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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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.
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:
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.
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.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893929497 DE3929497A1 (de) | 1989-09-01 | 1989-09-01 | Verfahren und anordnung zur selbstadaptierenden regelung der radsatzdrehzahl elektrischer triebfahrzeuge im kraftschlussmaximum |
DE19904020350 DE4020350A1 (de) | 1989-09-01 | 1990-06-23 | Verfahren und anordnung zur selbstadaptierenden regelung der radsatzdrehzahl elektrischer triebfahrzeuge im kraftschlussmaximum des rad-schiene-kontaktes |
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Publications (2)
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DE3929497A1 DE3929497A1 (de) | 1991-03-14 |
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ID=6388680
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DE19893929497 Granted DE3929497A1 (de) | 1989-09-01 | 1989-09-01 | Verfahren und anordnung zur selbstadaptierenden regelung der radsatzdrehzahl elektrischer triebfahrzeuge im kraftschlussmaximum |
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