JP2014192930A - 各輪独立駆動台車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各輪独立駆動台車の制御装置において各輪のモータによる走行制御が互い干渉することを抑制し、また、それぞれの運転モードに適切な制御系を構築する。
【解決手段】各輪をそれぞれ独立して制御する各輪独立駆動台車の制御装置１０において、検出角速度変換器１５が、各輪の検出角速度［ω_FR，ω_FL，ω_RR，ω_RL］を変換行列Ｔ_Xにより、車両全体の運動と各車輪間の相対的な運動とを示す制御検出角速度［ω_W，ｄω_W，Δω_W，δω_W］に変数変換し、トルク指令変換器１３が、前記制御検出角速度に基づいて算出された、車両全体の運動と、各車輪間の相対的な運動と、を示す制御トルク指令［Ｔ_W，ｄＴ_W，ΔＴ_W，δＴ_W］を、変換行列Ｔ_Xにより、各輪のトルク指令［Ｔ_FR，Ｔ_FL，Ｔ_RR，Ｔ_RL］に逆変換する。
【選択図】図２

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、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角速度制御を行い、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。

特開平０８−２４２５０６号公報 特開平０９−２３３６１３号公報

しかしながら、 図１に示す各輪独立駆動台車で走行（台車速度や進行方向）を制御する場合、モータは台車に拘束されているため、各輪のモータによる走行制御が互いに干渉する。その結果、各輪の角速度制御が、他の車輪のモータにおける角速度制御の影響を受け、制御性能の低下が生じることとなる。

また、台車に加えられる力に対して、回転を伴わない運動と、回転運動の伝達特性は異なるため、それぞれに関して 制御系の設計を行うことが望ましいが、通常各輪に対して同じ角速度制御系となる。そのため、不安定になりやすい方の特性に合わせて制御系を調整することになり、最適な制御特性を得ることが困難であった。

以上示したようなことから、各輪独立駆動台車の制御装置において各輪のモータによる走行制御が互い干渉することを抑制し、また、それぞれの運転モードに適切な制御系を構築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、 各輪をそれぞれ独立して制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、各輪の検出角速度を変換行列Ｔ_Xにより、車両全体の運動と各車輪間の相対的な運動とを示す制御検出角速度に変数変換する検出角速度変換器と、前記制御検出角速度に基づいて算出された、車両全体の運動と、各車輪間の相対的な運動と、に寄与する制御トルク指令を、変換行列Ｔ_Xにより、各輪のトルク指令に逆変換するトルク指令変換器と、を備えたことを特徴とする。

また、前記変換行列Ｔ_Xは下記（１）式としても良い。

さらに、前記制御検出角速度は、４輪の平均角速度と、前輪平均角速度と後輪平均角速度の差と、右輪平均角速度と左輪平均角速度の差と、右輪と左輪の差角速度の前後差と、前記制御トルク指令は、４輪の合計トルクと、前輪合計トルクと後輪合計トルクの差と、右輪合計トルクと後輪合計トルクの差と、右輪と左輪の差トルクの前後差と、してもよい。

また、角速度制御器により、制御角速度指令と制御検出角速度との偏差に基づき角速度制御を行い、制御トルク指令を演算しても良い。

さらに、角速度指令発生器により、各輪に対する角速度指令を前記（１）式の変換行列に基づいて、制御角速度指令に変換しても良い。

また、他の態様として、前記角速度制御器は、４輪の平均角速度と、右輪平均角速度と左輪平均角速度の差は、角速度制御を行わず、前輪平均角速度と後輪平均角速度の差と、右輪と左輪の差角速度の前後差のみ角速度制御を行い、前記角速度制御器の出力に対し、運転手の操作である４輪の合計トルクと、右輪合計トルクと左輪合計トルクの差と、を加算した値を制御トルク指令とすることを特徴とする。

さらに、他の態様として、前記角速度制御器は、制御角速度指令を０として入力することを特徴とする。

本発明の各輪独立駆動台車の制御装置によれば、各輪のモータによる走行制御が互いに干渉することを抑制し、また、それぞれの運転モードに適切な制御系を構築することが可能となる。

実施形態１〜３の電動車モデルを示す側面図および下面図である。 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制御装置を示すブロック図である。 実施形態３における各輪独立駆動台車の制御装置を示すブロック図である。 本願発明の電動車モデルを示す側面図および下面図である。 制御トルク指令と４輪の検出角速度の伝達特性を示す図である。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１における電動車モデルを示す側面図および下面図である。図１に示すように、各輪独立駆動台車は、各輪２ａ〜２ｄに直結したモータＭａ〜Ｍｄのトルクにより、各輪２ａ〜２ｄをそれぞれ独立して駆動させる。そして、このモータＭａ〜Ｍｄのトルクを、図２に示す制御装置１０により制御する。

制御装置１０は、図２に示すように、角速度指令発生器１１，角速度制御器１２，トルク指令変換器１３，インバータ１４，検出角速度変換器１５と、を備えている。

制御装置１０では、下記（１）式を用いて変数変換を行う。

検出角速度変換器１５は、台車１（Ｐ（ｓ））における４輪の検出角速度［ω_FR，ω_FL，ω_RR，ω_RL］^Tを、下記（２）式のように変換行列Ｔ_Xを用いて、制御検出角速度［ω_W，ｄω_W，Δω_W，δω_W］^Tに変換する。

ただし、４輪の検出角速度はそれぞれ、ω_FR：前右輪角速度，ω_FL：前左輪角速度，ω_RR：後右輪角速度，ω_RL：後左輪角速度に、 制御検出角速度はそれぞれ、ω_W：４輪の平均角速度，ｄω_W：前輪平均角速度と後輪平均角速度の差，Δω_W：右輪平均角速度と左輪平均角速度の差，δω_W：右輪と左輪の差角速度の前後差に対応する。この制御角速度［ω_W，ｄω_W，Δω_W，δω_W］^Tを制御対象として、図２に示すように角速度制御系を構成する。

角速度指令は、各輪に対する角速度指令［ω_FR ^*，ω_FL ^*，ω_RR ^*，ω_RL ^*］^Tであっても、制御角速度としての制御角速度指令［ω_W ^*，ｄω_W ^*，Δω_W ^*，δω_W ^*］^Tであっても良いが、各輪に対する角速度指令［ω_FR ^*，ω_FL ^*，ω_RR ^*，ω_RL ^*］^Tの場合は、角速度指令発生器１１において変換行列Ｔ_Xにより、下記（３）式のように制御角速度指令［ω_W ^*，ｄω_W ^*，Δω_W ^*，δω_W ^*］^Tに変換する。

角速度制御器１２では、制御角速度指令［ω_W ^*，ｄω_W ^*，Δω_W ^*，δω_W ^*］^Tと制御検出角速度［ω_W，ｄω_W，Δω_W，δω_W］^Tとの角速度偏差に応じて制御トルク指令［Ｔ_W ^*，ｄＴ_W ^*，ΔＴ_W ^*，δＴ_W ^*］^Tの演算を行い、さらに、トルク指令変換器１３において変換行列Ｔ_Xにより下記（４）式のように制御トルク指令［Ｔ_W ^*，ｄＴ_W ^*，ΔＴ_W ^*，δＴ_W ^*］^Tから各輪のトルク指令［Ｔ_FR ^*，Ｔ_FL ^*，Ｔ_RR ^*，Ｔ_RL ^*］を演算する。

この各輪のトルク指令［Ｔ_FR ^*，Ｔ_FL ^*，Ｔ_RR ^*，Ｔ_RL ^*］をトルク指令値として、インバータ１４（Ｑ（ｓ））により台車１のモータＭａ〜Ｍｄを制御する。

ここで、Ｔ_FR：前右輪トルク，Ｔ_FL：前左輪トルク，Ｔ_RR：後右輪トルク，Ｔ_RL：後左輪トルク，Ｔ_W：４輪の合計トルク，ｄＴ_W：前輪合計トルクと後輪合計トルクの差，ΔＴ_W：右輪合計トルクと左輪合計トルクの差，δＴ_W：右輪と左輪の差トルクの前後差に対応する。また、＊は指令値を示す。

図２に示す制御装置１０は、各制御角速度指令［ω_W ^*，ｄω_W ^*，Δω_W ^*，δω_W ^*］^Tに対しそれぞれに適した構成と値を設定する。例えば、角速度制御器１２（Ｃ（ｓ））を下記（５）式とすれば、台車の速度（４輪の平均角速度ω_W）と進行方向（右輪平均角速度と左輪平均角速度の差Δω_W）に関してはＰＩ制御（Ｋ_1P＋Ｋ_1I／ｓ，Ｋ_3P＋Ｋ_3I／ｓ）、他はＰ制御（Ｋ₂，Ｋ₄）とすることにより、車両全体の運動（台車速度と進行方向）を速度指令と一致させると共に、車輪間の相対的な運動（前輪平均角速度と後輪平均角速度の差ｄω_Wと、右輪と左輪の差角速度の前後差δω_W）を安定化させることができる。

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によれば、運転モードに対応するように制御系の変数を変換して制御することにより、各輪のモータによる走行制御が互いに干渉することを抑制し、また、それぞれの運転モードに適切な制御系を構築し、高性能な角速度制御を行うことが可能となる。

［実施形態２］
図３は、本実施形態２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。以下、実施形態１との相違点について説明する。

本実施形態２は、運転手が車を操縦することを想定しており、運転手は車両全体の動き（加速度と進行方向）を制御するために、４輪の合計トルク指令Ｔ_W ^*と、右輪合計トルクと左輪合計トルクの差指令ΔＴ_W ^*を角速度制御器１２の出力に加える。

角速度制御器１２では車両全体における４輪の平均角速度ω_Wと左輪平均角速度と右輪平均角速度の差Δω_Wに関しては角速度制御を行わず、車輪間の相対的な運動（前輪平均角速度と後輪平均角速度との差ｄω_Wと、右輪と左輪の差角速度の前後差δω_W）のみ角速度制御を行い、車輪間の相対的な運動を安定させる。なお、本実施形態２では制御角速度指令を０とする。 この場合、角速度制御器１２（Ｃ（ｓ））を下記（６）式とする。

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によれば、実施形態１の作用効果に加え、車両全体の運動（４輪の合計トルク指令Ｔ_W ^*と、右輪合計トルクと左輪合計トルクの差指令ΔＴ_W ^*）は運転手に任せ、車輪間の相対的な運動（前輪平均角速度と後輪平均角速度との差ｄω_Wと、右輪と左輪の差角速度の前後差δω_W）を安定させることが可能となる。

［実施形態３］
図４は本実施形態３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。

実施形態２では常に角速度指令を０として、例えば曲線通過時は、トルク指令変換器１３の入力に対して右輪合計トルクと左輪合計トルクの差指令ΔＴ_W ^*で左右のトルク差を与えて滑らかな曲線走行を実現している。それに対し、本実施形態３では、曲線に応じて角速度制御器１２の出力に対し、右輪合計トルクと左輪合計トルクのトルク差指令ΔＴ_W ^*を与えるのみでなく、角速度指令発生器１１においても曲線通過状況に適した角速度指令値を与える。角速度指令発生器１１の構成は実施形態１と同様であり、曲線情報に応じて円滑な走行に適した角速度指令値［ω_W ^*，ｄω_W ^*，Δω_W ^*，δω_W ^*］を生成する。その他の構成は実施形態２と同様である。

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２の作用効果に加え、走行状態（曲線等の路面状況や車両速度など）に適した各輪の制御角速度指令［ω_W ^*，ｄω_W ^*，Δω_W ^*，δω_W ^*］とトルク指令［Ｔ_W ^*，ｄＴ_W ^*，ΔＴ_W ^*，δＴ_W ^*］を与えることができるため、より円滑な走行を実現することが可能となる。

［本願発明の原理］
ここで、本願発明の原理について説明する。

図５に示す各輪独立駆動台車で走行（台車速度，進行方向）を制御する場合、モータは台車１に拘束されているため、各輪の走行制御が互いに干渉 し、各輪の角速度制御が他の車輪における角速度制御の影響を受けることとなる。また、台車１に取り付けられる４輪（２ａ〜２ｄ）は幾何学的に対称な構成になるため、各輪の角速度制御は同じ構成となるのが普通である。

本願発明では、運動モードに対応するように制御系の変数を変換して制御を考えることにより、各輪における角速度制御間の干渉をなくし、また、それぞれの運転モードに適切な制御系を構築することで、高性能な角速度制御を可能とする。

ここで、各輪（４輪）独立駆動台車の運動方程式は以下の様に表すことができる。ただし、運動は２次元とし、上下の運動は考えない。また、車輪で発生する駆動力は車両速度と車輪周速度によって決まり、例えば前右輪では進行方向（ｘ方向）に対して下記（７−１）式、ｙ方向の力は下記（７−２）式となる（Ｋ_X，Ｋ_Y：定数）。

図５に示す電動車モデルに対して運動方程式をたて、モータトルクとモータ回転角速度の関係が分かり易いように整理 すると、下記（８）〜（１４）式となる。

４輸の平均角速度ω_W，４輪の中心位置・速度（ｘ成分）ｘ_W，ｕ_W，台車重心位置・速度（ｘ成分）ｘ_C，ｕ_Cに関する方程式は下記（８）式のようになり、４輪の平均角速度ω_Wは４輪の合計トルクＴ_Wにのみによって決定される。

前輪平均角速度と後輪平均角速度の差ｄω_W，前後軸差左右平均位置・速度（ｘ成分）ｄｘ_W，ｄｕ_Wに関する方程式は下記（９）式となり、前輪平均角速度と後輪平均角速度の差ｄω_Wは前輪合計トルクと後輪合計トルクの差ｄＴ_Wによって決定される。

右輪平均角速度と左輪平均角速度の差Δω_W，４輪の中心位置・速度（ｙ成分）ｙ_W，ｖ_W，台車重心位置・速度（ｙ成分）ｙｃ，ｖｃ，４輪位置速度左右差の前後平均（ｘ成分）Δｘ_W，Δｕ_W，台車ヨー角・角速度η_C，σ_Cに関する方程式は下記（１０）式となり、右輪平均角速度と左輪平均角速度の差Δω_Wは右輪合計トルクと左輪合計トルクの差ΔＴ_Wによって決定される。

右輪と左輪の差角速度の前後差δω_W，左右位置・速度差の前後差（ｘ成分）δｘ_W，δｕ_Wに関する方程式は下記（１１）式となり、右輪と左輪の差トルクの前後差δＴ_Wによって計算できる。

また、下記（１２），（１３），（１４）式はモータ回転に関係しない方程式である。

トルク前後輪差左右平均位置・速度（ｙ成分）ｄｙ_W，ｄｖ_Wに関する方程式を下記（１２）式に示す。

４輪位置速度左右差の前後平均（ｙ成分）Δｙ_W，Δｖ_Wに関する方程式を下記（１３）式に示す。

左右位置差・速度差の前後差（ｙ成分）δｙ_W，δｖ_Wに関する方程式を下記（１４）式に示す。

前記（８），（９），（１０），（１１）式から明らかなように、制御トルク指令［Ｔ_W，ｄＴ_W，ΔＴ_W，δＴ_W］^Tに対して４輪の検出角速度［ω_W，ｄω_W，Δω_W，δω_W］は１対１の関係となる。図６にこの関係を示めす。

以上のように、実施形態１の制御構成を適用することにより、それぞれの制御量に適した制御を実現することが可能となる。

また、実施形態２，３では、運転手が車両を操作する場合、車両全体の運動は運転手に任せ、前輪平均角速度と後輪平均角速度の差ｄω_W，右輪と左輪の差角度の前後差δω_Wを制御することで安定した動作を実現することが可能となる。

実施形態１〜３では、４輪における各輪独立駆動台車について説明したが、台車内の車輪数は４輪以外の複数輪であっても、数式等を適宜変更することにより、適用可能である。

１…台車
２ａ〜２ｄ…車輪
Ｍａ〜Ｍｄ…モータ
１１…角速度指令発生器
１２…角速度制御器
１３…トルク指令変換器
１４…インバータ
１５…検出角速度変換器

Claims (7)

1. 各輪をそれぞれ独立して制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、
   各輪の検出角速度を変換行列Ｔ_Xにより、車両全体の運動と各車輪間の相対的な運動とを示す制御検出角速度に変数変換する検出角速度変換器と、
   前記制御検出角速度に基づいて算出された、車両全体の運動と各車輪間の相対的な運動とに寄与する制御トルク指令を、変換行列Ｔ_Xにより、各輪のトルク指令に逆変換するトルク指令変換器と、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. 前記変換行列Ｔ_Xは下記（１）式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。
   

   
3. 前記制御検出角速度は、４輪の平均角速度と、前輪平均角速度と後輪平均角速度の差と、右輪平均角速度と左輪平均角速度の差と、右輪と左輪の差角速度の前後差と、を示し、
   前記制御トルク指令は、４輪の合計トルクと、前輪合計トルクと後輪合計トルクの差と、右輪合計トルクと左輪合計トルクの差と、右輪と左輪の差トルクの前後差と、を示すことを特徴とする請求項２記載の各輪独立駆動台車の制御装置。
4. 制御角速度指令と制御検出角速度との偏差に基づき角速度制御を行い、制御トルク指令を演算する角速度制御器を備えたことを特徴とする請求項１〜３記載の各輪独立駆動台車の制御装置。
5. 各輪に対する角速度指令を前記（１）式の変換行列に基づいて、制御角速度指令に変換する角速度指令発生器を備えたことを特徴とする請求項４記載の各輪独立駆動台車の制御装置。
6. 前記角速度制御器は、
   ４輪の平均角速度と、右輪平均角速度と左輪平均角速度の差は、角速度制御を行わず、前輪平均角速度と後輪平均角速度の差と、右輪と左輪の差角速度の前後差のみ角速度制御を行い、
   前記角速度制御器の出力に対し、運転手の操作である４輪の合計トルクと、右輪合計トルクと左輪合計トルクの差と、を加算した値を制御トルク指令とすることを特徴とする請求項４または５記載の各輪独立駆動台車の制御装置。
7. 前記角速度制御器は、制御角速度指令を０として入力することを特徴とする請求項６記載の各輪独立駆動台車の制御装置。

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