JPH01243803A - 電気車の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 ゛（産業上の利用分野） 本発明は電動機で駆動される電気車の駆動制御装置に関
する。

（従来の技術） レール上を伝道する車輪に電動機で回転力（トルク）を
与えて動輪とし、この動輪とレールとの間の粘着力によ
り回転力を推進力として用いて車両を推進する電気車に
おいては、回転力が粘着力を上回ると動輪がレール上を
空回りして推進力の伝達が著しく低下する。この現象が
駆動時に発生した場合は「空転」、・制動時に発生した
場合は「滑走」とよぶ、以下本文では空転に関して説明
を行うが、滑走についても全く同様のことが成り立つの
で説明を省略する。

空転は上記のとおり回転力が粘着力を上回ると発生する
のであるが、粘着力が回転力を下回る場合も同様である
。

空転が発生するとまず第一に駆動力の円滑な伝達が行わ
れなくなるが、この他動軸冷面の剥離、軸受けの焼損、
レールの疲労・摩滅などの副次的問題も生じる。そこで
なるべく空転しないように駆動制御する必要がある。そ
のための最も簡単な対策の一つは、各動輪があまり大き
なトルクを発生せねよう動輪に連結された電動機を駆動
制御する方法である。しかしこの方法では車両を牽引す
るのに十分なトルクを得るのに多数の電動機ないしは動
輪を必要とし、コストの上昇をまねく。したがって空転
を起こさね範囲でなるべく大きなトルクを発生して駆動
制御することが望ましい。

この技術的１題を解決するために、まず動輪とレール間
の粘着特性について考察する。

粘着現象の物理的解明は現在でも不十分である。

したがって粘着現象を規定する粘着係数μについても理
論式などはよいものが得られていない。

（なお「粘着係数」は−数的物理用語である摩擦係数と
同義語である。）実験によれば、例えば第４図に示した
ようになることが知られている。図中、横軸はクリープ
率Ｃである。これは車輪周速ω阿と車両速度ωＢの差か
ら下式で定義されるもので、車輪とレール間の相対的す
べり率をあられす。

この図は、まず粘着係数μがクリープ率Ｃの関数として
最大値μ、ａつを取ることを示している。

これは同図で粘着係数μが最大値を取る点の左側では走
行が安定であるが、右側ではクリープが増大するにつれ
粘着係数μが減少するので車輪が暴走して走行が不安定
にすることを意味する。厳密にはこの状態が空転あるい
は滑走と定義されるものである。これに対し最大値の点
の左側でも実は車輪がわずかに滑っているのであるが、
このすべりをクリープと呼び空転とは区別する。

次に、第４図の粘着特性は一定不変のものではなく、第
５図に概略を示したように車輪やレールの表面の状態に
よって大幅に変化する。雨が降り始めレールが濡れかけ
た頃などは粘着係数μが極端に小さくなる場合として知
られている。

つまり粘着係数μは最大値μｍａＸをとるが、他方特性
全体が動作状態によって変わるのである。

理想的な電気車の駆動状態は、粘着係数μが最大値μ、
、ａ８を取る動作点、ないしはその近傍で駆動する状態
であることは言をまたない。しかし特性全体が動作状態
によって変わり、それにともない粘着係数μの最大値μ
＋ｍａＸも変化するので、　この理想的な駆動状態を実
現するには何等かの制御技術が必要となるのである。（
以下、この制御技術をμｎａＫ制御と称することとする
。）ここで従来の制御例を示し、その問題点を指摘する
。第６図は電気車における電動機駆動装置の一般的構成
を示す制御ブロック図である。図示のように電流制御ル
ープを構成し、電流指令を与えて電動機のトルクを制御
して電気車の駆動力を制御する。図中、１は電流指令の
パターン発生器、２は電流指令と検出した実際の電動機
電流との偏差を算出する比較器、３は該偏差を用い適当
な制御論理に基づいて該偏差が０になるよう変換器４へ
の制御信号を出力する電流制御器、変換器４は電流制御
器３からの該制御信号に基づき電動機５を駆動制御する
。検出器６は電動機電流を検出し比較器２ヘフイードバ
ツクする。７は速度検出器、８は空転／滑走検出器であ
る。

この電動機制御系で電気車を駆動制御する場合、空転・
滑走を起こさなければ何等問題はない。ここでは空転を
起こした後の再粘着制御をする場合を例として説明する
。なお、空転状態から再び粘着状態になることを再粘着
、再粘着するように制御することを再粘着制御という。

この例では第４図に示した再粘着制御用電流パターンを
電流指令として与える。第７図においてＡ点で空転が発
生したことを７の空転／滑走検出器で然るべき論理によ
り検知したと仮定する。この空転検知に応動して空転を
起こす前の電流指令よりも予め定めておいた割合（第７
図では例として５０％としている）まで電流指令を急速
に減少させ再粘着をはかる。

空転を検知している間は図中ＢＣで示したようにこの値
を保持する。うまく再粘着し空転を検知しなくなっても
予め決めておいた時間だけ余分にこの値を保持して再粘
着を確実にしても良い。この後、図中ＣＤで示したよう
に比較的にゆっくりと電流指令を増加させ、空転を起こ
す前の電流指令よりも予め定めておいた割合（第７図で
は例として９０％としている）だけ小さい電流指令に戻
す。

この後、図中ＤＥで示したように予め定めておいた時間
だけこの指令値を保持し、その間に空転が再発生しなけ
れば空転を起こす前の電流指令に復帰させるのである。

（発明が解決しようとする課題） この制御法でμ、、８ヶ制御を実現しようとする場合問
題となるのは１例として示した第４図の電流パターンで
ある。ここでは電流の回復目標値を粘着状態（ひいては
レール面の性質や軌道の状態）とは関係なく一定割合の
９０％としている。したがって必ずしもμｍａＸないし
はその近傍で駆動するのにみあった（つまりはレール面
の性質や軌道の′状態に適した）電流指令とはなってい
ない、この値が過大であれば９０％に達する前に再度空
転を起こすし、過小であれば駆動系の駆動能力を十分に
引き出していないことになる。つまりこの従来例の制御
法ではμ、、ａ８制御が実現できる保証はどこにもない
のである。

本発明は従来技術における上述の如き問題点を除去し、
　μｍａＸないしはその近傍の動作点で駆動する電気車
の制御装置を提供することを目的とする。

［発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、以下構成にて電気
車の駆動制御を行う電気車の駆動制御装置である。

電気車の駆動制御において、車輪の空転・滑走を検出す
る手段と、・電動機の発生トルクを算定する手段と、電
動機の加速度を算定する手段と、上記各手段により算定
ないしは検出された加速度。

電動機の発生トルクおよび車両重量、電動機の慣性モー
メントから車輪とレール間の粘着係数を算定する手段と
。

常時該粘着係数を算定しておき、同時に前記発生トルク
算定手段によって算定された電動機の発生トルクに対応
する電動機電流を算定しておき。

前記空転・滑走検知手段により空転または滑走が検知さ
れたとき、空転または滑走の発生前及び発生直後に算定
した粘着係数と前記の電動機の発生トルクに対応する電
動機電流とから粘着係数が最大酸は最大近傍にあるとき
に対応した電動機電流を算定し、該電動機電流を電動機
の電流指令として与えることを特徴とする。

（作　　用） 電気車が空転を起こさず正常に走行している場合は、所
要のトルク（電車の推進力）が得られているということ
でμｍａつ駆動を考慮すること自体あまり意味がない。

　μｍａＸ駆動を実現する上で一番重要な点は空転−再
粘着後の再加速において、電流指令（第７図の例の電流
パターンではＤＥの部分に対応する電流指令）をどの様
に決めるかということである。この過程では粘着係数μ
の最大値をいかに推定するかが重要である。

まずこの粘着係数μの最大値μ１．．ａｘを推定する方
法を考察する。電動機の慣性定数をＪ、加速度をα、発
生トルクをＴＱ、軸重をＷとする。電動機の粘性抵抗を
無視すると、電動機の運動方程式は以下のとおりである
。

Ｊα＝Ｔｏ−μＷ　　　　　　　　　（１）これより で粘着係数μを求めることができる。

上記のとおりに粘着係数μを常時算出しておくと、空転
が発生した直後の算出値から粘着係数μの最大値μＩ＠
ａＸをほぼ推定できる。これを以下に例を用いて説明す
る。

第８図において空転発生前の粘着特性が１で示した特性
であったとし、降雨などにより該粘着特性が同図２に示
したように急変したものとする。

この時点で当然空転が発生し、空転開始後は同図中に示
したように動作点が空転開始前の通常走行動作点（ム）
から空転直後の動作点（Ｘ印）へ跳んだあと右方へ移動
していく。この過程で必ず粘着係数μ最大の点を通過す
る。従って空転開始前から直後を含む一定の期間に上記
のとおり算定した粘着係数μの値の内から最大値をとれ
ばほぼμ＋ｍａＸを推定できるのである。

このようにして推定した粘着係数μの最大値の推定値（
μｍと記す）にみあった電流値（Ｉｔ＋と記す）を電流
指令として電動機に与え駆動すれば、空転の再発を生じ
ることのない範囲で最大のトルクにより電気車を推進で
きる。

次に、上記のμ＋にみあった電流指令を算出する方法に
ついて説明する。まず、一般に電動機ではその入力電流
と発生トルクないしは電動機の加速トルクの間に比例関
係がある。すなわち、電動機の入力電流を工１．トルク
係数をに′とするとＩ、＝に’Ｔａ　　　　　　　　　
　　■と表現できる。他方、空転を発生していない通常
走行時では、電動機と車体がほとんど同じ速度で運動し
ている点に留意すべきである（ただし電動機軸と車輪軸
間のギヤ比を考慮して両者の運動を何れか一方の軸に換
算した場合）。　この場合、電動機と車体がそれぞれ要
するトルクはほぼ両者の慣性の比になることは明かであ
る。

電動機の加速トルク＝Ｔｑ 車体の加速トルク＝μＷ であるから両者の比を に＝Ｔｏ／μＷ　　　　　　　　　　ｔ、４）とできる
。つまり Ｔｏ＝に傘μＷ　　　　　　　　　　　■の関係を得る
。■を（３）に代入して Ｉｔ＝に’に申μＷ　　　　　　　　　　■となる。０
式は電動機の入力電流工、と粘着係数μの間に比例関係
がある事を示している。したがって、空転発生前の入力
電流工、と粘着係数μをそれぞれｌｌ−１μ−と表せば
、 ＩＬ−：μ−＝Ｉ、”Ｈμ＋　　　　　　　　■なる関
係が成立する。この関係から として求める工１＋が得られるのである。

ただしこれは電動機が例えば他励直流電動機のようにト
ルク電流（電動機の入力電流のうち電動機の発生するト
ルクに寄与する電流成分をトルク電流と呼ぶこととする
）と該電動機の入力電流が一致する場合の表現である。

ベクトル制御誘導電動機では（８）式で与えられる入力
電流を文字どおりトルク電流指令として与え、励磁電流
についてはベクトル制御の論理にしたがい別途与えれば
よいが、その与え方は本発明とは何等関係がないので言
及しない。すべり周波数制御誘導電動機では（８）式で
求めた電流をトルク成分とし、これに励磁電流成分を加
えたものを入力電流指令とすればよい。

ただし該励磁電流成分の求め方は本発明とは何等関係が
ないので言及しない。以下本文では簡単のため■式で与
えられる入力電流がトルク電流と一致する場合について
述べるが、上記のベクトル制御誘導電動機やすべり周波
数誘導電動機の場合は上記のようにすればよいので特に
説明は付は加えない。　　（実　施　例） 以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わるμｍ８制御を用いた
電気車の駆動制御装置のブロック図である。同図におい
て第６図と同一の構成要素には同一の記号を付し説明を
省略する。本実施例ではマイクロコンピュータ９を用い
て、電流指令の発生、電流フィードバック信号との比較
、電流制御器の機能を実行し、適当なインタフェイス回
路１０を介して変換器４へ制御信号を与える。１１は速
度検出器８、電流検出器６°からの゛信号をマイクロコ
ンピュータ内に取り入れるインタフェイス回路である。

ＣＰＵは本発明に係わるμｍａつ制御の他、通常の駆動
制御、滑走／空転検出やその他必要とされる機能を実行
する。

第３図はＣＰＵが本発明に係わる演算を行うフローチャ
ートである。本フローチャートにおいては、まずブロッ
クＡで検出値である電動機電流■、。

電動機の回転速度ＮｌＣＰＵ内に取り込む。ブロックＢ
では（３）式により発生トルクＴｏを求め、また加速度
αを算出する。なお加速度αの算出は電動機速度Ｎを時
間に関して微分することで実現できる。しかし周知のご
とく純粋な微分演算はノイズに弱いのでラプラス変換を
用いて表現した下式で与えられる疑似微分で代行しても
よい。

ただし上式で与えられる疑似微分をマイクロプロセッサ
で実行するときは上式を差分方程式になおして実行する
ことは言を待たない。ブロックＣでは■式により粘着係
数μを算定する。ブロックＤは（作用）の項で説明した
ように、空転が発生したときに空転開始前から直後を含
む一定の期間にブロックＣで算定した複数個の粘着係数
μの値の内から最大値を選ぶために、これら複数個の粘
着係数μの値をメモリに保持する機能に係わる。すなわ
ちメモリ内に保持された一番古い粘着係数μの値を最新
のものに置き換える。このとき、このμに対応づけてブ
ロックＡで取り込んだ工、もメモリに保持しておく。ブ
ロックＥは空転・滑走処理中であるかどうかを判定する
。すなわち空転・滑走の検出後、所定のサンプリング回
数分の粘着係数μの値を算出したかどうかを判定する。

具体的には後述するカウンタの値が０になったがどうか
を判定する。空転・滑走処理中でなければブロックＦへ
進み空転・滑走検出の信号を調べ、空転・滑走が発生し
たかどうかを判定する。なお、この空転・滑走の検出は
本実施例ではＣＰＵで行っている。空転・滑走が発生し
ていなければ、ブロックＡへ戻る。空転・滑走の発生を
検知したらブロックＧへ進み前記の力゛ウンタに前記の
空転・滑走の検出後の所定のサンプリング回数を置数す
る。ブロックＥで空転・滑走処理中であると判定した場
合はブロックＨへ進み、前記のカウンタの数値を１減ら
す。ブロックエでは該カウンタの内容が０になったかど
うかを調べ、０でなければブロックＡへ戻る。該カウン
タの内容が０になっていたらブロックＪへ進み、前記の
空転開始前から直後を含む一定の期間に算出した粘着係
数μの値から最大値を検索する。このようにして得られ
た粘着係数μが前記のμ十である。　ブロックにでは０
式に基づいてＩｉ＋を算定する。ここでμｍは空転・滑
走検出前の任意のものを用いればよい。例えばメモリに
保持したデータの内で一番古いものを用いてもよいし、
空転・滑走検出直前のものを用いてもよい。ただし■（
−としてはμｍとして選択したμに対応した工、を用い
る（ブロックＤにてμと１．を対応づけてメモリに保持
したことを想起されたい。）この後、このようにして求
めた１、十を再粘着後の電動機電流指令値（第７図ＣＤ
に対応する電流値）として用いる。

第３図は本発明の他の実施例の構成を示すブロック図で
ある。同図において第１図及び第６図と同一の構成要素
には同一の記号を付し説明を省略する。本実施例では複
数台の電動機が同一の変換器で駆動されている点で第１
図の実施例とは異なる。図中、　５１．５２．５３は電
動機、　７１．７２．７３は電動機５１．５２．５３の
それぞれに取り付けられた速度検出器である。

マイクロコンピュータ９は第２図のフローチャートに示
した演算処理と同様の演算処理を行い、各電動機につい
て常時粘着係数μを算定する。本実施例では各電動機５
．５１．５２．５３の粘着係数μをそれぞれμ。、μ２
．μ２．μ３と表すこととすると、第２図のブロックＤ
でこれらμ。９μｍ、μ２゜μ３とＩＬを対応づけてメ
モリに保持する。ブロックＦでの空転・滑走の検出は各
電動機について行い５少なくとも１台の電動機につなが
る車輪が空転したら第２図のフローチャートの空転／滑
走処理を実施する。本実施例では変換器４が全電動機に
電力を供給する構・成であるので、（８）式により全電
動機の電流の総和、すなわち変換器４の出力電流指令を
与えることになる。

空転・滑走の発生は主にレール面の状態に依存するので
１台の電動機について空転・滑走が起こった場合、他の
各電動機についても粘着係数μはほぼ同様の状態にある
と考えられる。したがって（８）式により全動機の電流
の総和、すなわち変換器４の出力電流指令を与えること
は妥当である。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、線路と車輪間
の粘着係数が最大または最大近傍の状態で電気車を駆動
制御することが可能な電気車の駆動制御装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成ブロック図、第２図は
ＣＰＵが本発明に係わる演算を行うフローチャートであ
る。第３図は本発明の他の実施例の構成を示すブロック
図、第４図はレールと車輪間の粘着特性を示す一般的な
例、第５図はレールや車輪の表面の状態による粘着特性
の変化を示す一般的な例、第６図は電気車における電動
機駆動装置の一般的構成を示すブロック図、第７図は第
６図の装置における電流指令パターンの一例、第８図は
空転時の動作点の移行を示す説明図である。 １・・・電流指令パターン発生器 ２・・・比較器　　　　　　３・・・電流制御器４・・
・変換器 ５、５１．５２．５３・・・電動機６・・・電流検出器
７、７１．７２．７３・・・速度検出器８・・・空転／
滑走検出器 ９・・・マイクロコンピュータ １０、１１・・・インタフェース 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 第２（２１ 第４図 胞着佛数μ（％） ↑ 第５図 第６図 ベＶ「ン六辷オ昌令 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電気車の駆動制御において、車輪の空転・滑走を検出す
   る手段と、電動機の発生トルクを算定する手段と、電動
   機の加速度を算定する手段と、上記各手段により算定な
   いしは検出された加速度、電動機の発生トルクおよび車
   両重量、電動機の慣性モーメントから車輪とレール間の
   粘着係数を算定する手段と、 常時該粘着係数を算定しておき、同時に前記発生トルク
   算定手段によって算定された電動機の発生トルクに対応
   する電動機電流を算定しておき、前記空転・滑走検知手
   段により空転または滑走が検知されたとき、空転または
   滑走の発生前及び発生直後の粘着係数と前記の電動機の
   発生トルクに対応する電動機電流とから粘着係数が最大
   或は最大近接にあるときに対応した電動機電流を算定し
   、該電動機電流を電動機の電流指令として与えることを
   特徴とする電気車の駆動制御装置。