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DE19927224C1 - Verfahren und Detektor zur Erkennung von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum bei Fahrzeugen - Google Patents

Verfahren und Detektor zur Erkennung von Kraftschlußfunktionen ohne Maximum bei Fahrzeugen

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DE19927224C1
DE19927224C1 DE19927224A DE19927224A DE19927224C1 DE 19927224 C1 DE19927224 C1 DE 19927224C1 DE 19927224 A DE19927224 A DE 19927224A DE 19927224 A DE19927224 A DE 19927224A DE 19927224 C1 DE19927224 C1 DE 19927224C1
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Sebastian Scheffler
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
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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
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.
Bezugszeichenaufstellung
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
) Kraftschlußfunktion
fx
Kraftschluß
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.
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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