DE19927224C1 - Verfahren und Detektor zur Erkennung von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum bei Fahrzeugen - Google Patents
Verfahren und Detektor zur Erkennung von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum bei FahrzeugenInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum bei Fahrzeugen, insbesondere zur Anwendung in einem Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung von elektrischen Triebfahrzeugen, und auf einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln, mit denen gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der Technik vermieden und DOLLAR A ein Betrieb im Sättigungsbereich der Kraftanschlußfunktion erkannt wird, um daraus geeignete Maßnahmen ableiten zu können, wird dadurch gelöst, daß eine geeignete Auswertung der geschätzten Varianz der gemessenen Drehzahl vorgenommen wird, indem ein Betrieb im Sättigungsbereich der Kraftschlußfunktion anhand eines ersten Grenzwertes und/oder anhand der Dauer der Überschreitung eines zweiten Grenzwertes ermittelt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Kraft
schlußfunktionen ohne Maximum bei Fahrzeugen, insbesondere zur
Anwendung in einem Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnut
zung von elektrischen Triebfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 5. Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Anspruch 1 ist aus der DE 40 20 350 C2 bekannt.
Moderne Triebfahrzeugs können Zugkräfte bereitstellen, die nur
unter günstigen Kraftschlußbedingungen übertragen werden können.
Günstige Kraftschlußbedingungen werden dabei durch eine Rei
bungszahl gekennzeichnet, die dem heute üblichen Verhältnis von
maximaler Zugkraft zu. Gewichtskraft des Triebfahrzeugs von etwa
0,3 bis 0,5 entspricht.
Bei Kraftschlußfunktionen ohne Maximum kann es insbesondere bei
einer Kraftschlußhochausnutzung, zum Beispiel im Fahrbetrieb, zu
einer kontinuierlichen Verringerung des Längsschlupfes bei
gleichbleibendem Kraftschluß kommen. Ein dauerhaft verringerter
Längsschlupf zieht erhöhte Reibleistungen nach sich, die in der
Energiebilanz des Fahrzeuges als Verluste auftreten und somit zu
vermeiden sind. Ein weiterer Nachteil eines dauerhaft veringer
ten Längsschlupfes ist der erhöhte Verschleiß an den Triebrädern
des Triebfahrzeugs. Dieses Problem tritt u. a. bei Schienen
fahrzeugen bei einer Kraftschlußhochausnutzung auf, bei der ein
Längsschlupf eingestellt werden muß, für den der Kraftschluß be
tragsmäßig möglichst groß ist.
Die bekannten Verfahren zur Kraftschlußhochausnutzung bei elek
trischen Triebfahrzeugen berücksichtigen in der Regel nicht die
Problematik, die sich aus Kraftschlußfunktionen ohne Maximum er
geben.
Lediglich in: Schwartz, H.-J. (1992): "Regelung der Radsatzdreh
zahl zur maximalen Kraftschlußausnutzung bei elektrischen Trieb
fahrzeugen", Reihe 12: Verkehrstechnik/Fahrzeugtechnik (178), VDI
Fortschrittsberichte, ist ein Verfahren beschrieben, bei dem
immer dann eine Reduktion des Motordrehmomentes vorgenommen
wird, wenn der letzte Gleit- oder Schleudervorgang länger als
eine anzugebende Zeitspanne zurückliegt. Bei Regelungsverfahren,
die eine kontinuierliche Fahrt am Kraftschlußmaximum ermög
lichen, zieht dies eine geringere Ausnutzung des verfügbaren
Kraftschlusses nach sich. Diese geringe Ausnutzung kommt
zustande, weil die Reduktion des Motordrehmomentes (und damit
der Zugkraft) unabhängig von der aktuellen Kraftschlußfunktion
mit Hilfe eines Zeitkriteriums vorgenommen wird.
Die DE 195 37 257 A1 zeigt ein Verfahren, das aus einem gefilterten
Signal von Radumdrehungsschwankungen und dem statistischen
Varianzverlauf des Signals das physikalische Profil einer
Fahrbahnoberfläche ermittelt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und
einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens zu entwickeln,
mit denen gewährleistet ist, daß die Nachteile des Standes der
Technik vermieden und ein Betrieb im Sättigungsbereich der
Kraftschlußfunktion erkannt wird, um daraus geeignete Maßnahmen
ableiten zu können.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5 gelöst.
Danach ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß eine ge
eignete Auswertung der geschätzten Varianz der gemessenen Dreh
zahl vorgenommen wird, indem ein Betrieb im Sättigungsbereich
der Kraftschlußfunktion anhand eines ersten Grenzwertes und/oder
anhand der Dauer der Überschreitung eines zweiten Grenzwertes
ermittelt wird.
Der Detektor zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Schätzung
der Varianz der gemessenen Drehzahl über ein Signal der ge
schätzten Varianz der gemessenen Drehzahl mit einem ersten und
einem zweiten Schwellwertdetektor und ein Reset-Generator über
ein Reset-Signal mit der Einrichtung zur Schätzung der Varianz
der gemessenen Drehzahl und mit einer Zeitmeßeinrichtung verbun
den sind, wobei der Eingang des Reset-Generators mit Signalen
verbunden ist, aus denen ein Betrieb auf dem ansteigenden Ast
der Kraftschlußfunktion erkannt werden kann, und wobei der erste
Schwellwertdetektor über ein binäres Signal mit der Zeitmeßein
richtung verbunden ist, und wobei die Zeitmeßeinrichtung über
einen weiteren Schwellwertdetektor und der zweite Schwellwert
detektor mit einer Auswertelogik verbunden sind, deren
Ausgangssignal einen Betrieb im Sättigungsbereich der
Kraftschlußfunktion angibt.
Mit dem Verfahren und dem Detektor nach der Erfindung kann be
wirkt werden, daß nur dann eine Reduktion des Motordrehmomentes
erfolgt, wenn ein Betrieb im Sättigungsbereich der Kraftschluß
funktion auch tatsächlich vorliegt. Es wird vermieden, daß eine
zyklische Reduktion erfolgt, die auch eine unerwünschte Reduk
tion der im zeitlichen Mittel erzielten Zugkraft nach sich
zieht.
Es sind kein zusätzliches Testsignal und auch kein Meßsignal der
Fahrgeschwindigkeit erforderlich.
Der Detektor kann für beliebige Motortypen auf beliebigen Fahr
zeugen eingesetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran
sprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung in einem
Ausführungsbeispiel eines Detektors näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines Detektors zur Erkennung von
Kraftschlußfunktionen ohne Maximum,
Fig. 2 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der
Einrichtung zur Schätzung der Varianz der gemessenen
Drehzahl gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 die Darstellung zweier typischer Trajektorien des
Längsschlupfes im Fahrbetrieb in zwei Bereichen einer
Kraftschlußfunktion
Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 besteht der Detektor
zur Erkennung von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum im wesent
lichen aus einer Einrichtung 1 zur Schätzung der Varianz der ge
messenen Drehzahl 15 eines nicht dargestellten Antriebs eines
Triebfahrzeugs, die mit einem Reset-Generator 7 und über ihren
Ausgang, an welchem das Signal 9 für die geschätzte Varianz der
Drehzahl 15 anliegt, mit Schwellwertdetektoren 2 und 3 verbunden
ist, aus einem weiteren Schwellwertdetektor 4, einer Zeitmeßein
richtung 5 und einer Auswertelogik 6, zum Beispiel einem ODER-
Glied.
Am Eingang des Reset-Generators 7 sind Signale 16, 17 18 ange
legt, aus denen ein Betrieb auf dem ansteigenden Ast der Kraft
schlußfunktion erkannt werden kann (Fig. 3, fx < µ), und die zu
einem Reset-Signal 8 verarbeitet und auf die Einrichtung 1 zur
Schätzung der Varianz der gemessenen Drehzahl 15 und auf den ei
nen Eingang der Zeitmeßeinrichtung 5 geführt werden. In der
Zeitmeßeinrichtung 5 werden ein binäres Ausgangssignal 10 des
Schwellwertdetektors 2 und das Reset-Signal 8 so verarbeitet,
daß ein Signal 11 ausgegeben werden kann, welches die aufkummu
lierte Zeit angibt, für die das Signal 10 den Wert Eins angenom
men hat. Im Schwellwertdetektor 4 wird dieses Signal 11 zu einem
binären Ausgangssignal 13 verarbeitet, welches auf die Auswerte
logik 6 geführt und dort zusammen mit dem binären Ausgangssignal
12 des Schwellwertdetektors 3 zu einem Ausgangssignal 14 des De
tektors verarbeitet wird. Das Ausgangssignal 14 ist zum Beispiel
Null, wenn ein Betrieb auf dem ansteigenden Ast der
Kraftschlußfunktion vorliegt, und hat den Wert Eins, wenn ein
Betrieb im Sättigungsbereich einer Kraftschlußfunktion erkannt
wurde (Fig. 3).
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung 1 zur
Schätzung der Varianz der gemessenen Drehzahl 15, bei der eine
Einrichtung 20 zur Entfernung des Erwartungswertes der Meßgröße
15 von der realen Meßgröße 15, mit der ein erwartungsfreies Si
gnal 19 erzielt wird. Dieses Signal 19 wird auf eine Einrichtung
21 zur Schätzung der Varianz einer erwartungsfreien Größe ge
führt und ergibt das Signal 9 der geschätzten Varianz des Si
gnals 15.
Für eine Detektion von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum kann
ausgenutzt werden, daß die Schwankungen in der Raddrehzahl im
Bereich der Sättigung der Kraftschlußfunktion größer sind als im
ansteigenden Ast der Kraftschlußfunktion (Fig. 3).
In der Fig. 3 ist der Kraftschluß fx in Abhängigkeit vom Längs
schlupf sx dargestellt. Der ansteigenden Ast der Kraftschlußfunk
tion ist dadurch charakterisiert, daß eine betragsmäßige Vergrö
ßerung des Längsschlupfes sx zu einer Zunahme des Kraftschlusses
fx führt.
Es sind zwei verschiedene Ausnutzungsgrade des maximalen, ver
fügbaren Kraftschlusses für eine Kraftschlußfunktion mit Sätti
gungscharakter bzgl. einer nominellen Normalkraft N0 dar
gestellt. Die dargestellten Schwankungen des Kraftschlusses kön
nen auf Variationen der Normalkraft etwa in Folge einer diskre
ten Abstützung des Gleises bei gleichzeitig konstanter Rei
bungszahl µ auftreten. Es ist deutlich zu erkennen, daß bei ei
ner Hochausnutzung des Kraftschlusses (fx ≈ fx,1) größere Schwan
kungen im Längsschlupf und damit in der gemessenen Drehzahl 15
auftreten als bei einer geringen Ausnutzung des verfügbaren
Kraftschlusses (fx ≈ fx,2). Eine Kraftschlußfunktion ohne Maximum
kann also durch geeignete Auswertung der (geschätzten) Varianz
der gemessenen Drehzahl 15 Vâr(ω) erkannt werden.
Verfahren zur Schätzung der Varianz einer Meßgröße werden z. B.
in Wernstedt, J. (1989): "Experimentelle Prozeßanalyse",
R. Oldenbourg, München, erläutert.
Für eine Bestimmung der Varianz Vâr(ω) muß von den aktuellen Meß
werten 15 der Erwartungswert der gemessenen Drehzahl 15 abgezo
gen werden. Eine vorteilhafte Gestaltung eine Filters zum Ent
fernen dieses Erwartungswertes von den Meßwerten ist durch eine
(kontinuierliche) Filterübertragungsfunktion G(s) der Gestalt
mit Z(0) ≠ 0, N(0) ≠ 0 und grad(s2N(s)) < grad(Z(s))
zu erfüllen. Die Übertragungsfunktion G(s) niedrigster Ordnung lautet mit geeignet festzulegenden Parametern K und β
zu erfüllen. Die Übertragungsfunktion G(s) niedrigster Ordnung lautet mit geeignet festzulegenden Parametern K und β
Bei üblicherweise diskret ausgeführten Regelungen ist eine Dis
kretisierung der kontinuierlichen Filterübertragungsfunktion
G(s) vorzunehmen. Die Filterübertragungsfunktion kann auch kon
tinuierlich sein.
Ein Betrieb im Sättigungsbereich der Kraftschlußfunktion kann an
Hand der beiden folgenden Kriterien erkannt werden.
- - Die geschätzte Varianz Vâr(ω) überschreitet einen Grenzwert mdf0,1.
- - Die geschätzte Varianz Vâr(ω) hat für eine - nicht notwendiger weise zusammenhängende - Zeitspanne ΔTdf0,max den Grenzwert mdf0,2 < mdf0,1 überschritten.
Im laufenden Betrieb ist eine Initialisierung des Detektors nach
folgenden Ereignissen sinnvoll:
- - Eine Maßnahme zur betragsmäßigen Reduktion des Längsschlupfes wurde beendet.
- - Das Motordrehmoment oder das Soll-Motordrehmoment ist be tragsmäßig unter einen Wert gefallen, für den ein Betrieb im Sättigungsbereich der Kraftschlußfunktion mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann.
- - Bei Traktionsanwendungen, bei denen im allgemeinen ein zusätz licher Detektor zur Erkennung von Gleit- oder Schleudervorgän gen vorhanden ist, wird der Detektor zur Erkennung von Kraft schlußfunktionen auch initialisiert, wenn es zu einem Gleit- oder Schleudervorgang kam.
Nach einer Detektion einer Kraftschlußfunktion ohne Maximum kann
etwa bei Traktionsanwendungen häufig anzutreffenden Drehmo
mentregelungen das Soll-Motordrehmoment vorübergehend be
tragsmäßig abgesenkt werden. Damit kann im Fahrbetrieb ein Be
triebspunkt auf der Kraftschlußfunktion erreicht werden, der bei
größerem Längsschlupf eine gleiche Zugkraft aufweist.
1
Einrichtung
2
Schwellwertdetektor
3
Schwellwertdetektor
4
Schwellwertdetektor
5
Zeitmesseinrichtung
6
Auswertelogik
7
Reset-Generator
8
Reset-Signal
9
geschätzte Varianz des Signals
15
10
binäres Ausgangssignal
11
aufkummulierte Zeit
12
binäres Ausgangssignal
13
binäres Ausgangssignal
14
Ausgangssignal des Detektors
15
gemessene Drehzahl
16-18
Signale
19
erwartungsfreies Signal
20
Einrichtung zur Entfernung des Erwartungswertes der
Meßgröße
15
von der Meßgröße
15
21
Einrichtung zur Schätzung der Varianz einer
erwartungsfreien Größe
(fx
(fx
) Kraftschlußfunktion
fx
fx
Kraftschluß
sx
sx
Längsschlupf
Claims (6)
1. Verfahren zur Erkennung von Kraftschlußfunktionen ohne Maxi
mum bei Fahrzeugen, insbesondere zur Anwendung in einem
Regelungsverfahren zur Kraftschlußhochausnutzung von
elektrischen Triebfahrzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Betrieb im Sättigungsbereich der Kraftschlußfunktion
((fx)) durch einen Vergleich der geschätzten Varianz der
gemessenen Drehzahl (15) mit einem ersten Grenzwert (mdf0,1)
und/oder mit der Dauer der Überschreitung eines zweiten
Grenzwertes (mdf0,2) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine geeignete Auswertung zusätzlich aus dem aktuellen Mo
tordrehmoment oder dem aktuellen Soll-Motordrehmoment
und/oder aus der Information zu Schleuder- und/oder Gleitvor
gängen des Fahrzeuges vorgenommen wird, derart, daß beim
Fahrbetrieb auf dem ansteigenden Ast der Kraftschlußfunktion
((fx)) die Initialisierung einer Baugruppe (1) zur Bestimmung
der Varianz der gemessenen Drehzahl (15) erfolgt und/oder die
Initialisierung einer Baugruppe (5) zur Bestimmung der Zeit
dauer der Überschreitung des zweiten Grenzwertes (mdf0,2) er
folgt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Erkennen einer Kraftschlußfunktion ((fx)) ohne
Maximum Maßnahmen zur betragsmäßigen Reduktion des Längs
schlupfes (sx) ergriffen werden und daß nach Rückkehr zu ei
nem Betrieb auf dem ansteigenden Ast der Kraftschlußfunktion
((fx)) eine erneute Initialisierung der beiden Baugruppen
(1, 5) vorgenommen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung der geschätzten Varianz der gemessenen
Drehzahl (15) die Gleichanteile der aktuell gemessenen
Drehzahl (15) mit einem kontinuierlichen Filter mit der Über
tragungsfunktion:
mit Z(0) ≠ 0, N(0) ≠ 0 und grad(s2N(s)) < grad(Z(s))
oder einem hierzu äquivalenten, diskreten Filter herausgefil tert werden.
mit Z(0) ≠ 0, N(0) ≠ 0 und grad(s2N(s)) < grad(Z(s))
oder einem hierzu äquivalenten, diskreten Filter herausgefil tert werden.
5. Detektor zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen
1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (1) zur Schätzung der Varianz der
gemessenen Drehzahl (15) über ein Signal (9) der geschätzten
Varianz der gemessenen Drehzahl (15) mit einem ersten und ei
nem zweiten Schwellwertdetektor (2, 3) und ein Reset-Genera
tor (7) über ein Reset-Signal (8) mit der Einrichtung (1) zur
Schätzung der Varianz der gemessenen Drehzahl (15) und mit
einer Zeitmeßeinrichtung (5) verbunden sind, wobei der Ein
gang des Reset-Generators (7) mit Signalen (16, 17, 18) ver
bunden ist, aus denen ein Betrieb auf dem ansteigenden Ast
der Kraftschlußfunktion ((fx)) erkannt werden kann, und wobei
der erste Schwellwertdetektor (2) über ein binäres Signal
(10) mit der Zeitmeßeinrichtung (5) verbunden ist, und wobei
die Zeitmeßeinrichtung (5) über einen weiteren
Schwellwertdetektor (4) und der zweite Schwellwertdetektor
(3) mit einer Auswertelogik (6) verbunden sind, deren
Ausgangssignal (14) einen Betrieb im Sättigungsbereich der
Kraftschlußfunktion ((fx)) angibt.
6. Detektor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (1) zur Schätzung der Varianz der
gemessenen Drehzahl (15) aus einer Einrichtung (20) zur
Entfernung des Erwartungswertes für die gemessene Drehzahl
(15) von der real gemessenen Meßgröße der Drehzahl (15) und
aus einer Einrichtung (21) zur Schätzung der Varianz einer
erwartungsfreien Größe gebildet ist.
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