DE4435775A1 - Verfahren zur Kraftschlußregelung mit Torsionsschwingungsunterdrückung im Antriebsstrang für Triebfahrzeuge mit stromrichtergespeisten Fahrmotoren - Google Patents

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 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 _i* des Sollwertes M_i*, um einen Arbeitspunkt im gewünschten Bereich der Kraftschlußkennlinie (Fig. 2) einstellen zu können. Dagegen beeinflußt der aktive Antriebsstrangbedämpfungsregler den Augenblick 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 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 M_i 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 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 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 M_i* 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 F_Z*′ 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 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 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 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 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 M_L1, M_L2. 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 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 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 (F_z*), 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(M_i*) 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 (M_i*) 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 (M_i*) 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 (M_i) ein gefilterter Sollwert des Luftspaltmomentes (M_i*) 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.