专利名称：轮速估计系统和方法
技术领域：
一般地说本发明涉及在牵引车辆(比如火车或运输车辆)上的测量系统，更具体地说，本发明涉及一种不使用速度传感器估计车辆的车轮的速度的系统和方法。
已有技术概述火车和运输车辆以及其它大型牵引车辆在与一个或多个车辆轴的驱动关系中普遍使用电牵引马达。火车和运输车辆一般每车具有至少四个轮轴装置，每个轮轴装置通过适当的齿轮连接到独立的电马达(一般称为牵引马达)的轴。在马达驱动模式运行中，从可控制的电源(例如发动机驱动的牵引交流发电机)给牵引马达输送电流，并给车辆车轮施加转矩，该车轮给车辆正行走的表面(例如铁路的平行的钢轨)上施加切向力或牵引力，由此驱动机在所需的方向上沿着正路推动。可替换的是，在电刹车的运行模式下，马达起驱动轴的发电机的作用以将转矩通过它们相应关联的轮轴装置施加给它们的轴，然后将刹车力施加在该表面上，由此阻滞或减慢车辆的行进。马达产生的能量可以分散在电阻网中。
在已有技术中已经认识到需要测量轮轴装置的转速。在某些火车中，火车的速度或者切向轮速从相关的车轮的直径给定的所测量的马达转子每分钟转数(“RPM”)中计算。通常，耦合速度传感器或转数计数器以感测每个驱动马达的输出轴的转速。通过在马达轴和轮轴之间耦合的机械的公知的齿轮比，将这些RPM信号转换为车轮旋转速度。基于所测量的每个驱动车轮的设定的直径将车轮旋转速度转换车辆线性速度。此外，速度传感器数据可用于检测锁定的轴的状态。如果锁定轴的状态发生在给定的轴上同时火车正在运行，则该轴的转速降低为零，并且所有的其它的轴以对应于火车的速度的速度旋转。因此，锁定的轴的状态被检测，只要在相对于另一个轴的一个轴上感测到速度的实质性差异。
然而，某些火车没有配备能够测量驱动马达的输出轴的转数的速度传感器。此外，速度传感器运行在不可靠的环境中并具有较高的失效率。因此有利的是提供一种不要求速度传感器安装在每个驱动马达的输出轴上并能够确定车辆的线性速度和能够识别锁定的轴的状态的轮速估计系统。
发明概述在一个实施例中，本发明是一种估计通过机械地耦合到在车辆上的至少一个车轮以便旋转所说的一个或多个车轮的直流马达推动的车辆的轮速的方法。该方法包括测量在每个直流马达中的场电流和电枢电流并测量施加给每个直流马达的电压。该方法进一步包括确定作为所测量的电流和电压的函数的转速，并将校正系数应用到所确定的转速中以获得经校正的转速。在一个实施例中，该方法进一步包括将经校正的转速转换为线性轮速。
在另一实施例中，本发明是一种估计通过机械地耦合到在车辆上的至少一个车轮以便旋转所说的一个或多个车轮的直流马达推动的车辆的轮速的系统。该系统包括被构造成测量在每个直流马达中的场电流和电枢电流并形成与所说的电流成比例的信号的至少一个电流检测器和被构造成测量施加到每个直流马达的电压并形成与所说的电压成比例的信号的电压检测器。该系统进一步包括被构造成确定作为所测量的电流和电压的函数的转速并被构造成将校正系数应用到所确定的转速中以获得经校正的转速的处理器。在一个实施例中，该处理器进一步包括被构造成在车辆正在马达驱动模式下运行时使用电流和电压信号确定转速并形成与所说的转速成比例的马达驱动转速信号的马达驱动速度估计器模块。该处理器进一步包括被构造成在车辆正在刹车模式下运行时使用电流和电压信号确定转速并形成与所说的转速成比例的刹车速度信号的刹车速度估计器模块。该处理器进一步包括被构造成接收所说的马达和刹车转速信号和至少一个参考信号的速度校正模块，所说的速度校正模块被构造成将校正系数应用到所说的转速信号并将所说的转速信号变换为线性速度信号。
在另一实施例中，本发明是一种在由多个直流牵引马达推动的车辆中检测锁定轴状态的发生的方法。该方法包括测量连接到多个轴的多个直流牵引马达中的每个马达的电枢电流。该方法进一步包括从所测量的电流中确定最小的电枢电流、从所测量的电流中确定最大电流和比较最小的电枢电流和最大的电枢电流以识别锁定轴状态的发生。在一个实施例中，该方法进一步包括确定火车是马达驱动模式还是在刹车模式下运行，并在车辆处于马达驱动模式下时将与牵引马达的Emf值成比例的乘以牵引马达的转速并除以牵引马达的电阻值的值加入到最小电枢电流。在一个实施例中，该方法进一步包括通过测量在直流马达中的电枢电流和场电流估计牵引马达的转速，所说的直流马达机械地耦合到在车辆上的至少一个车轮以便旋转所说的一个或多个车轮，测量施加给直流马达的电压，以及从所测量的电流和电压中确定转速。
附图概述附

图1所示为用于执行本发明的处理器的火车系统的简化的方块图。
附图2所示为在马达驱动模式中运行的附图1的火车系统的等效电路的示意图。
附图3所示为并入了本发明的马达速度估计系统的一个实施例的功能方块图。
附图4所示为在刹车模式中运行的附图1的火车系统的等效电路的示意图。
附图5所示为并入了本发明的马达速度估计系统的另一个实施例的功能方块图。
附图6所示为用于附图3和5的马达速度估计系统的调节块的一个实施例的功能方块图。
附图7所示为用于附图3和5的马达速度估计系统的调节块的另一个实施例的功能方块图。
附图8所示为用于附图3和5的马达速度估计系统的锁定轴检测块的一个实施例的功能方块图。
详细描述本发明可用于各种类型的串绕的直流(DC)马达供电的车辆(比如运输车和火车)。为了说明的目的，在此所描述的发明应用于火车。在一个实例中，附图1的直流火车系统10包括机械地耦合到发电机12的变速牵引车，该发电机12包括3-相交流(AC)的同步发电机或交流发电机。通过交流发电机12产生的3-相电压施加给常规的功率整流桥路13。桥路13的直流输出电耦合到多个直流牵引马达14A至14F中的每个。牵引车、交流发电机12和整流桥路13安装在火车系统10上，比如六轴的柴油电车辆。火车系统10支撑在多个车箱20上，每个车箱20具有两个轮轴装置22。每个牵引马达14悬挂在不同的轮轴装置22上，在与相关的轮轴装置22的驱动关系中通过常规的齿轮(未示)机械地耦合。
适合的电流传感器16A至16G和电压传感器18用于提供代表在马达14中的电流和电压幅值的多个电流信号17A至17G和电压信号19。如下文将要讨论，处理器24接收代表牵引马达电枢电流、牵引马达场电流和交流发电机电压的电流信号17A-F、牵引马达场电流信号17G和电压信号19。处理器24也可以接收比如来自GPS检测器的代表火车速度输入信号26，和车轮直径参考信号，如下文将要描述。处理器24进一步接收分别代表火车系统10是在马达驱动模式还是在刹车模式下运行的信号28、29。如果火车系统10在由马达驱动模式信号28所指示的马达驱动模式下运行，则处理器24使能马达驱动模式速度估计器30。如果火车系统10在由刹车模式信号29所指示的刹车模式下运行，则处理器24使能刹车模式速度估计器31。所使能的估计器30或31输送由火车系统10所使用的经估计的代表旋转马达速度的信号32。处理器24进一步包含下文将要讨论的车轮直径调节块34A、GPS调节块34B和锁定轴检测块36。
因此，上文提供了一种在火车10处于马达驱动或电刹车模式下运行时不使用速度传感器而是使用来自机载电流检测器16A-G和电压检测器18的信号估计火车车轮22的轮速的方法。可取的是，火车系统10使用在处理器24中的软件估计轮速，虽然设计了硬件实施方案或者组合方案。所估计的轮速用于各种目的，包括确定火车系统10的线性速度和锁定轴的检测。在一个实施例中，在马达速度估计以每分钟转数(rpm)计算之后，使用马达速度参考信号32考虑在车轮直径方面的偏差，并且根据需要将轮速转换为每小时英里或每小时千米的线性速度。虽然这种方法不使用速度传感器，但是也可以设计将该方法与速度传感器一起使用。
附图2所示为在马达驱动模式下运行的直流火车系统10的等效电路40的简化示意图。如图所示，六个直流牵引马达14A-F(下文中总体地称为马达14)在电枢12和整流器13上并联设置。正如本领域所公知，每个直流牵引马达14包括旋转电枢42和固定场(fixed field)44。可取的是，每个牵引马达14的电枢42和场44串联连接，因此马达称为“串绕”直流马达。固定场44包括安装在马达壳体(未示)的里面的紧密缠绕的线圈。电枢42包括缠绕在中央轴(未示)的周围的另一线圈组。电刷46将旋转电枢42电连接到场44。在电流通过马达电路40时，在场44中的电流和在电枢42中的电流之间存在磁耦合，这就使电枢42旋转。电流传感器16A-F测量在每个相应的牵引马达14中的电枢42和场44中的电流。电压传感器18测量由交流发电机12所产生的并施加给马达14的电压。
正如本领域的普通技术人员将会理解的是，直流马达的场电压“Vf”和电枢电压“Va”可以使用公式(1)和(2)进行计算Vf＝(Rf)if+(Lf)dif/dt (1)Va＝(Ra)ia+(La)dia/dt+Eprpm*ω (2)对于在马达驱动状态下的串联连接的牵引马达14A，场电流“if”和电枢电流“ia”都相同并且可以由电流“i”表示。(为了便于解释，所描述的实例使用牵引马达14A。对于牵引马达14B-F也可以执行类似的计算。)此外，Vf和Va的总和等于交流发电机电压“Vdc”。马达基于幅值“Ra”的电枢电阻和幅值“Rf”的场电阻。该马达还具有幅值“La”的电枢电感和幅值“Lf”的场电感。在电流通过电枢时，它形成幅值Ldi/dt的电压，量di/dt指示这个电压仅在电流变化的过程中存在。Eprpm的值是在特定的电流“i”下的马达的Emf。因此，使用公式(1)和(2)，在串联连接的牵引马达14A上的电压可以由公式(3)确定Vdc＝(Ra+Rf)i+(La+Lf)di/dt+(Eprpm)ω (3)求解公式(3)得出给定在电枢42和场44上的电压和电流的以rpm的速度，形成用于确定马达速度的马达驱动公式(4)ω＝[Vdc-(Ra+Rf)i-(La+Lf)di/dt]/Eprpm(4)
这里ω＝以rpm的转速Vdc＝交流发电机电压Ra＝电枢电阻Rf＝场电阻i＝在串联连接的马达中的场和电枢电流La＝电枢电感Lf＝场电感di/dt＝电流“i”的变化率Eprpm＝在特定电流下的Emf大家会认识到本发明优选以计算机比如附图1的处理器24实施。然而，为了解释的目的，下文使用功能块图示出了实施方案。附图3所示为说明附图1的轮速估计器30的逻辑图。对于在一个实例性的轮轴装置22中在马达驱动模式下运行的牵引马达14A，马达速度估计器30使用公式(4)形成了估计的马达速度信号32以确定马达电枢42的以每分钟转速的旋转速度。(为了解释的目的，所示的实例涉及牵引马达14A和轮轴装置22。对于牵引马达14B-F可以进行类似的计算。)在串联连接的牵引马达14A中的电流(电枢和场电流)以附图2的电流传感器16A测量以形成电流信号17A。使用电流信号17A，场电感52和电枢电感54基于直流牵引马达14A的设计技术要求和/或测试数据确定。例如，场和电枢电感存储在由附图1的处理器24可访问的查询表中。场电感52和电枢电感54施加到求和节点56。电流信号17A也提供给微分器58以使用在本领域的普通技术人员公知的方法确定电流信号17A的时间变化率。在一个实例中，使用软件算法当前的电流信号的采样和在先前时间上的电流信号的采样被比较并除以在采样之间的时间差。例如每0.01秒重复地抽取采样以确定电流信号的时间变化率。可取的是，微分器58的输出经过限制器60以消除超过所需的极限的读数以消除伪读数。在一个实例中，限制器60消除超过100amp/sec的微分器输出信号。限制器60的输出和求和节点56的输出应用到乘法器62。
电枢电阻64和场电阻66的值从牵引马达14A的设计技术要求和/或测试数据中获得并应用到求和节点68。由于电阻可以基于温度变化，因此在一个实施例中使用本领域普通技术人员公知的方法执行温度补偿步骤。求和节点68的输出和电流信号17A都应用到乘法器70。通过交流发电机12所形成的电压19由附图2的电压传感器18测量。乘法器62和乘法器70的输出和电压19提供给求和节点74。对于牵引马达14A，在电流信号17A上的Eprpm值76使用马达的设计技术要求和/或测试数据获得。例如，Eprpm值存储在由附图1的处理器24可访问的查询表中。求和节点74的输出在除法器78中被Eprpm信号76相除以获得以每分钟转数的估计的马达速度信号32。
附图4所示为在刹车模式下运行的直流火车系统10的等效电路80的简化示意图。在电刹车模式或阻滞模式运行下，通过将牵引马达14用作发电机将附图1的火车系统10的惯性转换为电能。可取的是，具有电阻“Rgrid”的电阻网82用于消耗能量。在刹车模式中，场被单独激励。因此，Eprpm是场和电枢电流的函数，因为这两者都是在机器中形成通量的手段。由于在电枢上没有施加外部电压因此总压降为0。
在本领域普通技术人员以在刹车模式中的等效电路80的附加栅和刷降电阻求解上式(2)以得出公式(5)0＝(Ra+Rgrid+Rbrush drop)ia+(La)dia/dt+[Eprpm(if，ia)]ω(5)求解给定在场44和电枢42上的电流和电压的以rpm的速度的公式(5)，形成用于确定马达的速度的刹车公式(6)ω＝[(La)dia/dt-(Ra+Rgrid+Rbrush drop)ia]/Eprpm(if，ia) (6)这里ω＝以rpm的转速Ra＝电枢电阻Rgrid＝栅电阻Rbrush drop＝刷降电阻ia＝电枢电流if＝场电流La＝电枢电感Lf＝场电感
dia/dt＝电枢电流的时间变化率Eprpm(if，ia)＝在特定电枢和场电流下每rpm的Emf。
附图5所示为说明附图1的刹车模式31的马达速度估计器的简化的功能性方块图。马达速度估计器31使用公式(6)形成估计的马达速度信号32以确定在一个实例性轮轴装置22上在刹车模式下运行的牵引马达14A的每分钟转数的电枢42的转速。(为了解释的目的，所示的实例涉及牵引马达14A和轮轴装置22。对于牵引马达14B-F可以进行类似的计算)。以附图4的电流传感器16A测量电枢电流以形成电流信号17A。使用电流信号17A，如上文所述，对于直流牵引马达14A，基于设计技术要求和/或测试数据确定电枢电感92。将电枢电感92应用到乘法器94。电流信号17A也提供给微分器96以确定上文所描述的电流的时间变化率。微分器96的输出通过限制器98以消除超过所需的极限的伪读数。限制器98的输出也应用到乘法器94。
电枢电阻64、栅电阻100和刷降电阻102从附图4的牵引马达14A和电阻栅82的设计技术要求和/或测试数据中获得。由于电阻基于温度变化，因此在一个实施例中使用在本领域普通技术人员公知的方法执行温度补偿步骤。求和节点106的输出和电流信号17A应用到乘法器108中。乘法器94和乘法器108的输出提供给求和节点110。对于牵引马达14，在所测量的电流信号17A上的Eprpm值112使用该马达的设计技术要求和/或测试数据获得。在除法器114中将求和节点110的输出除以Eprpm以获得估计的每分钟转数的马达速度信号32。
附图6所示为说明车轮直径调节块34A的一个实施例的简化的功能性方块图。车轮直径调节块34A的一个假设是在非滑动状态(在下文描述的调节使能信号中确定)中所有的轮轴装置22的线性轮速(以mph)都将相同。旋转轮速(以rpm)乘以车轮直径和齿轮比以得到线性轮速(以mph)。因此，影响线性轮速的稳定状态精度的基本因素(但不仅仅是一个)是不准确的车轮直径。车轮直径调节块34A的一个目的是消除在非滑动状态下由于错误的车轮直径和/或其它的系统不准确度引起的轮速稳定状态的不准确度。虽然可以测量车轮的直径，但是由于车轮磨损的原因，实际的直径随着车轮的使用而变化。
参考轮速120乘以参考车轮直径122并应用到乘法器124中以形成线性轮速参考126。参考轮速120是所选择的参考信号，例如可以是上文参考附图3或5所计算的作为参考轴设计的轮轴装置22的轮速。在一个实例中，耦合到马达14B的轮轴装置22作为参考轴选择。然而，本领域的普通技术人员会理解的是，任何轴都可用作参考轴。参考车轮直径122也是所选择的参考信号，例如可以在参考轴上的一个车轮的车轮直径。可替换地，参考车轮直径122可以是任意选择的车轮直径。在一个实施例中，参考车轮直径122是42英寸。经估计的输入轴(即，与马达14A耦合的轴22)的马达速度(以rpm)在乘法器132中乘以积分器和保持电路130(将在下文中描述)的输出128。乘法器132的输出134在加法器136中从乘法器124的输出126中减去以给出在参考轮速122和输入马达速度32之间的线性速度中的误差信号138。线性速度误差138可以由在参考车轮直径120和输入车轮(例如在轮轴装置22上的车轮)的实际直径之间的差引起。这个差值在乘法器140中乘以一个常数以得到经调节的线性速度误差输出141。
在一个实施例中，估计的输入轴的马达速度32应用到被零除保护电路142中。比较器146比较马达速度32和最小的轮速144(例如10rpm)。如果马达速度32大于最小的轮速144，则马达速度32通过被零除保护电路142。如果马达速度32小于轮速144，则最小轮速144通过比较器146。输出141在除法器148由被零除保护电路142的输出除。经调节的线性速度误差141被马达速度32除的一个原因是不使环路增益随轮速改变并且可能不稳定。随着轮速的增加，可以看到线性速度误差141也增加。将线性速度误差141除以马达速度32形成基本独立于马达速度32的误差信号。
来自除法器148的输出的线性速度误差应用到积分器和保持电路130。积分器和保持电路130的输出128相对于参考车轮直径120是输入车轮(即，耦合到马达14A的轮轴装置22上的车轮)的直径。在一个实施例中，积分器和保持电路130使用积分器154和开关158。在可调的使能开关156设置为TRUE时开关158使速度误差150通过。在可调的使能开关156设置为FALSE时开关158将它的输出设置为零。可调的使能信号156在基本非滑动的状态中(比如在稳定状态速度运行过程中)被设置为TURE。在预计到滑动的状态中，可调的使能信号156设置为FALSE(即，0)。在一个实施例中，积分器154通过欧拉(Euler)近似实施。可替换的是，积分器154可以通过梯形近似或在本领域普通技术人员公知的可使用的其它方法实施。积分器154的输出是校准车轮的直径。包含在保持电路130中的积分器154被构造成在可调的使能信号156被设置为TRUE(即，1)时使线性速度误差150的稳态值为零。
校准车轮128的直径乘以输入马达速度32以获得校正的线性速度134。经校正的线性速度134应用到如上文所述的加法器136中。校正的线性速度134和齿轮比信号160应用到乘法器162中以获得以英里每小时或千米每小时为单位的校正的线性轮速164。
附图7所示为说明具有GPS调节块34B的另一实施例的简化的功能方块图。在某些情况下，火车系统10(附图1)具有辅助线性地速传感器比如卫星传感器比如GPS单元或雷达单元。例如，在火车系统10具有GPS传感器时，对应于火车的线性速度的GPS传感器速度信号26提供给附图1的处理器24。在调节块34B中GPS速度信号26用作校正信号。GPS调节块34B的一个目的是在可得到独立的速度信号(比如GPS导出的速度)时消除由于不准确的车轮直径和/或其它的系统不准确度引起的在非滑动状态下轮速的稳定状态不准确度。调节块34B如下文描述地计算稳定状态校正信号，以给出以mph或其它的所需的单位的轮速的估计。
GPS速度信号26在除法器224中除以齿轮比222以形成参考旋转速度226。GPS速度信号26是由本领域所公知的常规的GPS接收器或某些其它线性下降速度(downspeed)传感器所确定的附图1的火车系统10的线性速度。可替换的是，火车系统10的线性速度可以由确定线性速度的任何其它独立方法所确定。齿轮比222是火车系统10的牵引马达电枢匝数与线性运动的比率。齿轮比222可以通过周期性校准测试确定或使用火车的物理特性数学地确定。输入牵引马达(即马达14)的马达速度32(以rpm)在乘法器232中乘以积分器和保持电路230(将在下文中描述)的输出228。对应于校正的转速的乘法器232的输出234在加法器236中从参考转速226中减去。加法器236的输出是由在参考转速226和校正的转速234之间的差值所引起的转速误差信号238。这个差值在乘法器240中乘以一个常数以得到调整的转速误差信号241。
在一个实施例中，输入轴的马达速度信号32应用到被零除保护电路242。比较器246比较马达速度信号32和最小的马达速度信号244(例如10rpm)。如果马达速度信号32大于最小马达速度信号244，则马达速度信号32通过保护电路242。如果马达速度信号32小于最小马达速度信号244，则最小马达速度信号244通过比较器246以提供被零除保护。经调节的转速误差信号241在除法器248由被零除保护电路142的输出除。经调节的转速误差信号241被马达速度信号32除的一个原因是不使环路增益随马达速度改变并且在高速或低速时可能不稳定。随着马达速度的增加，可以看到经调节的转速误差信号241也增加。将经调节的转速误差信号241除以马达速度信号32形成基本独立于马达速度的误差信号。
来自除法器248的输出的比例缩放的转速误差250应用到积分器和保持电路230。在一个实施例中，积分器和保持电路230使用积分器254和开关258。在可调的使能开关256设置为TRUE时开关258使速度误差250通过。在可调的使能开关信号256设置为FALSE时开关258将它的输出设置为零。可调的使能信号256在基本非滑动的状态中(比如在稳定的状态速度运行中)被设置为TURE。在预计到滑动的状态中，可调的使能信号256设置为FALSE(即，0)。在一个实施例中，积分器254通过欧拉近似实施。可替换的是，积分器254可以通过梯形近似或在本领域普通技术人员公知的可使用的其它方法实施。积分器254的输出228是校准车轮的直径。包含在保持电路230中的积分器254被构造成在可调的使能信号256被设置为TRUE(即，1)时使转速误差250的稳态值为零。
输出228乘以输入马达速度32以获得校正的转速234。经校正的转速234应用到如上文所述的加法器236中。校正的线性速度234和齿轮比信号222也应用到乘法器262中以获得以英里每小时或千米每小时为单位的校正的线性轮速264。
估计的马达速度32也用于锁定轴检测块36以确定是否存在锁定轴状态。如果锁定轴状态在给定的轴上发生同时火车10正在运行，则该轴的转速降低为零，并且所有的其它轴以对应于火车的速度的速度旋转。锁定轴检测块36接收马达驱动模式信号28和刹车模式信号29以确定附图1的火车系统10是在马达驱动模式还是在刹车模式中运行。在马达驱动运行中，公式(7)用于确定锁定轴状态是否存在，在刹车模式运行中使用公式(8)。
imax＞KM*(imin+[Eprpm*ω]/Ra) (7)其中imar＝最大牵引马达电枢电流imin＝最小牵引马达电枢电流KM＝马达驱动模式的系统常数Eprpm＝在特定的牵引马达电枢和场电流下的Emfω＝以特定的牵引马达的rpm的转速R＝电枢和场电阻imax＞KB*imin(8)其中imax＝最大牵引马达电枢电流imin＝最小牵引马达电枢电流KB＝刹车模式的系统常数附图8所示为附图1的锁定轴检测块36的逻辑图。锁定轴检测块36使用公式(7)和(8)形成锁定轴信号302以确定任何一个牵引马达14的马达电枢电流信号17A-F是否满足如下的标准。锁定轴信号302由通过电路303产生。电路303接收马达驱动模式信号28和刹车模式信号29以确定火车系统10的当前运行模式。
电流信号17A-F如上文所述地测量并使用在本领域普通技术人员公知的方法从电流信号17A-F中确定最小电流信号304和最大电流信号306。对于特定的牵引马达14，使用马达的设计技术要求和/或测试数据获得在由最小电流信号304所指示的电流的Eprpm值308。具有最小电流信号304的马达的马达速度信号32在乘法器310中乘以Eprpm值308以得到Emf。乘法器310的输出除以牵引马达的电枢和场电阻312以形成输出314。电枢和场电阻312从牵引马达14的设计技术要求和/或测试数据中获得。在一个实施例中，由于电阻基于温度变化，因此使用在本领域中公知的方法执行温度补偿步骤。输出314在求和节点316上加入到最小电流信号304。求和节点316的输出乘以常数KM318以形成电流信号320。对于每个在马达驱动模式中运行的牵引马达14，经验地确定KM的值。KM的值优选在1和5之间，在一个实施例中为1.5。电流信号320与最大电流信号306进行比较。如果信号320大于306，并且通过电路303确定火车系统10正在马达驱动模式中运行，则产生锁定轴信号302。
最小电流信号也乘以刹车常数KB330以形成电流信号332。对于每个在刹车模式中运行的牵引马达14，经验地确定KB的值。KB的值优选在1和5之间，在一个实施例中为2。电流信号322与最大电流信号306进行比较。如果信号322大于306，并且通过电路303确定火车系统10正在刹车模式中运行，则产生锁定轴信号302。
为证实锁定轴状态确实存在，同时维持火车速度，从与锁定轴信号302相关的牵引马达14中消除电压以确定时间的长度，同时维持在其余牵引马达上的电压。然后火车系统操作员验证如果锁定轴检测块36没有产生另一轴的锁定轴信号302则实际存在锁定轴。通过将电压再应用到与锁定轴关联的牵引马达并确认锁定轴检测块36再次产生锁定轴信号302确认锁定轴。
本发明解决了机械速度传感器不可用时估计通过直流马达驱动的车辆的车轮的速度的一直存在的问题。在马达驱动模式和动态刹车模式运行的两种模式下估计轮速。转速通过车轮直径校正以得到平移速度且轮径调节校正不均匀的车轮直径。假设独立的低频速度测量(例如GPS)，则低频调节包括那些低频偏移的校正。检测算法使用轮速来检测锁定轴状态。
在介绍本发明的元件或本发明的实施例时，冠词“a(一个)”、“an(一个)”和“said(所说的)”都是意指存在一个或多个元件。术语“包括”和“具有”意指包含在内，并且除了所列的元件外可能还存在附加的元件。
由于在不脱离本发明的范围的前提下可以对上述的结构进行各种改变，因此希望包含在上述的描述中或在附图中示出的所有的主题都将被解释为实例性的而不是限制性的。
部件清单直流火车系统10速度牵引车11交流发电机12直流牵引马达14A-14F车箱20轮轴装置22电流传感器16A-16G电压传感器18电流信号17A-17G电压信号19处理器24代表火车速度的输入信号26车轮直径参考信号27马达驱动模式信号27马达驱动时的马达速度估计器30刹车模式信号29刹车时的马达速度估计器31估计的马达速度信号32车轮直径调节块34AGPS调节块34B锁定轴检测块36马达电路40电枢42场4电刷46场电感52电枢电感54求和节点56微分器58限制器60
乘法器62电枢电阻64场电阻66求和节点68乘法器70求和节点74代表Emf的值的信号76除法器78在刹车模式中运行的直流火车系统的电路80电阻器网82电枢电感92乘法器94微分器96限制器98栅电阻100刷降电阻102求和节点106乘法器108求和节点110Eprpm值112除法器114参考轮速120参考车轮直径122乘法器124线性轮速参考126输出128积分器和保持电路130乘法器132乘法器的输出134加法器136误差信号138乘法器140
调节的线性速度误差输出141被零除保护电路142比较器146除法器148线性速度误差150输出152积分器154可调的使能信号156开关158齿轮比信号160乘法器162齿轮比222除法器224参考转速226输出228积分器和保持电路230乘法器232校正的转速234加法器236转速误差信号238乘法器240调节的转速误差信号241被零除保护电路242最小马达速度信号244比较器246除法器248比例缩放的转速误差250积分器254可调的使能信号256开关258乘法器262锁定轴信号302
传递电路303最小电流信号304最大电流信号306Eprpm值308乘法器310电枢和场电阻312输出314求和节点316常数KM318电流信号320刹车常数KB330电路信号33权利要求
1.一种估计通过机械地耦合到在车辆(10)上的至少一个车轮(22)以便旋转所说的一个或多个车轮的直流马达(14)推动的车辆(10)的轮速的方法，所说的方法包括测量在每个直流马达(14)中的场电流和电枢电流；测量施加给每个直流马达(14)的电压；和确定作为所测量的电流和电压的函数的转速。
2.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，进一步包括将校正系数应用到所确定的转速中以获得经校正的转速
3.根据权利要求2所述的估计轮速的方法，进一步包括将经校正的转速转换为线性轮速。
4.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，其中确定转速包括确定作为在每个直流马达(14)的电枢(42)中的电流的函数的转速。
5.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，其中确定转速包括确定车辆(10)是在马达驱动模式下运行还是在刹车模式下运行的函数的转速。
6.根据权利要求5所述的估计轮速的方法，其中在车辆(10)在马达驱动模式下运行时通过马达驱动速度估计器(30)执行确定转速的步骤，而在车辆(10)在刹车模式下运行时通过刹车模式速度估计器(31)执行。
7.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，其中车辆(10)是火车。
8.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，其中以感测施加到电枢(42)的电流的电流传感器(6A-G)测量电流并以感测施加到电枢(42)的电压的电压传感器(18)测量电压。
9.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，其中施加校正系数的动作包括将转速与参考转速进行比较。
10.根据权利要求9所述的估计轮速的方法，其中参考转速是耦合到车辆(10)的另一马达(14)的转速。
11.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，其中使用欧拉近似通过积分处理计算校正系数。
12.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，其中校正系数校正在车轮直径方面的变化。
13.根据权利要求1所述的估计轮速的方法，其中施加校正系数的动作包括接收GPS和使用GPS数据以获得转速误差。
14.一种估计通过机械地耦合到在车辆(10)上的至少一个车轮以便旋转所说的一个或多个车轮的直流马达(14)推动的车辆(10)的轮速的系统，所说的系统包括被构造成测量在每个直流马达(14)中的场电流和电枢电流并形成与所说的电流成比例的信号(17)的至少一个电流检测器；和被构造成测量施加到每个直流马达(14)的电压并形成与所说的电压成比例的信号(19)的电压检测器；和被构造成确定作为所测量的电流和电压的函数的转速并被构造成将校正系数应用到所确定的转速中以获得经校正的转速的处理器。
15.根据权利要求14所述的估计通过直流马达(14)推动的车辆(10)的轮速的系统，其中该处理器被构造成接收所说的电流和电压信号(17，19)，处理器(24)包括i)被构造成在车辆(10)正在马达驱动模式下运行时使用电流和电压信号确定转速并产生与所说的转速成比例的马达驱动转速信号的马达驱动速度估计器模块(30)；ii)被构造成在车辆(10)正在刹车模式下运行时使用电流和电压信号确定转速并形成与所说的转速成比例的刹车速度信号的刹车速度估计器模块(31)；和iii)被构造成接收所说的马达驱动和刹车转速信号和至少一个参考信号的速度校正模块(34)，所说的速度校正模块被构造成将校正系数应用到所说的转速信号并将所说的转速信号变换为线性速度信号。
16.根据权利要求14所述的估计通过直流马达(14)推动的车辆(10)的轮速的系统，其中所说的处理器(24)进一步包括锁定轴检测模块(36)。
17.根据权利要求14所述的估计通过直流马达(14)推动的车辆(10)的轮速的系统，其中速度校正模块(34)被构造成通过欧拉近似来使用积分过程。
18.根据权利要求14所述的估计通过直流马达(14)推动的车辆(10)的轮速的系统，其中车辆(10)是火车。
19.一种估计通过机械地耦合到在车辆(10)上的至少一个车轮(22)以便旋转所说的一个或多个车轮的直流马达(14)推动的车辆(10)的轮速的系统，所说的系统包括测量在每个直流马达(14)中的场电流和电枢电流的装置；测量施加给每个直流马达(14)的电压的装置；确定作为所测量的电流和电压的函数的转速的装置；将校正系数应用到所确定的转速中以获得校正的转速的装置；和将校正的转速转换为轮速的装置。
20.一种检测由多个直流牵引马达(14)推动的车辆(10)中的锁定轴状态的发生的方法，所说的方法包括测量连接到多个轴(22)的多个直流牵引马达(14)的每个马达的电枢电流；从所测量的电流中确定最小电枢电流；从所测量的电流中确定最大电枢电流；比较最小电枢电流和最大电枢电流以识别锁定轴状态的发生。
21.根据权利要求20所述的检测由多个直流牵引马达(14)推动的车辆(10)中的锁定轴状态的发生的方法，进一步包括确定火车是马达驱动模式还是在刹车模式下运行，并在车辆(10)处于马达驱动模式下时将与牵引马达(14)的Emf值成比例的乘以牵引马达(14)的转速并除以牵引马达(14)的电阻值的值加入到最小电枢电流。
22.根据权利要求20所述的检测由多个直流牵引马达(14)推动的车辆(10)中的锁定轴状态的发生的方法，进一步包括通过测量在直流马达(14)中的电枢电流和场电流估计牵引马达的转速，所说的直流马达(14)机械地耦合到在车辆(10)上的至少一个车轮(22)以便旋转所说的一个或多个车轮，测量施加给直流马达(14)的电压，以及从所测量的电流和电压中确定转速。
23.根据权利要求20所述的检测由多个直流牵引马达(14)推动的车辆(10)中的锁定轴状态的发生的方法，进一步包括通过消除施加给与锁定的轴状态关联的马达(14)的电压并同时维持其余马达(14)上的电压并验证任何其它的轴没有发生锁定轴状态来验证锁定轴状态的发生。
全文摘要
一种估计通过机械地耦合到在车辆(10)上的至少一个车轮以便旋转所说的一个或多个车轮的直流马达(14)推动的车辆(10)的轮速的系统和方法。至少一个电流检测器被构造成测量在每个直流马达(14)中的场电流和电枢电流并形成与所说的电流成比例的信号和电压检测器被构造成测量施加到每个直流马达(14)的电压并形成与所说的电压成比例的信号。处理器被构造成确定作为所测量的电流和电压的函数的转速并被构造成将校正系数应用到所确定的转速中以获得经校正的转速。
文档编号G01P3/42GK1712970SQ200410059399
公开日2005年12月28日 申请日期2004年6月21日 优先权日2004年6月21日
发明者A·K·库马, S·L·哈岑 申请人:通用电气公司