JP7046209B2 - 軌間可変電車の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、軌間可変電車の制御装置に関する。

軌間可変電車では、軌間が異なる線路を接続する軌間変換装置を車両が通過することによって、当該車両に設けられた車輪の間隔が変換される。軌間変換装置は、車体の荷重が車輪にかからないように車体を支持する。また、軌間変換装置は、車体が支持された状態で車輪をガイドレールに沿って車軸方向に移動させることによって、車輪の間隔を変換する。そのため、車輪の間隔を変換する間、当該車輪は空転する。

下記特許文献１には、軌間変換動作を円滑に行うため、車両が軌間変換装置を通過する際に車輪の駆動力を抑制する制御装置が開示されている。駆動力を抑制する具体的な方策としては、軌間変換動作中は、軌間変換装置を通過中でない台車の車輪速度のうち最小の速度を、空転滑走制御の基準速度とすることが開示されている。これによって、軌間変換装置を通過中の車輪の空転が検知され、当該車輪を駆動する主電動機のトルクが抑制される。

特開２００２－２３３００５号公報

しかしながら、１台のインバータで複数の主電動機を一括制御する方式（以下「一括制御方式」と称する）を軌間可変電車に採用したとすると、空転滑走制御によって主電動機のトルクが抑制されるとき、同一のインバータで駆動されるすべての主電動機のトルクが抑制される。この場合、軌間変換装置の外部でレールと接している車輪の駆動力まで抑制され、編成全体としての推進力が低下してしまう。空転滑走制御によってトルクを抑制する他に、インバータを停止する場合にも同様の問題が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、一括制御方式を採用した軌間可変電車において、１台のインバータによって駆動力が制御される複数の車輪のうち、軌間変換装置の内部で空転している車輪と、軌間変換装置の外部でレールと接している車輪とが混在する場合においても、空転している車輪の過回転を抑制しつつ、レールと接している車輪の駆動力を発揮できる軌間可変電車の制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明による軌間可変電車の制御装置は、複数の主電動機のトルクを一括制御するインバータ及びインバータの出力電圧を制御する電圧制御部を備える。電圧制御部は、複数の主電動機によって駆動される複数の車軸のうち、少なくとも一つの車軸が軌間変換区間の内部にあり、少なくとも一つの車軸が軌間変換区間の外部にあるとき、複数の車軸のうち軌間変換区間の外部にある車軸の回転周波数の平均値を、主電動機の電気周波数に換算したものを基準周波数とし、基準周波数とすべり周波数指令とを加算して、出力電圧の周波数とする。もしくは、電圧制御部は、複数の主電動機によって駆動される複数の車軸のうち、少なくとも一つの車軸が軌間変換区間の内部にあり、少なくとも一つの車軸が軌間変換区間の外部にあるとき、複数の車軸の回転周波数のうちの最小値を、主電動機の電気周波数に換算したものを基準周波数とし、基準周波数とすべり周波数指令とを加算して、出力電圧の周波数とする。

本発明によれば、軌間可変電車が軌間変換装置を通過するとき、空転している車輪の過回転を抑制しつつ、レールと接している車輪の駆動力を発揮できる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る軌間可変電車の構成を示す図 実施の形態１に係る制御装置の構成を示すブロック図 実施の形態１の制御装置における要部動作を説明するためのフローチャート 実施の形態２の制御装置における要部動作を説明するためのフローチャート 実施の形態３に係る制御装置の構成を示すブロック図 実施の形態３の制御装置における要部動作を説明するためのフローチャート 実施の形態４に係る制御装置の構成を示すブロック図 実施の形態４の制御装置における電流指令演算部の構成を示すブロック図 実施の形態５に係る制御装置の構成を示すブロック図 実施の形態５の制御装置における要部動作を説明するためのフローチャート 軌間変換区間に進入する際の実施の形態５に係る車軸の動作を説明するためのタイムチャート 軌間変換区間から退出する際の実施の形態５に係る車軸の動作を説明するためのタイムチャート 実施の形態１から実施の形態５の電圧制御部に係る機能をソフトウェアで実現する際のハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態１から実施の形態５の電圧制御部に係るハードウェア構成の他の例を示すブロック図

以下に、本発明の実施の形態に係る軌間可変電車の制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る軌間可変電車の構成を示す図である。実施の形態１に係る軌間可変電車１００は、図１に示すように、軌間が異なる線路１０１ａと線路１０１ｂとを直通運転する電気車である。軌間可変電車１００は、図１に示すように、車体の幅方向に互いに対向して配置される４対の車輪１０２ａ～１０２ｄと、車輪１０２ａ～１０２ｄの各対の回転中心となる４つの車軸１０３ａ～１０３ｄと、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのそれぞれに対応付けて設けられた４台の主電動機１０４ａ～１０４ｄと、主電動機１０４ａ～１０４ｄのトルクを制御するための制御装置２００とを備える。ここで、４台の主電動機１０４ａ～１０４ｄのトルクとは、主電動機１０４ａ～１０４ｄの各々に出力させるトルクを意味する。なお、軌間可変電車１００は複数の車両が連なる列車であってもよく、主電動機１０４ａ～１０４ｄのうちの一部が、別の車両に搭載される構成であってもよい。

また、軌間可変電車１００は、図１に示すような軌間変換装置１０６を通過する間に、各対の車輪１０２ａ～１０２ｄの車軸方向の間隔を変換するための図示しない機構を備える。

軌間変換装置１０６は、線路１０１ａの通常走行区間と線路１０１ｂの通常走行区間との間に設けられる。以下、軌間変換装置１０６を含む区間を軌間変換区間と称する。軌間変換装置１０６は、軌間変換区間を通過する車体を下方から支持する車体支持部１０７と、軌間変換区間を通過中の車輪１０２ａ～１０２ｄを案内するガイドレール１０８とを備える。

車体支持部１０７は、車体の荷重が軌間変換区間を通過中の車輪１０２ａ～１０２ｄにかからないように車体を下方から支持する。これにより、車輪１０２ａ～１０２ｄのうち、軌間変換区間を通過中の車輪は、線路１０１ａ，１０１ｂのレールと非接触となり、宙に浮いた状態となる。車体支持部１０７は、軌間可変電車１００の長さ方向に、４対の車輪１０２ａ～１０２ｄを宙に浮かせるだけの長さを有する。

ガイドレール１０８は、軌間変換区間を通過中の車輪１０２ａ～１０２ｄと当接して当該車輪１０２ａ～１０２ｄを車軸方向に移動させる。軌間変換区間を通過中の車輪１０２ａ～１０２ｄは、軌間可変電車１００の進行とともにガイドレール１０８に沿って移動する。その結果、軌間変換区間を通過中の車輪１０２ａ～１０２ｄは、車軸方向に移動する。したがって、軌間可変電車１００が軌間変換装置１０６を通過することによって、軌間可変電車１００の進行方向に応じて、車輪１０２ａ～１０２ｄの各対の車軸方向の間隔を広げ又は狭めることができる。

具体的に説明すると、軌間可変電車１００が同図の矢印で示す進行方向へ進み、線路１０１ａの通常走行区間から軌間変換装置１０６へ進入したとする。すると、軌間可変電車１００が車体支持部１０７により支持され、その結果、車体の荷重が、軌間変換区間を通過中の車輪１０２ａ及び１０２ｂにかからない状態となる。この場合、車輪１０２ａ及び１０２ｂがガイドレール１０８と当接することによって、車輪１０２ａ及び１０２ｂの各対の車軸方向の間隔は、軌間可変電車１００の進行に伴って次第に狭くなる。車輪１０２ｃ及び１０２ｄの各対の車軸方向の間隔も同様に、軌間可変電車１００の進行に伴って次第に狭くなる。そのため、軌間可変電車１００が同図の矢印で示す進行方向へ進むことによって、車輪１０２ａ～１０２ｄの各対の車軸方向の間隔を狭めることができる。軌間可変電車１００が同図の矢印とは逆の方向へ進行した場合、上記とは逆に、車輪１０２ａ～１０２ｄの各対の車軸方向の間隔は、広がることになる。

本実施の形態に係る制御装置２００は、軌間可変電車１００に搭載される制御装置であって、図２に示すように、１台のインバータ２が複数台の主電動機１０４ａ～１０４ｄを駆動制御する一括制御方式を採用している。なお、一括制御方式の制御装置２００において、１台のインバータ２が駆動制御する主電動機１０４ａ～１０４ｄは、２台以上であれば何台であってもよい。

軌間可変電車１００に搭載される制御装置（以下、単に「制御装置」と称する）２００は、図２に示すように、直流電源１と、４台の主電動機１０４ａ～１０４ｄのトルクを一括制御するインバータ２と、インバータ２の出力電圧を制御する電圧制御部３と、を備える。また、電圧制御部３は、トルク指令演算部３０、電流指令演算部３１、すべり周波数演算部３２、電圧指令演算部３３、電流フィードバック制御部３４、電流処理部３５、基準周波数演算部３６及び位相演算部３７を備える。制御装置２００には、位置検出部１０９からの位置情報と、４台の主電動機１０４ａ～１０４ｄに流れる電流の合計値を検出するために設けられた電流センサ１１８からの検出情報と、図示を省略した運転台からの運転指令とが入力される。なお、以下の説明では、主電動機１０４ａ～１０４ｄのトルクを制御する際に、検出した静止座標系における三相電流値、すなわちＵ相電流ｉ_ｕ、Ｖ相電流ｉ_ｖ、及びＷ相電流ｉ_ｗを、直交２軸回転座標系、すなわちｄｑ軸座標系における磁束軸成分の電流値であるｄ軸電流ｉｄ及びトルク軸成分の電流であるｑ軸電流ｉｑに分解して制御を行うベクトル制御を例示するが、本発明がベクトル制御以外にも適用できることは言うまでもない。

トルク指令演算部３０は、運転指令に含まれるノッチ情報に基づいて、主電動機１０４ａ～１０４ｄの１台あたりに発生すべきトルクの指令値であるトルク指令τ^＊を演算する。電流指令演算部３１は、トルク指令τ^＊に基づいて、主電動機１０４ａ～１０４ｄに流すｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を演算する。なお、電流指令演算部３１が演算するｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊は、１台の主電動機に流す電流指令でもよいし、４台の主電動機に流す電流指令でもよい。

すべり周波数演算部３２は、電流指令演算部３１からのｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊に基づいて、主電動機１０４ａ～１０４ｄに付与すべきすべり周波数である、すべり周波数指令ｆ_ｓを演算する。電圧指令演算部３３は、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊に基づくｄ軸電圧指令ｖ_ｄ０、並びに、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊に基づくｑ軸電圧指令ｖ_ｑ０を演算する。電流処理部３５は、後述する位相演算部３７が演算した制御位相角θ_ｉ、並びに、電流センサ１１８が検出したＵ相電流ｉ_ｕ、Ｖ相電流ｉ_ｖ及びＷ相電流ｉ_ｗに基づいて、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑを演算する。

電流フィードバック制御部３４は、電流指令演算部３１からのｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊、並びに、電流処理部３５からのｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑに基づいて、電流フィードバック制御のためのｄ軸電圧指令に対する補正量（以下「ｄ軸補正量」と称する）Δｖ_ｄ０及びｑ軸電圧指令に対する補正量（以下「ｑ軸補正量」と称する）Δｖ_ｑ０を演算する。電圧指令演算部３３が演算したｄ軸電圧指令ｖ_ｄ０と、電流フィードバック制御部３４が出力するｄ軸補正量Δｖ_ｄ０とは加算され、インバータ２に付与する補正後のｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊となる。また、電圧指令演算部３３が演算したｑ軸電圧指令ｖ_ｑ０と、電流フィードバック制御部３４が出力するｑ軸補正量Δｖ_ｑ０とは加算され、インバータ２に付与する補正後のｑ軸電圧指令ｖ_ｑ ^＊となる。

位置検出部１０９は、位置情報を出力する装置又はセンサからの出力に基づき、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄの位置情報を演算し、演算結果を基準周波数演算部３６に出力する。なお、位置情報を出力する装置又はセンサとしては、ＡＴＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｓｔｏｐ）の地上子、又は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の受信機が例示される。

車軸１０３ａ～１０３ｄのそれぞれには、図２に示すように、回転センサ５０ａ～５０ｄが設けられている。回転センサ５０ａ～５０ｄは、車軸１０３ａ～１０３ｄにおける各々についての回転周波数を計測して基準周波数演算部３６に出力する。なお、本実施の形態において、回転センサ５０ａ～５０ｄが計測する回転周波数の情報は、主電動機１０４ａ～１０４ｄにおける各々についての回転周波数ｆ_ｍ１～ｆ_ｍ４とする。主電動機の回転周波数と、車軸の回転周波数とは、ギア比によって換算できることは言うまでもない。また、主電動機の回転周波数には、回転子の機械的な機械角の回転速度を表す機械角周波数と、機械角周波数を固定子回路の電気量（電気角）の周波数に換算した電気角周波数の２種類があるが、両者は主電動機の極対数によって容易に換算できる。したがって以下の説明では、車輪、車軸、及び車軸に接続される主電動機の機械角周波数と電気角周波数は、それぞれ定数で換算できるものとして扱い、厳密な区別をしない。

基準周波数演算部３６は、位置検出部１０９からの位置情報及び回転センサ５０ａ～５０ｄからの回転周波数の情報に基づいて基準周波数ｆ_ｎを演算する。なお、基準周波数ｆ_ｎの算出要領については、後述する。基準周波数演算部３６が演算した基準周波数ｆ_ｎと、すべり周波数演算部３２が演算したすべり周波数指令ｆ_ｓとは加算され、インバータ周波数ｆ_ｉとして位相演算部３７に付与される。インバータ周波数ｆ_ｉは、インバータ２の出力電圧の周波数である。

位相演算部３７は、インバータ周波数ｆ_ｉに基づいて制御位相角θ_ｉを演算する。制御位相角θ_ｉは、静止座標系と回転座標系との座標変換を行う際に参照される位相角であり、インバータ周波数ｆ_ｉを積分することで求めることができる。

次に、実施の形態１の制御装置２００における要部動作について、図１～図３の図面を適宜参照して説明する。図３は、実施の形態１の制御装置２００における要部動作を説明するためのフローチャートである。

制御装置２００は、図３に示す演算処理、詳細には、軌間変換区間における基準周波数の演算処理を実行する。図２に示すように、基準周波数演算部３６は、位置検出部１０９からの位置情報を受領する。

図３において、基準周波数演算部３６は、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、一つ以上の車軸が軌間変換区間の内部にあるとき（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、軌間変換区間の外部にある車軸の回転周波数の平均値を、主電動機の電気角周波数に換算したものを基準周波数ｆ_ｎとし（ステップＳ１０２）、図３のフローを抜ける。一方、基準周波数演算部３６は、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、すべての車軸が軌間変換区間の外部にあるとき（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄの回転周波数の平均値を、主電動機の電気角周波数に換算した基準周波数ｆ_ｎとし（ステップＳ１０３）、図３のフローを抜ける。

次に、上述した図３に示す処理を行うことの意義について説明する。軌間変換区間の内部で車輪が空転するとき、当該車輪の過回転を防ぐ必要がある。例えば、左右輪独立駆動あるいは車軸ごとの個別制御が可能な制御方式（以下「個別制御方式」と称する）を採用した車両システムでは、軌間変換区間へ進入した車輪の駆動力を順次絞っていけばよい。具体的な手法は、上記特許文献１に示されているように、空転滑走制御により主電動機のトルクを抑制するか、あるいは、当該車輪を駆動しているインバータをゲートオフすればよい。ところが、一括制御方式を採用した車両システムでは、トルクを抑制するようにインバータが制御されると、当該インバータが一括制御するすべての主電動機のトルクが抑制される。その結果、軌間変換区間の内部で空転している車輪の過回転は抑制できるが、軌間変換区間の外部でレールに接している車輪の駆動力も抑制されてしまい、編成全体の推進力が低下してしまう。

一方、実施の形態１では、上述のように、一つのインバータで駆動力が制御される複数の車軸のうち、軌間変換区間の内部で空転している車軸と、軌間変換区間の外部でレールに接している車軸とが混在する場合には、主電動機のトルクを抑制する制御を行わない。このとき、基準周波数演算部３６が４台の主電動機１０４ａ～１０４ｄの回転周波数の平均値を基準周波数とした場合、基準周波数は、空転している車軸の回転周波数よりも小さく、レールに接している車軸の回転周波数よりも大きくなる。これにすべり周波数指令が加算されてインバータの出力電圧の周波数が決定されるため、主電動機に実際に発生するすべり周波数と、すべり周波数指令との間に差が生じてしまう。

そこで、実施の形態１では、一つ以上の車軸が軌間変換区間の内部にあるとき、軌間変換区間の外部にある車軸の回転周波数の平均値を、主電動機の電気角周波数に換算したものを基準周波数とする。こうすることで、軌間変換区間の外部でレールに接している車軸の回転周波数をもとに基準周波数が演算されるので、レールに接している車軸に接続される主電動機に実際に発生するすべり周波数が、指令値通りに制御される。一方、軌間変換区間の内部で空転している車軸に接続される主電動機は、すべり周波数指令の分だけ大きい周波数で回転する。

なお、軌間変換区間の外部にある車軸の回転周波数の平均値を算出する方法は特に限定しない。例えば車軸１０３ａのみが軌間変換区間の内部にあるとすると、車軸１０３ｂ～１０３ｄの回転周波数を加算して３で除すればよい。また、車軸１０３ａの回転周波数を、車軸１０３ｂ～１０３ｄの回転周波数の何れかに読み替えて、車軸１０３ａ～１０３ｄの回転周波数を加算して４で除してもよい。

また、上述の軌間変換動作が行われている最中は、従来の空転滑走制御は無効化される。空転滑走制御とは、車輪の空転を検知したときに、主電動機のトルクを抑制して、車輪の再粘着を促す制御のことを指す。空転滑走制御の構成には様々な形態があるが、代表的なものとしては、ある代表速度（列車速度など）と個々の車輪の回転速度を比較し、その速度差が拡大したときに空転を検知するものや、個々の車輪の加速度の急変をもとに空転を検知するものなどがある。

以上より、実施の形態１に係る制御装置によれば、空転車輪の過回転を抑制しつつ、非空転車輪における駆動力を継続して出力できるので、編成全体の推進力の低下を抑制することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのそれぞれの位置情報に基づいて、軌間変換区間の外部にある車軸を選択し、それらの回転周波数の平均値を主電動機の電気角周波数に換算して基準周波数とする制御を行う。しかし、位置情報の種類によっては、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのそれぞれの位置情報を判別することが困難なケースも想定される。

例えば、制御装置２００が受け取る位置情報が、列車の進行方向に対して最も先頭にある車軸１０３ａの位置情報だけという場合が考えられる。この場合、列車速度を積分するなどして列車の移動距離を演算し、あらかじめ用意しておいた列車における車軸の位置関係を示す情報をもとに、残る３つの車軸１０３ｂ～１０３ｄのそれぞれの位置を推定することになる。制御装置２００が取得できる列車速度の情報は分解能が低く、更新周期が遅い場合もあり、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのそれぞれの位置の推定結果に誤差を含むこととなる。

そこで、実施の形態２における制御装置２００は、図４に示す演算処理、詳細には、軌間変換区間における基準周波数の演算処理を実行する。図２に示すように、基準周波数演算部３６は、位置検出部１０９からの位置情報を受領する。

図４において、基準周波数演算部３６は、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、一つ以上の車軸が軌間変換区間の内部にあるとき（ステップＳ２０１，Ｙｅｓ）、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄの回転周波数のうちの最小値を、主電動機の電気角周波数に換算したものを基準周波数ｆ_ｎとし（ステップＳ２０２）、図４のフローを抜ける。一方、基準周波数演算部３６は、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、すべての車軸が軌間変換区間の外部にあるとき（ステップＳ２０１，Ｎｏ）、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄの回転周波数の平均値を、主電動機の電気角周波数に換算した基準周波数ｆ_ｎとし（ステップＳ２０３）、図４のフローを抜ける。

次に、上述した図４に示す処理を行うことの意義について説明する。軌間変換区間の内部で、車体支持部１０７によって支持された車軸及び車輪が空転することは、上述の通りである。このとき、実施の形態２における制御装置２００は、編成全体の推進力の低下を防ぐために主電動機のトルクを抑制する制御を行わない。すなわち、運転指令に応じて、ゼロではないすべり周波数指令が演算され、すべり周波数指令と基準周波数とが加算されて、インバータの出力電圧周波数となる。

すべり周波数指令がゼロではない正の値をとったまま、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄの何れかが軌間変換区間へ進入すると、軌間変換区間へ進入した車軸はすべり周波数指令の分だけ加速して空転する。上述したように、実施の形態２における制御装置２００で、基準周波数演算部３６は、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、一つ以上の車軸が軌間変換区間の内部にあるとき、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄの回転周波数のうちの最小値を、主電動機の電気角周波数に換算したものを基準周波数ｆ_ｎとする。したがって、自動的に軌間変換区間の外部にある車軸のうちの、何れかの回転周波数が選択されることとなる。これによって、制御装置２００が４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのそれぞれの位置情報を取得できない場合にも、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態３に係る制御装置２００は、図２に示す実施の形態１に係る制御装置２００の構成において、電流フィードバック制御部３４に位置検出部１０９から出力される位置情報を入力する構成としているのが実施の形態１との相違点である。なお、その他の構成は、図２に示す実施の形態１の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５において、位置検出部１０９の出力は、基準周波数演算部３６に加え、電流フィードバック制御部３４にも出力される。電流フィードバック制御部３４は、位置情報に基づいて、ｄ軸補正量Δｖ_ｄ０及びｑ軸補正量Δｖ_ｑ０の演算結果を切り替える。

実施の形態３の要部動作については、更に図６を用いて説明する。図６は、実施の形態３の制御装置２００における要部動作を説明するためのフローチャートである。

上述したように、位置検出部１０９は、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄの位置情報を演算し、演算結果を基準周波数演算部３６と電流フィードバック制御部３４に出力している。

ここで、電流フィードバック制御部３４は、図６に示すように、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、一つ以上の車軸が軌間変換区間の内部にあるとき（ステップＳ３０１，Ｙｅｓ）、電流フィードバック制御部による出力電圧補正を停止する制御を行って（ステップＳ３０２）、図６のフローを抜ける。

また、電流フィードバック制御部３４は、図６に示すように、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、すべてが軌間変換区間の外部にあるとき（ステップＳ３０１，Ｎｏ）、電流フィードバック制御部による出力電圧補正を開始又は継続する制御を行って（ステップＳ３０３）、図６のフローを抜ける。

なお、電流フィードバック制御部による出力電圧補正を停止する制御は、ｄ軸補正量Δｖ_ｄ０及びｑ軸補正量Δｖ_ｑ０をゼロとすれば良い。また、電流フィードバック制御部の内部に、積分演算処理やラッチ処理などがある場合には、それらの処理結果をリセットしてもよい。

次に、上述した電流フィードバック制御を停止することの意義について説明する。まず、軌間変換区間では、車輪の空転が発生することは上述の通りである。空転車輪を駆動する主電動機は、非空転車輪を駆動する主電動機に比べて負荷トルクが小さいので、空転車輪を駆動する主電動機に流れる電流は、著しく減少する。

実施の形態１における電圧制御部３では、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄの位置情報に関わらず、電流フィードバック制御部３４による出力電圧補正が実行される。一方、上述した通り、車輪の空転が発生しているとき、空転車輪を駆動する主電動機に流れる電流は減少し、４台の主電動機１０４ａ～１０４ｄに実際に流れる電流の合計値も減少する。そして、電流の減少分を補うべく、電流フィードバック制御部３４が生成するｄ軸補正量Δｖ_ｄ０及びｑ軸補正量Δｖ_ｑ０が変化する。その結果として、インバータの出力電圧が増加する動作となる。

このとき、電圧の増加分は、主として非空転車輪を駆動する主電動機に集中するため、主電動機に過大な電流が流れたり、トルク指令を超える過大なトルクが発生したりするおそれがある。過電流は、主電動機の過熱、破損又は故障などの問題を生じさせるおそれがあり、過大なトルクはレールに接している車輪の空転を引き起こす可能性がある。

このような現象を防止するため、実施の形態３では、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、一つ以上の車軸が軌間変換区間の内部にあるとき、電流フィードバック制御部３４による出力電圧補正を停止する制御を行う。そのため、軌間可変電車１００が軌間変換区間を通過する際に、電流フィードバック制御部３４による電圧補正制御によって、主電動機１０４ａ～１０４ｄへの印加電圧が増大するのを抑止できるので、主電動機の過熱、破損、又は故障の発生を抑制することが可能になる。

また、実施の形態３に係る制御装置２００によれば、軌間可変電車１００が軌間変換区間を通過する際に、主電動機１０４ａ～１０４ｄに実際に流れる電流の合計値が変化しても、インバータ２の出力電圧が変化しないので、非空転車輪の駆動力を適切に制御して、運転指令に従った推進力を列車に付与することが可能となる。

なお、実施の形態３では、電流フィードバック制御部の停止処理を実行する構成を実施の形態１に係る制御装置２００に適用する場合について説明したが、この構成を実施の形態２に係る制御装置２００に適用できるのは言うまでもない。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態４に係る制御装置２００は、図２に示す実施の形態１に係る制御装置２００の構成において、位置検出部１０９から出力される位置情報を電流指令演算部３１に入力しているのが実施の形態１との相違点である。なお、その他の構成は、図２に示す実施の形態１の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

上述の通り、空転車輪と非空転車輪が混在する場合には、主電動機ごとに電流のばらつきが生じる。このとき電流フィードバック制御が有効であると、空転車輪を駆動する主電動機の電流が減少し、電流の減少分を補うべくインバータの出力電圧が増加し、非空転車輪を駆動する主電動機に過大な電流及び過大なトルクが発生してしまう。そこで、実施の形態３に係る制御装置２００は、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、一つ以上の車軸が軌間変換区間の内部にあるとき、電流フィードバック制御部３４による出力電圧補正を停止する制御を行う。

これと同等の効果を奏するためには、軌間変換区間の内部にある車軸の数に応じて、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を調整してもよい。そこで、実施の形態４における電流指令演算部３１は、トルク指令演算部３０からのトルク指令τ^＊及び位置検出部１０９から出力される位置情報に基づいて、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を演算する。

実施の形態４における電流指令演算部３１の要部動作を、図８を用いて説明する。図８における単位電流指令演算部３１ａは、トルク指令τ^＊に基づき、主電動機１台あたりに発生すべき電流の指令値を表す、ｑ軸単位電流指令ｉ_ｑ０ ^＊及びｄ軸単位電流指令ｉ_ｄ０ ^＊を演算する。また、軌間変換軸カウント部３１ｂは、位置情報に基づき、軌間変換区間の内部にある車軸の数Ｎ_ｉを出力する。そして、一つのインバータが駆動する主電動機の数をＮ_ａで表すと、ｉ_ｄ０ ^＊とＮ_ａの乗算結果がｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊として出力される。また、ｉ_ｑ０ ^＊と（Ｎ_ａ－Ｎ_ｉ）の乗算結果がｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊として出力される。なお、図８に示す電流指令演算部３１の動作は、電流処理部３５の出力であるｄ軸電流ｉ_ｄ及びｑ軸電流ｉ_ｑが、４台の主電動機の合計電流を出力していると仮定したときのものである。仮に電流処理部３５が主電動機１台あたりの電流を出力しているのであれば、図８のｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊も、Ｎ_ａで除して主電動機１台あたりの電流に換算した値を出力すればよい。このような換算は、電流フィードバック制御部３４の内部で行われてもよいということは、言うまでもない。

上記の演算の結果、軌間変換区間の内部で空転している車軸があるときは、軌間変換区間の内部で空転している車軸の数に応じてｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊が減少することとなる。これによって、非空転車輪に接続された主電動機に電流が集中するのが抑制され、実施の形態３と同様の効果を奏することができる。

なお、実施の形態４では、軌間変換区間の内部にある車軸の数に応じて電流指令値を演算する構成を、実施の形態１に係る制御装置２００に適用する場合について説明したが、この構成を実施の形態２に係る制御装置２００に適用できるのは言うまでもない。

実施の形態５．
図９は、実施の形態５に係る制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態５に係る制御装置２００は、図５に示す実施の形態３に係る制御装置２００の構成において、位置検出部１０９から出力される位置情報をトルク指令演算部３０に入力する構成としているのが実施の形態３との相違点である。なお、その他の構成は、図５に示す実施の形態３の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

実施の形態５におけるトルク指令演算部３０の動作を、図１０のフローチャートを用いて説明する。トルク指令演算部３０は、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、すべての車軸が軌間変換区間の内部にあるとき（ステップＳ５０１，Ｙｅｓ）、トルク指令をゼロとする制御を行って（ステップＳ５０２）、図１０のフローを抜ける。また、４つの車軸１０３ａ～１０３ｄのうち、少なくとも一つ以上の車軸が軌間変換区間の外部にあるとき（ステップＳ５０１，Ｎｏ）、運転指令に基づくトルク指令を出力し（ステップＳ５０３）、図１０のフローを抜ける。

実施の形態５の要部動作については、更に図１１と図１２を用いて説明する。図１１は、軌間可変電車１００が軌間変換区間に進入する際の、実施の形態５に係る車軸の動作を説明するためのタイムチャートであり、図１２は、軌間可変電車１００が軌間変換区間から退出する際の、実施の形態５に係る車軸の動作を説明するためのタイムチャートである。以下の説明では、「回転周波数に換算した列車速度」を「周波数換算列車速度」と呼称する。

まず、図１１の上段部には、車軸１０３ａ～１０３ｄの挙動として、車軸１～車軸４の駆動力が実線で示され、車軸１～車軸４の回転周波数が破線で示されている。さらに、図１１の下段部には、基準周波数と、電流フィードバック制御のオン又はオフの状態と、トルク指令のオン又はオフの状態が示されている。何れの波形も、横軸は時間であり、縦軸は駆動力又は回転周波数を表している。また、車軸１は図１における車軸１０３ａに対応し、車軸２は図１における車軸１０３ｂに対応し、車軸３は図１における車軸１０３ｃに対応し、車軸４は図１における車軸１０３ｄに対応する。

軌間可変電車１００が軌間変換区間に進入し、車軸１が軌間変換区間の内部に最初に踏み入れたとき、車軸１は図示の破線のように、周波数換算列車速度よりも、すべり周波数指令に相当する分だけ周波数が増加して空転する。このとき、電流フィードバック制御がオフされる。そして、車軸１の周波数が増加したことによって、軌間変換区間の外部にある車軸２～４の周波数の平均値が、基準周波数となる。その結果、軌間変換区間の外部でレールと接している車軸２～４の駆動力が安定に制御される。続いて車軸２，３が軌間変換区間の内部に踏み入れたときも同様な挙動である。そして、車軸４が軌間変換区間の内部に踏み入れたとき、トルク指令演算部３０はトルク指令をオフする。すなわち、実施の形態５に係る制御装置２００は、車軸１～４のすべてが軌間変換区間の内部にあるとき、トルク指令演算部３０がトルク指令をゼロとする。その結果、基準周波数として車軸４の周波数が選択されたまま、すべり周波数指令がゼロとなり、４つの車軸のすべてが周波数換算列車速度と等しい周波数で回転し続ける。したがって、空転車輪の過回転が抑制される。

図１２は、上述したように、軌間可変電車１００が軌間変換区間から退出する際の車軸１～車軸４の挙動を示している。図１２の上段部には、車軸１～車軸４の駆動力が実線で示され、車軸１～車軸４の回転周波数が破線で示されている。さらに、図１２の下段部には、基準周波数と、電流フィードバック制御のオン又はオフの状態と、トルク指令のオン又はオフの状態が示されている。何れの波形も、横軸は時間であり、縦軸は駆動力又は回転周波数を表している。なお図１２は、図１１に示す軌間変換区間への進入時の挙動に続く動作を表している。

軌間可変電車１００が軌間変換区間から退出するとき、進行方向に向かって前方に位置する車軸１が最初に軌間変換区間から退出し粘着する。また、車軸１の退出と共にトルク指令の出力が再開されている。このとき、車軸２～４の周波数は周波数換算列車速度に対してすべり周波数指令の分だけ増加する。したがってこの時点では、車軸１の周波数が基準周波数として選択され、車軸１の駆動力が安定に制御される。そして、車軸２～３についても同様に、軌間変換区間から退出すると同時に駆動力が発生する。さらに、進行方向に向かって最後方に位置する車軸４が軌間変換区間から退出したとき、電流フィードバック制御がオンされる。

以上の説明では、説明を簡単にするため、軌間変換区間と車体支持部１０７の範囲は一致するものと仮定した。すなわち、車軸の空転・再粘着が起きるタイミングと同時に、基準周波数の演算、電流フィードバック制御の切り替え、トルク指令のオン及びオフが実施されている。実際には軌間変換動作をより円滑に行うため、車軸の空転又は再粘着が起きるタイミングより、時間的な余裕をもって制御の切り替えが行われてもよい。その場合は、車体支持部１０７より、軌間変換区間の方が距離が長く、軌間変換区間は車体支持部１０７を包含する位置関係に設定すればよい。

以上に説明したように、実施の形態５に係る制御装置２００によれば、一つのインバータが駆動するすべての車軸が軌間変換区間の内部にあるとき、トルク指令をゼロとする制御を行ったので、空転車軸の過回転を防止できる。

なお、実施の形態５では、トルク指令の停止処理を実行する構成を実施の形態３に係る制御装置２００に適用する場合について説明したが、この構成を実施の形態１、実施の形態２あるいは実施の形態４に係る制御装置２００に適用できるのは言うまでもない。

実施の形態６．
実施の形態１から実施の形態５の電圧制御部３に係る機能をソフトウェアで実現する際のハードウェア構成について、図１３を参照して説明する。なお、ここでいう機能とは、電圧制御部３における、トルク指令演算部３０、電流指令演算部３１、すべり周波数演算部３２、電圧指令演算部３３、電流フィードバック制御部３４、電流処理部３５、基準周波数演算部３６及び位相演算部３７が該当する。

上述した機能をソフトウェアで実現する場合には、図１３に示すように、演算を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央処理装置）３００、ＣＰＵ３００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ３０２及び信号の入出力を行うインタフェース３０４を含む構成とすることができる。なお、ＣＰＵ３００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などと称されるものであってもよい。また、メモリ３０２とは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性又は揮発性の半導体メモリなどが該当する。

具体的に、メモリ３０２には、制御機能を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ３００は、インタフェース３０４を介して、必要な情報の授受を行うことにより、本実施の形態で説明された各種の演算処理を実行する。

また、図１３に示すＣＰＵ３００及びメモリ３０２は、図１４のように処理回路３０３に置き換えてもよい。処理回路３０３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

最後に、実施の形態１から実施の形態５の制御装置におけるインバータに用いられるスイッチング素子について説明する。実施の形態１から実施の形態５のインバータで用いられるスイッチング素子としては、Ｓｉ（珪素）を素材とする半導体素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオードなど、以下「Ｓｉ素子」と称する）を用いる構成が一般的である。一方、最近では、Ｓｉに代え、近年注目されているＳｉＣ（炭化珪素）を素材とする半導体素子（以下「ＳｉＣ素子」と称する）が注目されている。

ＳｉＣ素子の特徴として、スイッチング時間を従来素子（例えばＳｉ素子）に対して非常に短くする（約１／１０以下）ことができる。このため、スイッチング損失が小さくなる。また、ＳｉＣ素子は導通損失も小さい。このため、定常時の損失も従来素子に比して大幅に低減する（約１／１０以下）ことが可能である。

実施の形態１から実施の形態５に係る手法の特徴として、上述したように、軌間可変電車１００が軌間変換区間を通過するときでもインバータをゲートオンし続ける制御を行う。このため、軌間可変電車１００が軌間変換区間を通過するときにインバータをゲートオフする場合と比べて、スイッチング素子のスイッチング回数が増加する。また、空転車輪を駆動する主電動機の電流は減少するが、励磁電流は流れ続ける。このため、スイッチング損失及び導通損失が小さいＳｉＣ素子は、本実施の形態に係る制御装置に用いて好適である。

なお、ＳｉＣは、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である。このＳｉＣ以外にも、例えば窒化ガリウム系材料又は、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性も炭化珪素に類似した点が多い。したがって、ＳｉＣ以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 直流電源、２ インバータ、３ 電圧制御部、３０ トルク指令演算部、３１ 電流指令演算部、３１ａ 単位電流指令演算部、３１ｂ 軌間変換軸カウント部、３２ すべり周波数演算部、３３ 電圧指令演算部、３４ 電流フィードバック制御部、３５ 電流処理部、３６ 基準周波数演算部、３７ 位相演算部、５０ａ～５０ｄ 回転センサ、１００ 軌間可変電車、１０１ａ，１０１ｂ 線路、１０２ａ～１０２ｄ 車輪、１０３ａ～１０３ｄ 車軸、１０４ａ～１０４ｄ 主電動機、１０６ 軌間変換装置、１０７ 車体支持部、１０８ ガイドレール、１０９ 位置検出部、１１８ 電流センサ、２００ 制御装置、３００ ＣＰＵ、３０２ メモリ、３０３ 処理回路、３０４ インタフェース。

Claims (8)

1. 軌間変換区間において軌間が可変する軌間可変電車の制御装置であって、
   複数の主電動機のトルクを一括制御するインバータと、
   前記インバータの出力電圧を制御する電圧制御部と、
   を備え、
   前記電圧制御部は、
   複数の前記主電動機によって駆動される複数の車軸のうち、少なくとも一つの前記車軸が前記軌間変換区間の内部にあり、少なくとも一つの前記車軸が前記軌間変換区間の外部にあるとき、
   複数の前記車軸のうち前記軌間変換区間の外部にある前記車軸の回転周波数の平均値を、前記主電動機の電気周波数に換算したものを基準周波数とし、前記基準周波数とすべり周波数指令とを加算して、前記出力電圧の周波数とする
   ことを特徴とする軌間可変電車の制御装置。
2. 前記電圧制御部は、
   電流指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
   複数の前記主電動機に流れる電流値と前記電流指令との偏差に基づいて前記電圧指令に対する補正量を演算する電流フィードバック制御部と、
   を備え、
   複数の前記車軸のうち、
   少なくとも一つの前記車軸が前記軌間変換区間の内部にあるとき、
   前記補正量をゼロとし、もしくは、前記電流フィードバック制御部の出力を遮断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の軌間可変電車の制御装置。
3. 軌間変換区間において軌間が可変する軌間可変電車の制御装置であって、
   複数の主電動機のトルクを一括制御するインバータと、
   前記インバータの出力電圧を制御する電圧制御部と、
   を備え、
   前記電圧制御部は、
   電流指令に基づいて電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
   複数の前記主電動機に流れる電流値と前記電流指令との偏差に基づいて前記電圧指令に対する補正量を演算する電流フィードバック制御部と、
   を備え、
   複数の前記主電動機によって駆動される複数の車軸のうち、
   少なくとも一つの前記車軸が前記軌間変換区間の内部にあるとき、
   前記補正量をゼロとし、もしくは、前記電流フィードバック制御部の出力を遮断すると共に、
   複数の前記車軸のうち、少なくとも一つの前記車軸が前記軌間変換区間の内部にあり、少なくとも一つの前記車軸が前記軌間変換区間の外部にあるとき、
   複数の前記車軸の回転周波数のうちの最小値を、前記主電動機の電気周波数に換算したものを基準周波数とし、前記基準周波数とすべり周波数指令とを加算して、前記出力電圧の周波数とする
   ことを特徴とする軌間可変電車の制御装置。
4. 前記電圧制御部は、
   トルク指令と、前記軌間変換区間の内部にある前記車軸の数とに基づいて、前記電流指令を演算する電流指令演算部を備えた
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の軌間可変電車の制御装置。
5. 前記電圧制御部は、トルク指令を演算するトルク指令演算部を備え、
   前記トルク指令演算部は、複数の前記車軸のうち、すべての前記車軸が前記軌間変換区間の内部にあるとき、
   前記トルク指令をゼロとする
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の軌間可変電車の制御装置。
6. 前記電圧制御部は、
   複数の前記車軸のうち、すべての前記車軸が前記軌間変換区間の外部にあるとき、
   複数の前記車軸の回転周波数の最小値又は平均値を、前記主電動機の電気周波数に換算したものを基準周波数とする
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の軌間可変電車の制御装置。
7. 前記インバータに用いられるスイッチング素子の素材は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の軌間可変電車の制御装置。
8. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項７に記載の軌間可変電車の制御装置。

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