JP6678511B2

JP6678511B2 - 空転・滑走安定化装置

Info

Publication number: JP6678511B2
Application number: JP2016096398A
Authority: JP
Inventors: 信吾牧島
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: JP2017204956A

Description

本発明は、電気車の良好な乗り心地を維持しつつ、空転滑走状態でも安定した制御を実現する空転・滑走安定化装置に関するものである。

鉄道車両は車輪とレールとの間の接線力（粘着力ともいう）によって加減速を行っているが、この接線力は、一般にすべり速度に対して図４に示すようにすべり速度がある速度（例えば０．１ｋｍ／ｈ程度）でピークをもち、その後すべり速度が増大するに伴い低下する特性を有している。この接線力を軸重（車輪１軸当たりのレールに加わる垂直荷重）で割ったものを接線力係数といい、接線力係数の最大値を粘着係数という。

通常鉄道車両は、すべり速度がピーク値をとる値より小さい範囲である微小すべり領域（粘着領域）にある粘着状態で運転される。一方で、接線力係数の最大値に対応するトルクより大きなトルクを発生するとすべり速度は増大し、接線力が低下するのでさらにすべり速度が増大する空転・滑走状態になる。接線力係数の最大値である粘着係数は、レール・車輪間の状態により大きく変化して、例えばレール面が雨などによって湿潤状態にある場合は、図４の実線に示すように粘着係数が低下して接線力の最大値が車両の設定性能に対応したトルクより小さくなり、すべり速度が増大し空転・滑走状態となる。一般的に空転・滑走状態は車両の加速・減速に必要な加減速力が低下することから、迅速に空転・滑走を検知して主電動機が発生するトルクを低減して再粘着させることが必要とされている。

図５を用いて空転・滑走制御の一例を説明する。図５は、４台の主電動機４を１台の主制御装置３（例えばＶＶＶＦインバータ）で駆動する場合であるが、それぞれの主電動機４に対して個別の主制御装置３を用いる場合もある。しかしながら、基本的な制御の考え方はどちらも同一であるため省略する。

主幹制御器２は運転士の操作に基づき加減速するための元トルク指令Ｔ_ref0を出力する。主制御装置３内の再粘着制御部３５は通常は元トルク指令Ｔ_ref0をそのままトルク指令Ｔ_refとして出力するが、空転・滑走を検知した際は再粘着させるために元トルク指令Ｔ_ref0より小さい値をトルク指令Ｔ_refとして出力する。ベクトル制御部３２は主電動機４の発生トルクがトルク指令Ｔ_refと同一になるような電圧指令を生成し、インバータ３４によって電圧指令と等価な電圧が主電動機４に印加される。回転速度推定部３３は、インバータ３４の出力電圧・電流等から主電動機４の回転速度を推定する。なお、回転速度推定部３３の代わりに主電動機４に回転速度センサを設ける場合もある。

トルク指令Ｔ_refがそのときの粘着係数に対応したトルクよりも大きくなると、図６（ｂ）に示すように、空転が発生して車両速度Ｖ_tよりも車輪周速度Ｖ_wが急激に増加する。再粘着制御部３５は、回転速度推定部３３で演算された主電動機４の回転速度の微分値（車輪加速度α_wに比例）が閾値を超えた際に空転・滑走と判断する。空転・滑走と判断すると、図６（ａ）に示すように、トルク指令Ｔ_refを絞り込み、再粘着したと思われる時点において、トルク指令Ｔ_refをある値まで短時間のうちに増大させた後、再度徐々にトルク指令Ｔ_refを増大させ、以降同様の作用が繰り返される。

ここで、トルク指令Ｔ_refの絞り込み量及び絞り込み時間は、空転している動輪を確実に再粘着させることができる値のトルクとする必要がある。特許文献１では、車輪周速度Ｖ_wと車体速度Ｖ_tの差であるすべり速度Ｖ_sの微分値であるすべり加速度α_sについて、力行時には負の値（図６（ｃ）参照）、制動時には正の値となるような指令を生成することにより、決められた時間に確実に再粘着を行う手法が記載されている。

なお、空転・滑走の検知方法は主電動機の回転速度の微分値から検知する方法の他に、複数の主電動機の回転速度差から検知する手法等、様々な方法がある。

特開２０１３−１０２６１３公報

車輪/レール接触における巨視滑り領域までの粘着力の挙動：静・動荷重条件における水潤滑状態での実験結果、日本機械学會論文集Ｃ編、６０（５７４）、ｐｐ２０９６−２１０２、１９９４

一般的に空転・再粘着制御では空転・滑走を検出してできるだけ素早く再粘着するようにトルクを急激に引き下げる。しかしながら、トルクを急変させることによる乗り心地悪化や、台車振動の誘発による乗り心地悪化という問題が発生するため、急激なトルク引下げは必ずしも望ましくない。また、トルクを引き下げることにより一時的に加減速ための接線力が低下することから、加減速性能に影響を及ぼす。

この点、空転・滑走が継続した際に車輪とレールとの間が摩擦により活性化されて接線力が増大される例が報告されている（例えば非特許文献１参照）。そのため、積極的にトルクを引下げて再粘着させるよりも、空転滑走を意図的に継続させることにより加減速性能を確保できることが期待される。

しかしながら、接線力が増大したとしても、空転・滑走状態では不安定な状態であるため、急激に空転・滑走が発散したり、逆に一方で急激に収束したりといったことが発生する。例えば、空転が継続してすべり速度Ｖ_sが大きくなると、接線力が低下するためさらにすべり速度Ｖ_sが増大する悪循環に陥る発散状態となり、すべり速度Ｖ_sが大きい状態が継続するためレールや車輪の損傷や、騒音といった問題が発生する。一方で、すべり速度Ｖ_sが大きい状態でいったんすべり速度Ｖ_sが低下すると、接線力が増加してさらにすべり速度Ｖ_sを低下させるようになるため、急激に粘着領域に戻り接線力が急変してショックが発生して乗り心地悪化や加減速不良を招く。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、空転・滑走状態を安定的に維持することで、乗り心地の悪化等を防止することが可能な空転・滑走安定化装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る空転・滑走安定化装置は、車輪又はタイヤの摩擦力を用いてトルク制御によって駆動される車両において空転又は滑走状態を安定的に維持する空転・滑走安定化装置であって、前記車輪又はタイヤが空転又は滑走したと判断した際に、前記車輪又はタイヤの周速度と車体速度との差であるすべり速度の微分値であるすべり加速度がゼロになるような、前記車輪又はタイヤの摩擦力の推定値と前記車体の加速度の推定値とを用いてフィードフォワード制御によって決定される安定化トルクを、前記車輪又はタイヤに発生させることにより空転又は滑走状態を安定的に維持することを特徴とする。

また、本発明に係る空転・滑走安定化装置は、前記摩擦力の推定値及び前記車体の加速度の推定値を随時更新することにより前記安定化トルクを連続的に変化させることを特徴とする。

また、本発明に係る空転・滑走安定化装置は、前記安定化トルクは一定値に保持され、一定時間経過後に新たな前記摩擦力の推定値及び前記車体の加速度の推定値を用いて前記安定化トルクが再設定されることを特徴とする。

また、本発明に係る空転・滑走安定化装置は、前記安定化トルクは一定値に保持され、一定時間経過後に徐々に引き上げられ、前記車輪又はタイヤの周加速度が閾値を超過した際に新たな前記摩擦力の推定値及び前記車体の加速度の推定値を用いて前記安定化トルクが再設定されることを特徴とする。

また、本発明に係る空転・滑走安定化装置は、前記安定化トルクは、前記すべり加速度が、空転又は滑走が検知されたときの絶対値よりも小さい値であって、空転又は滑走が収束する方向の値となるように設定されることを特徴とする。

本発明により、接線力の増大が期待され、空転・滑走状態を安定的に維持することで、乗り心地の悪化等を防止することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る空転・滑走安定化装置を用いた車両の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る空転・滑走安定化装置の力行時の空転の挙動の第１の例を示す図である。本発明の一実施形態に係る空転・滑走安定化装置の力行時の空転の挙動の第２の例を示す図である。すべり速度・接線力係数特性の一例を示す図である。従来の再粘着制御器を用いた車両の一例を示す図である。従来の再粘着制御器の力行時の挙動を示す一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る空転・滑走安定化装置３１を用いた車両１の一例を示す図である。図５に示した従来の車両と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明は省略する。図１に示す例では、車両１は、主幹制御器２と、主制御装置３と、主電動機４と、歯車装置５と、レール７上を走行する車輪６と、を備える。なお、車両１から、主電動機４と、歯車装置５と、車輪６とを除いた部分を、以下、特に車体とする。主制御装置３は、図１に示すように、従来技術の主制御装置３内の再粘着制御部３５（図５参照）に変えて、空転・滑走安定化装置３１を設ける。

車両１は、車輪又はタイヤの摩擦力を用いてトルク制御によって駆動される。本実施形態の車両１は、車輪６を用いてレール７上を走行するが、タイヤを用いて軌道上を走行するものであってもよい。

空転・滑走安定化装置３１は、車輪６とレール７との間の接線力を主電動機軸に換算したもの、すなわち車輪６とレール７との間の摩擦力の推定値である負荷トルクτ_est〔Ｎ・ｍ〕とすべり加速度指令α_s__ref〔ｍ／ｓ²〕と車体加速度推定値α_t__est〔ｍ／ｓ²〕を入力し、式（１）により安定化トルクＴ_ref__sta〔Ｎ・ｍ〕を算出する。ここで、Ｒ_gは歯車比であり、ｒ_w〔ｍ〕は車輪径であり、Ｊ〔ｋｇ・ｍ〕は主電動機４からみた主電動機４、歯車装置５、車軸、及び車輪６の等価慣性モーメントである。

また、空転・滑走安定化装置３１は、主電動機の角速度を入力して、その変化が閾値を超えると空転・滑走検知と判断する。なお、空転・滑走検知方法として、他の手法を用いて検知してもよい。空転・滑走安定化装置３１は、通常は元トルク指令Ｔ_ref0をそのままトルク指令Ｔ_refとしてベクトル制御部３２に出力するが、空転・滑走検知と判断すると、安定化トルクＴ_ref__staをトルク指令Ｔ_refとしてベクトル制御部３２に出力する。

安定化トルクＴ_ref__staの生成方法は特許文献１に記載の再粘着制御器における再粘着トルクの生成方法と同一であることから、構成の詳細及び原理は省略する。ただし、空転・滑走安定化装置３１は特許文献１の再粘着制御器と同一構成であるものの、指令の値及び目的が大きく異なる。特許文献１の再粘着制御器では、力行時はすべり加速度指令α_s__refを負の値とし、制動時は正の値とすることで、空転・滑走検知時のすべり速度Ｖ_sを定められた時間内でゼロにし、再粘着させていた（図６（ｃ）参照）。一方で、本発明においては、すべり加速度指令α_s__refをゼロにすることにより、再粘着させるのではなく空転・滑走状態を安定的に維持することを目的としている。

図２は、本発明の一実施形態に係る空転・滑走安定化装置３１の力行時の空転の挙動を示す第１の例であり、図２（ａ）はトルクを、図２（ｂ）は車輪周速度Ｖ_w、車体速度Ｖ_t及びすべり速度Ｖ_sを、図２（ｃ）は車体加速度α_t、車輪周加速度α_w及びすべり加速度α_sを、それぞれ示す。いずれも横軸は時刻を示す。なお、すべり速度Ｖ_sは車輪周速度Ｖ_wと車体速度Ｖ_tとの差である。以下、特に断りのない限り、図２（ａ）〜図２（ｃ）を用いて、空転の場合を例に挙げて説明するが、滑走の場合も同じように扱うことができる。

図２（ｃ）に示すように、空転が発生する（時刻ｔ_s）と車輪周加速度α_wが急激に増加する。主電動機４の回転速度の微分値が閾値を超えたとき、すなわち、車輪周加速度α_wが所定の値を超えたとき（以下、時刻ｔ₀とする。）に、空転が発生したと判断する。空転が発生したと判断されたのち、式（１）において、すべり加速度指令α_s__refをゼロにする。このようにすることで、図２（ｃ）に示すように、ｔ₀の直後から、すべり加速度α_sはゼロ付近を推移する。そして、図２（ａ）に示すように、すべり加速度α_sをゼロに保つための安定化トルクＴ_ref__staが生成され、トルク指令Ｔ_refとして出力される。

上述のトルク指令Ｔ_refでトルク制御を行うことにより、すなわち、すべり加速度α_sがゼロになるように制御することで、図２（ｂ）に示すように、車輪周速度Ｖ_wを車体速度Ｖ_tとの差をほぼ一定に保つ、すなわち、すべり速度Ｖ_sをほぼ一定に保つようにすることができる。

すべり加速度指令α_s__refをゼロにすることにより、不安定である空転状態でもすべり加速度α_sが制御され、すべり速度Ｖ_sが急変することを防ぐことを実現する。これにより、すべり速度Ｖ_sが急激に大きくなることで生じ得る車輪６やレール７の損傷や、騒音の発生がなく、また急激に再粘着することもなくなるため、乗り心地の悪化を招くこともない。

本実施形態では、安定化トルクＴ_ref__staは、車輪６の摩擦力の推定値である負荷トルクτ_estと車体加速度α_tの推定値α_t__estとを用いて、式（１）に示すようにフィードフォワード制御によって決定される。なお、本制御はすべり加速度α_sのフィードフォワード制御であることから、状況に応じてすべり加速度α_sを必ずしもすべり加速度指令α_s__refと完全に一致することは保証されない。例えば、負荷トルクτ_estや車体加速度推定値α_t__estに誤差があると、すべり加速度α_sが必ずしもゼロにならない。また、等価慣性モーメントＪに関しても正確な値の把握は困難であり、制御性能誤差の要因になりうる。しかしながら、すべり加速度α_sが完全にゼロにならなくても、大まかな制御は実現され、すべり加速度α_sはゼロに近い値を維持する。その結果、すべり速度Ｖ_sを完全に一定に維持することはできないものの、すべり速度Ｖ_sの変化を極力抑制されるため、すべり速度Ｖ_sの急変がなくなり安定な状態を維持する事が可能である。

なお、すべり加速度指令α_s__refをゼロにするのに代えて、力行時は僅かに負の値、すなわち空転が収束する方向の値とし、制動時は僅かに正の値、すなわち滑走が収束する方向の値とする手法も有効である。ここで、「僅か」とは、空転・滑走が検知されたときのすべり加速度α_sの絶対値よりも小さいことを意味する。その場合、各種誤差によりすべり加速度α_sが発散方向に変動しても、すべり加速度α_sをゼロ程度に維持できる。一方で、すべり加速度α_sが各種誤差により収束方向にシフトした場合、結果的に再粘着することになり、従来の再粘着制御に近い動作となる。しかしながら、その場合も、すべり加速度α_sが従来の再粘着制御に比べて小さい値に維持されることからゆっくり再粘着するため、再粘着時のショックを抑制できて乗り心地を悪化することはない。また、接線力係数の高い領域に長く留まることから、高い接線力を維持できるといえる。そのため、再粘着する場合でも特許文献１に記載の方法に比べて、ショックが少なく高い接線力を期待できる。

安定化トルクＴ_ref__staの時間経過後の変化の仕方については、第１の方法として随時リアルタイムで負荷トルクτ_est及び車体加速度推定値α_t__estを更新して、すなわち随時更新して、連続的に安定化トルクＴ_ref__staを変化させるという手法がある。この手法を用いた場合、図２（ｂ）に示す通り、車体加速度α_tや粘着係数が変化してもすべり加速度α_sがほぼ指令に追従するように安定化トルクＴ_ref__staが連続的に変化をし続けてほぼ同一のすべり速度Ｖ_sを維持することから、空転状態で安定化を維持し続けることができる。

例えば、レール面状態の変化等により、粘着係数が低下していくと負荷トルクτ_estが小さくなっていくため、安定化トルクＴ_ref__staも自動的に低下していき、すべり速度Ｖ_sが大きく増大すること無くほぼ一定の値を保つことができる。一方で、粘着係数が増加していくと負荷トルクτ_estが大きくなるため、安定化トルクＴ_ref__staも次第に大きくなり、やがて安定化トルクＴ_ref__staが元トルク指令Ｔ_ref0より大きくなった時点（図２（ａ）の時刻ｔ₁参照）でトルク指令Ｔ_refを元トルク指令Ｔ_ref0とする。そうすると、すべり加速度α_sがすべり加速度指令α_s__refに追従されなくなり、力行時はすべり加速度α_sが負の値に（図２（ｃ）の時刻ｔ₁以降参照）、制動時はすべり加速度α_sが正の値になり、すべり速度Ｖ_sが収束することにより（図２（ｂ）の時刻ｔ₁以降参照）、粘着状態に移行して通常の運転状態に復帰する。

第２の方法として、空転・滑走検知時の負荷トルクτ_est及び車体加速度推定値α_t__estを用いて、それにより算出した安定化トルクＴ_ref__staを維持するという手法がある。その場合、一定時間ごとに更新する手法の他に、次のような手法も有効である。

図３は、本発明の一実施形態に係る空転・滑走安定化装置３１の力行時の空転の挙動を示す第２の例であり、図３（ａ）はトルクを、図３（ｂ）は車輪周速度Ｖ_w、車体速度Ｖ_t及びすべり速度Ｖ_sを、図３（ｃ）は車体加速度α_t、車輪周加速度α_w及びすべり加速度α_sを、それぞれ示す。いずれも横軸は時刻を示す。以下、特に断りのない限り、図３（ａ）〜図３（ｃ）を用いて、空転の場合を例に挙げて説明するが、滑走の場合も同じように扱うことができる。

図３に示すように、安定化トルクＴ_ref__staを一定値に保持し、一定時間経過した後（図３（ａ）の時刻ｔ₀〜ｔ₂参照）、トルク指令Ｔ_refを安定化トルクＴ_ref__staから徐々に引き上げていく（図３（ａ）の時刻ｔ₂〜ｔ₃参照）。車輪周加速度α_wが閾値を超過した時点で再び新たな負荷トルクτ_est及び車体加速度推定値α_t__estを用いて安定化トルクＴ_ref__staを再設定し、トルク指令Ｔ_refを新たな安定化トルクＴ_ref__staとするという手法を繰り返す。この場合、車輪周加速度α_wが閾値を超過したことの検知方法は従来の再粘着制御器の車輪周加速度による空転検知手法をそのまま用いてもよい。

なお、この手法の場合、徐々にすべり速度Ｖ_sが増大してしまうため、すべり加速度指令α_s__refを力行時は僅かに負の値（図３（ｃ）参照）、制動時は僅かに正の値とすることにより、すべり速度Ｖ_sが一定の範囲を維持することを実現できる。

なお、いずれの手法においても、すべり加速度α_sの誤差精度は車両の各種条件によって変動することから、最終的に実際の車両ですべり加速度指令α_s__refを微調整することも有効である。

上述したように、空転・滑走安定化装置３１は、車輪又はタイヤが空転又は滑走したと判断した際に、すべり加速度α_sがゼロになるような安定化トルクＴ_ref__staを車輪又はタイヤに発生させることにより、空転・滑走状態を安定的に維持でき、乗り心地の悪化、騒音の発生、及びレールや車輪の損傷を防止することができる。

なお、式（１）を用いることによりすべり加速度α_sのフィードフォワード制御を実現するが、これに代えてすべり加速度α_sのフィードバック制御を用いることも有効である。例えば、すべり加速度α_sを検出又は推定して、すべり加速度指令α_s__refとの偏差のＰＩ制御により安定化トルクＴ_ref__staを算出することにより、すべり加速度α_sのフィードバック制御が実現でき、同様の効果が得られる。

本発明に係る空転・滑走安定化装置は、上述した実施形態で説明した具体的な構成に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を行うことが可能である。例えば、複数の主電動機４を複数台の主制御装置３で駆動してもよい。また、元トルク指令Ｔ_ref0が運転台の主幹制御器２ではなく、自動運転装置等によって生成してもよい。

さらに、本発明は鉄道車両に限定されるものではなく、電気自動車等にも適用可能である。電気自動車の場合には、車輪周速度、車輪周加速度に代えて、タイヤの周速度、タイヤの周加速度を用いる。

本発明は例えば、高速運転を要求される特急電車の他に、高い加減速を要求される通勤電車や路面電車に有効であり、また鉄道車両以外の電気自動車等にも適用可能である。

１車両
２主幹制御器
３主制御装置
３１空転・滑走安定化装置
３２ベクトル制御部
３３回転速度推定部
３４インバータ
３５再粘着制御部
４主電動機
５歯車装置
６車輪
７レール

Claims

車輪又はタイヤの摩擦力を用いてトルク制御によって駆動される車両において空転又は滑走状態を安定的に維持する空転・滑走安定化装置であって、
前記車輪又はタイヤが空転又は滑走したと判断した際に、前記車輪又はタイヤの周速度と車体速度との差であるすべり速度の微分値であるすべり加速度がゼロになるような、前記車輪又はタイヤの摩擦力の推定値と前記車体の加速度の推定値とを用いてフィードフォワード制御によって決定される安定化トルクを、前記車輪又はタイヤに発生させることを特徴とする空転・滑走安定化装置。
前記摩擦力の推定値及び前記車体の加速度の推定値を随時更新することにより、前記安定化トルクを連続的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の空転・滑走安定化装置。
前記安定化トルクは一定値に保持され、
一定時間経過後に新たな前記摩擦力の推定値及び前記車体の加速度の推定値を用いて前記安定化トルクが再設定されることを特徴とする請求項１に記載の空転・滑走安定化装置。
前記安定化トルクは一定値に保持され、一定時間経過後に徐々に引き上げられ、
前記車輪又はタイヤの周加速度が閾値を超過した際に新たな前記摩擦力の推定値及び前記車体の加速度の推定値を用いて前記安定化トルクが再設定されることを特徴とする請求項１に記載の空転・滑走安定化装置。
前記安定化トルクは、前記すべり加速度が、空転又は滑走が検知されたときの絶対値よりも小さい値であって、空転又は滑走が収束する方向の値となるように、設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の空転・滑走安定化装置。