JP2011234510A - 車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空転滑走を抑制するための各軸の最適トルクを決めることにより確実に空転滑走を抑制することができる車両制御装置を提供する。
【解決手段】空転滑走発生時に、空転滑走軸のトルクを引き下げる場合、引き下げ後の各軸トルクを仮定して軸重移動を予測し、予測された軸重に基づいて、すべりの生じない接線力係数を保持するように各軸トルクを調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両制御装置に関する。

電車や機関車等の鉄道車両は、車輪とレールの間に働く接線力によって加減速を行う。電動機等によって車輪に加えるトルクを増加させると接線力は増加するが、接線力と軸重の比で表される接線力係数が粘着係数を超えると空転滑走が発生し、接線力は低下する。接線力の低下により加減速度が低下すると、加速時間が長くなって遅れを生じたり、ブレーキ距離が長くなって安全上の問題を引き起こす恐れがある。従って、空転滑走の発生を抑制し、必要な加減速度を確保することが車両制御の主要な課題の一つとなっている。

粘着係数は、車輪とレールの間の接触面の状況によって異り、水膜が存在すると低下する。雨天時等に水膜の存在する区間に車両が進入すると空転滑走が発生しやすい。複数の車軸を有する車両では、最前方の軸は常に水膜の影響を受け、空転滑走が発生しやすいのに対し、後方の軸は、前方軸による水膜除去効果があるため、比較的空転滑走しにくい傾向がある。一方、接線力係数は、軸重の影響を受ける。たとえば、複数の車軸を有する車両が減速している場合、前方の軸の軸重は増加し、後方の軸の軸重は減少する。従って、各軸のトルクが同じである場合、後方の軸の接線力係数が増加し、滑走が発生しやすくなる傾向がある。

このような傾向に基づき、特許文献１では、複数の車軸を有する車両におけるブレーキ制御で、雨天時は、各軸のトルクを均等にするのではなく、前方軸のトルクを下げることによって滑走の発生を抑制する技術が開示されている。また、特許文献１では、各軸の接線力によって車体や台車に発生するモーメントに基づき、軸重移動を考慮した係数を予め設定しておき、当該係数を考慮して各軸のトルクを決定することにより、滑走の発生を抑制する鉄道車両の制御システムが開示されている。

特許文献１に示されるような車両制御を実施しても空転滑走が発生してしまう場合がある。空転滑走が発生すると、すべりの増大に伴って接線力が低下するため、トルクを保持したままでは、すべりが増大する一方となる。このため、一旦トルクを引き下げてすべりの大きい状態を解消し、その後に所定のトルクまで復帰させる制御が行われている。しかしながら、空転滑走が発生した軸のトルクを引き下げた場合、各軸間の接線力のバランスが変化し、新たな軸重移動が発生するため、空転滑走が発生していない健全軸にも影響を及ぼす。空転滑走軸のトルク引き下げに伴って軸重が減少する軸では、トルクをそのまま保持した場合、接線力係数が増加するので、空転滑走が誘発されることがある。

このような問題に対し、特許文献２では、空転滑走発生軸と健全軸の相対的な位置関係に応じた軸重移動係数を予め設定しておき、空転滑走発生軸のトルク引き下げ時の健全軸のトルクを、軸重移動係数に従って変更することにより、空転滑走の誘発を抑制する電気車制御装置が開示されている。

特開２００４−３１２９１８号公報 特開２００９−２９０９５４号公報

しかしながら、上述したような従来の制御方法では、車両内の各軸の配置構成によって定まる空転滑走軸と健全軸間の相対的な軸重移動係数に基づいて、健全軸のトルク変更量を算出しており、軸重移動係数は空転滑走軸と健全軸の位置関係のみに基づいて予め決定された値であるため、各軸のトルクの大小関係が通常の運転条件とは異なる場合に、最適なトルク変更量を算出できない可能性がある。また、故障等により特定の軸の電動機が休止している場合や、複数の軸で空転滑走が発生した場合にも最適なトルク変更量を算出できない可能性がある。

本発明の目的は、空転滑走を抑制するための各軸の最適トルクを決めることにより確実に空転滑走を抑制することができる車両制御装置を提供することにある。

上記課題を達成するために本発明は、複数軸を有する車両の各軸のトルクまたは各台車のトルクを制御する車両制御装置であって、車両の各軸のトルクに基づいて各軸の軸重を予測する軸重予測手段と、軸重予測手段によって予測された各軸の軸重予測値に基づいて各軸のトルクを補正するトルク補正手段とを備え、トルク補正手段によって補正された各軸のトルク値に基づいて、各軸のトルクまたは各台車のトルクを制御するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、空転滑走を抑制するための各軸の最適トルクを決めることにより確実に空転滑走を抑制することができる車両制御装置を提供することができる。

本発明の実施例１を示す車両制御装置を説明するための構成図。 本発明の実施例１を示す車両制御装置における、４つの駆動軸を有する車両モデルでの軸重算出式を説明するための図。 本発明の実施例１を示す車両制御装置における、再粘着制御手段による空転滑走軸のトルク引下げ及びトルク復帰パターンの一例を説明するための図。 本発明の実施例１を示す車両制御装置における、補正後トルクによる軸重再演算結果に基づいて補正トルクを再演算する際の手順を説明するための図。

［実施例１］
以下、本発明に基づく実施例１の車両制御装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、簡単のため、動輪２軸の台車２台の４軸の駆動軸を持つ車両をモデルとし、各軸を駆動する電動機を個別に制御する場合における空転発生時の制御を一例にとり、実施例１を説明する。

図１は、本発明の実施例１における車両制御装置の構成を示すブロック図である。同図において、車両制御装置１は、軸重予測手段２、トルク補正手段３、空転滑走検知手段４、再粘着制御手段５、接線力係数推定手段６、粘着係数推定手段７、トルク指令決定手段８を含んで構成される。

軸重予測手段２は、各軸の現時点でのトルク、再粘着制御手段５によってトルクの引き下げを実施しようとする時の引き下げ後のトルク目標値や、再粘着制御手段５によってトルクの復帰を実施しようとする時の復帰後のトルク目標値等に基づき、トルク変更後の各軸の軸重を予測するものである。具体的な軸重予測方法については後述する。

トルク補正手段３は、力行指令またはブレーキ指令に応じたトルク指令の基準値を演算するとともに、軸重予測手段２で予測した各軸の軸重予測値、接線力係数推定手段６によって推定された各軸の接線力係数推定値等に基づき、空転滑走軸のトルク引き下げ時、トルク復帰時の健全軸のトルクを補正するものである。健全軸のトルクの具体的な補正方法については後述する。

空転滑走検知手段４は、各軸の回転の速度情報に基づき、速度の微分によって得られる加速度が基準加速度を超えた場合に、空転滑走が発生したと判断するものである。または、各軸の速度情報と基準速度を比較し、両者の差速度が基準値を超えた場合に、空転滑走が発生したと判断するものである。各軸の速度情報は、例えば、各軸の電動機に取り付けられた速度センサ（図示せず）等によって得ることができる。基準速度は、例えば滑走を検知しようとする場合、各軸の速度のうち高位のものを設定する。

再粘着制御手段５は、空転滑走検知手段４によって空転滑走が検知された場合、空転滑走発生軸のトルクを所定のパターンに従って引き下げ、空転滑走が解消された後、所定のトルクまで復帰させる指令を出力するものである。トルク引き下げおよび復帰のパターンは、例えば図３に示すようなものである。

接線力係数推定手段６は、各軸の現時点でのトルクに基づいて接線力係数を推定するものである。接線力係数の具体的な推定方法については後述する。

粘着係数推定手段７は、空転滑走検知手段４によって作成された空転滑走検知情報と、接線力係数推定手段６によって推定された接線力係数推定値に基づき、各軸の粘着係数を推定するものである。粘着係数の具体的な推定方法については後述する。

トルク指令決定手段８は、トルク補正手段６で補正した健全軸に対するトルク指令、再粘着制御手段で決定した空転滑走軸の再粘着のためのトルク指令を総括し、車両の各軸のトルク指令を決定して各軸の電動機制御機器（図示せず）に出力するものである。

この例では、車両制御装置１により、車両に含まれる４つの軸を駆動する電動機を総括して制御する。

以下、軸重予測の具体的な方法について説明する。図２は、４つの駆動軸を有する車両の軸重算出式を説明するための図である。図２のモデルに対する軸重の算出式としては、例えば（１）式に示すものが知られている。（１）式は、各軸の接線力による台車枠重心回りのモーメントおよび各軸の接線力による車体重心回りのモーメントを考慮した各軸の軸重の算出式である。

W₁＝Ws₁＋(h／l)×(Ft₁＋Ft₂)＋｛(H−h)／2L｝×(Ft₁＋Ft₂＋Ft₃＋Ft₄)
W₂＝Ws₂−(h／l)×(Ft₁＋Ft₂)＋｛(H−h)／2L｝×(Ft₁＋Ft₂＋Ft₃＋Ft₄)
W₃＝Ws₃＋(h／l)×(Ft₃＋Ft₄)−｛(H−h)／2L｝×(Ft₁＋Ft₂＋Ft₃＋Ft₄)
W₄＝Ws₄−(h／l)×(Ft₃＋Ft₄)−｛(H−h)／2L｝×(Ft₁＋Ft₂＋Ft₃＋Ft₄) ・・・（１）
W₁〜W₄は各軸の軸重、Ws₁〜Ws₄は各軸の静止軸重、Ft₁〜Ft₄は各軸の接線力、Lは台車間距離、lは台車内軸間距離、Hは車体重心の高さ、hは台車枠重心の高さを示す。各軸の接線力Ft_iは、各軸の車輪の回転の運動方程式を変形すると、（２）式で表される。

Ft_i＝Fm_i−m_iα_i ・・・（２）
Fm_iは各軸の電動機の車輪周引張力、m_iは各軸の回転系等価慣性質量、α_iは各軸の車輪周加速度である。微小すべり状態では各軸の車輪周加速度α_iが車両加速度α_Tにほぼ等しいと仮定し、α_iをα_Tで置きかえると（３）式となる。

Ft_i＝Fm_i−m_iα_T ・・・（３）
車両加速度α_Tは、車両の並進の運動方程式を変形すると、（４）式で表される。

Frは車両の走行抵抗、Mは車両の質量を示す。（４）式を（３）式に代入し、α_Tについて整理すると（５）式となる。

各軸の車輪周引張力Fm_iは（６）式で表される。

Fm_i＝(2Gr／D)×Tm_i ・・・（６）
Tm_iは各軸の電動機のトルク、Grはギア比、Dは車輪径を示す。（５）式を（３）式に代入した後、（６）式を用いて各軸の車輪周引張力Fm_iを各軸の電動機のトルクTm_iで置きかえ、置き換えた後の式を（１）式に代入すると、各軸の軸重と各軸の電動機のトルクTm_iの関係式を得ることができる。従って、各軸の電動機のトルクを仮定することによってから各軸の軸重を予測することができる。

以下、各軸の接線力係数の具体的な推定方法について説明する。（３）式を各軸の軸重で割ったものが各軸の接線力係数μ_iであり、（７）式で表される。

μ_i＝Ft_i／W_i＝(Fm_i−m_iα_T)／W_i ・・・（７）式
（７）式の分母である各軸の軸重W_iは、前述のように各電動機のトルクTm_iで表すことができる。また、（７）式の分子に（５）式を代入した後、（６）式を用いて各軸の車輪周引張力Fm_iを各軸の電動機のトルクTm_iで置きかえると、（７）式の分子も各軸の電動機のトルクTm_iで表すことができる。従って、各軸の電動機のトルクに基づき、軸重移動を考慮した各軸の接線力係数を推定することができる。

ただし、α_i＝α_Tを仮定していることから、空転滑走中の接線力係数は推定できないことに注意する必要がある。空転滑走開始時の接線力係数から粘着係数を推定する場合、空転滑走検知の遅れを考慮すると、接線力係数は過去の履歴を保存しておくことが望ましい。空転滑走が検知された時点ではすでに空転滑走中であるので、空転滑走検知の時点よりも過去の接線力係数から粘着係数を推定する必要があるためである。

以下、軸重の予測結果に基づく各軸のトルクの補正方法について説明する。

まず、空転滑走軸のトルクを引き下げる場合の健全軸のトルク補正方法について説明する。ある軸で空転滑走が発生した場合、再粘着制御手段６により空転滑走が発生した軸のトルクが引き下げられる。空転滑走軸のトルクが引き下げられた場合、健全軸は、空転滑走発生軸との位置関係によって、軸重が増加する場合と減少する場合がある。トルク引き下げ時に、健全軸の軸重がどの程度変化するのかを軸重予測手段２によって予測する。具体的には、空転滑走軸のトルクとしてトルク引き下げ後のトルク、健全軸のトルクとして現時点でのトルクを仮定して各軸の軸重を予測する。軸重の予測結果に基づき、健全軸iの車輪周引張力Fm_{i_new}を（８）式で演算する。

健全軸iの電動機の補正後のトルクTm_{i_new}は（９）式で求められる。

Tm_{i_new}＝(D／2Gr)×Fm_{i_new} ・・・（９）
なお、健全軸iの電動機のトルクTm_{i_new}を補正する際に用いた各軸の軸重は、健全軸のトルクを現時点でのトルクと仮定して求めているため、健全軸のトルクをTm_{i_new}に補正した場合の軸重とは正確には一致しない。図４に示すように、Tm_{i_new}に基づいて軸重を再演算し、再演算した軸重を用いてTm_{i_new}を再補正することで、より適切なトルクの補正を行うことができる。

トルクの補正は、現時点での健全軸iの接線力係数μ_iに基づいて行うが、μ_iは健全軸に空転滑走軸と同じトルクをかけた状態でのすべりのない状態での値であり、すべりの生じない接線力係数μ_iを保ちつつ、空転滑走軸のトルク引き下げによって軸重の増加する健全軸についてはトルク値を増加させ、軸重の減少する健全軸のトルク値を減少させる。なお、（８）式において、現時点での健全軸iの接線力係数μ_iの代わりに、予め定めた接線力係数の目標値、あるいは粘着係数推定手段によって推定された粘着係数推定値を用いてもよい。

次に、空転滑走軸のトルクを復帰させる場合の健全軸のトルク補正方法について説明する。空転滑走軸の空転滑走が終了した場合、あるいは、所定時間のトルク引き下げが完了した場合、引き下げられていた空転滑走軸のトルクを、所定値まで復帰させる。トルク復帰により再度空転滑走が発生するのを抑制するため、復帰後のトルクは、引き下げ前のトルクより小さくする。粘着係数推定手段で推定した粘着係数推定値を基準とし、粘着係数推定値よりも低い値を設定するようにしてもよい。空転滑走軸のトルクが復帰させられた場合、健全軸は、空転滑走発生軸との位置関係によって、軸重が増加する場合と減少する場合がある。トルク引き下げ時と同様、トルク復帰時に、健全軸の軸重がどの程度変化するのかを軸重予測手段２によって予測する。具体的には、空転滑走軸のトルクとしてトルク復帰後のトルク、健全軸のトルクとして現時点でのトルクを仮定して軸重を予測する。軸重の予測結果に基づく健全軸iの車輪周引張力Fm_{i_new}および健全軸iの電動機のトルクTm_{i_new}の演算はトルク引き下げ時と同様に（８）式および（９）式を用いる。

以上の説明は、各軸の電動機を個別のトルクで制御する例を用いたが、例えば台車毎に複数の軸に対して同じトルク指令による制御を行うような場合にも適用することが可能である。例えば、ある台車において、当該台車の２軸がいずれも空転滑走していない場合、２軸のうち接線力係数推定値と軸重予測値の積が小さい方に合わせてトルクを補正することで空転滑走の発生を抑制することができる。

以上のように、本発明の車両制御装置では、各軸のトルクを用いて軸重移動を予測し、軸重移動考慮して、すべりの生じない接線力係数を保持するように各軸トルクを調整するので、空転滑走発生時の健全軸の空転滑走誘発を抑制しつつ、最大限の加減速度を確保することができる。軸重移動の予測の際は、各軸のトルクを任意に設定できるので、休止中の軸がある場合や、複数軸で空転滑走が発生した場合にも対応できる。

１ 車両制御装置
２ 軸重予測手段
３ トルク補正手段
４ 空転滑走検知手段
５ 接線力係数推定手段
６ 粘着係数推定手段
７ 再粘着制御手段
８ トルク指令決定手段

Claims (9)

1. 複数軸を有する車両の各軸のトルクまたは各台車のトルクを制御する車両制御装置であって、前記車両の各軸のトルクに基づいて各軸の軸重を予測する軸重予測手段と、この軸重予測手段によって予測された各軸の軸重予測値に基づいて各軸のトルクを補正するトルク補正手段とを備え、前記トルク補正手段によって補正された各軸のトルク値に基づいて、各軸のトルクまたは前記各台車のトルクを制御するようにしたことを特徴とする車両制御装置。
   
2. 前記軸重予測手段は、前記車両の複数軸のうち少なくとも1つ以上の軸のトルクを変更する場合に、各軸のトルク変更後のトルクに基づいて各軸の軸重を予測するようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
   
3. 前記車両の各軸の空転滑走の発生を検知する空転滑走検知手段と、前記空転滑走検知手段により空転滑走が検知された軸のトルクを一旦引き下げた後に所定値まで復帰させる再粘着制御手段とを有し、前記軸重予測手段により、空転滑走発生軸のトルク引き下げ後の各軸のトルクに基づいて各軸の軸重を予測するようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
   
4. 前記軸重予測手段は、空転滑走発生軸のトルク復帰後の各軸のトルクに基づいて各軸の軸重を予測するようにしたことを特徴とする請求項３記載の車両制御装置。
   
5. 前記車両の各軸のトルクに基づき、軸重移動に応じた各軸の接線力係数を推定する接線力係数推定手段を有し、前記トルク補正手段により、前記接線力係数推定手段で推定した各軸の接線力係数推定値と、空転滑走発生軸のトルク引き下げ後の各軸の軸重予測値とに基づいて各軸のトルクを補正するようにしたことを特徴とする請求項３記載の車両制御装置。
   
6. 前記車両の各軸のトルクに基づき、軸重移動に応じた各軸の接線力係数を推定する接線力係数推定手段と、空転滑走発生時の接線力係数に基づいて粘着係数を推定する粘着係数推定手段とを有し、前記トルク補正手段により、空転滑走発生軸のトルク引き下げ後の各軸の軸重予測値と、各軸の粘着係数推定値に基づいて各軸のトルクを補正するようにしたことを特徴とする請求項３記載の車両制御装置。
   
7. 前記車両の各軸のトルクに基づき、軸重移動に応じた各軸の接線力係数を推定する接線力係数推定手段と、空転滑走発生時の接線力係数に基づいて粘着係数を推定する粘着係数推定手段とを有し、トルクを復帰させる際の目標トルクを、空転滑走軸のトルク復帰後の各軸の軸重予測値と粘着係数推定値に基づいて決定するようにしたことを特徴とする請求項３記載の車両制御装置。
   
8. 前記車両の各軸の接線力による台車枠重心回りのモーメントおよび各軸の接線力による車体重心回りのモーメントを考慮した軸重移動の算出式と、各軸の車輪回転の運動方程式と、車両並進の運動方程式とを用い、微小すべり状態を仮定することで、各軸のトルクから各軸の軸重を予測できるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の車両制御装置。
   
9. 前記トルク補正手段により補正された各軸のトルク値に基づいて、前記軸重予測手段で各軸の軸重を再演算すると共に、再演算された各軸の軸重予測値に基づいて、前記トルク補正手段で各軸のトルクを再補正するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の車両制御装置。

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