JP2014192928A - 各輪独立駆動台車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御方式の切り換えを行うことなく、連続的に再粘着制御を行う手法を提供し、より効率的な再粘着制御を実現する。
【解決手段】指令トルク選択部２１により、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク指令値の台車枠内における車輪の平均値Ｔ_{obs_ave}との偏差が閾値よりも小さい時はノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*を選択し、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値Ｔ_{obs_ave}との偏差が閾値以上の時はモータ入力トルク指令Ｔ_mに基づくトルク値を選択し、回転角速度指令値変換部２２により、トルク指令Ｔ^*から基本となる回転角速度指令値ω^*を算出する。ゲイン調整指令変換部２６により、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値Ｔ_{obs_ave}の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に回転角速度制御器２３のゲインを引き下げる。
【選択図】図５

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，滑走状態であることを検知した場合における空転・滑走再粘着制御および各輪協調制御に関する。

従来の鉄道車両駆動用台車は左右の車輪が軸で結合されており、１つの電動機により左右車輪を一括して駆動する構成を採るのが一般的であった。この構成では左右の車輪回転角速度が一致するが、曲線通過時はレール長の差により曲線の内側と外側で進行距離が異なる。このレール長の差の影響を吸収するために、レールと接触する車輪踏面に勾配を付けて、接触位置における車輪回転半径が曲線内側で小さく、曲線外側で大きくなるようにしている。

しかしながら、急曲線になると上記の踏面勾配のみではレール長の差を吸収できずに、車輪のフランジ接触やレールとのすべりを引き起こす。その結果、振動，騒音，レール・車輪の磨耗を増大させる。

それに対し、左右車輪間の結合軸をなくして各輪に電動機を設置し、それぞれ独立に回転駆動させることが可能な各輪独立駆動台車の構成が検討されている。この各輪独立駆動台車は、左右車輪回転角速度を個別の電動機で任意に制御できるため、曲線通過時の走行性能向上とともに、結合軸をなくすことによる低床化・省スペース化が期待できる。

一方で、各輪の電動機を協調して制御しなければスムースな走行ができない恐れもあり、その制御手法が重要な課題となる。特許文献１および特許文献２では、各輪の回転角速度を検出し、前輪左右と後輪左右のそれぞれで左右の回転角速度差を求め、左右の回転角速度差が任意の値となるように制御する方式を提案している。例えば、直線通過時は左右の回転角速度差がゼロとなるように制御することで、従来の結合軸がある構成と同様に左右の回転角速度を一致させ、直線走行時の安定性を向上させている。

また、曲線通過時は曲線半径に応じて任意の左右回転角速度差を持つように速度制御を行い、その結果生じる補正卜ルクを駆動トルクに加算・減算して円滑な走行を可能としている。

また、空転・滑走再粘着制御については、従来の台車構成において数多くの方法が提案されている（特許文献３，４参照）。

図１６は、各輪協調制御を行うための各輪モータ制御装置の一例を示す構成図である。各輪モータ制御装置は、回転角速度指令値変換部１１において運転手の操作から得られるノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*に基づき基本となる回転角速度指令値ω^*に変換する。さらに、回転角速度指令値補正部１２において、その基本となる回転角速度指令値ω^*を、曲線半径Ｒに基づき各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*に変換する。そして、回転角速度制御器１３ａ〜１３ｄにおいて、各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*と各輪の回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRとの偏差により回転角速度フィードバック制御を行い、モータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*，Ｔ_RL ^*，Ｔ_RR ^*を算出している。

回転角速度指令値補正部１２では、両レール軌間中心基準の曲線半径Ｒ（左カーブを正とする）に応じて基本となる回転角速度指令値ω^*を各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*に補正する。車輪踏面とレールの接触位置における車輪回転半径Ｒのリアルタイム計測は困難なため、ここではノミナル値（車輪が左右中立位置にある場合の回転半径）を使用している。図１７は、レール，軌間，曲線半径Ｒを定義したものである。曲線通過時は、内側レールと外側レールでレール長の差が生じるため、下記（１）式に基づいて各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*に補正する。

前記（１）式は、図１７の曲線半径Ｒと軌間距離２ｂの情報から内側と外側のレールの進行距離の差を求めて、各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*を導いたものである。

各輪の回転角速度制御器１３ａ〜１３ｄでは、前記（１）式より求めた各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*と回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRの偏差を取り、ＰＩＤ制御等による一般的なフィードバック制御を行う。これにより、回転角速度が所望の値となるトルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*，Ｔ_RL ^*，Ｔ_RR ^*が生成される。

なお、回転角速度制御器１３ａ〜１３ｄのＰＩＤ制御ゲインは、車両走行の安定性と性能改善のために、車両状態（車両速度や曲線半径情報Ｒ）に応じて、ゲインスケジューリングされるのが一般的である。

以上、「特許文献１：請求項３」と同等の基本的な機能について説明した。上記のように曲線等の路面状況に応じて各輪のモータを協調制御することで円滑な走行を目指 している。

特開平０８−２４２５０６号公報 特開平０９−２３３６１３号公報 特開１９９９−２５２７１６号公報 特開平０７−２１５２２９号公報

しかしながら、上記特許文献１には空転・滑走再粘着方法が記載されておらず、この各輪独立駆動台車特有の課題となる空転・滑走現象の対応策が検討されていない。 例えば、特許文献３のような従来の空転滑走再粘着制御方法を、単純に図１６に示すような回転角速度制御系に適用すると、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*から基本となる回転角速度指令値ω^*に変換する積分器のリセット処理を適切に行わなければならない課題がある。また、特許文献３の方式は各輪独立駆動台車への適用は考慮されていない。

さらに、空転・滑走検出期間中は回転角速度制御を停止して、任意の再粘着制御トルクパターンに切り替えて再粘着制御を実行し、空転滑走再粘着が完了すると、再び回転角速度制御に切り替えて回転角速度を制御する方法が考えられる。しかし、この制御方法の場合、回転角速度制御を一旦停止する必要がある。

本発明は、上記のような制御方式の切り換え（回転角速度制御の停止）を行うことなく、連続的に再粘着制御を行う手法を提供し、より効率的な（所定レベル以下に車輪のすべり率を抑制しつつ、可能な限りトルクを与えて効率よく車両を加速／減速する）再粘着制御を実現することを課題とする。

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、ノッチトルク指令値と負荷トルク指令値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値よりも小さい時はノッチトルク指令値を選択し、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時にはモータ入力トルク指令値に基づくトルク値を選択して、トルク指令として出力する指令トルク選択部と、トルク指令から車両内における車輪の回転角速度指令値を算出する回転角速度指令値変換部と、車輪の回転角速度指令値と回転角速度検出値との偏差に基づき、回転角速度制御を行う回転角速度制御器と、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に、回転角速度制御器のゲインを引き下げるゲイン調整指令変換部と、を備えたことを特徴とする。

また、前記ゲイン調整指令変換部は、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時にゲインを一旦０にリセットし、その後、任意の変化率で除々に１となるまで引き上げてもよい。

さらに、前記ゲイン調整指令変換部は、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に、負荷トルク推定値をノッチトルク指令値で除算した値のａ％（１＜ａ＜１００）を初期値として前記ゲインをリセットし、その後、任意の変化率で除々に１となるまで引き上げても良い。

また、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に、モータ入力トルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値の偏差が予め設定された閾値以上か否かを判定するトルク差検知部と、前記モータ入力トルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の場合、トルクを引き下げ車輪を再粘着させるための再粘着制御トルクパターンを生成する再粘着制御トルクパターン生成部と、を備え、前記ゲイン調整指令変換部は、再粘着制御トルクパターンをノッチトルク指令値で除算した値のａ％（１＜ａ＜１００）を、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時における前記ゲインとしても良い。

さらに、前記指令トルク選択部において、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に選択されるトルク指令を、モータ入力トルク指令値の台車枠内における車輪の平均値に対して負荷トルク推定値のｂ％（１＜ｂ＜１００）を上乗せした値としても良い。

また、前記指令トルク選択部において、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に選択されるトルク指令を、負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値に対して負荷トルク推定値のｂ％（１＜ｂ＜１００）を上乗せした値としても良い。

本発明によれば、制御方式の切り換えを行うことなく、連続的に再粘着制御を行う手法を適用し、より効率的な（所定レベル以下に車輪のすべり率を抑制しつつ、可能な限りトルクを与えて効率よく車両を加速／減速する）再粘着制御方法を実現することが可能となる。

本願発明における各輪独立駆動台車の制御装置を示す基本構成図である。 本願発明における各輪モータ制御装置を示す基本構成図である。 本願発明における回転角速度指令値補正部を示す基本構成図である。 本願発明における回転角速度制御器を示す基本構成図である。 実施形態１における各輪モータ制御装置を示す構成図である。 実施形態２における各輪モータ制御装置を示す構成図である。 実施形態３における各輪モータ制御装置を示す構成図である。 実施形態４における各輪モータ制御装置を示す構成図である。 実施形態５における各輪モータ制御装置を示す構成図である。 実施形態５における各輪独立駆動台車の制御装置の処理ステップを示すフローチャートである。 シミュレーションの各条件を示す図である。 条件１のシミュレーション結果を示すグラフである。 条件２のシミュレーション結果を示すグラフである。 条件３のシミュレーション結果を示すグラフである。 条件４のシミュレーション結果を示すグラフである。 従来における各輪モータ制御装置を示す構成図である。 レール，軌間，曲線半径Ｒを定義した図である。

［基本構成］
まず、本発明における各輪独立駆動台車の制御装置の基本形態を図１〜図４に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明における各輪独立駆動台車の制御装置は、各輪モータ制御装置１と、各車輪の駆動装置２ａ〜２ｄと、を備える。

運転手の操作から得られるノッチトルク指令Ｔ_notch ^*に基づいて、各輪モータ制御装置１で基本となる（車両内における車輪の）回転角速度指令値に変換し、各駆動装置２ａ〜２ｄにモータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*，Ｔ_RL ^*，Ｔ_RR ^*を送信する。各駆動装置２ａ〜２ｄでは、例えばインバータ装置を用いてベクトル制御などを行い、所望のトルクが得られるように各モータＭａ〜Ｍｄを制御する。また、各モータＭａ〜Ｍｄに設置した回転角速度検出器３ａ〜３ｄにより検出される回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRは、各輪モータ制御装置１に送信する。

次に、各輪モータ制御装置１について図２に基づき説明する。図２に示すように、各輪モータ制御装置１は、回転角速度指令値変換部１１と、回転角速度指令値補正部１２と、回転角速度制御器１３ａ〜１３ｄと、制御ゲイン調整部１４と、を備える。

回転角速度指令値補正部１１は、運転手の操作から得られるノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*から基本となる（車両内における車輪の）回転角速度指令値ω^*に変換する。

回転角速度指令値変換部１１における変換には、例えば下記（２）式を用いる。なお、下記（２）式は車軸取付の場合の回転角速度指令値ω^*を示しているが、モータ取付の場合はギア比を適宜換算すればよい。

回転角速度指令値補正部１２は、曲線半径Ｒおよび基本となる回転角速度指令値ω^*に応じて各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*に補正する。例えば、図３に示すように、回転角速度指令値補正部１２は、レールの曲線半径Ｒと基本となる回転角速度指令値ω^*を入力とする２次元テーブル１２ａ〜１２ｄを構成する。前記２次元テーブル１２ａ〜１２ｄのテーブルデータはシミュレーション等から予め補正値を決定し用意しておく。補正値の決定に際しては、レール・車輪間の横圧が低減できるような補正値を適用し、円滑な曲線走行を実現する。

回転角速度制御器１３ａ〜１３ｄには、一般的なＰＩＤ制御器などのフィードバック制御器を用いる。ここでは、一例として図４に示すようなＰＩ制御器を適用する。図４に示すように回転角速度制御器１３ａ〜１３ｄは、それぞれ比例部１５と、積分ゲイン部１６と、積分器１７と、を備える。

回転角速度制御器１３ａ〜１３ｄは、回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*と回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRとの偏差を入力し、比例部１５，積分ゲイン部１６においてその偏差にＰゲイン（比例ゲイン）Ｋｐ，Ｉゲイン（積分ゲイン）Ｋｉをそれぞれ乗算する。そしてＩゲインＫｉを乗算した値を積分器１７において積分し、ＰゲインＫｐを乗算した値と加算する。

制御ゲイン調整部１４では、回転角速度制御器１３ａ〜１３ｄの制御パラメータに対して基本となる回転角速度指令値ω^*および曲線半径Ｒに応じて適宜調整するゲインスケジューリングを行う。図４に示すＰＩ制御器の例では、Ｐゲイン(比例ゲイン)ＫｐとＩゲイン(積分ゲイン)Ｋｉをスケジューリングする。スケジューリングテーブルは、図３と同様にシミュレーション等の結果からテーブルで予め用意しておけばよい。

これにより、走行制御の安定化と制御性能の向上を実現する。 以上、基本的な機能について説明した。本発明は、上記基本機能に対して空転・滑走再粘着制御機能を付加したものである。

［実施形態１］
図５は、本実施形態１における各輪独立駆動台車の制御装置を示す構成図である。

なお、実施形態１〜５（図５〜９）では、図２に示す回転角速度指令値補正部１２を省略して記載するが実際には行われるものとする。また、回転角速度制御器２３の出力Ｔ_mは、図２に示すモータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*，Ｔ_RL ^*，Ｔ_RR ^*を示すものとする。

本実施形態１における各輪モータ制御装置は、空転・滑走を任意の方法で検知し空転・滑走検知のフラグを立てる。空転・滑走を検知する方法としては、例えば、加速度閾値を用いる方法が挙げられる。加速度閾値を用いる空転・滑走検知方法は、従来の串軸台車でも用いられる一般的な方法であるため、ここでの説明は省略する。

また、本実施形態１における各輪モータ制御装置は、指令トルク選択部２１と、回転角速度指令値変換部２２と、回転角速度制御器２３と、ゲイン調整指令変換部２６と、負荷トルク推定部２７と、空転時指令値生成部２８と、を備える。

空転時指令値生成部２８は、前記空転・滑走検知のフラグとは別に、再粘着制御のフラグＦｌａｇ１を出力する。再粘着制御のフラグＦｌａｇ１は、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値（以下、４輪平均値と称する）Ｔ_{obs_ave}を比較し、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値の４輪平均値Ｔ_{obs_ave}との偏差が閾値以上であった場合には空転・滑走状態としてＦｌａｇ１＝「１」を出力する。

すなわち、空転・滑走検知のフラグは、実際に車輪が空転・滑走したときにしか出力されないフラグであるが、再粘着制御のフラグＦｌａｇ１は、空転・滑走検知のフラグが立ち上がってから任意の時間ｔ保持するフラグであるため、実際には、車輪の空転・滑走が収まっていても再粘着制御のフラグＦｌａｇ１＝「１」として出力される場合がある。

また、空転時指令値生成部２８は、負荷トルク推定値Ｔ_obsから負荷トルク推定値Ｔ_obsの台車枠内における車輪の平均値Ｔ_{obs_ave}を生成する。

粘着走行時と空転・滑走時では基本となる回転角速度指令値ω^*を切り換えないと、空転・滑走時に回転角速度制御器２３に入力される回転角速度偏差が大きくなってしまう。そのため、回転角速度指令値変換部２２は、粘着走行時と空転時とでは、基本となる回転角速度指令値ω^*を切り換える必要がある。

そこで、指令トルク選択部２１はノッチトルク指令Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値の４輪平均値Ｔ_{obs_ave}との偏差が閾値以上（Ｆｌａｇ１＝「１」）であるとき、空転・滑走していると判断し回転角速度指令変換部２２への入力をノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*から負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}に切り換え、トルク指令値Ｔ^*として出力する。

回転角速度指令値変換部２２は、前記トルク指令値Ｔ^*（Ｆｌａｇ１＝「０」であれば粘着状態でＴ_notch ^*，Ｆｌａｇ１＝「１」であれば空転・滑走状態で負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}）を基本となる回転角速度指令値ω^*（単位は［ｒａｄ／ｓ］）に変換する。

回転角速度制御器２３は、基本となる回転角速度指令値ω^*と、回転角速度検出値ω_detとの回転角速度偏差ω_dev1をＰＩ制御等により回転角速度制御を行う。この回転角速度制御器２３は、通常のゲインを１とすると、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionで０〜１までゲイン調整することが可能である。回転角速度制御器２３の積分器１７（図４）は入力と出力に０〜１のゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionが乗じられる。

ゲイン調整指令変換部２６は、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionを出力する。ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionのパターンは任意であるが、基本波形としては、空転・滑走状態を検知時に低減して、その後上昇させるような波形とする。例えば、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionは通常（粘着）走行時は「１」とし、Ｆｌａｇ１＝「１」により空転・滑走状態を検知したときは、一旦「０」に低減し、任意に設定した変化率で徐々に１となるようにし、各輪の回転角速度制御器２３のゲイン（比例・積分ゲインＫｐ，Ｋｉ）を変化させる。

負荷トルク推定部２７は、負荷トルク推定値Ｔ_obsを推定する。負荷トルク推定値Ｔ_obsを推定する方法としては、例えば、回転角速度検出値ω_detに車輪＋モータ回転子の慣性モーメントを乗算して擬似微分し、モータ入力トルク指令値Ｔ_mから擬似微分した値を減算する方法が考えられる。

以上が本実施形態１の機能である。上記のように、本実施形態１における各輪独立駆動台車の制御装置によれば、再粘着制御中の基本となる回転角速度指令値ω^*は、再粘着制御中のモータ入力トルク指令値Ｔ_mを考慮した値となる。すなわち、空転・滑走中は回転角速度指令値変換部２２の変換対象となる信号が、負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}となり、加速度が低減するような回転角速度指令値ω^*に補正される。

また、モータ入力卜ルク指令値Ｔ_mは、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionに応じたトルクを出力することができるため、空転・滑走検知時は、トルクを引き下げ車輪を再粘着させることが可能となる。

これにより、本実施例形態１によれば、空転・滑走時も従来のように回転角速度制御器２３（フィードバック制御）を停止することなく、再粘着を考慮したゲイン調整パターンＧ_re-adhesionで連続的なトルクを与えることができる。また、再粘着制御中は一般的に、回転角速度制御器２３のゲインが路面摩擦状態に対して過剰となり、制御系として不安定になりやすい傾向にある。したがって、回転角速度制御系の安定化にも寄与する。

［実施形態２］
図６は、本実施形態２における各輪モータ制御装置を示す構成図である。本実施形態２における各輪モータ制御装置では、実施形態１（図５）と比較してゲイン調整指令変換部２６にノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値Ｔ_obsが入力されている点が相違する。

ゲイン調整指令変換部２６は、実施形態１のようにノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値の４輪平均値Ｔ_{obs_ave}との偏差が閾値以上の時に各輪のゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionを常に０に落とすのではなく、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と各輪の負荷卜ルク推定値Ｔ_obsの割合のａ％（０＜ａ＜１００）となるように、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionをリセットして、任意の変化率で徐々に１となるように引き下げる。例えば、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値Ｔ_obsとの偏差が閾値以上の時のゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionの初期値は、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*＝１００Ｎｍ，負荷トルク推定値Ｔ_obs＝５０Ｎｍ，ａ＝８０％のとき、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesion＝０．４となる。（すなわち、Ｔ_obs／Ｔ_notch ^*×ａ％）
本実施形態２によれば、実施形態１の作用効果に加え現在の粘着状態を示す負荷トルク推定値Ｔ_obsの状態を活用することにより、不必要に再粘着制御時のモータ入力トルク指令値Ｔ_mを絞る必要がなくなり、再粘着制御中のより効率的な加減速走行を実現することが可能となる。

［実施形態３］
空転・滑走検知手段としては、一般に加速度が一定の閾値を超えた場合に空転・滑走状態と検知する手段や、各輪の回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRが車両推定速度から乖離した場合に空転・滑走状態と検知する手段等が知られているが、本実施形態３では負荷トルク推定値Ｔ_obsを用いた空転・滑走検知手法を提供する。

図７は、本実施形態３における各輪モータ制御装置を示す構成図である。本実施形態３では、実施形態２（図６）に対してトルク差検知部２４と再粘着制御トルクパターン生成部２５とが追加されている。

本実施形態３では、まず、空転時指令値生成部２８により、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値の４輪平均値Ｔ_{obs_ave}との偏差が所定の閾値以上であった場合に空転・滑走状態を検知して再粘着アルゴリズム処理中であることを示すフラグＦｌａｇ１を立てる。

実施形態１や実施形態２で提案した再粘着制御方式は、トルクを上昇させて最も駆動力が稼げる最大摩擦係数付近での動作を目指すが、最大摩擦係数を超えたすべり領域でトルクを上昇させ続けると、再び滑りが大きくなって空転・滑走状態が再発する。

したがって、本実施形態３では、トルク差検知部２４により、再粘着制御中、再粘着制御によって出力される最終的なモータ入力トルク指令値Ｔ_m（含モータ遅れ＋検知遅れ）と負荷トルク推定値Ｔ_obsとを常に比較して、これらが乖離した（偏差が閾値以上となった）場合「再粘着制御中の空転・滑走状態」であると再検知し、Ｆｌａｇ３＝「１」とする。

再粘着制御トルクパターン生成部２５は、ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*を目標値として、Ｆｌａｇ３＝「１」が入力された際には、トルクを絞る再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionを生成する。

再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionを算出する方法としては、例えば、空転・滑走を検知した際（Ｆｌａｇ１＝「１」）負荷トルク推定値Ｔ_obsのうち絶対値の最小値（滑走時には最大値）を次回の空転・滑走検知時までラッチし、このラッチした負荷トルク推定値Ｔ_obsに補正定数ａ（ａ＝０〜１）を乗算する方法等が挙げられる。

ゲイン調整指令生成部２６は、再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionがノッチトルク指令Ｔ_notch ^*の何％になるのかを演算し、この値のａ％（０＜ａ＜１００）をゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionとする。すなわち、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesion＝Ｔ_re-adhesion／Ｔ_notch ^*×ａとする。ただし、粘着状態ではゲイン調整指令値Ｇ_re-adhesionを１としなければならないため、粘着状態であるか空転・滑走状態であるかをＦｌａｇ１を参考に切り換える。すなわち、Ｆｌａｇ１＝「１」のときＧ_re-adhesion＝Ｔ_re-adhesion／Ｔ_notch ^*、Ｆｌａｇ１＝「０」のときＧ_re-adhesion＝１とする。

また、ゲイン調整指令生成部２６は、Ｆｌａｇ３＝「１」となった場合、ゲイン調整指令値Ｇ_re-adhesionを、再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionとノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*の割合のａ％（０＜ａ＜１００）となるように再リセットするようにしても良い（Ｔ_re-adhesion／Ｔ_notch ^*×ａ％）。

すなわち、本実施形態３では、実施形態１，２のように常にモータ入力トルク指令値Ｔ_mを最も駆動力が稼げる最大摩擦係数付近で動作させるのではなく、再粘着制御中におけるモータ入力トルク指令値Ｔ_mと負荷トルク推定値Ｔ_obsとの偏差が閾値以上の場合は再粘着制御中の空転・滑走状態であると判断し、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionを再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionとするか再リセットし、再び空転・滑走状態となることを抑制している。

以上示したように、本実施形態３における各輪独立駆動台車の制御装置によれば、実施形態１，２の作用効果に加え、路面摩擦状況を反映した負荷トルク推定値Ｔ_obsに基づいて、再粘着処理中の効率的な車両加減速制御を実現することが可能となる。

［実施形態４］
空転・滑走再粘着制御中は、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*相当の加減速が得られないため、回転角速度指令値変換部１１に入力されるトルク指令Ｔ^*も、そのときに発生し得るトルク（駆動力）を反映したものにしなければならない。もし、トルク指令Ｔ^*としてノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*をそのまま入力し続けると、基本となる回転角速度指令値ω^*のみが過度に上昇し、後段の回転角速度制御器２３の偏差入力が拡大し続けて、制御系が不安定に陥る。

再粘着制御中、回転角速度指令値変換部２２の積分器の出力値を回転角速度検出平均値に常に一致させるような処理を施して、上述のような回転角速度制御器２３における偏差入力の拡大現象が発生しないようにする手法も考えられる。ただし、この手法は、後段の回転角速度制御器２３を機能させずに再粘着制御トルクパターン処理に切り換える方式にのみ適用できるものであって、本願発明のように回転角速度制御器２３を常に機能させる方式には適用できない。仮に適用すると、回転角速度制御器２３における偏差入力が常に０となった状態で回転角速度制御を行う ことになるため、車両速度の加減速制御が不可能となる。

そこで本実施形態４では、回転角速度指令値変換部２２において、再粘着制御処理中はノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*を入力する代わりに、最終的なモータ入力トルク指令値（再粘着制御が反映されたモータ入力トルク指令値）Ｔ_mの４輪平均値Ｔ_{m_ave}をフィードバックする。ここで、単純に各輪のモータ入力トルク指令値Ｔ_mの４輪平均値Ｔ_{m_ave}をフィードバックすると、加減速に寄与するトルクがループ内で打ち消されて加減速できない現象が発生する。

したがって、各輪のモータ入力トルク指令値Ｔ_mの４輪平均値Ｔ_{m_ave}に、所望する任意のトルクを上乗せして加減速できるようにする。上乗せするトルク生成手段は任意であるが、例えば負荷トルク推定値Ｔ_obsのｂ％（０＜ｂ＜１００）を上乗せする方法等が考えられる。

本実施形態４では、図８に示すように、ゲイン調整指令判定部２９により、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionが１であるか否かを判定し、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionが１でない場合は、空転・滑走状態であるとしてＦｌａｇ２＝「１」を出力する。

空転時指令値生成部２８は、ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値Ｔ_obsの偏差が閾値以上である場合には、空転・滑走状態であるとしてＦｌａｇ１＝「１」を指令トルク選択部２１に出力する。また、Ｆｌａｇ２＝「０」（粘着状態）であるときは、モータ入力トルク指令値Ｔ_mの４輪平均値Ｔ_{m_ave}に負荷トルク推定値Ｔ_obsのｂ％を上乗せした値をＴ_{m_ave}´として指令トルク選択部２１に出力する。一方、Ｆｌａｇ２＝「１」（空転・滑走状態）の場合は、モータ入力トルク指令値Ｔ_mの４輪平均値Ｔ_{m_ave}をそのままＴ_{m_ave}´として指令トルク選択部２１に出力する。その他の構成は実施形態３と同様である。

本実施形態４における各輪独立駆動台車の制御装置によれば、実施形態３の作用効果に加え、回転角速度制御器２３の動作を停止あるいは不安定にさせることなく、再粘着制御中の加減速制御を実現することが可能となる。

［実施形態５］
実施形態４では、最終的な各輪のモータ入力トルク指令値Ｔ_mの４輪平均値Ｔ_{m_ave}をフィードバックして基本となる回転角速度指令値ω^*を生成していたが、本実施形態５では、各輪の負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}をフィードバックする。また、実施形態４と同様の手段で加減速に寄与するトルク（Ｔ_obs×ｂ）を上乗せする。本実施形態５によれば、モータ入力トルク指令値Ｔ_mに比べて負荷トルク推定値Ｔ_obsは実際の路面摩擦状況をより精度良く反映しているため、再粘着制御中の加減速の精度を向上させることが可能となる。

ここで、本実施形態５における処理ステップを図１０のフローチャートに基づいて説明する。

Ｓ１：空転時指令値生成部２８は、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}の偏差が閾値以上か否かを判定する。閾値よりも小さければＮＯ（非空転）としてＳ１０へ移行し、閾値以上であればＹＥＳ（空転）としてＳ２へ移行する。（Ｆｌａｇ１）
Ｓ２：指令トルク選択部２１により、指令トルクＴ^*をノッチトルク指令Ｔ_notch ^*からＴ_{obs_ave}´に切り換える。

Ｓ３：トルク差検知部２４により、モータ入力トルク指令値（モータ遅れを含む）Ｔ_mと負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}との偏差が閾値以上か否かを判定し、閾値よりも小さければＮＯとしてＳ４へ移行し、閾値以上であればＹＥＳとしてＳ５へ移行する。

Ｓ４：ゲイン調整指令生成部２６は、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionを１のままとする。

Ｓ５：再粘着制御トルクパターン生成部２５は、Ｆｌａｇ３＝「１」の間の負荷トルク推定値Ｔ_obsをラッチし、そのラッチした値を参考にした再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionを出力する。

Ｓ６：ゲイン調整指令変換部２６は、再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionがノッチトルク指令Ｔ_notch ^*の何パーセントになるのかを演算し、その値のａ％をゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionとして出力し、回転角速度制御器２３の制御ゲインを調整する（Ｉは入出力に乗じて、積分器はリセットしない）。

Ｓ７：ゲイン調整指令判定部２９により、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionが１か否かを判定する（Ｆｌａｇ２）。ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesion＝１のときＦｌａｇ２＝「０」としてＳ８へ移行し、ゲイン調整指令Ｇ_re-adhesion≠１のときＦｌａｇ２＝「１」としてＳ９へ移行する。

Ｓ８：空転時指令生成部２８により、負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}＋トルク上げパターン（Ｔ_obs×ｂ）をＴ_{obs_ave}´として、指令トルク選択部２１へ出力する。

Ｓ９：空転時指令生成部２８により、負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}をＴ_{obs_ave}´として指令トルク選択２１へ出力する。

Ｓ１０：指令トルク選択部２１は、Ｓ１でＦｌａｇ１＝「０」（粘着状態）と判定された場合、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*を、回転角速度指令変換部２２へ入力する。

すなわち、本実施形態５では、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*と負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}の偏差が閾値以上か否かで空転ｏｒ非空転を判別していることとなる（Ｓ１：Ｆｌａｇ１）。

その後、空転時の処理でモータ入力トルク指令値Ｔ_mと負荷トルク推定値Ｔ_obsの４輪平均値Ｔ_{obs_ave}の偏差が閾値以上か否かにより、さらに空転ｏｒ非空転を判別している（Ｓ３：Ｆｌａｇ３）。

１回目の判定（Ｓ１）は、ノッチトルク指令（運転手の指令）Ｔ_notch ^*での加速ができるか否かを判定し、２回目の判定（Ｓ３）は再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionを上げられるか否かの判定に用いている。

次に、シミュレーション結果について図１２〜図１５に基づいて説明する。

図１１に示すように、条件１，２では両レールの路面摩擦係数が降下しており、条件３，４では右レールのみ路面摩擦係数が降下し、左レールは路面摩擦係数が一定である。また、条件２，４では、路面摩擦係数が降下後一定時間経過後に復帰している。なお、条件１〜４ともに、ノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*＝２１２［Ｎ／ｍ］とする。

図１２，図１３（条件１，２）は左右両車輪が空転する場合を示す 。どちらの結果も、すべり率を５％付近で抑制することができている。その際に、モータ入力トルク指令値Ｔ_mが振動的になっているのは、ゲイン調整によるものではなく、回転角速度制御器２３におけるＰＩ制御器(特に比例項の影響)での出力トルクによるものである。この時のゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionは０％にすることなく、１０％〜１００％の間でゲイン調整を繰り返す。

図１３では、一定時間経過後に路面摩擦係数が復帰するが、問題なくトルクの復帰（ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*への切り換え）が可能であった。図１３の結果は２５秒付近でモータ入力トルク指令値Ｔ_mが上昇できなくなっているが、これはトルクリミッタの影響である。

次に、図１４と図１５に基づき、右レールの摩擦係数だけ低下する場合（条件３，４）について説明する。シミュレーション結果では左右両輪ともすべり率を５％付近で抑制することが可能となっている。そのときのゲイン調整指令Ｇ_re-adhesionは５０％以上絞ることなく制御可能であった。路面摩擦係数が十分大きい左輪のモータ入力トルク指令値Ｔ_mの挙動が若干不安定ではあるが、これは再粘着制御トルクパターンＴ_re-adhesionの選択がノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*への復帰を優先し、負荷トルク推定値Ｔ_obsの保持時間が短く、復帰のトルク傾きを大きくしたためと考えられる。

ちなみに右レール摩擦係数がずっと小さいままである図１４の条件では車両はノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*に近い加速ができるため、２５秒付近からトルクリミッタにかかり３０〜４０秒ではトルクが低下している。

なお、空転検知の閾値は固定としてシミュレーションを行ったが、実際には回転角速度とノッチトルク指令値Ｔ_notch ^*で変化する閾値とする必要がある。

以上示したように、実施形態１〜５の鉄道車両における各輪独立駆動台車においては、４輪ないし複数輪の回転角速度・トルクを協調制御している際に、路面や運転状況によって発生する可能性がある空転・滑走現象を効果的に抑制し、レール／車輪の摩耗，車両の駆動／制動力低下を防止して、安定かつ円滑な走行が可能となる。

１…各輪モータ制御装置
２ａ〜２ｄ…各輪の駆動装置
Ｍａ〜Ｍｄ…モータ
３ａ〜３ｄ…回転角速度検出器
１１，２２…回転角速度指令値変換部
１２…回転角速度指令値補正部
１２ａ〜１２ｄ…２次元テーブル
１３，１３ａ〜１３ｄ，２３…回転角速度制御器
１４…制御ゲイン調整部
２１…指令トルク選択部
２４…トルク差検知部
２５…再粘着制御トルクパターン生成部
２６…ゲイン調整指令変換部
２７…負荷トルク推定部
２８…空転時指令値生成部

Claims (6)

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、
   ノッチトルク指令値と負荷トルク指令値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値よりも小さい時はノッチトルク指令値を選択し、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時にはモータ入力トルク指令値に基づくトルク値を選択し、トルク指令として出力する指令トルク選択部と、
   トルク指令から車両内における車輪の回転角速度指令値を算出する回転角速度指令値変換部と、
   車輪の回転角速度指令値と回転角速度検出値との偏差に基づき、回転角速度制御を行う回転角速度制御器と、
   ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に、回転角速度制御器のゲインを引き下げるゲイン調整指令変換部と、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. 前記ゲイン調整指令変換部は、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時にゲインを一旦０にリセットし、その後、任意の変化率で除々に１となるまで引き上げていく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. 前記ゲイン調整指令変換部は、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に、負荷トルク推定値をノッチトルク指令値で除算した値のａ％（１＜ａ＜１００）を初期値として前記ゲインをリセットし、その後、任意の変化率で除々に１となるまで引き上げ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。
4. ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に、モータ入力トルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値の偏差が予め設定された閾値以上か否かを判定するトルク差検知部と、
   前記モータ入力トルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の場合、トルクを引き下げ車輪を再粘着させるための再粘着制御トルクパターンを生成する再粘着制御トルクパターン生成部と、を備え、
   前記ゲイン調整指令変換部は、再粘着制御トルクパターンをノッチトルク指令値で除算した値のａ％（１＜ａ＜１００）を、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時における前記ゲインと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。
5. 前記指令トルク選択部において、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に選択されるトルク指令を、モータ入力トルク指令値の台車枠内における車輪の平均値に対して負荷トルク推定値のｂ％（１＜ｂ＜１００）を上乗せした値とすることを特徴とする請求項１〜４記載の各輪独立駆動台車の制御装置。
6. 前記指令トルク選択部において、ノッチトルク指令値と負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値との偏差が閾値以上の時に選択されるトルク指令を、負荷トルク推定値の台車枠内における車輪の平均値に対して負荷トルク推定値のｂ％（１＜ｂ＜１００）を上乗せした値とすることを特徴とする請求項１〜４記載の各輪独立駆動台車の制御装置。

Images