JP6092758B2 - 鉄道車両用制御装置並びに同期滑走検出方法および同期空転検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用制御装置並びに同期滑走検出方法および同期空転検出方法に関する。

鉄道車両は、多数の輪軸を有し、各輪軸の両端には、レールに当接する車輪がそれぞれ設けられる。鉄道車両の加速および減速は、車輪とレールとの間の粘着力、つまり、摩擦力により達成される。車輪とレールとの間の粘着力は、車輪やレールの摩耗状態、水濡れや異物の有無などの多様な条件のために均等ではない。また、粘着力は、車輪とレールとの間の動的状態、つまり、滑り率によっても変化する。具体的には、粘着力は、滑りが小さい範囲では、滑りの増大にともなって増加するが、ある限界（粘着限界）を超えると、滑りの増大にともなって減少する。

このため、多数の輪軸に等しい制動トルクまたは力行トルクを作用させても、レールに対する粘着特性が車輪毎に異なり、輪軸間に速度差が生じる。粘着限界を超える滑りが生じた輪軸は、粘着特性が低下してさらに大きな滑りを招来し、滑走または空転状態となる。滑走または空転状態の輪軸は、粘着力の低下により鉄道車両の制動または力行に十分に寄与できなくなる。

そこで、鉄道車両では、滑走または空転を検出し、滑走または空転が検出された輪軸の制動トルクまたは力行トルクを低減して滑走または空転を解消する制御が行われている。

一般に、制動時には、輪軸の回転速度が高いほど、当該輪軸の車輪のレールに対する滑りが小さく、輪軸の回転速度が低いほど、車輪のレールに対する滑りが大きいと推認できる。また、力行時には、輪軸の回転速度が低いほど、当該輪軸の車輪のレールに対する滑りが小さく、輪軸の回転速度が高いほど、車輪のレールに対する滑りが大きいと推認できる。そこで、従来の方法では、制動時には最も高速の輪軸が、力行時には最も低速の輪軸が、レールに対する車輪の滑りがないものと考えて、それらの輪軸の速度を基準速度とし、基準速度と各輪軸の速度差の絶対値が予め定めた閾値以上である輪軸が滑走または空転していると判断する。

また、鉄道車両の重量およびモータ/ブレーキの特性およびトルク指令等により、実現可能な鉄道車両の加速度は限られている。よって、従来の方法では、各輪軸の加速度の絶対値が、実現不可能な鉄道車両の加速度に相当する値を超えた場合には、輪軸が滑走または空転していると判断する。

よって、従来の鉄道車両の制御方法では、速度差の絶対値が閾値以上である輪軸および加速度の絶対値が閾値以上である輪軸を滑走または空転していると判定し、その輪軸に印加される制動トルクまたは力行トルクを、速度差に応じて低減することおよび加速度に応じて低減することで、その車輪の滑走または空転を解消して再粘着させる。

しかしながら、従来の方法では、全ての輪軸が滑走または空転している場合にも、一部の輪軸のみが滑走または空転している場合と同じ手順で、速度差に応じて少しずつ粘着状態を回復する。このため、従来の方法では、全ての輪軸が一定量以上、同程度に滑走または空転（同期滑走または同期空転）している場合には、全ての輪軸を再粘着させ終えるまでに比較的長い時間を要するという問題がある。

ＪＰ６１−１９９４０１Ａには、速度差および加速度の閾値をそれぞれ２つ設定し、速度差および加速度の少なくともいずれかが第１の閾値を超えると共に第２の閾値以下である輪軸の数が予め設定した数以上であり、且つ、全ての輪軸の速度差および加速度が第２の閾値以下である場合に、全ての輪軸の滑走であると判断する滑走検知方法が記載されている。しかしながら、全ての輪軸が同期して略均一に滑走する場合には、速度差が第１の閾値よりも小さいまま加速度だけが第２の閾値よりも高くなり得る。よって、ＪＰ６１−１９９４０１Ａの方法では、そのような同期した輪軸の滑走を検出できず、個別の輪軸の滑走として再粘着を行うので、輪軸の再粘着に時間がかかる。

また、ＪＰ１１−７０８７０Ａには、輪軸の速度差および加速度に加えて、加速度の微分値も、滑走の判断に用いることが記載されている。しかしながら、その方法でも、全ての輪軸の同期した滑走および空転を区別できないので、個別に行われる輪軸の再粘着には時間がかかる。

前記問題点に鑑みて、本発明は、輪軸の同期した滑走および空転を検出して抑制できる鉄道車両用制御装置並びに検出方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による鉄道車両用制御装置は、鉄道車両の制御している輪軸の全てが同期して滑走している同期滑走を検出する同期滑走検出部、および、前記制御している輪軸の全てが同期して空転している同期空転を検出する同期空転検出部の少なくともいずれかを備えるものとする。前記同期滑走検出部は、前記鉄道車両の制動時に、前記輪軸の間の最大速度差の絶対値が予め定めた同期滑走速度差閾値よりも小さく、且つ、前記輪軸の負の加速度が予め定めた同期滑走加速度閾値よりも大きいときに、前記同期滑走と判定するように構成される。前記同期空転検出部は、前記鉄道車両の加速時に、前記輪軸の間の最大速度差の絶対値が予め定めた同期空転速度差閾値よりも小さく、且つ、前記輪軸の正の加速度が予め定めた同期空転加速度閾値よりも大きいときに、前記同期空転と判定するように構成される。

図１は、実施形態の鉄道車両の制御に係る構成を示す概略図である。 図２は、図１の主制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、図１の鉄道車両の制動時の同期滑走制御の流れ図ある。 図４は、図１の鉄道車両の制動時の非同期滑走制御の流れ図ある。 図５は、図１の鉄道車両において滑走および空転を検出する領域を示す図である。 図６は、図３の同期滑走検出制御の流れ図である。 図７は、図４の非同期滑走検出制御の流れ図である。 図８は、図３の同期滑走再粘着制御の流れ図である。 図９は、図７の同期滑走再粘着制御における輪軸の速度、加速度および制動トルクの変化の概要を示す図である。 図１０は、図４の非同期滑走再粘着制御の流れ図である。 図１１は、図３の滑走制御による輪軸の速度、加速度および制動トルクの変動のシミュレーション結果を示す図である。 図１２は、図１の鉄道車両の力行時の同期空転制御の流れ図である。 図１３は、図１の鉄道車両の力行時の非同期空転制御の流れ図である。 図１４は、図１２の同期空転再粘着制御における輪軸の速度、加速度および力行トルクの変化の概要を示す図である。

図１の実施形態に係る鉄道車両の構成を示す。図示する鉄道車両は、実施形態に係る制御を実行する鉄道車両用制御装置である主制御装置１を備える制御車両２と、制御車両２に連結され、主制御装置１によって制御される従属車両３とを含む。制御車両２は、制御車両２および従属車両３を操縦するために、運転士によって操作される運転台４を備える。

制御車両２および従属車両３は、それぞれ車両の長手方向の前後に配置された一対の台車を備える。各台車は、台車枠（図示せず）と、台車枠の長手方向の前後に配置され、両端に車輪５を有する一対の輪軸６をそれぞれ有する。制御車両２の輪軸６には、それぞれモータ７およびブレーキ８並びに輪軸６の速度を検出する速度検出装置としてのパルスジェネレータ９が設けられており、従属車両３の輪軸６には、それぞれブレーキ８およびパルスジェネレータ９が設けられている。このため、制御車両２は、モータ７の回転を個別に制御するモータコントローラ１０およびブレーキ８を個別に制御するブレーキコントローラ１１を有し、従属車両３は、ブレーキ８を個別に制御するブレーキコントローラ１１を有する。本実施形態において、モータ７は、輪軸６を回転駆動する駆動装置であると共に、発電機として機能して輪軸６の回生制動を行う制動装置でもある。なお、速度検出装置は輪軸６の速度を検出できるものであればよく、パルスジェネレータ８に限定されない。例えば、エンコーダなどであっても構わない。

本実施形態において、制御車両２は、駆動能力を有する車両であり、従属車両３は、駆動能力を有しない車両であるが、主制御装置１を備える制御車両２がモータ７のない車両であってもよい。運転台４は、制御車両２にあってもよく、従属車両３にあってもよい。また、１つの車両編成において、１台の制御車両２によって全ての車両を制御してもよく、輪軸６の制御を分担する複数の制御車両２が存在してもよい。

本実施形態において、車両２，３を制動する場合、運転士は、運転台４を介して、主制御装置１に入力を与える。主制御装置１は、運転台４からの入力に応じて、各モータ７が発揮すべき駆動力または制動力および各ブレーキ８が発揮すべき制動力を、各モータコントローラ１０および各ブレーキコントローラ１１に入力する。また、主制御装置１は、各パルスジェネレータ９から入力される検出値に基づいて、それぞれの輪軸６の回転速度および加速度を算出する。それらの回転速度および加速度に基づいて、主制御装置１は、減速時の車輪５の滑走を抑制する滑走制御、および、力行時の車輪５の空転を抑制する空転制御を行う。

尚、本実施形態では、１台の主制御装置１によって、全てのモータ７による輪軸６の制動と、全てのブレーキ８による輪軸６の制動とを制御する。このため、各モータ７および各ブレーキ８の制動力は、各モータコントローラ１０および各ブレーキコントローラ１１のキャリブレーションによって、互いに略等しくなるように予め調整される。よって、モータ７やブレーキ８は、必ずしも、それぞれ同じ仕様でなくてもよい。

図２に、主制御装置１の構成を示す。尚、主制御装置１は、パルスジェネレータ９からの検出信号を受信する入力インターフェイス２１と、モータコントローラ１０およびブレーキコントローラ１１に制御信号を送信する出力インターフェイス２２とを有する。また、主制御装置１は、同期滑走検出部２３、同期空転検出部２４、非同期滑走検出部２５、非同期空転検出部２６、同期滑走再粘着制御部２７、同期空転再粘着制御部２８、非同期滑走再粘着制御部２９および非同期空転再粘着制御部３０を備える。尚、これらの構成要素は、必ずしも物理的に構成されるものではなく、コンピュータプログラムの部分として構成され得る。

入力インターフェイス２１は、パルスジェネレータ９からの検出信号に基づいて、各輪軸６の速度および加速度を算出し、算出した速度および加速度を、同期滑走検出部２３、同期空転検出部２４、非同期滑走検出部２５、および非同期空転検出部２６に入力する。同期滑走再粘着制御部２７、同期空転再粘着制御部２８、非同期滑走再粘着制御部２９および非同期空転再粘着制御部３０は、出力インターフェイス２２を介して、制御しているモータコントローラ１０および／またはブレーキコントローラ１１に制御信号を出力する。

また、同期滑走再粘着制御部２７、同期空転再粘着制御部２８、非同期滑走再粘着制御部２９および非同期空転再粘着制御部３０は、それぞれ、制御している輪軸６の車輪５がレールに再度粘着したかどうかを判定する再粘着判定部３１，３２，３３，３４を備える。

図３に、車両２，３を制動する際の、主制御装置１による同期滑走制御の流れを示す。先ず、ステップＳ１において、同期滑走検出部２３により、後で詳細に説明するような、全ての輪軸６が一定量以上、同程度に滑っている同期滑走を検出する同期滑走検出制御が行われる。そして、ステップＳ２では、ステップＳ１において同期滑走が検出されたか否かを確認する。同期滑走が検出されていれば、ステップＳ３に進んで、同期滑走再粘着制御部２７により、第Ｘ番目の輪軸６の滑りを解消する同期滑走再粘着制御が行われる。

同期滑走が検出されていないとき、および、同期滑走再粘着制御を完了したときは、ステップＳ４に進み、制動動作が継続中であるか否かを確認する。ステップＳ４において制動動作が終了していなければ、ステップＳ１に戻って、上記の制御を繰り返す。ステップＳ４において制動動作が終了していれば、この同期滑走制御を終了する。

本実施形態の同期滑走再粘着制御は、上記のように第Ｘ番目の輪軸６に限定して適用されるが、複数または全ての輪軸６に同期滑走再粘着制御を適用されてもよい。

図４に、車両２，３を制動する際に、図３の同期滑走制御と並行して行われる非同期滑走制御の流れを示す。この非同期滑走制御では、先ず、ステップＳ１１において、例えばＮ本すべての輪軸６を順番に制御するためのループパラメータＹを設定する。続いて、ステップＳ１２において、非同期滑走検出部２５により、従来と同様の方法で、第Ｙ番目の輪軸６が他の輪軸６との比較において滑走している非同期滑走を検出する非同期滑走検出制御を行う。

そして、ステップＳ１３において非同期滑走が検出されたか否かを確認する。非同期滑走が検出されていれば、ステップＳ１４に進んで、滑走が確認された輪軸６の滑りを解消する非同期滑走再粘着制御が非同期滑走再粘着制御部２９によって行われる。本実施形態において、非同期滑走再粘着制御は、従来の再粘着制御と同じ方法が適用できる。非同期滑走が検出されていないとき、および、非同期滑走再粘着制御を完了したときは、ループ終端であるステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、全ての輪軸６について上記処理が完了するまで、つまり、ループパラメータＹがＮになるまで、ステップＳ１１に戻るループ処理を行う。全ての輪軸６について上記処理が完了したなら、ステップＳ１６で、制動動作が継続中であるか否かを確認する。ステップＳ１６において制動動作が終了していなければ、ステップＳ１１に戻って、上記のループ処理を繰り返す。ステップＳ１６において制動動作が終了していれば、この非同期滑走制御を終了する。

図５に、上記の同期滑走および非同期滑走の判定条件を示す。同期滑走検出制御において、図５は、輪軸６の間の速度差の最大値、または、最も高速の輪軸６の速度を補正して得られる基準速度との速度差の最大値を横軸とし、最も加速度の絶対値の大きな輪軸６の加速度を縦軸として適用される。一方、非同期滑走検出制御において、図５は、一つの輪軸６の基準速度との速度差を横軸とし、一つの輪軸６の加速度を縦軸として適用される。

尚、図５は、後述する力行運転時の空転制御にも適用される。力行運転においては、制動運転時の滑走制御とは加速度の向きが反対になる。よって、滑走制御と空転制御の両方に適用できるように、図において加速度および速度差は、絶対値として表されている。

具体的には、本実施形態では、同期滑走および非同期滑走の判定に共通して用いられる滑走加速度閾値Ａｔが予め設定され、輪軸６間の速度差の絶対値について、同期滑走の判定に用いられる同期滑走速度差閾値Ｖｔｓ、および、非同期滑走の判定に用いられる非同期滑走速度差閾値Ｖｔｐが予め設定されている。尚、基準速度は、実測した速度データから、起こり得ない変化を除去するような公知の方法で算出される。

この図において、検出された速度差の最大値が、同期滑走速度差閾値Ｖｔｓよりも小さく、且つ、検出された加速度が滑走加速度閾値Ａｔをよりも大きい場合は、輪軸６が同期して一様に滑っている同期滑走状態であると判定される。

また、それぞれの輪軸６について検出された速度差が、非同期滑走速度差閾値Ｖｔｐより大きい場合、および、検出された速度差が、同期滑走速度差閾値Ｖｔｓより大きく、且つ、検出された加速度が滑走加速度閾値Ａｔをよりも大きい場合は、当該輪軸６が滑走状態であると判定される。

よって、全ての輪軸６について検出された速度差が、非同期滑走速度差閾値Ｖｔｐ以下であり、且つ、検出された加速度が滑走加速度閾値Ａｔ以下である場合は、いずれの輪軸６にも有意な滑りがない粘着状態であると判定される。

図６に、同期滑走検出部２３により行われる、図３のステップＳ１の同期滑走検出制御の詳細な制御の流れを示す。この制御では、先ず、ステップＳ２１において、図５について説明したように、輪軸６の速度差の最大値が同期滑走速度差閾値Ｖｔｓより小さく、且つ、最も加速度の絶対値の大きな輪軸６の加速度が滑走加速度閾値Ａｔをよりも大きいか否か、つまり、検出されたデータが同期滑走領域内にあるか否かを確認する。検出されたデータが同期滑走領域内になければ、ステップＳ２２に進んで、同期滑走検出中フラグＦｄｓの値を「０（偽）」に設定してから、この処理を終了する。

検出されたデータが同期滑走領域内にある場合、ステップＳ２３において、同期滑走検出中フラグＦｄｓの値を確認する。同期滑走検出中フラグＦｄｓの値が「０（偽）」であれば、ステップＳ２４において同期滑走検出中フラグＦｄｓの値を「１（真）」に設定し、ステップＳ２５において同期滑走検出タイマＴｄｓをスタートする。

ステップＳ２３において、同期滑走検出中フラグＦｄｓの値が「１（真）」であった場合、並びに、ステップＳ２４およびステップＳ２５の処理を完了した場合には、ステップＳ２６に進んで、同期滑走検出タイマＴｄｓの値を確認する。同期滑走検出タイマＴｄｓの値が予め設定した同期滑走タイマ閾値Ｔｔｓ以上であれば、ステップＳ２７において、同期滑走フラグＦｓｓの値を、同期滑走状態を検出したことを示す「１（真）」に設定し、この処理を終了する。同期滑走検出タイマＴｄｓの値が予め設定した同期滑走タイマ閾値Ｔｔｓ未満であれば、同期滑走フラグＦｓｓの値を変更することなく、この処理を終了する。

したがって、本実施形態では、図３において、ステップＳ１の同期滑走検出制御が複数回繰り返され、検出されたデータが同期滑走領域内にある状態が同期滑走タイマ閾値Ｔｔｓ以上継続したと確認されたときに、同期滑走状態であると判定される。

図７は、非同期滑走検出部２５により行われる、図４のステップＳ１２の非同期滑走検出制御の詳細な制御の流れを示す。この制御では、先ず、ステップＳ３１において、図５について説明したように、輪軸６の速度差の最大値が非同期滑走速度差閾値Ｖｔｐより大きいか、或いは、最も加速度の絶対値の大きな輪軸６の加速度が滑走加速度閾値Ａｔをよりも大きいか、つまり、検出されたデータが同期滑走領域および非同期滑走領域内の少なくともいずれかにあるか否かを確認する。検出されたデータが同期滑走領域内にも非同期滑走領域内にもなければ、ステップＳ３２に進んで、非同期滑走検出中フラグＦｄｓの値を「０（偽）」に設定してから、この処理を終了する。

検出されたデータが同期滑走領域内または非同期滑走領域内にある場合、ステップＳ３３において、非同期滑走検出中フラグＦｄｐの値を確認する。非同期滑走検出中フラグＦｄｐの値が「０（偽）」であれば、ステップＳ３４において非同期滑走検出中フラグＦｄｐの値を「１（真）」に設定し、ステップＳ３５において非同期滑走検出タイマＴｄｐをスタートする。

ステップＳ３３において、非同期滑走検出中フラグＦｄｐの値が「１（真）」であった場合、並びに、ステップＳ３４およびステップＳ３５の処理を完了した場合には、ステップＳ３６に進んで、非同期滑走検出タイマＴｄｐの値を確認する。非同期滑走検出タイマＴｄｐの値が予め設定した非同期滑走タイマ閾値Ｔｔｐ以上であれば、ステップＳ３７において、非同期滑走フラグＦｓｐの値を、同期滑走状態または非同期滑走状態を検出したことを示す「１（真）」に設定してから、この処理を終了する。非同期滑走検出タイマＴｄｐの値が予め設定した非同期滑走タイマ閾値Ｔｔｐ未満であれば、非同期滑走フラグＦｓｐの値を変更することなく、この処理を終了する。

図８は、同期滑走再粘着制御部２７により行われる、図３のステップＳ３の同期滑走再粘着制御の詳細な制御の流れを示す。この制御では、先ず、ステップＳ４１において、本制御が適用される第Ｘ番目の輪軸６の制動トルクをゼロにするように、主制御装置１から対応するモータコントローラ１０またはブレーキコントローラ１１に指令信号が入力される。ここで、制御対象とする輪軸６は、後述する非同期滑走再粘着制御の効果を促進するために、容易に滑走を解消できると予想される輪軸６とすることが好ましい。つまり、制動トルクを調節する制御対象は、最も滑動し難いと予想される輪軸６、例えば最も後方の輪軸６、または、実測データ上で最も速度が高い輪軸６とすることが好ましい。また、制動トルクを完全にゼロにせず、予め定めた十分に小さい値としてもよい。

続いて、ステップＳ４２において、粘着タイマＴａをスタートし、ステップＳ４３において、粘着タイマＴａの値を確認する。粘着タイマＴａの値が、予め設定した粘着限度時間Ｔｌ未満であれば、ステップＳ４４において、第Ｘ番目の輪軸６の加速度の値および再粘着フラグＦａの値を確認する。加速度の値が正の値でなく、且つ、再粘着フラグＦａの値が「０（偽）」である場合、ステップＳ４３に戻る。ステップＳ４４において、加速度の値が正の値であるか、再粘着フラグＦａの値が「１（真）」であれば、ステップＳ４５に進んで、再粘着フラグＦａの値を「１（真）」に設定し、ステップＳ４６に進む。ステップＳ４６では、第Ｘ番目の輪軸６の加速度の値を再度確認する。ステップＳ４６で加速度が負の値でなければ、ステップＳ４３に戻る。

ステップＳ４３において、粘着タイマＴａの値が粘着限度時間Ｔｌ以上である場合、および、ステップＳ４６において第Ｘ番目の輪軸６の加速度が負の値である場合には、ステップＳ４７からステップＳ４９までの処理を行って、同期滑走再粘着制御を終了する。ステップＳ４７では、再粘着フラグＦａの値を「０（偽）」に設定する。ステップＳ４８では、制御対象のモータコントローラ１０またはブレーキコントローラ１１に、運転台の入力に応じた制動トルクを生じさせるように指令信号を入力する。ステップＳ４９では、同期滑走フラグＦｓｓの値を「０（偽）」に設定する。

この同期滑走再粘着制御では、ステップＳ４４からステップＳ４６までの処理において、制御対象の輪軸６の再粘着の確認が行われている（再粘着判定部３１）。この処理を説明するのに先立って、図９に、制動中の輪軸６の速度および加速度の変化、並びに、輪軸６の制動トルクの変化の概要を示す。尚、上の図には、車両の並進速度を細い実線で示し、これに対応させるために、輪軸６の回転速度をその車輪５の周速に換算して示している。

図９において、輪軸６は、時間Ｔ１に滑り初め、その後、速度が列車の並進速度よりも低くなり、滑りの増大にともなって加速度が低下し、時間Ｔ２において、粘着限界に達している。その後、時間Ｔ３において、同期滑走検出タイマＴｄｓの値が予め設定した同期滑走タイマ閾値Ｔｔｓに達し（ステップＳ２６）、輪軸６に対する制動トルクが除去されている。これにより、車輪５とレールとの摩擦力が輪軸を加速する方向に作用して、輪軸６の加速度が上昇している。時間Ｔ４において、輪軸６の加速度が正の値になったことが確認されている（ステップＳ４４）。そして、輪軸６の速度が車両並進速度に達すると、輪軸６は、車輪５とレールが再粘着することによって、車両並進速度とともに低下するようになる。そして、時間Ｔ５において、輪軸６の速度の加速度が再び減速を示す負の値になったことが確認され（ステップＳ４６）、その後、制動トルクが回復されて、この輪軸６が車両の制動に寄与する状態に復帰している。

以上を参照すると、ステップＳ４４では、時間Ｔ３から時間Ｔ４までの間は、再粘着フラグＦａの値が「０（偽）」のままであり、加速度が負の値であるため、次のステップＳ４５には進めない。時間Ｔ４において加速度が正の値であることが確認されると、ステップＳ４４からステップＳ４５に進んで、再粘着の途中であることを示す再粘着フラグＦａの値を「１（真）」に設定する。その後、ステップＳ４６において加速度が再度負の値になったことが確認されるまでは、ステップＳ４３を経由してステップＳ４４に戻る。このとき、再粘着フラグＦａの値が「１（真）」となっているため、ステップＳ４４からステップＳ４５，Ｓ４６に進むことができる。そして、時間Ｔ５に加速度が再度負の値になったことが確認されると、ステップＳ４６からステップＳ４７に進んで、再粘着フラグＦａの値を「０（偽）」に設定して、再粘着が終了したことを示す。

また、ステップＳ４３において粘着タイマＴａの値を確認しているが、これは、同期滑走再粘着制御を開始してから、予め定めた粘着限度時間Ｔｌが経過したときには、再粘着が確認されていなくても、同期滑走再粘着制御を終了するためである。なぜなら、速度を検出するパルスジェネレータ９のノイズおよび粘着特性や勾配条件の急激な変動等によって、再粘着が確認できない可能性を考慮して、一度、図３の制御に戻ることが望ましいからである。このようにして、図３の制御に戻った後、再度、同期滑走検出制御において同じ輪軸６に同期滑走が検出されれば、もう一度、同期滑走再粘着制御が開始される。この場合、別の輪軸６を制御対象としたり、運転台４に通知表示をしたりするようにしてもよい。

図１０に、非同期滑走再粘着制御部２９により行われる、図４のステップＳ１４の非同期滑走再粘着制御の詳細な制御の流れを示す。この制御では、先ず、ステップＳ５１において、Ｙ番目の輪軸６、つまり、直前に非同期滑走を検出した輪軸６の制動トルクを、運転台４への入力に対応する指令値に、当該輪軸６の基準速度（最も高速の輪軸６の回転速度またはそれを補正した値）に対する比を乗じたトルクに設定するように、当該輪軸６のモータコントローラ１０またはブレーキコントローラ１１への入力信号を設定する。

但し、同期滑走検出制御において同期滑走が検出されると同時に、非同期滑走検出制御においてＸ番目の輪軸６に非同期滑走が検出される可能性もある。そのような場合、Ｘ番目の輪軸６に対しては、図８の同期滑走再粘着制御を優先し、この非同期滑走再粘着制御を適用しない。

そして、ステップＳ５２において、当該輪軸６の速度と基準速度との差、および、当該輪軸６の加速度を確認する。この速度差が非同期滑走速度差Ｖｔｐより小さく、かつ、加速度が滑走加速度閾値Ａｔより小さい場合、つまり、当該輪軸６のデータが図５の粘着領域内にある場合には、ステップＳ５３に進み、当該輪軸６のデータが図５の粘着領域内にない場合には、ステップＳ５１に戻り、制動トルクの再設定を行う。つまり、このステップＳ５２は、図２の再粘着判定部３３により行われる。ステップＳ５３では、当該輪軸の制動トルクを、運転台４への入力に対応する指令値に合わせるような、通常の制御によるトルク設定に戻す。さらに、ステップＳ５４において、非同期滑走フラグＦｓｐの値を「０（偽）」に戻して、この非同期滑走再粘着制御を終了する。

図１１は、上記の滑走制御のシミュレーション結果の一例を示す。図示したデータは、車輪５とレールとの摩擦を低く設定したときのものである。中央の図において、要求トルクは、車両の並進速度を所望の減速率で制動するために必要な制動力を全ての輪軸６で等分したときに各輪軸６に必要とされるトルクである。一方、図中の実トルクは、シミュレーション上、１つの輪軸６が分担できたトルク、つまり、当該輪軸６に作用した制動トルクを示す。

本実施形態では、同期滑走検出制御により同期滑走が検出された場合、同期滑走再粘着制御によって、１つの輪軸６の速度を車両の並進速度に合致させるので、同期滑走再粘着制御の対象となった輪軸６と同期滑走再粘着制御の対象とならなかった輪軸６との間の速度差が大きくなる。つまり、同期滑走再粘着制御は、従来と同様の方法を適用できる非同期滑走検出制御および非同期滑走再粘着制御において基準となる滑りの最も少ない車軸６の速度を車両並進速度に合致させることで、非同期滑走再粘着制御による滑走抑制効果を促進する。

また、図１２に、本実施形態の車両２，３を加速する力行時の輪軸６の同期空転を抑制する同期空転制御の流れを示す。この同期空転制御は、図３，６，８に示した同期滑走制御と加速の向きが異なるだけで、基本的に同じ内容である。

同期空転制御の全体的な流れを説明すると、先ず、ステップＳ６１において、同期空転検出部２４により、輪軸６が一定量以上、同程度に滑っている同期空転を検出する同期空転検出制御が行われる。但し、本制御では、モータ７を有し、力行トルクが印加される輪軸６のみが制御対象である。力行トルクが印加されない輪軸６は空転しないからである。

そして、ステップＳ６２では、ステップＳ６１において同期空転が検出されたか否かを確認する。同期空転が検出されていれば、ステップＳ６３に進んで、同期空転再粘着制御部２８により、少なくとも１つの輪軸６の滑りを解消する同期空転再粘着制御が行われる。尚、本実施形態は、第Ｘ番目の輪軸６をのみを同期空転再粘着制御の制御対象とする例であるが、複数の輪軸６または全ての輪軸６を制御対象としてもよい。但し、この同期空転再粘着制御も、モータ７を有する輪軸のみが対象となり得る。

同期空転が検出されていないとき、および、同期空転再粘着制御を完了したときは、ステップＳ６４に進み、力行運転が継続中であるか否かを確認する。ステップＳ６４において力行運転が終了していなければ、ステップＳ６１に戻って、上記の制御を繰り返す。ステップＳ６４において力行動作が終了していれば、この同期空転制御を終了する。

図１３に、車両２，３を力行する際に、図１２の同期空転制御と並行して行われる、非同期空転制御の流れを示す。この非同期空転制御は、図４，７，１０に示した非同期滑走制御と加速の向きが異なるだけで、基本的に同じ内容である。非同期空転制御では、先ず、ステップＳ７１において、例えばＮ本すべての輪軸６を順番に制御するためのループパラメータＹを設定する。続いて、ステップＳ７２において、非同期空転検出部２６により、従来と同様の方法で、第Ｙ番目の輪軸６が、他の輪軸６との比較において空転している非同期空転を検出する非同期空転検出制御を行う。

そして、ステップＳ７３において非同期空転が検出されたか否かを確認する。非同期空転が検出されていれば、ステップＳ７４に進んで、非同期空転再粘着制御部３０により、空転が確認された輪軸６の滑りを解消する非同期空転再粘着制御が行われる。本実施形態において、非同期空転再粘着制御は、従来の再粘着制御と同じ方法が適用できる。非同期空転が検出されていないとき、および、非同期空転再粘着制御を完了したときは、ループ終端であるステップＳ７５に進む。

ステップＳ７５では、全ての輪軸６について上記処理が完了するまで、つまり、ループパラメータＹがＮになるまで、ステップＳ７１に戻るループ処理を行う。全ての輪軸６について上記処理が完了したなら、ステップＳ７６で、力行動作が継続中であるか否かを確認する。ステップＳ７６において制動動作が終了していなければ、ステップＳ７１に戻って、上記のループ処理を繰り返す。ステップＳ７６において力行動作が終了していれば、同期空転制御を終了する。

この非同期空転検出制御は、モータ７を有する輪軸６のみを対象としてもよいが、モータ７を有さず、空転しない輪軸６も制御対象とすることで、基準速度を常に車両の並進速度に一致させられる。

図１４に、本実施形態の力行中の輪軸６の速度および加速度の変化、並びに、輪軸６の制動トルクの変化の概要を示す。図示するように、力行時は、最も低速の輪軸６が車両並進速度に近いと考えられるため、最も高速の輪軸６が問題となる。また、同期空転再粘着制御では、図８の同期滑走再粘着制御のステップＳ４４およびステップＳ４６に対応する工程において、その閾値の符号が逆になることに留意が必要である。つまり、力行トルクを除去した輪軸６の加速度が負の値になった後に再度正の値となったときに再粘着が完了したと判断する。

本実施形態は、図５に示すように、速度差について非同期滑走速度差閾値Ｖｔｐよりも小さい同期滑走速度差閾値Ｖｔｓを設けている。これにより、加速度が加速度滑走加速度閾値Ａｔよりも大きい場合に、速度差が同期滑走速度差閾値Ｖｔｓを基準にして、全ての輪軸が同期して空転／滑走している同期滑走／同期空転であるか、一部または全ての輪軸が空転／滑走している非同期滑走／非同期空転であるかを判別できる。

また、同期滑走／同期空転の場合には非同期滑走／非同期空転の場合よりも制動／力行トルクを小さくする再粘着制御を行うことで、同期滑走／同期空転にも、短時間で空転／滑走を解消できる。特に、同期滑走再粘着制御／同期空転再粘着制御を、滑りの少ない軸に適用することで、従来と同様の非同期滑走再粘着制御／非同期空転再粘着制御との相互作用によって極めて短時間で空転／滑走を解消できる。

尚、図５は、空転制御における同期空転速度差閾値、非同期空転速度差閾値および空転加速度閾値を、それぞれ、滑走制御における同期滑走速度差閾値Ｖｔｓ、非同期滑走速度差閾値Ｖｔｐおよび滑走加速度閾値Ａｔと同じ値に設定することを企図している。しかしながら、空転制御における同期空転速度差閾値、非同期空転速度差閾値および空転加速度閾値は、同期滑走速度差閾値Ｖｔｓ、非同期滑走速度差閾値Ｖｔｐおよび滑走加速度閾値Ａｔと異なる値でもよい。

さらに、同期滑走検出制御における滑走加速度閾値（同期滑走加速度閾値）と、非同期滑走検出制御における滑走加速度閾値（非同期滑走加速度閾値）とを異なる値に設定してもよい。

また、本実施形態は、滑走制御および空転制御の両方を実現する鉄道車両用制御装置、滑走制御および空転制御のいずれか一方だけを実現する鉄道車両用制御装置、並びに、同期滑走検出方法および同期空転検出方法を含む。

１…主制御装置（鉄道車両用制御装置）
２…制御車両
３…従属車両
４…運転台
５…車輪
６…輪軸
７…モータ
８…パルスジェネレータ
９…ブレーキ
１０…モータコントローラ
１１…ブレーキコントローラ
２３…同期滑走検出部
２４…同期空転検出部
２５…非同期滑走検出部
２６…非同期空転検出部
２７…同期滑走再粘着制御部
２８…同期空転再粘着制御部
２９…非同期滑走再粘着制御部
３０…非同期空転再粘着制御部
３１…再粘着判定部
３２…再粘着判定部

Claims (11)

1. 鉄道車両の制御している輪軸の全てが同期して滑走している同期滑走を検出する同期滑走検出部であって、前記鉄道車両の制動時に、前記輪軸の間の速度差の絶対値が予め定めた同期滑走速度差閾値よりも小さく、且つ、前記輪軸の負の加速度が予め定めた同期滑走加速度閾値よりも大きいときに、前記同期滑走と判定するように構成されている同期滑走検出部、および、
   前記制御している輪軸の全てが同期して空転している同期空転を検出する同期空転検出部であって、前記鉄道車両の加速時に、前記輪軸の間の速度差の絶対値が予め定めた同期空転速度差閾値よりも小さく、且つ、前記輪軸の正の加速度が予め定めた同期空転加速度閾値よりも大きいときに、前記同期空転と判定するように構成されている同期空転検出部、
   の少なくともいずれかを備える鉄道車両用制御装置。
2. さらに、前記輪軸の一部または全部が非同期に滑走している非同期滑走を検出する非同期滑走検出部であって、前記鉄道車両の制動時に、前記輪軸の間の速度差の絶対値が予め定めた非同期滑走速度差閾値よりも大きいとき、または、前記輪軸の負の加速度が予め定めた非同期滑走加速度閾値よりも大きいときに、前記非同期滑走と判定するように構成され、前記非同期滑走速度差閾値は、前記同期滑走速度差閾値よりも大きい非同期滑走検出部、および、
   前記輪軸の一部または全部が非同期に空転している非同期空転を検出する非同期空転検出部であって、前記鉄道車両の力行時に、前記輪軸の間の速度差の絶対値が予め定めた非同期空転速度差閾値よりも大きいとき、または、前記輪軸の正の加速度が予め定めた非同期滑走加速度閾値よりも大きいときに、前記非同期滑走と判定するように構成され、前記非同期空転速度差閾値は、前記同期空転速度差閾値よりも大きい非同期空転検出部、
   の少なくともいずれかを備える請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
3. 前記非同期滑走を検出したときに当該非同期滑走を検出した輪軸の制動トルクを低減する非同期滑走再粘着制御部、および、前記非同期空転を検出したときに当該非同期空転を検出した輪軸の力行トルクを低減する非同期空転再粘着制御部の少なくともいずれかを備える請求項２に記載の鉄道車両用制御装置。
4. 前記同期滑走を検出したときに、少なくともいずれかの前記輪軸の制動トルクをゼロにするまたは予め設定した低い値に設定するように構成された同期滑走再粘着制御部、および、前記同期空転を検出したときに、少なくともいずれかの前記輪軸の力行トルクをゼロにするまたは予め設定した低い値に設定するように構成された同期空転再粘着制御部の少なくともいずれかを備える請求項１に記載の鉄道車両用制御装置。
5. 前記同期滑走再粘着制御部および前記同期空転再粘着制御部の少なくともいずれかは、最も後方の前記輪軸を調節するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両用制御装置。
6. 前記同期滑走再粘着制御部は、制動トルクを除去した前記輪軸の加速度が正の値になった後に再度負の値となったときに再粘着が完了したと判断する再粘着判定部を有し、
   前記同期空転再粘着制御部は、力行トルクを除去した前記輪軸の加速度が負の値になった後に再度正の値となったときに再粘着が完了したと判断する再粘着判定部を有する請求項４に記載の鉄道車両用制御装置。
7. 前記同期滑走を検出したときに、少なくともいずれかの前記輪軸の制動トルクをゼロにするまたは予め設定した低い値に設定するように構成された同期滑走再粘着制御部、および、前記同期空転を検出したときに、少なくともいずれかの前記輪軸の力行トルクをゼロにするまたは予め設定した低い値に設定するように構成された同期空転再粘着制御部の少なくともいずれかを備える請求項２に記載の鉄道車両用制御装置。
8. 前記同期滑走再粘着制御部および前記同期空転再粘着制御部の少なくともいずれかは、最も後方の前記輪軸を調節するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の鉄道車両用制御装置。
9. 前記同期滑走再粘着制御部は、制動トルクを除去した前記輪軸の加速度が正の値になった後に再度負の値となったときに再粘着が完了したと判断する再粘着判定部を有し、
   前記同期空転再粘着制御部は、力行トルクを除去した前記輪軸の加速度が負の値になった後に再度正の値となったときに再粘着が完了したと判断する再粘着判定部を有する請求項７に記載の鉄道車両用制御装置。
10. 鉄道車両の制動時に、輪軸の間の速度差の絶対値が予め定めた同期滑走速度差閾値よりも小さく、且つ、前記輪軸の負の加速度が予め定めた同期滑走加速度閾値よりも大きいときに、前記輪軸の全てが同期して滑走していると判定する同期滑走検出方法。
11. 鉄道車両の力行時に、輪軸の間の速度差の絶対値が予め定めた同期空転速度差閾値よりも小さく、且つ、前記輪軸の正の加速度が予め定めた同期空転加速度閾値よりも大きいときに、前記輪軸の全てが同期して空転していると判定する同期空転検出方法。

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