JP2001231105A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 台車のパラメータがいかなる値の場合であっ
ても、外乱オブザーバを用いて接線力係数とその時間微
分値を推定する手法を用いた再粘着制御系について、常
に安定な再粘着制御系を構成し、粘着力の有効利用を図
ることにある。 【解決手段】 それぞれの動軸の推定接線力係数と接線
力係数の時間微分値の推定値を互いに他方の主電動機へ
のトルク指令値を演算する前記制御器へ入力して各主電
動機へのトルク指令値を演算し、より一層再粘着制御の
安定化を図るよう構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、電気車の良好な乗
り心地を維持しつつ粘着力の有効利用を図った再粘着制
御を実現する電気車制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電気車は車輪・レール間の接線力（粘着
力ともいう）によって加減速を行っているが、この接線
力は、一般にすべり速度に対して図14に破線で示すよう
な特性を有している。この接線力を軸重（車軸１軸当た
りのレールに加わる垂直荷重）で割ったものを接線力係
数、接線力係数の最大値を粘着係数という。図示の如
く、接線力の最大値を超えないトルクを主電動機あるい
はブレーキ時に主電動機トルクに併せて主電動機に機械
的に結合された動軸（以下単に動軸と称する）の空気ブ
レーキ力と発生している場合は、空転・滑走は発生せ
ず、接線力の最大値より左側の微小なすべり速度の粘着
領域で電気車は走行する。

【０００３】もし最大値より大きなトルクを発生すると
すべり速度は増大し、接線力が低下するのでますますす
べり速度が増大する空転・滑走状態になるが、車輪およ
びレールが乾燥状態では主電動機で発生するトルクある
いはブレーキ時には動軸の空気ブレーキ力と主電動機ト
ルクの合算値は接線力の最大値を超えないように車両の
性能が設定されるので、空転・滑走は発生しない。しか
し、実線で示すように、レール面が雨等によって湿潤状
態にある場合は、粘着係数が低下して接線力の最大値が
車両の設定性能に対応したトルクより小さくなる。

【０００４】この場合、すべり速度が増大し空転・滑走
状態になり、そのまま放置するとこれに対応して接線力
が低下し、車両の加速・減速に必要な加減速力がますま
す低下してしまうので、迅速に空転・滑走を検出し、主
電動機が発生するトルクあるいはブレーキ時には動軸の
空気ブレーキ力と主電動機発生トルクとの合算値を低減
して再粘着させることが必要になる。このようにトルク
の制御を行って再粘着させる場合、小さなすべり速度に
抑制しつつ、主電動機の発生トルクあるいは動軸の空気
ブレーキ力と主電動機発生トルクとの合算値を極力接線
力の最大値近傍の値になるように制御することが、電気
車の加減速性能を高める上で必要である。

【０００５】このような再粘着制御の実現を目的とした
方法として、主電動機の回転速度を検出し、この情報と
主電動機発生トルクの演算値または計測値を入力情報と
して最小次元外乱オブザーバを用いて車輪・レール間の
接線力係数を各制御周期毎に推定して、主電動機の発生
トルクを制御する方式が、最近提案されている (文献
(1) ：外乱オブザーバを用いた電気車の接線力係数の推
定方法−第２報−、電気学会半導体電力変換器研究会、
平成10年１月30日) 。

【０００６】また１次外乱オブザーバを用いて接線力係
数の他に、接線力係数の時間に対する微分値を推定し
て、空転・滑走をより速く検出することで再粘着制御性
能をより一層向上するための提案もなされている（文献
(2) ：１次外乱オブザーバに基づく電気車のロバストな
粘着制御の一方式、平成11年電気学会産業応用部門大会
論文集、平成11年８月) 。

【０００７】実際の電気車では、各動軸毎に装置された
電動機への指令トルクを制御する場合、各台車の進行方
向前方の動軸と後方の動軸の軸重が、車両が停止してい
る時の軸重から変化する。しかも、時々刻々指令トルク
(したがって、発生トルク)が変化すると、それに対応
して各動軸の軸重もダイナミックに変化する。そのた
め、これらの外乱オブザーバを用いて推定した接線力係
数に軸重変動に伴う推定誤差が発生する。再粘着制御に
は、このような状況においても、安定な再粘着制御系を
構成して良好な乗り心地を維持しつつ粘着力の有効利用
が達成できることが求められる。もちろん、上記の文献
の制御手法もこのような目的の実現を目指したものであ
るが、台車の動的な挙動を十分に考慮に入れて、これに
対して非常にロバストな制御系を構成することが求めら
れる。

【０００８】以下、図面に基づいて説明する。図７は従
来の各軸独立に再粘着制御系を構成する場合の一例を示
す図、図８は空転・滑走検知したときに発生するトルク
低減関数C(t)の例を示す図、図９は台車の簡略図、図10
は従来の各軸独立に再粘着制御系を構成した場合の再粘
着制御のシミュレーション結果の例、図11は従来の各軸
独立に再粘着制御系を構成した再粘着制御系・主電動機
トルク制御系および台車を包含した全体の系を示す図、
図12は図11に対応した系のインパルス応答の例(微分ゲ
インK Ｌ =100のとき)、図13は図11に対応した系のイ
ンパルス応答の例(微分ゲインK Ｌ = 0 のとき)、図14
は接線力係数あるいは接線力のすべり速度に対する一般
的な特性を示す図である。例えば、図７に示すように、
台車内の各動軸毎に独立に再粘着制御系を構成する方式
が考えられる。図７において、例えば第１軸について
は、図示しない第１軸の主電動機制御系に対するトルク
指令値T ＰＩ１ と、同じく図示しないエンコーダから
の第１軸の主電動機の回転角速度ωm1を外乱オブザーバ
９に入力する。外乱オブザーバ９は、後述する図２に示
すような１次外乱オブザーバを想定し(文献(2)参照)、
このオブザーバで接線力係数の推定値μh1と接線力係数
の時間微分値の推定値μdh1を演算し、トルク指令値演
算器11に出力する。トルク指令値演算器11では(1)式に
従って第一のトルク指令値T'ＰＩ１ を求め、加算器15
に出力する。

【０００９】 T'ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(1) ここで、Ｋ_Ｉ,Ｋ_Ｌはゲイン定数である。また、接線力
係数の時間微分値の推定値μdh1 は、外乱オブザーバ９
からトルク低減関数発生器13に対して出力される。トル
ク低減関数発生器13では、入力された接線力係数の時間
微分値の推定値μdh1 について、μdh1 ＜０の条件があ
る時間継続して成立すると空転が発生したと認識し（ブ
レーキの場合は滑走が発生したと認識して) 、図８に示
すようなトルク低減関数C(t)を発生し、加算器15に対し
て出力する (以下力行の場合について説明するが、ブレ
ーキの場合も同様である) 。したがって、加算器15の出
力である図示しない第１軸の主電動機トルク制御系に対
するトルク指令値T ＰＩ１ は空転検知していない場合
には(2) 式で、空転検知した場合は(3) 式によって求め
られる。

【００１０】 T ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(2) T ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1+ C(t) ・・・・・(3) 第２軸についても、同じように、外乱オブザーバ10、ト
ルク指令値演算器12、トルク低減関数14、加算器16によ
って、第２軸の主電動機トルク制御系に対するトルク指
令値T ＰＩ２ を演算する。このように、各軸独立にそ
れぞれの主電動機制御系に対してトルク指令値を指令す
る上記のような再粘着制御系を構成した場合、次のよう
な問題点が発生する場合がある。

【００１１】すなわち、図９に台車の簡略図を示すが、
台車の台車枠17の慣性モーメントや軸バネ18、19のバネ
定数によっては、図７に示した再粘着制御系、主電動機
トルク制御系および台車を包含した全体の系（図１１参
照）が不安定系になり、図７に示した再粘着制御系のト
ルク指令値演算器11、12のゲインを如何に調整しようと
も、安定な系を実現できない場合が発生する。

【００１２】例えば、台車枠17の慣性モーメントを旧来
の台車にみられるように大きく設定し(例えば10,000 N/
m程度)、軸バネのバネ定数も例えば6400×10３ N/m 程
度にとると、図１１に示す如く、第１軸のトルクインパ
ルス入力に対して、第１軸主電動機トルク制御系へのト
ルク指令値T ＰＩ１ を出力とした場合の、図１１に示
す全体系のインパルス応答は図12に示すように、発散す
る結果となる (微分ゲインK Ｌ ＝ 100とした場合) 。

【００１３】図13は、微分ゲインK Ｌ ＝０とした場合
のインパルス応答で、この場合も発散系であることがわ
かる (第２軸についても同様である)。この例の如く、
図７に示すような再粘着制御系を第１軸、第２軸独立に
構成した場合には、系を発散系から収斂系にすることが
できない（比例ゲインＫ_Ｉの調整は制御系の安定・不安
定に無関係である) 。

【００１４】図１０にこのような系で再粘着制御行った
場合のシミュレーション結果の例を示す。進行方向第１
軸については、空転が収束した後もトルク指令値を徐々
に絞ってトルク指令値がゼロになり、第２軸については
空転が発生することなく徐々にトルクを絞っている。こ
のように不安定な制御系になり、(4) 式で定義される粘
着力の利用率ηtは非常に小さくなってしまっている(粘
着力の利用率ηt は100 % が利用率が最大であることを
意味している)。

【００１５】 ηt = (動軸の接線力／動軸の軸重) × 100 (%) ・・・・・・・(4) 図12、13の例に示したインパルス応答を示すような台車
枠慣性モーメント・軸バネ定数等のパラメータを有する
台車では、図７に示した各軸独立に再粘着制御系を構成
した場合、台車内のいずれかの軸での発生トルクの変化
が引き金となって、台車のピッチングによる動揺を引起
し、トルク指令値が徐々に増大して空転が発散したり、
粘着状態にあるにもかかわらずトルク指令値を小さくし
過ぎてしまうというように(図１０はこの場合の例)、不
安定制御になり、粘着力の有効利用は望めない。以上に
述べたように、図７に示した如く各軸の再粘着制御系を
独立に構成した場合、台車によっては安定な制御系を構
成できない可能性があるという問題点がある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、各軸毎
に独立に再粘着制御系を構成した場合、台車のパラメー
タの値（台車枠の慣性モーメント、軸バネ定数の値等）
によっては、台車の軸重変動等の動的な挙動によって再
粘着制御系を含む系全体が不安定系になって、粘着力の
有効利用が図れなくなる事態の発生が想定されるが、こ
れを回避することが必要である。

【００１７】本発明の目的は、前述の如き各軸の主電動
機を別々の電力変換器で駆動するシステムにおいて、台
車のパラメータがいかなる値の場合であっても、外乱オ
ブザーバを用いて接線力係数とその時間微分値を推定す
る手法を用いた再粘着制御系について、常に安定な再粘
着制御系を構成し、粘着力の有効利用を図ることができ
るようにすることである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】つまり、その目的を達成
するための手段は、二台の主電動機それぞれのトルク指
令値または発生トルクの演算値と、速度センサによって
検出した前記二台の主電動機軸の回転速度をそれぞれの
主電動機に対応した外乱オブザーバへの入力情報とし
て、前記外乱オブザーバそれぞれを用いて推定した各主
電動機に対応した電気車の動輪の推定接線力係数と接線
力係数の時間微分値の推定値を用いて前記二台の主電動
機のトルク指令値または発生トルクをそれぞれ独立に制
御する制御器を設けた電気車制御装置であって、前記そ
れぞれの動軸の推定接線力係数と接線力係数の時間微分
値の推定値を互いに他方の主電動機へのトルク指令値を
演算する前記制御器へ入力して各主電動機へのトルク指
令値を演算し、より一層再粘着制御の安定化を図るよう
構成したことを特徴とする電気車制御装置である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の電気車制御装置に
ついて、図示の実施例を用いて詳細に説明する。図１は
本発明の再粘着制御系の実施例を示すブロック図、図２
は本発明の実施例で用いる外乱オブザーバのブロック
図、図３は本発明の実施例を用いて再粘着制御したシミ
ュレーション結果の例を示す図、図４は本発明の再粘着
制御系・主電動機トルク制御系および台車を包含した全
体の系を示す図、図５は図４に対応した系のインパルス
応答の例(微分ゲインK Ｌ =100のとき)、図６は図４に
対応した系のインパルス応答の例(微分ゲインK Ｌ = 0
のとき)である。

【００２０】図１において、二台の主電動機それぞれの
トルク指令値または発生トルクの演算値と、速度センサ
によって検出した前記二台の主電動機軸の回転速度をそ
れぞれの主電動機に対応した外乱オブザーバへの入力情
報として、前記外乱オブザーバそれぞれを用いて推定し
た各主電動機に対応した電気車の動輪の推定接線力係数
と接線力係数の時間微分値の推定値を用いて前記二台の
主電動機のトルク指令値または発生トルクをそれぞれ独
立に制御する制御器を設けた電気車制御装置であって、
前記それぞれの動軸の推定接線力係数と接線力係数の時
間微分値の推定値を互いに他方の主電動機へのトルク指
令値を演算する前記制御器へ入力して各主電動機へのト
ルク指令値を演算し、より一層再粘着制御の安定化を図
るよう構成したものである。

【００２１】すなわち、図示しない速度センサによって
検出した第一の主電動機回転速度ωm1と、第一の主電動
機へのトルク指令値T ＰＩ１ が第一の外乱オブザーバ
１に入力され、第一の外乱オブザーバ１によって第一の
動軸の接線力係数の推定値μh1と接線力係数の時間微分
値の推定値μdh1 が、前述した手段と同様にして演算さ
れる。そして、第一の動軸の接線力係数の推定値μh1と
接線力係数の時間微分値の推定値μdh1 が、第二の主電
動機へのトルク指令値演算器（制御器）４に入力され
る。

【００２２】また、同様に図示しない速度センサによっ
て検出した第二の主電動機回転速度ωm2と、第二の主電
動機へのトルク指令値T ＰＩ２ が第二の外乱オブザー
バ２に入力され、第二の外乱オブザーバ２によって第二
の動軸の接線力係数の推定値μh2と接線力係数の時間微
分値の推定値μdh2 が演算され、これが第一の主電動機
へのトルク指令値演算器（制御器）３へ入力される。そ
して、外乱オブザーバ１は、図２（公知技術であるため
説明を割愛する）に示すような１次外乱オブザーバを想
定し、このオブザーバで接線力係数の推定値μh1と接線
力係数の時間微分値の推定値μdh1 を演算し、第２軸の
トルク指令値演算器４に出力する。トルク指令値演算器
４では(5)式に従って第２軸のトルク指令値T'ＰＩ２
を求め、加算器８に出力する。

【００２３】 T'ＰＩ２ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(5) 一方、外乱オブザーバ２で推定された第２軸の接線力係
数の時間微分値の推定値μdh2 は、外乱オブザーバ２か
らトルク低減関数発生器６に対して出力される。トルク
低減関数発生器６では、入力された接線力係数の時間微
分値の推定値μdh2 について、μdh2 ＜０の条件がある
時間継続して成立すると空転が発生したと認識して、図
８に示すようなトルク低減関数C(t)を発生し、加算器８
に対して出力する。したがって、加算器８の出力である
図示しない第２軸の主電動機トルク制御系に対するトル
ク指令値T ＰＩ２ は空転検知していない場合には(6)
式で、空転検知した場合は(7) 式によって求められる。

【００２４】 T ＰＩ２ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(6) T ＰＩ２ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1+ C(t) ・・・・・(7) 第１軸についても、同じように、外乱オブザーバ２で推
定された第２軸の接線力係数の推定値μh2と第２軸の接
線力係数の時間微分値の推定値μdh2を第１軸のトルク
指令値演算器３に入力し、トルク指令値演算器３では
(8) 式に従って第１軸のトルク指令値T'ＰＩ１ を求
め、加算器７に出力する。

【００２５】 T'ＰＩ１ = K Ｉ ・μh2 + K Ｌ・μdh2 ・・・・・・(8) そして、外乱オブザーバ１で推定された第１軸の接線力
係数の時間微分値の推定値μdh1 は、外乱オブザーバ１
からトルク低減関数発生器５に対して出力される。トル
ク低減関数発生器５では、入力された接線力係数の時間
微分値の推定値μdh1 について、μdh1 ＜０の条件があ
る時間継続して成立すると空転が発生したと認識して、
図８に示すようなトルク低減関数C(t)を発生し、加算器
７に対して出力する。したがって、加算器７の出力であ
る図示しない第１軸の主電動機トルク制御系に対するト
ルク指令値T ＰＩ１ は空転検知していない場合には
(9)式で、空転検知した場合は(10)式によって求められ
る。

【００２６】 T ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(9) T ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1+ C(t)・・・・・(10) このように、各軸の接線力係数の推定値とその時間微分
値を、互いに他の軸の主電動機トルク指令値演算器に入
力させるようにした再粘着制御系を構成すると、図４に
示したこの再粘着制御系と主電動機トルク制御系および
台車を包含した全体系のブロック図において、第１軸の
トルクインパルス入力に対して、第１軸主電動機トルク
制御系へのトルク指令値T ＰＩ１ を出力とした場合
の、図４に示す全体系のインパルス応答は図５に示すよ
うに、収斂系とすることができる (微分ゲインK Ｌ ＝
100とした場合) 。微分ゲインK Ｌ ＝ 0とした場合に
ついても、図６に示すように収斂系とすることができ
る。

【００２７】このように系全体を収斂系とすることがで
きるので、図３に示したこのような再粘着制御系を構成
した場合の再粘着制御状態のシミュレーション結果をみ
ればわかるように、安定な制御状態が得られ、また、粘
着力の有効利用が図れることが、接線力係数の利用率か
らも了解できる。なお、上記においてはトルク指令値を
用いるものとして実施例の説明を行なったが、主電動機
の発生トルクの演算値をトルク指令の代わりに外乱オブ
ザーバへ入力するように構成しても、同じ制御動作が得
られるので、発生トルクの演算値を用いる場合について
は説明を割愛する。

【００２８】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
同一台車内の各軸の主電動機を別々の電力変換器を用い
て駆動するシステムにおいて、第１軸の外乱オブザーバ
によって推定した接線力係数の推定値と接線力係数の時
間微分値の推定値を第２軸の主電動機トルク指令値演算
器に入力し、第２軸の外乱オブザーバによって推定した
接線力係数の推定値と接線力係数の時間微分値の推定値
を第１軸の主電動機トルク指令値演算器に入力するよう
にすることで、再粘着制御系・台車等を含む系全体を台
車のパラメータ（台車枠の慣性モーメント、軸バネ定数
等）の如何によらず、常に安定な制御系を構成できるの
で、粘着力の有効利用を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の再粘着制御系の実施例を示すブロック
図である。

【図２】本発明の実施例で用いる外乱オブザーバのブロ
ック図である。

【図３】本発明の実施例を用いて再粘着制御したシミュ
レーション結果の例を示す図である。

【図４】本発明の再粘着制御系・主電動機トルク制御系
および台車を包含した全体の系を示す図である。

【図５】図４に対応した系のインパルス応答の例(微分
ゲインK Ｌ =100のとき)である。

【図６】図４に対応した系のインパルス応答の例(微分
ゲインK Ｌ = 0 のとき)である。

【図７】従来の各軸独立に再粘着制御系を構成する場合
の一例を示す図である。

【図８】空転・滑走検知したときに発生するトルク低減
関数C(t)の例を示す図である。

【図９】台車の簡略図である。

【図10】従来の各軸独立に再粘着制御系を構成した場合
の再粘着制御のシミュレーション結果の例である。

【図11】 従来の各軸独立に再粘着制御系を構成した再
粘着制御系・主電動機トルク制御系および台車を包含し
た全体の系を示す図である。

【図12】図11に対応した系のインパルス応答の例(微分
ゲインK Ｌ =100のとき)である。

【図13】図11に対応した系のインパルス応答の例(微分
ゲインK Ｌ = 0 のとき)である。

【図14】接線力係数あるいは接線力のすべり速度に対す
る一般的な特性を示す図である。

【符号の説明】

１、９ 第１軸の外乱オブザーバ ２、10 第２軸の外乱オブザーバ ３、11 第１軸の主電動機へのトルク指令値を演算する
トルク指令値制御器 ４、12 第２軸の主電動機へのトルク指令値を演算する
トルク指令値制御器 ５、６、13、14 トルク低減関数発生器 ７、８、15、16 加算器 17 台車枠 18、19 軸バネ 20、21 吊りリンク 22、23 主電動機 24、25 歯車箱 25、26 大歯車 27、32 第１軸の外乱オブザーバ 28、33 第２軸の外乱オブザーバ 29、34 第１軸の主電動機へのトルク指令値を演算する
トルク指令値制御器 30、35 第２軸の主電動機へのトルク指令値を演算する
トルク指令値制御器 31、36 主電動機トルク制御系および台車 37、38、39、40 加算器 ωm1 第一軸の主電動機回転速度 ωm2 第二軸の主電動機回転速度 T ＰＩ１ 第一軸の主電動機へのトルク指令値 T ＰＩ２ 第二軸の主電動機へのトルク指令値 μh1 第一軸の動軸の接線力係数の推定値 μh2 第二軸の動軸の接線力係数の推定値 μdh1 第一軸の動軸の接線力係数時間微分値の推定値 μdh2 第二軸の動軸の接線力係数時間微分値の推定値 C(t) トルク低減関数 Tm トルク指令値 ωm 主電動機の回転角速度 ThL 負荷トルクの推定値 TdhL 負荷トルクの時間微分値の推定値 μdh 接線力係数時間微分値の推定値 μh 接線力係数の推定値 Jm 主電動機軸でみた慣性モーメント a 、b 定数 s ラプラス演算子 Rg 歯車比 W ・g 軸重 r 動輪の半径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮下 一郎 神奈川県横浜市金沢区福浦３丁目８番地 東洋電機製造株式会社横浜製作所内 (72)発明者 保川 忍 神奈川県横浜市金沢区福浦３丁目８番地 東洋電機製造株式会社横浜製作所内 Ｆターム(参考） 5H115 PC02 PG01 PU01 QE14 QN24 QN28 RB11 TB02

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二台の主電動機それぞれのトルク指令値
   または発生トルクの演算値と、速度センサによって検出
   した前記二台の主電動機軸の回転速度をそれぞれの主電
   動機に対応した外乱オブザーバへの入力情報として、前
   記外乱オブザーバそれぞれを用いて推定した各主電動機
   に対応した電気車の動輪の推定接線力係数と接線力係数
   の時間微分値の推定値を用いて前記二台の主電動機のト
   ルク指令値または発生トルクをそれぞれ独立に制御する
   制御器を設けた電気車制御装置において、 前記それぞれの動軸の推定接線力係数と接線力係数の時
   間微分値の推定値を互いに他方の主電動機へのトルク指
   令値を演算する前記制御器へ入力して各主電動機へのト
   ルク指令値を演算し、より一層再粘着制御の安定化を図
   るよう構成したことを特徴とする電気車制御装置。