JP2017184465A

JP2017184465A - 電気車制御装置

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Publication number: JP2017184465A
Application number: JP2016068754A
Authority: JP
Inventors: 賢紀壁谷; Satoki Kabeya; 山崎　修; Osamu Yamazaki; 修山崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: CN107264297B; JP6730057B2; CN107264297A

Abstract

【課題】電気車の乗り心地を良くするとともに車輪のすべりの誤検知を減らすこと。【解決手段】実施形態にかかる電気車制御装置は、記憶部と、すべり制御部と、を備える。記憶部は、鉄道用のレールに対する電気車の車輪のすべりを、車体、車軸の一方または両方の動作に基づいて判定するための閾値として、初期値としての第１閾値と、第１閾値よりも早くすべりを判定するための第２閾値と、を記憶するとともに、閾値を第１閾値から第２閾値に切り替える条件である所定トルク低下量および所定頻度値を記憶する。すべり制御部は、第１閾値を用いて車輪がすべっていると判定した場合、車輪を駆動する回転機のトルク電流を低下させ、所定トルク低下量以上のトルクの低下の頻度が所定頻度値以上になったとき、閾値を第１閾値から第２閾値に切り替える。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置に関する。

従来から、鉄道システムにおいては、電気車（鉄道用電気車）の車輪とレールとの間の摩擦係数が小さいため、雨天によるレール湿潤、急勾配、急加速、急減速等により、車輪が空転、滑走する場合がある。ここで、空転とは、加速時に車輪が空回りすることを指す。また、滑走とは、減速時に車輪が停止または準停止の状態で滑ることを指す。以下、空転と滑走を総称して「すべり」という。

車輪のすべりへの対策として、例えば、速度センサ等によりすべりを検知した際に、トルク電流を絞ることで車輪に伝わる力を小さくし、車輪とレールを再粘着させる、という方法がある。ここで、粘着とは、車輪がレール上を所定以下のすべり率で走行しているときの車輪とレールとの間の摩擦状態のことを指す。

安岡育雄、他５名、「誘導電動機個別駆動方式電気機関車の再粘着制御に関する実験的考察」、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）平成２０年１月号、Ｖｏｌ.１２８,Ｎｏ.１,２００８

従来の方法では、車輪のすべりが発生しているか否かを、例えば、車体と車軸の動き（速度、加速度等）の差から判定するが、すべり判定用に使用される閾値は単一である。しかし、閾値が単一の場合、例えば、閾値を厳しく（小さく）すると、トルク電流の絞り量が小さくなるので乗り心地は良くなるが、レールの継ぎ目等に起因してすべりを誤検知して不要な減速をしてしまう可能性が増えてしまう。一方、閾値を緩く（大きく）すると、すべりの誤検知の可能性は減るが、トルク電流の絞り量が大きくなるので乗り心地は良くなくなる。このように、従来の方法では、乗り心地と誤検知に関してトレードオフの関係が生じてしまい、改善が望まれていた。

本発明の実施形態にかかる電気車制御装置は、記憶部と、すべり制御部と、を備える。記憶部は、鉄道用のレールに対する電気車の車輪のすべりを、車体、車軸の一方または両方の動作に基づいて判定するための閾値として、初期値としての第１閾値と、前記第１閾値よりも早くすべりを判定するための第２閾値と、を記憶するとともに、前記閾値を前記第１閾値から前記第２閾値に切り替える条件である所定トルク低下量および所定頻度値を記憶する。すべり制御部は、前記第１閾値を用いて前記車輪がすべっていると判定した場合、前記車輪を駆動する回転機のトルク電流を低下させ、前記所定トルク低下量以上のトルクの低下の頻度が前記所定頻度値以上になったとき、前記閾値を前記第１閾値から前記第２閾値に切り替える。

図１は、第１実施形態にかかる鉄道の車両の一例を示す模式図である。図２は、第１実施形態にかかる電気車制御装置の機能構成等の一例を示す図である。図３は、第１実施形態にかかるすべり制御部の機能構成等の一例を示す図である。図４は、第１実施形態にかかる電気車制御装置による動作の一例を示すグラフである。図５は、第３実施形態にかかるすべり制御部の機能構成等の一例を示す図である。図６は、第４実施形態にかかるすべり制御部の機能構成等の一例を示す図である。図７は、比較例にかかるすべり制御部の機能構成等の一例を示す図である。図８は、比較例にかかる電気車制御装置による動作の一例を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は、第１実施形態にかかる鉄道の車両の一例を示す模式図である。図２は、第１実施形態にかかる電気車制御装置の機能構成等の一例を示す図である。図１に示すように、鉄道の車両１は、４対の車輪２と、４つのモータ３（回転機の一例）と、インバータ４と、電気車制御装置５と、を備える。また、４つのモータ３と電気車制御装置５は、モータ速度伝送ライン６で接続されている。また、インバータ４と電気車制御装置５は、電圧指令伝送ライン７で接続されている。また、インバータ４と４つのモータ３は、電圧印加ライン８で接続されている。

車輪２とモータ３は、車両１に設けられた台車枠にそれぞれ取り付けられる。また、車輪２は、車軸及びギアを介して、対応するモータ３のモータ軸に結合される。車輪２は、対応するモータ３によって駆動される。車輪２は、鉄道のレールに乗せられる。モータ３は、車輪２を駆動する走行用モータであり、例えば三相誘導電動機である。

インバータ４は、交流電力（一例としては三相交流電力）を出力する装置である。インバータ４は、例えば、出力交流電力の実効電圧ならびに周波数を可変制御するいわゆるＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータである。インバータ４は、上記交流電力を出力することで、４つのモータ３を駆動させる。なお、インバータ４を４つのモータ３それぞれに対して１つずつ設けても良い。

図２に示すように、車両１は、図１で示した構成のほかに、回転検出器３１と電流検出部４１を備えている。また、電気車制御装置５は、加速度指令器５１と、電流パターン発生部５２と、電流演算部５３と、速度検出部５４と、すべり制御部５５と、記憶部５６と、を備えている。

加速度指令器５１は、例えば、電気車の運転台に設置されたマスタコントローラを用いた運転手による運転操作に応じて、加速度指令値を出力する。電流パターン発生部５２は、加速度指令器５１から入力される加速度指令値に基づいてモータ３を駆動するための電流パターンを発生させる。

電流演算部５３は、電流検出部４１の検出値であるトルク電流が電流パターン発生部５２から発生された電流パターンと整合するように、モータ３に供給するべきトルク電流を演算する。

インバータ４は、電流演算部５３により演算されたトルク電流が得られるように、架線（不図示）から取得した電力を電力変換して三相交流出力をモータ３に供給する。インバータ４は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）インバータである。電流検出部４１は、インバータ４からモータ３に供給される三相交流出力のトルク電流を検出する。

回転検出器３１は、モータ３の回転速度を検出するものであり、例えばＰＧ（Pulse Generator）センサである。

速度検出部５４は、回転検出器３１により検出された回転速度から車輪２の回転速度を検出するものである。速度検出部５４は、回転検出器３１から出力される回転速度を微分演算することにより車輪２の回転加速度を取得することもできる。

次に、図３も併せて参照して、すべり制御部５５の機能について説明する。図３は、第１実施形態にかかるすべり制御部５５の機能構成等の一例を示す図である。ここで、以下で用いる差速度、相対加速度、軸加速度という用語について説明する。

差速度とは、モータ３の回転軸の軸速度（以下、単に「軸速度」ともいう。）と車体速度との差分である。軸速度は、回転検出器３１からの信号（以下、「ＰＧ信号」ともいう。）により演算できる。また、車体速度は、例えば、力行の場合、４つ（４軸）のＰＧ信号のうち最も小さいＰＧ信号から得られる速度として演算できる。力行の場合、４つの車輪２のうち、空転している車輪２のＰＧ信号は大きくなるので、最も小さいＰＧ信号に対応する車輪２が、空転の度合いが一番小さいと考えられるからである。また、例えば、制動（ブレーキ）の場合、４つ（４軸）のＰＧ信号のうち最も大きいＰＧ信号から得られる速度として演算できる。制動の場合、４つの車輪２のうち、滑走している車輪２のＰＧ信号は小さくなるので、最も大きいＰＧ信号に対応する車輪２が、滑走の度合いが一番小さいと考えられるからである。

相対加速度とは、軸加速度と車体加速度との差分である。軸加速度とは、軸速度を微分することで求めることができる。車体加速度は、車体速度を微分することで求めることができる。また、以下において、ゲインとは、演算に用いられる係数を指す。

ここで、記憶部５６（図２）は、鉄道用のレールに対する電気車（車両１）の車輪２のすべりを、車体、車軸の一方または両方の動作に基づいて判定するための閾値として、初期値としての第１閾値と、第１閾値よりも早くすべりを判定するための第２閾値と、を記憶するとともに、それらに対応するゲインも記憶する。なお、記憶部５６は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等により構成される。

図３に示すように、第１閾値と第２閾値の例としては、まず、差速度第１閾値と差速度第２閾値がある。それらに対応するゲインが差速度第１ゲインと差速度第２ゲインである。

また、第１閾値と第２閾値の他の例として、相対加速度第１閾値と相対加速度第２閾値がある。それらに対応するゲインが相対加速度第１ゲインと相対加速度第２ゲインである。

さらに、第１閾値と第２閾値の他の例として、軸加速度第１閾値と軸加速度第２閾値がある。それらに対応するゲインが軸加速度第１ゲインと軸加速度第２ゲインである。

また、記憶部５６は、さらに、すべりの判定に用いる閾値を第１閾値から第２閾値に切り替える条件である所定トルク低下量（例えば「Ｙ[Ｎ]（ニュートン）」）および所定頻度値（例えば「Ｘ秒間にＺ回」）を記憶する。Ｘ，Ｙ，Ｚの値は、例えば、実験や統計等に基づいて、設計者が適宜決定し、設定すれば良い。また、人工知能技術による機械学習によりＸ，Ｙ，Ｚの値を決定するようにしても良い。

すべり制御部５５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成され、第１閾値を用いて車輪２がすべっていると判定した場合、車輪２を駆動するモータ３のトルク電流を低下させ、所定トルク低下量（Ｙ[Ｎ]）以上のトルクの低下の頻度が所定頻度値（Ｘ秒間にＺ回）以上になったとき、すべりの判定に用いる閾値を第１閾値から第２閾値に切り替える（“Ｈ”）。具体的には、次の通りである。

図３に示すように、リセット指示部５１６は、車両１の起動信号（ＧＳＴ）を受信すると、切替指示部５１７に各閾値（差速度の閾値、相対加速度の閾値、軸加速度の閾値）のリセット（ＲＳＴ）を指示する。これを受けて、切替指示部５１７は、スイッチ５０１〜５０６に初期値側（図３の「０」側）に切り替えるように指示する。その後、車両１は走行を開始する。

第１すべり度合演算部５０７は、差速度に応じたすべり度合（以下、「第１すべり度合」）を演算する。具体的には、第１すべり度合演算部５０７は、差速度が差速度第１閾値未満であれば「第１すべり度合Ｙ１＝０」とし、差速度が差速度第１閾値以上であれば「第１すべり度合Ｙ１＝差速度×差速度第１ゲイン」とする。

また、第２すべり度合演算部５０８は、相対加速度に応じたすべり度合（以下、「第２すべり度合」）を演算する。具体的には、第２すべり度合演算部５０８は、相対加速度が相対加速度第１閾値未満であれば「第２すべり度合Ｙ２＝０」とし、相対加速度が相対加速度第１閾値以上であれば「第２すべり度合Ｙ２＝相対加速度×相対加速度第１ゲイン」とする。

また、第３すべり度合演算部５０９は、軸加速度に応じたすべり度合（以下、「第３すべり度合」）を演算する。具体的には、第３すべり度合演算部５０９は、軸加速度が軸加速度第１閾値未満であれば「第３すべり度合Ｙ３＝０」とし、軸加速度が軸加速度第１閾値以上であれば「第３すべり度合Ｙ３＝軸加速度×軸加速度第１ゲイン」とする。

第１すべり度合加算器５１０は、第１すべり度合Ｙ１と第２すべり度合Ｙ２を加算する。さらに、第２すべり度合加算器５１１は、その和に第３すべり度合Ｙ３を加算し、すべり度合Ｙとする。絞り量演算部５１２は、すべり度合Ｙとトルクパターン（トルク電流パターン）に基づいて、トルクの絞り量ＡＤＨを出力する。

絞り量送信部５１３は、絞り量ＡＤＨを判定部５１５に送信する。絞り量閾値送信部５１４は、絞りがＹ[Ｎ]のときのトルクパターンを判定部５１５に送信する。判定部５１５は、絞り量ＡＤＨと絞りがＹ[Ｎ]のときのトルクパターンに基づいて、Ｙ[Ｎ]以上の絞りがあったか否かを判定し、あったときはその旨を切替指示部５１７に伝達する。切替指示部５１７は、Ｘ秒間にＹ[Ｎ]以上の絞りをＺ回行ったか否かを判定し、行ったときはスイッチ５０１〜５０６に非初期値側（図３の「１」側）に切り替えるように指示する。

この切替後は、第１すべり度合演算部５０７は、差速度第１閾値、差速度第１ゲインの代わりに差速度第２閾値、差速度第２ゲインを用いて演算する。また、第２すべり度合演算部５０８は、相対加速度第１閾値、相対加速度第１ゲインの代わりに相対加速度第２閾値、相対加速度第２ゲインを用いて演算する。また、第３すべり度合演算部５０９は、軸加速度第１閾値、軸加速度第１ゲインの代わりに軸加速度第２閾値、軸加速度第２ゲインを用いて演算する。

例えば、雨天の場合は、レールが湿潤状態となっていて摩擦係数がより小さくなっているので、Ｘ秒間にＹ[Ｎ]以上の絞りをＺ回行う、という条件を満たし、第１閾値から第２閾値に切り替えることになる。これにより、すべりの誤検知の可能性を低く抑えつつ、トルク電流の絞り量が小さいので乗り心地を良くすることができる。すべりの誤検知の可能性を低く抑えることができるのは、第１閾値を用いている場合でも稀に誤検知をする可能性はあるが、そのような誤検知に起因して、Ｘ秒間にＹ[Ｎ]以上の絞りをＺ回行う、という条件を満たすことはないからである。また、乗り心地を良くすることができるという効果について、図４を参照して説明する。

図４は、第１実施形態にかかる電気車制御装置５による動作の一例を示すグラフである。このグラフにおいて、波形Ｌ１はトルク電流の電流値、波形Ｌ２は参照電流の電流値、波形Ｌ３は車両１の速度を示す。なお、時刻Ｔ１において車両１が走行を開始し、時刻Ｔ２において、Ｘ秒間にＹ[Ｎ]以上の絞りをＺ回行うという条件が満たされ、第１閾値から第２閾値に切り替えられた。

時刻Ｔ１〜Ｔ２の時間帯は、波形Ｌ１、Ｌ２からわかるようにトルク電流の絞り量が大きく、波形Ｌ３で示す車両１の速度の変化が比較的大きいので、車両１の振動が大きく、乗り心地は良くない。一方、時刻Ｔ２以降の時間帯は、波形Ｌ１、Ｌ２からわかるようにトルク電流の絞り量が小さく、波形Ｌ３で示す車両１の速度の変化も比較的小さいので、車両１の振動が小さく、乗り心地が良い。このようにして、雨天時等に、早い段階で乗り心地の良い制御に切り替えることができる。

（比較例）
ここで、比較例（従来技術例）について、図７、図８を参照して説明する。図７は、比較例にかかるすべり制御部の機能構成等の一例を示す図である。図７に示すように、比較例のすべり制御部では、差速度閾値、相対加速度閾値、軸加速度閾値がそれぞれ１つずつしか設けられていない。なお、第１すべり度合演算部９０７、第２すべり度合演算部９０８、第３すべり度合演算部９０９、第１すべり度合加算器９１０、第２すべり度合加算器９１１、絞り量演算部９１２については、図３に示す第１すべり度合演算部５０７、第２すべり度合演算部５０８、第３すべり度合演算部５０９、第１すべり度合加算器５１０、第２すべり度合加算器５１１、絞り量演算部５１２と同様であるので、説明を省略する。

図８は、比較例にかかる電気車制御装置による動作の一例を示すグラフである。このグラフにおいて、波形Ｌ１１はトルク電流の電流値、波形Ｌ１２は参照電流の電流値、波形Ｌ１３は車両の速度を示す。なお、時刻Ｔ１１において車両が走行を開始した。

時刻Ｔ１１以降の時間帯において、継続して、波形Ｌ１１、Ｌ１２からわかるようにトルク電流の絞り量が大きく、波形Ｌ１３で示す車両の速度の変化が比較的大きいので、車両の振動が大きく、乗り心地は良くない。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、電気車における複数の車両１ごとにすべり制御部５５が設けられ、１つのすべり制御部５５が、すべりの判定に用いる閾値を第１閾値から第２閾値に切り替えた場合、他のすべり制御部５５も、すべりの判定に用いる閾値を第１閾値から第２閾値に切り替えるものとする。

これにより、複数の車両１ごとにすべり判定の精度のばらつきがあったとしても、安定して乗り心地の良い制御を実施することができる。

（第３実施形態）
次に、図５を参照して、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、モータ３の負荷の大きさ（車両１の重量に依存）に応じてレールと車輪２の間の粘着特性は変化することから、モータ３の負荷の大きさに応じて各閾値や各ゲインを変更（調整）する。

図５は、第３実施形態にかかるすべり制御部５５の機能構成等の一例を示す図である。図３と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。図５では、図３に比べて、演算部５２１〜５２４が設けられている点が異なっている。

演算部５２１は、モータ３の負荷の大きさに応じて、各閾値や各ゲインに乗算すべき倍率を決定する。モータ３の負荷が大きいほど、低い倍率となる。具体的な倍率については、予め実験等により決定しておくことができる。そして、演算部５２２〜５２４は、入力した各閾値や各ゲインに、演算部５２１から受け取った倍率を乗算する処理を行う。これにより、すべり制御部５５は、モータ３にかかる負荷が大きいほど、すべりの判定に用いる各閾値や各ゲインを小さい値に変更し、モータ３にかかる負荷が小さいほど、すべりの判定に用いる各閾値や各ゲインを大きい値に変更することができる。つまり、モータ３の負荷の大きさに応じて変化するレールと車輪２の間の粘着特性を考慮した制御を実現することができる。

（第４実施形態）
次に、図６を参照して、第４実施形態について説明する。第４実施形態では、レールの温度に応じてレールと車輪２の間の粘着特性は変化することから、レールの温度に応じて各閾値や各ゲインを変更（調整）する。

図６は、第４実施形態にかかるすべり制御部５５の機能構成等の一例を示す図である。図３と同じ構成については同じ符号を付し、説明を省略する。図６では、図３に比べて、演算部５３１〜５３４が設けられている点が異なっている。

演算部５３１は、レールの温度に応じて、各閾値や各ゲインに乗算すべき倍率を決定する。レールの温度が高いほど、低い倍率となる。具体的な倍率については、予め実験等により決定しておくことができる。そして、演算部５３２〜５３４は、入力した各閾値や各ゲインに、演算部５３１から受け取った倍率を乗算する処理を行う。これにより、すべり制御部５５は、レールの温度が高いほど、すべりの判定に用いる各閾値や各ゲインを小さい値に変更し、レールの温度が低いほど、すべりの判定に用いる各閾値や各ゲインを大きい値に変更することができる。つまり、レールの温度に応じて変化するレールと車輪２の間の粘着特性を考慮した制御を実現することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態では、すべり制御部５５は、雨天情報を取得した場合、すべりの判定に用いる閾値を第１閾値から第２閾値に切り替える。すべり制御部５５は、例えば、電気通信回線を介して外部装置から雨天情報を取得する。また、電気車の運転手が入力装置（不図示）で雨天情報を入力することにより、すべり制御部５５が雨天情報を取得するようにしても良い。また、車両１のワイパが動作すると自動的にすべり制御部５５が雨天情報を取得するようにしても良いし、さらに、雨滴センサを用いて雨天情報を取得するようにしても良い。

これにより、「Ｘ秒間にＹ[Ｎ]以上の絞りをＺ回行った」といった条件を満たす前であっても、すべりの判定に用いる閾値を第１閾値から第２閾値に切り替えることができ、より早い段階から乗り心地の良い制御を実施することができる。

以上、本発明の実施形態を例示したが、上記実施形態はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、電気車制御装置５の各構成のうち、ソフトウェア、ハードウェアのいずれでも実現できるものは、いずれで実現しても良い。また、各閾値や各ゲインは、２段階でなくても、３段階以上で設定しても良い。

１車両
２車輪
３モータ
４インバータ
５電気車制御装置
３１回転検出器
４１電流検出部
５１加速度指令器
５２電流パターン発生部
５３電流演算部
５４速度検出部
５５すべり制御部
５６記憶部

Claims

鉄道用のレールに対する電気車の車輪のすべりを、車体、車軸の一方または両方の動作に基づいて判定するための閾値として、初期値としての第１閾値と、前記第１閾値よりも早くすべりを判定するための第２閾値と、を記憶するとともに、前記閾値を前記第１閾値から前記第２閾値に切り替える条件である所定トルク低下量および所定頻度値を記憶する記憶部と、
前記第１閾値を用いて前記車輪がすべっていると判定した場合、前記車輪を駆動する回転機のトルク電流を低下させ、前記所定トルク低下量以上のトルクの低下の頻度が前記所定頻度値以上になったとき、前記閾値を前記第１閾値から前記第２閾値に切り替えるすべり制御部と、
を備える電気車制御装置。
前記電気車における複数の車両ごとに前記すべり制御部が設けられ、
１つの前記すべり制御部が、前記閾値を前記第１閾値から前記第２閾値に切り替えた場合、他の前記すべり制御部も、前記閾値を前記第１閾値から前記第２閾値に切り替える、請求項１に記載の電気車制御装置。
前記すべり制御部は、前記回転機にかかる負荷が大きいほど、前記第１閾値、前記第２閾値を小さい値に変更する、請求項１に記載の電気車制御装置。
前記すべり制御部は、前記レールの温度が高いほど、前記第１閾値、前記第２閾値を小さい値に変更する、請求項１に記載の電気車制御装置。
前記すべり制御部は、雨天情報を取得した場合、前記閾値を前記第１閾値から前記第２閾値に切り替える、請求項１に記載の電気車制御装置。