Hier wird aus dem Fahrantrieb ein Positionierantrieb, und die Bahnsteigtür bekommt einen Servoantrieb. Nimm dir dein Bremskonzept aus Teil 4 und die Daten des Drehgebers dazu.
Schritt 2 von 4. Du rechnest die Zielbremsung, schätzt die Fehler ab, bewertest die Wegmessung, entwirfst den Lageregelkreis, legst den Türantrieb aus und wählst Servomotor und Geber.
Danach: Rechenwege und Lösungen
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Eine Positionierung ist so genau wie ihre schlechteste Messung, nicht wie ihre feinste Auflösung.
Am Ende hast du: ein Positionier- und Türkonzept mit Zielbremsprofil, Fehlerbudget, Lageregelkreis, ausgelegtem Türantrieb und begründet gewähltem Servomotor.
Karte „Formeln der Antriebstechnik“: Kräfte, Moment, Leistung, Drehzahl und Geschwindigkeit, Energie, Effektivmoment und die Umrechnungen aus dem Wirtschaftsraum Nordamerika. Die Karte steht im Wissensspeicher. Leg sie neben jede Rechnung.
Karte „Größen im Regelkreis“: Führungsgröße, Regelgröße, Rückführgröße, Regeldifferenz, Stellgröße und Störgröße am Fahrantrieb, dazu die Kaskade aus Lage, Drehzahl und Strom. Die Karte steht im Wissensspeicher. Du kennst sie aus LF 8 der Berufsschule.
Der Zielbremsbereich
Drei Ortungsbaken liegen vor jedem Haltepunkt in der Fahrbahn. Wenn der Bakenleser am Wagen über eine Bake fährt, weiß der Zugsteuerrechner auf wenige Zentimeter, wo der Zug steht. Dazwischen zählt er die Inkremente des Drehgebers.
So zählt ein Drehgeber
Der Antrieb einer Bahnsteigtür
Erst du, dann die anderen
Der Bahnbetrieb verlangt ± 0,25 m Haltegenauigkeit. Wie der Zug das schafft, schreibt dir keiner vor. Wie würdest du vorgehen?
So gehen andere vor. Such dir einen Weg aus.
- Bremsbeginn nach Ort, dann feste Verzögerung. Der Zug beginnt an einer festen Stelle zu bremsen und hält die Verzögerung konstant. Einfach, ohne äußeren Regelkreis. Dafür landet jede Abweichung bei Bremsbeginn, Beladung oder Haftung ungebremst am Haltepunkt.
- Wegmessung über den Drehgeber und Lageregelung. Der Zugsteuerrechner vergleicht in jedem Takt Soll- und Istweg und korrigiert die Verzögerung. Genau, solange der gemessene Weg stimmt. Dafür brauchst du einen weiteren Regelkreis, und Schlupf und Raddurchmesser gehen voll in die Messung ein.
- Grob bremsen, am Ende im Schritttempo nachfahren. Ein Sensor am Bahnsteig meldet den Halt, der Zug kriecht die letzten Meter. Robust gegen Messfehler. Dafür kostet jeder Halt Sekunden, und die Fahrzeit von 97,3 s je Richtung ist vorgegeben.
Es gibt hier nicht den einen richtigen Weg. Entscheide dich für einen und schreibe dazu, weshalb.
Gegebene Werte: Zielbremsung und Wegmessung · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Zielbremsung und Wegmessung
- Fahrt
- Höchstgeschwindigkeit 50 km/h, Betriebsbremsung 0,8 m/s², Ruck höchstens 0,8 m/s³, elektrisch gebremst bis 3 km/h, darunter mechanisch
- Haltegenauigkeit
- ± 0,25 m an der Bahnsteigtür
- Streuung der Verzögerung
- ± 5 % gegen den Plan, je nach Beladung, Nässe und Zustand der Gummiräder (Unterrichtswert)
- Drehgeber BG1
- 1.024 Striche, HTL, Vierfachauswertung im Traktionsumrichter TB1; Getriebe i = 10
- Rad
- Durchmesser neu 0,90 m, abgefahren bis 0,88 m (Unterrichtswert); Radschlupf beim Bremsen bis 1 % (Unterrichtswert)
- Ortungsbaken
- -BG21 250 m, -BG22 150 m, -BG23 10 m vor dem Haltepunkt; Ortungsgenauigkeit ± 2 cm (Unterrichtswerte)
- Lageregler
- P-Regler mit Kv = 1 s⁻¹ (Unterrichtswert)
- Höchstdrehzahl Fahrmotor
- 2.947 min⁻¹ bei 50 km/h
Alle Werte zur alten Bahn sind Unterrichtswerte. Zahlen zum Flughafen sind öffentliche Größenordnungen, gerundet.
Gegebene Werte: Bahnsteigtür und Servomotoren · aufklappen, wenn du rechnest
Gegebene Werte: Bahnsteigtür und Servomotoren
- Türflügel
- 55 kg, Weg 0,95 m, Öffnungszeit 2,5 s, Profil Trapez: ⅓ der Zeit beschleunigen, ⅓ fahren, ⅓ bremsen
- Reibung
- 40 N; im Winter mit Eis und Splitt in der Führung bis 80 N (Unterrichtswert)
- Mechanik
- Zahnriemen, Ritzel d = 50 mm, Getriebe i = 5, η = 0,9
- Sicherheit
- Schließkraft am Hindernis höchstens 150 N; kinetische Energie des Flügels beim Schließen höchstens 10 J (Vorgabe des Bahnbetriebs, Unterrichtswert)
- Spielzeit
- ein Öffnen und ein Schließen je Umlauf (254,6 s), dazwischen Stillstand
- Katalogauszug
-
Servomotor (Unterrichtswerte) SV1 SV2 SV3 Bemessungsleistung 0,1 kW 0,2 kW 0,4 kW Bemessungsmoment MN 0,32 Nm 0,64 Nm 1,27 Nm Höchstmoment Mmax (kurzzeitig) 0,95 Nm 1,91 Nm 3,82 Nm Bemessungsdrehzahl 3.000 min⁻¹ 3.000 min⁻¹ 3.000 min⁻¹ Trägheitsmoment Läufer JM 0,05 kg·cm² 0,18 kg·cm² 0,33 kg·cm² Geber wählbar Inkrementalgeber 2.500 Striche oder Absolutwertgeber Singleturn oder Multiturn wie SV1 wie SV1 Preis Motor und Servoregler 690 € 760 € 890 €
Alle Werte zur alten Bahn sind Unterrichtswerte. Zahlen zum Flughafen sind öffentliche Größenordnungen, gerundet.
Dein Lernprodukt im Einzelnen
Dein Lernprodukt
Positionier- und Türkonzept für die alte Bahn
Darauf laufen die Aufgaben dieses Lernangebots zu. Die Aufgaben sind die Stufen dorthin, das Lernprodukt ist das Ergebnis.
Es besteht aus
- dem Zielbremsprofil aus 50 km/h ohne und mit Ruckbegrenzung, mit Diagrammen und dem Restweg der mechanischen Bremse
- dem Fehlerbudget der Zielbremsung mit und ohne Lageregelung
- der Bewertung der Wegmessung: Weg je Inkrement, Radschlupf, Raddurchmesser, Abgleich über Baken
- dem Wirkungsplan der Lageregelung als Kaskade mit Bake und Vorsteuerung
- der Auslegung des Türantriebs mit Trapezprofil, Kräften, Moment, Drehzahl und Leistung
- Momentgrenze, kinetischer Energie und Verhalten bei einem Hindernis
- der begründeten Wahl von Servomotor und Geber
Zur Dokumentation
Das Konzept ist eine Projektierungsunterlage: Jede Zahl steht mit Formel, eingesetzten Werten und Einheit da, jede Annahme und jeder Unterrichtswert ist gekennzeichnet, jede Entscheidung hat einen Satz, weshalb. Diagramme rechnest du mit Tabellenkalkulation oder Rechenprogramm, nicht von Hand geschätzt.
Zusammen mit dem Bremskonzept aus Teil 4 geht das Konzept in den Kreuzreview zu Meilenstein M3. Das andere Team rechnet mindestens zwei Ergebnisse selbst nach. In Teil 6 legt ihr die Regler aus, die hier als Blöcke stehen.
8.1Ordne die Antriebe der alten Bahn nach ihrer Bewegungsaufgabe ein
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Aufgabe 8.1
Ordne die Antriebe der alten Bahn nach ihrer Bewegungsaufgabe ein:
- Unterscheide drehzahlvariable und positionsvariable Antriebsaufgaben.
- Ordne den Fahrmotor MA1 auf der Strecke, den Fahrmotor MA1 im Zielbremsbereich, den Türantrieb MA11, den Lüftermotor MA21 und den Kompressor MA22 zu.
- Nenne die drei Baugruppen eines Servoantriebs und die Aufgabe jeder Baugruppe.
- Begründe, weshalb der Fahrmotor im Zielbremsbereich eine andere Aufgabe hat als auf der Strecke.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Wegmessung · Servomotor · Drehzahlregelung
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8.2Berechne das Zielbremsprofil aus 50 km/h
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Aufgabe 8.2
Berechne das Zielbremsprofil aus 50 km/h:
- Berechne Bremsweg und Bremszeit ohne Ruckbegrenzung.
- Berechne die Dauer einer Ruckphase und den Geschwindigkeitsabbau in einer Ruckphase.
- Berechne Bremszeit und Bremsweg mit Ruckbegrenzung, wenn die Verzögerung am Anfang und am Ende der Bremsung mit dem höchsten Ruck auf- und abgebaut wird.
- Stelle Verzögerung, Geschwindigkeit und Weg über der Zeit für beide Fälle untereinander dar.
- Berechne den Restweg und die Restzeit, die die mechanische Bremse unterhalb von 3 km/h übernimmt.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Beschleunigung · verzögerte Bewegung · Bewegungslehre
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8.3Schätze den Haltefehler ab, wenn der Zug ohne Lageregelung bremst
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Aufgabe 8.3
Schätze den Haltefehler ab, wenn der Zug ohne Lageregelung bremst:
- Berechne die Abweichung am Haltepunkt, wenn der Bremsbefehl 0,1 s zu spät kommt.
- Berechne die Abweichung, wenn die Verzögerung 5 % kleiner oder 5 % größer ist als geplant.
- Vergleiche beide Abweichungen mit der Haltegenauigkeit.
- Entscheide, ob ein Bremsbeginn nach Ort mit fester Verzögerung die Haltegenauigkeit einhält, und begründe deine Entscheidung.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: verzögerte Bewegung · Fehlergrenze · Regelungstechnik
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8.4Bewerte den Drehgeber BG1 als Wegmesssystem für den Zielbremsbereich
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Aufgabe 8.4
Bewerte den Drehgeber BG1 als Wegmesssystem für den Zielbremsbereich:
- Berechne die Zahl der Inkremente je Radumdrehung bei Vierfachauswertung.
- Berechne den Weg je Inkrement am Rad.
- Berechne die Signalfrequenz einer Spur bei Höchstdrehzahl.
- Berechne den Wegfehler über deinen Zielbremsweg aus Aufgabe 8.2 bei 1 % Radschlupf und bei einem Rad, das auf 0,88 m abgefahren ist, während der Rechner mit 0,90 m rechnet.
- Gib für beide Fehler an, ob der Zug zu früh oder zu spät hält.
- Unterscheide an deinen Ergebnissen Auflösung und Genauigkeit.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Winkelgeber · Winkelmessung · Schlupf
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8.5Gleiche die Wegmessung mit den Ortungsbaken ab
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Aufgabe 8.5
Bei der Durchfahrt zählt TB1 zwischen -BG21 und -BG22 (Abstand 100,00 m, Fahrt mit 50 km/h) 1.473.217 Inkremente von BG1.
Gleiche die Wegmessung mit den Ortungsbaken ab:
- Berechne aus der Zählung zwischen -BG21 und -BG22 den wirksamen Raddurchmesser.
- Berechne den abgeglichenen Weg je Inkrement.
- Berechne den Restfehler am Haltepunkt, wenn die Wegmessung bei -BG23 auf die Bakenposition gesetzt wird.
- Berechne den Fehler am Haltepunkt, wenn es -BG23 nicht gäbe und die Wegmessung nur bei -BG22 gesetzt würde.
- Entscheide, ob -BG23 nötig ist, und begründe die Lage von -BG21 und -BG22 vor dem Bremsbeginn.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Wegmessung · Messen · Kreisbewegung · Fehlergrenze
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8.6Entwirf die Lageregelung für den Zielbremsbereich als Wirkungsplan
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Aufgabe 8.6
Entwirf die Lageregelung für den Zielbremsbereich als Wirkungsplan:
- Zeichne die Kaskade aus Lage-, Drehzahl- und Stromregelung mit allen Gliedern vom Profilgenerator bis zur Lage des Zugs.
- Trage w, x, r, e, y und z am äußeren Kreis ein.
- Zeichne ein, wo Drehgeber und Ortungsbake in die Wegmessung eingreifen.
- Berechne den Schleppabstand eines P-Lagereglers mit Kv = 1 s⁻¹ bei 50 km/h und bei 3 km/h.
- Erkläre an diesem Ergebnis, was eine Geschwindigkeitsvorsteuerung bewirkt, und zeichne sie ein.
- Entscheide, ob die Lageregelung auf der ganzen Strecke oder nur im Zielbremsbereich arbeiten soll, und begründe.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Regelkreis · Servomotor · Wirkungsplan
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8.7Lege den Antrieb eines Flügels der Bahnsteigtür aus
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Aufgabe 8.7
Lege den Antrieb eines Flügels der Bahnsteigtür aus:
- Berechne die Höchstgeschwindigkeit und die Beschleunigung für das Trapezprofil.
- Berechne die Kraft am Zahnriemen beim Beschleunigen, beim Fahren und beim Bremsen.
- Berechne Moment und Drehzahl am Ritzel.
- Berechne Moment und Drehzahl am Motor.
- Berechne die Spitzenleistung des Motors.
- Stelle Geschwindigkeit und Kraft über der Öffnungszeit dar.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Bewegungslehre · Zahnriementrieb · Drehmoment · Getriebe
Allein Diese Aufgabe bearbeitest du allein.
8.8Lege Einklemmschutz, Servomotor und Geber für den Türantrieb fest
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Aufgabe 8.8
Lege Einklemmschutz, Servomotor und Geber für den Türantrieb fest:
- Berechne die Momentgrenze am Motor, mit der am Hindernis höchstens 150 N entstehen.
- Berechne die kinetische Energie des Flügels bei vmax und vergleiche mit der Vorgabe.
- Prüfe die Servomotoren SV1 bis SV3 nach Spitzenmoment, Effektivmoment, Drehzahl und Trägheitsverhältnis, auch für den Winter.
- Berechne, wie viele Motorumdrehungen der Türweg braucht.
- Vergleiche Inkremental- und Absolutwertgeber für diese Achse.
- Entscheide dich für Servomotor und Geber und begründe deine Wahl.
- Beschreibe, wie der Servoregler ein Hindernis erkennt und was er dann tut.
Katalogauszug Servomotoren:
| Servomotor (Unterrichtswerte) | SV1 | SV2 | SV3 |
|---|---|---|---|
| Bemessungsleistung | 0,1 kW | 0,2 kW | 0,4 kW |
| Bemessungsmoment MN | 0,32 Nm | 0,64 Nm | 1,27 Nm |
| Höchstmoment Mmax (kurzzeitig) | 0,95 Nm | 1,91 Nm | 3,82 Nm |
| Bemessungsdrehzahl | 3.000 min⁻¹ | 3.000 min⁻¹ | 3.000 min⁻¹ |
| Trägheitsmoment Läufer JM | 0,05 kg·cm² | 0,18 kg·cm² | 0,33 kg·cm² |
| Geber wählbar | Inkrementalgeber 2.500 Striche oder Absolutwertgeber Singleturn oder Multiturn | wie SV1 | wie SV1 |
| Preis Motor und Servoregler | 690 € | 760 € | 890 € |
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Servomotor · Winkelgeber · Moment · Schutztürüberwachung
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8.9Erstellt das Positionier- und Türkonzept für den Kreuzreview M3
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Aufgabe 8.9
Erstellt das Positionier- und Türkonzept für den Kreuzreview M3:
- Stellt Zielbremsprofil, Fehlerbudget und Wegmessung mit Baken zusammen.
- Legt die Lage der Baken fest, wenn ihr von -BG21 bis -BG23 abweichen wollt, und begründet sie.
- Fügt den Wirkungsplan der Lageregelung und die Auslegung des Türantriebs bei.
- Kennzeichnet jede Annahme und jeden Unterrichtswert.
- Bewertet, wo euer Konzept noch unsicher ist, und schlagt eine Messung an der Bahn vor, die das klärt.
- Gebt das Konzept mit dem Bremskonzept aus Teil 4 an das Partnerteam.
Tabellenbuch Schlag im Sachwortverzeichnis nach: Projektierung · Dokumentation · Fehlergrenze · Inbetriebnahme
Im Team Diese Aufgabe bearbeitet ihr im Projektteam. Jede und jeder kann das Ergebnis am Ende erklären.
Die Lage ändert sich
Der Bahnbetrieb denkt über neue Wagen mit drei Türen je Seite nach. Die Flügel werden schmaler: Weg je Flügel 0,65 m, Masse 40 kg, Öffnungszeit weiter 2,5 s, Reibung weiter 40 N. An den Bahnsteigen kommen Türen hinzu, die Türöffnungen liegen dichter (Unterrichtswerte).
Überprüfe dein Lernprodukt an diesem Fall:
- Prüfe, was sich an Zielbremsprofil, Fehlerbudget und Haltegenauigkeit ändert.
- Lege den Antrieb für die schmaleren Flügel neu aus.
- Entscheide, ob dein Servomotor und deine Momentgrenze bleiben können.
Mit Lernpartner Diese Überprüfung macht ihr zu zweit. Wer beide Fälle erklären kann, hat die Sache verstanden.