JP2000050421A - 電気車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数のサーボモータを搭載した電気車の走行安
定性を確保する。 【解決手段】トルク制御ボックス１は、前後輪およびピ
ニオンギアのサーボモータのトルク制御を行う。平均速
度演算器５１は、前後輪モータのエンコーダ６,７から
の帰還速度と、ピニオンギアモータのエンコーダ８から
の２つの帰還速度との平均速度を算出する。減算器４
１,４２は、各々、エンコーダ６,７からの帰還速度と平
均速度との差をとり、減算器４３は、エンコーダ８から
の帰還速度と平均速度との差をとる。Ｐ型制御器４８,
４９,５０は、各々、減算器４１,４２,４３の出力に応
じた補正値を出力する。一方、減算器４０は、速度指令
値と平均速度との差をとり、ＰＩ型制御器４７は、減算
器４０の出力に応じた平均トルク指令を発生する。加算
器４４,４５,４６は、それぞれ、各モータドライバに、
そのモータに対する補正値と平均トルク指令とを加算し
たトルク指令を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気車に係り、特
に、バッテリー式電気機関車に搭載されている複数のサ
ーボモータの同期制御技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】急勾配路を登坂等する鉄道の運行方式と
してアプト式が知られている。このアプト方式とは、急
勾配の線区におけるバッテリー式電気機関車の牽引力を
向上させるため、２本の走行レール間に敷設されたラッ
クレールと、バッテリー式電気機関車に設けられたピニ
オンギアとの噛み合わせる方式である。従って、アプト
方式のバッテリー式電気機関車には、通常、前後の走行
車輪を駆動するための２つのサーボモータの他に、ピニ
オンギアを駆動するためのサーボモータが搭載されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
バッテリー式電気機関車には、複数のサーボモータが搭
載されているため、サーボモータ間相互のトルクおよび
速度のアンバランスによって、走行安定性および牽引性
能が低下することがある。とくに、バッテリー式電気機
関車が急勾配路を走行する際には、互いに特性の異なる
２種類のサーボモータ(走行車輪駆動用のモータおよび
ピニオンギア駆動用モータ)が駆動されるため、その走
行が不安定となりがちである。

【０００４】そこで、本発明は、複数のサーボモータに
よって駆動される電気車の走行安定性および牽引性能を
向上させることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、複数の走行車輪と、前記各走行車輪を駆
動する複数のサーボモータと、与えられたトルク指令に
したがって前記各サーボモータを制御する複数のドライ
バとを備えた電気車であって、前記各サーボモータ毎に
それぞれ設けられ、当該サーボモータの速度を検出する
複数の速度検出手段と、与えられた目標速度と前記各速
度検出手段がそれぞれ検出した速度とに基づいて、前記
各ドライバに与えるトルク指令をそれぞれ算出するトル
ク制御手段とを備えることを特徴とする電気車を提供す
る。

【０００６】本発明に係る電気車によれば、トルク制御
手段のトルク制御によって、各走行車輪を駆動するサー
タモータ間相互のトルクおよび速度のアンバランスが抑
制されるため、走行安定性の向上と牽引性能の向上とが
達成される。

【０００７】また、このような電気車に、さらに、ピニ
オンギアと、前記ピニオンギアを駆動するサーボモータ
と、前記ピニオンギアを駆動するサーボモータの速度を
検出する速度検出手段と、前記ピニオンギアを駆動する
サーボモータを、与えられたトルク指令にしたがって制
御するドライバとを設け、前記トルク制御手段が、前記
目標速度と、前記各走行車輪を駆動するサーボモータに
それぞれ設けられた速度検出手段が検出した速度と、前
記ピニオンギアを駆動するサーボモータに設けられた速
度検出手段が検出した速度とに基づいて、前記各走行車
輪を駆動するサーボモータのドライバにそれぞれ与える
トルク指令と、前記ピニオンギアを駆動するサーボモー
タのドライバに与えるトルク指令とをそれぞれ算出する
ようにすれば、各走行車輪を駆動するサータモータとピ
ニオンギアを駆動するサーボモータとの間のトルクおよ
び速度のアンバランスも解消されるため、急勾配路にお
ける走行安定性と牽引性能がさらに向上する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明に係る実施の一形態について説明する。

【０００９】最初に、図１及び図２により、本実施の形
態に係るバッテリー式電気機関車の駆動系について説明
する。

【００１０】本バッテリー式電気機関車１００の車体に
は、図１に示すように、２本の平底型走行レール１０５
ａ上を走行する前後の走行車輪１０１ａ,１０１ｂの
他、２本の走行レール１０５ａの間に敷設されたラック
レール１０５ｂ上を走行するピニオンギア１０２が取り
付けられている。

【００１１】そして、前後の走行車輪１０１ａ,１０１
ｂの車軸には、図２に示すように、それぞれの電磁ブレ
ーキ付き減速機２００ａ,２００ｂを介して、別々のサ
ーボモータ１０３ａ,１０３ｂの出力が伝達されるよう
になっている。そして、前後の走行車輪１０１ａ,１０
１ｂの回転を停止させるため、前後の走行車輪１０１
ａ,１０１ｂの車軸には、それぞれ、油圧式のディスク
ブレーキ２０３ａ,２０３ｂが装備されている。なお、
これら前後の走行車輪１０１ａ,１０１ｂは、図３に示
したように、いずれも、その外周部に、走行レール１０
５ａとの粘着係数μが高い材料(例えば、セラミック粒
子５〜２５ｖｏｌ％含有のセラミック粒子分散強化アル
ミ二ウム基複合材料)で形成された環状の踏面形成部材
が嵌め込み固定されているため、平坦路(ゆるやかな勾
配路を含む)のみならず急勾配路においても駆動され、
ピニオンギア１０２と共に本バッテリー式電気機関車１
００の走行に寄与する。

【００１２】一方、ピニオンギア１０２のスプロケット
軸には、電磁ブレーキ付き減速機２０１およびアイドル
ギア(不図示)を介して、サーボモータ２０２の出力が伝
達されるようになっている。そして、ピニオンギア１０
２の回転を停止させるため、ピニオンギア１０２のスプ
ロケット軸にも、油圧式のディスクブレーキ２０４が装
備されている。

【００１３】そして、コントローラ１０４が、運転者に
よる操作スイッチ類の操作に応じた速度指令をトルク制
御ボックスに送り、トルク制御ボックスが、各サーボモ
ータ１０３ａ,１０３ｂ,２０２のトルク制御を行い、本
バッテリー式電気機関車１００の走行安定性が確保され
る(これについての詳細は、後述する)。

【００１４】なお、１０６は、サーボモータ１０３ａ,
１０３ｂ,２０２その他の器機等の電力供給源となる着
脱式のバッテリー１０６であり、１０７は、走行速度等
の走行状態に関する各種情報を表示する計器類であり、
１０８および１０９は、前方をモニタリングするための
ＣＣＤカメラおよびモニタであり、１１０および１１１
は、前照灯および回転灯であり、１１２は、他の車両を
連結するための連結器である。

【００１５】次に、図４および図５により、本実施の形
態に係るバッテリー式電気機関車の３軸制御系について
説明する。

【００１６】本バッテリー式電気機関車の３軸制御系
は、図４に示すように、トルク制御ボックス３７、トル
ク制御ボックス１に速度指令を送るコントローラ１０
４、制御対象である３つのサーボモータ１０３ａ,１０
３ｂ,２０２、トルク制御ボックス１からのトルク指令
に応じて各サーボモータ１０３ａ,１０３ｂ,２０２を駆
動するドライバ２,３,４、各サーボモータ１０３ａ,１
０３ｂ,２０２の速度をフィードバックするエンコーダ
６,７,８等から構成されている。そして、前後の走行車
輪駆動用のサーボモータ１０３ａ,１０３ｂに設けられ
ている各エンコーダ６,７からの帰還速度信号と、ピニ
オンギア駆動用のサーボモータ２０２に設けられている
エンコーダ８のからの帰還速度信号とは、それぞれ、ト
ルク制御ボックス１に入力されるようになっている。

【００１７】そして、トルク制御ボックス１は、図５に
示すように、４台の分周器(２台は不図示)、平均速度演
算器５１、複数の減算器４０,４１,４２,４３、複数の
加算器４４,４５,４６、比例・積分型(ＰＩ)制御器４
７、複数の比例型(Ｐ)制御器４８,４９,５０を有してい
る。

【００１８】さて、前述したように、前後の走行車輪１
０１ａ,１０１ｂは、いずれも、その踏面が、走行レー
ル１０５ａとの粘着係数μが高い材料によって形成され
ているため、急勾配路走行の際にはピニオンギア１０２
と共に駆動される。このときのトルク制御ボックス１の
各部の処理を以下に示す。

【００１９】前後の走行車輪駆動用のサーボモータ１０
３ａ,１０３ｂに設けられている各エンコーダ６,７から
の帰還速度信号は、それぞれ、そのまま、分周器(不図
示)に入力されるが、ピニオンギア駆動用のサーボモー
タ２０２に設けられているエンコーダ８のからの帰還速
度信号だけは、２つに分岐され、それぞれが、別々の分
周器９に入力される。このようにエンコーダ８からの帰
還速度信号を分岐させているのは、ピニオンギア駆動用
のサーボモータ２０２を、擬似的に２台のサーボモータ
として取り扱うためである。

【００２０】平均速度演算器５１は、前後の走行車輪駆
動用のサーボモータ１０３ａ,１０３ｂに設けられてい
る２つのエンコーダ６,７からの帰還速度値と、ピニオ
ンギア駆動用のサーボモータ２０２に設けられている２
台の分周器９からの帰還速度値との平均速度値を算出す
る。

【００２１】減算器４１は、平均速度演算器５１が算出
した平均速度値と、前輪駆動用のサーボモータ１０３ａ
に設けられているエンコーダ６からの帰還速度値との差
分を算出する。そして、比例型(Ｐ)制御器４８は、予め
設定された比例ゲイン(Ｐ)に応じて、減算器４１が算出
した差分を増幅することによって、補正値信号を発生す
る。同様に、減算器４２は、平均速度演算器５１が算出
した平均速度値と、後輪駆動用のサーボモータ１０３ｂ
に設けられているエンコーダ７からの帰還速度値との差
分を算出し、減算器４３は、平均速度演算器５１が算出
した平均速度値と、ピニオンギア駆動用のサーボモータ
２０２に設けられている２台の分周器９のうちの一方の
分周器からの帰還速度値との差分を算出する。そして、
比例型(Ｐ)制御器４９は、減算器４２が算出した差分を
増幅することによって補正値信号を発生し、比例型(Ｐ)
制御器５０は、減算器４３が算出した差分を増幅するこ
とによって補正値信号を発生する。

【００２２】一方、減算器４０は、コントローラ１０４
から与えられた速度指令値と、平均速度演算器５１が算
出した平均速度値との差分(偏差)を算出する。そして、
比例・積分型(ＰＩ)制御器４７は、予め設定された比例
ゲイン(Ｐ)および積分ゲイン(Ｉ)に応じて、減算器４０
が算出した偏差を増幅することによって、平均トルク指
令を発生する。

【００２３】そして、加算器４４は、比例・積分型(Ｐ・
Ｉ)制御器４７から与えられた平均トルク指令値に、比
例型(Ｐ)制御器４８から与えられた補正値を加算し、こ
の加算値を、トルク指令として、前輪駆動用のサーボモ
ータ１０３ａのドライバ２に与える。同様に、加算器４
５は、比例・積分型(Ｐ・Ｉ)制御器４７から与えられた平
均トルク指令値に、比例型(Ｐ)制御器４９から与えられ
た補正値を加算し、この加算値を、トルク指令として、
後輪駆動用のサーボモータ１０３ｂのドライバ３に与え
る。また、加算器４６は、比例・積分型(Ｐ・Ｉ)制御器４
７から与えられた平均トルク指令値に、比例型(Ｐ)制御
器５０から与えられた補正値を加算し、この加算値を、
トルク指令として、ピニオンギア駆動用のサーボモータ
２０２のドライバ４に与える。なお、各ドライバ２,３,
４と加算器４４,４５,４６との間に、それぞれ、トルク
指令値を所定の範囲に制限するトルクリミッタを設けれ
ば、各ドライバ２,３,４に与えられるトルク指令値の過
度の変動を抑制することができる。

【００２４】本バッテリー式電気機関車１００が急勾配
路を走行する際には、トルク制御ボックス１が、このよ
うにして前後の走行車輪駆動用のサーボモータ１０３
ａ,１０３ｂおよびピニオンギア駆動用のサーボモータ
２０２のトルク制御を行うため、サーボモータ間のトル
クや速度のアンバランスが抑制され、急勾配路における
走行安定性が向上する。また、全てのサーボモータ１０
３ａ,１０３ｂ,２０２の駆動力が効率的に活用されるた
め、バッテリー式電気機関車１００の牽引性能が向上す
る。より具体的に説明すると、例えば加速中に前輪１０
１ａが空転しはじめた場合には、前輪駆動用のサーボモ
ータ１０３ａの速度の増大に伴い平均速度が増大し、偏
差が負となるため、平均トルク指令が下がるが、この平
均トルク指令値に正の補正量が加えられたものが、後輪
駆動用のサーボモータ１０３ｂのドライバ３に与えられ
るトルク指令値となる一方で、この平均トルク指令値に
負の補正量が加えられたものが、前輪駆動用のサーボモ
ータ１０３ａのドライバ２に与えられるトルク指令値と
なる。すなわち、空転していない後輪駆動用のサーボモ
ータ１０３ｂのドライバ３に与えられるトルク指令値が
さほど変化しない一方で、前輪駆動用のサーボモータ１
０３ａのドライバ２に与えられるトルク指令が減少し、
走行レールと前輪との粘着状態がすみやかに回復する。
減速中に前輪１０１ａがロックした場合も同様である。

【００２５】もちろん、本バッテリー式電気機関車１０
０が平坦路(ゆるやかな勾配路を含む)を走行する際に
は、トルク制御ボックス１が、前後の走行車輪駆動用の
サーボモータ１０３ａ,１０３ｂのトルク制御が行うた
め、平坦路における走行安定性および牽引性能が確保さ
れることは言うまでもない。なお、ピニオンギア駆動用
のサーボモータ２０２が駆動されない平坦路走行時にお
ける制御系は、図５の制御系から、ピニオンギア駆動用
のサーボモータ２０２に関連する部分を除いたものと同
様である(図６参照)。

【００２６】そして、トルク制御ボックス１は、図５に
示すように、４台の分周器(２台は不図示)、平均速度演
算器５１、複数の減算器４０,４１,４２,４３、複数の
加算器４４,４５,４６、比例・積分型(ＰＩ)制御器４
７、複数の比例型(Ｐ)制御器４８,４９,５０を有してい
る。

【００２７】なお、本実施の形態においては、ピニオン
ギア駆動用のサーボモータ２０２に設けられているエン
コーダ８のからの帰還速度信号だけを２つに分岐するこ
とによって、ピニオンギア駆動用のサーボモータ２０２
を、擬似的に２台のサーボモータとして扱っているが、
必ずしも、このようにする必要はない。例えば、図８に
示すように、前後の走行車輪駆動用のサーボモータ１０
３ａ,１０３ｂに設けられている各エンコーダ６,７から
の帰還速度信号と同様に、ピニオンギア駆動用のサーボ
モータ２０２に設けられているエンコーダ８からの帰還
速度信号も分岐せずにそのまま１台の分周器９に入力
し、その分周器９からの出力信号を２つに分岐させて、
平均速度演算器５１に与えるようにしても構わない。

【００２８】さて、以上においては、２軸(４輪)のバッ
テリー式電気機関車を例に挙げて、本発明の一実施の形
態を説明したが、電気系統も連結する連結器を用いて複
数台のバッテリー式電気機関車を連結した列車、すなわ
ち、４軸、最大６軸のサーボモータのトルク制御に、本
発明を適用しても同様な効果を得ることができる。その
一例として、図７に、４軸制御系のブロック図を示す。
このような４軸制御系によれば、少なくとも１台のバッ
テリー式電気機関車に設けられているトルク制御ボック
スが４つのサーボモータについてそれぞれトルク制御を
行うため、４つのサーボモータ間相互のトルクおよび速
度のアンバランスが抑制され、列車全体の走行安定性お
よび駆動力が向上する。また、各バッテリー式電気機関
車の走行車輪として、図３に示したような走行車輪(高
粘着性の踏面形成部材が装着された走行車輪)を用いた
場合には、列車全体の走行安定性および駆動力のさらな
る向上が期待できる。なお、図７には、サーボモータに
対するトルク指令を発生するＰＩ型制御器を複数設けた
４軸制御系を示しているが、４軸制御系、６軸制御系の
構成として、図６に示したような構成(１台のＰＩ型制
御器が発生した平均トルク指令から、各サーボモータに
対するトルク指令をそれぞれ算出する構成)を採用して
も構わない。

【００２９】なお、以上説明した駆動系は、バッテリー
式電気機関車に限らず、他の電気車に適用可能であるこ
とは言うまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、複数のサーボモータを
搭載した電気車の走行安定性および牽引性能を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係るバッテリー式電気
機関車の外観図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係るバッテリ
ー式電気機関車の走行車輪の要部切欠き図であり、(ｂ)
は、その部分正面図である。

【図４】本発明の実施の一形態に係るバッテリー式電気
機関車の３軸制御系のブロック図である。

【図５】本発明の実施の一形態に係るバッテリー式電気
機関車の制御系の詳細なブロック図である。

【図６】本発明の実施の一形態に係るバッテリー式電気
機関車の制御系の詳細なブロック図である。

【図７】本発明の実施の一形態に係る列車の４軸制御系
のブロック図である。

【図８】本発明の実施の一形態に係るバッテリー式電気
機関車の３軸制御系のブロック図である。

【符号の説明】

１…トルク制御ボックス ２,３,４…ドライバ ６,７,８…エンコーダ ９…分周器 ４０,４１,４２,４３,４４,４５,４６…減算器 ４７…比例・積分型(Ｐ・Ｉ)制御器 ４８,４９,５０…比例型(Ｐ)制御器 ５１…平均値演算器 １００…バッテリー式電気機関車 １０１ａ…走行車輪(前輪) １０１ｂ…走行車輪(後輪) １０２…ピニオンギア １０３ａ…前輪駆動用のサーボモータ １０３ｂ…後輪駆動用のサーボモータ １０５ａ…平底型の走行レール １０５ｂ…ラックレール ２００ａ,２００ｂ…電磁ブレーキ付き減速機 ２０１…電磁ブレーキ付き減速機 ２０２…ピニオンギア駆動用のサーボモータ ２０３ａ,２０３ｂ…油圧式ディスクブレーキ ２０４…油圧式ディスクブレーキ １０４…コントローラ １０６…バッテリー １０７…計器類 １０８…ＣＣＤカメラ １０９…モニタ １１０…前照灯 １１１…回転灯 １１２…連結器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H115 BA02 BA04 BA11 BB01 BC06 CA01 EE05 FA06 FA22 FA23 FB08 FC02 JA02 KC07 KD01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の走行車輪と、前記各走行車輪を駆動
   する複数のサーボモータと、与えられたトルク指令にし
   たがって前記各サーボモータを制御する複数のドライバ
   とを備えた電気車であって、 前記各サーボモータ毎にそれぞれ設けられ、当該サーボ
   モータの速度を検出する複数の速度検出手段と、 与えられた目標速度と前記各速度検出手段がそれぞれ検
   出した速度とに基づいて、前記各ドライバに与えるトル
   ク指令をそれぞれ算出するトルク制御手段とを備えるこ
   とを特徴とする電気車。
2. 【請求項２】請求項１記載の電気車であって、 さらに、 ピニオンギアと、 前記ピニオンギアを駆動するサーボモータと、 前記ピニオンギアを駆動するサーボモータの速度を検出
   する速度検出手段と、 前記ピニオンギアを駆動するサーボモータを、与えられ
   たトルク指令にしたがって制御するドライバとを備え、 前記トルク制御手段は、 前記目標速度と、前記各走行車輪を駆動するサーボモー
   タにそれぞれ設けられた速度検出手段が検出した速度
   と、前記ピニオンギアを駆動するサーボモータに設けら
   れた速度検出手段が検出した速度とに基づいて、前記各
   走行車輪を駆動するサーボモータのドライバにそれぞれ
   与えるトルク指令と、前記ピニオンギアを駆動するサー
   ボモータのドライバに与えるトルク指令とをそれぞれ算
   出することを特徴とする電気車。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の電気車であって、 前記トルク制御手段は、 前記各速度検出手段が検出した速度の平均速度を算出す
   る手段と、 前記平均速度と前記目標速度との偏差に基づいて、平均
   トルク指令値を算出する手段と、 前記各サーボモータ毎に、それぞれ、当該サーボモータ
   の速度検出手段が検出した速度と前記平均速度との差分
   に応じて前記平均トルク指令値を補正し、当該補正後の
   平均トルク指令を、当該サーボモータのドライバにトル
   ク指令として与える手段とを備えることを特徴とする電
   気車。
4. 【請求項４】請求項１、２および３のうちのいずれか１
   項記載の電気車であって、 前記各走行車輪の外周には、それぞれ、走行レールの形
   成材料に対して高粘着材料で形成された踏面形成部材が
   装着されていることを特徴とする電気車。
5. 【請求項５】複数台の電気車が連結された列車であっ
   て、 前記複数台の電気車のそれぞれは、 走行レールの形成材料に対して高粘着材料で形成された
   踏面形成部材が装着された複数の走行車輪と、 前記各走行車輪を駆動する複数のサーボモータと、 前記各サーボモータを制御する複数のドライバと、 前記各サーボモータ毎にそれぞれ設けられ、当該サーボ
   モータの速度を検出する複数の速度検出手段とを備え、 前記複数の電気車のうちの少なくとも１台は、 与えられた目標速度と前記複数の電気車の各速度検出手
   段が検出した速度とに基づいて、前記複数の電気車の各
   サーボモータのドライバに与えるトルク指令をそえぞれ
   算出するトルク制御手段を備えることを特徴とする列
   車。