JP2009290954A - 電気車制御方法及び電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空転滑走の発生の際に生じる他の軸への空転滑走の誘発の適切な抑制の実現。
【解決手段】空転滑走が発生すると、空転滑走した第１軸に対する再粘着制御を行うとともに、他の第２〜第４軸それぞれに対する空転滑走誘発抑制制御を行う。空転滑走誘発抑制制御では、再粘着制御によるトルク引き下げに同期させて、対象軸のトルクを変更させる。トルク変更量Δτ_ｅｂは、空転滑走軸の空転滑走時の加速度αと所定の係数ｋとに基づいて決定する。係数ｋは、空転／滑走の何れであるか、及び、対象軸と空転滑走軸との車両内の配置位置関係等に基づいて決まり、例えば、力行時の空転の場合、対象軸が空転滑走軸の後方の軸ならばトルク引き下げ、前方の軸ならばトルク引き上げとして変更量が決定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気車制御方法及び電気車制御装置に関する。

電車や電気機関車等の電気車（動力車）は、車輪・レール間の引張力（粘着力ともいう）によって加減速を行う。引張力／軸重比が粘着係数以下の範囲であれば粘着走行がなされるが、粘着係数を超えた場合には、空転又は滑走（空転滑走）が生じる。空転滑走が生じた場合には、電動機の発生トルクを引き下げて粘着走行に復帰させる「再粘着制御」が行われる。

また、特許文献１には、ある軸に空転滑走が生じると、軸重移動量の変動による台車のピッチング動作によって空転していない他の軸（健全軸（粘着軸））に空転滑走が誘発されるとする課題を解決する手法が記載されている。具体的には、空転滑走が発生すると、同一台車内の他の軸に対してトルクを低減させるトルク指令を出力する技術が開示されている。
特開２００５−３９９１５号公報

しかしながら、上述の特許文献１では、空転滑走の誘発を抑制するためのトルク指令は固定パターンとなっていることから、必要以上にトルクを引き下げる場合があり得る。また、空転滑走によって生じる軸重移動量の変動は、空転滑走が発生した軸と健全軸との台車内の配置位置関係ばかりか、車両内の配置位置関係に応じても異なると思われる。また、空転滑走が発生した軸を基準として進行方向前方の軸であるか進行方向後方の軸であるかの配置位置関係によっても軸重移動量の変動量が正負で異なると考えられる。本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、空転滑走の誘発の適切な抑制を実現することを目的としている。

上記課題を解決するための第１の発明は、
動力車の各軸それぞれを駆動する電動機を所与のトルク指令に従って個別にトルク制御する電気車制御方法であって、
空転滑走した軸を検出する検出ステップと、
空転滑走した軸のトルクを一時的に引き下げて再粘着させる制御を行う再粘着制御ステップと、
空転滑走した軸の空転滑走の程度を表す加速度、空転滑走速度又はこれらの相当値でなる空転滑走指標値を用いて空転滑走していない健全軸のトルク変更量を算出する算出ステップと、
前記健全軸のトルクを一時的に前記トルク変更量分変更して空転滑走の誘発を抑制する制御を行う誘発抑制制御ステップと、
を含む電気車制御方法である。

また、第８の発明は、
動力車の各軸それぞれを駆動する電動機を所与のトルク指令に従って個別にトルク制御する電気車制御装置（例えば、図５の電気車制御装置１）であって、
空転滑走した軸を検出する検出部（例えば、図５の空転滑走検出器５０）と、
空転滑走した軸のトルクを一時的に引き下げて再粘着させる制御を行う再粘着制御部（例えば、図５の再粘着制御器６０）と、
空転滑走した軸の空転滑走の程度を表す加速度、空転滑走速度又はこれらの相当値でなる空転滑走指標値を用いて空転滑走していない健全軸のトルク変更量を算出する算出部（例えば、図５の空転滑走誘発抑制制御器８０）と、
前記健全軸のトルクを一時的に前記トルク変更量分変更して空転滑走の誘発を抑制する制御を行う誘発抑制制御部（例えば、図５の空転滑走誘発抑制制御器８０）と、
を備える電気車制御装置である。

この第１の発明等によれば、動力車の各軸それぞれを駆動する電動機を所与のトルク指令に従って個別にトルク制御する電気車制御として、空転滑走した軸のトルクを引き下げて再粘着させる再粘着制御が行われるとともに、健全軸のトルクを、一時的に、空転滑走した軸の空転滑走指標値を用いて算出されたトルク変更量分変更して空転滑走の誘発を抑制する制御が行われる。つまり、空転滑走が発生した際の他の軸への空転滑走の誘発が抑制されるとともに、この空転滑走の誘発抑制のためのトルク変更量は、空転滑走した軸の加速度や速度、これらの相当値でなる空転滑走指標値を用いて算出される。従って、発生した空転滑走の程度に応じた適切な空転滑走の誘発抑制制御が実現される。

第２の発明は、第１の発明の電気車制御方法であって、
前記算出ステップは、前記空転滑走指標値と、動力車の各台車及び当該台車内の各軸の配置構成によって定まる空転滑走した軸と健全軸間の相対的な軸重移動係数とを用いて、健全軸の前記トルク変更量を算出するステップである電気車制御方法である。

この第２の発明によれば、トルク変更量は、空転滑走指標値と、動力車の各台車及び当該台車内の各軸の配置構成によって定まる空転滑走した軸と健全軸間の相対的な軸重移動係数とを用いて算出される。つまり、空転滑走の誘発抑制のための健全軸のトルク変更量は、空転滑走した軸との配置位置関係に応じて異なる。これにより、適切な空転滑走の誘発抑制制御が実現される。

第３の発明は、第１又は第２の発明の電気車制御方法であって、
前記算出ステップは、空転が検出された場合に、空転した軸より進行方向後方側に配置構成された健全軸のトルク変更量を引き下げ量として算出するステップを含む電気車制御方法である。

この第３の発明によれば、空転が検出された場合（すなわち、力行時の場合）、空転した軸より進行方向後方側に配置構成された健全軸のトルク変更量は、引き下げ量として算出される。空転が発生すると、この空転した軸より進行方向後方の動軸の軸重移動量は、前方の軸の空転に起因して低下する。このため、当該後方の動軸のトルク変更量を引き下げ量とすることで、当該軸の引張力／軸重比を一定に保つ方向の値とし（軸重の変動を打ち消す方向の値とし）、空転滑走の誘発を抑制することが可能となる。

第４の発明は、第１〜第３の何れかの発明の電気車制御方法であって、
前記算出ステップは、滑走が検出された場合に、滑走した軸より進行方向前方側に配置構成された健全軸のトルク変更量を引き下げ量として算出するステップを含む電気車制御方法である。

この第４の発明によれば、滑走が検出された場合（すなわち、制動時の場合）、滑走した軸より進行方向前方側に配置構成された健全軸のトルク変更量は、引き下げ量として算出される。滑走が発生すると、この滑走した軸より進行方向前方の動軸の軸重移動量は、後方の軸の滑走に起因して低下する。このため、当該前方の動軸のトルク変更量を引き下げ量とすることで、当該軸の引張力／軸重比を一定に保つ方向の値とし（軸重の変動を打ち消す方向の値とし）、空転滑走の誘発を抑制することが可能となる。

第５の発明は、第１〜第４の何れかの発明の電気車制御方法であって、
前記算出ステップは、空転が検出された場合に、空転した軸より進行方向前方側に配置構成された健全軸のトルク変更量を引き上げ量として算出するステップを含む電気車制御方法である。

この第５の発明によれば、空転が検出された場合（すなわち、力行時の場合）、空転した軸より進行方向後方側に配置構成された健全軸のトルク変更量は、引き上げ量として算出される。空転が発生すると、この空転した軸より進行方向前方の動軸の軸重移動量は、後方の軸の空転に起因して増加する。このため、当該軸の引張力／軸重比を一定に保つ方向の値（軸重の変動を打ち消す方向の値）として、当該前方の動軸のトルク変更量を引き上げ量とすることができる。

第６の発明は、第１〜第５の何れかの発明の電気車制御方法であって、
前記算出ステップは、滑走が検出された場合に、滑走した軸より進行方向後方側に配置構成された健全軸のトルク変更量を引き上げ量として算出するステップを含む電気車制御方法である。

この第６の発明によれば、滑走が検出された場合（すなわち、制動時の場合）、滑走した軸より進行方向後方側に配置構成された健全軸のトルク変更量は、引き上げ量として算出される。滑走が発生すると、この滑走した軸より進行方向後方の動軸の軸重移動量は、前方の軸の滑走に起因して増加する。このため、当該軸の引張力／軸重比を一定に保つ方向の値（軸重の変動を打ち消す方向の値）として、当該後方の動軸のトルク変更量を引き上げ量とすることができる。

第７の発明は、第３〜第６の何れかの発明の電気車制御方法であって、
前記算出ステップは、空転滑走した軸と同じ台車に配置構成された健全軸のトルク変更量の大きさを、異なる台車に配置構成された健全軸のトルク変更量より大きい値として算出するステップを含む電気車制御方法である。

この第７の発明によれば、空転滑走した軸と同じ台車に配置構成された健全軸のトルク変更量の大きさが、異なる台車に配置された健全軸のトルク変更量よりも大きい値として算出される。空転滑走が発生すると、この空転滑走した軸と同じ台車内の動軸の軸重移動量は、異なる台車内の動軸の軸重移動量より大きくなる。このため、健全軸のトルク変更量の大きさを、当該軸が空転滑走した軸と同じ台車内である場合には異なる台車内である場合よりも大きい値とすることで、当該軸の引張力／軸重比を一定に保つ方向の値（軸重の変動を打ち消す方向の値）にでき、空転滑走時の健全軸に対する制御として適切な制御を実現できる。

本発明によれば、動力車の各軸それぞれを駆動する電動機を所与のトルク指令に従って個別にトルク制御する電気車制御として、空転滑走した軸のトルクを引き下げて再粘着させる再粘着制御が行われるとともに、健全軸のトルクを、一時的に、空転滑走した軸の空転滑走指標値を用いて算出されたトルク変更量分変更して空転滑走の誘発を抑制する制御が行われる。つまり、空転滑走が発生した際の他の軸への空転滑走の誘発が抑制されるとともに、この空転滑走の誘発抑制のためのトルク変更量は、空転滑走した軸の加速度や速度、これらの相当値でなる空転滑走指標値を用いて算出される。従って、発生した空転滑走の程度に応じた適切な空転滑走の誘発抑制制御が実現される。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、以下では、動輪２軸の台車を２台備える電車において各電動機を個別制御（いわゆる１Ｃ１Ｍ制御）する場合を説明するが、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。

［原理］
電車や電気機関車等の電気車（動力車）は、車輪・レール間に働く引張力（粘着力ともいう）によって加減速を行う。引張力／軸重比が粘着係数以下の範囲であれば粘着走行がなされるが、粘着係数を超えた場合には空転滑走が発生する。空転滑走が発生した場合には、電動機の発生トルクを引き下げて粘着走行に復帰させる「再粘着制御」が行われる。

引張力は、粘着走行時（通常時）には、電動機の発生トルクが動力伝達機構を経て動輪踏面に伝えられる動輪周引張力に依存するが、空転滑走時には、車輪のすべり速度Ｖｓに対して次のような特性を有する。図１は、すべり速度Ｖｓに対する引張力の特性を示す図である。なお、すべり速度Ｖｓは、車輪周速度Ｖと列車速度との差である。同図において、横軸がすべり速度Ｖｓであり、縦軸が引張力／軸重比μである。同図に示すように、すべり速度Ｖｓが充分小さい範囲（微小すべり領域）では、すべり速度Ｖｓにほぼ比例して引張力／軸重比μが増加し、引張力は確実にレールに伝達されて粘着走行がなされる。この引張力／軸重比μの最大値を粘着係数μｓという。そして、この粘着係数μsを超える巨視すべり領域では、空転滑走が発生し、すべり速度Ｖｓの増加に伴って引張力が小さくなる。この巨視すべり領域での引張力／軸重比μを接線力係数μという。

ところで、ある軸で空転滑走が発生すると、１Ｃ１Ｍ制御であったとしても、空転滑走が発生していない他の軸（以下、健全軸（粘着軸）という）に、空転滑走が誘発されることが知られている。そこで、本実施形態では、空転滑走が発生した場合に、他の健全軸の電動機トルクを制御して空転滑走の誘発を抑制する「空転滑走誘発抑制制御」を行う。この空転滑走の誘発は、空転滑走の発生によって各軸の軸重移動量が変動することに起因すると推測される。

図２は、車両に働くモーメントの一例を示した図である。同図中、右方向が車両の進行方向であり、各軸は進行方向前方から順に第１軸〜第４軸とする。また、同図では、力行時（加速時）における各運動の向きを矢印で示している。すなわち、同図において、力行時、第１軸〜第４軸それぞれには、車輪・レール間に引張力Ｆ_１〜Ｆ_４が働いている。また、車両全体には、車体重心周りの回転モーメントＶＭＲが働き、各台車には、引張力Ｆ_１〜Ｆ_４による台車枠重心周りの回転モーメントＢＭＲ１，ＢＭＲ２が働いている。また、各軸の軸重移動量の向きは、第１軸及び第２軸の軸重移動量ΔＷ_１，ΔＷ_２が上方向であり、第３軸及び第４軸の軸重移動量ΔＷ_３，ΔＷ_４が下方向であるとともに、第２軸の軸重移動量ΔＷ_２よりも第１軸の軸重移動量ΔＷ_１が大きく、第４軸の軸重移動量ΔＷ_４よりも第３軸の軸重移動量ΔＷ_３が大きい。なお、同図は力行時を示しており、制動時には各運動の向きは逆となる。

粘着走行時にある軸で空転滑走が発生すると、その空転滑走した空転滑走軸の引張力が減少し、車両に働く回転モーメントＶＭＲ，ＢＭＲ１，ＢＭＲ２が変化することから、空転滑走していない健全軸それぞれの軸重移動量ΔＷが変動する。一方、健全軸のトルク指令がそのままであれば、原則的に各健全軸の引張力は変動しない。つまり、ある軸が空転滑走すると、他の軸（健全軸）それぞれの引張力／軸重比μが変動することとなる。

具体的には、力行時に空転が発生した場合、空転軸の引張力が減少することによって、空転軸より進行方向前方側の健全軸の軸重移動量ΔＷが増加し、空転軸より進行方向後方側の健全軸の軸重移動量ΔＷが減少すると推測される。逆に、制動時に滑走が発生した場合、滑走軸の引張力が減少することによって、滑走軸より進行方向前方側の健全軸の軸重移動量ΔＷが減少し、滑走軸より進行方向後方側の健全軸の軸重移動量ΔＷが増加すると推測される。軸重移動量ΔＷの大きさは、空転なのか滑走なのか、空転滑走した軸がどの軸なのか、空転滑走の程度、等によって異なる。

空転滑走が発生することにより健全軸の軸重移動量ΔＷが変動する一方で、健全軸のトルク指令がそのままであれば、原則的に健全軸の引張力は変動しない。従って、軸重移動量ΔＷが減少した健全軸の引張力／軸重比μは増加することになり、この引張力／軸重比μが最大値（粘着係数μｓ）を超えると、当該軸に空転滑走が発生する（誘発される）こととなる。一方、軸重移動量ΔＷが増加した健全軸の引張力／軸重比μは減少することになり、更にトルクを増加する余裕があることになる。

以上の事象にもとづき、本実施形態では、空転滑走の発生前後に、各軸の引張力／軸重比μを一定に保つ方向（軸重の変動を打ち消す方向）に、当該軸の電動機トルクτを制御して引張力を変化させる。具体的には、空転滑走が発生した場合、上述の推測に基づいて、軸重移動量ΔＷが減少する健全軸については電動機トルクτを低下させて、引張力／軸重比μを一定に保つ方向に制御する。一方、軸重移動量ΔＷが増加する健全軸については電動機トルクτを増加させて、引張力／軸重比μを一定に保つ方向に制御する。

図３は、「空転滑走誘発抑制制御」を説明するための図であり、第１軸に空転が発生して再粘着制御がなされ、第２軸〜第４軸に空転滑走誘発抑制制御が実行された場合の一例を示す図である。同図では、横軸を時間ｔとして、縦軸に各軸の電動機の発生トルクτ_ｅを示している。また、同図において、上側は第１軸の電動機トルクτ_ｅ１であり、下側は第２〜第４軸の電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４である。但し、各軸は同一車両内の動軸であり、進行方向前方から順に第１軸〜第４軸となっている。また、正確には、第２軸〜第４軸それぞれの電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４は異なるが、原理を説明するための概要図であるので、ここでは同値であるとする。

同図によれば、空転滑走が発生していない場合、各軸の周速度Ｖは基準速度（目標速度）Ｖｍにほぼ一致し、電動機トルクτ_ｅはほぼ一定に保たれている。そして、第１軸において空転が発生すると、第１軸に対する再粘着制御が開始されるとともに、他の健全軸である第２〜第４軸それぞれに対する空転滑走誘発抑制制御が開始される。ここで、空転滑走の発生は、周速度Ｖと基準速度Ｖｍとの速度差ΔＶが所定の閾値を超えた場合に検出される。

同図において、第１軸（空転軸）に対する再粘着制御は、第１軸の電動機トルクτ_ｅ１が、所定の引き下げ時間Ｔｄをかけて、所定の引き下げ量Δτ_ｅａだけ引き下げられる。そして、所定の保持時間Ｔｋの間、電動機トルクτ_ｅ１が保持される。その後、所定の復帰時間Ｔｒをかけて、電動機トルクτ_ｅ１が、再粘着制御が開始された時点の電動機トルクτ_ｅ１に復帰される。この再粘着制御は公知の制御であり、再粘着制御におけるトルク指令の引き下げパターン（即ち、引き下げ量Δτ_ｅａや時間Ｔｄ，Ｔｋ，Ｔｒ）は固定パターンである。

また、第２〜第４軸（健全軸）それぞれに対する空転滑走誘発抑制制御として、各軸のトルク成分電流指令を変更することで電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４が増減される。この電動機トルクτ_ｅの増減は、再粘着制御におけるトルクτ_ｅの引き下げに同期して行われる。すなわち、第２〜第４軸それぞれの電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４が、再粘着制御の引き下げ時間と同じ変更時間Ｔｄをかけて、所定の変更量Δτ_ｅｂだけ変更される（同図では、変更量Δτ_ｅｂだけ引き下げられている）。そして、再粘着制御と同じ保持時間Ｔｋの間、電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４が保持される。その後、電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４は、再粘着制御と同じ復帰時間Ｔｒをかけて、空転滑走誘発抑制制御が開始された時点の電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４に復帰される。なお、空転滑走誘発抑制制御の開始時点のみ再粘着制御の開始時点に合わせ、変更時間Ｔｄ、保持時間Ｔｋ、復帰時間Ｔｒを再粘着制御と異なる時間としてもよい。また、再粘着制御を行う際の空転滑走検出とは別に、検出用の閾値（各軸の周速度と基準速度との差）を低くした空転滑走検出を行い、再粘着制御の開始時点より前から空転滑走誘発抑制制御を開始可能としてもよい。

空転滑走誘発抑制制御における電動機トルクτ_ｅの変更量Δτ_ｅｂは、空転滑走が発生・検知された際の空転滑走軸の加速度αをもとに、式（１）に従って算出される。
Δτ_ｅｂ＝ｋ×α ・・（１）
ここで、ｋは、空転滑走誘発抑制制御の対象軸と空転滑走軸との位置関係に応じて定められる係数（軸重移動係数）である。具体的には、力行時の空転滑走（力行時であるため空転）であるか制動時の空転滑走（制動時であるため滑走）であるか、制御対象軸と空転滑走軸との配置構成（同一台車内であるか、どちらが進行方向前方／後方か）によって、係数ｋの大きさ及び正負が定められている。

図４は、係数ｋの設定例を示す図である。同図に示すように、第１軸〜第４軸それぞれに空転滑走が発生した場合について、空転滑走誘発抑制制御の対象となる健全軸（対象軸）それぞれの係数ｋが対応付けて定められている。係数ｋは、力行時の空転滑走（力行時であるため空転）の場合、対象軸が空転滑走軸に対して進行方向後方に位置する場合には正値（トルク引き下げ）であり、前方に位置する場合には負値（トルク引き上げ）である。また、空転滑走軸と同じ台車の対象軸の係数ｋの方が、異なる台車の対象軸の係数ｋよりもその値の大きさが大きく定められている。これは、空転滑走軸と同じ台車内の軸の方が、異なる台車内の軸よりも、空転滑走による軸重移動量ΔＷの変動が大きいと考えられるためである。また、係数ｋは、制動時の空転滑走（制動時であるため滑走）の場合、対象軸が空転滑走軸に対して進行方向後方に位置する場合には負値（トルク引き上げ）であり、前方に位置する場合には正値（トルク引き下げ）である。係数ｋの値の大きさの考え方は、力行時の空転滑走の場合と同様である。

また、空転滑走誘発抑制制御における電動機トルクτ_ｅの変更量Δτ_ｅｂには、上限Δτ_ｍａｘが定められており、次式（２）を満たすように決定される。
｜Δτ_ｅｂ｜≦Δτ_ｍａｘ ・・（２）
この上限Δτ_ｍａｘは、再粘着制御における引き下げ量Δτ_ｅａをもとに定められ、具体的には、引き下げ量Δτ_ｅａの１０％程度である。

［構成］
図５は、本実施形態における電気車制御装置１を示すブロック図である。同図によれば、車両の第１軸〜第４軸それぞれについて、電動機１０と、インバータ２０と、ベクトル制御演算器３０と、速度センサ１２とが備えられ、電気車制御装置１は、ベクトル制御演算器３０と、トルク指令演算器４０と、空転滑走検出器５０と、再粘着制御器６０と、加速度演算器７０と、空転滑走誘発抑制制御器８０とを備えて構成される。電気車制御装置１は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるコンピュータ等によって実現され、例えば制御ボードとして別の制御装置と一体に構成されたり、或いはインバータ２０を含めて一体のインバータ装置として構成され得る。また、図示された構成とは異なり、トルク指令演算器４０と、空転滑走検出器５０と、再粘着制御器６０と、加速度演算器７０と、空転滑走誘発抑制制御器８０とを、第１軸〜第４軸それぞれ毎に別途に設け、第１軸〜第４軸それぞれの制御系統を別々にすることとしてもよい。

電動機１０は、インバータ２０から電力が供給されることで車軸を回転駆動する主電動機（メインモータ）であり、例えば三相誘導電動機で実現される。速度センサ１２は、電動機１０の回転速度（周速度）Ｖを検出する。

インバータ２０には、パンタグラフ及びコンバータを介して架線の電力が供給される。そして、インバータ２０は、ベクトル制御演算器３０から入力されるＵ，Ｖ，Ｗ相それぞれの電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に基づいて出力電圧を調整し、電動機１０に印加する。

ベクトル制御演算器３０は、電動機１０をベクトル制御する。すなわち、電動機１０に流入するＵ，Ｖ相の電流値Ｉｕ，Ｉｖを、ｄ−ｑ座標変換によってｄ軸成分である磁束成分電流Ｉｄとｑ軸成分であるトルク成分電流（電動機トルク成分電流）Ｉｑとに変換し、トルク指令演算器４０から入力されるトルク成分電流指令値ｉ_ｑ ^＊と、不図示の電流指令演算装置から入力される磁束分指令ｉ_ｑ ^＊に基づいて、インバータ２０に対する電圧指令値Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊を算出する。なお、ベクトル制御演算器３０に入力されるトルク成分電流指令値ｉ_ｑ ^＊は、トルク指令演算器４０によるトルク成分電流指令ｉ_{ｑ_ｐ} ^＊から、再粘着制御器６０による再粘着制御指令ｉ_{ｑ_ｒｅ} ^＊と、空転滑走誘発抑制制御器８０による空転滑走誘発抑制指令ｉ_{ｑ_ｄｅｔ} ^＊との分だけ引き下げられた値となっている。

トルク指令演算器４０は、運転台から入力されたノッチ指令に応じて各軸のトルク成分電流指令ｉ_{ｑ１_ｐ} ^＊〜ｉ_{ｑ４_ｐ} ^＊を出力する。

空転滑走検出器５０は、速度センサ１２によって検出された各電動機１０の周速度Ｖ_１〜Ｖ_４を基準速度Ｖｍと比較することで、各軸での空転滑走の発生を検出する。基準速度Ｖｍは電車の進行速度であり、例えば運転台から得られる走行速度としても良いし、各軸の周速度Ｖ_１〜Ｖ_４のうち、力行時であれば最小値、ブレーキ時（制動時）であれば最大値としても良い。

再粘着制御器６０は、空転滑走検出器５０によって空転滑走の発生が検出されると、空転滑走の発生が検出された軸（空転滑走軸）に対する再粘着制御を行う。すなわち、再粘着制御器６０に記憶された再粘着制御テーブル１２０を参照して、空転滑走軸に対する再粘着制御指令ｉ_{ｑ_ｒｅ} ^＊を生成する。この再粘着制御指令ｉ_{ｑ_ｒｅ} ^＊は、トルク成分電流引き下げ指令である。つまり、空転滑走軸に対する再粘着制御指令ｉ_{ｑ_ｒｅ} ^＊として、その指令値を、引き下げ時間Ｔｄをかけて引き下げ量Δτ_ｅａに相当する値まで増加或いは減少させ、その値を保持時間Ｔｋの間保持した後、復帰時間Ｔｒをかけてゼロまで減少或いは増加させて復帰させる。なお、空転滑走軸以外の健全軸に対する再粘着指令ｉ_{ｑ_ｒｅ} ^＊はゼロであり、また、再粘着制御を行っていない場合には、全ての軸に対する再粘着指令ｉ_{ｑ_ｒｅ} ^＊はゼロである。

再粘着制御テーブル１２０は、再粘着制御における電動機トルクτ_ｅの制御パターンを定めたデータである。図６に、再粘着制御テーブル１２０のデータ構成の一例を示す。同図によれば、再粘着制御テーブル１２０は、電動機トルクτ_ｅの引き下げ量Δτ_ｅａと、引き下げ時間Ｔｄと、保持時間Ｔｋと、復帰時間Ｔｒとを格納している。

加速度演算器７０は、速度センサ１２によって検出された各軸の周速度Ｖを微分して、各軸の加速度αを算出する。

空転滑走誘発抑制制御器８０は、空転滑走検出器５０によって空転滑走の発生が検出されると、空転滑走軸以外の健全軸に対する空転滑走抑制制御を行う。すなわち、空転滑走軸以外の軸を空転滑走抑制制御の対象軸とし、図３を参照して説明したように、空転滑走誘発抑制制御テーブル１３０を参照して、対象軸それぞれに対する空転滑走誘発抑制指令ｉ_{ｑ_ｄｅｔ} ^＊を生成する。この空転滑走誘発抑制指令ｉ_{ｑ_ｄｅｔ} ^＊は、トルク成分電流変更指令である。

先ず、対象軸それぞれについて、空転滑走軸との進行方向前後方向の位置関係を判断し、図４に一例を示した係数テーブル１１０を参照して、当該対象軸の係数ｋを決定する。次いで、決定した係数ｋと、加速度演算器７０によって算出された空転滑走の検出時の空転滑走軸の加速度αとから、（１）式に従って、当該対象軸の電動機トルクτ_ｅの変更量Δτ_ｅｂを決定する。このとき、算出した変更量Δτ_ｅｂが上限Δτ_ｍａｘを超えるならば、変更量Δτ_ｅｂをこの上限Δτ_ｍａｘに変更する。そして、対象軸それぞれに対する空転滑走誘発抑制指令ｉ_{ｑ_ｄｅｔ} ^＊として、その指令値を、変更時間Ｔｄをかけて変更量Δτ_ｅｂに相当する値まで増加或いは減少させ、その値を保持時間Ｔｋの間保持した後、復帰時間Ｔｒをかけてゼロまで減少或いは増加させる。なお、対象軸以外の軸（すなわち、空転滑走軸）に対する空転滑走誘発抑制指令ｉ_{ｑ_ｄｅｔ} ^＊はゼロであり、また、空転滑走誘発抑制制御を行っていない場合には、全ての軸に対する空転滑走誘発抑制指令ｉ_{ｑ_ｄｅｔ} ^＊はゼロである。

空転滑走誘発抑制制御テーブル１３０は、空転滑走誘発抑制制御における電動機トルクτ_ｅの制御パターンを定めたデータである。図７に、空転滑走誘発抑制制御テーブル１３０のデータ構成の一例を示す。同図によれば、空転滑走誘発抑制制御テーブル１３０は、電動機トルクτ_ｅの変更時間Ｔｄと、保持時間Ｔｋと、復帰時間Ｔｒと、変更量Δτ_ｅｂの上限Δτ_ｍａｘとを格納している。ここでは、変更時間Ｔｄ、保持時間Ｔｋ及び復帰時間Ｔｒは、再粘着制御における値と同じであるため、同じ符号としている。

［シミュレーション結果］
図８〜図１１は、動輪２軸の台車を２台車備える車両モデルのシミュレーション結果を示す図である。但し、各軸の電動機の制御は個別制御（１Ｃ１Ｍ）である。また、図８〜図１１では、何れも、横軸を時刻ｔとして、下側に第１軸〜第４軸それぞれの周速度Ｖ_１〜Ｖ_４を、上側に電動機トルクτ_ｅ１〜τ_ｅ４を示している。

図８は、何れの軸にも空転滑走を発生させない場合のシミュレーション結果である。同図によれば、第１軸〜第４軸の何れにも空転滑走が発生しておらず、各軸の周速度Ｖ_１〜Ｖ_４は、何れも基準速度Ｖｍに沿ってほぼ直線的に増加している。また、各軸の電動機トルクτ_ｅ１〜τ_ｅ４は、何れもほぼ一定に保たれている。

図９は、本実施形態の空転滑走誘発抑制制御を無効とし、各軸の再粘着制御のみを有効とした状態（より正確には、図５において空転滑走誘発抑制制御器８０を無効とした状態）で、第１軸に空転滑走を発生させた場合のシミュレーション結果である。なお、空転滑走は、第１軸の粘着係数μを２秒時点から低下させることで意図的に第１軸に発生させた。同図に示すように、第１軸は、周速度Ｖ_１と基準速度Ｖｍとの差が一定以上になった時点で空転滑走が検出され再粘着制御がなされている。しかし、粘着係数μを下げているため、トルク成分電流指令の引き下げを復帰させた後も空転滑走が再発し、再粘着制御が繰り返し実行されている様子が分かる。

また、第１軸に発生した空転滑走に誘発されて、他の健全軸である第２〜第４軸にも空転滑走が発生している。この空転滑走の誘発は、第１軸での空転滑走に遅れて発生している。これは、ある軸で空転滑走が発生したために、台車及び車両に働くモーメントが変化し、各軸の軸重移動量ΔＷが変動するからである。そして、空転滑走が誘発された第２軸〜第４軸の各軸も、空転滑走の発生検出に合わせて再粘着制御が行われ、各軸の電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４が引き下げられている。

図１０は、本実施形態の空転滑走誘発抑制制御を有効とした状態で、第１軸に空転滑走を発生させた場合のシミュレーション結果である。同図に示すように、図９の場合と同様、第１軸は、２秒時点から空転滑走の発生・検出と再粘着制御とが繰り返し行われた。

また、第１軸の空転滑走の発生に合わせて、他の健全軸である第２〜第４軸それぞれに対して空転滑走誘発抑制制御が行われて各軸の電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４が変更されている。ここで、空転滑走誘発制御による第２軸〜第４軸それぞれの電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４の変更量は、再粘着制御による第１軸の電動機トルクτ_ｅ１の変更量（引き下げ量）より小さい。また、力行時の空転に対する空転滑走誘発抑制制御であり、第２軸〜第４軸は、何れも、空転滑走軸である第１軸の進行方向後方の軸であるので、電動機トルクτ_ｅ２〜τ_ｅ４が引き下げられている。そして、この第２〜第４軸に対する空転滑走誘発抑制制御の結果、第２軸〜第４軸それぞれの速度Ｖ_２〜Ｖ_４はほぼ基準速度Ｖｍを保っており、空転滑走が誘発されていない。

図１１は、本実施形態の空転滑走誘発抑制制御を有効とした状態で、第３軸に空転滑走を発生させた場合のシミュレーション結果である。同図に示すように、図９，図１０における第１軸と同様に、第３軸には、２秒時点から空転滑走の発生・検出と再粘着制御とが繰り返し行われた。

また、第３軸の空転滑走の発生に合わせて、他の健全軸である第１軸、第２軸及び第４軸それぞれに対する空転滑走誘発抑制制御が行われて各軸の電動機トルクτ_ｅ１，τ_ｅ２，τ_ｅ４が変更されている。すなわち、力行時の空転に対する空転滑走誘発抑制制御であり、第１軸及び第２軸は空転滑走軸である第３軸の進行方向前方の軸であるので、その電動機トルクτ_ｅ１，τ_ｅ２は引き上げられ、また、第４軸は空転滑走軸である第３軸の進行方向後方の軸であるので、その電動機トルクτ_ｅ４は引き下げられている。また、空転滑走誘発制御による第１軸、第２軸及び第４軸それぞれの電動機トルクτ_ｅ１，τ_ｅ２，τ_ｅ４の変更量は、再粘着制御による第１軸の電動機トルクτ_ｅ１の変更量（引き下げ量）より小さい。そして、この第１軸、第２軸及び第４軸に対する空転滑走誘発抑制制御の結果、その速度Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_４はほぼ基準速度Ｖｍを保っており、空転滑走が誘発されていない。

［変形例］
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

（Ａ）トルク変更量Δτ_ｅｂを算出する基準となる指標値
上述の実施形態では、空転滑走誘発抑制制御において、電動機トルクτ_ｅの変更量Δτ_ｅｂを、空転滑走軸の空転滑走時の加速度αに基づいて決定することにしたが（式（１））、空転滑走の発生時の空転滑走軸の速度Ｖと基準速度Ｖｍとの速度差ΔＶである空転滑走速度に基づいて決定することにしても良い。また、空転滑走検出器による検出結果を用いてトルク変更量Δτ_ｅｂを算出することにしてもよい。空転滑走検出器は、空転滑走軸の加速度や空転滑走速度を用いて空転滑走を検出している。このため、空転滑走検出器による検出結果は、空転滑走軸の加速度や空転滑走速度に相当すると言える。また、加速度αや速度差ΔＶ（空転滑走速度）に基づいて高速／中速／低速といった速度域を判定し、判定した速度域に応じて予め定められた値（式（１）のαに相当）を用いてトルク変更量Δτ_ｅｂを算出することとしてもよい。

（Ｂ）係数ｋ
また、上述の実施形態では、空転滑走軸以外の全ての健全軸を空転滑走誘発抑制制御の対象軸としたが、例えば空転滑走軸と同じ台車内の軸については対象としないといったように、健全軸のうちの一部の軸を制御対象軸としてもよい。

（Ｃ）適用可能な車両
動輪２軸の台車を２台備える電動車に本発明を適用した場合の実施形態を説明したが、３台車備える機関車等にも適用することが可能なのは勿論である。

すべり速度Ｖｓと引張力／軸重比との関係図。 車両に働くモーメントの一例を示す図。 空転滑走誘発抑制制御の説明図。 係数ｋの設定例（係数テーブル）。 電車の主回路構成図。 再粘着制御テーブルのデータ構成例。 空転滑走誘発抑制テーブルのデータ構成例。 空転滑走を発生させない場合のシミュレーション結果。 空転滑走誘発抑制制御を無効とし、各軸の再粘着制御のみを有効とした状態で第１軸に空転滑走を発生させた場合のシミュレーション結果。 空転滑走誘発抑制制御を有効とした状態で第１軸に空転滑走を発生させた場合のシミュレーション結果。 空転滑走誘発抑制制御を有効とした状態で第３軸に空転滑走を発生させた場合のシミュレーション結果。

符号の説明

１ 電気車制御装置
１０ 電動機、１２ 速度センサ、２０ インバータ、３０ ベクトル制御演算器、
４０ トルク指令演算器、５０ 空転滑走検出器、６０ 再粘着制御器
７０ 加速度演算器、８０ 空転滑走誘発抑制制御器

Claims (8)

1. 動力車の各軸それぞれを駆動する電動機を所与のトルク指令に従って個別にトルク制御する電気車制御方法であって、
   空転滑走した軸を検出する検出ステップと、
   空転滑走した軸のトルクを一時的に引き下げて再粘着させる制御を行う再粘着制御ステップと、
   空転滑走した軸の空転滑走の程度を表す加速度、空転滑走速度又はこれらの相当値でなる空転滑走指標値を用いて空転滑走していない健全軸のトルク変更量を算出する算出ステップと、
   前記健全軸のトルクを一時的に前記トルク変更量分変更して空転滑走の誘発を抑制する制御を行う誘発抑制制御ステップと、
   を含む電気車制御方法。
2. 前記算出ステップは、前記空転滑走指標値と、動力車の各台車及び当該台車内の各軸の配置構成によって定まる空転滑走した軸と健全軸間の相対的な軸重移動係数とを用いて、健全軸の前記トルク変更量を算出するステップである請求項１に記載の電気車制御方法。
3. 前記算出ステップは、空転が検出された場合に、空転した軸より進行方向後方側に配置構成された健全軸のトルク変更量を引き下げ量として算出するステップを含む請求項１又は２に記載の電気車制御方法。
4. 前記算出ステップは、滑走が検出された場合に、滑走した軸より進行方向前方側に配置構成された健全軸のトルク変更量を引き下げ量として算出するステップを含む請求項１〜３の何れか一項に記載の電気車制御方法。
5. 前記算出ステップは、空転が検出された場合に、空転した軸より進行方向前方側に配置構成された健全軸のトルク変更量を引き上げ量として算出するステップを含む請求項１〜４の何れか一項に記載の電気車制御方法。
6. 前記算出ステップは、滑走が検出された場合に、滑走した軸より進行方向後方側に配置構成された健全軸のトルク変更量を引き上げ量として算出するステップを含む請求項１〜５の何れか一項に記載の電気車制御方法。
7. 前記算出ステップは、空転滑走した軸と同じ台車に配置構成された健全軸のトルク変更量の大きさを、異なる台車に配置構成された健全軸のトルク変更量より大きい値として算出するステップを含む請求項３〜６の何れか一項に記載の電気車制御方法。
8. 動力車の各軸それぞれを駆動する電動機を所与のトルク指令に従って個別にトルク制御する電気車制御装置であって、
   空転滑走した軸を検出する検出部と、
   空転滑走した軸のトルクを一時的に引き下げて再粘着させる制御を行う再粘着制御部と、
   空転滑走した軸の空転滑走の程度を表す加速度、空転滑走速度又はこれらの相当値でなる空転滑走指標値を用いて空転滑走していない健全軸のトルク変更量を算出する算出部と、
   前記健全軸のトルクを一時的に前記トルク変更量分変更して空転滑走の誘発を抑制する制御を行う誘発抑制制御部と、
   を備える電気車制御装置。

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