JP2014192920A

JP2014192920A - 各輪独立駆動台車の制御装置

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Publication number: JP2014192920A
Application number: JP2013063638A
Authority: JP
Inventors: Takanobu Yoshida; 崇伸吉田; Yugo Tadano; 裕吾只野; Masakatsu Nomura; 昌克野村
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-06
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: JP6115235B2

Abstract

【課題】各輪独立駆動台車において、一部の車輪が空転・滑走した際における車両の加減速性能の低下を抑制する。
【解決手段】各車輪４ａ，４ｂをそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置において、各車輪４ａ，４ｂが空転・滑走しているか否かを判定し、左右対の車輪の一方のみが空転・滑走している場合は、空転・滑走状態の車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げ、同時に粘着状態の車輪のトルクに前記引き下げた分のトルクを重畳する。また、左右対の車輪４ａ，４ｂの両方が空転・滑走している場合は、両車輪４ａ，４ｂのトルクを車輪４ａ，４ｂが再粘着するまで引き下げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輪（４輪ないし複数輪）の各輪が独立して回転する各輪独立駆動台車に係り、特に、車輪が空転または滑走を検知した場合における空転・滑走再粘着制御に関する。

近年、電動台車等の電気車においては低床化が求められており、この低床化を実現させるために輪軸を省いた各輪独立駆動台車が採用され始めている。前記各輪独立駆動台車は、それぞれの車輪（４輪ないし複数輪）に、電動機，インバータが設けられており、各車輪を独立して回転駆動制御するものである。

各輪独立駆動台車は左右の車輪が輪軸で結ばれていないため、左右の車輪を別々に駆動することが可能である。そのため、左右対の車輪のどちらか一方だけ空転滑走した場合、空転・滑走状態の車輪にのみ空転・滑走再粘着制御（通常、トルクを絞る制御）を行うことが可能である。

しかしながら、左右対の車輪の一方だけ空転・滑走再粘着制御を行った場合、左右でトルクアンバランスが生じ、このトルクアンバランスにより、予期せぬヨーイングトルクが発生する可能性がある。このトルクアンバランスを抑制する制御装置が特許文献１に開示されている。

図６に、特許文献１における各輪独立駆動台車の構成図を示す。図６に示す各輪独立駆動台車は、電力供給装置１０から電動機の固定子２ａ，２ｂに電力を供給し、その電力を電子制御装置２０によって、所定の条件に基づき左右各車輪を独立して制御している（詳しくは、特許文献１参照）。

次に、図７のフローチャートに基づき特許文献１における各輪独立駆動台車の動作を説明する。

［動作の説明］
Ｓ１１：まず、電力供給装置１０で検出した電圧検出値Ｖａ，Ｖｂ，電流検出値ｉａ，ｉｂ，回転角速度センサ８ａ，８ｂで検出した回転角速度検出値ω_ma，ω_mb，車両速度センサ９で検出した車両速度検出値（車両全体を代表する並進速度）ｖｂが入力インターフェース（Ｉ／Ｆ）２５を介して電子制御装置２０に読み込まれる。

Ｓ１２：電子制御装置２０において、車輪が空転しているか否かを車両速度検出値ｖｂ＜回転角速度ｒω_mに基づいてチェックする。なお、ｒは車輪径とする。

Ｓ１３：ステップＳ１２において、ＹＥＳ（ｖｂ＜ｒω_m）と判断された場合は、電子制御装置２０において、空転異常として検出する。

Ｓ１４：空転が検知されると、出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）２７を介して出力信号を電子制御装置１０の電力制御部１２に送出し、空転状態の車輪のトルクと共に、粘着状態の車輪のトルクを下げるように制御する。すなわち、空転状態の車輪の空転が収まるまで、除々に空転状態の車輪のトルクを下げ、粘着状態の車輪も同様に、かつ、同時にトルクを下げる。

Ｓ１５：ステップＳ１２において、Ｎｏ（ｖｂ≧ｒω_m）と判断された（空転が検知されなかった）場合には、前記データをＣＰＵ２１で演算し、Ｔ＝Ｐｍ／ω_mに基づき車輪４ａおよび車輪４ｂのトルクの推定および車輪空転の推定を行う。

Ｓ１６：車輪４ａと車輪４ｂのトルク差がＲＡＭ２４に記憶されたトルク差閾値以上か否かをチェックする。

Ｓ１７：ステップＳ１６でＹＥＳ（トルク差がトルク差閾値以上）であると判断された場合は、それが所定時間（プログラマブル・タイマ２２に予めセットされた時間：例えば、５秒）以上継続するか否かをチェックする。

Ｓ１８：ステップ１７がＹＥＳ（トルク差がトルク差閾値以上である時間が所定時間以上）であると判断された場合は、トルク差異常として検出する。

Ｓ１９：両側車輪４ａ，４ｂのトルクを共に「０」に制御する。

このように、空転・滑走再粘着制御を行う際、トルクアンバランスが発生することを防ぐため、車輪４ａと車輪４ｂのトルク差を常時監視している。そして、車輪４ａと車輪４ｂのトルク差がトルク差閾値以上、かつ、所定の時間以上継続する場合、前記同一軸内の車輪４ａ，車輪４ｂの駆動または制動トルクを、電子制御装置２０内のスイッチ（図示省略）をオフにすることにより、共に０に制御する。

また、例えば車輪４ａが空転を検知した場合には、空転の生じていない車輪４ｂのトルクも空転状態の車輪４ａと同様にトルクを下げることにより、両側車輪４ａ，４ｂにおけるトルクのバランスをとり、安定走行へと移行させることができる。

特開平１１−８９０１号公報（段落［００１７］〜［００２５］，［００３４］〜［００４０］，第１図，第７図）特開２００４−３０６８６５号公報特開平０５−２７６６０６号公報特開２００９―２９０９５４号公報

各輪独立駆動台車では、左右輪が独立して空転・滑走をする可能性がある。その場合、前述した特許文献１の制御方法では、片側の車輪だけ空転した場合でも、ヨーイングトルクの発生を防止するため、空転状態の車輪のトルクに伴い、粘着状態の車輪のトルクも絞る制御が行われる。しかし、この制御方法では、粘着状態の車輪の最大摩擦係数は十分大きいにも関わらずトルクを絞ることとなり、車両の加減速性能の低下を招くこととなる。

以上示したようなことから、各輪独立駆動台車において、一部の車輪が空転滑走した際における車両の加減速性能の低下を抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、各車輪をそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、前記制御装置は、各車輪が空転・滑走しているか否かを判定し、左右対の車輪の一方のみが空転・滑走している場合は、空転・滑走状態の車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げ、同時に粘着状態の車輪のトルクに前記引き下げた分のトルクを重畳し、左右対の車輪の両方が空転・滑走している場合は、両車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げることを特徴とする。

また本発明の別の態様は、各車輪をそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、前記制御装置は、１台車枠内の各車輪が空転・滑走しているか否かを判定し、１台車枠内の車輪の一部のみが空転・滑走している場合は、空転・滑走状態の車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げ、同時に粘着状態の車輪のトルクに前記引き下げた分のトルクを分配して重畳し、１台車枠内の車輪の全てが空転・滑走している場合は、全車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げることを特徴とする。

また、本発明の別の態様は、各車輪をそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、前記制御装置は、１編成内の各車輪が空転・滑走しているか否かを判定し、１編成内の車輪の一部のみが空転・滑走している場合は、空転・滑走状態の車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げ、同時に粘着状態の車輪のトルクに前記引き下げた分のトルクを分配して重畳し、１編成内の車輪の全てが空転・滑走している場合は、全車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げることを特徴とする。

本発明によれば、各輪独立駆動台車において、一部の車輪が空転滑走した際における車両の加減速性能の低下を抑制することが可能となる。

実施形態１における各輪独立駆動台車の制御装置のブロック図である。実施形態１における各輪独立駆動台車の動作を示すフローチャートである。ヨーイングトルクの説明図である。実施形態２における各輪独立駆動台車の制御装置のブロック図である。実施形態２における各輪独立駆動台車の動作を示すフローチャートである。従来における各輪独立駆動台車のブロック図である。従来における各輪独立駆動台車の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態１，２における各輪独立駆動台車の制御装置を図面等に基づいて詳細に説明する。

［実施形態１］
電気車は車輪・レール間に働く粘着力によって加減速を行い、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。また、本実施形態１で適用される各輪独立駆動台車は、各車輪の駆動モータを独立して駆動制御している。

本実施形態１における各輪独立駆動台車の制御装置のブロック図を図１に示す。本実施形態１における各輪独立駆動台車の制御装置３０は、再粘着制御部４０と、電力制御部５０と、を有する。

再粘着制御部４０は、それぞれ各車輪４ａ，４ｂで検出された駆動モータＭａの回転角速度ωａ，駆動モータＭｂの回転角速度ωｂを入力し、各車輪４ａ，４ｂの回転角速度ωａ，ωｂと車両速度情報Ｖから各車輪の空転・滑走状態を判定する。そして、前記車輪が空転滑走状態であった場合には再粘着制御トルク指令Ｔｓｌｉｐ＿ａ，Ｔｓｌｉｐ＿ｂを電力制御部５０へ出力する。

電力制御部５０では、左右輪の駆動モータＭａ，Ｍｂへ、それぞれモータ駆動トルクＴａ，Ｔｂを出力する。

なお、再粘着制御部４０の内部構成は、特許文献１の電子制御装置２０と同様の構成でも良い。また、電力制御部５０は、特許文献１の電力供給装置１０と同様の構成でも良い。

次に、本実施形態１における各輪独立駆動台車の動作を図２のフローチャートに基づき説明する。

Ｓ２１：電力制御部５０で検出された電圧検出値Ｖａ，Ｖｂ，電流検出値ｉａ，ｉｂおよび回転角速度検出値（例えば、回転角速度センサ等で検出された回転角速度検出値）ωａ，ωｂ，車両速度情報（例えば、車両速度センサで検出した車両速度検出値）Ｖが入力インターフェース等（図示省略）を介して再粘着制御部４０に読み込まれる。

Ｓ２２：再粘着制御部４０において、各車輪４ａ，４ｂの空転検知を行う。空転検知の方法としては、特許文献１と同様に車両速度（車両全体を代表する並進速度の推定値）情報Ｖと回転角速度ｒωａ（または、ｒωｂ）とを比較して回転角速度ｒωａ（または、ｒωｂ）の方が大きい場合空転として検知する方法や、車両速度情報Ｖと回転角速度ｒωａ（または、ｒωｂ）との差を回転角速度ｒωａ（または、ｒωｂ）で除算してすべり率を算出し、このすべり率が所定の閾値以上、所定時間以上継続した場合、空転として検知する方法等が挙げられる。

Ｓ２３：Ｓ２２で空転が検知された場合は、空転状態の車輪と左右対の車輪（例えば、車輪４ａが空転状態と判断された場合は左右対の車輪４ｂ）が空転しているか否かを再粘着制御部４０において判定する。ここで、空転しているか否かの判定はＳ２２で例示した方法と同様の方法でなされるものとする。

Ｓ２４：Ｓ２３で空転状態の車輪と左右対の車輪が粘着状態と判定された場合は、Ｓ２２で空転状態が検知された車輪に再粘着制御（トルクをＴ引き下げる制御）を行う。そして、同時に、空転状態の車輪と左右対のもう一方の車輪（粘着状態の車輪）のトルクをＴ引き上げる。

例えば、車輪４ａが空転状態，車輪４ｂが粘着状態と判断された場合は、再粘着制御部４０から電力制御部５０に再粘着制御トルク指令Ｔｓｌｉｐ＿ａ，Ｔｓｌｉｐ＿ｂが出力され、電力制御部５０から駆動モータＭａへ出力されるモータトルク指令ＴａがＴ引き下げられ、同時に駆動モータＭｂへ出力されるモータトルク指令ＴｂがＴ引き上げられる。ここで、駆動モータＭａで引き下げられるモータ駆動トルクＴと駆動モータＭｂで引き上げられるモータ駆動トルクＴは同じ値とする。

Ｓ２５：一方、Ｓ２３で両車輪４ａ，４ｂが空転状態と判断された場合は、左右対の両車輪４ａ，４ｂに対して再粘着制御（トルクの引き下げ）を行う。

具体的には、両車輪４ａ，４ｂが空転状態と判断された場合は、再粘着制御部４０から電力制御部５０に再粘着制御トルク指令Ｔｓｌｉｐ＿ａ，Ｔｓｌｉｐ＿ｂを出力し、粘着走行に復帰するまで電力制御部５０から駆動モータＭａ，Ｍｂへ出力されるモータトルク指令Ｔａ，Ｔｂが引き下げられる。ここで、両車輪４ａ，４ｂの駆動モータＭａ，Ｍｂで引き下げられるモータ駆動トルク指令は同じ値とする。

なお、図２に示すフローチャートは、空転時の説明となっている。滑走時においては、適宜読み替える必要があるが、動作フローは同じである。

［ヨーイングトルクを問題としない理由］
ここで、図３に基づきヨーイングトルクについて説明する。本実施形態１は各輪独立駆動台車であるため、車輪４ａと車輪４ｂではレール７ａ，７ｂと車輪のなす角（以下、アタック角と称する）θが異なるが、ほぼ等しいと仮定して説明する。

台車がレール７ａ，７ｂに対してなす角をθ´とすると、アタック角θ≒θ´となる。図３に示すように、ヨーイングトルクは左右車輪４ａ，４ｂのトルク差のｓｉｎθ´成分である。鉄道では、車輪の路面形状とレール形状によりレール７ａ，７ｂと車輪４ａ，４ｂのなす角θ≒０であり、ヨーイングトルクは脱線等の異常状態（事故）が起こるほど大きくならないと予測される。

本願発明における各輪独立駆動台車では、ヨーイングトルクの発生を避けられないが、車両の加減速性能とヨーイングトルクの問題はトレードオフである。しかし、前述したように、各輪独立駆動台車において、左右車輪４ａ，４ｂで異なる駆動トルクが発生した場合でも、脱線等の危険状態に至ることはない。そのため、本願発明ではヨーイングトルク発生の防止ではなく、加減速性能を重視した制御方式を提案している。本実施形態１における各輪独立駆動台車の制御装置は、各輪独立駆動台車が左右車輪４ａ，４ｂに対して、それぞれ異なったトルクを入力することが可能であるため実現できるものである。

以上示したように、本実施形態１における各輪独立駆動台車の制御装置３０によれば、空転状態の車輪が再粘着制御で絞るトルクＴ分、粘着状態の車輪における駆動トルクをトルクＴ分同時に引き上げるため、車両の加減速性能の低下を抑制することが可能である。

すなわち、加減速における駆動トルク分を左右の車輪４ａ，４ｂの車輪における平均値で維持するように再粘着制御を行うことにより、車両の加減速に影響を与えずに、空転・滑走再粘着制御が可能となる。

例えば、右レール７ｂ（車輪４ｂ）が空転しやすい場合に、左右対の車輪４ａ，４ｂでのトルク配分（車輪４ｂのトルクを引き下げ、車輪４ａのトルクを引き上げ）を行うことにより、左右のレール７ａ，７ｂそれぞれにおける摩擦係数変化による空転・滑走に対し確実に再粘着しつつ、ノッチ入力トルク相当の加速が可能となる。

なお、左右両側の車輪４ａ，４ｂが空転してしまった場合には両車輪４ａ，４ｂのトルクを絞ることとなるが、従来技術においては少なくとも一方の車輪で空転を検知した場合には両車輪のトルクを引き下げていたため、従来技術と比較して劣ることはない。

［実施形態２］
本実施形態２における各輪独立駆動台車の制御装置のブロック図を図４に示す。図４に示す各輪独立駆動台車は、台車枠６０内に車輪がｎ個あり、それぞれを独立して駆動制御するものである。また、本実施形態２における各輪独立駆動台車の制御装置３０は、再粘着制御部４０と、電力制御部５０と、を有する。

再粘着制御部４０は、各車輪４ａ〜４ｎで検出された駆動モータＭａ〜Ｍｎの回転角速度ωａ〜ωｎを入力し、各車輪４ａ〜４ｎの回転角速度ωａ〜ωｎと車両速度情報Ｖから各車輪の空転・滑走状態を判定する。そして、前記車輪が空転・滑走状態であった場合には、再粘着トルク指令Ｔｓｌｉｐ＿ａ〜Ｔｓｌｉｐ＿ｎを電力制御部５０へ出力する。

電力制御部５０では台車枠６０内の駆動モータＭａ〜Ｍｎへ、それぞれモータ駆動トルクＴａ〜Ｔｎを出力する。

次に、本実施形態２における各輪独立駆動台車の動作を図５のフローチャートに基づき説明する。なお、実施形態１と同様の箇所については、詳細な説明は省略する。

Ｓ３１〜Ｓ３２：実施形態１におけるＳ２１〜Ｓ２２と同様である。

Ｓ３３：Ｓ３２で空転が検知された場合は、台車枠６０内の全ての車輪が空転しているか否かを再粘着制御部４０において判定する。

Ｓ３４：全ての車輪が空転していないと判定された場合には、空転状態の車輪をトルクＴ引き下げ、各粘着状態の車輪をトルクＵ引き上げる。このトルクＵは下記（１）式により算出される。

すなわち、空転状態の車輪で引き下げた分のトルクを、台車枠６０内の粘着状態の車輪に均等に分配して重畳させる。
Ｓ３５：一方、Ｓ３３で全ての車輪が空転状態と判定された場合は、全ての車輪に対して再粘着制御（トルクを引き下げる制御）を行う。

なお、動作フローの説明は、空転時の説明となっている。滑走時においては適宜読み替える必要があるが、動作フローは同様である。

以上示したように、本実施形態２における各輪独立駆動台車の制御装置３０によれば、空転状態の車輪が再粘着制御で引き下げたトルクを、台車枠６０内における粘着状態の車輪のトルクに重畳することによって、台車枠６０内における各車輪４ａ〜４ｎの駆動トルクの平均値は空転前と空転後で変わらないまま保つことができ、車両の加減速性能を保つことが可能である。

すなわち、加減速に関係するノッチ入力トルクを台車枠６０内の全ての車輪で維持するように再粘着制御を行うことにより、車両の加減速に影響を与えずに、空転・滑走再粘着制御が可能となる。

例えば、車輪４ａ〜４ｎの路面状態などにより、台車枠６０内で一つの車輪だけ空転・滑走しやすい場合には、他の粘着状態の車輪にトルクを分配して重畳することにより、台車枠６０内の車輪とレールとの摩擦係数変化による空転・滑走に対し確実に再粘着しつつ、ノッチ入力相当の加速が可能となる。

なお、粘着状態の車輪がトルクを上昇したことによって全車輪が空転してしまった場合には、全車輪のトルクを絞ることとなるが、従来技術においては左右輪のうち少なくとも一方の車輪で空転を検知した場合には左右両車輪のトルクを引き下げていたため、従来技術と比較して劣ることはない。

また、本実施形態２では、台車枠６０内で説明しているが、電車編成内に拡大してもよい。

４ａ，４ｂ…車輪
７ａ，７ｂ…レール
Ｍａ〜Ｍｎ…駆動モータ
３０…制御装置
４０…再粘着制御部
５０…電力制御部
６０…台車枠

Claims

各車輪をそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、
前記制御装置は、
各車輪が空転・滑走しているか否かを判定し、
左右対の車輪の一方のみが空転・滑走している場合は、空転・滑走状態の車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げ、同時に粘着状態の車輪のトルクに前記引き下げた分のトルクを重畳し、
左右対の車輪の両方が空転・滑走している場合は、両車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げることを特徴とする各輪独立駆動台車の制御装置。
各車輪をそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、
前記制御装置は、
１台車枠内の各車輪が空転・滑走しているか否かを判定し、
１台車枠内の車輪の一部のみが空転・滑走している場合は、空転・滑走状態の車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げ、同時に粘着状態の車輪のトルクに前記引き下げた分のトルクを分配して重畳し、
１台車枠内の車輪の全てが空転・滑走している場合は、全車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げることを特徴とする各輪独立駆動台車の制御装置。
各車輪をそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、
前記制御装置は、
１編成内の各車輪が空転・滑走しているか否かを判定し、
１編成内の車輪の一部のみが空転・滑走している場合は、空転・滑走状態の車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げ、同時に粘着状態の車輪のトルクに前記引き下げた分のトルクを分配して重畳し、
１編成内の車輪の全てが空転・滑走している場合は、全車輪のトルクを車輪が再粘着するまで引き下げることを特徴とする各輪独立駆動台車の制御装置。