JP2017055607A - 編成制御装置，車両駆動システム及び編成列車 - Google Patents

Abstract

【課題】モータにより駆動される編成列車において、車両発進時に機械式ブレーキ圧が残っている状況でも、車輪の滑走発生を防止する編成制御装置を提供する。
【解決手段】編成制御装置８０１は、各車両のモータトルクを算出するときに、各車両のブレーキ装置のブレーキ圧力情報をもとに、トルクを発生させるタイミングを、トルクフラグとしてトルク発生許可装置２０１で算出する。並行して、滑走検知装置２０２は、各車両の車輪速度検出装置で検出された車輪速度に基づいて、滑走発生の有無を滑走フラグとしてで算出する。このトルクフラグおよび滑走フラグに基づいて、各車両のインバータ装置へのモータ駆動トルク指令をモータ制御装置２０３から出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータにより駆動される編成列車の制御装置に関する。

複数車両で構成された編成車両において、少なくとも一つ以上の車両に設置された電動機に駆動指令を与えて車両を前・後進する際に、車輪の空転または滑走を防止する制御がある。このような制御として、鉄道車両を例にすると、空転・滑走を検知した際に電動機の発生トルクを引き下げる粘着制御が知られている（特許文献１）。

特開２００２−４４８０４号公報

しかし，従来の開示技術では坂道からの発進やブレーキ解除後の急発進のような機械式ブレーキ圧が残っている状況を想定しておらず、前記の状況において一部の車輪に滑走が発生する恐れがあった。図１をもちいて具体的な例を説明する。図１ではドライバーが時刻T1で停止状態から加速状態へ運転の切り替えを指令している。車両Aと車両Bは編成列車の中の代表車両であり、両車両ともブレーキ圧が残った状態でモータに駆動電流が流れてモータトルクが発生した場合を考える。ここで車両Aではブレーキトルクがモータトルクに打ち勝った時刻T2で車両Ａの車輪が回転を始めて編成列車が動き出す。一方、車両Bではブレーキトルクの減少が車両Ａよりも遅いため、時刻Ｔ２の直後はモータトルクがブレーキ力を下回るため車両Ｂの車輪は回転せず、回転を始めた車両Ａなどにより車両Ｂの車輪がひきずられて滑走し、レールとの摩擦の影響により時刻Ｔ３で回転を始めて、車両Ｂのブレーキトルクがモータトルクを上回る時刻Ｔ４の近傍で車両Bの回転速度が車両Ａにおいつく。このような状況が起こると滑走が発生した車両Ｂにおいては乗り心地が悪化し、さらに滑走により車輪が削られてしまうという虞があった。また時刻Ｔ1からＴ４のモータトルクの大部分が実際の推進力とならず無駄なエネルギーをとなってしまう虞もあった。

本課題を解決するため、編成列車の発進時にブレーキ装置の押しつけ圧情報に基づいて、インバータ装置へ出力するモータトルクを調整する。

本発明により坂道発進やブレーキ解除後の急発進のように、ブレーキ圧が残っている状況で発進を行う場合においても滑走を防止できる。

本発明の課題を説明する時系列チャートの一例 本発明を実現する編成制御装置のブロック図の一例 トルク発生許可装置のフローチャートの一例 滑走検知装置のフローチャートの一例 本発明を適用した際の時系列チャートの一例 本発明を適用した際の時系例チャートの別の一例 本発明を実現するためのフローチャートの一例 本発明を実現するための編成列車の構成図の一例 実施例２を実現する編成制御装置のブロック図の一例 実施例２のトルク発生許可装置の基準値学習のフローチャートの一例 実施例３を実現する編成制御装置のブロック図の一例 実施例３を実現するためのシステム構成図の一例。 実施例４を実現する編成制御装置のブロック図の一例 実施例２のトルク発生許可装置のフローチャートの一例

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（実施例１）
図２から図８を用いて本発明の第一の実施形態を説明する。

図８は、本発明をn両編成の列車に適用した際の編成制御装置及び編成列車の構成図の一例である。n両編成の列車の各車両810〜8n0には、車輪813〜8n3が搭載される。また、一般的には編成列車は、車両駆動用のモータを搭載した駆動車両と、モータを搭載していない非駆動車両で構成されるが、図８では説明の簡略化のため駆動車両のみを記載している。図８に示す各駆動車両には、車輪を駆動するモータと、交流電力をモータに供給するインバータ装置812〜8n2と、車輪の回転速度を検出する車輪速度検出装置と、車輪等にブレーキパッドを押しつけることによりブレーキ力を発生させる機械式のブレーキ装置が搭載される。インバータ装置としては、例えば、直流電力から電圧と周波数を任意の値に調節した交流電力を生成するインバータ装置が用いられる。編成制御装置801は、編成列車に少なくとも１台搭載される。

編成制御装置801は、各駆動車両の車輪速度検出装置から車輪速度の情報を収集し、各駆動車両のブレーキ装置から押しつけ圧（ブレーキ圧）の情報を収集する。そして、収集した情報に基づいて、各インバータ装置812〜8n2にモータトルクの指令を出力する。

本実施例では、各駆動車両にインバータ装置を１台づつ搭載して、駆動車両に搭載される複数のモータはこの１台のインバータ装置で駆動される。そのため、編成制御装置に入力される車輪速度の情報と押しつけ圧（ブレーキ圧）の情報は、車両毎に代表値が収集される。しかし、インバータ装置が駆動車両に２台以上搭載される場合には、編成制御装置に入力される車輪速度の情報と押しつけ圧（ブレーキ圧）の情報は、共通のインバータ装置で駆動される車輪毎に代表値が収集される。
図２は、本発明をn両編成の車両に適用した際の編成制御装置801の制御ブロック図の一例である。本発明では編成制御装置が各車両のモータトルクを算出するときに、各車両のブレーキ装置のブレーキ圧力情報をもとにトルクを発生させるタイミングをトルクフラグとしてトルク発生許可装置201で算出し、それと並行して各車両の車輪速度検出装置で検出された車輪速度に基づいて滑走の有無（滑走フラグ）を滑走検知装置202で算出する。そして、このトルクフラグおよび滑走フラグに基づいて各車両のインバータ装置へのモータ駆動トルク指令（モータトルク）をモータ制御装置203から出力する構成とする。この構成により、例えば図１で説明した車両発進時における滑走が起きないようにモータトルクの発生タイミングを調整できる。さらに路面状況の変化や機械式のブレーキ装置の経年変化により滑走が発生した場合には、滑走を検知していない車両のモータトルクを滑走前より低下させる、あるいは滑走を検知した車両では車両のモータトルクを滑走前よりも増加させることで滑走距離を短くできる。

図３はトルク発生許可装置201の制御フローチャートの一例である。ステップＳ３０１では編成列車の各車両のブレーキ装置から収集したブレーキ圧の情報を元にトルク発生許可の基準となる基準ブレーキ圧を決定する。例えば、ここでは基準ブレーキ圧として、ブレーキを解除した際のブレーキ圧の減少が最も遅い車両のブレーキ圧、つまり収集したブレーキ圧の内、最も高いブレーキ圧を選択する。ステップＳ３０２では前記基準ブレーキ圧が事前の実験走行などで予め決定した基準圧よりも小さくなった場合ステップＳ３０３に進みトルクフラグを１として駆動モータでのトルク発生を許可し、前記基準ブレーキ圧が予め決定した基準圧以上となった場合はステップＳ３０４に進みトルクフラグを０として駆動モータでのトルク発生を禁止する。本制御フローによれば、最も滑走の可能性が高い車両を基準としてモータトルクを発生させることにより、編成内での滑走抑制が可能となる。

ここで、基準ブレーキ圧を決定する他の方法として、最初は収集したブレーキ圧の中から最も高いブレーキ圧を基準ブレーキ圧として選択し、滑走検知装置202で滑走を検知した場合には、滑走検知装置202から得た滑走情報に基づいて滑走時間が最も長い車両のブレーキ圧を基準ブレーキ圧として選択する方法が適用できる。この決定方法により、車両個体差によるブレーキ解除の違いを学習でき、個体差があっても滑走せずに車両を発進できるという優位性がある。更に、他の決定方法として、滑走しやすい車両が設計情報あるいは滑走情報の統計データから分かっている場合には、その車両が滑走するブレーキ圧を元に基準ブレーキ圧を決定しても良い。このように事前の設計情報あるいは事後の統計情報を用いることで、滑走が起こりやすいケースに対しても滑走せずに車両を発進できるという優位性がある。

図４は滑走検知装置202の制御フローチャートの一例である。ステップＳ４０１では編成中の各車両の車輪速度検出装置で検出した各車輪回転速度（車輪速度）を比較して車輪速度差を算出する。例えば、各車両の車輪速度の平均値と、各車両の車輪速度の差を車輪速度差として決定する。ステップＳ４０２では、車輪速度検出の誤差などを考慮して予め決めた基準差と、前記車輪速度差の大小を比較する。ここで車輪速度差が基準値より大きければステップＳ４０３に進み、車輪速度差が基準値以下であればステップＳ４０４に進む。ステップＳ４０３では車輪速度差が基準値より大きい車両の滑走フラグを１とすることで図２中のモータ制御装置に滑走車両を通知する。またステップＳ４０４では前記滑走フラグを０とすることで滑走が起きていないことを前記モータ制御装置に通知する。なお図２中には示していないが、滑走検知装置で検知した上記滑走情報を例えば運転台のランプやディスプレイに表示することで滑走が発生していることをドライバーに示しても良い。本構成によるとドライバーは発進時のモータトルク抑制が機器異常でなく、滑走によるものと判断することができ、あわせて急発進を行わないようなメッセージを運転台のランプやディスプレイに表示することでドライバーの運転技能を向上させることができる。また本説明では車輪速度差を全車両の車輪速度の平均からの差により定義したが、滑走を検知するためであれば他の算出手段をとっても構わない。例えば、自車両を除く他車両の車輪速度の平均値からの差を車輪速度差として定義しても良い。

図５はモータ制御装置203における制御フローチャートの一例である。ステップＳ５０１ではトルクフラグが１であるか否かを判別し、否の場合はステップＳ５０２に進み、トルクフラグが１である場合はステップＳ５０３に進む。ステップＳ５０２ではブレーキ圧が残っており滑走の恐れがあるとして各車両のモータトルク発生を禁止する。トルクフラグが１の場合にはステップＳ５０３にて、滑走フラグが１であるか否かを判別して、否の場合はステップＳ５０５に進みドライバーの加速指令値に応じたモータトルクを各車両のインバータ装置へ送信する。一方、滑走フラグが１である場合には、ステップＳ５０４に進み滑走回復制御を実施する。具体的には、滑走が検知された車両以外の車両のモータトルクを滑走検知前よりも低下させる、もしくは滑走が検知された車両のモータトルクを滑走検知前よりも増加させることで滑走検知車両とそれ以外の車両の車輪速度が早期に近づくようにモータトルクを制御する。本制御フローチャートにより滑走しやすい車両における滑走を防止し、経年変化や路面状況の悪化により発生した滑走も速やかに収束させることができる。

図６は本発明を適用した際の時系列チャートの一例である。図６では本発明制御による滑走の抑制結果を説明する。ここでは時刻Ｔ１でドライバーが停止から加速に移行するドライバー指令が発生し、時刻Ｔ１から基準ブレーキ圧が徐々に減少している。そして、時刻Ｔ２で基準ブレーキ圧が基準圧より小さくなり、トルクフラグが許可となるため、モータの回転トルクが増加し始めるため車輪が回転を始める。本制御により算出される基準ブレーキ圧が基準圧よりも小さくなる時刻Ｔ２までトルクフラグによりモータトルクの発生が時刻Ｔ２まで抑制されている。なお、図６および次の図７での最大車輪速度は編成中で車輪速度が最も大きい車両の車輪速度を示している。
次に加速中に滑走が起きた際に本発明により滑走時間が短縮される状況を図７を用いて説明する。図７では時刻Ｔ２の後に車輪が回転し始めて、車輪速度差が基準差を超えた時刻Ｔ３で滑走検知フラグが１となり、滑走検知フラグが１となっている間は滑走が検知された車両以外の他車両のモータの回転トルクが低下し、最大車輪速度が抑えられることで滑走距離が短くなる。また本制御は滑走が検知されなくなった時刻Ｔ４において速やかにトルクを回復させることにより、ドライバーの意思に従いなるべく早く車両を発進させることが可能である。

以上説明した構成によりドライバーの負担なく、滑走を防止あるいは滑走距離を減少させることができ、滑走による乗り心地悪化や車輪ダメージやエネルギー効率の無駄を低減できる。

（実施例２）
図９および図１０を用いて本発明の別の実施形態を説明する。

図９は本発明を実現するための編成制御装置の制御ブロックの別の一例である。図２との違いはトルク発生許可装置201が滑走検知装置の滑走検知結果を元にトルク発生タイミングを調整・学習する機能が追加されていることであり、その詳細について図１０を用いて説明する。

図１０はトルク発生許可装置201における基準値学習のフローチャートの一例である。本フローチャートは発進後の所定条件（例えば、車輪速度が所定値以上）が成立した際に実施される。ステップＳ９０１では、実施例１で説明したような前回の車両発進時の制御中に滑走フラグが１になったか否かで分岐し、YESの場合はステップＳ９０２に進みNOの場合はステップS９０３に進む。ステップＳ９０２では滑走を防止するためトルク発生タイミングを遅延させるために基準値の補正を行う。例えば図３のように基準圧と基準ブレーキ圧を比較して元トルク発生のタイミングが決まる制御を用いる場合には、予め決められた量だけ基準圧を減らす補正を行うことで、トルクの発生タイミングを遅くすることができる。また一方で、ステップＳ９０３に進んだ場合はトルク発生タイミングが早くなるように基準値を補正する。このためには先ほどとは逆に基準圧を予め決められた量だけ増やせば良い。その際の基準圧の増加補正量を遅延させる時の減少補正量よりも小さくすることで、路面などの一時的な環境変化による滑走によって生じたトルク発生学習分を自動で元の状態に戻すことが可能となる。あるいは逆に何度も滑走が検知される場合には、滑走が検知される境界の基準圧を本制御によって学習することで、ブレーキ特性が経年変化しても滑走しない基準圧に自動調整できる。さらにはステップＳ９０３において基準値の上限リミッタを設けることで、過度な基準圧の増加補正による滑走を防止できる。あるいはステップＳ９０２において基準圧がゼロよりも小さくなった場合にはブレーキ圧の抜け異常として警告を表示・記録するようにしても良い。

本構成によれば、凍結などの一次的な環境変化やブレーキ性能の経年変化などよる滑走を防止することができ、さらに調整限界に至った際には警告を記録・表示することでロバスト性および保守性が向上する。

（実施例３）
図１１および図１２を用いて本発明の別の実施形態を説明する。

図１１は本発明を実現するための編成制御装置の制御ブロックの別の一例である。図２との違いは滑走検知結果を他の状態情報と一緒に記録する記録装置204を備えたことである。記録する状態情報としては滑走場所に関する情報（例えばＧＰＳ座標や走行キロ）、車両情報（たとえば連結の有無、先頭車両・運転車両の号車名）、環境情報（ワイパ稼働状態、外気温度）、運転情報（運転者ID,ノッチ）などがあり、これらを滑走検知時刻と滑走継続時間とともに記録装置204に保存する。本情報を例えば図１２のように各編成1101〜1104からネットワークを経由して地上サーバ1105に収集し、滑走が発生した頻度を場所、外気温度、時間帯などで分析し、特定の場所、外気温度、時間帯で発生していれば、これを条件として新たに各編成1101〜1104で発進時のトルク発生タイミングを調整することで滑走を防止できる。あるいは地上サーバを介さず、直接多編成に滑走記録を展開し、各車両で発進時のトルク発生タイミングを調整するようにしても良い。

本構成によれば、場所や環境など特定の滑りやすい条件における滑走を防止することができ、地上サーバに情報をあげることにより特定の個所でのみ滑走が起こった場合にはインフラの問題として対策を講じることが可能となる。

（実施例４）
図１３および図１４を用いて本発明の別の実施形態を説明する。

図１３は本発明を実現するための編成制御装置の制御ブロックの別の一例である。図２との違いは、滑走検知結果を用いずに、各車両のブレーキ装置のブレーキ圧情報に基づいて各車両のモータトルクを発生タイミングを調整することで滑走を抑制することである。トルク発生許可装置は、実施例１と同様の内容である。モータ制御装置203における制御フローチャートの一例を図１４に説明する。ステップＳ１４０１ではトルクフラグが１であるか否かを判別し、否の場合はステップＳ１４０２に進み、トルクフラグが１である場合はステップＳ１４０３に進む。ステップＳ１４０２ではブレーキ圧が残っており滑走の恐れがあるとして各車両のモータトルク発生を禁止する。トルクフラグが１の場合にはステップＳ１４０３にて、ドライバーの加速指令値に応じたモータトルクを各車両のインバータ装置へ送信する。本実施例における制御フローチャートにより、より簡易な構成で、ブレーキ圧の減少速度が遅く滑走しやすい車輪の滑走を防止することができる。

201：トルク発生許可装置
202：滑走検知装置
203：モータ制御装置
204：記録装置
810，820，…，8n0：車両
801：編成制御装置
812，822，…，8n2：インバータ装置
813，823，…，8n3：車輪
1101〜1104:編成車両
1105:地上サーバ

Claims (12)

1. 複数車両で構成された編成列車に搭載されて、複数のインバータ装置によって駆動される複数の車両駆動用モータのモータトルクを調整する編成制御装置であって、
   編成列車の停車時に押しつけ圧により車輪にブレーキ力を発生させるブレーキ装置を複数個備え、
   前記編成列車の発進時に前記ブレーキ装置の押しつけ圧情報に基づいて、前記複数のインバータ装置へ出力する前記モータトルクを調整することを特徴とする編成制御装置。
2. 請求項１に記載の編成制御装置において、
   複数の前記ブレーキ装置の押しつけ圧情報から算出される基準ブレーキ圧が所定値よりも小さくなった場合に前記モータトルクの発生を開始することを特徴とする編成制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の編成制御装置において、
   編成列車の複数車輪の回転速度を検出する車輪速度検出装置を備え、
   前記編成列車の発進時に前記ブレーキ装置の押しつけ圧情報及び前記複数車輪の回転速度情報に基づいて、前記複数のインバータ装置へ出力する前記モータトルクを調整することを特徴とする編成制御装置。
4. 請求項３に記載の編成制御装置において、
   前記車輪速度検出装置で検出された車輪速度と当該車輪速度の平均値との差が所定値よりも大きい時に滑走を検知し、運転台のランプ又はディスプレイに滑走情報を表示することを特徴とする編成制御装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載の編成制御装置において、
   滑走を検知した時は、少なくとも滑走を検知していない車輪のモータトルクを滑走検知前よりも減少させるか、滑走を検知している車輪のモータトルクを滑走検知前よりも増加させることか、のいずれかを行うことを特徴とする編成制御装置。
6. 請求項１乃至請求項５に記載の編成制御装置において、
   発進時に滑走が検知された次回以降の発進では、発進時のモータトルク出力発生タイミングを滑走検知前よりも遅くするように調整することを特徴とする編成制御装置。
7. 請求項５に記載の編成制御装置において、
   発進時に滑走が検知されない場合には、発進時のモータトルク出力発生タイミングを滑走検知前の発生タイミングに近づけるように調整することを特徴とする編成制御装置。
8. 請求項４に記載の編成制御装置において、
   滑走検知時における滑走位置、時刻、滑走継続時間、先頭車両、滑走車両、ワイパー動作情報、外気温度、ドライバーＩＤ，ドライバーのノッチ情報のいずれか一つを滑走情報として記録することを特徴とする編成制御装置。
9. 請求項８に記載の編成制御装置において、
   前記滑走情報を通信手段により他編成の編成制御装置もしくは地上に設置された地上サーバに伝達することを特徴とする編成制御装置。
10. 請求項９に記載の編成制御装置において、
    前記滑走情報を外部からの通信手段により受信し、前記受信した滑走情報に基づいて前記モータトルクを調整することを特徴とする編成制御装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の編成制御装置と、
    複数の車両にそれぞれ搭載される前記インバータ装置と、
    前記インバータ装置により駆動される車両駆動用と、を備えた車両駆動システム。
12. 請求項１１に記載の車両駆動システムを搭載した複数の車両により構成される編成列車。

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