JP6076186B2 - ブレーキ制御装置およびブレーキ制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、ブレーキ制御装置およびブレーキ制御方法に関する。

多くの鉄道車両のブレーキ制御装置の制御単位は、車両または台車ごとであるため、車両速度に応じて、車両または台車の全ての車軸のブレーキ力が一律に設定される。そのため、複数の車軸において、車軸に取り付けられた車輪とレールとの間の摩擦係数にばらつきがある場合には、一部の車軸において車輪の回転運動が並進運動に比べて大きく減速する滑走が生じる。滑走がさらに進み、回転運動が停止した状態で並進運動が続く固着の状態になると、車輪が損傷する可能性がある。そこで、各台車または各車軸について、基準軸との軸速度の差に基づいて滑走が生じているか否かを判断し、滑走していると判断した場合にブレーキ装置において作動させるブレーキ力を低減する滑走制御が行われている。

車輪の損傷に関して、特許文献１には、各車軸における、制輪子摩擦力、車輪の半径、車輪の慣性モーメント、編成車両の速度、車軸の回転速度、およびレールと車輪との間の滑り速度に基づき、車輪損傷量を算出する方法が開示されている。

非特許文献１に開示されるブレーキシステムは、制動による実際の減速度をブレーキ制御装置で検知し、実際の減速度とブレーキ指令との差をもとにしたフィードバック制御、および、むだ時間の補償を行い、新たに制御ブレーキ指令を生成し、ブレーキ制御装置に送る。該ブレーキ制御装置は、制御ブレーキ指令に基づき各車両の荷重に応じた必要ブレーキ力を算出する。

特開２００５−１８９１４３号公報

南京政信、中澤伸一、野中俊昭、吉川広、「減速度フィードバック機能を備えたブレーキシステムの開発」、鉄道総研報告、公益財団法人鉄道総合技術研究所、２００９年４月、第２３巻、第４号、ｐ．４１−４６

多くの鉄道車両のブレーキ制御装置においては、車両または台車ごとにブレーキ指令を算出するブレーキ制御とは独立して、各車軸のブレーキ装置において作動させるブレーキ力を制御する滑走制御を行うため、滑走制御弁などの滑走制御装置が各車軸に設けられていた。ブレーキ制御と滑走制御が独立して行われているため、それぞれの制御が補完されず、滑走時にはブレーキ力が低減され、制動距離が延伸してしまう。また中継弁の出力の滑走制御のために設ける滑走制御弁が大きいため、装置が大きくなってしまうという課題があった。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、より簡易な構成でブレーキ制御および滑走制御を行い、制動距離の延伸を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のブレーキ制御装置は、変換部、演算部、および制御演算部を備える。変換部は、車両の減速度の指令値を含むブレーキ指令から車軸のそれぞれについて、必要ブレーキ力を演算する。演算部は、車軸のそれぞれについて、車輪の角加速度を取得し、車輪の角加速度、車輪の慣性モーメントおよび車輪の半径に基づき、ブレーキを作動させることにより車輪に生じる力に相当する実ブレーキ力を演算する。制御演算部は、車軸のそれぞれについて、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差に基づいて、滑走が生じているか否かを判断し、滑走が生じていないと判断した場合であって、実ブレーキ力と、車輪の慣性モーメントおよび車両の減速度の指令値の乗算結果を車輪の半径で除算して算出した基準値と、の差が閾値以上である場合には、実ブレーキ力と基準値との差に基づきブレーキ力指令値を演算し、ブレーキ装置に送る。

本発明によれば、より簡易な構成でブレーキ制御および滑走制御を行い、制動距離の延伸を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るブレーキ制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係るブレーキ制御装置を備えるＢＣＵの構成例を示すブロック図である。 実施の形態における車輪に加えられる力を示す図である。 実施の形態に係るブレーキ制御装置の異なる構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係るブレーキ制御装置が行うブレーキ制御の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係るブレーキ制御装置の構成例を示すブロック図である。ブレーキ制御装置１は、変換部２、演算部３、差分器４、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御器５、および弁制御ロジック６を備える。ブレーキ制御装置１は、移動体のブレーキ制御を行う。移動体とは、複数の車軸を備える移動体を意味する。本実施の形態においては、移動体は複数の車軸を有する鉄道車両とする。ブレーキ制御装置１は、移動体の車軸のそれぞれについて、ブレーキ制御および滑走制御を行う。図２は、実施の形態に係るブレーキ制御装置を備えるＢＣＵ（Brake Control Unit）の構成例を示すブロック図である。ＢＣＵ２０は、ブレーキ制御装置１、電空変換弁２１、および中継弁２２を備え、ブレーキ装置３１を制御する。複雑化を避け、理解を容易にするために、図１および図２を用いて、ある軸に対するブレーキ制御および滑走制御について説明する。

変換部２は、例えば運転台から、車両の減速度の指令値を含むブレーキ指令の入力を受け付け、ブレーキ指令から必要ブレーキ力を演算する。ブレーキ指令は、運転台において運転員が行うブレーキ操作の入力に対応する車両の減速度の指令値を含む。変換部２は、例えば車両の減速度の指令値および応荷重装置から取得した車両の荷重を乗算して、必要ブレーキ力を算出する。車両の重量には、車両自体の重量に加え、乗客や貨物の重量を含む。演算部３は、例えば車軸に取り付けられたＰＧ（Pulse Generator）が出力する信号に基づき車輪の角加速度を検出し、車輪の角加速度、車輪の慣性モーメントおよび車輪の半径に基づき、実ブレーキ力を演算する。実ブレーキ力は、ブレーキを作動させることにより車輪に生じる力に相当する。実ブレーキ力には、車輪に働く制動力および車輪とレールとの滑走により消費される摩擦力が含まれる。車輪の慣性モーメントおよび車輪の半径は、予め定められた値である。

差分器４は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差を出力する。ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差に基づき、比例、積分、および微分のいずれかまたは任意の組み合わせによる演算を行い、ブレーキ力指令値を演算し、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲内であるか否かに応じて該ブレーキ力指令値を定めた基準に従って調節し、調節したブレーキ力指令値を出力する。例えば、ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲内である場合には、滑走が生じていないと判断し、実ブレーキ力を必要ブレーキ力に近づけるためのブレーキ力指令値を演算するブレーキ制御を行う。ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲を超える場合には、滑走が生じていると判断し、実ブレーキ力を低減させるために、該ブレーキ力指令値を定めた基準に従って低減する滑走制御を行う。すなわち、滑走が生じている場合には、ブレーキ制御装置１は、実ブレーキ力を低減するように制御を行う。ブレーキ力を低減する基準は、任意であり、例えば段階的にブレーキ力指令値を一定量ずつ低減することができる。

弁制御ロジック６は、ブレーキ力指令値に基づく電磁弁指令値を出力する。図１において点線で囲まれた各部は協働して、制御演算部としての動作を行う。ブレーキ制御装置１は、車軸のそれぞれについて、個別に上述の処理を行う。

電空変換弁２１は電磁弁指令値に基づき、電磁弁を制御して空気貯めからの圧縮空気の流入を制御する。圧縮空気は中継弁２２を介してブレーキ装置３１に送られる。ブレーキ装置３１が備えるブレーキシリンダの圧力は圧縮空気によって制御され、ブレーキシリンダの圧力によって、例えば制輪子が車輪に押し付けられ、車輪にブレーキがかかる。

図３は、実施の形態における車輪に加えられる力を示す図である。図３の例では、ＢＣＵ２０を備える車両３０は、４つの車軸を有する。図３において破線の矢印が車両３０の進行方向を示す。各車軸のブレーキ装置３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、それぞれＢＣＵ２０によって個別に制御される。各車軸のブレーキ装置３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄによって生じる実ブレーキ力をＦｂｉとする。ｉは、１から４までの自然数であり、以下の説明においても同様である。図３に示すように、各車輪の角速度を−ωｉ、各車輪に生じる粘着力をＦμｉとする。

図１に示すブレーキ制御装置１の動作の詳細について説明する。車両の減速度の指令値を−αとし、各車輪の角加速度を−βｉとする。−βｉ＝−ｄωｉ／ｄｔである。各車輪の慣性モーメントをＪｉとし、各車輪の半径をＲｉとすると、演算部３が演算する実ブレーキ力Ｆｂｉ＝Ｊｉ・βｉ／Ｒｉである。変換部２が演算する必要ブレーキ力をＦｉとすると、ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲内にあり、滑走が生じていないと判断した場合には、ＦｂｉをＦｉに近づけるためのブレーキ力指令値を出力する。

ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲を超えており、滑走が生じていると判断した場合には、上記ブレーキ力指令値を定めた基準に従って低減して出力する。すなわち、ブレーキ制御装置１は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲を超えている場合には、実ブレーキ力を低減するように制御を行う。

上述のように、車軸ごとに車両の減速度の指令値に基づく必要ブレーキ力と、実ブレーキ力との差に基づき、ブレーキ制御および滑走制御を行うため、複数の車軸の間で車輪とレールの摩擦係数にばらつきがある場合であっても、車輪の破損を防止し、減速度を維持して制動距離の延伸を防止することができる。また実施の形態に係るブレーキ制御装置１においては、滑走制御弁などの滑走制御装置を設ける必要がなく、構成が簡易である。

図４は、実施の形態に係るブレーキ制御装置の異なる構成例を示すブロック図である。図４に示すブレーキ制御装置１は、図１に示すブレーキ制御装置１の構成に加え、さらに基準値演算部７、差分器８、ＰＩＤ制御器９および選択部１０を備える。図４に示すブレーキ制御装置１も、車軸のそれぞれについて、個別にブレーキ制御および滑走制御を行う。変換部２、演算部３およびＰＩＤ制御器５の動作は、図１と同様である。ただし、ＰＩＤ制御器５は第１のブレーキ力指令値を出力する。

複数の車軸の内、一部の車軸において滑走が生じた場合には、他の車軸における負荷が増大する。そのような場合に、図４に示すブレーキ制御装置１は、他の車軸において過負荷の状態が続くことによる車輪の損傷を防ぐため、以下に説明するように過負荷の状態となった車軸の実ブレーキ力を制御する。

基準値演算部７は、車輪の慣性モーメントおよび車両の減速度の指令値の乗算結果を車輪の半径で除算して基準値を算出する。差分器８は、実ブレーキ力と基準値との差を出力する。ＰＩＤ制御器９は、実ブレーキ力と基準値との差に基づき、比例、積分、および微分のいずれかまたは任意の組み合わせによる演算を行う。ＰＩＤ制御器９は、実ブレーキ力と基準値との差が閾値以上である場合には、実ブレーキ力を基準値に近づけるための第２のブレーキ力指令値を出力する。ＰＩＤ制御器９は、実ブレーキ力と基準値との差が閾値未満である場合には、第２のブレーキ力指令値を出力しない。

選択部１０は、第２のブレーキ力指令値が入力されない場合には、第１のブレーキ力指令値に基づきブレーキ力指令値を出力し、弁制御ロジック６に送る。弁制御ロジック６の動作は、図１と同様である。すなわち、滑走が生じておらず、実ブレーキ力と基準値との差が閾値未満である場合には、ブレーキ制御装置１は、実ブレーキ力が必要ブレーキ力に近づくように制御を行う。

選択部１０は、第２のブレーキ力指令値が入力された場合には、第２のブレーキ力指令値に基づきブレーキ力指令値を出力し、弁制御ロジック６に送る。すなわち、滑走が生じておらず、実ブレーキ力と基準値との差が閾値以上である場合には、ブレーキ制御装置１は、実ブレーキ力が基準値に近づくように制御を行う。図４において点線で囲まれた各部は協働して、制御演算部としての動作を行う。なお閾値は、実験やシミュレーションに基づき、任意に定めることができる。

図４に示すブレーキ制御装置１の動作の詳細について説明する。車両の減速度の指令値を−αとし、各車輪の角加速度を−βｉとする。−βｉ＝−ｄωｉ／ｄｔである。各車輪の慣性モーメントをＪｉとし、各車輪の半径をＲｉとすると、演算部３が演算する実ブレーキ力Ｆｂｉ＝Ｊｉ・βｉ／Ｒｉである。変換部２が演算する必要ブレーキ力をＦｉとすると、ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲内にあり、滑走が生じていないと判断した場合には、ＦｂｉをＦｉに近づけるための第１のブレーキ力指令値を出力する。

ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲を超えており、滑走が生じていると判断した場合には、上記第１のブレーキ力指令値を定めた基準に従って低減して出力する。

基準値演算部７が演算する基準値はＪｉ・α／Ｒｉである。ＰＩＤ制御器９は、Ｆｂｉ−Ｊｉ・α／Ｒｉが閾値以上である場合には、ＦｂｉをＪｉ・α／Ｒｉに近づけるための第２のブレーキ力指令値を出力する。

図３に示す車両３０において、滑走が生じていない場合は、第１軸から第４軸までのそれぞれについて、ＰＩＤ制御器５は、実ブレーキ力を必要ブレーキ力に近づけるための第１のブレーキ力指令値を出力し、ＰＩＤ制御器９は第２のブレーキ力指令値を出力しない。したがってブレーキ制御装置１は、第１軸から第４軸までのそれぞれについて、実ブレーキ力を必要ブレーキ力に近づけるように制御を行う。

例えば第１軸および第２軸の車輪が滑走すると、実ブレーキ力と必要ブレーキ力との差が定めた範囲を超えるため、第１軸および第２軸において、ＰＩＤ制御器５は、低減された第１のブレーキ力指令値を出力する。滑走が生じた軸においては、実ブレーキ力と基準値との差が閾値以上とはならないため、ＰＩＤ制御器９は第２のブレーキ力指令値を出力しない。

一方、滑走が生じていない第３軸および第４軸においては、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲内であるから、実ブレーキ力を必要ブレーキ力に近づけるために第１のブレーキ力指令値が増大する。第３軸および第４軸において、実ブレーキ力と基準値との差が閾値未満である間は、ＰＩＤ制御器９は第２のブレーキ力指令値を出力しないため、増大した第１のブレーキ力指令値に基づき制御が行われる。このように各車軸のそれぞれについて、ブレーキ制御および滑走制御を行うことで、結果として車両の減速度は維持され、制動距離の延伸を抑制することができる。

その後、第３軸においても滑走が生じた場合を例にして説明する。第４軸において、第１のブレーキ力指令値がさらに増大し、実ブレーキ力と基準値との差が閾値以上となると、ＰＩＤ制御器９は、実ブレーキ力を基準値に近づけるための第２のブレーキ力指令値を出力する。すなわち、ブレーキ制御装置１は、第４軸の実ブレーキ力が基準値に近づくように制御を行う。実ブレーキ力に制限を設けることで、過負荷による車輪の損傷を防ぐことが可能となる。

図５は、実施の形態に係るブレーキ制御装置が行うブレーキ制御の動作の一例を示すフローチャートである。変換部２は、車両の減速度の指令値を含むブレーキ指令の入力を受け付け、ブレーキ指令から必要ブレーキ力を演算する（ステップＳ１１０）。演算部３は、車輪の角加速度、車輪の慣性モーメントおよび車輪の半径に基づき、実ブレーキ力を演算する（ステップＳ１２０）。ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲を超える場合には、滑走が生じていると判断し（ステップＳ１３０；Ｙ）、ブレーキ制御装置１は、実ブレーキ力を低減するように制御を行う（ステップＳ１４０）。

ＰＩＤ制御器５は、必要ブレーキ力と実ブレーキ力との差が定めた範囲内である場合には、滑走が生じていないと判断し（ステップＳ１３０；Ｎ）、ステップＳ１５０に進む。基準値演算部７は、車輪の慣性モーメントおよび車両の減速度の指令値の乗算結果を車輪の半径で除算して基準値を演算する（ステップＳ１５０）。実ブレーキ力と基準値との差が閾値以上である場合には（ステップＳ１６０；Ｙ）、ブレーキ制御装置１は、実ブレーキ力が基準値に近づくように制御を行う（ステップＳ１７０）。実ブレーキ力と基準値との差が閾値未満である場合には（ステップＳ１６０；Ｎ）、ブレーキ制御装置１は、実ブレーキ力が必要ブレーキ力に近づくように制御を行う（ステップＳ１８０）。ブレーキ制御装置１は、上述の処理を繰り返し行う。

以上説明したとおり、実施の形態に係るブレーキ制御装置１によれば、より簡易な構成でブレーキ制御および滑走制御を行い、制動距離の延伸を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。ブレーキ制御装置１の各部は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。たとえば、前記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等）に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、前記の処理を実行するブレーキ制御装置１を構成してもよい。

ブレーキ制御装置１の機能を、ＯＳ（オペレーティングシステム）とアプリケーションプログラムの分担、またはＯＳとアプリケーションプログラムとの協働により実現する場合などには、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体や記憶装置に格納してもよい。

１ ブレーキ制御装置、２ 変換部、３ 演算部、４、８ 差分器、５、９ ＰＩＤ制御器、６ 弁制御ロジック、７ 基準値演算部、１０ 選択部、２０ ＢＣＵ、２１ 電空変換弁、２２ 中継弁、３０ 車両、３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ ブレーキ装置。

Claims (2)

1. 車両の減速度の指令値を含むブレーキ指令から車軸のそれぞれについて、必要ブレーキ力を演算する変換部と、
   前記車軸のそれぞれについて、車輪の角加速度を取得し、前記車輪の角加速度、車輪の慣性モーメントおよび前記車輪の半径に基づき、ブレーキを作動させることにより前記車輪に生じる力に相当する実ブレーキ力を演算する演算部と、
   前記車軸のそれぞれについて、前記必要ブレーキ力と前記実ブレーキ力との差に基づいて、滑走が生じているか否かを判断し、前記滑走が生じていないと判断した場合であって、前記実ブレーキ力と、前記車輪の慣性モーメントおよび前記車両の減速度の指令値の乗算結果を前記車輪の半径で除算して算出した基準値と、の差が閾値以上である場合には、前記実ブレーキ力と前記基準値との差に基づきブレーキ力指令値を演算し、ブレーキ装置に送る制御演算部と、
   を備えるブレーキ制御装置。
2. 車両の減速度の指令値を含むブレーキ指令から車軸のそれぞれについて、必要ブレーキ力を演算する変換ステップと、
   前記車軸のそれぞれについて、車軸の角加速度を取得し、前記車軸の角加速度、車輪の慣性モーメントおよび前記車輪の半径に基づき、ブレーキを作動させることにより前記車輪に生じる力に相当する実ブレーキ力を演算する演算ステップと、
   前記車軸のそれぞれについて、前記必要ブレーキ力と前記実ブレーキ力との差に基づいて、滑走が生じているか否かを判断し、前記滑走が生じていないと判断した場合であって、前記実ブレーキ力と、前記車輪の慣性モーメントおよび前記車両の減速度の指令値の乗算結果を前記車輪の半径で除算して算出した基準値と、の差が閾値以上である場合には、前記実ブレーキ力と前記基準値との差に基づきブレーキ力指令値を演算し、ブレーキ装置に送る制御演算ステップと、
   を備えるブレーキ制御方法。

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