JP2014046714A - 鉄道車両の動揺防止制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】曲線区間通過直後の車体の幅方向の動揺に対しても効果的な動揺抑制性能を得るようにする。
【解決手段】車体３と台車２の間に設けられ、加速度センサ１３で検出された車体３の幅方向の加速度から、車体３を台車２に対して車両の幅方向に移動するアクチュエータ１２の制御指令を演算する制御指令演算器１４を備えた鉄道車両１の動揺防止制御装置１１である。制御指令演算器１４は、車体３の幅方向の加速度に基づき、直線区間用制御指令及び曲線区間用制御指令を演算する左右並進制御部と、鉄道車両１が曲線区間の通過中か直線区間の走行中かを判定する曲線判定部と、曲線判定部が曲線区間の通過中と判定した場合、或いは曲線区間の通過から直線区間の走行に変化して一定時間以内と判定した場合は、曲線区間用制御指令を選択すると判定し、前記以外は直線区間用制御指令を選択すると判定する制御指令選択判定部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、曲線区間通過時に発生する鉄道車両の動揺を防止する制御装置に関するものである。

鉄道車両の動揺防止制御において、直線区間での乗り心地改善を追求して制御器を設計した場合、車体の幅方向の移動を制御する制御器（以下、左右並進制御器という。）の低周波域での制御ゲインが大きいものとなる。また、車体の幅方向加速度（以下、左右並進加速度ともいう。）から曲線区間通過中の超過遠心力を取り除くハイパスフィルタの遮断周波数は０．２Hz以上にすることはできない。

そのため、曲線区間のうちの、特に超過遠心力が漸増、漸減する緩和曲線区間において、０．２Hzを超える超過遠心力成分を前記ハイパスフィルタで取り除くことができない。よって、０．２Hzを超える超過遠心力成分により、アクチュエータへの制御指令値が影響を受け、前記制御指令値が飽和して乗り心地の悪化を招く。

このような曲線区間通過時における鉄道車両の動揺を防止する制御装置が、種々提案されている。

例えば、特許文献１では、入力された加速度を基に車両の振動を制御する振動制御器を、遠心加速度に相当する加速度の低周波成分の影響を受けにくい振動制御器とし、当該振動制御器はストロークセンサで検出した車体の幅方向の変位を入力されて前記周波数帯域の振動を制御する装置が開示されている。

また、特許文献２では、曲線区間の入口緩和曲線で制御ゲインを漸減させ、出口緩和曲線もしくは緩和曲線通過後に制御ゲインを漸増させる装置が開示されている。その際、切り替えダンパの減衰係数を大きくするとさらに振動発生が抑制されると記載されている。

また、特許文献３では、直線区間の走行時は直線制御則、曲線区間の通過時は曲線制御則で制御を行う装置が開示されている。この振動制御装置は、曲線制御則では超過遠心力を除去するために、直線制御則に対してフィルタの遮断周波数帯域を上げている。

しかしながら、特許文献１，２で開示された振動制御装置は、曲線区間を通過していることの検知をストロークセンサで行っており、ストロークセンサを搭載する必要があるため、高価になる。

加えて、特許文献１で開示された振動制御装置のようにストロークセンサの出力に基づいて振動を制御する場合は、ストロークセンサの出力を入力する制御器は高周波で大きな制御ゲインを持つので、センサノイズ及び台車の弾性振動に起因する高周波振動に反応して乗り心地が悪化する。また、制御が発散することもある。

また、特許文献２で開示された振動制御装置では、直線区間の走行時に比べて、曲線区間の通過時に全周波数帯域で制御ゲインを低下させているので、乗り心地が悪化する。

また、特許文献１〜３で開示された振動制御装置は、曲線区間の通過後の超過遠心力の影響については全く考慮されていない。

特開平６‐１０７１７３号公報 特開２００８‐２４７３３３号公報 特開２００８‐２４７２０４号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の動揺制御は、曲線区間通過時のみを対象としたもので、曲線区間通過後に発生する車体の幅方向の動揺制御については考慮されていないという点である。

本発明の鉄道車両の動揺防止制御装置は、曲線区間通過中のみならず、曲線区間通過直後の車体の幅方向の動揺に対しても効果的な抑制性能を得ることができるようにするために、以下のような構成を採用している。

すなわち、本発明は、
鉄道車両の車体と台車の間に設けられ、制御指令に従った力で前記車体と前記台車を車両の幅方向に相対移動すべく駆動するアクチュエータと、
前記車体の幅方向の加速度を検出する加速度センサと、
前記加速度センサで検出された前記車体の幅方向の加速度から前記アクチュエータの制御指令を演算する制御指令演算器を備えて、車体に発生する振動を制御する鉄道車両の動揺防止制御装置において、
前記制御指令演算器は、
前記車体の幅方向の加速度に基づき、直線区間用制御指令及び曲線区間用制御指令を演算する左右並進制御部と、
前記車体の幅方向の加速度に基づき、前記鉄道車両が曲線区間の通過中か直線区間の走行中かを判定する曲線判定部と、
前記曲線判定部が曲線区間の通過中と判定した場合、或いは曲線区間の通過から直線区間の走行に変化して一定時間以内と判定した場合は、前記曲線区間用制御指令を選択すると判定し、前記以外の場合は前記直線区間用制御指令を選択すると判定する制御指令選択判定部を備えたことを最も主要な特徴としている。

上記本発明では、制御指令演算器は、前記制御指令選択判定部が前記直線区間用制御指令を選択すると判定した場合には前記直線区間用制御指令を、前記曲線区間用制御指令を選択すると判定した場合には前記曲線区間用制御指令を、前記アクチュエータに出力する。

本発明では、曲線区間通過中の振動制御のみならず、曲線区間通過直後の車体幅方向の動揺についての制御も行うので、直線区間、曲線区間のみならず、曲線区間通過直後についても効果的な動揺抑制性能を得ることができる。

本発明の動揺防止制御装置の概略構成を説明する図である。 本発明の動揺防止制御装置の制御指令演算器における制御フロー図である。 制御指令演算器を構成するヨーイング制御部における制御フロー図である。 制御指令演算器を構成する左右並進制御部における制御フロー図である。 制御指令演算器を構成する曲線判定部における判定フロー図である。 制御指令演算器を構成する制御指令選択判定部における判定フロー図である。 制御指令演算器を構成する左右並進制御部における直線区間用と曲線区間用の制御ゲイン線図である。 本発明の動揺防止制御装置の効果を説明する図で、（ａ）は曲線区間通過時に発生する車体の幅方向振動加速度、（ｂ）は同じく制御指令を示した図である。

鉄道車両の動揺を抑制する動揺防止制御装置は種々提案されているが、曲線区間通過中のみならず、曲線区間通過後は左右並進加速度に含まれるハイパスフィルタで取り除くことのできない超過遠心力成分により、アクチュエータへの制御指令値が飽和し、動揺抑制性能が悪化する。

しかしながら、この曲線区間通過直後の動揺抑制性能の悪化について、従来は考慮されることが無かった。

そこで、本発明は、曲線区間通過中のみならず、曲線区間通過直後の車体の幅方向の動揺に対しても効果的な動揺抑制性能を得るようにするという目的を、曲線区間通過直後の一定時間以内は曲線用の制御指令を選択することで実現した。

以下、本発明を実施するための実施例を、添付図面を用いて説明する。
図１は本発明の鉄道車両の動揺防止制御装置の概略構成を説明する図である。

１は台車２に車体３を搭載した鉄道車両であり、この鉄道車両１に本発明の動揺防止制御装置１１が設けられる。なお、４は台車２に設置された輪軸、５は車体３を支持すべく台車に設けられた空気ばねを示す。

１２は、鉄道車両１の前後位の２箇所に設けられ、前記車体３と台車２の間に設けられたアクチュエータであり、後述する制御指令演算器１４からの制御指令に従った力で、例えば車体３を台車２に対して車体の幅方向に相対移動させるものである。

１３は、車体３の前後位の２箇所に設けられ、走行時、車体３に作用する車体３の幅方向の加速度を所定の時間間隔で検出する加速度センサであり、これらの加速度センサ１３で検出した車体３の幅方向の加速度は制御指令演算器１４に出力される。

制御指令演算器１４は、加速度演算部、ヨーイング制御部、左右並進制御部、曲線判定部、制御指令選択判定部を備えており、前記加速度センサ１３が検出した加速度に基づき、図２に示すフローの制御を行う。

すなわち、制御指令演算器１４は、前記加速度センサ１３が検出した前後位の加速度を読み込んだ後、加速度演算部で車体３のヨーイング加速度と左右並進加速度を算出する。算出したヨーイング加速度、左右並進加速度は、それぞれヨーイング制御部、左右並進制御部に出力される。

そして、ヨーイング制御部は、入力されたヨーイング加速度にバンドパスフィルタ処理を行った後、ヨーイング制御指令を演算する（図３参照）。また、左右並進制御部は、入力された左右並進加速度にバンドパスフィルタ処理を行った後、図７に直線で示す制御ゲインをかけた直線区間用の左右並進制御指令と、図７の破線で示す制御ゲインをかけた曲線区間用の左右並進制御指令を演算する一方、入力された前記左右並進加速度を曲線判定部に出力する（図４参照）。

曲線判定部は、入力された左右並進加速度にローパスフィルタ処理を行う。そして、ローパスフィルタ処理を行った後の左右並進加速度が予め定められた曲線判定閾値c1よりも大きいとき、或いは曲線判定閾値c1よりも小さく、かつ曲線判定閾値−c1より小さいときは曲線区間と判定する（c data=１）。一方、ローパスフィルタ処理を行った後の左右並進加速度が前記曲線判定閾値c1よりも小さく、かつ曲線判定閾値−c1より大きいときは直線区間と判断する（c data=０）。この曲線判定部における処理フローを図５に示す。

曲線判定部で判定した前記結果は、制御指令選択判定部に出力され、制御指令選択判定部は、図６のフローに基づいて、直線区間用制御指令か曲線区間用制御指令の何れの指令をアクチュエータ１２に出すかを選択する（図４参照）。

すなわち、制御指令選択判定部は、曲線判定部の判定結果が直線区間用制御指令（cosc=０）の場合は、直線区間用制御指令の選択状態継続時間i1が制御周期st当たりの直線区間用制御指令選択時間閾値t1より大きいか否かを判断する。

そして、前記選択状態継続時間i1が制御周期st当たりの直線区間用制御指令選択時間閾値t1より大きい場合は曲線区間と判定し（c data=１）、前記選択状態継続時間i1が０の場合は曲線区間用制御指令（cosc=１）を選択する。一方、前記選択状態継続時間i1が制御周期st当たりの直線区間用制御指令選択時間閾値t1より小さい場合や、曲線区間と判定しない場合（c data=１でない場合）は当初に戻る。なお、直線区間用制御指令選択時間閾値t1は、例えば１〜１．５sとすればよい。

また、曲線判定部の判定結果が直線区間用制御指令（cosc=０）でない場合で直線区間（c data=０）と判定する場合は、曲線区間終了後曲線用制御指令選択継続時間i2が制御周期st当たりの曲線区間終了後曲線区間用制御指令選択時間閾値t2より大きいか否かを判断する。

そして、曲線区間終了後曲線用制御指令選択継続時間i2が制御周期st当たりの曲線区間終了後曲線区間用制御指令選択時間閾値t2より大きい場合は直線区間用制御指令（cosc=０）を選択する。一方、直線区間と判定しない場合で、曲線区間終了後曲線用制御指令選択継続時間i2が０の場合や、曲線区間終了後曲線用制御指令選択継続時間i2が制御周期st当たりの曲線区間終了後曲線区間用制御指令選択時間閾値t2より小さい場合は当初に戻る。なお、曲線区間終了後曲線区間用制御指令選択時間閾値t2は、例えば３〜８sとすればよい。

制御指令選択判定部の前記選択結果に基づき、制御指令演算器１４は前記アクチュエータ１２に直線区間用制御指令、或いは曲線区間用制御指令を出力する。

上記本発明の動揺防止制御装置１１では、曲線区間通過中及び曲線区間通過後の一定時間は、制御指令演算器１４は車体３の幅方向の加速度に基づいて演算した曲線区間用制御指令をアクチュエータ１２に出力し、それ以外の場合は、直線区間用制御指令をアクチュエータ１２に出力する。但し、制御指令選択結果が頻繁に切り替わるのを防ぐために、直線区間用制御指令を選択した場合はその状態を一定時間以上継続させる。

本発明の効果を確認するために、曲線区間通過を模擬した下記条件の走行シミュレーションを行った。その結果を図８に示す。

・シミュレーション条件
曲線半径：４００m
走行速度：９０km／hr
緩和曲線長：８０m
本曲線長：２５０m
カント高さ：１０５mm

制御イは常に直線区間用制御指令を選択する場合（従来例１）、制御ロは曲線区間通過中のみ曲線区間用制御指令を選択し、それ以外では直線区間用制御指令を選択する場合（従来例２）、制御ハは曲線区間通過中及び曲線区間通過後の一定時間は曲線区間用制御指令を選択し、それ以外では直線区間用制御指令を選択する場合（発明例）である。直線区間用制御指令選択時間閾値t1は１s、曲線区間終了後曲線区間用制御指令選択時間閾値t2は７sとした。

制御イでは、入口緩和曲線区間の通過中及び通過後、出口緩和曲線区間の通過中、曲線区間の通過後に制御指令値が飽和し（図８（ｂ））、その時の左右振動加速度の振幅が大きくなっており（図８（ａ））、十分に制振効果が得られていないことが分かる。

また、制御ロでは、入口緩和曲線区間の通過中及び通過後、出口緩和曲線区間の通過中は充分な制振効果が得られているが、出口緩和曲線区間を通過後に制御指令値が飽和し（図８（ｂ））、その時の左右振動加速度の振幅が大きくなって（図８（ａ））、十分な制振効果が得られていないことが分かる。

これに対して、制御ハでは、入口緩和曲線区間の通過中及び通過後、出口緩和曲線区間の通過中の何れも制御指令値が飽和せず（図８（ｂ））、常に十分な制振効果が得られていることが分かる。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、曲線判定部は曲線区間か否かを判定できるものであれば、図５に示すフローに限らない。

１ 鉄道車両
２ 台車
３ 車体
１１ 動揺防止制御装置
１２ アクチュエータ
１３ 加速度センサ
１４ 制御指令演算器

Claims (2)

1. 鉄道車両の車体と台車の間に設けられ、制御指令に従った力で前記車体と前記台車を車両の幅方向に相対移動すべく駆動するアクチュエータと、
   前記車体の幅方向の加速度を検出する加速度センサと、
   前記加速度センサで検出された前記車体の幅方向の加速度から前記アクチュエータの制御指令を演算する制御指令演算器を備えて車体に発生する振動を制御する鉄道車両の動揺防止制御装置において、
   前記制御指令演算器は、
   前記車体の幅方向の加速度に基づき、直線区間用制御指令及び曲線区間用制御指令を演算する左右並進制御部と、
   前記車体の幅方向の加速度に基づき、前記鉄道車両が曲線区間の通過中か直線区間の走行中かを判定する曲線判定部と、
   前記曲線判定部が曲線区間の通過中と判定した場合、或いは曲線区間の通過から直線区間の走行に変化して一定時間以内と判定した場合は、前記曲線区間用制御指令を選択すると判定し、前記以外の場合は前記直線区間用制御指令を選択すると判定する制御指令選択判定部を備えたことを特徴とする鉄道車両の動揺防止制御装置。
2. 前記制御指令演算器は、前記制御指令選択判定部が前記直線区間用制御指令を選択すると判定した場合には前記直線区間用制御指令を、前記曲線区間用制御指令を選択すると判定した場合には前記曲線区間用制御指令を、前記アクチュエータに出力することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の動揺防止制御装置。

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