JP5457900B2 - 接触力制御方法及び接触力制御装置、並びに、集電装置における接触力制御方法及び接触力制御装置 - Google Patents
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この場合、線状体として電車線が適用され、摺動部材として摺動集電部材が適用される。
これにより、電車線が摩耗している箇所は摩耗量を少なく、電車線が摩耗していない箇所は摩耗量を多くなるように制御できるので、電車線の摩耗量を場所によらず一定にでき、摺動面の平滑化が可能になる。したがって、離線の軽減や摺動音の軽減、局部摩耗量の低減による電車線や摺り板の長寿命化が期待でき、保守費用を削減できる。
また、アクチュエータは、電動駆動のリニア型又はロータリー型が、周波数特性の点で好ましい。ただし、油圧・空圧駆動アクチュエータを使用することもできる。
「接触力を推定するための物理量」の例としては、アクチュエータの出力変位(直線・回転含む)、アクチュエータの入力電流などを挙げることができる。
この場合、線状体として電車線が適用され、摺動部材として摺動集電部材が適用される。
ただし、アクチュエータ又は変位センサの取り付け方法により、符号が反転し、変位量が小となるほど反力制御ゲインが大きくなるという結果もありうる。
変位量が大きいと反力制御ゲインが大きくなり、アクチュエータは接触力の目標値よりも小さい力で接触する。一方、変位量が小さいと反力制御ゲインは小さくなり、アクチュエータは目標値よりも大きい力で接触する。
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る接触力制御装置20を説明する。ここでは、接触力測定装置20で測定される2つの物体が、線状体とこの線状体に接触しながら摺動する摺動部材の場合を説明する。さらには、同装置を電気鉄道に適用した例について説明し、線状体として、第三軌条方式の第三軌条を適用し、線状体に接触しながら摺動する摺動体として、電気車両に設けられた集電靴を適用する。
接触力制御装置20は、集電靴13を第三軌条3の上面に押し当てるリニアアクチュエータ21と、リニアアクチュエータ21への入力電流量を計測するセンサ(電流計)23と、リニアアクチュエータ21の変位量を計測する変位計25と、アクチュエータ21の制御回路27と、各センサ23、25の計測値が入力されるとともにアクチュエータ制御回路27に信号を出力する制御部30と、を備える。
制御部30においては、アクチュエータに入力された電流量とアクチュエータの変位量とから実際の接触力を推定し、推定された接触力をフィードバック制御して目標の電流量を算出する。制御部30は、電流計が測定した電流量と反力推定オブザーバ32により接触力の実際の値を推定し、さらに、現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるようにアクチュエータを制御し、また、誤差補償機能を有する。ここで、接触力推定値をアクチュエータ変位量に応じて変化する反力制御ゲインに基づいて動的に変化させることで、等価的に接触力指令値を接触する物体の凹凸に応じて変化させる効果を持たせている。誤差補償機能は、外乱を補償する外乱オブザーバ部31により達成される。
Fcmd:接触力目標値、
Fdis:外乱力、
F^dis:外乱力の推定値、
Fext:接触力、
F^ext:接触力の推定値、
Cf:力のゲイン、
M:システムの真の質量、
Mn:ノミナル質量、
Ktn:ノミナルな力の係数、
Kt:実際の力の係数、
Iref:目標電流量、
Icmp:補償電流値、
gdis:外乱オブザーバのカットオフ周波数、
greac:反力推定オブザーバのカットオフ周波数、
α:反力制御ゲイン、
s:ラプラス演算子。
図4(A)は、剛体電車線の場合を示す。この場合、アクチュエータ21は、台車11に水平方向に取り付けられており、可動部21aは水平方向に移動する。可動部21aには碍子14を介して集電靴13が取り付けられている。集電靴13はアクチュエータ21によって剛体電車線3の側面に対して水平に押し当てられている。可動部21aの移動量は変位計25で計測される。
図4(B)は、集電装置が図1と同様に第三軌条方式の場合であるが、アクチュエータとしてリニアアクチュエータはなく、ロータリーアクチュエータ71を使用した例を示す。ロータリーアクチュエータ71は台車枠11に取り付けられており、その出力軸71aに碍子14を介して集電靴13が取り付けられている。集電靴13は、ロータリーアクチュエータ71によって第三軌条3の上面に接触するように押し当てられている。ロータリーアクチュエータ71の変位(回転角度)はロータリーエンコーダ75で計測される。この例でも、ロータリーアクチュエータ71へ供給される電流量やロータリーエンコーダ75の計測値は制御部30へ送られて、前述の例と同様に処理される。
Cf:1.00、
Ktn:33.0N/A、
Mn:0.50kg、
gdis、greac:600rad/s。
図5(A)は位置を示すグラフであり、縦軸が位置、横軸が時間を表す。
図5(B)は力を示すグラフであり、縦軸が力、横軸が時間を表す。太線は、計測値、細線は参照線を示す。
図5(C)はゲインを示すグラフであり、縦軸がゲイン、横軸が時間を表す。
5 防護板 7 碍子
11、12 台枠 13 集電靴
14 碍子 15 舟体
16 摺り板 17 トロリ線
20 制御装置 21 アクチュエータ
23 電流計 25 変位計
27 アクチュエータ制御回路
30 制御部 31 外乱オブザーバ部
32 反力推定オブザーバ部
41、42、43、44、45、46、47 加算器
71 ロータリーアクチュエータ 75 ロータリーエンコーダ
81 アクチュエータ 85 変位計
Claims (12)
- 2つの物体の間の接触力の制御装置であって、
前記2つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータの変位量を計測する変位計と、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、
を備え、
該制御手段が、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、
前記変位計で計測した変位量に従って反力制御ゲインを調整し、前記推定部で推定された接触力の推定値に前記反力制御ゲインを乗じて得た反力制御値を減算することにより、前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、及び、
現在における接触力指令値と前記反力制御値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。 - 前記センサで計測された前記アクチュエータへの入力電流と、前記変位計で計測された前記アクチュエータの変位量とから、実際の接触力の推定値を出力する反力推定オブザーバを備えて、該反力推定オブザーバの出力を用いて前記接触力指令値を調整することを特徴とする請求項1記載の接触力制御装置。
- 前記反力推定オブザーバの出力である接触力の推定値と前記反力制御値の比である前記反力制御ゲインを前記アクチュエータの変位量が大となるほど大きくなるように決定することを特徴とする請求項2記載の接触力制御装置。
- 前記アクチュエータにかかる外乱を推定する外乱オブザーバを備え、該外乱オブザーバは、前記アクチュエータの出力の指令値と実際の値の偏差を推定して補償する機能を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の接触力制御装置。
- 前記2つの物体の間の接触力は、線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の接触力の制御装置。
- 前記2つの物体の間の接触力は、電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の接触力の制御装置。
- 2つの物体の間の接触力の制御方法であって、
前記2つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
前記アクチュエータの変位量に従って反力制御ゲインを調整し、前記推定された接触力の推定値に前記反力制御ゲインを乗じて得た反力制御値を減算することにより、前記接触力の指令値を動的に変化させながら、
現在における接触力の指令値と前記反力制御ゲイン値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記アクチュエータを制御することを特徴とする接触力の制御方法。 - 前記センサで計測された前記アクチュエータへの入力電流と、前記アクチュエータの変位量とから、実際の接触力の推定値を出力する反力推定オブザーバを備えて、該反力推定オブザーバの出力で前記接触力の指令値を調整することを特徴とする請求項7記載の接触力制御方法。
- 前記反力推定オブザーバの出力である接触力の推定値と前記反力制御値の比である前記反力制御ゲインを前記アクチュエータの変位量が大となるほど大きくなるように決定することを特徴とする請求項8記載の接触力制御方法。
- 前記アクチュエータにかかる外乱を推定する外乱オブザーバを備え、該外乱オブザーバは、前記アクチュエータの出力の指令値と実際の値の偏差を推定して補償する機能を備えることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の接触力制御方法。
- 前記2つの物体は、線状体と、該線状体に接触しながら摺動する摺動部材であることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の接触力の制御方法。
- 前記2つの物体は、電車線と、電気車両に該電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置であることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の接触力の制御方法。
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