JPH0759121B2

JPH0759121B2 - 電気車制御装置

Info

Publication number: JPH0759121B2
Application number: JP24805690A
Authority: JP
Inventors: 一郎宮下; 敏夫佐々木; 洋一大森
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 1990-09-18
Filing date: 1990-09-18
Publication date: 1995-06-21
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: JPH04127804A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、可変電圧可変周波数インバータ（以下VVVFイ
ンバータという）駆動の電気車、いわゆるVVVFインバー
タ車，チョッパ車のように引張力および制動力を連続的
に制御可能な電気車における粘着性能が改善された電気
車制御装置に関するものである。

〔従来の技術〕

電気車の粘着性能を改善するための方式として、第７図
の示すものが知られている。

第７図は従来の空転検知による再粘着制御システム例を
示すものである。

１は電気車で、ここに電気車１は車両１台分について示
す。101はインバータまたはチョッパのように電動機ト
ルクを連続的に制御できるものであり、本例では特にイ
ンバータについて示す。2A,2B,2C,2Dは誘導電動機であ
り、3A〜3Dは誘導電動機2A〜2Dにそれぞれ対応する英字
が示す動輪である。4A〜4Dは同様に対応する英字が示す
電動機速度検出器であり、本例ではパルスジェネレータ
（PG）を示し速度に比例する周波数パルスを発生するも
のである。

108はPG選択手段であり、PG選択手段108は４台並列に同
一のインバータ101により駆動される電動機の周波数制
御を行う代表的なPGを決めるもので、通常は最も空転し
難たい動輪を駆動する電動機のPGに固定される。通常、
駆動力行の場合は図中矢印の進行方向とすると、Ｄ軸の
PG4Dが選ばれ、制動の場合はＡ軸のPG4Aがそれぞれ選ば
れる。

PG選択手段108の出力は電動機の代表の周波数Ｆ_Ｍであ
り、後述するすべり周波数指令Ｆ_Ｓ ^＊と加算点109にて
加算されてインバータ周波数Ｆ_Ｉとなる。また、インバ
ータ101は電動機群に（電圧／周波数）比が一定の交流
を供給するように、インバータ周波数Ｆ_Ｉに比例した変
圧率αを与える。110は変圧率発生手段であり、変圧率
発生手段110はインバータ周波数Ｆ_Ｉの適切な比例係数
Ｋα倍の信号を一次遅れの形で発生する。この一次遅れ
は安定化のために用いられる手法である。

111はインバータ101のPWM信号発生手段であり、インバ
ータ周波数Ｆ_Ｉに適したスイッチング周波数をもつキャ
リアと変圧率αの振幅をもつ三相正弦波信号との交点を
求めることにより、インバータ101のスイッチングタイ
ミングを決定するものである。このPWM信号発生手段は
公知技術につき説明を省略する。

さて電気車１は加速を目的とする運転士からのノッチ操
作により、電動機トルクに比例する電流パターンＩ_ｐを
電流パターン発生手段104から与えられる。

粘着状態が良好なときは電流パターンＩ_ｐがトルクに比
例する有効成分電流Ｉ_Ｉと加算点106で加算され、その
偏差が電流制御手段107に与えられ、この電流制御手段1
07出力がすべり周波数指令Ｆ_Ｓ ^＊となる。

112は空転検知手段であり、空転検知手段112は４個のPG
4A〜4Dの出力信号のうちから最も周波数の上昇率（dFM/
dt）が高いものが所定値を越えたところで、コンパレー
タ手段113を駆動する。このコンパレータ113は一定時間
Ｔの時間遅れ信号発生手段であり、コンパレータ状態が
変化し、かつそれが（Ｔは0.1秒程度）保持されたなら
ばロックして空転発生と見倣す。つぎにコンパレータ手
段113が逆方向すなわちＦ_Ｍの上昇率が前述の所定値を
下廻り、それが一定時間Ｔ保持されるとコンパレータ出
力は空転終了と見做す。

114はこの空転信号により電流パターンＩ_ｐを修正する
電流パターン修正信号発生手段であり、電流パターン修
正信号発生手段114は空転中は急峻なる勾配で絞り込
み、空転終了とともに緩慢な勾配で絞りを開放する電流
修正パターンＩ_ｐ′を発生する。

かくして得られた空転に対する電流修正パターンＩ_ｐ′
が電流パターンＩ_ｐと加算点105で加算され、トルク電
流指令Ｉ_Ｉ ^＊として空転中は電動機トルクを自動的に絞
りながら、再粘着を試みながら走行する。

102は電流センサ、103は有効成分電流Ｉ_Ｉを生成する変
換手段である。

〔発明が解決しようとする課題〕

かくの如き従来の粘着制御方式によるものは空転，滑走
が実際に発生し、それが所定値を超過しかつ所定時間経
過しないと作用しないものであり、電動機トルクの修正
量も予め設定された固定値を用いるものであって、空転
の度合いに応じたものではない。また、トルクの修正法
も減少，増加を反復するものであって、連続的にトルク
を調整し得るインバータあるいはチョッパの特性を充分
に活用したものとはいえない。

第８図は動輪とレールとの間に成立するクリープ速度と
粘着力との関係を示す。ここに、クリープ速度は動輪周
速度と対地車速度の差速度をいう。粘着力は周知のよう
に軸重に比例するが、動輪周速度と車速との微少な速度
差にも比例する。

このクリープ速度は次式で示される。

Ｖ_Ｓ＝Ｖ_Ｏ−Ｖ_Ｍ ……（１）ここで、Ｖ_Ｓはクリープ速度（km/h）、Ｖ_Ｏは車速度
（km/h）、Ｖ_Ｍは動輪周速（km/h）である。

粘着力Ｆは電動機から動輪に伝えられる駆動力Ｆ_Ｍのう
ち、車体を加速するのに寄与する分力である。

いま粘着力をＦ（Ｎ）とし、電動機回転子，減速ギアお
よび動輪等の回転慣性系を加速する分力の回転系駆動力
をＦ_Ｒ（Ｎ）とすると、次式で示される。

Ｆ_Ｍ＝Ｆ＋Ｆ_Ｒ ……（２）粘着力Ｆは上限値Ｆ_Ｏを有し、（Ｆ≪Ｆ_Ｏ）のときはク
リープ速度Ｖ_Ｓに比例するが、上限値Ｆ_Ｏを超えるクリ
ープ速度の値Ｖ_SOより大に対しては減少傾向を示す。通
常、上限値Ｆ_Ｏより低い粘着力で走行できる運行ダイヤ
が計画されるが、降雨とか油脂付着などにより、期待さ
れた粘着力より上限値Ｆ_Ｏが低下することが生じる。

このとき、一度空転を生じると上限値Ｆ_Ｏを与える点Ｐ
を通り過ぎ、粘着力が減少する領域いわゆる空転領域に
入り、式（２）に示すように回転系駆動力Ｆ_Ｒが増加
し、動輪速度のみが急上昇するに至る。そして、空転検
知を用いた従来の再粘着制御方式は、この空転領域に入
ってからｂの矢印方向に動作点を戻す作用を生じさせ、
再粘着後は点Ｐより左側に戻ることになる方法であり、
一般に戻り過ぎて再びａの矢印方向に移行し、以降点Ｐ
を中心に左右に往復する動作を繰り返すものとなる。

式（２）の駆動力Ｆ_Ｍ，回転系駆動力Ｆ_Ｒはつぎのよう
に示される。

ただし、GRは電動機から動輪への減速比、ｒは動輪半
径、Ｊは回転慣性系の慣性モーメント（移動への換算
値）、Ｋ_Ｍはモータトルク定数、Ｉ_Ｉはトルク電流（ま
たは有効電流）である。

また電動機回転角速度ω_Ｍは（ω_Ｍ＝２πＦ_Ｍ）であ
り、これらの関係を用いると、式（２）は次式で示され
る。

すなわち、Ｆ＝K₁I_Ｉ−K₂ _Ｍ ……（５）＝K₁ _Ｉ−K₂ _Ｍ ……（５′）ただし動輪周速換算電動機速度Ｖ_Ｍは駆動系のねじり共振によ
るあるいはバックラッシュによる位相ずれを除けば、動
輪周速度そのものと考えられる。

さらには、空転時にこのようにトルク修正をオンオフ的
に反復することは台車の捩り共振系を励振することがあ
り、振動，乗り心地の悪化等が問題とされていた。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の基本技術思想の理解を容易にするため
示したものである。すなわち、本発明はその原理上ファ
ジィ制御が有する長所を最適に活用してなる。これを第
１図詳細説明前に説明する。

ファジィ制御によると、熟練者の経験による知識あるい
は複雑で解析的に解けない制御系でも、種々な状態に対
してどのように操作すべきかという知識があれば、これ
を制御則として言語表現し、if then形式の推論を用い
て操作量を求めることができる。

制御則は一例としてクリープ速度微分_Ｓと、粘着力微
分との状態に応じて電動機トルク指令または電動機の
トルクに相当する電流指令を修正する第１のルール群
と、緩慢な速度で徐々に大きな空転へと成長する場合に
対する歯止めとして、クリープ速度の大きさによりトル
ク指令を修正する第２のルール群との複合形式で記述す
ることができる。

まず、第１のルール群について説明する。

ここでは、「クリープ速度微分_Ｓが正で大きく、粘着
力微分が負で大きいければ、トルク指令を大きく減ら
せ」で示す如くに、クリープ速度微分_Ｓ，粘着力微分
およびトルク指令微分_ｐ″のある範囲をそれぞれ第
２図，第３図および第４図のメンバーシップ関数を使
い、正負，大小の関係を言語表現であらわす。

この表現はつぎのようなファジィラベルを用いる。

PB 正で大きい PS 正で小さい ZO 零に近い NS 負で（絶対値が）小さい NB 負で（絶対値が）大きいこれにより前述の例は、 if_Ｓ＝PB and＝NB,then_ｐ″＝PB と表わせる。ここで、（_ｐ″＝PB）と正の値になるの
は第１図に示されるブロック線図で、トルク指令の絞り
込みを減算表現で行うためである。

つぎにメンバーシップ関数は、第２図〜第４図のように
三角形を使って表現できる。

すなわち、クリープ速度微分_Ｓが〔_Ｓ＝＋７（km/h
/s）〕なる測定値が検出されたとすると、第２図に示さ
れるように、_Ｓ＝PS）である適合度が0.6で、（_Ｓ
＝PB）である適合度が0.4,他のラベルへの適合度は０で
ある。

同様に他方の入力の粘着力微分についても測定値が検
出されると、二つのファジィラベルに対する適合度が確
定する。

各入力値のどの程度の値をPBとし、NSとするか等につい
ては設計者または熟練運転士の裁量に委ねることができ
る。

さらに、つぎの表によりファジィ制御則を定義できる。
ただし、簡単化するため車両は一方向のみ（Ｖ_Ｓ≧０）
の力行運転で考える。

そして第１図においては、ファジィ推論ブロック15はか
ような制御則とファジィ推論部を含むものである。ここ
では、入力_Ｓおよびから出力_ｐ″を得る方法は通
常max−min合成法と呼ばれる公知の方法である故、これ
がファジィ推論ブロック15に含まれていることを指摘す
るにとどめる。

さて、第１図において第７図と同符号のものは同一機能
を有する部分を示す。

PG4A〜4Dの出力はそれぞれ入力回路手段6A,6B,……6Dを
介して速度信号Ｖ_Ａ,V_Ｂ，……Ｖ_Ｄに変換され、クリー
プ速度選択手段８に与えられる。

クリープ速度選択手段８は速度信号Ｖ_Ａ〜Ｖ_Ｄのうち最
も高いものを電動機速度の代表値Ｖ_Ｍとして選択出力す
る。

一方、81は車両速度検知器であり、車両速度検知器81に
より絶対車速度が検知され、入力回路手段５を介して速
度信号Ｖ_Ｏが得られる。

加算点９には電動機速度の代表値Ｖ_Ｍと速度信号Ｖとの
差としてクリープ速度Ｖ_Ｓが演算される。クリープ速度
Ｖ_Ｓはそのままローパスフイルタ７および正規化手段14
Yを介して、ファジィ推論ブロック15に加えられる。な
お、正規化手段14Yは第２図〜第４図に示したように同
じ形式を用いており、横軸のみの目盛が異なっている。
これを横軸の変数で正規化することにより共通のメンバ
ーシップ関数を使用できる。

さらに、クリープ速度Ｖ_Ｓは微分手段10を介して_Ｓに
変換され、正規化手段14Yと同様の正規化手段14Xを経て
ファジィ推論ブロック15に加えられる。ここで、微分手
段10は車両の動きを表現するに足る低周波域の微分を行
うものでよく、高周波ノイズに対して減衰のよい二次遅
れフイルタと一体化されている。

電動機速度の代表値Ｖ_Ｍは二次微分手段11に与えられ、
粘着力微分を表わす式（５′）の第２項となるべく加算
点13に加えられる。一方、電流センサ102を介して検出
された電動機入力電流Ｉ_Ｍは変換手段103により有効電
流であるトルク電流に変換され、微分手段12を介して加
算点13に加えられる。

これらの微分手段の定数K₁,K₂は式（６）に示したもの
である。また、微分手段12は二次微分手段11と同様、低
周波分に対して微分動作をすればよく、高周波に対して
はしゃ断特性のよい二次遅れフイルタと一体化されてい
る。

加算点13を通過した微分の差信号は式（５′）に示した
粘着力微分であり、これは正規化手段14Zを介してフ
ァジィ推論ブロック15に加えられる。

フイルタ定数ω₁,ω₂,ω₃,ξ₁,ξ₂,ξ_３等は微分手段に
より増幅される高周波ノイズを充分に減衰させるととも
に、電動機速度、車両速度に対して位相遅れがなるべく
小さくなるように選べはよく、特に二次遅れフイルタに
特定されるものではない。

ファジィ推論ブロック15の出力たる時々刻々のトルク電
流指令修正値_ｐ″は一次遅れ手段16により積算され、
第７図説明のトルク電流指令への修正値Ｉ_ｐ′として運
転士から与えられる電流パターンＩ_ｐに加算点105′で
加えられ、以下第７図と同様にインバータの周波数，電
圧制御を行うことは勿論である。一次遅れ手段16は積分
器でもよいが、ノイズによる変動分が完全積分により蓄
積されるのを防止するため用いられており、時定数は長
いものがよい。

つぎにまた、クリープ速度Ｖ_Ｓ自身が正規化手段14Yを
経てファジィ推論ブロック15に利用される第２のルール
群の目的と方法につき、さらに説明する。

第５図はレール面が降雨の初期あるいは結露等により、
すべり易くなっている時のクリープ速度対粘着力の関係
を示す。

すなわち、この場合は第８図に示した如き点Ｐが明確で
なく、殆ど平坦または若干単調増加の傾向を示すことが
あり、微分信号に基づく制御に依存しているとクリープ
速度の増大が緩慢に生じるため、これを抑制でない。

そしてこの場合クリープ速度がかなり増大しても粘着力
はさほど増減しないものの、リールと動輪の大きな摩擦
によるキシリ音，台車振動等が発生し、保守上も乗り心
地をも損なうことになる。

この点、以下のファジィ制御則を用い、クリープ速度自
体の評価をも取り入れることにより、クリープ速度に適
合する粘着力の連続的制御が可能となり、よってクリー
プ速度の増大を抑制するとともに、安定なクリープ速度
の制御を実現することができる。このときレール乾燥時
に比べてかなり大きなクリープ速度になるが、保守上も
乗り心地も車両加速度の保持上も有効である。その制御
則は前述のものに加えてつぎの規則を実行することにあ
る。

if VS＝PS then_ｐ″＝PS if VS＝PB then_ｐ″＝PB また、これらに対するメンバーシップ関数を第６図に示
す。

かようにして、この規則の追加によりファジィ推論ブロ
ック15は形式的に３入力となるが、クリープ速度Ｖ_Ｓに
関する規則は入力がＶ_Ｓのみなので、それ自身の適合度
が出力の_ｐ″への適合度と等しくなる。したがって、
この適合度から得られる結果を、前述の微分信号におけ
るmax−min合成演算に加えるのみでよく、３入力ファジ
ィ演算を全ての組合せについて行う必要はなく、演算器
への負担は殆ど増加しない。

また、第１のルール群および第２のルール群をmax−min
合成演算に加えずに、各ルール群のmax−min合成演算結
果を高位優先により合成しこれを修正信号出力_ｐ″と
してもよい。この場合は、第２のルール群の規則はクリ
ープ速度の実質的なリミッタとなる。

〔作用〕

第１図に示される各手段、特にファジィ推論ブロック15
について先に示した粘着特性曲線の第８図やファジィ制
御規則の表と関連させて説明する。

通常の粘着状態では第８図において動作点は点Ｐより左
側にあり、Ｖ_SO以下のクリープ速度で駆動力を発生す
る。このときのクリープ速度はラベルZOまたはPS以内と
なるように設定される。

さて、降雨等により粘着力が低下してＦ_Ｏが駆動力の指
令値（運転士から指令されるトルク電流指令に相当す
る）を下廻ったとする。このときは点Ｐ近傍にて運転す
ることが理想となる。

いま粘着力が低下すると空転が発生し、Ｖ_Ｓが増加して
矢印ａの方向に動作点が移ろうとする。

このとき（_Ｓ＞0,＜０）となるため、制御則の表に
おいては右下の部分が対応し、（_ｐ″＝PSまたは
_ｐ″＝PB）である故、発生トルクを減少させて矢印ｂ
の方向へ戻すよう作用する。

すなわち、 if_Ｓ＝PS and＝NS,then_ｐ″＝PS if_Ｓ＝PS and＝NB,then_ｐ″＝PB if_Ｓ＝PB and＝NS,then_ｐ″＝PB if_Ｓ＝PB and＝NB,then_ｐ″＝PB 等の制御則が_Ｓ，の値に応じて使われる。

さらに、矢印ｂのモードに移行すると、（_Ｓ＜O,＞
Ｏ）となる故、制御則表では左上の領域で（_ｐ″＝N
S）、すなわちトルクを少し増すよう作用する。これは
実際にトルクが増して動輪周駆動力が再び増加に転じる
迄の遅れが見込まれた経験的な規則である。これによ
り、動作点が点Ｐを通り越して矢印ｃの領域に入り込ま
ず、点Ｐ近傍でバランスするような作用を促進できる。

さて、実際上点Ｐを通り越して矢印ｃで示した領域に入
ると、（_Ｓ＜O,＜Ｏ）となるため、制御規則表の左
下部分の制御則（_ｐ″＝NS）または（_ｐ″＝NB）と
いうトルク指令を増す規則が使用される。これにより矢
印ａが示す方向へと動作点が移行する。再び点Ｐを目標
にトルク指令が増加されるものとなる。

粘着力最大値は時々刻々変動するため、制御系は前述の
モードを反復し、点Ｐを常に追跡するように作動する。
粘着力が一定の値に安定すれば、制御則表のほぼ中央近
傍に平衡し、動作点を点Ｐ近傍に安定することができ
る。

また、レール湿潤時は第８図に示したように、Ｐ点はク
リープ速度Ｖ_Ｓが大きな方向に移動するため、クリープ
速度が大きいところに動作点が移行し、半すべり状態で
運転することになる。この場合はクリープ速度自体の評
価による第２ルール群により、クリープ速度はある値域
内に制限され、大空転に至らない。

〔実施例〕

具体的には第１図に示した制御ブロックの部分を全ディ
ジタル化したものとすることができる。

すなわち、16ビットDSPTMS32010（ディジタル・シグナ
ル・プロセッサ）採用により実現し得る。

入力手段回路6A〜6Dは（A/D）変換であり、次段への信
号は全てディジタル演算で処理される。正規化手段14X
〜14Zは各入力を29ステップで量子化することを兼ねた
ものである。したがって、ファジィ推論ブロック15に含
まれるメンバーシップ関数は０から１に至る勾配をステ
ップで近似した階段波形である。このステップ数は必要
なトルク制御の分解能と、16ビットDSPTMS32010の記憶
容量，演算速度等を考慮して適切な値を選ぶ。実施例で
はステップ数７である。また、加算点105′以降のイン
バータ制御部を別のマイクロプロセッサを用いたディジ
タル制御系であるが、より高速，高ビット数のマイクロ
プロセッサを用いれば、16ビットDSPTMS32010で構成し
たファジィ制御部を包含し得ることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、ファジィ制御手法と粘着に関する情
報を組み合わせることにより、数学的な情報処理手法と
設計者または運転士による知識等の長所を格別に兼備し
た制御系を実現できる。

かくの如くに本発明によれば、従来の空転検知に基づく
再粘着法によるオンオフ的に反復する問題点を除去し、
トルクを連続的に変化させインバータ等を効用し得るも
のである。よって、オンオフ動作により生じる平均加速
度の低下を解消するものであり、台車系の振動を励起す
る可能性を低減し、ひいては乗心地の向上をももたらす
実用効果は極めて顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本技術思想の理解を容易にするため
示した粘着制御システム例のブロック図、第２図，第３
図および第４図はそれぞれクリープ速度微分，粘着力微
分およびトルク電流修正分の微分のメンバーシップ関数
を示す図、第５図はレール面が湿潤状態にあるときのク
リープ速度と粘着力の関係を示す図、第６図はクリープ
速度自体のメンバーシップ関数を示す図である。第７図
は従来の空転検知による再粘着制御システム例を示すブ
ロック図、第８図はクリープ速度と粘着力の関係を示す
図である。１……電気車、101……インバータ2A〜2D……誘導電動
機、3A〜3D……動輪、4A〜4D……電動機速度検出器（P
G）、5,6A〜6D……入力回路手段、８……クリープ速度
選択手段、10,12……微分手段、11……二次微分手段、1
4X,14Y,14Z……正規化手段、15……ファジィ推論ブロッ
ク、16……一次遅れ手段、104……電流パターン発生手
段、108……PG選択手段、111……PWM信号発生手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可変電圧可変周波数インバータによる誘導
電動機のトルク制御により駆動および制動力を発生する
電気車において、動輪周速度と対地車速度の差速度を検
出演算する手段と、動輪周粘着力を演算する手段と、前
記差速度および粘着力の時間微分を演算する手段と、前
記差速度と差速度時間微分および粘着力時間微分等を前
件部変数としかつ前記誘導電動機のトルク指令値の修正
分を後件部変数とするとともに、差速度自体が小さいと
きは差速度微分と粘着力微分を用いて粘着力が増大可能
な方向に電動機トルク指令を修正する第１のルール群、
差速度自体が大きいときには電動機トルクを絞り込む第
２のルール群を具備し、該前件部変数の各ルールに対す
る適合度を合成し、この結果より後件部変数すなわち電
動機トルク指令の最適な修正分を得るファジィ推論手段
とを設けるようにしたことを特徴とする電気車制御装
置。
【請求項２】前記誘導電動機のトルクをトルク成分に相
当する電流により、指令制御するようにした請求項第１
項記載の電気車制御装置。
【請求項３】前記誘導電動機のトルクを電気信号から演
算されたトルクにより、指令制御するようにした請求項
第１項記載の電気車制御装置。
【請求項４】前記前件部の時間微分信号に対する第１の
ルール群はその推論結果を後件部変数の時間微分の形式
で記述し、前記ファジィ推論出力を時間積分した第１の
電動機トルク指令修正信号と、通常の時間関数の形式で
記述した前記第２のルール群から推論される第２の電動
機トルク指令修正信号のうち、高位の信号を優先して電
動機トルク指令信号の最終出力とするようにした請求項
第１項記載の電気車制御装置。
【請求項５】前記第１のルール群から推論される結果を
一次遅れを介したものを第１の電動機トルク指令修正信
号とするようにした請求項第４項記載の電気車制御装
置。