JP2022534700A - 軌道工事機械の作業ユニットの回転駆動部を開ループ／閉ループ制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、軌道工事機械（１）の作業ユニット（４）の回転駆動部（１３）を開ループ／閉ループ制御する方法に関し、センサ（１９）を用いて、駆動部（１３）の回転から導出される、近似的に周期的な経過関数を有する測定量（Ｘ）を検出し、評価装置（２１）を用いて、経過関数の周波数（ｆ）または周期（Ｔ）を特定し、制御信号を設定するために周波数（ｆ）または周期（Ｔ）と目標量とを比較する。ここでは、測定量（Ｘ）について、離散時間の測定値（ｘｉ）の列を形成し、周波数（ｆ）または周期（Ｔ）を特定するために計算ユニット（２２）を用いて、これらの測定値（ｘｉ）の自己相関を求める。これにより、ゼロクロス検出による従来の方法に比べて、２つのゼロクロス間においても周波数変化を正確に検出可能である。

Description

本発明は、軌道工事機械の作業ユニットの回転駆動部を開ループ／閉ループ制御する方法に関し、センサを用いて、駆動部の回転から導出される、近似的に周期的な経過関数を有する測定量を検出し、評価装置を用いて、経過関数の周波数または周期を特定し、制御信号を設定するために周波数または周期と目標量とを比較する。本発明はさらに、この方法を実施する装置に関する。

F. Auer等による刊行物"High-Tech-Stopfaggregate fuer nachhaltige Gleislageverbesserung"（持続的な軌道改善のためのハイテクダンピングユニット）、EI-Eisenbahningenieur、２０１５年１１月、第１８～２２ページからは、ダンピングユニットの回転駆動部の回転数閉ループ制御方法が公知である。スクイージング駆動部を介してタンピングツールに伝達される振動を発生させるために偏心軸が駆動される。

これにより、タンピングサイクル中に振動周波数を所期のように変更する可能性が得られる。より高い周波数（４２～５０Ｈｚ）が、バラスト道床へのタンピングツールの沈み込ませ過程中に設定される。スクイージング過程中、タンピングツールは、３５Ｈｚの最適周波数にある。持ち上げられた状態では、ユニットが最も静かに動作する低いアイドリング周波数（約２８Ｈｚ）が設定される。

回転数閉ループ制御を備えたタンピング機械では、位相安定化も公知である。この際には、アイドリング時にすべての振動発生器の回転数が同期化され、回転駆動部のそれぞれの位相変位は、振動の重なりが最小化されるように設定される。

回転振動駆動部は、軌道工事機械の別の作業ユニットにも使用される。例えば、国際公開第２００８／００９３１４号には、回転式不平衡器によってスタビライザユニットを振動させるいわゆる軌道スタビライザが開示されている。ここでは、同期化される２つのスタビライザユニットが、設定可能な振動周波数で駆動される。

さらにR. Hauke等による"Bettungsreinigungsmaschinen - ein Ueberblick"（バラストクリーナ－概要）、EI-Spezial Gleisbaumaschinen und -geraete、２０１６年５月、第３０～３５ページからは、分散されたふるい分け装置を備えたバラストクリーナが公知である。ここでも同様に、設定可能な振動周波数を有する回転駆動部が使用される。

本発明の根底にある課題は、冒頭に述べた形式の方法を改善して、変化を迅速に検出することによって周波数または周期の正確な特定を実行できるようにすることである。さらに、本発明の課題は、改善された上記の方法を実施する、対応する装置を示すことである。

これらの課題は、本発明により、独立請求項１および１１の特徴的構成によって解決される。本発明の有利な発展形態は、従属請求項から得られる。

ここでは、測定量について、離散時間の測定値の列を形成し、周波数または周期を特定するために計算ユニットを用いてこれらの測定値の自己相関を求める。これにより、ゼロクロス検出による従来の方法に比べて、２つのゼロクロス間においても周波数変化を正確に検出可能である。検出される離散時間の測定値により、自己相関関数の関数値をいつでも特定可能である。対応する関数計算の結果は、時間軸についての関数値である。時間軸上には、ゼロと最初に発生した最大値との間の時間により、測定量の経過関数の周期が示される。これにより、新たに検出されるそれぞれの測定値によって周波数の新たな特定が直ちに実行可能である。

本発明の一発展形態では、別のセンサを用いて、別の駆動部の回転から導出される、近似的に周期的な経過関数を有する別の測定量を検出し、別の測定量について、離散時間の別の測定値の列を形成し、位相変位を特定するために計算ユニットを用いて２つの測定量の測定値の相互相関を求める。いつでも求めることが可能な相互相関により、設定された位相変位の偏差を直ちに識別可能である。これにより、複数の回転駆動部の正確な同期化（位相安定化）が保証される。

有利には、離散時間の測定値を形成するためにサイクルタイムを設定し、このサイクルタイムにより、評価周期を決定する。このようにして、新たに検出されるそれぞれの測定値により、周波数もしくは周期または場合によっては位相変位の評価が実行される。この方法の精度は、サイクルタイムを減少させることによって増大される。

さらなる改善は、それぞれの新たな測定値を用い、一定の個数の測定値の積の総和を形成することにより、相関関数の関数値を繰り返して計算することによって行われる。これにより、計算コストが限定され、さらなる簡略化のための可能性が得られる。

この際に特に有効であるのは、関数値の最新の計算のために、先行する計算の測定値の積の総和から、最も古い測定値による測定値の積を減算して、最新の測定値による新たな測定値の積を加算することである。これにより、相関関数の関数値を更新するために、わずかな計算操作だけしか必要としない。計算性能に対する要求が小さいことにより、コスト的に有利でありかつスペースを節約する計算ユニットによってこれらの計算をほぼリアルタイムに実行可能である。

さらなる改善は、相関関数の関数値の計算の前に、補間された測定値を求めることによって行われる。与えられた結果値の間に付加的な測定値を補間することにより、相関関数の最大値の位置をより正確に特定可能である。これにより、周波数または周期の特定をより正確に実行可能である。

さらに、相関関数の関数値の計算の前に、測定値をフィルタリングすると、周波数特定の質が向上する。例えば、測定信号処理は、いわゆる無限インパルス応答フィルタ（４次のＩＩＲ帯域通過フィルタ）を用いて行われる。この際には、ハイパスフィルタによって信号の直流成分が消去されるのに対して、ローパスフィルタによって信号中の高周波ノイズが減衰されて除去される。さらに、ＩＩＲフィルタは、別のタイプのデジタルフィルタ（例えば、ＦＩＲフィルタ）とは異なり、計算操作が格段に少ないという利点を有している。この特性はここでは、計算ユニットの計算性能に対する要求が限定されたままになるため、多いに役立つ。

上記の方法は、相関関数の最大値の特定の前に、補間される関数値を求めることによっても改善される。有利には極値の位置をより正確に特定できるようにするために、極値の周りの範囲だけに補間を行う。これにより、わずかな計算コストで、より高い精度を達成可能である。

本発明の有利な一特徴では、測定量として、駆動部によって駆動される偏心軸に対する、センサの受感素子の間隔を検出する。相関関数を用いた周波数特定の際の誤差許容範囲により、センサの正確な取り付けおよび校正過程は不要である。駆動部により、強磁性材料から成る偏心軸が駆動される場合、回転部分を付加的に適合させることなく誘導式の間隔センサが利用可能である。

代替的な一特徴は、測定量として、駆動部によって回転される磁場の、センサに作用する場の強度を検出することによって得られる。回転磁場を発生させるために、駆動される軸は磁化されるかまたは磁石が補われる。付加的に必要なスペースは、磁石を取り付ける場合であっても小さい。軸の近くの適切なセンサにより、軸回転中に変化する場の強度が検出される。

説明された上記の複数の方法の１つを実施する本発明による装置には、駆動部の回転から導出される、近似的に周期的な経過関数を有する測定量を検出するセンサと、経過関数の周波数または周期を特定する評価装置と、駆動部を閉ループ制御で駆動制御するアセンブリとが含まれている。ここでは、計算ユニットに測定量の離散時間の測定値が供給され、計算ユニットには、周波数または周期を特定するためにこれらの測定値の自己相関を求めるアルゴリズムが設けられている。これにより、新たに検出されるそれぞれの測定値によって正確な周波数の特定を直ちに実行可能である。

改善された装置では、別の駆動部の回転から導出される別の測定量を検出する別のセンサが配置されており、計算ユニットに別の測定量の離散時間の測定値が供給され、計算ユニットには、位相変位を特定するために２つの測定量の測定値の相互相関を求めるアルゴリズムが設けられている。これにより、位相安定化のための簡単な装置が得られる。

少数かつ小型のコンポーネントを有する装置を実現するために有利であるのは、計算ユニットがマイクロプロセッサである場合である。この際には、限定された作業メモリと共にマイクロプロセッサの特性に計算性能を適合させるために、最適なアルゴリズムおよび信号処理パスの効率的な実装が使用される。

有利には、計算ユニットは、通信インタフェースと共に第１アセンブリに配置されており、駆動部用にパワーエレクトロニクス、制御ユニットおよび通信インタフェースを含む専用のアセンブリが、第１アセンブリに接続されている。別体のアセンブリにより、装置を容易に大型化または小型化可能である。これにより、計算ユニットは、より多くの駆動部の周波数特定または周期特定に使用可能である。

測定量の効率的な検出に有利であるのは、センサが、容量式または誘導式または磁気式に測定量を検出する受感素子を含む場合である。後続処理のためにセンサ信号のオフセットも振幅の正確な値も関係しないため、センサの取り付けについて特別な要求はない。

以下では、添付の図面を参照し、本発明を例示的に説明する。

タンピングユニットを備えた軌道工事機械を示す図である。 スタビライザユニットを備えた軌道工事機械を示す図である。 タンピングユニットの側面図である。 タンピング機械を有する軌道の断面図である。 間隔測定を備えたセンサを示す図である。 場の強度測定を備えたセンサを示す図である。 測定値を示す線図である。 相関関数を示す線図である。 関数の項の形成を示す図である。 本発明のシステムを示す図である。 アセンブリを備えたシステムを示す図である。 信号処理の概略図である。

図１に示した軌道工事機械１は、タンピング機械であり、レール走行装置２上の移動可能な機械フレーム３を含む。機械フレーム３には、作業ユニット４としてタンピングユニットが配置されている。タンピング機械は、軌道５の処理に使用され、軌道５では、枕木６上に固定されたレール７がバラスト道床８に入れられている。タンピング過程の際には、枕木６およびレール７から形成される軌框が、持ち上げ／位置合わせユニット９および測定システム１０によって、目標位置に持ち上げられ、場合によって側方にずらされる。この位置を固定するために、作業ユニット４の振動するタンピングツール１１がバラスト道床８に沈み込まされる。沈み込まされたタンピングツール１１が、互いにスクイージングされ、その際に持ち上げられた枕木６の下方のバラストが締め固められる。

振動を発生させるために、タンピングツール１１は振動発生器１２に結合されている。振動発生器１２には、偏心軸１４を駆動する回転駆動部１３が含まれている。偏心軸１４にはスクイージング駆動部１５が支持されている。偏心軸１４が回転すると、その離心性により、所望の振動振幅が発生する。

タンピング過程の後、軌道５は一般に安定化して、沈下量が先取りされる。これには、図２に示されている軌道工事機械１が使用される。軌道工事機械１は、作業ユニット４として２つのスタビライザユニットを備えたダイナミック軌道スタビライザ（ＤＧＳ：Dynamischen Gleisstabilisator）である。それぞれのスタビライザユニットには、回転駆動部１３によって駆動される回転式不平衡器を備えた振動発生器１２が含まれている。アクティブ振動発生器１２は、軌道長手方向に対して横方向にスタビライザユニットを振動させる。この際にスタビライザユニットは、ローラグリッパ１６によって軌道５のレール７をグリップし、これによって軌框に振動が伝達される。これにより、軌框が振動されてバラスト道床８に入れられる。

タンピングの際にも安定化の際にも、さらに軌道工事に使用される振動発生器１２においても、発生させる振動は、さまざまな設定に対応すべきである。例えば、最適なバラスト締め固めのためには、３５Ｈｚの振動周波数が設定される。タンピングツール１１の沈み込ませ過程には、沈み込み抵抗を少なくするために、約４５Ｈｚのより高い周波数ｆが望ましい。バラスト道床８外では、騒音負荷を少なくするために周波数ｆは低くすべきである。

図３および図４の作業ユニット４に関連して別の要求を説明する。作業ユニット４には、高さ調整駆動部によって互いに別々にバラスト道床８に沈められることが可能な４つのタンピングユニット１７が含まれている。それぞれのタンピングユニット１７では、対向するタンピングツール１１が、スクイージング駆動部１５を介して専用の振動発生器１２に結合されている。共通の制御装置１８を介して、振動発生器１２が駆動制御される。発生させる振動に対し、周波数ｆの他に相互に位相変位φが設定される。一般に、機械フレーム３に反作用する振動および騒音発生を最小化するために、タンピングユニットを対称に同期化することが望ましい。

振動発生器１２における回転駆動部１３の開ループ／閉ループ制御に必要であるのは、周波数ｆまたは周期Ｔを持続的に検出することである。さらに、軌道工事では、センサ装置の頑強さについて高い要求が課される。ゼロクロスの評価は、これによって周波数変化が遅延して識別されてしまうという欠点を有することが知られている。したがって本発明では、自己相関を用いて周波数ｆまたは周期Ｔを特定するように構成される。これについての基礎を形成するのは、発生させる振動の近似的に周期的な関数経過を表す測定量Ｘである。

このために、振動発生器１２に磁気式、誘導式または容量式に結合されているセンサ１９が配置されている。例えば、図５に示された間隔センサ１９には、誘導結合を介して偏心軸１４の偏心面との間隔を測定する受感素子が含まれている。偏心軸１４が回転する際に変化するこの間隔は、それらの近似的に周期的な経過が、引き続いて評価される測定量Ｘである。

これとは代替的に、図６では、回転駆動部１３によって回転される、振動発生器１２の磁気コンポーネント２０が配置されている。ここでは、固定のセンサ１９によって検出される回転磁場が発生する。この変形形態では、回転中に変化する場の強度が、測定量Ｘとして検出されて評価される。

図７には、測定量Ｘ（または別の振動発生器１２についてのＹ）の例示的な処理が示されている。上の線図には、測定量経過が時間ｔについて示されている。これは、近似的に周期的な経過関数であり、ここでは外部の影響によって外乱が生じることがある。後続の方法ステップの目標は、周期Ｔまたは周波数ｆ＝１／Ｔを特定することである。測定量Ｘに対し、第２線図では測定値ｘ_ｉ（または別の振動発生器１２についてのｙ_ｉ）が検出され、ここでは測定値ｘ_ｉ間の時間間隔は、サイクルタイムによって設定される。このために、センサ１９の時間制御された問い合わせが行われるか、またはアナログのセンサ信号から、アナログ・デジタル変換器により、離散時間の測定値ｘ_ｉの列が形成される（インデックスｉを有する値の列）。

有利には、デジタルフィルタを用いて、誤った測定値ｘ_ｆを識別して除去する。さらに、例えば４次のＩＩＲフィルタを用いてセンサ信号を改善することが有効である。この際に、２次のハイパスフィルタによって信号の直流成分が減衰され、２次のローパスフィルタによって高周波ノイズが減衰される。

次のステップでは、自己相関関数Ψ_ＸＸ(ｉ)を形成するための改善されたデータベースを得るために、測定値経過の補間を行う。例えば、検出されたそれぞれの測定ｘ_ｉ間に付加的な値を補間する（図７の３番目の線図）。

自己相関関数Ψ_ＸＸ(ｉ)の関数値ψ_ｉの例示的な経過は、図８に示されている。自己相関関数Ψ_ＸＸ(ｉ)の値ψ_ｉは、測定値の積ｘ_ｎ・ｘ_ｎ－ｉの総和形成から次のようにして得られる。すなわち、

である。本発明にとって有効であるのは、それぞれの関数値ψ_ｉに対して、一定の個数の測定値の積の総和をとる場合である。

有利には、サイクルタイムによって設定されるそれぞれのサイクルで、自己相関関数Ψ_ＸＸ(ｉ)を新たに計算することにより、周波数ｆまたは周期Ｔの評価を行う。このとき、関数値の最新の計算の際に、先行する計算の測定値の積の総和から、最も古い測定値による測定値の積を減算して、最新の測定値による新たな測定値の積を加算する。すなわち、

である。対応する総和の形成は、図９に例証されている。この簡単な繰り返しの手順により、限定された計算性能でほぼリアルタイムに自己相関関数Ψ_ＸＸ(ｉ)の連続的な計算を実行可能である。

図８の上の線図に示された関数値ψ_ｉの経過から、最適化ステップにおいて、別の関数値が補間される。結果は、下の線図から見て取れる。求められる周期Ｔは、（ゼロにおける最大値ではない）第１最大値の位置によって特定されるため、この範囲だけで補間を実行するのが有利である。予想されるこの範囲は、軌道工事において設定される周波数により、一般に既知である。

示された方法ステップを実行するために、評価装置２１には計算ユニット２２が配置されている。計算ユニット２２の図１０のシステムの図において、測定値ｘ_ｉは、駆動制御される作業ユニット４の複数の振動発生器１２に供給される。出力側では、作業ユニット４の個々の駆動部１３が、対応するパワー段２３を介して駆動制御される。

このシステム構造は、図１１により詳細に示されている。第１アセンブリ２４には、計算ユニット２２、アナログ・デジタル変換器２５、前処理ユニット２６および通信インタフェース２７が含まれている。センサ１９の測定信号は、前処理ユニット２６およびアナログ・デジタル変換器２５を介して、計算ユニット２２用に処理される。具体的には、それぞれの周期的な測定値経過を表す離散時間の測定値列が形成される。

通信インタフェース２７を介して、計算ユニット２２は、設定および診断ユニット２８と、一般的な制御命令を設定するための制御部２９とに接続されている。さらに、それぞれの振動発生器１２について専用のアセンブリ３０が設けられており、これらは、通信インタフェース２７を介して計算ユニット２２に接続されている。これらのそれぞれのアセンブリ３０には、対応する駆動部１３を駆動制御する制御ユニット３１およびパワーエレクトロニクス３２が含まれている。

作業ユニット４の４つの開ループ／閉ループ制御される振動発生器１２について、測定信号または測定値ｘ_ｉの例示的な処理が、図１２に示されている。それぞれの振動発生器１２には、対応する測定量Ｘについての周期的な経過を形成するセンサ１９が対応付けられている。ここから、それぞれのフィルタリング部３３およびサンプリングレート変換部３４によって、測定値列を形成する。

それぞれの最新の周波数ｆを特定するために、振動発生器１２の測定値列から、連続的に自己相関関数Ψ_ＸＸ(ｉ)を形成する。ここから極値特定部３５によって周波数特定３６が行われる。

それぞれ２つの振動発生器１２について、これと並列に、対応する位相変位φの特定が３回行われる。このためにまず、２つの測定値列から相互相関が形成される。一方の振動発生器１２の測定値ｘ_ｉと、他方の振動発生器１２の測定値ｙ_ｉとにより、以下の相互相関関数、すなわち

が得られる。
相互相関関数Ψ_ｘｙ(ｉ)のそれぞれ連続して形成される経過から、極値特定部３５により、対応する位相変位特定３７が行われる。

Claims (15)

1. 軌道工事機械（１）の作業ユニット（４）の回転駆動部（１３）を開ループ／閉ループ制御する方法であって、
   センサ（１９）を用いて、前記駆動部（１３）の回転から導出される、近似的に周期的な経過関数を有する測定量（Ｘ）を検出し、評価装置（２１）を用いて、前記経過関数の周波数（ｆ）または周期（Ｔ）を特定し、制御信号を設定するために前記周波数（ｆ）または前記周期（Ｔ）と目標量とを比較する、方法において、
   前記測定量（Ｘ）について、離散時間の測定値（ｘ_ｉ）の列を形成し、前記周波数（ｆ）または前記周期（Ｔ）を特定するために計算ユニット（２２）を用いて前記測定値（ｘ_ｉ）の自己相関を求めることを特徴とする方法。
2. 別のセンサ（１９）を用いて、別の駆動部（１３）の回転から導出される、近似的に周期的な経過関数を有する別の測定量（Ｙ）を検出し、前記別の測定量（Ｙ）について、離散時間の別の測定値（ｙ_ｉ）の別の列を形成し、位相変位（φ）を特定するために前記計算ユニット（２２）を用いて２つの測定量（Ｘ、Ｙ）の測定値（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）の相互相関を求めることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記離散時間の測定値（ｘ_ｉ）を形成するためにサイクルタイムを設定し、前記サイクルタイムにより、評価周期を決定することを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. それぞれの新たな測定値（ｘ_ｉ）を用い、一定の個数の測定値の積の総和を形成することにより、相関関数の関数値（ψ_ｉ）を繰り返して計算することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 関数値（ψ_ｉ）の最新の計算のために、先行する計算の前記測定値の積の前記総和から、最も古い前記測定値による前記測定値の積を減算して、最新の前記測定値による新たな測定値の積を加算することを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 相関関数の関数値（ψ_ｉ）の計算の前に、補間された測定値を求めることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 相関関数の関数値（ψ_ｉ）の計算の前に、前記測定値（ｘ_ｉ）をフィルタリングすることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記相関関数の最大値の特定の前に、補間される関数値（ψ_ｉ）を求めることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 測定量（Ｘ）として、前記駆動部（１３）によって駆動される偏心軸（１４）に対する、前記センサ（１９）の受感素子の間隔を検出することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 測定量（Ｘ）として、前記駆動部（１３）によって回転される磁場の、前記センサ（１９）に作用する場の強度を検出することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法を実施する装置であって、駆動部（１３）の回転から導出される、近似的に周期的な経過関数を有する測定量（Ｘ）を検出するセンサ（１９）と、前記経過関数の周波数（ｆ）または周期（Ｔ）を特定する評価装置（２１）と、前記駆動部（１３）を閉ループ制御で駆動制御する制御装置（１８）と、を有する装置において、
    計算ユニット（２２）に前記測定量（Ｘ）の離散時間の測定値（ｘ_ｉ）が供給され、前記計算ユニット（２２）には、前記周波数（ｆ）または前記周期（Ｔ）を特定するために前記測定値（ｘ_ｉ）の自己相関を求めるアルゴリズムが設けられていることを特徴とする装置。
12. 別の駆動部（１３）の回転から導出される別の測定量（Ｙ）を検出する別のセンサ（１９）が配置されており、前記計算ユニット（２２）に前記別の測定量（Ｙ）の離散時間の測定値（ｙ_ｉ）が供給され、前記計算ユニット（２２）には、位相変位（φ）を特定するために２つの測定量の測定値（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）の相互相関を求めるアルゴリズムが設けられていることを特徴とする、請求項１１記載の装置。
13. 前記計算ユニット（２２）はマイクロプロセッサであることを特徴とする、請求項１１または１２記載の装置。
14. 前記計算ユニット（２２）は、通信インタフェース（２７）と共に第１アセンブリ（２４）に配置されており、前記駆動部（１３）用にパワーエレクトロニクス（３２）、制御ユニット（３１）および通信インタフェース（２７）を含む専用のアセンブリ（３０）が、前記第１アセンブリ（２４）に接続されていることを特徴とする、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 前記センサ（１９）は、容量式または誘導式または磁気式に前記測定量（Ｘ）を検出する受感素子を含むことを特徴とする、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の装置。

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