DE4435775C2 - Verfahren zur Kraftschlußregelung mit Torsionsschwingungsunterdrückung im Antriebsstrang für Triebfahrzeuge mit stromrichtergespeisten Fahrmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE 25 03 703 B2 bekannt.

Es erfolgt somit 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 z. B. aus 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 Schwingungs­ knoten in der Hohlwelle während mit der zweiten Eigenfrequenz f₂ die Radsatzwelle tordiert wird. Torsionsschwingungen können angeregt werden durch den zeitvarianten Kraftschluß im Rad-Schiene-Kontakt oder durch den Fahrmotor. Durch geeignete mechanische Dämpfungs­ elemente 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 gefürchteteten 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 29 497 A1 und DE 42 25 683 A1 basieren auf einer konventionellen P- oder PI- Drehzahlregelung der Fahrmotordrehzahl. Auch bei der Struktur der Regelung nach DE 42 24 581 C1 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 24 06 479 B2 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 Schwingungs­ amplitude 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 Torsionschwingungen eines elastischen Systems ist aus der Literatur prinzipiell bekannt. Meist wird der Antriebsstrang als Zweimassenschwinger modelliert wie z. B. in DE 23 54 655 B1. 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 liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, um 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 obengenannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Also im wesentlichen durch einen Technologieregler (1) gemäß Fig. 1, bestehend aus einer Schätzeinrichtung (2) für die mechanischen Größen des Antriebsstranges, einer Berechnung des Luftspaltmomentes _i (5), einer aktiven Antriebsstrangbedämpungsregelung (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 Drehzahlreglung 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 Luftspaltmomentbeinflussung 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 F_Z*, die entweder der Triebfahrzeugführer oder eine automatische Fahr- und Bremssteuerung vorgibt. Ausgegeben wird der Sollwert für das Luftspaltmoment des Fahrmotors M_i*. Die Kraftschlußregelung beeinflußt vornehmlich den Mittelwert M_i* des Sollwertes M_i*, um einen Arbeitspunkt im gewünschten Bereich der Kraftschlußkennlinie (Fig. 2) einstellen zu können. Dagegen beeinflußt der aktive Antriebsstrangbedämpfungsregler den Augenblickswert bzw. die Wechselanteile von M_i* 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 detaillierteren Ausführungsbeispiele beziehen sich auf dieses Übersichtsbild.

Da es, wie oben ausgeführt, sinnvoll ist, das schwingungsfähige System des 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 den 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 1. Anhand dieser beiden Figuren soll die Wirkungsweise beschrieben werden. Eingangsgrößen sind der berechnete Wert des Luftspaltmomentes M_i 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 ₁, ₂ und ₃ (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 Luftspalt­ momentschätzwertes M_i (55) mit zwei Addierern (56, 57) hinzuaddiert.

Zur Erhöhung der Systemdämpfung werden im aktiven Antriebsstrangbedämpfungsregler nicht nur wie beim konventionellen Drehzahlregler die Fahrmotoristdrehzahl und Fahr­ motorsolldrehzahl 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 Antriebs M_i*. 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 2 dargestellt. Sie soll anhand des Ausführungsbeispiels in Fig. 7 erläutert werden. Der Resonator 70 erzeugt einen Vektor aus Kosinus- und Sinuszeitfunktionen

E = [sinω₁t, cosω₁t, sinω₂t, cosω₂t]

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 Fourierkoeffizenten-Sollwerten für M ₁₂* und M ₂₃* 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 M_i* der Antriebssteuerung (6).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung im Bezug auf einen Betrieb im stabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie ist im Patentanspruch 3 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 instabilen Bereich vollführt die Radsatzwelle zunehmend Eigenschwingungen mit der zweiten von null verschiedenen Eigenfrequenz f₂. Diese kann anhand von M₂₃ 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 F_Z* in ein Solldrehmoment M* umgerechnet. Dieses wird mit dem berechneten Istwert M_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 v_Rad*, der über den Faktor k_N (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 F_Z*. 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 im Bezug auf einen Betrieb im stabilen Bereich der Kraftschlußkennlinie ist im Patentanspruch 4 gegeben. Durch die Integration eines Antriebsstrangbedämpfungsreglers in den Technologieregler hat der Sollwert für das Luftspaltmoment M_i* 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 F_Z* 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 5 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 zu maximalen Kraftschlußausnutzung bei elektrischen Triebfahrzeugen", VDI-Verlag, Düsseldorf 1992, S. 82 ff.) Heute sind Identifikationsverfahren bekannt (z. B. Isermann, R. "Identifikation dynamischer Systeme 2", 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 Kraft­ schlußkennlinie 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 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 6 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 7 ausgestaltet sein, weil 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 im 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 den Motordrehzahl n₁* und den Lastmomenten an den beiden Rädern (M_L1, M_L2). Der Simulation liegen die Daten eines mechanischen Antriebsstranges der Baureihe 120 zugrunde. Die Drehmomente werden auf das Nennmoment von 36188 Nm nomiert. 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 M_L1, M_L2 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 M_L1 = 75% M_N und M_L2 = 25% M_N zum Zeitpunkt t = 1 s wird dagegen die 2. Eigenfrequenz angeregt. Auch diese Torsionsschwingung wird bei der erfindungsgemäßen Lösung besser gedämpft als bei der konventionellen Lösung.

Claims (7)

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 (F_Z*), gekennzeichnet durch

• 1. einen Technologieregler (1), der einen Sollwert für das Luftspaltdrehmoment (M_i*) vorgibt, wobei der Technologieregler (1) enthält:
  • 1. eine Schätzeinrichtung (2), in der das mathematische Modell des Antriebsstranges, der durch ein m-Massen-n-Feder-System mit m ≧ 3 und n ≧ 2 beschrieben werden kann, in Echtzeit simuliert wird und
  • 2. aus der gemessenen Fahrmotordrehzahl (n₁) und dem berechneten Istwert des Luftspaltmomentes des Fahrmotors (M_i) Wellenmomente des Antriebsstranges und gegebenenfalls die Raddrehzahlen (₂, ₃) bestimmt werden,
  • 3. einen aktiven Antriebsstrang-Bedämpfungsregler (3), dem die geschätzten bzw. gemessenen Größen zugeführt werden und der diese Größen zusammen mit der Solldrehzahl des Fahrmotors (n₁*) gewichtet und Wechselanteile des Sollwertes des Luftspaltmoment (M_i*) vorgibt zur aktiven Dämpfung der Torsionsschwingungen des Antriebssystems,
  • 4. einen Kraftschlußregler (4), der im wesentlichen den Mittelwert M_i* des Sollwertes M_i* so beeinflußt, daß ein gewünschter, stabiler Arbeitspunkt bzw. -bereich der Kraftschlußkennlinie eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, 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 = [cos ω₁t, sin ω₁t, cos ω₂t, sin ω₂t] mit Kosinus- und Sinuszeitfunktionen der 1. und 2. Eigenkreisfrequenz des Antriebsstranges (ω₁, ω₂) erzeugt (70) und mit beiden Wellenmomenten multipliziert (711, 712) wird, wobei die so erhaltenen Fourier-Koeffizienten nach gleitender Integration (721, 722) und Glättung (731, 732) mit den Sollwerten getrennt verglichen und die vom Regler (751, 752) aus der Regelabweichung ermittelten Stellgrößen in den Zeitbereich zurücktransformiert (761, 762) und in invertierter Form dem Drehmoment-Sollwert M_i* aus dem Drehzahlregler (78) hinzuaddiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im geschätzten Radsatzmoment eine Torsionsschwingung der 2. Eigenfrequenz des Antriebsstranges oberhalb eines festgelegten Schwellwertes (82) 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.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 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.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 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 Kraftschluß­ kennlinie einstellen zu können, der einen gewünschten Kompromiß aus Kraftschluß und Radreifenverschleiß darstellt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt des berechneten Istwertes des Luftspaltmomentes des Fahrmotors M_i ein gefilterter Sollwert des Luftspaltmomentes M_i* genommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bremsbetrieb des Triebfahrzeugs in entsprechender Weise ein gewünschter Betriebspunkt auf der Kraftschlußkennlinie mit negativer Differenzgeschwindigkeit bzw. negativer Steigung eingestellt wird.