JP2014192923A - 電気車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確実に再粘着制御を行い、加減速性能を維持する。
【解決手段】空転・滑走検知時において、車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}を微分し、慣性モーメントを乗算した値であるモータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}が予め定められた値を超えている期間、モータ応答遅れ相当を含むモータ駆動トルクからモータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}を減算した負荷トルク推定値を複数回読み込んで、前記負荷トルク推定値の最新のラッチ値に更新する。そして、空転・滑走検知時に負荷トルク推定値の最新のラッチ値に係数を乗算した値をモータ駆動トルクＴ_{motor_L}，Ｔ_{motor_R}として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車の車両制御技術に係り、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。

電動台車等の電気車において、車輪／レールの最大摩擦係数（粘着係数ともいう）が低下、もしくは、車輪／レールの最大摩擦係数に対して車輪の駆動力が大きい場合には、各車輪が空転または滑走を引き起こす場合がある。この空転・滑走は、車輪やレールを磨耗させるだけでなく、期待する加減速度が得られないことに起因してダイヤの乱れなどに繋がるため問題である。そこで、車輪を空転・滑走状態から復帰させるためにモータ駆動トルクを絞る制御（再粘着制御と呼ばれる：以下、再粘着制御と称する）が行われる。

しかしながら、再粘着制御を車輪回転角速度とモータ入力トルクを基に推定した負荷トルク推定値を用いて行う方式において、オブザーバの推定遅れの影響により、再粘着制御のためのモータ駆動トルクの最小値（以下、負荷トルク推定値と称する）が若干大きくなり、車輪を完全に再粘着させることができないことがある（特許文献１参照）。

ここで、上記の問題点を解決した再粘着制御方法の一例（特許文献１）を図７に基づき説明する。図７は、特許文献１の実施例２におけるモータ駆動トルクと演算軸加速度，動輪回転角速度を示すグラフである。

車輪（動輪）を再粘着させるために、トルク指令値の最小値（負荷トルク推定値）Ｔ_{au_C_min}を演算し、その値を指令値として所定の期間（Ｔ１）出力する。期間（Ｔ１）出力した時点で、まだ完全に再粘着していないか、負荷トルク推定値Ｔ_{au_C_min}を指令し始めたときからまったく再粘着に向かっていないことを検出した場合、それまで指令していた負荷トルク推定値Ｔ_{au_C_min}よりもさらに小さいトルク指令値Ｔ_{au_C_min}×ｎ１を期間（Ｔ１）の経過後の時刻ｔｍ１から指令し、確実に再粘着するように再粘着促進制御を行う。

特開２００５−２０４４２５号公報（段落［０００６］，［０００７］，［００１２］〜［００１７］）

特許文献１には明記されていないが、路面の摩擦係数が急激に変化した場合には、オブザーバの推定遅れの影響が大きく、図７に示すように、期間Ｔ１で再粘着を図っている間にも車輪回転角速度が上昇し続ける。

特に、それぞれの車輪にモータ，インバータが設けられており、各輪を独立して駆動制御する各輪独立駆動台車では各輪が独立に空転・滑走状態となるため、期間Ｔ１でのすべり速度の上昇が大きい。

すべり速度が上昇しすぎると、時刻ｔｍ１以降において負荷トルク推定値よりもさらに小さいトルク指令値Ｔａｕ＿ｃ＿ｍｉｎ×係数ｎ１（０＜ｎ１＜１）にトルクを絞る際に、係数ｎ１を１に近い値に設定したのでは、すべり速度の上昇を抑えられず、トルクを大きく絞る必要がある。このような場合には、加減速性能の大幅な低下を招き、結果としてオブザーバを用いて負荷トルク推定値を利用する利点が失われてしまう。

以上示したようなことから、確実に再粘着制御を行い、加減速性能を維持した電気車の制御装置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、台車内の車輪を駆動制御し、空転・滑走した車輪を再粘着させる電気車の制御装置であって、空転・滑走検知時において、車輪回転角速度検出値を微分し慣性モーメントを乗算した値であるモータ回転角速度トルク換算値が予め定められた値を超えている期間、モータ応答遅れ相当を含むモータ駆動トルクからモータ回転角速度トルク換算値を減算した負荷トルク推定値を複数回読み込んで、負荷トルク推定値の最新のラッチ値に更新し、負荷トルク推定値の最新のラッチ値に係数ｎ１を乗算した値をモータ駆動トルクとして出力することを特徴とする。

また、前記モータ回転角速度トルク換算値が予め定められた値を超えている期間、前記負荷トルク推定値の読み込みを一定周期で行っても良いし、読み込みの周期を可変としても良い。

本発明によれば、路面摩擦係数が急激に変化した場合でも、再粘着制御を確実に行い、加減速性能を維持することが可能となる。

実施形態１における電気車の制御装置を示す構成図である。 実施形態１における負荷トルクオブザーバを示す構成図である。 実施形態１における電気車の制御装置の各波形を示すグラフである。 時刻Ｔｂ〜Ｔｃ間の各波形を示すグラフである。 本願発明を適用しなかった場合における電気車の制御装置の各波形を示すグラフである。 実施形態２におけるＴｂ〜Ｔｃ間の各波形を示すグラフである。 特許文献１におけるトルク指令値と演算加速度，動輪回転角速度を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態１，２における電気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１］
図１は、本実施形態１における電気車の制御装置を示す構成図である。なお、本実施形態１は、各輪独立駆動台車を前提とした構成であるため、図１では左右両車輪の信号として各々２つの信号が示されている。なお、各輪独立駆動台車によって４輪を制御する場合は各々４つの信号が出力される。

図１に示すように、本実施形態１における電気車の制御装置１は、回転角速度検出器２と、負荷トルクオブザーバ３と、車両速度推定部４と、空転・滑走検知部５と、再粘着制御部６と、を備えている。なお、制御装置１は、モータ回転角速度ω_L，ω_Rとノッチトルク指令Ｔ_notchを入力する。

前記回転角速度検出器２は、例えばレゾルバ・エンコーダ等が適用され、車軸取付の場合は、回転角速度ω_L，ω_Rを入力し、車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}として、負荷トルクオブザーバ３と、車両速度推定部４と、空転・滑走検知部５と、に出力する。なお、回転角速度検出器２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。

図２は、本実施形態１における負荷トルクオブザーバ３の構成の一例を示す構成図である。図２に示すように、負荷トルクオブザーバ３は、微分器３１，３１と、慣性モーメント乗算部３２，３２と、モータ応答遅れ相当部３３，３３と、減算部３４，３４と、を備える。なお、前記負荷トルクオブザーバ３には、前記車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}および再粘着制御部６から出力されたモータ駆動トルクＴ_{motor_L}，Ｔ_{motor_R}が入力される。

車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}は、前記微分器３１，３１により微分され、慣性モーメント乗算部３２，３２により慣性モーメントＪ_mが乗算され、モータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}が算出される。なお、慣性モーメントＪ_mは、車輪慣性モーメントとモータ慣性モーメントとを加算した値である。

前記モータ駆動トルクＴ_{motor_L}，Ｔ_{motor_R}は、モータ応答遅れ相当部３３，３３により、モータ応答遅れ相当を含む信号に調整される。そして、モータ応答遅れ相当部３３，３３の出力から前記モータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}と減算部３４，３４がそれぞれ減算され、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}として、再粘着制御部６に出力される。なお、慣性モーメント乗算部３２，３２から出力されたモータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}も再粘着制御部６に出力される。

前記車両速度推定部４は、各輪独立駆動台車で空転・滑走が生じた際においても、台車枠内の車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}および空転・滑走検知フラグｓｌｉｐ_{_L}，ｓｌｉｐ_{_R}に基づき車両速度推定値Ｖ_guessを算出できる手段とする。その手段としては、例えば、台車内における各輪の平均回転角速度から算出する方法などが挙げられる。なお、前記車両速度推定部４は、本願発明と直接関係ないため、詳細なブロック図は省略する。

前記空転・滑走検知部５では、車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}と車両速度推定値Ｖ_guessを入力し、車輪回転角速度が所定の閾値（以下、空転検知閾値と称する）を超えた場合に、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐ_{_L}，ｓｌｉｐ_{_R}を再粘着制御部６へ出力する。なお、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐ＿_L〜ｓｌｉｐ＿_R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。また、その他の空転・滑走を検知する方法でも適用可能である（例えば、加速度により空転・滑走を検知しても良い）。

再粘着制御部６は、上記の入力に加え車両の加減速指令であるノッチトルク指令Ｔ_notchが入力される。図１に示す各輪独立駆動台車では左右輪にトルク差をつけることが可能であるため、ノッチトルク指令を左右でＴ_{notch_L}，Ｔ_{notch_R}と分けた構成としている。

次に、再粘着制御部６の動作について、図３に基づき詳細に説明する。

［〜時刻Ｔａ］
レール最大摩擦係数は充分大きく、空転をする値ではないため、ノッチトルク指令Ｔ_{notch_L}，Ｔ_{notch_R}を、モータ駆動トルクＴ_{motor_L}，Ｔ_{motor_R}として出力する。

［時刻Ｔａ〜時刻Ｔｂ］
レール最大摩擦係数が低下し、車輪回転角速度が上昇する。このとき、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}は最大摩擦係数に応じたトルクに変化し始めるが、推定遅れの影響を受けて定常的な値を出力できていない。また、モータ回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}は設定した空転検知閾値には達していないため、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐ_{_L}，ｓｌｉｐ_{_R}は粘着状態である「０」を出力し、定常状態のトルクであるノッチトルク指令Ｔ_{notch_L}，Ｔ_{notch_R}をトルク指令Ｔ_{motor_L}，Ｔ_{motor_R}として出力し続ける。

［時刻Ｔｂ〜時刻Ｔｃ］
車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}が、空転検知閾値を超えて空転・滑走検知フラグｓｌｉｐ_{_L}，ｓｌｉｐ_{_R}が「１」となるため、モータ駆動トルクＴ_{motor_L}，Ｔ_{motor_R}が絞られる。具体的には、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}はラッチされ、その負荷トルク推定値におけるラッチ値のｎ％（０＜ｎ＜１００）のトルクに絞られる。

しかし、時刻ｔｂでは負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}が定常状態に至っていないため、トルクの絞り量が少ない可能性がある。そのため、一度空転を検知してから負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}の読み込みを複数回行い、その負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}の最新のラッチ値に更新する。本実施形態１では負荷トルク推定値の読み込みを一定周期で行い、そのラッチ値に更新する。このラッチ値を更新するのはモータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}が予め定めた値ｘを超えている間続ける。その理由を以下で説明する。

前記（１）式は、モータ駆動トルクＴ_motorから、車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}の微分値に慣性モーメントＪ_mを乗じた値を減算し、負荷トルク推定値Ｔ_obsを求める式である。この（１）式からモータ駆動トルクＴ_motorと負荷トルク推定値Ｔ_obsの差は下記（２）式であることが分かる。

モータ駆動トルクＴ_motorと負荷トルク推定値Ｔ_obsとの差が予め定めた値ｘより小さくなれば負荷トルク推定値Ｔ_obsにモータ駆動トルクＴ_motorが一致したとみなしてラッチ値の更新をやめる。また、図２より、以下の（３）式が成り立つことがわかる。

上記（３）式より、モータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}を前記予め定めた値ｘとの比較に用いることとした。そして、モータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}が予め定めた値ｘよりも大きい場合は、ラッチ値を更新し、モータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}が予め定められた値ｘよりも小さくなればラッチ値の更新をやめる。すなわち、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}とモータ駆動トルクＴ_{motor_L}，Ｔ_{motor_R}とが一致しているか判定しており、予め与えられた値ｘは許容誤差に該当する。

図４はＴｂ〜Ｔｃ間における負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}におけるラッチ指令の例を示している。ラッチ値指令は一定周期で出力されるが、モータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}が予め定められた値ｘ以下となった場合には、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}のラッチ指令が出力されてもラッチは行われないものとする。時刻Ｔｃまでは、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐが「１」レベルであるため、ラッチ値のｎ％をモータ駆動トルクＴ_motorとして出力する。

［時刻Ｔｃ〜時刻Ｔｄ］
時刻Ｔｃで粘着状態と判定され、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐは「０」となるが、ここで一定時間ｔｃｄの間、時刻Ｔｃでのモータ駆動トルクＴ_motorを保持する。これは、空転・滑走検知フラグが「０」になった後にすぐトルクを引き上げて再度空転することを抑制し、より確実に再粘着を図るためである。

［時刻Ｔｄ〜時刻Ｔｅ］
モータ駆動トルクＴ_motorをラッチ値のｍ％へ向かって引き上げる。ここで、ｎ＜ｍと定める。モータ駆動トルクＴ_motorを引き上げる（係数ｍを係数ｎより大きくする）理由は、より加速度を得るためである。

［時刻Ｔｅ〜時刻Ｔｆ］
モータ駆動トルクＴ_motorをラッチ値のｍ％で一定時間ｔｅｆの間、保持する。

［時刻Ｔｆ〜］
モータ駆動トルクＴ_motorをノッチトルク指令Ｔ_notchに向かって上昇させる。この時に、再度、空転状態となった場合には、時刻Ｔａからの処理を繰り返すこととなる。

図３と図４に示した動作例は車輪一輪だけのグラフである。各輪独立駆動台車では、左右輪がそれぞれ別個に空転・滑走をすることがある。左右輪で片側の車輪だけ再粘着のためのトルクを出力すると、左右にトルク差が生じ、ヨーイングトルクが生じる。本実施形態１では、ヨーイングトルクを生じさせないために、左右輪でどちらか一方の車輪が空転・滑走した場合においても、粘着側車輪も空転側車輪と同様のモータ駆動トルクＴ_motorを出力することとする。

また、左右車輪が共に空転・滑走している場合においては、左右車輪の負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}のうち絶対値の小さい方を用いた再粘着制御を行い、左右車輪のヨーイングトルクの発生を抑制する。

図５に本実施形態１の制御方法（空転・滑走検知フラグｓｌｉｐが「１」レベルとなってから所定の条件を満たすまで負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}のラッチを繰り返す方法）を用いずに再粘着制御を行った場合のモータ駆動トルクＴ_motor，負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}，ラッチ値について示す。

本実施形態１における制御方法を用いない場合は、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐが「１」となる時刻Ｔｂの時点での負荷トルク推定値をラッチして、そのラッチ値を参考にモータ駆動トルクＴ_motorを絞ることとなる。図５の例では、ラッチ時点で負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}が定常状態になっていないのにもかかわらず、時刻ｔｂの時点でのラッチ値を参考にして再粘着制御を行っているため、車輪を再粘着することができず、車輪回転角速度が上昇していく。また、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐが「１」のままであるが、再読み込みは行われない。

以上示したように、本実施形態１によれば、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐが「１」となってから、モータ回転角速度トルク換算値Ｔ_{ω_L}，Ｔ_{ω_R}が予め定めた値ｘ以下となるまで、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}のラッチを繰り返すため、定常状態となった負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}のラッチ値を用いることができ、負荷トルク推定値を利用する利点を最大限活かして確実に再粘着制御を行うことが可能となる。その結果、路面係数が急激に変化した場合や、各輪独立駆動台車に適用した場合でも、再粘着制御を確実に行い、加減速性能を維持することが可能となる。

［実施形態２］
本実施形態１における各輪独立駆動台車の制御装置の構成は、実施形態１と同様であるため、図面は省略する。また、動作も再粘着制御部６以外は実施形態１と同様であるため、その他の部分の説明は省略する。以下、図６に基づき実施形態２における再粘着制御部６の動作を説明する。

［〜時刻Ｔｂ］
実施形態１と同様である。

［時刻Ｔｂ〜時刻Ｔｃ］
車輪回転角速度検出値ω_{L_det}，ω_{R_det}が空転検知閾値を超え、空転・滑走検知フラグｓｌｉｐが「１」となるため、モータ駆動トルクＴ_motorが絞られる。この際、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}をラッチし、ラッチ値のｎ％（０＜ｎ＜１００）に絞られる。

この時、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}は定常状態に至っておらず、トルクの絞り量が少ない可能性があるため、一度空転を検知してから負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}の読み込みを複数回行い、最新のラッチ値に更新する。

本実施形態２は、このラッチ値を更新するための読み込みの周期を可変刻みとしたものである。このラッチ値を更新するのは、モータ回転角速度トルク換算値（Ｔ_{ω_L}・Ｔ_{ω_R}）が予め定めた値ｘを超えている間続ける。

この ラッチ値の読み込みは図６に示すように、空転・滑走を検知した直後は負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}のラッチ指令の出力周期を短くし，その後は長くしている。その理由は、空転を検知した直後はオブザーバ推定遅れの影響を受けている可能性が高く、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}のラッチ値の更新タイミングを早くするほうが，効率が良いためである。 負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}のラッチ指令の周期は、例えば負荷トルクオブザーバ設計時点で予想される推定遅れ時間より定める。

［時刻Ｔｃ〜］
実施形態１と同様である。

以上示したように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。また、ラッチ値の更新の周期を可変とすることにより、負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}の変化が大きな空転検知フラグｓｌｉｐが「１」レベルとなった直後のラッチ間隔を小さくすることが可能となり、実施形態１よりも負荷トルク推定値Ｔ_{obs_L}，Ｔ_{obs_R}の変化を反映させた再粘着制御を行うことが可能となる。

なお、実施形態１，２では、各輪独立駆動台車の制御装置について詳細に説明したが、再粘着制御を行う台車であれば、左右の車輪が輪軸で接続された串軸台車でも適用可能である。

また、ヨーイングトルク発生防止のために、粘着状態の車輪も空転状態の車輪と同様に再粘着制御を行ったが、粘着状態の車輪は別の制御としても良い。

さらに、実施形態２において、負荷トルク推定値のラッチ値を更新するための読み込みの周期を負荷トルクオブザーバ設計時点で予想される推定時間により定めるとしたが、その他の方法により定めても良い。

１…制御装置
２…回転角速度検出器
３…負荷トルクオブザーバ
４…車両角速度推定部
５…空転・滑走検知部
６…再粘着制御部
３１…微分器
３２…慣性モーメント乗算部
３３…モータ応答遅れ相当部
３４…減算部

Claims (3)

1. 台車内の車輪を駆動制御し、空転・滑走した車輪を再粘着させる電気車の制御装置であって、
   空転・滑走検知時において、
   車輪回転角速度検出値を微分し慣性モーメントを乗算した値であるモータ回転角速度トルク換算値が予め定められた値を超えている期間、モータ応答遅れ相当を含むモータ駆動トルクからモータ回転角速度トルク換算値を減算した負荷トルク推定値を複数回読み込んで、負荷トルク推定値の最新のラッチ値に更新し、
   負荷トルク推定値の最新のラッチ値に係数ｎ１を乗算した値をモータ駆動トルクとして出力することを特徴とする電気車の制御装置。
2. 前記負荷トルク推定値の読み込みを、前記モータ回転角速度トルク換算値が予め定められた値を超えている期間、一定周期で行うことを特徴とする請求項１記載の電気車の制御装置。
3. 前記負荷トルク推定値の読み込みを、前記モータ回転角速度トルク換算値が予め定められた値を超えている期間、可変の周期で行うことを特徴とする請求項１記載の電気車の制御装置。

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