DE4337356A1 - Regelungsverfahren und Schaltung zur Regelung eines Elektrofahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren und eine Schaltung zur Antriebsregelung eines Elektrofahrzeuges, insbesondere eines elektrischen Schienenfahrzeuges.

Es ist bekannt, den Antrieb eines Elektrofahrzeuges mit einem Fahrschalter zu regeln. Hierbei wird die Klemmenspannung einer elektrischen Maschine, beispielsweise durch das Schalten eines Widerstandsnetzwerkes oder auch durch den Einsatz moderner Leistungselektronik, verändert.

Bei den Bahnfahrzeugen des ÖPNV (öffentlicher Personen Nah­ verkehr) ist seit vielen Jahren eine Fahr-Brems-Steuerung im Einsatz, die die Antriebskraft in Abhängigkeit von einer Fahrhebelstellung vorgibt. Dabei werden die Fahrmotoren bei Fahrhebelstellung nach vorn - motorisch - in Richtung fahren und bei Fahrhebelstellung nach hinten - generatorisch - in Richtung bremsen betrieben. In vielen Einsatzfällen kann die Antriebskraft der Motoren nur stufig durch geschaltete Vorwiderstände verändert werden. Das gleiche gilt für die Bremskräfte. Die sich einstellende Fahrzeuggeschwindigkeit ergibt sich aus der Fahrzeugmasse und den auf diese Masse wirkenden Kräften (Antriebs- bzw. Bremskräfte, Widerstands- und Steigungskräfte).

Eine Handbetriebsregelung hat die Aufgabe, den vom Fahr­ zeugfahrer am Fahrpult mittels eines Fahrschalters vorge­ gebenen Kraftwert unter Berücksichtigung von betriebs­ fallspezifischen Geschwindigkeitsgrenzwerten und Komfort­ bedingungen umzuformen. Eine Schaltung zum Erreichen der Komfortbedingungen soll bewirken, daß sich Ruck (Ableitung der Beschleunigung nach der Zeit), Beschleunigung oder Verzögerung des Fahrzeuges auch bei sprungartiger Vorgabe eines Kraftwertes nur innerhalb vorgegebener Grenzen bewegen. Hierzu ist es erforderlich ein Motormoment kontinuierlich und ohne Lücke zwischen motorischem und generatorischem Bereich zu verändern. Es ist weiter bekannt, dieses Problem durch den Einsatz leistungselektronischer Bauelemente zu lösen. Hierbei wird für die Fahrmotoren eine Momentenregelung in beide Momentenrichtungen (Momentenschale) vorgesehen. Derartige Schaltungen der Leistungselektronik sind für Gleich- und Drehstrommaschinen verfügbar.

Nachteil dieses Standes der Technik ist, daß eine zu schnelle oder heftige Auslenkung des Fahrhebels, insbesondere bei einer Bergabfahrt mit vollbesetztem Fahrzeug, zur Überschrei­ tung vorgebbarer Grenzwerte führen kann. Zudem kann es während eines Bremsvorganges zu einer nicht beabsichtigten Rückwärtsfahrt kommen, wenn der Fahrhebel zu lange in der Bremsstellung verbleibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, die ein Elektrofahr­ zeug betriebsfallabhängig so regeln, daß dessen Fahrt jederzeit ruck- und/oder beschleunigungsbegrenzt verläuft. Hierbei darf ein vorgebbarer Grenzwert der Fahrgeschwindig­ keit nicht überschritten werden. Dieser Grenzwert soll auch während der Fahrt veränderbar sein. Zusätzlich soll die Geschwindigkeit einer während eines Bremsvorganges versehent­ lich eingeleiteten Rückwärtsfahrt auf kleine vorgebbare Werte begrenzt bleiben.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Rege­ lungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder mittels einer Schaltung nach Anspruch 8. Es ist hierbei zwischen zwei Betriebsarten zu unterscheiden. Eine erste Betriebsart "Fahrschalter­ betrieb" und eine zweite Betriebsart "Geregelter Fahr­ betrieb".

Gemäß Anspruch 2 ist beiden Betriebsarten gemeinsam, daß nur Antriebskraftsollwerte an die Antriebseinheit gegeben werden, die sich mit der Forderung nach einer ruckbegrenzten Fahrt vereinbaren lassen. Also erfolgt auch der "Fahrschalter­ betrieb" unter der Voraussetzung einer ruckbegrenzten Fahrt.

Bei dem beanspruchten Regelungsverfahren, wird die Fahr- und Bremssteuerung nur in einem solchen Maße automatisiert, wie es im Sinne vorgebbarer Sicherheits- und Komfortbedingungen unerläßlich ist. Erst wenn der, mittels eines Fahrschalters per Hand, vorgegebene Kraftsollwert ein Verlassen eines definierten Bereiches zulässiger Fahrparameter zur Folge hätte, greift die zwischengeschaltete Regeleinrichtung regelnd ein. Die Fahrt des Elektrofahrzeugs erfolgt dann in Abhängigkeit vorgegebener Grenzwerte, bis der vom Fahr­ schalter vorgegebene Kraftsollwert wieder im zulässigen Bereich liegt.

In vorteilhafter Weiterbildung nach Anspruch 3 erfolgt auch die Umschaltung vom "Fahrschalterbetrieb" in den "Geregelten Fahrbetrieb" ebenso wie eine Umschaltung in umgekehrter Richtung ruckbegrenzt. Das heißt, die Änderung der Beschleunigung über der Zeit verläuft innerhalb vorgebbarer Grenzen. Hierzu ist es erforderlich, den Umschaltzeitpunkt von der einen Betriebsart in die andere so zu wählen, daß insbesondere der Fahrparameter Geschwindigkeit zum Zeitpunkt der Umschaltung noch eine solche Sicherheitsmarge von einer zu definierenden Grenzgeschwindigkeit entfernt ist, daß die zum Einhalten dieser Grenze erforderliche Änderung der Beschleunigung innerhalb vorgebbarer Grenzen bleibt.

Nach Anspruch 4, wird der Zeitpunkt des Umschaltens vom "Fahrschalterbetrieb" zum "Geregelten Fahrbetrieb" von einer als Lastkraft bezeichneten Größe abhängig gemacht. Diese Größe entspricht der Kraft, die benötigt wird um etwaige Reibungskräfte oder Fahrwegsteigungen zu überwinden oder die, infolge einer Bergabfahrt, auf das zu regelnde Fahrzeug einwirkt. Die Lastkraft ist als zu überwachende Statusgröße sehr geeignet, da alle die Traktion betreffenden Ein­ flußgrößen, wie beispielsweise Reibung und/oder das Strecken­ profil eines Fahrweges diese leicht nachzubildende Größe der Lastkraft verändern. Durch die Überwachung dieser Größe ist es möglich, betriebsfallabhängig zu regeln. Insbesondere zur Festlegung eines geeigneten Umschaltzeitpunktes vom "Fahrschalterbetrieb" in den "Geregelten Fahrbetrieb", ist es sinnvoll, die Lastkraft zu berücksichtigen.

Dadurch, daß die Regeleinrichtung wenigstens einen Fahrparameter nach einer Wurzelkennlinie regelt, wird die gewünschte Beschleunigungs- und Ruckbegrenzung für das Elektrofahrzeug erreicht. Diese Regeleinrichtung ergänzt eine zweifache integrale Regelstrecke, die insbesondere zur Geschwindigkeitsregelung geeignet ist, ideal.

Nach Anspruch 6 ist es vorgesehen, die Vor- und Rückwärts­ fahrt des Elektrofahrzeugs jeweils individuell zu regeln. Hierdurch können für unterschiedliche Fahrtrichtungen unter­ schiedliche Begrenzungen für die Fahrparameter vorgegeben werden. Dies ist schon allein aus Sicherheitsgründen ein wesentlicher Vorteil.

In vorteilhafter Weiterbildung bleiben insbesondere die Geschwindigkeitswerte für die Rückwärtsfahrt des Elektro­ fahrzeugs auf kleine Werte begrenzt. Dies ist ein wichtiges Sicherheitsmerkmal, da eine etwaige Rückwärtsfahrt vom Bedienpersonal nur schwer überwacht werden kann. Außerdem ist die Rückwärtsfahrt, wenn überhaupt, überwiegend nur zu Rangierzwecken sinnvoll. Es ist dennoch wünschenswert, das Regelungsverfahren in dieser Weise weiterzubilden, da in Verbindung mit einer Vierquadrantensteuerung Rückwärtsfahrten eines Elektrofahrzeuges versehentlich eingeleitet werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch den Einsatz der im Anspruch 8 beschriebenen Schaltung.

In vorteilhafter Weiterbildung gibt die Regeleinrichtung nur solche Antriebskraftsollwerte an die nachgeschaltete Antriebseinheit weiter, die eine ruckbegrenzte Fahrt ermöglichen.

Dadurch, daß die Regeleinrichtung eine Auswahllogikschaltung aufweist, kann betriebsfall- und/oder vorgabeabhängig ent­ schieden werden, ob ein vom Fahrschalter vorgegebener Fahr­ schalterkraftsollwert auf die Antriebseinheit geschaltet wird, oder ob die zwischengeschaltete Regeleinrichtung mit der Antriebseinheit in Eingriff gebracht wird, um Antriebs­ kraftsollwerte vorzugeben, die innerhalb vorgebbarer Grenzen liegen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Schaltung nach Anspruch 11, werden von einer Begrenzungsschaltung Kraft­ begrenzungswerte gebildet, deren Größe von einer Lastkraft abhängen. Diese Kraftbegrenzungswerte werden von der Auswahl­ logikschaltung mit dem am Fahrschalter eingestellten Kraft­ sollwert verglichen. Damit wird sowohl die Höhe der Regel­ abweichung als auch die, im Falle eines Eingriffs der Regeleinrichtung, wirksamen Kraftbegrenzungswerte in Abhängigkeit von der tatsächlich von der Antriebseinheit zu erbringenden Antriebskraft generiert. Der Zeitpunkt des Umschaltens vom "Fahrschalterbetrieb" in den "Geregelten Fahrbetrieb" und die von der zwischengeschalteten Regel­ einrichtung vorgegebene Stellgröße hängt demnach von der Größe der betriebsfallabhängigen Lastkraft ab.

Eine zusätzliche Weiterbildung der Schaltung ist die jeweils individuelle Regelung von Vor- und Rückwärtsfahrt des Elektrofahrzeugs. Dadurch, daß die Begrenzungsschaltung zwei getrennte Schaltungsteile, einen Vorwärts- und einen Rück­ wärtsbegrenzungsschaltungsteil, aufweisen, können diesen jeweils unterschiedlichen Vorgaben und/oder Grenzwerte zugeordnet werden.

Nach Anspruch 13 wird in einem Hochlaufgeber ein Kraftsoll­ wert gebildet, ohne daß ein maximal zulässiger Ruck über­ schritten wird. Dieser maximal zulässige Ruck entspricht der maximal zulässigen Änderung der Beschleunigung über der Zeit.

Nach Anspruch 14 weist die Regeleinrichtung einen Geschwindigkeitssollwertbildner auf, die den vorgegebenen Kraftsollwert in einen Geschwindigkeitssollwert umwandelt, wobei diese Größe mit vorgebbaren Grenzwerten verglichen wird. Die Geschwindigkeit ist eine leicht zu überwachende Größe und kann von daher ebenso leicht in entsprechende die Fahrt beschreibende Fahrparameter, wie beispielsweise die Beschleunigung oder eine Antriebskraft, zur weiteren Verarbeitung umgewandelt werden.

Der Geschwindigkeitssollwert wird auf einen nachgeschalteten PI-Regler gegeben, der im Fahrschalterbetrieb im wesentlichen den nicht benötigten Geschwindigkeitssollwert einem zur Bildung zur Regelabweichung ebenfalls an den PI-Regler über­ mittelten Geschwindigkeitsistwert anpaßt. Hierdurch ist sichergestellt, daß nicht eine zum Zeitpunkt der Umschaltung vom "Fahrschalterbetrieb" in den "Geregelten Betrieb" etwaig anstehende Regelabweichung einen Momentstoß der Antriebs­ einheit bewirkt. Im "Geregelten Betrieb" wird dann die Fahr­ zeuggeschwindigkeit an die vorgegebenen Grenzwerte angepaßt.

Zusätzlich wird in dem PI-Regler die als Lastkraft bezeich­ nete Größe nachgebildet. Die Lastkraft muß demnach nicht extra gemessen und überwacht werden, sondern sie wird vorteilhaft intern in der Schaltung nachgebildet.

Besonders vorteilhaft ist es, ein Elektrofahrzeug mit dem Regelungsverfahren in Verbindung mit der beanspruchten Schaltung zu betreiben.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Fahreinheit,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung,

Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild der Regeleinrichtung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Hochlaufgeberbegrenzungs­ schaltung dieser Regeleinrichtung,

Fig. 5 ein Fahrdiagramm zur Bergabfahrt eines Elektro­ fahrzeuges und

Fig. 6 ein Fahrdiagramm zur Bergauffahrt des Elektrofahr­ zeuges.

Nach Fig. 1 wirkt ein Fahrschalter 1 über eine zwischen­ geschaltete Regeleinrichtung 2 auf eine Antriebseinheit 3.

Der nähere Aufbau der Regeleinrichtung 2 ist Fig. 2 zu ent­ nehmen. Die aufschaltbare Regeleinrichtung 2 umfaßt eine Speichereinrichtung 4, die mit dem Fahrschalter 1 in Signal­ verbindung steht. Ein Ausgang der Speichereinrichtung 4 ist mit einer, einen Vorwärtsbegrenzungsschaltungsteil 6 und ei­ nen Rückwärtsbegrenzungsschaltungsteil 7 umfassenden Begren­ zungsschaltung 5 verbunden, der eine Auswahllogikschaltung 8 nachgeschaltet ist. Ein weiterer Eingang dieser Auswahl­ logikschaltung 8 steht mit der Speichereinrichtung 4 in Signalverbindung. Die Auswahllogikschaltung 8 entscheidet im wesentlichen darüber, welches der beiden Eingangssignale an einen angeschlossenen Hochlaufgeber 9 übermittelt wird. An den Hochlaufgeber 9 ist ein Geschwindigkeitssollwertbildner 10 angeschlossen, der über einen PI-Regler 11 das Ausgangs­ signal der unterstützenden Regeleinrichtung 2 erzeugt.

Anhand der in Fig. 3 in einem Blockschaltbild dargestellten schaltungstechnischen Realisierung der Regeleinrichtung 2 wird ein möglicher Schaltungsaufbau sowie seine Funktion im einzelnen erläutert. Neben dem, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich zu anderen Hardwarelösungen, insbesondere auch Softwarelösungen, denkbar, um die nachstehend erläuterten Funktionen der Regeleinrichtung 2 zu realisieren.

Die Speichereinrichtung 4 empfängt vom Fahrschalter 1 einen, dessen Stellung repräsentierenden Wert und gibt im Anschluß daran einen Fahrschalterkraftsollwert F_H* an die Auswahl­ logikschaltung 8 ab. Innerhalb der Auswahllogikschaltung 8 wird der Fahrschalterkraftsollwert F_H* auf eine Kraft­ vergleichsstelle 12 gegeben, die zusätzlich einen inver­ tierten Vorwärtskraftbegrenzungswert F₁ zum Vergleich empfängt. Ein, an die Kraftvergleichsstelle 12 ange­ schlossener Schwellwertmelder 13 wechselt sein binäres Ausgangssignal, sobald der Vorwärtskraftbegrenzungswert F₁ kleiner ist als der Fahrschalterkraftsollwert F_H*.

Der Vorwärtskraftbegrenzungswert F₁ wird in dem Vorwärts­ begrenzungsschaltungsteil 6 der Begrenzungsschaltung 5, wie folgt, ermittelt:
An einer Geschwindigkeitsvergleichsstelle 14 des Vorwärtsbegrenzungsschaltungsteil 6 wird die Differenz zwischen einem von der Speichereinrichtung 4 vorgegebenen Vorwärtsgeschwindigkeitsgrenzwert V_G1 und einem in dem Geschwindigkeitssollwertbildner 10 ermittelten Geschwindig­ keitssollwert V* bestimmt. Diese Differenz wird einem angeschlossenen Kennliniengeber 15 übermittelt. Dieser Kenn­ liniengeber 15 enthält eine Wurzelfunktion und ermöglicht eine zeitoptimale und überschwingungsfreie Stabilisierung zweier in Reihe geschalteter Integrierglieder, wie sie die Regeleinrichtung 2 aufweist.

Mittels dieser vom Kennliniengeber 15 vorgegebenen Wurzel­ funktion, die einen vorgebbaren Grenzruckwert r_G und die ermittelte Geschwindigkeitsdifferenz berücksichtigt, wird ein Vorwärtsbeschleunigungswert a₁ nach der Formel

berechnet. Dieser Vorwärtsbeschleunigungswert a₁ durchläuft dann eine an den Kennliniengeber 15 angeschlossene zweiseitige Begrenzungsschaltung 16, die nur Vorwärtsbeschleunigungswerte a₁ innerhalb einer vorgebbaren Brandbreite von einem maximal zulässigen Beschleunigungs­ grenzwert a_GB und einem maximal zulässigen Verzögerungs­ grenzwert a_GV unverändert passieren läßt. Ein außerhalb dieses zulässigen Bereiches liegender Beschleunigungswert a₁ wird entweder durch den Wert a_GB oder den Wert a_GV ersetzt, je nachdem ob der zulässige Bereich über- oder unterschritten wird.

Die Begrenzungsschaltung 16 steht mit der Speichereinrichtung 4, in der die den zulässigen Bereich markierenden Grenzwerte abgelegt sind, in Signalverbindung. Somit können die den Beschleunigungswert a₁ begrenzenden Werte a_GB, a_GV dadurch verändert werden, daß eine entsprechende Eintragung in der Speichereinrichtung 4 geändert wird.

Der derart begrenzte Beschleunigungswert a₁ wird dann auf einen Multiplizierer 17 gegeben, der diesen Vorwärts­ beschleunigungswert a₁ mit einem der Fahrzeugmasse m_F entsprechenden Wert multipliziert, so daß am Ausgang des Multiplizierers 17 ein Kraftwert ansteht, dem in einer an den Multiplizierer 17 angeschlossenen Addiereinrichtung 18 eine der Lastkraft F_L entsprechende Größe aufsummiert wird. Dieser derart veränderte Kraftwert wird als Vorwärtskraft­ begrenzungswert F₁ der Kraftvergleichsstelle 12 invertiert zugeführt.

Ein Rückwärtskraftbegrenzungswert F₂ wird in analoger Weise in dem Rückwärtsbegrenzungsschaltungsteil 7 gebildet.

Der Schwellwertmelder 13 steht mit einem Schaltelement 19 und einem Odergatter 20 in Signalverbindung. Das Schaltelement 19 schaltet entweder den Fahrschalterkraftsollwert F_H* oder den Vorwärtskraftbegrenzungswert F₁ durch. Wenn das Ausgangs­ signal des Schwellwertmelders 13 signalisiert, daß der Fahrschalterkraftsollwert F_H* größer ist als der Vorwärts­ kraftbegrenzungswert F₁, so wird im "Geregelten Fahrbetrieb" der Vorwärtskraftbegrenzungswert F₁ durchgeschaltet.

Im Unterschied hierzu wird im "Fahrschalterbetrieb" der Fahr­ schalterkraftsollwert F_H* ruckbegrenzt aber ansonsten unverändert von der Regeleinrichtung 2 an die Antriebseinheit 3 weitergegeben. Durch einen weiteren entsprechend geschalteten Schwellwertmelder 21 wird in analoger Weise, im Falle einer Rückwärtsfahrt, der Rückwärtskraftbegrenzungswert F₂ ein- oder ausgekoppelt. Am Ausgang der Auswahllogikschaltung 8 steht jedenfalls ein Kraftsollwert F* an, der, je nach Ausgang der vorgenommenen Vergleiche, entweder einem der Kraftbegrenzungswerte F₁ oder F₂ oder dem Fahrschalterkraftsollwert F_H* entspricht.

Dieser Kraftsollwert F* wird an den angeschlossenen Hochlaufgeber 9 übermittelt. Der Hochlaufgeber 9 besteht im wesentlichen aus einem Übersteuerungsverstärker 23 und einem Integrierglied 24. Am Ausgang des Hochlaufgebers 9 steht ein Ausgangswert F_AH1* an. Dieser Ausgangswert F_AH1* wird an die mit dem Eingang verbundene Hochlaufgebervergleichsstelle 22 zurückgeführt. Die von der Hochlaufgebervergleichsstelle 22 ermittelte Regeldifferenz wird auf den nachgeschalteten Übersteuerungsverstärker 23 und anschließend auf das Integrierglied 24 gegeben. Zwischen dem Proportional­ verstärker 23 und dem Integrierglied 24 ist eine Hoch­ laufgeberbegrenzungsschaltung 25 angeschlossen.

Diese in Fig. 4 als Blockschaltbild dargestellte Hochlauf­ geberbegrenzungsschaltung 25 ist ebenfalls eine einen zuläs­ sigen Bereich bestimmende Eingrenzungsschaltung. Die diesen zulässigen Bereich begrenzenden Werte sind jedoch nicht vorgegeben, sondern werden betriebsfallabhängig bestimmt. Hierzu ist die Hochlaufgeberbegrenzungsschaltung 25 mit einem Eingang 26 an die Geschwindigkeitsvergleichsstelle 14 angeschlossen und mit einem weiteren Eingang 27 an den Schwellwertmelder 13 angeschlossen. Ein dritter Eingang 28 der Hochlaufgeberbegrenzungsschaltung 25 ist an den weiteren Schwellwertmelder 21 angeschlossen. Diese Eingangssignale sind einer Anordnung von Grenzwertmeldern 29 und Logikgattern 30 zugeführt.

Diese Anordnung wirkt auf ein Umschaltelement 31, das zwischen zwei möglichen Ruckwerten, im vorgegebenen Fall 0 m/sek^-3 und 0,25 m/sek^-3, hin und her schaltet. Das Umschaltelement 31 weist zwei voneinander getrennt betätigbare Schalter auf. Beide Schalter des Umschalt­ elementes 31 sind jeweils an Ruckaddierstellen 32 ange­ schlossen, deren jeweils weiteres Eingangssignal, ein Ruck­ wert r_H wird demnach in Abhängigkeit von der Stellung des Umschaltelementes 31 verändert. So wird bei Vorwärtsfahrt und Umschaltung in den geregelten Betrieb der die Beschleunigung bzw. die Verzögerung begrenzende Ruckwert r_H um eine Ruckänderung Δr = 0,25 m/sek^-3 erhöht bzw. erniedrigt. Bei Rückwärtsfahrt ist nur eine Erhöhung des Beschleunigungsrucks r_H um Δr vorgesehen.

Diese Erhöhung der Ruckwerte r_H im "Geregelten Fahrbetrieb" ist notwendig, um die Begrenzungsgeschwindigkeiten V_G1, V_G2 eindeutig durch die Wurzelfunktionen vorgeben zu können. Dieser von der Hochlaufgeberbegrenzungsschaltung 25 festgelegte Ruckwert r_H wird durch den Ruckaddierstellen 32 jeweils nachgeschaltete Multiplizieranordnungen 33 an deren weiteren Eingang jeweils ein der Fahrzeugmasse m_F entsprechender Wert anliegt, nochmals verändert, um dimensionsrichtige Begrenzungswerte X, Y für den Hochlaufgeber 9 zu erhalten.

Der dem Hochlaufgeber 9 nachgeschaltete Geschwindigkeits­ sollwertbildner 10 wandelt den vom Hochlaufgeber 9 vorgegebenen Antriebskraftsollwert F_AH1* in einen Geschwindig­ keitssollwert V* um. Der Eingang des Geschwindig­ keitssollwertbildners 10 ist mit einer Lastkraft­ vergleichsstelle 34 verbunden. Diese Lastkraftvergleichs­ stelle 34 erzeugt ein der Differenz zwischen dem Antriebskraftsollwert F_AH1* und der, ebenfalls dieser Lastkraftvergleichsstelle 34 zugeführten Lastkraft F_L ent­ sprechendes Signal. Dieses Signal wird einer Dividier­ einrichtung 35 als Dividend übermittelt. Zusätzlich steht die Dividiereinrichtung 35 mit der Speichereinrichtung 4 derart in Signalverbindung, daß als Divisor ein der Fahrzeugmasse m_F entsprechender Wert übermittelt wird. Das Ausgangssignal der Dividiereinrichtung 35 wird schließlich in der ange­ schlossenen Integriereinrichtung 36 in einen Geschwindig­ keitssollwert V* umgewandelt. Zwischen dem Geschwindig­ keitssollwertbildner 10 und der PI-Reglereinheit 11 ist ein Vergleichselement 37 angeordnet, daß aus dem Geschwindig­ keitssollwert V* und dem Geschwindigkeitsistwert V_i eine Regelabweichung ermittelt, die an den Eingang der PI- Reglereinheit 11 gelegt wird.

Die Wirkungsweise der PI-Reglereinheit 11 hängt im wesent­ lichen von der Stellung eines im der PI-Reglereinheit 11 befindlichen Schaltelementes 38 ab, dessen Schaltstellung von der jeweiligen Betriebsart, "Fahrschalterbetrieb" oder "Geregelter Betrieb", abhängt. In beiden Betriebsarten wird im PI-Regler 11 eine der Lastkraft F_L entsprechende Größe nachgebildet und an den Geschwindigkeitssollwertbildner 10 über ein Verzögerungsglied 39 an die Begrenzungsschaltung 5 gegeben. Diese Rückführung der Lastkraft F_L bewirkt, daß der in dem Geschwindigkeitssollwertbildner 10 gebildete Geschwindigkeitssollwert V* dem Istwert der Fahrzeug­ geschwindigkeit V_i nachgeführt wird.

Damit ist sichergestellt, daß das Umschalten vom "Fahrschalterbetriebetrieb" in den "Geregelten Betrieb" erfolgen kann, ohne daß eine etwaig bestehende Regelabweichung einen Momentenstoß der Antriebseinheit 3 bewirkt.

Im Falle einer Umschaltung in die Betriebsart "Geregelter Betrieb" wird das Schaltelement 38 derart betätigt, daß der Proportionalanteil der PI-Reglereinheit 11 über einen Multiplizierer mit einem der Fahrzeugmasse m_F entsprechenden Wert multipliziert und über eine entsprechende Kraft­ addiereinrichtung 41 der vom Hochlaufgeber 9 vorgegebene Antriebskraftsollwert F_AH1* um diesen Wert erhöht wird.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Regeleinrichtung 2 wird zusätzlich anhand zweier in den Fig. 5 und 6 dargestellten Fahrdiagrammen erläutert. In den beiden Figuren sind jeweils verschiedene charakteristische Fahr- und Regelungsparameter über der Zeit t aufgetragen. Die Abszissenachse der Fahr­ diagramme ist also die Zeitachse und die Ordinatenachse entspricht jeweils den zu den dargestellten Größen gehörigen Dimensionierungen. Im einzelnen sind in den Fahrdiagrammen die Größen Fahrschalterkraftsollwert F_H*, Lastkraft F_L und der Istwert der Fahrzeuggeschwindigkeit V_i dargestellt. Zusätzlich zeigt das Fahrdiagramm das jeweilige Ausgangssignal des Odergatters 20 und damit in welcher Betriebsart sich die Regelung befindet. Steht das Ausgangssignal des Odergatters 20 (Low oder High) auf "LOW" so wird die Antriebseinheit 3 im "Fahrschalterbetrieb" per Hand gesteuert, wohingegen bei einem Ausgangssignal des Odergatters 20 "HIGH" die Regeleinrichtung 2 mit der Antriebseinheit 3 in Eingriff steht. Das Ausgangssignal des Odergatters 20 wird im weiteren mit "c" bezeichnet.

Das in Fig. 5 dargestellte Fahrdiagramm gilt für eine Bergabfahrt des Elektrofahrzeuges. Da die von der Antriebseinheit 3 aufzubringende Antriebskraft F_AH* mit einem positiven Vorzeichen bewertet wird, wird hier die infolge der Bergabfahrt bereits anstehende Lastkraft F_L, die nicht mehr von der Antriebseinheit 3 aufgebracht werden muß, negativ bewertet. Deshalb geht die Kennlinie für die Lastkraft F_L zunächst in einen negativen Bereich und verändert sich nicht mehr, solange die, die Antriebskraft beeinflussenden Größen, wie beispielsweise das Streckenprofil oder die Haftreibung unverändert bleiben.

Zum Zeitpunkt t₀ wird der Fahrschalter 1 maximal ausgelenkt, so daß der vom Fahrschalter 1 vorgegebene Fahr­ schalterkraftsollwert F_H* stark ansteigt. Infolge der Auslenkung des Fahrschalters 1 steigt die Antriebskraft F_AH* und erreicht zum Zeitpunkt t₂ einen vorgegebenen Grenzwert F₁. Mit entsprechender zeitlicher Verzögerung steigt auch die Istgeschwindigkeit V_i des Elektrofahrzeugs stark an, bis zum Zeitpunkt t₅ der Vorwärtsgeschwindigkeitsbegrenzungswert V_G1 erreicht ist. Die Fahrzeuggeschwindigkeit V_i läuft ohne Überschwingen in den Vorwärtsgeschwindigkeitsbegrenzungswert V_G1. Dies ist deshalb möglich, weil zuvor zu einem optimalen Umschaltzeitpunkt t₁ die Umschaltung vom "Fahrschalter­ betrieb" in den "Geregelten Betrieb" nach den beschriebenen Kriterien erfolgt ist. Wie die Kennlinie der Istgeschwindig­ keit V_i des Fahrzeuges zeigt, erfolgt die Umschaltung völlig ruckfrei.

Die Kennlinie für den Antriebskraftsollwert F_AH* zeigt ein weiteres Leistungsmerkmal der Regelung. Da das Fahrzeug bergab fährt, kann zu einem Zeitpunkt t₃ der Antriebs­ kraftsollwert F_AH* reduziert werden. Im weiteren durchläuft der Antriebskraftsollwert F_AH* seinen Nullpunkt zum Zeitpunkt t₄, so daß nun von einer Bremskraft gesprochen werden kann, die zum Zeitpunkt t₆ ihren Maximalwert erreicht.

Das Elektrofahrzeug bewegt sich nun mit einer dem Vorwärtsgeschwindigkeitsbegrenzungwert V_G1 entsprechenden Geschwindigkeit v fort, bis zu einem Zeitpunkt t₇ der Fahrschalter 1 zurückgenommen wird und in der anderen Richtung maximal ausgelenkt wird, so daß der Fahrschalter­ kraftsollwert F_H*, von seinem positiven zu seinem negativen Maximalwert zum Zeitpunkt t₁₀ wechselt. Diese Auslenkung des Fahrschalters 1 bewirkt, daß die Fahrparameter zunächst in einen zulässigen Bereich zurückkehren, so daß die Regeleinrichtung 2 zum Zeitpunkt t₈ wieder in die Betriebsart "Fahrschalterbetrieb" zurückschaltet. Die Istgeschwindigkeit V_i des Elektrofahrzeuges beginnt ebenfalls zum Zeitpunkt t₁₀ abzunehmen. Entsprechend der Vorgabe vom Fahrschalter 1 wird der negative Antriebskraftsollwert F_AH*, also die Bremskraft, auf den negativen Kraftbegrenzungswert F₂ gesteigert. Dieser Wert ist zum Zeitpunkt t₁₁ erreicht.

Die Istgeschwindigkeit V_i wird nun immer kleiner, wird schließlich Null und nimmt sogar negative Werte an. Das Fahrzeug fährt also rückwärts. Die Rückwärtsfahrt soll allerdings gemäß den Vorgaben auf kleine Werte begrenzt bleiben. Demzufolge erreicht die Istgeschwindigkeit V_i des Elektrofahrzeuges zum Zeitpunkt t₁₃ ihren Rückwärts­ geschwindigkeitbegrenzungswert V_G2. Auch hier findet kein Überschwingen statt, da zuvor zu einem optimalen Zeitpunkt t₁₂ vom "Fahrschalterbetrieb" in den "Geregelten Betrieb" zurückgeschaltet wurde. Zum Zeitpunkt t₁₄ wird der Fahrschalter 1 wieder zurückgenommen. Hierdurch wird in den "Fahrschalterbetrieb" zurückgeschaltet und die negative Istgeschwindigkeit V_i des Elektrofahrzeuges nimmt ab t₁₅ langsam ab bis das Fahrzeug ab t₁₆ wieder vorwärts fährt.

In Fig. 6 ist das Fahrdiagramm des Elektrofahrzeuges bei einer analogen Vorgabe des Fahrschalterkraftsollwertes F_H* gezeigt. Im Unterschied zu Fig. 5 ist nun eine Bergauffahrt des Elektrofahrzeuges dargestellt.

Auch hier wird der Fahrschalterkraftsollwert F_H* zum Zeitpunkt t₀ maximal ausgelenkt, bis zu einem Zeitpunkt t₂ der Antriebskraftsollwert F_AH* den Vorwärtskraftbegrenzungs­ wert F₁ erreicht. Infolge der Bergauffahrt ist zusätzlich zum Antrieb des Elektrofahrzeugs von der Antriebseinheit eine Antriebskraft zur Überwindung des Streckenprofils notwendig. Die Istgeschwindigkeit des Elektrofahrzeuges V_i fällt von Null beginnend kurzzeitig zunächst in einen negativen Bereich, da das Elektrofahrzeug am Berg startet und beginnt dann nach dem Nulldurchgang zum Zeitpunkt t₁ entsprechend den Vorgaben anzusteigen. Der Anstieg der Istgeschwindigkeit V_i des Elektrofahrzeugs verläuft aufgrund des zu überwindenden Berges flacher als bei der Bergabfahrt. Aufgrund dieses flacheren Anstiegs der Geschwindigkeit liegt der Umschaltzeitpunkt t₃ zur Umschaltung vom "Fahrschalter­ betrieb" in den "Geregelten Betrieb" in einem zeitlich viel kürzeren Abstand vor Erreichen des Vorwärtsgeschwindigkeits­ begrenzungswertes V_G1 zum Zeitpunkt t₄ als bei der Bergabfahrt.

Auch im vorliegenden Falle einer Bergauffahrt wurde der Umschaltzeitpunkt t₃ so optimal gewählt, daß die Ist­ geschwindigkeit V_i des Elektrofahrzeuges ohne Überschwingen den Vorwärtsgeschwindigkeitsbegrenzungswert V_G1 annimmt.

Zum Zeitpunkt t₅ wird der Fahrschalter 1 von seiner maximalen positiven Auslenkung auf seine maximale negative Auslenkung gebracht, die zum Zeitpunkt t₈ erreicht wird. Hierdurch gelangen die Fahrparameter zum Zeitpunkt t₆ in einen zulässigen Bereich, so daß die Umschaltung vom "Geregelten Betrieb" in den "Fahrschalterbetrieb" erfolgt. Im weiteren zeitlichen Verlauf beginnt die Istgeschwindkeit V_i zum Zeitpunkt t₇ abzusinken, wobei die nun einsetzende Verzögerung der Fahrt des Elektrofahrzeuges durch die Bergauffahrt verstärkt wird, so daß die Istgeschwindigkeit V_i sehr schnell absinkt. Somit erfolgt bereits zum gleichen Zeitpunkt t₇ erneut die Umschaltung in den "Geregelten Betrieb", um ein überschwingungsfreies Einlaufen der Istgeschwindigkeit V_i in den Rückwärtsgeschwindig­ keitsbegrenzungswert V_G2 zum Zeitpunkt t₈ zu ermöglichen.

Die langsame Rückwärtsfahrt des Elektrofahrzeuges wird auch nach der Rücknahme der Auslenkung des Fahrschalters 1 zum Zeitpunkt t₉ unverändert fortgesetzt, da die auf das am Berg stehende Fahrzeug wirkenden Kräfte die von der Antriebseinheit 3 gelieferte Antriebskraft übersteigen.

Das beanspruchte Verfahren und die Schaltung zur Regelung eines Elektrofahrzeuges stellen somit ein geeignetes Instrument dar, die Vorteile eines "Fahrschalterbetriebes" mit einem "Geregelten Fahrbetrieb" zu verbinden. Gleichzeitig werden erhöhte Sicherheitsanforderung, sowie, einem modernen Fahrbetrieb entsprechende, Komfortanforderungen berück­ sichtigt. Durch das Einsetzen eines der Schaltung entsprechenden Schaltungsmoduls ist auch die Nachrüstung bestehender Elektrofahrzeuge auf einfache Weise möglich. Der Einbau zusätzlicher Sensoren zur Erfassung zusätzlicher Meßparameter ist dabei ebenso überflüssig, wie aufwendige Änderungen der bereits bestehenden Ansteuerung.

Claims (17)

1. Regelungsverfahren für ein Elektrofahrzeug, insbesondere ein elektrisches Schienenfahrzeug, bei dem ein Fahrschalter (1) über eine Regeleinrichtung (2) auf eine Antriebseinheit (3) wirkt, wobei die Regeleinrichtung (2) in Abhängigkeit vorgegebener und/oder betriebsfallabhängiger Parameter ent­ weder in einer Betriebsart "Fahrschalterbetrieb" einen vom Fahrschalter (1) vorgegebenen, Fahrschalterkraftsollwert (F_H*) durchschaltet oder in einer zweiten Betriebsart "Geregelter Fahrbetrieb" regelnd eingreift.

2. Regelungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Regel­ einrichtung (2) zu jedem Zeitpunkt der Antriebseinheit (3) Antriebskraftsollwerte (F_AH*) derart vorgibt, daß die Fahrt des Elektrofahrzeuges jederzeit ruckbegrenzt erfolgt.

3. Regelungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zeitpunkt des regelnden Eingriffs der Regeleinrichtung (2) in Abhängigkeit von betriebsfallbedingten Parametern derart bestimmt wird, daß auch der Übergang in den "Geregelten Fahrbetrieb" ruckbegrenzt erfolgt.

4. Regelungsverfahren nach Anspruch 3, bei der die Regel­ einrichtung (2) in Abhängigkeit von dem Fahrschalterkraft­ sollwert (F_H*), einer Lastkraft (F_L) und vorgebbaren Kraftbegrenzungswerten (F₁, F₂) regelnd eingreift.

5. Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei dem die Regeleinrichtung (2), während eines regelnden Eingriffs, zur Ruckbegrenzung der Fahrt wenigstens einen Fahrparameter nach einer Wurzelkennlinie regelt, insbesondere einen Geschwindigkeitssollwert (V*) vorgibt, der immer unterhalb eines Geschwindigkeits­ begrenzungswertes (V_G) bleibt, wobei in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitssollwert (V*), einer Geschwindigkeits­ regelabweichung δ V = V_G-V* und einem Grenzruckwert (r_G) ein Beschleunigungswert (a) nach der Wurzelgleichung gebildet wird.

6. Regelungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei dem die Fahrparameter des Elektrofahrzeugs für eine Vor- und Rückwärtsfahrt jeweils mittels individuell vorgebbarer Werte geregelt werden.

7. Regelungsverfahren nach Anspruch 5, bei dem die Rück­ wärtsfahrt auf kleine Geschwindigkeitswerte begrenzt wird.

8. Schaltung für ein Elektrofahrzeug, insbesondere eine elektrische Bahn, vorzugsweise zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Fahrschalter (1) und eine Antriebseinheit (3) mit einer zwischengeschalteten Regeleinrichtung (2) aufweist, wobei die Regeleinrichtung (2) in Abhängigkeit vorgegebener und/oder betriebsfallabhängiger Parameter entweder in einer Betriebsart "Fahrschalterbetrieb" einen vom Fahrschalter (1) vorgegebenen Fahrschalterkraftsollwert (F_H*) durch­ schaltet oder in einer zweiten Betriebsart "Geregelter Fahrbetrieb" regelnd eingreift.

9. Schaltung nach Anspruch 8, mit einem Hochlaufgeber (9), der sicherstellt, daß die von der Regeleinrichtung (2) vorgegebenen Antriebskraftsollwerte (F_AH*) zu jedem Zeitpunkt ruckbegrenzt sind.

10. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Regel­ einrichtung (2) eine Auswahllogikschaltung (8) aufweist, die entweder den Fahrschalter (1) auf die Antriebseinheit (3) durchschaltet oder die Regeleinrichtung (2) mit der Antriebseinheit (3) in regelnden Eingriff bringt.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Regeleinrichtung (2) eine Begrenzungsschaltung (5) aufweist, die getrennt aufzuschaltende Kraftbegrenzungs­ werte (F₁, F₂) bildet, die gemäß einer Wurzelkennlinie eine ruckbegrenzte Fahrt ermöglichen, wobei deren Größe jeweils von einer Lastkraft (F_L) abhängt und wobei die Lastkraft (F_L), insbesondere einer zur Überwindung von Reibungskräf­ ten und Steigungen im Streckenprofil benötigten Kraft, entspricht.

12. Schaltung nach Anspruch 11, bei der die Begrenzungs­ schaltung (5) einen Vorwärts- und eine Rückwärts­ begrenzungsschaltungsteil (6, 7) umfaßt, wobei der Vorwärts­ begrenzungsschaltungsteil (6) zur Regelung der Vorwärts­ fahrt den Vorwärtskraftbegrenzungswert (F₁) und der Rück­ wärtsbegrenzungsschaltungsteil (7) zur Regelung der Rück­ wärtsfahrt den Rückwärtskraftbegrenzungswert (F₂) gene­ riert.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Regeleinrichtung (2) einen Hochlaufgeber (9) mit einer angeschlossenen Hochlaufgeberbegrenzungsschaltung (25) auf­ weist, wobei der Hochlaufgeber (9) einen Antriebskraftsoll­ wert (F_AH*) erzeugt, dessen Größe von der Hochlaufgeber­ begrenzungsschaltung (25) derart begrenzt wird, daß die Änderung der Beschleunigung (a) des Elektrofahrzeuges über der Zeit (t) innerhalb vorgegebener Grenzen verläuft, wobei ein der Änderung der Beschleunigung (a) über der Zeit (t) entsprechender Ruckwert (r_H) in Abhängigkeit betriebsfall­ abhängiger und/oder vorgegebener Parameter zur Begrenzung der Änderung der Beschleunigung (a) über der Zeit (t) verändert wird.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei der die Regeleinrichtung (2) eine Geschwindigkeitssollwert­ bildner (10) aufweist, der anhand des Antriebskraftsoll­ wertes (F_AH*) einen Geschwindigkeitssollwert (V*) bildet.

15. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei der die Regeleinrichtung (2) einen PI-Regler (11) aufweist, der, in der Betriebsart "Fahrschalterbetrieb" den Geschwindigkeitssollwert (V*) dem Istwert der Fahrzeuggeschwindigkeit (V_i) nachführt und der Betriebsart "Geregelter Fahrbetrieb" den Istwert der Fahr­ zeuggeschwindigkeit (V_i) auf vorgebbare Geschwindigkeits­ begrenzungswerte (V_G1, V_G2) begrenzt.

16. Schaltung nach Anspruch 15, bei der der PI-Regler (11) ein Schaltelement (38) umfaßt, das in der Betriebsart "Geregelter Fahrbetrieb" derart betätigt wird, daß der PI- Regler (11) die Lastkraft (F_L) nachbildet und der Fahrschalterkraftsollwert (F_H*) derart verändert wird, daß die Geschwindigkeitsbegrenzungswerte (V_G1, V_G2) eingehalten werden.

17. Elektrofahrzeug mit einer Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 16, das nach einem Regelungsverfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 derart geregelt wird, daß die Fahrparameter des Elektrofahrzeuges, insbesondere der Ruck (r), die Beschleunigung (a) und die Geschwindigkeit (v) innerhalb vorgebbarer Grenzen gehalten werden.