DE3143512C2

DE3143512C2 - Regelsystem für Magnetschwebefahrzeuge

Info

Publication number: DE3143512C2
Application number: DE19813143512
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr.-Ing. 8024 Oberhaching Reismayr; Günter 8018 Grafing Steinmetz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1981-11-03
Filing date: 1981-11-03
Publication date: 1986-08-28
Also published as: DE3143512A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem für Magnetschwebefahrzeuge zur Regelung des Luftspaltes zwischen Magnet und Schiene. Für jeden Magneten ist ein Regler vorgesehen, der ein als schnell ein- und abschaltbaren Magnetstromsteller ausgebildetes Stellglied (6, 6Δ) ansteuert, über das jeder Magnet (4) mit Energie versorgt wird. Das Regelsystem weist zusätzlich einen inneren Regelkreis zur Rückführung einer der tatsächlichen Magnetkraft (F ↓i ↓s ↓t) zugeordneten Größe auf den Eingang (8) des Magnetstromstellers (6) auf. Für die Bestimmung der Magnetkraft wird z.B. ein Flußsensor oder ein Stromsensor für den Magnetstrom verwendet. Der Magnetstromsteller hat entweder Zweipunkt- oder Dreipunkt-Verhalten. Mit einem solchen Regelsystem kann das Folgeverhalten eines Magnetschwebefahrzeugs verbessert werden, da es bei Abweichungen aus dem Nennzustand schnell in diesen zurückgeführt wird.

Description

zeichnet, daß der Magnetstromsteller (6') Dreipunkt-Verhalten aufweist.
4. Regelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn-

z. B. für den Spalt, die Beschleunigung und den magnetischen Fluß, um Abweichungen des Mangnetschwebefahrzeugs von den Sollwerten möglichst rasch erkennen und

Verhalten aufweist. 20 ausregeln zu können. Außerdem muß hier ein relativ gro-

3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ßer mittlerer Luftspaltwert angenommen werden, um mit

den verwendeten linearen Regelgesetzen die Zustandsänderungen des Magnetschwebefahrzeuges noch innerhalb des möglichen Rahmens ausregeln zu können. Es verbleibt zeichnet, daß die Schaltpunkte (± ε) des Magnetstrom- 25 jedoch eine unbefriedigende Kontrolle der kommandierten stellers (6) einem Magnetstrom zugeordnet sind, der Magnetkraft und ein ungünstiges Signal-Rau-^chverhalten. unterhalb eines Prozentes des stationären Nennstromes Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelfür den Magneten liegt. system für Magnetschwebefahrzeuge so zu gestalten, daß

5. Regelsystem nach einem der vorhergehenden das zeitliche Folgeverhalten verbessert und das Ziel einer Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rück- 30 direkten Magnetkraftsteuerung möglichst erreicht wird, führung ein Begrenzer (9) vorgesehen ist, der das Stell- Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im glied bei Überschreiten eines definierten Maximalwer- kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebenen tes der Magnetkraft {F,_sl) sperrt. Merkmale gelöst.

6. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist demnach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestim- 35 ein zusätzlicher innerer unterlagerter Regelkreis, über den mung der Magnetkraft ein Sensor (7) für den magneti- eine der Magnetkraft zugeordnete Größe, so z. B. der

Magnetstrom oder der Magnetfluß, auf den Eingang des Stellgliedes zurückgeführt ist. Voraussetzung für eine solche Regelung ist weiterhin die Ausführung des Stellgliedes

Magnetkraft (F) für den Magnetstrom vorgesehen ist. 40 als sogenannter schneller Magnetstromsteller, der in kurzen Zeitabständen von etwa 10 usec einen Schaltbefehl

ausführen kann. Derartige Magnetstromsteller sind in letzter Zeit entwickelt worden und z. B. als Transistor-Chopper mit speziellen Entlastungsschaltungen ausgebildet.

Durch den inneren Regelkreis wird in das Regelsystem eine Korrekturgröße eingeführt, die eine Funktion der tatsächlichen interessierenden Magnetkraft ist. Durch die

sehen Fluß vorgesehen ist.

7. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem für Magnetschwebefahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-OS 24 46 851 ist es bekannt, neben dem Luftspalt und der Beschleunigung auch den Magnetstrom

Rückführung dieser Korrekturgröße auf den Eingang des

- - _ Magnetstellers wird das System immer mit maximal mögli-

als systemeigene Zustandsgröße zu messen und diese Grö- 50 eher Geschwindigkeit auf das von dem Regler komman-

ßen im Regelsystem für jeden Magneten zu einer Regel- dierte Sollsignal entsprechend einer Soll-Magnetkraft

spannung miteinander zu verkoppeln, mit der ein Magnet- zurückgeführt. Im praktischen Anwendungsfall bedeutet

stromsteller beaufschlagt wird. Anstelle des Magnetstro- dies, daß im Gegensatz zu bisher bekannten getakteten

mes kann auch der Magnetfluß als Zustandsgröße verwen- Stellgliedern bei einer Abweichung von dem Sollwert der

det werden, wie dieses in der DE-OS 24 46 936 beschrie- 55 schnell schaltende Magnetstromsteller solange eingeschal-

^{ben lst}· tet bleibt, bis aufgrund der Rückführung im inneren Regel-

Der Magnetstromsteller ist z. B. ein mit konstanter Fre- kreis angezeigt wird, daß die gewünschte Magnetkraft

quenz getakteter Schalter, der entsprechend der Regel- erreicht ist. Das von dem Regler errechnete Stellsignal, das

spannung die Versorgungsspannung an den jeweiligen als Sollwert für den schnellen Magnetstromsteller dient.

Magneten pulsdauermoduliert so anlegt, daß sich am 60 wird durch den inneren Regelkreis ohne die sonst vorhan-

Magneten eine mittlere Spannung einstellt, mit der das Schwebefahrzeug im Gleichgewicht gehalten wird. Derartige Regelsysteme arbeiten jedoch im zeitlichen Folgeverhalten verhältnismäßig träge und können die oben angege-

denen Verzögerungen auf den gewünschten Wert entsprechend der interessierenden Magnetkraft mit geringstmöglicher Verzögerung zurückgeführt. Die bei bekannten Regelsystemen vorhandene, durch das Zeitverhalten der

benen Ziele und Forderungen nicht voll befriedigend 65 Magnete bedingte dritte Integration innerhalb der Regellösen. Bedingt durch die Verwendung von Thyristor- oder strecke kann damit bestmöglich eliminiert werden. Hier-Transistor-Choppern, die im Bereich von 250 bis 1000 Hz durch wird das Folgeverhalten des Reglers bedeutend ver-

arbeiten, lieferten diese Regler im wesentlichen ein Soll- bessert, da mit dem Regelsystem

gemäß der

Erfindung nicht mehr die zeitliche Ableitung der Magnetkraft bzw. des Magnetstroms, sondern im wesentlichen die tatsächliche Magnetkraft bzw. der Magnetstrom oder Magnetfluß gesteuert wird.

Durch eine Regelung gemäß der Erfindung kann auch die Anzahl der sonst notwendigen Meßfühler verringert werden. So kann z. B. auf die teuren und im Betrieb auch unzuverlässigen Beschleunigungssensoren verzichtet werden. Trotz einer solchen möglichen einfacheren Ausstattung des Regelsystems kann aufgrund der schnellen P.egelung der mittlere einzuhaltende Luftspalt gegenüber bekannten Systemen verringert werden. Dies kann noch dadurch verbessert werden, wenn anstelle eines sonst üblichen linearen Regler¹=, ein progressiver Regler verwendet wird, bei dem die Regelverstärkung bei kleiner werdendem Luftspalt ansteigt; in diesem Bereich ergibt sich dann eine härtere Führung des Magneten in bezug zu der Schiene, ohne daß Strukturanregungen verursacht werden oder das Signal-Rauschverhalten verschlechtert wird.

Das Regelsystem gemäß der Erfindung ivann quasi als eine Regelung mit nachgeschalteter Magnetkraftsteuerung betrachtet werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen, weitere Vorteile aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert ist. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild für ein Regelsystem zum Regeln des Luftspaltes zwischen einem Magnet und einer Schiene bei einem Magnetschwebefahrzeug mit einem inneren Regelkreis gemäß der Erfindung;

Fi g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen inneren Regelkreis gemäß der Erfindung mit einem schnellen Magnetstromsteller mit Dreipunkt-Verhalten;

Fig. 3 eine schematische Darstellung für einen Magnet- -stromsteller gemäß Fig. 2.

Ein Regelsystem 1 für ein Magnetschwebefahrzeug weist einen Regler 2 auf, in dem aus Meßsignalen von Sensoren 3 eine Stellgröße abgeleitet wird. Als Stellgröße wird hier die Magnetkraft F eines Magneten 4 am Schwebefahrzeug angenommen. Die Sensoren 3 messen das Verhalten des gesamten zu regelnden Systems, d. h. des Magnetschwebefahrzeugs mit dem Magneten 4, was hier schematisch durch den Block 5 »Regelstrecke« dargestellt ist. Die Stellgröße des Reglers 2 wird einem schnellen Magnestromsteller 6 zugeführt, der in Abhängigkeit des Signals am Eingang die Versorgungsspannung U_n (siehe Fig. 3) in entsprechender Dauer dem Magneten 4 aufschaltet.

Der beschriebene Regelkreis ist von einem zweiten inneren Regelkreis unterlagert. Dieser Regelkreis weist vom Ausgang des Magneten 4 eine Rückführung auf, über die mit Hilfe eines Sensors 7 eine der tatsächlichen Magnetkraft /·'„, proportionale Größe auf eine Differenzstufe 8 am Eingang des Magnetstromsteller 6 geleitet wird. An der Differenzstufe 8 liegt demnach das Ausgangssignal des Reglers, das der Sollkraft F_s„u entspricht sowie das Ausgangssignal des Sensors 7 an, welches der Ist-Kraft entspricht. Der Sensor 7 ist z. B. ein Sensor, mit dem der Magnetfluß am jeweiligen Magneten gemessen wird. Bekanntlich kann der Magnetfluß der tatsächlichen Magnetkraft zugeordnet werden, und zwar ist in der Regel das Quadrat des Flusses direkt proportional der Kraft. Demgemäß ist es möglich, als Sensor 7 einen Magnetflußsensor zu verwenden und dessen Ausgangssignal nach Quadrierung und eventueller Korrektur mittels Filtern als Rückführungssignal für den inneren Regelkreis zu verwenden. Eine wesentlich einfachere Methode besteht darin, anstelle des Magnetflusses den tatsächlichen Magnetstrom zu messen. Zwar besteht hier keine lineare Beziehung zwischen Strom und Magnetkraft über den gesamten Luftspalt-Bereich, jedoch kann für den hier interessierenden Bereich, der der Variation des Luftspalts beim Betrieb des Magnetschwebefahrzeugs entspricht, eine in der Regel ausreichend genaue Beziehung zwischen Strom und Magnetkraft angenommen werden. Dementsprechend könnte als Sensor 7 ein einfaches Strommeßgerät verwendet werden, dessen Ausgangssignal nach eventueller korrektur dann als Rückführungssignal in dem inneren Regelkreis verwendet würde.

Selbstverständlich kann dieser Sensor 7 auch als Sensor verwendet werden, der eine Meßgröße an den Regler 2 liefert.

Für den dargestellten Fall liefern die Sensoren 3 als Meßgrößen den tatsächlichen Luftspalt 5 und den Magnetfluß Φ bzw. den Magnetstrom /. Möglich, jedoch nicht unbedingt notwendig ist es, als Meßgröße auch noch die Beschleunigung des Magneten einzugeben. In dem Regler werden aus diesen Meßgrößen bestimmte Funktionen entwickelt, so z. B. eine Funktion des differenzierten Luftspalts S, wobei die einzelnen Signale bzw. Signalfunktionen in herkömmlicher Weise über Filter geleitet werden, um die Phasenlagen aneinander anzupassen. Der Regler bildet aus diesen Signalen das Regelsignal F,„i_h das ein Maß für die Sollwert-Magnetkraft ist. Ist die Differenz zwischen diesem Sollsignal F_s„n und dem tatsächlich gemessenen Kraftsignal F„, Null, so bleibt der Magnetstromsteller 6 geschlossen, d. h. der Magnet 4 steht nicht unter Spannung. Weicht das Differenzsignal am Eingang des Magnetstromstellers 6 in positiver Richtung ab, so wird die Versorgungsspannung Uβ dem Magneten aufgeschaltet. Dies erfolgt solange, bis über den inneren Regelkreis mit dem Sensor 7 an der Differenzstufe 8 festgestellt wird, daß die Differenz zwischen Soll- und Ist-Signal wieder Null ist. Weicht die Differenz zwischen Soll- und Ist-Signal in negativer Richtung ab, so wird an den Magneten die negative Versorgungsspannung U_ti angelegt, und zwar wiederum solange, bis an der Differenzstufe 8 Gleichheit von SoIl- und Ist-Signal festgestellt wird.

Das Abschalten des Magnestromstellers erfolgt innerhalb weniger Mikrosekunden; der Magnetstromsteller kann ebenfalls innerhalb weniger Mikrosekunden erneut eingeschaltet werden.

Der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Magnetstromsteller 6 ist ein Steller mit Zweipunkt-Verhalten. In Fig. 2 ist eine Variation des inneren Regelkreises dargestellt, bei dem ein Magnetstromsteller 6' mit Dreipunkt-Verhalten verwendet wird. Die sonstige Anordnung des inneren Regelkreises entspricht dem in Fig. 1 dargestellten, so daß mit 4 wiederum der Magnet und mit 7 der Sensor in der Rückführung zur Aufschaltung eines der tatsächlichen Magnetkraft F_a, zugeordneten Signales auf die Differenzstufe 8 bezeichnet sind.

Der Magnetstromsteller 6' schaltet die Versorgungsspannung + Uβ dem Magneten 4 auf, sobald das Differenz^ignal am Eingang größer als ein Wert ( + ε) ist und schaltet die negative Versorgungsspannung - U_B dem Magneten 4 auf. falls das Differenzsignal kleiner als (-ε) ist. Die Werte für (+ε) und (-ε) werden so gewählt, daß der zugehörige Magnetstrom etwas kleiner als 1% des statischen Magnetstromes ist. In dem Bereich zwischen (-ε) und (+f) bleibt der Magnetstromsteller ausgeschaltet, so daß auch der Magnet nicht mit Spannung versorgt wird.

Ein schematisches Schaltbild für den Magnetstromsteller 6' ist in Fig. 3 dargestellt. In dem Magnetstromsteller sind zwei gesteuerte Halbleiterschalter 71 und TZ und zwei Dioden Dl und DZ vorgesehen. Die Schalter sind hier als

einfache Thyristoren dargestellt. Selbstverständlich soll diese einfache Darstellung nur der Erläuterung der Funktionen dienen, nicht jedoch der tatsächlichen Schaltungsausführung entsprechen. Die gemeinsamen Verbindungspunkte zwischen den Halbleitern sind über den Magneten 4 miteinander verbunden. Oberschreitet das Differenzsignal an der Differenzstufe 8 den Wert (+ε), so werden die Schalter 71 und 72 geöffnet. In diesem Fall wird der Magnet 4 über den Schalter 71 und den Schalter 72 mit der Versorgungsspannung ü'b gespeist. Fällt das Differenzsignal zwischen den Signalen F_sou und F^, wieder unter den Wert (+f), so wird der Schalter 72 geschlossen; am Magneten liegt dann keine Spannung, er arbeitet im sogenannten Freilauf. Fällt das Differenzsignal unter den negativen Wert (-ε), so werden die Schalter 71 und 72 geschlossen. Der Magnet 4 wird jetzt mit negativer Spannung versorgt.

Die beschriebene Regelung für ein Magnetschwebefahrzeug ist aufgrund der dem Regler nachgeordneten Kraftsteuerung bzw. Kraftregelung vorteilhaft, da die Abweichungen vom Soll-Verhalten des Systems auf raschest möglichem Wege korrigiert werden. Das Folgeverhalten des Systems kann hiermit wesentlich verbessert werden. Aus diesem Grunde ist es auch möglich, den mittleren Soll-Luftspalt kleiner als bisher zu wählen. Hierdurch werden die Gewichte der Magnete und auch die für die Erzeugung der Magnetkräfte notwendigen elektrischen Leistungen verringert. Mit einer solchen Regelung ist auch eine einfache Möglichkeit gegeben, das Anklatschen der Magnete an die Schiene zu verhindern. Für diesen Fall ist in der Rückführung des inneren Regelkreises ein Begrenzer 9 vorgesehen, der den Magnetstromsteller sperrt, sobald die über den Sensor 7 ermittelte tatsächliche Magnetkraft einen vorbestimmten Wert. z. B. den vierfachen Nennwert der Magnetkraft überschreitet. Erreicht die Magnetkraft diesen vorgegebenen Wert, hat demnach der Magnet gegenüber der Schiene nur einen geringen Abstand, so wird die Versorgung des Magneten unterbrochen, wodurch sich der Luftspalt zwischen Magnet und Schiene wieder vergrößert. Fällt dann die Magnetkraft unter den durch den Begrenzer 9 vorgegebenen Wert, so erfolgt die Regelung weiter, wie oben beschrieben.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die in dem Regler 2 entwickelten Abstandssignale und das Differential des Abstands progressiv mit kleiner werdendem Luftspalt bzw. kleiner werdender Luftspaltgeschwindigkeit aufzuschalten, d. h. daß der Regler nicht linear arbeitet. Hierdurch wird im Bereich kleinerer Luftspalte eine härtere Führung des Magneten an der Schiene erreicht, ohne daß beim Nenn-Luftspalt Strukturanregungen verursacht werden. Zusatzlieh wird eine schnellere Rückführung des Magnetschwebefahrzeuges in den Nennzustand erreicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Regelsystem für Magnetschwebefahrzeuge zur Regelung des Abstandes zwischen Magnetschiene und Tragoder Führungsmagneten des Fahrzeuges, wobei für jeden Magneten ein Regelkreis mit einem Regler und einem Stellglied vorgesehen ist und der Regler zumindest aus den Meßgrößen Abstand zwischen Magnetschiene und

signal für die Magnetspannung. Die gesamte Regelstrecke bestand dann im relevanten 5-Hz-Bereich praktisch aus drei Integrationen, nämlich der zweifachen Integration von der Beschleunigung auf den Weg und der in den Magneten erfolgenden Integration, da diese Magnete Zeitkonstanten von etwa 0,3 Sekunden und mehr haben und daher näherungsweise als Integratoren anzusehen sind. Die bekannten Regler steuern demnach nicht die eigentlich interessierende Zustandsgröße des Systems, d. h. die Magnetkraft

Trag- bzw. Führungsmagnet sowie Magnetstrom oder 10 bzw. den der Magnetkraft in dem betrachteten Bereich

Magnetfluß Stellgrößen für das Stellglied bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsystem (1) zusätzlich eine Rückführung zum Aufschalten einer der Magnetkraft (F_m) zugeordneten Größe auf eine

eindeutig zuzuordnenden Magnetstrom bzw. Magnetfluß, sondern die Ableitung der Magnetkraft bzw. die Ableitung des Magnetstroms.
Um mit einer solchen Regelung ein einigermaßen befrie-

Differenzstufe (8) am Eingang des Stellgliedes aufweist, 15 digendes Folgeverhalten zu erzielen, müssen dementspre- und daß das Stellglied als schnell ein- und abschaltbarer chend viele Sensoren verwendet werden, wie oben erwähnt Magnetstromsteller (6) ausgebildet ist.
2 Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn

zeichnet, daß der Magnetstromsteller (6) Zweipunkt-