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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs, bei
dem ein Lenkorgan durch ein Drehmoment eines Elektromotors verstellt
wird, der von einem Umrichter mit Strom einer Speisefrequenz versorgt
wird, wobei man den Strom überwacht.
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Ein
derartiges Verfahren ist aus
US
5 912 539 A bekannt. Ein Lenkmotor wird über eine
Steuereinrichtung angesteuert. Die Lenkeinrichtung weist dabei einen
Drehmomentsensor auf, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
Der Drehmomentsensor ermittelt ein Moment, das von einem Lenkhandrad
an gelenkte Räder übertragen
wird. Die Steuereinrichtung wandelt dann ein Signal, das auf dem
Ausgangssignal des Drehmomentsensors beruht, in ein Motor-Steuersignal
um, das einem Wechselrichter zugeführt wird. Dabei handelt es
sich um ein pulsbreiten moduliertes Signal, das von einem entsprechenden
Generator erzeugt wird. Um die richtige Arbeitsweise des Motors
zu erfassen, ist eine Stromerfassungseinrichtung vorgesehen. Die
Stromerfassungseinrichtung führt
einen Strom zurück,
so dass die Motorantriebsschaltung in einem Regelkreis betrieben
wird. Man möchte
nun überprüfen können, ob
die Stromerfassungseinrichtung ordnungsgemäß funktioniert oder einen Fehler
aufweist. Hierzu wird der Strom überwacht.
Wenn der Strom einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wird kurz ein
zugeführtes
Steuersignal so erhöht,
dass der Motor für die
entsprechend kurze Zeit mit einem erhöhten Strom versorgt wird. Eine
Fehlererfassungseinheit stellt nun fest, ob die Stromerfassungseinrichtung diese
Stromerhöhung
registriert oder nicht.
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Ein
weiteres Verfahren zum Lenken eines Fahrzeugs ist aus
DE 199 37 703 A1 bekannt.
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Derartige
Verfahren werden beispielsweise bei der Lenkung von Flurförderfahrzeugen,
wie Gabelstaplern oder ähnlichen
Fahrzeugen, verwendet. Dabei besteht kein direkter Wirkzusammenhang mehr
zwischen dem Lenkorgan, beispielsweise dem gelenkten Hinterrad des
Gabelstaplers, und einer Steuereinrichtung, beispielsweise einem
Steuerknüppel
oder "joy-stick", mit dessen Hilfe
der Fahrer das Fahrzeug steuert. Der Fahrer steuert mit Hilfe des
Steuerorgans vielmehr einen Umrichter an, der den Elektromotor mit
einer in der Regel mehrfasigen Speisespannung versorgt. Als Elektromotor
wird vielfach ein Induktionsmotor, insbesondere ein Asynchronmotor
verwendet. Über
die Speisefrequenz des Umrichters lässt sich beispielsweise die
Lenkgeschwindigkeit einstellen, also die Geschwindigkeit, mit der
der Motor die Winkelposition des Lenkorgans verändert.
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Man
ist bestrebt, derartige Lenkantriebe immer kleiner und kostengünstiger
auszugestalten. Da bei Fahrzeugen das Lenkorgan mit dem Boden Kontakt
haben muss, ist die Umgebung des Lenkorgans und damit auch der Lenkantrieb
einer relativ großen Verschmutzungsgefahr
ausgesetzt, so dass der Einsatz von Sensoren problematisch ist.
Sensoren erhöhen
darüber
hinaus die Kosten und sind deswegen möglichst zu vermeiden.
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Bei
der Lenkung von Fahrzeugen treten nun von Zeit zu Zeit Situationen
auf, in denen sich das Fahrzeug nicht so verhält, wie dies vom Fahrer gewünscht wird.
Beispielsweise kann das gelenkte Rad blockiert werden, wenn es in
einem schweren Boden festsitzt oder das Rad gegen einen Widerstand
gefahren worden ist, beispielsweise eine Bordsteinkante oder eine
Palette, die im Weg liegt. In diesem Fall nützt eine Betätigung des
Steuerhebels nichts.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Problemfälle mit möglichst geringem Aufwand zu überwinden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass, wenn der Strom einen Schwellwert überschreitet, das Drehmoment
des Motors erhöht
wird und überprüft wird,
ob eine Behinderung des Lenkorgans andauert.
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Mit
dieser Vorgehensweise benötigt
man zwar einen Sensor, nämlich
eine Einrichtung, die den Strom überwacht,
mit dem der Motor gespeist wird. Diese Einrichtung kann sich aber
an einer geschützten
Stelle befinden. Sie ist ohnehin in vielen umrichtergespeisten Motoren
vorhanden, weil sie für
gewisse Informationen benötigt
wird, die zur Steuerung des Umrichters erforderlich sind. Wenn das
Lenkorgan blockiert ist, sich das gelenkte Rad beispielsweise nicht
mehr weiter drehen kann, dann steigt der Strom an. Der Motor verhält sich
dann im Grunde wie ein Transformator, dessen Sekundärseite kurzgeschlossen
ist. Man kann also aus dem Anstieg des Stromes schließen, daß das Rad
blockiert oder behindert ist. Natürlich ist nicht jeder Anstieg
des Stromes ein Hinweis auf eine Blockierung des Lenkorgans. Aus
diesem Grunde wird der Schwellwert verwendet, der so gewählt ist,
daß er
im "Normalbetrieb", also ohne Blockierung
des Lenkorgans, nicht überschritten
wird. Wenn das Rad blockiert ist, kann man versuchen, das auf das
Rad wirkende Moment zu erhöhen,
um das Rad wieder frei zu bekommen. Die Erhöhung des Moments ist in der
Regel auch mit einer Erhöhung des
Stromes verbunden, so daß man
nach der Erhöhung
des Moments nicht mehr aus der Größe des Stromes alleine auf
das Vorliegen eines Fehlerzustandes schließen kann. Man muß daher
zusätzliche Maßnahmen
treffen und überprüfen, ob
die Behinderung des Lenkorgans andauert. Solange die Behinderung
andauert, das Rad also blockiert ist, wird das elektromechanische
Drehmoment des Motors weiter auf dem hohen Wert gehalten. Wenn nicht,
dann kann das Moment wieder abgesenkt werden.
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Vorzugsweise
erfaßt
man zur Überwachung des
Stroms den Zwischenkreisstrom des Umrichters. Dies vereinfacht die
Erfassung des Stromes, weil es sich hier um einen Gleichstrom handelt.
Darüber
hinaus erhält
man vor allem bei mehrphasigen Motoren hier im Grunde eine Information über alle
Phasen des Motors.
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Vorzugsweise
erhöht
man das Drehmoment auf das maximale Drehmoment. Das maximale Drehmoment
ist in der Regel drei bis fünf
Mal so groß wie das
höchste
im "normalen" Betrieb vorkommende Drehmoment.
Wenn sich eine Blockierung überwinden
läßt, dann
ist davon auszugehen, daß dies
mit dem maximalen Drehmoment am ehesten möglich ist. Der Einsatz des
maximalen Drehmoments verkürzt
in der Regel auch die Zeit, in der der Strom des Motors sehr hoch
ist. Dieser Fehlerfall sollte also aus thermischen Gründen möglichst
nicht all zu lange anhalten.
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Vorzugsweise
senkt man beim Erhöhen
des Drehmoments die Speisefrequenz ab. Damit trägt man der Tatsache Rechnung,
daß der
Umrichter eine begrenzte Leistungsfähigkeit hat. Die Leistung,
die vielfach thermisch begrenzt ist, wird bestimmt aus dem Produkt
Drehmoment mal Speisefrequenz. Wenn man die Speisefrequenz absenkt,
dann wird der Umrichter nicht überlastet.
Man kann also trotz der Möglichkeit
einer Störungsbeseitigung
mit einem relativ schwach dimensionierten Umrichter arbeiten, der
für den
Normalbetrieb ausreicht.
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Vorzugsweise
paßt man
die Speisefrequenz und das Drehmoment bei größtmöglichem Drehmoment so aneinander
an, daß der
Umrichter mit maximaler Leistung betrieben wird. Vereinfacht ausgedrückt senkt
man also die Speisefrequenz in dem Maße ab, wie man das Drehmoment
erhöht.
Eine Erhöhung
des Drehmoments ist darüber
hinaus möglich,
wenn der Umrichter zuvor noch nicht mit maximaler Leistung betrieben
worden ist.
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Bevorzugterweise
senkt man die Speisefrequenz mit einer vorbestimmten zeitlichen
Funktion ab. Man vermeidet also, daß die Speisefrequenz springt,
was in vielen Fällen
eine zu große
Belastung des Motors bedeuten würde.
Man senkt die Speisefrequenz vielmehr kontinuierlich ab.
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Vorzugsweise
weist die Funktion mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen
Steigungen auf. Hierbei trägt
man der Tatsache Rechnung, daß in vereinzelten
Ausnahmefällen
bereits eine kleine Erhöhung
des Drehmoments ausreicht, um das blockierte Lenkorgan wieder frei
zu bekommen. In diesem Fall ist auch nur eine kleine Absenkung der Speisefrequenz
erforderlich und das Lenkorgan kann im übrigen wieder mit einer relativ
hohen Lenkgeschwindigkeit betätigt
werden. Wenn hingegen die geringen Absenkung des Speisefrequenz
noch nicht ausgereicht hat, dann senkt man die Speisefrequenz möglichst
schnell auf einen Minimalwert ab, um die Belastung des Umrichters
klein zu halten.
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Bevorzugterweise
leitet man nach dem Erhöhen
des Drehmoments und einer vorbestimmten Wartezeit periodisch einen
Prüfmodus
ein, bei dem man das Drehmoment absenkt und die Speisefrequenz erhöht und dabei überprüft, ob der
Strom einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Der vorbestimmte
Wert kann dabei der oben angegebene Schwellwert sein. Wie ebenfalls
bereits oben angegeben worden ist, kann man dann, wenn die Speisefrequenz
abgesenkt und das Drehmoment erhöht worden
ist, mit Hilfe des Stromes alleine nicht mehr feststellen, ob die
Blockade des Lenkorgans andauert oder aufgehört hat. Aufgrund des hohen
Drehmoments fließt
auf jeden Fall ein relativ großer
Strom. Wenn man nun einen Prüfmodus
verwendet, bei dem das Drehmoment abgesenkt und die Speisefrequenz erhöht wird,
bekommt man dann, wenn die Blockade des Lenkorgans aufgehört hat,
eine entsprechende Absenkung des Stromes während des Prüfmodus. Diese
Absenkung des Stromes ist dann ein Indiz dafür, daß die Blockade aufgehört hat und
man kann wieder in die normale Betriebsweise übergehen.
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Vorzugsweise
wird im Prüfmodus
die Speisefrequenz doppelt so groß gewählt wie in den zwischen zwei
Prüfmodi
liegenden Abschnitten. Damit ist eine deutliche Unterscheidung zwischen
Prüfmodus
und dem dazwischen liegenden Spitzenmoment-Modus möglich, so
daß die
Beendigung des Störfalles
zuverlässig
erkannt werden kann.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Fahrzeuglenkung,
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2 eine schematische Darstellung beim Lenken
in einen ersten Störfall,
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3 eine entsprechende Darstellung in einem
zweiten Störfall
und
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4 eine entsprechende Darstellung in einem
dritten Störfall.
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1 zeigt
schematisch eine Lenkeinrichtung 1 zur Betätigung eines
gelenkten Rades 2, wobei die Auslenkung dieses gelenkten
Rades 2 über ein
Lenkhandrad 3 veranlaßt
wird. Es besteht allerdings keine mechanische Wirkverbindung zwischen dem
Rad 2 und dem Lenkhandrad 3. Anstelle des Lenkhandrades 3 kann
auch ein anderer Befehlsgeber, beispielsweise ein Steuerknüppel oder ähnliches,
verwendet werden.
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Das
Rad 2 wird von einem Motor 4 angetrieben, der
von einem Umrichter oder, wie dargestellt, Wechselrichter 5 gespeist
wird. Die hierzu notwendige Energie stammt aus einer Fahrzeugbatterie 6,
die einen Zwischenkreis 7 mit elektrischer Energie versorgt.
Der Zwischenkreis 7 ist hier durch eine Induktivität schematisch
symbolisiert.
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Der
Wechselrichter 5 arbeitet mehrphasig mit einer der Zahl
der Phasen des Motors 4 entsprechenden Phasen. Für jede Phase
sind zwei Halbleiterschalter 8 vorgesehen, beispielsweise
Thyristoren oder Transistoren, die von einer Steuerschaltung 9 angesteuert
werden, die nach dem Prinzip eines Pulswechselrichters arbeitet.
Die Steuerschaltung 9 wiederum bekommt Befehle von einem
Sensor 10, der am Lenkhandrad angeordnet ist. Weiterhin
bekommt die Steuerschaltung 9 Informationen, die eine Steuereinheit 11 mit
Hilfe eines Sensors 12 ermittelt, der den Strom I im Zwischenkreis 7 ermittelt.
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Im
ungestörten
Fall wird das Rad 2 nach einer Betätigung des Lenkhandrades 3 durch
den Motor 4 ausgelenkt. Hierbei erfolgt keine Überwachung der
Winkellage des Rades 2 durch einen Sensor. Die Betätigung des
Lenkhandrades 3 durch einen Fahrer erfolgt vielmehr gefühlsmäßig, d.
h. der Fahrer als Mensch bildet den Regler, der das Lenkkandrad 3 so betätigt, daß das Fahrzeug
einer gewünschten
Fahrstrecke folgt.
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In
manchen Fällen
treten allerdings Störungen
auf. Eine Störung
kann beispielsweise darin bestehen, daß das Rad blockiert ist oder
zumindest festsitzt. Eine derartige Situation kann beispielsweise auftreten,
wenn das Rad 2 in einer Spurrille gefangen ist und der
Motor 4 zu schwach ist, um das Rad aus dieser Blockierung
zu befreien. Eine andere derartige Situation tritt auf, wenn das
Rad einseitig zur Anlage an einen Widerstand gekommen ist, beispielsweise eine
im Weg liegende Palette. Hier ist das normale Moment des Motors 4 ebenfalls
nicht ausreichend, um das Rad zu befreien. Schließlich gibt
es auch eine Situation, bei der das Rad in einem "schweren Boden", beispielsweise
feuchten Sand oder. ähnlichem gefangen
ist. Hier ist eine Betätigung
mit dem normalen Drehmoment des Motors 4 nicht ohne weiteres möglich. Man
könnte
allerdings mit einem erhöhten Moment
dafür sorgen,
daß sich
das Rad 2 winkelmäßig wieder
bewegt.
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Um
derartige Fehlersituationen bewältigen zu
können,
verwendet man eine Vorgehensweise, die zunächst anhand von 2 erläutert
werden soll. 2a zeigt ein auf das Rad 2 wirkendes
Lastmoment L. 2b zeigt den Strom I im Zwischenkreis, genauer
gesagt den Verlauf der Spitzenwerte des Zwischenkreisstroms. Der
Spitzenwert des stark ungleichmäßigen Gleichstroms
entspricht dem Phasenstrom im Wechselspannungskreis. Er ist damit
ein Ausdruck der Motorbelastung. 2c zeigt
die Frequenz, mit der der Wechselrichter 5 angesteuert
wird. 2d zeigt das vom Motor 4 abgegebene
elektromechanische Moment. 2e zeigt
die Motorgeschwindigkeit ω.
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Wenn
nun der Fall auftritt, daß das
Rad 2 gegen eine Winkelverstellung blockiert ist, dann
nimmt das Lastmoment L einen relativ großen Wert an, wie in 2a dargestellt.
Wenn nun der Motor 4, der als Induktions motor, beispielsweise
als Asynchronmotor, ausgebildet ist, dennoch angesteuert ist, verhält er sich
quasi wie ein Transformator, der im Kurzschluß betrieben wird. Der Zwischenkreisstrom
I steigt in einer derartigen Situation an und überschreitet dabei einen Schwellwert
IS, der in 2b gestrichelt
dargestellt ist. Dieser Schwellwert IS wird
auch als Spitzenmoment-Erfassungspegel bezeichnet. Hierzu ist im Grunde
keine richtige Messung des Gleichstroms erforderlich. Es reicht
aus, wenn man das Über-
und Unterschreiten des Schwellwerts feststellen kann. Ein Überschreiten
wird dann festgestellt, wenn alle Spitzenwerte oder "Peaks" innerhalb eines
gewissen Zeitraumes größer als
der Schwellwert sind, ein Unterschreiten dann, wenn alle Peaks innerhalb
eines vorbestimmten Zeitraumes unterhalb des Schwellwertes liegen.
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Sobald
man festgestellt hat, daß der Schwellwert
IS überschritten
worden ist (gestrichelter Abschnitt in 2b), steuert
die Steuerschaltung 9 die Halbleiterschalter 8 so
an, daß die
Frequenz s abgesenkt wird. Dieses Absenken erfolgt in einer ersten Rampe 13 mit
einer relativ kleinen Änderungsgeschwindigkeit.
Wenn sich bis zum Ende der Rampe keine Änderung des Stromes I eingestellt
hat, wird die Frequenz entlang einer zweiten, wesentlich steileren
Rampe 14 weiter abgesenkt. Wenn man dabei dafür sorgt,
daß die
Ausgangsleistung des Wechselrichters 5 gleich bleibt, dann
steigt das elektromechanische Moment M, das der Motor 4 abgibt,
stark an. Dies ist in 2d dargestellt. Das Produkt
aus Frequenz und Moment M ist dabei so gewählt, daß der Wechselrichter 5 keine
thermische Überbelastung
erfährt.
Das hierbei erreichte Spitzenmoment MS ist
um den Faktor drei bis fünf
größer als
das normale Drehmoment, das der Motor 4 abgibt. Man geht
dabei davon aus, daß es,
wenn überhaupt,
mit einem entsprechend höheren
Drehmoment des Motors 4 möglich sein müßte, das
Rad 2 aus seiner blockierten Lage zu befreien. Dafür nimmt
man in Kauf, daß sich
der Motor 4 nur sehr langsam dreht.
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Allerdings
läßt sich
nach einer derartigen Veränderung
von Moment und Frequenz anhand des Zwischenkreisstromes I nicht
mehr ohne weiteres erkennen, ob der hohe Zwischenkreisstrom I nun
auf eine Blockierung des Rades 2 zurückzuführen ist oder auf das hohe
Moment, das der Motor 4 erzeugt.
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Aus
diesem Grunde sind in einer derartigen Situation, d. h. nach der
Erhöhung
des Moments, wiederholt Phasen eingerichtet, die mit CM bezeichnet
werden (check-mode),
also Überprüfungsphasen.
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In
einer derartigen Überprüfungsphase
CM wird die Frequenz f mit der der Wechselrichter 5 angesteuert
wird und die sich dementsprechend im Motorstrom findet, erhöht. Gleichzeitig
wird das elektromechanische Moment M abgesenkt. Dies ist schematisch
durch Blöcke
dargestellt. In Wirklichkeit wird man natürlich gewisse Übergangsfunktionen
zwischen dem Normalbetrieb und dem Überprüfungsbetrieb CM annehmen müssen.
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Wenn
sich in einem derartigen Überprüfungsbetrieb
CM keine Veränderung
des Zwischenkreisstromes I ergibt, dann schließt man daraus, daß der hohe
Zwischenkreisstrom immer noch auf die Blockierung des Rades 2 zurückzuführen ist.
Man kehrt in diesem Fall wieder zum Störzustand zurück, bei
dem ein großes
Drehmoment MS bei einer kleinen Frequenz
erzeugt wird.
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Inmitten
der dritten Überprüfungsphase
CM tritt nun die Situation auf, daß bei etwas erhöhter Frequenz
und entsprechend abgesenktem Moment MS das
Rad frei kommt. Dies läßt sich
daran erkennen, daß der
Zwischenkreisstrom I unter den Schwellwert IS sinkt.
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Beim
Passieren des Schwellwertes wird nun die Frequenz f wieder auf ihren
Normalwert hochgefahren. Mit einer kurzzeitigen Erhöhung des
Moments M wird der Motor beschleunigt, wie man anhand von 2e erkennen
kann. Der Motor wird dann also mit seiner normalen Drehgeschwindigkeit betrieben,
verstellt das Rad 2 also relativ schnell. Hierfür reicht
ein relativ kleines Moment M aus, wie dies in 2d zu
erkennen ist.
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Kurz
zusammengefaßt
erhöht
man also im Fehlerfall, bei dem das Rad 2 blockiert ist,
das elektromechanische Moment M des Motors und senkt die Speisefrequenz
f des Motors ab. Dadurch ist sichergestellt, daß der Motor bei einer niedrigen
Drehzahl ein hohes Moment liefert und zwar zu einem Zeitpunkt, wo
ansonsten die Gefahr besteht, daß die Steuerung den Motor "verliert". Durch periodisches Erhöhen der
Frequenz f und entsprechendes Absenken des Moments M überprüft man,
ob das Rad noch blockiert ist. Sobald der Zwischenkreisstrom I absinkt,
geht man davon aus, daß die
Blockierung aufgehört
hat.
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3 zeigt nun in entsprechender Weise eine
Situation, bei der das Rad 2 trotz des erwähnten Verfahrens
nicht von der Blockierung frei kommt, d. h. das Lastmoment L bleibt
unverändert
auf einem so großen
konstanten Wert, daß der
Motor 4 nicht in der Lage ist, das Rad 2 zu verstellen.
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Sobald
der Zwischenkreisstrom I den Schwellwert IS überschreitet,
wird die Frequenz f abgesenkt und das Ausgangsmoment M des Motors 4 erhöht. Durch Überprüfungsphasen
CM prüft
man, ob damit die gewünschte
Wirkung verbunden ist. Da der Zwischenkreisstrom I nicht absinkt,
geht man davon aus, daß die
Blockierung anhält.
Der Motor dreht sich also nicht, wie man anhand der 3e,
in der die Winkelgeschwindigkeit ω des Motors aufgetragen ist,
erkennen kann.
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Man
kann nun auch vorsehen, daß nach
einer vorbestimmten Anzahl von Überprüfungsphasen, beispielsweise
fünf oder
zehn Überprüfungsphasen CM
ein Fehlersignal ausgegeben wird, so daß der Fahrer des Fahrzeugs
gegebenenfalls andere Maßnahmen
zur Abhilfe schaffen kann.
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4 zeigt eine Betriebssituation, bei der ebenfalls
ein relativ großes
Lastmoment L vorhanden ist, das aber kleiner ist, als das Lastmoment
in 3.
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Auch
in diesem Fall steigt der Zwischenkreisstrom I über den Schwellwert I an. Die
Frequenz f des Stromes, mit dem der Motor 4 versorgt wird,
wird entsprechend in zwei Rampen 13, 14 abgesenkt
und das Drehmoment M entsprechend erhöht. Das Beispiel wurde nun
so gewählt,
daß das
vom Motor abgegebene Drehmoment M ausreicht, um das Lastmoment L
zu überwinden.
In diesem Fall setzt sich der Motor 4 in Bewegung, wie
aus 4e anhand der Winkelgeschwindigkeit ω zu erkennen
ist.
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In
den Überprüfungsphasen
CM, in denen das Ausgangsmoment M des Motors 4 abgesenkt wird,
reicht das abgesenkte Moment M aber nicht aus, um das Rad 2 gegen
das Lastmoment L zu bewegen. Dementsprechend sinkt die Win kelgeschwindigkeit ω des Motors 4 beim
Absenken des Ausgangsmoment M drastisch ab. Der Motor 4 schafft
es also lediglich, das Rad 2 sozusagen intermetierend zu
bewegen. Bei einer derartigen Vorgehensweise ist natürlich zu
erwarten, daß das
Rad 2 irgendwann frei kommt.
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Die
Vorgehensweise hat den Vorteil, daß insbesondere der Umrichter 5 nicht überlastet
wird. Man sorgt dafür,
daß die
Ausgangsleistung durch das Absenken der Frequenz f trotz des Anhebens
des Moments M und der damit verbundenen Erhöhung des Stromes den maximal
zulässigen
Wert für
den Wechselrichter 5 nicht überschreitet. Man kann daher
relativ schwach dimensionierte Wechselrichter 5 verwenden.