JP2005333734A - 車両用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加速度異常を検出し、過加速度状態に陥ることを防止する。
【解決手段】 トルク指令発生部１０では、加速度算出手段１１が加速度を算出し、判定手段１２がその加速度が加速度異常検出値を超えているかどうかを判定する。加速度が加速度異常検出値を超えると、判定手段１２によって加速度異常（過加速度）の判定がなされ、制御手段１３に通知される。制御手段１３では、判定手段１２の判定結果が加速度異常の状態であるので力行制御を停止させ、これに応じたトルク指令を算出し、電力変換装置パルス発生器２０経由で電力変換装置３０に出力する。電力変換装置３０は、このトルク指令に従って主電動機４１、４２、４３、４４を制御するので、加速度異常の状態が回避される。
【選択図】 図１

Description

本発明は車両用制御装置に関し、特に車両重量に応じた荷重検出信号に基づいてトルク指令を演算して駆動用の電力変換装置を運転することにより、車輪を駆動する主電動機をトルク制御する車両用制御装置に関する。

従来、鉄道車両の車両用制御装置は、車輪を駆動する主電動機を制御する電力変換装置と、電力変換装置にトルク指令を与えるトルク指令発生装置とを具備し、運転台（列車制御装置）からの運転指令に基づいて主電動機をトルク制御して、所望の速度で走行するように車輪を駆動させる。

ところで、車両用制御装置では、加速時に、車両重量によらず一定の加速度で車両が加速されるように制御が行われている。具体的には、車両重量に応じた応荷重信号が生成され、トルク指令発生装置に入力される。トルク指令発生装置は、入力された応荷重信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、電力変換装置は、トルク指令に従い、主電動機をトルク制御する。

このように、応荷重信号に応じて主電動機をトルク制御することによって、車両に乗り込んだ乗客数に応じて車両の重量が変化した場合であっても、一定の加速度で車両を加速することが可能となり、乗客に対し安全で快適な車両走行状態を提供していた。

また、車両用制御装置の安全対策として、運転台（列車制御装置）からの運転指定に対応した電流を主電動機に対して供給する主回路制御装置であって、主回路システムの負荷増大を防止するため、力行中における加速度評価を行って間接的に主回路システムの負荷状態を判断する主回路システムの保護装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−７８１１１号公報（段落番号〔００１６〕〜〔００４０〕、図１）

しかし、従来の車両用制御装置では、所定の加速度を超えて加速される危険を防止することができないという問題点があった。
従来の車両用制御装置では、応荷重信号に比例させて主電動機のトルク制御を行っている。このため、たとえば、応荷重信号が何らかの理由でプラス側の異常値を出力した場合、実際の車両重量より重い状態の場合に必要な電力が主電動機に供給され、車両は所定の加速度以上で加速されることになるという問題点がある。この結果、車両は急加速されることになり、加速度が高すぎたことによる乗客の転倒などの危険が予想される。しかしながら、従来の車両用制御装置では、加速度異常を検出することができず、このような車両の急加速を防止することはできなかった。

また、上記の説明の主回路システムの保護装置は、走行中の車両の加速度より加速度が低下したことを検出して駆動装置が異常であることを検出しようとするもので、加速度が所定の値を超えた場合には、同様の問題が発生する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、加速度異常を検出し、過加速度状態に陥ることを防止する車両用制御装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、車両重量に応じた荷重検出信号に基づいて車輪を駆動する主電動機をトルク制御し、過加速度を検出すると、力行制御を停止させ、加速度異常の状態を防止する車両用制御装置を提供する。このため、この車両用制御装置は、加速度を算出する加速度算出手段と、加速度が規定値を超えているかどうかを判定する判定手段と、判定結果に応じて力行制御を停止させる制御手段と、を具備する。

ここで、加速度算出手段は、車両の走行速度を測定する速度センサによって生成される速度信号を入力し、速度信号から加速度を算出する。判定手段は、加速度算出手段の算出した加速度の値が、通常走行では起こりえない加速度など予め設定された所定の規定値を超えているかどうかを判定する。加速度が規定値を超えていれば、加速度異常の状態と判定される。制御手段は、判定手段の判定結果に基づき、加速度異常の状態であると判定された場合、力行制御を停止させる。

このような車両用制御装置によれば、車両の走行速度は、速度センサによって監視されている。加速度算出手段は、この速度センサの生成する速度信号から加速度を算出し、判定手段に送る。判定手段は、算出された加速度を所定の規定値と比較し、加速度が規定値を超えている場合、加速度異常の判定を行う。制御手段は、判定手段により、加速度異常と判定された場合、力行制御を停止し、車両の加速を止める。これにより、過加速度状態となることを防止する。

本発明の車両用制御装置は、車両の走行速度を用いてその加速度を監視しており、加速度が規定値を超えると、加速度異常として、力行制御を停止させる。これにより、何らかの原因により加速度が所定の値を超え、過加速度の状態に陥ることを防止することができる。この結果、急加速による乗客の転倒などを防止でき、安全な走行が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず、実施の形態に適用される発明の概念について説明し、その後、実施の形態の具体的な内容を説明する。
図１は、本発明の実施の形態に適用される発明の概念図である。

本発明にかかる車両用制御装置は、運転台からの指示に従ってトルク指令を発生させるトルク指令発生部１０、トルク指令に応じたパルス信号を発生させる電力変換装置パルス発生器２０、トルク指令に従って主電動機を駆動する電力変換装置３０、車輪を駆動する主電動機４１、４２、４３、４４、走行速度を検出する速度センサ５１、５２、５３、５４、車両の走行速度を演算する速度演算器６０および車両の重量を検出する応荷重検出器７０を具備する。

トルク指令発生部１０は、車両用制御装置の主制御部で、加速度を算出する加速度算出手段１１、加速度異常（過加速度）の状態であるかどうかを判定する判定手段１２およびトルク指令を算出する制御手段１３を有し、運転台にある列車制御装置からの運転指令（ノッチ信号）と、応荷重検出器７０の生成する車両重量に応じた応荷重信号とに基づき、トルク指令を算出する。

加速度算出手段１１は、速度演算器６０の算出する車両の走行速度から加速度を算出し、算出された加速度を判定手段１２に送る。
判定手段１２は、加速度算出手段１１の算出した加速度を予め設定された所定の規定値と比較し、加速度が所定の規定値を超えているかどうかを調べる。なお、所定の規定値は、異常と判定される加速度異常検出値で、たとえば、車両が健全な走行をしている場合の加速度の１．５倍といった値が設定される。加速度が加速度異常検出値を超えている場合、加速度異常（過加速度）の状態であると判定される。判定結果は、制御手段１３へ通知する。

制御手段１３は、判定手段１２の判定結果が加速度異常の状態であった場合、力行制御を停止させ、これに応じたトルク指令を算出し、電力変換装置パルス発生器２０に出力する。一旦、加速度異常により力行制御を停止させた場合、所定の解除条件が成立するまで、力行制御の停止を継続する。所定の解除条件として、たとえば、列車制御装置からの力行指令を設定することができる。なお、力行指令を再開する場合であっても、そのままではまた加速度異常の状態に陥る可能性があるので、予め設定された低レベルの応荷重信号によってトルク指令を算出する。低レベルの応荷重信号として、たとえば、車両が空の状態を示す応荷重信号の最低値に固定する。この低レベルの応荷重信号を用いた力行制御も、所定の解除条件が成立するまで継続される。所定の解除条件として、たとえば、電源リセットが設定される。なお、加速度異常が検出されるまでの通常の状態では、列車制御装置からのノッチ信号と、応荷重検出器７０の応荷重検出信号に基づき、トルク指令が算出される。

電力変換装置パルス発生器２０は、トルク指令発生部１０の生成したトルク指令に基づきパルス信号を発生させ、電力変換装置３０に出力する。
電力変換装置３０は、架線１０１から電力を取り込み、トルク指令に応じて出力される電力変換装置パルス発生器２０のパルス信号に応じて、主電動機４１、４２、４３、４４に電流を供給する。なお、接地は、レール１０２になる。

主電動機４１、４２、４３、４４は、電力変換装置３０から電流を供給され、車輪を駆動する。
速度センサ５１、５２、５３、５４は、主電動機４１、４２、４３、４４のトルクに基づき、速度信号を生成し、速度演算器６０へ出力する。

速度演算器６０は、各速度センサ５１、５２、５３、５４の速度信号から車両の走行速度を算出する。たとえば、空転による誤検出を防止するため、速度センサ５１、５２、５３、５４の速度信号の最低速度を車両速度として出力する。

応荷重検出器７０は、車両の重量を検出し、重量に応じた荷重検出信号として、応荷重信号を生成し、トルク指令発生部１０へ出力する。
このような構成の車両用制御装置の動作について説明する。

通常状態では、加速度算出手段１１によって算出される加速度は、加速度異常検出値を越えることはなく、判定手段１２による加速度比較の結果、正常な状態であると判断される。制御手段１３は、列車制御装置からノッチ信号と応荷重検出器７０の生成する応荷重信号などに基づいてトルク指令を算出する。列車制御装置から力行指令のノッチ信号を取得すると、力行指令と応荷重信号に応じて、現時の車両重量に応じて走行速度を加速させるトルク指令を算出し、電力変換装置パルス発生器２０に出力する。電力変換装置パルス発生器２０は、トルク指令に応じたパルス信号を電力変換装置３０に出力する。電力変換装置３０は、トルク指令に応じたパルス信号に従って主電動機４１、４２、４３、４４を制御し、車輪を駆動させ、走行速度を加速させる。このようなトルク制御により、車両は、車両重量によらず、一定の加速度で加速される。

ここで、たとえば、応荷重検出器７０が何らかの原因でプラス側の異常値を出力したとする。すると、トルク指令発生部１０の制御手段１３は、プラス側の異常値に基づくトルク指令を算出する。電力変換装置３０は、電力変換装置パルス発生器２０経由で入力されるトルク指令に従って主電動機４１、４２、４３、４４を制御し、車輪を駆動させる。速度センサ５１、５２、５３、５４は、主電動機４１、４２、４３、４４のトルクに基づき、速度信号を生成し、速度演算器６０へ出力する。速度演算器６０は、速度信号から車両の走行速度を算出し、トルク指令発生部１０へ通知する。主電動機４１、４２、４３、４４のトルクは、プラス側の異常な応荷重信号に基づいて設定されており、速度センサ５１、５２、５３、５４が主電動機４１、４２、４３、４４のトルクに応じて検出する速度信号は、通常の加速度よりも高い値となる。したがって、トルク指令発生部１０に通知される走行速度も高い値となる。

トルク指令発生部１０では、加速度算出手段１１が加速度を算出し、判定手段１２がその加速度が加速度異常検出値を超えているかどうかを判定する。走行速度は、プラス側の異常な応荷重信号により高い値となっており、算出される加速度も高い値となる。そして、加速度が加速度異常検出値を超えると、判定手段１２によって加速度異常（過加速度）の判定がなされ、制御手段１３に通知される。

制御手段１３では、判定手段１２の判定結果が加速度異常の状態であるので力行制御を停止させ、これに応じたトルク指令を算出し、電力変換装置パルス発生器２０に出力する。電力変換装置３０は、電力変換装置パルス発生器２０経由で入力されるトルク指令に従って主電動機４１、４２、４３、４４を制御するので、加速度異常の状態が回避される。

一旦、加速度異常により力行制御を停止させた場合、トルク指令発生部１０は、所定の解除条件が成立するまで、力行制御の停止を継続する。所定の解除条件として、たとえば、列車制御装置からの力行指令である場合、ノッチ信号で力行指令を受け取ると、力行制御を再開する。このとき、予め設定された低レベルの応荷重信号によってトルク指令を算出する。低レベルの応荷重信号として、たとえば、応荷重信号を、空の状態の車両重量に応じた最低値などに固定する。このトルク指令に従って主電動機４１、４２、４３、４４が制御されるので、再び加速度異常の状態となることを防止することができる。

なお、この低レベルの応荷重信号を用いた力行制御は、所定の解除条件、たとえば、電源リセットが発生するまで継続される。
このように、本発明によれば、速度センサ５１、５２、５３、５４の検出する走行速度を用いて加速度を監視しており、トルク指令発生部１０は、加速度異常を検出すると、力行制御を停止させる。そして、たとえば、列車制御装置からの力行指令によって力行制御を再開するが、このときの力行制御は、予め設定された低レベルの応荷重信号を用いて行われる。これにより、過加速度となることを防止することができるとともに、一旦加速度異常を検出すると、所定の解除条件が成立するまで、再び過加速度となることを防止するようにトルク制御が行われる。この結果、車両を安全に走行させることが可能となる。

ここで、車両速度と主電動機トルク、および加速度との関係について説明する。図２は、車両の力行特性カーブを示した図である。（Ａ）は、車両速度の時間変化、（Ｂ）は車両速度の変化に応じた主電動機トルクの変化、（Ｃ）は車両速度の変化に応じた加速度の変化を示している。図から明らかなように、主電動機のトルクの変化に応じて、車両速度が変化し、電動機トルクが急激の増加する場合には車両速度も急上昇し、電動機トルクが一定の定トルク領域では、車両速度は一定の割合で増加する。また、このときの加速度は、電動機トルクと同じ形状の変化を示すことがわかる。

このように、主電動機トルク（Ｆ）と、車両の加速度（α）との関係は、
車両加速度（α）＝１／質量（Ｍ）×主電動機トルク（Ｆ） ・・・（１）
と表すことができる。すなわち、車両の質量（Ｍ）が同じ状態では、車両の加速度（α）は、主電動機トルク（Ｆ）に比例する。よって、主電動機のトルクから速度信号を検出し、この速度検出信号から加速度を算出し、この加速度が加速度異常検出値を超えたかどうかを検出することで、加速度異常の状態を検出することが可能である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図３は、本発明の実施の形態の車両用制御装置のトルク指令発生部のブロック図である。図は、図１に示した車両用制御装置のトルク指令発生部１０の具体的な構成例を示している。

本発明の実施の形態のトルク指令発生部は、加速度算出手段を構成する微分器１１０、判定手段を構成する比較器１２０、制御手段を構成する制御部１３０および判定結果を保持する保持器１（１４１）と保持器２（１４２）を有する。

微分器１１０は、速度演算器６０の算出する車両速度とノッチ信号を入力し、ノッチ信号に基づき、力行制御が行われている場合に、車両速度を微分演算して加速度信号を生成する。加速度信号は、比較器１２０へ出力される。

比較器１２０は、微分器１１０の出力した加速度信号と予め設定された異常加速度検出値を比較し、比較結果を保持器１（１４１）と保持器２（１４２）へ出力する。たとえば、加速度信号の値が異常加速度検出値を超えた場合に１、超えない場合に０を出力する。

保持器１（１４１）および保持器２（１４２）は、比較器１２０の判定結果が１（加速度異常の状態）となった場合、所定の解除条件が成立するまで、この比較結果を保持する。保持器１（１４１）と、保持器２（１４２）では、解除条件が異なり、保持器１（１４１）の場合は、力行指令を受けたとき、すなわちノッチオンでリセットされる。この保持器１（１４１）は、力行制御の停止／実行を指示するゲート制御信号として機能する。保持器２（１４２）の場合は、電源リセットが発生したときにリセットされる。この保持器２（１４２）は、応荷重信号として、応荷重検出器７０の出力信号を使用するか、固定の応荷重信号（最低値）を使用するかを指示する応荷重制御信号として機能する。

制御部１３０は、保持器１（１４１）および保持器２（１４２）の信号に基づき、トルク指令を算出する。
保持器１（１４１）および保持器２（１４２）がともに０の通常の状態の場合は、保持器１（１４１）のゲート制御信号は力行制御の実行指示、保持器２（１４２）の応荷重制御信号は応荷重検出器７０の出力信号指示であるので、ノッチ信号と応荷重検出器７０の応荷重信号に基づきトルク指令を演算する。

加速度異常が検出され、保持器１（１４１）および保持器２（１４２）がともに１となった場合は、保持器１（１４１）のゲート制御信号は力行制御の停止指示、保持器２（１４２）の応荷重制御信号は固定応荷重信号（最低値）選択指示であるので、力行制御を停止させる。

続いて、ノッチオンにより保持器１（１４１）がリセットされ、保持器１（１４１）が０、保持器２（１４２）が１となった場合は、保持器１（１４１）のゲート制御信号は力行制御の実行指示、保持器２（１４２）の応荷重制御信号は固定応荷重信号（最低値）選択指示であるので、力行制御を再開し、固定応荷重信号（最低値）に基づきトルク指令を演算する。

以上の構成のトルク指令発生部１０の処理動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態のトルク指令発生部の処理手順を示したフローチャートである。トルク指令発生部１０は、予め決められた定周期ごとなど、所定のタイミングで処理を開始する。

［ステップＳ０１］ ノッチ信号によって、力行制御が行われると判断された場合、主電動機のトルクより算出された走行速度を微分演算して加速度を算出する。
［ステップＳ０２］ 加速度と予め設定された加速度異常検出値とを比較し、加速度が加速度異常検出値を超えているかどうか調べる。超えている場合は、加速度異常状態であると判定する。

［ステップＳ０３］ 比較の結果、加速度異常状態であることが検出されたかどうかを判断する。加速度異常状態でなければ、処理をステップＳ０５へ進める。
［ステップＳ０４］ 加速度異常状態であることが検出された場合、保持器１（１４１）と保持器２（１４２）に、１を設定する。保持器１（１４１）および保持器２（１４２）は、それぞれの解除条件が成立するまで、この値を保持する。

以上の処理手順が実行されることにより、加速度を監視し、加速度異常状態を検出した場合には、保持器１（１４１）と保持器２（１４２）に１がセットされる。続いて、トルク指令算出処理が行われる。

［ステップＳ０５］ 保持器１（１４１）に保持された情報が１（ゲートオフ選択）であるかどうかを判定する。１でない場合は、処理をステップＳ０７へ進める。
［ステップＳ０６］ 保持器１（１４１）が１、すなわち、加速度異常状態が検出され、まだノッチオンリセットが行われていない状態であるので、力行制御を停止させ、処理を終了する。

［ステップＳ０７］ 保持器１（１４１）が０の場合、保持器２（１４２）に保持された情報が１（固定応荷重制御選択）であるかどうかを判定する。１でない場合は、処理をステップＳ０９へ進める。

［ステップＳ０８］ 保持器１（１４１）が０で保持器２（１４２）が１、すなわち、加速度異常状態が検出され力行制御の停止後にノッチオンリセットが行われた後の状態であるので、固定の応荷重信号（最低値）により力行制御を行い、処理を終了する。

［ステップＳ０９］ 保持器１（１４１）および保持器２（１４２）がともに０、すなわち、通常の状態であるので、通常の力行制御を行い、処理を終了する。
以上の処理手順が実行されることにより、通常状態では通常の力行制御、加速度異常検出で力行制御停止、その後のノッチオンリセットで固定応荷重信号（最低値）による力行制御、の各処理が行われる。

上記の説明のように、本発明の実施の形態では、加速異常になったことで速やかに力行制御を止めるため、保持器１（１４１）では、ゲートオフ信号を出力する。この保持器１（１４１）は、ノッチオンにてリセット可能として、次の力行操作を受け付けるようにする。また、保持器２（１４２）の出力信号は、応荷重信号を最低値とするように応荷重信号の選択を制御する。この保持器２（１４２）のリセットは、電源リセットまたは特定スイッチによるリセットとして、容易にリセットできないようにする。

これにより、最初に加速度異常を検出したときは、ゲートオフ信号によってすぐに力行制御を停止し、次に力行制御から最低値の応荷重信号で力行制御することになり、再び特定の操作をしないかぎり、異常な応荷重信号に基づいて力行制御は行わないことになる。

なお、１編成に１台の駆動装置しか存在しない場合は、上記制御を行うこととし、複数の駆動装置が存在する場合には、単にゲートオフを保持する方法として、駆動装置間で異なるモータトルクを出力することを防止する。

本発明の実施の形態に適用される発明の概念図である。 車両の力行特性カーブを示した図である。 本発明の実施の形態の車両用制御装置のトルク指令発生部のブロック図である。 本発明の実施の形態のトルク指令発生部の処理手順を示したフローチャートである。

符号の説明

１０ トルク指令発生部
１１ 加速度算出手段
１２ 判定手段
１３ 制御手段
２０ 電力変換装置パルス発生器
３０ 電力変換装置
４１、４２、４３、４４ 主電動機
５１、５２、５３、５４ 速度センサ
６０ 速度演算器
７０ 応荷重検出器
１０１ 架線
１０２ レール
１１０ 微分器
１２０ 比較器
１３０ 制御部
１４１ 保持器１
１４２ 保持器２

Claims (5)

1. 車両重量に応じた荷重検出信号に基づいてトルク指令を演算して駆動用の電力変換装置を運転することにより、車輪を駆動する主電動機をトルク制御する車両用制御装置において、
   車両の走行速度を測定する速度センサの生成する速度信号を入力し、前記速度信号から加速度を算出する加速度算出手段と、
   前記加速度算出手段によって算出された前記加速度の値が所定の規定値を超え、加速度異常の状態になったかどうかを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって前記加速度異常の状態と判定された場合、力行制御を停止させる制御手段と、
   を具備することを特徴とする車両用制御装置。
2. 前記制御手段は、前記力行制御を停止した後に力行制御指令を入力した場合、予め設定された低いレベルの荷重検出信号値を用いて、前記力行制御を再開させることを特徴とする請求項１記載の車両用制御装置。
3. 前記判定手段によって前記加速度異常と判定された判定結果を所定の解除条件が成立するまで保持する保持手段を具備し、
   前記制御手段は、前記保持手段に保持されている前記加速度異常の判定結果に基づき制御を行うことを特徴とする請求項１記載の車両用制御装置。
4. 前記所定の解除条件は、電源リセットであり、前記保持手段は、電源リセット信号により保持している前記判定結果をリセットすることを特徴とする請求項３記載の車両用制御装置。
5. 前記加速度算出手段は、前記力行制御が行われている場合に、前記速度信号を微分演算して前記加速度を算出することを特徴とする請求項１記載の車両用制御装置。
   
   

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