DE102022120842B3 - Method and device for computer-implemented control of a drive system of a rail vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur computerimplementierten Regelung einer Antriebsanlage eines Schienenfahrzeugs mit einem Regelkreis (10), wobei die Antriebsanlage den Rädern eines Einzelradpaars zugeordnete Einzelradantriebe umfasst. Der Regelkreis (10) verarbeitet im Betrieb des Schienenfahrzeugs ein angefordertes Spurführungsmoment (My,soll) und ein angefordertes Traktions- oder Bremsmoment (Mx,soll) und gibt an einem ersten Ausgang (13) ein Spurführungsmoment (My) und an einem zweiten Ausgang (14) ein Traktions- oder Bremsmoment (Mx) aus, die den Einzelradantrieben als Eingangsgrößen zugeführt werden. Es wird während des Betriebs des Schienenfahrzeugs durch eine Momentenallokationseinheit (50) des Regelkreises (10) ein physikalisch mögliches Maximalmoment (Mmax) der Räder des Einzelradpaars ausgegeben, welches in Abhängigkeit eines vorgegebenen Betriebszustands an dem ersten Ausgang als Spurführungsmoment (My) zur Querregelung oder an dem zweiten Ausgang als Traktions- oder Bremsmoment (Mx) zur Längsregelung an die Einzelradantriebe des Einzelradpaars bestimmt wird.The invention relates to a method for the computer-implemented control of a drive system of a rail vehicle with a control loop (10), the drive system comprising individual wheel drives assigned to the wheels of a pair of individual wheels. During operation of the rail vehicle, the control circuit (10) processes a requested tracking torque (My,soll) and a requested traction or braking torque (Mx,soll) and outputs a tracking torque (My) at a first output (13) and a tracking torque (My) at a second output ( 14) a traction or braking torque (Mx), which are fed to the individual wheel drives as input variables. During operation of the rail vehicle, a physically possible maximum torque (Mmax) of the wheels of the single wheel pair is output by a torque allocation unit (50) of the control circuit (10), which, depending on a specified operating state, is output at the first output as a tracking torque (My) for lateral control or at is determined at the second output as traction or braking torque (Mx) for longitudinal control on the individual wheel drives of the individual wheel pair.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur computerimplementierten Regelung einer Antriebsanlage eines Schienenfahrzeugs mit einem Regelkreis, wobei die Antriebsanlage den Rädern eines Einzelradpaars zugeordnete Einzelradantriebe umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Softwarecodeabschnitten zur Ausführung der Schritte des vorgenannten Verfahrens auf einem Computersystem.The present invention relates to a method for the computer-implemented control of a drive system of a rail vehicle with a control loop, the drive system comprising individual wheel drives assigned to the wheels of a pair of individual wheels. The invention also relates to a computer program product with software code sections for executing the steps of the aforementioned method on a computer system.
Schienen- und Eisenbahnfahrzeuge sind so ausgestaltet, dass sie die großen bewegten Massen im Rahmen vorgegebener Wege sicher zum Stehen bringen. Bei Eisenbahnfahrzeugen ist man dabei in der Regel bestrebt, im Falle einer Notbremsung möglichst geringe Bremswege zu erzielen.Rail and railway vehicles are designed in such a way that they can safely bring the large moving masses to a standstill within the framework of specified distances. In the case of railway vehicles, the aim is generally to achieve the shortest possible braking distances in the event of emergency braking.
Bei Schienenfahrzeugen besteht im Allgemeinen das Erfordernis einer Verschleißminimierung in der Längsdynamik durch das Vermeiden von gleitenden und schleudernden Rädern. Gleitende Räder treten beim Blockieren der Räder bei einem Bremsvorgang auf. Schleudernde Räder sind die Folge eines Durchdrehens der Räder beim Anfahren des Schienenfahrzeugs. Zusätzlich besteht bei Schienenfahrzeugen mit angetriebenen Einzelradfahrwerken, wie z.B. Straßenbahnen, die Möglichkeit, durch die Implementierung einer geeigneten und leistungsfähigen Spurführungsregelung Verschleiß von Rädern und Schienen sowie den Fahrkomfort zu verbessern, unabhängig von den aktuell vorherrschenden Zuständen.In rail vehicles, there is generally a need to minimize wear in the longitudinal dynamics by avoiding sliding and skidding wheels. Wheel slip occurs when the wheels lock during braking. Skidding wheels are the result of the wheels spinning when the rail vehicle starts to move. In addition, rail vehicles with driven individual wheel bogies, such as trams, have the option of improving wear and tear on wheels and rails as well as driving comfort by implementing a suitable and efficient lane control system, regardless of the currently prevailing conditions.
Bei Schienenfahrzeugen mit angetriebenen Einzelradfahrwerken umfasst die Regelung der Antriebsanlage im Allgemeinen einen Regelkreis, der einen Pfad für eine Querregelung (sog. Spurführungsregelung) und einen Pfad für eine Längsregelung (sog. Brems-/Traktionsregelung) umfasst. Dies ist beispielhaft in
Der Spurführungsregelung 21 wird als Eingangsgröße eine laterale Soll-Position LSP zugeführt. Die laterale Soll-Position LSP liegt an einem ersten Eingang 11 des Regelkreises 10 an. Aus der lateralen Soll-Position LSP bestimmt die Spurführungsregelung 21 ein angefordertes Spurführungsmoment My,soll und führt dieses der Lateralmomentenallokationseinheit 22 zur weiteren Verarbeitung zu. Die Lateralmomentenallokationseinheit 22 bestimmt aus dem angeforderten Spurführungsmoment My,soll ein Spurführungsmoment My, welches an einem ersten Ausgang 13 des Regelkreises 10 anliegt. Die Bestimmung des Spurführungsmoments My aus dem angeforderten Spurführungsmoment My,soll erfolgt durch einen Vergleich mit einem fest vorgegebenen ersten Grenzwert My,max, wobei das Minimum aus dem vorgegebenen ersten Grenzwert My,max und dem angeforderten Spurführungsmoment My,soll als das Spurführungsmoment My verwendet wird.A lateral setpoint position LSP is fed to tracking
Die Brems-/Traktionsregelung 31 bestimmt aus einer ihr als Eingangsgröße zugeführten Brems-/Beschleunigungsanforderung BBA ein angefordertes Traktions- oder Bremsmoment Mx,soll. Die Brems-/Beschleunigungsanforderung BBA wird an einem zweiten Eingang 12 des Regelkreises 10 zur Verfügung gestellt. Das von der Brems-/Traktionsregelung 31 ermittelte angeforderte Traktions- oder Bremsmoment Mx,soll wird der Bremsmomentenallokationseinheit 32 zugeführt. Die Bremsmomentenallokationseinheit 32 bestimmt aus dem angeforderten Traktions- oder Bremsmoment Mx,soll ein Traktions- oder Bremsmoment Mx, indem ein Vergleich mit einem fest vorgegebenen zweiten Grenzwert Mx,max durchgeführt wird. Als Traktions- oder Bremsmoment Mx wird der kleinere Wert aus vorgegebenem zweiten Grenzwert Mx,max und angefordertem Traktions- oder Bremsmoment Mx,soll gewählt. Das Traktions- oder Bremsmoment Mx wird an einem zweiten Ausgang 14 des Regelkreises 10 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt.The brake/
Der erste Grenzwert My,max und der zweite Grenzwert Mx,max sind vorab festgelegte Maximalwerte, welche beispielsweise durch Versuche oder Simulationen ermittelt werden.The first limit value M y,max and the second limit value M x,max are predetermined maximum values, which are determined, for example, by tests or simulations.
Die von dem Regelkreis 10 durchgeführten Regelaufgaben, nämlich Spurführungsregelung und Brems-/Traktionsregelung, werden bei angetriebenen Einzelradpaaren durch dasselbe Stellglied, nämlich die Einzelradantriebe der Einzelräder des Einzelradfahrwerks realisiert. Mit anderen Worten ist dem linken und dem rechten Rad ein jeweiliger Einzelradantrieb zugeordnet. Für die beiden Stellmomente Mi,j(i = x, y, j = links, rechts) des linken und des rechten Einzelradantriebs eines Einzelradpaars gilt
Das Spurführungsmoment My wird am linken und rechten Rad des Einzelradpaars mit unterschiedlichem Vorzeichen, d.h. gegensinniger Momentenrichtung, aufgebracht. Das Traktions- oder Bremsmoment Mx wird am linken und am rechten Rad gleichsinnig (d.h. mit gleichem Vorzeichen) und identisch eingestellt. Dies wird durch einen ersten Addierer 41, der dem linken Einzelradantrieb zugeordnet ist, und einem zweiten Addierer 42, der dem rechten Einzelradantrieb zugeordnet ist, realisiert. Während dem ersten und zweiten Addierer 41, 42 das Spurführungsmoment My mit unterschiedlichem Vorzeichen zugeführt wird, wird den Addierern 41, 42 das Traktions- oder Bremsmoment Mx mit gleichem Vorzeichen zugeführt. Hieraus resultiert dann das vom linken Einzelradantrieb zu erzeugende Moment Mlinks, das am Ausgang des ersten Addierers 41 bereitgestellt wird, sowie das vom rechten Einzelradantrieb zu erzeugende Moment Mrechts, das am Ausgang des zweiten Addierers 42 bereitgestellt wird.The tracking torque M y is applied to the left and right wheels of the pair of single wheels with different signs, ie in opposite torque directions. The traction or braking torque M x is set in the same direction (ie with the same sign) and identically on the left and right wheels. This is realized by a
Die von der Spurführungsregelung 21 und der Brems-/Traktionsregelung 31 ausgeführten Regelvorgänge sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann in der Brems-/Traktionsregelung 31 ein Gleitschutzverfahren zur Reduzierung des Bremswegs bei schlechten Kraftschlussbedingungen zwischen Rad und Schiene verwirklicht sein. Bestehende Regelkonzepte, wie z.B. in [1] und der
Bei der Verwendung des Schlupfs als Regelgröße im Rahmen einer Gleitschutzregelung ist nicht immer sichergestellt, dass ein optimaler Kraftschluss erreicht wird, da sich je nach Rad-Schiene Kontaktbedingungen ein Kraftschlussmaximum bei anderen Schlupfwerten einstellen kann, wie dies beispielsweise in
Ein Ansatz, der auf Grundlage von geschätzten Kraftschlussbeiwerten eine Kraftschluss-basierte Bremsregelung ermöglicht, ist in [2] beschrieben. Der in [2] beschriebene Ansatz regelt ein Brems-/Traktionssignal auf eine solche Art, dass der momentan zwischen Rad und Schiene ausgenutzte Kraftschluss gegen den momentan maximal übertragbaren Kraftschluss strebt. Die Schätzung der Kraftschlussbeiwerte kann beispielsweise gemäß dem in der
Ein Nachteil des oben in Verbindung mit
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Antriebsanlage eines Schienenfahrzeugs mit Einzelradantrieb mit einem Regelkreis anzugeben, das funktional verbessert ist.It is the object of the present invention to specify a method and a device for controlling a drive system of a rail vehicle with independent wheel drive with a control circuit that is functionally improved.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a method according to the features of
Es wird ein Verfahren zur computerimplementierten Regelung einer Antriebsanlage eines Schienenfahrzeugs mit einem Regelkreis vorgeschlagen, wobei die Antriebsanlage den Rädern eines Einzelradpaars zugeordnete Einzelradantriebe umfasst. Der Regelkreis verarbeitet im Betrieb des Schienenfahrzeugs ein angefordertes Spurführungsmoment und ein angefordertes Traktions- oder Bremsmoment. Das angeforderte Spurführungsmoment und das angeforderte Traktions- oder Bremsmoment stellen Soll-Momente dar. Der Regelkreis gibt an einem ersten Ausgang ein Spurführungsmoment und an einem zweiten Ausgang ein Traktions- oder Bremsmoment aus, die den Einzelradantrieben als Eingangsgrößen zugeführt werden. Zu jedem Zeitpunkt von einem oder mehreren Zeitpunkten während des Betriebs des Schienenfahrzeugs wird durch eine Momentenallokationseinheit des Regelkreises ein physikalisch mögliches Maximalmoment der Räder des Einzelradpaars in Abhängigkeit eines vorgegebenen Betriebszustands an dem ersten Ausgang als Spurführungsmoment zur Querregelung oder an dem zweiten Ausgang als Traktions- oder Bremsmoment zur Längsregelung an die Einzelradantriebe des Einzelradpaars ausgegeben.A method for the computer-implemented control of a drive system of a rail vehicle with a control loop is proposed, the drive system comprising individual wheel drives assigned to the wheels of a pair of individual wheels. During operation of the rail vehicle, the control loop processes a requested tracking torque and a requested traction or braking torque. The requested tracking torque and the requested traction or braking torque represent setpoint torques. The control loop outputs a tracking torque at a first output and a traction or braking torque at a second output, which are fed to the individual wheel drives as input variables. At any point in time of one or more points in time during the operation of the rail vehicle, a physically possible maximum torque of the wheels of the single wheel pair is determined by a torque allocation unit of the control circuit depending on a predetermined operating state at the first output as tracking torque for lateral control or at the second output as traction or braking torque output to the single wheel drives of the single wheel pair for longitudinal control.
Das Verfahren ermöglicht eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Schienenfahrzeugs mit Einzelradantrieben, da eine gemeinsame Berücksichtigung der Spurführungsregelung (Querregelung) und Brems-/Traktionsregelung (Längsregelung) erfolgt. Dabei wird die wechselseitige Beeinflussung berücksichtigt, welche sich aus dem Tangentialkontakt zwischen Rad und Schiene in Lateral- und Längsrichtung sowohl bezüglich Kraftschluss als auch Schlupf ergibt.The method enables an improvement in the dynamic behavior of the rail vehicle with individual wheel drives, since lane guidance control (lateral control) and braking/traction control (longitudinal control) are taken into account together. The mutual influence is taken into account, which results from the tangential contact between wheel and rail in the lateral and longitudinal direction, both with regard to adhesion and slip.
Durch die situationsabhängige Momentenverteilung können in kritischen Fahrsituationen sicherheits- und/oder verschleißrelevante Nachteile reduziert werden. Diese Fahrsituationen entstehen konkret dann, wenn die von den Regelungen (Spurführungsregelung (Querregelung) und Brems-/Traktionsregelung (Längsregelung)) geforderten Soll-Momente der Spurführungsregelung und/oder der Brems-/Traktionsregelung nicht im vollen Umfang gestellt werden können. So kann beispielsweise bei einem unkritischen Lateralverhalten bei gleichzeitiger Bremsung mit niedrigen oder wechselnden Kraftschlussbedingungen der Bremsweg durch die Zuweisung eines höheren Traktions- oder Bremsmoments reduziert werden. Ebenso kann im Fall eines kritischen Lateralverhaltens bei keiner oder einem unkritischen Bremsvorgang die Lateraldynamik im Hinblick auf Verschleiß und Komfort durch ein höheres Spurführungsmoment verbessert werden.Due to the situation-dependent torque distribution, safety and/or wear-related disadvantages can be reduced in critical driving situations. These driving situations arise specifically when the setpoint torques of the lane guidance control and/or the brake/traction control required by the regulations (lane guidance control (lateral control) and brake/traction control (longitudinal control)) cannot be provided to the full extent. For example, in the case of non-critical lateral behavior and simultaneous braking with low or changing adhesion conditions, the braking distance can be reduced by assigning a higher traction or braking torque. Likewise, in the case of critical lateral behavior with no or an uncritical braking process, the lateral dynamics can be improved with regard to wear and comfort through a higher tracking torque.
Diesem Vorgehen liegt die Überlegung zugrunde, dass durch die im Stand der Technik vorgesehene feste Zuweisung vordefinierter Maximalmomente für die Spurführungsregelung und die Brems-/Traktionsregelung nicht benötigte Momentenreserven in der einen Regelung der anderen Regelung nicht zur Verfügung gestellt werden können.This procedure is based on the consideration that, due to the fixed assignment of predefined maximum torques for lane guidance control and braking/traction control provided in the prior art, torque reserves that are not required in one control system cannot be made available to the other control system.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass das physikalisch mögliche Maximalmoment ermittelt wird aus dem von den Einzelradantrieben des Einzelradpaars physikalisch bereitstellbaren Motormoment und einem abhängig von Umweltbedingungen maximal zwischen zumindest einem Rad des Einzelradpaars und einer zugeordneten Schiene, auf der sich das Schienenfahrzeug bewegt, übertragbaren Moment. Das maximal zwischen Rad und Schiene übertragbare Moment kann beispielsweise gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie z.B. in der
Insbesondere wird als das physikalisch mögliche Maximalmoment der Minimalwert aus dem Motormoment und dem übertragbaren Moment verarbeitet. Mit anderen Worten erfolgt durch diese Ausgestaltung die Berechnung eines maximal möglichen Kraftschlusses zwischen Rad und Schiene. Das maximal übertragbare Moment kann z.B. aus einer geschätzten Radaufstandskraft und einem in der Regel bekannten Radradius ermittelt werden.In particular, the minimum value from the engine torque and the transmittable torque is processed as the physically possible maximum torque. In other words, with this configuration, the calculation of a maximum possible frictional connection between wheel and rail takes place. The maximum torque that can be transmitted can be determined, for example, from an estimated vertical wheel force and a generally known wheel radius.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird das physikalisch mögliche Maximalmoment mit einem angeforderten Gesamtmoment verglichen, wobei abhängig von einem Vergleichsergebnis eine erste Momentenregelung oder eine zweite Momentenregelung ausgeführt wird. Die erste Momentenregelung umfasst einen Normalbetrieb, in dem von den Rädern des Einzelradpaars die Summe aus dem Spurführungsmoment und dem Traktions- oder Bremsmoment übertragen werden kann. Die zweite Momentenregelung umfasst einen Notbetrieb, in dem von den Rädern des Einzelradpaars die Summe aus dem Spurführungsmoment und dem Traktions- oder Bremsmoment nicht übertragen werden kann. Der Notbetrieb kann z.B. ein Bremsbetrieb sein. Der Notbetrieb kann auch ein Traktionsbetrieb sein.According to a further expedient refinement, the maximum torque that is physically possible is compared with a requested total torque, with a first torque control or a second torque control being carried out depending on the result of the comparison. The first torque control includes normal operation, in which the sum of the tracking torque and the traction or braking torque can be transmitted by the wheels of the single wheel pair. The second torque control includes emergency operation, in which the sum of the tracking torque and the traction or braking torque cannot be transmitted by the wheels of the single wheel pair. Emergency operation can be braking operation, for example. Emergency operation can also be traction operation.
Das angeforderte Gesamtmoment wird zweckmäßigerweise aus der Summe der Absolutwerte des angeforderten Spurführungsmoments und des angeforderten Traktions- oder Bremsmoments bestimmt. Insbesondere wird die erste Momentenregelung ausgeführt, wenn das Vergleichsergebnis umfasst, dass das physikalisch mögliche Maximalmoment größer als das angeforderte Gesamtmoment ist. Zur Ausführung der ersten Momentenregelung werden zweckmäßigerweise an dem ersten Ausgang das angeforderte Spurführungsmoment als Spurführungsmoment und an dem zweiten Ausgang das angeforderte Traktions- oder Bremsmoment als Traktions- oder Bremsmoment ausgegeben.The requested total torque is expediently determined from the sum of the absolute values of the requested tracking torque and the requested traction or braking torque. In particular, the first torque regulation is carried out when the result of the comparison includes that the maximum torque that is physically possible is greater than the requested total torque. To carry out the first torque control, the requested tracking torque is expediently output as tracking torque at the first output and the requested traction or braking torque is output as traction or braking torque at the second output.
Die erste Momentenregelung stellt den Normalbetrieb dar. Im Normalbetrieb erfolgt keinerlei Einschränkung der beiden Regelungen (Spurführungsregelung und Brems-/Traktionsregelung), solange die Summe des Spurführungsmoments und des Traktions- oder Bremsmoments (d.h. der Regelmomente) übertragen werden kann. Da die bislang üblichen vordefinierten Maximalmomente bei der erfindungsgemäßen Regelung nicht berücksichtigt werden, können ggf. auftretende Leistungseinschränkungen vermieden werden. Übersteigt demgegenüber die Summe der beiden Regelmomente das von einem jeweiligen Einzelradantrieb zur Verfügung stehende Moment und/oder ein maximal übertragbares Moment, so erfolgt eine Regelung gemäß der zweiten Momentenregelung.The first torque control represents normal operation. In normal operation, the two controls (tracking control and braking/traction control) are not restricted in any way, as long as the total of the tracking torque and the traction or braking torque (i.e. the control torques) can be transmitted. Since the predefined maximum torques that have been customary up to now are not taken into account in the regulation according to the invention, any performance restrictions that may occur can be avoided. If, on the other hand, the sum of the two control torques exceeds the torque available from a respective single-wheel drive and/or a maximum transmissible torque, control takes place in accordance with the second torque control.
Die zweite Momentenregelung wird gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ausgeführt, wenn das Vergleichsergebnis umfasst, dass das physikalisch mögliche Maximalmoment kleiner als das angeforderte Gesamtmoment ist. Dabei wird bei der Ausführung der zweiten Momentenregelung ermittelt, ob eine Notbremsung vorliegt oder nicht. Im Fall der Bestimmung, dass keine Notbremsung vorliegt, wird eine dritte Momentenregelung und andernfalls wird eine vierte Momentenregelung ausgeführt. Die dritte Momentenregelung und die vierte Momentenregelung sind somit alternative Varianten der zweiten Momentenregelung.According to an expedient embodiment, the second torque control is carried out when the result of the comparison includes that the maximum torque that is physically possible is less than the requested total torque. When executing the second torque control, it is determined whether emergency braking is present or not. If it is determined that there is no emergency braking, a third torque control is carried out, and otherwise a fourth torque control is carried out. The third torque control and the fourth torque control are therefore alternative variants of the second torque control.
Zweckmäßigerweise wird bei der Ausführung der dritten Momentenregelung ein erstes Auswahlmoment ermittelt, das an dem ersten Ausgang als Spurführungsmoment zur Querregelung ausgegeben wird. Das erste Auswahlmoment ist der betragsmäßig kleinere Wert des physikalisch möglichen Maximalmoments und des angeforderten Spurführungsmoments. Das erste Auswahlmoment entspricht dem Spurführungsmoment.When executing the third torque control, a first selection torque is expediently determined, which is output at the first output as tracking torque for lateral control. The first selection torque is the smaller value of the physically possible maximum torque and the requested tracking torque in terms of absolute value. The first selection moment corresponds to the tracking moment.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein erstes Differenzmoment, das sich aus der Differenz des physikalisch möglichen Maximalmoments und des nicht zur Querregelung genutzten Absolutbetrags des ersten Auswahlmoments errechnet, als Traktions- oder Bremsmoment zur Längsregelung bereitgestellt wird. Übersteigt das angeforderte Spurführungsmoment das physikalisch mögliche Maximalmoment, wird das Traktions- oder Bremsmoment zu Null gesetzt.Another expedient embodiment provides that a first differential torque, which is calculated from the difference between the physically possible maximum torque and the absolute value of the first selected torque not used for lateral control, is provided as traction or braking torque for longitudinal control. If the required tracking torque exceeds the physically possible maximum torque, the traction or braking torque is set to zero.
Wenn kein Bremsmoment angefordert wird, ist es zweckmäßig, wenn das erste Differenzmoment zu Null gesetzt wird.If no braking torque is requested, it is expedient if the first differential torque is set to zero.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird bei der Ausführung der vierten Momentenregelung ein zweites Auswahlmoment ermittelt, das an dem zweiten Ausgang als Traktions- oder Bremsmoment zur Längsregelung ausgegeben wird. Das zweite Auswahlmoment entspricht dem Traktions- oder Bremsmoment. Das zweite Auswahlmoment ist der kleinere Wert des physikalisch möglichen Maximalmoments und des angeforderten Traktions- oder Bremsmoments.In a further expedient refinement, when the fourth torque control is carried out, a second selection torque is determined, which is output at the second output as traction torque or braking torque for longitudinal control. The second selection torque corresponds to the traction or braking torque. The second selection torque is the lower value of the physically possible maximum torque and the requested traction or braking torque.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein zweites Differenzmoment, das sich aus der Differenz des physikalisch möglichen Maximalmoments und des nicht zur Regelung genutzten Absolutbetrags des zweiten Auswahlmoments errechnet, als Spurführungsmoment zur Querregelung bereitgestellt wird. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Ermittlung des zweiten Differenzmoments unter der Bedingung erfolgt, dass ein lateraler Schlupf minimiert wird. Hierzu kann ein aus dem Stand der Technik bekanntes Schlupfregelungsverfahren verwendet werden. Beispielhaft wird hierzu auf ein in der
Die Erfindung schlägt ferner ein Computerprogrammprodukt vor, das direkt in den internen Speicher einer digitalen Steuereinheit geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf der Steuereinheit läuft.The invention further proposes a computer program product that can be loaded directly into the internal memory of a digital control unit and comprises software code sections with which the steps according to one or more embodiments of the method according to the invention are carried out when the product runs on the control unit.
Schließlich schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur computerimplementierten Regelung einer Antriebsanlage eines Schienenfahrzeugs mit einem wie oben beschriebenen Regelkreis vor. Die Vorrichtung umfasst eine Recheneinheit zur Implementierung des Regelkreises und ist zur Durchführung einer oder mehrerer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Die Vorrichtung weist die gleichen Vorteile auf, wie diese vorstehend in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert wurden.Finally, the invention proposes a device for computer-implemented control of a drive system of a rail vehicle with a control loop as described above. The device includes a computing unit for implementing the control loop and is designed to carry out one or more specific embodiments of the method according to the invention. The device has the same advantages as those explained above in connection with the method according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
-
1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Regelkreis zur Regelung einer Antriebsanlage eines Schienenfahrzeugs, bei dem die Antriebsanlage den Rädern eines Einzelradpaars zugeordnete Einzelradantriebe umfasst; -
2 ein Diagramm, das den bekannten Zusammenhang zwischen Kraftschluss und Schlupf bei unterschiedlichen Rad-Schiene Kontaktbedingungen illustriert; -
3 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Regelkreis zur Regelung einer Antriebsanlage eines Schienenfahrzeugs, bei dem die Antriebsanlage den Rädern eines Einzelradpaars zugeordnete Einzelradantriebe umfasst; -
4 ein Kennfeld, das den Zusammenhang zwischen einem Längs-Kraftschluss und dem Schlupf in Längs- und Querrichtung zeigt; -
5 ein Kennfeld, das den Zusammenhang zwischen Lateral-Kraftschluss und Längs- und Querschlupf zeigt; -
6 nummerische Simulationen eines ersten Ausführungsbeispiels; und -
7 nummerische Simulationen eines zweiten Ausführungsbeispiels.
-
1 a control loop known from the prior art for controlling a drive system of a rail vehicle, in which the drive system comprises individual wheel drives assigned to the wheels of a pair of individual wheels; -
2 a diagram that illustrates the known relationship between adhesion and slip under different wheel-rail contact conditions; -
3 a control loop designed according to the invention for controlling a drive system of a rail vehicle, in which the drive system comprises individual wheel drives assigned to the wheels of a pair of individual wheels; -
4 a map that shows the relationship between a longitudinal adhesion and the slip in the longitudinal and transverse directions; -
5 a map showing the relationship between lateral adhesion and longitudinal and lateral slip; -
6 numerical simulations of a first embodiment; and -
7 numerical simulations of a second embodiment.
Die Momentenallokationseinheit 50 weist einen ersten Eingang 51 auf, an dem ihr ein, von der Spurführungsregelung 21 bereitgestelltes, angefordertes Spurführungsmoment My,soll zugeführt wird. An einem zweiten Eingang 52 wird ihr ein angefordertes Traktions- oder Bremsmoment Mx,soll zugeführt, das von der Brems-/Traktionsregelung 31 bereitgestellt wird. Das angeforderte Spurführungsmoment My,soll und das angeforderte Traktions- oder Bremsmoment Mx,soll sind Soll-Momente. Die Momentenallokationseinheit 50 verarbeitet diese beiden angeforderten Soll-Momente als Eingangsgrößen in gemeinschaftlicher Weise und gibt an einem ersten Ausgang 53 ein erfindungsgemäß ermitteltes Spurführungsmoment My und an einem zweiten Ausgang 54 ein erfindungsgemäß ermitteltes Traktions- oder Bremsmoment Mx aus. Der erste Ausgang 53 der Momentenallokationseinheit 50 ist mit dem ersten Ausgang 13 des Regelkreises 10 verbunden bzw. entspricht ihm. In entsprechender Weise ist der zweite Ausgang 54 der Momentenallokationseinheit 50 mit dem zweiten Ausgang 14 des Regelkreises 10 verbunden bzw. entspricht ihm.The
Der übrige Aufbau des erfindungsgemäßen Regelkreises entspricht dem in Verbindung mit
In einem ersten Schritt wird ein angefordertes Gesamtmoment Msoll ermittelt. Das angeforderte Gesamtmoment Msoll wird aus der Summe der Absolutwerte des der Momentenallokationseinheit 50 an dem ersten Eingang 51 zugeführten angeforderten Spurführungsmoments My,soll und des an dem zweiten Eingang 52 zugeführten angeforderten Traktions- oder Bremsmoments Mx,soll bestimmt. Die Bestimmung erfolgt gemäß:
In einem nächsten Schritt wird ein physikalisch mögliches Maximalmoment Mmax ermittelt. Das physikalisch mögliche Maximalmoment Mmax bestimmt sich aus dem von den Einzelradantrieben des Einzelradpaars physikalisch bereitstellbaren Motormoment MMotor und einem abhängig von Umweltbedingungen maximal zwischen zumindest einem Rad des Einzelradpaars und einer zugeordneten Schiene, auf der sich das Schienenfahrzeug bewegt, übertragbaren Moment Mfmax. Als das physikalisch mögliche Maximalmoment Mmax wird dabei der Minimalwert aus dem Motormoment MMotor und dem übertragbaren Moment Mfmax verarbeitet:
Hierzu wird zunächst in der Brems-/Traktionsregelung 31 der maximal nutzbare Kraftschluss fx berechnet. Dies ist nur unter der Einschränkung möglich, dass der Kraftschluss auch erreicht wird. Beispielsweise kann der Kraftschluss anhand von Informationen zu einer Radaufstandskraft, die mittels bekannten Verfahren geschätzt werden kann, und einem in der Regel bekannten Radradius in ein maximal zwischen Rad und Schiene übertragbares Moment Mfmax umgerechnet werden.For this purpose, the maximum usable adhesion f x is first calculated in the braking/
Liegen das angeforderte Gesamtmoment Msoll und das physikalisch mögliche Maximalmoment Mmax vor, so erfolgt ein Vergleich der beiden Größen. Abhängig von dem Vergleichsergebnis wird dann eine erste Momentenregelung oder eine zweite Momentenregelung ausgeführt.If the required total torque M set and the physically possible maximum torque M max are available, the two variables are compared. Depending on the result of the comparison, a first torque control or a second torque control is then carried out.
Die erste Momentenregelung wird ausgeführt, wenn das Vergleichsergebnis umfasst, dass das physikalisch mögliche Maximalmoment Mmax größer als das angeforderte Gesamtmoment Msoll, d.h. Msoll < Mmax. Andernfalls wird die zweite Momentenregelung durchgeführt.The first torque regulation is carried out when the result of the comparison includes that the maximum torque M max that is physically possible is greater than the requested total torque M setpoint , ie M setpoint <M max . Otherwise, the second torque control is carried out.
Die erste Momentenregelung umfasst einen Normalbetrieb, in dem durch die Räder des Einzelradpaars die Summe aus dem Spurführungsmoment My und dem Traktions- oder Bremsmoment Mx übertragen werden kann. In diesem Fall werden durch die Momentenallokationseinheit 50 an dem ersten Ausgang 53 (und damit am ersten Ausgang 13 des Regelkreises) das angeforderte Spurführungsmoment My,soll als Spurführungsmoment My und an dem zweiten Ausgang 54 (und damit am zweiten Ausgang 14 des Regelkreises) das angeforderte Traktions- oder Bremsmoment Mx,soll als Traktions- oder Bremsmoment Mx ausgegeben: My = My,soll, Mx = Mx,soll. Mit anderen Worten erfolgt keinerlei Einschränkung der beiden Regelungen (Spurführungsregelung bzw. Brems-/Traktionsregelung), solange die Summe beider Regelmomente übertragen werden kann. Im Gegensatz zu dem in
Übersteigt die Summe der angeforderten Momente My,soll, Mx,soll das zur Verfügung stehende physikalisch mögliche Maximalmoment Mmax, so wird die zweite Momentenregelung ausgeführt, die einen Notbetrieb umfasst, welcher in zwei Fälle unterteilt werden kann. Ein erster Fall wird in einer dritten Momentenregelung und ein zweiter Fall in einer vierten Momentenregelung berücksichtigt.If the sum of the requested torques M y,soll , M x,soll exceeds the available physically possible maximum torque M max , the second torque control is carried out, which includes emergency operation, which can be divided into two cases. A first case is taken into account in a third torque control and a second case in a fourth torque control.
Voraussetzung für die Durchführung der zweiten Momentenregelung ist somit, dass das Vergleichsergebnis umfasst, dass das physikalisch mögliche Maximalmoment Mmax kleiner als das angeforderte Gesamtmoment Msoll (d.h. Msoll > Mmax). Ob dann die dritte oder die vierte Momentenregelung ausgeführt wird, hängt davon ab, ob eine Notbremsung vorliegt oder nicht. Die dritte Momentenregelung umfasst den Fall, dass keine Notbremsung vorliegt. Die vierte Momentenregelung umfasst den Fall, dass eine Notbremsung vorliegt.A prerequisite for carrying out the second torque control is therefore that the result of the comparison includes that the maximum torque M max that is physically possible is less than the requested total torque M setpoint (ie M setpoint >M max ). Whether then the third or the fourth moments control is executed depends on whether emergency braking is present or not. The third torque control includes the case that there is no emergency braking. The fourth torque control includes the case that emergency braking is present.
Im Fall keiner Notbremsung und der Durchführung der dritten Momentenregelung wird ein als erstes Auswahlmoment bezeichnetes Spurführungsmoment ermittelt, das am ersten Ausgang 53 bzw. 13 als das Spurführungsmoment My zur Querregelung ausgegeben wird, wobei das erste Auswahlmoment der kleinere Wert des physikalisch möglichen Maximalmoments Mmax und des angeforderten Spurführungsmoments My,soll ist:
Dieser Fall tritt somit ein, wenn eine lateraldynamisch kritische, aber längsdynamisch unkritische Fahrsituation vorliegt. Der Spurführungsregelung wird hier der gesamte Momentenbereich zur Verfügung gestellt. Folglich steht der Traktionsregelung in diesem Fahrzustand nur der restliche, von der Spurführungsregelung nicht angeforderte Momentenanteil, ggf. auch kein Anteil, zur Verfügung. Aufgrund der unkritischen Bremsanforderung tritt jedoch keine kritische Verlängerung des Bremswegs und damit keine Beeinträchtigung der Fahrsicherheit auf.This is the case when there is a driving situation that is critical in terms of lateral dynamics but not critical in terms of longitudinal dynamics. The entire torque range is made available to the tracking control. Consequently, in this driving state, the traction control only has the remaining torque portion not requested by the tracking control, possibly no portion at all. Due to the non-critical braking request, however, there is no critical lengthening of the braking distance and thus no impairment of driving safety.
Liegt demgegenüber eine Notbremsung vor, wird die vierte Momentenregelung durchgeführt. Hier wird ein als zweites Auswahlmoment bezeichnetes Traktions- oder Bremsmoment ermittelt, das an dem zweiten Ausgang 54 bzw. 14 als Traktions- oder Bremsmoment Mx zur Längsregelung ausgegeben wird, wobei das zweite Auswahlmoment der kleinere Wert des physikalisch möglichen Maximalmoments Mmax und des angeforderten Traktions- oder Bremsmoments Mx,soll ist:
Im Notbremsfall ist primär die Bremsregelung zu bedienen. Dadurch wird das gesamte physikalisch mögliche Maximalmoment Mmax für die Bremsregelung zur Verfügung gestellt. Falls von der Bremsregelung nicht das gesamte physikalisch mögliche Maximalmoment Mmax genutzt wird, wird entgegen dem üblichen Regelziel der Spurführung, welche eine Regelung auf eine Soll-Position umfasst, versucht, den lateralen Schlupf sy zu minimieren gemäß:
Diese Gleichung gibt den vereinfachten Zusammenhang zwischen Querschlupf sy, Fahrgeschwindigkeit v, Lateralgeschwindigkeit y und eingestelltem Lenkwinkel φ wieder.This equation reflects the simplified relationship between lateral slip s y , driving speed v, lateral speed y and the set steering angle φ.
In dem bekannten Kennfeld der
Das beschriebene Verfahren wurde in nummerischen Simulationen getestet und einem System mit bisheriger Momentenallokation in zwei Testszenarien, die in den
In dem in
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in den Diagrammen der
Das hier vorgeschlagene Verfahren zur computerimplementierten Regelung einer Antriebsanlage eines Schienenfahrzeugs ist speziell für den Einsatz in Fahrwerken mit angetriebenen Einzelrädern vorgesehen. Beispielsweise kann dies in Straßenbahnen zum Einsatz kommen, da viele moderne Straßenbahnfahrzeuge mit Einzelradfahrwerken ausgestattet sind. Es kann auch in Eisenbahnfahrzeugen (Schnellzügen) mit angetriebenen Einzelradfahrwerken zum Einsatz kommen.The method proposed here for the computer-implemented control of a drive system of a rail vehicle is intended specifically for use in running gear with driven individual wheels. For example, this can be used in trams, since many modern tram vehicles are equipped with single-wheel chassis. It can also be used in railway vehicles (express trains) with driven single-wheel chassis.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Regelkreiscontrol loop
- 1111
- erster Eingang des Regelkreisesfirst input of the control loop
- 1212
- zweiter Eingang des Regelkreisessecond input of the control circuit
- 1313
- erster Ausgang des Regelkreisesfirst output of the control circuit
- 1414
- zweiter Ausgang des Regelkreisessecond output of the control circuit
- 2020
- Pfad für Querregelung (Spurführungsregelung)Path for lateral control (tracking control)
- 2121
- Spurführungsregelunglane control
- 2222
- Lateralmomentenallokationseinheitlateral moment allocation unit
- 3030
- Pfad für Längsregelung (Brems-/Traktionsregelung)Path for longitudinal control (brake/traction control)
- 3131
- Brems-/TraktionsregelungBrake/Traction Control
- 3232
- Bremsmomentenallokationseinheitbraking torque allocation unit
- 4141
- erster Addierer (zur Bestimmung des Moments eines linken Einzelradantriebs)first adder (to determine the moment of a left single wheel drive)
- 4242
- zweiter Addierer (zur Bestimmung des Moments eines rechten Einzelradantriebs)second adder (to determine the moment of a right independent wheel drive)
- 5050
- Momentenallokationseinheitmoment allocation unit
- 5151
- erster Eingang der Momentenallokationseinheitfirst input of the moment allocation unit
- 5252
- zweiter Eingang der Momentenallokationseinheitsecond input of the moment allocation unit
- 5353
- erster Ausgang der Momentenallokationseinheitfirst output of the moment allocation unit
- 5454
- zweiter Ausgang der Momentenallokationseinheit second output of the moment allocation unit
- LSPLSP
- laterale Sollpositionlateral target position
- BBABBA
- Brems-/BeschleunigungsanforderungBrake/acceleration request
Referenzencredentials
- [1] MAYER, Reinhold; RASEL, Thomas: Höhere Zugtaktung: Neuartiger Gleitschutz für eine verbesserte Auslastung der Schieneninfrastruktur. In: ZEVrail 144 (2020), Nr. 11-12, S. 438-442[1] MAYER, Reinhold; RASEL, Thomas: Higher train frequency: Novel wheel slide protection for improved utilization of the rail infrastructure. In: ZEVrail 144 (2020), No. 11-12, pp. 438-442
- [2] Schwarz, Christoph; Posielek, Tobias; Goetjes, Björn: Adhesion-Based Maximum-Seeking Brake Control for Railway Vehicles. In: 27th IAVSD International Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks, Aug. 2021, St. Petersburg, Russia.[2] Schwarz, Christoph; Posielek, Tobias; Goetjes, Björn: Adhesion-Based Maximum-Seeking Brake Control for Railway Vehicles. In: 27th IAVSD International Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and Tracks, Aug. 2021, St. Petersburg, Russia.
- [3] Daniel Frylmark und Stefan Johnsson: „Automatic Slip Control for Railway Vehicles“, Master's thesis, 6. Feb. 2003, abrufbar unter https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:19091/FULLTEXT01.pdf[3] Daniel Frylmark and Stefan Johnsson: "Automatic Slip Control for Railway Vehicles", Master's thesis, 6 Feb. 2003, available at https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:19091/FULLTEXT01 .pdf
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---|---|
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-
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FRYLMARK, Daniel ; JOHNSSON, Stefan; Linköping Universität - Dep. of Electrical Engineering: Automatic slip control for railway vehicles. Linköping : 2003 (LiTH-ISY-EX-3366-2003). S. 1-101. URL: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:19091/FULLTEXT01.pdf [abgerufen am 2022-10-20]. - Master’s thesis |
MAYER, Reinhold ; RASEL, Thomas: Höhere Zugtaktung: Neuartiger Gleitschutz für eine verbesserte Auslastung der Schieneninfrastruktur. In: ZEVrail, Bd. 144, 2020, H. 11-12, S. 438-442. - ISSN 1618-8330. |
SCHWARZ, Christoph ; POSIELEK, Tobias ; GOETJES, Björn (Autoren); ORLOVA, A. ; COLE, D. (Hrsg.): Adhesion-based maximum-seeking brake control for railway vehicles. In: Advances in dynamics of vehicles on roads and tracks II. IAVSD 2021. Cham : Springer, 2022 (Lecture Notes in Mechanical Engineering). S. 106-115. - ISBN 978-3-031-07304-5 (p); 978-3-031-07305-2 (e). DOI: 10.1007/978-3-031-07305-2_12. |
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