DE3929497C2 - - Google Patents

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DE3929497C2
DE3929497C2 DE19893929497 DE3929497A DE3929497C2 DE 3929497 C2 DE3929497 C2 DE 3929497C2 DE 19893929497 DE19893929497 DE 19893929497 DE 3929497 A DE3929497 A DE 3929497A DE 3929497 C2 DE3929497 C2 DE 3929497C2
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Hans-Juergen Dipl.-Ing. 6100 Darmstadt De Schwartz
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SCHWARTZ, HANS-JUERGEN, DIPL.-ING., 64293 DARMSTAD
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AEG Westinghouse Transport Systeme GmbH
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Description

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zur selbstadaptierenden Regelung der Radsatzdrehzahl elektrischer, laufachsenloser, mit einer Dreh­ momentregelung ausgestatteter Triebfahrzeuge auf das Kraftschlußmaximum des Rad-Schienenkontaktes, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.
Dabei wird von einem Stand der Technik ausgegangen, wie er durch die DE-34 07 309 A1 gegeben ist. Dort wird auf das Kraftschlußmaximum des Rad-Schiene-Kontaktes geregelt, unter Verwendung einer Beschleunigungswerte integrierenden Einrich­ tung zur Bildung von Solldrehzahl (bzw. Sollgeschwindigkeit), wobei in Diffe­ renz zu Istdrehzahlen (bzw. Istgeschwindigkeiten) der Antrieb für eine An­ passung der Radsatzbeschleunigung oder -verzögerung beeinflußt wird. Es wird dabei im wesentlichen jeweils die Differenz zwischen der Solldrehzahl der inte­ grierenden Einrichtung - dort auch als Pseudo-Laufachse bezeichnet - und Ist- Drehzahlen - abgeleitet aus von einer Tachometermaschine gemessenen Achsdreh­ zahlen - gebildet und dieses Signal angepaßt vom Sollwert der Motorschlupf­ frequenz abgezogen. Die Differenz dieses Wertes zur Motorschlupffrequenz be­ einflußt zusammen mit der Rotationsfrequenz über die Wechselrichterfrequenz die Ständerfrequenz, d. h. das Drehmoment des Antriebes. Es findet hierbei keine echte Drehzahlregelung statt, was die Genauigkeit beeinflußt.
Ähnliches gilt auch für Anordnungen zur Erfassung des Schleuderns oder Gleitens der Radsätze von laufachsenlosen Schienentriebfahrzeugen, wie sie durch die DE-AS 27 07 047 oder DE-PS 30 11 541 bekannt wurden.
Über eine selbstadaptierende Radschlupfregelung mit Pseudo-Laufachsenanwendung wird weiterhin in Elektrische Bahnen (1989), H. 2, S. 52 bis 61, berichtet. Dabei wird jedoch speziell nur ein Simulationsverfahren mit einem Analog­ rechner beschrieben, das eine Nachbildung des Fahrzeuges und des Rad-Schiene- Kontaktes enthält. Das Simulationsmodell soll echte Regelstrecken (eine Ziel- Hardware) möglichst genau simulieren. Das Verfahren dient dazu, für Original- Radschlupfregler die Optimierungsphase bei Inbetriebnahme neuer Fahrzeuge zu verkürzen. Dies hat mit der im folgenden zu beschreibenden Erfindung nichts zu tun.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bei bekannten Radsatzregelsysteme auf­ getretenen Schwierigkeiten zu umgehen und die Radsätze noch sicherer und besser zu regeln, um die maximal mögliche Zugkraft auf die Schiene zu über­ tragen, ohne daß es zu einer Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund bedarf.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen des Verfahrens sowie zweckmäßige Anordnungen zur Durchführung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Anhand der schematischen Zeichnungsfiguren wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Kraftschlußkennlinie
Fig. 2 ein 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 gespreizte Signalverläufe im Aus­ schnitt aus den Fig. 3a und 3b bei Beschleunigungsfahrt
Fig. 4c Verlauf der Differenzgeschwindigkeit.
Mit der in Fig. 1 dargestellten Kennlinie des Kraftschlußbeiwertes fX als Funktion der Relativgeschwindigkeit vdiff zwischen Rad und Schiene ist be­ kanntermaßen die Zugkraftübertragung zwischen Rad und Schiene beschreibbar. Die resultierende Zugkraft FZ ist proportional zur Gewichtskraft Q im Rad­ aufstandspunkt. Es gilt die Formel
FZ = Q · fX(vdiff).
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 vdiff abfällt. Ziel jeder Radschlupfregelung ist es, die Differenzgeschwindigkeit vdiff 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 auszunutzen. 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 Radsatzdrehzahl 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 - wie bei modernen Triebfahrzeugen - keine Laufradsätze mehr vorhanden sind.
Die Fig. 2 zeigt für einen Treibradsatz das Blockschaltbild nach der Erfindung.
Vom Triebfahrzeugführer wird eine Zugkraft F vorgegeben. Eingabegröße für die Regelung ist eine Zugkraft Fsoll. Ein Steilheitsbegrenzer 1 verhindert 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 Fsoll einer Multiplikationsstufe 3 zugeführt. Die ermittelte Beschleunigung b₁ wird jedoch nur dann als Sollbeschleunigung bsoll weitergeleitet, wenn das binäre Ausgangssignal einer Suchlogik 4 den Zustand 1 einnimmt. Andernfalls wird bsoll auf den Wert bo gesetzt. Mit Hilfe eines Integrators 5 wird aus diesem Beschleunigungssollwert bsoll der Ge­ schwindigkeitssollwert vsoll für den Radsatz bestimmt. Der Treibraddurch­ messer ist bekannt, ebenso die verwendete Getriebeübersetzung ü. Daraus kann über einen Multiplikator 6 eine entsprechende Drehzahl nsoll des Antriebsmotors bestimmt werden. Der Drehzahlistwert nist wird mit einem hochauflösenden Geber am Motor gemessen. Die Differenz zwischen Drehzahlsoll- und -istwert wirkt auf einen Drehzahlregler 7, der wahlweise als P-Regler oder als PI-Regler ausge­ führt werden kann. Die hochdynamische Drehzahlregelung ist einer schnellen Drehmomentregelung überlagert. Dazu gibt der Ausgang des Drehzahlreglers 7 einen Drehmomentsollwert Msoll aus, der von einem schnellen, ansonsten belie­ big gestalteten Motorregelungs-/Motorblock 8 (Leistungselektronik+Motor+ Drehmomentregelung) in einen Drehmomentistwert Mist 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 (es handelt sich hier um das auftretende Luftspaltmoment am Motor) sollte in jedem Fall schnell sein und ist durch Wahl des Drehmomentreglers be­ stimmbar.
Der Drehmomentsollwert Msoll des Antriebsmotors ist bis auf einen kleinen dyna­ mischen Anteil, der zum Beschleunigen der rotierenden Massen dient (dynamischer Drehmomentanteil), ein Maß für die auf die Schiene übertragene Zugkraft FZ. Dies kann für eine sichere Schleudererkennung genutzt werden, weil der durch Integration gewonnene Drehzahlsollwert nsoll in jedem Fall stetig ist und der Eingang des Integrators 5 aufgrund des Verfahrens immer im Bereich realistischer Zugbeschleunigungen gleicht, wodurch auch die Änderungsgeschwindigkeit des Dreh­ zahlsollwertes nsoll begrenzt ist. Langsame Sollwertänderungen werden bei hin­ reichend großer Dynamik des Drehzahlregelkreises praktisch unverzögert ausge­ regelt. Das bedeutet, daß ein solcher Drehzahlregelkreis immer in einem ein­ geschwungenen Zustand arbeitet. Je höher seine Dynamik ist, desto besser werden Störgrößen - in erster Linie wechselnder Schienenzustand - ausgeregelt. Somit gibt der Ausgang Msoll des Drehzahlreglers 7 immer genau das Drehmoment bzw. umgerechnet eine Zugkraft vor, die beim aktuellen Schlupf gerade noch auf die Schiene übertragen werden kann. Es stellt sich niemals ein Drehmomentüberschuß ein, der den Treibradsatz schneller als erwünscht beschleunigen würde. Über­ schreitet der Radsatz durch zunehmenden Schlupf das Kraftschlußmaximum, so reduziert der Drehzahlregler 7 das Drehmoment bzw. die Zugkraft selbst­ tätig auf den Wert, der 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 Msoll mit Hilfe eines Maximalwertspeichers 10 und einer Suchlogik 4 ausgewertet. Hier­ mit wird erkannt, ob der Radsatz im Augenblick unterhalb oder oberhalb der optimalen Differenzgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene arbeitet, d. h. ob der Radsatz sich im stabilen oder instabilen Bereich der Kraftschluß­ kennlinien (Fig. 1) befindet. In Abhängigkeit dieser beiden möglichen Zustände wird der Sollbeschleunigung bsoll 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 bsoll, 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 Msoll 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 Msoll zu. Der Maximalwertspeicher 10 wird in diesem Fall vom Drehmomentsollwert Msoll mitgeführt. So lange der Drehmomentsollwert Msoll und die Ausgangs­ größe des Maximalspeichers 10 gleich sind, ist die Eingangsgröße der Suchlogik 4 gleich Null.
Bewegt sich dagegen der Arbeitspunkt vom Kraftschlußmaximum X weg, so bleibt der zuletzt erreichte Spitzenwert von Msoll 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 bsoll. 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 Fsoll ein Beschleunigungsüberschuß einstellen, so daß die Differenzgeschwindigkeit vdiff 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 bsoll 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 bsoll 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 Fsoll 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 verschlechtert oder der Zug­ kraftsollwert erhöht wird.
Insbesondere bei stochastisch wechselnden Schienenzuständen 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 vdiff 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 vdiff 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 Fsoll den Sollwert für die Beschleunigung bsoll 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 FZ (Zugkraft im Radaufstandspunkt) und bist (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 bist kann man z. B. durch Mittelwertbil­ dung der Sollbeschleunigung bsoll 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 FZ im Radaufstandspunkt errechnet sich aus dem Drehmoment Sollwert Msoll, den man um den dynamischen Zugkraftanteil zur Beschleunigung der rotierenden Massen korrigieren kann:
In diesen Formeln bedeuten:
ü Übersetzungsverhältnis des Getriebes
D Raddurchmesser
Rges 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 Fsoll und der Zugkraft FZ im Radaufstandspunkt (Summe beider Räder) als Funktion der Zeit. Es ist der rampenförmige Anstieg der Zugkraft FZ 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 Zugverband vermieden. Es wurde hier als Beispiel ein Kraftschlußmaximum mit 70 kN angenommen. Dies entspricht einem Kraftschlußbeiwert fx=0,336. Um das Kraftschlußmaximum zu erreichen muß der Zugkraftsollwert Fsoll 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 bsoll 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 Msoll und des im Maximalwertspeicher 10 gespeicherten maximalen Dreh­ momentwertes Mmax. 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 vdiff zwischen Rad und Schiene als Funktion der Zeit wieder. Gemäß der Kraftschlußkennlinie nach Fig. 1 steigt die übertragbare Zugkraft FZ zunächst an. Nach Überschreiten der optimalen Differenzgeschwindigkeit vdiff 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 vG über Grund und der Umfangsgeschwindigkeit vU der Treibräder als Funktion der Zeit - nimmt vU von Punkt 1 bis Punkt 2 noch zu.
Gleichzeitig wird der Drehmomentsollwert Msoll vom Drehzahlregler 7 auf Grund Kraftschlußabfall reduziert (vgl. Fig. 4b zwischen Punkt 1 und 2).
Fig. 4b zeigt den zeitabhängigen Verlauf von Drehmomentsollwert Msoll und dem im Maximalwertspeicher 10 gespeicherten Spitzenwert Mmax.
Der Verlauf der Zugkraft FZ spiegelt sich im Drehmomentsollwert Msoll 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 Msoll aus den er­ läuterten Gründen wieder ab, so daß sich eine Differenz zwischen dem Wert im Maximalwertspeicher 10 und dem Drehmomentsollwert Msoll ergibt. Bei T=7,15 s (Punkt 2) ist Msoll um eine vorgegebene zulässige Schwelle ab­ gefallen. Dies wertet die Suchlogik 4 als Kriterium für ein Schleudern des Treibradsatzes und schaltet den Beschleunigungssollwert bsoll 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 FZ, die den Zug weiterhin beschleunigt. Die Differenz­ geschwindigkeit vdiff 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 bsoll auf den Wert b₀=0 wird das Sollmoment Msoll vom Drehzahlregler 7 um den dynamischen Anteil Mdyn reduziert, der zum Beschleunigen der rotierenden Massen diente. Es gilt:
Mdyn = Rges · bsoll.
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 Msoll 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 bsoll bewegt sich der Arbeits­ punkt des Radsatzes auf der Kraftschlußkennlinie wieder in Richtung des Kraftschlußmaximums. Deswegen steigt die übertragbare Zugkraft FZ 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 Msoll als Maß für die aktuelle Zugkraft FZ dienen. Mit Hilfe des Maximalwertspeichers 10 wird auch jetzt wieder das Überschreiten des Kraftschlußmaximums in Richtung geringerer Differenzgeschwindigkeit vdiff zwischen Rad und Schiene erkannt. Zum Zeitpunkt t=7,4 s haben Zug­ kraft FZ und Drehmomentsollwert Msoll 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 bsoll=b₁ beschleunigt. Entsprechend erhöht sich der Dreh­ momentsollwert Msoll um den dynamischen Anteil Mdyn 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 (12)

1. Verfahren zur selbstadaptierenden Regelung der Radsatzdrehzahl elektrischer laufachsenloser, mit einer Drehmomentregelung ausgestatteter Triebfahr­ zeuge auf das Kraftschlußmaximum des Rad-Schiene-Kontaktes unter Verwen­ dung einer Beschleunigungswerte integrierenden Einrichtung und Bildung einer Solldrehzahl (bzw. Sollgeschwindigkeit), die in Differenz zu Ist­ drehzahlen (bzw. Istgeschwindigkeit) den Antrieb für eine Anpassung der Radsatzbeschleunigung bzw. -verzögerung beeinflußt,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - der Drehmomentregelung ist eine hochdynamische Drehzahlregelung über­ lagert, die eine Differenz der durch Integration gewonnenen Solldrehzahl (nsoll) mit der Istdrehzahl (nist) des Antriebsmotors als Kriterium für eine auf die Schiene übertragbare Zugkraft (FZ) wertet und als ent­ sprechender Drehmomenten-Sollwert (Msoll) der Drehmomentenregelung vor­ gibt
  • - die Solldrehzahl ist dabei über einen der integrierenden Einrichtung (5) zugeführten Beschleunigungssollwert (bsoll) beeinflußbar
  • - ein Abfall des Drehmomentsollwertes (Msoll) nach anfänglicher Steigerung wird als Über- oder Unterschreitung der jeweils optimalen, das Kraft­ schlußmaximum darstellenden Differenzgeschwindigkeit (vdiff opt) zwischen Rad und Schiene gewertet und in eine Umschaltung des Beschleunigungs­ sollwertes (bsoll) zwischen zwei Zuständen "Beschleunigungsfreigabe" (b₁) oder "Beschleunigungsreduktion" (b₀) umgesetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung des Drehmomentsollwertes (Msoll) mit Hilfe eines Maximalwertspeichers (10) und einer Suchlogik (4) erfolgt, wobei bei Anstieg des Drehmomentsollwertes (Msoll) der Maximalwertspeicher (10) vom Drehmomentsollwert (Msoll) mitgeführt und bei Abfall der zuletzt erreichte maximale Drehmomentsollwert (Mmax) im Speicher (10) erhalten bleibt und daß die Differenz zwischen dem Drehmomentsollwert (Msoll) und dessen Maximal­ wert (Mmax) 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=Fsoll/m zu­ geordnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gespeicherte maximale Drehmomentsollwert (Mmax) 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 (Msoll) 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
Rges = Gesamtträgheitsmoment von Motor, Getriebe, Kupplung und Radsatz, bezogen auf die Radsatzdrehzahl
Fsoll = Zugkraftsollwert
m = fiktive Gesamtmasse (-last) des Zuges
FZ = Zugkraft im Radaufstandspunkt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tatsächliche Beschleunigung (bist) durch Mittelwertbildung der Sollbeschleunigung (bsoll) bestimmt wird nach der Formel:
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tatsächliche Beschleunigung (bist) durch starke Glättung und Differenzierung des Drehzahlistwertes (nist) 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 (vsoll) abgebenden Integrators (5) über einen den Raddurchmesser berücksichtigenden Multi­ plikator (6), der einen Drehzahlsollwert (nsoll) abgibt, an einen 1. Summierpunkt (11) gelegt ist, in dem ein Vergleich der Solldrehzahl (nsoll) mit einer vom einem Kraftübertragungsblock (9) abgeleiteten Ist-Drehzahl (nist) 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 dadurch gekennzeichnet, daß der vom Ausgang des Drehzahlreglers (7) abgegebene Drehmomentsoll­ wert (Msoll) 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 dem gespeicherten letzten maximalen Dreh­ momentsollwert (Mmax) und dem aktuellen Drehmomentsollwert (Msoll) bildet.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, 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 einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, 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 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zugführer vorgebbare Zugkraft (F) über einen Steilheits­ begrenzer (1) geführt ist, dessen Ausgang den Zugkraftsollwert (Fsoll) führt und an die Multiplikationsstufe (3) gelegt ist.
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