b₁ nach der Newton′schen Kraftgleichung berechnet werden:

Dazu wird die Zugmasse mit einer Lastadaptierungsstufe 2 ermittelt und der Reziprokwert neben F_soll einer Multiplikationsstufe 3 zugeführt. Die ermittelte Beschleunigung b₁ wird jedoch nur dann als Sollbeschleunigung b_soll weitergeleitet, wenn das binäre Ausgangssignal einer Suchlogik 4 den Zustand 1 einnimmt. Andernfalls wird b_soll auf den Wert b_o gesetzt.

Mit Hilfe eines Integrators 5 wird aus dem Beschleunigungssollwert b_soll der Geschwindigkeitssollwert v_soll für den Radsatz bestimmt. Mit dem Treib raddurchmesser D und der Getriebeübersetzung ü kann die Geschwindigkeit über einen Multiplikator 6 in eine entsprechende Drehzahl n_soll umge rechnet werden. Der Drehzahlistwert n_ist wird mit einem hochauflösenden Geber am Motor gemessen. Die Differenz zwischen Drehzahlsoll- und -ist wert wirkt auf einen Drehzahlregler 7, der wahlweise als P-Regler oder als PI-Regler ausgeführt werden kann. Der Ausgang des Drehzahlreglers 7 gibt einen Drehmomentsollwert M_soll aus, der von einem schnellen, an sonsten beliebig gestalteten Motorregelungs-/Motorblock 8 (Leistungselek tronik + Motor + Drehmomentregelung) in einen Drehmomentistwert M_ist an der Motorwelle umgesetzt und über einen Kraftübertragungsblock 9 (Mechanik und Rad/Schiene-Kontakt) auf die Schiene übertragen wird. Die Umsetzung des Drehmomentsollwertes in einen Istwert (Luftspaltmoment) sollte schnell sein und ist durch Wahl des Drehmomentreglers bestimmbar.

Der Drehmomentsollwert M_soll ist bis auf eien kleinen dynamischen Anteil, der zum Beschleunigen der rotierenden Massen dient, ein Maß für die auf die Schiene übertragene Zugkraft und kann für eine sichere Schleuderer kennung genutzt werden. Dies ist dadurch begründet, daß der durch Inte gration gewonnene Drehzahlsollwert n_soll in jedem Fall stetig ist und daß der Eingang des Integrators 5 auf Grund des Verfahrens immer im Be reich realistischer Zugbeschleunigungen bleibt, wodurch auch die Änderungs geschwindigkeit des Drehzahlsollwertes n_soll begrenzt ist. Langsame Soll wertänderungen werden bei hinreichend großer Dynamik des Drehzahlregel kreises praktisch unverzögert ausgeregelt, das bedeutet, daß ein solcher Drehzahlregelkreis immer in einem eingeschwungenen Zustand arbeitet. Je höher seine Dynamik ist, desto besser werden Störgrößen - in erster Linie wechselnder Schienenzustand - ausgeregelt. Somit gibt der Ausgang M_soll des Drehzahlreglers immer genau das Drehmoment vor, das beim aktuellen Schlupf gerade noch auf die Schiene übertragen werden kann. Es stellt sich niemals ein Drehmomentüberschuß ein, der den Treibradsatz schneller als erwünschst beschleunigen würde. Überschreitet der Radsatz durch zu nehmenden Schlupf das Kraftschlußmaximum, so reduziert der Drehzahlregler 7 das Drehmoment selbsttätig auf den Wert, der bei der aktuellen Diffe renzgeschwindigkeit v_diff gerade noch auf die Schienen übertragen werden kann.

Das Schleudern des Treibradsatzes wird durch den Drehzahlregelkreis voll ständig verhindert. Jeder Arbeitspunkt auf der Kraftschlußkennlinie - auch jenseits des Kraftschlußmaximums - kann stabil gefahren werden. Zum Auffinden des Kraftschlußmaximums X (Fig. 1) wird der Drehmomentsollwert M_soll mit Hilfe eines Maximalwertspeichers 10 und einer Suchlogik 4 ausgewertet. Hiermit wird erkannt, ob der Radsatz im Augenblick unterhalb oder ober halb der optimalen Differenzgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene ar beitet, d. h., ob der Radsatz sich im stabilen oder instabilen Bereich der Kraftschlußkennlinien (Fig. 1) befindet. In Abhängigkeit dieser beiden möglichen Zustände wird der Sollbeschleunigung b_soll ein Wert b₀ oder b₁ zugeordnet.

Die Suchlogik 4 beruht auf der Voraussetzung, daß der Treibradsatz auf Grund der hochdynamischen Drehzahlregelung in jedem Punkt der Kraftschluß kennlinie stabil betrieben werden kann. Dies bedeutet, daß Drehmomentsoll wert und- istwert immer annähernd gleich sind.

Ausgehend von einem beliebigen Punkt auf der Kraftschlußkennlinie nach Fig. 1 kann allein durch Vorgabe der Beschleunigung b_soll, d. h. durch kon trolliertes Verändern der Radsatzdrehzahl, jeder Punkt auf der Kennlinie erreicht werden. Aufgabe der Suchlogik 4 ist es, den Arbeitspunkt auf der Kraftschlußkennlinie in Richtung auf das Kraftschlußmaximum X zu ver schieben. Es ist dabei nicht notwendig, die aktuelle Lage des Arbeits punktes zu kennen. Es genügt, zu überprüfen, ob die eingeschlagene Be wegungsrichtung auf der Kennlinie zu einer Zugkraftverbesserung oder -verschlechterung führt. Diese Aufgabe wird vom Maximalwertspeicher 10 übernommen. Die Differenz zwischen der Ausgangsgröße des Maximalwert speichers 10 und dem aktuellen Drehmomentsollwert M_soll ist die Eingangs größe der Suchlogik 4.

Bewegt sich der Arbeitspunkt auf der Kraftschlußkennlinie in Richtung des Kraftschlußmaximums X, so nimmt die Zugkraft und damit auch M_soll zu. Der Maximalwertspeicher 10 wird in diesem Fall vom Drehmomentsollwert M_soll mitgeführt. So lange der Drehmomentsollwert M_soll und die Ausgangs größe des Maximalspeichers 10 gleich sind, ist die Eingangsgröße der Suchlogig 4 gleich Null.

Bewegt sich dagegen der Arbeitspunkt vom Kraftschlußmaximum X weg, so bleibt der zuletzt erreichte Spitzenwert von M_soll im Speicher 10 er halten. Dadurch ergibt sich am Eingang der Suchlogik 4 ein positives Differenzsignal, das den Abfall des Drehmoments gegenüber dem zuletzt erreichten Maximalwert darstellt. Überschreitet der Drehmomentabfall und damit auch der Zugkraftabfall eine vorgebbare Schwelle, so wechselt das binäre Ausgangssignal der Suchlogik 4 vom Zustand 1 ("Beschleunigungs freigabe") auf den Zustand 0 ("Beschleunigungsreduktion") oder umge kehrt. Man kann die Funktionsweise der Suchlogik 4 als bistabile Kipp stufe charakterisieren, deren Ausgang in den jeweils komplementären Zu stand wechselt, wenn vom Eingangssignal eine vorgebbare Schwelle über schritten wird. Auf diese Weise kehrt sich die Bewegungsrichtung des Ar beitspunktes auf der Kraftschlußkennlinie jeweils um.

Zeitverzögert zum Wechsel der Beschleunigungsvorgabe wird ein Rücksetz impuls generiert, der den Maximalwertspeicher 10 auf den aktuellen Wert des Drehmomentsollwertes zurücksetzt, so daß das Differenzsignal wieder verschwindet. Die Verzögerungszeit für das Rücksetzen ist frei vorgebbar und wird so eingestellt, daß kurze Einschwingvorgänge des Drehmomentsoll wertes überbrückt werden. Die Dauer der Einschwingvorgänge ist abhängig von der Dynamik des Drehzahlregelkreises, die wiederum von den Eigenschaften des Antriebs bestimmt wird.

Das binäre Ausgangssignal der Suchlogik 4 wirkt somit auf die Vorgabe des Beschleunigungssollwertes b_soll. Im Zustand 1 ("Beschleunigungsfreigabe") liegt der Beschleunigungssollwert b₁ am Eingang des Integrators 5. Im Zu stand 0 ("Beschleunigungsreduktion") wird b₀ vorgegeben und die Beschleu nigung des Treibradsatzes soweit reduziert, daß sich die Differenzgeschwin digkeit zwischen Rad und Schiene wieder verringert.

Die einfachste Maßnahme ist, den Beschleunigungssollwert b₀ auf Null zu setzen (vgl. Fig. 2). Dies ist ausreichend, um bei ebener Strecke und ver nachlässigbaren Reibungswiderständen das Kraftschlußmaximum zu er reichen.

An Steigungsstrecken oder bei Fahrten mit hoher Geschwindigkeit ist es nicht ausreichend, die Sollbeschleunigung auf Null zu reduzieren. Hier muß der Treibradsatz zusätzlich verlangsamt werden, um die Differenzgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene zu reduzieren. Es muß eine negative Sollbeschleu nigung vorgegeben werden (b₀<0). Diese kann man von der aktuellen Last abhängig machen, die die Lastadaptierungsstufe 2 ermittelt. Die Reduktion des Beschleunigungssollwertes kann auch mit einer Zeitfunktion gewichtet werden.

Im Zustand 1 ("Beschleunigungsfreigabe") wird sich bei genügend großer Zugkraftvorgabe F_soll ein Beschleunigungsüberschuß einstellen, so daß die Differenzgeschwindigkeit v_diff zwischen Rad und Schiene zunimmt. Der Ar beitspunkt bewegt sich in diesem Fall auf der Kraftschlußkennlinie nach rechts (vgl. Fig. 1).

Im Zustand 0 ("Beschleunigungsreduktion") wird die Sollbescheinigung b_soll auf den Wert b₀≦0 reduziert. Damit nimmt die Differenzge schwindigkeit ab. Der Arbeitspunkt bewegt sich nach links.

Je nachdem, ob sich der Treibradsatz links oder rechts vom Kraftschluß maximum X befindet, führt somit entweder Zustand 1 oder Zustand 0 zu einer Zugkrafterhöhung. Bei jedem Zugkraftabfall wird deswegen der Wechsel in den jeweils komplementären Zustand die Kraftschlußausnutzung wieder ver bessern.

Das Prinzip der Suchlogik 4 beruht somit darauf, mit Hilfe des Zugkraft abfalls links und rechts vom Kraftschlußmaximum X das jeweilige Optimum zu ertasten. Der Übergang in den stabilen wie auch in den instabilen Be reich der Kraftschlußkennlinien wird auf gleiche Weise erkannt. Je nach Vorzustand wird von der Suchlogik 4 die Sollbeschleunigung b_soll gemäß Zugkraftanforderung freigegeben oder reduziert.

Die Suchlogik 4 findet prinzipiell das Kraftschlußmaximum X, indem sie vom aktuellen Betriebszustand ausgehend den Schlupf in eine zunächst beliebige Richtung verstellt und prüft, ob sich eine Drehmomenterhöhung oder -ver minderung einstellt. Dies ist identisch mit einer Verbesserung oder Ver schlechterung der Kraftschlußverhältnisse. Im letzteren Fall kehrt sie um und versucht es in der anderen Richtung. Selbst wenn sich der Kraftschluß kontinuierlich verschlechtert, wird die Logik auf Grund des abnehmenden Dreh momentsollwertes immer wieder kurzzeitig versuchen, die Beschleunigung zu erhöhen. Sollte sich der Kraftschluß verbessern, dann behält die Suchlogik 4 die Beschleunigungsphase solange bei, bis erneut das Kraftschlußmaximum X erreicht wird. Bleibt der Zugkraftsollwert F_soll unter dem erreichbaren Zugkraftmaximum, so ist auch der Anstieg der Radsatzdrehzahl so gering, daß der Drehzahlregler 7 das Drehmoment nicht zurücknehmen muß. Damit bleibt die Beschleunigungsphase solange erhalten, bis entweder die Kraftschluß verhältnisse im Radaufstandspunkt deutlich verschlechtern oder der Zug kraftsollwert erhöht wird.

Insbesondere bei stochastisch wechselnden Schienenzustände sorgt die Such logik 4 für eine sehr gute Haftwertausnutzung.

Aus Messungen sind jedoch auch ungewöhnliche Kraftschlußverhältnisse be kannt, bei denen selbst mit stetig zunehmender Differenzgeschwindigkeit v_diff kein Abfall der übertragbaren Zugkraft auftritt. Dies würde mit der bisher beschriebenen einfachen Suchlogik 4 dazu führen, daß keine Differenz zwischen dem Spitzenwert im Maximalwertspeicher 10 und dem aktuellen Dreh momentsollwert auftritt. Dadurch wird sich die Differenzgeschwindigkeit v_diff weiter erhöhen, obwohl sich keine Zugkraftverbesserung ergibt. Es ist deshalb zweckmäßig, wenn die Suchlogik 4 eine Zusatzstufe aufweist, die nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit seit der letzten Beschleunigungsfreigabe den Zustandswechsel der Suchlogik in den Zustand 0 (Beschleunigungsreduktion) auslöst, obwohl das Differenzsignal am Eingang der Suchlogik die vorgegebene Schwelle nicht überschritten hat. Dadurch wird nach vorgebbarer Zeit geprüft, ob die aktuelle Zugkraft auch mit geringer Differenzgeschwindigkeit noch aufgebracht werden kann. Weiterer Verschleiß an Rad und Schiene und zu sätzliche Leistungsverluste können so vermieden werden.

Um aus dem Zugkraftsollwert F_soll den Sollwert für die Beschleunigung b_soll berechnen zu können, benötigt die Radschlupfregelung einen Umrechnungsfaktor, der dem Kehrwert einer fiktiven Gesamtmasse des Zuges m entspricht. Dieser Kehrwert wird von der Lastadaptierungsstufe 2 berechnet und ausgegeben. Da auch erhöhte Zugkräfte auf Grund von Steigungen, Kurven etc. in diese Größe eingehen, ist es besser, nicht von der Zugmasse, sondern von der "Last" zu sprechen. Die aktuelle "Last" ist der Quotient aus den beiden Größen F_Z (Zugkraft im Radaufstandspunkt) und b_ist (tatsächliche Beschleunigung des Zuges). Dabei ist es günstiger, den Kehrwert der "Last" zu verwenden

da an Steigungsstrecken die Beschleunigung bei gegebener Zugkraft auch Null werden kann. Die fiktive Masse strebt dann gegen ∞.

Die tatsächliche Beschleunigung b_ist kann man z. B. durch Mittelwertbil dung der Sollbeschleunigung b_soll bestimmen. Die Mittlung erfolgt zweck mäßigerweise über eine oder eine ganze Anzahl Perioden T, der Suchlogik

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Drehzahlistwert, der für die Drehzahlregelung verwendet wird, stark zu glätten (Zeitkonstante: ca. 1:10 s), um die Welligkeit in der Radsatzdrehzahl zu eliminieren. Die ge glättete Größe wird sodann differenziert.

Die noch fehlende Zugkraft F_Z im Radaufstandspunkt errechnet sich aus dem Drehmoment Sollwert M_soll, den man um den dynamischen Zugkraftanteil zur Beschleunigung der rotierenden Massen korrigieren kann:

In diesen Formeln bedeuten:

ü Übersetzungsverhältnis des Getriebes
D Raddurchmesser
R_ges Gesamtträgheitsmoment von Motor, Getriebe, Kupplung und Radsatz, bezogen auf die Radsatzdrehzahl.

In den Fig. 3a bis 3c sind zum Funktionsverständnis die Signalverläufe beim Betrieb der Suchlogik 4 während einer Anfahrt aus dem Stillstand dargestellt.

Fig. 3a zeigt den Verlauf von Zugkraftsollwert F_soll und der Zugkraft F_Z im Radaufstandspunkt (Summe beider Räder) als Funktion der Zeit. Es ist der rampenförmige Anstieg der Zugkraft F_Z auf ihren Höchstwert infolge des Steilheitsbegrenzers 1 in Fig. 2 innerhalb der Zeit t=0 s bis t=4 s er kennbar. Damit wird ein Ruck im Zugsverband vermieden. Es wurde hier als Beispiel ein Kraftschlußmaximum mit 70 kN angenommen. Dies entspricht einem Kraftschlußbeiwert f_x=0,336. Um das Kraftschlußmaximum zu erreichen muß der Zugkraftsollwert F_soll größer sein als unter den gegebenen Kraftschluß verhältnissen erreichbar. Nach 6,1 s wird das Kraftschlußmaximum zum ersten Mal erreicht (Punkt 1). Bei t=7,15 s wird ein Überschreiten des Kraft schlußmaximums sicher erkannt (Punkt 2) und der Radsatz durch Umschalten der Beschleunigung b_soll von b₁ auf b₀ zu kleinerem Schlupf zurückgeführt. Bei t=7,4 s wird das Kraftschlußmaximum wieder erreicht (Punkt 3) und kurze Zeit später die Beschleunigung wieder erhöht und das Maximum erneut ertastet (Punkt 4). Im dargestellten Zeitbereich sind fünf Suchperioden zu erkennen.

Fig. 3b zeigt entsprechend dazu den zeitlichen Verlauf des Drehmomentsoll wertes M_soll und des im Maximalwertspeicher 10 gespeicherten maximalen Dreh momentwertes M_max. Auch hier sind die fünf Suchperioden erkennbar.

In Fig. 4a ist die erste Suchperiode der Suchlogik 4 vergrößert und genauer dargestellt. Der Antrieb befindet sich zunächst in einer Beschleunigungs phase. Das Ausgangssignal der Suchlogik hat zu Beginn den Wert "Beschleu nigungsfreigabe". Die Sollbeschleunigung ist größer als unter den gegebenen Kraftschlußverhältnissen erreichbar. Deswegen nimmt die Differenzgeschwin digkeit zwischen Rad und Schiene zu (vgl. Fig. 4c). Fig. 4c gibt den Ver lauf der Differenzgeschwindigkeit v_diff zwischen Rad und Schiene als Funktion der Zeit wieder. Gemäß der Kraftschlußkennlinie nach Fig. 1 steigt die übertragbare Zugkraft F_Z zunächst an. Nach Überschreiten der optimalen Differenzgeschwindigkeit v_{diff opt} (Punkt 1) nimmt sie jedoch wieder ab (vgl. Fig. 4a). Wegen der hochdynamischen Drehzahlregelung wird der Rad satz weiterhin konstant beschleunigt. Nach Fig. 3c - der Darstellung der Fahrgeschwindigkeit v_G über Grund und der Umfangsgeschwindigkeit v_U der Treibräder als Funktion der Zeit - nimmt v_U von Punkt 1 bis Punkt 2 noch zu.

Gleichzeitig wird der Drehmomentsollwert M_soll vom Drehzahlregler 7 auf Grund Kraftschlußabfall reduziert (vgl. Fig. 4b zwischen Punkt 1 und 2).

Fig. 4b zeigt den zeitabhängigen Verlauf von Drehmomentsollwert M_soll und dem im Maximalwertspeicher 10 gespeicherten Spitzenwert M_max.

Der Verlauf der Zugkraft F_Z spiegelt sich im Drehmomentsollwert M_soll wieder (vgl. auch Fig. 3a, 3b, 4a, 4b).

Bis zum Erreichen des Kraftschlußmaximums (Punkt 1) wird der Maximalwert speicher 10 mit dem Drehmomentsollwert mitgeführt (vgl. Fig. 4b). Beim weiteren Erhöhen der Differenzgeschwindigkeit nimmt M_soll aus den er läuterten Gründen wieder ab, so daß sich eine Differenz zwischen dem Wert im Maximalwertspeicher 10 und dem Drehmomentsollwert M_soll ergibt. Bei T=7,15 s (Punkt 2) ist M_soll um eine vorgegebene zulässige Schwelle ab gefallen. Dies wertet die Suchlogik 4 als Kriterium für ein Schleudern des Treibradsatzes und schaltet den Beschleunigungssollwert b_soll von b₁ auf b₀ um (Punkt 2).

In diesem Beispiel ist der Wert von b₀=Null angenommen. Der Treibradsatz dreht jetzt mit konstanter Geschwindigkeit (vgl. Fig. 3c zwischen Punkt 2 und Punkt 4). Entsprechend der Kraftschlußkennlinie ergibt sich eine Zugkraft F_Z, die den Zug weiterhin beschleunigt. Die Differenz geschwindigkeit v_diff nimmt ab (vgl. Fig. 4c zwischen Punkt 2 und Punkt 4) und der Arbeitspunkt auf der Kraftschlußkennlinie strebt dem Kraftschluß maximum wieder zu (Punkt 3).

Gleichzeitig mit der Rücknahme der Sollbeschleunigung b_soll auf den Wert b₀=0 wird das Sollmoment M_soll vom Drehzahlregler 7 um den dynamischen Anteil M_dyn reduziert, der zum Beschleunigen der rotierenden Massen diente. Es gilt:

M_dyn = R_ges · b_soll.

Dieser Abfall des Sollmoments ist zum Zeitpunkt t=7,15 s in den Fig. 3b bzw. Fig. 4b deutlich zu erkennen (Punkt 2). Der Sprung im Beschleunigungs sollwert führt zu geringen Ausgleichsvorgängen im Drehzahlregelkreis. Nach dem diese abgeklungen sind, wird der Maximalwertspeicher 10 auf den Wert M_soll an seinem Eingang gesetzt. Im dargestellten Beispiel ist zwischen Zustandswechsel der Suchlogik 4 und einem Rücksetzimpuls eine Verzögerungs zeit von 100 ms gewählt. Das Rücksetzen des Maximalwertspeichers 10 ist in Fig. 4b dargestellt.

Nach Reaktion des Beschleunigungssollwertes b_soll bewegt sich der Arbeits punkt des Radsatzes auf der Kraftschlußkennlinie wieder in Richtung des Kraftschlußmaximums. Deswegen steigt die übertragbare Zugkraft F_Z wieder an (vgl. Fig. 4a zwischen Punkt 2 und Punkt 3). Dies bremst den Radsatz ge ringfügig ab, so daß bei weiterhin konstantem Drehzahlsollwert auch der Dreh momentsollwert M_soll als Maß für die aktuelle Zugkraft F_Z dienen. Mit Hilfe des Maximalwertspeichers 10 wird auch jetzt wieder das Überschreiten des Kraftschlußmaximums in Richtung geringerer Differenzgeschwindigkeit v_diff zwischen Rad und Schiene erkannt. Zum Zeitpunkt t=7,4 s haben Zug kraft F_Z und Drehmomentsollwert M_soll wieder ein lokales Maximum erreicht (Punkt 3).

Der erneute Abfall des Drehmomentsollwertes um eine einstellbare Schwelle dient analog zur Schleudererkennung als Kriterium für das sichere Wiederein treten in den stabilen Bereich. Die Suchlogik schaltet wieder in den Zustand 1 ("Beschleunigungsfreigabe") um (vgl. Punkt 4). Damit wird der Treibrad satz wieder mit b_soll=b₁ beschleunigt. Entsprechend erhöht sich der Dreh momentsollwert M_soll um den dynamischen Anteil M_dyn zum Beschleunigen der rotierenden Massen.

Der hier beschriebene Zyklus wiederholt sich bei gleichbleibendem Schienen zustand etwa alle 1 bis 5 s. Die Periodendauer ist von verschiedenen Para metern abhängig; unter anderem auch vom eingestellten Ansprechpegel der Suchlogik 4 und der Kurvenform der jeweils wirksamen Kraftschlußkennlinie. Bei statistischen Kraftschlußschwankungen wird der Zustandswechsel der Suchlogik 4 von den jeweiligen Kraftschlußänderungen ausgelöst. Damit rea giert die Suchlogik augenblicklich auf Kraftschlußabfall oder -verbesserung.

Die Radschlußregelung nach der Erfindung läßt sich bei elektrisch und mechanisch unabhängigen Radsatzantrieben jeweils getrennt aufbauen. Der Steilheitsbegrenzer 1 und die Lastadaptierungsstufe 2 werden nur einmal auf dem Triebfahrzeug benötigt, alle anderen Komponenten der Radschlupf regelung sind zweckmäßig für jeden Radsatz einzeln vorzusehen. Der ge trennte Aufbau ermöglicht so unterschiedlich Drehzahlsollwerte für die einzelnen Radsätze. Dadurch kann sichergestellt werden, daß jeder einzelne Radsatz im Kraftschlußmaximum arbeitet. Unterschiede der Radreifendurch messer und auch unterschiedlich Kraftschlußverhältnisse zwischen vor laufenden und nachfolgenden Radsätzen werden automatisch berücksichtigt.

Bei Parallelbetrieb von zwei Fahrmotoren an einem spannungseinprägenden Frequenzumrichter ist es günstig, die Regelung am nachfolgenden Radsatz bzw. dessen Motor zu betreiben und den Motor des vorlaufenden Radsatzes un geregelt zum zweiten Motor parallel zu schalten.

Claims

1. Verfahren zur selbstadaptierenden Regelung der Radsatzdrehzahl elek trischer Triebfahrzeuge im Kraftschlußmaximum des Rad-Schiene-Kontaktes unter Verwendung einer Beschleunigungswerte integrierenden Einrichtung und Auswertung des Drehmomentsollwertes für eine Anpassung der Radsatz beschleunigung bzw. -verzögerung, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochdynamische Drehzahlregelung Verwendung findet, mit der über den ausgegebenen Drehmomentsollwert (M_soll) des Drehzahlreglers (7) das auf die Schiene übertragbare Drehmoment bei jeder aktuellen Differenzgeschwindigkeit (v_diff) zwischen Rad und Schiene ermittelt wird, wobei die dem Drehzahlregler (7) eingangsseitig zugeführte Soll-Istwertdifferenz der Geschwindigkeit oder Drehzahl über den der integrierenden Einrichtung (5) zugeführten Beschleunigungssollwert (b_soll) so beeinflußt wird, daß dieser abhängig von eine Über- oder Unterschreitung der optimalen Differenzgeschwindigkeit (v_{diff opt}) zwischen Rad und Schiene zwischen zwei Zuständen "Beschleunigungsfrei gabe" (b₁) und "Beschleunigungsreduktion" (b₀) umgeschaltet und der momentane Arbeitspunkt auf der Kraftschlußkennlinie jeweils in Richtung Kraftschlußmaximum (X) nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung des Drehmomentsollwertes (M_soll) mit Hilfe eines Maximalwertspeichers (10) und einer Suchlogik (4) erfolgt, wobei bei Anstieg des Drehmomentsollwertes (M_soll) der Maximalwertspeicher (10) vom Drehmomentsollwert (M_soll) mitgeführt und bei Abfall der zuletzt erreichte Maximalwert (M_max) im Speicher (10) erhalten bleibt und daß die Differenz zwischen Drehmomentsollwert (M_soll) und Maximal wert (M_max) die Eingangsgröße für die Suchlogik (4) bildet, die bei Überschreitung eines Eingangsschwellwertes abwechselnd das komplemen täre binäre Signal "Beschleunigungsfreigabe" (b₁) oder "Beschleuni gungsreduktion" (b₀) ausgibt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom binären Ausgangssignal der Suchlogik (4) dem Eingang des Integrators (5) entweder der Wert b₀≦0 oder b₁=F_soll/m zu geordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gespeicherte maximale Drehmomentsollwert (M_max) zunächst im Maximalwertspeicher (10) erhalten bleibt und daß zeitverzögert zum Zu standswechsel ein Rücksetzimpuls erzeugt wird, der den Maximalwert speicher (10) auf den aktuellen Drehmomentsollwert (M_soll) an seinem Eingang zurücksetzt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über die Suchlogik (4) ein Umschaltglied (14) betätigt wird, das zwischen den Beschleunigungssollwerten (b₀. b₁) umschaltet, wobei b₁ nach der Formel gilt.
ü = Übersetzungsverhältnis des Getriebes
D = Raddurchmesser
R_ges = Gesamtträgheitsmoment von Motor, Getriebe, Kupplung und Radsatz, bezogen auf die Radsatzdrehzahl
F_soll = Zugkraftsollwert
m = fiktive Gesamtmasse (-last) des Zuges
F_Z = Zugkraft im Radaufstandspunkt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tatsächliche Beschleunigung (b_ist) durch Mittelwertbildung der Sollbeschleunigung (b_soll) bestimmt wird nach der Formel:

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tatsächliche Beschleunigung (b_ist) durch starke Glättung und Differenzierung des Drehzahlistwertes (n_ist) über längeren Zeitbereich bestimmt wird nach der Formel:

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des einen Geschwindigkeitssollwert (v_soll) abgebenden Integrators (5) über einen den Raddurchmesser berücksichtigenden Multi plikator (6), der einen Drehzahlsollwert (n_soll) abgibt, an einen 1. Summierpunkt (11) gelegt ist, in dem ein Vergleich der Solldrehzahl (n_soll) mit einer vom Kraftübertragungsblock (9) abgeleiteten Ist-Drehzahl (n_ist) erfolgt und daß die Drehzahldifferenz an einen Drehzahlregler (7) gelegt ist, der einen Motorreglungs-/Motorblock (8) mit nachgeschaltetem Kraft übertragungsblock (9) steuert.

9. Anordnung nach Anspruch 8 und einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Ausgang des Drehzahlreglers (7) abgegebene Drehmomentsoll wert (M_soll) sowohl an den Motorregelungs-/Motorblock (8), an eine Lastadaptierungsstufe (2), ferner den Eingang eines Maximalwert speichers (10) als auch an einen 2. Summierpunkt (12) gelegt ist, der mit dem Ausgang des Maximalwertspeichers (10) rückverbunden die Differenz zwischen einem gespeicherten letzten Höchstwert des Dreh momentsollwerts (M_max) und dem aktuellen Drehmomentsollwert (M_soll) bildet.

10. Anordnung nach Anspruch 9 und einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentsollwertdifferenz an den Eingang der Suchlogik (4) gelegt ist, wobei jedes Überschreiten eines Schwellwertes ein Umschal ten eines zugehörigen Umschaltgliedes (14) in die jeweils andere Schalt lage veranlaßt.

11. Anordnung nach Anspruch 10 und einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Suchlogik (4) eine Zusatzstufe zugeordnet ist, die den Zu standswechsel der Suchlogik in den Zustand Beschleunigungsreduktion (b₀) auch dann auslöst, wenn nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit der Schwellwert am Eingang der Suchlogik (4) vom Drehmomentsollwert- Differenzsignal nicht überschritten worden ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zugführer vorgebbare Zugkraft (F) über einen Steilheits begrenzer (1) geführt ist, dessen Ausgang den Zugkraftsollwert (F_soll) führt und an die Multiplikationsstufe (3) gelegt ist.