WO2017090504A1 - ブレーキ制御装置、ブレーキ制御方法、列車、及びプログラム - Google Patents

ブレーキ制御装置、ブレーキ制御方法、列車、及びプログラム Download PDF

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法貴 ▲柳▼井
広昂 岡崎
一幸 若杉
裕 宮嶋
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Definitions

  • the present invention relates to a train brake control device, a brake control method, a train, and a program.
  • the regenerative brake is a kind of electric brake that obtains a reverse driving force (braking force) by causing a motor to function as a generator and also allows the obtained electric power to be accommodated in other trains.
  • a regenerative brake command is given to the inverter from the automatic train driving device provided in the train.
  • the inverter generates torque commanded to the motor by vector control or the like.
  • the power generated during regenerative braking is supplied to other trains via an overhead line. At this time, if there is no load such as a train to be a destination, or if there is a load, a relative load is present.
  • Patent Document 1 describes an example of electropneumatic blending control.
  • the brake torque command value and the calculated value of the regenerative brake force are used as the value of the regenerative brake force. The brake control method which employs the smaller one of them is described.
  • the present invention provides a brake control device, a brake control method, a train, and a program that can solve the above-described problems.
  • the brake control device performs braking based on the target deceleration of the moving body from one or a plurality of stepwise braking forces output by the mechanical brake included in the moving body.
  • a mechanical brake output determining unit that determines the number of steps of force
  • a mechanical brake force estimating unit that estimates a braking force by the mechanical brake corresponding to the number of steps determined by the mechanical brake output determining unit
  • a regenerative brake that the moving body includes
  • a regenerative brake control unit that outputs a regenerative brake command value so as to output a brake force corresponding to a difference between a target brake force based on the target deceleration and a brake force estimated by the mechanical brake force estimation unit.
  • the mechanical brake force estimating unit estimates a brake force by the mechanical brake based on a model formula using characteristic information of the mechanical brake.
  • the mechanical brake force estimating unit estimates the brake force by the mechanical brake based on the acceleration of the moving body and the traction force of the motor related to the regenerative brake.
  • the brake control device further includes a regeneration expiration prediction unit that predicts whether or not a regeneration expiration will occur, and the regeneration brake control unit includes the regeneration expiration prediction unit.
  • a regeneration expiration prediction unit that predicts whether or not a regeneration expiration will occur
  • the regeneration brake control unit includes the regeneration expiration prediction unit.
  • the regeneration expiration prediction unit compares the output destination voltage of the regenerative power generated by the regenerative brake with a predetermined threshold value, and compares the output destination voltage with the predetermined threshold value. When the value falls within a predetermined range, it is predicted that regenerative revocation will occur.
  • the regeneration expiration prediction unit further generates a regeneration expiration using a ratio of the regenerative power to the peak value of the regenerative power based on the regenerative brake command output by the regenerative brake control unit. Predict whether or not to do.
  • the mechanical brake output determining unit determines the number of steps according to a standard determined so that regenerative invalidation does not occur as a result of the regenerative brake control by the regenerative brake control unit. .
  • the mechanical brake output determining unit is configured such that the target brake force is equal to or greater than a predetermined ratio with respect to the total brake force that can be output by the regenerative brake and the mechanical brake. The number of stages is determined.
  • the train includes the brake control device described above.
  • the brake control method is configured to perform a brake based on a target deceleration of the moving body from one or a plurality of stepwise braking forces output by a mechanical brake included in the moving body.
  • the number of steps of force is determined, the braking force by the mechanical brake corresponding to the determined number of steps is estimated, and the regenerative brake provided in the moving body is the difference between the target braking force based on the target deceleration and the estimated braking force
  • a regenerative brake command value is output so as to output a braking force corresponding to.
  • the program stores a target of the moving body from one or a plurality of stepwise braking forces output from a mechanical brake included in the moving body.
  • Means for determining the number of steps of the braking force based on the deceleration, means for estimating the braking force by the mechanical brake corresponding to the determined number of steps, and the regenerative brake included in the moving body is a target braking force based on the target deceleration
  • a means for outputting a regenerative brake command value so as to output a braking force corresponding to the difference between the estimated braking forces is
  • the brake control device the brake control method, the train, and the program described above, it is possible to reduce the response delay of the air brake while using a control device that is lower in cost than in the past.
  • the following accuracy can be improved.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing an example of a brake control device according to the first embodiment of the present invention.
  • the automatic train driving device 10 is a device that is mounted on a train and automates the operation of the train.
  • the automatic train driving device 10 includes a speed control calculation unit 100 and a brake control unit 101.
  • the speed control calculation unit 100 calculates a target speed of the train at that time. For example, when the train approaches a stop station or a train traveling in front, the speed control calculation unit 100 calculates a target deceleration and outputs the target deceleration to the brake control unit 101.
  • the brake control unit 101 performs brake control based on the target deceleration to decelerate the train.
  • description will be made using a case where the operations of the regenerative brake and the air brake are controlled as an example of the brake control.
  • the speed control calculation unit 100 may perform the instruction in units called “notches” instead of the target deceleration.
  • the brake control unit 101 controls the operation of the regenerative brake and the air brake to decelerate or stop the train according to the target deceleration. Specifically, the brake control unit 101 gives a regenerative brake command (referred to as a regenerative brake command value) to the inverter 11 by a brake notch command value or a torque command value.
  • the inverter 11 generates a desired torque in a motor serving as a train power source by vector control or the like to obtain a braking force (regenerative braking force) by regenerative braking.
  • the brake control unit 101 controls the multistage relay valve 12 to obtain a braking force (air braking force) by the air brake.
  • the brake control unit 101 adjusts the number of stages of the multistage relay valve 12 to supply desired compressed air and drive the brake cylinder.
  • the brake cylinder presses the brake pad against the wheel. This creates an air brake force.
  • the brake control unit 101 of the present embodiment predicts a shortage of the braking force when the regenerative brake is operated in advance so that regenerative invalidation does not occur, and operates the air brake in advance to reduce the regenerative braking force. Make up for the shortfall.
  • the automatic train driving device 10 has various other functions, but the description of the configuration not related to the present embodiment is omitted.
  • the brake control unit 101 includes an air brake output determination unit 102, an air brake force estimation unit 103, and a regenerative brake control unit 104.
  • the air brake output determination unit 102 determines the number of steps of the braking force based on the target deceleration of the train from one or a plurality of stepwise braking forces output by the air brake included in the train. More specifically, the air brake output determination unit 102 changes the amount of air supplied to the brake cylinder in stages by switching the number of stages of the multistage relay valve 12, and obtains a braking force corresponding to the number of stages.
  • the number of steps according to the desired braking force is determined from one or more stepwise braking forces based on the target deceleration (or “notch”) of the train.
  • the air brake force estimating unit 103 estimates a brake force (estimated air brake force) obtained when the air brake is operated with the number of steps determined by the air brake output determining unit 102.
  • the regenerative brake control unit 104 operates the regenerative brake to obtain a regenerative brake force.
  • the regenerative brake control unit 104 calculates a target brake force based on the target deceleration, and corresponds to the difference between the calculated target brake force and the estimated air brake force estimated by the air brake force estimation unit 103.
  • the regenerative brake command value that can obtain the braking force to be output is output to the inverter 11.
  • the regenerative brake control unit 104 includes a target brake force calculation unit 105 and a difference calculation unit 106.
  • the target brake force calculation unit 105 calculates a target brake force based on the target deceleration, that is, a total brake force necessary to achieve the target deceleration.
  • the difference calculation unit 106 calculates the difference between the target brake force calculated by the target brake force calculation unit 105 and the estimated air brake force estimated by the air brake force estimation unit 103.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the brake control device according to the first embodiment of the present invention.
  • the upper diagram of FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship among the target brake force, the regenerative brake force, and the estimated air brake force in the present embodiment.
  • the vertical axis represents the braking force
  • the horizontal axis represents time.
  • the graph 20 is a graph showing the transition of the target braking force necessary to achieve the target deceleration of the train calculated by the speed control calculation unit 100.
  • the target brake force calculation unit 105 obtains the target brake force from the target deceleration calculated by the speed control calculation unit 100 and the train weight.
  • the graph 21 is a graph showing the transition of the estimated air brake force estimated by the air brake force estimating unit 103. A shaded portion surrounded by the graph 20 and the graph 21 corresponds to the regenerative braking force calculated by the difference calculation unit 106.
  • the lower diagram of FIG. 2 is a diagram showing the transition of the number of stages of the air brake in the present embodiment. Since the air brake force can be switched in stages by switching the number of stages of the multistage relay valve 12, the number of stages of the multistage relay valve 12 determined by the air brake output determining unit 102 is referred to as the number of stages of the air brake. 2 represents the number of stages of the air brake, and the horizontal axis represents time.
  • the graph 22 is a graph showing the time transition of the number of stages of the air brake corresponding to the transition of the estimated air brake force indicated by the graph 21.
  • the air brake output determination unit 102 determines the number of stages of the air brake based on the target deceleration of the train calculated by the speed control calculation unit 100.
  • the air brake output determination unit 102 instructs the multistage relay valve 12 on the number of stages of the air brake, and supplies the air pressure corresponding to the number of stages instructed by the multistage relay valve 12 to the brake cylinder.
  • three command lines to the multistage relay valve 12 are provided.
  • the air brake output determining unit 102 instructs the multistage relay valve 12 to select any one of the seven stages, an air brake force corresponding to the number of stages is obtained. For example, when a larger amount of air is supplied, the brake cylinder presses the brake pad against the wheel with a stronger force, so that the braking force increases.
  • the number of stages for example, it may be only on (applying the air brake) and off (not applying the air brake), and in this case, the stage of the air brake force is one stage.
  • the number of steps of the air brake force is not necessarily plural.
  • the air brake output determining unit 102 may determine the number of stages of the air brake so that the target brake force necessary to achieve the target deceleration is obtained, or based on the target brake force based on the combined use with the regenerative brake. Alternatively, the number of stages of the air brake may be determined so that a small air brake force can be obtained. When the target brake force is large, if the target brake force is achieved only by the operation of the regenerative brake, there is a possibility that the regeneration will be invalidated. Therefore, the air brake output determining unit 102 determines the number of steps according to a predetermined standard that is set so that regeneration invalidity does not occur.
  • the air brake output determination unit 102 may determine the number of steps so that 30% of the target brake force is borne by the air brake. Alternatively, only when the target brake force exceeds 50% of the total brake force (the maximum value of the brake force obtained by the regenerative brake and the air brake), the air brake output determining unit 102 uses 30% of the target brake force by the air brake. The number of stages may be determined so as to obtain. In any of these cases, it is assumed in advance experiments, simulations, and the like that if the air brake bears 30% of the target braking force, the occurrence of regeneration invalidation can be prevented.
  • the air brake output determining unit 102 determines the number of steps as shown by the graph 22 in the lower diagram of FIG. 2 and outputs the determination result to the air brake force estimating unit 103.
  • the air brake output determining unit 102 instructs the determined number of stages to the multistage relay valve 12.
  • the air brake force estimating unit 103 uses the air brake force when the multistage relay valve 12 is controlled with the number of stages determined by the air brake output determining unit 102 as air brake characteristic information (dead time, time constant, coefficient of friction, etc.). Estimated by a model formula of air brake force using The air brake force estimating unit 103 calculates the estimated air brake force by the following equation, for example.
  • F ⁇ b (t) is an air brake force in a steady state, and is defined as a quadratic function of speed as shown in Equation (1), for example.
  • v (t) is a train speed at time t
  • coefficients a 2i , a 1i , and a 0i are coefficients when the number of stages determined by the air brake output determining unit 102 is i stages.
  • F b (t) is an expected value of the actually generated air brake force, and is determined by a predetermined dead time T d and a predetermined first-order lag time constant T c .
  • F'b (t) is an expression obtained by differentiating with F b (t) time t.
  • the air brake force estimating unit 103 solves the equations (1) and (2) to obtain F b (t) that is the estimated air brake force.
  • the graph 21 in the upper diagram of FIG. 2 is an example of F b (t).
  • the air brake force estimation unit 103 outputs the calculated estimated air brake force to the regenerative brake control unit 104.
  • the difference calculation unit 106 calculates the difference between the target brake force calculated by the target brake force calculation unit 105 and the estimated air brake force estimated by the air brake force estimation unit 103.
  • the shaded portion surrounded by the graph 20 and the graph 21 is the difference between the target brake force and the estimated air brake force.
  • the regenerative brake control unit 104 generates a regenerative brake command value so as to obtain a braking force corresponding to the difference calculated by the difference calculation unit 106, and outputs the command value to the inverter 11.
  • FIG. 2 is compared with the graph 22 in the lower diagram of FIG. 2, it can be seen that there is a time delay (TL) in the graph 21.
  • FIG. This indicates that there is a delay from when the air brake output determining unit 102 determines the number of stages and outputting the number of stages to the multistage relay valve 12 until the air brake actually operates.
  • the air brake control is performed prior to the regenerative brake control as will be described later, the response delay after the deceleration command is issued from the speed control calculation unit 100 can be reduced.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of a conventional brake control device.
  • the brake control device 201 calculates a target brake force based on the target deceleration of the train.
  • the brake control device 201 outputs the calculated target brake force to the inverter control device 202.
  • the inverter control device 202 generates a regenerative brake command value based on the target brake force calculated by the brake control device 201 and controls the inverter.
  • the inverter control device 202 calculates the regenerative braking force obtained from the generated regenerative brake command value.
  • the inverter control device 202 returns the calculated regenerative braking force to the brake control device 201.
  • the brake control device 201 calculates the difference between the target brake force calculated previously and the regenerative braking force obtained from the inverter control device 202, and the calculation result is positive (when the braking force is insufficient with only the regenerative braking).
  • the air brake is used to compensate for the lack of regenerative braking force.
  • the calculation load of the brake control device 201 is high in order to finely adjust the amount of air supplied to the brake cylinder. Was also costly.
  • the number of air brake stages that does not cause regenerative invalidation is determined based on the target deceleration of the train calculated by the speed control calculation unit 100 before controlling the regenerative brake. Thereafter, the regenerative brake is operated in consideration of the air brake force according to the determined number of stages of the air brake. According to the present embodiment, since the air brake is operated before the regeneration expires, the ratio of the braking force that relies on the regenerative brake is reduced, and an excessive increase in the overhead line voltage during the regenerative brake operation can be suppressed. Thereby, generation
  • the magnitude of the air brake force is often controlled steplessly to compensate for the lack of regenerative brake force.
  • the air brake force is determined by one step number based on a predetermined criterion so that regenerative invalidity does not occur from one or a plurality of predetermined steps. Does not require a control device with capability.
  • the air brake force obtained is stepwise, since the control of the inverter 11 can be performed steplessly as before, the stepless brake force is obtained with the total brake force obtained by adding the regenerative brake force and the air brake force. be able to. Thereby, a train can be decelerated smoothly as usual.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of the control of the brake control device according to the first embodiment of the present invention. It is assumed that the speed control calculation unit 100 included in the automatic train driving device 10 calculates a target speed and target acceleration of a train based on a train traveling pattern and the like. As for the traveling of a train that does not require brake control, it is assumed that a functional unit (not shown in FIG. 1) provided in the automatic train driving device 10 performs traveling control according to the target speed. Hereinafter, the processing will be described on the assumption that the speed control calculation unit 100 has calculated a negative acceleration (target deceleration) because the train has approached the stop station.
  • a functional unit not shown in FIG. 1
  • the speed control calculation unit 100 outputs the calculated target deceleration to the brake control unit 101.
  • the air brake output determination unit 102 and the regenerative brake control unit 104 acquire the target deceleration (step S10).
  • the air brake output determining unit 102 determines the number of steps of the air brake according to the target deceleration (step S20). For example, a correspondence relationship between the target deceleration and the number of steps of the air brake is defined in a storage unit (not shown) included in the brake control unit 101, and the air brake output determination unit 102 determines the number of steps based on this correspondence relationship. To decide.
  • the air brake output determining unit 102 outputs the determined number of steps to the air brake force estimating unit 103.
  • the air brake output determination unit 102 controls the multistage relay valve 12 according to the determined number of stages, and starts the operation of the air brake in advance.
  • the target brake force calculation unit 105 calculates a target brake force corresponding to the target deceleration.
  • the target brake force calculation unit 105 calculates the target brake force based on the correspondence relationship between the target deceleration and the target brake force stored in the storage unit.
  • the air brake force estimation part 103 estimates the air brake force according to the acquired number of steps (step S30). For example, the air brake force estimating unit 103 reads out the coefficients a 2i , a 1i , a 0i (i is the number of stages) according to the number of stages and the coefficients T d , T c from the storage unit, and the above formula (1), The estimated air brake force is obtained from (2). The air brake force estimating unit 103 outputs the obtained estimated air brake force to the regenerative brake control unit 104. In the regenerative brake control unit 104, the difference calculation unit 106 subtracts the estimated air brake force from the previously calculated target brake force to obtain a difference.
  • the regenerative brake control unit 104 calculates a regenerative brake command value based on the brake force indicated by the difference based on the difference (step S40).
  • the regenerative brake control unit 104 outputs a regenerative brake command value to the inverter 11.
  • the inverter 11 generates torque in the motor and operates the regenerative brake.
  • the air brake control unit 101 of the present embodiment since the air brake is operated without waiting for the regeneration expiration, it is possible to prevent the regeneration expiration. Even if the resolution of the air brake is low, it can be compensated by the regenerative brake, and therefore a relatively inexpensive valve (such as the multistage relay valve 12) that can switch the pressure stepwise can be used. Since it is not necessary to perform air brake control with high resolution (stepless), functions and costs required for the air brake control device can be suppressed. Since the air brake control is started without waiting for the regenerative brake control, the response delay is reduced. Response delay caused by the operation of the air brake can be compensated by the output of the regenerative brake. Even if the output of the air brake force is stepwise, since the stepless control is possible with the brake force combined with the regenerative brake, smooth deceleration can be performed as usual.
  • a relatively inexpensive valve such as the multistage relay valve 12
  • FIG. 4 is a functional block diagram showing an example of a brake control device according to the second embodiment of the present invention.
  • the automatic train driving device 10A in the second embodiment includes a speed control calculation unit 100 and a brake control unit 101A.
  • the brake control unit 101A includes an air brake output determination unit 102A, an air brake force estimation unit 103, a regenerative brake control unit 104, and a regenerative expiration prediction unit 107.
  • the regenerative brake control unit 104 includes a target brake force calculation unit 105 and a difference calculation unit 106.
  • the brake control unit 101A is different from the first embodiment in that it includes a regeneration expiration prediction unit 107.
  • the regeneration expiration prediction unit 107 acquires the value of the overhead line voltage, which is the output destination of the power generated by the regenerative brake system, from the inverter 11, and compares the overhead line voltage with a predetermined threshold value.
  • the regeneration expiration prediction unit 107 predicts that regeneration expiration occurs when the difference between the overhead wire voltage and the predetermined threshold falls within a predetermined range.
  • the predetermined threshold is, for example, a threshold used for determining whether to perform regeneration narrowing control.
  • the air brake output determination unit 102A determines the number of stages of the air brake only when the regeneration / lapse prediction unit 107 predicts that the regeneration / lapse will occur. This is different from the air brake output determination unit 102 of the first embodiment.
  • a regenerative resistance device In a regenerative braking system, a regenerative resistance device is often provided so that regenerative invalidation does not occur even if there is no other power running vehicle that supplies electric power generated during regenerative braking.
  • the regeneration invalidation occurs only when an adverse condition such as a failure of the regenerative resistance device or simultaneous regeneration of multiple trains is established.
  • the overhead line voltage rises. Therefore, in this embodiment, the overhead line voltage is monitored, and when the overhead line voltage reaches a dangerous level, control is performed to operate the air brake.
  • FIG. 5 is a first diagram illustrating the operation of the brake control device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the target brake force, the number of air brake stages, and the overhead wire voltage in a normal state.
  • the normal state refers to a state in which there is no regeneration invalidation.
  • the vertical axis represents the braking force
  • the horizontal axis represents time.
  • a graph 50 shows a time transition of the target brake force calculated by the target brake force calculation unit 105.
  • the vertical axis in the middle of FIG. 5 represents the number of air brake stages, and the horizontal axis represents time. In the middle diagram of FIG. 5, the number of stages of the air brake is always “0”. This means that the air brake is not operated.
  • the vertical axis in the lower diagram of FIG. 5 represents the overhead line voltage, and the horizontal axis represents time.
  • the threshold value 51 is a threshold value for determining the occurrence of regeneration invalidation, for example.
  • the regenerative brake control unit 104 performs “regenerative narrowing control” that reduces the regenerative braking force and suppresses the rise of the overhead wire voltage in order to prevent damage to the device due to excessive rise of the overhead wire voltage. .
  • regenerative brake control unit 104 performs regenerative narrowing control, regenerative invalidation occurs.
  • the regeneration expiration prediction unit 107 monitors the overhead wire voltage and predicts that regeneration expiration occurs when the overhead wire voltage approaches the threshold value 51.
  • the graph 52 shows the transition of the overhead line voltage.
  • the graph 52 stably shows a value lower than the threshold value 51.
  • the regeneration expiration prediction unit 107 predicts that the regeneration expiration does not occur.
  • the air brake output determination unit 102A determines the number of stages of the air brake as “0” (no air brake is applied).
  • the above middle diagram of FIG. 5 shows that the occurrence of regeneration invalidity is not predicted, so that the air brake output determination unit 102A has determined the number of stages of the air brake as “0”.
  • FIG. 6 is a second diagram illustrating the operation of the brake control device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the target brake force, the number of stages of the air brake, and the overhead line voltage at the time of abnormality. Abnormal time refers to a state where regenerative revocation may occur. 6 are the same as the upper diagram of FIG. 5, the middle diagram of FIG. 5, and the lower diagram of FIG. That is, the graph 60 shows the target brake force, the graph 61 shows the estimated air brake force, the graph 62 shows the number of stages of the air brake, and the graph 63 shows the overhead line voltage. In the upper diagram of FIG. 6, the operation of the regenerative brake starts at time T1.
  • the regeneration expiration prediction unit 107 predicts that regeneration expiration will occur based on the difference between the overhead line voltage and the threshold value 51 being within a predetermined range at time T2.
  • the regeneration expiration prediction unit 107 outputs the prediction result to the air brake output determination unit 102A.
  • the air brake output determination unit 102A obtains the prediction result that the regeneration invalidation will occur, the air brake output determination unit 102A determines the number of stages of the air brake as in the first embodiment (graph 62).
  • the air brake output determining unit 102A may acquire the value of the overhead wire voltage from the regeneration expiration prediction unit 107 together with the regeneration expiration prediction result, and determine the number of stages of the air brake according to the overhead wire voltage.
  • the air brake force estimating unit 103 estimates the estimated air brake force (graph 61), and in the regenerative brake control unit 104, the difference calculating unit 106 subtracts the estimated air brake force from the target brake force to obtain a difference (graph). 60 and the shaded portion between the graph 61).
  • the regeneration expiration prediction unit 107 As a prediction method by the regeneration expiration prediction unit 107, here, an example has been described in which the regeneration expiration is predicted to occur based on the difference between the monitored overhead line voltage and the threshold value 51 being within a predetermined range.
  • the rate of increase of the overhead wire voltage may be calculated, and it may be predicted that regenerative invalidation will occur when the rate of increase exceeds a predetermined threshold.
  • combining the threshold of the overhead wire voltage and the prediction based on the increase rate of the overhead wire voltage if the overhead wire voltage is within a predetermined range, and the increase rate of the overhead wire voltage at a predetermined time is greater than or equal to the predetermined threshold value, the regeneration is invalidated. May occur.
  • FIG. 7 is a third diagram for explaining the operation of the brake control device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the step number determination method by the air brake output determination unit 102A when the regeneration expiration prediction unit 107 predicts the occurrence of regeneration expiration.
  • the vertical axis in FIG. 7 represents the number of stages of the air brake, and the horizontal axis represents the overhead line voltage.
  • the air brake output determination unit 102A obtains the prediction result of the occurrence of regeneration invalidity and the value of the overhead wire voltage from the regeneration invalidation prediction unit 107.
  • the prediction result is a result that a regenerative invalidation occurs.
  • the operation for increasing the number of stages of the air brake will be described.
  • the air brake output determination unit 102A determines the number of stages of the air brake as “1 stage”. If the overhead wire voltage from this state rises and becomes greater than V 4 further air brake output determining unit 102A determines the number of stages of the air brake and "two-stage”.
  • the air brake output determination unit 102A increases the number of stages of the air brake stepwise in accordance with the increase of the overhead line voltage according to the right graph 70 of FIG. Next, the operation for lowering the number of steps of the air brake will be described.
  • the air brake output determination unit 102A determines the number of stages of the air brake as “1 stage”. If the overhead wire voltage from that state so further below descends V 1, air brake output determining unit 102A determines the number of air brakes "0 step”.
  • the air brake output determining unit 102A determines the number of air brakes "0 step”.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of the control of the brake control device according to the second embodiment of the present invention.
  • the same processes as those in the flowchart of FIG. It is assumed that the speed control calculation unit 100 calculates a negative acceleration (target deceleration) due to the reason that the stop station is approaching.
  • the speed control calculation unit 100 outputs the calculated target deceleration to the brake control unit 101.
  • the brake control unit 101A the air brake output determination unit 102A and the regenerative brake control unit 104 acquire the target deceleration (step S10).
  • the target brake force calculation unit 105 calculates a target brake force corresponding to the target deceleration.
  • the regeneration expiration prediction unit 107 acquires the value of the overhead wire voltage from the inverter 11 (step S12). Next, the regeneration expiration prediction unit 107 predicts whether regeneration expiration will occur based on the value of the overhead wire voltage (step S14). For example, the regeneration expiration prediction unit 107 predicts that regeneration expiration occurs when the difference between the acquired overhead wire voltage value and the threshold value for starting the regeneration narrowing control falls within a predetermined range. For example, the regeneration expiration prediction unit 107 predicts that the regeneration expiration does not occur when the difference between the acquired overhead wire voltage value and the threshold value for starting the regeneration narrowing control does not fall within a predetermined range. The regeneration expiration prediction unit 107 outputs the prediction result to the air brake output determination unit 102A.
  • the air brake output determination unit 102A determines the number of stages of the air brake (step S201).
  • the storage unit (not shown) stores the correspondence between the overhead line voltage and the number of stages of the air brake illustrated in FIG. 7, and the air brake output determination unit 102A determines the number of stages based on this correspondence and the regeneration expiration prediction unit 107. To decide. For example, the correspondence relationship between the overhead line voltage and the number of stages of the air brake illustrated in FIG. 7 is determined for each target deceleration range, and the air brake output determination unit 102A acquires the target deceleration acquired from the speed control calculation unit 100.
  • the correspondence relationship between the overhead line voltage and the number of stages of the air brake may be read from the storage unit.
  • the air brake output determining unit 102A outputs the determined number of steps to the air brake force estimating unit 103.
  • the air brake output determination unit 102A controls the multistage relay valve 12 according to the determined number of stages, and starts the operation of the air brake in advance.
  • the air brake force estimation unit 103 estimates the air brake force according to the number of steps acquired from the air brake output determination unit 102A (step S30). For example, the air brake force estimating unit 103 obtains the estimated air brake force by the above-described equations (1) and (2) as in the first embodiment. The air brake force estimating unit 103 outputs the obtained estimated air brake force to the regenerative brake control unit 104. In the regenerative brake control unit 104, the difference calculation unit 106 subtracts the estimated air brake force from the target brake force to obtain a difference. When the difference is positive, the regenerative brake control unit 104 calculates a regenerative brake command value that provides the braking force indicated by the difference based on this difference (step S40).
  • the regenerative brake control unit 104 outputs a regenerative brake command value to the inverter 11 to operate the regenerative brake.
  • the relationship between the target braking force and the number of stages of the air brake when it is predicted that regenerative invalidation will occur (at the time of abnormality) is as described with reference to FIG.
  • the air brake output determining unit 102A outputs the air brake step number “0 step” to the air brake force estimating unit 103.
  • the air brake force estimating unit 103 outputs the estimated air brake force value “0” to the regenerative brake control unit 104 based on the number of steps “0”.
  • the difference calculation unit 106 subtracts the estimated air brake force from the target brake force to obtain a difference. Since the estimated air brake force is “0”, the regenerative brake control unit 104 calculates a regenerative brake command value that provides a target brake force based on the target deceleration calculated by the target brake force calculation unit 105 (step S41).
  • the regenerative brake control unit 104 outputs a regenerative brake command value to the inverter 11 to operate the regenerative brake. In this case, the air brake does not operate and only the regenerative brake operates.
  • the relationship between the target brake force and the number of stages of the air brake when it is predicted that the regeneration invalidity will not occur (when normal) is as described with reference to FIG.
  • the possibility of regenerative invalidation is predicted from the state of the overhead wire voltage, and the air brake is output based on this result.
  • the air brake is used only when an abnormality that may cause regenerative invalidation occurs, wear of the brake pad can be suppressed. An effect is obtained. If it can be predicted that regenerative revocation will not occur, it is not necessary to control the air brake, so that the processing cost can be reduced.
  • regenerative brakes are used preferentially as much as possible while preventing regenerative invalidation.
  • FIG. 9 is a functional block diagram showing an example of a brake control device according to the third embodiment of the present invention.
  • the automatic train driving device 10B according to the third embodiment includes a speed control calculation unit 100 and a brake control unit 101B.
  • the brake control unit 101B includes an air brake output determination unit 102A, an air brake force estimation unit 103B, a regenerative brake control unit 104, and a regeneration expiration prediction unit 107B.
  • the regenerative brake control unit 104 includes a target brake force calculation unit 105 and a difference calculation unit 106.
  • the brake control unit 101B is different from the first embodiment and the second embodiment in that an air brake force estimation unit 103B and a regeneration expiration prediction unit 107B are provided.
  • the train mass the prescribed mass of the train or the train weight expected from the air spring pressure of the train is used.
  • the running resistance obtained by equation (4) is the estimated air brake force.
  • the regeneration expiration prediction unit 107B predicts the occurrence of regeneration expiration by comparing the value of the overhead line voltage acquired from the inverter 11 with a predetermined threshold. At this time, the increase in the overhead line voltage due to the operation of the regeneration brake is performed. Predict with consideration. More specifically, the regeneration expiration prediction unit 107B uses the ratio of the electric power based on the regenerative brake command value output by the regenerative brake control unit 104 to the peak value of the regenerative power to determine whether or not the regeneration expiration occurs. Predict.
  • the peak of regenerative power (W max ) due to regenerative braking when the train speed is V [m / s] and the specified deceleration is B [m / s / s] is It can be expected to be obtained by the following formula.
  • W max train mass ⁇ V ⁇ B (5) Using this W max, determined the ratio (W / W max) for W max of regenerative power command value W contained in the regenerative braking command value that is given to the inverter 11 is used to forecast the regeneration revocation.
  • Regeneration expiration prediction unit 107B takes into account the possibility of regeneration expiration based on W / W max in addition to the difference between the monitored overhead line voltage and the threshold value for starting regeneration narrowing control (threshold 1). Predict the occurrence of For example, a threshold value 2 lower than the threshold value 1 is provided, and even if the overhead line voltage reaches the threshold value 2, if the W / W max at that time is 0.9 or more, it is predicted that the regeneration will not expire. Alternatively, if the overhead line voltage reaches the threshold value 2 and the W / W max at that time is 0.3 or less, it is predicted that the regeneration will expire.
  • the regeneration expiration prediction unit 107B may use a target speed profile (operation pattern) or gradient information database provided in the automatic train driving device 10B for the value of Wmax . For example, if the slope information indicates that the next downhill is coming, the regeneration expiration prediction unit 107B may calculate W max according to a calculation formula that considers the gradient (for example, a calculation formula including gravitational acceleration applied to the train on the downhill). Is calculated. Alternatively, the regeneration expiration prediction unit 107B calculates W max using Equation (5) using the train speed determined in the target speed profile. As a result, a more accurate value of W max can be obtained.
  • a target speed profile operation pattern
  • gradient information database provided in the automatic train driving device 10B for the value of Wmax . For example, if the slope information indicates that the next downhill is coming, the regeneration expiration prediction unit 107B may calculate W max according to a calculation formula that considers the gradient (for example, a calculation formula including gravitational acceleration applied to the train on the downhill). Is calculated
  • the structural example provided with both the air brake force estimation part 103B and the regeneration expiration prediction part 107B was given as 3rd embodiment, it replaced with the air brake force estimation part 103 in the structure of 1st embodiment and 2nd embodiment, for example. It is also possible to use the air brake force estimation unit 103B. In the configuration of the second embodiment, it is possible to use the regeneration expiration prediction unit 107B instead of the regeneration expiration prediction unit 107. In the configuration of the third embodiment, it is possible to use the air brake force estimating unit 103 of the first embodiment instead of the air brake force estimating unit 103B.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of the control of the brake control device according to the second embodiment of the present invention.
  • the same processes as those in the flowchart of FIG. It is assumed that the speed control calculation unit 100 has calculated the target deceleration for reasons such as the stop station approaching.
  • the speed control calculation unit 100 outputs the calculated target deceleration to the brake control unit 101B.
  • the air brake output determination unit 102A and the regenerative brake control unit 104 acquire the target deceleration (step S10).
  • the target brake force calculation unit 105 calculates a target brake force corresponding to the target deceleration.
  • the regeneration expiration prediction unit 107B acquires the value of the overhead wire voltage and the regeneration brake command value from the inverter 11 (step S122). Next, the regeneration expiration prediction unit 107B determines whether or not regeneration expiration occurs based on the ratio of the regeneration power command value (W) included in the overhead wire voltage and the regeneration brake command value to the peak value (W max ) of the regeneration power. Prediction is made (step S142). For example, even if the current overhead line voltage is a value sufficiently lower than a predetermined threshold value, if W / W max is a small value, the overhead line voltage will increase in the future, and it can be considered that the predetermined threshold value is reached at the peak of regenerative power.
  • the regeneration expiration prediction unit 107B predicts that regeneration expiration will occur. Conversely, even if the current overhead wire voltage is close to a predetermined threshold value, if W / W max is approximately 1, it is determined that there will be no further increase in overhead wire voltage, and it is predicted that no regenerative invalidation will occur. W max can be calculated more accurately by using a target speed profile and gradient information.
  • the regeneration expiration prediction unit 107B outputs a prediction result as to whether or not regeneration expiration occurs to the air brake output determination unit 102A.
  • the air brake output determination unit 102A determines the number of stages of the air brake (step S201). For example, the air brake output determination unit 102A determines the number of stages based on the correspondence relationship between the overhead line voltage and the number of stages of the air brake exemplified in FIG. The air brake output determining unit 102A outputs the determined number of steps to the air brake force estimating unit 103B. The air brake output determination unit 102A controls the multistage relay valve 12 according to the determined number of stages, and starts the operation of the air brake in advance.
  • the air brake force estimating unit 103B estimates the air brake force according to the number of steps acquired from the air brake output determining unit 102A (step S302).
  • the air brake force estimating unit 103B obtains the estimated air brake force by using, for example, the above equation (4).
  • the air brake force estimating unit 103B outputs the calculated estimated air brake force to the regenerative brake control unit 104.
  • the difference calculation unit 106 obtains a difference between the target brake force and the estimated air brake force, and the regenerative brake control unit 104 compensates the shortage of the estimated air brake force based on this difference.
  • a command value is calculated (step S40).
  • the regenerative brake control unit 104 outputs a regenerative brake command value to the inverter 11 to operate the regenerative brake.
  • the regenerative brake control unit 104 calculates a regenerative brake command value for obtaining the target brake force calculated by the target brake force calculation unit 105 (step S41). ).
  • the regenerative brake control unit 104 outputs a regenerative brake command value to the inverter 11 to operate the regenerative brake.
  • the estimated air brake force is calculated using the acceleration of the train and the motor traction force (regenerative brake force) measured in a system including disturbance, so that it is more realistic.
  • the estimated air brake force can be estimated.
  • the regeneration expiration prediction unit 107B of the present embodiment by predicting the occurrence of regeneration expiration by predicting not only the current overhead line voltage value but also a change in the overhead wire voltage in the near future, in an originally unnecessary scene It is possible to prevent the operation of the air brake or delay the start of the operation of the air brake.
  • the brake control unit 101, the brake control unit 101A, and the brake control unit 101B described above have a computer system therein.
  • the process described above is stored in a computer-readable recording medium in the form of a program, and the above process is performed by the computer reading and executing this program.
  • the computer-readable recording medium means a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like.
  • the computer program may be distributed to the computer via a communication line, and the computer that has received the distribution may execute the program.
  • the above program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement
  • An air brake is an example of a mechanical brake.
  • a train is an example of a moving object.
  • the air brake output determination unit 102 and the air brake output determination unit 102A are examples of a mechanical brake output determination unit.
  • the air brake force estimating unit 103 and the air brake force estimating unit 103B are examples of a mechanical brake force estimating unit.
  • the brake control unit 101, the brake control unit 101A, and the brake control unit 101B are examples of a brake control device.
  • the brake control device the brake control method, the train, and the program described above, it is possible to reduce the response delay of the air brake while using a control device that is lower in cost than in the past.
  • the follow-up accuracy can be improved.

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Abstract

ブレーキ制御装置は、移動体が備える機械ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、移動体の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定する機械ブレーキ出力決定部と、機械ブレーキ出力決定部が決定した段数に対応する機械ブレーキによるブレーキ力を推定する機械ブレーキ力推定部と、移動体が備える回生ブレーキが、目標減速度に基づく目標ブレーキ力と機械ブレーキ力推定部が推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する回生ブレーキ制御部と、を備える。

Description

ブレーキ制御装置、ブレーキ制御方法、列車、及びプログラム
　本発明は、列車のブレーキ制御装置、ブレーキ制御方法、列車、及びプログラムに関する。
　本願は、２０１５年１１月２５日に、日本に出願された特願２０１５－２３０１１２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　列車のブレーキシステムでは、省エネルギ化やブレーキパッド摩耗の低減を目的として回生ブレーキを用いることが主流になっている。回生ブレーキとは、モータを発電機として機能させることで逆向きの駆動力（ブレーキ力）を得ると共に、得られた電力を他の列車に融通する電気ブレーキの一種である。回生ブレーキを使用する場合、列車が備える自動列車運転装置からインバータに対して、回生ブレーキの指令を与える。インバータはベクトル制御などによりモータに指令されたトルクを発生させる。回生ブレーキ実行時に発電された電力は、架線を経由して他の列車に供給されるが、このとき融通先となる列車などの負荷が存在しない場合、あるいは、存在していても相対的に負荷が小さい場合、架線電圧が上昇する。このとき過度な架線電圧の上昇による装置の損傷を防ぐため、回生ブレーキによるブレーキ力を減少させ、架線電圧の上昇を抑制する制御を行う。このような抑制制御の結果、モータが指令通りのトルクを発生しなくなった状態を回生失効という。
　回生失効すると、ブレーキ力が不十分となるため、不足分を機械ブレーキの一種である空気ブレーキによって補う電空ブレンディング制御と呼ばれる制御が存在する。例えば特許文献１には、電空ブレンディング制御の一例について記載がある。特許文献１には、必要な全ブレーキ力に対応するブレーキトルク指令値と回生ブレーキ力との差分を空気ブレーキによって補うにあたり、回生ブレーキ力の値としてブレーキトルク指令値と回生ブレーキ力の演算値とのうち小さい方の値を採用するブレーキ制御方法が記載されている。
特開平９－１３５５０１号公報
　しかし、特許文献１に記載のブレーキ制御方法を含む従来の電空ブレンディング制御においては、インバータによる回生ブレーキ制御を経て、空気ブレーキの制御が開始されるため、空気ブレーキの制御において応答遅れが発生する。そのため、自動運転における目標速度への追随精度が悪化する。空気ブレーキ制御においては、空気圧によってブレーキパッドを制輪子に押し当てることでブレーキ力を得るが、従来の空気ブレーキ制御では、その空気圧の調整を無段階で行うため空気圧の制御に要する演算負荷が高く、高性能なブレーキ専用の制御装置が必要とされていた。
　本発明は、上述の課題を解決することのできるブレーキ制御装置、ブレーキ制御方法、列車、及びプログラムを提供する。
　本発明の第１の態様によれば、ブレーキ制御装置は、移動体が備える機械ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定する機械ブレーキ出力決定部と、前記機械ブレーキ出力決定部が決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する機械ブレーキ力推定部と、前記移動体が備える回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記機械ブレーキ力推定部が推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する回生ブレーキ制御部と、を備える。
　本発明の第２の態様によれば、前記機械ブレーキ力推定部は、前記機械ブレーキの特性情報を用いたモデル式に基づいて、前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する。
　本発明の第３の態様によれば、前記機械ブレーキ力推定部は、前記移動体の加速度と前記回生ブレーキに係るモータの牽引力に基づいて前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する。
　本発明の第４の態様によれば、前記ブレーキ制御装置は、回生失効が生じるか否かの予測を行う回生失効予測部、をさらに備え、前記回生ブレーキ制御部は、前記回生失効予測部が回生失効の発生を予測しない場合は、前記目標ブレーキ力に相当するブレーキ力を得るための回生ブレーキ指令を出力し、前記回生失効予測部が回生失効の発生を予測する場合は、前記目標ブレーキ力と前記推定ブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を得るための回生ブレーキ指令を出力する。
　本発明の第５の態様によれば、前記回生失効予測部は、前記回生ブレーキによる回生電力の出力先の電圧と所定の閾値とを比較し、前記出力先の電圧と前記所定の閾値と差が所定の範囲内となると回生失効が発生すると予測する。
　本発明の第６の態様によれば、前記回生失効予測部は、さらに前記回生ブレーキ制御部が出力した回生ブレーキ指令に基づく回生電力の回生電力のピーク値に対する割合を用いて、回生失効が発生するか否かを予測する。
　本発明の第７の態様によれば、前記機械ブレーキ出力決定部は、前記回生ブレーキ制御部による前記回生ブレーキの制御の結果、回生失効が生じないよう定められた基準によって、前記段数を決定する。
　本発明の第８の態様によれば、前記機械ブレーキ出力決定部は、前記目標ブレーキ力が、前記回生ブレーキおよび前記機械ブレーキによって出力可能な全ブレーキ力に対して所定の割合以上となった場合、前記段数を決定する。
　本発明の第９の態様によれば、列車は、上述のブレーキ制御装置を備える。
　本発明の第１０の態様によれば、ブレーキ制御方法は、移動体が備える機械ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定し、前記決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定し、前記移動体が備える回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する。
　本発明の第１１の態様によれば、プログラムは、ブレーキ制御装置の備えるコンピュータを、移動体が備える機械ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定する手段、前記決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する手段、前記移動体が備える回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する手段、として機能させる。
　上記したブレーキ制御装置、ブレーキ制御方法、列車、及びプログラムによれば、従来よりも低コストな制御装置を用いつつ、空気ブレーキの応答遅れを小さくすることができ、それにより、自動運転における目標速度への追従精度を向上させることができる。
本発明の第一実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の第一実施形態によるブレーキ制御装置の動作を説明する図である。 本発明の第一実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の動作を説明する第一の図である。 本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の動作を説明する第二の図である。 本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の動作を説明する第三の図である。 本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の第三実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。 本発明の第三実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。 従来のブレーキ制御装置の動作を説明する図である。
＜第一実施形態＞
　以下、本発明の第一実施形態による列車のブレーキ制御装置を図１～図３を参照して説明する。
　図１は、本発明の第一実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
　自動列車運転装置１０は、列車に搭載され、その列車の運転を自動化する装置である。図１で示すように自動列車運転装置１０は、速度制御演算部１００と、ブレーキ制御部１０１とを備えている。速度制御演算部１００は、列車を自動運転するにあたり、その時々の列車の目標速度を演算する。例えば、速度制御演算部１００は、列車が停車駅や前を走行する列車に接近した場合、目標減速度を演算し、ブレーキ制御部１０１に目標減速度を出力する。ブレーキ制御部１０１は、目標減速度に基づくブレーキ制御を行い、列車を減速させる。本実施形態では、ブレーキ制御の一例として回生ブレーキと空気ブレーキの動作を制御する場合を用いて説明を行う。速度制御演算部１００は、列車の減速をブレーキ制御部１０１に指示する際に、目標減速度の代わりに「ノッチ」と呼ばれる単位によって指示を行ってもよい。
　ブレーキ制御部１０１は、回生ブレーキと空気ブレーキの動作を制御して、目標減速度どおりに列車を減速または停止させる。具体的には、ブレーキ制御部１０１は、インバータ１１にブレーキノッチ指令値やトルク指令値によって回生ブレーキの指令（回生ブレーキ指令値と呼ぶ）を与える。インバータ１１は、ベクトル制御などにより列車の動力源となるモータに所望のトルクを発生させ回生ブレーキによるブレーキ力（回生ブレーキ力）を得る。ブレーキ制御部１０１は、多段式中継弁１２を制御して空気ブレーキによるブレーキ力（空気ブレーキ力）を得る。具体的には、ブレーキ制御部１０１は、多段式中継弁１２の段数を調整して所望の圧縮空気を供給しブレーキシリンダを駆動する。ブレーキシリンダは、ブレーキパッドを車輪に押し当てる。これにより空気ブレーキ力が生じる。特に本実施形態のブレーキ制御部１０１は、予め回生失効が生じないように回生ブレーキを動作させた場合のブレーキ力の不足分を予測し、空気ブレーキを先行的に動作させることによって回生ブレーキ力の不足分を補う。自動列車運転装置１０は、この他にもさまざまな機能を有しているが本実施形態と関係しない構成については説明を省略する。
　ブレーキ制御部１０１は、空気ブレーキ出力決定部１０２、空気ブレーキ力推定部１０３、回生ブレーキ制御部１０４を備える。
　空気ブレーキ出力決定部１０２は、列車が備える空気ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、列車の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定する。より具体的には、空気ブレーキ出力決定部１０２は、多段式中継弁１２の段数を切り替えることによってブレーキシリンダに供給する空気量を段階的に変更し、その段数に対応するブレーキ力を得る空気ブレーキにおいて、列車の目標減速度（または「ノッチ」）に基づいて、１段または複数段の段階的なブレーキ力の中から、所望のブレーキ力に応じた段数を決定する。
　空気ブレーキ力推定部１０３は、空気ブレーキ出力決定部１０２が決定した段数で空気ブレーキを動作させたときに得られるブレーキ力（推定空気ブレーキ力）を推定する。
　回生ブレーキ制御部１０４は、回生ブレーキを動作させ回生ブレーキ力を得る。特に本実施形態においては、回生ブレーキ制御部１０４は、目標減速度に基づく目標ブレーキ力を算出し、算出した目標ブレーキ力と、空気ブレーキ力推定部１０３が推定した推定空気ブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を得られるような回生ブレーキ指令値をインバータ１１に出力する。回生ブレーキ制御部１０４は、目標ブレーキ力演算部１０５、差分演算部１０６を備える。
　目標ブレーキ力演算部１０５は、目標減速度に基づく目標ブレーキ力、つまり、目標減速度を達成するのに必要な全ブレーキ力を演算する。
　差分演算部１０６は、目標ブレーキ力演算部１０５が算出した目標ブレーキ力と空気ブレーキ力推定部１０３が推定した推定空気ブレーキ力の差分を演算する。
　図２は、本発明の第一実施形態によるブレーキ制御装置の動作を説明する図である。
　図２の上図は、本実施形態における目標ブレーキ力と回生ブレーキ力と推定空気ブレーキ力との関係を示す図である。図２の上図の縦軸はブレーキ力、横軸は時間を表している。グラフ２０は、速度制御演算部１００が演算した列車の目標減速度を達成するのに必要な目標ブレーキ力の推移を示すグラフである。目標ブレーキ力演算部１０５は、速度制御演算部１００が演算した目標減速度と列車重量などから目標ブレーキ力を求める。グラフ２１は、空気ブレーキ力推定部１０３が推定した推定空気ブレーキ力の推移を示すグラフである。グラフ２０とグラフ２１に囲まれた網掛部分は、差分演算部１０６が演算した回生ブレーキ力に相当する。
　図２の下図は、本実施形態における空気ブレーキの段数の推移を示す図である。多段式中継弁１２の段数を切り替えることにより、空気ブレーキ力を段階的に切り替えられるため、空気ブレーキ出力決定部１０２が決定する多段式中継弁１２の段数を空気ブレーキの段数と呼ぶ。図２の下図の縦軸は空気ブレーキの段数、横軸は時間を表している。グラフ２２は、グラフ２１が示す推定空気ブレーキ力の推移に対応する空気ブレーキの段数の時間推移を示すグラフである。空気ブレーキ出力決定部１０２は、速度制御演算部１００が演算した列車の目標減速度に基づいて、空気ブレーキの段数を決定する。空気ブレーキ出力決定部１０２は、多段式中継弁１２に空気ブレーキの段数を指示し、多段式中継弁１２が指示された段数に対応する空気圧をブレーキシリンダに供給する。多段式中継弁１２への指令線は、例えば３本設けられている。この場合、３本の指令線によって８通り（２３＝８）の信号が出力可能で、空気量を７段階（残り１はオフ）に切り替えることができる。空気ブレーキ出力決定部１０２が、多段式中継弁１２へ７段階中の何れかの段数を指示すると、この段数に対応する空気ブレーキ力が得られる。例えば、より大量の空気が供給された場合は、ブレーキシリンダはブレーキパッドをより強い力で車輪に押し当てるためブレーキ力が増大する。段数の例としては、例えば、オン（空気ブレーキをかける）とオフ（空気ブレーキをかけない）だけでもよく、この場合、空気ブレーキ力の段階は１段階となる。本実施形態において必ずしも空気ブレーキ力の段数は複数でなくてもよい。
　空気ブレーキ出力決定部１０２は、目標減速度を達成するのに必要な目標ブレーキ力が得られるように空気ブレーキの段数を決定してもよいし、回生ブレーキとの併用を前提に目標ブレーキ力よりも小さい空気ブレーキ力を得られるように空気ブレーキの段数を決定してもよい。目標ブレーキ力が大きい場合、回生ブレーキの動作だけで目標ブレーキ力を達成しようとすると、回生失効が生じる可能性がある。従って、空気ブレーキ出力決定部１０２は、回生失効が生じないよう定められた所定の基準によって段数を決定する。例えば、空気ブレーキ出力決定部１０２は、目標ブレーキ力の３０％を空気ブレーキによって負担するように段数を決定してもよい。あるいは、目標ブレーキ力が全ブレーキ力（回生ブレーキおよび空気ブレーキによって得られるブレーキ力の最大値）の５０％を上回る場合のみ、空気ブレーキ出力決定部１０２は、目標ブレーキ力の３０％を空気ブレーキによって得られるように段数を決定してもよい。これらいずれの場合も、目標ブレーキ力の３０％を空気ブレーキが負担すれば、回生失効の発生を防ぐことができることは、事前の実験やシミュレーション等で分かっているものとする。空気ブレーキ出力決定部１０２は、図２の下図のグラフ２２が示すような段数決定を行い、その決定結果を空気ブレーキ力推定部１０３へ出力する。空気ブレーキ出力決定部１０２は、決定した段数を多段式中継弁１２へ指示する。
　空気ブレーキ力推定部１０３は、空気ブレーキ出力決定部１０２が決定した段数で多段式中継弁１２を制御した場合の空気ブレーキ力を、空気ブレーキの特性情報（無駄時間、時定数、摩擦係数など）を用いた空気ブレーキ力のモデル式によって推定する。空気ブレーキ力推定部１０３は、例えば以下の式によって推定空気ブレーキ力を演算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｆ＾ｂ（ｔ）は、定常状態での空気ブレーキ力であり、例えば式（１）のような速度の２次関数として定義する。ｖ（ｔ）は時間ｔにおける列車の速度、係数ａ２ｉ,ａ１ｉ,ａ０ｉは、空気ブレーキ出力決定部１０２が決定した段数がｉ段のときの係数である。Ｆｂ（ｔ）は、実際に発生する空気ブレーキ力の予想値であり、所定の無駄時間Ｔｄと所定の一次遅れ時定数Ｔｃにより決定される。Ｆ´ｂ（ｔ）は、Ｆｂ（ｔ）を時間ｔで微分した式である。空気ブレーキ力推定部１０３は、式（１）、式（２）を解いて、推定空気ブレーキ力であるＦｂ（ｔ）を求める。図２の上図のグラフ２１は、Ｆｂ（ｔ）の一例である。
　空気ブレーキ力推定部１０３は、演算した推定空気ブレーキ力を回生ブレーキ制御部１０４へ出力する。回生ブレーキ制御部１０４では、差分演算部１０６が、目標ブレーキ力演算部１０５が算出した目標ブレーキ力と空気ブレーキ力推定部１０３が推定した推定空気ブレーキ力の差分を演算する。図２の上図の場合、グラフ２０とグラフ２１で囲まれた網掛部分が目標ブレーキ力と推定空気ブレーキ力の差分である。回生ブレーキ制御部１０４は、差分演算部１０６が演算した差分に相当するブレーキ力を得られるよう回生ブレーキ指令値を生成し、その指令値をインバータ１１に出力する。
　図２の上図のグラフ２１を図２の下図のグラフ２２と見比べると、グラフ２１には時間的な遅れ（ＴＬ）が存在することがわかる。これは、空気ブレーキ出力決定部１０２が段数を決定して、その段数を多段式中継弁１２に出力してから、実際に空気ブレーキが動作するまでに遅れが発生することを示している。しかし、後述するように空気ブレーキの制御を回生ブレーキの制御より先行して行うため、速度制御演算部１００から減速指令が発されてからの応答遅れは小さくすることができる。
　ここで、従来行われていた回生ブレーキおよび空気ブレーキの制御方法と本実施形態のブレーキ制御方法とを比較する。
　図１１は、従来のブレーキ制御装置の動作を説明する図である。従来の方法では、まず、ブレーキ制御装置２０１が列車の目標減速度に基づいて目標ブレーキ力を演算する。ブレーキ制御装置２０１は、演算した目標ブレーキ力をインバータ制御装置２０２へ出力する。次にインバータ制御装置２０２は、ブレーキ制御装置２０１が演算した目標ブレーキ力に基づいて、回生ブレーキ指令値を生成し、インバータを制御する。インバータ制御装置２０２は、生成した回生ブレーキ指令値によって得られる回生ブレーキ力を演算する。次にインバータ制御装置２０２は、演算した回生ブレーキ力をブレーキ制御装置２０１へ返す。ブレーキ制御装置２０１では、先に演算した目標ブレーキ力と、インバータ制御装置２０２から得た回生ブレーキ力の差分を演算し、その演算結果が正の場合（回生ブレーキだけではブレーキ力が不足する場合）、空気ブレーキによって回生ブレーキ力の不足分を補う制御を行う。
　この従来の制御の場合、空気ブレーキの制御を行うまでの間に、回生ブレーキの制御を行うためにインバータ制御装置２０２における処理を経由する必要がある。そのため空気ブレーキの制御においては、応答遅れが発生する。従来は、空気ブレーキの出力の調整を無段階（高い分解能）で行うために、ブレーキシリンダに供給する空気量を細やかに調整するためにブレーキ制御装置２０１の計算負荷が高く、ブレーキ制御装置２０１にもコストが掛かっていた。
　これに対し本実施形態では、速度制御演算部１００が演算した列車の目標減速度に基づいて、回生失効が生じないような空気ブレーキの段数を、回生ブレーキの制御を行う前に決定する。その後、決定した空気ブレーキの段数に応じた空気ブレーキ力を考慮して回生ブレーキを動作させる。本実施形態によれば回生失効の前に空気ブレーキを動作させるので、回生ブレーキに頼るブレーキ力の割合が減少し、回生ブレーキ動作時の過度な架線電圧の上昇を抑えることができる。これにより、回生失効の発生を防ぐことができる。空気ブレーキの制御において、回生ブレーキ制御装置の処理を中継しないため、応答遅れが小さくなり、自動運転における目標速度への追随精度が向上する。
　従来の空気ブレーキの制御では、回生ブレーキ力の不足分を補うために空気ブレーキ力の大きさを無段階で制御することも多かった。このような制御の場合、ブレーキシリンダに供給する空気量を無段階（高分解能）で制御するために演算量が増加し、高性能な制御装置が必要とされていた。これに対し、本実施形態では、空気ブレーキ力は予め定められた１つ又は複数段の中から、回生失効が生じないよう定められた基準に基づいて１つの段数を決定するだけなので、高い計算能力を有する制御装置を必要としない。得られる空気ブレーキ力は段階的となるが、インバータ１１の制御は従来通り無段階に行うことができるので、回生ブレーキ力と空気ブレーキ力とを合計した全ブレーキ力では無段階のブレーキ力を得ることができる。これにより、従来通り滑らかに列車を減速することができる。
　次に、第一実施形態によるブレーキ制御の処理の流れについて説明する。
　図３は、本発明の第一実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。
　自動列車運転装置１０が備える速度制御演算部１００は、列車の走行パターンなどに基づいて列車の目標速度や目標加速度を演算しているものとする。ブレーキ制御を必要としない列車の走行については自動列車運転装置１０が備える図１にて図示しない機能部がその目標速度などに従って走行制御を行っているものとする。以下、列車が停車駅に近付いたなどの理由で速度制御演算部１００がマイナスの加速度（目標減速度）を演算したものとして処理の説明を行う。
　速度制御演算部１００は、演算した目標減速度をブレーキ制御部１０１へ出力する。ブレーキ制御部１０１では、空気ブレーキ出力決定部１０２と回生ブレーキ制御部１０４が目標減速度を取得する（ステップＳ１０）。
　次に空気ブレーキ出力決定部１０２は、目標減速度に応じた空気ブレーキの段数を決定する（ステップＳ２０）。例えば、ブレーキ制御部１０１が備える記憶部（図示せず）に、目標減速度と空気ブレーキの段数との対応関係が定義されていて、空気ブレーキ出力決定部１０２は、この対応関係に基づいて段数を決定する。空気ブレーキ出力決定部１０２は、決定した段数を空気ブレーキ力推定部１０３に出力する。空気ブレーキ出力決定部１０２は、決定した段数によって多段式中継弁１２を制御し、先行的に空気ブレーキの動作を開始する。
　一方、回生ブレーキ制御部１０４では、目標ブレーキ力演算部１０５が目標減速度に応じた目標ブレーキ力を演算する。目標ブレーキ力についても、例えば、目標ブレーキ力演算部１０５は、記憶部が記憶する目標減速度と目標ブレーキ力との対応関係に基づいて、目標ブレーキ力を演算する。
　次に、空気ブレーキ力推定部１０３は、取得した段数に応じた空気ブレーキ力を推定する（ステップＳ３０）。例えば、空気ブレーキ力推定部１０３は、段数に応じた係数ａ２ｉ,ａ１ｉ,ａ０ｉ（ｉは段数）と、係数Ｔｄ、Ｔｃとを記憶部から読み出して上述の式（１）、（２）により推定空気ブレーキ力を求める。空気ブレーキ力推定部１０３は、求めた推定空気ブレーキ力を回生ブレーキ制御部１０４へ出力する。
　回生ブレーキ制御部１０４では、差分演算部１０６が、先に演算した目標ブレーキ力から推定空気ブレーキ力を減算して差分を求める。差分が正の場合、回生ブレーキ制御部１０４は、この差分に基づいて、差分が示すブレーキ力に基づく回生ブレーキ指令値を演算する（ステップＳ４０）。回生ブレーキ制御部１０４は、回生ブレーキ指令値をインバータ１１へ出力する。インバータ１１は、モータにトルクを発生させ回生ブレーキを動作させる。
　本実施形態のブレーキ制御部１０１によれば、回生失効を待たずに空気ブレーキを動作させるので、回生失効の発生を防ぐことができる。空気ブレーキの分解能は低くても、回生ブレーキで補うことができるため、圧力を段階的に切り替えることができる比較的安価な弁（多段式中継弁１２など）を使用することができる。空気ブレーキ制御を、高分解能（無段階）に行う必要が無いので空気ブレーキの制御装置に要する機能やコストを抑えることができる。空気ブレーキ制御を、回生ブレーキの制御を待たずに開始するので、応答遅れが小さくなる。空気ブレーキの動作によって生じる応答遅れを回生ブレーキの出力によって補うことができる。空気ブレーキ力の出力が段階的であっても回生ブレーキとの合計したブレーキ力では無段階の制御が可能なため、従来どおり滑らかな減速を行うことができる。
＜第二実施形態＞
　次に、本発明の第二実施形態による列車のブレーキ制御装置を図４～図８を参照して説明する。
　図４は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
　第二実施形態に係る構成のうち、本発明の第一実施形態に係る自動列車運転装置１０を構成する機能部と同じものには同じ符号を付し、それらの説明を省略する。
　第二実施形態における自動列車運転装置１０Ａは、速度制御演算部１００と、ブレーキ制御部１０１Ａとを備えている。ブレーキ制御部１０１Ａは、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａ、空気ブレーキ力推定部１０３、回生ブレーキ制御部１０４、回生失効予測部１０７を備える。回生ブレーキ制御部１０４は、目標ブレーキ力演算部１０５、差分演算部１０６を備える。
　ブレーキ制御部１０１Ａは、回生失効予測部１０７を備える点で第一実施形態と異なる。回生失効予測部１０７は、回生ブレーキ系統が発電した電力の出力先となる架線電圧の値をインバータ１１から取得し、架線電圧と所定の閾値とを比較する。回生失効予測部１０７は、架線電圧と所定の閾値との差が所定の範囲内となると、回生失効が発生すると予測する。所定の閾値とは例えば、回生絞り込み制御を行うかどうかの判定に用いる閾値である。
　空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、回生失効予測部１０７が回生失効が発生すると予測した場合のみ、空気ブレーキの段数を決定する。この点で第一実施形態の空気ブレーキ出力決定部１０２と異なる。
　回生ブレーキのシステムでは、回生ブレーキ実行時に発電された電力を供給する他の力行車が無くても回生失効が生じないように回生抵抗装置が設けられていることが多い。このような場合、回生失効が発生するのは、回生抵抗装置の故障や、多数列車の同時回生など悪条件が成立した場合のみである。このような悪条件では、架線電圧が上昇するため、本実施形態では、架線電圧をモニタし架線電圧が危険水準に到達したら空気ブレーキを作動する制御を行う。
　図５は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の動作を説明する第一の図である。
　図５は、正常時における目標ブレーキ力と空気ブレーキの段数と架線電圧の関係を示す図である。正常時とは、回生失効の発生が無い状態を指している。
　図５の上図の縦軸はブレーキ力、横軸は時間を表している。グラフ５０は、目標ブレーキ力演算部１０５が演算した目標ブレーキ力の時間推移を示している。
　図５の中図の縦軸は空気ブレーキの段数、横軸は時間を表している。図５の中図の場合、空気ブレーキの段数は常に「０」である。これは、空気ブレーキを動作させないことを意味する。
　図５の下図の縦軸は架線電圧、横軸は時間を表している。閾値５１は、例えば回生失効の発生を判断するための閾値である。架線電圧が閾値５１を上回ると回生ブレーキ制御部１０４は、過度な架線電圧の上昇による装置の損傷を防ぐため、回生ブレーキ力を減少させ、架線電圧の上昇を抑制する「回生絞り込み制御」を行う。回生ブレーキ制御部１０４が回生絞り込み制御を行うと、回生失効が発生する。回生失効予測部１０７は、架線電圧を監視して、架線電圧が閾値５１に近づくと回生失効が発生すると予測する。グラフ５２は、架線電圧の推移を示している。図５の下図の場合、グラフ５２は、安定して閾値５１より低い値を示している。架線電圧がこのような挙動を示す場合、回生失効予測部１０７は、回生失効は発生しないと予測する。空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、この予測に従って、空気ブレーキの段数を「０」（空気ブレーキをかけない）と決定する。上述の図５の中図は、回生失効の発生が予測されないために空気ブレーキ出力決定部１０２Ａが、空気ブレーキの段数を「０」と決定したことを示している。
　図６は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の動作を説明する第二の図である。
　図６は、異常時における目標ブレーキ力と空気ブレーキの段数と架線電圧の関係を示す図である。異常時とは、回生失効が発生する可能性がある状態を指している。
　図６の上図、図６の中図、図６の下図のグラフの見方については、それぞれ図５の上図、図５の中図、図５の下図と同様である。つまり、グラフ６０は目標ブレーキ力、グラフ６１は推定空気ブレーキ力、グラフ６２は空気ブレーキの段数、グラフ６３は架線電圧を示している。図６の上図において、時刻Ｔ１に回生ブレーキの動作が開始している。図６の下図を見ると、回生ブレーキが動作することで発電された回生電力によって架線電圧が上昇していることがわかる。このような状態は、例えば上述の悪条件が成立した場合に生じる。回生失効予測部１０７は、例えば時刻Ｔ２における架線電圧と閾値５１との差が所定の範囲内となったことに基づいて、回生失効が発生すると予測する。回生失効予測部１０７は、この予測結果を空気ブレーキ出力決定部１０２Ａに出力する。空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、回生失効が発生するとの予測結果を取得すると、第一実施形態と同様に空気ブレーキの段数を決定する（グラフ６２）。例えば、後述するように空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、回生失効の予測結果と共に架線電圧の値を回生失効予測部１０７から取得し、架線電圧に応じて空気ブレーキの段数を決定してもよい。空気ブレーキ力推定部１０３は、推定空気ブレーキ力を推定し（グラフ６１）、回生ブレーキ制御部１０４では、差分演算部１０６が、目標ブレーキ力から推定空気ブレーキ力を減算して差分を求める（グラフ６０とグラフ６１の間の網掛部分）。
　回生失効予測部１０７による予測方法として、ここでは、監視している架線電圧と閾値５１との差が所定の範囲内となったことに基づいて回生失効が発生すると予測する例を説明したが、例えば、架線電圧の増加速度を演算し、増加速度が所定の閾値以上となると回生失効が発生すると予測してもよい。あるいは、架線電圧の閾値と架線電圧の増加速度による予測を組み合わせて、架線電圧が所定の範囲内の値となり、かつ、所定時間位おける架線電圧の増加速度が所定の閾値以上であれば回生失効が発生すると予測してもよい。
　図７は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の動作を説明する第三の図である。
　図７は、回生失効予測部１０７が回生失効の発生を予測した場合の空気ブレーキ出力決定部１０２Ａによる段数決定方法の一例を説明する図である。
　図７の縦軸は空気ブレーキの段数、横軸は架線電圧を表している。空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、回生失効予測部１０７から回生失効発生の予測結果と架線電圧の値を取得する。以下、予測結果が回生失効が発生するとの結果であることを前提とする。まず、空気ブレーキの段数を上昇させる場合の動作について説明する。現在、空気ブレーキの段数は「０段」であるとする。このとき、架線電圧がＶ３以下の状態からＶ３を上回るようになると、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、空気ブレーキの段数を「１段」と決定する。その状態から架線電圧がさらに上昇しＶ４を上回るようになると、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、空気ブレーキの段数を「２段」と決定する。以下、同様に空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、図７の右側グラフ７０に従って、架線電圧の上昇に応じて空気ブレーキの段数を段階的に上昇させる。
　次に、空気ブレーキの段数を下降させる場合の動作について説明する。現在、空気ブレーキの段数が「２段」であるとする。この状態で、架線電圧がＶ２以上の状態からＶ２を下回るようになると、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、空気ブレーキの段数を「１段」と決定する。その状態から架線電圧がさらに下降しＶ１を下回るようになると、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、空気ブレーキの段数を「０段」と決定する。
　このように空気ブレーキの段数を決定する架線電圧にヒステリシス幅を設けることで、架線電圧の検出誤差などによる変動によって、空気ブレーキの段数が、例えば「２段」なのか「１段」なのかの判定が何度も切り替わり、制御が不安定になるのを防ぐことができる。
　次に、第二実施形態によるブレーキ制御の処理の流れについて説明する。
　図８は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。
　図３のフローチャートと同じ処理には同じ符号を振り簡単に説明を行う。停車駅が近付いた等の理由により速度制御演算部１００がマイナスの加速度（目標減速度）を演算したものとする。速度制御演算部１００は、演算した目標減速度をブレーキ制御部１０１へ出力する。ブレーキ制御部１０１Ａでは、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａと回生ブレーキ制御部１０４が目標減速度を取得する（ステップＳ１０）。回生ブレーキ制御部１０４では、目標ブレーキ力演算部１０５が目標減速度に応じた目標ブレーキ力を演算する。
　次に、回生失効予測部１０７は、インバータ１１から架線電圧の値を取得する（ステップＳ１２）。次に、回生失効予測部１０７は、架線電圧の値に基づいて、回生失効が発生するかどうか予測する（ステップＳ１４）。例えば、回生失効予測部１０７は、取得した架線電圧の値と回生絞り込み制御を開始する閾値との差が所定の範囲内になると、回生失効が発生すると予測する。例えば、回生失効予測部１０７は、取得した架線電圧の値と回生絞り込み制御を開始する閾値との差が所定の範囲内に収まらない場合、回生失効が発生しないと予測する。回生失効予測部１０７は、予測結果を空気ブレーキ出力決定部１０２Ａに出力する。
　回生失効が発生すると予測した場合（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、空気ブレーキの段数を決定する（ステップＳ２０１）。例えば、図７で例示した架線電圧と空気ブレーキの段数との対応関係を図示しない記憶部が記憶しており、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、この対応関係と回生失効予測部１０７に基づいて段数を決定する。例えば、図７で例示した架線電圧と空気ブレーキの段数との対応関係が目標減速度の範囲ごとに定められており、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、速度制御演算部１００から取得した目標減速度に紐づけられた架線電圧と空気ブレーキの段数との対応関係を記憶部から読み出すように構成してもよい。空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、決定した段数を空気ブレーキ力推定部１０３に出力する。空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、決定した段数によって多段式中継弁１２を制御し、空気ブレーキの動作を先行的に開始する。
　次に、空気ブレーキ力推定部１０３は、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａから取得した段数に応じた空気ブレーキ力を推定する（ステップＳ３０）。例えば、空気ブレーキ力推定部１０３は、第一実施形態と同様に上述の式（１）、（２）により推定空気ブレーキ力を求める。空気ブレーキ力推定部１０３は、求めた推定空気ブレーキ力を回生ブレーキ制御部１０４へ出力する。
　回生ブレーキ制御部１０４では、差分演算部１０６が、目標ブレーキ力から推定空気ブレーキ力を減算して差分を求める。差分が正の場合、回生ブレーキ制御部１０４は、この差分に基づいて、差分が示すブレーキ力が得られる回生ブレーキ指令値を演算する（ステップＳ４０）。回生ブレーキ制御部１０４は、回生ブレーキ指令値をインバータ１１へ出力し、回生ブレーキを動作させる。回生失効が発生すると予測した場合（異常時）の目標ブレーキ力と空気ブレーキの段数の関係などは図６を用いて説明したとおりである。
　一方、回生失効が発生しないと予測した場合（ステップＳ１６；Ｎｏ）、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、空気ブレーキの段数「０段」を空気ブレーキ力推定部１０３に出力する。空気ブレーキ力推定部１０３は、段数「０段」に基づき、推定空気ブレーキ力の値「０」を回生ブレーキ制御部１０４へ出力する。回生ブレーキ制御部１０４では、差分演算部１０６が、目標ブレーキ力から推定空気ブレーキ力を減算して差分を求める。推定空気ブレーキ力は「０」なので、回生ブレーキ制御部１０４は、目標ブレーキ力演算部１０５が演算した目標減速度に基づく目標ブレーキ力が得られるような回生ブレーキ指令値を演算する（ステップＳ４１）。回生ブレーキ制御部１０４は、回生ブレーキ指令値をインバータ１１へ出力し、回生ブレーキを動作させる。この場合は、空気ブレーキは動作せず、回生ブレーキのみが動作する。回生失効が発生しないと予測した場合（正常時）の目標ブレーキ力と空気ブレーキの段数の関係などは図５を用いて説明したとおりである。
　このように本実施形態では、架線電圧の状態から、回生失効が発生する可能性を予測し、この結果に基づいて空気ブレーキの出力を行う。これにより、回生失効が発生すると予測できる場合は、第一実施形態の効果に加え、回生失効が発生する可能性がある異常発生時にのみ空気ブレーキを使用するため、ブレーキパッドの摩耗が抑えられるという効果が得られる。回生失効が発生しないと予測できる場合には、空気ブレーキの制御を行わなくて良いので処理コストを低減することができる。省エネルギ化やブレーキパッドの消耗を防ぐ観点から、回生ブレーキをより有効に活用することへのニーズが存在するが、本実施形態によれば、回生失効を防ぎつつなるべく優先的に回生ブレーキを使用するように回生失効予測部１０７や空気ブレーキ出力決定部１０２Ａの動作条件を設定することで、これらのニーズを満たすことができる。
＜第三実施形態＞
　次に、本発明の第三実施形態による列車のブレーキ制御装置を図９～図１０を参照して説明する。
　図９は、本発明の第三実施形態によるブレーキ制御装置の一例を示す機能ブロック図である。
　第三実施形態に係る構成のうち、本発明の第一実施形態に係る自動列車運転装置１０、第二実施形態に係る自動列車運転装置１０Ａを構成する機能部と同じものには同じ符号を付し、それらの説明を省略する。
　第三実施形態における自動列車運転装置１０Ｂは、速度制御演算部１００と、ブレーキ制御部１０１Ｂとを備えている。ブレーキ制御部１０１Ｂは、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａ、空気ブレーキ力推定部１０３Ｂ、回生ブレーキ制御部１０４、回生失効予測部１０７Ｂを備える。回生ブレーキ制御部１０４は、目標ブレーキ力演算部１０５、差分演算部１０６を備える。
　ブレーキ制御部１０１Ｂは、空気ブレーキ力推定部１０３Ｂ、回生失効予測部１０７Ｂを備える点で第一実施形態、第二実施形態と異なる。
　空気ブレーキ力推定部１０３Ｂは、列車の加速度と回生ブレーキに係るモータの牽引力に基づいて空気ブレーキ力を推定する。具体的には、空気ブレーキ力推定部１０３Ｂは、例えば以下の式によって推定空気ブレーキ力を演算する。
　列車質量　×　加速度　＝　モータ牽引力　―　走行抵抗　・・・・（３）
を変形し、
　走行抵抗　＝　モータ牽引力　―　列車質量　×　加速度　・・・・（４）
とする。右辺の各項には以下の値を代入し走行抵抗を決定する。まず、モータ牽引力には、インバータ１１への指令値、または、インバータ１１が出力する実効牽引力を使用する。モータ牽引力は、回生ブレーキ力に相当する。列車質量には、列車の規定質量、または、列車が備える空気ばね圧力から予想される列車重量などを用いる。加速度については、列車が備える速度センサの測定した列車速度を微分した値、または、列車が備える加速度センサの測定値を用いる。式（４）で求めた走行抵抗が推定空気ブレーキ力である。
　回生失効予測部１０７Ｂは、インバータ１１から取得した架線電圧の値と所定の閾値とを比較して回生失効の発生を予測するが、その際、回生ブレーキが動作することによる架線電圧の上昇具合を考慮して予測を行う。より具体的には、回生失効予測部１０７Ｂは、回生ブレーキ制御部１０４が出力した回生ブレーキ指令値に基づく電力の、回生電力のピーク値に対する割合、を用いて回生失効が発生するか否かを予測する。例えば、列車が減速開始点に近づいた場合、列車速度がＶ[m/s]、規定減速度がＢ[m/s/s]の場合の回生ブレーキによる回生電力のピーク（Ｗｍａｘ）は、以下の式で求められると予想できる。
　Ｗｍａｘ　＝　列車の質量　×　Ｖ　×　Ｂ　・・・（５）
このＷｍａｘを用いて、インバータ１１に与えている回生ブレーキ指令値に含まれる回生電力指令値ＷのＷｍａｘに対する割合（Ｗ／Ｗｍａｘ）を求め回生失効の予想に用いる。例えば、Ｗ／Ｗｍａｘが低い段階で架線電圧が上昇した場合は、その後に回生電力がさらに上昇した時に回生失効する可能性が高い。逆に、Ｗ／Ｗｍａｘが１に近い状態で架線電圧が上昇したとしても、その後、回生電力は減る方向のため、回生失効する可能性は低いと考えられる。
　回生失効予測部１０７Ｂは、監視している架線電圧と回生絞り込み制御を開始する閾値（閾値１とする）との差に加え、Ｗ／Ｗｍａｘに基づく回生失効の可能性を考慮して回生失効の発生を予測する。例えば、閾値１より低い閾値２を設け、架線電圧が閾値２に達しても、その時のＷ／Ｗｍａｘが０．９以上であれば回生失効しないと予測する。あるいは、架線電圧が閾値２に達し、かつ、その時のＷ／Ｗｍａｘが０．３以下であれば回生失効すると予測する。
　さらに、回生失効予測部１０７Ｂは、Ｗｍａｘの値について、自動列車運転装置１０Ｂが備える目標速度プロファイル（運転パターン）や勾配情報のデータベースを使用してもよい。例えば、勾配情報が次に下り坂が来ることを示していれば、回生失効予測部１０７Ｂは、勾配を考慮した計算式（例えば下り坂において列車に加わる重力加速度を含んだ計算式）によってＷｍａｘを演算する。あるいは、回生失効予測部１０７Ｂは、目標速度プロファイルに定められた列車の速度を用いて式（５）によって、Ｗｍａｘを演算する。これにより、より正確なＷｍａｘの値を求めることができる。
　第三実施形態として空気ブレーキ力推定部１０３Ｂおよび回生失効予測部１０７Ｂを共に備える構成例を挙げたが、例えば、第一実施形態および第二実施形態の構成において空気ブレーキ力推定部１０３に代えて空気ブレーキ力推定部１０３Ｂを用いることも可能である。第二実施形態の構成において回生失効予測部１０７に代えて回生失効予測部１０７Ｂを用いることも可能である。第三実施形態の構成において空気ブレーキ力推定部１０３Ｂに代えて第一実施形態の空気ブレーキ力推定部１０３を用いることも可能である。
　次に、第三実施形態によるブレーキ制御の処理の流れについて説明する。
　図１０は、本発明の第二実施形態によるブレーキ制御装置の制御の一例を示すフローチャートである。
　図８のフローチャートと同じ処理には同じ符号を振り簡単に説明を行う。停車駅が近付いた等の理由により速度制御演算部１００が目標減速度を演算したものとする。速度制御演算部１００は、演算した目標減速度をブレーキ制御部１０１Ｂへ出力する。ブレーキ制御部１０１Ｂでは、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａと回生ブレーキ制御部１０４が目標減速度を取得する（ステップＳ１０）。回生ブレーキ制御部１０４では、目標ブレーキ力演算部１０５が目標減速度に応じた目標ブレーキ力を演算する。
　次に、回生失効予測部１０７Ｂは、インバータ１１から架線電圧の値と回生ブレーキ指令値を取得する（ステップＳ１２２）。次に、回生失効予測部１０７Ｂは、架線電圧と回生ブレーキ指令値に含まれる回生電力指令値（Ｗ）の回生電力のピーク値（Ｗｍａｘ）に対する割合に基づいて、回生失効が発生するかどうか予測する（ステップＳ１４２）。例えば現在の架線電圧が所定の閾値より十分に低い値であっても、Ｗ／Ｗｍａｘが小さい値であれば、今後、架線電圧は増大し回生電力のピーク時には所定の閾値に達するとみなせるような場合、回生失効予測部１０７Ｂは、回生失効が発生すると予測する。逆に現在の架線電圧が所定の閾値に近い値であっても、Ｗ／Ｗｍａｘがほぼ１であれば、今後の架線電圧の増大は無いと判断し、回生失効が発生しないと予測する。Ｗｍａｘについては、目標速度プロファイルや勾配情報を用いることでより正確に算出することができる。回生失効予測部１０７Ｂは、回生失効が発生するか否かの予測結果を空気ブレーキ出力決定部１０２Ａに出力する。
　回生失効が発生すると予測した場合（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、空気ブレーキの段数を決定する（ステップＳ２０１）。例えば、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、図７で例示した架線電圧と空気ブレーキの段数との対応関係に基づいて段数を決定する。空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、決定した段数を空気ブレーキ力推定部１０３Ｂに出力する。空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは、決定した段数によって多段式中継弁１２を制御し、空気ブレーキの動作を先行的に開始する。
　次に、空気ブレーキ力推定部１０３Ｂは、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａから取得した段数に応じた空気ブレーキ力を推定する（ステップＳ３０２）。空気ブレーキ力推定部１０３Ｂは、例えば上述の式（４）により推定空気ブレーキ力を求める。空気ブレーキ力推定部１０３Ｂは、求めた推定空気ブレーキ力を回生ブレーキ制御部１０４へ出力する。
　回生ブレーキ制御部１０４では、差分演算部１０６が、目標ブレーキ力と推定空気ブレーキ力の差分を求め、回生ブレーキ制御部１０４は、この差分に基づいて、推定空気ブレーキ力の不足分を補う回生ブレーキ指令値を演算する（ステップＳ４０）。回生ブレーキ制御部１０４は、回生ブレーキ指令値をインバータ１１へ出力し、回生ブレーキを動作させる。
　一方、回生失効が発生しないと予測した場合（ステップＳ１６；Ｎｏ）、回生ブレーキ制御部１０４は、目標ブレーキ力演算部１０５が演算した目標ブレーキ力が得られる回生ブレーキ指令値を演算する（ステップＳ４１）。回生ブレーキ制御部１０４は、回生ブレーキ指令値をインバータ１１へ出力し、回生ブレーキを動作させる。
　本実施形態の空気ブレーキ力推定部１０３Ｂによれば、外乱を含んだ系で測定した列車の加速度やモータ牽引力（回生ブレーキ力）を用いて推定空気ブレーキ力を演算することで、より現実に即した空気ブレーキ力を推定することができる。
　本実施形態の回生失効予測部１０７Ｂによれば、現在の架線電圧の値だけでなく、近い将来の架線電圧の変化を予測して回生失効の発生を予測することで、本来必要のない場面での空気ブレーキの動作を防止したり、空気ブレーキの動作開始の遅れを防止したりすることができる。
　本発明の実施形態について説明したが、上述のブレーキ制御部１０１、ブレーキ制御部１０１Ａ、ブレーキ制御部１０１Ｂは内部に、コンピュータシステムを有している。上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
　上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができるものである。空気ブレーキは、機械ブレーキの一例である。列車は移動体の一例である。空気ブレーキ出力決定部１０２、空気ブレーキ出力決定部１０２Ａは機械ブレーキ出力決定部の一例である。空気ブレーキ力推定部１０３、空気ブレーキ力推定部１０３Ｂは機械ブレーキ力推定部の一例である。ブレーキ制御部１０１、ブレーキ制御部１０１Ａ、ブレーキ制御部１０１Ｂはブレーキ制御装置の一例である。
　上記したブレーキ制御装置、ブレーキ制御方法、列車、及びプログラムによれば、従来よりも低コストな制御装置を用いつつ、空気ブレーキの応答遅れを小さくすることができ、それにより、自動運転における目標速度への追従精度が向上させることができる。
　１０、１０Ａ、１０Ｂ　　　車両
　１００　　　速度制御演算部
　１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ　　　ブレーキ制御部
　１０２、１０２Ａ　　　空気ブレーキ出力決定部
　１０３、１０３Ｂ　　　空気ブレーキ力推定部
　１０４　　　回生ブレーキ制御部
　１０５　　　目標ブレーキ力演算部
　１０６　　　差分演算部
　１０７、１０７Ｂ　　　回生失効予測部
　１１　　　インバータ
　１２　　　多段式中継弁

Claims (11)

  1. 　移動体が備える機械ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定する機械ブレーキ出力決定部と、
    　前記機械ブレーキ出力決定部が決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する機械ブレーキ力推定部と、
    　前記移動体が備える回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記機械ブレーキ力推定部が推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する回生ブレーキ制御部と、
    　を備えるブレーキ制御装置。
  2. 　前記機械ブレーキ力推定部は、前記機械ブレーキの特性情報を用いたモデル式に基づいて、前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する、
    　請求項１に記載のブレーキ制御装置。
  3. 　前記機械ブレーキ力推定部は、前記移動体の加速度と前記回生ブレーキに係るモータの牽引力に基づいて前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する、
    　請求項１に記載のブレーキ制御装置。
  4. 　回生失効が生じるか否かの予測を行う回生失効予測部、
    　をさらに備え、
    　前記回生ブレーキ制御部は、
    　前記回生失効予測部が回生失効の発生を予測しない場合は、前記目標ブレーキ力に相当するブレーキ力を得るための回生ブレーキ指令値を出力し、
    　前記回生失効予測部が回生失効の発生を予測する場合は、前記目標ブレーキ力と前記推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を得るための回生ブレーキ指令値を出力する、
    　請求項１から請求項３の何れか１項に記載のブレーキ制御装置。
  5. 　前記回生失効予測部は、前記回生ブレーキによる回生電力の出力先の電圧と所定の閾値とを比較し、前記出力先の電圧と前記所定の閾値と差が所定の範囲内となると回生失効が発生すると予測する、
    　請求項４に記載のブレーキ制御装置。
  6. 　前記回生失効予測部は、さらに前記回生ブレーキ制御部が出力した回生ブレーキ指令値に基づく回生電力の回生電力のピーク値に対する割合を用いて、回生失効が発生するか否かを予測する、
    　請求項５に記載のブレーキ制御装置。
  7. 　前記機械ブレーキ出力決定部は、前記回生ブレーキ制御部による前記回生ブレーキの制御の結果、回生失効が生じないよう定められた基準によって、前記段数を決定する、
    　請求項１から請求項６の何れか１項に記載のブレーキ制御装置。
  8. 　前記機械ブレーキ出力決定部は、前記目標ブレーキ力が、前記回生ブレーキおよび前記機械ブレーキによって出力可能な全ブレーキ力に対して所定の割合以上となった場合、前記段数を決定する、
    　請求項１から請求項７の何れか１項に記載のブレーキ制御装置。
  9. 　請求項１から請求項８の何れか１項に記載のブレーキ制御装置、を備えた列車。
  10. 　移動体が備える機械ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定し、
    　前記決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定し、
    　前記移動体が備える回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する、
    　ブレーキ制御方法。
  11. 　ブレーキ制御装置の備えるコンピュータを、
    　移動体が備える機械ブレーキが出力する一つ又は複数の段階的なブレーキ力の中から、前記移動体の目標減速度に基づいてブレーキ力の段数を決定する手段、
    　前記決定した段数に対応する前記機械ブレーキによるブレーキ力を推定する手段、
    　前記移動体が備える回生ブレーキが、前記目標減速度に基づく目標ブレーキ力と前記推定したブレーキ力の差分に相当するブレーキ力を出力するよう回生ブレーキ指令値を出力する手段、
    　として機能させるためのプログラム。
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