DE4435775A1 - Verfahren zur Kraftschlußregelung mit Torsionsschwingungsunterdrückung im Antriebsstrang für Triebfahrzeuge mit stromrichtergespeisten Fahrmotoren - Google Patents
Verfahren zur Kraftschlußregelung mit Torsionsschwingungsunterdrückung im Antriebsstrang für Triebfahrzeuge mit stromrichtergespeisten FahrmotorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelung des stromrichtergespeisten Fahrmotors einer
Lokomotive in der Art, daß erstens die Torsionsschwingungen im mechanischen
Antriebsstrang aktiv gedämpft werden und zweitens die Differenzgeschwindigkeit
zwischen Rad und Schiene so eingestellt wird, daß sich der Arbeitspunkt im gewünschten,
stabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie (Fig. 2) befindet.
Es ist aus z. B. aus der Zeitschrift "Elektrische Bahnen", Jahrgang 91 (1993), Heft 5, Seiten
163-178, bekannt, daß der Antriebsstrang einer Lokomotive ein schwingungsfähiges
System ist. Dieses System kann als n-Massen-m-Feder-Dämpfer-System modelliert
werden. Als besonders zweckdienlich gilt bei Hochleistungslokomotiven die Reduktion auf
ein 3-Massen-2-Federn-Dämpfer-System, da damit die beiden wichtigen ersten Eigenformen
nachgebildet werden können, die eine von null verschiedene Eigenfrequenz
besitzen und die die mechanischen Komponenten im Sinne der Betriebsfestigkeitsanalyse
am meisten belasten. Die beiden genannten Eigenformen mit den Eigenfrequenzen im
Bereich von ca. 6 bis 25 Hz (f₁) und 45 bis 70 Hz (f₂) sind sehr charakteristisch für
Antriebsstränge von Lokomotiven mit elektrischen Fahrmotoren. Im folgenden wird
beispielhaft der Hohlwellen-Kardanantrieb der Lokomotivbaureihe 120 der Deutschen
Bahn betrachtet. Mit der ersten Eigenfrequenz f₁ schwingt hauptsächlich der
Fahrmotorläufer gegen den Radsatz mit einem Schwingungsknoten in der Hohlwelle,
während mit der zweiten Eigenfrequenz f₂ die Radsatzwelle tordiert wird. Torionsschwingungen
können angeregt werden durch den zeitvarianten Kraftschluß im Rad-
Schiene-Kontakt oder durch den Fahrmotor. Durch geeignete mechanische Dämpfungselemente
wie Gummikupplungen wurde versucht, die Torsionsschwingungen zu dämpfen
("Österreichische Ingenieur- und Architekten Zeitschrift [ÖIAZ]", 132 [1987], H. 11/12,
S. 426).
Eine zusätzliche Dämpfung erfolgt durch den Rad-Schiene-Kontakt. Sie ist proportional
zur Steigung im Arbeitspunkt auf der Kraftschlußkennlinie. Im instabilen Bereich ist die
Dämpfung negativ und führt zu den gefürchteten Slip-Stick-Schwingungen mit der 2.
Eigenfrequenz f₂.
Bei der Struktur der bekannten Kraftschlußregelungen wurde bisher die Schwingungsfähigkeit
des Antriebsstranges nicht ausreichend berücksichtigt. Die Kraftschlußregelungen
z. B. in DE 39 29 467 A1 und DE-AS 42 25 683 basieren auf einer konventionellen P- oder
PI-Drehzahlregelung der Fahrmotordrehzahl. Auch bei der Struktur der Regelung nach DE
42 24 581 wird die Schwingungsfähigkeit des Antriebsstranges nicht berücksichtigt. Es wird
nur eine rotierende Masse berücksichtigt, in der alle rotierenden Massen zusammengefaßt
gedacht werden.
Es sind auch Kraftschlußregelungen bekannt, die die Schwingungen im instabilen Bereich
detektieren, um dann Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Diese Kraftschlußregelungen
erfordern zusätzliche Sensoren. Aus DE-AS 24 06 479 ist eine Anordnung bekannt, in der
ein Schwingungsmeßglied wie z. B. ein Kraftgeber in der Motoraufhängung des
Drehgestelles die mechanischen Schwingungen erfaßt. Die charakteristischen Eigenfrequenzen
der Schwingungen werden über einen Bandpaß gefiltert und mit einem
Schwellwert verglichen. Bei Überschreitung des Schwellwertes wird die Zugkraft abhängig
von der Schwingungsamplitude reduziert.
In DE 31 35 613 C2 wird vorgeschlagen, einen Impulsgeber am Treibradsatz anzubringen.
Der Impulsgeber, der als Beschleunigungsmesser oder Schwingungsdetektor ausgebildet
sein kann, erfaßt die Drehschwingung der Radsatzwelle und veranlaßt das Sanden und das
Flacherstellen der Drehmomentkennlinie der Asynchronmaschine sowie gegebenenfalls die
Reduzierung der Fahrmotorleistung. Solche Sensoren erweisen sich in der Praxis aber als
störanfällig, weil sie in einer rauhen Umgebung arbeiten.
Die aktive Dämpfung von Torsionsschwingungen eines elastischen Systems ist aus der
Literatur prinzipiell bekannt. Meist wird der Antriebsstrang als Zweimassenschwinger
modelliert, wie z. B. in DE-AS 23 43 655. Anwendungen für Bahnfahrzeuge sind nur von
Köpcke (Köpcke, H.-J., "Untersuchung dynamischer Eigenschaften eines Drehstrom-
Traktionsantriebssystems mit einer feldorientiert geregelten umrichtergespeisten
Asynchronmaschine", Dissertation Aachen 1984) bekannt, der ebenfalls den Antriebsstrang
als Zweimassenschwinger modellierte. Er beschreibt ein elastisches System bestehend aus
der Gummiringfeder zwischen den beiden Massenträgheiten von Fahrmotor und Radsatz.
Für dieses System entwickelte er eine Zustandsgrößenrückführung, die aber auf die
Messung der Radsatzdrehzahl angewiesen ist. Eine Eingliederung in ein Verfahren zur
Kraftschlußregelung findet nicht statt.
Der Erfindung nach dem Oberanspruch liegt die Aufgabe zugrunde, die Torsionsschwingungen
im Antriebsstrang eines Triebfahrzeugs mit stromrichtergespeisten
Fahrmotoren zu vermeiden bzw. zu reduzieren und dabei den Betriebspunkt so zu
beeinflussen, daß er sich im gewünschten Abschnitt auf der Kraftschlußkennlinie befindet.
Eine solche Regelung darf gegenüber einer konventionellen Drehzahlregelung keine
weiteren Sensoren enthalten. Dort sind eine Erfassung der Motordrehzahl n₁ sowie eine
Strom- und Spannungsmessung an den Fahrmotorklemmen zur Bestimmung des Luftspaltmomentes
i üblich. Weitere Kraft-, Drehzahl- und Drehmomenterfassungen im Antriebsstrang
erhöhen den Konstruktionsaufwand, sind aus betrieblichen Gründen unerwünscht
und werden erfindungsgemäß auch nicht benötigt.
Die obengenannten Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten
Merkmale einer Technologieregelung 1 gemäß Fig. 1, bestehend aus einer Schätzeinrichtung
2 für die mechanischen Größen des Antriebsstranges, einer Berechnung des
Luftspaltmomentes i 5, einer aktiven Antriebsstrangbedämpfungsregelung 3 und einer
Kraftschlußregelung 4 gelöst. Dadurch ist eine Erhöhung der Lebensdauer der
mechanischen Komponenten und eine bessere Zugkraftausnutzung möglich. Es werden im
Vergleich zur konventionellen Drehzahlregelung keine zusätzlichen Meßsensoren benötigt.
Die Erfindung ist geeignet zur Anwendung im Motor-(Fahr-) oder Generator-(Brems-)
Betrieb sowohl bei Drehstrom- als auch bei Gleichstrommaschinen, da bei beiden
Maschinentypen Stromrichter zur dynamischen Luftspaltmomentbeeinflussung und
Berechnungsverfahren für das Luftspaltmoment Stand der Technik sind. In Fig. 1 bedeutet
ein Gleichstromantrieb eine Speisung aus zwei Leitern (k=2), ein Drehstromantrieb einen
dreileitrigen Anschluß des Fahrmotors (k=3). Der Sollwert für den Technologieregler ist
die gewünschte Zugkraft Fz*, die entweder der Triebfahrzeugführer oder eine automatische
Fahr- und Bremssteuerung vorgibt. Ausgegeben wird der Sollwert für das Luftspaltmoment
des Fahrmotors Mi*. Die Kraftschlußregelung beeinflußt vornehmlich den Mittelwert i*
des Sollwertes Mi*, um einen Arbeitspunkt im gewünschten Bereich der Kraftschlußkennlinie
(Fig. 2) einstellen zu können. Dagegen beeinflußt der aktive Antriebsstrangbedämpfungsregler
den Augenblick bzw. die Wechselanteile von Mi* so, daß die
Antriebssystemdämpfung erhöht wird.
In dem Übersichtsbild Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine moderne
Fahrdrahtlokomotive mit Hohlwellenantrieb und Drehstromantriebstechnik dargestellt. Es
wird ein Frequenzumrichter 71, 72 mit Spannungszwischenkreis und hochdynamischen
Steuerverfahren 61 verwendet. Alle folgenden detaillierten Ausführungsbeispiele
beziehen sich auf dieses Übersichtsbild.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung für Einzelachssteuerung ist im Patentanspruch
2 angegeben. Da es, wie oben ausgeführt, sinnvoll ist, das schwingungsfähige
System de Antriebsstranges auf ein Drei-Massen-Zwei-Federn-Dämpfer-Schwinger zu
reduzieren, bedeutet dies für eine Lokomotive mit Hohlwellen-Antrieb, daß die
Schätzeinrichtung die Wellenmomente in der Hohlwelle M₁₂ und in der Radsatzwelle M₂₃
und gegebenenfalls die Drehzahlen der Räder berechnen sollte.
Fig. 4 zeigt ein Prinzipbild und Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Schätzeinrichtung nach
Patentanspruch 2. Anhand dieser beiden Figuren soll die Wirkungsweise beschrieben
werden. Eingangsgrößen sind der berechnete Wert des Luftspaltmomentes ₁ sowie die
gemessene Drehzahl des Fahrmotors n₁. In der Schätzeinrichtung wird ständig ein
mathematisches Modell des Drei-Massen-Zwei-Federn-Dämpfer-Systems 42 gerechnet.
Ausgangsgrößen sind die Schätzwerte für die Wellenmomente und die Drehzahlen. Im
Summierer 44 wird die geschätzte Größe für die Motordrehzahl von der gemessenen
Größe abgezogen und der Differenzbetrag, der ein Maß für den Schätzfehler ist, wird mit
jeweils verschiedenen Verstärkungsfaktoren 43 multipliziert und wieder zurück auf das
Drei-Massen-Zwei-Federn-Dämpfer-Modell gegeben.
In Fig. 5 wird dieses Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 weiter konkretisiert. Das Drei-
Massen-Modell des Antriebsstranges besteht zunächst aus 3 Integrierern 421, 422, 425,
deren Integrationszeitkonstante proportional zu den Massenträgheiten von Fahrmotor,
Rad 1 und Rad 2 sind. Deren Ausgänge sind die Schätzwerte für die Drehzahlen ñ₁, ñ₂
und ñ₃ (Index "∼" für Schätzgrößen). Außerdem werden die beiden Feder-Dämpfer-Systeme
modelliert durch die Integratoren 424 bzw. 425 und die Proportionalglieder 426 bzw.
427. Ausgänge der dazugehörigen Addierer 581 bzw. 582 sind die Schätzwerte für die
Wellenmomente ₁₂ und ₂₃. Zusätzlich zu Fig. 4 werden in Fig. 5 die beiden Schätzwerte
der Belastungsmomente L1 und L2 gerechnet. Hierzu wird die Differenz 44 von Ist-
und Schätzwert der Fahrmotordrehzahl bewertet mit zwei weiteren Verstärkungsfaktoren
51, 52 und anschließend auf ein Filter 53, 54 gegeben. Anschließend wird die Hälfte des
Luftspaltmomentschätzwertes Mi 55 mit zwei Addierern 56, 57 hinzuaddiert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Regelung zur Erhöhung der Systemdämpfung wird in
Patentanspruch 3 genannt. In diesem aktiven Antriebsstrangbedämpfungsregler werden
nicht nur wie beim konventionellen Drehzahlregler die Fahrmotoristdrehzahl und Fahrmotorsolldrehzahl
verglichen, sondern es werden weitere Größen bei der Berechnung des
Sollwertes für das Luftspaltdrehmoment benutzt.
Ein Ausführungsbeispiel eines Antriebsstrangbedämpfungsreglers ist in Fig. 6 dargestellt.
Er hat die Gestalt eines konventionellen PI-Drehzahlreglers 60 mit Regeldifferenzbildung
67. Hinzu kommen die Verstärkungsfaktoren für die gemessene Motordrehzahl n₁ 66
und die geschätzten Größen wie Wellenmomente 62, 63 und Raddrehzahlen 64, 65 sowie
das berechnete Luftspaltmoment 61. Die Ausgänge der Verstärkungsfaktoren werden in
den Summationsstellen 691-695 addiert und in 68 vom Ausgang des PI-Reglers
subtrahiert. Das Resultat ist der Sollwert für das Luftspaltmoment des Antriebes Mi*. Die
dargestellte Lösung mit dem PI-Regler hat den Vorteil, daß der Integralanteil die bleibende
Regelabweichung ausregelt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des aktiven Antriebsstrangbedämpfungsreglers ist
in Patentanspruch 4 dargestellt. Sie soll anhand des Ausführungsbeispiels in Fig. 7
erläutert werden. Der Resonator 70 erzeugt einen Vektor aus Kosinus- und Sinuszeitfunktionen
F = [sin ω₁ t, cos ω₁ t, sin ω₂ t, cos ω₂ t]
wobei ω₁ und ω₂ die erste und zweite Eigenkreisfrequenz des als Drei-Massen-Zwei-
Federn-Dämpfer-Systems modellierten Antriebsstrang darstellen. Durch die Multiplikation
der geschätzten Wellenmomente ₁₂ und ₂₃ mit diesem Vektor in den mehrkanaligen
Multiplizierern 711 und 712 und der anschließenden mehrkanaligen Meßumformung mit
gleitender Integration 721 und 722 entstehen die zeitabhängigen Fourierkoeffizienten der
Kosinus- und Sinusglieder. Diese werden in den mehrkanaligen Filtern 731 und 732
geglättet. Dieses Verfahren der gleitenden Fourieranalyse ist aus DE 34 29 116 C2 mit
Anwendung zur dynamischen Blindleistungskompensation bekannt. Es wird hier,
erfindungsgemäß, für eine völlig andere Aufgabe verwendet. Die Ausgangswerte werden
in den mehrkanaligen Subtrahierern 741 und 742 mit den Fourierkoeffizienten-Sollwerten
für M₁₂* und M₂₃* verglichen. Die von den Mehrkanalreglern 751 und 752 gebildete
Regeldifferenz wird mit Hilfe der Multiplizierer 761 und 762 in den Zeitbereich
zurücktransformiert. Diese Funktionen werden vom Stellsignal des konventionellen
Drehzahlreglers 78 abgezogen (771, 772). Das Resultat ist der Sollwert für das Luftspaltmoment
Mi* der Antriebssteuerung 6.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung in bezug auf einen Betrieb im stabilen
Bereich der Kraftschlußkennlinie ist im Patentanspruch 5 gegeben. Durch die erfindungsgemäße
Schätzeinrichtung steht mit dem geschätzten Radsatzwellenmoment ₂₃ ein
Indikator zur Verfügung, in welchem Bereich der Kraftschlußkennlinie sich der
augenblickliche Arbeitspunkt befindet. Im stabilen Bereich vollführt die Radsatzwelle
zunehmend Eigenschwingungen mit der zweiten von null verschiedenen Eigenfrequenz f₂.
Diese kann anhand von ₂₃ detektiert und daraufhin die Differenzgeschwindigkeit
zwischen Rad und Schiene reduziert werden. Auf diese Weise stellt sich wieder ein
Betrieb im stabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie ein.
Ein Ausführungsbeispiel für diesen Teil der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Durch
Multiplikation 88 wird die modifizierte Sollzugkraft FZ*′ in ein Solldrehmoment M*
umgerechnet. Dieses wird mit dem berechneten Istwert i verglichen und die Differenz
89 auf einen Regler 90 gegeben. Dieser stellt die Differenzgeschwindigkeit Δv* ein.
Dazu wird die Zuggeschwindigkeit 91 addiert, die entweder mit einer Laufachse, mit
einem Geschwindigkeitsradar oder einer sogenannten Pseudolaufachse bestimmt wird. Das
Verfahren der Pseudolaufachse ist z. B. aus DE 42 24 581 C1 bekannt. Damit erhält man
den Sollwert der Radgeschwindigkeit vRad*, der über den Faktor kN 92 in eine Solldrehzahl
n₁* umgerechnet wird.
Das geschätzte Radsatzwellenmoment ₂₃ wird in einen Bandpaß 81 gegeben, der
abgestimmt ist auf die zweite mechanische Eigenfrequenz f₂ des Antriebsstranges. Der
Ausgang wird auf einen einstellbaren Schwellwertvergleicher mit Hysterese 82 gegeben.
Wurde der Schwellwert überschritten, wird über das Logiksignal d=1 das RS-Flip-Flop
83 gesetzt. Es veranlaßt mit seinem Signal f=1, daß der Integrator 86 in Betrieb
genommen und sein Ausgang mittels eines Schalters 84 auf die Summationsstelle 87
gelegt wird. Der Integrator 86 integriert jetzt das negative Beschleunigungssignal -b auf,
so daß hinter der Summationsstelle 87 die modifizierte Sollzugkraft immer kleiner wird.
Dadurch wandert der Arbeitspunkt auf der Kraftschlußkennlinie in den stabilen Bereich,
so daß die Torsionsschwingungen unter den gewählten Schwellwert zurückgehen.
Daraufhin wird durch d=0 der Eingang des Integrierers 86 mittels eines weiteren
Schalters 85 auf das positive Beschleunigungssignal +b umgeschaltet. Dadurch wird an
der Summationsstelle die modifizierte Sollzugkraft erhöht, bis sich wieder ein Betrieb im
instabilen Bereich einstellt, so daß die Torsionsschwingungen wieder auftreten. Das führt
zum erneuten Ansprechen des Schwellwertvergleichers 82. Das Signal d=1 führt erneut
zu einer Reduktion der modifizierten Sollzugkraft FZ*′. Dieser Wechsel zwischen Erhöhung
und Verminderung wird unterbrochen, wenn die Kraftschlußverhältnisse sich
entweder deutlich bessern oder der Triebfahrzeugführer die Sollzugkraft zurücknimmt. In
diesem Fall wird keine Kraftschlußregelung mehr benötigt. Dann wird der Ausgang des
Integrators 86 größer null, so daß der Komparator 91 das Signal e=1 schaltet. Damit
wird das RS-Flip-Flop 83 zurückgesetzt. Der vom RS-Flip-Flop gesteuerte Schalter 84
und Integrator 86 werden auf 0 gesetzt und außer Betrieb genommen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung in bezug auf einen Betrieb im
stabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie ist im Patentanspruch 6 gegeben. Durch die
erfindungsgemäße Integration eines Antriebsstrangbedämpfungsreglers in den Technologieregler
hat der Sollwert für das Luftspaltmoment Mi* einen charakteristischen Zeitverlauf,
je nach dem welcher Betriebspunkt gerade auf der Kraftschlußkennlinie gewählt wurde. Im
instabilen Bereich versucht der Antriebsstrangbedämpfungsregler die Torsionseigenschwingungen aktiv zu bedämpfen und hat deshalb einen hohen Wechselanteil mit
der Frequenz der Eigenschwingung. Dieser Wechselanteil kann durch ein Filter herausgetrennt
und mit einem Schwellwert verglichen werden. Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel
in Fig. 8 kann dann die Sollzugkraft Fz*′ reduziert werden, bis sich wieder ein
Betrieb im stabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie einstellt und die Torsionsschwingungen
verschwinden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist auch durch Patentanspruch 7 gegeben.
Es ist bekannt, daß sich die Dämpfung der Torsionseigenschwingung der Radsatzwelle aus
der Dämpfungskonstanten der Radsatzwelle und der Dämpfung durch den Rad-Schiene-
Kontakt zusammensetzt (Schwartz, H.-J., "Regelung der Radsatzdrehzahl zur maximalen
Kraftschlußausnutzung bei elektrischen Triebfahrzeugen", VDI-Verlag, Düsseldorf 1992, S.
82 ff.) Heute sind Identifikationsverfahren bekannt (z. B. Isermann, R., "Identifikation
dynamischer Systeme", Springer, Berlin 1992, S. 270 ff.), die anhand der geschätzten
Größen (Drehmomente, Drehzahlen) die Dämpfung zwischen den beiden Rädern
bestimmen können. Da der konstruktionsbedingte Anteil an dieser Dämpfung näherungsweise
bekannt ist, ist hierüber der Beitrag der Dämpfung durch den Rad-Schiene-Kontakt
bestimmbar. Damit kann die augenblickliche Steigung der Kraftschlußkennlinie errechnet
werden, was die Voraussetzung für eine Regelung des gewünschten Arbeitspunktes auf der
Kraftschlußkennlinie ist. Eine Kraftschlußausnutzung im Maximum der Kennlinie hat den
Nachteil, daß ein Betrieb im instabilen Bereich leicht vorkommen kann, wenn sich das
Maximum aufgrund sich ändernder Schienenzustände kurzzeitig ändert. Außerdem ist der
Radreifenverschleiß groß, da die Differenzgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene
relativ hoch ist. Deshalb kann es sinnvoll sein, einen Arbeitspunkt mit kleiner positiver
Steigung im stabilen Bereich der Kennlinie zu wählen, weil dieser fast den gleichen
Kraftschlußbeiwert wie im Maximum liefert, aber einen deutlich geringeren Verschleiß für
Räder und Antriebsstrang bedeutet.
Bei hochdynamischen und genauen drehmomentgeregelten Antrieben kann es sinnvoll
sein, die Erfindung entsprechend Patentanspruch 8 auszugestalten. Dies bedeutet, daß die
Drehmomentberechnung entfällt und statt dessen der Sollwert des Luftspaltmomentes
benutzt wird. Dieser muß gegebenenfalls noch durch ein Filter mit einer speziellen
Charakteristik geglättet sein.
Eine Realisierung der Erfindung sollte möglichst gemäß Patentanspruch 9 ausgestaltet
sein, da der elektrische Fahrmotor bei entsprechender Stromrichterschaltung auch
generatorisch bremsen kann. Dies vermindert den Verschleiß an den mechanischen
Bremsen und erhöht bei Netzrückspeisung den Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs. An
dem überwiegenden Teil der Komponenten des erfindungsgemäßen Technologiereglers
müssen hierzu keine Änderungen vorgenommen werden. Nur die Kraftschlußregelung muß
für eine Fahrt mit negativer Differenzgeschwindigkeit ausgelegt sein. Dies ist aber kein
grundsätzliches Problem, da die Kraftschlußkennlinie näherungsweise punktsymmetrisch
zum Ursprung verläuft.
In Fig. 9-11 soll die Wirksamkeit der Erfindung in bezug auf die Schwingungsbedämpfung
im Vergleich zur konventionellen PI-Drehzahlregelung anhand von
Simulationsergebnissen dargestellt werden. Fig. 9 zeigt den gemeinsamen Eingabevektor
für die beiden gezeigten Simulationen (Fig. 10, 11). Er besteht aus dem Sollwert für die
Motordrehzahl n₁* und den Lastmomenten an den beiden Rädern ML1, ML2. Der
Simulation liegen die Daten eines mechanischen Antriebsstranges der Baureihe 120
zugrunde. Die Drehmomente werden auf das Nennmoment von 36 188 Nm normiert. Die
Wahl der Testfunktionen geschah im Hinblick auf die Verdeutlichung des Führungs- und
Störverhaltens der Antriebsanlage. Zum Zeitpunkt t=0,1 s wird mit dem Sollwertsprung
ω₁* das Führungsverhalten des Systems getestet. Bei den späteren Sprüngen der
Lastmomente ML1, ML2 wird das Störverhalten ermittelt.
Fig. 10 zeigt das dynamische Verhalten der erfindungsgemäßen Lösung mit Schätzeinrichtung
und Antriebsstrangbedämpfungsregler, während dies in Fig. 11 für die
konventionelle PI-Drehzahlregelung wiedergegeben wird. Der PI-Regler wurde hier nach
dem anerkannten Verfahren des symmetrischen Optimums ausgelegt.
Beim Sollwertsprung zum Zeitpunkt t=0,1 s kann bei der konventionellen Lösung
(Fig. 11) besonders in den Wellenmomenten M₁₂ und M₂₃ eine länger anhaltende, schwach
gedämpfte Schwingung mit der ersten Eigenfrequenz von ca. 20 Hz beobachtet werden.
Dagegen wird bei dem Simulationsergebnis der erfindungsgemäßen Lösung diese
Schwingung nach kurzer Zeit eliminiert.
Beim Belastungssprung, simuliert durch die Anhebung der beiden Lastmomente auf
jeweils 50% des Nennmomentes zum Zeitpunkt t=0,5 s, wird ebenfalls die erste
Eigenfrequenz angeregt. Wieder ist das Dämpfungsverhalten in Fig. 10 deutlich besser als
in Fig. 11. Bei dem Belastungssprung auf ML1 = 75% MN und ML2 = 25% MN zum Zeitpunkt
t=1 s wird dagegen die 2. Eigenfrequenz angeregt. Auch die Torsionsschwingung wird
bei der erfindungsgemäßen Lösung besser gedämpft als bei der konventionellen Lösung.
Claims (9)
1. Verfahren zur Kraftschlußregelung mit Torsionsschwingungsunterdrückung im
Antriebsstrang für Triebfahrzeuge mit stromrichtergespeisten Fahrmotoren, die genügend
kurze Luftspaltdrehmoment-Anregelzeit aufweisen, unter ausschließlicher Messung von
Ständerströmen und -spannungen sowie der Fahrmotordrehzahl mit Vorgabe der
Sollzugkraft (Fz*), dadurch gekennzeichnet, daß ein Technologieregler mit Schätzeinrichtung
für die mechanischen Größen des Antriebsstranges, der durch ein m-Massen-n-
Feder-System mit m3 und n2 beschrieben werden kann, existiert, der einen Sollwert
für das Luftspaltmoment(Mi*) so vorgibt, daß einerseits die Dämpfung des
Antriebssystems aktiv vergrößert und andererseits das mittlere Luftspaltmoment (i) eine
Größe hat, die das Fahren auf dem gewünschten Arbeitspunkt der Kraftschlußkennlinie
ermöglicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Schätzeinrichtung,
in der das mathematische Modell des Antriebsstranges in Echtzeit simuliert
wird, aus der gemessenen Fahrmotordrehzahl (n₁) und dem Luftspaltmoment des
Fahrmotors (i) die Wellenmomente in der Hohlwelle (₁₂) und der Radsatzwelle (₂₃)
des Antriebsstranges und gegebenenfalls die Raddrehzahlen (ñ₂, ñ₃) bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschätzten
bzw. gemessenen Größen einem Antriebsstrangbedämpfungsregler zugeführt werden, der
diese Größen zusammen mit der Solldrehzahl des Fahrmotors (n₁*) so gewichtet, daß ein
Luftspalt-Sollmoment (Mi*) entsteht, welches die Torsionsschwingungen im Antriebsstrang
aktiv dämpft und damit die Lebensdauer seiner mechanischen Komponenten erhöht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur aktiven
Bedämpfung der Eigenschwingungen mit den Eigenkreisfrequenzen (ω₁, ω₂) die geschätzten
Drehmomente (₁₂, ₂₃) mittels gleitender Fourieranalyse in ihre Fourier-Koeffizienten
zerlegt werden, indem ein Vektor F = [sin ω₁·t, cos ω₁·t, sin ω₂·t, cos ω₂·t] mit Kosinus-
und Sinuszeitfunktionen der 1. und 2. Eigenkreisfrequenz des Antriebsstranges (ω₁, ω₂)
erzeugt und mit beiden Wellenmomenten multipliziert wird, wobei die so erhaltenen
Fourier-Koeffizienten nach gleitender Integration und Glättung mit den Sollwerten getrennt
verglichen und die vom Regler aus der Regelabweichung ermittelten Stellgrößen in den
Zeitbereich zurücktransformiert und in invertierter Form dem Drehmoment-Sollwert (Mi*)
aus dem Drehzahlregler hinzuaddiert werden.
5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß im
geschätzten Radsatzmoment eine Torsionsschwingung der 2. Eigenfrequenz des
Antriebsstranges oberhalb eines festgelegten Schwellwertes als Zeichen für einen
unzulässigen Betrieb jenseits des Kraftschlußmaximums erkannt und die Differenzgeschwindigkeit
zwischen Rad und Schiene über das mittlere Luftspaltmoment so
reduziert wird, daß sich ein Betriebspunkt ohne Torsionsschwingungen im stabilen Bereich
der Kraftschlußkennlinie einstellt.
6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß im
Augenblickswert des Luftspaltmomentes die Wechselkomponente identifiziert und das
mittlere Luftspaltmoment in Abhängigkeit von der Amplitude der Wechselkomponente
reduziert wird, bis diese weitgehend verschwindet.
7. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
aufgrund der geschätzten Größen die Dämpfung der Torsionsschwingung in der
Radsatzwelle identifiziert wird und zur Bestimmung der Steigung der Kraftschlußkennlinie
im aktuellen Betriebspunkt verwendet wird, um damit durch Veränderung der
Differenzgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene über das Luftspaltmoment einen
Arbeitspunkt mit gewünschter Steigung auf der Kraftschlußkennlinie einstellen zu können,
der einen gewünschten Kompromiß aus Kraftschluß und Radreifenverschleiß darstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt des
berechneten Istwertes des Luftspaltmomentes des Fahrmotors (Mi) ein gefilterter Sollwert
des Luftspaltmomentes (Mi*) genommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bremsbetrieb
des Triebfahrzeugs in entsprechender Weise ein gewünschter Betriebspunkt auf der
Kraftschlußkennlinie mit negativer Differenzgeschwindigkeit bzw. negativer Steigung
eingestellt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944435775 DE4435775C2 (de) | 1994-10-06 | 1994-10-06 | Verfahren zur Kraftschlußregelung mit Torsionsschwingungsunterdrückung im Antriebsstrang für Triebfahrzeuge mit stromrichtergespeisten Fahrmotoren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944435775 DE4435775C2 (de) | 1994-10-06 | 1994-10-06 | Verfahren zur Kraftschlußregelung mit Torsionsschwingungsunterdrückung im Antriebsstrang für Triebfahrzeuge mit stromrichtergespeisten Fahrmotoren |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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