JP6730020B2 - ブレーキ制御装置、ブレーキ制御方法、列車、及びプログラム - Google Patents
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Description
以下、本発明の第一実施形態による列車のブレーキ制御装置を図1〜図3を参照して説明する。
図1は、本発明の第一実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
自動列車運転装置10は、列車に搭載され、その列車の運転を自動化する装置である。図1で示すように自動列車運転装置10は、速度制御演算部100と、ブレーキ制御部101とを備えている。速度制御演算部100は、列車を自動運転するにあたり、その時々の列車の目標速度を演算する。例えば、速度制御演算部100は、列車が停車駅や前を走行する列車に接近した場合、目標減速度を演算し、ブレーキ制御部101に目標減速度を出力する。ブレーキ制御部101は、目標減速度に基づくブレーキ制御を行い、列車を減速させる。本実施形態では、ブレーキ制御の一例として回生ブレーキと空気ブレーキの動作を制御する場合を用いて説明を行う。なお、速度制御演算部100は、列車の減速をブレーキ制御部101に指示する際に、目標減速度の代わりに「ノッチ」と呼ばれる単位によって指示を行ってもよい。
空気ブレーキ出力決定部102は、列車が備える空気ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、列車の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定する。より具体的には、空気ブレーキ出力決定部102は、多段式中継弁12の段数を切り替えることによってブレーキシリンダに供給する空気量を段階的に変更し、その段数に対応するブレーキ力を得る空気ブレーキにおいて、列車の目標減速度(または「ノッチ」)に基づいて、1段または複数段の段階的なブレーキ力の中から、所望のブレーキ力に応じた段数を決定する。
空気ブレーキ力推定部103は、空気ブレーキ出力決定部102が決定した段数で空気ブレーキを動作させたときに得られるブレーキ力(推定空気ブレーキ力)を推定する。
回生ブレーキ制御部104は、回生ブレーキを動作させ回生ブレーキ力を得る。特に本実施形態においては、回生ブレーキ制御部104は、目標減速度に基づく目標ブレーキ力を算出し、算出した目標ブレーキ力と、空気ブレーキ力推定部103が推定した推定空気ブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を得られるような回生ブレーキ指令値をインバータ11に出力する。回生ブレーキ制御部104は、目標ブレーキ力演算部105、差分演算部106を備える。
目標ブレーキ力演算部105は、目標減速度に基づく目標ブレーキ力、つまり、目標減速度を達成するのに必要な全ブレーキ力を演算する。
差分演算部106は、目標ブレーキ力演算部105が算出した目標ブレーキ力と空気ブレーキ力推定部103が推定した推定空気ブレーキ力の差分を演算する。
図2(a)は、本実施形態における目標ブレーキ力と回生ブレーキ力と推定空気ブレーキ力との関係を示す図である。図2(a)の縦軸はブレーキ力、横軸は時間を表している。グラフ20は、速度制御演算部100が演算した列車の目標減速度を達成するのに必要な目標ブレーキ力の推移を示すグラフである。目標ブレーキ力演算部105は、速度制御演算部100が演算した目標減速度と列車重量などから目標ブレーキ力を求める。グラフ21は、空気ブレーキ力推定部103が推定した推定空気ブレーキ力の推移を示すグラフである。グラフ20とグラフ21に囲まれた網掛部分は、差分演算部106が演算した回生ブレーキ力に相当する。
図11は、従来のブレーキ制御装置の動作を説明する図である。従来の方法では、まず、ブレーキ制御装置201が列車の目標減速度に基づいて目標ブレーキ力を演算する。ブレーキ制御装置201は、演算した目標ブレーキ力をインバータ制御装置202へ出力する。次にインバータ制御装置202は、ブレーキ制御装置201が演算した目標ブレーキ力に基づいて、回生ブレーキ指令値を生成し、インバータを制御する。また、インバータ制御装置202は、生成した回生ブレーキ指令値によって得られる回生ブレーキ力を演算する。次にインバータ制御装置202は、演算した回生ブレーキ力をブレーキ制御装置201へ返す。ブレーキ制御装置201では、先に演算した目標ブレーキ力と、インバータ制御装置202から得た回生ブレーキ力の差分を演算し、その演算結果が正の場合(回生ブレーキだけではブレーキ力が不足する場合)、空気ブレーキによって回生ブレーキ力の不足分を補う制御を行う。
この従来の制御の場合、空気ブレーキの制御を行うまでの間に、回生ブレーキの制御を行うためにインバータ制御装置202における処理を経由する必要がある。そのため空気ブレーキの制御においては、応答遅れが発生する。また、従来は、空気ブレーキの出力の調整を無段階(高い分解能)で行うために、ブレーキシリンダに供給する空気量を細やかに調整するためにブレーキ制御装置201の計算負荷が高く、ブレーキ制御装置201にもコストが掛かっていた。
図3は、本発明の第一実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。
自動列車運転装置10が備える速度制御演算部100は、列車の走行パターンなどに基づいて列車の目標速度や目標加速度を演算しているものとする。また、ブレーキ制御を必要としない列車の走行については自動列車運転装置10が備える図1にて図示しない機能部がその目標速度などに従って走行制御を行っているものとする。以下、列車が停車駅に近付いたなどの理由で速度制御演算部100がマイナスの加速度(目標減速度)を演算したものとして処理の説明を行う。
次に空気ブレーキ出力決定部102は、目標減速度に応じた空気ブレーキの段数を決定する(ステップS20)。例えば、ブレーキ制御部101が備える記憶部(図示せず)に、目標減速度と空気ブレーキの段数との対応関係が定義されていて、空気ブレーキ出力決定部102は、この対応関係に基づいて段数を決定する。空気ブレーキ出力決定部102は、決定した段数を空気ブレーキ力推定部103に出力する。また、空気ブレーキ出力決定部102は、決定した段数によって多段式中継弁12を制御し、先行的に空気ブレーキの動作を開始する。
回生ブレーキ制御部104では、差分演算部106が、先に演算した目標ブレーキ力から推定空気ブレーキ力を減算して差分を求める。差分が正の場合、回生ブレーキ制御部104は、この差分に基づいて、差分が示すブレーキ力に基づく回生ブレーキ指令値を演算する(ステップS40)。回生ブレーキ制御部104は、回生ブレーキ指令値をインバータ11へ出力する。インバータ11は、モータにトルクを発生させ回生ブレーキを動作させる。
次に、本発明の第二実施形態による列車のブレーキ制御装置を図4〜図8を参照して説明する。
図4は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
第二実施形態に係る構成のうち、本発明の第一実施形態に係る自動列車運転装置10を構成する機能部と同じものには同じ符号を付し、それらの説明を省略する。
第二の実施形態における自動列車運転装置10Aは、速度制御演算部100と、ブレーキ制御部101Aとを備えている。ブレーキ制御部101Aは、空気ブレーキ出力決定部102A、空気ブレーキ力推定部103、回生ブレーキ制御部104、回生失効予測部107を備える。回生ブレーキ制御部104は、目標ブレーキ力演算部105、差分演算部106を備える。
また、空気ブレーキ出力決定部102Aは、回生失効予測部107が回生失効が発生すると予測した場合のみ、空気ブレーキの段数を決定する。この点で第一実施形態の空気ブレーキ出力決定部102と異なる。
図5は、正常時における目標ブレーキ力と空気ブレーキの段数と架線電圧の関係を示す図である。正常時とは、回生失効の発生が無い状態を指している。
図5(a)の縦軸はブレーキ力、横軸は時間を表している。グラフ50は、目標ブレーキ力演算部105が演算した目標ブレーキ力の時間推移を示している。
図5(b)の縦軸は空気ブレーキの段数、横軸は時間を表している。図5(b)の場合、空気ブレーキの段数は常に「0」である。これは、空気ブレーキを動作させないことを意味する。
図5(c)の縦軸は架線電圧、横軸は時間を表している。閾値51は、例えば回生失効の発生を判断するための閾値である。架線電圧が閾値51を上回ると回生ブレーキ制御部104は、過度な架線電圧の上昇による装置の損傷を防ぐため、回生ブレーキ力を減少させ、架線電圧の上昇を抑制する「回生絞り込み制御」を行う。回生ブレーキ制御部104が回生絞り込み制御を行うと、回生失効が発生する。回生失効予測部107は、架線電圧を監視して、架線電圧が閾値51に近づくと回生失効が発生すると予測する。グラフ52は、架線電圧の推移を示している。図5(c)の場合、グラフ52は、安定して閾値51より低い値を示している。架線電圧がこのような挙動を示す場合、回生失効予測部107は、回生失効は発生しないと予測する。また、空気ブレーキ出力決定部102Aは、この予測に従って、空気ブレーキの段数を「0」(空気ブレーキをかけない)と決定する。上述の図5(b)は、回生失効の発生が予測されないために空気ブレーキ出力決定部102Aが、空気ブレーキの段数を「0」と決定したことを示している。
図6は、異常時における目標ブレーキ力と空気ブレーキの段数と架線電圧の関係を示す図である。異常時とは、回生失効が発生する可能性がある状態を指している。
図6(a)、図6(b)、図6(c)のグラフの見方については、それぞれ図5(a)、図5(b)、図5(c)と同様である。つまり、グラフ60は目標ブレーキ力、グラフ61は推定空気ブレーキ力、グラフ62は空気ブレーキの段数、グラフ63は架線電圧を示している。図6(a)において、時刻T1に回生ブレーキの動作が開始している。図6(c)を見ると、回生ブレーキが動作することで発電された回生電力によって架線電圧が上昇していることがわかる。このような状態は、例えば上述の悪条件が成立した場合に生じる。回生失効予測部107は、例えば時刻T2における架線電圧と閾値51との差が所定の範囲内となったことに基づいて、回生失効が発生すると予測する。回生失効予測部107は、この予測結果を空気ブレーキ出力決定部102Aに出力する。空気ブレーキ出力決定部102Aは、回生失効が発生するとの予測結果を取得すると、第一実施形態と同様に空気ブレーキの段数を決定する(グラフ62)。例えば、後述するように空気ブレーキ出力決定部102Aは、回生失効の予測結果と共に架線電圧の値を回生失効予測部107から取得し、架線電圧に応じて空気ブレーキの段数を決定してもよい。また、空気ブレーキ力推定部103は、推定空気ブレーキ力を推定し(グラフ61)、回生ブレーキ制御部104では、差分演算部106が、目標ブレーキ力から推定空気ブレーキ力を減算して差分を求める(グラフ60とグラフ61の間の網掛部分)。
図7は、回生失効予測部107が回生失効の発生を予測した場合の空気ブレーキ出力決定部102Aによる段数決定方法の一例を説明する図である。
図7の縦軸は空気ブレーキの段数、横軸は架線電圧を表している。空気ブレーキ出力決定部102Aは、回生失効予測部107から回生失効発生の予測結果と架線電圧の値を取得する。以下、予測結果が回生失効が発生するとの結果であることを前提とする。まず、空気ブレーキの段数を上昇させる場合の動作について説明する。現在、空気ブレーキの段数は「0段」であるとする。このとき、架線電圧がV3以下の状態からV3を上回るようになると、空気ブレーキ出力決定部102Aは、空気ブレーキの段数を「1段」と決定する。その状態から架線電圧がさらに上昇しV4を上回るようになると、空気ブレーキ出力決定部102Aは、空気ブレーキの段数を「2段」と決定する。以下、同様に空気ブレーキ出力決定部102Aは、図7の右側グラフ70に従って、架線電圧の上昇に応じて空気ブレーキの段数を段階的に上昇させる。
次に、空気ブレーキの段数を下降させる場合の動作について説明する。現在、空気ブレーキの段数が「2段」であるとする。この状態で、架線電圧がV2以上の状態からV2を下回るようになると、空気ブレーキ出力決定部102Aは、空気ブレーキの段数を「1段」と決定する。その状態から架線電圧がさらに下降しV1を下回るようになると、空気ブレーキ出力決定部102Aは、空気ブレーキの段数を「0段」と決定する。
このように空気ブレーキの段数を決定する架線電圧にヒステリシス幅を設けることで、架線電圧の検出誤差などによる変動によって、空気ブレーキの段数が、例えば「2段」なのか「1段」なのかの判定が何度も切り替わり、制御が不安定になるのを防ぐことができる。
図8は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。
図3のフローチャートと同じ処理には同じ符号を振り簡単に説明を行う。停車駅が近付いた等の理由により速度制御演算部100がマイナスの加速度(目標減速度)を演算したものとする。速度制御演算部100は、演算した目標減速度をブレーキ制御部101へ出力する。ブレーキ制御部101Aでは、空気ブレーキ出力決定部102Aと回生ブレーキ制御部104が目標減速度を取得する(ステップS10)。回生ブレーキ制御部104では、目標ブレーキ力演算部105が目標減速度に応じた目標ブレーキ力を演算する。
回生ブレーキ制御部104では、差分演算部106が、目標ブレーキ力から推定空気ブレーキ力を減算して差分を求める。差分が正の場合、回生ブレーキ制御部104は、この差分に基づいて、差分が示すブレーキ力が得られる回生ブレーキ指令値を演算する(ステップS40)。回生ブレーキ制御部104は、回生ブレーキ指令値をインバータ11へ出力し、回生ブレーキを動作させる。なお、回生失効が発生すると予測した場合(異常時)の目標ブレーキ力と空気ブレーキの段数の関係などは図6を用いて説明したとおりである。
次に、本発明の第三実施形態による列車のブレーキ制御装置を図9〜図10を参照して説明する。
図9は、本発明の第三実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
第三実施形態に係る構成のうち、本発明の第一実施形態に係る自動列車運転装置10、第二実施形態に係る自動列車運転装置10Aを構成する機能部と同じものには同じ符号を付し、それらの説明を省略する。
第三の実施形態における自動列車運転装置10Bは、速度制御演算部100と、ブレーキ制御部101Bとを備えている。ブレーキ制御部101Bは、空気ブレーキ出力決定部102A、空気ブレーキ力推定部103B、回生ブレーキ制御部104、回生失効予測部107Bを備える。回生ブレーキ制御部104は、目標ブレーキ力演算部105、差分演算部106を備える。
ブレーキ制御部101Bは、空気ブレーキ力推定部103B、回生失効予測部107Bを備える点で第一実施形態、第二実施形態と異なる。
列車質量 × 加速度 = モータ牽引力 ― 走行抵抗 ・・・・(3)
を変形し、
走行抵抗 = モータ牽引力 ― 列車質量 × 加速度 ・・・・(4)
とする。右辺の各項には以下の値を代入し走行抵抗を決定する。まず、モータ牽引力には、インバータ11への指令値、または、インバータが出力する実効牽引力を使用する。モータ牽引力は、回生ブレーキ力に相当する。また、列車質量には、列車の規定質量、または、列車が備える空気ばね圧力から予想される列車重量などを用いる。加速度については、列車が備える速度センサの測定した列車速度を微分した値、または、列車が備える加速度センサの測定値を用いる。式(4)で求めた走行抵抗が推定空気ブレーキ力である。
Wmax = 列車の質量 × V × B ・・・(5)
このWmaxを用いて、インバータ11に与えている回生ブレーキ指令値に含まれる回生電力指令値WのWmaxに対する割合(W/Wmax)を求め回生失効の予想に用いる。例えば、W/Wmaxが低い段階で架線電圧が上昇した場合は、その後に回生電力がさらに上昇した時に回生失効する可能性が高い。逆に、W/Wmaxが1に近い状態で架線電圧が上昇したとしても、その後、回生電力は減る方向のため、回生失効する可能性は低いと考えられる。
図10は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。
図8のフローチャートと同じ処理には同じ符号を振り簡単に説明を行う。停車駅が近付いた等の理由により速度制御演算部100が目標減速度を演算したものとする。速度制御演算部100は、演算した目標減速度をブレーキ制御部101Bへ出力する。ブレーキ制御部101Bでは、空気ブレーキ出力決定部102Aと回生ブレーキ制御部104が目標減速度を取得する(ステップS10)。回生ブレーキ制御部104では、目標ブレーキ力演算部105が目標減速度に応じた目標ブレーキ力を演算する。
回生ブレーキ制御部104では、差分演算部106が、目標ブレーキ力と推定空気ブレーキ力の差分を求め、回生ブレーキ制御部104は、この差分に基づいて、推定空気ブレーキ力の不足分を補う回生ブレーキ指令値を演算する(ステップS40)。回生ブレーキ制御部104は、回生ブレーキ指令値をインバータ11へ出力し、回生ブレーキを動作させる。
また、本実施形態の回生失効予測部107Bによれば、現在の架線電圧の値だけでなく、近い将来の架線電圧の変化を予測して回生失効の発生を予測することで、本来必要のない場面での空気ブレーキの動作を防止したり、空気ブレーキの動作開始の遅れを防止したりすることができる。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
100・・・速度制御演算部
101、101A、101B・・・ブレーキ制御部
102、102A・・・空気ブレーキ出力決定部
103、103B・・・空気ブレーキ力推定部
104・・・回生ブレーキ制御部
105・・・目標ブレーキ力演算部
106・・・差分演算部
107、107B・・・回生失効予測部
11・・・インバータ
12・・・多段式中継弁
Claims (11)
- 予め定義された目標減速度と機械ブレーキの段数との対応関係に基づいて、移動体が備える前記機械ブレーキが出力する複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に応じたブレーキ力の段数を決定し、その決定に基づいて前記機械ブレーキの応答遅れを小さくするために前記移動体が備える回生ブレーキよりも先行して前記機械ブレーキの制御を開始する機械ブレーキ出力決定部と、
前記機械ブレーキ出力決定部が決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する機械ブレーキ力推定部と、
前記回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記機械ブレーキ力推定部が推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する回生ブレーキ制御部と、
を備えるブレーキ制御装置。 - 前記機械ブレーキ力推定部は、前記機械ブレーキの特性情報を用いたモデル式に基づいて、前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する、
請求項1に記載のブレーキ制御装置。 - 前記機械ブレーキ力推定部は、前記移動体の加速度と前記回生ブレーキに係るモータの牽引力に基づいて前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する、
請求項1に記載のブレーキ制御装置。 - 回生失効が生じるか否かの予測を行う回生失効予測部、
をさらに備え、
前記回生ブレーキ制御部は、
前記回生失効予測部が回生失効の発生を予測しない場合は、前記目標ブレーキ力に相当するブレーキ力を得るための回生ブレーキ指令値を出力し、
前記回生失効予測部が回生失効の発生を予測する場合は、前記目標ブレーキ力と前記推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を得るための回生ブレーキ指令値を出力する、
請求項1から請求項3の何れか1項に記載のブレーキ制御装置。 - 前記回生失効予測部は、前記回生ブレーキによる回生電力の出力先の電圧と所定の閾値とを比較し、前記出力先の電圧と前記所定の閾値と差が所定の範囲内となると回生失効が発生すると予測する、
請求項4に記載のブレーキ制御装置。 - 前記回生失効予測部は、さらに前記回生ブレーキ制御部が出力した回生ブレーキ指令値に基づく回生電力の回生電力のピーク値に対する割合を用いて、回生失効が発生するか否かを予測する、
請求項5に記載のブレーキ制御装置。 - 前記機械ブレーキ出力決定部は、前記回生ブレーキ制御部による前記回生ブレーキの制御の結果、回生失効が生じないよう定められた基準によって、前記段数を決定する、
請求項1から請求項6の何れか1項に記載のブレーキ制御装置。 - 前記機械ブレーキ出力決定部は、前記目標ブレーキ力が、前記回生ブレーキおよび前記機械ブレーキによって出力可能な全ブレーキ力に対して所定の割合以上となった場合、前記段数を決定する、
請求項1から請求項7の何れか1項に記載のブレーキ制御装置。 - 請求項1から請求項8の何れか1項に記載のブレーキ制御装置、を備えた列車。
- 予め定義された目標減速度と機械ブレーキの段数との対応関係に基づいて、移動体が備える前記機械ブレーキが出力する複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に応じたブレーキ力の段数を決定し、その決定に基づいて前記機械ブレーキの応答遅れを小さくするために前記移動体が備える回生ブレーキよりも先行して前記機械ブレーキの制御を開始し、
前記決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定し、
前記回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する、
ブレーキ制御方法。 - ブレーキ制御装置の備えるコンピュータを、
予め定義された目標減速度と機械ブレーキの段数との対応関係に基づいて、移動体が備える前記機械ブレーキが出力する複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に応じたブレーキ力の段数を決定し、その決定に基づいて前記機械ブレーキの応答遅れを小さくするために前記移動体が備える回生ブレーキよりも先行して前記機械ブレーキの制御を開始する手段、
前記決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する手段、
前記回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する手段、
として機能させるためのプログラム。
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