| DE3902846A1 | 1990-08-02 | |||
| EP0218839A2 | 1987-04-22 |
| 1. | P> P a t e n t a n s p r ü c h e 1 Verfahren zur Regelung der Antriebs- und/oder Bremskraft der Fahrmotoren eines Triebfahrzeuges an der Kraftschlußgrenze der Räder, bei dem der Übergang in den instabilen Schlupfbereich anhand der einsetzenden stärkeren Radbeschleunigung (-Verzögerung) ermittelt, der Radsatz oder die Radsatzgruppe dann durch Reduzierung der Antriebs- bzw. Bremskraft wieder über das Kraftschlußmaximum hinweg in den stabilen Schlupfbereich zurückgeführt wird und anschließend die Antriebs- bzw. Bremskraft wieder eine Steigerung erfährt, u.s.w., für eine mit einem Integrator (13) als Pseudolaufachse arbeitenden Anordnung bei der jeweils die Drehzahldifferenz (Δn) zwischen der Ausgangsgröße des Integrators (13) und der Achsdrehzahl (f ) einer zugeordneten Treibachse als Maß des Radschlupfes dient und zur Reduzierung des Antriebs- oder Bremsmomentes ausgewertet wird und jeweils mittels einer Differenziervorrichtung(22) über die erste zeitliche Ableitung der Drehzahldifferenz (d n/dt) der Übergang in den instabilen Schlupfbereich anhand der einsetzenden stärkeren Beschleunigung erfaßt und beim Auslösen einer Grenzwertstufe (43) dem Integrator (13) eine zusätzliche, dem zugeführten Sollwert für die Beschleunigung bzw. Verzögerung entgegenwirkende Eingangsgröße bis zum Rücklauf in den stabilen Schlupfbereich aufgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der durch Auswertung der Drehzahldifferenz (Δn) bewirkten Reduzierung der Antriebs- bzw. Bremskraft eine weitere Reduzierung wirksam wird, die von der jeweils maximal erreichten Höhe der ersten zeitlichen Ableitung (dΔn/dt) der Drehzahldifferenz ( n) abhängig ist. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der über einen Schwellenwert hinausgehende Anteil der ersten zeitlichen Ableitung (dΔn/dt) in einem Maxi mal Wertspeicher (81) festgehalten und mit einer Abklingfunktion wieder gegen Null zurückgeführt wird, sobald und solange der zeitliche Verlauf der ersten zeitlichen Ableitung (d n/dt) das Maximum und den jeweiligen Wert der Abklingfunktion wieder unterschreitet. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abklingfunktiont/T eine Exponentialfunktion f=U*e wie bei der Entladung eines Kondensators ist. |
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Antriebs- und/oder
Bremskraft der Fahrmotoren eines Triebfahrzeuges an der Kraftschlußgrenze der Räder, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist. Ein derartiges Verfahren ist bereits bekannt (DE-PS 34 07 309). Durch ergänzende Maßnahmen für ein genaueres Finden des richtigen Zeitpunktes zur Beendigung der zusätzlichen Eingangsgröße am Integrator (DE-PS 38 37 908) und die Einführung von
Reizimpulsen zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit auf verölten oder anderweitig verschmierten Schienenoberflächen (DE-PS 39 02 846) kann das bekannte Verfahren weiter verbessert werden.
Es gibt jedoch noch weitere Betriebszustände, auf die auch damit nur unbefriedigend reagiert werden kann. Dies sind Verläufe mit sehr schnell bzw. schlagartig zusammenbrechendem Kraftschluß auf den Schienen. Dazu gehören u.a. das Auflaufen des Radsatzes von trockener Schiene auf einen nassen oder geschmierten Bereich, wobei das Kraftschlußmaximum plötzlich auf die Hälfte oder noch weniger abnimmt oder das Anfahren aus dem Stand oder bei kleiner
Geschwindigkeit auf Schienenoberflächen mit sehr steilem Abfallen des Kraftschlusses schon mit kleinem Schlupf (Wasser mit Sand, Rost). In diesen Fällen ist das Reduzieren der Antriebskkraft vom A n-Verlauf her zu langsam und es entstehen unerwünscht große Radschlüpfe, die erst allmählich unter Zugkraftverlust wieder ausgeregelt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, Zugkraftverluste auch für diese Sonderfälle auszuschließen bzw. zu minimieren.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Anhand der Zeichnungsfigur wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Blockschaltbild für die Regelung einer Treibachse mit einem wechselrichtergespeisten Fahrmotor. Mit 1 ist ein Wechselrichter bezeichnet, der einen Drehstrom fahrmotor 2 speist. Die Achsdrehzahl wird z.B. von einer Tachometermaschine 3 (oder einem Drehimpulsgeber mit Auswerter) erfaßt. An einen Eingang 4 ist der in der Antriebsregelung gebildete abgeleitete Sollwert für die Schlupffrequenz f„ .. des Motors gelegt. Am Anschluß 5 liegt anstelle einer echt gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund eine Pseudo-
Laufachsdrehzahl an, die in einem Differenzbildner 6 mit der gemessenen Achsdrehzahl aus der Tachometermaschine 3 verglichen wird. Die im Differenzbildner 6 ermittelte Drehzahldifferenz wird in einem Multiplizierer 7 mit einem geeigneten, am Anschluß 8 eingegebenen konstanten oder von Geschwindigkeit und/oder Zugkraft abhängigen Faktor bewertet. Der erhaltene Wert wird in einer Subtraktionsstelle 9 vom Sollwert der Motorschlupffrequenz f„ .. abgezogen und wird als Drehmomentsollwert verwendet. In einem Summierer 10 wird als Summe aus Achsdrehzahl f und gewünschter Motorschlupffrequenz die
Wechselrichterfrequenz als Ständerfrequenz des Fahrmotors 2 gebildet.
Dem Anschluß 1 1 wird der Sollwert der erwarteten Beschleunigung bzw. Verzögerung zugeführt, abgeleitet aus der Zug- bzw. Bremskraft und der Fahrzeugmasse. In Lokomotiven ist hierfür die Anhängelast zu berücksichtigen, was mit einer automatischen Adaptierung erfolgen kann. Dieser Sollwert wird in einem
Integrator 13, der als Pseudolaufachse fungiert, zu einem Drehzahlwert integriert. Der Integrator 13 ist dabei so eingestellt, daß er um einen kleinen Toleranzbereich schneller integriert, als es der wahren Fahrzeugbeschleunigung entspricht, so daß die Pseudo- Laufachsdrehzahl der Fahrzeug-Istgeschwindigkeit langsam davonlaufen würde. Der Integrator 13 erhält deshalb eine zusätzliche Rückführung über einen
Komparator 14, die Schaltstellen 15 und 16, sowie die Einweggleichrichter 17, 18 oder andere, jeweils nur Signale einer Polarität durchlassende Anordnungen, sowie ein Additionsglied 12. Im Komparator 14 wird der Integratorausgang, d.h. die Pseudo- Laufachsdrehzahl mit der Drehzahl einer wirklichen Achse verglichen. Positive Differenz (d.h. die Pseudolaufachse läuft schneller) wird nur im
Betriebszustand "Fahren" (15 geschlossen) über Einweggleichrichter 17 an den Integrator 13 gegeben und steuert dann die Pseudolaufachse herunter, bis diese mit
der Drehzahl der wirklichen Achse übereinstimmt. Negative Differenz (d.h. Pseudolaufachse läuft langsamer) und wird im Zustand "Bremsen " (16 geschlossen) über Einweggleichrichter 18 an den Integrator 13 gegeben und steuert dann die Pseudolaufachse aufwärts, bis Übereinstimmung mit der wirklichen Achse vorliegt. Hierdurch wird der Integratorausgang, solange die wirkliche Achse rollt, nicht mehr beschleunigt oder verzögert als das Fahrzeug. Die Drehzahlwerte stimmen überein, und am Differenzbildner 6 treten keine Drehzahldifferenzen auf.
Bei auftretendem Radschlupf wird im Zustand "Fahren" die Achse letztlich stärker beschleunigen als das Fahrzeug oder der Integrator. Der Integrator 13 kann jetzt nicht über die Rückführung mitgenommen werden, weil Einweggleichrichter 17 ein Signal negativer Polarität nicht durchläßt. Es entsteht am Differenzbildner 6 eine Drehzahldifferenz, wie zwischen Treibachse und einer echten Laufachse.
Beim Bremsen kehrt sich die Polarität der Differenz um, wodurch das
Rückführungssignal über 16, 18 geleitet wird. Das an dem Differenzbildner 6 auftretende Drehzahldifferenzsignal steuert dann, wie zu den Bezugszeichen 1 bis 10 beschrieben, das Drehmoment und damit die Zug-/ bzw. Bremskraft des Fahrmotors.
Jetzt hat z.B. die Pseudo- Lau fachsdrehzahl bereits einen Wert erreicht, der nicht mehr der Geschwindigkeit über Grund, sondern dem einer sich bereits mit einem Schlupf auf der Schiene drehenden Achse entspricht, wie er zur Übertragung der maximalen möglichen Zugkraft notwendig ist. Während der Entstehung dieses Schlupfes, d.h. vom reinen Rollen der Treibachse an wird diese bereits kaum meßbar stärker beschleunigt als das Fahrzeug. Der Integrator 13 kann bis dahin noch der Achsdrehzahl folgen. Eine stärkere Beschleunigung der Treibachse setzt erst dann ein, wenn der Schlupf des maximalen Reibwertes überschritten wird.
Ohne weitere Maßnahmen würde nun der Pseudo- Laufachsintegrator 13 frei weiterlaufen, wobei die Pseudolaufachse auch allmählich gegenüber dem Fahrzeug immer schneller wird. Die Treibachse würde ebenfalls immer größeren Schlupf annehmen und schließlich ins Schleudern geraten.
Um dies zu verhindern ist die Regelung so ausgelegt, daß der Radsatz oder die
Radsatzgruppe durch Reduzierung der Antriebskraft des Motors F. . (oder Bremskraft beim Bremsen) über das Kraftschlußmaximum hinweg in den stabilen
Schlupfbereich zurückgeführt wird. Hierbei bilden die Elemente 19, 20, 21 eine Umpolvorrichtung, die im Bremsbetrieb die Polarität des Drehzahldifferenzsignals tauscht. Mit 22 ist eine Differenziervorrichtung bezeichnet, die die erste zeitliche Ableitung des Drehzahldifferenzsignals d Δ n/dt bildet. Mit 40 ist ein Verzögerungsglied 1. Ordnung bezeichnet, das den Anstieg des Ausgangssignals von
Differenziervorrichtung 22 etwas verflacht. Der Ausgang des Verzögerungsgliedes 40 ist des weiteren über einen elektronisch betätigten Schalter 41 mit Ruhekontakt auf eine Grenzwertstufe 43 geführt, die ein binäres Signal auf ein ODER-Gatter 44 ausgibt. Eine Rückführung führt auf ein Zeitglied 42, das nach Erreichen einer Ansprechverzögerung den Schalter 41 öffnet und nach Ablauf einer weiteren
Verzögerungszeit diesen wieder schließt. Damit werden im Sinne einer Prozeßüberwachung unerwünscht lange Signale ausgeschlossen. Der Ausgang ders ODER-Gatters 44 wirkt auf einen Schalter 31 und über einen Invertierer 45 auf den Reset-Eingang eines 1. Zeitgliedes 46 mit Ausschaltverzögerung, das vom Ausgang der Grenzwertstufe 43 gesetzt worden ist. Das 1. Zeitglied 46 stößt ein 2. Zeitglied
47 an, das eine Einschaltverzögerung aufweist. Über das 2. Zeitglied 47 wird ein weiterer Schalter 48 betätigt, der den Ausgang eines Maximalwertauswahlstufe 51 an einen Schmitt-Trigger 52 legt und diesen auslöst, wodurch über einen Steuerschalter 53 ein weiteres Signal auf ODER-Gatter 44 gelangen kann. Die Maximalwertauswahlstufe 51 erhält von der Differenziervorrichtung 22 und einem nachgeschalteten Invertierer 49 einerseits ein direktes Eingangssignal und andererseits über ein 3. Differenzierglied 50 ein zusätzlich differenziertes Eingangssignal. Die Maximalwertauswahlstufe 51 läßt dabei nur das Signal mit dem größeren Wert von beiden durch. Der Steuerschalter 53, über den das Signal von Schmitt-Trigger 52 auf das ODER-Gatter 44 gelangen kann, wird von einer
Auslösestufe betätigt, die im wesentlichen aus den Elementen 54, 55, 56, 57, 58 besteht, wobei die gemessene Achsdrehzahl f und die Zugkraft F M abgeleitet aus dem gemessenen Motordrehmoment Md. Verwendung finden.
Die Achsdrehzahl f wird in einem 2. Differenzierglied 54 differenziert und als
Achsbeschleunigung a R , über Schalter (direkt beim Fahren bzw. invertiert beim Bremsen) einem Summationspunkt 55 zugeführt, an dem auch die Zugkraft F M abgeleitet aus dem elektrisch gemessenen Drehmoment Md. anliegt. Der Ausgang am Summationspunkt 55 ist die berechnete Zugkraft F , die das Rad im selben Zeitpunkt auf die Schiene überträgt. Bei einem Schleudern ergibt sich eine
Kraftverteilung, bei der nur ein Teil der Zugkraft noch auf die Schiene übertragen wird und der überschüssige Teil die rotierende Radmasse beschleunigt. Umgekehrt
wird bei einem Verzögern des Radsatzes die kinetische Energie wieder frei für Zugkraftübertragung und addiert sich zum Motordrehmoment. D.h. man muß - wenn man die reale, auf die Schiene übertragene Zugkraft ermitteln will - die kinetische Energie des Radsatzes berücksichtigen. Dies geschieht, indem man im Summationspunkt 55 zur gemessenen Motorzugkraft F- . die (ebenfalls gemessene)
Radsatzbeschleunigung mit der Radsatzmasse entsprechend bewertet, hinzuaddiert (beim Fahren negativ, beim Bremsen positiv, wie in 54, 59, 55 dargestellt).
Der so ermittelte Zugkraftwert F wird in einem 1. Differenzierglied 56 differenziert und über ein Negationsglied 57 einem Schwellenwertschalter 58 zugeführt, der den Steuerschalter 53 steuert. Nur bei negativem Ausgang des 1. Differenziergliedes 56, d.h. bei abnehmender Zugkraft. spricht der Schwellwertschalter 58 an. wodurch das ODER-Gatter 44 über den b-Eingang kein weiteres Eingangssignal erhält und - wenn am a-Eingang zu diesem Zeitpunkt ebenfalls kein Eingangssignal ansteht - kein Ausgangssignal mehr abgibt. Dadurch wird das 1. Zeitglied 46 über den Reset-Eingang zurückgesetzt. Es wird erst wieder eingeschaltet, wenn eine Beschleunigung oder Verzögerung die Grenzwertstufe 43 auslöst und über das ODER-Gatter 44 den Schalter 31 zur Beeinflussung des Integrators 13 betätigt, d.h. ein neuer Schleuderansatz beginnt.
Wenn am Differenzbildner 6 eine Drehzahldifferenz erscheint, haben die Räder, wie vorstehend beschrieben, den Schlupf auf den Schienen überschritten, der die größte Kraftübertragung ermöglicht. Sie laufen in den instabilen Schlupfbereich ein, d.h. mit noch größer werdendem Schlupf wird der Haftwert wieder kleiner. Der jetzt größer werdende Drehmomentüberschuß beschleunigt die im Vergleich zur
Fahrzeugmasse nur kleine rotierende Masse des Radsatzes mit Fahrmotor relativ schnell. Der Anstieg der Drehzahldifferenz wird von der Differenziervorrichtung 22 erfaßt und bringt über das Verzögerungsglied 40 (zur Ausfilterung kurzzeitiger Störungen), und den Schalter 41 die Grenzwertstufe 43 zum Ansprechen. Deren Ausgangssignal betätigt über das ODER-Gatter 44 den Schalter 31, wodurch ein aus dem erwarteten Beschleunigungswert vom Anschluß 1 1 und einer dazu addierten Konstanten (Additionspunkt 33) gebildetes und im Invertierer 34 invertiertes Signal über die Zeitstufe 32 und das Additionsglied 12 am Eingang des Integrators 13 wirksam wird. Die Zeitstufe 32 läßt einen Teil des Signales sofort passieren, den Rest mit einer Verzögerung erster Ordnung bis zur vollen Höhe ansteigen. Eine
Abfallverzögerung für das Signal enthält Zeitstufe 32 nicht, wie symbolisch angedeutet. Der Integrator 13 wird dadurch langsamer und beginnt, sobald das
Zusatzsignal das direkte Signal übersteigt, in umgekehrter Richtung zu integrieren. Die Pseudolaufachsdrehzahl wird damit kleiner. Hierdurch steigt zwar die Drehzahldifferenz am Differenzbildner 6 zunächst noch schneller an, gleichzeitig wird jedoch mit dem größeren Drehzahldifferenzsignal auch das Drehmoment des Fahrmotors stärker reduziert. Die weitere Beschleunigung des Radsatzes hört dadurch auf, der Radsatz beginnt sich wieder zu "fangen " , d.h. in den stabilen Schlupfbereich zurückzulaufen. Da sich hierbei die Radsatzdrehzahl wieder der Pseudolaufachsdrehzahl nähert, wird auch das Drehzahldifferenzsignal am Differenzbildner 6 wieder kleiner. Die Abwärtssteuerung des Integrators 13 über den Schalter 31 muß jedoch noch so lange aufrechterhalten werden, bis der Radsatz wieder den stabilen Schlupfbereich erreicht hat, d.h. über das Haftwert-Maximum der Haftwert/Schlupfkurve zurückgelaufen ist. Andererseits würde das System im instabilen Bereich verbleiben udn schließlich doch ins Schleudern geraten.
Diesem Zweck dient der Schmitt-Trigger 52, der durch den Invertierer 49 für negatives dΔ n/dt, also Verringerung des Drehzahldifferenzsignals empfindlich ist und sein Signal ebenfalls an das ODER-Gatter 44 abgibt. Er wird nach Ansprechen der Grenzwertstufe 43 nach Ablauf des 2. Zeitgliedes 47 und des weiteren Schalters 38 wirksam. Über das 3. Differenzierglied 50 erhält der Schmitt-Trigger 52 mittels der Maximalwertauswahlstufe 51 ein zusätzliches voreilendes Signal, wodurch er schon ansprechen kann, bevor die Grenzwertstufe 43 wieder zurückgefallen ist. Hierdurch wird eine Lücke im Ausgangssignal des ODER-Gatters 44 beim Nulldurchgang des dΔn/dt Signals vermieden. Dies könnte auch - alternativ - durch eine zusätzliche Abfallverzögerung der Grenzwertstufe 43 bei Wegfall der Elemente 50 und 51 erreicht werden. Durch die Verzögerungszeit des 2. Zeitgliedes 47 kann der Schmitt-Trigger 52 erst ansprechen, wenn die Grenzwertstufe 43 um diese Mindestzeit eingeschaltet hatte; dadurch bleiben kurzzeitige Störungen, die keine wirklichen Schleuderansätze darstellen, hier ohne weitere Wirkung. Die Rückfallzeit des 1. Zeitgliedes 46 sorgt dafür, daß der Schmitt-Trigger 52 während einer angemessenen Dauer des negativen Drehzahldifferenz-Signals dΔn/dt wirksam bleiben kann, wenn die Grenzwertstufe 43 schon wieder ausgeschaltet hat.
Damit erhält der Schmitt-Trigger 52 das Zusatzsignal für den Integrator 13 so lange aufrecht, bis das (negative) dΔn/dt-Signal wieder durch Null geht.
Mit der Anordnung aus den Elementen 54 bis 58 ggf. auch 59, die aus dem Schwellenwertschalter 58 immer dann ein Signal abgibt, wenn die auf die Schienen
übertragene Zugkraft eine fallende Tendenz zeigt, wird der Zeitpunkt genauer bestimmt, indem der Radsatz über das Kraftschlußmaximum wieder in den stabilen Schlupfbereich einzulaufen beginnt. Genau in diesem Zeitpunkt erscheint das Signal am Schwellenwertschalter 58 und schaltet mittels es Steuerschalters 53 ein am Schmitt-Trigger 52 noch anstehendes Signal ab, wodurch das Zusatzsignal des
Integrators 13 der Pseudolaufachse unterbrochen wird und diese wieder beschleunigen kann.
Diese bekannte Anordnung ist nun erfindungsgemäß- wie dick ausgezogen angedeutet - durch ein Übertragungsglied 80 und einen Maximalwertspeicher 81 ergänzt. 80 ist ein vorzugsweise lineares Übertragungsglied mit einer toten Zone am
Anfang; 81 ein Maximalwertspeicher mit einem Entladungskreis, der einen gespeicherten Wert vorzugsweise nach einer e-Funktion wieder nach Null abklingen läßt, sobald und solange kein den Augenblickswert übersteigendes Signal am Eingang anliegt. Der Eingang des Übertragungsgliedes 80 liegt an der differenzierten Drehzahldifferenz dΔn/dt (Ausgang der Differenziervorrichtung 22) und ist ausgangsseitig an den Maximalwertspeicher 81 angeschlossen, der mit seinem
Ausgang - in passendem Maßstab - an die Subtraktionsstelle 9 angeschlossen ist. Der
Ausgang dient direkt der zusätzlichen Reduzierung durch Subtraktion vom Drehmoment-Sollwert.
Die Wirkungsweise ist wie folgt: Im Falle . eines plötzlichen Einbruchs im Kraftschluß durch auflaufende Räder auf eine nasse oder geschmierte Stelle auf den Schienen oder bei steilem Abfall der Kraftschlußcharakteristik schon bei kleinem
Schlupf (z.B. Wasser mit Sand) setzt augenblicklich eine hohe Beschleunigung des Radsatzes ein. Δ n wächst dabei sehr schnell und der differenzierte Wert dΔ n/dt wird sofort viel größer als bei normalen Schlupfvorgängen. Dadurch überschreitet er die tote Zone des Übertragungsgliedes 80 und der überschießende Teil gelangt über den Maximalwertspeicher 81 direkt an die Subtraktionsstelle 9 und führt zur
Reduzierung des Sollwertes der Antriebskraft. Durch das schnell nachlassende Drehmoment an den Rädern hört deren weitere Beschleunigung schon bei kleinem Schlupf wieder auf, und das Signal dΔ n/dt verschwindet wieder. Der Maximalwertspeicher 81 hält sein Signal noch mit seiner Abklingzeitkonstanten aufrecht. Ist diese passend gewählt, verschwindet die Reduzierung der Antriebskraft im zeitlichen Verlauf in etwa dem Maße, wie sie ersetzt wird durch den gleichzeitig einsetzenden normalen Vorgang in der bekannten Anordnung durch Reduzierung
der Pseudo- Lau fachsdrehzahl im Integrator 13, wo das zur erforderlichen Reduzierung notwendige Δ n im Differenzbildner 6 hergestellt wird. Der Antrieb hat schlagartig das neue, reduzierte Drehmoment angenommen und wird nun von der bekannten Anordnung wie bisher weitergeführt. Der erfindungsgemäße Teil greift dann nicht mehr weiter ein, weil bei normalen Radschlupf Vorgängen die tote Zone des Übertragungsgliedes 80 durch die dΔn/dt-Werte nicht überschritten wird.