JPH06245308A

JPH06245308A - アクティブ制御付集電装置

Info

Publication number: JPH06245308A
Application number: JP2650093A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Makino; 俊昭牧野; Katsuyuki Terada; 勝之寺田; Michio Sehata; 美智夫瀬畑; Morishige Hattori; 守成服部; Satoshi Yasui; 敏安井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、編成した高速電車が高速走行
することにより生じる架線からの外力や変動揚力を抑制
して、架線と集電部材間に生じる接触力変動を低減する
ことで、離線率を低減し、集電性能を向上させるアクテ
ィブ制御付集電装置を提供することにある。【構成】集電装置１０に設けられる力検出器７の検出結
果及び車上コントローラ５からの走行状態情報により状
態推定した接触力推定信号を制御力オブザーバ部２３に
て算出し、前記車上コントローラ５からの走行状態情報
により接触力目標値信号を求め前記制御力オブザーバ部
２３により出力される外乱抑圧推定信号と接触力推定信
号を減算した力偏差信号を制御補償部２１で算出し、該
偏差信号に応じて前記集電装置１０の押上力を集電駆動
機構６で制御するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速電車用集電システム
に係り、特に３００ｋｍ／ｈ以上の高速で走行する編成
した電車システムに用いる低騒音化、低揚力化に好適な
アクティブ制御付集電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、新幹線等の高速電車の走行速度の
向上（２７０から３００ｋｍ／ｈ〜３５０ｋｍ／ｈ）に
伴い、環境騒音基準値（目標値）を厳守すべく車外騒音
値の大幅な低減が要望されている。特に、編成した電車
の屋根上に設置された複数個の集電装置から発生する空
力音が大きく、防音壁等による対策では目標値を満足し
ない傾向にある。そこで、集電装置の周りに遮音壁を設
置し、集電装置に当たる空気流の流速を低下させると共
に、流れの剥離を生じさせないような遮音カバ−を設置
している。

【０００３】また、該カバ−等では限界が生じるとし
て、カバ−を用いない低空力、低騒音化集電装置の提案
がなされている。その低空力、低騒音化集電装置は集電
部材（舟体、支持体等）を昇降用空気シリンダ、又は昇
降用油圧シリンダにより架線に一定力で押し上げて、接
触集電させている。このような装置として、特公平２−
５０６８１号公報、日経メカトロニクス１９９２．
５．４号第２２頁から第４０頁及び、日本機械学会
（Ｎｏ．９２０−７７）講習会教材（１９９２年）第２
７頁から第３４頁に記載されている。また、制御式集電
装置として、特開昭５７−８５５０２号、特開昭６３−
２１４０２号、特開平３−９３４０２号公報に開示され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、高
速電車が３００ｋｍ／ｈ以上の速度で高速走行すると、
集電部材から生じる空力騒音が大きくなり、環境基準値
７５ｄＢを上回ることになる。このため、騒音周波数の
低下による聴感上の低騒音化と翼形状を用いた大径寸法
の集電部材を採用する必要が生じた。しかし、このよう
な新形集電装置を用いると、架線凹凸に伴う接触力が著
しく大きくなると共に、集電部材に作用する変動揚力が
増大する傾向にあり、益々離線する頻度が増えて、高速
電車用集電システムの集電性能が悪化する問題点が生じ
てくる。例えば、走行速度（ｖ）により生じる架線の外
力ｍ₁・ｚ´´（ｍ₁は集電部材の質量，ｚ´´は架線の
上下加速度である。ここで、記号「´」はｄｙ／ｄｘの
意味を示すものであり、以下同様に表示する。）に対す
る接触力ｆの周波数応答特性は、図１２に示す集電装置
の制御システムを用いた応答計算（日本機械学会論文集
Ｃ編５４巻５０４号，「接触力制御機構を有する集電装
置」文献Ａとする）によると、図１３に示すような２つ
の共振ピ−クを有する特性になる。図１２では、目標値
指令部２２からの指令信号と接触力推定部２６からの検
出信号の偏差信号を減衰器２４、定常偏差補償部２５に
入力し、集電駆動機構６を介して集電装置１０を動作さ
せている。この時、外乱２９が集電装置１０に加わるた
め、図１３（Ｐゲイン，Ｐ位相）に示すように、図１の
架線１と常時接触して電力を集電している複数の集電装
置１０の集電部材１１は図中の点線で示したような大き
な共振ピ−ク特性により、架線１からの外力ｍ₁・ｚ´
´を受けて、大きく振動する。この大きな振動が接触集
電性能を低下させる。よつて、この振動を低減するよう
に集電駆動機構を上下動作させる押上力制御を行なう必
要がある。また、集電部材１１に作用する接触力ｆは式
（数１）で表わされ、間接的に求められる。

【０００５】

【数１】

【０００６】すなわち、図１に示したような集電装置１
０の接触力ｆは、集電部材１１と集電駆動機構１２の間
に設けられた力検出器７で検出した変動力信号ｆｘか
ら、可動する集電部材１１の慣性力ｍ₁ｙ´´₁，ｍ₃ｙ
´´₃並びに駆動支持部材１２等に加わる変動揚力ｆｑ
をそれぞれ差し引いた力である。しかし、式（数１）に
より算出した接触力ｆを直接測定してフィ−ドバック
し、接触力目標値ｆ＊との力偏差量に基づいて押上力制
御しても、図１３に示したごとく、Ｆゲイン特性，Ｆ位
相特性のように若干低減されるが、架線外力ｍ₁ｚ´´
や変動揚力ｆｑに基因した共振特性を除去することがで
きない。この場合（文献Ａの図６参照）、接触力推定部
２６のフィ−ドバックゲインを大きくしているので、大
きな押上力ｕ（例えば、ｕ＝１００ｆ＾）を必要とし、
押上力ｕに対する接触力ｆのゲイン特性が悪化する。さ
らに、集電システム全体を考慮した場合、編成した高速
電車２上に搭載される先頭部の集電装置１０と複数の後
位部の集電装置１０では、それぞれに作用する外力ｍ₁
・ｚ´´や変動揚力ｆｑも異なるため、従来の接触力目
標値一定制御では架線１と集電部材１１間に作用する接
触力ｆの変動を抑制することができず、離線率を大幅に
低減することができない。また、接触力ｆを直接フィ−
ドバック制御した従来方式の場合でも、外乱共振特性
（共振ピ−ク特性）を抑制することができないので、接
触力ｆの変動を低減することができない等の問題点が残
されている。

【０００７】本発明の目的は、編成した高速電車が高速
走行することにより生じる架線からの外力や変動揚力を
抑制して、架線と集電部材間に生じる接触力変動を低減
することで、離線率を低減し、集電性能を向上させるア
クティブ制御付集電装置を提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、同じ走行路線を走行
している複数の高速電車を運行管理する全体システムに
おける集電性能を向上させるアクティブ制御付集電装置
を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、違う走行路線を違う
走行速度で走行しても十分に集電性能がでるようにする
アクティブ制御付集電装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、集電部材と駆動手段との間に配置して、集
電部材に加わる変動力を検出する検出手段と、該接触力
の目標値信号と外乱を含む該変動力の検出信号から推定
した該接触力信号との力偏差信号を算出する状態推定手
段と、該偏差信号に応じて該押上力を調整する制御手段
と備える。

【００１１】更に、本発明では、上記変動力の検出手段
は集電部材と駆動手段の駆動機構間に作用する上下方向
の力をロ−ドセルにより検出するとした。

【００１２】更に、本発明では、上記変動力の検出手段
は集電部材に作用する加速度を検出する一つ以上の加速
度計と、該集電部材に作用する揚力を検出する揚力検出
器と、前記駆動機構に作用する上下力を検出するロ−ド
セルから構成され、それぞれの検出信号の線形結合和に
より算出されるとした。

【００１３】更に、本発明では、上記接触力信号の推定
算出手段は変動力と押上力とを入力し、該接触力を出力
する最小次元オブザ−バ手法により特性根を該外乱の固
有振動数で、高い減衰特性を有するようにして求めた接
触力オブザ−バ回路から構成されるとした。

【００１４】更に、本発明では、上記押上力の制御手段
は該接触力オブザ−バ部から算出した該接触力信号と予
め設定した接触力の目標値信号の力偏差信号をフィ−ド
バック制御すると共に、前記外乱の推定信号を該力偏差
信号に加えるフィ−ドフォワ−ド制御する併合制御する
とした。

【００１５】更に、本発明では、集電装置の走行位置と
走行速度と集電部材に加わる変動力とをそれぞれ検出す
る手段と、該走行位置と該走行速度の検出信号の組合せ
により算出される該押上力目標値信号を可変設定すると
共に、該目標値信号と該変動力検出信号から推定した接
触力信号との力偏差信号を算出する状態推定手段と、該
偏差信号に応じて該押上力を調整する制御手段と備え
る。

【００１６】更に、本発明では、上記走行位置の検出手
段は複数台の高速車両を運行制御する列車運行管制装置
から車上制御装置に送受信する位置情報と、該車上制御
装置自身で検出した位置信号とを比較して、一致した場
合に走行位置信号として入力するとした。

【００１７】更に、本発明では、上記走行速度の検出手
段は複数台の高速車両を運行制御する列車運行管制装置
から車上制御装置に送受信する速度情報と、該車上制御
装置で検出した速度信号とを比較して、一致した場合に
走行速度信号としてを入力するとした。

【００１８】更に、本発明では、上記走行速度の検出手
段は前記集電部材に作用する走行方向の風速を検出する
圧力センサと、該センサの検出信号を予め設定した圧力
−速度テ−ブルに変換した信号により算出するとした。

【００１９】更に、本発明では、上記押上力目標値信号
の算出手段は該走行位置信号により設定される位置変化
分の押上力目標値と、該走行速度信号により設定される
速度変化分の押上力目標値との線形結合和から算出する
とした。

【００２０】更に、本発明では、上記検出手段と、前記
状態推定手段と、前記制御手段を含む制御装置と車上制
御装置を接続し、高速電車を運行管理する列車運行管制
装置からの走行情報を入力して動作するとした。

【００２１】

【作用】高速電車が３００ｋｍ／ｈ以上の速度で高速走
行することにより、架線と複数のアクティブ制御付集電
装置間に作用する外力ｍ₁ｚ´´や変動揚力ｆｑは著し
く大きくなる。このため、架線とアクティブ制御付集電
装置間に作用する接触力ｆは大きく変動する。この接触
力ｆの変動が架線と集電部材間での常時集電を妨げる。
そこで、アクティブ制御付集電装置を用いた場合では、
集電部材と集電駆動機構間に配置した力検出器で検出し
た変動力の検出信号ｆｘと、集電駆動機構を動作させる
押上力ｕの制御信号ｅｆとを集電コントロ−ラ内の接触
力オブザ−バ部に入力して、外乱抑圧信号ｆａ＾、接触
力推定信号ｆ＾を逐次推定出力する。そして、目標値指
令部で予め設定された接触力目標値ｆ＊との力偏差量信
号ｋ₂（ｆ＊−ｆ＾）−ｆａ＾を算出し、その力偏差量
に対応した押上力ｕの制御信号ｅｆで集電駆動機構を動
作させ、架線外力ｍ₁ｚ´´や変動揚力ｆｑに基因した
外乱（共振特性）を抑制するような上下方向の押上力を
作用させて、集電部材が架線に常時接触するようにして
いる。このことは外乱が作用しても、集電部材が架線か
ら離線しないように接触力ｆの変動を小さい値に制御し
ていることを示す。さらに、アクティブ制御付集電装置
の走行位置の情報信号と、走行速度の検出信号との組合
せにより、接触力目標値ｆ＊を最適に可変設定した接触
力目標値ｆ＊ｏｐｔを算出して、上記した最適力偏差信
号ｋ₂（ｆ＊ｏｐｔ−ｆ＾）−ｆａ＾を算出した後、そ
の最適力偏差信号に対応した押上力ｕの最適制御信号ｅ
ｆｏｐｔで集電駆動機構を動作させることにより、走行
路線（架線設備，トンネル等）や走行速度（力行，惰行
等）の違いによる架線外力ｍ₁ｚ´´の共振周波数域で
の振動振幅を小さくすると共に、固有振動周期で発生す
る揚力ｆｑの変動をさらに低減している。これにより、
高速電車に搭載される複数個のアクティブ制御付集電装
置は架線と集電部材間での離線率を低減させ、全体の集
電性能を向上させることを可能にする。

【００２２】

【実施例】以下、本実施例を図面を参照して説明する。
図２は、列車運行管制装置により複数の編成した高速電
車がレ−ル軌道上を走行する時の集電制御システムを示
している。複数の高速電車２がレ−ル軌道３上を編成し
て高速走行し、走行するための電力を架線１より複数の
集電装置１０ａ，１０ｂを介して、接触集電して得てい
る。列車運行管制装置３０は編成した高速電車２のシス
テム運行を安全に行なうために、車上コントロ−ラ５と
送受信して走行情報（走行路線，走行位置，走行速度
等）を更新し、運行情報（運転速度パタ−ン，トンネ
ル，気象条件等）を車上コントロ−ラ５に与えている。
これにより、高速電車２の屋根上に搭載された複数の集
電装置１０ａ，１０ｂをアクティブ制御する集電コント
ロ−ラ２０ａ，２０ｂは、車上コントロ−ラ５を介して
その運行情報を入手する。集電コントロ−ラ２０ａ，２
０ｂはその運行情報により、架線１からの電力を効率良
く得るために後述したアクティブ制御等を実施してい
る。

【００２３】図１は、架線１，高速電車２，速度検出器
４，車上コントロ−ラ５，集電駆動機構６，力検出器
７，集電装置１０，集電部材１１，駆動支持部材１２，
集電コントロ−ラ２０，制御補償部２１，目標値指令部
２２，接触力オブザ−バ部２３の機能配置関係を示して
いる。集電装置１０は架線１に常時接触集電するのに必
要な集電部材１１と、集電部材１１を支える固いバネ機
構ａ１３と、そのバネ機構ａ１３に並列に設けられたダ
ンパ機構ａ１４と、バネ機構ａ１３とダンパ機構ａ１４
を上下方向に動作させて支持する駆動支持部材１２と、
駆動支持部材１２を支持する高速電車２上の柔らかいバ
ネ機構ｂ１５と、そのバネ機構ｂ１５に並列に設けられ
たダンパ機構ｂ１６を介して、取り付けられて構成され
ている。集電駆動機構６は集電コントロ−ラ２０からの
力偏差量制御信号ｅｆにより駆動支持部材１２に押上力
ｕを作用させて、押上げ動作を行なうものである。集電
コントロ−ラ２０は、力検出器７で検出した出力信号を
アンプ回路８により増幅した変動力信号ｆｘを入力する
と共に、集電駆動機構６への該制御信号ｅｆを同時に入
力した後、接触力推定信号ｆ＾を推定出力する接触力オ
ブザ−バ部２３と、車上コントロ−ラ５からの走行情報
により、走行位置の情報信号と、走行速度の検出信号と
の組合せにより、接触力目標値ｆ＊を最適に可変設定す
る接触力目標値ｆ＊ｏｐｔを算出する目標値指令部２２
と、目標値指令部２２で設定された接触力目標値ｆ＊ｏ
ｐｔと接触力オブザ−バ部２３で推定出力された接触力
推定信号ｆ＾や外乱抑圧推定信号ｆａ＾の差を求めて、
該制御信号ｅｆ〔＝ｋ₂（ｆ＊ｏｐｔ−ｆ＾）−ｆａ
＾〕を算出する制御補償部２１から構成されている。力
検出器７は集電部材１１と駆動支持部材１２間に取り付
けられて、作用する変動力信号ｆｘを検出するものであ
る。ここで、揚力９は集電部材１１と、駆動支持部材１
２の集電装置１０全体に加わり、高速電車２が図面上左
右方向に動く場合に発生する平均揚力と変動揚力の合計
力ｆｑから成る。また、集電装置１０は、集電部材１１
の質量ｍ₁、駆動支持部材１２の質量ｍ₃、バネ機構ａ１
３のばね定数ｋ₁、ダンパ機構ａ１４の減衰定数ｃ₁、バ
ネ機構ｂ１５のばね定数ｋ₃、ダンパ機構ｂ１６の減衰
定数ｃ₃から成り、架線１の外力ｍ₁ｚ´´と揚力ｆｑを
受け、それにより変動する接触力ｆを低減するために、
アンプ回路８を介して得られる力検出器７の変動力信号
ｆｘを検出し、集電駆動機構６からの押上力ｕを作用さ
せている。

【００２４】図３は、図１に示した集電装置、集電コン
トロ−ラ、集電駆動機構を盛り込んだアクティブ制御付
集電装置の機器構成図である。集電部材１１ａ，１１ｂ
は二つ設けられ、図面の左右方向に対して揺動しても、
常時架線１に接触するように支持されている。集電コン
トロ−ラ２０は高速電車２の屋根上のカバ−の中に設置
されている。集電駆動機構６は集電コントロ−ラ２０か
らの該制御信号ｅｆにより動作する空圧シリンダ又は、
油圧シリンダからなり、該シリンダの先端に取り付けた
リンク機構１９を上下方向に動作させている。筒体１８
は図示していないが、別のシリンダで上下動作し、集電
部材１１ａ，１１ｂ、駆動支持部材１２を囲う整風カバ
−１７から成る集電装置１０全体を案内軸受を介して、
上下動作するように構成されている。また、集電装置１
０の構造では架線１から２５，０００Ｖの高電圧で、か
つ２００Ａの高電流の電力を集電するための電気絶縁部
材、機構等から構成されているが、割愛する。図４は、
図３に示したアクティブ制御付集電装置の制御ブロック
線図を示す。

【００２５】目標値指令部２２は集電性能評価部４１
と、走行情報部４２と、環境情報部４３との出力信号等
を加え合わせる加算器２４とから構成され、接触力目標
値ｆ＊を最適に可変設定して、最適接触力目標値ｆ＊ｏ
ｐｔを算出する。走行情報部４２は車上コントロ−ラ５
を介して得られる列車運行管制装置３０からの運行指令
（例えば、走行路線、走行速度等）を入力し、最適接触
力目標値の走行位置による位置変化分ｆ＊ｐｏｓや最適
接触力目標値の走行速度によるの速度変化分ｆ＊ｖｅｌ
を算出する。環境情報部４３は同様に、環境指令（例え
ば、天候、時刻等）による接触力目標値ｆ＊ｃを調節す
る。最適接触力目標値ｆ＊ｏｐｔはｆｃ＊＋ｆ＊ｐｏｓ
＋ｆ＊ｖｅｌとなる。ここで、集電性能評価部４１は集
電装置１０で電力を集電する電流を検出し、最適接触力
目標値ｆ＊ｏｐｔを設定して、アクティブ制御した時の
ｆ＊ｏｐｔや離線率を累積記憶する。

【００２６】制御補償部２１は加算器２４、定常偏差補
償部２５（定常補償ゲインｋ₂）からなり、目標値指令
部２２で設定された最適接触力目標値ｆ＊ｏｐｔと、接
触力オブザ−バ部２３で推定出力された接触力推定信号
ｆ＾と、外乱抑圧信号ｆａ＾との差を求めて算出した該
制御信号ｅｆ〔＝ｋ₂（ｆ＊ｏｐｔ−ｆ＾）−ｆａ＾〕
を集電駆動機構６に入力する。

【００２７】接触力オブザ−バ部２３は接触力推定部２
６、外乱補償ゲイン部２７、状態量推定部２８から構成
されている。外乱補償ゲイン部２７は外乱抑圧推定信号
ｆａ＾を算出するために、外乱２９等を含んだ状態量推
定部２８の出力信号（ｙ₁，ｙ´₁，ｙ₃，ｙ´₃，ｚ，ｚ
´，ｚ´´，ｚ´´´）に次のような重み関数の外乱補
償ゲインｋ₁（ａ₁〜ａ₈）を掛けて設定する。ａ₁＝２６８５００，ａ₂＝−２６８５００，ａ₃＝−２
８６５０，ａ₄＝−１２１２，ａ₅＝０，ａ₆＝２９８５
０，ａ₇＝４５，ａ₈＝０接触力推定部２６は外乱２９を含む状態量推定部２８の
出力信号（ｙ₁，ｙ´₁,y₃，ｙ´₃，ｚ，ｚ´，ｚ´´，
ｚ´´´）から接触力推定信号ｆ＾（式（数２））を算
出する。ここで、ａは架線１の等価質量、ｂは架線１の
等価減衰係数である。

【００２８】

【数２】

【００２９】状態量推定部２８は力検出器７で検出した
変動力信号ｆｘと、押上力ｕに相当する該制御信号ｅｆ
とを入力し、最小次元オブザ−バ手法により状態推定し
て、集電部材１１、駆動支持部材１２、架線１等の上下
変位、上下速度等の８つの状態量ｙ₁，ｙ´₁，ｙ₃，ｙ
´₃，ｚ，ｚ´，ｚ´´，ｚ´´´を出力する。最小次
元オブザ−バ手法による状態量算出に関しては「オブザ
−バ」コロナ社（１９８８年）の第２１頁〜第３２頁に
記載されている。ここで、集電装置１０の制御系の８つ
の特性根は（−０．１２８，±１２．３４），（−１．
２１２，±１２１．８４），（−１．８８，０），（−
２３．６９，０），（−２７．６７，±９８．１９）で
あるので、状態量推定部２８の７つのオブザ−バ特性根
を次の様に設定した。（−６．０，±１２．３４），（−２３．６９，＋
０），（−２７．６７，±９８．１９），（−６０，±
１２１．８４）これから分かるように，外乱２９に依存する２つの特性
根（−０．１２８，±１２．３４），（−１．２１２，
±１２１．８４）の減衰特性が上がるように設定してい
る（ζ＝０．０１⇒０．４４）。

【００３０】次に、接触力オブザ−バ部を用いてアクテ
ィブ制御する方法について説明する。まず、架線１、揚
力９等の外乱２９を含む集電装置１０の状態方程式は次
の様に表わされる。

【００３１】

【数３】

【００３２】

【数４】

【００３３】ここで、Ｘは状態量（ｙ₁，ｙ´₁，ｙ₃，
ｙ´₃，ｚ，ｚ´，ｚ´´，ｚ´´´）ベクトル，Ｕは
押上力の制御入力スカラ，ｆは接触力の出力スカラ，Ｗ
は外乱の入力スカラ，Ａは８ｘ８マトリクス，Ｂは８ｘ
１ベクトル，Ｃは１ｘ８ベクトル，Ｄは８ｘ１ベクト
ル，Ｅは１ｘ８ベクトルである。

【００３４】また、定常偏差補償部２５の状態方程式は
次の様に表わされる。

【００３５】

【数５】

【００３６】ここで、Ｑは定常偏差補償部２５の出力状
態量（１ｘ１）ベクトル，Ｆはスカラ定数，Ｇはベクト
ル定数，（ｆ＊ｏｐｔ−ｆ＾）は力偏差量制御信号の入
力スカラである。

【００３７】式（数３）〜（数５）より、最適接触力目
標値ｆ＊ｏｐｔと接触力ｆの全体状態方程式と押上力ｕ
は次の様に表わされる。ｋ₁は外乱補償ゲイン，ｋ₂は定
常補償ゲインである。

【００３８】

【数６】

【００３９】

【数７】

【００４０】

【数８】

【００４１】これにより、変動力信号ｆｘと押上力ｕの
制御信号ｅｆを接触力オブザ−バ部２３に入力して得た
ｆａ＾，ｆ＾から外乱抑圧する押上力ｕの制御信号ｅｆ
（式（数８））を集電駆動機構６に入力することで接触
力ｆを低減することが可能となる。この時用いる外乱補
償ゲインｋ₁と定常補償ゲインｋ₂を適切に選択して、ア
クティブ制御した場合のシミュレ−ション計算結果につ
いて説明する。

【００４２】図５は、外乱が付加された時の接触力の周
波数応答特性を示す計算結果である。図中、点線（Ｐゲ
イン，Ｐ位相）が制御しないパッシィブの場合であり、
実線（Ａゲイン，Ａ位相）が上述した外乱抑圧を行なっ
たアクティブ制御の場合である。アクティブ制御の場合
では、図中の実線に示したような周波数特性（Ａゲイ
ン）となり、点線で示した共振特性（Ｐゲイン）を駆動
支持部材１２に加わる揚力９の平均大きさ１３５Ｎを１
／３に低減して４６Ｎにでき、これに初期押付力５４Ｎ
を加えて平均接触力を１００Ｎとなるように除去するこ
とができ、位相特性（Ａ位相）も良好になっている。

【００４３】図６は、架線外力ｍ₁ｚ´´に対する接触
力ｆの周波数応答特性を示す計算結果である。この結果
より、走行速度ｖに依存した架線外力ｍ₁ｚ´´（２つ
の共振特性を有する外乱）が集電装置１０に加わって
も、架線１と集電部材１１間に作用する接触力ｆは小さ
な変動応答をするだけである。

【００４４】図７は、接触力オブザ−バ部で算出した力
検出器による変動力信号ｆｘに対する推定状態量（ｙ₁
＾，ｙ´₁＾，ｙ₃＾，ｙ´₃＾，ｚ＾，ｚ´＾，ｚ´´
＾，ｚ´´´＾）の各々の周波数応答特性を示す。図
中、（ａ）〜（ｈ）はｙ₁，ｙ´₁，ｙ₃，ｙ´₃，ｚ，ｚ
´，ｚ´´，ｚ´´´等の推定状態量のゲイン特性であ
り、逆共振点を有する特性になっている。特に、集電部
材１１、駆動支持部材１２、架線１の上下変位ｙ₁＾、
ｙ₃＾、ｚ＾はその様になつている。よつて、接触力オ
ブザ−バ部２３では、これらの諸特性に外乱補償ゲイン
ｋ₁及び定常補償ゲインｋ₂を掛けて、ｆａ＾及びｆ＾を
それぞれ出力している。

【００４５】続いて、図１及び図４に示した集電装置を
集電コントロ−ラでアクティブ制御する動作フロ−チャ
−トを図８，図９及び、その制御指令特性を図１０，図
１１を用いて説明する。

【００４６】まず、図８の外乱抑圧制御の手順では、電
源が投入されるとステップ（ａ）の初期設定がなされ
る。以下、図示したステップ（ｂ）〜（ｈ）の動作が実
施される。

【００４７】ステップ（ｂ），（ｃ）…車上コントロ−
ラ５からアクティブ制御する最適接触力目標値ｆ＊ｏｐ
ｔ信号を入力し、制御設定がＯＫかどうか確認する。

【００４８】ステップ（ｄ）…力検出器７で集電装置１
０に作用する上下方向の変動力信号ｆｘを高精度に検出
する。

【００４９】ステップ（ｅ）…集電駆動機構６の押上力
ｕに相当する力偏差量制御信号ｅｆを入力する。

【００５０】ステップ（ｆ）…接触力オブザ−バ部２３
で演算し、ｆａ＾とｆ＾を算出する。外乱抑圧信号ｆａ
＾は、状態量推定部２８に入力した変動力信号ｆｘと力
偏差量制御信号ｅｆを最小次元オブザ−バ手法により状
態推定した推定状態量（ｙ₁＾，ｙ´₁＾，ｙ₃＾，ｙ´
´₃＾，ｚ＾，ｚ´＾，ｚ´´＾，ｚ´´´＾）をもと
に、外乱補償ゲイン部２７での外乱補償ゲインｋ₁（ａ₁
＝２６８５００，ａ₂＝−２６８５００，ａ₃＝−２８６
５０，ａ₄＝−１２１２，ａ₅＝０，ａ₆＝２９８５０，
ａ₇＝４５，ａ₈＝０）を掛け、線形結合した値である。
接触力推定信号ｆ＾は状態量推定部２８からの推定状態
量を接触力推定部２６に入力し、式（数２）により算出
する値である。

【００５１】ステップ（ｇ）…ステップ（ｂ）で求めた
最適接触力目標値ｆ＊ｏｐｔと、ステップ（ｆ）で求め
た接触力推定信号ｆ＾から力偏差量制御信号（ｆ＊ｏｐ
ｔ−ｆ＾）を求めた後、定常偏差補償部２５を介して求
められるｋ₂（ｆ＊ｏｐｔ−ｆ＾）から外乱抑圧信号ｆ
ａ＾を引いて、押上力ｕ（式（数８））の力偏差量制御
信号ｅｆを算出する。

【００５２】ステップ（ｈ）…ステップ（ｇ）で算出し
た力偏差量制御信号ｅｆを空圧又は、油圧のアクチュエ
−タから構成される集電駆動機構６へ出力させること
で、集電装置１０に上下方向の押上力ｕを作用させて、
アクティブ制御を実施する。

【００５３】次に、ステップ（ｂ）で設定する最適接触
力目標値ｆ＊ｏｐｔの算出方法について、図９に沿っ
て、以下の手順ステップ（ｏ）〜（ｔ）により説明す
る。

【００５４】ステップ（ｏ）…列車運行管制装置３０か
らの走行情報（走行路線，走行位置，走行速度等）や運
行情報（運転速度パタ−ン，トンネル，気象条件等）を
車上コントロ−ラ５を介して入力する。その時、車上コ
ントロ−ラ５では自分自身で検出した位置信号及び速度
信号とを比較して、一致した場合に走行位置信号及び走
行速度信号として出力している。

【００５５】ステップ（ｐ）…検出した走行位置によ
り、最適接触力目標値ｆ＊ｏｐｔの位置変化分ｆ＊ｐｏ
ｓを算出する。例えば、図１０に示すようにトンネル突
入区間、トンネル通過区間、明かり区間Ａ，明かり区間
Ｂ等により、集電装置１０に作用する外乱２９が異なる
ため、ｆ＊ｐｏｓを可変設定している。

【００５６】ステップ（ｑ）…ステップ（ｐ）と同様
に、検出した走行速度ｖにより、最適接触力目標値ｆ＊
ｏｐｔの速度変化分ｆ＊ｖｅｌを算出する。例えば、図
１１に示すように走行速度ｖが変化するにつれて、ｆ＊
ｖｅｌを可変設定するようにしている。ｖ₁の時にｆ
ｖ₁、ｖ₂の時にｆｖ₂としている。

【００５７】ステップ（ｒ）…ステップ（ｐ），（ｑ）
で設定したｆ＊ｐｏｓとｆ＊ｖｅｌを用いて、最適接触
力目標値ｆ＊ｏｐｔ（＝ｆ＊ｃ＋ｆ＊ｐｏｓ＋ｆ＊ｖｅ
ｌ）を算出し、設定する。ここで、ｆ＊ｃは環境情報部
４３で、環境指令により設定される接触力目標値であ
る。

【００５８】このように、図１の実施例において、複数
の集電装置に作用する外乱に基づいた外乱抑圧制御を施
すことにより、集電装置に作用する共振特性を抑制し、
接触力変動を低減すると共に、走行位置及び走行速度の
変化に応じて、接触力目標値を最適設定することで、接
触力を低減することができる。

【００５９】

【発明の効果】編成した高速電車が高速走行することに
より、架線と集電部材間に生じる大きな接触力変動を低
減し、離線率を低減することにより、全体の集電性能を
向上させることができる。他の効果は、同じ走行路線を
走行している複数の高速電車を運行管理する全体システ
ムにおける集電性能をも向上させることができる。他の
効果は、違う走行路線を違う走行速度で走行しても十分
に集電性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す集電装置のアクティブ
制御構成図である。

【図２】本発明の一実施例を示す全体の集電制御システ
ム図である。

【図３】本発明の一実施例を示すアクティブ制御付集電
装置の機器構成図である。

【図４】本発明の一実施例を示す集電制御ブロック線図
である。

【図５】本発明の一実施例を用いて計算した接触力の周
波数応答特性図である。

【図６】本発明の一実施例を用いて計算した架線外力に
対する接触力の周波数応答特性図である。

【図７】本発明の一実施例を用いて計算した推定状態量
の周波数応答特性図である。

【図８】図１に示す実施例の動作手順を示すフロ−チャ
−トである。

【図９】図１に示す実施例の動作手順を示すフロ−チャ
−トである。

【図１０】図９に示す実施例の走行位置による接触力目
標値特性設定図である。

【図１１】図９に示す実施例の走行速度による接触力目
標値特性設定図である。

【図１２】従来実施例を示す集電制御ブロック線図であ
る。

【図１３】従来実施例を用いて計算した接触力の周波数
応答特性図である。

【符号の説明】

１……架線、２……電車、５……車上コントロ−ラ、６
……集電駆動機構、７……力検出器、１０……集電装
置、２０……集電コントロ−ラ、２１……制御補償部、
２２……目標値指令部、２３……接触力オブザ−バ部、
２５……定常偏差補償部、２６……接触力推定部、２７
……外乱抑圧ゲイン部、２８……状態量推定部、３０…
…列車運行管制装置、４１……集電性能評価部、４２…
…走行情報部、４３……環境情報部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者服部守成山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者安井敏山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集電部材と駆動手段との間に配置して、前
記集電部材に作用する外乱を含む変動力を検出する検出
手段と、該検出手段から状態推定した該接触力推定信号
を算出する状態推定手段と、該接触力目標値信号から該
推定手段により出力される外乱抑圧推定信号と該接触力
推定信号を減算した力偏差信号を算出し、該偏差信号に
応じて前記押上力を調整する制御手段とを備えることを
特徴とするアクティブ制御付集電装置。
【請求項２】請求項１に記載のアクティブ制御付集電装
置において、前記変動力の検出手段は前記集電部材と駆
動手段の駆動機構間に作用する上下方向の力を少なくと
も一つ以上の力検出器により検出することを特徴とする
アクティブ制御付集電装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載のアクティブ制御付
集電装置において、前記変動力の検出手段は前記集電部
材に作用する加速度を検出する一つ以上の加速度計と、
該集電部材に作用する揚力を検出する揚力検出器と、前
記駆動機構に作用する上下力を検出する力検出器とから
構成され、それぞれの検出信号の線形結合和により算出
されることを特徴とするアクティブ制御付集電装置。
【請求項４】請求項１に記載のアクティブ制御付集電装
置において、前記接触力推定信号の状態推定手段は前記
変動力と前記押上力とを検出手段を介して入力し、該接
触力を推定出力する最小次元オブザ−バ手法により特性
根を外乱の固有振動数で、高い減衰特性を有するように
して、接触力オブザ−バ部から外乱抑圧信号を算出する
ことを特徴とするアクティブ制御付集電装置。
【請求項５】請求項１又は４に記載のアクティブ制御付
集電装置において、前記押上力の制御手段は前記接触力
オブザ−バ部から算出した該接触力推定信号と、予め設
定した接触力目標値信号の力偏差信号をフィ−ドバック
制御すると共に、該外乱抑圧推定信号を該力偏差信号に
加えてフイ−ドフォワ−ド制御する併合制御することを
特徴とするアクティブ制御付集電装置。
【請求項６】集電装置の走行位置と走行速度と集電部材
に加わる変動力とをそれぞれ検出する手段と、該走行位
置と該走行速度の検出信号の組合せにより算出される該
接触力目標値信号を可変設定すると共に、該目標値信号
と該変動力検出信号から推定した接触力信号との力偏差
信号を算出する状態推定手段と、該偏差信号に応じて該
押上力を調整する制御手段と備えることを特徴とするア
クティブ制御付集電装置。
【請求項７】請求項６に記載のアクティブ制御付集電装
置において、前記走行位置の検出手段は複数台の高速車
両を運行制御する列車運行管制装置から車上制御装置に
送受信される位置情報と、該車上制御装置自身で検出し
た位置信号とを比較して、一致した場合に走行位置信号
として入力することを特徴とするアクティブ制御付集電
装置。
【請求項８】請求項６に記載のアクティブ制御付集電装
置において、前記走行速度の検出手段は複数台の高速車
両を運行制御する列車運行管制装置から車上制御装置に
送受信される速度情報と、該車上制御装置で検出した速
度信号とを比較して、一致した場合に走行速度信号とし
てを入力することを特徴とするアクティブ制御付集電装
置。
【請求項９】請求項６に記載のアクティブ制御付集電装
置において、前記走行速度の検出手段は前記集電部材に
作用する走行方向の風速を検出する圧力センサと、該セ
ンサの検出信号を予め設定した圧力−速度テ−ブルに変
換した信号により算出することを特徴とするアクティブ
制御付集電装置。
【請求項１０】請求項６又は７又は８に記載のアクティ
ブ制御付集電装置において、前記接触力目標値信号の算
出手段は該走行位置信号により設定される位置変化分の
接触力目標値と、該走行速度信号により設定される速度
変化分の接触力目標値との線形結合和から算出すること
を特徴とするアクティブ制御付集電装置。
【請求項１１】請求項１又は６に記載のアクティブ制御
付集電装置において、前記検出手段と、前記状態推定手
段と、前記制御手段を含む制御装置と車上制御装置を接
続し、高速電車を運行管理する列車運行管制装置からの
走行情報を入力することを特徴とするアクティブ制御付
集電装置。