JP2014192921A - 各輪独立駆動台車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加減速性能の低下を最小限に抑制すると共に、ヨーイングトルクの発生を抑制する各輪独立駆動台車を提供する。
【解決手段】回転角速度検出器４０により各車輪の回転角速度ω_det１〜ω_det４を検出し、空転・滑走検知部５０により各車輪が空転・滑走状態か否かを判定する。また、負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１〜ＯＢＳ４により負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２を算出する。そして、再粘着制御部６０により、左右一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪が空転・滑走状態と判定された場合は、左右車輪の負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２の絶対値のうち最小値を保持トルク最小値とし、この保持トルク最小値に補正定数を乗算した値を両車輪のトルク指令Ｔ１，Ｔ２として出力する。
【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、車輪が空転状態または滑走状態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５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５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６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により空転異常として検出する。

Ｓ１４：空転状態が検知されると、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）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）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の空転状態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。

これにより、左右対の車輪におけるトルクがアンバランスになった場合、あるいはアンバランスになることが予想される場合に、同一軸内の左右車輪におけるトルクを同時に、かつ、適切に制御することが可能となる。その結果、車輪の空転あるいは滑走の拡大を防止すると共に、著大なヨーイングトルクさらには脱線等の異常動作を抑制することが可能となる。

特開平１１−８９０１号公報 特開平１１−２５２７１６号公報

左右の車軸が輪軸でつながれた串軸台車であれば左右の車輪が別個に空転・滑走状態を引き起こす可能性はないため、輪軸に設けられた左右両輪に対して再粘着制御を行えばよいが、各輪独立駆動台車では、左右の車輪が独立して空転・滑走状態を引き起こす可能性がある。そのような場合、特許文献１ではヨーイングトルクの発生を防止するために、左右の車輪におけるトルクを同時かつ同様に絞る制御を行っている。

しかしながら、特許文献１には、再粘着制御の方法について、詳しく示されておらず、トルクをどこまで引き下げればよいのかが開示されていなかった。そのため、従来の各輪独立駆動台車においては、車輪が空転状態から復帰したか否かを判定しながら除々にトルクを引き下げる方法や、トルクを最初に一気に引き下げ、その後トルクを除々に引き上げる方法が適用されている。その結果、前記再粘着制御は、制御に要する時間の長時間化や、トルクを必要以上に引き下げることを要するため、加減速性能の低下が問題となっていた。

また、串軸台車で用いられる制御方法が特許文献２に開示されているが、串軸台車の技術であるため、各輪独立駆動台車に適用することはできなかった。

以上示したようなことから、加減速性能の低下を最小限に抑制すると共に、ヨーイングトルクの発生を抑制する各輪独立駆動台車を提供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、各車輪の車輪回転角速度を検出する回転角速度検出器と、前記各車輪の車輪回転角速度検出値に基づき各車輪が空転・滑走状態か否かを判定する空転・滑走検知部と、前記各車輪の車輪回転角速度検出値とトルク指令から負荷トルク推定値を算出する負荷トルク推定オブザーバと、左右一対の車輪が共に空転・滑走状態でないと判定された場合は、ノッチトルク指令を両車輪のトルク指令として出力し、左右一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪が空転・滑走状態と判定された場合は、空転状態の場合は左右一対の車輪における負荷トルク推定値の絶対値のうち最小値、滑走状態の場合は左右一対の車輪における負荷トルク推定値の絶対値うち最大値、に補正定数を乗算した値を両車輪のトルク指令として出力する再粘着制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、前記再粘着制御部は、左右一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪が空転・滑走状態と判定された場合、空転・滑走状態が検知されてからオブザーバ推定遅れ時間後における負荷トルク推定値を保持トルクとして保持し、空転状態の場合は前記保持トルクの絶対値のうち最小値を保持トルク最小値とし、滑走状態の場合は前記保持トルクの絶対値のうち最大値を保持トルク最大値とし、この保持トルク最小値または保持トルク最大値に補正定数を乗算した値を、空転・滑走状態が検知されてからオブザーバ推定遅れ時間後に、両車輪のトルク指令として出力することを特徴とする。

また、前記負荷トルク推定オブザーバは、前記車輪回転角速度検出値に車輪とモータ回転子の慣性モーメントを乗算する慣性モーメント乗算部と、慣性モーメント乗算部の出力値を擬似微分する擬似微分部と、トルク指令から擬似微分部の出力値を減算し、負荷トルク推定値として出力する減算部と、を備えた構成としても良い。

本発明によれば、負荷トルク推定オブザーバを用いることにより、加減速性能の低下を最小限に抑制すると共に、ヨーイングトルクの発生を抑制する各輪独立駆動台車を提供することが可能となる。

実施形態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。 実施形態における負荷トルク推定オブザーバのブロック図である。 実施形態における再粘着制御部の動作を示すフローチャートである。 摩擦係数，空転検知フラグ，負荷トルク推定値を示すグラフである。 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、本発明の実施形態における各輪独立駆動台車の制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。

［実施形態］
図１は、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である。本実施形態１における制御装置３０は、回転角速度検出器４０と、空転・滑走検知部５０と、負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１〜ＯＢＳ４と、再粘着制御部６０と、を備える。

前記回転角速度検出器４０は、例えばレゾルバ・エンコーダ等が用いられ、車軸取付の場合は、回転角速度ω１〜ω４を検出し、車輪回転角速度検出値ω_det１〜ω_det４として、各車輪の負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１〜ＯＢＳ４と空転・滑走検知部５０へ出力する。なお、回転角速度検出器４０がモータ取付の場合はギア比などを考慮して演算すれば良い。

空転・滑走検知部５０は、前記車輪回転角速度検出値ω_det１〜ω_det４に基づいて空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１〜Ｆｌａｇ＿４を出力する。なお、空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１〜Ｆｌａｇ＿４は粘着状態で「０」，空転・滑走状態で「１」を出力する論理信号である。空転・滑走状態を検知する方法としては、例えば、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、回転角速度検出値ω_det１（または、ω_det２〜ω_det４）に車輪ノミナル半径（車輪が左右中立位置にある場合の回転半径）ｒを乗じた車輪並進速度ｒω_det１（または、ｒω_det２〜ｒω_det４）と、の差を車両速度情報Ｖ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、かつ、所定時間以上継続した場合、空転・滑走状態として検知する方法が挙げられる。

負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１〜ＯＢＳ４では、車輪回転角速度検出値ω_det１〜ω_det４と各車輪（の駆動モータ）におけるトルク指令Ｔ１〜Ｔ４をそれぞれ入力し、負荷トルク推定値Ｔ_L１〜Ｔ_L４を再粘着制御部６０に出力する。

図２に本実施形態１における負荷トルク推定オブザーバＯＢＳのブロック図を示す。図２には、負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１のみを示すが、負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ２〜ＯＢＳ４も同様である。負荷トルクオブザーバＯＢＳ１は、慣性モーメント乗算部７１と、擬似微分部７２と、減算部７３と、を備える。

負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１に入力された車輪回転角速度検出値ω_det１は、慣性モーメント乗算部７１において慣性モーメント（車輪＋モータ回転子の慣性モーメント）Ｊが乗算され、擬似微分部７２において擬似微分が行われる。そして、減算部７３において、トルク指令Ｔ１から擬似微分部７２の出力値を減算し、その差分が負荷トルク推定値Ｔ_L１として再粘着制御部６０に出力される。

再粘着制御部６０では、ノッチトルク指令Ｔ_notchと、空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１〜Ｆｌａｇ＿４と、負荷トルク推定値Ｔ_L１〜Ｔ_L４と、に基づき、トルク指令Ｔ１〜Ｔ４を出力し、このトルク指令Ｔ１〜Ｔ４は各車輪に出力される。

次に、各輪独立駆動台車における再粘着制御部６０の動作を図３のフローチャートに基づき説明する。なお、再粘着制御は左右対の車輪で行われるため、図３では左右一対の車輪の制御についてのみ説明しているが、その他の左右対の車輪も同様に制御される。

Ｓ１：ノッチトルク指令Ｔ_notchと、負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２と、空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１，Ｆｌａｇ＿２と、を読み込む。

Ｓ２：空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１，Ｆｌａｇ＿２に基づき、各車輪が空転・滑走状態か否かを判定する。空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１，Ｆｌａｇ＿２のうち少なくとも一方が「１」（空転・滑走状態）であればＹＥＳとしてＳ４へ移行し、空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１，Ｆｌａｇ＿２の両方ともが「０」（粘着状態）であればＮｏとしてＳ３へ移行する。

Ｓ３：Ｓ２で両車輪とも粘着状態と判断されため、ノッチトルク指令Ｔ_notchの値をそのままトルク指令Ｔ１，Ｔ２として出力する。

Ｓ４：Ｓ２で空転・滑走状態を検知した時点からオブザーバ推定遅れ時間ｔｄ後における左右車輪の負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２を保持トルクＴ_Latch１，Ｔ_Latch２として保持する。オブザーバ推定遅れ時間ｔｄは空転・滑走状態が発生してから負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２の値がさがり定常状態となるまでの時間であり、設計時に予め設定された時間である。

Ｓ５：前記保持トルクＴ_Latch１，Ｔ_Latch２の絶対値の最小値を保持トルク最小値Ｔ_{L_min}（滑走時には最大値の保持トルク最大値Ｔ_{L_max}）として予め定められた一定時間ｔａ（以下、空転・滑走復帰時間と称する）保持する。前記空転・滑走復帰時間ｔａは空転・滑走状態から粘着状態に復帰するまでに必要な時間であり、予め定められた時間である。

Ｓ６：空転・滑走状態を検知した時点からオブザーバ推定遅れ時間ｔｄ後に、Ｓ５で算出された保持トルク最小値Ｔ_{L_min}（滑走時には保持トルク最大値Ｔ_{L_max}）に補正定数ａ（ａ：０〜１）を乗じた値をトルク指令Ｔ１，Ｔ２として空転・滑走復帰時間ｔａ出力する。

すなわち、空転・滑走状態を空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１，Ｆｌａｇ＿２に基づいて判定し、左右両車輪が粘着状態時には、ノッチトルク指令Ｔ_notchを両車輪のトルク指令Ｔ１，Ｔ２として出力する。

一方、少なくとも一方の車輪が空転・滑走状態時には、ヨーイングトルク発生防止のため、左右の車輪で同じ値のトルク指令Ｔ１，Ｔ２を出力する。このトルク指令Ｔ１，Ｔ２の演算に負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１，ＯＢＳ２において推定した負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２を用いることにより、再粘着制御時の加減速性能の低下を最小限に抑えることを実現している。ただし、実際には負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１，ＯＢＳ２の推定遅れなどが考えられるため、Ｓ４〜Ｓ５では空転・滑走状態を検知してからオブザーバ遅れ時間ｔｄ待ち、その時の両車輪の負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２の絶対値のうち最小値を保持トルク最小値Ｔ_{L_min}（最大値を保持トルク最大値Ｔ_{L_max}）として用いている。

図４は、左右両車輪共に粘着状態にあり、その後、左車輪の摩擦係数が時刻Ａで低下して空転状態となった場合における摩擦係数と空転・滑走検知フラグと負荷トルク推定値を示したものである。

図４では、左車輪に空転が発生した時刻Ａから空転検知遅れ時間ｔｂ後の時刻Ｂで空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１が立っている。負荷トルク推定値Ｔ_L１がさがり定常状態となる時刻とＣとし、Ａ−Ｃ間の時間をオブザーバ推定遅れ時間ｔｄとする。また、空転状態が検知された時刻Ｂからオブザーバ推定遅れ時間ｔｄ後の時刻をＤとする。

［時刻Ａ以前の処理］
左右車輪共に、摩擦係数が一定で粘着状態にあり、空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１，Ｆｌａｇ＿２も「０」（粘着状態）であるため、前記処理ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３の処理を行う。

［時刻Ａ−Ｂ間の処理］
左車輪（左レール）の摩擦係数が下がり、空転状態となるが、時刻Ａ−Ｂ間では空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１が立っていないため、処理ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３の処理を行う。ただし、この時、負荷トルク推定値Ｔ_L１は下がり始める。

［時刻Ｂ−Ｄ間の処理］
時刻Ｂで空転・滑走検知フラグＦｌａｇ＿１が立つ（立ち上がり検知する）ため、処理ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ５の処理を行う。処理ステップＳ４で、空転状態が発生してから空転検知遅れ時間ｔｂ＋オブザーバ推定遅れ時間ｔｄ後（すなわち、時刻Ａからｔｂ＋ｔｄ後の時刻Ｄ）における左右輪の負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２を保持トルクＴ_Latch1，Ｔ_Latch2とし、その保持トルクＴ_Latch1，Ｔ_Latch2の絶対値のうち最小値を保持トルク最小値Ｔ_{L_min}として一定時間保持する。なお、時刻Ｂ−Ｄ間は、ノッチトルク指令Ｔ_notchをトルク指令Ｔ１，Ｔ２として出力する。

［時刻Ｄ以後の処理］
前記保持トルク最小値Ｔ_{L_min}に補正定数ａを乗じた値をトルク指令Ｔ１，Ｔ２として時刻Ｄから空転復帰時間Ｔａ出力する（Ｓ６）。ここで、補正定数ａは０〜１の範囲で選定し、再粘着制御時に早くすべり率の上昇を抑制するためにはより小さい値を選び、すべり率の上昇の抑制よりも加減速性能の低下を抑制するためにはより大きな値を選ぶこととなる。

以上示したように、本実施形態における各輪独立駆動台車の制御装置３０によれば、負荷トルク推定オブザーバＯＢＳ１〜ＯＢＳ４を用いることにより、各輪独立駆動台車の左右トルクアンバランスの発生と路面摩擦係数の変化に対して最適な制御トルクを出力することが可能となる。

そのため、従来のように、車輪が空転・滑走状態から復帰したか否かを判定しながらトルクを除々に引き下げる方法や、トルクを最初に一気に引き下げ、その後、トルクを除々に引き上げるなどの動作が不要となる。

また、各輪独立駆動台車は左右対の車輪のうち一方のみが空転・滑走することがあるが、空転時には負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２の絶対値のうち最小値を、滑走時には負荷トルク推定値Ｔ_L１，Ｔ_L２の絶対値のうち最大値を、トルク指令Ｔ１，Ｔ２の演算に用いることにより、確実に再粘着制御を行うことが可能となる。

さらに、両車輪のトルクを同時に、かつ、同様に引き下げるためヨーイングトルクの発生を抑制することができる。

その結果、加減速性能の低下を最小限に抑えると共に、ヨーイングトルクの発生を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態１では、特定の構成の各輪独立駆動台車の制御装置ついてのみ詳細に説明したが、（１）各車輪の回転角速度検出が可能、（２）各車輪の空転・滑走検知が可能、（３）負荷トルク推定オブザーバを備えた構成であれば適用可能である。

３０…制御装置
４０…回転角速度検出器
５０…空転・滑走検知部
６０…再粘着制御部
ＯＢＳ１〜ＯＢＳ４…負荷トルク推定オブザーバ

Claims (3)

1. 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、
   各車輪の車輪回転角速度を検出する回転角速度検出器と、
   前記各車輪の車輪回転角速度検出値に基づき各車輪が空転・滑走状態か否かを判定する空転・滑走検知部と、
   前記各車輪の車輪回転角速度検出値とトルク指令から負荷トルク推定値を算出する負荷トルク推定オブザーバと、
   左右一対の車輪が共に空転・滑走状態でないと判定された場合は、ノッチトルク指令を両車輪のトルク指令として出力し、左右一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪が空転・滑走状態と判定された場合は、空転状態の場合は左右一対の車輪における負荷トルク推定値の絶対値のうち最小値、滑走状態の場合は左右一対の車輪における負荷トルク推定値の絶対値うち最大値、に補正定数を乗算した値を両車輪のトルク指令として出力する再粘着制御部と、を備えたことを特徴とする各輪独立駆動台車の制御装置。
2. 前記再粘着制御部は、
   左右一対の車輪のうち少なくとも一方の車輪が空転・滑走状態と判定された場合、空転・滑走状態が検知されてからオブザーバ推定遅れ時間後における負荷トルク推定値を保持トルクとして保持し、空転状態の場合は前記保持トルクの絶対値のうち最小値を保持トルク最小値とし、滑走状態の場合は前記保持トルクの絶対値のうち最大値を保持トルク最大値とし、この保持トルク最小値または保持トルク最大値に補正定数を乗算した値を、空転・滑走状態が検知されてからオブザーバ推定遅れ時間後に、両車輪のトルク指令として出力することを特徴とする請求項１記載の各輪独立駆動台車の制御装置。
3. 前記負荷トルク推定オブザーバは、
   前記車輪回転角速度検出値に車輪とモータ回転子の慣性モーメントを乗算する慣性モーメント乗算部と、
   慣性モーメント乗算部の出力値を擬似微分する擬似微分部と、
   トルク指令から擬似微分部の出力値を減算し、負荷トルク推定値として出力する減算部と、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の各輪独立駆動台車の制御装置。

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