JP2009023475A - Suspension control device for rolling stock - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄道車両のサスペンション制御装置に関する。 The present invention relates to a suspension control device for a railway vehicle.
鉄道車両の走行時には、レール設置面の傾斜、軌道狂い、横風、旋回走行時に車両に負荷される遠心加速度等を原因として車体に車両の進行方向に対して横方向(以下、単に「横方向」と言う)への振動が作用する。この横方向の振動は、鉄道車両における乗り心地を悪化させる原因となるため、鉄道車両にあっては、この振動を抑制するために、車体と台車の間に空気バネやコイルバネ等を介装して車体が台車から受ける衝撃を吸収すると共に、車体の振動を抑制するべくダンパ、アクチュエータあるいはこれら両方を備えたサスペンション装置を車体と台車との間に介装させる。 When traveling on a railway vehicle, the vehicle body is transverse to the direction of travel of the vehicle (hereinafter referred to simply as “lateral”) due to the inclination of the rail installation surface, track misalignment, crosswind, centrifugal acceleration applied to the vehicle during turning, etc. The vibrations to say) act. Since this lateral vibration causes the riding comfort of the railway vehicle to deteriorate, the railway vehicle is provided with an air spring, a coil spring or the like between the vehicle body and the carriage to suppress this vibration. A suspension device including a damper, an actuator, or both of them is interposed between the vehicle body and the carriage to absorb the impact received by the vehicle body from the carriage and to suppress vibration of the vehicle body.
そして、その一例として、サスペンション装置が発生する制御力を可変とし、このサスペンション装置に出力させる制御力を制御則に則って制御する制御装置が知られており、このような制御装置においては、加速度センサで検知する横方向の加速度信号に基づいてスカイフックセミアクティブ制御を行うようになっている。 As one example, there is known a control device that makes the control force generated by the suspension device variable and controls the control force output to the suspension device in accordance with a control law. Skyhook semi-active control is performed based on a lateral acceleration signal detected by a sensor.
しかしながら、車両が曲線区間を走行する際には、加速度センサで検出する加速度信号には、軌道狂いや横風といった車体に振動させる振動成分のみならず、カント不足による定常的な遠心加速度成分が含まれ、加速度センサで検知する加速度の値がドリフトしてしまい、車体速度の信号のみに基づいてスカイフックセミアクティブ制御したのでは、車体振動を効果的に抑制する事ができない可能性があるため、加速度センサが出力した加速度信号をハイパスフィルタ処理するようにしている。また、加速度信号に含まれるノイズ成分や制御対象周波数領域を超える周波数領域の信号成分をローパスフィルで除去するようにしている(たとえば、特許文献1参照)。
しかしながら、特開平09−207775号公報の技術では、曲線区間走行時における遠心加速度の影響による加速度信号のドリフトを防止できるのであるが、このドリフトを防止するハイパスフィルタ処理のために、以下の問題の新たな問題が生じることになる。 However, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-207775 can prevent the acceleration signal from drifting due to the influence of centrifugal acceleration when traveling in a curved section. However, the following problems are caused by the high-pass filter processing for preventing this drift. New problems will arise.
すなわち、ハイパスフィルタ処理は微分要素となるため、ハイパスフィルタ処理を実施すると、処理後の加速度信号における位相が進む傾向となり、特に、ハイパスフィルタのカットオフ周波数近傍では大きく位相が進んでしまうことになる。 That is, since the high-pass filter process becomes a differential element, when the high-pass filter process is performed, the phase of the acceleration signal after the process tends to advance, and in particular, the phase greatly advances near the cutoff frequency of the high-pass filter. .
そして、振動制御の対象となる加速度の周波数領域は、1Hz程度から10Hz程度の間の領域であるのに対して、ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、上記した曲線区間走行時において定常的に車体に作用する遠心加速度による加速度のドリフトを抑制するために1Hz未満の低い周波数域に設定されるものの、振動制御対象周波数領域の近傍にハイパスフィルタのカットオフ周波数を設定しなくてはならず、振動制御対象周波数領域における加速度信号に無視できない位相進みが生じて、車体振動を抑制できなくなり、サスペンション装置によっては車体を発振させてしまう虞がある。 The frequency range of acceleration that is subject to vibration control is a region between about 1 Hz and about 10 Hz, whereas the cut-off frequency of the high-pass filter is steadily applied to the vehicle body during the above-described curve section travel. Although it is set to a low frequency range of less than 1 Hz to suppress acceleration drift due to the acting centrifugal acceleration, it is necessary to set the cutoff frequency of the high-pass filter in the vicinity of the vibration control target frequency range, and vibration control There is a possibility that a phase advance that cannot be ignored occurs in the acceleration signal in the target frequency region, so that the vibration of the vehicle body cannot be suppressed, and depending on the suspension device, the vehicle body may oscillate.
また、このような事態を避けようとして、加速度信号の位相進みが振動制御に影響を与えない程度の周波数領域でサスペンション装置を制御することも考えられるが、そうすると、振動制御対象周波数領域が狭まってしまって、やはり、車体振動を効果的に抑制できなくなってしまう。 In order to avoid such a situation, it is conceivable to control the suspension device in a frequency range in which the phase advance of the acceleration signal does not affect the vibration control. After all, the vehicle body vibration cannot be effectively suppressed.
そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、車体振動を効果的に抑制することが可能な鉄道車両のサスペンション制御装置を提供する事である。 Accordingly, the present invention has been developed to improve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a railway vehicle suspension control device capable of effectively suppressing vehicle body vibration. is there.
上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、鉄道車両の車体に作用する横方向の加速度を検出する加速度センサが出力する加速度の信号に基づいて制御力を演算し、鉄道車両における車体と車体を支持する台車との間に介装され車両の進行方向に対し横方向の車体の振動を抑制するサスペンション装置に制御力を発生させるべくサスペンション装置を制御する鉄道車両のサスペンション制御装置において、上記信号に含まれる遠心加速度成分を除去するハイパスフィルタと、信号を位相遅れ補償する位相補償器と、を備えた。 In order to achieve the above object, the problem-solving means of the present invention calculates a control force based on an acceleration signal output from an acceleration sensor that detects a lateral acceleration acting on a vehicle body of the railway vehicle, and In a suspension control device for a railway vehicle that controls a suspension device to generate a control force in a suspension device that is interposed between the vehicle body and a carriage that supports the vehicle body and suppresses vibration of the vehicle body in a direction transverse to the traveling direction of the vehicle. And a high-pass filter that removes the centrifugal acceleration component contained in the signal, and a phase compensator that compensates the phase delay of the signal.
本発明による鉄道車両のサスペンション制御装置によれば、曲線区間走行時における遠心加速度による加速度の信号のドリフトをハイパスフィルタで防止できるとともに、ハイパスフィルタ処理で位相が進む信号を位相補償器で処理することにより、信号の位相進みを改善することができる。 According to the railroad vehicle suspension control apparatus according to the present invention, acceleration signal drift due to centrifugal acceleration during traveling in a curved section can be prevented by a high-pass filter, and a signal whose phase is advanced by high-pass filter processing is processed by a phase compensator. Thus, the phase advance of the signal can be improved.
そして、加速度の信号の位相進みが改善されるので、ハイパスフィルタのカットオフ周波数の近傍の周波数領域でサスペンション装置の制御を行っても、車体の振動を効果的に抑制でき、車体振動を発振させるなどの問題も生じさせることが無い。 And since the phase advance of the acceleration signal is improved, even if the suspension device is controlled in the frequency region near the cutoff frequency of the high-pass filter, the vibration of the vehicle body can be effectively suppressed and the vehicle body vibration is oscillated. Such a problem does not occur.
換言すれば、ハイパスフィルタ処理で位相が進んだ信号を使用して制御していた従来の制御装置では、位相進みが大きな周波数領域で制御すると、車体の振動を抑制することができないばかりか加振してしまう場合があるので、このような位相進みが大きな周波数領域については制御を行うことができない制御不能範囲とせざるを得なかったが、このサスペンション制御装置では、位相補償器の処理によって信号の位相進みが改善されるので、従来制御装置では制御不能であった周波数領域まで制御可能な周波数領域とすることができるので、制御可能周波数領域の下限が拡大することになる。すなわち、曲線通過時の定常的な遠心加速度成分の除去と、制御可能周波数領域の下限の拡大とを高次元で両立することができ、サスペンション制御装置は、制御上加速度の信号に含まれることが好ましくない定常的な遠心加速度成分の周波数領域と制御対象周波数領域とが接近する鉄道の制御に最適となる。 In other words, in a conventional control apparatus that uses a signal whose phase has advanced by high-pass filter processing, if it is controlled in a frequency region where the phase advance is large, not only vibration of the vehicle body can be suppressed but also vibration can be suppressed. In such a suspension control device, the signal is processed by the phase compensator. Since the phase advance is improved, the frequency range that can be controlled up to the frequency range that could not be controlled by the conventional control device can be set, so that the lower limit of the controllable frequency range is expanded. That is, it is possible to achieve both high-dimensional removal of steady centrifugal acceleration components when passing a curve and expansion of the lower limit of the controllable frequency range, and the suspension control device may be included in the acceleration signal for control. This is optimal for the control of railways in which the frequency region of undesired stationary centrifugal acceleration components and the frequency region to be controlled approach.
また、位相補償器の処理によって高周波領域のゲインが小さくなるので、サスペンション装置の制御力発生応答遅れによる振動の悪化を抑制することが可能となる。 Moreover, since the gain in the high frequency region is reduced by the processing of the phase compensator, it is possible to suppress the deterioration of the vibration due to the control force generation response delay of the suspension device.
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図1は、一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置を概念的に示す図である。図2は、一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置を搭載した車両の平面図である。図3は、一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置のシステムの一例を示す図である。図4は、ローパスフィルタとハイパスフィルタを合成したフィルタにおけるゲイン曲線の一例である。図5は、ローパスフィルタとハイパスフィルタを合成したフィルタにおける位相曲線の一例である。図6は、ローパスフィルタとハイパスフィルタに位相補償器の特性を合成したフィルタにおけるゲイン曲線の一例である。図7は、ローパスフィルタとハイパスフィルタに位相補償器の特性を合成したフィルタにおける位相曲線の一例である。 The present invention will be described below based on the embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating a railroad vehicle suspension control apparatus according to an embodiment. FIG. 2 is a plan view of a vehicle equipped with a railway vehicle suspension control apparatus according to an embodiment. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a system of a suspension control device for a railway vehicle according to an embodiment. FIG. 4 is an example of a gain curve in a filter that combines a low-pass filter and a high-pass filter. FIG. 5 is an example of a phase curve in a filter that combines a low-pass filter and a high-pass filter. FIG. 6 is an example of a gain curve in a filter that combines the characteristics of a phase compensator with a low-pass filter and a high-pass filter. FIG. 7 is an example of a phase curve in a filter in which the characteristics of a phase compensator are combined with a low-pass filter and a high-pass filter.
一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置1は、図1および図2に示すように、基本的には、鉄道車両の車体Bに作用する車両進行方向に対し横方向の加速度を検出する検知手段たる加速度センサ2と、加速度センサ2が出力する加速度の信号を取り込んでサスペンション装置4を制御する制御部3とを備えて構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
他方、サスペンション制御装置1で制御されるサスペンション装置4は、鉄道車両の進行方向に対して横方向の車体Bの振動を抑制するように車体Bと前後の台車Wとの間に介装されており、サスペンション制御装置1の指令通りに制御力を発生することができるようになっている。なお、この場合、サスペンション装置4は、たとえば、油圧や電動等で推力を発揮するアクチュエータとされている。
On the other hand, the
また、車体Bは、車体Bと台車Wとの間に介装されるエアバネAによって弾性支持され、さらに、台車Wは、台車Wと車軸Rとの間に介装されるバネSによって弾性支持されている。 The vehicle body B is elastically supported by an air spring A interposed between the vehicle body B and the carriage W, and the carriage W is elastically supported by a spring S interposed between the carriage W and the axle R. Has been.
さらに、制御部3は、加速度センサ2が出力する加速度から車体Bの横方向の速度を得てスカイフック制御則に則ってサスペンション装置4が発生すべき制御力Fsを演算し、サスペンション装置4に当該制御力Fsを発生させるべく制御指令を出力するようになっており、サスペンション装置4は、上記したように、当該制御指令を受け取ると、制御指令通りに制御力Fsを発生する。
Further, the
そして、鉄道車両のサスペンション制御装置1における制御部3は、図3に示すように、サスペンション装置4をスカイフック制御するために、加速度センサ2が出力するアナログ電圧でなる加速度の信号に含まれる高周波ノイズを除去するローパスフィルタ5と、ローパスフィルタ5で処理したアナログの信号をデジタル信号に変換するA/D変換器6と、デジタル信号に変換された加速度の信号に含まれる低周波成分を除去するハイパスフィルタ7と、ハイパスフィルタ7で処理した加速度の信号を位相遅れ補償する位相補償器9、位相補償器9によって位相遅れ補償された加速度の信号を積分する積分器8と、この場合、積分器8で積分処理された速度を表す信号を取り込んでスカイフック制御側に則りサスペンション装置4が出力すべき制御力を演算するとともに、当該制御力をサスペンション装置4に出力させるべく制御指令を出力する制御力演算部10と、制御指令のデジタル信号をアナログ電圧の信号に変換するD/A変換器11とを備えて構成されている。
Then, as shown in FIG. 3, the
他方、サスペンション装置4は、この場合、アナログ電圧でなる制御指令を受け取ると、図示しない、駆動源を駆動して制御指令どおりの制御力を発生することになる。
On the other hand, when the
そして、ハイパスフィルタ7、積分器8、位相補償器9および制御力演算部10は、ハードウェア資源として、フィルタ処理、積分演算、制御力演算が可能なように、CPU(Central Prossesing Unit)等の演算処理装置と、上記演算処理装置に記憶領域を提供するRAM(Random Access Memory)等の主記憶装置部と、上記車体傾斜角度の異常検出を行うための処理に使用されるプログラム等が格納されるROM(Read Only Memory)やHD(Hard Disk)等の副記憶装置とを備えており、CPUで上記各種処理を実行することで、上記のハイパスフィルタ7、積分器8、位相補償器9および制御力演算部10が実現されるようになっている。
The high-
なお、本実施の形態の場合、上記した車体Bに作用する横方向の加速度を検出する加速度センサ2は、車体Bの前後の台車W付近に一つずつ設置され、車体Bの床面に沿う横方向の加速度を検知可能な加速度センサとされればよいが、それ以外に、上下方向および前後方向の加速度を検知することが可能な加速度センサとされてもよい。
In the case of the present embodiment, the
つづいて、ローパスフィルタ5は、制御上不要となる車体振動制御の対象の加速度の周波数領域を超える周波数成分である高周波ノイズを除去して、制御性を向上させるために用いられており、この場合、特に、アンチエイリアスフィルタとして機能しているが、ローパスフィルタを省略することも可能である。また、この場合、アナログのフィルタとされているが、デジタル信号を処理するフィルタとして、ハイパスフィルタ7と同様に、CPUによる演算処理によって実現されるようにしてもよい。
Subsequently, the low-
また、ハイパスフィルタ7は、鉄道車両が曲線区間を走行する際に、加速度センサ2が出力する加速度の信号に含まれる車体Bに定常的に作用する遠心加速度の成分を除去するために設置されるものである。この遠心加速度は1Hz未満の低周波であり、ハイパスフィルタ7のカットオフ周波数は信号から遠心加速度成分を除去できるように設定されるが、ハイパスフィルタ7の処理によって加速度の信号の位相が進んでしまうので、1Hz程度から10Hz程度となる振動制御対象の加速度の周波数領域(サスペンション装置4で振動を抑制する対象となる加速度の周波数領域。以下、「振動制御対象周波数領域」と言う)への影響を軽微とするべく、カットオフ周波数をできるだけ1Hz未満でできるだけ小さく設定することが望ましい。
The high-
位相補償器9は、ハイパスフィルタ7の処理で進んだ信号の位相を遅らせる位相遅れ補償要素として設置され、その伝達関数K(s)は、K(s)=k・(T1・s+1)/(T2・s+1)となる。なお、上記式中、kはゲインを、T1,T2は時定数を、sはラプラス演算子を、それぞれ示しており、ただし、T2>T1の関係となっている。すなわち、この位相補償器9によれば、信号の位相を、特に、1/T2<ω<1/T1の範囲で顕著に遅らせることができる。なお、ωは、加速度の信号の角周波数を示している。したがって、時定数T1,T2の設定によって、ハイパスフィルタ7で進んでしまった信号の位相を希望する周波数帯で遅らせることができる。
The
ここで、ローパスフィルタ5およびハイパスフィルタ7を合成したフィルタのボード線図は、たとえば、図4および図5に示すように、振動制御対象周波数領域における位相が進む傾向となり、振動制御対象の周波数領域であるのでゲインは大きくなっている。
Here, the Bode diagram of the filter in which the low-
これに対して、位相補償器9で位相が進んだ信号を位相遅れ補償してやることによって、たとえば、図5および図6に示すように、補償前の破線で示す特性から、補償後の実線で示す特性へ変化し、振動制御対象周波数領域における位相進みが改善されていることが分かる。なお、位相補償器9の時定数T1,T2の設定によって振動制御対象周波数領域における位相進みを改善させるため、その分、振動制御対象周波数領域におけるゲインが小さくなり、より高周波領域についても同様にゲインが小さくなる。
On the other hand, by performing phase lag compensation for the signal whose phase has been advanced by the
なお、位相補償器9は、この場合、ハイパスフィルタ7と積分器8との間に配置されてハイパスフィルタ7で処理した加速度の信号について処理を行うようになっているが、A/D変換器6と制御演算部10との間であれば、処理の順番は任意であり、ハイパスフィルタ7の処理より前に位相遅れ補償を行ってもよいし、積分器8の処理後に位相遅れ補償を行うようにしてもよい。また、ローパスフィルタ5がCPUの演算処理によって実現されるか、位相補償器9がアナログフィルタとして構成されるのであれば、ローパスフィルタ5の前後に任意に配置してもよい。
In this case, the
さらに、制御力演算部10は、ローパスフィルタ5、ハイパスフィルタ7、積分器8、位相補償器9の各処理によって得られた車体Bの横方向の速度Vを示す信号を取り込んで、スカイフックゲインCsに乗算して制御力Fsを演算し、この制御力Fsをサスペンション装置4に当該演算された制御力Fsを発生させるのに必要な制御指令に変換し、当該制御指令をサスペンション装置4に出力する。
Further, the control
このように構成されたサスペンション制御装置1は、曲線区間走行時における遠心加速度による加速度の信号のドリフトをハイパスフィルタ7で防止できるとともに、ハイパスフィルタ処理で位相が進む信号を位相補償器9で処理することにより、信号の位相進みを改善することができる。
The
そして、加速度の信号の位相進みが改善されるので、ハイパスフィルタ7のカットオフ周波数の近傍の周波数領域でサスペンション装置4の制御を行っても、車体Bの振動を効果的に抑制でき、車体振動を発振させるなどの問題も生じさせることが無い。
Since the phase advance of the acceleration signal is improved, the vibration of the vehicle body B can be effectively suppressed even if the
換言すれば、ハイパスフィルタ処理で位相が進んだ信号を使用して制御していた従来の制御装置では、位相進みが大きな周波数領域で制御すると、車体の振動を抑制することができないばかりか加振してしまう場合があるので、このような位相進みが大きな周波数領域については制御を行うことができない制御不能範囲とせざるを得なかったが、このサスペンション制御装置1では、位相補償器9の処理によって信号の位相進みが改善されるので、従来制御装置では制御不能であった周波数領域まで制御可能な周波数領域とすることができるので、制御可能周波数領域の下限が拡大することになる。すなわち、曲線通過時の定常的な遠心加速度成分の除去と、制御可能周波数領域の下限の拡大とを高次元で両立することができ、サスペンション制御装置1は、制御上加速度の信号に含まれることが好ましくない定常的な遠心加速度成分の周波数領域と制御対象周波数領域とが接近する鉄道の制御に最適となる。
In other words, in a conventional control apparatus that uses a signal whose phase has advanced by high-pass filter processing, if it is controlled in a frequency region where the phase advance is large, not only vibration of the vehicle body can be suppressed but also vibration can be suppressed. In such a
また、位相補償器9の処理によって高周波領域のゲインが小さくなるので、サスペンション装置4の制御力発生応答遅れによる振動の悪化を抑制することが可能となる。
In addition, since the gain in the high frequency region is reduced by the processing of the
なお、位相補償器9の処理によって制御対象周波数領域のゲインが小さくなるが、位相進みが改善されるので、ゲインが小さくなっても、振動抑制効果は向上されることになる。
Note that the gain of the control target frequency region is reduced by the processing of the
また、位相補償器9の伝達関数K(s)であるが、ハイパスフィルタ7で進んだ信号の位相を大きく改善する必要がある場合、K(s)=k・{(T1・s+1)/(T2・s+1)}・{(T3・s+1)/(T4・s+1)}としてもよい。T3,T4は時定数であり、ただし、T4>T3。
In addition, the transfer function K (s) of the
さらに、サスペンション装置4は、アクチュエータではなく、減衰力可変ダンパとされてもよいし、アクチュエータとダンパ、あるいは、アクチュエータと減衰力可変ダンパを組み合わせたものとされてもよい。
Further, the
なお、サスペンション装置4が減衰力可変ダンパとされる場合、制御演算部10は、車体Bの速度Vの方向と、車体Bと台車Wの相対速度の方向が一致する場合、制御力Fs=Cs・Vとし、車体Bの速度Vの方向と、車体Bと台車Wの相対速度の方向が一致しない場合、制御力Fs=0として、サスペンション装置4を制御すればよい。
When the
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。 This is the end of the description of the embodiment of the present invention, but the scope of the present invention is of course not limited to the details shown or described.
1 サスペンション制御装置
2 加速度センサ
3 制御部
4 サスペンション装置
5 ローパスフィルタ
6 A/D変換器
7 ハイパスフィルタ
8 積分器
9 位相補償器
10 制御演算部
11 D/A変換器
A エアバネ
B 車体
R 車軸
S バネ
W 台車
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