DE3228772C2

DE3228772C2 - Einrichtung zur Geschwindigkeitsregelung für ein elektromagnetisch abgestütztes Fahrzeug

Info

Publication number: DE3228772C2
Application number: DE3228772A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof. Dipl.-Ing. 6800 Mannheim Mrha; Heinz Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Wilharm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1982-08-02
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DE3228772A1

Abstract

Es wird ein geschwindigkeitsgeregelter Magnetschwebeantrieb vorgeschlagen, bei welchem Beschleunigung und Ruck zur Erfüllung vorgeschriebener Komfortbedingungen vorgebbar begrenzt sind. Mittels eines Lastbeobachters kann das tatsächlich zur Verfügung stehende Beschleunigungsmoment ermittelt und bei der Vorgabe der Beschleunigungsbegrenzungen berücksichtigt werden. Im unteren Geschwindigkeitsbereich wird ein Wegregler aktiviert und hält bei einem beabsichtigten Halt das Fahrzeug fest (Stillstandsbremse).

Description

a) Es ist ein vom Geschwindigkeitsistwert (v) und vom Motorstromistwert (i) beaufschlagter Störgrößen-Beobachter (3) zur Ermittlung der Lastkraft (Fl) vorgesehen;

b) die Ausgangsgröße des Störgrößen-Beobachters wird der Ausgangsgröße des Geschwindigkeitsreglers aufgeschaltet und einem vom Geschwindigkeitssollwert (vw*) beaufschlagten Hochlaufgeber zur Begrenzung des Rucks und der Beschleunigung unter Berücksichtigung der Lastkraft zugeführt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Dem Geschwindigkeitsregler (2) ist ein Stromregler (IR) unterlagert, dessen Sollwert von einem Begrenzungsglied begrenzt ist;

b) Eingangsgröße und Ausgangsgröße (i*) des Begrenzungsgliedes sind als Istwert bzw. als Sollwert einem Nachführregler (NR) zugeführt, dessen Ausgangsgröße (NF) die Ausgangsgröße ("ν") des Hochlaufgebers (1) reduziert.

ρ 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

Ij zeichnet, daß der Sollwert des Wegreglers auf Null

Il gesetzt wird, wenn die Ausgangsgröße ("V) des

g Hochlaufgebers (1), deren zeitliche Ableitung (b*)

Is und die Eingangsgröße (Vw*) des Hochlaufgebers

■!$ den Wert Null aufweisen.

?' 4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet

γ, durch einen digitalen Differenzzähler (7), dessen

|ii Ausgangsgröße über einen Digital-Analogwandler

fl; (8) einem analogen Wegregler (5) zugeführt ist, der

■'. den Sollwerteingang des Geschwindigkeitsreglers

• (2) beaufschlagt.

^: 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 —4,

' dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße

!·.; (-Fl) des Störgrößenbeobachters (3) laufend digital

i:'. abgespeichert und der bei Erreichen eines Ge-

' schwindigkeitswerts in der Nähe des Stillstands abgespeicherte Wert nach Digital-Analog-Umwandlung als Sollwert einer zu diesem Zeitpunkt aktivierten Nachführregelung für die Ausgangsgröße (-Fl) des Störgrößenbeobachters (3) verwendet ist.

Vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Geschwindigkeitsregelung für ein elektromotorisch angetriebenes und elektromagnetisch abgestütztes Fahrzeug, bei welcher im unteren Geschwindigkeitsbereich ein den Motorstrom beeinflussender Wegregler aktiviert und als Stillstandsbremse benutzt wird. Eine derartige Einrichtung ist nach der DE-Zeitschrift »Elektrische Bahnen«, 77 (1979), Heft 5, Seiten 117 bis 122 bekannt.

Nach den Seiten 8 bis 12 des Sammelsonderdruckes »Siemens-Zeitschrift«, 52 (1978), Heft 3, Seite 108 bis 117 ist es bei Magnetschwebebahnen, d. h. berührungslos getragenen, spurgebundenen Höchstgeschwindigj keitsfahrzeugen, bekannt, die Verläufe für den Geschwindigkeitssollwert mittels eines Hochlaufgeben, vorzugeben.

Die vorliegende Erfindung stellt sich bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art die Aufgabe, einen ίο Geschwindigkeitssollwert überschwingungsfrei unter Einhaltung bzw. Ausnutzung vorgegebener Rück- und Beschleunigungsbegrenzungen anzufahren und die dann erreichte Geschwindigkeit stationär mit großer Genauigkeit einzuhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst. Mii der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß unter Erfassung der jeweils mit der Anzahl der zu befördernden Passagiere wechselnden Lastkraft ein Auseinanderlaufen des vom Hochlaufgeber vorgegebenen Sollwertes und des vom Antrieb realisierbaren Istwertes als Ursache des Überschwingens verhindert wird.
Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand der Figuren näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die Geschwindigkeit ν

jo eines elektromotorisch angetriebenen und elektromagnetisch, d. h. reibungslos abgestützten Fahrzeugs, z. B. einer Magnetschwebebahn, auf vorgebbare Werte unter Ausnutzung vorgebbarer Grenzwerte für Ruck und Beschleunigung geregelt werden soll. Der Antrieb dieses Fahrzeugs ist in F i g. 1 mit A bezeichnet und symbolisch durch ein Regelkreisglied mit Integral-Verhalten dargestellt, dessen Zeitkonstante Ta von der Masse dieses Antriebs abhängt. Auf den Antrieb A wirkt eine mit Fr bezeichnete Lastkraft als Störgröße. Der Ankerstrom /' des Antriebs A wird mittels eines Stromregelkreises IR geregelt, welcher vereinfacht als Verzögerungsglied mit der Zeitkonstante Tj dargestellt ist und seinen Sollwert /* über eine Begrenzerschaltung 4 vom Ausgang eines Geschwindigkeitsreglers 2 erhält. Der Sollwert des Geschwindigkeitsreglers besteht im Ausgangssignal v* eines Hochlaufgebers 1, welcher mit dem gewünschten Sollwert vw* eingangsseitig beaufschlagt ist. Der Sollwert v* wird im Eingangskreis des Geschwindigkeitsreglers 2 mit dem Geschwindigkeitsistwert ν des Antriebs A verglichen. Eine der Lastkraft F;. entsprechende Größe Fl wird mittels eines mit 3 bezeichneten Störgrößenbeobachters aus dem Stromistwert /und dem Geschwindigkeitsistwert vermittelt und dem Ausgang des Geschwindigkeitsreglers 2 aufgeschaltet. Bei einer solchen Störgrößenaufschaltung kann der Geschwindigkeitsregler 2 proportionales Verhalten aufweisen, ohne daß stationär eine bleibende Regelabweichung auftritt.

Der Hochlaufgeber hat die Aufgabe, seine Ausgangsgröße V* — den Sollwert der Geschwindigkeit — an seine Eingangsgröße w*, welche dem gewünschten Sollwert der Geschwindigkeit ν entspricht, so anzugleichen, daß dabei ihre erste zeitliche Ableitung, gewissermaßen der Sollwert der Beschleunigung, und ihre zweite zeitliche Ableitung, gewissermaßen der Sollwert des Rucks bestimmte vorgebbare Werte einhalten, welche für den Ruck in den Größen R+ für den Ruck im Treibbereich bzw. für den (negativen) Ruck im Bremsbereich

bestehen und für die Beschleunigung entsprechend in den Größen B+ und B—, wobei allerdings in weiterer Ausgestaltung der Erfindung hiervon jeweils der Wert der von dem Störgrößenbeobachters 3 eiinittelten Lastkraft Fl abgesetzt wird. Da die Werte B+ und B— auch die Grenzwerte der Begrenzerschaltung 4 darstellen, wird somit verhindert, daß vom Hochlaufgeber dem Antrieb ein Sollwert vorgeschrieben wird, der nicht realisierbar ist Die Ausgangsgröße v* des Hochlaufpebers kann sorrit immer in Fühlung mit dem Geschwindigkeitsistwert bleiben und ein überschwingungsfreies Anfahren eines vorgegebenen Geschwindigkeitssoilwertes ist sichergestellt

Für die Ausgangsgröße v* des Hochlaufgebers ergibt sich beispielsweise bei einem sich von Null sprungartig auf einen positiven Wert ändernden Eingangssignal vw* die in seinem Blockschaltbild dargestellte Zeitfunktion, wobei die maximale Steigung dieser Funktion durch den

Wert (BH P/.), die Krümmung durch Jie Werte R +

und R— und ihr Endwert durch die Eingangsgröße vw* bestimmt ist.

Sollte beispielsweise bei zu großer Belastungsänderung des Antriebs der Stromsollwert i* an die Grenzen B+ bzw. B— des Begrenzungsgliedes 4 stoßen, so wäre ebenfalls ein Überschwingen beim Anfahren der Endgeschwindigkeit zu befürchten. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird deshalb ein Nachführregler NR in Aktion gesetzt, der für den Fall, daß sein in der Eingangsgröße des Begrenzungsgliedes 4 bestehender Istwert größer ist als sein in der Ausgangsgröße des Begrenzungsgliedes 4 bestehender Sollwert die Ausgangsgröße v* des Hochlaufgebers solange reduziert, bis die Eingangsgröße des Begrenzungsgliedes 4 in Übereinstimmung mit seiner Ausgangsgröße /* gebracht worden ist. Der Nachführregler sollte zweckmäßigerweise ein integrales Verhalten aufweisen, falls der Nachführregelkreis keine Glieder mit derartigem Verhalten aufweist.

Um den Stillstand beim Schweben des Fahrzeugs trotz fehlender Reibung zu sichern, wird bei kleiner Geschwindigkeiten, etwa bei 1 —4% der Nenngeschwindigkeit, eine hochgenaue digitale Wegregelung überlagert und dann als Stillstandsbremse benutzt. Dieser digitale Wegregelkreis besteht aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6, welcher über ein Glättungsglied mit der Zeitkonstanten T\ beaufschlagt wird und ein der Größe v* frequenzproportionales Impulssignal an einen Differenzzählei- 7 gibt. Dem anderen Eingang des Differenzzählers 7 ist der Geschwindigkeitsistwert v*. digitalisiert als entsprechend frequenzproportionale Impulsreihe V_dlf zugeführt. Der Differenzzähler 7 zählt die Differenz seiner Eingangsimpulse, sein Zählerstand wird damit proportional einer Wegabweichung. :n einem Digital/Analog-Wandler 8 wird ein dem Stand des Differenzzählers 7 proportionales Analogsignal gebildet und über den Wegregler 5 dem Eingang des Geschwindigkeitsreglers 2 im positiven Sinne aufgeschaltet. Freigegeben wird dieser Wegregelkreis zweckmäßigerweise schon bei kleinen Geschwindigkeiten, beispielsweise zwischen 1 —4% der Nenngeschwindigkeit, mit einem entsprechend auf den Differenzzähler wirkenden L-Signal am Ausgang eines UND-Gatters 15. Hierzu wird das UND-Gatter 15 eingangsseitig über einen Betragsbildner 16 und ein Schwellwertglied 17 mit der Ansprechschwelle 51 vom Geschwindigkeitsistwert ν be- b5 aufschlagt sowie von einem an der Klemme 14 anliegenden Signal, welches ein L-Signal aufweist, wenn als Geschwindigkeitssollwert vw* der Wert Null vorgegeben wird.

Die Stillstandsbremse tritt in Aktion, & h. der Wegregler 5 wirkt nun allein auf den Sollwerteingang des Geschwindigkeitsreglers, wenn die Ausgangsgröße v*, das ihrer zeitlichen Ableitung entsprechende Signal b* des Hochlaufgebers 1 und der vorgegebene Sollwert vw* gleichzeitig den Wert Null aufweisen, was von einem UND-Gatter 9 ausgewertet wird, weiches eingangsseitig von den genannten Führungsgrößen des Hochlaufgebers 1 jeweils über Betragsbildner 10 bzw. 11 und nachgeschaltete Schweliwertglieder mit der Ansprechschwelle Null beaufschlagt ist und dem weiterhin das Signal der Klemme 14 zugeführt ist. Mit dem L-Signal des UND-Gatters 9 wird der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6 gesperrt, so daß an dem mit + bezeichneten Eingang des Differenzzählers 7 als Frequenz-Sollwert nunmehr exakt der Wert Null erscheint. Damit ist der Wegregelkreis aktiviert und hält die Lage des Fahrzeugs fest.

Der Störgrößenbeobachter 3 zur modellmäßigen Ermittlung der Lastkraft Ff. enthält in an sich bekannter Weise einen den Antrieb A modellmäßig nachbildenden Integrator mit der Zeitkonstanten T3, welche der Zeitkonstanten T_A entspricht. Er wird von derselben Eingangsgröße beaufschlagt wie der Antrieb A und seine Ausgangsgröße ν — die nachgebildete Geschwindigkeit ν — wird mit der tatsächlichen Geschwindigkeit ν in einem Mischglied 18 verglichen. Die Differenz- bzw. Fehlergröße e zwischen tatsächlicher und nachgebildeter Istgeschwindigkeit wird proportional über ein Proportionalglied 19 und integral über einen Integrator 21 mit der Zeitkonstanten Ts rückgekoppelt, dem noch ein Proportionalglied 20 vorgeordnet sein kann. Es entsteht am Ausgang des Integrators 21 eine Größe — F_L, welche über eine Umkehrstufe 22 dem Ausgang des Geschwindigkeitsreglers 2 zur Lastkompensation aufgeschaltet ist und im Hochlaufgeber 1 zur Bildung der maximal zu realisierenden Beschleunigungswerte verwendet wird.

Im Bereich kleiner Geschwindigkeiten und vor allem bei einem Halt, welcher bei einem magnetisch abgestützten Fahrzeug einer Magnetschwebebahn im Bahnhofsbereich mit einem Absenken verbunden ist, kann ein ordnungsgemäßes Arbeiten des Störgrößenbeobachters 3 nicht sichergestellt werden, wenn seine Integralglieder in analoger Technik ausgeführt sind. Besonders für die Ausgangsgröße des Integrators 21, welcher ja die Lastkraft Fl nachzubilden hat, wäre es wichtig, bei einem Neustart exakt denselben Wert auszugeben, welcher vor dem Halt ermittelt wurde. Daher wird laufend die Ausgangsgröße — Fl des Integrators 21 mittels eines Analog/Digital-Wandlers erfaßt und digital abgespeichert. Die Ausgangsgröße des Analog/Digital-Wandlers 23 wird einem Mischglied 24 über einen Digital/Analog-Wandler 25 zugeführt. Den anderen Eingang des Misehgliedes 24 beaufschlagt subtraktiv die Ausgangsgröße — F_L des Störgrößenbeobachters 3 direkt. Es ist weiterhin ein Schaltglied 26 vorgesehen, über welches der Ausgang des Mischgliedes über ein Zeitkonstantenglied 27 mit der Zeitkonstanten Tj dem Eingang des die Lastkraft -Fl nachbildenden Integrators 21 zuführbar ist. Der eine Eingang eines UND-Gatters 30 wird über einen Betregsbildner 28 und ein Schwellwertglied 29 mit der Ansprechschwelle S 2 vom Geschwindigkeitsistwert ν beaufschlagt. Wenn zu einem Zeitpunkt im unteren Geschwindigkeitsbereich der Betrag der Geschwindigkeit eine bestimmte Schwelle 5 1, welche beispielsweise auch etwa zwischen 1 und 4% der Nenngeschwindigkeit gewählt werden kann, unterschreitet und gleichzeitig

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der gewünschte Sollwert vw* Null ist, d. h. das Signal an der Klemme 14 ein L-Signal wird, dann erscheint am Ausgang eines UND-Gatters 30 ebenfalls ein L-Signal, welches den Analog/Digital-Wandler 23 sperrt, d. h. seinen bis dahin erreichten Zustand gewissermaßen »einfriert« und die Umschaltvorrichtung 26 in diejenige Stellung bringt, in dem der Ausgang des Mischgliedes 24 mit dem Eingang des Zeitkonstantengliedes 27 verbunden ist. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, wird damit ein Nachführregelkreis geschlossen, welcher den Ausgang des Integrators 21 stets demjenigen Wert nachführt, den er zum Zeitpunkt des Auftretens eines L-Signals am Ausgang des UND-Gatters 28 hatte. Damit wird sichergestellt, daß nach einem erneuten Start bzw. nach Absenken des Fahrzeugs mit genau derselben Lastkraftgröße Fl weitergearbeitet wird, welche zuvor vorn Störgrößenbeobachter 3 ermittelt worden ist.

F i g. 2 zeigt Details zum inneren Aufbau des Hochlaufgebers 1. Die als Sollwert für den Geschwindigkeitsregler 2 bestimmte Ausgangsgröße v* wird am Ausgang eines Integrators 31 abgenommen. Der Eingang des Integrators 31 stellt das zeitliche Integral des Geschwindigkeitssollwertes v* dar und kann als Beschleunigungssollwert b* betrachtet werden. Er wird einerseits dem Betragsbildner 10 zur Sperrung des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 6 zugeführt und andererseits über ein elektronisches Zweipunktschaltglied 32 auf den Eingang eines zweiten Integrators 33 gegengekoppelt, welcher dem Integrator 31 vorgeordnet ist. Am Eingang des Integrators 33 entsteht somit die zeitliche Ableitung des Beschleunigungssollwertes b*, d. h. also der dem Antrieb vorgeschriebene Ruck-Sollwert. Auf den Eingang des Integrators 33 wirkt zusätzlich die Ausgangsgröße NF des Nachführreglers NR, welche jedoch nur dann ein von Null verschiedenes Signal aufweist, wenn der Antrieb infolge extremer Belastung an seine vorgebbaren Grenzen stößt. Sonst wird der Eingang des Integrators 33 je nach Vorzeichen der Eingangsgröße des Zweipunktschaltgliedes 32 mit der Größe R + bzw. R— beaufschlagt und damit die maximalen Werte des Ruck-Sollwerts R* vorgegeben, mit denen dann letztlich die Sollwerte für die Beschleunigung b* und für die Geschwindigkeit v* des Antriebs realisiert werden. Das Zweipunktschaltglied 32 wird weiterhin über ein Mischglied 34 vom Ausgangssignal eines Begrenzungsgliedes 35 beaufschlagt, dessen obere Grenze durch die Differenz einer konstant vorgebbaren Größe B+ und der vom Störgrößenbeobachter 3 ermittelten Lastkraft Fl bestimmt ist und dessen untere Grenze durch die Differenz zwischen einer ebenfalls konstant vorgebbaren Größe B— und diesem Wert F_L bestimmt ist. Dem Begrenzungsgüed 34 ist ein Funktionsgenerator 36 mit der in seinem Blockschaltbild angegebenen invers parabelförmigen Kennlinie vorgeordnet welcher eingangsseitig von der in einem Proportionalglied 37 verstärkten Differenz zwischen dem gewünschten Sollwert vw* und der Ausgangsgröße v* des Integrators 30 beaufschlagt ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Geschwindigkeitsregelung für ein elektromotorisch angetriebenes und elektromagnetisch abgestütztes Fahrzeug, bei welcher im unteren Geschwindigkeitsbereich ein den Motorstrom beeinflussender Wegregler aktiviert und als Stillstandsbremse benutzt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: