JP4594757B2 - 電気車の走行制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車の走行制御装置に関する。

電気車の力行・ブレーキを制御する主電動機を制御するインバータ装置やブレーキ制御装置においては、マスコンからのノッチ信号により、走行・ブレーキ指示を受け、インバータ装置では、主電動機を動かすトルク電流パターンを演算し、電流制御し、フィードバックしたモーター電流、実速度との比較により調整している。

ブレーキ制御装置では、ブレーキノッチからブレーキパターンを演算し、各ブレーキとの調整をとり実速度との比較により調整している。

それぞれ、個々の車両の応荷重によりトルク・ブレーキ力の調整を行う。

幹線伝送を持つ車両情報装置を経由する編成制御においては、編成全体での稼動している主電動機を制御するインバータ装置とブレーキ制御装置の台数、各車両から出力しているトルク・ブレーキ力のばらつきの調整も行っている。

実速度の変化による演算は行っているが、加速度の変化に対する演算は、行われていない。

なお、電気車を運転する時間帯に応じて、加速力、減速力を可変し、特に閑散時の乗り心地を向上させるように制御することは特許文献１に開示されているが、この特許文献１においても、加速度の変化に対する制御は行われていない。
特開平１０−２０１０１４号公報

昔の電気車と比較すると、インバータの電流制御する素子の動作速度からインバータ制御方式の進歩により、乗り心地という点においては格段に進化した。

しかし、相変わらず、乗客の立場からすると、走行途中で、直線であるにもかかわらず 立っている乗客が車内でよろけることが多い。

危険を避けるための緊急停車時ではなく、通常の走行中に同じタイミングで車内で立っているほとんどの乗客は体を傾けてよろけ、つり革や、手すりにつかまっている。

ラッシュ時で満員の場合や、荷物を持っていて物につかまれない場合には、非常に困る。

一般的に運転士の運転の仕方、運転の力量としてかたづけられやすいが、実際は、人がよろける原因となる走行状態を避ければ、車内で人がよろけることを避けられると考えられる。

本発明は、従来のこのような点に鑑みて為されたもので、運転士の運転の仕方、運転の力量に関係なく、通常走行中に車内で人がよろけず良い乗り心地を保つことを可能とした電気車の走行制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る電気車の走行制御装置は、
電気車が複数の車両で編成されている場合、
電気車の進行方向に対する前後方向および左右方向のうちの少なくとも前後方向の加速度を検知する加速度検知手段と、
この加速度検知手段の検知結果に基づいて、ブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対して、加速度の変化を抑制するための所定の信号を出力する走行指令手段とを各車両に備え、
各車両の走行指令手段は、幹線伝送により制御情報を互いに授受し、編成全体の加速度変化を一定範囲に保つように各車両のブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対して所定の信号を出力することを特徴とする。
また、本発明に係る電気車の走行制御装置は、
マスコン装置内に、
マスコンハンドルと、
電気車の進行方向に対する前後方向および左右方向のうちの少なくとも前後方向の加速度を検知する加速度検知手段と、
マスコンハンドルの操作により生成された信号および加速度検知手段からの信号が入力され、ブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対してノッチ信号を出力する走行指令手段と
を備え、
走行指令手段は、マスコンハンドルの操作により生成された信号が加速度を急変させる信号の場合でも、加速度変化を一定範囲に保つように、ブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対して出力するノッチ信号の変化に時素を持たせるように制御することを特徴とする。

本発明の電気車の走行制御装置によれば、加速度の変化を一定以下に保つ制御を行うことにより、運転士の運転の仕方、運転の力量に関係なく、通常走行中に車内で乗客がよろけることなく、良い乗り心地を保つことができる。

まず、本発明の実施形態の概要を説明する。

本発明の実施形態においては、電気車の走行する加速度の変化をできるだけ小さくすることとしている。

実際に電気車にて加速度計を設置し、加速度計の動作、実速度などの走行状態を見ながら試験走行を行う電気車に乗車したことがある。車内に固定したテーブルに加速度計、実速度、ノッチ信号などの信号の記録器を調整しながら試験走行を行った。

通常乗客が立つ通路に立ってリアルタイムに記録器の信号動作を見ていたところ、実速度は、高速になっても足がぐらつくことはないが、加速時や、減速時の加速度計の信号に変化があったときに同期して自分が足を踏ん張っていることに気づいた。

一定時間内の加速度変化が小さいときは、体重移動で足を踏ん張る程度であるが、一定時間内の加速度変化が大きいときは、よろけて足を踏み出してしまう。

定速度走行中は、車内の全ての人や物がその定速度で空間を移動している。定加速度の走行中は、車内の全ての人や物がその定加速度で空間を移動している。

しかし、ここで、加速度を急変させると車内の乗客は、慣性でこれまでの定加速度で動作しつづけるのに、電気車の客室の床は、車体と一緒に加速度を急変させるため、その上に立っている乗客は、客室の床についていけずによろけてしまう。一定加速度で加速、一定減速度で減速しているときによろけるのではなく、加減速度に変化があった場合によろけるのである。これは、物理的にも証明できる。

この試験走行においては、加速度計の信号の数値と動作を見ながら、実際に車内の床に立っているため、加速度変化とよろけ具合を 身をもって体験できた。

どれくらいの加速度変化で人がよろけるかについては、老若男女、バランス感覚の良さなどの個人差、どんな靴を履いていたか、どんな体制で立っていたか、床材の摩擦係数など、上限を数値で決めることは困難である。

しかし、実際によろけなくても、体は、車両の加速度変化に対応しようと力を働かせていることは明らかである。ここでは、弱者の味方となり、老人であっても、ハイヒールを履いていても、両手に荷物を持っていてつり革などに掴まれない体制であってもよろけて足を踏み出さない加速度変化に設定すべきであると考える。

また、この実施形態では電車の進行方向のプラスマイナスの加速度を加速度検知器により検知し、加減速制御に生かすものであるが、在来線の場合、都市の過密、地形により線路が小さいＲで曲がっていることが多い。

このように進行方向の加速度だけでなく、遠心力による乗客にとっては進行方向の横方向の加速度変化を抑制しないと、相変わらず立っている乗客は車内でよろける。遠心力による横方向の加速度変化を抑制しなければならない。本当は、線路のＲ（Ｒ：曲率半径）を大きくとれれば解決するのであるが都市事情からやむを得ない。

直線を走行していた電車が小さいＲを曲がるとき、一定時間単位に方向が急激に変わるため、円の外向きで乗客にとっては進行方向の横方向の加速度変化が発生する。この横方向の加速度変化を小さくするには、小さいＲに見合った低い速度で走行するしかない。走行中にこのポイントに差し掛かって急に減速すると、マイナスの加速度制限にひっかかるだけであるので、あらかじめ、ポイントが来る前に運転士に減速指示を出す必要がある。

したがって、別の実施形態では、曲線箇所にさしかかる前に小さいＲの場所を運転台の画面に示し、運転士に減速を促す。そして、ここでも大きな減速度変化がおきないようできるだけ低減速度で走行する。

さらに別の実施形態では、車両が走行する地点から小さいＲの地点の距離を演算し、運転士が減速しなくても減速させるように走行制御する。

制御は、１両毎とする。加速度検知器は１両の車両の中に、進行方向の前後方向の加速度を検知するように設置したものと、加速度検知器と進行方向に対して左右（横）方向の加速度を検知するように設置したものが必要である。特に横方向に対しては、同一編成内でも号車ごとに時間差が大きいため、各車に必要である。

以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施形態に係る電気車の走行制御装置について説明する。

この第１の実施形態は、電気車に加速度検知器を実装した走行指令装置を取り付け、時間に対する加速度変化の増減の制限値を持ち、加速度変化が増加の上限を超えた場合には主電動機を制御するインバータ装置に対して加速度の変化を抑制するよう加速度制限信号を与え、加速度変化が減少の下限を下回った場合にはブレーキ制御装置と主電動機を制御するインバータ装置に対して加速度の変化を抑制するよう加速度制限信号を与えることにより、電気車の走行する加速度変化を一定範囲に保ち、立っている乗客が進行方向に姿勢をくずしにくい乗り心地を保つ制御を行うこととしたものである。

図１は、本発明の第１の実施形態の概略構成を示すもので、マスコン１を操作することにより力行・ブレーキのノッチ信号がブレーキ制御装置２や、主電動機４を電流制御するＶＶＶＦインバータ装置３に渡り、ノッチ信号による力行・ブレーキの制御を行う。これに加速度検知器付走行指令装置５を取り付ける。

加速度検知器付走行指令装置５の内部構成機能概略を図２に示す。

図２において、加速度検知器２１、２２は、それぞれ取り付け方向によって１方向のみを検出できる。前後の場合は＋−（プラスマイナス）の値となる。

進行方向に対して前後方向の加速度を検知する加速度検知器２１と、進行方向に対して左右方向の加速度を検知する加速度検知器２２とをそれぞれセンサー方向が正しく検知するように取り付けてある。

これらの加速度検知器２１、２２の加速度の値を入力信号変換部２３で常時入力変換し、演算部２４に取り込む。また、非常ブレーキ信号入力も入力し、演算部２４に取り込む。

演算部２４においては、加速度検知器２１、２２からの加速度値の±（プラスマイナス）により加速度の方向を判断する。そして、極短い時間単位の加速度変化値を演算する。

この演算動作を図３のグラフを用いてさらに説明する。

走行速度がＶ１からＶ２に上がる加速する場合、点線で示すような定加速度で走行すると、加速度αは一定であるので加速度変化Δαは０（ゼロ）である。ここで加速度変化Δαは加減速を関係なくするため絶対値とする。

同様に走行速度がＶ１からＶ２に上がる加速する場合、実線で示すような加速度変化のある走行をすると、加速度αはＶ−ｔグラフの傾きが大きいところが高いのでα―ｔグラフのようになる。

加速度変化Δα（絶対値）―ｔグラフでは、加速度の変化量の絶対値が示される。ここで、個人差やいろいろな条件により差はあるものの一般的に立っている乗客がよろめくレベルの限界に値する加速度変化値をＫと定める。

加速度変化Δα（絶対値）がＫ未満である場合は、一般的に立っている乗客が踏ん張っていられる程度である。加速度変化Δα（絶対値）がＫ以上になった場合は、一般的に立っている乗客がよろめいて足を踏み出さないと耐えられないレベルである。

進行方向に対して前後方向の加速度の変化の場合には、演算部２４で加速度変化Δα（絶対値）を算出し、Ｋのレベルになるのを防ぐため、加速度制限信号を加速度αが＋（プラス）の場合はＶＶＶＦインバータ装置３へ、−（マイナス）の加速度の場合はブレーキ制御装置２とＶＶＶＦインバータ装置３へ、出力信号変換部２５から出力する。

ここでの制御遅れは最小限にしたい。

加速度制限信号を入力すると＋（プラス）の場合は＋（プラス）になる加速要素に時素をもたせ加速度が急変することを押さえる制御を行う。−（マイナス）の場合は減速要素に時素をもたせ加速度が急変することを押さえる制御を行う。

進行方向に対して横方向の加速度変化がＫを超える場合には、速度制限信号を出力して、加速度変化がＫを超える状態が継続する間は、横方向の加速度変化を下げるために速度制限信号を出す。

以上説明したように、この実施形態によれば、加速度の変化を一定以下に保つ制御を行うことにより、運転士の運転の仕方、運転の力量に関係なく、通常走行中に車内で乗客がよろけることなく、良い乗り心地を保つことができる。

（第２の実施形態）
次に、図２および図４を参照して、本発明の第２の実施形態に係る電気車の走行制御装置について説明する。

この第２の実施形態は、上述の第１の実施形態の電気車の走行制御装置の加速度検知器を実装した走行指令装置の機能を車両情報制御装置内に入れることにより、車両情報制御装置の幹線伝送にて編成全体の主電動機を制御するインバータ装置とブレーキ制御装置の動作状態を考慮し、編成全体で走行する加速度変化を一定範囲に保つことにより、立っている乗客が進行方向に姿勢をくずしにくい乗り心地を保つ制御を行う制御を行うこととしたものである。

この第２の実施形態の場合にも加速度検知器付走行指令装置の構成は図２の通りである。

図４は、車両編成全体の本実施形態に関係する機器のみのつながりを記載した編成例である。図のスペースの都合で６両編成の例を記載したが、編成長にこだわるものではない。同図において、４０は運転台表示器、４１はマスコン、４２は幹線伝送、４３は車両情報制御装置、４４はブレーキ制御装置、４５はＶＶＶＦインバータ装置、４６は加速度検知器付走行指令装置、４７は支線伝送である。

図４に示すように、全ての号車に加速度検知器付走行指令装置４６を搭載し、車両情報制御装置４３と支線伝送４７にて接続する。

これにより、各加速度検知器付走行指令装置４６間で互いに制御情報の授受を行い、編成全体で加速度変化を一定以下に保つ制御を行う。

号車の車種によっては、ブレーキ制御装置４４のみの号車、ブレーキ制御装置４４とＶＶＶＦインバータ装置４５の両方が搭載されている号車があるため、力行制御においては、号車をまたいだ制御が必要となる。

横方向の加速度変化は、路線が小さいＲでカーブしているところを高速で通過すると発生する。全号車同一経路を走行するため、先頭車で検知した時点で、編成で減速制御することで横方向の加速度変化を和らげることができる。

（第３の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施形態に係る電気車の走行制御装置について説明する。

この第３の実施形態は、上述の第１の実施形態の電気車の走行制御装置の加速度検知器を実装した走行指令装置の機能をマスコン内に入れることにより、運転士がマスコンを急激に動作させることにより加速度が急変するような動作をしてもマスコン内に入れた加速度検知器を実装した走行指令機能により、車両の走行する加速度変化を一定範囲に保てるようにノッチ信号の変化に時素を持たせることにより、主電動機を制御するインバータ装置やブレーキ制御装置側で加速度変化に対する制御をしなくても、車両の走行する加速度変化を一定範囲に保ち、立っている乗客が進行方向に姿勢をくずしにくい乗り心地を保つ制御を行うこととしたものである。

図５は、本実施形態におけるマスコン装置の構成およびその動作を説明するための図である。同図において、５１はマスコンハンドル、５２は制御部、５３、５４はそれぞれ進行方向の前後方向用および左右方向用の加速度検知器である。

特に進行方向の加速度変化に対しては、もともとのマスコンからの加速指示、減速指示が急激であるがために発生するところが大きい。

図５のマスコンの場合、実際のマスコンハンドル５１をニュートラル（Ｎ：ゆるめ）位置から力行５ノッチ（Ｐ５）に動かした場合を時間軸を横に実線で示した。

この場合、ニュートラル（Ｎ：ゆるめ）位置から力行２ノッチ（Ｐ２）まではゆるやかに動かされており、加速度変化はおきない。この場合は、制御部５２は、マスコンハンドル５１から入力された通りにノッチ指令を出力する。

しかし、力行２ノッチ（Ｐ２）から力行６ノッチ（Ｐ５）までは急激に動かされており、加速度変化がおきる。加速度変化の絶対値がＫを超えないようにノッチ指令を出力するのを実際より遅れて出す機能を持つ。これにより、運転士が急激にハンドルを動かしても、実際の指令はゆるやかに切り換わり、加速度変化がＫを超えないように制御できる。

この場合は、ノッチ信号を受ける側の機器は、加速度変化を意識せずに受けたノッチ通りの制御を行えばよいことになる。

（第４の実施形態）
次に、図６および図７を参照して、本発明の第４の実施形態に係る電気車の走行制御装置について説明する。

上述の第１〜第３の実施形態では、電気車の進行方向に対する少なくとも前後方向のプラスマイナスの加速度を加速度検知器により検知し、加速度変化を一定範囲以下にするような制御を行っているが、電気車の横方向の加速度変化により乗客の姿勢くずれも抑える必要がある。路線の曲率半径が小さい場合にそのポイントを走行した際、横方向の加速度変化になる。ここで発生する横方向の加減速度変化を一定以下にするためには一定以下の速度で曲率半径が小さいポイントを通過するしかない。

そこで、この第４の実施形態は、走行位置、走行速度を把握するとともに、曲線箇所の地点を把握しており、曲線箇所にさしかかる前に曲率半径の小さい場所を運転台の画面に表示し、運転士に曲率半径の小さいポイントとそのポイントに入る速度を指示し、減速を促す機能を持つこととしたものである。

進行方向に向かって左右横向きの加速度変化は、電気車がカーブしている路線を走行する際に遠心力により発生する。この位置は路線図からわかっている。

カーブのＲ（Ｒ：曲率半径）、周囲の駅までの距離などから、安全で横向きの加速度変化が一定値（Ｋ）未満になる走行速度をそれぞれのポイントの条件によって決めておくことができる。

電気車が走行中にこのポイントにさしかかる前に速度調整をしておけるよう運転台画面にカーナビのように走行する路線を表示し、路線の経路の形状を見た目でわかる図を表示する。

図６は、電気車のＲが小さい減速域が近づいてきた場合の画面表示のイメージ図である。同図に示すように、路線内にある線路の信号、踏切、減速域、減速域の制限速度、駅などの位置、現在走行位置、現在走行速度を表示する。

運転士がこの図を見て運転することにより、安全で横向きの加速度変化が一定値（Ｋ）未満になり乗客が車内でよろめかない走行を行うことができる。

図７に、ここで使う加速度検知器付走行指令装置の構成を示した。図２の構成に対して、追加された部分のみ説明する。

現在走行している速度、位置情報が必要であるので速度発電機やＰＧ（パルスジェネレータ）などの速度と距離を演算するためのパルスを入力する。

装置内にあらかじめ沿線の詳細情報と、減速必要な領域の位置（キロ程）を減速域データ保持部７１にデータとしてもっておく。また、カーナビのような現在走行箇所とその行く先の路線状態を表示できるように、地図データ保持部７２に沿線の地図データを入れておく。

演算部２４で、パルスより現在走行位置、走行速度を算出し、速度制限領域が近づくと、画像データ出力部７３から、幹線伝送を通して運転台に画像データを出力し、運転台表示画面に、地図にてこの先の路線にどのようなカーブがどれくらいの距離のところにあるかを示し減速領域までの距離、減速領域の制限速度、現在の位置と速度などの情報を与える。

これを見て走行することにより、安全で横向きの加速度変化が一定値（Ｋ）未満になり乗客が車内でよろめかない走行を行うことができる。

以上説明したように、この実施形態によれば、主に横方向の加速度変化に対しての乗り心地を改善するために、運転士に対して運転操作支援を行うことにより、運転士の経験や技量の差によらずに乗り心地の良い状態を保つことができる。

（第５の実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第５の実施形態に係る電気車の走行制御装置について説明する。

この第５の実施形態は、上述の第４の実施形態と同様に、電気車の横方向の加速度変化により乗客の姿勢くずれを抑えるために、路線の曲率半径が小さい場合にそのポイントを走行した際、電気車の走行位置、走行速度を把握するとともに、曲線箇所の地点を把握しており、曲線箇所にさしかかる前に、車両が走行する地点から曲率半径が小さい地点の距離を演算し、運転士が減速しなくても減速させるようにするものである。

第４の実施形態のように、画像処理を行ったり、沿線全ての地図情報を持ったりすることは大変である。また、地図情報の詳細は周囲の目印になる建物などが変わると更新が必要である。

ここで実際に必要なのは、電車のカーナビではないので、これを省いた構成が、図８に示すものである。第４の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

現在走行位置、速度の演算は同様に行い、減速域に相当するカーブの位置、カーブの走行速度などは減速域データ保持部７１にデータとして持っておく。

カーブの減速域が近づくのに速度を落としていないと、運転士の操作に関係なく、走行位置から判断し、事前適切な速度に減速させる。

また、通常も運転士の操作に関係なく、前後方向の加速度変化に対しても急激に変化させようとしてもしないように加速度変化にリミッタをかける処理を行う。

よって、運転士が意識することなく、立っている乗客がよろめかない走行を行うことができる。

以上説明したように、この実施形態によれば、運転士の操作に全く関係なく、走行位置から判断して、速度制限と加速度変化制御を行うため、運転士が意識することなく、乗り心地の良い状態を保つことができる。

本発明の第１の実施形態の概略構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施形態における主要部の詳細な構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施形態の動作を説明するための図。 本発明の第２の実施形態の概略構成を示すブロック図。 本発明の第３の実施形態における主要部の構成を示すブロック図。 本発明の第４の実施形態における運転台表示器の表示画面の例を示す図。 本発明の第４の実施形態における主要部の構成を示すブロック図。 本発明の第５の実施形態における主要部の構成を示すブロック図。

符号の説明

１、４１、…マスコン
２、４４…ブレーキ制御装置
３、４５…インバータ装置
４…主電動機
５、４６…加速度検知器付走行指令装置
２１、２２、５３、５４…加速度検知器
２３…入力信号変換部
２４…演算部
２５…出力信号変換部
４０…運転台表示器
４２…幹線伝送
４３…車両情報制御装置
４７…支線伝送
５１…マスコンハンドル
５２…制御部
７１…画像データ出力部
７２…地図データ保持部
７３…画像データ出力部

Claims (4)

1. 電気車が複数の車両で編成されている場合、
   電気車の進行方向に対する前後方向および左右方向のうちの少なくとも前後方向の加速度を検知する加速度検知手段と、
   この加速度検知手段の検知結果に基づいて、ブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対して、加速度の変化を抑制するための所定の信号を出力する走行指令手段とを各車両に備え、
   各車両の走行指令手段は、幹線伝送により制御情報を互いに授受し、編成全体の加速度変化を一定範囲に保つように各車両のブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対して前記所定の信号を出力することを特徴とする電気車の走行制御装置。
2. マスコン装置内に、
   マスコンハンドルと、
   電気車の進行方向に対する前後方向および左右方向のうちの少なくとも前後方向の加速度を検知する加速度検知手段と、
   前記マスコンハンドルの操作により生成された信号および前記加速度検知手段からの信号が入力され、ブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対してノッチ信号を出力する走行指令手段と
   を備え、
   前記走行指令手段は、前記マスコンハンドルの操作により生成された信号が加速度を急変させる信号の場合でも、加速度変化を一定範囲に保つように、前記ブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対して出力する前記ノッチ信号の変化に時素を持たせるように制御することを特徴とする電気車の走行制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気車の走行制御装置において、
   路線における曲率半径が小さい減速域に関するデータを保持する減速域データ保持手段を備え、
   前記前記走行指令手段は、前記減速域データ保持手段により保持された減速域に関するデータに基づいて、減速域に近づいたとき、減速域に関する情報を表示するための信号を出力することを特徴とする電気車の走行制御装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の電気車の走行制御装置において、
   路線における曲率半径が小さい減速域に関するデータを保持する減速域データ保持手段を備え、
   前記前記走行指令手段は、前記減速域データ保持手段により保持された減速域に関するデータに基づいて、減速域を走行するとき、前記ブレーキ制御装置および主電動機を制御するインバータ装置のうちの少なくとも一方の装置に対して減速するための信号を出力することを特徴とする電気車の走行制御装置。

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