DE3705329C2

DE3705329C2 -

Info

Publication number: DE3705329C2
Application number: DE3705329A
Authority: DE
Inventors: Makoto Kawasaki Kanagawa Jp Nohmi; Tadashi Ibaraki Jp Takaoka; Eiji Ehime Jp Kozu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-02-21
Filing date: 1987-02-19
Publication date: 1990-04-19
Also published as: JPS62196002A; DE3705329A1; US4752723A

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.

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

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.