以下、本発明の実施の形態によるサスペンション制御装置を、添付図面に従って詳細に説明する。
図1ないし図5は本発明の第1の実施の形態を示している。図1ないし図3において、鉄道車両1(車両)は、例えば乗客、乗員等が乗車する車体2と、車体2の下側に設けられた前側及び後側の台車3(1位台車及び2位台車)とを有している。これらの台車3は、車体2の前部側と後部側とに離間して配置され、各台車3にはそれぞれ4個の車輪4が設けられている。鉄道車両1は、各車輪4が左右のレール5上を回転することにより、レール5に沿って走行駆動する。
各台車3と各車輪4との間には、車輪4(輪軸)からの振動や衝撃を緩和する軸ばね6が設けられている。また、車体2と各台車3との間には、枕ばねとしての空気ばね7が複数設けられると共に、空気ばね7と並列に減衰力調整式緩衝器としての上下動ダンパ8が複数設けられている。空気ばね7及び上下動ダンパ8は、各台車3の左右両側に配置され、各台車3にそれぞれ2個ずつ設けられている。このため、空気ばね7及び上下動ダンパ8は、鉄道車両1全体で合計4個設けられている。
各上下動ダンパ8は、図1ないし図3に示すように、それぞれの減衰力を個別に調整可能な作動油が封入されたシリンダ装置として、例えば、セミアクティブダンパと呼ばれる減衰力調整式の油圧緩衝器を用いて構成されている。この上下動ダンパ8は、台車3に対する車体2の上下方向の振動に対して、振動を低減させるような減衰力を発生する。これにより、上下動ダンパ8は、車体2の上下方向の振動を低減する。
また、図3に示すように、車体2と各台車3との間に位置し、車両1の左右方向には、減衰力調整式緩衝器としての左右動ダンパ9が設けられている。左右動ダンパ9は、例えば、能動動作する上述のセミアクティブダンパやフルアクティブダンパ、または受動動作するパッシブダンパを用いて構成されている。この左右動ダンパ9は、台車3に対する車体2の左右方向の振動に対して、振動を低減させるような減衰力を発生する。これにより、左右動ダンパ9は、車体2の左右方向の振動を低減する。
コントローラ10は、図4に示すように、左右加速度センサ11、ヨーレイトセンサ12、速度センサ13、演算装置14等を含んで構成されている。このコントローラ10は、各車輪4の減衰力制御処理に従って左右動ダンパ9のアクチュエータ(図示せず)に出力すべき制御指令信号(制御指令)を目標電流値として演算処理し、左右動ダンパ9の減衰力を制御する。具体的には、コントローラ10は、車体2の上下方向の振動を低減すべく、サンプリング時間毎に例えばスカイフック理論(スカイフック制御則)に基づいて左右動ダンパ9の減衰力を制御する。そして、左右動ダンパ9は、アクチュエータに供給された目標電流値(制御指令信号)に従って減衰力がハードとソフトの間で連続的に、または複数段で可変に制御される。
左右加速度センサ11は、各台車3の直上近傍に位置し、例えばばね上側となる車体2に設けられ、車体2の左右方向の加速度(左右加速度、横加速度、横G)を検出する。即ち、左右加速度センサ11は、車両1の進行方向に対して左右方向に作用する車体2の左右加速度を検出する左右加速度検出部を構成している。このため、左右加速度センサ11は、車両1の走行中に、1位側および2位側の台車3の直上近傍で、車体2に作用する左右加速度asy1,asy2を検出する。そして、左右加速度センサ11は、検出信号(検出値)である左右加速度asy1,asy2を演算装置14に出力する。この場合、図3に示すように、車両1がカント等による傾斜面のため傾いているときは、該傾斜面と左右方向とは平行となる。
ヨーレイトセンサ12は、各台車3の直上近傍に位置し、車体2に設けられている。このヨーレイトセンサ12は、例えばジャイロセンサによって構成され、車両1の重心回りに発生する旋回方向の回転角の変化速度、即ち車体2のヨーイング挙動を示すヨーレイトωzを検出する。そして、ヨーレイトセンサ12は、検出信号であるヨーレイトωzを演算装置14に出力する。なお、ヨーレイトセンサ12と左右加速度センサ11は、別個に設ける必要はなく、例えば6軸センサ等のように、左右加速度とヨーレイトを一緒に計測可能な複合センサを用いてもよい。
速度センサ13は、走行速度検出部として車体2に設けられ、例えば車両1の走行速度(車速)vを検出する。即ち、速度センサ13は、車両1の走行中に、車両1の車速vを検出し、その検出信号である車速vを演算装置14に出力する。ここで、速度センサ13は、例えば、車輪4の回転速度(車輪速)から車速vを検出してもよいし、モニタ装置や速度発電機のパルス等(いずれも図示せず)から車速vを検出する構成としてもよい。
演算装置14は、例えば、マイクロコンピュータ等からなるCPU(図示せず)により構成され、図4に示すように、超過遠心加速度算出部15と、左右加速度補正部16と、制御指令値算出部17とを有している。この演算装置14は、各センサ11,12,13から入力された検出信号に基づいて、車体2の振動を制御するために、左右動ダンパ9が発生すべき減衰力を演算する。そして、演算装置14は、算出した減衰力に基づいて左右動ダンパ9のアクチュエータに供給すべき目標電流値を演算し、該目標電流値を制御指令信号として左右動ダンパ9に出力する。
超過遠心加速度算出部15の入力側は、ヨーレイトセンサ12と速度センサ13とに接続されている。また、超過遠心加速度算出部15の出力側は、左右加速度補正部16に接続されている。この超過遠心加速度算出部15は、ヨーレイトセンサ12から入力された車体2のヨーレイトωzと、速度センサ13から入力された車速vとに基づいて、車体2の超過遠心加速度を検出(推定)する。超過遠心加速度算出部15は、超過遠心加速度検出部を構成し、以下の数1式に基づいて遠心加速度arを超過遠心加速度として算出する。
左右加速度補正部16の入力側は、1位台車側および2位台車側の左右加速度センサ11と、超過遠心加速度算出部15とに接続されている。また、左右加速度補正部16の出力側は、制御指令値算出部17に接続されている。この左右加速度補正部16は、各左右加速度センサ11から入力された左右加速度asy1,asy2と、超過遠心加速度算出部15から入力された遠心加速度arとに基づいて、振動成分の左右加速度である振動加速度ay1,ay2を求める。この場合、左右加速度補正部16は、以下の数2式、数3式に示すように、各左右加速度センサ11の検出値である左右加速度asy1,asy2から超過遠心加速度算出部15の検出値である遠心加速度arを減算して、左右加速度asy1,asy2を補正する。
即ち、図3に示すように、各左右加速度センサ11は、車両1が曲線走行することによる遠心加速度arと車体2の中心位置での振動加速度ay1,ay2とを合わせた左右加速度asy1,asy2をそれぞれ検出する。このとき、振動加速度算出部としての左右加速度補正部16は、左右加速度asy1,asy2から遠心加速度arを減算して、振動加速度ay1,ay2をそれぞれ求めることができる。
制御指令値算出部17の入力側は、左右加速度補正部16に接続されている。また、制御指令値算出部17の出力側は、左右動ダンパ9に接続されている。この制御指令値算出部17は、左右加速度補正部16から入力された振動加速度ay1,ay2に基づいて、車体2の振動を制御するために左右動ダンパ9が発生すべき減衰力を算出する。そして、制御指令値算出部17は、算出した減衰力に基づいて左右動ダンパ9のアクチュエータに供給すべき目標電流値を演算し、該目標電流値を制御指令信号として左右動ダンパ9に出力する。
次に、コントローラ10が制御周期毎に実行する左右動ダンパ9の制御用のプログラムについて図5を用いて説明する。
まず、ステップ1では、コントローラ10は、各センサ11,12,13からの検出信号に基づいて、左右加速度asy1,asy2とヨーレイトωzと車速vとを検出する。この場合、コントローラ10は、例えばAD変換器(図示せず)を用いて、アナログ信号からなる各センサ11,12,13の検出信号をデジタル信号に変換する。
次に、ステップ2では、コントローラ10の超過遠心加速度算出部15は、ヨーレイトωzと車速vとにより超過遠心加速度を算出する。この場合、上記数1式で示したように、ヨーレイトωzと車速vとに基づいて算出した遠心加速度arを超過遠心加速度と推定する。
ステップ3では、コントローラ10の左右加速度補正部16は、左右加速度センサ11で求めた左右加速度asy1,asy2と上記ステップ2で求めた超過遠心加速度としての遠心加速度arとを用いて、振動加速度ay1,ay2を算出する。具体的には、上記数2式、数3式に示したように、左右加速度asy1,asy2から遠心加速度arを減算して、車体2の中心位置での振動加速度ay1,ay2を求めることができる。
そして、ステップ4では、コントローラ10の制御指令値算出部17は、左右加速度補正部16で求めた振動加速度ay1,ay2に基づいて、左右動ダンパ9を制御する制御指令値を算出する。
かくして、第1の実施の形態によれば、コントローラ10は、車体2の左右加速度asy1,asy2を検出する左右加速度センサ11と、車体2のヨーレイトωzと車速vとに基づいて車体2の遠心加速度arを検出する超過遠心加速度算出部15と、左右加速度asy1,asy2から遠心加速度arを減算して振動加速度ay1,ay2を求める左右加速度補正部16とを有している。これにより、ヨーレイトωzと車速vとに基づいて、車体2の振動成分である振動加速度ay1,ay2を求めることができる。この結果、車両1に曲線走行に伴う左右加速度asy1,asy2が作用する場合でも、車体2に振動を引き起こす振動加速度ay1,ay2に基づいて左右動ダンパ9を制御することができるので、車両1の乗り心地を向上することができる。
また、車両1が、定常円である曲線走行中においても、緩和曲線である曲線進入時や曲線退出時においても、ヨーレイトωzと車速vとに基づいて、車体2の振動成分である振動加速度ay1,ay2を求めることができる。これにより、車両1の走行位置を取得する必要がないから、車両1の走行位置情報に基づいて制御する場合に比べて、適用可能な線路区間を広げることができる。
次に、図6ないし図9は本発明の第2の実施の形態を示している。第2の実施の形態の特徴は、コントローラは、重力加速度の左右方向成分に基づいて超過遠心加速度を算出することにある。なお、第2の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。
第2の実施の形態による鉄道車両21は、第1の実施の形態による鉄道車両1とほぼ同様に、車体2、台車3、車輪4、左右動ダンパ9、左右加速度センサ11、ヨーレイトセンサ12、速度センサ13、コントローラ22、演算装置24等を備える。
コントローラ22は、第1の実施の形態によるコントローラ10とほぼ同様に構成されている。具体的には、コントローラ22は、図8に示すように、左右加速度センサ11、ヨーレイトセンサ12、速度センサ13、上下加速度センサ23、演算装置24等を含んで構成されている。このコントローラ22は、各車輪4の減衰力制御処理に従って左右動ダンパ9のアクチュエータ(図示せず)に出力すべき制御指令信号(制御指令)を目標電流値として演算処理し、左右動ダンパ9の減衰力を制御する。
上下加速度センサ23は、各台車3の直上近傍に位置し、例えばばね上側となる車体2に設けられ、車体2の上下方向の加速度(上下加速度、上下G)を検出する。即ち、上下加速度センサ23は、上下加速度検出部を構成し、車両21の走行中に、上下方向に作用する車体2の上下加速度aszを検出する。そして、上下加速度センサ23は、検出信号(検出値)である上下加速度aszを演算装置24に出力する。この場合、図7に示すように、車両21がカント等による傾斜面によって傾いているときは、上下加速度センサ23が検出する車体2の上下方向と該傾斜面とは垂直となる。
上下加速度aszは、重力加速度の左右方向成分を算出するために用いられる。一方、車体2に上下振動が生じる場合は、上下加速度aszは、変化し、重力加速度に振動成分が加わったものになる。このため、上下加速度センサ23は、車体2の上下振動による振動成分を除去して重力加速度成分を抽出するために、ローパスフィルタ23Aを有している。なお、上下加速度センサ23は、左右加速度センサ11、ヨーレイトセンサ12と別個に設ける必要はなく、例えば6軸センサ等のように、上下加速度センサ、左右加速度、ヨーレイトを一緒に計測可能な複合センサを用いてもよい。
演算装置24は、例えば、マイクロコンピュータ等からなるCPU(図示せず)により構成され、図8に示すように、遠心加速度算出部25と、重力加速度左右方向成分算出部26と、超過遠心加速度算出部27と、左右加速度補正部28と、制御指令値算出部29とを有している。この演算装置24は、各センサ11,12,13,23から入力された検出信号に基づいて、車体2の振動を制御するために、左右動ダンパ9が発生すべき減衰力を演算する。そして、演算装置24は、算出した減衰力に基づいて左右動ダンパ9のアクチュエータに供給すべき目標電流値を演算し、該目標電流値を制御指令信号として左右動ダンパ9に出力する。
遠心加速度算出部25の入力側は、ヨーレイトセンサ12と速度センサ13とに接続されている。また、遠心加速度算出部25の出力側は、超過遠心加速度算出部27に接続されている。この遠心加速度算出部25は、ヨーレイトセンサ12から入力された車体2のヨーレイトωzと、速度センサ13から入力された車速vとに基づいて、車体2の遠心加速度arを算出する。そして遠心加速度算出部25は、遠心加速度検出部を構成し、第1の実施の形態と同様に、数1式に基づいて遠心加速度arを算出する。
重力加速度左右方向成分算出部26の入力側は、上下加速度センサ23に接続されている。また、重力加速度左右方向成分算出部26の出力側は、超過遠心加速度算出部27に接続されている。この重力加速度左右方向成分算出部26は、上下加速度センサ23から入力された上下加速度aszに基づいて、重力加速度左右方向成分agyを算出する。この場合、重力加速度左右方向成分算出部26は、以下の数4式に示すように、上下加速度センサ23の検出値である上下加速度aszと重力加速度gとを用いて、三平方の定理により重力加速度左右方向成分agyを算出する。なお、重力加速度左右方向成分agyが左右方向のいずれを向いているかは、ヨーレイトセンサ12やロールレイトセンサ(図示せず)等を用いて検出することができる。即ち、図7に示すように、車両21が図7上における左側に傾斜している場合は、重力加速度左右方向成分agyも左向きとなる。通常の曲線路では、重力加速度左右方向成分agyは、遠心加速度arに対して左右方向で逆向きに作用する。
超過遠心加速度算出部27の入力側は、遠心加速度算出部25と重力加速度左右方向成分算出部26とに接続されている。また、超過遠心加速度算出部27の出力側は、左右加速度補正部28に接続されている。この超過遠心加速度算出部27は、遠心加速度算出部25から入力された遠心加速度arと、重力加速度左右方向成分算出部26から入力された重力加速度左右方向成分agyとに基づいて、車体2の超過遠心加速度argを検出(推定)する。この超過遠心加速度算出部27は、超過遠心加速度検出部を構成し、以下の数5式に基づいて超過遠心加速度argを算出する。
即ち、図7に示すように、遠心加速度算出部25で算出した遠心加速度arから重力加速度左右方向成分算出部26で算出した重力加速度左右方向成分agyを除くことにより、実際に車体2に作用する超過遠心加速度argを算出することができる。
左右加速度補正部28の入力側は、1位台車側および2位台車側の左右加速度センサ11と、超過遠心加速度算出部27とに接続されている。また、左右加速度補正部28の出力側は、制御指令値算出部29に接続されている。この左右加速度補正部28は、各左右加速度センサ11から入力された左右加速度asy1,asy2と、超過遠心加速度算出部27から入力された超過遠心加速度argとに基づいて、振動成分の左右加速度である振動加速度ay1,ay2を求める。この場合、左右加速度補正部28は、以下の数6式、数7式に示すように、各左右加速度センサ11の検出値である左右加速度asy1,asy2から超過遠心加速度算出部27の検出値である超過遠心加速度argを減算して、左右加速度asy1,asy2を補正する。
即ち、図7に示すように、各左右加速度センサ11は、車両21が曲線走行することによる超過遠心加速度argと車体2の中心位置での振動加速度ay1,ay2とを合わせた左右加速度asy1,asy2をそれぞれ検出する。このとき、振動加速度算出部としての左右加速度補正部28は、左右加速度asy1,asy2から超過遠心加速度argを減算して、振動加速度ay1,ay2をそれぞれ求めることができる。
制御指令値算出部29の入力側は、左右加速度補正部28に接続されている。また、左右加速度補正部28の出力側は、左右動ダンパ9に接続されている。この制御指令値算出部29は、左右加速度補正部28から入力された振動加速度ay1,ay2に基づいて、車体2の振動を制御するために左右動ダンパ9が発生すべき減衰力を算出する。そして、制御指令値算出部29は、算出した減衰力に基づいて左右動ダンパ9のアクチュエータに供給すべき目標電流値を演算し、該目標電流値を制御指令信号として左右動ダンパ9に出力する。
次に、コントローラ22が制御周期毎に実行する左右動ダンパ9の制御用のプログラムについて図9を用いて説明する。
まず、ステップ11では、コントローラ22は、各センサ11,12,13,23からの検出信号に基づいて、左右加速度asy1,asy2とヨーレイトωzと車速vと上下加速度aszとを検出する。この場合、コントローラ22は、第1の実施の形態と同様に、例えばAD変換器(図示せず)を用いて、アナログ信号からなる各センサ11,12,13,23の検出信号をデジタル信号に変換する。
次に、ステップ12では、コントローラ22の遠心加速度算出部25は、上記数1式で示したように、ヨーレイトωzと車速vとにより遠心加速度arを算出する。
ステップ13では、コントローラ22の重力加速度左右方向成分算出部26は、上下加速度センサ23で求めた上下加速度aszに基づいて、重力加速度左右方向成分agyを算出する。具体的には、上記数4式に示したように、上下加速度aszと重力加速度gとを用いて、三平方の定理により重力加速度左右方向成分agyを算出することができる。
次に、ステップ14では、コントローラ22の超過遠心加速度算出部27は、遠心加速度算出部25で算出した遠心加速度arと重力加速度左右方向成分算出部26で算出した重力加速度左右方向成分agyとを用いて、超過遠心加速度argを算出する。具体的には、上記数5式で示したように、遠心加速度arから重力加速度左右方向成分agyを除くことにより、実際に車体2に作用する超過遠心加速度argを算出することができる。
ステップ15では、コントローラ22の左右加速度補正部28は、左右加速度センサ11で求めた左右加速度asy1,asy2と上記ステップ14で求めた超過遠心加速度argを用いて、振動加速度ay1,ay2を算出する。具体的には、上記数6式、数7式に示したように、左右加速度asy1,asy2から超過遠心加速度argを減算して、車体2の中心位置での振動加速度ay1,ay2をそれぞれ求めることができる。
そして、ステップ16では、コントローラ22の制御指令値算出部29は、左右加速度補正部28で求めた振動加速度ay1,ay2に基づいて、左右動ダンパ9を制御する制御指令値を算出する。
かくして、第2の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。第2の実施の形態のコントローラ22は、重力加速度左右方向成分agyに基づいて超過遠心加速度argを算出する。これにより、カント等によって曲線走行時に車両21が傾斜するときでも、このような傾斜による重力加速度左右方向成分agyを考慮して超過遠心加速度argを算出することができる。従って、実際に車体2に作用する超過遠心加速度argを用いて、車体2の振動成分である振動加速度ay1,ay2を求めることができる。この結果、車両21に曲線走行に伴う左右加速度asy1,asy2が作用する場合でも、車体2に振動を引き起こす振動加速度ay1,ay2に基づいて左右動ダンパ9を制御することができるので、車両21の乗り心地を向上することができる。
次に、図2、図10及び図11は本発明の第3の実施の形態を示している。第3の実施の形態の特徴は、コントローラは、車両の走行位置での曲線半径情報に基づいて超過遠心加速度を算出することにある。なお、第3の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。
第3の実施の形態によるコントローラ31は、第1の実施の形態によるコントローラ10とほぼ同様に構成されている。具体的には、コントローラ31は、図10に示すように、左右加速度センサ11、ヨーレイトセンサ12、位置情報取得部32、演算装置33等を含んで構成されている。このコントローラ31は、各車輪4の減衰力制御処理に従って左右動ダンパ9のアクチュエータ(図示せず)に出力すべき制御指令信号を目標電流値として演算処理し、左右動ダンパ9の減衰力を制御する。
位置情報取得部32は、車両1に設けられ、現在の車両1の走行位置の情報を得るものである。この位置情報取得部32は、例えば、速度センサ13から検出した車速vを予め作成した車両1の走行マップにあてはめて、現在の車両1の走行位置の情報を得てもよい。また、車両1が走行する軌道に地上子を配置しておき、該地上子から現在の車両1の走行位置の情報を得てもよいし、GPSや車両1の運行管理センサ等から走行位置の情報を得てもよい。
演算装置33は、例えば、マイクロコンピュータ等からなるCPU(図示せず)により構成され、図10に示すように、走行位置曲線半径算出部34と、超過遠心加速度算出部35と、左右加速度補正部36と、制御指令値算出部37とを有している。この演算装置33は、各センサ11,12から入力された検出信号と、位置情報取得部32から入力された車両1の位置情報とに基づいて、車体2の振動を制御するために左右動ダンパ9が発生すべき減衰力を演算する。そして、演算装置33は、算出した減衰力に基づいて左右動ダンパ9のアクチュエータに供給すべき目標電流値を演算し、該目標電流値を制御指令信号として左右動ダンパ9に出力する。
走行位置曲線半径算出部34の入力側は、位置情報取得部32に接続されている。また、走行位置曲線半径算出部34の出力側は、超過遠心加速度算出部35に接続されている。この走行位置曲線半径算出部34は、位置情報取得部32から入力した車両1の位置情報に基づいて、曲線半径r(曲線路の曲率半径)を算出する。この場合、走行位置曲線半径算出部34は、例えば、車両1の位置情報を車両1の走行マップに照らし合わせて、軌道情報から曲線半径rを算出することができる。
超過遠心加速度算出部35の入力側は、ヨーレイトセンサ12と走行位置曲線半径算出部34とに接続されている。また、超過遠心加速度算出部35の出力側は、左右加速度補正部36に接続されている。この超過遠心加速度算出部35は、ヨーレイトセンサ12から入力された車体2のヨーレイトωzと、走行位置曲線半径算出部34から入力された曲線半径rとに基づいて、車体2の超過遠心加速度を検出(推定)する。超過遠心加速度算出部35は、超過遠心加速度検出部を構成し、以下の数8式に基づいて遠心加速度arを超過遠心加速度として算出する。
左右加速度補正部36の入力側は、1位台車側および2位台車側の左右加速度センサ11と、超過遠心加速度算出部35とに接続されている。また、左右加速度補正部36の出力側は、制御指令値算出部37に接続されている。この左右加速度補正部36は、振動加速度算出部を構成し、各左右加速度センサ11から入力された左右加速度asy1,asy2と、超過遠心加速度算出部35から入力された遠心加速度arとに基づいて、振動成分の左右加速度である振動加速度ay1,ay2を求める。この場合、左右加速度補正部36は、上記数2式、数3式に示したように、左右加速度センサ11の検出値である左右加速度asy1,asy2から超過遠心加速度算出部35の検出値である遠心加速度arを減算して、振動加速度ay1,ay2をそれぞれ求めることができる。
制御指令値算出部37の入力側は、左右加速度補正部36に接続されている。また、制御指令値算出部37の出力側は、左右動ダンパ9に接続されている。この制御指令値算出部37は、左右加速度補正部36から入力された振動加速度ay1,ay2に基づいて、車体2の振動を制御するために左右動ダンパ9が発生すべき減衰力を算出する。そして、制御指令値算出部37は、算出した減衰力に基づいて左右動ダンパ9のアクチュエータに供給すべき目標電流値を演算し、該目標電流値を制御指令信号として左右動ダンパ9に出力する。
次に、コントローラ31が制御周期毎に実行する左右動ダンパ9の制御用のプログラムについて図11を用いて説明する。
まず、ステップ21では、コントローラ31は、各センサ11,12からの検出信号に基づいて左右加速度asy1,asy2とヨーレイトωzとを検出し、位置情報取得部32から現在の車両1の位置情報を取得する。この場合、コントローラ31は、第1の実施の形態と同様に、例えばAD変換器(図示せず)を用いて、アナログ信号からなる各センサ11,12の検出信号をデジタル信号に変換する。
次に、ステップ22では、コントローラ31の走行位置曲線半径算出部34は、位置情報取得部32で取得した現在の車両1の位置情報に基づいて、車両1が走行している曲線路の曲線半径rを算出する。
そして、ステップ23では、コントローラ31の超過遠心加速度算出部35は、ヨーレイトωzと曲線半径rとにより超過遠心加速度を算出する。この場合、上記数8式で示したように、ヨーレイトωzと曲線半径rとに基づいて算出した遠心加速度arを超過遠心加速度と推定する。
ステップ24では、コントローラ31の左右加速度補正部36は、左右加速度センサ11で求めた左右加速度asy1,asy2と上記ステップ23で求めた超過遠心加速度を用いて、振動加速度ay1,ay2を算出する。具体的には、上記数2式、数3式に示したように、左右加速度asy1,asy2から超過遠心加速度を減算して、車体2の中心位置での振動加速度ay1,ay2をそれぞれ求めることができる。
そして、ステップ25では、コントローラ31の制御指令値算出部37は、左右加速度補正部36で求めた振動加速度ay1,ay2に基づいて、左右動ダンパ9を制御する制御指令値を算出する。
かくして、第3の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。第3の実施の形態では、コントローラ31は、車両1の走行位置での曲線半径rに基づいて超過遠心加速度を算出する。これにより、車速vを用いずに超過遠心加速度を算出することができ、該超過遠心加速度を用いて、車体2の振動成分である振動加速度ay1,ay2を求めることができる。
次に、図2、図12ないし図14は本発明の第4の実施の形態を示している。第4の実施の形態の特徴は、コントローラは、車体の傾きを算出して、該車体の傾きに基づいて振動加速度を求めることにある。なお、第4の実施の形態では、前述した第1の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。
第4の実施の形態によるコントローラ41は、第1の実施の形態によるコントローラ10とほぼ同様に構成されている。具体的には、コントローラ41は、図13に示すように、左右加速度センサ11、ヨーレイトセンサ12、速度センサ13、演算装置42等を含んで構成されている。このコントローラ41は、各車輪4の減衰力制御処理に従って左右動ダンパ9のアクチュエータ(図示せず)に出力すべき制御指令信号を目標電流値として演算処理し、左右動ダンパ9の減衰力を制御する。
演算装置42は、例えば、マイクロコンピュータ等からなるCPU(図示せず)により構成され、図13に示すように、超過遠心加速度算出部43と、左右加速度補正部44と、制御指令値算出部45とを有している。この演算装置42は、各センサ11,12,13から入力された検出信号に基づいて、車体2の振動を制御するために左右動ダンパ9が発生すべき減衰力を演算する。そして、演算装置42は、算出した減衰力に基づいて左右動ダンパ9のアクチュエータに供給すべき目標電流値を演算し、該目標電流値を制御指令信号として左右動ダンパ9に出力する。
超過遠心加速度算出部43の入力側は、ヨーレイトセンサ12と速度センサ13とに接続されている。また、超過遠心加速度算出部43の出力側は、左右加速度補正部44に接続されている。この超過遠心加速度算出部43は、ヨーレイトセンサ12から入力された車体2のヨーレイトωzと、速度センサ13から入力された車速vとに基づいて、車体2の超過遠心加速度を検出(推定)する。即ち、超過遠心加速度算出部43は、第1の実施の形態の超過遠心加速度算出部15と同様に超過遠心加速度検出部を構成し、上記数1式に基づいて遠心加速度arを超過遠心加速度として算出する。
この場合、図12に示すように、遠心加速度arは地面(地平面)に対して水平方向となる。即ち、車両1の車体2がカント等による傾斜面によって傾きθだけ傾いている場合は、遠心加速度arのベクトルの向きは、車両1の左右方向とは傾きθだけ異なっている。また、車両1が傾きθだけ傾いているので、遠心加速度arの上下方向成分arzは該傾斜面とは垂直(arz=arsinθ)となる。一方、遠心加速度arの左右方向成分aryは該傾斜面とは平行(ary=arcosθ)となる。
左右加速度補正部44の入力側は、1位台車側および2位台車側の左右加速度センサ11と、超過遠心加速度算出部43とに接続されている。また、左右加速度補正部44の出力側は、制御指令値算出部45に接続されている。この左右加速度補正部44は、左右加速度asy1,asy2から振動成分の左右加速度である振動加速度ay1,ay2をそれぞれ除去するローパスフィルタ44A,44Bと、車両1の傾きθを算出する傾き算出部44Cとを含んで構成されている。そして、左右加速度補正部44は、各左右加速度センサ11から入力された左右加速度asy1,asy2と、超過遠心加速度算出部43から入力された遠心加速度arとに基づいて、振動成分の左右加速度である振動加速度ay1,ay2を求める。
ローパスフィルタ44A,44Bは、各左右加速度センサ11で検出した左右加速度asy1,asy2から振動成分の左右加速度である振動加速度ay1,ay2をそれぞれ除去する算出部として設けられている。ローパスフィルタ44A,44Bのカットオフ周波数は、振動加速度ay1,ay2を除去するが、車体2のロール振動成分は除去しない所定の値に設定されている。これは、ローパスフィルタ44A,44Bにより車体2のロール振動成分を除去してしまうと、ロール振動による車体2の傾きを考慮することができなくなってしまうからである。このローパスフィルタ44A,44Bは、以下の数9式および数10式で示すように、左右加速度asy1,asy2から振動加速度ay1,ay2をそれぞれ除去するものである。
傾き算出部44Cは、左右加速度asy1,asy2と遠心加速度arと重力加速度gとから車両1の傾きθを算出するものである。ここで、図12に示すように、車両1がカント等による傾斜面や車両傾斜装置等のため傾きθだけ傾いているときは、各左右加速度センサ11で検出される左右加速度asy1,asy2は、該傾斜面とは平行となる。また、左右加速度asy1,asy2にローパスフィルタ44A,44Bを適用した左右加速度asyf1,asyf2は、振動成分が除去されているため、遠心加速度(超過遠心加速度)arと概ね等しいと考えられる。このため、左右加速度asyf1,asyf2のベクトル(方向)は、遠心加速度arの左右方向成分aryと重力加速度gの左右方向成分agy(=gsinθ)と向きが等しいと仮定すると、以下の数11式および数12式が成立する。
この場合、車両1の傾きθが15°未満(θ<15°)である場合は、sinθ≒θ、cosθ≒1が成立する。従って、傾き算出部44Cは、以下の数13式および数14式により車両1の傾きθ(1位台車側の傾きθ1及び2位台車側の傾きθ2)を算出することができる。
そして、振動加速度算出部としての左右加速度補正部44は、以下の数15式および数16式に示すように、傾きθ1,θ2を用いて、左右加速度asy1,asy2から遠心加速度arの左右方向成分ary(=arcosθ)を減算して、振動加速度ay1,ay2をそれぞれ求めることができる。
制御指令値算出部45の入力側は、左右加速度補正部44に接続されている。また、制御指令値算出部45の出力側は、左右動ダンパ9に接続されている。この制御指令値算出部45は、左右加速度補正部44から入力された振動加速度ay1,ay2に基づいて、車体2の振動を制御するために左右動ダンパ9が発生すべき減衰力を算出する。そして、制御指令値算出部45は、算出した減衰力に基づいて左右動ダンパ9のアクチュエータに供給すべき目標電流値を演算し、該目標電流値を制御指令信号として左右動ダンパ9に出力する。
次に、コントローラ41が制御周期毎に実行する左右動ダンパ9の制御用のプログラムについて図14を用いて説明する。
まず、ステップ31では、コントローラ41は、各センサ11,12,13からの検出信号に基づいて左右加速度asy1,asy2とヨーレイトωzと車速vとを検出する。この場合、コントローラ41は、第1の実施の形態と同様に、例えばAD変換器(図示せず)を用いて、アナログ信号からなる各センサ11,12,13の検出信号をデジタル信号に変換する。
次に、ステップ32では、コントローラ41の超過遠心加速度算出部43は、ヨーレイトωzと車速vとにより超過遠心加速度を算出する。この場合、上記数1式で示したように、ヨーレイトωzと車速vとに基づいて算出した遠心加速度arを超過遠心加速度と推定する。
そして、ステップ33では、コントローラ41の左右加速度補正部44は、左右加速度asy1,asy2と遠心加速度arと重力加速度gとを用いて、車体2の傾きθを算出する。具体的には、左右加速度補正部44のローパスフィルタ44A,44Bは、各左右加速度センサ11で検出した左右加速度asy1,asy2から振動成分の左右加速度である振動加速度ay1,ay2をそれぞれ除去して、左右加速度asyf1,asyf2を算出する(数9式および数10式参照)。そして、左右加速度補正部44の傾き算出部44Cは、左右加速度asyf1,asyf2と遠心加速度arと重力加速度gとを用いて、車体2の傾きθを算出する(数13式および数14式参照)。
ステップ34では、コントローラ41の左右加速度補正部44は、左右加速度センサ11で求めた左右加速度asy1,asy2と上記ステップ33で求めた車体2の傾きθを用いて、車体2の中心位置での振動加速度ay1,ay2を算出する(数15式および数16式参照)。
そして、ステップ35では、コントローラ41の制御指令値算出部45は、左右加速度補正部44で求めた振動加速度ay1,ay2に基づいて、左右動ダンパ9を制御する制御指令値を算出する。
かくして、第4の実施の形態でも、第1の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。第4の実施の形態では、コントローラ41は、車両1の車体2の傾きθに基づいて、車体2の振動成分である振動加速度ay1,ay2を算出する。これにより、カントの傾斜面や車体傾斜装置の情報がなくても、車体2の傾きθを推定して、該車体2の傾きθに基づいて車体2に振動を引き起こす振動加速度ay1,ay2を算出することができる。
なお、前記第1の実施の形態では、左右加速度センサ11とヨーレイトセンサ12とを、各台車3の直上近傍に位置して車体2に2個ずつ設ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、車体の任意の位置に設けられたセンサからの検出信号を用いて、必要箇所の左右加速度やヨーレイトを演算によって求めてもよい。従って、左右加速度センサとヨーレイトセンサは、車体に1個ずつ設ける構成としてもよい。この構成は、第2、第3、第4の実施の形態にも同様に適用することができる。
また、前記第3の実施の形態では、コントローラ31は、車両1の走行位置での曲線半径rに基づいて超過遠心加速度を算出し、該超過遠心加速度を用いて車体2の振動成分である振動加速度ay1,ay2を求める構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、第2の実施の形態と同様に、曲線半径に基づいて算出した超過遠心加速度から重力加速度による左右方向成分を除いて振動加速度を算出する構成としてもよい。
また、前記第4の実施の形態では、左右加速度補正部44は、ローパスフィルタ44A,44Bを用いて、各左右加速度センサ11で検出した左右加速度asy1,asy2から振動成分の左右加速度である振動加速度ay1,ay2をそれぞれ除去する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、左右加速度補正部は、左右加速度センサで検出した加速度から所定の時間毎における平均値を求めて、振動加速度を除去する構成としてもよい。具体的には、例えば、振動加速度の周期が0.5秒程度であり、車体のロール成分の振動周期が1.5秒程度である場合には、左右加速度センサで検出した加速度から1秒間毎における平均値を求めて、振動加速度を除去する構成としてもよい。
また、前記第4の実施の形態では、超過遠心加速度算出部43は、車体2のヨーレイトωzと、車速vとに基づいて、車体2の超過遠心加速度を検出する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、第3の実施の形態と同様に、超過遠心加速度算出部は、車体のヨーレイトωzと、車両の位置情報から算出した曲線半径rとに基づいて、車体の超過遠心加速度を検出する構成としてもよい。
また、前記第1の実施の形態では、コントローラ10は、スカイフック制御則によって左右動ダンパ9の減衰力指令値を演算する構成としたが、本発明はこれに限らず、例えばLQG制御則、H∞制御則等のような他の制御則に基づいて減衰力指令値を演算してもよい。この構成は、第2、第3、第4の実施の形態にも適用することができる。
また、前記各実施の形態では、ダンパ8,9がセミアクティブダンパである場合を例に挙げて説明したが、これに代えて、アクティブダンパを用いるようにしてもよい。
また、前記各実施の形態では、作動油が封入された減衰力調整式油圧緩衝器からなるダンパ8,9に適用した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば作動流体として空気が封入された減衰力調整式空圧緩衝器に適用してもよい。
さらに、前記各実施の形態では、本発明のサスペンション制御装置を鉄道車両1,21に適用した場合を例に挙げて説明したが、自動車等の他の車両に適用してもよい。
次に、前記各実施の形態に含まれる発明について記載する。本発明によれば、コントローラは、車両の進行方向に対して左右方向に作用する車体の左右加速度を検出する左右加速度検出部と、前記車体のヨーレイトに基づいて前記車体の超過遠心加速度を検出、または推定する超過遠心加速度検出部と、前記左右加速度検出部の検出値から前記超過遠心加速度検出部の検出値を減算して振動成分の左右加速度を求める振動加速度算出部と、を有する構成とした。このため、車体のヨーレイトに基づいて、振動成分の左右加速度を求めることができる。この結果、車両に曲線走行に伴う左右加速度が作用する場合でも、車体に振動を引き起こす振動成分の左右加速度に基づいて、減衰力調整式緩衝器の減衰力を制御することができるので、車両の乗り心地を向上することができる。
本発明によれば、超過遠心加速度検出部は、車両の走行速度に基づいて超過遠心加速度を算出する構成とした。これにより、車両の走行速度とヨーレイトから超過遠心加速度を算出することができ、該超過遠心加速度に基づいて車体の振動成分の左右加速度を検出することができる。この結果、車両の走行位置を取得する必要がないから、車両の走行位置情報に基づいて制御する場合に比べて、適用可能な線路区間を広げることができる。
本発明によれば、超過遠心加速度検出部は、重力加速度の左右方向成分に基づいて超過遠心加速度を算出する構成とした。これにより、カント等によって曲線走行時に車両が傾斜するときでも、このような傾斜による重力加速度の左右方向成分を除去して超過遠心加速度を算出することができる。この結果、カント等の影響を考慮して、実際に車体に作用する超過遠心加速度を算出することができる。
本発明によれば、超過遠心加速度検出部は、車両の位置情報に基づいて超過遠心加速度を算出する構成とした。これにより、車両の走行速度を用いずに超過遠心加速度を算出することができ、該超過遠心加速度を用いて、車体の振動成分の左右加速度を求めることができる。
本発明によれば、振動加速度算出部は、左右加速度、超過遠心加速度、重力加速度に基づいて前記車体の傾きを算出して、該車体の傾きに基づいて振動成分の左右加速度を求める構成とした。これにより、カントの傾斜面や車体傾斜装置の情報がなくても、車体の傾きを推定して、該車体の傾きに基づいて車体に振動を引き起こす振動加速度を算出することができる。
以上説明した実施形態に基づくサスペンション制御装置として、例えば、以下に述べる態様のものが考えられる。
サスペンション制御装置の第1の態様としては、車体と台車とを有する車両に設けられる減衰力調整式緩衝器と、該減衰力調整式緩衝器の減衰力を制御するコントローラと、を備えたサスペンション制御装置であって、前記コントローラは、前記車両の進行方向に対して左右方向に作用する前記車体の左右加速度を検出する左右加速度検出部と、前記車体のヨーレイトに基づいて前記車体の超過遠心加速度を検出、または推定する超過遠心加速度検出部と、前記左右加速度検出部の検出値から前記超過遠心加速度検出部の検出値を減算して振動成分の左右加速度を求める振動加速度算出部と、を有する。
第2の態様としては、第1の態様において、前記超過遠心加速度検出部は、前記車両の走行速度に基づいて前記超過遠心加速度を算出する。
第3の態様としては、第1の態様または第2の態様において、前記超過遠心加速度検出部は、重力加速度の左右方向成分に基づいて前記超過遠心加速度を算出する。
第4の態様としては、第1の態様において、前記超過遠心加速度検出部は、前記車両の位置情報に基づいて前記超過遠心加速度を算出する。
第5の態様としては、第1の態様乃至第4の態様のいずれかにおいて、前記振動加速度算出部は、左右加速度、超過遠心加速度、重力加速度に基づいて前記車体の傾きを算出して、該車体の傾きに基づいて前記振動成分の左右加速度を求める。