JP4657881B2 - 電気車の駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、列車の運転制御に関する。

鉄道列車は、大量輸送を目的として複数車両で構成されることが多い。例えば、都市部の通勤列車は通常８〜１０両編成、新幹線列車は１０〜１６両編成で運行されている。また、最近は、所による乗客数の変動や、多様な目的地への旅客の輸送に適切に対応するために、比較的短編成な列車を複数併結して長編成の列車を構成する例も少なくない。逆に、長編成の列車を短編成に分割する例もある。このような列車編成の長大化、複雑化にともない、車両間の相互作用による車両の前後振動の影響がますます問題となる。

列車の前進・後退運動すなわち前後振動は、概ね各車両をばね要素と減衰要素で連結した振動系とみなすことができ、複数の前後振動モードを持つ。例えば、編成内に動力車両と付随車両が混在する場合、あるいは加減速特性の異なる２編成が併結された場合、不均一な力の分布が加振源となり、振動モードが励起される。特に変速にともない力の分布が変化したとき、大きく励振される。

列車の前後振動は、通常１Ｈｚ程度の振動を低次の振動モードとして含む。この振動は減衰率が小さい。人間は１Ｈｚ前後の振動への感度が高いので、複数車両の連結に由来する低次の振動モードは、乗客の乗り心地を大幅に損ない、問題となる。

対策として、電動機制御装置で電動機を制御して駆動する電気車において、１つの電動機制御装置が複数車両にわたる電動機を制御することで、車両間の駆動力特性を極力合わせ、車両間の相対運動を抑える方法が考えられている（例えば、特許文献１参照）。

また、特性を動的に変化できる緩衝器を車両間に設置することで、車両間の特性を改善する方法が考えられている（例えば、特許文献２参照）。車両の前後振動は緩衝器の特性に関係するため、この緩衝器は車両の前後振動の抑制に利用できる。

その他に現在とられている対策として、併結編成間、あるいは車両間の加減速特性が極力合うように調整を施し、振動を抑えるという方法がある。また新幹線などの一部の車両では、各車両間に緩衝器とは別のダンパを設け、前後振動モードが短時間で収束するようにしている。
特開２００１−２１１５１３号公報 特許第３５８３９４０号公報

特許文献１の方法は、車輪の粘着制御など電動機制御装置が有するその他の機能を考慮して、仕様上、前後振動制御のために電動機および電動機制御装置をこのような関係で配置できない場合が多く、実施が制限される。

特許文献２が挙げる高度な緩衝器は、設置のために高いコストがかかる。また、複数の編成を併結して運行する場合、特にそれぞれの編成の駆動制御方式が異なる場合については、各編成の加減速特性を同じにすることは不可能であるため、良好な乗り心地を確保できない場合がある。併結される編成の制御方式が同じであっても、緩衝器などの機械的特性にばらつきが存在するため、乗り心地の劣化を防ぐことが困難な場合がある。

緩衝器とは別の前後振動を抑えるためのダンパの追加は、振動の抑制に有効であるが、ハードウェアの追加にともなうコストの増加が問題となる。

本発明の目的は、編成車両の前後振動を抑えるための特別な機械装置を用いない振動制御手段を提供して、低コストに編成車両の前後振動を抑えることと、編成車両の前後振動特性の変化に適応するよう当該振動制御手段を更新する機能を提供することで、乗客や貨物の昇降により車両重量が変化しても制振制御の性能を維持することにある。これを通して乗客の乗り心地を向上する。

本発明は、連結手段により連結された複数の車両を有し、前記複数の車両のうち少なくとも一つの車両が駆動手段を有し、前記駆動手段の出力を制御する駆動制御手段を備える電気車の駆動システムにおいて、複数の前記車両の相対的な位置の前後振動に係る運動を観測する振動観測手段と、前記振動観測手段の出力である運動情報を用いて前記複数の車両の前後振動を抑制するための補正駆動力を求める振動補償器と、前記複数の車両の前後振動の周波数特性を状態の変化に応じて随時求める振動演算手段と、該振動演算手段が随時求めた周波数特性により前記振動補償器の特性を更新する補償器更新演算手段を備え、前記駆動制御手段が前記駆動手段の出力の制御に前記振動補償器が求めた補正駆動力を用いる。

本発明は、上記電気車の駆動システムにおいて、前記駆動手段が電動機であり、前記振動観測手段が前記複数の車両のうち少なくとも一つの車両の速度を検出する速度検出手段である。さらに、本発明は、上記電気車の駆動システムにおいて、前記振動観測手段が前記複数の車両のうち少なくとも一つの車両の加速度を検出する加速度検出手段である。

本発明は、上記電気車の駆動システムにおいて、前記複数の車両が車両の荷重を検出する応荷重検出手段と、該応荷重検出手段の出力である応荷重信号を前記振動演算手段に伝送する伝送手段を有し、前記振動演算手段が前記複数の車両の前後振動の周波数特性を求めるために当該伝送された応荷重信号を用いる。また、本発明は、上記電気車の駆動システムにおいて、前記振動観測手段の出力である運動情報を前記振動演算手段に伝送する伝送手段を有し、前記振動演算手段が前記複数の車両の前後振動の周波数特性を求めるために当該伝送された運動情報を用いる。さらに、本発明は、上記電気車の駆動システムにおいて、前記伝送手段が通信ネットワークである。

本発明は、電動機の出力を調整して編成車両の前後振動を抑える補償器を備え、また乗客や貨物の重量により変化する前後振動モードを動的に求める機能と振動モードを用いて補償器を適応的に更新する機能を備えることで、積載する乗客や貨物の重量によらず列車走行時の前後振動を低コストに抑え、乗客の乗り心地を向上することができる。

［実施例１］図１を用いて、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御情報の流れを説明する。本実施例では、運転装置の運転指令で決まるトルク指令値１ｔｔｒを受けて加速度を得る編成列車１ｔｒにおいて、車両間の相対速度ｒｖ２３を、振動補償器Ａｃｔを介してフィードバックし、振動補償器Ａｃｔの出力である補正トルク１ｃｔｒを所望の加速度を得るためのトルク１ｏｔｒに加えてトルク指令値１ｔｔｒを生成することで、編成列車１ｔｒの振動を抑えるという制御を行う。本実施例における発明の特徴は、制御の安定化と性能向上を目的として、振動モード演算部Ａｆが車両の重量に関する情報である応荷重信号１ｗに基づき編成列車１ｔｒの車両の前後振動モードを計算し、算出された前後振動モードを用いて補償器更新演算部Ａｒｎｗが振動補償器Ａｃｔを適切に再構成することである。

図２を用いて、図１の制御系を実現する本実施例の装置構成を説明する。この実施例では、編成列車１ｔｒは、付随車両Ａｔ１および電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の３両で成る。付随車両Ａｔ１は、運転装置Ａｄと、統括制御装置Ａｎ１と、応荷重検出器Ａｗ１を有している。統括制御装置Ａｎ１は、相対速度演算部Ａｒｖと、振動モード演算部Ａｆと、補償器更新演算部Ａｒｎｗを備えている。電動車両Ａｍ１は、振動補償器Ａｃｔ１を有する端末装置Ａｎ２と速度検出器Ａｖ２を有するインバータＡｉ１と、応荷重検出器Ａｗ２を有している。同様に、電動車両Ａｍ２は、振動補償器Ａｃｔ２を有する端末装置Ａｎ３と速度検出器Ａｖ３を有するインバータＡｉ２と、応荷重検出器Ａｗ３を有している。

付随車両Ａｔ１と電動車両Ａｍ１は、緩衝器Ａｃ１で連結され、電動車両Ａｍ１と電動車両Ａｍ２は緩衝器Ａｃ２で連結される。なおここでは３両編成の列車を挙げるが、これは本発明を適用可能な編成の両数を限定するものではない。

付随車両Ａｔ１は、駆動手段を持たない車両であり、付随台車Ａｔｒ１１、Ａｔｒ１２を有している。電動車両Ａｍ１は、駆動手段を持つ車両であり、インバータＡｉ１と電動台車Ａｔｒ２１、Ａｔｒ２２を有している。電動車両Ａｍ２は、駆動手段を持つ車両であり、インバータＡｉ２と電動台車Ａｔｒ３１、Ａｔｒ３２を有している。

車両Ａｔ１、Ａｍ１、Ａｍ２は、通信ネットワークＡｎ４により接続される。付随車両Ａｔ１が有する統括制御装置Ａｎ１および電動車両Ａｍ１が有する端末装置Ａｎ２ならびに電動車両Ａｍ２が有する端末装置Ａｎ３は、通信ネットワークＡｎ４上での情報伝送を制御する。以下で説明する本実施例において、通信ネットワークＡｎ４を介して伝送する情報は、高々車両の速度や積載重量に関する情報程度である。したがって、例えば通信ネットワークＡｎ４が数Ｍｂｐｓの伝送速度を持てば、本実施例は実施可能である。

付随車両Ａｔ１にある運転装置Ａｄからの運転指令は、通信ネットワークＡｎ４を介して端末装置Ａｎ２に伝送され、信号線Ａｃｎ２を介してインバータＡｉ１に伝送される。同様に運転装置Ａｄからの運転指令は、通信ネットワークＡｎ４を介して端末装置Ａｎ３に伝送され、信号線Ａｃｎ３を介してインバータＡｉ２に伝送される。インバータＡｉ１は、電動台車Ａｔｒ２１、Ａｔｒ２２が備える図示していない電動機のトルクを運転指令に応じて制御する。インバータＡｉ２は電動台車Ａｔｒ３１、Ａｔｒ３２が備える図示していない電動機のトルクを運転指令に応じて制御する。運転者は運転装置Ａｄで所望の列車加速度に応じた運転指令を定めることにより、編成の走行を制御する。

以下、本実施例では編成列車１ｔｒの力行時について考えるが、制動時についても電動機の力行トルクを電動機の回生トルクに置き代えて考えれば同様である。また、電動機以外のブレーキ装置の制動力に置き代えて考えても同様である。代表的な電動機以外のブレーキ装置として、例えば空気ブレーキが挙げられる。空気ブレーキは通常、電動機を持たない付随車両にも備えられる。よって本実施例を空気ブレーキの制動力で考えた場合、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の制動力だけでなく、付随車両Ａｔ１の制動力を制御できるため、電動機による制動を考える場合に比べ、調整できる制動力の数の点で優れる。これに対して電磁気力により駆動する電動機による力行や制動を考えた場合、空気圧の増減で制御される制輪子を車輪に押しつけ制動力を得る空気ブレーキの制動力を考える場合に比べ、車輪を駆動するための指令を与えてから車輪に力を及ぼすまでの応答の点で優れる。

電動車両Ａｍ１は、電動台車Ａｔｒ２１、Ａｔｒ２２が有する複数の電動機の回転数を平均した値を車両速度として検出する速度検出器Ａｖ２を有する。電動車両Ａｍ２は、電動台車Ａｔｒ３１、Ａｔｒ３２が有する複数の電動機の回転数を平均した値を車両速度として検出する速度検出器Ａｖ３を有する。現行の電気車は、このような電動機の回転数から速度を算出する装置を備えているものが多く、速度検出のための特別な装置の追加は要しない。

速度検出器Ａｖ２の速度情報は、信号線Ａｃｎ２を介して端末装置Ａｎ２に伝送され、通信ネットワークＡｎ４を介して統括制御装置Ａｎ１へ伝送される。速度検出器Ａｖ３の速度情報は、信号線Ａｃｎ３を介して端末装置Ａｎ３に伝送され、通信ネットワークＡｎ４を介して統括制御装置Ａｎ１へ伝送される。

統括制御装置Ａｎ１が有する相対速度演算部Ａｒｖは、図３の構成で成る。相対速度演算部Ａｒｖは、速度検出器Ａｖ２による車両Ａｍ１の速度ｖ２から速度検出器Ａｖ３による車両Ａｍ２の速度ｖ３を差し引いた値を電動車両Ａｍ１と電動車両Ａｍ２の相対速度ｒｖ２３とする。端末装置Ａｎ２が有する振動（安定化）補償器Ａｃｔ１、端末装置Ａｎ３が有する振動補償器Ａｃｔ２、統括制御装置Ａｎ１が有する振動モード演算部Ａｆおよび補償器更新演算部Ａｒｎｗについては後に説明する。

まず、編成列車１ｔｒの前後振動について説明する。いま、付随車両Ａｔ１と電動車両Ａｍ１、Ａｍ２を質点とみなす。また、緩衝器Ａｃ１、Ａｃ２は、ばねと減衰で成るとする。このとき各車両の前後方向の運動は、３つのモード（０次モード、１次モード、２次モード）により記述できる。

図４を用いて、編成列車１ｔｒの３つの振動モードに対応する運動を模式的に説明する。

０次モードは、付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２がお互いの相対変位、速度を保ちながら前後方向に移動する運動である。すなわち列車の並進運動であり、振動制御の対象とはしない。

１次モードは、電動車両Ａｍ１が運動の節となり、電動車両Ａｍ１に対して付随車両Ａｔ１と電動車両Ａｍ２の相対位置が周期的に拡張、収縮する運動である。

２次モードは、付随車両Ａｔ１と電動車両Ａｍ２が運動の節となり、これらの間で電動車両Ａｍ１が周期的に前後する運動である。

１次モード、２次モードにおける車両の運動の振動数（固有振動数）は、車両の質量と緩衝器のばね定数によって決まる。

なお、本実施例の列車は３両編成であり、図４に示す３つの振動モードがあるが、一般には編成の車両数が増すほどより多くの振動モードが発生する。このときも同様の議論が成り立つ。

固有振動数の計算方法を、列車の運動を定式化して説明する。定式化のための車両変数を定める。付随車両Ａｔ１の重量をｍ１、変位をｘ１とする。電動車両Ａｍ１の重量をｍ２、変位をｘ２、トルク指令値をｕ１とする。電動車両Ａｍ２の重量をｍ３、変位をｘ３、トルク指令値をｕ２とする。緩衝器Ａｃ１は、長さに比例した線形特性を持つばね定数ｋ１のばね要素と、速度に比例した線形特性を持つダンパ係数ｃ１のダンパで成るとする。緩衝器Ａｃ２は、長さに比例した線形特性を持つばね定数ｋ２のばね要素と、速度に比例した線形特性を持つダンパ係数ｃ２のダンパで成るとする。

このときの列車の運動方程式を図５に示す。行列Ａの固有値をλ１…λ６とする。図５の運動方程式の解ｘ（ｔ）は、入力ｕ１＝０、ｕ２＝０のとき、ｅｘｐ（λｊ）、ｊ＝１…６の線形結合で記述できる。λ１…λ６は、編成車両の並進運動（０次モード）に対応する固有値０を２つ含み、残りの４つは２組の共役な複素数である。固有値の虚部に由来する関数ｅｘｐ（Ｉｍ（λｊ））はＩｍ（λｊ）を角周波数とする正弦波である（Ｉｍ（ｚ）は複素数ｚの虚部）。したがって、編成車両の運動は、並進運動と、２組の共役な複素固有値の虚部を２πで除算した値を振動数とする２つの振動の重ね合わせである。これら振動数が１次モード、２次モードに対応する固有振動数である。例えば、ｍ１＝ｍ２＝ｍ３＝３０×１０^３（ｋｇ）、ｋ１＝ｋ２＝２．７×１０^６（Ｎ／ｍ）、ｃ１＝ｃ２＝（０．１５×ｋ１）／（２×２π）（Ｎｓ／ｍ）とすると、１次モードの固有振動数１．５Ｈｚと２次モードの固有振動数２．６Ｈｚが得られる。

次に振動のモード成分を抑えるためのトルク調整値を算出する方法について説明する。トルク調整値は、端末装置Ａｎ２が有する振動補償器Ａｃｔ１と端末装置Ａｎ３が有する振動補償器Ａｃｔ２が演算する。振動補償器Ａｃｔ１および振動補償器Ａｃｔ２は、図１の振動補償器Ａｃｔに対応する。

本実施例の振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２は、車両間の相対速度の振動モード成分が大きくなればそれを小さくする方向にトルクを調整し、逆に相対速度の振動モード成分が小さくなればそれを大きくする方向にトルクを調整するようにトルク調整値を定めることで、車両間の相対速度を０に近づけるようにして、車両の前後振動を抑える。

図６を用いて、振動補償器Ａｃｔ１および振動補償器Ａｃｔ２の構成を説明する。振動補償器Ａｃｔ１は、フィルタｆｂｐ１と、比例ゲインＫｐ１、積分器ｉｎｔ１、積分ゲインＫｉ１と、加算器と、−１乗算器から成る。振動補償器Ａｃｔ２は、フィルタｆｂｐ２と比例ゲインＫｐ２、積分器ｉｎｔ２、積分ゲインＫｉ２と、加算器から成る。比例ゲインＫｐ１、Ｋｐ２の値をそれぞれＫＰ１、ＫＰ２とする。積分ゲインＫｉ１、Ｋｉ２の値をそれぞれＫＩ１、ＫＩ２とする。フィルタｆｂｐ１とフィルタｆｂｐ２は更新情報ｒｎｗにより更新されるが、更新手順については後に説明する。まずは、フィルタの更新を考えずに振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２を説明する。

フィルタｆｂｐ１は入力信号の特定の周波数帯域を通過させる特性を持つバンドパスフィルタである。これは、通信ネットワークＡｎ４を介して受信した相対速度ｒｖ２３を入力信号とし、振動モードに相当する成分を取り出して制御に用いることで、効果的に振動モードを抑えられるように設けた。本実施例ではフィルタｆｂｐ１を演算装置上にディジタル実装する。これは後に説明する補償器の更新手順において、フィルタｆｂｐ１の入出力特性の変更を容易にするためである。ただしディジタルフィルタｆｂｐ１の設計は、まず所望の入出力特性を持つ連続時間系を考え、得られた連続時間系を離散化するという設計手法に従う。この設計手法は、制御対象が連続時間系で補償器が離散時間系の場合のように、連続時間系と離散時間系が混在する系の設計の際、一度制御系全体を連続時間系として設計できるため設計が容易であるという利点があり、多く用いられている。離散化の方法は後に述べる。まずはフィルタｆｂｐ１を連続時間系として以下の説明を進める。

フィルタｆｂｐ１を、伝達関数が下記（１）式となるように実装する。ここでｓはラプラス作用素、Ｔ１、Ｔ２は定数である。

伝達関数が（１）式である系の周波数特性を図７の曲線ｂｐｆに示す。図７の横軸は入力信号の周波数（Ｈｚ）、縦軸は応答の大きさ（ｄＢ）である。曲線ｂｐｆは理想的なバンドパスフィルタｂｐｆｉとは特性が異なるものの、特定の周波数で応答が最大となり、その値から離れた周波数成分ほど減衰させるというバンドパス型の周波数特性を示す。図４より、電動車両Ａｍ１は前後振動の２次モードで振幅が最大の腹にあたるが、振動の１次モードでは振幅０の節にあたる。これを考慮し、車両Ａｍ１では複数の振動モードの中でも２次モードを抑えるように電動機のトルクを調整する。いま、Ｔ１＝１／（２π×２．４）、Ｔ２＝１／（２π×２．８）とする。このときフィルタｆｂｐ１は、入力である相対速度ｒｖ２３から２次モードの固有振動数にあたる２．６Ｈｚを中心としてその前後±０．２Ｈｚ程度の成分を最もよく通過させる。

フィルタｆｂｐ２も、フィルタｆｂｐ１と同様に、通信ネットワークＡｎ４を介して受信した相対速度ｒｖ２３から振動モードに相当する成分を取り出すことを目的とし、伝達関数が下記（２）式となるように実装する。

図４より、電動車両Ａｍ２は、前後振動の１次モードで振幅が最大の腹にあたるが、振動の２次モードでは振幅０の節にあたるため、車両Ａｍ２では複数の振動モードの中でも１次モードを抑えるように電動機のトルクを調整する。いまＴ３＝１／（２π×１．３）、Ｔ２＝１／（２π×１．７）とする。このときフィルタｆｂｐ２は、相対速度ｒｖ２３から１次モードの固有振動数にあたる１．５Ｈｚを中心としてその前後±０．２Ｈｚ程度の成分を最もよく通過させる。

なお、フィルタｆｂｐ１、ｆｂｐ２の特性は（１）式、（２）式に基づくものに限らず、入力の特定の周波数成分を取り出す周波数特性を持つものであればよい。

振動補償器Ａｃｔ１によるトルク調整値は、相対速度ｒｖ２３の２．６Ｈｚ付近の周波数成分に対し、比例ゲインＫｐ１の値ＫＰ１を乗算した値と、積分値に積分ゲインＫｉ１の値ＫＩ１を乗算した値との和を、電動車両Ａｍ１のトルクから減算するように構成され、信号線Ａｃｎ２を介してインバータＡｉ１に伝送される。

振動補償器Ａｃｔ２によるトルク調整値は、相対速度ｒｖ２３の１．５Ｈｚ付近の周波数成分に対し、比例ゲインＫｐ２の値ＫＰ２を乗算した値と、積分値に積分ゲインＫｉ２の値ＫＩ２を乗算した値との和を、電動車両Ａｍ２のトルクに加算するように構成され、信号線Ａｃｎ３を介してインバータＡｉ２に伝送される。

ただし、振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の制御則は、編成車両の相対速度を０に近づけるようにトルク調整値を定める制御則であればよく、編成車両の相対速度の振動モード成分に比例する値と振動モード成分の積分値に比例する値の和で構成される制御則（ＰＩ制御則）に限らない。

インバータＡｉ１は、運転指令で決まる所望のトルクに振動補償器Ａｃｔ１の出力であるトルク調整値を加えた値を用い、電動台車Ａｔｒ２１、Ａｔｒ２２が有する図示していない電動機へのトルク指令値を算出する。

インバータＡｉ２は、運転指令で決まる所望のトルク値に振動補償器Ａｃｔ２の出力であるトルク調整値を加えた値を用い、電動台車Ａｔｒ３１、Ａｔｒ３２が有する図示していない電動機へのトルク指令値を算出する。

図８は、付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の重量が全て３０トンの場合において、電動車両Ａｍ１の所望のトルクを入力とし、電動車両Ａｍ１の加速度を出力とするときの、入力の周波数成分に対する出力の応答の大きさを示す図である。横軸は入力の振動数（Ｈｚ）、縦軸は出力の応答の大きさ（ｄＢ）である。曲線ｍａｇは前後振動を制御しない場合（ゲインＫＰ１＝ＫＩ１＝ＫＰ２＝ＫＩ２＝０）の応答であり、２次モードの固有振動数である２．６Ｈｚ付近で応答が大きい。すなわち車両Ａｍ１で加減速時に２．６Ｈｚ程度の加速度振動が発生しやすいことを示している。これに対して曲線ｍａｇｃは適当なゲインで制御を行った場合の応答であるが、この場合曲線ｍａｇに比べ２．６Ｈｚ付近の応答が小さくなっている。すなわち制御の効果により加減速時に２．６Ｈｚ付近の加速度振動が発生しにくくなることを示している。

次に、編成の重量の分布が異なる場合について考える。図９は、車両重量が異なる２とおりの場合について、電動車両Ａｍ１の所望のトルクを入力とし、電動車両Ａｍ１の加速度を出力とするときの、入力の周波数成分に対する出力の応答の大きさを示す図である。横軸は入力の振動数（Ｈｚ）、縦軸は出力の応答の大きさ（ｄＢ）である。曲線ｍａｇは図８で示したものと同様であり、付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の全てが重量３０トンの場合である。曲線ｍａｇ２は付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の重量がそれぞれ５０トン、４０トン、３０トンの場合である。２つの場合で応答特性が異なることが分かる。２次モードに対する固有振動数（応答のピークに対する振動数）が曲線ｍａｇで２．６Ｈｚであるのに対して曲線ｍａｇ２で２．３Ｈｚと変化している。前述のとおり、Ｔ１＝１／（２π×２．４）、Ｔ２＝１／（２π×２．８）のときフィルタｆｂｐ１は入力信号の２．６±０．２Ｈｚの周波数帯域ｂｐ１をよく通過させる。しかし帯域ｂｐ１は曲線ｍａｇ２が示す固有振動数２．３Ｈｚを含まないため、付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の重量が全て３０トンの場合を想定して設計されたフィルタｆｂｐ１では付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の重量がそれぞれ５０トン、４０トン、３０トンの場合に入力の２次モードにあたる周波数成分を減衰させ、制御に十分に活用できないことが分かる。

乗客が満車のときなどに車両あたりの重量が２０トン程度増加することはしばしば起こる。このため図９に示したような振動モードの変化は実用上避け難い現象である。

そこで、本発明の特徴である、振動モード演算部Ａｆが計算した振動モードを用いて補償器更新演算部Ａｒｎｗが振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２に補償器の再構成を指令するしくみが有用である。これにより振動モードの変化に適応した制御が可能となる。

振動モードの変化を知るため、本実施例では車両の荷重を計る装置を利用する。応荷重検出器Ａｗ１、Ａｗ２、Ａｗ３はそれぞれ付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２内の荷重を検知する装置であり、乗客や荷物の重さを検知できる。応荷重を検出する装置は、車両重量によらず一定の加速度を発揮するための応荷重制御などの目的で、現行の多くの列車に搭載されており、例えば、空気ばねの内圧の変化で荷重を検知すれば実現できる。

応荷重検出器Ａｗ１の出力である付随車両Ａｔ１の荷重を表す応荷重信号は、図示していない伝送線により統括制御装置Ａｎ１に伝送される。応荷重検出器Ａｗ２の出力である電動車両Ａｍ１の荷重を表す応荷重信号は、図示していない伝送線により端末装置Ａｎ２に伝送され、通信ネットワークＡｎ４を介して統括制御装置Ａｎ１に伝送される。応荷重検出器Ａｗ３の出力である電動車両Ａｍ２の荷重を表す応荷重信号は、図示していない伝送線により端末装置Ａｎ３に伝送され、通信ネットワークＡｎ４を介して統括制御装置Ａｎ１に伝送される。

振動モード演算部Ａｆは、統括制御装置Ａｎ１が受信した各車両の応荷重信号を用い、前後振動の固有振動数を計算する。振動モード演算部Ａｆの構成を図１０を用いて説明する。記憶装置ｍａｔは図５の行列Ａを、車両重量ｍ１、ｍ２、ｍ３をパラメータとする形式で保持する。図５のばね定数ｋ１、ｋ２、ダンパ定数ｃ１、ｃ２は、緩衝器Ａｃ１、Ａｃ２の特性を表す定数であり、一定値として記憶装置ｍａｔに保持される。よって、応荷重信号ｗ１、ｗ２、ｗ３を（必要ならば適切な単位への変換を含み）車両重量ｍ１、ｍ２、ｍ３に代入することで行列Ａが１つ決まる。固有値演算部ｅｉｇＡは記憶装置ｍａｔから読み出した行列Ａの固有値を計算し、前述のとおり固有値の虚部から固有振動数を求める。

図１１を用いて、補償器更新演算部Ａｒｎｗが振動モード演算部Ａｆの出力である固有振動数を用い、振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の有するバンドパスフィルタｆｂｐ１、ｆｂｐ２の通過周波数帯域を決めるという手順に関する情報の流れを模式的に説明する。補償器更新演算部Ａｒｎｗの出力である更新情報ｒｎｗはバンドパスフィルタｆｂｐ１、ｆｂｐ２の通過周波数帯域を変化させるための情報である。更新情報ｒｎｗの具体的な構成については後述するが、これはフィルタｆｂｐ１の伝達関数である前記（１）式の定数Ｔ１、Ｔ２を決める量に相当する。

補償器更新演算部Ａｒｎｗは、フィルタｆｂｐ１が２次モードの固有振動数±０．２Ｈｚの帯域を特に通過させるように、（１）式のＴ１、Ｔ２がＴ１＝１／（２×π×（２次モードの固有振動数−０．２））、Ｔ２＝１／（２×π×（２次モードの固有振動数＋０．２））となるよう更新情報ｒｎｗを定める。付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の重量がそれぞれ５０トン、４０トン、３０トンのときの２次モードの固有振動数は２．３Ｈｚであるので、補償器更新演算部ＡｒｎｗはこのときＴ１＝１／（２π×２．１）、Ｔ２＝１／（２π×２．５）となるように更新情報ｒｎｗを算出する。

バンドパスフィルタｆｂｐ２に対しても同様であり、フィルタｆｂｐ２が１次モードの固有振動数±０．２Ｈｚの帯域を特に通過させるように、前記（２）式のＴ３、Ｔ４がＴ３＝１／（２×π×（１次モードの固有振動数−０．２））、Ｔ４＝１／（２×π×（１次モードの固有振動数＋０．２））となるよう更新情報ｒｎｗを定める。付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の重量がそれぞれ５０トン、４０トン、３０トンのときの１次モードの固有振動数は１．３Ｈｚであるので、補償器更新演算部ＡｒｎｗはこのときＴ３＝１／（２π×１．１）、Ｔ４＝１／（２π×１．５）となるように更新情報ｒｎｗを算出する。

補償器更新演算部Ａｒｎｗの出力である更新情報ｒｎｗは、通信ネットワークＡｎ４を介して振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２へ伝送される。

以下では、補償器更新演算部Ａｒｎｗの出力である更新情報ｒｎｗによりフィルタｆｐｂ１、ｆｂｐ２を更新する手順を具体的に示すため、ここまで連続時間系として説明してきたフィルタｆｂｐ１、ｆｂｐ２のディジタル実装を考慮し、前記（１）式および（２）式を離散化してディジタルフィルタｆｂｐ１、ｆｂｐ２の伝達関数を得る方法、得られた伝達関数を実装する方法、実装されたディジタルフィルタｆｂｐ１、ｆｂｐ２を更新するための更新情報ｒｎｗの構成を示す。

ディジタルフィルタｆｂｐ１の伝達関数を、設計に用いた連続時間系の伝達関数である（１）式を離散化することで得る。離散化にはよく知られた離散化手法の一つであるインパルス不変法（標準ｚ変換）を用いる。この方法により得られる離散時間伝達関数は、変換適用前の連続時間系の伝達関数とよく似た周波数特性を持つ。式（１）にインパルス不変法（標準ｚ変換）を適用すると、下記（１ｄｅ）式形式の伝達関数を得る（ｚは１サンプルの進み要素）。

ただし係数ａ０、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は、定数Ｔ１、Ｔ２とフィルタｆｂｐ１の演算周期ｈで成る値で、α：＝Ｔ１／（Ｔ２−Ｔ１）とすると、それぞれ下記（１ｄｅｃ）式である。

図１２を用いて、（１ｄｅ）式の伝達関数を持つフィルタｆｂｐ１を無限インパルス応答（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：ＩＩＲ）フィルタでディジタル実装した例を説明する。係数の組ｉｉｒａは、前記（１ｄｅ）式の係数ａ０、ａ１、ａ２、係数の組ｉｉｒｂは前記（１ｄｅ）式の係数ｂ１、ｂ２に相当する。遅れ要素の組ｚｉｎｖの各要素は、入力を１サンプル遅らせる。図１２を演算装置上に実装する。このとき係数ａ０、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２は演算装置上の記憶領域に格納され、記憶領域の内容を変更することで容易に更新できる。ここでは、フィルタｆｂｐ１を実装した演算装置の演算周期は２０ｍｓとする。信号のサンプル周期がＨのとき、周波数０．５×１／Ｈの成分まで復元できるため（サンプリング定理）、フィルタｆｂｐ１の演算周期が２０ｍｓのとき、フィルタｆｂｐ１は入力信号の２５Ｈｚの成分まで検出できる。編成車両の固有振動数は高々５Ｈｚ程度であるため、フィルタｆｂｐ１の演算周期２０ｍｓは入力の振動モード成分を扱うのに十分である。

補償器更新装置Ａｒｎｗは、前述のとおり振動モード演算部Ａｆから得た固有振動数を用いて前記（１）式、（２）式の定数Ｔ１、Ｔ２を算出し、これを（１ｄｅｃ）式に代入して得た係数ａ０、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２を更新情報ｒｎｗとし、通信ネットワークＡｎ４を介して振動補償器Ａｃｔ１に伝送する。

振動補償器Ａｃｔ１は、更新情報ｒｎｗが表す係数ａ０、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２で、図１２の係数の組ｉｉｒａ、ｉｉｒｂを格納した記憶領域を上書きする。以上により振動補償器Ａｃｔ１は，フィルタｆｂｐ１を更新する。

振動補償器Ａｃｔ２のフィルタｆｂｐ２についても同様である。すなわちフィルタｆｂｐ１の実装と更新手順に関する以上の説明で、前記（１）式をフィルタｆｂｐ２の連続時間伝達関数である（２）式に置き代え、定数Ｔ１、Ｔ２を（２）式の定数Ｔ３、Ｔ４に置き代えたものとする。

なお、フィルタｆｂｐ１、ｆｂｐ２の実装はＩＩＲフィルタに限らず、特定の周波数帯域を通過させる特性を持つフィルタを実装できるものであればよい。例えば、有限インパルス応答（Ｆｉｎｉｔ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：ＦＩＲ）フィルタでもよい。ＦＩＲフィルタでバンドパスフィルタを実装する方法はよく知られている。

以上に示した、振動モード演算部Ａｆによる応荷重信号を用いた固有振動数の算出、補償器更新演算部Ａｒｎｗによる更新情報ｒｎｗの演算と振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２への伝送、振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の再構成という一連の手順は、車両重量が変化したときに一回行われればよい。車両重量が変化するのは乗客や貨物が昇降するとき、すなわち駅停車時を考えれば十分である。駅で乗客や貨物を搭載し終えてから発車までに一連の手順を実施するのは、走行中に時々刻々と変化する量を計測してフィードバックすることに比べ、実施の上で計算時間に関する困難は小さい。

なお、本実施例の速度検出器Ａｖ２、Ａｖ３は電動機の回転数をもとにそれぞれ電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の速度を得るが、車輪が空転を起こしたとき、電動機の回転数は真の車両速度と大幅にずれる。また、通常は同時に車輪を再粘着させるためのトルク制御が行われる。このとき速度誤差により制御の安定性を損ねたり、車輪の再粘着のためのトルク制御に前後振動制御が干渉して再粘着を妨げる場合が考えられる。この問題に対し、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２のいずれにおいても図示していない空転検知装置により車輪の空転を検知したとき、当該車両での振動制御は停止するなどの対策が考えられる。また、空転時でも速度検出器Ａｖ２、Ａｖ３がそれぞれ電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の複数ある電動機の回転数のうち最小のものを選択することで、車両の全軸が空転した時以外は空転による速度検知の誤差を回避できる。この場合、振動制御の停止は車両の全軸空転を検知したときに行う。また振動制御の停止は、空転中の車輪を有する車両単体に限らず、全電動車両にあたるＡｍ１、Ａｍ２の両車両で振動制御を停止することが考えられる。また車両の前後振動が特に大きくなるのは起動時をはじめ運転指令の変化にともなう変速時であるため、前後振動制御を変速時から少なくとも所望の加速度に到達するまでの時間（例えば５秒程度）に限定するなど、制御区間を制限し、制御中の空転の発生をできるだけ回避する方法も考えられる。

以上で説明した手順により、図２の装置構成による電気車の駆動システムは、電動車両の相対速度の前後振動モード成分をバンドパスフィルタにより抜き出し、これを用いたＰＩ制御により電動車両の電動機のトルクを調整し、編成車両の前後振動を抑える機能を有する。また車両の応荷重を用いて編成車両の前後振動の固有振動数を随時計算し、これを用いてバンドパスフィルタの通過帯域を適応的に更新し、車両重量の変化によらず制振効果を発揮する機能を有する。

なお、本実施例では電動車両の速度情報を用いて編成車両の振動を制御したが、速度情報の代わりに加速度情報を用いてもよい。なぜなら、速度は前述のとおり複数の振動モード成分の和で記述されるが、このとき速度の微分である加速度もまた速度と同じ固有振動数を持つ振動モード成分の和となり、同じ手法が適用できるためである。加速度を得る手段は、例えば、別途加速度センサを設ければよい。これには、多種ある加速度センサのうち適当なものを用いればよいが、一例として、慣性力を受けると電荷を生じる材料を用いた圧電型加速度センサが挙げられる。電動機の回転数に依存しない加速度センサを用いると、前述した空転により速度情報に誤差が発生する現象を回避できる。

［実施例２］図２と同じ構成の電気車の駆動システムにおいて、振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２が図６に示すようなＰＩ制御型ではなく、車両Ａｔ１と車両Ａｍ１の相対変位と相対速度、車両Ａｍ１とＡｍ２の相対変位と相対速度を全状態量としてフィードバックする全状態フィードバック型である場合を、第２の実施例として挙げる。

補償器更新演算部Ａｒｎｗの出力は、実施例１のように振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２のフィルタｆｂｐ１、ｆｂｐ２を更新するための情報に限らない。制御の安定化と性能の向上を可能とする量であればよい。本実施例は、補償器更新演算部Ａｒｎｗの出力が、振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の有するフィードバックゲインである場合を示す。

実施例１では、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の相対速度が０に近づく方向に電動機を制御したのに対し、本実施例の全状態フィードバック型の制御では、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の相対速度に加え、これらの相対変位、また付随車両Ａｔ１と電動車両Ａｍ１の相対速度、相対変位の全てを０に近づける方向に電動機を制御する。具体的には、状態量の二乗和の時間積分と、電動機のトルク調整量の二乗和の時間積分を用いて作成した評価関数が最小となるように電動機を制御する（積分区間は時間０〜∞）。評価関数≧０であるため、評価関数が有限の値となるためには状態量とトルク調整量が０に漸近することが必要である。これは結果として状態量を０に近づける方向に電動機のトルクを調整することに他ならない。したがって、全状態フィードバック型の制御により、編成車両の振動を抑えることができる。

図１３を用いて、全状態フィードバック型の振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の構成を説明する。補償器更新演算部Ａｒｎｗは、評価関数演算部ｅｖ１と、解法部ｓｏ１を備えている。振動補償器Ａｃｔ１は、状態観測機ｏｂｓ１と、フィードバックゲインｒｇｇ１を備えている。振動補償器Ａｃｔ２は、状態観測機ｏｂｓ２と、フィードバックゲインｒｇｇ２を備えている。図１３では、応荷重信号ｗ１、ｗ２、ｗ３が振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２へ入力される。実施例１の振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の構成を示す図６ではこの入力はないが、統括制御装置Ａｎ１が収集した応荷重信号ｗ１、ｗ２、ｗ３を通信ネットワークＡｎ４を介して振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２へ伝送することで、図２の装置構成を変更することなくこの入力を実現できる。

振動補償器Ａｃｔ１の状態観測器ｏｂｓ１は編成列車１ｔｒのモデル（応荷重信号ｗ１、ｗ２、ｗ３より算出する車両の重量を含む）を有し、このモデルと入力である車両Ａｍ１とＡｍ２の相対速度ｒｖ２３を用い、付随車両Ａｔ１と電動車両Ａｍ１の相対変位と相対速度、電動車両Ａｍ１と電動車両Ａｍ２の相対変位を推定し、これらを全状態ベクトルとして出力する。状態観測器ｏｂｓ１が必要な理由は、本実施例で検出できる状態量が、電動機の回転数を利用して得た電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の相対速度情報のみであるため、他の状態量を推定する手段が必要だからである。電動車両Ａｍ１の電動機のトルク調整値は状態観測器ｏｂｓ１の出力である全状態ベクトルとフィードバックゲインｒｇｇ１のゲインベクトルＫＲ１の積で決まる。

振動補償器Ａｃｔ２の状態観測器ｏｂｓ２は、編成列車１ｔｒのモデル（応荷重信号ｗ１、ｗ２、ｗ３より算出する車両の重量を含む）を有し、このモデルと入力である電動車両Ａｍ１と電動車両Ａｍ２の相対速度ｒｖ２３を用い、付随車両Ａｔ１と電動車両Ａｍ１の相対変位と相対速度、電動車両Ａｍ１と電動車両Ａｍ２の相対変位を推定し、これらを全状態ベクトルとして出力する。電動車両Ａｍ２の電動機のトルク調整値は状態観測器ｏｂｓ２の出力である全状態ベクトルとフィードバックゲインｒｇｇ２のゲインベクトルＫＲ２の積で決まる。

なお全状態量の定義から、状態観測器ｏｂｓ１と状態観測器ｏｂｓ２の出力は同じ値である。図１３の構成では振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の構成を同じくするためそれぞれが状態観測器ｏｂｓ１、ｏｂｓ２を備えるが、例えば状態観測器ｏｂｓ１の出力を、通信ネットワークＡｎ４を介して振動補償器Ａｃｔ２へ伝送すれば、振動補償器Ａｃｔ２の状態観測器ｏｂｓ２は不要で演算が減る。図１３のように複数の独立した状態観測器を有する構成は、例えば、状態観測器ｏｂｓ１の出力と状態観測器ｏｂｓ２の出力を通信ネットワークＡｎ４を介して統括制御装置Ａｎ１へ伝送し、これらが一致しないとき振動制御を停止する（統括制御装置Ａｎ４が振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の出力であるトルク補正値を０にする指令を発する）など、異常時の対策に利用できる。

フィードバックゲインｒｇｇ１、ｒｇｇ２のゲインベクトルＫＲ１、ＫＲ２を補償器更新演算部Ａｒｎｗの出力である更新情報ｒｎｗを用いて更新する手順を説明する。

補償器更新演算部Ａｒｎｗの機能は、最適レギュレータの導出方法として知られる演算を実施する機能に他ならない。すなわち評価関数演算部ｅｖｌで決まる評価関数を最小化するためのフィードバックゲインベクトルＫＲ１、ＫＲ２を解法部ｓｏｌにより求め、更新情報ｒｎｗとして出力する。

本実施例の特徴は、この機能が列車に搭載され、振動モードの変化に応じて随時フィードバックゲインベクトルを更新することである。

評価関数を、状態観測器ｏｂｓ１、ｏｂｓ２の出力と同様に定義される状態量と、振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の出力であるトルク調整値に適当な重みを適用した二乗和の時間積分で定義する。適当な変換により、評価関数を周波数領域で記述し、周波数領域で重みを選択することで周波数応答を整形する方法が知られている。本実施例はこの方法に従う。評価関数演算部ｅｖｌは振動モード演算部Ａｆの出力である固有振動数を受け、振動モード成分が評価関数に特に寄与するように重みを選択する。これは固有振動数にあたる振動成分を抑えるためである。

解法部ｓｏｌは、評価関数演算部ｅｖｌにより固有振動数に応じて重み付けされた評価関数を最小化するためのフィードバックゲインを、重量を含む編成の運動特性を用いて算出する。この演算のための数値計算手法はＰｏｔｔｅｒの方法などいくつか知られており、実施に難くない。

補償器更新演算部Ａｒｎｗは、以上により算出したフィードバックゲインを更新情報ｒｎｗとして通信ネットワークＡｎ４を介して振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２に伝送する。

振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２はフィードバックゲインｒｇｇ１、ｒｇｇ２のゲインベクトルＫＲ１、ＫＲ２を補償器を構成する演算装置上の記憶領域に保持しており、伝送された更新情報ｒｎｗの値を当該記憶領域に上書きすることで、フィードバックゲインｒｇｇ１、ｒｇｇ２を更新する。

最適なフィードバックゲインベクトルＫＲ１、ＫＲ２は、重量を含む編成の運動特性と前記評価関数が決まれば一つ決まる。このため車両重量が変化したとき振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２を再構成する以上の手順は、車両重量の変化に適応した制御を実現する。

［実施例３］図１４を用いて、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御情報の流れを説明する。編成列車１ｔｒが、所望の加速度を得るためのトルク１ｏｔｒと前後振動を抑えるための補正トルク１ｃｔｒで生成されるトルク指令値１ｔｔｒにより走行する構成と、補償器更新演算部Ａｒｎｗが振動補償器Ａｃｔを再構成する構成は実施例１と同様である。本実施例では振動モードを求める振動モード演算部Ａｆに代えて、モード推定部Ｂｆｅが応荷重信号の代わりに電動車両Ａｍ１、Ａｍ２の速度ｖ２、ｖ３を用いる点が実施例１と異なる。

図１５を用いて、図１４の制御系を実現する本実施例の装置構成を説明する。編成列車１ｔｒの付随車両Ａｔ１、電動車両Ａｍ１、Ａｍ２、台車Ａｔｒ１１、Ａｔｒ１２、Ａｔｒ２１、Ａｔｒ２２、Ａｔｒ３１、Ａｔｒ３２、インバータＡｉ１、Ａｉ２、運転装置Ａｄ、速度検出器Ａｖ１、Ａｖ２、Ａｖ３、応荷重検出器Ａｗ１、Ａｗ２、Ａｗ３、通信ネットワークＡｎ４とその構成装置Ａｎ１、Ａｎ２、Ａｎ３、振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２、相対速度演算部Ａｒｖ、補償器更新演算部Ａｒｎｗは実施例１と同様である。この実施例では、統括制御装置Ａｎ１が、編成車両の前後振動モードを求める演算として、実施例１の装置構成を示す図２の振動モード演算部Ａｆとは構成が異なるモード推定演算Ｂｆｅを有する点が、実施例１と異なる。

図１６を用いて、モード推定演算Ｂｆｅの構成を説明する。モード推定演算Ｂｆｅは、統括制御装置Ａｎ１が受信した電動車両Ａｍ１の速度情報ｖ２のフーリエスペクトルを演算する機能を有するスペクトル演算部ＦＴ１、および電動車両Ａｍ２の速度情報ｖ３のフーリエスペクトルを演算する機能を有するスペクトル演算部ＦＴ２を有する。スペクトル演算部ＦＴ１、ＦＴ２は、フーリエスペクトルを演算するために、例えば離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を実施する演算機能を備えていればよい。

ピーク検出演算部ｐｋは、フーリエスペクトルから固有振動数を検出する演算部である。この検出方法について説明する。図１７は電動車両Ａｍ１、電動車両Ａｍ２の速度情報のフーリエスペクトルの模式図である。横軸は周波数、縦軸はその周波数に対応する信号のパワーの大きさを示している。曲線ＰＳ１はスペクトル演算ＦＴ１による車両Ａｍ１の速度情報ｖ２のフーリエスペクトル、曲線ＰＳ２はスペクトル演算ＦＴ２による車両Ａｍ２の速度情報ｖ３のフーリエスペクトルである。ピーク検出演算部ｐｋは固有振動数の検出に、固有振動数でパワーが山型の頂点となることを利用する。本実施例では２．６Ｈｚ、１．５Ｈｚがそれぞれ２次モード、１次モードに対応する固有振動数である。ピーク検出演算部ｐｋは、パワーの頂点を見付けるために、ある周波数帯域を限定し、その中でのパワーの最大値と最小値の差がある閾値以上であればその最大値を頂点とみなして記憶するという演算を、周波数帯域を次々移動させながら実施する（例えば２．０Ｈｚの帯域幅で０〜２．０Ｈｚ、２．０〜４．０Ｈｚの２帯域について演算する）。なお曲線ＰＳ１、ＰＳ２からパワーの頂点に対応する振動数を検出できる方法であれば、ピーク検出演算部ｐｋの構成はこれに限らない。ピーク検出演算部ｐｋは曲線ＰＳ１、ＰＳ２でそれぞれ検出した固有振動数を合わせて、モード推定演算Ｂｆｅの出力とする。本実施例ではモード推定演算Ｂｆｅの出力は固有振動数である１．５Ｈｚおよび２．６Ｈｚである。

モード推定演算Ｂｆｅの出力である固有振動数は、実施例１と同様に補償器更新演算部Ａｒｎｗに伝送され、振動補償器Ａｃｔ１、Ａｃｔ２の更新に利用される。

なお、本実施例では振動モードの算出に速度情報を用いたが、速度情報の代わりに加速度情報を用いてもよい。理由およびこの場合の実施方法は実施例１で述べたとおりである。

本実施例では、走行中に実測した車両速度を振動モードの算出に用いる点が実施例１と異なる。実施例１では、列車の前後運動をばね・ダンパ系に単純化して振動モードを算出したが、実際の車両の運動は台車の特性や線路の形状など多くの要素の影響を受けるため、ばね・ダンパ系の運動のように単純ではない。これに対して走行中に実測した車両速度は、これらの多くの要素の影響を含む結果であり、単純なモデルでは得られない運動特性（例えば、編成車両の運動を単純化したばね・ダンパ系と実際の系の間の振動モードのずれなど）を得られる。

本実施例に示す単車両の速度ｖ２，ｖ３の変化から振動モードを得る手法は、振動補償器Ａｃｔ１，Ａｃｔ２の構成には依らず、例えば振動補償器Ａｃｔ１，Ａｃｔ２が実施例１，２のいずれにおける構成と同様であっても、適用可能である。

実施例１における制御情報の流れを示す図。 実施例１における装置構成を示す図。 実施例１における相対速度の演算方法を示す図。 実施例１における編成車両の振動モードを解説する図。 実施例１における編成車両の運動方程式を示す図。 実施例１における補償器の構成を示す図。 実施例１における補償器のフィルタの周波数応答を示す図。 実施例１における電動車両の周波数応答を補償器のフィードバックゲインが異なる２通りの場合について示した図。 実施例１における電動車両の周波数応答を各車両の重量が異なる２通りの場合について示した図。 実施例１における編成車両の振動モードを応荷重を用いて算出する演算を示す図。 実施例１における補償器のフィルタの更新に係る情報の流れを示す図。 実施例１における補償器のフィルタのディジタル実装を示す図。 実施例２における補償器の構成と補償器の更新の様子を示す図。 実施例３における制御情報の流れを示す図。 実施例３における装置構成を示す図。 実施例３における速度情報から振動モードを算出する演算を示す図。 実施例３における速度情報のパワースペクトルを示す図。

符号の説明

１ｔｒ…編成列車、１ｏｔｒ…所望のトルク、１ｃｔｒ…トルク補正値、１ｔｔｒ…トルク指令値、１ｗ…応荷重信号、Ａｆ…振動モード演算部、Ａｒｎｗ…補償器更新演算部、Ａｃｔ…振動補償器、Ａｔ１…付随車両、Ａｍ１，Ａｍ２…電動車両、Ａｔｒ１１，Ａｔｒ１２…付随台車、Ａｔｒ２１，Ａｔｒ２２，Ａｔｒ３１，Ａｔｒ３２…電動台車、Ａｄ…運転装置、Ａｉ１，Ａｉ２…インバータ、Ａｎ１…統括制御装置、Ａｎ２，Ａｎ３…端末装置、Ａｎ４…通信ネットワーク、Ａｃｔ１，Ａｃｔ２…振動補償器、Ａｖ２，Ａｖ３…速度検出器、Ａｗ１，Ａｗ２，Ａｗ３…応荷重検出器、Ａｒｖ…相対速度演算、Ａｃｎ２，Ａｃｎ３…信号線、ｖ２，ｖ３…車両速度、ｒｖ２３…車両相対速度、ｆｂｐ１，ｆｂｐ２…バンドパスフィルタ、ｉｎｔ１，ｉｎｔ２…積分器、Ｋｐ１，Ｋｐ２…比例ゲイン、Ｋｉ１，Ｋｉ２…積分ゲイン、ｂｐｆ…バンドパスフィルタの周波数応答、ｂｐｆｉ…理想的バンドパスフィルタの周波数応答、ｍａｇ，ｍａｇｃ，ｍａｇ２…電動機のトルクを入力とする車両加速度の周波数応答、ｂｐ１…バンドパスフィルタの通過周波数帯域、ｗ１，ｗ２，ｗ３…応荷重信号、ｍａｔ…記憶装置、ｅｉｇＡ…固有値演算、ｒｎｗ…更新情報、ｉｉｒａ，ｉｉｒｂ…ＩＩＲフィルタの係数の組、ｚｉｎｖ…遅れ要素の組、ｏｂｓ１，ｏｂｓ２…状態観測器、ｒｇｇ１，ｒｇｇ２…フィードバックゲイン、ｅｖｌ…評価関数演算、ｓｏｌ…最適なフィードバックゲインを導出する演算部、Ｂｆｅ…モード推定演算部、ＦＴ１，ＦＴ２…スペクトル演算部、ｐｋ…ピーク検出演算部、ＰＳ１，ＰＳ２…パワースペクトル、ｍ１，ｍ２，ｍ３…車両重量、ｋ１，ｋ２…緩衝器のばね定数、ｃ１、ｃ２…緩衝器の減衰定数、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４…フィルタの時定数、ｓ…ラプラス作用素、ＫＰ１，ＫＰ２…比例ゲインの値、ＫＩ１，ＫＩ２…積分ゲインの値、ｚ…１サンプル進み要素、ｈ…ディジタルフィルタの演算周期、ａ０，ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２…フィルタ係数、ＫＲ１，ＫＲ２…ゲインベクトル

Claims (7)

1. 連結手段により連結された複数の車両を有し、前記複数の車両のうち少なくとも一つの車両が駆動手段を有し、前記駆動手段の出力を制御する駆動制御手段を備える電気車の駆動システムにおいて、
   複数の前記車両の相対的な位置の前後振動に係る運動を観測する振動観測手段と、
   前記振動観測手段の出力である運動情報を用いて前記複数の車両の前後振動を抑制するための補正駆動力を求める振動補償器と、
   前記複数の車両の前後振動の周波数特性を状態の変化に応じて随時求める振動演算手段と、
   該振動演算手段が随時求めた周波数特性により前記振動補償器の特性を更新する補償器更新演算手段を備え、
   前記駆動制御手段が前記駆動手段の出力の制御に前記振動補償器が求めた補正駆動力を用いる
   ことを特徴とする電気車の駆動システム。
2. 請求項１に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記駆動手段が電動機であることを特徴とする電気車の駆動システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記振動観測手段が前記複数の車両のうち少なくとも一つの車両の速度を検出する速度検出手段であることを特徴とする電気車の駆動システム。
4. 請求項１または請求項２に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記振動観測手段が前記複数の車両のうち少なくとも一つの車両の加速度を検出する加速度検出手段であることを特徴とする電気車の駆動システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記複数の車両が車両の荷重を検出する応荷重検出手段と、該応荷重検出手段の出力である応荷重信号を前記振動演算手段に伝送する伝送手段を有し、
   前記振動演算手段が前記複数の車両の前後振動の周波数特性を求めるために当該伝送された応荷重信号を用いることを特徴とする電気車の駆動システム。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記振動観測手段の出力である運動情報を前記振動演算手段に伝送する伝送手段を有し、前記振動演算手段が前記複数の車両の前後振動の周波数特性を求めるために当該伝送された運動情報を用いることを特徴とする電気車の駆動システム。
7. 請求項５または請求項６に記載の電気車の駆動システムにおいて、
   前記伝送手段が通信ネットワークであることを特徴とする電気車の駆動システム。

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