DE3705329C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gleichstromsteller-Regelvor
richtung für einen Fahrzeug-Nebenschlußmotor nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Regelvorrichtung ist aus der
US-PS 41 89 667 bekannt.
Die Drehzahl eines Nebenschlußmotors ändert sich propor
tional zur Spannung über dem Anker, wenn der Feldfluß kon
stant ist.
Wenn ein Fahrzeug, das von einem Nebenschlußmotor ange
trieben wird, in normaler Weise beschleunigt oder verzögert
wird, ändert sich seine Geschwindigkeit allmählich, so daß
eine Regelung des Motors über eine I-Regelung des Motorstroms
erfolgen kann.
Einer der variablen Einflußfaktoren bei der Steuerung
eines Fahrzeugmotors ist die Schwankung in der Spannung der
Energiequelle, beispielsweise einer Schiene oder einer Lei
tung. Um daher die gewünschte Zugkraft unmittelbar auf eine
Schwankung in der Quellenspannung ansprechend zu erhalten,
zeigt ein herkömmlicher Gleichstromsteller für ein Fahrzeug
eine konstante Stromcharakteristik. Da jedoch der Motorstrom
proportional zum Unterschied (Vm-Em) zwischen (dem Mittel
wert) der Spannung Vm vom Gleichstromsteller (Ankerspannung)
und der elektromotorischen Kraft Em ist, wird bei einer der
artigen Ausbildung immer dann, wenn ein Radschlupf zwischen
den vom Motor angetriebenen Rädern und den Schienen auftritt,
eine Änderung in der elektromotorischen Kraft Em auftreten und
sich auch der Motorstrom entsprechend ändern. Immer wenn ein
Radschlupf beim Ziehen oder Bremsen des Fahrzeugs auftritt,
muß der Motorstrom kurzzeitig herabgesetzt werden, um den Rad
schlupf zu kompensieren. Wenn jedoch der herkömmliche Gleich
stromsteller einen konstanten Motorstrom abgibt, kann der Rad
schlupf nicht verringert werden.
Durch die Erfindung soll daher eine Gleichstromsteller-
Regelvorrichtung geschaffen werden, die den Radschlupf ver
ringern kann.
Obige Aufgabe wird durch eine Gleichstromsteller-Regel
vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteil
hafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung für einen Neben
schlußmotor ist so ausgebildet, daß sie das Tastverhältnis R
für einen Schalter, nachstehend Zerhackerschalter genannt so festlegt, daß die Ankerspan
nung (der Mittelwert) Vm selbst dann konstant gehalten wird,
wenn die Spannung VL der Energiequelle schwankt. Das Tastver
hältnis R für den Zerhackerschalter wird dabei auf einen Wert
festgesetzt, der proportional zum Spannungs-Sollwert Vc des
Motors und umgekehrt proportional zur Spannung VL der Energie
quelle (Quellenspannung) ist. Da die Ankerspannung Vm propor
tional zum Produkt aus dem Tastverhältnis R und der Quellen
spannung VL ist, ist es durch die Festlegung des Tastverhält
nisses R auf einen Wert, der umgekehrt proportional zur Quel
lenspannung VL ist, möglich, eine Ankerspannung Vm zu erhal
ten, die unabhängig von den Schwankungen in der Quellenspan
nung VL und proportional zum Sollwert Vc ist.
Da sich beim normalen Betrieb eines Fahrzeuges die Ver
zögerungs- oder Beschleunigungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs
allmählich ändert, ist die Änderung im Spannungs-Sollwert Vc
klein, so daß sich auch die Ankerspannung Vm allmählich än
dert. Wenn ein Radschlupf auftritt, steigt die Drehzahl des
Ankers an und die Induktionsspannung Em nimmt damit schnell
zu. Da zu diesem Zeitpunkt die Änderung in der Ankerspannung
Vm jedoch allmählich verläuft, wie es oben beschrieben wurde,
wird sich der Ankerstrom ändern, d.h. proportional zum Unter
schied (Vm-Em) abnehmen. Eine derartige Änderung des Anker
stroms erlaubt eine Herabsetzung des Radschlupfes.
Bei der eingangs genannten US-PS 41 89 667 wird die Ände
rung der Quellenspannung beim Regelvorgang nicht berücksich
tigt.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung be
vorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 den Aufbau einer Vorrichtung zum Antreiben eines
Motors für ein Fahrzeug, bei der die erfindungsgemäße Regel
vorrichtung verwendet werden kann;
Fig. 2 eine Ansicht zur Erläuterung des Grundarbeits
prinzips einer solchen Regelvorrichtung;
Fig. 3 eine Ansicht zur Erläuterung der Charakteristik
eines Nebenschlußmotors, der von der Regelvorrichtung gere
gelt wird;
Fig. 4 in einem Blockschaltbild den Aufbau einer her
kömmlichen Regelvorrichtung;
Fig. 5 die Arbeitscharakteristik eines Motors, der über
die herkömmliche Regelvorrichtung angesteuert wird;
Fig. 6 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Aus
führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung;
Fig. 7 in einem Blockschaltbild einen speziellen Auf
bau einer Steuer- und Regeleinheit bei dem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 8 in einem Schaltbild ein Beispiel des Aufbaus des
in Fig. 6 dargestellten Teilerelements (Einrichtung 53); und
Fig. 9 eine Ansicht zur Erläuterung der Arbeitsweise
des Teilerelements.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zum Antreiben
eines Motors zur Verwendung in einem Fahrzeug, bei der die er
findungsgemäße Regelvorrichtung angewandt werden kann. Wie in
Fig. 1 dargestellt, enthält die Antriebsvorrichtung einen
Zerhackerschalter 1, eine Freilaufdiode 2, den Anker 3 eines
Nebenschlußmotors, eine Feldwicklung 4, eine Steuer- und Re
geleinheit 5 für den Zerhackerschalter 1, einen Geber 6, der
die Drehzahl des Ankers 3 erfaßt, einen Fahrzeuggeschwindig
keitsgeber 7 und einen Stromabnehmer 8 zum Abnehmen von elek
trischer Energie von der Leitung. Mit Lf und Cf sind eine In
duktivität und ein Kondensator bezeichnet, die gemeinsam ein
Energiequellenfilter aufbauen.
Die Steuer- und Regeleinheit 5 steuert die Ankerspannung
(Vm = VL×R) dadurch, daß sie ein Tastverhältnis R entsprechend
Fig. 2 liefert. In dieser Einheit 5 wird das Tastverhältnis R
so geregelt, daß der Mittelwert des Ankerstroms (Motorstrom)
Im, der von einem Detektor 9 erfaßt wird, gleich einem Soll
wert Ip wird. Darüberhinaus werden die Motordrehzahl nm, die
Fahrzeuggeschwindigkeit nT und die Quellenspannung VL erfaßt,
um eine stabile Regelung des Motors durchführen zu können.
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Motorstrom Im,
der Ankerspannung Vm und der Motordrehzahl nm. Die Ankerspan
nung Vm von der Regelvorrichtung wird entsprechend einem ge
wünschten Wert der Motordrehzahl nm bestimmt. Wie aus Fig. 3
ersichtlich, kann bei einem Nebenschlußmotor dann, wenn die
Ankerspannung Vm konstant gehalten wird, eine konstante Motor
drehzahl nm erzielt werden, vorausgesetzt, daß auch der Motor
strom Im konstant ist. Aus Fig. 3 ist weiterhin ersichtlich,
daß sich der Motorstrom Im entsprechend den Änderungen in der
Motordrehzahl nm ändert, d.h. eine Nebenschlußcharakteristik
hat.
Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer herkömmlichen Re
gelvorrichtung. In Fig. 4 sind ein Regler 51, 52 mit einem
Komparator 51 zum Berechnen des Unterschieds Δ I zwischen dem
Ankerstrom Im und dem Sollwert Ip und mit einer Reglereinheit
52, die als PID-Regler aufgebaut sein kann und das Tastver
hältnis R ausgibt, sowie ein Zerhackerschalter 11 dargestellt,
der die Ankerspannung Vm für den Motor abhängig von der Quel
lenspannung VL und dem Tastverhältnis R liefert. Der Motor
selbst ist durch eine äquivalente Schaltung mit den Bauteilen
31, 32, 33 dargestellt.
Da bei der herkömmlichen Vorrichtung die Ankerspannung Vm
gleich dem Produkt aus dem Tastverhältnis R und der Quellen
spannung VL ist (Vm = R×VL), ist der Regler so ausgebildet, daß
sich sein Rückkopplungsfaktor G ändert und er einen D-Anteil
aufweist, um dadurch das Ansprechvermögen der Regelung zu ver
bessern. Darüberhinaus ist die Übertragungsfunktion des Reg
lers so festgelegt, daß selbst bei einer Schwankung der Quel
lenspannung VL die Schwankung im Strom sehr klein wird. Wenn
jedoch bei der oben beschriebenen herkömmlichen Regelvorrich
tung ein Radschlupf auftritt und somit die vom Anker 3 er
zeugte Induktionsspannung Em kurzzeitig ansteigt, arbeitet die
Vorrichtung so, daß sie die Ankerspannung Vm für den Motor er
höht, um damit den Strom Im auf einem konstanten Wert zu hal
ten, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Die herkömmliche Vor
richtung ist daher nicht in der Lage, einen Radschlupf zu ver
hindern.
Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbei
spiels der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung. Dieses Ausfüh
rungsbeispiel ist so ausgebildet, daß es den Sollwert Vc der
Versorgungsspannung für den Motor auf der Grundlage des An
kerstrom-Sollwertes Ip und des Ankerstrom-Istwertes Im be
stimmt und das Tastverhältnis R für den Zerhackerschalter 11
dadurch berechnet, daß der in dieser Weise bestimmte Span
nungs-Sollwert Vc durch die Quellenspannung (die Leitungs
oder Netzspannung) VL in einer Einrichtung 53 dividiert wird.
Diese Einrichtung kann beispielsweise in Form einer Schaltung
ausgebildet sein, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist. In Fig.
8 sind ein Zähler 531 und ein Spannungsfrequenzwandler 532
dargestellt, der Impulse mit einer Frequenz erzeugt, die pro
portional zur Eingangsspannung ist. Der Zähler 531 wird auf
einen Einstellimpuls SP, der am Anfang jedes Zerhackerinter
valls T erzeugt wird, auf einen Wert eingestellt, der pro
portional zum Spannungs-Sollwert Vc ist, und zählt diesen Wert
unter Bezug auf Zählimpulse herunter, die vom Spannungsfre
quenzwandler 532 erzeugt werden. Der Zähler 531 hält das davon
abgeleitete Ausgangssignal OUT damit so lange bei, bis der
Zählwert gleich Null ist. Das Zeitintervall, in dem das Aus
gangssignal OUT vorliegt, ist ein Leitungsintervall des Zer
hackerschalters, wobei der Quotient, der durch Division dieses
Leitungsintervalls durch das entsprechende Zerhackerintervall
T erhalten wird, das Tastverhältnis R ist. Da bei dem darge
stellten Ausführungsbeispiel die Frequenz der vom Spannungs
frequenzwandler 532 erzeugten Zählimpulse proportional zur
Quellenspannung VL ist, ist das sich ergebende Tastverhältnis
R proportional zum Quotienten Vc/VL, wie es in Fig. 9 darge
stellt ist, in der die Beziehung VL′ < VL < VL′′ besteht. Wie in
Fig. 6 dargestellt, ist die Ankerspannung Vm daher auf einen
Wert festgelegt, der durch die Gleichung
Vm = R×VL = Vc
gegeben ist und nicht mehr durch die Schwankung der Quellen spannung VL beeinflußt wird.
Vm = R×VL = Vc
gegeben ist und nicht mehr durch die Schwankung der Quellen spannung VL beeinflußt wird.
Selbst bei einem idealen Beispiel der Regelung der Span
nung in dieser Weise besteht jedoch die Gefahr, daß ein nega
tiver Widerstandsanteil in der gesamten Lastimpedanz im Ener
gieversorgungskreis auftritt. Dieser negative Widerstandsan
teil kann die Form eines Resonanzkreises in einem Zusammenwir
ken mit dem Energiequellenfilter haben, das mit den Symbolen
Lf und Cf bezeichnet ist, was zum Auftreten einer Schwingung
im Energieversorgungskreis führt. Um eine derartige Schwingung
während der Steuerung des Zuges des Fahrzeugs, d.h. während
der Steuerung der Fahrzeugbeschleunigung zu vermeiden, kann
eine Verzögerungseinrichtung 57 beispielsweise im Spannungs
frequenzwandler 532 oder in der Schaltung vorgesehen sein, die
die Quellenspannung VL erfaßt, wie es in Fig. 6 dargestellt
ist. Diese Verzögerungseinrichtung 57 kann eine einfache line
are Verzögerungsfunktion haben.
Aufgrund des oben beschriebenen Aufbaus nach Fig. 6 muß
die Regelung des Spannungs-Sollwertes Vc nicht fein auf die
Schwankungen in der Quellenspannung ansprechen, d.h. sie kann
ein allmähliches Ansprechvermögen haben.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild der Steuer- und Regel
einheit 5. Diese enthält einen Komparator 51, einen Begrenzer
521 zum Begrenzen des maximalen Wertes des Ausgangssignales
des Komparators 51, einen Integrator 523, ein erstes Diffe
renzglied 526, das den Radschlupf abhängig von der Fahrzeug
geschwindigkeit nT und der Motordrehzahl nm erfaßt, eine Ein
heit 524 mit einer Übertragungsfunktion zum Rückkoppeln des in
dieser Weise erfaßten Radschlupfes und ein zweites Differenz
glied 522 sowie ein Differenzglied 525 zum Berechnen des Rad
schlupfes. Da beim Fahrbetrieb Änderungen in der Motordrehzahl
nm allmählich ablaufen, muß der Integrator 523 die Änderung in
der Ankerspannung Vm nicht berücksichtigen, sondern nur den
Unterschied zwischen dem Ankerstrom-Sollwert Ip und dem Anker
strom-Istwert Im integrieren. Durch den oberen Grenzwert des
Begrenzers 521 wird der Bereich der möglichen Änderung des
Spannungs-Sollwertes Vc beschränkt.
Die obige Beschreibung betraf nur die Funktion der Rege
lung bei Beschleunigungen des Fahrzeuges; eine ähnliche Rege
lung kann jedoch auch bei der regenerativen Bremsung erfolgen,
unter Voraussetzung der Modifizierung des Leistungsteils
(Gleichstromsteller/Motor) mit zugehöriger Ansteuerung.
Wenn im übrigen beim obigen Ausführungsbeispiel die Be
schleunigung aus einem Zustand heraus beginnt, in dem der Mo
tor sich bereits mit hoher Drehzahl dreht, wird ein langes
Zeitintervall benötigt, bevor der Strom zu fließen beginnt,
wenn die Ausgangsspannung von der Regelvorrichtung
über der Motorspannung liegt. Dieses Problem kann jedoch bei
spielsweise dadurch gelöst werden, daß die Integration unter
Verwendung der Spannung als Anfangswert durchgeführt wird, die
bereits am Anfang der Beschleunigung im Motor erzeugt wurde,
oder daß die Arbeit des Begrenzers 521 unterbrochen wird, bis
der Strom über einen gegebenen Wert angestiegen ist.
Es ist ersichtlich, daß durch die erfindungsgemäße Vor
richtung eine stabile Regelung des Motors erfolgen kann, die
nicht durch Schwankungen in der Quellenspannung beeinflußt
wird. Weiterhin ist es möglich, sofort einen Radschlupf zu
verringern, um damit eine sichere Beschleunigung oder Verzö
gerung in einem Bereich nahe der Grenzkraft der Haftung zwi
schen Rädern und Schienen zu erzielen.
Claims (6)
1. Gleichstromsteller-Regelvorrichtung für einen Fahrzeug-
Nebenschlußmotor mit
- - einem Schalter (1; 11) zwischen dem Anker (3) des Motors und einer Energiequelle;
- - einem Detektor (9) zum Erfassen des Ankerstrom-Istwertes (Im); und
- - einer Steuer- und Regeleinheit (5) zum Einstellen des Tastverhältnisses (R) des Schalters (1; 11) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem Ankerstrom-Sollwert (Ip) und dem erfaßten Ankerstrom-Istwert (Im);
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinheit
(5) aufweist:
- - einen Regler (51, 52) zum Erzeugen eines Spannungs-Soll wertes (Vc) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem An kerstrom-Sollwert (Ip) und dem Ankerstrom-Istwert (Im); und
- - eine Einrichtung (53), die das Tastverhältnis (R) so be stimmt, daß es proportional zu dem Spannungs-Sollwert (Vc) und umgekehrt proportional zur Spannung (VL) der Energiequelle ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Einrichtung (53) zur Bestimmung des Tastverhältnisses (R)
eine Verzögerungseinrichtung (57) für die Spannung (VL) der
Energiequelle vorgeschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Regler aufweist:
- - einen Komparator (51) zum Be- rechnen des Unterschiedes zwischen Ankerstrom-Sollwert (Ip) und Ankerstrom-Istwert (Im),
- - einen Begrenzer (521), der den berechneten Unterschied zwischen Ankerstrom-Sollwert (Ip) und Ankerstrom-Istwert (Im) auf einen oberen Grenzwert beschränkt, und
- - einen Integrator (523) zur Integration des oberen Grenz wertes, der den Spannungs-Sollwert (Vc) ausgibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
- - einen Geber (7) für die Fahrzeuggeschwindigkeit (n T ) ;
- - einen Geber (6) für die der Motordrehzahl (n m ) proportionale Fahrzeug-Antriebsgeschwindigkeit;
- - ein erstes Differenzglied (526) zum Bestimmen des Schlupfes aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Antriebsgeschwindigkeit; und
- - ein zweites Differenzglied (522) zur Berechnung der Diffe renz zwischen dem Ausgangswert des Begrenzers (521) und ei nem schlupfabhängigen Wert, wobei das sich ergebende Aus gangssignal dem Integrator (523) aufgeschaltet wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Einrichtung (53) zur Bestimmung des
Tastverhältnisses (R) einen Spannungsfrequenzwandler (532) ,
dessen Frequenz proportional zur Spannung der Energiequelle
ist, und einen Zähler (531) aufweist, der zyklisch eine Zeit
periode mißt, in der eine bestimmte Anzahl von Impulsen von
dem Wandler (532) erzeugt werden, wobei das Tastverhältnis (R)
durch die Zeitperiode und den Meßzyklus bestimmt wird.
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