Steuereinrichtung und Verfahren für die Ansteuerung eines Aktuators zur Betätigung von Bremsmitteln eines Fahrzeuges, insbesondere eines

Schienenfahrzeuges

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für die Ansteuerung mindestens eines Aktuators zur Betätigung von Bremsmitteln eines Fahrzeuges, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, bei welcher ausgehend von einem über einen ersten Sensor gemessenen Istwert eines aktuellen Bremsdrucks p _B oder einer aktuellen Anpresskraft F _B des mindestens einen Aktuators zum Anpressen an die Bremsmittel eine

Anpressgrößenregelung nach Maßgabe eines hierfür vorgegebenen Sollwerts eine Stellgröße für den mindestens einen Aktuator bestimmt, und bei welcher aber auch ausgehend von einem über einen zweiten Sensor gemessenen Istwert einer aktuellen Verzögerungskraft F _v oder eines aktuellen Verzögerungsmoments M _v an den

Bremsmitteln eine Bremsmomentenregelung nach Maßgabe eines hierfür

vorgegebenen Sollwerts eine Stellgröße für den mindestens einen Aktuator bestimmt. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Schienenfahrzeug mit mindestens einem Wagen, welches mit einer solchen Steuereinrichtung zur Bremsbetätigung ausgestattet ist sowie auch ein Verfahren zum Betrieb der eine spezielle Regelung umsetzenden Steuereinrichtung, welches auch als ein Com puterprogramm produkt ausgebildet sein kann.

Das vornehmliche Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf den

Schienenfahrzeugbau. Hier kommen pneumatische, elektromechanische oder elektromagnetische Aktuatoren zum Einsatz, welche die Bremsmittel des Fahrzeugs, beispielsweise eine Scheibenbremse, betätigen. An die Bremsbetätigung werden hohe Sicherheitsanforderungen gestellt und ein Bremsvorgang ist entsprechend einer definierten Sollwertvorgabe zuverlässig reproduzierbar auszuführen. Um diesen Anforderungen zu genügen, kommen in der Praxis Bremsansteuerungen mit verschiedenen Regelalgorithmen zur Anwendung, vornehmlich eine

Bremsmomentenregelung oder aber auch eine Anpressgrößenregelung. Bei einer Bremsmomentenregelung wird die Wirkung der Bremsung durch einen an den Bremsmitteln, vorzugsweise der Bremsscheibe, angeordneten Bremsmomentensensor oder Bremskraftsensor, dessen Messwert über den wirksamen Radius ebenfalls in einen Bremsmoment umrechenbar ist, ermittelt. Es wird nach dem erzeugten

Bremsmoment geregelt.

Bei einer Anpressgrößenregelung wird dagegen die vom Aktuator auf die Bremsmittel ausgeübte Anpresskraft oder - insbesondere im Falle pneumatischer Aktuatoren - der aktuelle Bremsdruck gemessen, nach welchem geregelt wird. Auch hierbei ist der Bremsdruck über die wirksame Fläche in die aktuell wirkende Anpresskraft proportional umrechenbar.

Aus der EP 2 890 596 B1 geht eine gattungsgemäße Steuereinrichtung für die

Ansteuerung eines Aktuators hervor, welche hier im Sinne einer dezentralen

Steuerungsarchitektur direkt im Bremsaktuator implementiert ist. Eine Sollwertvorgabe erfolgt allerdings von zentraler Stelle her, nämlich über eine wagenweise vorgesehene Bremssteuerung. Die dezentral im Bremsaktuator angeordnete Steuereinrichtung umfasst eine Sollwertregelungseinrichtung, die entsprechend des vorgegebenen Sollwerts einer Verzögerungsgröße F _v oder M _v einen Stellwert für den Aktuator generiert, welcher diesen Stellwert in eine Anpressgröße umsetzt. Nachfolgende Bremsmittel setzen diesen Istwert der Anpressgröße wiederum zum Abbremsen des Fahrzeugs in eine Verzögerungsgröße um. Im Rahmen der Regelung ist ein erster Sensor vorgesehen, der den Istwert der Anpressgröße ermittelt; ein zweiter Sensor ermittelt den Istwert der Verzögerungsgröße. Die Sollwertregelungseinrichtung ist geeignet ausgebildet, bei vorbestimmten Betriebsbedingungen des Fahrzeugs zur Regelung der Verzögerungsgröße den Stellwert so einzustellen, dass der erfasste Istwert der Verzögerungsgröße dem Sollwert der Verzögerungsgröße entspricht.

Außerdem ist die besagte Sollwertregelungseinrichtung auch dafür geeignet

ausgebildet, bei weiteren vorbestimmten Betriebsbedingungen des Fahrzeugs - beispielsweise in dessen Stillstand - zur Regelung der Anpressgröße den Stellwert so einzustellen, dass der erfasste Istwert der Anpressgröße einem vorgegebenen Sollwert derselben entspricht. Somit führt die dezentral im Bremsaktuator angeordnete

Sollwertregelungseinrichtung - je nach Betriebsbedingungen des Fahrzeugs - sowohl eine Bremsmomentenregelung als auch eine Anpressgrößenregelung durch. Bei diesem Stand der Technik wird somit bremsaktorweise zwischen Anpress- und

Verzögerungsgrößenregelung, je nach unterschiedlichen Betriebsbedingungen, aktiv umgeschaltet.

Nachteilhaft hierbei ist, dass die von der besagten Sollwertregulierungseinrichtung verarbeiteten oder berechneten Regelungsgrößen, wie beispielsweise die

sensortechnisch ermittelten Istwerte und die im Rahmen der Regelung jeweils berechneten Stellwerte zum Ausgleich der Sollwertabweichung, nicht an zentraler Stelle gebündelt und dort nutzbar gemacht werden können, beispielsweise zwecks

Plausibilitätsprüfungen, Wirküberwachungen und dergleichen. Zudem ist die in lokalen Bremsaktuatoren integrierte Rechenkapazität oftmals begrenzt, so dass komplexe Regelungsfunktionen oder die vorstehend erwähnten Zusatzfunktionen dort nicht durchführbar sind. Sollte zudem eine Beschädigung des Bremsaktuators auftreten, so können beide Regelkreise, nämlich die Bremsmomentenregelung und die

Anpressgrößenregelung, davon betroffen sein, so dass im Extremfall nur noch auf eine demgegenüber unkomfortable Notbremsfunktion zurückgegriffen werden könnte.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße

Steuereinrichtung für die Ansteuerung mindestens eines Aktuators zur Betätigung von Bremsmitteln eines Fahrzeuges beziehungsweise ein hiervon durchgeführtes Verfahren zum Betrieb derselben dahingehend weiter zu verbessern, dass ein größerer

Funktionsumfang sowie eine höhere Ausfallsicherheit realisierbar ist.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. H insichtlich auf ein diese Steuereinrichtung enthaltenes Schienenfahrzeug wird auf die

nebengeordneten Ansprüche 4 und 5 verwiesen. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 6 gelöst und der Anspruch 10 gibt ein das Verfahren verkörperndes Com puterprogramm produkt an. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine spezielle kaskadierende Regelung vorgesehen ist, bei welcher die Anpressgrößenregelung einen inneren Regelkreis bildet, wobei die Bremsmomentenregelung in einer separat und örtlich getrennt hiervon ausgeführten Bremsmomentenregeleinheit angeordnet ist und einen äußeren Regelkreis bildet. Dabei führt der äußere Regelkreis eine vor dem inneren Regelkreis priorisierte Ansteuerung des mindestens einen Aktuators durch, wobei ferner der äußere Regelkreis unter bestimmten Betriebsbedingungen des Fahrzeugs abschaltbar ist, so dass infolgedessen der innere Regelkreis automatisch den

mindestens einen Aktuator ansteuert.

Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß eine kasdadierte Regelung geschaffen, welche nicht nur einer Priorisierung des äußeren Regelkreises vor dem inneren

Regelkreis unterworfen ist, sondern auch eine örtliche Trennung der die beiden

Regelkreise umsetzenden Baueinheiten vornimmt. Hierdurch wird gegenüber dem Stand der Technik ein hohes Maß an Ausfallsicherheit erzielt und es wird nicht allein die Rechenkapazität einer einzigen Baueinheit mit der Erfüllung der regelungstechnischen Funktionen belastet, so dass gegebenenfalls auch weitere steuerungstechnische Zusatzfunktionen im Rahmen der erfindungsgegenständlichen Steuerungs- und

Regelungsarchitektur durchführbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist im Normalbetrieb des Fahrzeugs, der einen normalen Bremsfall beinhaltet, der äußere Regelkreis zur Ansteuerung des mindestens einen Aktuators mit Priorität vor dem inneren Regelkreis vorgesehen. Es erfolgt im Normalbetrieb also bremsmomentengeregelte Bremsung. Unter bestimmten

Betriebsbedingungen des Fahrzeugs, welche auch bestimmte Fahrzustände beinhalten, ist das Bremsmoment als Istwert für die Bremsmomentenregelung jedoch nicht messbar, beispielsweise bei Stillstand des Fahrzeuges. Tritt ein solcher Fall auf, so wird der äußere Regelkreis abgeschaltet und infolgedessen übernimmt automatisch der innere Regelkreis die Ansteuerung des Aktuators, welcher eine Anpressgrößenregelung vornimmt, die auf einen gewöhnlich stets verfügbaren Messwert des aktuellen

Bremsdrucks oder der aktuell auf die Bremsmittel ausgeübten Anpresskraft basiert.

Denn beispielsweise auch im Stillstand des Fahrzeuges sind diese Messwerte ermittelbar. Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass vorzugsweise die Bremsmomentenregeleinheit oder die Anpressgrößenregeleinheit zur Nutzung des inneren Bremskreises den für die priorisierte Bremsmomentenregelung vorgesehenen Sollwert in einen für die Anpressgrößenregelung geeigneten Sollwert umrechnet, um die Sollwertvorgabe für den inneren Regelkreis bei abgeschaltetem äußeren Regelkreis in einfacher Weise zu gewährleisten. Eine separate

Sollwertvorgabe für den inneren Regelkreis kann somit entfallen.

Zur Verbesserung der Ausfallsicherheit wird vorgeschlagen, dass die

Bremsmomentenregeleinheit derart auf einer höheren Steuerungsebene als die

Anpressgrößenregeleinheit angeordnet ist, dass diese zur Nutzung in Verbindung mit mehreren Anpressgrößenregeleinheiten einer unteren Steuerungsebene ausgebildet ist. Insoweit ist keine 1 :1 -Zuordnung einer Bremsmomentenregeleinheit zu einer

Anpressgrößenregeleinheit erforderlich, woraus eine Einsparung an den zur Umsetzung der Erfindung erforderlichen gerätetechnischen Aufwand erzielt wird. Die bereits vorstehend erörterten bestimmten Betriebsbedingungen des Fahrzeuges oder

Fahrzustände, bei denen die Bremsmomentenregelung zugunsten der

Anpressgrößenregelung abgeschaltet wird, ist nicht allein auf den Zustand eines

Stillstandes des Fahrzeuges beschränkt. Auch andere zur Durchführung einer

Bremsmomentenregelung ungeeignete Bedingungen, wie ein Gleiten des Fahrzeugs oder eine Ausgabe offensichtlich fehlerhafter Regelungsgrößen, wie beispielsweise unplausibler Sensormesswerte oder außerhalb von Erwartungsbereichen liegende Stellgrößen, können zu einer Abschaltung der Bremsmomentenregelung führen, so dass im Rahmen der kaskadierten Regelung automatisch der innere Regelkreis die Ansteuerung des Aktuators per Anpressgrößenregelung übernimmt.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass insbesondere in der auf der höheren Steuerungsebene angesiedelten

Bremsmomentenregeleinheit steuerungstechnische Zusatzfunktionen ausgeführt werden, umfassend eine Plausibilitätsprüfung von Regelungsgrößen, eine

Wirküberwachung der Bremsmittelbetätigung, eine Datenübermittlung an mindestens eine andere Funktionseinheit, beispielsweise an eine Bremskraftverteilereinheit, Reibwerteberechnungseinheit oder Protokolliereinheit. So kann eine Plausibilisierung der sensortechnisch ermittelten Bremsmomentenmesswerte durch Vergleich mit den Messwerten mehrerer Anpressgrößenregeleinheiten durchgeführt werden. Eine

Wirküberwachung der Bremsmittelbetätigung kann dergestalt durchgeführt werden, dass beispielsweise Erwartungsbereiche eines Bremsweges mit der Realität verglichen werden, was auch für eine Verschleißüberwachung verwertbar ist. Außerdem kann eine Weiterverwendung von Regelungsgrößen durch andere Funktionseinheiten dergestalt stattfinden, dass eine im Rahmen des Bremssystems vorgesehene

Bremskraftverteilereinheit Rückinformationen über lokal realisierte Bremskräfte erhält oder eine Reibwertberechnungseinheit ausgehend von den Sensormesswerten den Rad-Schiene-Kontakt entlang des Zuges kalkuliert, so dass auch eine Abschätzung der Wirksamkeit einer Reibwertwiederherstellung vorgenommen werden kann.

Durch die Implementierung solcher steuerungstechnischen Zusatzfunktionen in die höhere Steuerungsebene wird die lokal auf der unteren Steuerungsebene begrenzt vorhandene Rechenkapazität geschont. Sowohl der Algorithmus der

Bremsmomentenregelung als auch der Algorithmus der Anpressgrößenregelung und gegebenenfalls vorgesehene steuerungstechnische Zusatzfunktionen lassen sich in Form eines Com puterprogramm produkts mit Programmcodemitteln realisieren, wobei die entsprechende Steuerungssoftware vorzugsweise verteilt ist auf die

Anpressgrößenregeleinheit sowie die Bremsmomentenregeleinheit, je nach

zugewiesener Funktion.

Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung kann prinzipiell aktor-, radsatz-, drehgestell- oder wagenweise arbeiten, vorzugsweise ist gemäß einer ersten

bevorzugten Ausführungsform allerdings vorgesehen, dass pro Aktuator, pro Radsatz oder pro Drehgestell eine insoweit radnahe Anpressgrößenregeleinheit angeordnet ist, wohingegen mindestens eine Bremsmomentenregeleinheit pro Wagen vorgesehen ist. Alternativ hierzu kann die mindestens eine Bremsmomentenregeleinheit auch noch zentraler, nämlich pro Schienenfahrzeug, vorgesehen werden. In diesem Fall ist die Bremsmomentenregeleinheit vorzugsweise im Leitfahrzeug des Schienenfahrzeuges angeordnet. In jedem Fall findet jedoch die Anpressgrößenregelung des inneren Regelkreises radnah in der zugeordneten Anpressgrößenregeleinheit statt. Es ist auch denkbar, dass im Rahmen der auf der höheren Steuerungsebene angeordneten zentralen Reglereinheit mehrere Bremsmomentenregler gleichzeitig laufen.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines aus einem einzigen Wagen bestehenden Schienenfahrzeugs mit hierin angeordneter Steuereinrichtung für die

Ansteuerung mehrerer Aktuatoren zur Betätigung von je zugeordneten

Bremsmitteln,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines aus mehreren Wagen bestehenden

Schienenfahrzeugs mit hierin angeordneter Steuereinrichtung für die

Ansteuerung mehrerer Aktuatoren zur Betätigung von je zugeordneten

Bremsmitteln, und

Fig. 3 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer im Rahmen der

Steuereinrichtung zur Anwendung kommenden kaskadierten Regelung für die Bremsmomentenregelung sowie die Anpressgrößenregelung auf verschiedenen Steuerungsebenen.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Schienenfahrzeug aus einem einzigen Wagen 1 , welcher mit zwei Drehgestellen 2a und 2b ausgestattet ist, die jeweils zwei Radsätze 3a und 3b - hier exemplarisch für das Drehgestell 2a bezeichnet - aufweisen, dessen Rädern je ein Aktuator 4a bzw. 4b zugeordnet ist, welche der Betätigung - hier nicht weiter

dargestellter - Bremsmittel dienen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die

exemplarischen Aktuatoren 4a und 4b als pneumatische Bremszylinder ausgebildet. Nachfolgend wird die Steuerungseinrichtung zur Bremsansteuerung für das Drehgestell 2a beschrieben; die Beschreibung gilt jedoch auch analog für das andere Drehgestell 2b.

Jedem Aktuator 4a und 4b ist eine insoweit radnahe Anpressgrößenregeleinheit 5a bzw. 5b zugeordnet. Eine im Rahmen der kaskadierten Regelung zum Einsatz kommende Bremsmomentenregeleinheit 6 ist zentral im Wagen 1 vorgesehen. Dabei können auch mehrere gleichartig ausgestattete Wagen 1 zu einem Zugverband verbunden werden.

Im Übrigen steht jede Anpressgrößenregeleinheit 5a bzw. 5b mit einem ersten Sensor 7a bzw. 7b zur Messung des Istwertes des aktuellen Bremsdrucks p _B für einen inneren Regelkreis in Verbindung. Demgegenüber steht die Bremsmomentenregeleinheit 6 mit einem zweiten Sensor 8a bzw. 8b zur Messung des aktuell von den Bremsmitteln an den Rädern ausgeübten Verzögerungsmoments M _v zur Realisierung des äußeren Regelkreises in Verbindung.

Nach Fig. 2 ist ein Schienenfahrzeug aus mehreren Wagen 1a bis 1 c gebildet, wobei hier je eine radnahe Anpressgrößenregeleinheit 5a’, 5b’ pro Aktuator 4a’, 4b’ vorgesehen ist. Diesen ist eine einzige Bremsmomentenregeleinheit 6’ pro

Schienenfahrzeug zugeordnet, die in einem vorderen als Leitfahrzeug dienenden Wagen 1 a angeordnet ist. Im Übrigen gleicht dieses Ausführungsbeispiel dem vorgehend beschriebenen Ausführungsbeispiel in analoger Weise.

Die Fig. 3 illustriert das Zusammenwirken mehrerer in lokalen Reglereinheiten 10a, 10b angeordneten inneren Regelkreisen einer niedrigen Steuerungsebene mit einem im wesentlichen in einer zentralen Reglereinheit 12 angeordneten äußeren Regelkreis einer höheren Steuerungsebene. Diese kaskadierte Regelung ist auf die beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele von Schienenfahrzeugen applizierbar.

Im Rahmen des ersten inneren Regelkreises ist der Aktuator 4a ein pneumatischer Bremszylinder, dessen Anpresskraft auf Bremsmittel 9a in Form einer an sich bekannten Scheibenbremsanordnung wirkt. Dabei misst ein erster Sensor 7a den Istwert des aktuellen Bremsdrucks p _B , den der Aktuator 4a zum Anpressen auf die Bremsmittel 9a ausübt. Der vom ersten Sensor 7a ermittelte Messwert wird einem in einer Anpressgrößenregeleinheit 5a hinterlegten Algorithmus einer

Anpressgrößenregelung als Istwert zugeführt, welche nach Maßgabe eines

vorgegebenen Sollwerts eine Stellgröße ST _! für den Aktuator 4a ermittelt, also eine Druckerhöhung oder

-Verminderung zum Ausgleich der auftretenden Regeldifferenz. Diese

Anpressgrößenregelung der Anpressgrößenregeleinheit 5a bildet im Rahmen dieser kaskadierten Regelung den inneren Regelkreis.

Demgegenüber wird der äußere Regelkreis durch eine Bremsmomentenregelung gebildet, welche über einen zweiten Sensor 8a das aktuelle Verzögerungsmoment M _v an den Bremsmitteln 9a misst und einer Bremsmomentenregeleinheit 6 zur Verfügung stellt. Die Bremsmomentenregeleinheit 6 ist gegenüber den je radweise zugeordneten inneren Regelkreisen 10a und 10b auf einer höheren Steuerungsebene angeordnet und mit dieser per Datenbusleitung 1 1 zwecks bidirektionaler Kommunikation verbunden.

Die Bremsmomentenregeleinheit 6 ermittelt zum Ausgleich der Regeldifferenz eine Stellgröße ST ₂ , welche im Normalbetrieb zur Ansteuerung des Aktuators 4a vorgesehen ist, und diesem über die Anpressgrößenregeleinheit 5a weitergeleitet wird.

Gemäß der Funktion der kaskadierten Regelung nimmt der äußere Regelkreis eine vor dem inneren Regelkreis priorisierte Ansteuerung des Aktuators 4a bzw 4b vor, wobei der radfern angeordnete äußere Regelkreis unter bestimmten Betriebsbedingungen des Fahrzeuges abschaltbar ist, so dass infolgedessen automatisch der innere Regelkreis jedes Aktuators 4a, 4b die Ansteuerung übernimmt.

Die zentral positionierte Bremsmomentenregeleinheit 6 der höheren Steuerungsebene ist bei diesem Ausführungsbeispiel mehreren Anpressgrößenregeleinheiten 5a und 5b als gemeinsamer äußerer Regelkreis zugeordnet.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es

beispielsweise auch möglich, dass innerhalb einer Bremsmomentenregeleinheit mehrere Bremsmomentenregelungs-Algorithmen parallel ausgeführt werden und auch mehr als zwei lokale Anpressgrößenregeleinheiten einer zentralen

Bremsmomentenregeleinheit zugeordnet sind. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt darüber hinaus auch Architekturen, bei welchen Räder von Fahrzeugen bremsbetätigt werden, die nicht im Rahmen eines Drehgestells angeordnet sind.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Wagen

2 Drehgestell

3 Radsatz

4 Aktuator

5 Anpressgrößenregeleinheit

6 Bremsmomentenregeleinheit

7 erster Sensor

8 zweiter Sensor

9 Bremsmittel

10 lokale Reglereinheit

11 Datenbusleitung

12 zentrale Reglereinheit p _B Istwert des Bremsdrucks

F _B Istwert der Anpresskraft

F _v Istwert der Verzögerungskraft

M _v Istwert des Verzögerungsmoments

ST^ Stellgröße der Anpressgrößenregelung

ST ₂ Stellgröße der Bremsmomentenregelung

S _v Sollwert für die Bremsmomentenregelung

S _B Sollwert für die Anpressgrößenregelung