JP3529366B2 - 鉄道車両の車体傾斜制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両において
曲線路走行中に、乗客が遠心力に起因した横方向の力を
感じないように車体を傾斜させて、乗心地の悪化を防
ぎ、曲線通過速度の向上を図ることができる鉄道車両の
車体傾斜制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両の高速化を図るためには、列車
の最高速度、曲線通過速度および加減速度の向上を図ら
なければならない。特に曲線の多い走行区間では曲線通
過速度の向上が高速化を図る上で大きな影響を及ぼす。
車両が曲線路を通過するときには、遠心力が働いて乗客
が曲線路の外側に押し出される方向の力が作用して乗心
地が悪化する。これを防止するために、曲線路の外軌側
レールは内軌側レールよりも高く付設したカントが設け
られ、このカント量は列車の通常走行速度で生じる遠心
力の大きさに基づいて設定されている。列車の走行速度
がカント量に対応する設計値よりも高くなると、上記の
ように乗客には外側に向かって遠心力が作用し、車体内
の乗客が、横方向加速度、すなわち横方向の力を感じる
ことになる。この遠心力は、曲線路の曲率をρとしたと
き、曲率半径１／ρに反比例し、走行速度ｖの２乗に比
例するので、急曲線路を高速度で走行しようとすると、
乗客には大きな遠心力が作用し、乗心地が極端に悪化す
るため、従来からカントによる車体の傾斜角度の不足分
は、車体を台車に対してさらに傾斜することによって解
消する車体傾斜制御装置の開発が進められている。

【０００３】典型的な従来の技術は、特開平７−３０９
２３４号公報に示されている。この従来の技術では、予
見信号として目標傾斜角の微分値を用いると、緩和曲線
の距離が短くなると予見信号が急峻でかつ過大となり、
制御信号の飽和などによって制御効果が低下し、また車
体を台車上に支持する流体圧作動機構が積分特性を有す
るため、流体の圧縮性によって目標傾斜角に対して定常
偏差が発生するという問題を解決するために、この従来
の技術の車体傾斜制御装置は、車両の現走行位置から一
定時間先の位置までの軌道の曲線データを出力する曲線
情報装置と、車両の走行速度を検出する速度検出装置
と、曲線データおよび走行速度を用いて前記車両の現走
行位置から一定時間先の位置までの車体の目標傾斜角を
出力する目標傾斜角予見装置と、車両の傾斜角を検出す
る傾斜角検出装置と、積分器およびゲインによって構成
され、前記目標傾斜角予見装置から得られた現走行位置
での目標傾斜角に対して前記傾斜角検出装置で得られた
傾斜角の定常偏差を補償する定常偏差補償装置と、ゲイ
ンおよび加算器によって構成され、前記目標傾斜角予見
装置で得られた現走行位置から一定時間先の位置までの
目標傾斜角の線形和を出力する予見フィードフォワード
制御装置と、傾斜角検出装置で得られた傾斜角から前記
車両の内部状態を推定する状態推定器と、ゲインおよび
加算器によって構成され、車両の内部状態の線形和を出
力する状態フィードバック制御装置とを備える。

【０００４】このような構成によって、曲線情報装置で
現時点での曲率半径Ｒ（ｋ）とカント量Ｃ（ｋ）、およ
び現時点からｊΔｔ秒後（Δｔは制御周期、ｊ＝１，
２，…，Ｎ）の曲率半径Ｒ（ｋ＋ｊ）とカント量Ｃ（ｋ
＋ｊ）を出力する。次に、目標傾斜角予見装置によっ
て、曲線半径Ｒ（ｋ＋ｊ）、カント量Ｃ（ｋ＋ｊ）およ
び速度検出装置によって検出された現時点での走行速度
Ｖ（ｋ）を用いて、目標傾斜角度φ（ｋ＋ｊ）を、

【数３】 ここに、ｊ＝０，１，…，Ｎによって求める。

【０００５】前記予見フィードフォワード制御装置で
は、予見信号ｕ_f（ｋ）を目標傾斜角度φ（ｋ＋ｊ）の
線形和で求める。ここで、Ｆ_fjをフィードフォワードゲ
インとすると、

【数４】 である。

【０００６】前記定常偏差補償装置は、積分器と定常偏
差補償ゲインＦ_eとによって構成され、現時点の傾斜目
標値φ（ｋ）と傾斜角検出装置によって検出した傾斜角
度θ（ｋ）との偏差から定常偏差補償信号ｕ_e（ｋ）
を、 ｕ_e（ｋ） ＝ ｕ_e(ｋ−１) ＋ Ｆ_e｛φ(ｋ)−θ(ｋ)｝ …（３） によって求める。また状態フィードバック制御装置で
は、まず状態推定器によって、車両、流体圧作動機構、
制御弁および傾斜角検出装置によって構成されるｎ個の
制御対象の内部状態ｘ（ｋ）を、 ｘ（ｋ） ＝｛ｘ１(ｋ)，ｘ２(ｋ)，…，ｘｎ(ｋ)｝^T …（４） を傾斜角度θ（ｋ）および制御入力ｕ（ｋ）から推定す
る。

【０００７】次に、状態フィードバック制御信号Ｕ
_b（ｋ）を内部状態の線形和として求める。ここで、Ｆ_b
は状態フィードバックゲインである。 Ｕ_b（ｋ） ＝ Ｆ_bx（ｋ） …（５）

【０００８】このようにして求められる制御入力ｕ
（ｋ）は、予見信号ｕ_f（ｋ）、定常偏差補償信号ｕ
_e（ｋ）および状態フィードバック制御信号ｕ_b（ｋ）の
和として求められ、このような制御入力ｕ（ｋ）は、制
御弁が制御される。

【０００９】前記流体圧作動機構は、車体と台車との間
の左右両側に設けられる空気ばね、空気圧シリンダまた
は油圧シリンダなどによって実現され、上記のように予
見フィードフォワードによって目標傾斜角度の未来値を
積極的に予見信号に取込み、滑らかでかつ小さな予見信
号を用いて傾斜角度を目標値に追従するように、前記制
御弁による空気および作動油の供給および排出を制御し
て、車体を傾斜するための上記の流体圧作動機構の積分
特性が満足されない場合であっても良好な追従性が得ら
れるように構成されている。

【００１０】また他の従来の技術は、特開平６−１０７
１７２号公報に示されている。この従来の技術では、軌
道上を車両が少なくとも２回走行することによって、軌
道上の絶対距離に対する床面左右定常加速度ａ（ｘ）、
走行速度Ｖ（ｘ）、車体傾斜角度θ（ｘ）、曲率半径Ｒ
（ｘ）およびカント量Ｃ（ｘ）の関係式、

【数５】 を導く。ここに、ｇは重力加速度、Ｇは軌道幅を用い
て、前記少なくとも２回走行して得られた各走行毎の軌
道上の絶対距離に対する曲率半径Ｒ（ｘ）およびカント
量Ｃ（ｘ）を算出して求め、こうして求めた曲率半径Ｒ
（ｘ）、カント量Ｃ（ｘ）および上記の走行速度Ｖ
（ｘ）に基づいて車体傾斜角度θ（ｘ）を算出し、これ
らを用いて軌道上を走行する車体の傾斜制御を行い、前
記曲率半径Ｒ（ｘ）およびカント量Ｃ（ｘ）を実際に測
定することなく車体の傾斜量を先行制御して、曲線路走
行時の乗心地を向上することができるように構成されて
いる。

【００１１】さらに他の従来の技術は、特開平８−１７
５３８５号公報に示されている。この従来の技術では、
編成車両においては、１車両に１台の制御器を設置して
制御が行われ、その編成車両を構成する車両の台数の制
御器が必要となり、制御器の数が多くなってしまうとい
う問題を解決するために、車両の走行地点を検出する検
出装置部分を親局、制御出力を演算する演算装置部分を
子局、各車両の状態を検出する各種のセンサの検出時の
伝達および車体傾斜装置部分を孫局とし、１編成中の１
車両に設けた親局で検出した地点データを、１編成中の
複数車両おきに配置した子局に伝送し、各子局で親局か
らの地点データと孫局からの各種センサの検出位置に基
づいて各子局に属する複数車両への制御出力を演算し、
全車両の各台車毎に配置した孫局に制御出力を伝達し、
この制御出力に基づいて空気ばねに対して吸排気弁を開
閉し、各車体を曲線路で最適に傾斜させるように構成さ
れる。

【００１２】このようにしてこの従来の技術では、車体
傾斜制御に必要な走行地点の検出装置部分、制御出力の
演算装置部分および各種センサの検出時の伝達と傾斜操
作を行う車体傾斜装置部分を１つの制御器とし、１編成
に対して走行地点の検出を行う主制御装置を１つとし、
複数車両毎に演算装置部分と各台車毎に車体傾斜装置部
分とを分担させることによって、１編成全体で必要な制
御器の数を削減している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記の特開平７−３０
９２３４号公報に示される従来の技術では、傾斜角検出
装置から出力される傾斜角度θ（ｋ）を定常偏差補償装
置の前段へフィードバックし、目標傾斜角予見装置から
の目標傾斜角度φ（ｋ）との偏差を求め、この偏差から
定常偏差補償装置によって定常偏差補償信号ｕ_e（ｋ）
を求め、この定常偏差補償信号ｕ_e（ｋ）と予見フィー
ドフォワード制御装置からの予見信号ｕ_f（ｋ）と状態
フィードバック制御装置からの状態フィードバック制御
信号ｕ_b（ｋ）との線形和を用いて、空気ばねなどによ
って実現される流体圧作動機構を制御している。

【００１４】このようにして車体の曲線走行時における
傾斜量をフィードバック制御して、小さな予見信号で傾
斜角度を目標位置に追従させるとともに、車体傾斜機構
として具備される流体圧作動機構の積分特性が満足され
ない場合であっても良好な追従性が得られるように構成
されるが、このように追従性を向上するためには、前記
予見フィードフォワード制御装置のゲインＦ_fj、定常偏
差補償装置の定常偏差補償ゲインＦ_eおよび状態フィー
ドバック制御装置の状態フィードバックゲインＦ_bを必
要な追従性が得られるように調整する必要があり、これ
らのゲインの調整作業が繁雑であり、制御装置の構成が
複雑であるという問題を有する。

【００１５】また特開平６−１０７１７２号公報に示さ
れる従来の技術では、走行状態記憶手段に記憶された床
面左右定常加速度ａ（ｘ）、走行距離Ｖ（ｘ）、車体傾
斜角度θ（ｘ）に基づき、曲線情報算出手段によって、
曲率半径Ｒ（ｘ）とカント量Ｃ（ｘ）が算出され、傾斜
角度算出手段によって、曲率半径Ｒ（ｘ）、カント量Ｃ
（ｘ）および走行速度Ｖ（ｘ）に基づき車体傾斜角度θ
（ｘ）を算出し、こうして求めた車体傾斜角度θ（ｘ）
に基づいて傾斜アクチュエータを制御することによっ
て、曲率半径Ｒ（ｘ）とカント量Ｃ（ｘ）を実際に測定
することなく、したがって電線敷設後の曲線情報の収集
および路線の補修などで一部のデータが変更した場合の
データの再収集を行う必要がなくなり、曲線情報を予め
必要とすることなく車体傾斜の先行制御が可能である
が、曲線情報を算出するにあたって加速度計による床面
左右定常加速度および傾斜角度センサによる傾斜角度を
走行状態記憶手段に予め取込むために、これらの床面左
右定常加速度および傾斜角度を測定するための複数回の
走行が必要であり、データを収集するために手間を要す
るという問題がある。複数回の測定データに基づいて算
出される曲率半径Ｒ（ｘ）およびカント量Ｃ（ｘ）を求
めるための演算を測定回数に相当する回数だけ行わなけ
ればならず、演算量が多いという問題を有する。

【００１６】さらに特開平８−１７５３８５号公報に示
される従来の技術では、編成車両における制御器の数を
低減して構成を簡略化するものであるが、この制御器自
体の構成を簡略化するものではなく、むしろ複数台の車
両の傾斜量を演算しなければならないために演算量が増
加し、制御器の構成が大形化および複雑化してしまうと
いう問題を有する。

【００１７】本発明の目的は、車体傾斜角度の指令値を
作成するための加速度系フィードバック制御装置のゲイ
ン調整を不要とし、この車体傾斜角度の指令値を求める
ための演算量を少なくして構成の簡略化を図ることがで
きるようにした鉄道車両の車体傾斜制御装置を提供する
ことである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、台車の車軸に平行な横方向加速度Ｘを検出する加速
度検出手段と、車両の走行速度ｖを検出する速度検出手
段と、車体のヨーイング方向の角速度ωを検出する角速
度検出手段と、走行速度ｖおよび角速度ωに基づいて、
走行路の曲率半径ｒを演算して求める曲率半径算出手段
と、横方向加速度Ｘ、走行速度ｖおよび曲率半径ｒに基
づいて付設カント角度αを演算して求めるとともに、走
行速度ｖおよび曲率半径ｒに基づいて水平面に対する車
体の傾斜角度θを演算して求め、この傾斜角度θおよび
前記付設カント角度αに基づいて、車体の超過遠心力を
打消すために必要な台車に対する車体の指令傾斜角度β
を演算して求める制御手段と、制御手段からの指令傾斜
角度βに応答して、車体を台車に対して傾斜させる傾斜
駆動手段とを含み、前記制御手段は、重力加速度をｇと
するとき、付設カント角度αを、

【数６】

【数７】 によって求め、指令傾斜角度βを、 β ＝ θ−α によって求めることを特徴とする鉄道車両の車体傾斜制
御装置である。

【００１９】本発明に従えば、加速度検出手段は台車の
車軸に平行な横方向加速度Ｘを検出し、速度検出手段は
車両の走行速度ｖを検出し、さらに角速度検出手段は、
車体のヨーイング方向の角速度ωを検出し、曲率半径検
出手段は検出した走行速度ｖおよび角速度ωに基づいて
走行路の曲率半径ｒを演算して求める。前記速度検出手
段は、たとえば車軸の回転数を検出して走行速度ｖを求
める速度発電機などによって実現される。また角速度検
出手段は、たとえば車体に設けられるヨーレートジャイ
ロなどによって実現される。

【００２０】この曲率半径算出手段は、上記の走行速度
ｖおよび角速度ωによって予め定める演算式、たとえば
曲率ρ＝角速度ω／走行速度ｖを演算して走行中の曲線
路の曲率ρを算出することができる。こうして得られた
曲率ρによって、たとえば右曲線を正、左曲線を負とし
たときの予め定める弁別レベル±ｔｈ１，±ｔｈ２でレ
ベル弁別することによって、走行中の路線が曲線である
かまたは直線であるかを判別し、曲率半径ｒを、ｒ＝１
／曲率ρを演算することによって求めることができる。
このようにして走行速度ｖの大小にかかわらず、リアル
タイムで精度よく走行路の曲率半径ｒを算出することが
できる。

【００２１】このようにして求められた横方向加速度
Ｘ、走行速度ｖおよび曲率半径ｒは制御手段に入力され
る。制御手段は、上記のようにして求められた横方向加
速度Ｘ、走行速度ｖおよび曲率半径ｒに基づいて、予め
定める演算式によって付設カント角度αを演算して求め
るとともに、前記走行速度ｖおよび曲率半径ｒに基づい
て、水平面に対する車体の傾斜角度θを予め定める演算
式によって求め、これらの傾斜角度θおよび付設カント
角度αに基づいて、車体の超過遠心力を打消すために必
要な台車に対する車体の指令傾斜角度βを求める。この
ような制御手段からの指令傾斜角度βに従って、たとえ
ば空気ばね、この空気ばねに圧縮空気を供給するための
空気圧源、空気圧源からの圧縮空気を空気ばねに供給／
遮断する吸気弁、および空気ばね内の空気を排出／遮断
する排気弁などによって実現される傾斜駆動手段を制御
し、車体を傾斜駆動して曲線走行時に乗客が外軌側に向
けて体感する遠心力の発生を可及的に少なくし、あるい
は無くすことができる。

【００２２】また前記制御手段は、傾斜駆動手段をオー
プンループ制御するので、上記の特開平７−３０９２３
４号公報に示される従来の技術のように、フィードフォ
ワードゲインＦ_fjおよび状態フィードバックゲインＦ_b
などのゲイン調整が不要であり、これらのゲイン設定作
業を省略することができる。またこの従来の技術のよう
にフィードバック制御によって遅れ補償をしても空気ば
ねによる積分特性によって車体の傾斜制御に常に応答遅
れが伴い、前記フィードバック制御による遅れ補償が無
駄になる場合が多いのに対し、本発明ではオープンルー
プ制御を用い、これによって演算量を格段に少なくする
ことができ、制御手段の構成の簡略化を図ることができ
る。

【００２３】また加速度検出手段は、台車の車軸に平行
な横方向加速度Ｘを検出するように構成されるので、こ
の台車に空気ばねを介して支持される車体の横方向加速
度を検出する場合に比べて台車から直接に横方向加速度
Ｘを検出することができ、空気ばねによる影響を除いて
横方向加速度の変化を早期に検出することができ、横方
向加速度Ｘに対する検出時間を短縮することができる。

【００２４】このような台車の横方向加速度Ｘの検出信
号には、台車と線路との不整合および車体を支持する心
皿の軸線に関して回転方向の振動などに起因するノイズ
が混入するが、このノイズはローパスフィルタ、ハイパ
スフィルタ、バンドパスフィルタおよびバンドストップ
フィルタなどの各種のフィルタを用いて信号を処理し、
横方向加速度成分だけを抽出することが可能である。

【００２５】このようにして、台車の横方向加速度Ｘを
用いて指令傾斜角度βを求め、空気ばねなどの傾斜駆動
手段を制御することができるので、車体傾斜角度を求め
るための演算量を格段に少なくし、制御手段の構成を簡
略化することができる。

【００２６】

【００２７】さらに上記の演算式によって付設カント角
度α、車体の傾斜角度θおよび指令傾斜角度βを時系列
的に演算して求め、この指令傾斜角度βによって傾斜駆
動手段が制御される。このようにして時系列的に求めら
れる指令傾斜角度βによって傾斜駆動手段が制御される
ので、前記特開平６−１０７１７２号公報に示される従
来の技術のように、曲線情報を測定するためにオフライ
ンで車両を走行する必要がなく、直接、指令傾斜角度β
を求めることができ、空気ばねなどの積分特性によって
相殺される無駄な遅れ補償のための演算処理を行う必要
がなく、制御手段の構成を格段に簡略化することができ
る。

【００２８】しかも制御手段は、指令傾斜角度βを加速
度検出手段によって検出された台車の横方向加速度Ｘ、
速度検出手段によって検出された走行速度ｖならびに、
曲率半径検出手段によって検出されたヨーイング方向の
角速度ωおよび演算によって求めた曲率半径ｒに基づい
て、時系列的に指令傾斜角度βを算出するので、指令傾
斜角度βは予め定める制御周期で検出直後の値を用いて
更新され、これによって無駄な計算を行うことなく傾斜
制御に対する応答性を向上することができる。

【００２９】請求項２記載の本発明は、加速度検出手段
は、台車に設けられ、この台車の横方向の加速度成分を
検出する加速度センサと、加速度センサの出力に含まれ
るノイズを除去して前記横方向加速度Ｘを導出するフィ
ルタとを含むことをことを特徴とする。

【００３０】本発明に従えば、加速度センサによって横
方向加速度Ｘが検出される。このような加速度センサの
出力は、線路の曲線形状および走行速度ｖによって異な
り、しかもヨーイング方向の台車の固有周波数の成分お
よびその他のノイズが混入している。そのため、加速度
センサからの出力は、フィルタによって前記ノイズが除
去されたものが用いられ、こうして加速度センサの出力
からノイズを除去することによって、曲率半径検出手段
は正確に曲線路の曲率半径を算出することができる。

【００３１】前記台車のヨーイング方向の固有周波数
は、たとえば走行速度ｖ＝１００ｋｍ／ｈであるとき、
約０．１Ｈｚであり、また前記その他のノイズは約１０
Ｈｚ以上の範囲である。そのため前記フィルタは、車体
のヨーイング方向の固有周波数成分による約１Ｈｚのノ
イズおよびその他のノイズによる約１０Ｈｚ以上のノイ
ズを遮断することができるローパスフィルタ＋バンドス
トップフィルタなどによって実現されてもよい。このよ
うなフィルタを用いることによって、その時定数に起因
して加速度センサの出力が遅延されて制御手段に与えら
れるが、このような遅延はたとえば空気ばねによって実
現される傾斜駆動手段の応答性に比べて格段に小さいた
めに、実際上、遅れ時間を補償する必要はなく、車両の
傾斜駆動を最適に行うことができる。

【００３２】請求項３記載の本発明は、前記フィルタ
は、約０．１Ｈｚ〜約０．５Ｈｚの加速度センサからの
出力を導出し、台車の約１０Ｈｚ〜約２０Ｈｚの振動加
速度によるノイズを遮断することを特徴とする。

【００３３】本発明に従えば、加速度センサからの出力
はフィルタによって約０．１Ｈｚ〜約０．５Ｈｚの帯域
の周波数成分が導出され、これによって約０．０１〜
０．１５Ｇの横方向加速度に対応する周波数成分だけが
取出され、台車の振動による約１０Ｈｚ〜約２０Ｈｚの
加速度ノイズ成分が除去され、高精度で横方向加速度Ｘ
を検出することができる。このような横方向加速度Ｘを
用いて制御手段は付設カント角度αを演算して求め、実
走行時の付設カントに対する誤差を少なくして、指令傾
斜角度βを正確に求めることができる。

【００３４】請求項４記載の本発明は、傾斜駆動手段
は、台車の左右両側に設けられ、車体を昇降駆動する空
気ばねと、空気ばねに圧縮空気を供給しかつ空気ばね内
の空気を排出する電磁弁と、制御手段からの指令傾斜角
度βに応答して、前記電磁弁を制御する車高制御手段と
を含むことを特徴とする。

【００３５】本発明に従えば、制御手段からの指令傾斜
角度βに応答して車高制御手段は電磁弁を吸排気制御
し、この電磁弁によって台車の左右両側に設けられる空
気ばねへの圧縮空気の供給および空気ばねからの排気が
制御されて、台車上の車体は曲線走行時における超過遠
心力が打消される方向に傾斜される。このように車体は
空気ばねによって台車上で左右方向の傾斜量が制御され
るので、制御手段がオープンループ制御によって、実測
値である横方向加速度Ｘ、走行速度ｖ、曲率半径ｒに基
づいて短いアクセス時間で演算して求めた指令傾斜角度
βによって時系列的に連続して前記車高制御手段を制御
して各空気ばねの伸縮量を変化させ、前述の各従来の技
術のように、ゲイン調整および遅れ補償によるフィード
バック制御によって高い周期で敏感に制御しても各空気
ばねの動作が追従しないという、このような無駄な制御
を行わずに、本発明のオープンループ制御によって、実
走行時に受ける各検出値に基づいて指令傾斜角度βを変
化させて速く指令値を上げ、または下げた方がよく、こ
うして無駄な演算を格段に少なくして、簡単な構成で空
気ばねの応答特性に適した傾斜制御を行うことが可能と
なる。

【００３６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
全体の構成を簡略化して示すブロック図である。鉄道車
両（以下、車両と略記する）１は、台車２上に車体３が
旋回することができるようにして支持されて構成され
る。台車２は、左右の車輪４，５と、これらを支持する
台車枠６と、台車枠６の枕梁７上で左右両側に設けら
れ、車体３を支持する左右一対の空気ばね８，９とを備
える。車体３は、各空気ばね８，９によって緩衝されて
台車２上に支持されるとともに、各空気ばね８，９を左
右個別 吸排気制御し台車２に対する傾斜量および車高
を制御することができる。

【００３７】このような車両１が走行する軌道には、一
対のレール１０，１１が敷設され、各レール１０，１１
は線路１２の曲線路ではカントＣ１を有し、付設カント
角度αは、水平面に対するレール面傾斜角度として示さ
れている。これらのレール１０，１１によって車両１の
各車輪４，５が案内され、曲線走行時には台車２が付設
カント角度αだけ水平面に対して傾斜した状態で走行し
ている。このような車両１の車体傾斜制御を行うため
に、車両１には本発明に従う車体傾斜制御装置１３が搭
載される。

【００３８】この車体傾斜制御装置１３は、台車２に設
けられ、この台車２の車軸に平行な横方向加速度Ｘを検
出する加速度検出手段である加速度センサ１７と、各車
輪４，５の回転速度に対応した電圧を導出する速度発電
機などによって実現され、車両の走行速度ｖを検出する
速度検出手段である速度センサ１８と、車体３に設けら
れ、この車体３のヨーイング方向Ａの角速度ωを検出す
る角速度検出手段、たとえばヨーレートジャイロなどに
よって実現されるヨーレートセンサ１９、ならびにこの
ヨーレートセンサ１９からライン２０に導出される角速
度ω、および前記速度センサ１８からライン２１に導出
される走行速度ｖとに基づいて走行路の曲率半径ｒを演
算して求める曲率半径算出手段である曲率半径算出回路
２２と、加速度センサ１７からライン５１に導出される
横方向加速度Ｘ、走行速度ｖおよび曲率半径算出回路２
２からライン５２に導出される曲率半径ｒに基づいて付
設カント角度αを演算して求めるとともに、走行速度ｖ
および曲率半径ｒに基づいて車体３の超過遠心力を打消
すために必要な水平面に対する車体３の傾斜角度θを演
算して求め、この傾斜角度θおよび前記付設カント角度
αに基づいて車体３の超過遠心力を打消すために必要な
台車２に対する車体３の指令傾斜角度βを演算して求め
る制御手段２４と、制御手段２４からライン５３に導出
される指令傾斜角度βに応答して、車体３を台車２に対
して傾斜させる前記一対の空気ばね８，９を有する傾斜
駆動手段２５とを含む。

【００３９】台車枠６と車体３との間には、車体３の台
車２に対する車高を左右両側でそれぞれ検出する車高検
出手段２６，２７が設けられ、これらの車高検出手段２
６，２７からの車高情報はライン２８を介して車高制御
手段２９に与えられる。前記傾斜駆動手段２５は、各車
高検出手段２６，２７、車高制御手段２９および各電磁
弁５５，５６；５７，５８を含む。吸気弁としての各電
磁弁５５，５６は、各空気ばね８，９への空気圧源８９
からの圧縮空気を供給／遮断制御し、排気弁としての各
電磁弁５７，５８は、各空気ばね８，９内の空気を排出
／遮断制御する。

【００４０】加速度センサ１７からの出力は、フィルタ
３０を介して制御手段２４に与えられる。このフィルタ
３０によって加速度センサ１７からの出力に含まれる約
１０Ｈｚ〜約２０Ｈｚの振動加速度によるノイズが除去
され、台車２の各レール１０，１１との不整合などに起
因する台車の振動によるノイズを除去することができ
る。

【００４１】またフィルタ３０によって加速度センサ１
７の出力から台車２のヨーイング方向Ａの固有周波数、
たとえば走行速度ｖ＝１００ｋｍ／ｈのとき、０．１Ｈ
ｚのノイズ成分も除去することができ、約０．１Ｈｚ〜
約０．５Ｈｚの周波数帯域の検出信号だけを取出すこと
ができる。フィルタ３０は、たとえばローパスフィルタ
＋バンドストップフィルタなどによって実現される。

【００４２】またライン２０には、フィルタ３１が介在
される。ヨーレートセンサ１９の出力にも、加速度セン
サ１７からの出力と同様に、台車２の振動に伴う車体３
の振動、車体３の固有周波数のノイズ成分などが含まれ
ており、これらのノイズをフィルタ３１によって除去す
ることができる。

【００４３】図２は、車両１の曲線走行状態を示す簡略
化した断面図である。同図において仮想線で示される車
体３の姿勢５０は傾斜制御が行われた状態を示してお
り、このとき床面３４上の乗客には遠心力Ｆ＝Ｍ・ｒ・
ω²＝Ｍ・ｖ²／ｒの床面平行成分Ｆ１が作用する。ここ
に、Ｍは乗客３の質量である。

【００４４】

【数８】

【００４５】重力加速度をｇとすると、乗客には重力の
床面平行成分Ｆ２＝Ｍ・ｇ・ｓｉｎ（α＋β）が作用
し、走行中に乗客が横方向の力を感じないようにして乗
心地を向上するにはＦ１−Ｆ２＝０が成立する必要があ
る。ここで車体３の床面３４に平行な横方向に対する運
動方程式は、曲線路の外側を正とし、加速度をａとする
とき、

【数９】 である。

【００４６】傾斜角度β＝０のとき、横方向加速度の加
速度センサ１７による検出値がＸであるとすると、

【数１０】 が成立し、左辺および右辺から質量Ｍを除去すると、 ｖ²・cosα − ｒ・ｇ・sinα ＝ ｒ・ｘ …（10） となる。この式１０において、ｃｏｓαの係数ｖ²およ
びｓｉｎαの係数ｒ・ｇを消去するために、左辺に√
（ｖ⁴＋ｒ²・ｇ²）を乗じると、

【００４７】

【数１１】 に変形され、計算の便宜上、底辺をｒ・ｇとし、この底
辺に直角な辺の高さをｖ ²とし、底辺に対して角度γを
なす斜線を√（ｖ⁴＋ｒ²・ｇ₂）とする直角三角形を仮
定すると、

【００４８】

【数１２】 であるため、これを式１１に代入すると、

【００４９】

【数１３】 のように変形できる。角度γは上記の式１２ａから求め
ると、

【００５０】

【数１４】 であるため、この式１４を上記の式１３に代入すると、

【００５１】

【数１５】 のように変形できるため、

【００５２】

【数１６】 であり、したがって、

【００５３】

【数１７】 として傾斜角度β＝０であるときの付設カント角度αが
求められる。

【００５４】次に、傾斜角度β＝β₀（β₀＞０）である
とき、横方向加速度の検出値Ｘが０であるとすると、式
８に示される車体３の横方向に対する運動方程式は、

【数１８】 が成立し、したがって、

【００５５】

【数１９】 に変形することができる。この式１９を整理すると、

【００５６】

【数２０】 となり、したがって

【００５７】

【数２１】 となる。この式２１に上記の式１７を代入すると、

【００５８】

【数２２】 となる。このように指令傾斜角度βは横方向加速度Ｘ、
走行速度ｖ、曲率半径ｒによって演算して求めることが
できる。したがって前記制御手段２４は、重力加速度を
ｇとするとき、付設カント角度αを、

【００５９】

【数２３】 によって求め、前記水平面に対する車体３の傾斜角度θ
を、

【００６０】

【数２４】 によって求め、指令傾斜角度βを、 β ＝ θ−α …（25） によって求めることができる。

【００６１】図３は、曲率半径算出回路２２による曲率
半径ｒの算出手順を説明するための図である。車両１に
は、この車両１のヨーイング方向Ａの角速度ωを検出す
るためのヨーレートセンサ１９と、車両１の走行速度ｖ
を検出するための速度センサ１８と、角速度ωおよび走
行速度ｖに基づいて線路１２の曲率ρを算出して曲線状
態を判断するとともに、さらに曲率半径を算出する曲率
算出回路２２とが搭載される。

【００６２】曲線半径算出回路２２は、得られた角速度
ωおよび走行速度ｖに基づいて所定の演算式、ρ＝ω／
ｖに代入して演算することによって、線路１２の曲率ρ
を算出する。また得られた曲率ρを時間微分することに
よって曲率微分、ｄρ／ｄｔを算出し、これらの曲率ρ
および曲率微分ｄρ／ｄｔの大きさおよび正負を判定す
ることによって、走行位置における線路の状態、たとえ
ば直線、右曲線、左曲線、入口緩和曲線、本曲線、およ
び出口緩和曲線などを判別することができる。また曲率
半径算出回路２２は、求めた曲率ρの逆数である曲率半
径γを演算式γ＝１／ρに代入して演算することによっ
て算出する。

【００６３】図４（ａ）は右曲線の線路１２の平面形状
の１例を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に
対応する曲率ρを示すグラフであり、図４（ｃ）は図４
（ａ）に対応する曲率微分ｄρ／ｄｔを示すグラフであ
る。図４（ａ）において、車両１が線路１２を地点Ｐ１
〜Ｐ４の順番で通過しており、線路１２は図４（ｂ）に
示すように、（１）地点Ｐ１から手前は曲率ρ＝０であ
る部分、（２）地点Ｐ１〜地点Ｐ２の範囲は曲率ρが０
から徐々に変化する部分、（３）地点Ｐ２〜地点Ｐ３の
範囲は、一定の曲率ρを有する部分、（４）地点Ｐ３〜
地点Ｐ４の範囲は、曲率ρが一定位置から０に向けて徐
々に変化する部分、（５）地点Ｐ４から以降は曲率ρ＝
０である部分、となる線路１２の平面線形を例示してい
る。

【００６４】図４（ｂ）に示すように、右曲線の線路形
状に応じた区間を特定するために、入口側の曲率閾値と
して、閾値ｔｈ１（地点Ｐ１〜地点Ｐ２の範囲に存在）
が設定され、出口側の曲率閾値として閾値ｔｈ２（地点
Ｐ３〜地点Ｐ４の範囲に存在）が設定されている。

【００６５】図４（ｃ）は図４（ｂ）のグラフに示され
る曲率ρを時間微分したものであり、曲率ρが時間変化
しない範囲、すなわち地点Ｐ１の手前、地点Ｐ２〜地点
Ｐ３の範囲、および地点Ｐ４以降において曲率微分ｄρ
／ｄｔ＝０となる。また地点Ｐ１〜地点Ｐ２において上
方に凸のピークが表れ、地点Ｐ３〜地点Ｐ４において下
方に凸のピークが表れる。このような図４（ｃ）におい
ても同様に、線路１２に応じた区間を特定するために、
入口側の曲率部分閾値として閾値ｔｈ３（地点Ｐ１〜地
点Ｐ２の範囲に存在）が設定され、出口側の曲率部分閾
値として、閾値ｔｈ４（地点Ｐ３〜地点Ｐ４の範囲に存
在）が設定されている。

【００６６】図５（ａ）は左曲線の線路１２の平面形状
の１例を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に
対応する曲率ρを示すグラフであり、図５（ｃ）は図５
（ａ）に対応する曲率微分ｄρ／ｄｔを示すグラフであ
る。図５（ａ）において、車両１が線路１２を前述と同
様に地点Ｐ１〜地点Ｐ４の順番で通過する。

【００６７】図５（ｂ）に示すように、左曲線の線路状
態に応じた区間を特定するために、入口側の曲率閾値と
して閾値−ｔｈ１（地点Ｐ１〜地点Ｐ２の範囲に存在）
が設定され、出口側の曲率閾値として閾値−ｔｈ２（地
点Ｐ３〜地点Ｐ４の範囲に存在）が設定されている。

【００６８】図５（ｃ）は図５（ｂ）の曲率ρを時間ｔ
で微分した値を示し、曲率ρが時間変化しない範囲、す
なわち地点Ｐ１の手前、地点Ｐ２〜地点Ｐ３、および地
点Ｐ４以降において曲率微分ｄρ／ｄｔ＝０となる。ま
た、地点Ｐ１〜地点Ｐ２において下方に凸のピークが表
れ、地点Ｐ３〜地点Ｐ４において上方に凸のピークが表
れる。このような図５（ｃ）においても同様に、線路状
態に応じた区間を特定するために、入口側の曲率微分閾
値として閾値−ｔｈ３（地点Ｐ１〜地点Ｐ２の範囲に存
在）が設定され、出口側の曲率微分閾値として閾値−ｔ
ｈ４（地点Ｐ３〜地点Ｐ４の範囲に存在）が設定されて
いる。

【００６９】図６は、横軸に曲率ρ、縦軸に曲率微分ｄ
ρ／ｄｔを取って２次元表示したグラフである。曲率ρ
に関して、正および負の閾値ｔｈ１，ｔｈ２がそれぞれ
設定されており、これらの閾値ｔｈ１，ｔｈ２は必ずし
も同一値に選ばれるものではなく、入口と出口の緩和曲
線の相違によって相違する場合がある。また曲率微分ｄ
ρ／ｄｔに関しては、各閾値ｔｈ３，ｔｈ４が設定さ
れ、これらの閾値ｔｈ３，ｔｈ４もまた、入口および出
口の緩和曲線の相違に応じてそれぞれ個別に設定され
る。

【００７０】同図において、（１）−ｔｈ１＜ρ＜ｔｈ
１、または−ｔｈ２＜ρ＜ｔｈ２の領域は直線部分、
（２）ρ≧ｔｈ１、およびｄρ／ｄｔ≧ｔｈ３の領域は
右入口緩和曲線部分、（３）ρ≧ｔｈ１、ρ≧ｔｈ２、
およびｔｈ３＜ｄρ／ｄｔ＜ｔｈ４の領域は右本曲線部
分、（４）ρ≧ｔｈ２、およびｄρ／ｄｔ≦ｔｈ４の領
域は、右出口緩和曲線部分、（５）ρ≦−ｔｈ１、およ
びｄρ−ｄｔ≧ｔｈ３の領域は、左入口緩和曲線部分、
（６）ρ≦−ｔｈ１、ρ≦−ｔｈ２、およびｔｈ３＜ｄ
ρ／ｄｔ＜ｔｈ４の領域は、左本曲線部分、（７）ρ≦
−ｔｈ２、およびｄρ／ｄｔ≦ｔｈ４の領域は、左出口
緩和曲線部分をそれぞれ分類して示されている。

【００７１】具体的に述べると、図４（ａ）の線路上を
車両１が走行する場合を想定したとき、線路状態を示す
座標（ρ，ｄρ／ｄｔ）は、地点Ｐ１から手前でρ＝
０、ｄρ／ｄｔ＝０の原点に位置しており、地点Ｐ１に
進入すると次第に右斜め上方に移動して、閾値ｔｈ１と
交差する点ａで右入口緩和曲線部分の領域に入って右回
りに回転し、次に閾値ｔｈ３と交差する点ｂで右本曲線
部分の領域に入る。さらに車両１が右本曲線部分を走行
している間は、座標（ρ，ｄρ／ｄｔ）は、曲率ρ＝一
定で、曲率微分ｄρ／ｄｔ＝０に止まり、地点Ｐ３に差
しかかると閾値ｔｈ４と交差する点ｃで右出口緩和曲線
部分の領域に入って右回りに回転し、次に閾値ｔｈ２と
交差する点ｄで直線領域に入ってから地点Ｐ４を通過す
る時点で、原点に戻る。

【００７２】こうして線路状態が示す座標（ρ，ｄρ／
ｄｔ）の軌跡を調べることによって、線路の状態を認識
することが可能になる。このようにして、図４（ａ）に
示すような右曲線の線路１２において、地点Ｐ１１より
手前の直線部分、地点Ｐ１１から地点Ｐ１２より手前の
入口緩和曲線部分、地点Ｐ１２から地点Ｐ１３までの本
曲線部分、地点Ｐ１３より先の地点Ｐ１４までの出口緩
和曲線部分、および地点Ｐ１４より先の直線部分を特定
し、認識することができる。

【００７３】このことは、図５に示される左曲線走行時
についても同様である。つまり、図５（ａ）に示すよう
な左曲線の線路１２において、地点Ｐ２１より手前の直
線部分、地点Ｐ２１から地点Ｐ２２より手前の入口緩和
曲線部分、地点Ｐ２２から地点Ｐ２３までの本曲線部
分、地点Ｐ２３より先の地点Ｐ２４までの出口緩和曲線
部分、および地点Ｐ２４より先の直線部分を特定し、記
載することができる。

【００７４】図７は、曲率半径算出回路２２の動作を示
すフローチャートである。ヨーレートセンサ１９からの
角速度ωおよび速度センサ１８からの走行速度ｖに基づ
いて線路１２の曲率ρを算出し、その時間微分である曲
率微分ｄρ／ｄｔを演算した後、まずステップｓ１にお
いて、曲率ρ≧０か否かを判定し、すなわち線路１２が
右曲線か左曲線かを判定する。ここで、右曲線のときに
は曲率ρが正の値となり、左曲線のときには曲率ρが負
の値となる場合を想定して説明する。

【００７５】曲率ρ≧０であればステップｓ２に移り、
曲率微分ｄρ／ｄｔ≧０か否かを判定し、これによって
線路１２が緩和曲線であるか否かを判定する。この曲率
微分ｄρ／ｄｔ≧０であれば、ステップｓ３に移り、曲
率ρ≧ｔｈ１か否かを判定し、曲率ρが閾値ｔｈ１より
も小さければ現在位置の線路は直線部分であると判断し
た後、次の測定のためにスタートへ戻る。ステップｓ３
において、曲率ρが閾値ｔｈ１以上であれば、次のステ
ップｓ４に移り、曲率微分ｄρ／ｄｔ≧ｔｈ３か否かを
判定し、曲率微分ｄρ／ｄｔが閾値ｔｈ３よりも小さけ
れば現在位置の線路が右本曲線であると判断し、次の測
定のためにスタートへ戻る。また、曲率微分ｄρ／ｄｔ
が閾値ｔｈ３以上であれば、右入口緩和曲線であると判
断してスタートへ戻る。

【００７６】ステップｓ２において、曲率微分ｄρ／ｄ
ｔが負の値であればステップｓ５へ移り、曲率ρ≧ｔｈ
２か否かを判定し、曲率ρが閾値ｔｈ２よりも小さけれ
ば、現在位置の線路は直線部分であると判断した後、次
の測定のためにスタートへ戻る。また、曲率ρが閾値ｔ
ｈ２以上であれば、次のステップｓ６へ移り、曲率微分
ｄρ／ｄｔ≦−ｔｈ４か否かを判定し、曲率微分ｄρ／
ｄｔが閾値−ｔｈ４よりも大きければ、現在位置の線路
が右本曲線であると判断した後、次の測定のためにスタ
ートへ戻る。また、曲率微分ｄρ／ｄｔが閾値ｔｈ４以
下であれば、右出口緩和曲線であると判断して、次の測
定のためにスタートへ戻る。

【００７７】左曲線についても同様に、ステップｓ１に
おいて、曲率ρ≧０でなければ、すなわちρ＜０であれ
ば、ステップｓ７に移り、曲率微分ｄρ／ｄｔ≦０か否
かを判定し、これによって線路が緩和曲線であるか否か
を判別する。曲率微分ｄρ／ｄｔ≦０であれば、ステッ
プｓ８に移り、曲率ρ≦−ｔｈ２か否かを判定し、曲率
ρが閾値−ｔｈ２よりも大きければ、現在位置の線路は
直線部分であると判断して、次の測定のためにスタート
へ戻る。

【００７８】前記ステップｓ８において、曲率ρが閾値
−ｔｈ２以下であれば、次のステップｓ９で曲率微分ｄ
ρ／ｄｔ≦−ｔｈ３か否かを判定し、曲率微分ｄρ／ｄ
ｔが閾値−ｔｈ３よりも大きければ、現在位置の線路が
左本曲線であると判断した後、次の測定のためにスター
トへ戻る。また、曲率微分ｄρ／ｄｔが閾値−ｔｈ３以
下であれば、左入口緩和曲線であると判断して、同様に
スタートへ戻る。

【００７９】ステップｓ７において、曲率微分ｄρ／ｄ
ｔが０よりも大きければ次のステップｓ１０へ移り、曲
率ρ≦−ｔｈ１か否かを判定し、曲率ρが閾値−ｔｈ１
よりも大きければ、現在位置の線路は直線部分であると
判断した後、次の測定のためスタートへ戻る。また、曲
率ρが閾値−ｔｈ１以下であれば、次のステップｓ１１
で曲率部分ｄρ／ｄｔ≧ｔｈ４か否かを判定し、曲率部
分ｄρ／ｄｔが閾値ｔｈ４よりも小さければ、現在位置
の線路が左本曲線であると判断した後、スタートへ戻
る。さらに、曲率微分ｄρ／ｄｔが閾値ｔｈ４以上であ
れば、左出口緩和曲線であると判断して、スタートへ戻
る。

【００８０】このようにして曲率ρおよび曲率微分ｄρ
／ｄｔの値を各閾値ｔｈ１〜ｔｈ４，−ｔｈ１〜−ｔｈ
４とそれぞれ比較することによって、座標（ρ，ｄρ／
ｄｔ）が図６のグラフのどの領域に位置するかを判断し
て、的確な曲線情報を得ることができる。したがって曲
率半径算出回路２２からの出力に基づいて、左右一対の
空気ばね８，９への圧縮空気の供給および排気を制御す
るための電磁弁を個別に開閉制御して、線路状況に応じ
て高い応答性で車体３の傾斜量を制御することができ
る。しかも、制御手段２４は、前述したように、横方向
加速度Ｘ、走行速度ｖおよび曲率半径Ｒに基づいて常に
走行中の傾斜角度θを演算して導出しているため、従来
の技術のようにフィードバック制御する場合に比べて演
算量および演算時間が格段に少なくて済み、これによっ
て制御手段の構成が格段に簡略化され、高精度で車体３
の傾斜量を時系列的に追従制御することができる。

【００８１】本実施の形態によれば、この曲率半径算出
回路２２は、走行速度ｖおよび角速度ωによって演算
式、曲率ρ＝角速度ω／走行速度ｖを演算して走行中の
曲線路の曲率ρを算出することができる。こうして得ら
れた曲率ρによって、たとえば右曲線を正、左曲線を負
としたときの予め定める弁別レベル±ｔｈ１，±ｔｈ２
でレベル弁別することによって、走行中の路線が曲線で
あるかまたは直線であるかを判別し、曲率半径ｒを、ｒ
＝１／曲率ρを演算することによって求めることができ
る。このようにして走行速度ｖの大小にかかわらず、リ
アルタイムで精度よく走行路の曲率半径ｒを算出するこ
とができる。

【００８２】制御手段２４は、横方向加速度Ｘ、走行速
度ｖおよび曲率半径ｒに基づいて、車体の超過遠心力を
打消すために必要な台車に対する車体の指令傾斜角度β
を求める。このような制御手段２４からの指令傾斜角度
βに従って、空気ばね８，９、この空気ばね８，９に圧
縮空気を供給するための空気圧源５９、空気圧源５９か
らの圧縮空気を空気ばね８，９に供給／遮断する吸気弁
５５，５６、および空気ばね８，９内の空気を排出／遮
断する排気弁５７，５８などによって実現される傾斜駆
動手段２５を制御し、車体３を傾斜駆動して曲線走行時
に乗客が外軌側に向けて体感する遠心力の発生を可及的
に少なくし、あるいは無くすことができる。

【００８３】また前記制御手段２４は、傾斜駆動手段２
８をオープンループ制御するので、上記の特開平７−３
０９２３４号公報に示される従来の技術のように、フィ
ードフォワードゲインＦ_fjおよび状態フィードバックゲ
インＦ_bなどのゲイン調整が不要であり、これらのゲイ
ン設定作業を省略することができる。またこの従来の技
術のようにフィードバック制御によって遅れ補償をして
も空気ばねによる積分特性によって車体の傾斜制御に常
に応答遅れが伴い、前記フィードバック制御による遅れ
補償が無駄になる場合が多いのに対し、本発明ではオー
プンループ制御を用い、これによって演算量を格段に少
なくすることができ、制御手段の構成の簡略化を図るこ
とができる。

【００８４】また加速度検出手段１７は、台車２の車軸
に平行な横方向加速度Ｘを検出するように構成されるの
で、この台車２に空気ばね８，９を介して支持される車
体３の横方向加速度を検出する場合に比べて台車２から
直接に横方向加速度Ｘを検出することができ、空気ばね
８，９による伝達遅れがない状態で、横方向加速度Ｘの
変化を早期に検出することができ、横方向加速度Ｘに対
する検出時間を短縮することができる。

【００８５】このような台車２の横方向加速度Ｘの検出
信号には、台車２と線路１２との不整合および車体３を
支持する心皿の軸線に関して回転方向の振動などに起因
するノイズが混入するが、上記のように、このノイズは
ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィ
ルタおよびバンドストップフィルタなどの各種のフィル
タを用いて信号を処理し、横方向加速度成分だけを抽出
することが可能である。

【００８６】このようにして、台車２の横方向加速度Ｘ
を用いて指令傾斜角度βを求め、空気ばね８，９などの
傾斜駆動手段２５を制御することができるので、車体傾
斜角度を求めるための演算量を格段に少なくし、制御手
段２４の構成を簡略化することができる。

【００８７】また本実施の形態によれば、上記の演算式
２３〜２５によって付設カント角度α、車体の傾斜角度
θおよび指令傾斜角度βを時系列的に演算して求め、こ
の指令傾斜角度βによって傾斜駆動手段が制御される。
このようにして時系列的に求められる指令傾斜角度βに
よって傾斜駆動手段が制御されるので、前記特開平６−
１０７１７２号公報に示される従来の技術のように、曲
線情報を測定するためにオフラインで車両を走行する必
要がなく、直接、指令傾斜角度βを求めることができ、
空気ばねの積分特性によって相殺される無駄な遅れ補償
のための演算処理を行う必要がなく、制御手段の構成を
格段に簡略化することができる。

【００８８】しかも制御手段２４は、指令傾斜角度βを
加速度センサ１７によって検出された台車２の横方向加
速度Ｘ、速度センサ１８によって検出された走行速度ｖ
ならびに、ヨーレートセンサ１９によって検出されたヨ
ーイング方向の角速度ωおよび曲率半径算出回路２２の
演算によって求めた曲率半径ｒに基づいて、時系列的に
指令傾斜角度βを算出するので、指令傾斜角度βは予め
定める制御周期で検出直後の値を用いて更新され、これ
によって無駄な計算を行うことなく傾斜制御に対する応
答性を向上することができる。

【００８９】さらに本実施の形態によれば、加速度セン
サ１７からの出力は、フィルタ３０によってノイズが除
去されたものが用いられ、こうして加速度センサ１７の
出力からノイズを除去することによって、曲率半径算出
回路２２は正確に曲線路の曲率半径ｒを算出することが
できる。

【００９０】フィルタ３０を用いることによって、その
時定数に起因して加速度センサ１７の出力が遅延されて
制御手段２４に与えられるが、このような遅延はたとえ
ば空気ばね８，９などによって実現される傾斜駆動手段
２５の応答性に比べて格段に小さいために、実際上、遅
れ時間を補償する必要はなく、車体３の傾斜駆動を最適
に行うことができる。

【００９１】さらに本実施の形態によれば、加速度セン
サ１７からの出力はフィルタ３０によって約０．１Ｈｚ
〜約０．５Ｈｚの帯域の周波数成分が導出され、これに
よって約０．０１〜０．１５Ｇの横方向加速度Ｘに対応
する周波数成分だけが取出され、影響の大きな台車の振
動による約１０Ｈｚ〜約２０Ｈｚの加速度ノイズ成分が
除去され、高精度で横方向加速度Ｘを検出することがで
きる。このような横方向加速度Ｘを用いて制御手段は付
設カント角度αを演算して求め、実走行時の付設カント
に対する誤差を少なくして、指令傾斜角度βを正確に求
めることができる。

【００９２】さらに本実施の形態によれば、制御手段２
４からの指令傾斜角度βに応答して車高制御手段２９は
電磁弁５５〜５８を吸排気制御し、この電磁弁５５〜５
８によって台車２の左右両側に設けられる空気ばね８，
９への圧縮空気の供給および空気ばね８，９からの排気
が制御されて、台車２上の車体３は曲線走行時における
超過遠心力が打消される方向に傾斜される。このように
車体３は空気ばね８，９によって台車２上で左右方向の
傾斜量が制御されるので、制御手段２４がオープンルー
プ制御によって、実測値である横方向加速度Ｘ、走行速
度ｖ、曲率半径ｒに基づいて短いアクセス時間で演算し
て求めた指令傾斜角度βによって時系列的に連続して前
記車高制御手段を制御して各空気ばね８，９の伸縮量を
変化させ、前述の各従来の技術のように、ゲイン調整お
よび遅れ補償によるフィードバック制御によって高い周
期で敏感に制御しても各空気ばね８，９の動作が追従し
ないという、このような無駄な制御を行わずに、本発明
のオープンループ制御によって、実走行時に受ける各検
出値に基づいて指令傾斜角度βを変化させて速く指令値
を上げ、または下げた方がよく、こうして無駄な演算を
格段に少なくして、簡単な構成で空気ばねの応答特性に
適した傾斜制御を行うことが可能となる。

【００９３】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、加速度
検出手段は台車の車軸に平行な横方向加速度Ｘを検出
し、速度検出手段は車両の走行速度ｖを検出し、さらに
角速度検出手段は、車体のヨーイング方向の角速度ωを
検出し、曲率半径検出手段は検出した走行速度ｖおよび
角速度ωに基づいて走行路の曲率半径ｒを演算して求め
る。前記速度検出手段は、たとえば車軸の回転数を検出
して走行速度ｖを求める速度発電機などによって実現さ
れる。また角速度検出手段は、たとえば車体に設けられ
るヨーレートジャイロなどによって実現される。

【００９４】この曲率半径算出手段は、上記の走行速度
ｖおよび角速度ωによって予め定める演算式、たとえば
曲率ρ＝角速度ω／走行速度ｖを演算して走行中の曲線
路の曲率ρを算出することができる。こうして得られた
曲率ρによって、たとえば右曲線を正、左曲線を負とし
たときの予め定める弁別レベル±ｔｈ１，±ｔｈ２でレ
ベル弁別することによって、走行中の路線が曲線である
かまたは直線であるかを判別し、曲率半径ｒを、ｒ＝１
／曲率ρを演算することによって求めることができる。
このようにして走行速度ｖの大小にかかわらず、リアル
タイムで精度よく走行路の曲率半径ｒを算出することが
できる。

【００９５】このようにして求められた横方向加速度
Ｘ、走行速度ｖおよび曲率半径ｒは制御手段に入力され
る。制御手段は、上記のようにして求められた横方向加
速度Ｘ、走行速度ｖおよび曲率半径ｒに基づいて、予め
定める演算式によって付設カント角度αを演算して求め
るとともに、前記走行速度ｖおよび曲率半径ｒに基づい
て、車体の水平面に対する車体の傾斜角度θを予め定め
る演算式によって求め、これらの傾斜角度θおよび付設
カント角度αに基づいて、車体の超過遠心力を打消すた
めに必要な台車に対する車体の指令傾斜角度βを求め
る。このような制御手段からの指令傾斜角度βに従っ
て、たとえば空気ばね、この空気ばねに圧縮空気を供給
するための空気圧源、空気圧源からの圧縮空気を空気ば
ねに供給／遮断する吸気弁、および空気ばね内の空気を
排出／遮断する排気弁などによって実現される傾斜駆動
手段を制御し、車体を傾斜駆動して曲線走行時に乗客が
外軌側に向けて体感する遠心力の発生を可及的に少なく
し、あるいは無くすことができる。

【００９６】また前記制御手段は、傾斜駆動手段をオー
プンループ制御するので、上記の特開平７−３０９２３
４号公報に示される従来の技術のように、フィードフォ
ワードゲインＦ_fjおよび状態フィードバックゲインＦ_b
などのゲイン調整が不要であり、これらのゲイン設定作
業を省略することができる。またこの従来の技術のよう
にフィードバック制御によって遅れ補償をしても空気ば
ねによる積分特性によって車体の傾斜制御に常に応答遅
れが伴い、前記フィードバック制御による遅れ補償が無
駄になる場合が多いのに対し、本発明ではオープンルー
プ制御を用い、これによって演算量を格段に少なくする
ことができ、制御手段の構成の簡略化を図ることができ
る。

【００９７】また加速度検出手段は、台車の車軸に平行
な横方向加速度Ｘを検出するように構成されるので、こ
の台車に空気ばねを介して支持される車体の横方向加速
度を検出する場合に比べて台車から直接に横方向加速度
Ｘを検出することができ、空気ばねによる影響を除いて
横方向加速度の変化を早期に検出することができ、横方
向加速度Ｘに対する検出時間を短縮することができる。

【００９８】このような台車の横方向加速度Ｘの検出信
号には、台車と線路との不整合および車体を支持する心
皿の軸線に関して回転方向の振動などに起因するノイズ
が混入するが、このノイズはローパスフィルタ、ハイパ
スフィルタ、バンドパスフィルタおよびバンドストップ
フィルタなどの各種のフィルタを用いて信号を処理し、
横方向加速度成分だけを抽出することが可能である。

【００９９】このようにして、台車の横方向加速度Ｘを
用いて指令傾斜角度βを求め、空気ばねなどの傾斜駆動
手段を制御することができるので、車体傾斜角度を求め
るための演算量を格段に少なくし、制御手段の構成を簡
略化することができる。

【０１００】さらに上記の演算式によって付設カント角
度α、車体の傾斜角度θおよび指令傾斜角度βを時系列
的に演算して求め、この指令傾斜角度βによって傾斜駆
動手段が制御される。このようにして時系列的に求めら
れる指令傾斜角度βによって傾斜駆動手段が制御される
ので、前記特開平６−１０７１７２号公報に示される従
来の技術のように、曲線情報を測定するためにオフライ
ンで車両を走行する必要がなく、直接、指令傾斜角度β
を求めることができ、空気ばねの積分特性によって相殺
される無駄な遅れ補償のための演算処理を行う必要がな
く、制御手段の構成を格段に簡略化することができる。

【０１０１】しかも制御手段は、指令傾斜角度βを加速
度検出手段によって検出された台車の横方向加速度Ｘ、
速度検出手段によって検出された走行速度ｖならびに、
曲率半径検出手段によって検出されたヨーイング方向の
角速度ωおよび演算によって求めた曲率半径ｒに基づい
て、時系列的に指令傾斜角度βを算出するので、指令傾
斜角度βは予め定める制御周期で検出直後の値を用いて
更新され、これによって無駄な計算を行うことなく傾斜
制御に対する応答性を向上することができる。

【０１０２】請求項２記載の本発明によれば、加速度セ
ンサによって横方向加速度Ｘが検出される。このような
加速度センサの出力は、線路の曲線形状および走行速度
ｖによって異なり、しかもヨーイング方向の台車の固有
周波数の成分およびその他のノイズが混入している。そ
のため、加速度センサからの出力は、フィルタによって
前記ノイズが除去されたものが用いられ、こうして加速
度センサの出力からノイズを除去することによって、曲
率半径検出手段は正確に曲線路の曲率半径を算出するこ
とができる。

【０１０３】前記台車のヨーイング方向の固有周波数
は、たとえば走行速度ｖ＝１００ｋｍ／ｈであるとき、
約０．１Ｈｚであり、また前記その他のノイズは約１０
Ｈｚ以上の範囲である。そのため前記フィルタは、車体
のヨーイング方向の固有周波数成分による約１Ｈｚのノ
イズおよびその他のノイズによる約１０Ｈｚ以上のノイ
ズを遮断することができるローパスフィルタ＋バンドス
トップフィルタなどによって実現されてもよい。このよ
うなフィルタを用いることによって、その時定数に起因
して加速度センサの出力が遅延されて制御手段に与えら
れるが、このような遅延はたとえば空気ばねによって実
現される傾斜駆動手段の応答性に比べて格段に小さいた
めに、実際上、遅れ時間を補償する必要はなく、車両の
傾斜駆動を最適に行うことができる。

【０１０４】請求項３記載の本発明によれば、加速度セ
ンサからの出力はフィルタによって約０．１Ｈｚ〜約
０．５Ｈｚの帯域の周波数成分が導出され、これによっ
て約０．０１〜０．１５Ｇの横方向加速度に対応する周
波数成分だけが取出され、台車の振動による約１０Ｈｚ
〜約２０Ｈｚの加速度ノイズ成分が除去され、高精度で
横方向加速度Ｘを検出することができる。このような横
方向加速度Ｘを用いて制御手段は付設カント角度αを演
算して求め、実走行時の付設カントに対する誤差を少な
くして、指令傾斜角度βを正確に求めることができる。

【０１０５】請求項４記載の本発明によれば、制御手段
からの指令傾斜角度βに応答して車高制御手段は電磁弁
を吸排気制御し、この電磁弁によって台車の左右両側に
設けられる空気ばねへの圧縮空気の供給および空気ばね
からの排気が制御されて、台車上の車体は曲線走行時に
おける超過遠心力が打消される方向に傾斜される。この
ように車体は空気ばねによって台車上で左右方向の傾斜
量が制御されるので、制御手段がオープンループ制御に
よって、実測値である横方向加速度Ｘ、走行速度ｖ、曲
率半径ｒに基づいて短いアクセス時間で演算して求めた
指令傾斜角度βによって時系列的に連続して前記車高制
御手段を制御して各空気ばねの伸縮量を変化させ、前述
の各従来の技術のように、ゲイン調整および遅れ補償に
よるフィードバック制御によって高い周期で敏感に制御
しても各空気ばねの動作が追従しないという、このよう
な無駄な制御を行わずに、本発明のオープンループ制御
によって、実走行時に受ける各検出値に基づいて指令傾
斜角度βを変化させて速く指令値を上げ、または下げた
方がよく、こうして無駄な演算を格段に少なくして、簡
単な構成で空気ばねの応答特性に適した傾斜制御を行う
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の全体の構成を簡略化し
て示すブロック図である。

【図２】車両１の曲線走行状態を示す簡略化した断面図
である。

【図３】曲率半径算出回路２２による曲率半径ｒの算出
手順を説明するためのブロック図である。

【図４】図４（ａ）は右曲線の線路１２の平面形状の１
例を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に対応
する曲率ρを示すグラフであり、図４（ｃ）は図４
（ａ）に対応する曲率微分ｄρ／ｄｔを示すグラフであ
る。

【図５】図５（ａ）は左曲線の線路１２の平面形状の１
例を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に対応
する曲率ρを示すグラフであり、図５（ｃ）は図５
（ａ）に対応する曲率微分ｄρ／ｄｔを示すグラフであ
る。

【図６】横軸に曲率ρ、縦軸に曲率微分ｄρ／ｄｔを取
って、これらの曲率ρおよび曲率微分ｄρ／ｄｔの関係
を示すグラフである。

【図７】曲線検出回路３５の動作を示すフローチャート
である。

【符号の説明】

１ 車両 ２ 台車 ３ 車体 ４，５ 車輪 ６ 台車枠 ７ 枕梁 ８，９ 空気ばね １０，１１ レール １２ 線路 １３ 車体傾斜制御装置 １７ 加速度センサ １８ 速度センサ １９ ヨーレートセンサ ２２ 曲率半径算出回路 ２３ 曲率半径検出手段 ２４ 制御手段 ２５ 傾斜駆動手段 ２６，２７ 車高検出手段 ２９ 車高制御手段 ３０，３１ フィルタ ３４ 床面 ３５ 曲線検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−310130（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−107172（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−198808（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−309234（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−175385（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−156277（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−26109（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B61F 5/22 B61F 5/10

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 台車の車軸に平行な横方向加速度Ｘを検
   出する加速度検出手段と、 車両の走行速度ｖを検出する速度検出手段と、 車体のヨーイング方向の角速度ωを検出する角速度検出
   手段と、 走行速度ｖおよび角速度ωに基づいて、走行路の曲率半
   径ｒを演算して求める曲率半径算出手段と、 横方向加速度Ｘ、走行速度ｖおよび曲率半径ｒに基づい
   て付設カント角度αを演算して求めるとともに、走行速
   度ｖおよび曲率半径ｒに基づいて水平面に対する車体の
   傾斜角度θを演算して求め、この傾斜角度θおよび前記
   付設カント角度αに基づいて、車体の超過遠心力を打消
   すために必要な台車に対する車体の指令傾斜角度βを演
   算して求める制御手段と、 制御手段からの指令傾斜角度βに応答して、車体を台車
   に対して傾斜させる傾斜駆動手段とを含み、 前記制御手段は、重力加速度をｇとするとき、付設カン
   ト角度αを、 【数１】 【数２】 によって求め、指令傾斜角度βを、 β ＝ θ−α によって求めることを特徴とする鉄道車両の車体傾斜制
   御装置。
2. 【請求項２】 加速度検出手段は、台車に設けられ、こ
   の台車の横方向の加速度成分を検出する加速度センサ
   と、加速度センサの出力に含まれるノイズを除去して前
   記横方向加速度Ｘを導出するフィルタとを含むことを特
   徴とする請求項１記載の鉄道車両の車体傾斜制御装置。
3. 【請求項３】 前記フィルタは、約０．１Ｈｚ〜約０．
   ５Ｈｚの加速度センサからの出力を導出し、台車の約１
   ０Ｈｚ〜約２０Ｈｚの振動加速度によるノイズを遮断す
   ることを特徴とする請求項２記載の鉄道車両の車体傾斜
   制御装置。
4. 【請求項４】 傾斜駆動手段は、台車の左右両側に設け
   られ、車体を昇降駆動する空気ばねと、 空気ばねに圧縮空気を供給しかつ空気ばね内の空気を排
   出する電磁弁と、 制御手段からの指令傾斜角度βに応答して、前記電磁弁
   を制御する車高制御手段とを含むことを特徴とする請求
   項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両の車体傾斜制御装
   置。