JP4406476B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、電気車の良好な乗り心地を維持しつつ粘着力の有効利用を図った再粘着制御を実現する電気車制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気車は車輪・レール間の接線力（粘着力ともいう）によって加減速を行っているが、この接線力は、一般にすべり速度に対して図４に破線で示すような特性を有している。この接線力を軸重（車軸１軸当たりのレールに加わる垂直荷重）で割ったものを接線力係数、接線力係数の最大値を粘着係数という。
図示の如く、接線力の最大値を超えないトルクを主電動機であるいはブレーキ時に主電動機トルクに併せて主電動機に機械的に結合された動軸（以下単に動軸と称する）の空気ブレーキ力とで発生している場合は、空転・滑走は発生せず、接線力の最大値より左側の微小なすべり速度の粘着領域で電気車は走行する。
もし最大値より大きなトルクを発生するとすべり速度は増大し、接線力が低下するのでますますすべり速度が増大する空転・滑走状態になるが、車輪およびレールが乾燥状態では主電動機で発生するトルクあるいはブレーキ時には動軸の空気ブレーキ力と主電動機トルクの合算値は接線力の最大値を超えないように車両の性能が設定されるので、空転・滑走は発生しない。
しかし、実線で示すように、レール面が雨等によって湿潤状態にある場合は、粘着係数が低下して接線力の最大値が車両の設定性能に対応したトルクより小さくなる。
この場合、すべり速度が増大し空転・滑走状態になり、そのまま放置するとこれに対応して接線力が低下し、車両の加速・減速に必要な加減速力がますます低下してしまうので、迅速に空転・滑走を検出し、主電動機が発生するトルクあるいはブレーキ時には動軸の空気ブレーキ力と主電動機発生トルクとの合算値を低減して再粘着させることが必要になる。
このようにトルクの制御を行って再粘着させる場合、小さなすべり速度に抑制しつつ、主電動機の発生トルクあるいは動軸の空気ブレーキ力と主電動機発生トルクとの合算値を極力接線力の最大値近傍の値になるように制御することが、電気車の加減速性能を高める上で必要である。
【０００３】
このような再粘着制御の実現を目的とした方法として、主電動機の回転速度を検出し、この情報と主電動機発生トルクの演算値または計測値を入力情報として最小次元外乱オブザーバを用いて車輪・レール間の接線力係数を各制御周期毎に推定して、主電動機の発生トルクを制御する方式が最近提案されている (参考文献：外乱オブザーバを用いた電気車の接線力係数の推定方法−第２報−、電気学会半導体電力変換器研究会、平成10年１月30日)。
この制御方式と同様に、動軸に空気ブレーキ力が併せて付加されるブレーキ時についても最小次元外乱オブザーバを用いて車輪・レール間の接線力係数を推定して動軸のトルクを制御することが可能であり、この制御機能を有している電気車制御装置を搭載した電動車については、力行・ブレーキ時ともに良好な乗り心地を保ちつつ主電動機の発生トルクを極力接線力の最大値近傍に維持することができる。
一方、この電動車に隣接した付随車では、車軸端に付けた速度センサからの速度情報をもとにブレーキ時に滑走の発生を検出し、空気ブレーキ力を制御して滑走抑制制御をブレーキ制御装置で行って、滑走を発生させて車輪踏面にフラットが発生することを防止する措置が講じられている。
しかし実際には、空気ブレーキの応答が遅いことと、付随車のレール面上でみた車輪・車軸等の回転部分の慣性モーメントが付随車には電動車のようには主電動機や歯車が付いていないために小さいことから、図３に示すように、一旦滑走が発生すると急速に大きな滑走速度になり、この滑走している車輪を再粘着させるためには、大きく空気ブレーキ力を低下させることが必要であるのが現状である。このため、ブレーキ時に乗り心地が悪化し、接線力係数のピーク値近傍に対応した空気ブレーキ力を発生することができないために、減速性能が低下するケースが多い。最近空気ブレーキ力を高速制御してこの滑走速度を小さい範囲に抑制する制御が開発されつつあるが、乗り心地と粘着力の有効利用の観点からさらなる努力が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように湿潤状態によって粘着係数の低下が発生した場合、付随車では空気ブレーキの応答が遅いことと車輪・車軸等の回転部分の慣性モーメントが小さいことから、一旦滑走が発生すると急速に大きな滑走速度になり、滑走車輪を再粘着させるためには大きく空気ブレーキ力を低減しなければならない状況が発生し、乗り心地の悪化と粘着力の利用率の低下を招くきらいがある。
【０００５】
本発明の目的は、電動車の接線力係数の推定値をもとに、付随車で滑走を発生することなく粘着限界に近い空気ブレーキ力を発生させて、良好な乗り心地を保ちつつ粘着力の有効利用が可能な空気ブレーキ力制御を実現させる手段を具備した電気車制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
電動車の電気車制御装置において最小次元外乱オブザーバによって各制御周期毎に電動車の接線力係数を推定し、この推定接線力係数を付随車のブレーキ制御装置に出力し、付随車のブレーキ制御装置では、電動車より受信した推定接線力係数に対応したブレーキ力あるいはそれよりも若干下回る値を空気ブレーキ力の上限値として制御することで、一般に電動車に隣接した付随車の粘着係数は電動車の粘着係数に近い値をとることから、滑走を発生することなく、したがって良好な乗り心地を保ちつつ粘着力の有効利用を図った付随車空気ブレーキ力制御を実現することができる。
【０００７】
［発明の実施の形態］以下、本発明の電気車制御装置について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。図１は参考例を示すブロック図、図２は参考例による付随車での空気ブレーキ力制御状態の例を示す図、図５は本発明の実施例を示すブロック図である。
【０００８】
本発明の参考例の動作の詳細は、以下の通りである。図１において、図示しない速度センサによって検出した主電動機回転速度ω、やはり図示しない検出器によって検出した電圧Ｅ、電流ＩＭがトルク演算器１に入力され、主電動機の発生トルクＴrqmが演算される。この発生トルクＴrqmと上記の主電動機回転速度ω、同じく図示しない電動車ブレーキ制御装置からの空気ブレーキトルク指令値の主電動機軸への換算値Ｔair、さらに同じく図示しない応荷重装置からの電動車の応荷重信号ΔＷｍが最小次元外乱オブザーバ２に入力され、さらに電動車の応荷重信号ΔＷｍは主電動機トルク指令値発生器３に入力される。また主電動機トルク指令値発生器３には図示しない電動車ブレーキ制御装置からの空気ブレーキトルク指令値の主電動機軸への換算値Ｔairも入力される。そして、最小次元外乱オブザーバ２において、主電動機回転速度ωを用いて、（１）式、（２）式によってブレーキ時の接線力係数の推定値μest(Vs)を演算し、この推定値μest(Vs)を主電動機トルク指令値発生器３に入力する。主電動機トルク指令値発生器３では、このμest(Vs)と電動車ブレーキ制御装置からの空気ブレーキトルク指令値の主電動機軸への換算値Ｔairをもとに、図示しない主電動機電流制御器に対して主電動機トルク指令値Ｔrqceを出力する。
Ｆｅ１＝（Ｔrqm＋Ｔair＋Ｊm・ｓ・ω)・ａ／(s+a)・・・(1)
μest(Vs)＝Ｆｅ１・Ｒg／（(Ｗｍ＋ΔＷｍ）・ｇ・ｒ）・・・・・・(2)
ここに、
Ｆｅ１：接線力の推定値
s ：ラプラス演算子
ａ ：外乱オブザーバの極（時定数の逆数）
Ｔrqm ：主電動機の発生トルク（ブレーキトルク）の演算値
Ｔair ：空気ブレーキトルク指令値の主電動機軸への換算値
Ｊm ：主電動機軸まわりの慣性モーメント
ω ：主電動機回転速度
μest(Vs) ：ブレーキ時の接線力係数の推定値
Ｒg ：駆動装置の歯車比
Ｗｍ ：電動車の軸重（車軸１軸当たりのレールに加わる垂直荷重）のノミナル値
ΔＷｍ：電動車の応荷重信号（軸重のノミナル値からの増加分）
ｒ ：車輪半径
ｇ ：重力加速度
Vs ：すべり速度
またこのブレーキ時の接線力の推定値μest(Vs) は、付随車ブレーキ制御装置４に対して出力され、付随車ブレーキ制御装置４にはさらに付随車の応荷重信号ΔＷｔが入力される。
【０００９】
付随車ブレーキ制御装置４ではこのブレーキ時の接線力係数の推定値μest(Vs)と付随車の応荷重信号ΔＷｔをもとに、下記によって付随車で発生すべき空気ブレーキ力Ｆairを演算し、このブレーキ力を発生するように制御を行う。図２に付随車ブレーキ制御装置４での付随車の空気ブレーキトルクの制御状態の例を示す。電気車制御装置の主電動機トルク指令値発生器３では、外乱オブザーバによって推定したブレーキ時の接線力係数の推定値μest(Vs)を用いて、応答の遅い空気ブレーキトルクをゆっくり変化させつつ応答速度の速い主電動機トルクを高速で制御することによって、主電動機トルクと空気ブレーキトルクの合算値を、その時のブレーキの接線力係数のピーク値近傍に維持することが可能なので、ブレーキ時の接線力係数の推定値μest(Vs)はほぼ常時ブレーキ時の接線力係数のピーク値に近い値、すなわち粘着係数に近い値を示していると考えられる。一方、付随車の各軸の粘着係数は、電動車の粘着係数とほぼ同じ値を示すことが経験的に知られている。そこで付随車ブレーキ制御装置４で、外乱オブザーバから出力された電動車のブレーキ時の接線力係数の推定値μest(Vs)より僅かに（すべりが生じない程度に）下回る接線力係数μtを用いて、(3)式によってレール面上での付随車の空気ブレーキ力Ｆairを求める。
Ｆair ＝ μt ・（Ｗｔ＋ΔＷｔ）・ｇ ・・・・・・・・・(3)
ここに、
Ｗｔ ：付随車の軸重のノミナル値
ΔＷｔ：付随車の応荷重信号（付随車の軸重のノミナル値からの増加分）
μt ：電動車のブレーキ時の接線力係数の推定値μest(Vs) より僅かに下回る接線力係数
Ｆair ：レール面上での付随車の空気ブレーキ力
このようにして求められた空気ブレーキ力Ｆairを指令すると、図２に示すように、付随車の各軸は滑走を発生することがないので、図３に示す従来の滑走が発生した場合の再粘着制御状態と対比して、空気ブレーキ力の大きな変動がないことから良好な乗り心地を保つことができることと、車輪踏面への傷やフラットの発生が防止できることが分かる。しかも、電動車のブレーキ時の接線力係数μest(Vs)はほぼその時の粘着係数に近い値であるので、これより僅かに下回る接線力係数μtを用いて求めた付随車の空気ブレーキ力は、付随車の粘着係数に対応したブレーキ力に近い値となり、粘着力の有効利用も図れることになる。付随車のブレーキ制御装置４に応荷重信号ΔＷｔに基づいた空気ブレーキ指令の演算機能がない場合には、本発明の実施例を示す図である図５のように電動車の応荷重信号ΔＷｍによりこれを代用し、電動車ブレーキ制御装置において付随車のブレーキ力を同時に演算し、これを付随車のブレーキ制御装置に直接出力することにより粘着係数にほぼ見合ったブレーキ力を得ることができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、付随車に隣接する電動車の電気車制御装置で最小次元外乱オブザーバによって推定したブレーキ時の接線力係数を用いてブレーキ力の制御を行うので、常時電動車の粘着係数に近い接線力係数を結果的に推定することになり、この推定接線力係数よりわずかに下回る接線力係数を用いて付随車の空気ブレーキ力を発生するので、付随車では滑走を発生することなく、したがって良好な乗り心地を保ち、また、車輪踏面にフラットを発生することなく、かつ粘着力の有効利用が可能となるブレーキ制御が実現できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例を示すブロック図である。
【図２】本発明の参考例による付随車での空気ブレーキ力制御状態図である。
【図３】付随車で空気ブレーキを作用させた時に滑走が発生した場合の従来の空気ブレーキ力の制御状態図である。
【図４】接線力係数あるいは接線力のすべり速度に対する一般的な特性図である。
【図５】本発明の実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ トルク演算器
２ 最小次元外乱オブザーバ
３ 主電動機トルク指令値発生器
４ 付随車ブレーキ制御装置
４’ 応荷重制御機能を有しない付随車用ブレーキ制御装置
５ 電気車制御装置に搭載される付随車ブレーキ指令発生器
ω 主電動機回転速度
μest(Vs) ブレーキ時の接線力係数の推定値
Ｔrqm 主電動機の発生トルク（ブレーキトルク）の演算値
Ｔrqce 主電動機トルク指令値
Ｔair 空気ブレーキトルク指令値の主電動機軸への換算値
Ｆair 付随車で発生すべき空気ブレーキ力
Ｆｅ１ 最小次元外乱オブザーバによって推定した接線力の推定値
Ｅ 主電動機電圧
ＩＭ 主電動機電流
ΔＷｍ 電動車の応荷重信号（軸重のノミナル値からの増加分）
ΔＷt 付随車の応荷重信号（軸重のノミナル値からの増加分）

Claims (1)

1. 主電動機の発生トルクの演算値と、主電動機に機械的に結合された動軸の空気ブレーキ力指令値と、速度センサによって検出した電気車の主電動機軸の回転速度を入力情報として最小次元外乱オブザーバを用いて推定した電気車の接線力および推定接線力係数を用いて主電動機のトルク指令値を制御する電気車制御装置において、前記推定接線力係数に対応した付随車ブレーキ力を上限値としたブレーキ力指令を当該電気車制御装置を搭載した電動車に隣接した付随車のブレーキ制御装置に出力する手段を有することを特徴とする電気車制御装置。

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