JP2007215384A - 鉄道車両システム - Google Patents

Abstract

【課題】実際に車両を動作させることなく、事前に制御装置の動作検証を行い、安全性向上が図れる鉄道車両システムを提供する。
【解決手段】本発明は、負荷装置２を駆動する制御装置１を有する鉄道車両システム８において、負荷装置２と等価な応答を実時間で演算して出力するリアルタイムシミュレータ１００を備え、このリアルタイムシミュレータ１００を制御装置１に接続して負荷装置２の制御シミュレーションを実行することで、事前に制御装置１の動作検証が行えるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両システムに関する。

電車や機関車など鉄道車両システムの各種装置では、安全性を確保することが第１であり、そのためには、それぞれの装置の品質確保が重要である。特に、各種の装置を制御するためのソフトウェアは年々複雑化の一途をたどっており、その品質の維持・向上が必須である。

ところが、鉄道車両システムの各種制御装置は、多数の他の装置と連動して動作することや車両毎に仕様が異なることなどから、装置単体での事前の検証を完全に行うのには限界がある。例えば、車両を駆動するための主電動機、それを駆動するＶＶＶＦインバータでは、その容量が大きいために、完全に等価な試験装置を別に備えて、事前に試験検証を実施することは現実的ではない。また、現地にて動作不良が生じた場合に、現地での動作検証を余儀なくされるケースも多い。

そこで、上記の主電動機とＶＶＶＦインバータ装置の場合、それを制御するソフトウェアの動作確認を行うためには、主電動機を実際に励磁して動かすのではなく、単純にＶＶＶＦインバータに内在するスイッチング素子へのゲート信号が出力されるか否か、基本的なシーケンスが正常に機能するかなど、基本的な事項を検証確認するテストモードが用意されているのが一般的である。

しかしながら、一般に装置は、接続された他の装置の応答によって動作するものであり、例えば、上記のテストのように、ＶＶＶＦインバータ装置の負荷である主電動機に通電することもなく、また応答（ここでは電流や回転数のこと）がＶＶＶＦインバータ装置から帰って来ない状況で行われるテストは、装置の全機能を検証確認しているとは言いがたい。そのため、テストを済ませて走行試験を開始したところ、加速不良などの不具合が生じた場合、他の営業走行の電車を遅延させることも起こり得て、乗客に迷惑をかける可能性がある。

また、鉄道車両システムのような大規模システムでは、装置の完全な動作検証を実施する場合には、実際に車両を最高速度まで走行させることが必要である。しかしながら、動作不良を起こし得る装置の動作確認のために高速で走行させること自体、安全性の面から制限される。

従来から、鉄道車両システムの制御をリアルタイムをシミュレーションするリアルタイムシミュレータが開発され、発表されてもいる。例えば、特開２００２−３５４８８０号公報（特許文献１）には、シミュレーションにおいて時間遅れを補償する技術が記載されている。また、特開２００５−１２８８２号公報（特許文献２）には、リアルタイムシミュレータの計算精度を上げる技術が記載されている。また、昭和６２年電気学会全国大会、“インバータ制御電車用リアルタイムシミュレータ”（非特許文献１）には、鉄道用リアルタイムシミュレータを実現したことについて記載されており、平成１７年電気学会全国大会、“鉄道車両用主回路リアルタイムシミュレータ”（非特許文献２）には、ＦＰＧＡで鉄道用リアルタイムシミュレータを実現したことが記載されている。

このように、従来からリアルタイムシミュレータ、リアルタイムシミュレーションの技術は知られている。ところが、リアルタイムシミュレータを利用して上述した問題を解決する技術については、従来、知られていない。
特開２００２−３５４８８０号公報 特開２００５−１２８８２号公報 昭和６２年電気学会全国大会、"インバータ制御電車用リアルタイムシミュレータ" 平成１７年電気学会全国大会、"鉄道車両用主回路リアルタイムシミュレータ"

本発明は、以上のような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、制御装置に接続された負荷装置の挙動を忠実に模擬し、実時間でその応答を返すようなリアルタイムシミュレータ手段を備えることで、実際に車両を動作させることなく、事前に制御装置の動作検証を行うことができ、これにより、走行前の事前に制御装置の品質の確保し、より一層の安全性向上が図れる鉄道車両システムを提供することを目的とする。

本発明は、負荷装置を駆動する制御装置を有する鉄道車両システムにおいて、前記負荷装置と等価な応答を実時間で演算して出力するシミュレータ手段を備え、前記シミュレータ手段を前記制御装置に接続して前記負荷装置の制御シミュレーションを実行することを特徴とするものである。

本発明の鉄道車両システムによれば、制御装置に接続された負荷装置の挙動を忠実に模擬し、実時間でその応答を返すようなリアルタイムシミュレータ手段を備えることで、実際に車両を動作させることなく、事前に制御装置の動作検証を行うことができ、これにより、走行前の事前に制御装置の品質の確保し、より一層の安全性向上が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の鉄道車両システムの一つの実施の形態の構成を示している。本実施の形態の鉄道車両システム８は、主電動機４とこれを駆動するＶＶＶＦインバータ３とによって負荷装置２を構成し、この負荷装置２とＶＶＶＦインバータ３をゲート制御する制御装置１とで電動機駆動システム５を構成している。

本鉄道車両システム８では、車両２０Ａ，２０Ｂを通る車内ＬＡＮ７によって車両制御装置６が負荷装置２の制御装置１と接続してあり、車両制御装置６からのトルク指令値はこの車内ＬＡＮ７を介して負荷装置２用の制御装置１に伝送される。電動機駆動システム５は、車両制御装置６からのトルク指令値に応じたトルクが電動機４から出力されるように制御する。

図２は、この電動機駆動システム５の構成の詳細を示すブロック図であり、制御装置１と負荷装置２を備え、制御装置１を負荷装置２とリアルタイムシミュレータ１００とに切り換えるための切換スイッチ９、そして制御装置１の異常を検出した時に異常検出信号を出力する制御装置異常検出器１３、負荷装置２の異常を検出した時に出力する負荷装置異常検出器１４から構成される。

負荷装置２は、直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換するＶＶＶＦインバータ３、このＶＶＶＦインバータ３の交流電力にて駆動される主電動機４、ＶＶＶＦインバータ３に直流電力を供給する直流電源、入力フィルタ１０で構成されている。そして入力フィルタ１０は突入電流を抑制するフィルタコンデンサ１９とフィルタリアクトル２０、そして直流電源１１の接続の遮断開閉を行う接触器２１から構成されている。

制御装置１は、入力されるトルク指令に基づいて電流指令値を演算する電流指令演算部１５、フィルタコンデンサ１９の直流電圧とＶＶＶＦインバータ３の出力電流とこの電流指令演算部１５の求めた電流指令値とに基づいて出力電圧制御演算を行う出力電圧演算部１６、この出力電圧演算部１６の電圧指令に基づいて変調率を演算する変調率演算部１７、そしてこの辺町立演算部１７の変調率指令に基づきＰＷＭ制御を行いゲート信号をＶＶＶＦインバータ３に出力するＰＷＭ回路１８から構成されている。

制御装置異常検出器１３は負荷装置２のフィルタコンデンサ電圧とインバータ出力電流とに基づいて制御装置１の異常の有無を判断し、異常判断した時にはＰＷＭ回路１８に停止信号を出力し、ＶＶＶＦインバータ３をゲートブロックする。負荷装置異常検出器１４は、負荷電流であるＶＶＶＦインバータ３の交流出力電流を監視し、あるいはシミュレーションモードの際にはリアルタイムシミュレータ１００の信号に基づいて負荷装置の異常の有無を判断し、異常判断時に異常検出信号を出力する。

電動機駆動システム５は、車両制御装置６から得たトルク指令に基づき、制御装置１で電流指令値・出力電圧指令値・変調率を演算してＶＶＶＦインバータ３にゲート信号を送る。このゲート信号によってＶＶＶＦインバータ３が動作し、主電動機４を駆動し、鉄道車両を走行させ、また加減速する。

本実施の形態の特徴として、リアルタイムシミュレータ１００を有している。車両制御装置６から車内ＬＡＮ７を介して伝送されるｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅ信号１２が“０”の時、切換スイッチ９により制御装置１は負荷装置２に接続される。また、ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅ信号１２が“１”の時、切換スイッチ９により制御装置１はリアルタイムシミュレータ１００に接続される。

ここで、リアルタイムシミュレータ１００とは、制御装置１の負荷となる負荷装置２と等価な演算を行い、負荷装置２と同等な応答を実時間で返す装置である。本実施の形態では、直流電源１１たる直流き電回路や入力フィルタ回路１０、ＶＶＶＦインバータ３、主電動機４などが、負荷装置２に含まれる。リアルタイムシミュレータ１００内の演算は、上記の負荷装置２のダイナミクスをモデル化し、演算するものである。よって、リアルタイムシミュレータ１００は、ＶＶＶＦインバータ３を駆動するためのゲート信号を得て、主電動機４の電流や入力フィルタ回路１０のコンデンサ電圧を計算し、制御装置１に返す。尚、負荷装置２を上記のように広くとらえなくとも、最低限必須な構成として、ＶＶＶＦインバータ３と主電動機４だけを負荷装置２と見なすこともできる。

制御装置１の異常を検出するための制御装置異常検出器１３は、本実施の形態では、フィルタコンデンサ１９の直流電圧や主電動機４の交流電流を入力し、異常であると判断した場合には、ＰＷＭ回路１８に作用し、そのゲートブロックする。この異常の検出は、例えば、フィルタコンデンサ１９の直流電圧が異常に上昇した場合、主電動機４の電流が異常に増加した場合、主電動機４の電流のリップル分が異常に増加した場合など、通常の運転において想定されない状況を判断することで、制御装置１の異常を判定する。

尚、本実施の形態では、新たな制御装置異常検出器１３を付加した構成としているが、通常の制御装置には保護検知するための機能が備わっているので、その保護検知機能を制御装置異常検出手段として利用するようにしてもよい。

本実施の形態の電動機駆動システムの動作は、次の通りである。運転士などの操作によって制御装置１の動作確認を実施する場合、車両制御装置６を介して、テストモード（ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅ）を“１”にセットする。これにより、切換スイッチ９が“０”から“１”に切り換えられ、制御装置１は、負荷装置２と切り離され、逆に、リアルタイムシミュレータ１００と接続される。

このリアルタイムシミュレータ１００は、負荷装置２と同等な応答を制御装置１に返すことが可能なものであるから、制御装置１の動作を実際のＶＶＶＦインバータ３や主電動機４など、高圧を印加し、故障などのリスクのある装置を動かさずに確認することができる。特に、従来では「空ノッチ」という特定の動作点で特殊な制御モードにおいてゲート信号がでるか否か、その他、基本的なシーケンスの確認をするにとどまっていたのに対し、本実施の形態によれば、あたかも車両を加減速運転しているかのようなテストが可能であり、詳細な検証が可能になる。この結果、本実施の形態では、制御装置１の品質を、負荷装置２を動かす以前に保障することが可能となり、システムの信頼性を向上することができる。

本実施の形態の電動機駆動システムによる制御装置１のテスト検証は、随時に行うことができるものである。例えば、電車が営業運転のために車両基地より出発する際、運転前点検を実施するが、その際に、図２でｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅ信号１２を“１”にしてリアルタイムシミュレータ１００と制御装置１とを接続し、制御装置１の異常検出を実施することで、制御装置１の異常を運転前に精度よく検出・確認することが可能になる。この結果、鉄道システムの安全性を一層改善することが可能となる。

また、制御装置１のハードウェアを改造したり、ソフトウェアを変更したりした際にはその動作確認を実施する必要がある。そのような場合、安全上の問題から、高圧を印加する負荷装置２で行うことは避けるべきである。これに対し、図２でｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅ信号１２を“１”にすることで、リアルタイムシミュレータ１００を用いて制御装置１の動作確認をすることができる。これによって、鉄道システムの安全性を一層改善することが可能となる。

尚、本実施の形態では、制御装置１の動作を検証するため、実機である負荷装置２を動作させず、リアルタイムシミュレータ１００によって検証することを特徴としている。そのため、制御装置１の動作に問題があっても実害が生じないメリットがある。そこで、あえて切換スイッチ９を用いず、リアルタイムシミュレータ１００の入力（ゲート信号）を常時接続し、代わりに、直流電源１１たる架線を切り離すよう、接触器２１を開放して、高電圧を印加しないように動作させてもよい。

また、本実施の形態では、リアルタイムシミュレータ１００への入力は、ＰＷＭ回路１８の出力であるゲート信号としている。このようにゲート信号を入力すると精度の高い動作検証が行えるが、その分、精度の高い演算を要するリアルタイムシミュレータ１００が要求される。現実には、ゲートレベルでの演算には、マイクロ秒（μｓ）オーダーの極めて高速の情報伝送や処理能力が必要である。後述のように、車内ＬＡＮ７を介してリアルタイムシミュレータ１００を接続する場合には、ＬＡＮ７の伝送速度が制約となる。そこで、リアルタイムシミュレータ１００への入力を、ゲート信号に代えて、例えば、出力電圧演算部１６の出力であるＶＶＶＦインバータ３への出力電圧指令にすることができ、それによっても精度的に低くはなるが、同様な作用効果を得ることができ、精度は低くとも高速応答を求めない遅い情報を用いて検証するようにすれば、システムコスト的に非常に有効である。

また、制御装置１は、ＤＳＰなど制御プロセッサを用いて実現することができる。その場合、制御装置１のソフトウェアの中にリアルタイムシミュレータ１００や制御装置異常検出器１３の機能も組み込むことにより、制御装置１と共にリアルタイムシミュレータ１００や制御装置異常検出器１３も同一の制御プロセッサにて実行させることが可能となる。

そしてその場合、制御装置１の制御プロセッサ内で負荷装置２と等価な応答を演算するシミュレータ機能を実行することで、制御プロセッサが１つで済むため、コストの低減が図れることになる。そして、既存のシステムにおいて、ソフトウェアの変更のみで本実施の形態を実現できる場合もあり、その場合には既存システムへの適用においてもハードウェアの改造が不要であり、少ないコストによって一層の信頼性・安全性を構築したシステムが提供できる。

逆に、上記のように制御装置１の制御プロセッサ内にてシミュレータ機能を実現した場合、その制御プロセッサそのものおよびその周辺回路が異常である場合、その動作確認は達成しえない。この場合、別な制御プロセッサによって行うことで、上述のようなより広い不良モードの検証を行うことができる。この別な制御プロセッサによる実現については、上記の制御装置１の制御プロセッサと同一基板であってもよく、また、基板を収めるラックの別スロットに、専用の基板にて接続したものでもよい。勿論、車内ＬＡＮ７等により、完全な別体の装置であってもかまわない。

（第２の実施の形態）図３は、第２の実施の形態の電動機駆動システムを示している。第２の実施の形態の電動機駆動システムは、第１の実施の形態と比べ、主にリアルタイムシミュレータ１００の接続に特徴を有している。したがって、第１の実施の形態と共通する要素について同一の符号を用いて示してある。

本実施の形態では、リアルタイムシミュレータ１００と負荷装置２を制御装置１に並列接続している。負荷装置２の異常検出をするための負荷装置異常検出器１４には、主電動機４の電流が入力される。また、リアルタイムシミュレータ１００の出力として、主電動機４の電流の演算値を入力する。そして、当該異常検出器１４による負荷装置２の異常の検出は、上記した主電動機４の実電流値とリアルタイムシミュレータ１００の出力する主電動機４の電流演算値とを比較し、その差異が大きい場合に異常と判定する。

負荷装置異常検出器１４が負荷装置異常と判定した場合には、ＰＷＭ回路１８に作用してゲートブロックすることで、ＶＶＶＦインバータ３を保護停止させる。

本実施の形態の場合、負荷装置２を実際に運転させながら、リアルタイムシミュレータ１００をも動作させ、両者の差異から負荷装置２の異常を検出することが可能である。これにより、電動機駆動システム５の動作運転中に、その故障あるいは異常を精度よく検知し、異常のときにはシステムを停止させることができ、鉄道システムの信頼性や安全性をより一層改善することが可能となる。

尚、本実施の形態にあっても、負荷装置２の運転とは、車両の試験運転であっても、営業運転であってもかまわない。

（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の電動機駆動システムについて、図４を用いて説明する。図４は、例えば、車両２０Ａ〜２０Ｃの３両編成におけるリアルタイムシミュレータ１００の接続形態を示している。図４に示す接続形態では、車内ＬＡＮ７上に独立に唯一のリアルタイムシミュレータ１００が接続されている。また、車内ＬＡＮ７には、複数の電動機駆動システム５が接続されている。このリアルタイムシミュレータ１００は車両２０Ｂ側の制御装置１にも、車両２０Ｃ側の制御装置１にも切り換えて接続することができる。そのため、図２に示した第１の実施の形態における切換スイッチ９は、各電動機駆動システム５に設け、リアルタイムシミュレータ１００を各電動機駆動システム５の負荷装置２との間で切り換えて制御装置１に接続する構成とする。

本実施の形態の場合、図４に示すようにリアルタイムシミュレータ１００と車両２０Ｂ，２０Ｃの電動機駆動システム５それぞれの制御装置１とを、車内ＬＡＮ７を介して接続するので、編成内のどこにでもリアルタイムシミュレータ１００を配置することができる。一般に、電動機駆動システム５内の制御装置１は、小型化のために十分な空間的余裕を有していない。そのため、本実施の形態のように編成内のどこにでも配置できるようにすれば、空間的な制約を受けずリアルタイムシミュレータ１００を適当な空きスペースに配置することができる利点がある。

また、本実施の形態のように、１台のリアルタイムシミュレータ１００をもって、複数の制御装置１のリアルタイムシミュレーションおよび動作確認を実施することができる。勿論、同時に複数にはならないが、タイムシェアリングによって、各車両の制御装置１を順次に実施することができる。これにより、リアルタイムシミュレータ１００の共有が可能であり、少ない装置によって複数の駆動システムの動作検証が可能なので、編成としてみたときに要する機器のサイズ、コスト等を最小限に抑えることが可能となる。

（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態を図５を用いて説明する。本実施の形態では、各車両に電動機駆動システム５が搭載され、そのそれぞれに対してリアルタイムシミュレータ１００が用意されている。本実施の形態の場合、各電動機駆動システム５の制御装置１に対して、図２の第１の実施の形態のように各リアルタイムシミュレータ１００を切換スイッチ９を介して負荷装置２と切換可能に接続し、あるいは図３の第２の実施の形態のように各リアルタイムシミュレータ１００を切換スイッチを介さずに負荷装置２と並列に接続する構成である。

本実施の形態によれば、リアルタイムシミュレータ１００を、主電動機４に取り付けられている制御装置１ごとに設けることで、制御装置１ごとの異常検出や動作確認を随時に行うことができる。

また、第３の実施の形態によれば、編成でみた機器のサイズ、コストは抑えられるものの、車内ＬＡＮ７を介して１つのリアルタイムシミュレータ１００に複数の制御装置１を接続して通信する必要があるために、例えば、タイムシェアリングによってそれを実行する必要があり、非接続の期間には異常検出が行えない。これに対して、本実施の形態では、制御装置１ごとに専用のリアルタイムシミュレータ１００を備えるため、一層の信頼性と安全性を向上できる。

尚、編成に複数のリアルタイムシミュレータ１００を備え、車内ＬＡＮ７を介して複数の制御装置１間、またリアルタイムシミュレータ１００間にて情報伝送を可能にすることで、同一の制御装置１を複数のリアルタイムシミュレータ１００によって監視し、その複数のリアルタイムシミュレータ１００の異常判定結果に基づき、最終的な異常判定を行うようにすることもできる。そしてこのような構成にすることで、いずれかのリアルタイムシミュレータ１００自身が故障した場合に、それが波及して正常な電動機駆動システム５を停止させてしまうということがなく、他の健全なリアルタイムシミュレータ１００に代替させて監視環境を直ちに構築することができ、システムの信頼性を向上することができる。

本発明の１つの実施の形態を適用する一般的な鉄道車両システムのブロック図。 本発明の第１の実施の形態の電動機駆動システムのブロック図。 本発明の第２の実施の形態の電動機駆動システムのブロック図。 本発明の第３の実施の形態の電動機駆動システムを搭載した鉄道車両システムのブロック図。 本発明の第４の実施の形態の電動機駆動システムを搭載した鉄道車両システムのブロック図。

符号の説明

１ 制御装置
２ 負荷装置
３ ＶＶＶＦインバータ
４ 主電動機
５ 電動機駆動システム
６ 車両制御装置
７ 車内ＬＡＮ
８ 鉄道車両システム
９ 切換スイッチ
１２ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅ信号
１３ 制御装置異常検出器
１４ 負荷装置異常検出器
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 車両
１００ リアルタイムシミュレータ

Claims (9)

1. 負荷装置を駆動する制御装置を有する鉄道車両システムにおいて、
   前記負荷装置と等価な応答を実時間で演算して出力するシミュレータ手段を備え、
   前記シミュレータ手段を前記制御装置に接続して前記負荷装置の制御シミュレーションを実行することを特徴とする鉄道車両システム。
2. 前記シミュレータ手段と前記制御装置とを車内ＬＡＮを介して接続し、情報の送受信を行うことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
3. 同一編成内の複数の制御装置で、１台のシミュレータ手段を共有すること特徴とする請求項２に記載の鉄道車両システム。
4. 同一編成内の複数の制御装置それぞれに複数のシミュレータ手段それぞれを接続したことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
5. 前記制御装置を前記シミュレータ手段に接続するとともに、前記制御装置を前記負荷装置から切り離す切換手段と、前記制御装置の動作異常を検出する制御装置異常検出手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
6. 前記制御装置を前記負荷装置とともに前記シミュレータ手段に接続し、前記負荷装置からの応答と前記シミュレータ手段からの応答に基づき、前記負荷装置の異常を検出する負荷装置異常検出手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
7. 前記負荷装置は、主電動機と当該主電動機を駆動するためのＶＶＶＦインバータを含み、前記制御装置は、前記主電動機を駆動する前記ＶＶＶＦインバータを制御する制御装置であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の鉄道車両システム。
8. 運転中に異常検出をした場合に、前記制御装置を停止する停止手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載の鉄道車両システム。
9. 前記制御装置は、前記負荷装置を制御するために制御プロセッサを有し、前記シミュレータ手段は、前記制御装置の制御プロセッサを共用することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両システム。
   

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