DE2231948C2 - Drehzahl-Regelvorrichtung für einen Antriebsmotor eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahl-Regelvorrichtung für einen Antriebsmotor eines Fahrzeugs, mit einem Detektor zur Lieferung eines der tatsächlichen Geschwindigkeit entsprechenden Signals, mit einer Einrichtung zur Lieferung eines einer Sollgeschwindigkeit entsprechenden Signals, mit einer Einrichtung zur Lieferung eines Differenzsignals, das der Differenz zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit und der Sollgeschwindigkeit entspricht, und das eine Einrichtung zur Lieferung vorgegebener Werte einer Sc llbeschleunigung zugeführt wird, deren Ausgangssignal einer Ansteuerschaltung füi i<*.n Antriebsmotor zugeführt wird, und mit einem ein die tatsächliche Beschleunigung darstellenden Signal liefernden Generator.

Derartige Regelvorrichtungen werden in Fahrzeugen verwendet, die sich unter automatischer Steuerung fortbewegen, beispielsweise die Fahrzeuge eines Untergrundbahn-Triebwagenzuges oder andere Fahrzeuge.

Die automatische Steuerung derartiger Fahrzeuge ergibt eine Anzahl von Problemen. In der Praxis dürfen die Beschleunigungen oder Abbremsungen und die Ableitungen der Beschleunigung, denen der oder die Wagen eines Triebwagenzuges unterworfen sind, nicht bestimmte physiologisch zulässige Werte überschreiten, ohne daß Beschwerden oder Schwierigkeiten bei den Passagieren auftreten.

Es ist entsprechend in vielen Fällen festgelegt, daß die Beschleunigung oder Abbremsung nicht den Wert von 1,3 m/s² überschreiten darf und daß die Ableitung der normalen Beschleunigung einen Wert von 0,6 m/s^J nicht überschreiten darf.

Es ist eine Drehzahl-Regelvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt (DE-AS 14 38 816), bei der die Steuerung der Geschwindigkeit derart erfolgt, daß positive oder negative Maximalwerte der Söllbeschleünigüngen eingehalten werdend Die Verwendung kon« stantef Grenzwerte für die Beschleunigung führt jedoch dazu, daß beispielsweise bei der Abbremsung eines Fahrzeuges dieses konstant abgebremst wird, d-h. mit einer konstanten zeitlichen Änderung der Geschwindig'

keit, so daß sich zum Zeitpunkt des Stillstandes des Fahrzeuges ein Stoß ergibt Ebenso tritt ein ruckartiges Fahrverhalten auf, wenn das Fahrzeug mit konstanter Beschleunigung eine Sollgeschwindigkeit erreicht, worauf die Beschleunigung abrupt auf Null verringert wird.

Der Erf-ndung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahl-Regelvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, mit Hilfe von kontinuierlich oder diskontinuierlich übertragenen Sollwerten für die Geschwindigkeit des Fahrzeuges ein kontinuierliches Steuersignal für den Motor unter Berücksichtigung von Grenzwerten hinsichtlich der Beschleunigung und der Ableitung der Beschleunigung zu gewinnen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Drehzahl-Regelvorrichtung erfolgt die Regelung auf der Grundlage einer vorgegebenen Ableitung der Beschleunigung una in Abhängigkeit von der Größe der Differenz zwischen der Sollgeschwindigkeit und der tatsächlichen Geschwindigkeit Wenn der Wert dieses Geschwindigkeitsunterschiedes oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt so wird der Wert der Ableitung der Beschleunigung auf einen konstanten Wert festgelegt In anderen Fällen, d. h. wenn die Differenz zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit und der Sollgeschwindigkeit kleiner als der vorgegebene Schwellwert ist, so ist die gewählte Größe der Ableitung der Beschleunigung gleich Null. Ausgehend von diesem Wert der Ableitung der Beschleunigung wird durch Integration eine Beschleunigung gewonnen, die sich im ersteren Fall in linearer Weise ändert, während sich im letzteren Fall eine konstante Beschleunigung ergibt Hierdurch ergibt sich eine ruckfreie Abbremsung und Beschleunigung auf eine Sollgeschwindigkeit.

Die erfini' jngsgemäße Regelvorrichtung ermöglicht unter Beibehaltung eines angenehmen Fahrverhaltens ein sehr schnelles Erreichen einer Sollgeschwindigkeit oder eine Abbremsung bis zum Stillstand, ohne daß ein Stoß auftritt, wobei die mögliche Beschleunigung auf Grund des Antriebsmotors voll erhalten bleibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

F ι g. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Drehzahl-Regei/orrichtung.

F i g. 2 ein Diagramm der Beschleunigung, die ausgehend von den der Aoleitung der Beschleunigung auferlegten gewünschten Beschränkungen gewonnen ist.

Fig. 3A. 3B. 3C die geometrische Gewinnung des Ansprechens der Regelvorrichtung in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig.4 ein Weg-Geschwindigkeitsdiagramm eines geregelten Fahrzeuges zwischen zwei Stationen.

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Regelvorrichtung,'

Fig.öA eine Steuerung für eine diskontinuierliche Sollgeschwindigkeitj

Fig<6B eine Steuerung für einen binären Wert der Soligeschwindigksii.

Wie es in F i g.· 1 dargestellt ist, ist die Drehzahi-Regelvorrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges 1 bestimmt, das durch einen Motor 2 angetrieben wird, der durch einen Verstärker 3

gesteuert wird. Die Regelvorrichtung empfängt der

Sollgeschwindigkeit Ve entsprechende Signale in d.s-

kontinuierlicher Weise und es soll ein kontinuierliches Steuersignal für den Motor geschaffen werden, und

zwar unter Berücksichtigung der Beschränkungen in bezug auf die Beschleunigung und die Ableitung der Beschleunigung.

Die Beschränkungen in bezug auf die Ableitung der

ίο Beschleunigung y sind folgende:

Die Ableitung der Beschleunigung kann ausschließlich die drei folgenden Werte annehmen: + 3, 0, — a. Dabei ist a der für die Annehmlichkeit der Passagiere maximal zulässige Wert Es handelt sich hierbei um ein Anwendungsbeispiel für ein geregeltes Fahrzeug. Die Beschränkungen können im Fall eines Fahrzeuges, das zerbrechliche Gegenstände o. a. transportiert unterschiedlich sein.

Die Beschränkungen in bezug auf die Ableitung der Beschleunigung γ sind in der nachfo'^enden Tabelle (1) angegeben:

y = +α wenn c^Cj
y=0 wenn -ε< ε< ε_λ

γ = -α wenn

In dieser Tabelle wird die Veränderliche ε, von der y abhängt, durch den Vergleich der Sollgeschwindigkeit V/rund der tatsächlichen Geschwindigkeit Vsgewonnen, wie dies weiter unten erläutert wird.

Um eine Schwingung im Bereich von y = Q zu vermeiden, wird für den Dauerbetrieb ein Grenzwert ει gewählt, der ungleich 0, jedoch sehr klein ist So wird ει auf ungefähr 0,5% des Bereiches der Sollgeschwindigkeiten Vffestgelegt.

Ausgehend von den oben angegebenen Werten von γ wird eine Integration in den verschiedenen Abschnitten durchgeführt wodurch sich die in der nachfolgenden Tabelle (2) aufgeführten Beschleunigungen ergeben:

y_e Y,

ViI wenn -L'<y,<
+L wenn y d t > L

I y

-L' wenn I yd'< -V

Dabei ist L die Beschränkung in bezug auf die Beschleunigung und L' die Beschränkung in bezug auf die Abbremsung.

Das Ergebnis dieser Integration und die Ausgangsbeschränkungen, die für γ festgelegt sind, bilden den Gegenstand der F i g. 2. Als Steuerbeschleunigung für den Motor wird d'e Beschleunigung y_c verwendet, die durch die folgende Gleichung definiert ist:

(3)

Für den Koeffizienten K₂ wird K₂^ 10 gewählt, damit die tatsächliche Beschleunigung y_s in der Nähe der

ΐ J Beschleunigung y_e liegt.

Der Regelvorrichtung wird die Sollgeschwindigkeit Ve zugeführt. Weiterhin wird der Regelvorrichtung die

tatsächliche Geschwindigkeit Vj zugeführt, die bel· spielsweise an dem Fahrzeug abgenommen wird. Aus dem Vergleich dieser beiden Geschwindigkeiten in dem Vergleichef 4 ergibt sich ein bestimmtes Signal Ve — Vs.

Da dieses Signal nicht die Phasenvoreilung berücksich·¹ tigt, wird das Signal Vs verwendet, das in der Vorrichtung 5 abgeleitet wird und das mit Ki in dem Multiplizierer 6 multipliziert wird, um es dem Vergleicher 7 zuzuführen.
Dieser Vergleicher 7 liefert am Ausgang das Signal:

= V_E ~ γ - ( γ

Pist der LAPLACE-Operator.

Das Signal e wird der Wählvorrichtung 8 für den Sollwert zugeführt, die an ihrem Ausgang einen der drei Werte von γ liefert, die in der Tabelle (1) angegeben sind. Diese Ableitung der Beschleunigung wird in dem Integrator 9 integriert. Parallel zu diesem Integrator ist eine Begrenzungseinrichtung 10 angeschaltet, die die maximalen (L) und minimalen (-L') Werte der Sollbeschleunigung y, festlegt Diese Begrenzungseinficniutig äiueiici uciSpiciäwciSc mit Vollständiger Gegenkopplung, wenn das von dem Integrator 9 gelieferte Signal den Wert +L überschreitet oder kleiner als der Wert -Z/ist. Die Begrenzungseinrichtung ermöglicht weiterhin eine Ausführung in numerischer Steuerung, bei der der Ausgang des Integrators mit zwei Grenzwerten verglichen wird, die, wenn sie erreicht werden, den Integrator abschalten. Das Signal y_e wird dem Vergleicher 11 zugeführt der sie mit der tatsächlichen Beschleunigung γ, vergleicht, die ausgehend von der tatsächlichen Geschwindigkeit gewonnen wird. Daraufhin wird das Ausgangssignal des Vergleichers 11 in dem Multiplizierer 12 mit Kt multipliziert Hierdurch ergibt sich die Steuerbeschleunigung γ_α die dem Verstärker 3 zugeführt wird. Dieser Verstärker steuert den Motor 2, der das Fahrzeug 1 antreibt

Durch die Wahl der verschiedenen Steuerelemente und insbesondere durch Festlegen von Ki auf /C2=» 10 erreicht man die Regelung von beträchtlichen Änderungen der durch das Fahrzeug transportierten Massen. In der Praxis kann das Fahrzeug von einer Station zur anderen vollständig besetzt oder leer sein. Die tatsächliche Geschwindigkeit Vs des Fahrzeuges wird in bekannter Weiss gemessen. Zur Gewinnung der tatsächlichen Beschleunigung y_s des Fahrzeuges, ausgehend von der tatsächlichen Geschwindigkeit wird im Nutzfrequenzbereich (0— 1 Hz) abgeleitet

Für die geometrische Darstellung des Ansprechens der Regelung wird auf die F i g. 3A, 3B und 3C für die Darstellung der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in Abhängigkeit von der Zeit Bezug genommen.

Durch Umformung der Gleichung (4) ergibt sich die folgende Gleichung:

Für den gegebenen Fall

und

K₁ - 1,1 s

und ind"*n

v* = Γ* + ίτ+KQP] _K

L i + ^ J ^s

gesetzt wird, ergibt sich die Kurve nach F i g. 3A.

Bei gegebenen Grenzwerten Von ε gewinnt man drei mögliche Werte von γ, die in Fig.3B dargestellt sind. Durch Integration wird der Wert y, gewonnen, der in F i g. 3C dargestellt ist Das Ansprechen dieser Regelung ist extrem schnell. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist es ausreichend, die Sollgeschwindigkeit Vh schnell zu ändern, um das Betriebsvefhalten des gesteuerten Fahrzeuges zu ändern; Durch Anwenden dieser Regelung auf ein Fahrzeug, das sich auf einer Strecke zwischen verschiedenen Stationen bewegt, gewinnt man das Weg-Geschwindigkeitsdiagramm, das in Fig.4 dargestellt ist. In diesem Diagramm ist die Sollgeschwindigkeit Ve mit gestrichelten Linien dargestellt. Dieses Diagramm zeigt insbesondere die Geschwindigkeitsabnahme des Fahrzeuges, das ausgehend von der Geschwindigkeit 0 an der Station A beschleunigt wird, bis es eine Geschwindigkeit erreicht, die dem Sollwert V^ entspricht. Das Fahrzeug bewegt sich dsnii mit dieser Gsschwindi^CTkcit for* und wird dann fortschreitend verlangsamt, nachdem es an den Punkten a, b, c die Sollwerte Ve¹. V_e", Ve" empfangen hat, um schließlich an der Station B anzuhalten. Aus dem Diagramm nach Fig.4 ist zu erkennen, daß man ausgehend von diskontinuierlichen Sollgeschwindigkeitswerten eine kontinuierliche Geschwindigkeit erhält

Eine zweite Ausführungsform der Regelvorrichtung ist in F1 j. 5 dargestellt In diesem Fall handelt es sich um die Steuerung eines Motors, der bereits drehzahlgeregelt ist. Diese Anordnung ist der Anordnung nach der

Ausführungsform nach Fig. 1 sehr ähnlich und zur Vereinfachung der Darstellung wurden die gleichen Bezugsziffern für entsprechende Elemente beibehalten.

Die Regelung wird auf ein Fahrzeug 1 angewendet,

das durch einen Motor 2 angetrieben wird, der bereits drehzahlgeregelt ist. Der Motor 2 empfängt ein eine Sollgeschwindigkeit V_c darstellendes Signal, das die tatsächliche Geschwindigkeit Vs und die Beschränkungen in bezug auf die Beschleunigung und die Ableitung

der Beschleunigung berücksichtigt Zu diesem Zweck wird der tatsächlichen Geschwindigkeit Vs durch die Einrichtung 13 eine Phasenvoreilung gegeben. Das Ausgangssignal wird dem Vergleicher 4 zugeführt, der gleichzeitig ein der Sollgeschwindigkeit Ve entspre-

chendes Signal empfängt Das Ausgangssignal ε liefert einen der drei Werte der Ableitung der Beschleunigung y in der Vorrichtung 8. Diese Ableitung der Beschleunigung y wird im Integrator 9 integriert, wobei der Wert des Integrals in der Einrichtung 10 begrenzt wird. Dies

ergibt die Sollbeschleunigung y_n die dem Vergleicher 14 zugeführt wird. Dieser Vergleicher 14 em_h.iängt außerdem ein Signal, das von dem positiven Teil der Geschwindigkeitsdifferenz aus der Vorrichtung 17 herrührt, die ihrerseits ein Geschwindigfceitsdifferenzsignal aus dem Vergleicher 16 empfängt Die Funktion des »positiven Teils« der Vorrichtung 17 ist derart daß für einen positiven Eingang der Ausgang dem Eingang entspricht für einen negativen Eingang ist der Ausgang gleich 0. Die beiden Eingänge des Vergleichers 16 sind

die tatsächliche Geschwindigkeit Vs und die Sollgeschwindigkeit Vo Der Vergleicher 14 liefert ein Signal das in der Vorrichtung 15 transformiert wird und das Sollgeschwindigkeitssignal Vcüefert
Wie es weiter oben gezeigt wurde, ist bei dem zweiten

Ausführungsbeispiel der Regelvorrichtung die Steuerveränderliche nicht mehr ein Moment wie in dem ersten Fall, sondern eine Drehzahl. Das Ansprechen dieser Regelung entspricht dem der ersten Ausführungsform

und die Anwendungsbereiche sind die gleichen.

Die beschriebene Drehzahl-Regelvorrichtung ist insbesondere für die Steuerung von Antriebsmotoren, die Fahrzeuge antreiben, geeignet, und ermöglicht eine automatische Steuerung an geeigneten Stellen, wie z. B, in einem Ü-Bahnnetz oder entsprechenden Stellen^

in der vorstehenden Beschreibung wurde eine Steuerung durch diskontinuierliche SollgeschwindigkeH ten angestrebt; Es ist jedoch in gleicher Weise möglich, eine Steuerung durch binäre Geschwindigkeitssignale zu erzielen.

Diese beiden Arten der Steuerung sind schematisch in den F i g. 6A und 6B dargestellt Die Aufgabe der ersten Art der Steuerung besteht darin, eine Modulation der Amplitude der Geschwindigkeit zu bewirken, während die zweite Art der Steuerung die Verwirklichung einer Steuerung der Dauer ermöglicht Diese beiden Arten der Steuerung können sich überlagern, wenn es darum geht, beispielsweise Geschwindigkeitskorrekturen aus-

zuführen.
Bei einem Vergleich der Fig>6A und 6B stellt man

fest* daß in dem ersten Fall die tatsächliche Geschwin* digkeif des Fahrzeuges am Ende einer bestimmten Zeit

die Sollgeschwindigkeit erreicht. Im Gegensatz hierzu

ist in dem Fail der binären Steuerung das Eingangssigna!

(im vorliegenden Fall positiv^negativ) ein Signal mit größer Amplitude, Die Amplitude dieses Signals bedeutet wenigi Tatsächlich folgt die Regelung der gestrichelten Kurve, ohne das Eingangssignal zu

erreichen.
In dieser Fig.6B ist ein erstes positives Signal

vorhanden. Bei ec wird ein negatives SignM äusgesandt, und die Regeluftgskurye wird bis zu dem Zeitpunkt β

umgekehrt, zu dem die Vorrichtung von neuem ein positives Signal empfängt, das die Zurückbiegung der Kurve ergibt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

130265/43

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Drehzahl-Regelvorrichtung für einen Antriebsmotor eines Fahrzeuges, mit eir;em Detektor zur Lieferung eines der tatsächlichen Geschwindigkeit entsprechenden Signals (V₅) mit einer Einrichtung zur Lieferung eines einer Sollgeschwindigkeit entsprechenden Signals (Ve), mit einer Einrichtung zur Lieferung eines Differenzsignals, das der Differenz (ε) zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit und der Sollgeschwindigkeit entspricht, und das einer Einrichtung zur Lieferung vorgegebener Werte einer Sollbeschleunigung zugeführt wird, deren Ausgangssignal einer Ansteuerschaltung für den Antriebsmotor zugeführt wird, und mit einem ein die tatsächliche Beschleunigung darstellendes Signal (γ₅) liefernden Generator, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzsignal (fe^dner Wählvorrkatung (8) zugeführt wird, die einen vorgegebenen Wert für die Ableitung (γ) der Beschleunigung in Abhängigkeit davon liefert, ob der Betrag des Differenzsignals (ε) nahe Null liegt (Je|<Ei) oder größer als ein Schwellenwert ist Q ε I >ει), und daß ein Integrator (9) vorgesehen ist, der das Ausgangssignal der Wählvorrichtung (8) empfängt und ein Sollbeschleunigungssignal (y_c) iefert

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuerschaltung ein die Differenz zv.'sehen dem Integral des die Ableitung der Beschleunigung darstellenden Signals (γ) und dem die tatsächliche Beschleunigung darstellenden Signal (y_s) darstellendes big nal (y ■) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruc.i 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sollgeschwindigkeitssignal (VE)e'm diskontinuierliches Signal ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sollbeschleunigungssignal (Ve)ein kontinuierliches Signal ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (9) ff"· die Ableitung (γ) der Beschleunigung mit einem iegrenzer (10) kombiniert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für einen bereits mit einer Geschwindigkeitsregelung versehenen Antriebsmotor, dadurch gekennleichnet, daß das die tatsächliche Geschwindigkeit darstellende Signal (Vs) einer Phasenschiebeeinrichlung (13) zugeführt wird, die diesem Signal eine Phasenvoreilung erteilt, daß die Einrichtung zur Lieferung des Differenzsignals eine Kombinationstinrichtung (4) ist. die das Sollgeschwindigkeitssignal (Ve) und das die tatsächliche Geschwindigkeit darstellende und die Phasenvoreilung aufweisende Signal empfängt und das Differenzsignal (ε) bildet, daß eine weitere Kombinationseinrichtung (14) vorgesehen ist. die einerseits das Sollbeschleunigungssignal (γ<-) von dem Integrator (9) und ■ndererseits das die tatsächliche Beschleunigung darstellende Signal empfängt, um ein Differenzsl· gnat zu bilden, und daß ein weiterer Integrator (15) vorgesehen ist, der das Differenzsignal der zweiten kömbinatiohseinrichtüng (14) empfängt und ein Soilgeschwindigkeitssignal (V_c) liefert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn* Zeichnet, daß das der zweiten Kömbinätiönseinrichtung (Ϊ4) zugeführte Signal für die tatsächliche

Beschleunigung ein Signal ist, das sich aus einem Vergleich der Sollgeschwindigkeit (V₀) und der tatsächlichen Geschwindigkeit (Vs) ergibt, und das der Kombinationseinrichtung (14) lediglich dann zugeführt wird, wenn die Differenz positiv ist, wobei dieses Signal in ein einer Beschleunigung entsprechendes Signal umgewandelt und der weiteren Kombinationseinrichtung (14) zugeführt wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wählvorrichtung (8) für die Ableitung (γ) der Beschleunigung drei unterschiedliche Signale ( + a, 0, — a), zuliefert, wobei das Signal mit dem Wert (0) dann ausgewählt wird, wenn das Eingangssignal (ε) geringe Abweichungen von dem Wert (0) aufweist

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Begrenzer (10) für den Integrator (9) vorgesehen ist, der das Ausgangssignal des Integrators begrenzt, und daß dieser Begrenzer (10) ein eine vollständige Gegenkopplung liefernde Schaitun^CT ist, wenn das Aus^n^ssi^nsl größer oder kleiner als ein vorgegebener Schwellwert (+Z, -L) ist