DE4025356C2 - Prüfstand mit Schwungmassensimulation - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Prüfstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Prüfstand, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art ist aus der Firmendruckschrift "Automatisierungs- und Antriebstechnik für Prüfstände" der AEG Aktiengesellschaft Frankfurt/Main Nr. A 842 V, 4.8. 1/0787, 1987 bekannt. Bei diesem Prüfstand wird das Abbild des Beschleunigungsmoments bei unveränderlicher Schwungmasse des Maschinenläufers durch Differentiation der Drehzahl mit Hilfe einer Rechenschaltung gewonnen. Mitlaufende Schwungmassen anderer Übertragungselemente können in gleicher Weise simuliert werden.

Bei einem bekannten Getriebsprüfstand wird ein Trägheitsmoment elektrisch simuliert. Die zeitlich richtigen Simulationsdrehmomente werden mit einem elektrischen Rechennetzwerk aus der Bewegungsgleichung für rotierende Körper ermittelt. Aus dem Ankerstrom einer Gleichstrom- Antriebsmaschine wird ein Drehmoment-Istwert berechnet, der mit einem Simulationsmoment verglichen wird, das aus der Differenz zwischen dem Prüfstandsträgheitsmoment und dem Trägheitsmoment des nachzubildenen Prüflings gebildet und mit der zeitlichen Ableitung der Drehgeschwindigkeit der Antriebsmaschine multipliziert wird (BBC-Nachrichten 65/(1983), H. 11, S. 385-392).

Bekannt ist ein Bremsenprüfstand mit Schwungmassensimulation. Bei diesem Bremsenprüfstand ist zwischen einem Prüfling und einem festen Anschlag ein Drehmomentaufnehmer angeordnet, dessen Meßwert im Bremsbetrieb des mit einer Gleichstrommaschine verbundenen Prüflings ebenso wie der Trägheitsmoment-Sollwert einem Rechennetzwerk zur Trägheitsmomentsimulation zugeführt wird, wo ein Zusatzdrehmoment gebildet wird. Das Zusatzdrehmoment wird als Sollwert einem der Gleichstrommaschine vorgeschalteten Drehmomentregler zugeführt (BBC-Nachrichten (1981) H. 2, S. 59-­ 65).

Bekannt ist auch ein Verfahren zum Simulieren von Prüfstandsträgheitsmomenten, bei dem durch elektronische Funktionsglieder Massen elektronisch nachgebildet werden, die die Massen von Prüfstand und Prüfling ergänzen. Durch die Nachbildung ergibt sich eine regelungstechnische Struktur, die einem die Summe dieser Massen enthaltenden Differentialgleichungssystem entspricht. Eine luftspaltenmomentgeregelte elektrische Maschine ist Übertragungsglied zwischen den elektrischen Funktionsgliedern und den mechanischen Massen (DE 34 16 496 A1).

Weiterhin ist ein Prüfstand zum Testen des Antriebsstranges eines Fahrzeugs mit mindestens zwei voneinander unabhängig momentengeregelten elektrischen Belastungsmaschinen bekannt. Mit einem Simulationsrechner werden Fahrwiderstände, Räder und das Fahrzeug-Beschleunigungsverhalten simuliert (DE 38 12 824 A1).

Schließlich ist eine Einrichtung zur Aufnahme von Drehmomentschwingungen im Abtrieb einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Einrichtung enthält Lagerteile, die zwischen dem Antrieb der Brennkraftmaschine und einer Kraftübertragungseinrichtung angeordnet sind und dient zur Anpassung von Trägheitsmomenten, wodurch eine maximale Dämpfung von Drehmomentschwingungen erreicht werden soll (DE- OS 29 26 012).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Prüfstand mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß mit ihm eine gut dynamische Simulationsgenauigkeit erreicht wird.

Das Problem wird bei einem Prüfstand der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Zur Schwungmassensimulation wird bei dem in Anspruch 1 beschriebenen Prüfstand ein Teilluftspaltmoment erzeugt. Da die Anstiegszeit dieses Teilluftspaltmoment sehr gering ist, treten in der Vorrichtung nur geringe Verzögerungszeiten auf.

Diese Anordnung zeichnet sich einerseits durch ihre große dynamische Genauigkeit und andererseits durch ihren einfachen Aufbau aus.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein äußerer und ein innerer Kreis für die Schwungmassensimulation vorhanden. Der innere Kreis wirkt im Vergleich mit dem äußeren wie eine Vorsteuerung, d. h. er sorgt für eine gewünschte hohe dynamische Genauigkeit. Der äußere Kreis bewirkt eine hohe quasistatische Genauigkeit.

Eine Schwungmassensimulation in Verbindung mit einer Drehzahlregelung ist besonders vorteilhaft. Aus dem Istwert des Wellendrehmoments und einem Sollwert für das zu simulierende Moment wird zuerst durch Division mit dem realen Massenträgheitsmoment die Winkelbeschleunigung gebildet, aus der durch Integration der Drehzahlsollwert erhalten wird, dem der von einer Tachomaschine an der Antriebsmaschine erzeugte Drehzahlistwert zur Bildung der Regelabweichung überlagert wird. Die Regelabweichung beaufschlagt einen unterlagerten Regelkreis, durch den unter anderem ein der zu simulierenden Schwungmasse entsprechendes Luftspaltmoment erzeugt wird.

Das Produkt und die Drehzahlabweichung werden einander überlagert und dem Drehmomentstellglied zugeführt. Mit dieser Anordnung läßt sich eine dynamische schnelle Simulation erreichen.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, daß infolge der Drehzahlregelung auch die sonst auftretenden Schleppfehler ausgeregelt werden, und daß Mehrmaschinenantriebe einfach zueinander drehzahlgeführt, gefahren werden können.

Es ist auch möglich, der auf die vorstehend beschriebene Weise erzeugte Drehzahlregelabweichung einen Sollwert für die zu simulierende Schwungmasse zu unterlagern, der durch Differenzierung der Antriebsmaschinengeschwindigkeit und Multiplikation mit dem Wert der zu simulierenden Schwungmasse multipliziert wird. Der durch Unterlagerung erhaltene Wert beaufschlagt das Drehmomentstellglied des Antriebs. Diese Anordnung hat bei einem geringeren Aufwand und geringerer dynamischer Genauigkeit den Vorteil, dass die Drehzahlregelung die Schleppfehler ausregelt, wodurch eine Drehzahlführung von Mehrmaschinenantrieben möglich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen mit einer Zusatzschwungmasse verbundenen Antrieb,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur dynamisch genauen Simulation, einer Schwungmasse,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer anderen Anordnung zur Simulation einer Schwungmasse,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur dynamisch und quasistatisch genauen Simulation einer Schwungmasse und zur zusätzlichen Regelung von Belastungsmomenten,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer anderen Anordnung zur Simulation einer Schwungmasse und zur zusätzlichen Regelung von Belastungsmomenten,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Drehzahlregelung und zur Simulation eines Lastmoments sowie zur dynamisch genauen Simulation einer Schwungmasse,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer anderen Anordnung zur Simulation eines Lastmoments einer Schwungmasse.

In Prüfständen für Kraftfahrzeuge, Getriebe, Bremsen und dgl. werden elektrische Antriebsmaschinen zur Nachbildung von Betriebszuständen an den Prüflingen benutzt. Die Masse der elektrischen Antriebsmaschine entspricht zumeist nicht derjenigen Masse, die für die Prüfung benötigt wird. In der Mehrzahl der Fälle ist die Masse der Antriebsmaschine für die Nachbildung der in der im praktischen Betrieb der Prüflinge auftretenden Belastung zu gering. Es können daher zusätzliche Massen mit der Antriebsmaschine verbunden werden. Die Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Antriebsmaschine 1, die eine bestimmte reale Masse hat, die im folgenden mit JR bezeichnet ist. Die Welle 2 der Antriebsmaschine 1 ist mit einem Schwunggrad 3 verbunden, das eine reale Masse JRZ hat. Mittels einer Kupplung 4 wird die Welle 2 an einen nicht dargestellten Prüfling angekuppelt, bei dem es sich z. B. um ein Getriebe handelt.

Statt eine reale Schwungmasse zu verwenden, kann eine Schwungmasse auch im Luftspalt der elektrischen Antriebsmaschine 1 simuliert werden, indem ein von der Beschleunigung abhängiges Zusatzdrehmoment erzeugt wird, das bei der gleichen Beschleunigung von der entsprechenden realen Zusatzmasse hervorgerufen würde. Der Simulationsbereich ist von der Grösse der zu simulierenden Zusatzschwungmasse und der Beschleunigung abhängig (d. h. dynamisch begrenzt). Die zu simulierende Zusatzschwungmasse kann positiv oder negativ sein, d. h. die reale Schwungmasse kann durch die Simulation vergrössert oder verkleinert werden.

In der weiteren Beschreibung werden folgende Formelzeichen benutzt:
M ⇒ Moment (Nm)
d/dt ⇒ Differentialquotient (sec^-1)
J ⇒ Massenträgheitsmoment (kgm²)
W ⇒ Winkelgeschwindigkeit (sec^-1)
⇒ Winkelbeschleunigung (sec^-2)

Indices:
B ⇒ Beschleunigung
G ⇒ Gesamt
L ⇒ Luftspalt
R ⇒ Real
S ⇒ Simuliert
W ⇒ Sollwert
We ⇒ Welle
X ⇒ Istwert
Z ⇒ Zusatz
1.. ⇒ fortlaufende Nr.

Zwischen Wellendrehmoment MWe an der Welle 2, Luftspaltmoment ML in der Antriebsmaschine 1 und Beschleunigungsmoment MB gilt folgende allgemeine Beziehung:

• 1. MWe = ML + MB.

Die Auflösung nach dem Beschleunigungsmoment MB ergibt:

• 1. MB = MWe - ML.

Für das Beschleunigungsmoment MB gilt ferner:

• 1. MB = J . mit
• 2.  = dw/dt.

Bei einem auf die Massenträgheitsmomente JR und JRZ gemäss Fig. 1 wirkenden Beschleunigungsmoment MB ergibt sich eine Winkelbeschleunigung von:

• 1.  = MB/(JRZ + JR).

Daraus ergibt sich

• 1. MB = × JRZ + × JRZ; mit × JRZ = MBZ und × JR MBR folgt
• 2. MB = MBRZ + MBR.

Soll nun die reale Schwungmasse JRZ durch eine zu simulierende Schwungmasse ersetzt werden, so ist dafür zu sorgen, dass in der elektrischen Maschine abhängig von der Beschleunigung ein Luftspaltmoment erzeugt wird, das dem Beschleunigungsmoment MBRZ entspricht. Das ist möglich, wenn ein dem Beschleunigungsmoment MBRZ entsprechendes Moment WMBZ als Sollwert für die Erzeugung des Luftspaltmoments MLSZ bestimmt werden kann.

• 1. MBRZ ⇒ WMBZ ⇒ MLSZ.

Für die Bildung des Drehmomentsollwertes WMBZ gibt es 2 Möglichkeiten

Direkte Bildung von WMBZ:

• 1. MB = MWe - ML(2)
• 2. WMBZ = MWe - MLSZ.

Bei hohen dynamischen Anforderungen an eine Schwungmassensimulation muss die Anstiegszeit für das Luftspaltmoment MLSZ sehr klein sein, d. h. bei der Bildung des Sollwertes WMBZ und dem Aufbau des Luftspaltmomentes dürfen ausser der Stromanregelzeit keine weiteren Zeitverzögerungen auftreten.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung wird das Moment WMBSZ direkt gebildet. Die elektrische Antriebsmaschine ist in Fig. 2 mit 1 und die zu simulierende Zusatzmasse JSZ mit 5 bezeichnet. Die mit 2 bezeichnete Welle der Antriebsmaschine 1 ist mit einem Drehmomentsensor 6 versehen, der in dem Istwert des Wellendrehmoments XMWe entsprechendes Signal erzeugt, das an einer Summierstelle 7 zu dem Signal des Luftspaltmomentes MLSZ vorzeichenrichtig summiert wird. Das Ergebnis wird mit dem Verstärker 8 einem Multiplizierer 9 zugeführt und dort mit der Grösse F multipliziert. Die Grösse F ist ein Mass für das zu zu simulierende Moment und wird unten noch eingehend erörtert. Der Ausgang des Multiplizierers 9 wird über einen Verstärker 10 an die Summierstelle 7 und einem Stromregelkreis 11 als Drehmomentstellglied gegeben, der die Antriebsmaschine 1 speist.

Die aus realer und simulierter Schwungmasse sich ergebende Gesamtmasse JG errechnet sich wie folgt:

• 1. JG = JSZ + JR.

Nach JSZ aufgelöst gilt:

• 1. JSZ = JG - JR und
• 2. JSZ = (1 - JR/JG)JG.

Hieraus wird das simulierte Zusatzmoment wie folgt gebildet:

• 1. MSZ = 1 - JR/(JR + JSZ) × MB.

Der Ausdruck 1 - JR/(JR + JSZ) ist die oben erwähnte Grösse F.

• 1. F = 1 - JR/(JR + JSZ)

Am Ausgang des Multiplizierers tritt die Grösse WMBSZ auf, für die gilt:

• 1. WMBSZ = MB × F, d. h. WMBSZ = MB × (1 - JR/(JR + JSZ).

Der Verstärker 11 erzeugt aus der Grösse WMBSZ das Luftspaltmoment MLSZ.

B) Indirekte Bildung des Drehmomentsollwertes WMBZ.

Eine Anordnung zur indirekten Bildung des Drehmomentsollwerts WMBZ ist in Fig. 3 dargestellt. Der nicht näher dargestellte Rotor der Antriebsmaschine ist mit einer Tachomaschine 12 versehen, deren Ausgangssignal einem Differenzierer 13 zugeführt wird. Dem Differenzierer 13 ist ein Multiplizierer 14 nachgeschaltet, dem weiterhin der Wert des zu simulierenden Schwungmoments zugeführt wird. Am Ausgang des Multiplizierers 14 steht die Grösse WMBSZ an, die über einen Verstärker 15 in den Drehmomentsollwert MLSZ umgesetzt wird, der den Stromregelkreis 11 beaufschlagt.

Der Multiplizierer 14 arbeitet nach folgender Beziehung:

• 1. WMBSZ = w × JSZ.

Bei der Bildung von Xw muss darauf geachtet werden, dass die Zeitkonstante des Glättungsgliedes klein ist.

Vielfach müssen die Antriebsmaschinen ausser der Schwungsmassensimulation gleichzeitig auch noch andere Antriebsaufgaben übernehmen. Z. B. Last- Regelung für die Simulation einer Strassensteigung.

Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung zur Simulation eines auf einen Prüfling einwirkenden Moments und zur Simulation einer Schwungmasse. Gleiche Elemente sind in den Fig. 1-4 mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anordnung gemäss Fig. 4 enthält die Antriebsmaschine 1 mit dem Drehmomentsensor 6 und der Tachomaschine 12. Dem Stromregler 11 der Antriebsmaschine 1 ist ein Kreis 16 vorgeschaltet, der die in Fig. 2 dargestellten Teile zur Schwungmassensimulation enthält, um eine dynamisch gute Simulation zu erreichen. Weiterhin wird mit dem Differenzierer 13 und dem Multiplizierer 14 ein zusätzliches, simuliertes Beschleunigungsmomentsollwert MBSZ 2, erzeugt, während der Ausgang des Multiplizierers 9 das erste simulierte Beschleunigungsmomentsollwert MBSZ 1 ausgibt.

Der Istwert des Wellendrehmoments XMWe wird an eine Summierstelle 17 gelegt, der auch ein Drehmomentsollwert WMS und der zweite Beschleunigungsmomentsollwert MBSZ zugeführt wird. Die vorzeichenrichtige Summe wird über einen Regelverstärker 18 in einer Summierstelle 19 mit dem ersten Beschleunigungsmomentsollwert vereinigt. Die Strassensteigung wird z. B. durch den Sollwert WMS eingestellt.

Schwungmassensimulation. Die innere entspricht der gemäss Fig. 2. Mit Ausnahme des Sollwertes WMS ist die äussere entsprechend Fig. 3. Das hat folgende Vorteile:

Die innere Schaltung wirkt zur äusseren wie eine Vorsteuerung, d. h. sie sorgt für die gewünschte dynamische Genauigkeit. Die äussere Schaltung bewirkt die quasistatische Genauigkeit. Das wird besonders durch die genaue Bildung von dn/dt erreicht.

Wenn der Dynamikfehler bei der dn/dt-bildung vernachlässigt werden kann, ist die in Fig. 5 dargestellte Anordnung zur Simulation geeignet. Sie hat einen einfacheren Aufbau. Die Anordnung gemäss Fig. 5 enthält die in Fig. 3 gezeigten Elemente sowie den Drehmomentsensor 6. Am Ausgang des Multiplizierers 14 steht der zusätzliche Beschleunigungsmomentsollwert MBSZ zur Verfügung, der über einen Verstärker 20 eine Summierstelle 21 beaufschlagt, der auch der Drehmomentsollwert WMS und der Drehmomentistwert XMWe zugeführt werden. Die Summierstelle 21 ist Teil des Regelverstärkers 22. Ihm ist der Verstärker 15 mit der Summierstelle 28 nachgeschaltet. Der Summierstelle 28 wird auch das Signal des Multiplizierers 14 zugeführt.

Eine weitere Anordnung zur Schwungmassensimulation und zur Simulation einer Belastung mittels eines Momentsollwerts ist in Fig. 6 dargestellt. Gleiche Elemente sind in den Fig. 1-6 mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anordnung gemäss Fig. 6 enthält den Kreis 16 für die Simulation einer Schwungmasse, der dem Stromregler 11 vorgeschaltet ist und der dynamisch den dem Luftspaltmoment ML entsprechenden Wert erzeugt.

Einer Summierstelle 24 wird der Drehmomentistwert XMWe und ein Drehmomentsollwert WMS zur Simulation der Belastung eines vom Antriebsmotor 1 angetriebenen Prüflings polaritätsrichtig zugeführt. Die Differenz beider Grössen wird einem Dividierer 25 zugeführt, in den weiterhin der Wert des Trägheitsmoments J eingespeist wird. Am Ausgang des Dividierers 25 steht die Winkelbeschleunigung W zur Verfügung, aus der in einem Integrator 26 ein Drehzahlsollwert gebildet wird.

Es gelten die Beziehungen:

• 1.  = MB/J
• 2. ω = ∫dt.

Der Drehzahlsollwert Ww wird mit dem Drehzahlistwert an der Summierstelle 27 verglichen und in den Regelverstärker 28 gegeben. Diesem ist die Summierstelle 19 und der Verstärker 10 nachgeschaltet. Der Drehzahlregelung ist die dynamische schnelle Massensimulationsanordnung gemäss Fig. 2 unterlagert.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, dass infolge der Drehzahlregelungen auch die sonst auftretenden Schleppfehler ausgeregelt werden und dass Mehrmaschinenantriebe einfach zueinander drehzahlgeführt, gefahren werden können.

Die Fig. 7 zeigt eine weitere Simulationsanordnung mit einer geringeren dynamischen Genauigkeit als die Anordnung gemäss Fig. 6. Gleiche Elemente in den Fig. 1-7 sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anordnung gemäss Fig. 7 enthält zwei Kreise. Der äussere Kreis mit der Summierstelle 24, dem Dividierer 25, dem Integrator 26, der Summierstelle 27 und dem Regelverstärker 28 stimmt mit demjenigen nach Fig. 6 überein. Der innere Kreis mit dem Differenzierer 13, dem Multiplizierer 14, dem Regelverstärker 15 und dem Stromregler 11 entspricht dem in Fig. 3 gezeigten Kreis. Eine Summierstelle 27 vereinigt die Ausgangssignale des Regelverstärkers 28 und des Multiplizierers 14.

Claims (2)

1. Prüfstand mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine und einem rotierbar gelagerten, mechanisch mit einer elektrischen Antriebsmaschine und dem Prüfling gekoppelten Antriebsstrang, in dem zwischen der elektrischen Antriebsmaschine und dem Prüfling ein Drehmomentmeßglied vorhanden ist, das den Istwert des Wellendrehmoments (MWe) mißt, und mit einer Vorrichtung zur Simulation einer für die Belastung des Prüflings dienenden Schwungmasse, wobei die Vorrichtung ein der elektrischen Antriebsmaschine vorgeschaltetes Drehmomentstellglied aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmomentstellglied (11) ein Luftspaltmoment (ML) liefert, daß der Istwert des Wellendrehmoments (MWe) an einer ersten Summierstelle (7) mit dem Signal des Luftspaltmoments (MLSZ) in Vorzeichenrichtung summiert wird, daß die Summe des Istwerts des Wellendrehmoments (MWe) und des Signals des Luftspaltmoments (MLSZ) über einen ersten Verstärker (8) einem ersten Multiplizierer (9) zugeführt und mit einem die zu simulierende Schwungmasse (5) enthaltenden Faktor, nämlich 1-JR/(JR- JSZ), multipliziert wird, worin mit JR das Trägheitsmoment der hinter dem Drehmomentmeßglied (6) angeordneten, realen Schwungmasse (1) und mit JSZ das Trägheitsmoment der zu simulierenden Schwungmasse (5) bezeichnet sind, und daß der Ausgang des ersten Multiplizierers (9) über einen zweiten Verstärker (10) die erste Summierstelle (7) und das Drehmomentstellglied (11) beaufschlagt.

2. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal einer mit dem Rotor der Antriebsmaschine (1) verbundenen Tachomaschine (12) einem Differenzierer (13) zugeführt wird, dem ein zweiter Multiplizierer (14) nachgeschaltet ist, in dem das differenzierte Ausgangssignal mit dem Trägheitsmoment (JSZ) der zu simulierenden Schwungmasse (5) multipliziert wird, und daß das Ausgangssignal des zweiten Multiplizierers (14) über einen dritten Verstärker (15) eine zweite Summierstelle (17) beaufschlagt, der weiterhin der Istwert des Wellendrehmoments (MWe) und ein Drehmomentsollwert (WMS) zugeführt werden, und daß der zweiten Summierstelle (17) über einen vierten Verstärker (18) eine dritte Summierstelle (19) nachgeschaltet ist, der auch das Ausgangssignal des ersten Multiplizierers (9) zugeführt wird.