JP2016016741A - ブレーキ制御装置およびブレーキ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽負荷回生状態におけるブレーキ制御の精度を向上させることを可能にする。【解決手段】演算部１１は、車両の減速度および車両の荷重を乗算して必要ブレーキ力を演算し、必要ブレーキ力から回生ブレーキ力を減算して、ブレーキ力指令値を演算する。判断部１２は、電力変換器の入力電圧に基づいて軽負荷回生状態であるか否かを判断する。ブレーキ制御部１３は、軽負荷回生状態でないと判断された場合には、ブレーキ力指令値と電空変換弁２１から取得した電流フィードバックに基づき電空変換弁２１のフィードバック制御を行い、軽負荷回生状態であると判断された場合には、ブレーキ力指令値と圧力センサ２４から取得した圧力フィードバックに基づき電空変換弁２１のフィードバック制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、流体によって作動して電動機で駆動された動きを制動する機械ブレーキを制御するブレーキ制御装置およびブレーキ制御方法に関する。

一般的な電気鉄道車両（以下、電気車という）のブレーキは、主電動機が発電機として動作することで発生する電力を架線を介して他の電気車に供給して電気車を減速させる回生ブレーキと、圧縮空気をブレーキシリンダに送り、制輪子を車輪踏面に押しつけるなどして電気車を減速させる機械ブレーキとから構成される。電気車が備えるブレーキ制御装置は、電気車の指令減速度を得るのに必要なブレーキ力である必要ブレーキ力から実回生ブレーキ力を減算して空制補足量を算出し、空制補足量に基づき機械ブレーキを制御する。

特許文献１に開示される車両のブレーキ制御装置は、必要ブレーキ力から予測回生ブレーキ力を減算し、空気ブレーキへの空気ブレーキ力指令値を算出する。特許文献２に開示されるブレーキの制御装置は、電気ブレーキにより車両を減速及び停止させ、電気ブレーキの動作が正常でないと判断された場合には、摩擦ブレーキを併用して車両を停止させる。

例えば周囲に他に加速中の電気車がいない場合には、回生ブレーキ力で生じる電力の供給先がないため、所望の回生ブレーキ力が得られない、軽負荷回生状態となる場合がある。

特許文献３に開示される電気車は、インバータの直流側電圧に応じて負荷の負荷量を調整することにより、回生効率を向上させる。特許文献４に開示される列車制御システムは、インバータからの実行ブレーキ力のフィードバックに基づき、空転滑走や軽負荷回生などにより、所定の電気ブレーキ力が得られない場合には、空制ブレーキ力で不足分を負担するように制御する。特許文献４に開示される列車制御システムは、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency：可変電圧可変周波数）インバータから励磁電流を出力させ、空制ブレーキ装置に実トルクが生じない程度の空気圧を与えることで、主電動機および空制ブレーキ装置をすぐに動作可能な待機状態にさせておく。そして該列車制御システムは、ブレーキ力指令を含む推力指令が与えられたとき、主電動機および空制ブレーキ装置をすぐに動作させる。

特開２０１２−０７５２５２号公報 特開２００１−２６８７０５号公報 特開２０１３−０７０６１１号公報 特開２００９−２４７１７０号公報

一般のブレーキ制御装置は、ブレーキの応答を速くするため、機械ブレーキの電空変換弁に電流指令を送り、電空変換弁からの電流フィードバックに基づき電空変換弁をフィードバック制御している。このようなブレーキ制御装置を用いる場合には、軽負荷回生状態において、例えば電流指令の変化が微少となり、電空変換弁が作動せず、目標空制補足量と実空制補足量が一致しなくなる可能性がある。この場合には、ＡＴＯ（Automatic Train Operation：自動列車運転装置）による駅停車の際の停止位置の精度が低下する。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、軽負荷回生状態におけるブレーキ制御の精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るブレーキ制御装置は、主電動機で駆動され、流体によって作動して主電動機で駆動された動きを制動する機械ブレーキを備える負荷装置のブレーキ制御装置であって、演算部と、判断部と、ブレーキ制御部と、を備える。演算部は、負荷装置の指令減速度を得るのに必要なブレーキ力である必要ブレーキ力から、主電動機が発生させる回生ブレーキ力を減算して、機械ブレーキに対する指令であるブレーキ力指令値を演算する。判断部は、主電動機を駆動する電力変換器の入力電圧に基づき軽負荷回生状態であるか否かを判断する。ブレーキ制御部は、判断部が軽負荷回生状態でないと判断した場合には、ブレーキ力指令値および機械ブレーキから取得したブレーキ力指令値に対する電気的フィードバックに基づき機械ブレーキをフィードバック制御し、判断部が軽負荷回生状態であると判断した場合には、ブレーキ力指令値および機械ブレーキから取得した機械ブレーキの作動に用いられる流体の圧力を示す圧力フィードバックに基づき機械ブレーキをフィードバック制御する。

本発明によれば、軽負荷回生状態においては機械ブレーキの作動に用いられる流体の圧力を示す圧力フィードバックに基づき機械ブレーキをフィードバック制御することで、軽負荷回生状態におけるブレーキ制御の精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係るブレーキ制御装置の構成例を示す図である。 実施の形態に係るブレーキ制御装置を電気車に搭載した場合の構成例を示す図である。 実施の形態に係る判断部の構成例を示す図である。 実施の形態に係るブレーキ制御装置の他の構成例を示す図である。 実施の形態に係るブレーキ制御装置が行うブレーキ制御動作の一例を示すフローチャートである。 実施の形態に係るブレーキ制御装置の配置例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係るブレーキ制御装置の構成例を示す図である。ブレーキ制御装置１０は、主電動機で駆動される負荷装置であって、流体によって作動し、主電動機で駆動された動きを制動する機械ブレーキを備える負荷装置に搭載される。負荷装置は、所望の回生ブレーキ力が十分に得られない軽負荷回生状態が起こり得る、任意の装置である。本実施の形態では、ブレーキ制御装置１０は、主電動機により推進力を得る電気鉄道車両（以下、電気車という）に搭載され、車両の機械ブレーキ２０を制御する。

ブレーキ制御装置１０は、主電動機を駆動する電力変換器の入力電圧に基づき、軽負荷回生状態であるか否かを判断する。ブレーキ制御装置１０は、軽負荷回生状態でない場合には、車両の指令減速度を得るのに必要なブレーキ力である必要ブレーキ力から回生ブレーキ力を減算して得られるブレーキ力指令値と、機械ブレーキ２０から取得した電気的フィードバックと、に基づき機械ブレーキ２０をフィードバック制御する。またブレーキ制御装置１０は、軽負荷回生状態である場合には、ブレーキ力指令値と機械ブレーキ２０の作動に用いられる流体の圧力を示す圧力フィードバックと、に基づき機械ブレーキ２０をフィードバック制御する。ブレーキ制御装置１０および機械ブレーキ２０の各部について以下に説明する。

ブレーキ制御装置１０は、車両の指令減速度を得るのに必要なブレーキ力である必要ブレーキ力から回生ブレーキ力を減算して得られるブレーキ力指令値を演算する演算部１１、軽負荷回生状態であるか否かを判断する判断部１２、および機械ブレーキ２０をフィードバック制御するブレーキ制御部１３を備える。演算部１１、判断部１２、およびブレーキ制御部１３はそれぞれ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリなどから構成されるプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリなどから構成されるメモリを備える。演算部１１、判断部１２、およびブレーキ制御部１３はそれぞれ、メモリに記憶されている制御プログラムを実行し、各種演算やブレーキ制御の動作を行う。

機械ブレーキ２０は、電気指令を空圧指令に変換する電空変換弁２１、中継弁２２、ブレーキシリンダ２３、および空気圧を検出する圧力センサ２４を備える。図１の例では機械ブレーキ２０として空制ブレーキを用いるが、機械ブレーキ２０は空制ブレーキに限られない。空気以外の流体、例えば油を用い、流体の圧力によって、制輪子を車輪踏面に押しつけるなどしてブレーキをかけるブレーキ装置を機械ブレーキ２０として用いることができる。空気以外の流体を用いる場合には、電空変換弁２１の代わりに、電気指令を流体の圧力指令に変換する変換部を設け、圧力センサ２４は流体の圧力を検出するように構成することができる。

図２は、実施の形態に係るブレーキ制御装置を電気車に搭載した場合の構成例を示す図である。例えばパンタグラフなどの集電装置１が架線から取得した電力は、断流器２を介してブレーキチョッパ回路３に供給される。ブレーキチョッパ回路３は、ブレーキチョッパ４およびブレーキ抵抗器５を備え、加減速時に降圧または昇圧を行う。電力変換器７は、主電動機８を駆動する。電力変換器７は、例えばＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency：可変電圧可変周波数）インバータである。電圧検出器６０は電力変換器７の入力電圧に相当するフィルタコンデンサ６の電圧を検出し、ブレーキ制御装置１０に送る。

ブレーキ制御装置１０の各部の動作の詳細について以下に説明する。演算部１１は、例えば運転台に設けられる主幹制御器３０から車両の減速度を含むブレーキ指令を取得する。主幹制御器３０は、運転台において運転員が行うブレーキ操作の入力に対応する車両の減速度を含むブレーキ指令を生成し、演算部１１に送る。なお演算部１１は、主幹制御器３０の代わりにＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）またはＡＴＯ（Automatic Train Operation：自動列車運転装置）からブレーキ指令を取得するように構成してもよい。

演算部１１は、応荷重装置４０から車両の荷重を取得する。応荷重装置４０は、車両の台車を支持する空気ばねから発せられる応荷重信号圧に基づいて、車両の重量を検出する。応荷重信号圧は、ばね上荷重に応じた圧力変化を示し、車両の重量には、車両自体の重量に加え、乗客や貨物の重量を含む。演算部１１は、電力変換器７を制御する電力変換器制御部５０から回生ブレーキ力を取得する。

演算部１１は、ブレーキ指令に含まれる車両の減速度および車両の荷重を乗算して、ブレーキ指令に含まれる減速度を得るのに必要なブレーキ力である必要ブレーキ力を演算する。演算部１１は、必要ブレーキ力から回生ブレーキ力を減算して、機械ブレーキ２０に対する指令であるブレーキ力指令値を演算し、ブレーキ制御部１３に送る。なお演算部１１は、他の機器から必要ブレーキ力を取得し、取得した必要ブレーキ力から回生ブレーキ力を減算してブレーキ力指令値を演算してもよい。

判断部１２は、電圧検出器６０から電力変換器７の入力電圧を取得し、入力電圧に基づいて軽負荷回生状態であるか否かを判断し、判断結果をブレーキ制御部１３に送る。判断部１２は、例えば電力変換器７の入力電圧が閾値以上である場合には、軽負荷回生状態であると判断する。判断部１２は、軽負荷回生状態であると判断した場合にはＨ（Ｈｉｇｈ）レベルであり、軽負荷回生状態でないと判断した場合にはＬ（Ｌｏｗ）レベルとなる軽負荷回生信号をブレーキ制御部１３に送る。

図３は、実施の形態に係る判断部の構成例を示す図である。図３の判断部１２は、軽負荷回生状態であるか否かの判断に用いる閾値にヒステリシス特性をもたせた例である。判断部１２は電圧検出器６０から電力変換器７の入力電圧を取得する。比較器１２１は、例えば電力変換器７の入力電圧が閾値電圧１以上であればＨレベルであり、閾値電圧１未満であればＬレベルである信号を出力する。同様に、比較器１２２は、電力変換器７の入力電圧が閾値電圧２以上であればＨレベルであり、閾値電圧２未満であればＬレベルである信号を出力する。なお閾値電圧１は閾値電圧２より大きい値である。

軽負荷回生判定部１２３は、比較器１２１および比較器１２２の出力に基づき軽負荷回生であるか否かを判断する。例えば軽負荷回生判定部１２３は、判断時点で軽負荷回生状態でない場合には、比較器１２１の出力に基づき軽負荷回生であるか否かを判断し、判断時点で軽負荷回生状態である場合には、比較器１２２の出力に基づき軽負荷回生であるか否かを判断し、軽負荷回生信号をブレーキ制御部１３に送る。

また判断部１２は、電力変換器７の入力電流を検出する電流検出器から電力変換器７の入力電流を取得し、電力変換器７の入力電圧と入力電流を乗算して得られる、電力変換器７の入力電力が閾値以上であるか否かに基づき軽負荷回生状態であるか否かを判断してもよい。なお図３に示すように、軽負荷回生状態であるか否かの判断に用いられる閾値にヒステリシス特性をもたせてもよい。

ブレーキ制御部１３は、軽負荷回生信号に基づき、電空変換弁２１のフィードバック制御の方法を切り替える。ブレーキ制御部１３は、ブレーキ力指令値（指令電流）を電空変換弁２１に送り、判断部１２が軽負荷回生状態でないと判断した場合には、電空変換弁２１から取得した電流フィードバックに基づき、電空変換弁２１をフィードバック制御する。例えばブレーキ制御部１３は、軽負荷回生信号がＬレベルである場合には、ブレーキ力指令値および電流フィードバックに基づき電空変換弁２１をフィードバック制御する。

電空変換弁２１は、ブレーキ力指令値に基づき、供給空気溜めから供給される空気を圧縮してＡＣ圧（ブレーキ指令圧）として出力する。中継弁２２は、ＡＣ圧を必要に応じて調節し、ブレーキシリンダ２３に空気を出力する。ブレーキシリンダ２３に空気が供給されると、例えば制輪子が車輪踏面に押しつけられてブレーキがかかる。

軽負荷回生状態においては、ブレーキ制御部１３から電空変換弁２１への指令であるブレーキ力指令値の変化が微少となる場合がある。電空変換弁２１が微少な電流の変化に対して応答しない場合に、上記のように電流フィードバックに基づくフィードバック制御をすると、必要なブレーキ力が得られない可能性がある。

そこでブレーキ制御部１３は、判断部１２が軽負荷回生状態であると判断した場合には、上記の電流フィードバックの代わりに機械ブレーキ２０内の空気圧を示す圧力フィードバックに基づき電空変換弁２１をフィードバック制御する。図１の例では、圧力センサ２４は、中継弁２２の出力であるＢＣ圧（ブレーキシリンダ圧）を検出し、ＢＣ圧を示す圧力フィードバックをブレーキ制御部１３に送る。ブレーキ制御部１３は、判断部１２が軽負荷回生状態であると判断した場合には、圧力センサ２４から取得したＢＣ圧を示す圧力フィードバックに基づき、電空変換弁２１をフィードバック制御する。例えばブレーキ制御部１３は、軽負荷回生信号がＨレベルである場合には、ブレーキ力指令値および圧力フィードバックに基づき電空変換弁２１をフィードバック制御する。

ブレーキ制御部１３が、圧力フィードバックに基づきフィードバック制御をすることで、軽負荷回生状態においても電空変換弁２１を作動させ必要なブレーキ力を得ることができる。軽負荷回生状態においても電空変換弁２１が作動するため、ブレーキ制御の精度を向上させることが可能となる。

図４は、実施の形態に係るブレーキ制御装置の他の構成例を示す図である。図４の圧力センサ２５は、電空変換弁２１の出力であるＡＣ圧を取得し、ＡＣ圧を示す圧力フィードバックをブレーキ制御部１３に送る。ブレーキ制御部１３は、図１に示すブレーキ制御装置１０と同様に、判断部１２が軽負荷回生状態でないと判断した場合には、ブレーキ力指令値（指令電流）を電空変換弁２１に送り、電空変換弁２１から取得した電流フィードバックに基づき、電空変換弁２１をフィードバック制御する。ブレーキ制御部１３は、判断部１２が軽負荷回生状態であると判断した場合には、圧力センサ２５から取得したＡＣ圧を示す圧力フィードバックに基づき、電空変換弁２１をフィードバック制御する。

図５は、実施の形態に係るブレーキ制御装置が行うブレーキ制御動作の一例を示すフローチャートである。図１に示すブレーキ制御装置１０が行うブレーキ制御動作について説明する。演算部１１は、ブレーキ指令に含まれる車両の減速度および車両の荷重を乗算して必要ブレーキ力を演算し、必要ブレーキ力から回生ブレーキ力を減算して、ブレーキ力指令値を演算する（ステップＳ１１）。判断部１２は、電力変換器７の入力電圧に基づいて軽負荷回生状態であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。判断部１２が軽負荷回生状態でないと判断した場合には（ステップＳ１３；Ｎ）、ブレーキ制御部１３は、演算部１１から取得したブレーキ力指令値を電空変換弁２１に送り、電空変換弁２１から取得した電流フィードバックに基づきフィードバック制御を行う（ステップＳ１４）。判断部１２が軽負荷回生状態であると判断した場合には（ステップＳ１３；Ｙ）、ブレーキ制御部１３は、演算部１１から取得したブレーキ力指令値を電空変換弁２１に送り、圧力センサ２４から取得した圧力フィードバックに基づきフィードバック制御を行う（ステップＳ１５）。ブレーキ制御装置１０は、上述の処理を繰り返してブレーキ制御を行う。

以上説明したように、本実施の形態に係るブレーキ制御装置１０によれば、軽負荷回生状態におけるブレーキ制御の精度を向上させることが可能となる。ブレーキ制御の精度が向上することで、ＡＴＯによる停止位置の精度が向上する。また軽負荷回生状態でない場合には、ブレーキ制御装置１０は、電流フィードバックに基づき電空変換弁２１を制御するため、ブレーキの応答速度の低下を最低限に抑えることができる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。図６は、実施の形態に係るブレーキ制御装置の配置例を示す図である。ブレーキ制御装置１０の判断部１２が、例えばモニタ機能や、ブレーキなどの指令を伝達する、車両情報制御装置７０の一部の機能として組み込まれている。車両情報制御装置７０は、主幹制御器３０から取得したブレーキ指令および電力変換器制御部５０から取得した回生ブレーキ力を演算部１１に送る。判断部１２は、電圧検出器６０から取得した電力変換器７の入力電圧に基づき軽負荷回生状態であるか否かを判断する。車両情報制御装置７０は、判断部１２の判断結果に基づき、軽負荷回生信号をブレーキ制御部１３に送る。また例えば判断部１２の機能を、電力変換器制御部５０にもたせてもよい。

本実施の形態に係るブレーキ制御装置１０は、電気車以外に、例えばトロリーバス、ハイブリッドカー、燃料電池車など、電動機で駆動され、軽負荷回生状態が起こり得る車両に搭載され得る。

１ 集電装置、２ 断流器、３ ブレーキチョッパ回路、４ ブレーキチョッパ、５ ブレーキ抵抗器、６ フィルタコンデンサ、７ 電力変換器、８ 主電動機、１０ ブレーキ制御装置、１１ 演算部、１２ 判断部、１３ ブレーキ制御部、２０ 機械ブレーキ、２１ 電空変換弁、２２ 中継弁、２３ ブレーキシリンダ、２４、２５ 圧力センサ、３０ 主幹制御器、４０ 応荷重装置、５０ 電力変換器制御部、６０ 電圧検出器、７０ 車両情報制御装置、１２１、１２２ 比較器、１２３ 軽負荷回生判定部。

Claims (5)

1. 主電動機で駆動され、流体によって作動して前記主電動機で駆動された動きを制動する機械ブレーキを備える負荷装置のブレーキ制御装置であって、
   前記負荷装置の指令減速度を得るのに必要なブレーキ力である必要ブレーキ力から、前記主電動機が発生させる回生ブレーキ力を減算して、前記機械ブレーキに対する指令であるブレーキ力指令値を演算する演算部と、
   前記主電動機を駆動する電力変換器の入力電圧に基づき軽負荷回生状態であるか否かを判断する判断部と、
   前記判断部が軽負荷回生状態でないと判断した場合には、前記ブレーキ力指令値および前記機械ブレーキから取得した前記ブレーキ力指令値に対する電気的フィードバックに基づき前記機械ブレーキをフィードバック制御し、前記判断部が軽負荷回生状態であると判断した場合には、前記ブレーキ力指令値および前記機械ブレーキから取得した前記機械ブレーキの作動に用いられる流体の圧力を示す圧力フィードバックに基づき前記機械ブレーキをフィードバック制御するブレーキ制御部と、
   を備えるブレーキ制御装置。
2. 前記判断部は、前記電力変換器の入力電圧が閾値以上である場合に軽負荷回生状態であると判断する請求項１に記載のブレーキ制御装置。
3. 前記判断部は、前記電力変換器の入力電圧に前記電力変換器の入力電流を乗算した値が閾値以上である場合に軽負荷回生状態であると判断する請求項１に記載のブレーキ制御装置。
4. 前記閾値がヒステリシス特性を有する請求項２または３に記載のブレーキ制御装置。
5. 主電動機で駆動され、流体によって作動して前記主電動機で駆動された動きを制動する機械ブレーキを備える負荷装置のブレーキ制御装置が行うブレーキ制御方法であって、
   前記主電動機を駆動する電力変換器の入力電圧に基づき軽負荷回生状態であるか否かを判断する判断ステップと、
   前記判断ステップにおいて軽負荷回生状態でないと判断された場合には、前記機械ブレーキに対する指令であるブレーキ力指令値および前記機械ブレーキから取得した前記ブレーキ力指令値に対する電気的フィードバックに基づき前記機械ブレーキをフィードバック制御し、前記判断ステップにおいて軽負荷回生状態であると判断された場合には、前記ブレーキ力指令値および前記機械ブレーキから取得した前記機械ブレーキの作動に用いられる流体の圧力を示す圧力フィードバックに基づき前記機械ブレーキをフィードバック制御するブレーキ制御ステップと、
   を備えるブレーキ制御方法。

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