JP6577252B2 - 鉄道車両制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両制御装置に関する。

鉄道システムにおいて、鉄道車両の車輪の空転を検出する技術が知られている。このような技術では、固定値あるいは車輪の回転速度に応じて車輪の空転を検出しており、空転を検出できない場合や、空転を誤検出してしまう場合があった。

特開２００７−３１８８２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、車輪の空転の検出速度を向上させることができる鉄道車両制御装置を提供することである。

実施形態の鉄道車両制御装置は、検出部と、検出程度制御部とをもつ。検出部は、車輪の空転を検出する。検出程度制御部は、検出部により空転が検出された頻度が高い程、空転を検出しやすくするように検出部を制御する。

第１の実施形態における鉄道車両制御装置１００を含む車両駆動装置１の構成の一例を示す図。 第１の実施形態における鉄道車両制御装置１００の機能構成の一例を示す図。 空転判定部１２２による空転の判定方法の一例を説明するための図。 空転判定部１２２による空転の判定方法の他の例を説明するための図。 空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させる方法の一例について説明するための図。 記憶部１３０に格納されたマップＭＰの一例を示す図。 第１の実施形態における鉄道車両制御装置１００の処理の流れの一例を示すフローチャート。 第２の実施形態における鉄道車両制御装置１００の機能構成の一例を示す図。 第４の実施形態における積算部４００のハードウェア構成の一例を示す図。 第５の実施形態における積算部４００のハードウェア構成の一例を示す図。

以下、実施形態の鉄道車両制御装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における鉄道車両制御装置１００を含む車両駆動装置１の構成の一例を示す図である。本実施形態における車両駆動装置１は、鉄道用の電気車両（以下、「鉄道車両」と称する）に搭載される。鉄道車両は、集電器１０が直流電源または交流電源である架線Ｐに接触することにより、架線Ｐから電力供給を受けてレールＲ上を走行する。図１では架線Ｐが直流電源であるものとする。車両駆動装置１は、主要な構成要素として、モータ２０と、インバータ３０と、鉄道車両制御装置１００とを備える。

集電器１０からの電力供給経路には、フィルタリアクトル１２が設けられている。フィルタリアクトル１２は、架線Ｐから供給される電流を平滑化させる。また、集電器１０から帰線であるレールＲまでの間には、インバータ３０と並列にフィルタコンデンサ１４が設けられている。フィルタコンデンサ１４は、インバータ３０に供給される電圧を安定化させる。

モータ２０は、例えば、かご型の誘導電動機である。モータ２０は、図示しない歯車等の連結機構を介して車輪Ｗに連結され、走行用の駆動力を出力する。モータ２０には、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の電力線が接続されている。Ｕ相の電力線には電流センサ２２Ｕが取り付けられ、Ｗ相の電力線には電流センサ２２Ｗが取り付けられている。これらの電流センサの検出値を示す信号は、鉄道車両制御装置に入力される。なお、モータ２０は、「駆動部」の一例である。なお、モータ２０は、永久磁石型電動機等、他の種類の電動機であってもよい。

また、モータ２０には、回転検出部２４が取り付けられる。回転検出部２４は、モータ２０の回転部材であるロータ２０Ａの回転速度νを検出する。回転検出部２４は、例えばＰＧセンサである。なお、回転検出部２４は、モータ２０のロータ２０Ａの回転角度を検出するものであってもよい。この場合、回転検出部２４は、例えばレゾルバセンサであり、鉄道車両制御装置１００においてパルス信号をカウントすること等によってロータ２０Ａの回転速度νが算出される。なお、回転検出部２４は、ロータ２０Ａの回転速度νに代えて、出力軸の回転速度を検出してもよいし、車輪の回転速度を検出してもよい。また、鉄道車両制御装置１００は、ロータ２０Ａの回転速度νを検出するセンサを省略して、センサレスでロータ２０Ａの回転速度νまたは回転角を算出してもよい。

具体的には、鉄道車両制御装置１００は、電流センサ２２Ｕ、２２Ｗにより検出される電流値や、インバータ３０の各相の電圧値、電流値を用いてモータ２０のすべり周波数を算出し、算出したすべり周波数に基づいてモータ２０のロータ２０Ａの回転速度νまたは回転角を算出してもよい。また、鉄道車両制御装置１００は、インバータ３０の各相の電圧値からモータ２０内部の誘起電圧を算出し、算出した誘起電圧に基づいて回転速度νまたは回転角を算出してもよい。

インバータ３０は、モータ２０を駆動する。インバータ３０は、３相（ＵＶＭ相）の電力を生成するスイッチング素子３２−１〜３２−６を備える。インバータ３０は、これらのスイッチング素子が任意に導通（オン）・阻止（オフ）動作されることによって、直流電圧を任意の電圧と任意の周波数の３相交流電圧に変換する。すなわち、インバータ３０は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)インバータである。各スイッチング素子は、例えば逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子として、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。

車両駆動装置１を搭載する鉄道車両の運転は、運転台に取り付けられたマスターコントローラ４０を操作することによって行われる。マスターコントローラ４０は、種々の態様を採用し得るが、例えば、前方に押すことによって制動・減速を指示し、後方に引くことによって加速を指示することができる横軸型のマスターコントローラである。マスターコントローラ４０に対してなされた操作量を示す信号、或いは操作に基づいて決定される制御信号は、鉄道車両制御装置に入力される。なお、マスターコントローラ４０は、「操作部」の一例である。また、マスターコントローラ４０に対してなされた操作量を示す信号、或いは操作に基づいて決定される制御信号は、「入力操作」の一例である。

鉄道車両制御装置１００は、鉄道車両の車輪Ｗの空転、或いは滑走を検出するためにモータ２０をモニタリングし、モニタリングの結果に基づいて、インバータ３０を制御する。空転や滑走は、急勾配や降雨時に鉄道車両の車輪ＷとレールＲとの間の粘着性が低下することにより発生する。以下、鉄道車両の車輪Ｗの空転および滑走を、まとめて「空転」と称して説明する。

図２は、第１の実施形態における鉄道車両制御装置１００の機能構成の一例を示す図である。本実施形態における鉄道車両制御装置１００は、制御部１１０と、記憶部１３０とを備える。制御部１１０は、電流指令演算部１１２と、電圧指令演算部１１４と、変換部１１６と、ＰＷＭ制御部１１８と、加速度演算部１２０と、空転判定部１２２と、積算部１２４と、空転頻度演算部１２６とを備える。なお、図１に示す回転検出部２４、加速度演算部１２０、および空転判定部１２２を合わせたものは、「検出部」の一例である。また、積算部１２４および空転頻度演算部１２６は、「検出程度制御部」の一例である。

上述した制御部１１０の機能部のうち一部または全部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが記憶部１３０に記憶されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部である。また、制御部１１０の機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。

記憶部１３０は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の不揮発性の記憶媒体と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、レジスタ等の揮発性の記憶媒体とを有する。記憶部１３０に記憶される情報は、プロセッサが実行するプログラムの他、後述する閾値αｔｈ、閾値Ｔｔｈ、閾値Ｆｍａｘ、閾値Ｆｍｉｎ、図５に示すマップＭＰ（或いはマップＭＰに相当するテーブルや関数、アルゴリズム）、空転頻度Ｆ、空転回数Ｎｉ、回転加速度α、時間Ｔ等の情報を含む。

以下、制御部１１０の各機能部について説明する。電流指令演算部１１２は、マスターコントローラ４０から入力された加速度指令値（ノッチ数）に基づいて、出力すべきパワーを決定し、決定したパワーと、現在のロータ２０Ａの回転速度νとを用いて、モータ２０のトルクを決定する。

電流指令演算部１１２は、決定したトルクに基づいて、インバータ３０からモータ２０に供給する電流の指令値を算出する。具体的には、電流指令演算部１１２は、加速度指令値（ノッチ数）と現在のロータ２０Ａの回転速度νとに基づいて、ｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆとｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆとを生成し、生成したｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆとｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆとを電圧指令演算部５２に出力する。ここで、ｄ軸電流とは、モータ２０の二次側磁束の方向（ｄ軸方向）に流れる電流であり、ｑ軸電流とは、ｄ軸と直交する方向（ｑ軸方向）に流れる電流である。

また、電流指令演算部１１２は、後述する空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定された場合、生成したｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆの値を小さくする。これによって、鉄道車両制御装置１００は、モータ２０が出力するトルクを少なくすることで、車輪ＷとレールＲの路面との間の粘着性を向上させることができる。この結果、鉄道車両制御装置１００は、車輪Ｗの空転を抑制することができる。なお、電流指令演算部１１２は、モータ２０が回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石構造の同期モータＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）である場合、ｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆ（磁束電流）とｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆ（トルク電流）との双方の値を小さくしてもよい。

電圧指令演算部１１４は、電流指令演算部１１２から入力された電流指令値（ＩｄＲｅｆ、ＩｑＲｅｆ）と、変換部１１６から入力されたｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑとに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄおよびｑ軸電圧指令値Ｖｑを生成し、生成したｄ軸電圧指令値Ｖｄおよびｑ軸電圧指令値Ｖｑを変換部１１６に出力する。

変換部１１６は、電圧指令演算部１１４から入力されたｄ軸電圧指令値Ｖｄおよびｑ軸電圧指令値Ｖｑを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換し、変換した３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗをＰＷＭ制御部１１８に出力する。また、変換部１１６は、電流センサ２２Ｕ、２２Ｗから入力されたＵ相およびＷ相の電流を、ｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑに変換し、変換したｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑを電圧指令演算部１１４に出力する。

ＰＷＭ制御部１１８は、予め設定された三角波と各相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとを個別に比較して各相のゲート指令値を生成し、生成したゲート指令値を、インバータ３０を構成する各相のスイッチング素子に出力することで、インバータ３０を制御する。なお、上述したｄ軸、ｑ軸とＵ相、Ｖ相、Ｗ相との間の相互変換は、例えば、クラーク変換やパーク変換等のベクトル変換を用いて行う。なお、実施形態で説明したインバータ３０の駆動手法は、あくまで一例であり、他の手法を採用してもよい。

加速度演算部１２０は、回転検出部２４により検出された回転速度νからロータ２０Ａの回転加速度αを算出する。具体的には、加速度演算部１２０は、回転検出部２４により検出された回転速度νを微分演算することにより回転加速度αを算出する。

空転判定部１２２は、加速度演算部１２０により算出された回転加速度αに基づいて車輪Ｗが空転しているか否かを判定する。図３は、空転判定部１２２による空転の判定方法の一例を説明するための図である。また、図４は、空転判定部１２２による空転の判定方法の他の例を説明するための図である。図３および図４における横軸は時間ｔ（例えば単位は[ｓｅｃ]）を表し、縦軸は回転加速度α（例えば単位は[Ｈｚ／ｓｅｃ]）の絶対値を表す。図３に示すように、空転判定部１２２は、例えば、加速度演算部１２０により算出された回転加速度αが継続的に閾値αｔｈを超えている時間Ｔが、閾値Ｔｔｈを超える場合に、車輪Ｗが空転していると判定する。また、図４に示すように、空転判定部１２２は、例えば、加速度演算部１２０により算出された回転加速度αが継続的に閾値αｔｈを超えている時間Ｔが、閾値Ｔｔｈを超えない場合に、車輪Ｗが空転していないと判定する。なお、ここでは回転加速度αが正の場合の空転（加速時に発生）と、回転加速度αが負の場合の空転（減速時に発生）とに対して同じ閾値αｔｈおよびＴｔｈを用いるものとしたが、回転加速度αが正の場合の空転と負の場合の空転とに対して異なる閾値を適用してもよい。

空転判定部１２２は、車輪Ｗが空転していると判定した場合、モータ２０に供給する電流を低下（減少）させる旨の指令を電流指令演算部１１２に出力する。指令を受け取った電流指令演算部１１２は、生成した電流指令値を、より小さい値の電流指令値に変更する処理を行う。なお、空転判定部１２２から電流指令演算部１１２に出力される指令は、モータ２０に力行のための電流を供給させる指令であってもよいし、回生のための電流を供給させる指令であってもよい。すなわち、空転判定部１２２は、加速時に発生する空転と、減速時に発生する空転とのいずれの場合にも対応することが可能である。

積算部１２４は、予め定められた積算時間τ（例えば１０秒程度）ごとに、空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定された回数を積算する。以下、積算時間τごとの積算回数を「空転回数Ｎｉ」と称する。積算部１２４は、例えば、積算時間τの間に、空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定された回数を、空転回数Ｎｉとして算出する。積算部１２４は、積算した空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させる。

積算部１２４は、空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させる際、記憶部１３０内に設けられた空転回数Ｎｉの記憶領域の単位数ｘに応じて、既に空転回数Ｎｉが記憶されている記憶領域に対し、新たに空転回数Ｎｉを上書きして記憶させてもよい。

図５は、空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させる方法の一例について説明するための図である。図５の例では、記憶部１３０は、空転回数Ｎｉを記憶する記憶領域として記憶領域Ａ-１からＡ-３の３つの記憶領域を有している。例えば、記憶領域Ａ-１には、ｔ-１回目に積算された空転回数Ｎｉが記憶され、記憶領域Ａ-２には、ｔ回目に積算された空転回数Ｎｉが記憶され、記憶領域Ａ-３には、ｔ+１回目に積算された空転回数Ｎｉが記憶されている。以下、一単位の記憶領域に空転回数Ｎｉを記憶させる動作を記憶領域の単位数ｘ分繰り返すことを「１セット」と称して説明する。図５の例では、１セットは３回分である。

このような場合、積算部１２４は、ｔ+１回目に積算した空転回数Ｎｉを、ｔ-１回目の空転回数Ｎｉを記憶させた記憶領域Ａ-１に上書き記憶させる。また、積算部１２４は、ｔ+２回目に積算した空転回数Ｎｉを、ｔ回目の空転回数Ｎｉを記憶させた記憶領域Ａ-２に上書き記憶させる。以下、同様に積算部１２４は、上述した処理を周期的に繰り返し実行し、記憶領域Ａ-１→Ａ-２→Ａ-３→Ａ-１→…（以下省略）の順序で積算した空転回数Ｎｉを上書き記憶させる。

この結果、積算部１２４は、上述した記憶部１３０の上書き動作を繰り返し行うことにより、常に現時点から３０秒前までに発生した空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させ、記憶部１３０に記憶させる空転回数Ｎｉの演算結果を積算時間τ（上述した例では１０秒）毎に最新の値に更新させることができる。また、用意すべき記憶領域を増大させることを抑制することができ、リソースの浪費を防止することができる。なお、上述した例において積算時間τを、「１０秒」として説明したがこれに限られない。積算部１２４は、例えば、１秒ごとや１分ごとに空転回数Ｎｉを積算してもよい。また、１セット分の時間は「３０秒」に限られず、例えば１分であってもよいし、１０分であってもよい。

空転頻度演算部１２６は、空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定された頻度（以下、「空転頻度Ｆ」と称する）を算出する。例えば、空転頻度演算部１２６は、積算部１２４により１セット分の空転回数Ｎｉの積算処理が実施された場合、１セット分の空転回数Ｎｉの総和（Ｎ１+Ｎ２+…＋Ｎｘ）を１セット分の時間で除算したものを、空転頻度Ｆとして算出する。これにより、空転頻度演算部１２６は、時間変化に伴って緩やかに値が変化する空転頻度Ｆを算出することができ、急激な制御の切り替わりによって鉄道車両の乗り心地が悪化するのを抑制することができる。なお、空転頻度演算部１２６は、直近側の空転回数Ｎｉの加重を大きくした加重平均等を、空転頻度Ｆとして算出してもよい。

鉄道車両が走行するレールＲの路面の状況は、雨天等の天候の変化に影響を受けやすい。このような場合、天候の変化に伴って変化するレールＲの路面の状態は、空転の発生頻度に影響を与える。例えば、雨が降った後の濡れた状態のレールＲ路面と、乾いた状態のレールＲ路面とでは、空転（または滑走）の発生頻度が異なる。

従って、鉄道車両制御装置１００は、レールＲの路面が濡れた状態から乾いた状態へと移り変わる際に、或いは、乾いた状態から濡れた状態へと移り変わる際に、算出する空転頻度Ｆを、この路面の状態変化に速やかに追従させる必要がある。

一方で、鉄道車両制御装置１００は、鉄道車両の乗り心地を悪化するのを防ぐために、路面の状態が変わる位置で急激な車輪制御を行わないようにする必要がある。また、悪天候時にトンネルを通過する際のように、レールＲの状況が急激に変化する場合、迅速に追従し過ぎると、急激な車輪制御を行ってしまうような場合がある。

これに対し、鉄道車両制御装置１００は、上述したように３０秒程度、あるいは１分間程度の１セット時間ごとに空転回数Ｎｉを積算し、数秒から数十秒間隔程度の積算時間τで記憶部１３０の空転回数Ｎｉを更新するため、空転頻度Ｆを急激に変化させることがなくなる。この結果、鉄道車両制御装置１００は、レールＲの路面の状況の変化に徐々に適応させる車輪制御を行うことができる。

また、空転頻度演算部１２６は、算出した空転頻度Ｆに基づいて、空転判定部１２２による空転判定時に参照される閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを設定する。図６は、記憶部１３０に格納されたマップＭＰの一例を示す図である。空転頻度演算部１２６は、図６に例示するマップＭＰを参照して、空転判定時に参照される閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈの設定処理を行う。なお、記憶部１３０には、マップＭＰに代えて、マップＭＰと同等の関数、テーブル、またはアルゴリズム等の情報が格納されていてもよい。この場合、空転頻度演算部１２６は、記憶部１３０に格納された関数等を用いて閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを設定する。

図６において、推移線ＬＮ１は、閾値αｔｈの空転頻度Ｆに応じた変化を示し、推移線ＬＮ２は、閾値Ｔｔｈの空転頻度Ｆに応じた変化を示している。図６に示すように、空転頻度演算部１２６は、例えば、算出した空転頻度Ｆが下限に設けられた閾値Ｆｍｉｎ以下の場合、閾値αｔｈを一定値α１に設定すると共に、閾値Ｔｔｈを一定値Ｔ１に設定する。また、空転頻度演算部１２６は、例えば、算出した空転頻度Ｆが下限に設けられた閾値Ｆｍｉｎ以上で、且つ上限に設けられた閾値Ｆｍａｘ以下の場合、空転頻度Ｆの増加に伴って減少するような値に閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを設定する。

また、空転頻度演算部１２６は、例えば、算出した空転頻度Ｆが上限に設けられた閾値Ｆｍａｘ以上の場合、閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを初期値よりも小さい一定値α２およびＴ２に、それぞれ設定する。このように、空転頻度演算部１２６は、算出した空転頻度Ｆが大きい程、すなわち空転が発生しやすい状態である程、閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを小さく設定することで、高頻度で空転が発生する環境下では空転を検出しやすくして感度を上昇させ、低頻度で空転が発生する環境下では空転を検出しにくくして誤検出を抑制する。なお、鉄道車両制御装置１００の運用が開始されてから１セット分の時間（例えば３０秒）が経過するまでの期間において、閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈには、それぞれ一定値α１および一定値Ｔ１が設定されているものとする。

また、本実施形態では、それ以下で回転加速度αに対する閾値αｔｈが一定値となる空転頻度Ｆの下限と、それ以下で時間に対する閾値Ｔｔｈが一定値となる空転頻度Ｆの下限とが同じ閾値Ｆｍｉｎであるものとしたが、これらは異なる値であってもよい。また、それ以上で回転加速度αに対する閾値αｔｈが一定値となる空転頻度Ｆの上限と、それ以上で時間に対する閾値Ｔｔｈが一定値となる空転頻度Ｆの上限とが同じ閾値Ｆｍａｘであるものとしたが、これらは異なる値であってもよい。

このように、鉄道車両制御装置１００は、空転頻度Ｆに応じて閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを設定することにより、車輪Ｗの空転発生に適切に対応することができる。鉄道車両制御装置１００は、例えば、空転頻度Ｆが高い場合、閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを低い値に設定することにより、空転の判定感度を高く設定することができ、空転の発生を早い段階で検出することができる。この結果、鉄道車両制御装置１００は、速やかにモータ２０のトルクを減少させることができ、車輪ＷとレールＲの路面との間の再粘着を早めることができる。また、鉄道車両制御装置１００は、例えば、空転頻度Ｆが低い場合、閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを高い値に設定することにより、空転の判定感度を低く設定することができ、空転の誤検出を防止することができる。これらの結果、鉄道車両制御装置１００は、車輪の空転の検出速度を向上させることができる。

なお、鉄道車両制御装置１００は、空転頻度演算部１２６における空転頻度Ｆの演算処理を確実に行うために、上述した積算部１２４の処理において、一定の遅延時間（例えば５秒程度）を設けて空転回数Ｎｉの上書き処理を行うと好適である。上述した図５の例の場合、積算部１２４は、例えば、空転頻度演算部１２６が空転頻度Ｆの演算時において、ｔ−１回目に記憶された空転回数Ｎｉを記憶領域Ａ−１から取得するタイミングから遅延時間（例えば５秒程度）経過した後に、ｔ＋２回目に積算した空転回数Ｎｉを記憶領域Ａ−１に上書きして記憶させる。

これによって、空転頻度演算部１２６は、空転頻度Ｆの演算処理を、空転回数Ｎｉの上書き処理のタイミングよりも前に実施することができ、現在時刻の空転頻度Ｆを確実に演算することができる。

以下、鉄道車両制御装置１００の処理の流れについて説明する。図７は、第１の実施形態における鉄道車両制御装置１００の処理の流れの一例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、例えば、所定周期で繰り返し実行される。

まず、加速度演算部１２０は、回転検出部２４から検出値である回転速度νを取得する（ステップＳ１００）。次に、加速度演算部１２０は、取得した回転速度νからロータ２０Ａの回転加速度αを算出する（ステップＳ１０２）。

次に、空転判定部１２２は、加速度演算部１２０により算出された回転加速度αが閾値αｔｈ以下である状態から、閾値αｔｈを超える状態になったか否かを判定する。空転判定部１２２は、加速度演算部１２０により算出された回転加速度αが閾値αｔｈ以下である状態から、閾値αｔｈを超える状態になった場合、時間のカウントをゼロから開始する。

次に、空転判定部１２２は、加速度演算部１２０により算出された回転加速度αが閾値αｔｈを超えているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。空転判定部１２２は、回転加速度αが閾値αｔｈを超えている場合、回転加速度αが閾値αｔｈを超えている時間Ｔのカウントを継続し、現在のカウントが閾値Ｔｔｈを超えているか否かを直ちに判定する（ステップＳ１０６）。空転判定部１２２は、カウントした時間Ｔが閾値Ｔｔｈを超えている場合、車輪Ｗが空転していると判定し（ステップＳ１０８）、時間ＴがＴｔｈを超えていない場合、車輪Ｗが空転していないと判定する（ステップＳ１１０）。一方、空転判定部１２２は、回転加速度αが閾値αｔｈを超えていない場合、車輪Ｗが空転していないと判定する（ステップＳ１１０）。

次に、積算部１２４は、空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定された空転回数Ｎｉに１を加算し、空転回数Ｎｉを更新する（ステップＳ１１２）。次に、積算部１２４は、積算時間τが経過したか否かを判定する（ステップＳ１１４）。積算部１２４は、積算時間τが経過した場合、積算した空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させ、積算する空転回数Ｎｉをゼロクリアする。

次に、鉄道車両制御装置１００は、上述したステップＳ１００からステップＳ１１４までの空転回数Ｎｉの積算処理を１セット分実施して空転回数Ｎｉを積算し、積算した１セット分の空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させて更新する（ステップＳ１１６）。

空転頻度演算部１２６は、積算時間τが経過するたびに、積算部１２４により積算された空転回数Ｎｉに基づいて、空転頻度Ｆを算出する（ステップＳ１１８）。

次に、空転頻度演算部１２６は、算出した空転頻度Ｆに基づいて、空転判定部１２２による空転判定時に参照される閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを再計算し、計算結果の値に閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを設定する（ステップＳ１２０）。鉄道車両制御装置１００の制御部１１０は、以上の一連のフローチャートの処理を毎制御サイクル実施する。

以上説明した第１の実施形態の鉄道車両制御装置１００によれば、空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定される頻度が大きい程、空転の判定感度を高くするように空転判定部１２２を制御することにより、車輪Ｗの空転の検出速度を向上させることができる。鉄道車両制御装置１００は、空転の判定感度を高く設定した場合、速やかにモータ２０のトルクを減少させることができ、車輪ＷとレールＲの路面との間の再粘着を早めることができる。この結果、鉄道車両制御装置１００は、車輪Ｗの空転を早い段階で検出することにより、鉄道車両の速度が低下することで運行ダイヤに影響を及ぼしたり、車輪Ｗが摩耗することで鉄道車両の乗り心地が悪化したりすることを防止することができる。また、鉄道車両制御装置１００は、空転の判定感度を低く設定した場合、空転の誤検出を防止することができる。

また、走行するためのモータ２０を搭載している鉄道車両と、モータ２０を搭載していない付随の鉄道車両とを含む複数の鉄道車両により組成される列車編成において、一般的に、雨天時には先頭に近い鉄道車両ほど空転（滑走）が発生しやすい傾向がある。このような場合であっても、第１の実施形態の鉄道車両制御装置１００によれば、空転がより発生しやすい先頭の鉄道車両に対して空転の判定感度を高く設定し、付随の鉄道車両に対して空転の判定感度を低く設定することにより、車両ごとに空転検出を好適に行うことができる。

また、第１の実施形態の鉄道車両制御装置１００によれば、数秒から数十秒間隔程度の積算時間τで記憶部１３０の空転回数Ｎｉを更新することにより、空転頻度Ｆを緩やかに変化させることができる。この結果、鉄道車両制御装置１００は、レールＲの路面の状況の変化に徐々に適応させる車輪制御を行うことができる。

また、第１の実施形態の鉄道車両制御装置１００によれば、空転回数Ｎｉを積算値で保持しておくことにより、トンネル通過等の一時的にレールＲ路面の状況が改善するような場合でも急激な車輪制御を防ぐことができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態における鉄道車両制御装置１００について説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点として、リセットタイミング判定部１２８について説明する。以下、上述した第１の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。

図８は、第２の実施形態における鉄道車両制御装置１００の機能構成の一例を示す図である。第２の実施形態における鉄道車両制御装置１００は、上述した第１の実施形態の構成にリセットタイミング判定部１２８をさらに備える。リセットタイミング判定部１２８は、「検出部」の一機能に相当する。

リセットタイミング判定部１２８は、マスターコントローラ４０から入力される信号に基づいて、鉄道車両が力行状態（ノッチオン状態）であるか否か、ブレーキオン状態（回生状態）であるか、或いは惰行状態（ニュートラル状態）であるかを判定する。リセットタイミング判定部１２８は、鉄道車両が力行状態（ノッチオン状態）から惰行状態（ニュートラル状態）に遷移したときに、積算部１２４による積算時間τの積算処理を一時的に停止させる。そして、再び惰行状態（ニュートラル状態）から力行状態（ノッチオン状態）、またはブレーキング状態（回生状態）に移行した場合に、リセットタイミング判定部１２８は、積算部１２４に再度積算時間τの積算処理を再開させる。

また、リセットタイミング判定部１２８は、鉄道車両がブレーキオン状態（回生状態）から惰行状態（ニュートラル状態）に遷移したときにも同様に、積算時間τの積算を積算部１２４に一時的に停止させ、再び惰行状態（ニュートラル状態）からブレーキング状態（回生状態）または力行状態（ノッチオン状態）に移行した場合、再度積算時間τの積算を積算部１２４に再開させる。なお、積算部１２４は、空転回数Ｎｉを消去させる旨の信号を取得した場合に、記憶領域Ａ−１からＡ−３の全てをゼロクリアしてもよい。

この結果、第２の実施形態の鉄道車両制御装置１００は、鉄道車両が加速（または減速）中でない期間、すなわち、惰行状態（ニュートラル状態）である場合、車輪Ｗの空転の発生確率が低いことから、空転頻度の算出に含めないことを目的とし、積算を一時的に停止する。これによって、空転頻度演算部１２６は、惰行期間が長い路線の走行中、または駅停車中に空転頻度の情報が不要にクリアされてしまうことを抑制する。この結果、鉄道車両制御装置１００は、車輪Ｗの空転の検出速度を、より向上させることができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態における鉄道車両制御装置１００について説明する。ここでは、上述した第１および第２の実施形態との相違点として、積算部１２４の動作について説明する。以下、上述した第１および第２の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。

第３の実施形態における積算部１２４は、空転頻度演算部１２６により算出された空転頻度Ｆに基づいて、算出した空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させる処理、または算出した空転回数Ｎｉを記憶部１３０に記憶させずに消去する処理を行う。

積算部１２４は、例えば、空転頻度Ｆが閾値Ｆｍａｘよりも大きい場合、空転頻度Ｆが高いため、算出した空転回数Ｎｉを記憶部１３０の記憶領域に上書きして記憶させる。すなわち、積算部１２４は、上述した第１、第２の実施形態と同様に、積算した上書き処理を行う。

また、積算部１２４は、例えば、空転頻度Ｆが閾値Ｆｍｉｎよりも小さい場合、誤検知や偶発的な空転である可能性が高いため、空転検知に用いる閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを変化させない。空転回数Ｎｉの積算値がある一定以上を超えた場合に初めて、路面状況の悪化と判定し、閾値αｔｈおよび閾値Ｔｔｈを通常の値より小さくする。この結果、鉄道車両制御装置１００は、車輪Ｗの空転の検出速度を、より向上させることができる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態における鉄道車両制御装置１００について説明する。ここでは、上述した第１から第３の実施形態との相違点として、積算部４００の構成について説明する。第４の実施形態における積算部４００は、上述した第１から第３の実施形態の積算部１２４に相当する。以下、上述した第１から第３の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。

図９は、第４の実施形態における積算部４００のハードウェア構成の一例を示す図である。本実施形態では、積算部４００は、カウンタ４０２と、パルスジェネレータ４０４と、遅延器４０６と、シフトレジスタ４０８と、加算器４１０とを備える。

カウンタ４０２は、空転判定部１２２から車輪Ｗの空転の判定結果を示す判定信号を取得する。空転判定部１２２は、例えば、車輪Ｗが空転していると判定した場合に励起するパルス信号を、判定信号として生成する。カウンタ４０２は、空転判定部１２２により生成された判定信号に含まれるパルスの励起回数を、リセットＲＳＴにパルス信号が入力されるまでの間カウントする。すなわち、カウンタ４０２は、空転回数Ｎｉをカウント（積算）する。カウンタ４０２は、遅延器４０６からリセットＲＳＴに励起されたパルス信号が出力された場合に、カウントした数（以下、「カウント数」と称する）を後段のシフトレジスタ４０８に出力するとともに、カウント数をリセットする。

パルスジェネレータ４０４は、パルスが１つだけ励起された単パルス信号を生成し、生成した単パルス信号を後述する遅延器４０６と、シフトレジスタ４０８を構成する各レジスタとに対して、積算時間τごとに同時に出力する。なお、パルスジェネレータ４０４は、一定時間（積算時間τ）経過毎に単パルス信号を出力するものとして説明したが、鉄道車両が力行状態または回生状態において、空転回数Ｎｉの積算時間が、ある一定時間を超える度に単パルス信号を出力するものであってもよい。このような動作を行うことにより、鉄道車両制御装置１００は、例えば、駅停車時間や惰行時間が長くなる場合でも空転頻度Ｆがリフレッシュされてしまうことを防ぐことができる。

遅延器４０６は、パルスジェネレータ４０４により出力された単パルス信号を取得した場合に、カウント数をシフトレジスタ４０８に出力させるためのパルス信号を、所定の時間遅延させてカウンタ４０２のリセットＲＳＴに出力する。

シフトレジスタ４０８は、カウンタ４０２から出力されるカウント数を保持する。シフトレジスタ４０８は、レジスタＲ-１からＲ-Ｎにより構成され、各レジスタＲ-１からＲ-Ｎは、直列に接続される。レジスタＲ−１は、パルスジェネレータ４０４から単パルス信号が入力された場合、カウンタ４０２から出力されるカウント数を保持する。レジスタＲ−１は、保持したカウント数を後段のレジスタＲ−２に出力する。レジスタＲ−２は、レジスタＲ−１の動作と同様に、パルスジェネレータ４０４から単パルス信号が入力された場合、レジスタＲ−１から出力されるカウント数を保持する。以下、後段の各レジスタも同様に上述した動作を行う。従って、シフトレジスタ４０８は、パルスジェネレータ４０４により単パルス信号が出力される度に、前段に接続されたレジスタにより保持されるカウント数を、後段のレジスタに保持させるように動作する。なお、カウント数は、２進数や１０進数、１６進数等によって表されてもよく、この場合、シフトレジスタ４０８の構成は、当該カウント数の表示形態に合わせて適宜変更されてもよい。

加算器４１０は、各レジスタＲ-１からＲ-Ｎの保持するカウント数を全て加算し、加算した結果を、空転回数Ｎｉとして空転頻度演算部１２６に出力する。

以上説明した第４の実施形態の鉄道車両制御装置１００によれば、上述した第１実施形態と同様に、空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定される頻度が大きい程、空転の判定感度を高くするように空転判定部１２２を制御することにより、車輪Ｗの空転を好適に検出することができる。これによって、鉄道車両制御装置１００は、車輪Ｗの空転の検出速度を向上させることができる。

（第５の実施形態）
以下、第５の実施形態における鉄道車両制御装置１００について説明する。ここでは、上述した第１から第４の実施形態との相違点として、積算部５００の構成について説明する。第５の実施形態における積算部５００は、上述した第１から第３の実施形態の積算部１２４、および第４の実施形態の積算部４００に相当する。以下、上述した第１から第４の実施形態と共通する機能等についての説明は省略する。

図１０は、第５の実施形態における積算部４００のハードウェア構成の一例を示す図である。本実施形態における積算部４００は、例えば、リセット信号生成回路５１０と、ＲＳフリップフロップ回路５２０と、遅延器５３０と、カウンタ５４０と、比較器５５０と、ＲＳフリップフロップ回路５６０とを備える。

マスターコントローラ４０は、運転者から鉄道車両を力行状態（ノッチオン状態）にさせるための操作、或いはブレーキオン状態（回生状態）にさせるための操作を受け付けた場合、パルス信号を鉄道車両制御装置１００に入力する。以下、パルス信号において、パルスが励起された状態を“１”と表し、パルスが励起されていない状態を“０”と表す。また、マスターコントローラ４０は、運転者から鉄道車両を惰行状態（ニュートラル状態）にさせるための操作を受け付けた場合、“０”値のパルス信号を鉄道車両制御装置１００に入力する。

リセット信号生成回路５１０は、例えば、ＯＲゲート回路５１２と、ＮＯＴゲート回路５１４とにより構成される。リセット信号生成回路５１０は、力行状態（ノッチオン状態）を示すパルス信号（“１”）、またはブレーキオン状態（回生状態）を示すパルス信号（“１”）がＯＲゲート回路５１２に入力される場合、後段のＮＯＴゲート回路５１４に“１”を出力する。ＮＯＴゲート回路５１４は、ＯＲゲート回路５１２から入力される信号を反転し、ＲＳフリップフロップ回路５６０に出力する。上述した例の場合、ＮＯＴゲート回路５１４は、ＯＲゲート回路５１２から入力される“１”を“０”に変換し、ＲＳフリップフロップ回路５６０のリセットＲに出力する。

ＲＳフリップフロップ回路５２０には、空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定される場合に、セットＳに“１”が入力される。ＲＳフリップフロップ回路５２０は、リセットＲに入力される値が“０”である場合、セットＳに入力された値“１”を遅延器５３０に出力する。また、ＲＳフリップフロップ回路５２０は、リセットＲに“１”が入力される場合、セットＳに入力された値に関わらずに“０”を遅延器５３０に出力する。

遅延器５３０は、ＲＳフリップフロップ回路５２０から入力される信号を所定の時間遅延させて、ＲＳフリップフロップ回路５２０のリセットＲに出力する。従って、ＲＳフリップフロップ回路５２０は、セットＳに“１”が入力された後に、所定の時間経過すると、出力する値を“０”にリセットする動作を行う。また、遅延器５３０は、ＲＳフリップフロップ回路５２０から入力される信号を所定の時間遅延させて、カウンタ５４０のリセットＲＳＴに出力する。

カウンタ５４０は、空転判定部１２２から車輪Ｗの空転の判定結果を示す判定信号を取得する。空転判定部１２２は、例えば、車輪Ｗが空転していると判定した場合に励起するパルス信号を、判定信号として生成する。カウンタ５４０は、空転判定部１２２により生成された判定信号に含まれるパルスの励起回数を、リセットＲＳＴにパルス信号が入力されるまでの間カウントする。カウンタ５４０は、遅延器５３０からリセットＲＳＴに“１”のパルス信号が出力された場合に、カウント数を後段の比較器５５０に出力すると共に、カウント数をリセットする。

比較器５５０は、カウンタ５４０から入力されるカウント数、すなわち空転回数Ｎｉと、記憶部１３０に予め記憶させておいた閾値との比較を行い、空転回数Ｎｉ（カウント数）が当該閾値以上である場合に、後段のＲＳフリップフロップ回路５６０のセットＳに空転回数Ｎｉの値を出力する。

ＲＳフリップフロップ回路５６０は、リセット信号生成回路５１０からリセットＲに出力されるパルス信号が“０”である場合、比較器５５０からセットＳに出力される値を、空転頻度演算部１２６に出力する。また、ＲＳフリップフロップ回路５６０は、リセット信号生成回路５１０からリセットＲに出力されるパルス信号が“１”である場合、比較器５５０からセットＳに出力される値を出力しない。

以上説明した第５の実施形態の鉄道車両制御装置１００によれば、上述した第２の実施形態と同様に、鉄道車両が加速（または減速）中でない期間、すなわち、惰行状態（ニュートラル状態）である場合、車輪Ｗの空転の発生確率が低いことから、空転回数Ｎｉの積算結果を記憶部１３０に記憶させないようにする。これによって、空転頻度演算部１２６は、低い値の空転頻度Ｆを算出することになる。この結果、鉄道車両制御装置１００は、車輪Ｗの空転の検出速度を、より向上させることができる。

（その他の実施形態（変形例））
以下、その他の実施形態として、上述した第１から第３の実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態では、鉄道車両制御装置１００は、１セット分の空転回数Ｎｉの総和の平均値を空転頻度Ｆとして算出すると説明したが、これに限られない。鉄道車両制御装置１００は、積算時間τ（上述した実施形態では例えば１０秒）ごとに空転回数Ｎｉの平均値を算出してもよい。具体的には、鉄道車両制御装置１００は、例えば、現時刻である３０秒から４０秒の期間に積算された空転回数Ｎ３と、過去の時刻である２０秒から３０秒の期間に積算された空転回数Ｎ２との平均値を算出し、将来の時刻である４０秒から５０秒の期間では、現時刻に算出した平均値と当該時刻において積算される空転回数Ｎ４との平均値を算出する。鉄道車両制御装置１００は、以降の時刻においても同様に、現時刻の空転回数Ｎｉを、過去の平均化された空転回数Ｎｉを用いて平均化する。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、空転判定部１２２により車輪Ｗが空転していると判定される頻度が大きい程、空転の判定感度を高くするように空転判定部１２２を制御することにより、車輪Ｗの空転の検出速度を向上させることができる。

実施形態の鉄道車両制御装置１００は、空転の判定感度を高く設定した場合、速やかにモータ２０のトルクを減少させることができ、車輪ＷとレールＲの路面との間の再粘着を早めることができる。この結果、鉄道車両制御装置１００は、車輪Ｗの空転を早い段階で検出することにより、鉄道車両の速度が低下することで運行ダイヤに影響を及ぼしたり、車輪Ｗが摩耗することで鉄道車両の乗り心地が悪化したりすることを防止することができる。また、鉄道車両制御装置１００は、空転の判定感度を低く設定した場合、空転の誤検出を防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…車両駆動装置、１０…集電器、１２…フィルタリアクトル、１４…フィルタコンデンサ、２０…モータ、２０Ａ…ロータ、２２Ｕ、２２Ｗ…電流センサ、２４…回転検出部、３０…インバータ、４０…マスターコントローラ、５２…電圧指令演算部、１００…鉄道車両制御装置、１１０…制御部、１１２…電流指令演算部、１１４…電圧指令演算部、１１６…変換部、１１８…ＰＷＭ制御部、１２０…加速度演算部、１２２…空転判定部、１２４、４００、５００…積算部、１２６…空転頻度演算部、１２８…リセットタイミング判定部、１３０…記憶部

Claims (5)

1. 車輪の空転を検出する検出部と、
   前記検出部により前記空転が検出された頻度が高い程、前記空転を検出しやすくするように前記検出部を制御する検出程度制御部と、を備え、
   前記検出部は、前記車輪に駆動力を出力する駆動部の回転部材の回転速度を検出し、前記検出した回転速度に基づいて前記回転部材の回転加速度を算出し、前記算出した回転加速度が閾値を超えている時間が所定時間以上である状態を、前記車輪の空転として検出する、
   鉄道車両制御装置。
2. 前記検出程度制御部は、前記検出部により前記空転が検出された頻度が高い程、前記閾値を低く設定することで、前記空転を検出しやすくするように前記検出部を制御する、
   請求項１記載の鉄道車両制御装置。
3. 前記検出程度制御部は、前記検出部により前記空転が検出された頻度が高い程、前記所定時間を短く設定することで、前記空転を検出しやすくするように前記検出部を制御する、
   請求項１または２記載の鉄道車両制御装置。
4. 車輪の空転を検出する検出部と、
   前記検出部により前記空転が検出された頻度が高い程、前記空転を検出しやすくするように前記検出部を制御する検出程度制御部と、
   操作者から駆動指示の入力操作を受け付ける操作部と、
   前記検出部により前記空転が検出された回数を積算する積算部と、を備え、
   前記検出部は、前記車輪に駆動力を出力する駆動部の回転部材の回転速度を検出し、前記検出した回転速度に基づいて前記車輪の空転を検出し、
   前記検出程度制御部は、前記積算部により積算された回数が多い程、前記空転を検出しやすくするように前記検出部を制御するとともに、前記操作部により受け付けられた入力操作に基づいて、前記積算部による積算を無効化する、
   鉄道車両制御装置。
5. 前記検出程度制御部は、前記操作部により受け付けられた入力操作に基づいて、前記駆動部が力行状態または回生状態から惰行状態に遷移するときに、前記積算部による積算を無効化する、
   請求項４記載の鉄道車両制御装置。

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