JP6048264B2 - 各輪独立駆動台車の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車輪（４輪ないし複数輪）の各輪が独立して回転する各輪独立駆動台車に係り、特に、車輪が空転状態，滑走状態であることを検知した場合における空転・滑走再粘着制御および各輪協調制御に関する。

従来の鉄道車両駆動用台車は左右の車輪が軸で結合されており、１つの電動機により左右車輪を一括して駆動する構成を採るのが一般的であった。この構成では左右の車輪回転角速度が一致するが、曲線通過時はレール長の差により曲線の内側と外側で進行距離が異なる。このレール長の差の影響を吸収するために、レールと接触する車輪踏面に勾配を付けて、接触位置における車輪回転半径が曲線内側で小さく、曲線外側で大きくなるようにしている。

しかしながら、急曲線になると上記の踏面勾配のみではレール長の差を吸収できずに、車輪のフランジ接触やレールとのすべりを引き起こす。その結果、振動，騒音，レール・車輪の磨耗を増大させる。

それに対し、左右車輪間の結合軸をなくして各輪に電動機を設置し、それぞれ独立に回転駆動させることが可能な各輪独立駆動台車の構成が検討されている。この各輪独立駆動台車は、左右車輪回転角速度を個別の電動機で任意に制御できるため、曲線通過時の走行性能向上とともに、結合軸をなくすことによる低床化・省スペース化が期待できる。

一方で、各輪の電動機を協調して制御しなければスムースな走行ができない恐れもあり、その制御手法が重要な課題となる。特許文献１および特許文献２では、各輪の回転角速度を検出し、前輪左右と後輪左右のそれぞれで左右の回転角速度差を求め、左右の回転角速度差が任意の値となるように制御する方式を提案している。例えば、直線通過時は左右の回転角速度差がゼロとなるように制御することで、従来の結合軸がある構成と同様に左右の回転角速度を一致させ、直線走行時の安定性を向上させている。

また、曲線通過時は曲線半径に応じて任意の左右の回転角速度差を持つように角速度制御を行い、その結果生じる補正卜ルクを駆動トルクに加算・減算して円滑な走行を可能としている。

また、空転・滑走再粘着については、従来の台車構成において数多くの方法が提案されている（特許文献３，４参照）。

図６は、各輪協調制御を行うための回転角速度制御システム１１の一例を示す構成図である。回転角速度制御システム１１は、回転角速度指令値変換部４において運転手の操作から得られるノッチトルク指令Ｔ_notch ^*に基づき台車枠内における車輪の回転角速度指令値ω^*に変換する。さらに、回転角速度指令値補正部５において、その回転角速度指令値ω^*を、曲線半径Ｒに基づき各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*に変換する。そして、回転角速度制御器６ａ〜６ｄにおいて、各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*と各輪の回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRとの偏差により、回転角速度フィードバック制御を行い、モータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*，Ｔ_RL ^*，Ｔ_RR ^*を算出している。

回転角速度指令値変換部１１では、ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*から回転角速度指令値ω^*に変換する処理を行う。変換には、例えば下記（１）式を用いる。なお、下記（１）式は車軸取付の場合の回転角速度指令値ω^*を示しているが、モータ取付の場合はギア比を適宜換算すればよい。

前記各輪の回転角速度制御器６ａ〜６ｄで算出された各輪のモータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*，Ｔ_RL ^*，Ｔ_RR ^*は各輪の駆動装置に送信し、各モータを駆動する。

以上、「特許文献１：請求項３」と同等の基本的な機能について説明した。上記のように曲線等の路面状況に応じて各輪のモータを協調制御することで円滑な走行を目指 している。

特開平８−２４２５０６号公報 特開平９−２３３６１３号公報 特開１９９９−２５２７１６号公報 特開平７−２１５２２９号公報

しかしながら，上記特許文献１には空転・滑走再粘着方法が記載されておらず、この各輪独立駆動台車特有の課題となる空転・滑走現象の対応策が検討されていない。

再粘着制御の手法としては、図７に示すような構成で再粘着を図るのが一般的である 。

この方式は、空転未検知の粘着状態においては、ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*に従って加減速を行うための制御を行いモータ入力トルク指令値Ｔ_m ^*とするフィードバック制御系となっている。空転・滑走状態を検知した場合には，モータ入力トルク指令値Ｔ_m ^*を、トルクを絞るための再粘着制御トルクＴ_patternに切り替える。空転・滑走時にはモータＭに対してフィードフォワードトルクが入力される形になる。

このとき、回転角速度制御システム１１として従来技術で示した図６の制御方式を用いると、走行中に空転検知システム７で一度空転を検知して再粘着制御トルクＴ_patternを出力してから、もう一度ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*の回転角速度制御を行う場合に問題が生じる。

すなわち、図６に示す回転角速度指令値変換部４では、ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*から変換した回転角加速度指令を積分器に入力し、回転角速度指令値ω^*を算出している。そして、回転角速度制御システム１１が働かない再粘着制御トルクＴ_patternをモータ入力トルク指令Ｔ_m ^*として出力している間にも、積分器は回転角速度指令値ω^*を出力し続けている。そのため、空転・滑走検知信号ｓｌｉｐが粘着状態の信号となりモータ入力トルク指令値Ｔ_m ^*が回転角速度制御システム１１の出力トルクとなったときに、実際の各輪の回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRと各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*に大きな偏差が生じることとなる。その偏差をなくすために実際には入力していないノッチトルク指令Ｔ_notch ^*以上の加速度（滑走の場合は滅速度）でモータＭが回転してしまうことが考えられる。ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*以上の加速度は危険である。実際に問題が生じる場合の波形を図８に示す。

図８は直線走行中に、レール最大摩擦係数が両レール低下した場合の挙動を示すグラフである。

時刻Ａまでは、レール最大摩擦係数は十分に大きいため車輪の回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRと回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*の偏差は加速トルク入力分のみである。

時刻Ａでレール最大摩擦係数が低下した場合には空転検知フラグが立ち、モータ入力トルク指令値Ｔ_m ^*は再粘着制御トルクＴ_patternに切り換わる。時刻Ａ‐Ｂ間の再粘着制御トルクＴ_patternでは、トルクを絞った後、空転状態から復帰するためノッチトルク指令Ｔ_notch ^*へ向かってトルクを上げていく。しかし、レールの最大摩擦係数は小さいままであり、すべり率が再び上昇するため再度トルクを絞る。そのため、再粘着制御トルクＴ_patternでは、図８に示すように、トルクの上げ下げを繰り返す。

時刻Ｂでレール最大摩擦係数は復帰する。しかし、路面状態の推定はできないため、時刻Ｃまでの一定時間は空転検知フラグを立てたままとしている。

図８に示すように、空転した時刻Ａから時刻Ｃまでの間、回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*と回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRの偏差は徐々に大きくなっていることがわかる。

時刻Ｃで、回転角速度制御システム１１の出力トルクがモータ入力トルク指令値Ｔ_m ^*として出力される。このときに回転角速度制御器６ａ〜６ｄの入力である回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*，ω_RL ^*，ω_RR ^*と回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRとの偏差が大きいため、偏差を０とするようなモータ入力トルク指令値Ｔ_m ^*が電動機Ｍに入力され、車輪が急加速をしてしまっている。

以上示したようなことから、各輪協調制御および再粘着制御を用いた各輪独立駆動台車の制御装置において、再粘着制御と回転角速度制御との切換時における車輪の急加速・急減速を抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、各車輪をそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、車輪の空転・滑走状態を検知する空転・滑走検知部と、ノッチトルク指令から台車枠内における車輪の回転角速度指令値を算出する回転角速度指令値変換部と、前記台車枠内における車輪の回転角速度指令値を曲線半径に基づいて各輪の回転角速度指令値に補正する回転角速度指令値補正部と、前記各輪の回転角速度指令値と各輪の回転角速度検出値との偏差に基づき回転角速度制御を行い、トルク指令を出力する回転角速度制御器と、台車枠内における車輪のうち少なくとも一つが空転・滑走状態の場合は、再粘着制御トルクをモータ入力トルク指令値として出力し、台車枠内における車輪が全て粘着状態の場合はトルク指令値をモータ入力トルク指令値として出力する切換器と、を備え、前記回転角速度指令値変換部は、台車枠内における車輪のうち少なくとも一つが空転・滑走状態の場合は、台車枠内における車輪の回転角速度平均値を台車枠内の車輪の回転角速度指令値として出力することを特徴とする。

また、前記回転角速度指令値変換部は、台車枠内における車輪が全て粘着状態の場合は、ノッチトルク指令を回転角加速度に変換し、この回転角加速度を積分した値を台車枠内における車輪の回転角速度指令値として出力しても良い。

さらに、前記回転角速度制御器はＰＩＤ制御器から成り、台車枠内における車輪のうち少なくとも一つが空転・滑走状態の場合は、積分器をリセットしても良い。

本発明によれば、各輪協調制御および再粘着制御を用いた各輪独立駆動台車の制御装置において、再粘着制御と回転角速度制御との切換時における車輪の急加速・急減速を抑制することが可能となる。

実施形態における各輪独立駆動台車の制御装置を示す構成図である。 実施形態における各輪モータ制御装置を示す構成図である。 実施形態における回転角速度指令値変換部を示す構成図である。 レール，軌間，曲線半径Ｒを示す図である。 実施形態における各輪独立駆動台車の各動作波形を示すグラフである。 従来における回転角速度制御システムの一例を示す構成図である。 一般的な再粘着制御システムを示す構成図である。 従来の再粘着制御システムの各動作波形を示すグラフである。

［実施形態］
本実施形態における各輪独立駆動台車の制御装置を図１に基づいて説明する。本実施形態における各輪独立駆動台車の制御装置は、各輪モータ制御装置１と、各車輪の駆動装置２ａ〜２ｄと、を備える。

各輪モータ制御装置１は、運転手の操作から得られるノッチトルク指令Ｔ_notch ^*を基に，各駆動装置２ａ〜２ｄにモータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*，Ｔ_RL ^*，Ｔ_RR ^*を送信する。各駆動装置２ａ〜２ｄでは、例えばインバータ装置を用いてベクトル制御などを行い、所望のトルクが得られるようにモータＭａ〜Ｍｄを制御する。また、各輪のモータＭａ〜Ｍｄには回転角速度検出器３ａ〜３ｄが設けられており、その回転角速度検出器３ａ〜３ｄにより検出される回転角速度検出値ω_FL，ω_FR，ω_RL，ω_RRは各輪モータ制御装置１に送信される。

図２は、本実施形態における各輪モータ制御装置１を示す構成図である。図２では前方左右輪に対する構成のみを示しているが、後方左右輪に対しても同様に構成されている。

本実施形態における各輪モータ制御装置１は、回転角速度制御システム１１と、空転検知システム１７と、切換器１２と、を備えている。

回転角速度制御システム１１はノッチトルク指令Ｔ_notch ^*に基づきトルク指令Ｔ_FL，Ｔ_FRを算出する。

空転検知システム１７は、回転角速度検出値ω_FL，ω_FRに基づいて、各車輪の空転・滑走状態を検知し、空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ＿_FL，ｓｌｉｐ＿_FRを出力する。なお、空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ＿_FL，ｓｌｉｐ＿_FRは、粘着状態で「０」、空転・滑走状態で「１」を出力するフラグである。空転・滑走を検知する方法としては、例えば、車両速度（車両全体を代表する並進速度の推定値）情報と、回転角速度検出値ω_FLに車輪ノミナル半径ｒを乗じた車輪並進速度ｒω_FLと、の差を車両速度情報で除算してすべり率を算出し、このすべり率が所定の閾値以上かつ、所定時間以上継続した場合、空転・滑走状態として検知する方法が挙げられる。

切換器１２は、空転検知システム１７から空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}を入力し、台車枠内における車輪の空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}が全て「０」（粘着状態）の場合は、トルク指令Ｔ_FL，Ｔ_FRをモータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*として出力し、台車枠内における車輪の空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}のうち少なくとも一つが「１」（空転・滑走状態）の場合は、再粘着制御トルクＴ_patternをモータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*として出力する。

再粘着制御トルクＴ_patternを算出する方法としては、例えば、モータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*および回転角速度検出値ω_FL，ω_FRから負荷トルク推定値を推定し、この負荷トルク推定値のうち絶対値の最小値（滑走時には最大値）を次回の空転・滑走検知するまでラッチし、このラッチした負荷トルク推定値に補正定数ａ（ａ＝０〜１）を乗算する方法が挙げられる。

また、負荷トルク推定値を推定する方法としては、例えば、回転角速度検出値ω_FL，ω_FRに車輪＋モータ回転子の慣性モーメントを乗算して擬似微分し、モータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*から擬似微分した値を減算する方法が考えられる。

図２の回転角速度制御システム１１では、図６と同様に、回転角速度指令値変換部１４において、運転手の操作から得られるノッチトルク指令Ｔ_notch ^*から基本となる台車枠内における車輪の回転角速度指令値ω^*に変換する。

ただし、回転角速度指令値変換部１４には空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}と回転角速度検出値ω_FL，ω_FRが入力されている。

図３は、回転角速度指令値変換部１４の詳細を示す 構成図である。

回転角速度指令値変換部１４は、最大値選択部２１と、平均値演算部２２と、回転角加速度変換部２３と、積分器２４と、切換器２５と、を備える。

回転角加速度変換部２３は、ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*を回転角加速度α_notchに変換する。この回転角加速度α_notchは、積分器２４において積分され、台車枠内における車輪の回転角速度指令値ω^*として出力される。

最大値選択部２１は、空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}の最大値を選択し、その最大値を積分器初期値プリセット指令として出力する。なお、図２，３は前方左右輪についてのみ示しているが、台車枠内に４つの動輪があるような場合おいては、４輪のうちの最大値を出力する。つまり、台車枠内の動輪で一車輪でも空転していた場合には積分器初期値プリセット指令は「１」となる。

平均値演算部２２は、回転角速度検出値ω_FL，ω_FRの平均値を演算し回転角速度平均値ω_aveを求める。回転角速度平均値ω_aveも空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}と同様に台車枠内に４つの動輪がある場合においては４輪全ての平均値とする。

出力された回転角速度平均値ω_aveは積分器初期値プリセット指令が「０」の場合には積分器２４に対して働かずに、「１」となった場合に積分器２４の出力を回転角速度平均値ω_aveへとプリセットする。

次に、回転角速度指令値補正部１５において、その車輪回転角速度指令値ω^*を各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*に変換する。

回転角速度指令値補正部１５では、両レール軌間中心基準の曲線半径Ｒ（左カーブを正とする）に応じて回転角速度指令値ω^*を各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*に補正する。車輪踏面とレールの接触位置における車輪回転半径Ｒのリアルタイム計測は困難なため、ここではノミナル値を使用している。図４は、レール，軌間，曲線半径Ｒを定義したものである。曲線通過時は、内側レールと外側レールでレール長の差が生じるため、下記（２）式に基づいて各輪（左右）の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*に補正する。

前記（２）式は、図４の曲線半径Ｒと軌間距離２ｂの情報から内側と外側のレールの進行距離の差を求めて、各輪（左右）の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*を導いたものである。

各輪の回転角速度制御器１６ａ，１６ｂでは、前記（２）式より求めた各輪の回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*と回転角速度検出値ω_FL，ω_FRの偏差を取り、ＰＩＤ制御等による一般的なフィードバック制御を行う。これにより、回転角速度が所望の値となるトルク指令値Ｔ_FL，Ｔ_FRが生成される。

なお、回転角速度制御器１６ａ，１６ｂのＰＩＤ制御ゲインは、車両走行の安定性と性能改善のために、車両状態（車両速度や曲線半径情報Ｒ）に応じて、ゲインスケジューリングされるのが一般的である。

また、図２では回転角速度制御システム１１の回転角速度制御器１６ａ，１６ｂに空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}が入力されているが、空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}は回転角速度制御器１６ａ，１６ｂの積分器をリセットすることに用いる。再粘着制御中は回転角速度制御器１６ａ，１６ｂから出力されるトルク指令値Ｔ_FL，Ｔ_FRはモータ入力トルク指令値クＴ_FL ^*，Ｔ_FR ^*として用いないため回転角速度制御器１６ａ，１６ｂの積分器はリセットすることとしている。

実施形態における各輪独立駆動台車の制御装置の作用効果を図５に基づいて説明する。図５は直線通過中に両レールの最大摩擦係数が低下し、その後復帰する場合を示している。

時刻Ａまでは、レール最大摩擦係数は十分に大きいため回転角速度検出値ω_FL，ω_FRと、回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR＊との偏差は加速トルク入力分のみである。

時刻Ａでレール最大摩擦係数が低下した場合には、空転検知フラグが立ち、モータ入力トルク指令値Ｔ_m ^*は再粘着制御トルクＴ_patternに切り換わる。時刻Ｂでレール最大摩擦係数は復帰する。しかし、路面状態の推定はできないため、時刻Ｃまでの一定時間は、空転検知フラグを立てたままとしている。

そして、時刻Ｃで空転検知フラグが降りたとき、モータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*を再粘着制御トルクＴ_patternからトルク指令値Ｔ_FL，Ｔ_FRに切り換える。

本実施形態を適用することにより、時刻Ｃで再粘着制御トルクＴ_patternからトルク指令値Ｔ_FL，Ｔ_FRへと切り換わる際に、従来技術で生じていた急な加速が起こっていないことがわかる。この理由は、再粘着制御トルクＴ_patternを出力している間は、空転・滑走検知信号ｓｌｉｐ_{_FL}，ｓｌｉｐ_{_FR}が「１」であり、回転角速度指令値変換部１４における積分器２４の出力を回転角速度平均値ω_aveにしているため、回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*と回転角速度検出値ω_FL，ω_FRとの偏差が大きくなることを抑制できているためである。

時刻Ｃでモータ入力トルク指令値Ｔ_FL ^*，Ｔ_FR ^*が一度０になっている理由は、回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*と回転角速度検出値ω_FL，ω_FRの偏差が小さく、ノッチトルク指令Ｔ_notch ^*で加速している場合の偏 差と異なるためである。しかし、問題点（図８）で生じていた回転角速度指令値ω_FL ^*，ω_FR ^*と回転角速度検出値ω_FL，ω_FRとの偏差よりも小さく急加速や急減速に繋がる偏差ではないため、本実施形態では問題としていない。

以上示したようなことから、各輪独立駆動台車において，４輸ないし複数輪の回転角速度・トルクを協調制御している際に、路面や運転状況によって発生する可能性がある空転・滑走現象を効果的に抑制し、レール／車輪の摩耗，車両の駆動／制動力低下を抑制して、安定かつ円滑な走行を実現することが可能となる。

１…各輪モータ制御装置
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…各輪の駆動装置
３ａ〜３ｄ…回転角速度検出器
４，１４…回転角速度指令値変換部
５，１５…回転角速度指令値補正部
６ａ〜６ｄ，１６ａ，１６ｂ…回転角速度制御器
７，１７…空転検知システム
１１…回転角速度制御システム
１２，２５…切換器
２１…最大値選択部
２２…平均値演算部
２３…回転角加速度変換部
２４…積分器

Claims (2)

1. 各車輪をそれぞれ独立して駆動制御する各輪独立駆動台車の制御装置であって、
   車輪の空転・滑走状態を検知する空転・滑走検知部と、
   ノッチトルク指令から台車枠内における車輪の回転角速度指令値を算出する回転角速度指令値変換部と、
   前記台車枠内における車輪の回転角速度指令値を曲線半径に基づいて各輪の回転角速度指令値に補正する回転角速度指令値補正部と、
   前記各輪の回転角速度指令値と各輪の回転角速度検出値との偏差に基づき回転角速度制御を行い、トルク指令を出力する回転角速度制御器と、
   台車枠内における車輪のうち少なくとも一つが空転・滑走状態の場合は、再粘着制御トルクをモータ入力トルク指令値として出力し、台車枠内における車輪が全て粘着状態の場合はトルク指令をモータ入力トルク指令値として出力する切換器と、を備え、
   前記回転角速度指令値変換部は、台車枠内における車輪のうち少なくとも一つが空転・滑走状態の場合は、台車枠内における車輪の回転角速度検出値の平均値である回転角速度平均値を台車枠内の車輪の回転角速度指令値として出力し、台車枠内における車輪が全て粘着状態の場合は、ノッチトルク指令を回転角加速度に変換し、この回転角加速度を積分した値を台車枠内における車輪の回転角速度指令値として出力することを特徴とする各輪独立駆動台車の制御装置。
2. 前記回転角速度制御器はＰＩＤ制御器から成り、
   台車枠内における車輪のうち少なくとも一つが空転・滑走状態の場合は、ＰＩＤ制御器の積分器をリセットすることを特徴とする請求項１記載の各輪独立駆動台車の制御装置。

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