JP4788955B2 - 鉄道車両における操舵用アクチュエータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータによって操舵する構造の鉄道車両において、曲線区間を通過する際に、前記アクチュエータを制御する方法に関するものである。

鉄道車両が曲線区間を通過する時には、車輪の踏面勾配に基づく輪軸の自己操舵機能により、鉄道車両用台車は曲線方向に回転しようとする。この際、曲線半径が小さくなると、車輪径差が十分にとれなくなるので、台車前輪の外軌側車輪のフランジはレール肩部と激しく接触しながら走行する状態となる。この時、台車の前軸はレールに対してアタック角を持つことになって、車輪とレール間に大きな横圧を発生するのと同時に、横方向に大きな滑りが発生する。その結果、きしり音の発生や、横圧によるレールや車輪フランジの摩耗などを引き起こす原因となる。また、横圧の増大による脱線の危険を回避するために、走行速度に制限が加えられる場合もある。

そこで、曲線区間を通過する時の前記問題を解決するための対策として、走行性能を低下させること無く曲線旋回性能の向上を図り、しかも、簡単な装置構成で、メンテナンスも容易に行うことができる操舵技術が、特許文献１で提案されている。
特開２００２−８７２６２号公報

この特許文献１で提案された操舵技術は、車体と車体に対して旋回できる台車の台車枠間にアクチュエータを配置し、車両の走行位置情報により曲線区間に車両が進入したのを検知したときは、次のようにアクチュエータに曲線半径に応じた旋回作動力を付与する。

曲線区間への車両進入を検知後は、曲線情報との照合により曲線の曲率または台車のボギー角（車体と台車間の相対角度）を演算する。そして、その演算値に基づいてアクチュエータ力を付与すべく指令を出し、台車枠の自己操舵を補助して、曲線半径に応じた旋回作動力をアクチュエータに付与する。この操舵技術における制御フローを図１０に示す。

この特許文献１に記載の操舵技術では、曲線半径毎に横圧がゼロになるアクチュエータ力を実験的に求め、そのアクチュエータ力を出力させる制御指令をアクチュエータに与えていた。

しかしながら、前記の制御方法では、アクチュエータ自身が有する摩擦や抵抗を考慮していなかったので、動作に遅れが生じ、またアクチュエータ力が定常状態となる時でも定常偏差が発生するという問題があった。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の鉄道車両操舵時の制御方法では、動作遅れや定常偏差が発生するという点である。

本発明の鉄道車両における操舵用アクチュエータの制御方法は、曲線区間の通過時におけるアクチュエータの動作遅れや定常偏差の発生を防止するために、以下の構成を採用している。

先ず、第１の本発明では、曲線区間の通過時、曲線の曲がり方向に車体と台車間で回転が可能なように、前記回転の方向に対して作用すべく、車体とこの車体の前後に取り付けられた２つの台車のそれぞれの台車枠間に設置した、電気指令で動作するアクチュエータへの指令電圧または指令電流として、あらかじめ測定したアクチュエータ自体の摩擦力Ｆ_cに、前記曲線の曲率の時間的変化である曲率速度、前記車体と台車間の回転時における相対角度の時間的変位であるボギー角速度、前記アクチュエータのストローク速度の何れかの符号を掛け合わせた摩擦抵抗補償量を加えたものを使用することを最も主要な特徴としている。

また、第２の本発明では、曲線区間の通過時、曲線の曲がり方向に車体と台車間で回転が可能なように、台車枠と輪軸との間のヨー角度変位の方向に対して作用すべく、車体とこの車体の前後に取り付けられた２つの台車のそれぞれの台車枠間に設置した、電気指令で動作するアクチュエータへの指令電圧または指令電流として、あらかじめ測定したアクチュエータ自体の摩擦力Ｆ_cに、前記曲線の曲率の時間的変化である曲率速度、台車の前記曲線の曲がり方向の前記ヨー角度の時間的変位であるヨー角度の速度、前記アクチュエータのストローク速度の何れかの符号を掛け合わせた摩擦抵抗補償量を加えたものを使用することを最も主要な特徴としている。

本発明の操舵用アクチュエータの制御方法では、アクチュエータ自身が有する摩擦や抵抗のうちの摩擦抵抗に対する制御補償を行うことで、以下に列挙する効果を得ることができる。

1) 操舵制御時の動作力の発生遅れ、および定常偏差を小さくすることができるので、その結果、曲線区間通過時の先頭輪軸の外軌側に発生する横圧を低減できる。これにより、きしり音や振動・騒音の低減、車輪フランジ摩耗の低減による性能向上が図れる。

2) アクチュエータのストロークセンサーを設置しなくても曲線区間通過時の応答遅れを補償できるので、低コストで信頼性の高いアクチュエータが実現できる。

3) アクチュエータの摩擦抵抗の補償は、後述のように曲線の曲率、車体と台車間の回転角又は台車枠と輪軸間のヨー角度、アクチュエータの速度の方向の何れか一つがわかれば補償制御が可能であるため、単純で低コスト・高信頼の制御装置が実現できる。

以下、本発明の完成に至る新しい着想から従来の問題を解決するまでの経緯と共に、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面に示す例に基づいて説明する。

発明者等は、電圧指令値に比例したトルクを発生するＡＣサーボモータの回転運動を直動シリンダ変位に変換する、鉄道車両における操舵用アクチュエータの動作を妨げる要因について分析した。

その結果、(a) 摩擦抵抗、(b) 粘性抵抗、(c) 内部質量による慣性抵抗の３つが、操舵用アクチュエータの動作を妨げる主な抵抗要因であることが明らかとなった。なお、このうち、粘性抵抗は移動速度に比例した抵抗、内部質量による慣性抵抗は移動加速度に比例した抵抗である。

これらの抵抗要因のうち、(b)の粘性抵抗はアクチュエータの動作速度が速いときに大きな抵抗となる。また、(c)の慣性抵抗も同様に動作加速度が速いときに大きくなる。これに対して、(a)の摩擦抵抗は動作速度に関係なく抵抗として作用する。
一方、鉄道車両の操舵用アクチュエータは、ゆっくりした低速、低加速の作動である。

これらのことから、鉄道車両の操舵用アクチュエータでは、動作速度に関係なく抵抗として作用する(a)の摩擦抵抗が、前記３つの抵抗要因のうちでは動作を妨げる主な抵抗要因であると推察できる。従って、発明者等は、この摩擦抵抗を主体とした補償制御を行うことで、制御性能の向上が見込めると考えた。

鉄道車両の操舵用アクチュエータでは、前述のように摩擦抵抗、粘性抵抗や内部質量による慣性抵抗の影響を受ける。従って、そのような要素のモデル化を行うにあたり、発明者等は以下の数式１を仮定した。

また、発明者等は、前記アクチュエータを図１のようにモデル化し、その作動ロッドの先端にロードセルを取り付けてアクチュエータ動作指令に対する出力特性を測定した。

これに対して、アクチュエータの応答遅れに支配的な摩擦抵抗のみを補償する制御を考えて制御則を下記数式２のようにすると、前記図１のようにモデル化した単体試験で摩擦力Ｆ_cを測定しておけば、実際の制御ではストローク速度の符号がわかれば容易に制御できる。

ここで、実際の鉄道車両が曲線区間を通過する時の、曲線の曲率ρ、台車のボギー角ψ_bogie、アクチュエータのストローク変位ｘと時間ｔとの関係は、図２に示すような線図になる。そして、この図２に対してそれぞれの速度の方向を演算すると図３に示したような線図になる。

ところで、一般に鉄道車両が曲線区間を通過する場合には、曲線の曲率ρ、台車のボギー角ψ_bogie、アクチュエータのストローク変位ｘは、およそ下記数式３のようになると経験的にいえる。

以上より、曲線の曲率、または台車のボギー角の時間的変化、またはアクチュエータのストローク速度変化がわかっており、それらの符号を計算できれば、アクチュエータの摩擦抵抗補償を考慮した制御則は、下記数式４のようになる。そして、この制御則を用いれば鉄道車両の曲線通過に特化した摩擦補償制御が可能になる。

ちなみに、図４は、モデル化した図１のアクチュエータの両端を治具で拘束した状態で、目標とするアクチュエータの発生力Ｌ_dに対する制御系ごとの追従特性を比較した図である。

図４の制御目標（太い実線）に対して、補償制御を行わない従来制御（数式４の右辺第１項のみの場合。破線）は、目標値に対して追従が遅れ、また定常状態における偏差が発生している。この偏差は±１．５kＮ程度の幅で、摩擦抵抗が存在することに起因するものである。

これに対して、本発明のように数式４の右辺第２項の摩擦抵抗補償を行うＦＦ制御（想像線）を実施した場合には、過渡的な目標値に対する追従の遅れが改善されている。ただし、定常状態でのアクチュエータ力が目標値よりも大きくなって突っ張りをゼロにすることができない。しかしながら、さらに右辺第３項のＦＢ制御（実線）を実施すると、遅れ、定常偏差ともなくなり、目標値に良好に追従している。

本発明の鉄道車両用操舵アクチュエータの制御方法は、前記新たな着想に基づく知見や実験に基づいてなされたもので、第１の本発明は、曲線区間の通過時、曲線の曲がり方向に車体と台車間で回転が可能なように、前記回転の方向に対して作用すべく、電気指令で動作するアクチュエータを、車体とこの車体の前後に取り付けられた２つの台車のそれぞれの台車枠間に設置した鉄道車両に適用するものである。

そして、その内容は、アクチュエータのサーボアンプへの指令電圧として、あらかじめ測定しておいたアクチュエータ自体の摩擦力Ｆ_cに、曲線の曲率の時間的変化である曲率速度、台車のボギー角の時間的変位であるボギー角速度、アクチュエータのストローク速度の何れかの符号を掛け合わせた摩擦抵抗補償量を加えたものを使用するものである。

すなわち、車両の走行位置情報により曲線区間に車両が進入したのを検知したときは、先ず曲線情報との照合により曲線の曲率または台車のボギー角を演算する。そして、その演算値に基づいてアクチュエータ力を付与すべく出す指令に、本発明では、曲率速度、台車のボギー角速度、アクチュエータのストローク速度の何れかの符号を、前記摩擦力Ｆ_cに掛け合わせた摩擦抵抗補償量を加えるのである。
この本発明の操舵技術における制御フローを図５に示す。

ところで、車両が曲線区間に進入したことの検知手段や、曲線路の曲線半径の検知手段は特に規定されるものではなく、既存の構造のものを採用すればよい。例えば、(1)曲線区間通過時の台車のボギー角度（回転角度は曲線の曲率に比例する）を測定するものや、(2)曲線区間の入口と出口の軌道側に設置したＩＤタグを車上のトランスポンダで検知することで曲線を検知するものなどである。

また、検知器による曲線区間の進入検知や曲線半径の検知に代えて、先頭車両に搭載した制御装置に、予め走行路線の軌道管理情報（地点、曲線半径、曲線の方向など）を記憶させておき、実際の走行距離から走行位置情報を取り出し、車両が現在走行している位置の曲線半径、走行方向を計算し、その計算結果に基づいて各アクチュエータへの旋回作動力を制御するようにしても良い。

本発明は、曲線区間の通過時、曲線の曲がり方向に車体と台車間で回転が可能なように、台車枠と輪軸との間のヨー角度変位の方向に対して作用すべく、電気指令で動作するアクチュエータを、車体とこの車体の前後に取り付けられた２つの台車のそれぞれの台車枠間に設置した鉄道車両においても適用できる。

ただし、この場合は、アクチュエータのサーボアンプへの指令電圧として、あらかじめ測定されたアクチュエータ自体の摩擦力Ｆ_cに、曲線の曲率の時間的変化である曲率速度、台車の前記曲線の曲がり方向の前記ヨー角度の時間的変位であるヨー角度の速度、アクチュエータのストローク速度の何れかの符号を掛け合わせた摩擦抵抗補償量を加えたものを使用する。これが、第２の本発明である。

発明者等は、本発明の制御方法を実施することにより、アクチュエータの目標発生力に実際の発生力がどの程度良好に追従しているのかの検証を、特公平３−７１６５５号に開示された台車試験機を用いて実施した。検証に用いた台車試験機は、実体台車を用いて、曲線走行を模擬できる試験装置であり、また、使用に供した車体は、特許文献１で開示された図６に示した構造の半車体である。なお、図６中の１は台車枠、２は車体、３は輪軸、４は操舵用のアクチュエータ、５は曲線区間の外軌側レールを示す。

図７〜図９は、曲率半径が２４０ｍ、走行速度が時速２５kｍの条件で曲線模擬走行試験を行った結果を示したもので、（ａ）図はアクチュエータの目標発生力と実際の発生力を表した線図、（ｂ）図はレールと先頭輪軸の車輪間に発生する横力を表した図である。

図７は、曲率についての考慮もなく、補償制御も行わない場合の結果を表したものである。この場合は、アクチュエータの目標発生力に対して追従が遅れ、また、定常状態における偏差が発生している（ａ図）。また、先頭輪軸における車輪とレール間に発生する横力（横圧）は、内軌側に対して外軌側が大きな値となっている（ｂ図）。

図８は、曲率についての考慮だけで、補償制御を行わない特許文献１で開示された制御を実施した場合の結果を表したものである。この場合は、図７に比べて改善されてはいるものの、アクチュエータの目標発生力に対して追従の遅れが見られ、また、定常状態における偏差も発生している（ａ図）。そして、その結果、曲線区間の入口で、横圧が発生している（ｂ図）。

図９は、曲率についての考慮と共に、摩擦抵抗の補償制御とアクチュエータ力フィードバック制御（ＦＦ制御＋ＦＢ制御）を行った本発明制御を実施した場合の結果を表したものである。この場合は、アクチュエータの目標発生力に対応したアクチュエータ力が発生し追従の遅れも見られない（ａ図）。そして、その結果、曲線区間の入口での横圧が低減している（ｂ図）。

このように、特許文献１で開示された図６に示した構造の半車体を用いた曲線模擬走行試験の結果、図７〜９に示すように、摩擦抵抗補償制御を導入することで、アクチュエータの動作遅れと定常偏差が小さくなり、曲線入口での横圧低減効果が得られた。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において適宜変更可能なことは言うまでもない。

たとえば本発明の制御方法は、図６に示したような２軸台車を備えたものに限らず、１軸台車を備えたもの、或いは連接台車を備えたものでも良い。また、以上の説明ではアクチュエータの指令電圧を変更するものについて説明したが、アクチュエータの指令電流を変更しても良いなどである。

以上の本発明は、鉄道車両における操舵用アクチュエータの制御に限らず、電気指令で動作するアクチュエータであれば、他の用途に使用するものにも適用できる。

アクチュエータをモデル化した図である。 曲線通過時の曲線の曲率ρ、台車のボギー角ψ_bogie、アクチュエータのストローク変位ｘを時間との関係で示した図である。 曲線通過時の曲線の曲率ρ、台車のボギー角ψ_bogie、アクチュエータのストローク変位ｘそれぞれの速度の方向を演算して示した図である。 モデル化した図１のアクチュエータの両端を治具で拘束した状態で、目標とするアクチュエータの発生力Ｌ_dに対する制御系ごとの追従特性を比較した図である。 本発明の操舵技術における制御フローの一例を示した図である。 曲線模擬走行試験に使用した特許文献１で開示された構造の半車体を示した図である。 アクチュエータ制御なしで曲線模擬走行試験を行った結果を示したもので、（ａ）図はアクチュエータの目標発生力と実際の発生力を表した線図、（ｂ）図はレールと先頭輪軸の車輪間に発生する横力を表した図である。 図７と同様の図で、特許文献１で開示された制御を実施した場合の図である。 図７と同様の図で、本発明の制御を実施した場合の図である。 特許文献１で開示された操舵技術における制御フローの一例を示した図である。

符号の説明

１ 台車枠
２ 車体
３ 輪軸
４ アクチュエータ
５ 外軌側レール

Claims (2)

1. 曲線区間の通過時、曲線の曲がり方向に車体と台車間で回転が可能なように、前記回転の方向に対して作用すべく、車体とこの車体の前後に取り付けられた２つの台車のそれぞれの台車枠間に設置した電気指令で動作する操舵用アクチュエータを制御する方法であって、
   アクチュエータへの指令電圧または指令電流として、
   あらかじめ測定したアクチュエータ自体の摩擦力Ｆ_cに、前記曲線の曲率の時間的変化である曲率速度、前記車体と台車間の回転時における相対角度の時間的変位であるボギー角速度、前記アクチュエータのストローク速度の何れかの符号を掛け合わせた摩擦抵抗補償量を加えたものを使用することを特徴とする鉄道車両における操舵用アクチュエータの制御方法。
2. 曲線区間の通過時、曲線の曲がり方向に車体と台車間で回転が可能なように、台車枠と輪軸との間のヨー角度変位の方向に対して作用すべく、車体とこの車体の前後に取り付けられた２つの台車のそれぞれの台車枠間に設置した電気指令で動作する操舵用アクチュエータを制御する方法であって、
   アクチュエータへの指令電圧または指令電流として、
   あらかじめ測定したアクチュエータ自体の摩擦力Ｆ_cに、前記曲線の曲率の時間的変化である曲率速度、台車の前記曲線の曲がり方向の前記ヨー角度の時間的変位であるヨー角度の速度、前記アクチュエータのストローク速度の何れかの符号を掛け合わせた摩擦抵抗補償量を加えたものを使用することを特徴とする鉄道車両における操舵用アクチュエータの制御方法。

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