JP7340991B2 - 電気車制御装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気車の駆動用電動機を制御する電気車制御装置及びその方法に関する。

特許文献１には、電動車両において、目標回転速度と一致しない逆方向移動動作を検知した場合、速度指令値を初期値よりも低い値に再設定し、過剰な駆動力を出力することを防止する、電動車両用駆動制御装置が記載されている。

特開2003-134611号公報

特許文献１に記載の技術では、電動車椅子の利用者の観点から、主に坂道発進する際の過剰な駆動力を抑制することによって、後退状態からの円滑な発進動作を実現している。電動車椅子は、ある程度の無理な使用状況も想定して、急勾配等も乗り越えられるように、制御対象の重量に対する駆動力を配分する設計がなされている。そのため、制御対象が電動車椅子の場合、特に駆動力の目標値を設定する必要はなく、常にモニタされた現在速度と目標速度との速度差に基づく駆動力制御だけで、電動車椅子に対する乗り心地や使い勝手をある程度満足させることができる。

しかしながら、電動車椅子よりも、はるかに重い鉄道車両のような制御対象の場合、坂道発進する勾配角度や車両重量が規定範囲内とされていることもあり、制御対象の重量に対する駆動力の配分は電動車椅子と異なる。このように異なる条件の鉄道車両に対し、電動車椅子のような速度差に基づく駆動力制御を採用した場合、規定内の勾配であっても、坂道発進するだけの駆動力が確保できずに起動できないことがある。これに対し、鉄道車両は、そこを乗り越えられるように、速度差から設定される値以上の駆動力が必要なこともある。このような鉄道車両は、速度差から設定される値以上の駆動力を出力して力行する際に、大きな衝動が発生して乗り心地を悪くする可能性があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上り勾配環境等において大きく後退することなく、また大きな衝動を発生させることなく前進方向に起動可能な電気車制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明は、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置であって、電気車の進行方向を後退から前進へと反転させる必要に応じて、後退中の電気車の電動機に前進方向のトルクを出力する起動トルク出力部と、後退中に進行速度の絶対値が所定値よりも小さくなったときにトルクを目標値まで低下させる反転衝撃緩和部と、を備えるものである。

本発明によれば、起動トルク出力部の作用により電気車の後退が止みつつある中で、その後退速度が所定値以下になった時点で、反転衝撃緩和部がトルクを目標値まで低下させる。そうすると、後退状態から坂道発進する起動時の電気車に生じる衝動が抑制できる。その結果、上り勾配環境等において大きく後退することなく、また大きな衝動を発生させることなく、前進方向に電気車は起動可能である。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る電気車制御装置（本装置）の概略構成を示すブロック図である。図１（ｂ）は本装置によって制御されるインバータ装置及び永久磁石同期電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor：ＰＭＳＭ）の概略構成を示すブロック図である。 本装置の処理を示したフローチャートである。 本装置の作用効果を従来例と比較して示すタイムチャートであり、電動機の出力トルク、速度変化率、ジャーク、及び車両速度を示す。

以下、図面を用いて本発明の一実施形態を例示する。なお、本発明の実施形態に係る電気車制御装置を「本装置」と略す。また、ＰＳＭＳの電動機を例示しているが、誘導電動機その他の形式でも構わない。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る電気車制御装置（本装置）の概略構成を示すブロック図である。図１（ａ）に示すように、本装置１０が適用される電気車１１は、本装置１０のほかに、インバータ装置２と、電動機４と、速度計５と、トルク検出部６と、を備える。速度計５は、電気車１１の走行速度Ｖを検出する。トルク検出部６は、電動機４が車輪に付与するトルクＴを検出する。

本装置１０は、インバータ装置２の出力を制御して電動機４が車輪に付与するトルクＴ、及び回転速度を制御し、電気車１１の走行速度Ｖを制御する。インバータ装置２は、トルクＴ、及び走行速度Ｖそれぞれの検出値を常時入力してフィードバック制御に用いる。

図１（ｂ）は本装置１０によって制御されるインバータ装置２及び電動機４の概略構成を示すブロック図である。本装置１０の制御システムは、外部機器からの信号に基づき制御指令を出力する制御論理部１と、その制御論理部１からのゲート信号７により制御されるパワーユニットＩＮＶと、主回路等の電流や電圧を測定する電流／電圧測定部３と、パワーユニットＩＮＶからの電流を流すことで車両を駆動する電動機４から構成される。なお、図１（ｂ）に示すＰＭＳＭ＿Ａ～Ｄの４つをまとめて電動機４と呼ぶ。

また、制御論理部１には、起動トルク出力部１２と、反転衝撃緩和部１３と、を備えている。起動トルク出力部１２は、図３を用いて後述するように、後退中の電気車１１の電動機４に前進方向のトルクＴを出力させる。反転衝撃緩和部１３は、電気車１１が後退中に、進行速度Ｖの絶対値が所定値αよりも小さくなったとき、又は、進行速度Ｖ＝所定値αになったタイミングＪで、トルクＴを目標値βまで低下させる。なお、起動トルク出力部１２、及び反転衝撃緩和部１３は、説明の便宜上、制御論理部１に設けた機能であって、図１（ｂ）のブロックで明確に区別されたような構成である必要はない。

図２は、本装置１０の処理を示したフローチャートである。図２に示すように、本装置１０の処理は、ノッチオフするステップＳ１と、力行指令するステップＳ２と、後退状態であるか否かを判定するステップＳ３と、力行トルクＴを出力するステップＳ４と、所定速度αへ到達したか否かを判断するステップＳ５と、トルクＴを目標値βに制御するステップＳ６と、前進状態であるか否かを判定するステップＳ７と、力行トルクＴを出力するステップＳ８と、を有する。より詳しくは、次のとおりである。

上り勾配において、電気車１１を坂道発進させることが必要な場合、まず、ブレーキを解除し、ノッチオフ（Ｓ１）を経て、力行指令を出力（Ｓ２）することによって、電気車１１を進行させる。このとき、制御論理部１は、電流／電圧測定部３での測定値を用いて制御論理部１で演算した速度Ｖの情報から、制御論理部１が進行させようとする方向と、実際に電気車１１が順方向に進行しているか否かを判断する。

つまり、上り勾配における電気車１１の運転台において、運転士が電気車１１を坂道発進させる順方向に進行させるように操作している。そのとき、制御論理部１は、電気車１１が坂道を下る方向に後退中か、上り方向に発進中か、どちらの状態かを速度Ｖの値が正負何れであるかを判別できる。

逆方向に進行していると制御論理部１が判断した場合、車両の重量に応じた順方向に進行しているときと同等の力行トルクＴを出力するように制御論理部１から指令を出力し（Ｓ４）、その指令はパワーユニットＩＮＶに入力される。パワーユニットＩＮＶは入力された指令値に合わせた電流値を出力し、その電流が電動機４に入力されることにより、指令に応じた力行トルクＴが出力される。

電気車１１の車輪に対し、力行トルクＴが順方向に付与されると、上り勾配を下る方向への後退速度Ｖが遅くなる。次に、電気車１１は、後退する速度Ｖの絶対値がゼロに近づくうち、その速度Ｖ＝所定値αになったものと制御論理部１が判断する（Ｓ５でＹｅｓ）。そのとき、ステップＳ６において、目標値βまでトルクＴを低下させる指令を制御論理部１が出力し、その指令値がパワーユニットＩＮＶに入力され、パワーユニットＩＮＶは、その指令値に適応した値の電流値を出力し、その電流値を電動機４に入力することによって、電動機４は目標値βまでトルクＴを低下させる。なお、目標値βは、制御論理部１が演算式により、車両の重量や走行抵抗、すなわち、車輪と線路の間の摩擦、及び駆動ギアの歯合抵抗に基づいて算出した数値に設定する（Ｓ６）。

本装置１０のこのような制御によって、電動機４に電流が入力され、指令に応じたトルクＴが出力され、後退状態から前進状態へ切り替わるタイミングＸ、又はその少し前に生じる衝動を抑制し、電気車１１は前進することができる。その後、前進していることが制御論理部１で判断されると（Ｓ７でＹｅｓ）、ステップＳ８において、制御論理部１からトルクＴを上昇させる指令が発令される。これを受けたパワーユニットＩＮＶは、制御論理部１からそこに入力された指令値に合わせた値の電流を出力し、この値の電流が電動機４に入力される。その結果、電動機４から指令に応じたトルクＴが出力される（Ｓ８）。

図３は、本装置１０の作用効果を従来例と比較して示すタイムチャートであり、横軸は共通の時間軸である。縦軸は、上から順に４種類の変数が示される。上から１番目は、電動機４の出力トルクＴである。上から２番目は、速度変化率Ｚであり、加速度と読み替えれば、直線的変化は良くても、非直線的、又は非連続的であれば、乗り心地悪化の原因になると考えられる。上から３番目は、ジャークＧであり、乗り心地悪化の指標値と考えられるので、少ないほど良い。上から４番目は、電気車１１の車両速度Ｖであり、ゼロ以下ならば後退であり、ゼロより大きければ前進である。

図３において、本装置１０の発明を適用した場合８と、非適用の場合９と、を比較すれば、その効果は明確である。図３に示すように、本装置１０は、時間Ｊに速度Ｖが所定値αになると、トルクＴを目標値βまで低下させる。これにより、電気車１１が後退から前進へと逆転するときの衝撃が緩和される。本発明非適用時９には、速度変化率Ｚが矩形で大きく変化し、ジャークＧの尖頭値が高い。

これに対し、本発明適用時８には、速度変化率Ｚが階段状に緩和され、ジャークＧの尖頭値は半分以下に低減されている。特に、速度Ｖ＝０におけるジャークＧは、本発明の非適用時９と比較して60％も低減している。つまり、本装置１０を用いた本発明の適用時８には、歴然と乗り心地が改善されている。

また、電気車１１が進行方向を後退から前進へと逆転する段階を経過し、逆転していた電気車１１が前進状態になると、本装置１０は、制御論理部１が車輪のトルクＴを相当に増強し、電気車１１の速度Ｖを上昇させる。これについて、本発明適用時８と非適用時９とは大差無い。つまり、速度Ｖは本発明の非適用時９と比較して大きな遅れなく上昇する。

［総括］
本装置１０は、次のように総括できる。
［１］図１（ｂ）に示す本装置１０は、電気車１１を駆動する電動機４を制御する。本装置１０は、電気車１１の進行方向を後退から前進へと反転させる必要に応じて、次の制御を行う。図３に示すように、後退中の電気車１１の電動機４に、起動トルク出力部１２が前進方向のトルクＴを出力する。ここで、電気車１１が後退中に進行速度Ｖの絶対値が所定値αよりも小さくなったとき、又は、進行速度Ｖ＝所定値αになったタイミングＪで、反転衝撃緩和部１３がトルクＴを目標値βまで低下させる。

本装置１０は、制御対象の重量や走行する際の抵抗に応じて駆動力（トルク）の目標値を設定することで、進行させようとする方向と逆方向に進行している場合にも、電気車の衝動を抑制した起動を行う。このような制御によって、上り勾配環境等において大きく後退することなく、また大きな衝動を発生させることなく前進方向に起動させることができる。なお、速度Ｖの絶対値が所定値αよりも小さくなるとは、前進速度（＋）と後退速度（－）の何れであっても、その速度Ｖが所定値αよりもゼロに近いことをいう。つまり、「速度Ｖ＝所定値α」の状態は、後退から前進へと反転する寸前で微速後退の速度を正確に定義した状態である。

［２］本装置１０は、電気車１１を順方向に力行させるとき、起動トルク出力部１２が目標値γのトルクＴを電動機４に出力させる。また、本装置１０は、電気車１１の進行方向を後退から前進へと反転させる必要に応じて、電気車１１の後退する速度Ｖの絶対値が所定値αよりも小さくなるまでは、順方向に力行させるときと同等の目標値γまでトルクＴを上昇させる。

すなわち、電気車１１の進行が後退から前進へと反転する寸前まで、通常の力行に等しい目標値γまで強力にトルクＴを上昇させる。このような制御によっても、上り勾配環境等において大きく後退することなく、また大きな衝動を発生させることなく前進方向に起動させることができる。

［３］ただし、上記［１］でいうように、本装置１０の基本的制御パターンは、電気車１１が後退中に進行速度Ｖの絶対値が所定値αよりも小さくなったとき、そのタイミングＪでトルクＴを目標値βまで低下させる制御パターンである。［３］の本装置１０は、この基本的な制御パターンに属するものの、トルクＴを目標値βまで低下させるまでもなく、後退から前進へと反転させる目的を達成しそうな場合もある。すなわち、本装置１０は、力行トルクＴの出力（図３のＳ４）が、上記［２］でいう順方向に力行させるときと同等の目標値γを超える以前の小さい段階で、速度Ｖが簡単に所定値αよりゼロに近づく場合がある。

電気車１１の進行方向を後退から前進へと反転させるために必要なトルクＴが少なくて足りた原因は、概ね２つ考えられる。１つ目は、軌道の勾配がゼロに近く、重力から電気車１１を後退させる方向の分力が少ないこと。２つ目は、電気車１１の重量が比較的軽いこと。このような場合、上記［２］でいう順方向に力行させるときと同等の目標値γを超える強さでトルクＴを出力するまでもなく、それ以前に、電気車１１が後退から前進へと反転しそうな場合がある。その場合、反転衝撃緩和部１３が、上記［１］でいう目標値βまでトルクＴを低下させるように制御することにより、上り勾配環境等において、電気車１１が大きく後退しないことは当然であり、また大きな衝動も発生させることなく前進方向に起動させることができる。

［４］また、本装置１０において、図３に示すように、進行方向が逆方向から順方向に切り替わった時点Ｘで、起動トルク出力部１２が、トルクＴを増大させることが好ましい。後退から前進へと逆転する時点Ｘまでは、強いトルク付与が乗り心地を悪化させ易い。本装置１０は、その不具合を避けるように、逆転した時点Ｘ以降に強く加速するように制御するので、上り勾配環境等において大きく後退することなく、また大きな衝動を発生させることなく前進方向に起動させる効果が高められる。

［５］また、本装置１０において、電気車１１が在線する軌道の勾配を検出する勾配計（不図示）をさらに備えると良い。その勾配計が電気車１１の進行方向に対して上り勾配であることを検出して勾配検出信号を出力したとき、上記［１］でいうトルクＴを目標値βまで低下させると良い。上り勾配を検出したならば、坂道発進する電気車１１のふるまいは予知されているので、本装置１０が衝撃回避の制御を行えば、期待どおりの作用効果が得られる。

［６］また、本装置１０において、上記［１］でいうトルクＴの目標値βは、電気車１１の車体重量に応じた値であることが好ましい。坂道発進する電気車１１の進行方向を後退から前進へと反転させるために必要なトルクＴは、軌道の勾配に基づき、重力から電気車１１を後退させる方向の分力に応じた値に設定すれば良い。すなわち、上記［１］の目標値βは、上記［２］でいう順方向に力行させる目標値γの大きさに連動しており、電気車１１の車体重量に比例する関係である。

［７］また、本装置１０において、上記［１］でいうトルクＴの目標値βは、車輪と線路の間の摩擦、及び駆動ギアの歯合抵抗に応じた値であることが好ましい。これらも上記［２］の目標値γの大きさに関連するので、上記［６］と類似した作用効果が考えられる。そのため、制御論理部１が演算式により、車輪と線路の間の摩擦、及び駆動ギアの歯合抵抗に応じて算出した数値に設定する。

本発明の実施形態に係る電気車制御方法（本方法）は、次のように総括できる。
［８］本方法は、上り勾配環境等において大きく後退することなく、また大きな衝動を発生させることなく前進方向に起動可能にする方法である。すなわち、本方法は、制御対象の重量や走行する際の抵抗に応じて駆動力（トルクＴ）の目標値βを設定することで、進行させようとする方向と逆方向に進行している場合にも、電気車１１の衝動を抑制した起動を行う。

上り勾配等で後退している状態（Ｓ３でＹｅｓ）の電気車１１に力行指令を発令し、起動トルク出力部１２が車輪にトルクＴを出力させる（Ｓ４）。制御論理部１は、電気車１１の後退が止みつつある中で、その後退速度Ｖが所定値α以下、すなわち|Ｖ|≦|α|になったことを判定する（Ｓ５）。そのように判定した（Ｓ５でＹｅｓ）時点で、反転衝撃緩和部１３がトルクＴを目標値βまで低下させる（Ｓ６）。そうすると、後退状態から坂道発進する起動時の電気車１１に生じる衝動が抑制できる。なお、上述の目標値βは、トルクＴについて、制御論理部１が、車両重量および走行抵抗から所定演算式により算出して（Ｓ６）設けた値である。

１：制御論理部、２：インバータ装置、３：電流／電圧測定部、４：電動機、５：速度計、６：トルク検出部、７：ゲート信号、８：本発明の適用、９：本発明の非適用、１０：電気車制御装置、１１：電気車、１２：起動トルク出力部、１３：反転衝撃緩和部、Ｇ：ジャーク（jerk）、ＩＮＶ：パワーユニット、Ｖ：速度、Ｚ：速度変化率

Claims (10)

1. 電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置であって、
   前記電気車の進行方向を後退から前進へと反転させる必要に応じて、後退中の前記電気車の前記電動機に、後退する速度の絶対値が所定値よりも小さくなるまでは順方向に力行させるときと同等の、ノッチにより設定される目標値までトルクを上昇させるように、前進方向の前記トルクを出力する起動トルク出力部と、
   前記後退中に進行速度の絶対値が前記所定値よりも小さくなったときに前記トルクを、前記電気車の車体重量および走行抵抗に基づく目標値まで低下させる反転衝撃緩和部と、
   を備える電気車制御装置。
2. 前記反転衝撃緩和部は、前記順方向に力行させるときと同等の目標値にまで前記トルクを上昇させる以前に、後退する速度の絶対値が前記所定値を下回ったときは、前記電気車の車体重量および走行抵抗に基づく目標値まで前記トルクを低下させる、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
3. 前記起動トルク出力部は、前記進行方向が逆方向から順方向に切り替わった時点で前記トルクを増大させる、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
4. 前記電気車が在線する軌道の勾配を検出する勾配計をさらに備え、
   該勾配計が前記電気車の進行方向に対して上り勾配であることを検出して勾配検出信号を出力したとき、
   前記トルクを前記電気車の車体重量および走行抵抗に基づく目標値まで低下させる、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
5. 前記走行抵抗は、車輪と線路の間の摩擦、及び駆動ギアの歯合抵抗である、
   請求項１に記載の電気車制御装置。
6. 電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御方法であって、
   前記電気車の進行方向を後退から前進へと反転させる必要に応じて、
   後退中の前記電気車の前記電動機に起動トルク出力部が、後退する速度の絶対値が所定値よりも小さくなるまでは順方向に力行させるときと同等の、ノッチにより設定される目標値までトルクを上昇させるように、前進方向の前記トルクを出力し、
   制御論理部が前記後退中に進行速度の絶対値が前記所定値よりも小さくなったか否かを速度判定し、
   小さくなったと判定されたときに反転衝撃緩和部が前記トルクを、前記電気車の車体重量および走行抵抗に基づき前記制御論理部が演算式により算出した目標値まで低下させる、
   電気車制御方法。
7. ノッチオフ状態から前記起動トルク出力部が前記トルクを上昇させる過程で前記順方向に力行させるときと同等の目標値に到達したか否かを前記制御論理部が到達判定し、
   未到達と判定され、かつ、前記速度判定で小さくなったと判定されたとき、
   前記反転衝撃緩和部が前記トルクを前記電気車の車体重量および走行抵抗に基づき前記制御論理部が演算式により算出した目標値まで低下させる、
   請求項６に記載の電気車制御方法。
8. 前記進行方向が逆方向から順方向に切り替わったことを前記制御論理部が判定した時点で前記起動トルク出力部が前記トルクを増大させる、
   請求項６に記載の電気車制御方法。
9. 前記電気車の進行方向に対して上り勾配であるか否かを勾配計が勾配判定し、
   上り勾配であると判定されたときに前記反転衝撃緩和部が前記トルクを前記電気車の車体重量および走行抵抗に基づき前記制御論理部が演算式により算出した目標値まで低下させる、
   請求項６に記載の電気車制御方法。
10. 前記走行抵抗は、前記制御論理部が演算式により車輪と線路の間の摩擦、及び駆動ギアの歯合抵抗である、
    請求項６に記載の電気車制御方法。
    

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