JP4254325B2 - 鉄道車輌及びそれに用いる振動抑制制御装置と振動抑制制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車輌及びそれに用いる振動抑制制御装置とその制御方法に関し、詳しくは、振動抑制制御装置を構成する振動計測手段の共振周波数を規定した鉄道車輌に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鉄道車輌において、乗客の乗り心地の改善を図るために種々の振動抑制対策が施されている。図４はその基本的な振動抑制制御装置を模式的に示した図である。
【０００３】
図４において、鉄道車輌は台車１と車体２より構成され、振動抑制制御装置を構成するアクチュエータ３は、台車１と車体２間に介在されその駆動源等は車体２に搭載されている。４は車体２の振動を計測する振動加速度計、５は制御器であり振動加速度計４からの計測信号を受信し、予め設定されている条件に従って信号処理し、サーボ弁６に作動信号を与え、アクチュエータ３のロッドの出退を制御したり、車輌外との通信をも行う。７は空気源であり、空気圧で作動するアクチュエータ３の駆動源となっている。
【０００４】
このような構成で、車輌の走行中に振動加速度計４が車体２の振動を連続的に捉え、制御器５は測定された連続振動をサンプリング周期毎にサンプリングし、サンプリングされた値によって制御器５からサーボ弁６を介してアクチュエータ３を作動させる。制御器５からの信号でサーボ弁６が作動し、紙面で車体２が右側への揺れを検知した場合には、アクチュエータ３は、これを相殺する方向にすなわち台車１に対して車体２を左側方向に移動させるよう作動する。このような制御は、サンプリング周期が例えば100 Hzというような値であるため、乗客が揺れを感じる前に、車体２の揺れが抑制されていることになる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２１３１９５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来からの鉄道車輌のアクティブ制御においては、複数台の車輌に搭載していた振動抑制制御装置のうち、車輌ごとに制御装置の働きにばらつきがあったり、制御装置が作動をしているものの作動源である空気の使用量が増大したりする問題がある。
【０００７】
本発明は、上記したような問題を解決せんとしてなされたものであり、振動抑制制御装置において高度な制御系を採用するのではなく、制御系におけるノイズの排除を狙ったもので、振動加速度計を含めた振動計測手段の共振周波数が適正になるように施された鉄道車輌及びそれに用いる振動抑制制御装置と振動抑制制御方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る鉄道車輌の振動抑制制御装置は、振動計測手段の共振周波数を、そのサンプリング周波数との関係で発生するエイリアシングノイズのノイズ源とならないように変えるか、又は、エイリアシングノイズが発生したとしても振動抑制制御に悪影響の出ない周波数領域になるようにしている。そして、このようにすることで、発生している共振周波数が振動抑制制御系に何の悪影響も与えず、振動抑制制御を十分に行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明について詳細に述べる。
一般的な複数の車輌に振動抑制制御装置を搭載している一編成の列車では、特定の車輌で振動抑制制御装置の働きが他の車輌のものよりも劣っているものがあることが判明した。また、それら特定の車輌では、図４における空気源の空気使用量が多いことも判明した。
【００１０】
この原因について、種々検討したところ、振動計測手段（以下、振動加速度計を一例として説明する。）に振動抑制制御装置のサンプリング周波数の１／２以下の周波数成分をもつ強力な振動加速度値が含まれていることが判明した。元々振動抑制制御装置には外部ノイズを減衰させる目的でアンチエイリアシングフィルターを組込んではいるものの、外部からの強力な振動加速度値を防止することができなかった。これは、振動抑制制御装置における制御周波数帯域にエイリアシングノイズが生成されたためと考えられ、このノイズに応じて無駄な制御作動を起こしてしまい、アクチュエータの空気消費量が多くなったと考えられる。
【００１１】
ここで、エイリアシングノイズの発生仕組みを、図１により簡単に説明する。図１（ａ）〜（ｄ）において、横軸は振動数（周波数）、縦軸は振動加速度計による振動加速度値を示している。
（ａ）は、サンプリング周波数を考慮しないで表した振動加速度計の計測値の図であり、図中範囲Ａは、制御周波数帯域を表している。この時、紙面右側の周波数の高い所に振動加速度計の共振振動が表れている。この共振振動は制御周波数帯域Ａより遙かに隔たっているため、制御周波数にとってなんの問題もない。
（ｂ）は、ノイズを減衰させるためにアンチエイリアシングフィルターを設けたことにより、前記共振振動の近傍部分Ｂの振動加速度値が低下した状態を示している。一般に、アンチエイリアシングフィルターを設けた場合は、振動数の高い範囲の低減率は大きいが、特別に低減率の高いフィルターを使用すると、制御周波数帯域Ａに悪影響を与えることになる。制御周波数帯域Ａに悪影響を与えず、ノイズだけを大幅に低減させるフィルターは現在開発されていない。
（ｃ）は、（ｂ）の振動加速度値をＹHzの周波数でサンプリングすることにより、その半分のＹ／2 Hzの位置で折り返えされ、あたかもその周波数に共振による周波数があるかのように偽の共振周波数が現れるサンプリング理論の状態を示す図である。
（ｄ）は、その結果、共振振動が制御周波数帯域Ａに達し、これがノイズとなり、いわゆるエイリアシングノイズが発生していることを示したものである。
【００１２】
エイリアシングノイズが原因で振動抑制制御装置に悪影響を与えているとすれば、エイリアシングノイズを発生させている共振周波数を制御周波数帯域に生成させない構成とすればよい。そこで、振動抑制制御装置の性能が劣っている車輛において、振動加速度の検出軸方向の共振周波数をエイリアシングノイズを発生させないように変更させるために、その手段として、例えば振動加速度計のケースに錘り（４kg）を取付けて、共振周波数、車輌あたり２つ設けられたアクチュエータでの空気消費量及び乗り心地レベルの各々を調べた。表１にその結果を示す。なお、乗り心地レベルは鉄道車輛における乗り心地の指数であり、振動抑制制御の性能と対応する。
【００１３】
【表１】

【００１４】
表１から錘りにより共振周波数の低下効果が大きいこと、および同じ乗り心地レベルを保った状態で空気消費量が大幅に低減することが判明した。
なお、エイリアシングノイズ対策として、サンプリング周期を短くする（周波数を上げる）方法では、高価な演算ユニットを購入し、しかも一層複雑なソフト開発等が必要となり、また、アンチエイリアシングフィルターを調整する方法では制御周波数帯域とのトレードオフが発生する。従って、共振周波数の変更（低下）が最も効率的であることが判明した。
【００１５】
そこで、本発明における鉄道車輌及びそれに用いる振動抑制制御装置は、エイリアシングノイズを発生させている振動計測手段の共振周波数を制御周波数帯域に生成させない構成となるように、一例として、車体の振動を計測する例えば振動加速度計と、この振動加速度計による計測値により振動抑制するよう作動するアクチュエータとを少なくとも有し、前記振動加速度計により計測された振動加速度の計測値をサンプリングするサンプリング周波数をＹHz、および、前記車体を前記アクチュエータにより振動抑制制御する制御周波数帯域をａ〜ｂHzとした場合に、前記振動加速度計の共振周波数ＸHzが、下記算出式から求められる周波数範囲を除外するように、車体に前記振動加速度計を設置する。
Ｘ＝（ｍＹ＋ａ）〜（ｍＹ＋ｂ） ・・・・（１）式
Ｘ＝（ｎＹ−ｂ）〜（ｎＹ−ａ） ・・・・（２）式
ただし、０≦ａ＜ｂ＜Ｙ
ｍ：０、１、２、３、・・・
ｎ：１、２、３、４、・・・
ここで、前記共振周波数ＸHzが、前記振動加速度計の検出軸方向での値を示す場合、より効果的にエイリアシングノイズによるノイズを制御周波数帯域から除くことができるので好ましい。
【００１６】
また、前記振動加速度計の共振周波数ＸHzが、前記（１）、（２）式から求められる周波数範囲を除外するためには、振動加速度計自身に錘りを付けるなど、構造や枠体を調節する方法が容易で望ましく、この場合、振動抑制制御する制御周波数帯域ａ〜ｂHzより大きく、且つ前記振動加速度計により計測された計測値からサンプリングするサンプリング周波数ＹHzの７５％以下に調節するのが望ましい。
これは、制御周波数帯域ａ〜ｂHzが比較的低周波数帯域で使用され、一方サンプリング周波数ＹHzが前記制御周波数帯域ａ〜ｂHzよりもはるかに高い周波数域あることと、エイリアシングノイズの発生メカニズムおよび過去の経験や実験結果などに基づいている。
なお、振動抑制のためには、振動抑制制御装置のアクチュエータを、台車に対して車体を移動させる位置に設けるのが好ましいことは言うまでもない。
【００１７】
そして、鉄道車輌の車体の振動を計測するサンプリング周波数をＹHz、前記車体をアクチュエータにより振動抑制する振動抑制制御装置の制御周波数帯域をａ〜ｂHzとした場合に、前記振動を計測する振動計測手段の持つ共振周波数ＸHzが、前記（１）式、（２）式から求められる周波数範囲を除外するステップと、
前記振動計測手段によって鉄道車輌の車体の振動を計測するステップと、
前記計測された車体の振動の値に応じて該振動を打ち消すように鉄道車輌の台車に対して前記車体をアクチュエータによって移動させるステップとは、
車体に取付け該車体の振動を計測する振動加速度計と、前記振動加速度計の出力に応じて能動的に前記車体の振動を抑制するための信号を出力する制御器と、空気源と、前記制御器の信号に応じて前記空気源からの空気流量を制御するサーボ弁と、前記サーボ弁によって制御された空気流量で前記車体の振動抑制をするよう作動するアクチュエータとを備えた装置により実施される。
【００１８】
次いで、上記（１）式、（２）式について、図２を基にして説明する。
図２において、サンプリング周波数をＹHz、振動抑制する振動抑制制御装置の制御周波数帯域をａ〜ｂHzとし、横軸にこれらの周波数を表し、（ ）内は、周波数の値を導き出すための仮想の式を示している。サンプリング周波数はＹHzであることから、サンプリング理論における折り返し位置はＹ／２と０Hzの位置である。従って、Ｙ／２、Ｙ、３Ｙ／２、２Ｙ、・・・・の位置で折り返される（エイリアシングされる）ことになる。なお、Ｙ／２、Ｙ、３Ｙ／２、２Ｙを中心にして左右の‖、○記号は等距離を表す。
【００１９】
この図２で、横軸上の太い実線Ｚ部分が、制御周波数帯域とその制御周波数帯域に基づく振動加速度計を含む振動計測手段が規制されるべき共振周波数領域であり、この部分へのノイズの発生が許されない部分である。
すなわち、図２ではノイズの発生が許されない部分は、
（ａ）〜 （ｂ）、
（Ｙ−ｂ）〜 （Ｙ−ａ）、
（Ｙ＋ａ）〜 （Ｙ＋ｂ）、
（２Ｙ−ｂ）〜（２Ｙ−ａ）、
（２Ｙ＋ａ）〜（２Ｙ＋ｂ）、
（３Ｙ−ｂ）〜（３Ｙ−ａ）、
・
・
・
（ｍＹ＋ａ）〜（ｍＹ＋ｂ） ・・・（１）式
（ｎＹ−ｂ）〜（ｎＹ−ａ） ・・・（２）式
ただし、０≦ａ＜ｂ＜Ｙ
ｍ：０、１、２、３、・・・・
ｎ：１、２、３、４、・・・・
となる。
ちなみに、例えば、ａ＝０、ｍ＝ｎ＝１とすると、サンプリング周波数前後で制限される周波数は連続し、（Ｙ−ｂ）〜（Ｙ＋ｂ）Hzが振動加速度計の除外される共振周波数となる。
【００２０】
以下、本発明に係る振動抑制制御装置を備えた鉄道車輌を具体例に基づいて説明する。
図３は、本発明の動抑制制御装置を模式的に例示している図である。
図３において、台車１と車体２より構成さる鉄道車輌の車体２に、本発明の振動抑制制御装置を搭載している。
４は車体２の振動を計測する振動加速度計であり、この図３では、特に、車体２の幅方向（紙面で左右方向）の振動を計測（検出軸方向）するように車体２に固定されている。
【００２１】
この振動加速度計４には共振周波数ＸHzがあり、この共振周波数ＸHzと後述の制御器５のサンプリング周波数ＹHzとの関係から計測される計測信号にノイズが付加されることがある。従って、共振周波数ＸHzの値を好適な低い周波数とするために、振動加速度計４のケースに錘り４１を取付けている。ここで、錘り４１を用いず、そのかわりに振動加速度計４のケースを厚く重い部材にしてもよい。このように振動加速度計４には特別な機器を取付けず、錘り４１等で振動加速度計４自身の共振周波数ＸHzを低下させている。このようにすることにより、前記振動加速度計４の共振周波数ＸHzは、振動加速度計４の計測値をサンプリングする制御器５のサンプリング周波数をＹHz、および振動抑制制御する制御周波数帯域をａ〜ｂHzとした時、前記（１）式、（２）式の範囲を除外するように調整されている。
【００２２】
前記振動加速度計４からの計測信号は制御器５で受信される。制御器５は予め設定されているサンプリング周波数ＹHzでサンプリングし制御周波数帯域で制御信号を出力している。制御器５は、サーボ弁６に対しサンプリングした計測値に応じて、車体の振動を打ち消すように作動信号を与えている。
【００２３】
サーボ弁６は、アクチュエータ３と該アクチュエータ３に空気を供給する空気源７の間に介在され、空気源７からアクチュエータ３への単位時間当たりの空気流量を調整する。
【００２４】
アクチュエータ３は、復動式シリンダーによって構成され、取付け部材９を介し、台車１の上部と車体２の床下との間に、台車１に対して車体２を移動させる位置に取付けられている。そして、アクチュエータ３はサーボ弁６を介して送られてくる空気の圧力で検出された振動の大きさに比例して作動し、その振動を打ち消すように作動する。なお、８は空気流通管である。
【００２５】
ここで１編成中のＡ、Ｂ、Ｃの３車輌に各２箇所ずつ設置している振動抑制制御装置において、サンプリング周波数を 100Hzとして、また、制御周波数帯域を０〜10Hzとし、振動抑制制御を行う例に基づいて以下にさらに詳述する。
この鉄道車輌を数日実走行させて１車輌あたり２箇所に設けられたアクチュエータでの空気消費量及び乗り心地レベルを調べ、同時に車輌に搭載したこの装置における振動加速度計の計測軸方向の共振周波数ＸHzをハンマリングして調べたところ、表２の対策前の欄に記載の通りであった。
【００２６】
【表２】

【００２７】
対策前の車輌ではこの表２に記載のように、Ａ号車、Ｂ号車のアクチュエータにおける空気消費量は、Ｃ号車のアクチュエータにおける空気消費量に比べ２倍以上で、無駄な制御が成されていた。同時にＡ号車の取付位置▲２▼、Ｂ号車の取付位置▲１▼の計測軸方向の共振周波数も高い。
一方、制御周波数帯域を０〜10Hzとし数式のａを０、ｂを10に、そしてサンプリング周波数を100Hz として数式のＹを100 にし、本発明の数式で検証した振動加速度計の計測軸方向の共振周波数ＸHzの不適合範囲を表３に例示している。
【００２８】
【表３】

【００２９】
この表３より求めた共振周波数ＸHzの不適合範囲と、前記表２の対策前の欄におけるハンマリングによる共振周波数ＸHzを比較すると、Ａ号車の取付位置▲２▼、Ｂ号車の取付位置▲１▼のハンマリングによる共振周波数ＸHzは、求められた共振周波数ＸHzの不適合範囲である表３のケース（ロ）に含まれていることが判る。
【００３０】
本発明に基づき、Ａ号車の取付位置▲２▼およびＢ号車の取付位置▲１▼の振動加速度計のケースに約４kgの錘りを取付け、その結果をハンマリングにより共振周波数ＸHzを確認したところ、表２の本発明に基づく対策後の欄に記載の通りとなり、この値は表３の不適合範囲から外れた。これにより、この鉄道車輌の実走行結果（空気消費量、乗り心地レベルの少なくともいずれか一方）が改善されている。
なお、Ａ号車の乗り心地レベルが大きいのは揺れの大きい最後尾車輌であること、Ｂ号車の空気消費量が多いのは、他の車輌にくらべて重い車輌であるためである。
【００３１】
この具体例では、振動加速度計の計測軸方向の共振周波数ＸHzを変更する方法として、振動加速度計のケースに錘りを取付ける方法を述べたが、この方法以外に、
▲１▼、振動加速度計のケースの材質を変更する方法、
▲２▼、振動加速度計のケースの取付け架台強度、ケース強度を変更する方法、
▲３▼、振動加速度計のケースの車体からの取付け距離を変更する方法等種々の方法でも良く、これらの方法も本発明の範囲に含まれる。
【００３２】
本発明による錘りを取付ける、ケース材質を軟らかいものにする、ケースを重いものにする、あるいはケース取付け部にダンパーを用いたり、取付け距離を長くするなどの各方法は、共振周波数を低下させる。つまりこれらの手段は、振動加速度計の共振周波数を低下させる手段の一例を示すものであり、これらによって、本具体例に示されているように、大幅に振動特性が改善される。
【００３３】
ところで、Ａ号車の取付位置▲２▼およびＢ号車の取付位置▲１▼以外の他の振動加速度計の共振周波数は、元々２０Hz〜６０Hzでありサンプリング周波数の２０〜６０％とエイリアシングノイズが発生しないか、発生したとしても問題のない領域にある。
【００３４】
Ａ号車の取付位置▲２▼の振動加速度計の共振周波数については、対策前が１００Hzであったが対策後は５６Hzとサンプリング周波数１００Hzに対して１００％から５６％に低下している。また、Ｂ号車の取付位置▲１▼の振動加速度計の共振周波数については、対策前が１１０Hzであったが対策後は７４Hzとサンプリングに対して１１０％から７４％に低下している。これらの事実及び発明者の経験により振動加速度計の共振周波数は、サンプリング周波数の７５％以下であれば、問題となるエイリアシングノイズの発生を避けられることが判った。勿論図１（ｄ）に模式的に示しているように、制御周波数帯域に本当の共振周波数が入ってしまうことは望ましくなく、通常は制御周波数帯域の方が振動加速度計の共振周波数よりも低いので、この振動加速度計の共振周波数は、制御周波数帯域よりも高いことが望ましい。
また、本発明では、サンプリング周波数Hzで表示したが、サンプリング周波数を時間に変えmsecで表示することができる。この場合はＷHzは10³/Ｗmsecに相当する。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鉄道車輛に設けた振動抑制制御装置を構成する振動加速度計の共振周波数を規定することにより、振動抑制制御装置の制御周波数帯域にノイズが混入するのを防げ、振動抑制の大幅向上とこれに伴うアクチュエータの誤作動の大幅防止も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エイリアシングノイズの発生仕組みを説明する図である。
【図２】サンプリング周波数ＹHzと振動制御する制御周波数帯域ａ〜ｂHzから、共振周波数ＸHzを除外のための一般式算出を説明する図である。
【図３】本発明の振動抑制制御装置を模式的に例示した図である。
【図４】従来における振動抑制制御装置を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１ 台車
２ 車体
３ アクチュエータ
４ 振動加速度計
４１ 錘り
５ 制御器
６ サーボ弁
７ 空気源
８ 空気流通管
９ 取付け部材

Claims (6)

1. 鉄道車輌の車体に取付け該車体の振動を計測する振動計測手段と、
   この振動計測手段による計測値により振動抑制するよう作動するアクチュエータとを少なくとも有し、
   前記振動計測手段により計測された振動の計測値をサンプリングするサンプリング周波数をＹHz、および、前記車体を前記アクチュエータにより振動抑制制御する制御周波数帯域をａ〜ｂHzとした場合に、前記振動計測手段の共振周波数ＸHzが下記算出式から求められる周波数範囲を除外するようにしたことを特徴とする鉄道車輌の振動抑制制御装置。
   ＸHz＝（ｍＹ＋ａ）〜（ｍＹ＋ｂ）
   ＸHz＝（ｎＹ−ｂ）〜（ｎＹ−ａ）
   ただし、０≦ａ＜ｂ＜Ｙ
   ｍ：０、１、２、３、・・・・
   ｎ：１、２、３、４、・・・・
2. 鉄道車輌の車体に取付け該車体の振動を計測する振動計測手段と、
   前記振動計測手段による計測値に応じて能動的に前記車体の振動を抑制するための信号を出力する制御器と、
   空気源と、
   前記制御器から出力される信号に応じて前記空気源からの空気流量を制御するサーボ弁と、
   前記サーボ弁によって制御された空気流量で前記車体の振動抑制をするよう作動するアクチュエータとを備え、
   前記振動計測手段により計測された振動の計測値をサンプリングするサンプリング周波数をＹ Hz 、および、前記車体を前記アクチュエータにより振動抑制制御する制御周波数帯域をａ〜ｂ Hz とした場合に、前記振動計測手段の共振周波数Ｘ Hz が下記算出式から求められる周波数範囲を除外するようにしたことを特徴とする鉄道車輌の振動抑制制御装置。
   Ｘ Hz ＝（ｍＹ＋ａ）〜（ｍＹ＋ｂ）
   Ｘ Hz ＝（ｎＹ−ｂ）〜（ｎＹ−ａ）
   ただし、０≦ａ＜ｂ＜Ｙ
   ｍ：０、１、２、３、・・・・
   ｎ：１、２、３、４、・・・・
3. 前記振動計測手段が、該振動計測手段自身の共振周波数低下手段を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車輌の振動抑制制御装置。
4. 前記振動計測手段の共振周波数を、振動制御する制御周波数帯域より大きく、且つ前記振動計測手段により計測された振動計測値をサンプリングするサンプリング周波数の７５％以下にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄道車輌の振動抑制制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の振動抑制制御装置を備えたことを特徴とする鉄道車輌。
6. 鉄道車輌の車体の振動を計測するサンプリング周波数をＹHz、前記車体をアクチュエータにより振動抑制する振動抑制制御装置の制御周波数帯域をａ〜ｂHzとした場合に、前記振動を計測する振動計測手段の持つ共振周波数ＸHzが、下記算出式から求められる周波数範囲を除外するステップと、
   前記振動計測手段によって鉄道車輌の車体の振動を計測するステップと、
   前記計測された車体の振動の値に応じて該振動を打ち消すように鉄道車輌の台車に対して前記車体をアクチュエータによって移動させるステップとを含むことを特徴とする鉄道車輌の振動抑制制御方法。
   ＸHz＝（ｍＹ＋ａ）〜（ｍＹ＋ｂ）
   ＸHz＝（ｎＹ−ｂ）〜（ｎＹ−ａ）
   ただし、０≦ａ＜ｂ＜Ｙ
   ｍ：０、１、２、３、・・・・
   ｎ：１、２、３、４、・・・・

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