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【発明の名称】 インバータ制御電気車の空転・滑走制御装置
【発明者】 【氏名】鈴木 聡

【氏名】項 東輝

【氏名】油谷 浩助

【氏名】経種 勝

【氏名】黒谷 憲一
【要約】 【課題】車輪とレールとの間の粘着状態に応じたトルク絞りパターンを自動的に作成して適切な空転・滑走制御を行う。空転・滑走制御状態から力行・制動制御への切替時にも何ら支障がないようにした空転・滑走制御装置を提供する。

【解決手段】インバータにより車輪駆動用電動機を制御して電気車を運転するインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置に関する。空転・滑走時の車輪速度と車両速度との偏差であるすべり速度を演算するすべり速度演算手段としての加算器８０１と、すべり速度指令値と前記すべり速度との偏差を演算するすべり速度偏差演算手段としての加算器８０２と、前記加算器８０２により演算された偏差に基づいて、インバータにより制御される電動機に対するトルク絞り指令値を生成する空転・滑走制御手段としての補償器１００とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 インバータにより車輪駆動用電動機を制御して電気車を運転するインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、空転・滑走時の車輪速度と車両速度との偏差であるすべり速度を演算するすべり速度演算手段と、すべり速度指令値と前記すべり速度との偏差を演算するすべり速度偏差演算手段と、前記すべり速度偏差演算手段により演算された偏差に基づいて、インバータにより制御される電動機に対するトルク絞り指令値を生成する空転・滑走制御手段と、を備えたことを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項２】 請求項１記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、トルク絞り指令値を、すべり速度指令値とすべり速度とから求めたすべり速度偏差に応じて決定し、このトルク絞り指令値と、ノッチ−引張力特性に基づく上位のトルク指令値とに基づいて電動機に対するトルク指令値を得ることを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項３】 請求項２記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、トルク絞り指令値を、すべり速度指令値とすべり速度とから求めたすべり速度偏差に基づいてＰＩ（比例・積分）制御により得ることを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項４】 請求項１，２または３記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、すべり速度と閾値とを比較して空転・滑走制御の必要性を判断し、その結果に応じて力行・制動等の通常制御に空転・滑走制御手段による空転・滑走制御を付加することを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項５】 請求項１，２，３または４記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、すべり速度を求めるための車両速度として、付随車の車輪軸に取り付けたパルスジェネレータの出力信号を用いることを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項６】 請求項１，２，３，４または５記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、車輪半径、電動機電流、車輪軸慣性モーメント及び車輪角加速度に基づいて車輪・レール間の接線力を推定し、この接線力推定値とすべり速度とに応じてすべり速度指令値を決定することを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項７】 請求項６記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、接線力推定値の増減情報とすべり速度の増減情報とを用いてすべり速度指令値の補正値を求め、この補正値によりすべり速度指令値を補正することを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項８】 請求項６または７記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、接線力推定のために用いる車輪角加速度を、車輪角速度の前回値と今回値との差分と、制御周期とを用いてローパスフィルタにより計算した値を用いることを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項９】 請求項７または８記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、すべり速度の増減情報を得る際に、現在のすべり速度に対する急激な変化を抑える関数を用いることを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項１０】 請求項７，８または９記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、１台のインバータにより複数台の電動機を制御する際に、すべり速度の増減情報として、複数台の電動機により各々駆動される各車輪につき求めたすべり速度の増減情報の平均値を用いることを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【請求項１１】 請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９または１０記載のインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、すべり速度指令値に上下限を設定することを特徴とするインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、インバータにより車両駆動用電動機を制御する電気車において、車輪の空転・滑走時に車輪とレールとの間の粘着状態に応じた適切なトルク絞りパターンを決定して電動機を制御するようにしたインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、この種の空転・滑走制御方法としては、ファジー制御を用いたものやパターン制御を用いたものなど種々の方法が知られている。これらの制御方法は、本質的に、電気車の空転・滑走を検出したら、空転・滑走車輪軸速度と基準軸速度との偏差を用い、ＰＤ（比例・微分）制御によって電動機のトルクを直接操作するものである。空転・滑走時に電動機のトルクを絞ることは勿論必要であるが、電動機トルクによる制御は一種の開ループ制御であり、トルク絞りパターンは制御性能に大きく影響する。
【０００３】一方、車輪とレールとの間の粘着状態は常に変動しているので、事前に各時刻の粘着状態に適合したトルク絞りパターンを決定することは極めて困難である。従って、すべての状況をカバーするにはトルクを必要以上に絞らなくてはならない場合もあり、また、空転・滑走制御状態（力行・制動制御＋空転・滑走制御）から力行・制動制御に戻す場合も、トルクを絞りすぎてしまうか、またはトルク回復のタイミングが悪く、空転・滑走の繰り返しを招くといった問題がある。
【０００４】そこで本発明は、車輪とレールとの間の粘着状態に応じたトルク絞りパターンを自動的に作成して適切な空転・滑走制御を行うとともに、空転・滑走制御状態から力行・制動制御へと戻す時にも何ら支障がないようにしたインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】以下では、空転時を対象とした本発明の構成、作用について説明する。なお、滑走時にはすべり速度の向きが空転時と逆になるだけであり、本質的には同様に考えることができる。
【０００６】まず、車輪軸に関する運動方程式は数式１によって表される。
【０００７】
【数１】Ｊmi（ｄωi／ｄｔ）＝τi−ＦiＲwi （ｉ＝１，２，３，４）
【０００８】但し、数式１における各値は次の通りである。
ｉ：車輪軸番号
Ｊmi：車輪軸慣性モーメントωi：車輪軸角速度τi：車輪軸駆動トルクＦi：車輪・レール間接線力（粘着力）
Ｒwi：車輪半径【０００９】また、電動車一車両に関する運動方程式は数式２によって表される。
【００１０】
【数２】

【００１１】但し、数式２における各値は次の通りである。
ｍt：車両重量ｖt：車両速度Ｆr：車両走行抵抗ＦΔ：線路勾配・連結車両等による力【００１２】図１は、車両動特性を示すブロック図である。なお、ここでは第１車輪軸（ｉ＝１）を例示している。図１において、各値は次の通りである。
αt：車両加速度ω1：第１車輪軸（第１車輪）の角速度Ｖm1：第１車輪軸（第１車輪）の周速度Ｖs1：第１車輪軸（第１車輪）のすべり速度μ1：第１車輪・レール間の接線力係数（粘着力係数）
Ｗ1：第１車輪軸の軸重ｆ1（Ｖs1）：「すべり速度−接線力係数」特性【００１３】図１に示すように、空転現象の動特性において、接線力係数μ1はすべり速度Ｖs1とある関係を保っている。この特性は定性的にしか知られていないが、ある時刻に、すべり速度に対応して接線力係数μあるいは接線力Ｆが決まる。言い換えれば、もしすべり速度をある適切な値に制御できれば、接線力を所定の値に制御することができ、それによって空転が抑えられることを意味し、かつ、接線力Ｆも一定になるので、閉ループ的な構造を持つ安定な空転制御系を得ることができる。
【００１４】上述したことをまとめると、図２に示すようなすべり速度制御を利用した空転制御系を構成することができる。なお、１００は空転制御補償器、２００はインバータ及び車両駆動用電動機を含む電動機制御系、３００は前述した数式１及び数式２によって表される車両動特性、４００は予め決められたノッチ−引張力特性であり、ノッチと車両速度に応じて電動機のトルク指令値を出力する。また、８０１〜８０３は加算器である。図２における各値は、次の通りである。
Ｖsr：すべり速度指令値Ｖs：すべり速度τ0*：ノッチ−引張力特性４００による力行時のトルク指令値Δτ*：空転制御補償器１００によるトルク絞り指令値τ*：電動機トルク指令値【００１５】従来の制御方法では決め方がかなり困難であったトルク絞り指令値Δτ*は、本発明では、空転制御補償器１００によってすべり速度指令値Ｖsrと実際のすべり速度Ｖsとの偏差ΔＶsに基づいて自動的に生成される。これにより、システマティックな制御が実現される。
【００１６】上述した図２の基本制御系は、適切なすべり速度指令値Ｖsrが与えられていることを前提としている。すべり速度Ｖsは、接線力係数μあるいは接線力Ｆに関係しており、その特性は天候や線路の状況等によって常に変動するので、事前にすべり速度指令値Ｖsrをどのような値にすればよいかは知り得ない。しかし、すべり速度Ｖsと接線力係数μとの関係は、図３に示すように定性的に表現することができる。
【００１７】図３において、特性１ではすべり速度Ｖsがその最大値Ｖsmをとるとき、接線力係数μがその最大値μmとなる。一般に、多くの場合はこのような特性に属すると認識されている。また、場合によっては、特性２や特性３もあり得る。しかし、これらの特性２や特性３は特性１の特殊な場合と見なせるので、制御系の基本的な検討は特性１に基づいて行えばよい。
【００１８】ここで、図４に示すような接線力探索機能を持つ空転制御系を考える。この図４において、５００は電動機トルクτと車輪軸の周速度Ｖmとに基づいて接線力推定値Ｆpを生成する接線力推定手段、６００は接線力推定値Ｆpとすべり速度Ｖsとに基づいてすべり速度指令値Ｖsrを探索し出力する接線力探索手段、７００は空転制御切り換え判断部である。
【００１９】前述した数式１を考慮して、接線力Ｆpiは数式３によって推定することができる。
【００２０】
【数３】

【００２１】但し、数式３における各値は次の通りである。
Ｔs：空転制御ループの制御周期（サンプリング周期）
ωi（ｋ）：ｉ番目の車輪軸の現時刻の角速度ωi（ｋ−１）：ｉ番目の車輪軸の１制御周期前の角速度【００２２】接線力の探索は、図３に示した「すべり速度Ｖs−接線力係数μ」特性に基づいて、下記の基本ルールに従って行われる。
（１）ＩＦ （Ｖsが増）＆（Ｆpが増） ＴＨＥＮ Ｖsrが増（２）ＩＦ （Ｖsが減）＆（Ｆpが減） ＴＨＥＮ Ｖsrが増（３）ＩＦ （Ｖsが増）＆（Ｆpが減） ＴＨＥＮ Ｖsrが減（４）ＩＦ （Ｖsが減）＆（Ｆpが増） ＴＨＥＮ Ｖsrが減【００２３】また、図４における空転制御切り換え判断部７００は、空転が発生したら自動的に空転制御補償器１００による空転制御を力行制御に付加し、その後、空転が抑えられ、かつ電動機トルクによる引張力が所要の引張力になったら、自動的に力行制御に戻るように作用する。
【００２４】すなわち、前記課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明は、インバータにより車輪駆動用電動機を制御して電気車を運転するインバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、空転・滑走時の車輪速度と車両速度との偏差であるすべり速度を演算するすべり速度演算手段と、すべり速度指令値と前記すべり速度との偏差を演算するすべり速度偏差演算手段と、前記すべり速度偏差演算手段により演算された偏差に基づいて、インバータにより制御される電動機に対するトルク絞り指令値を生成する空転・滑走制御手段とを備えたものである。
【００２５】請求項２記載の発明は、請求項１において、トルク絞り指令値を、すべり速度指令値とすべり速度とから求めたすべり速度偏差に応じて決定し、このトルク絞り指令値と、ノッチ−引張力特性に基づく上位のトルク指令値とに基づいて電動機に対するトルク指令値を得るものである。
【００２６】請求項３記載の発明は、請求項２において、トルク絞り指令値を、すべり速度指令値とすべり速度とから求めたすべり速度偏差に基づいてＰＩ（比例・積分）制御により得るものである。
【００２７】請求項４記載の発明は、請求項１，２または３において、すべり速度と閾値とを比較して空転・滑走制御の必要性を判断し、その結果に応じて力行・制動等の通常制御に空転・滑走制御手段による空転・滑走制御を付加するものである。
【００２８】請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかにおいて、すべり速度を求めるための車両速度として、付随車の車輪軸に取り付けたパルスジェネレータの出力信号を用いるものである。
【００２９】請求項６記載の発明は、請求項１〜５の何れかにおいて、車輪半径、電動機電流（車輪軸駆動トルク）、車輪軸慣性モーメント及び車輪角加速度に基づいて車輪・レール間の接線力を推定し、この接線力推定値とすべり速度とに応じてすべり速度指令値を決定するものである。
【００３０】請求項７記載の発明は、請求項６において、接線力推定値の増減情報とすべり速度の増減情報とを用いてすべり速度指令値の補正値を求め、この補正値によりすべり速度指令値を補正するものである。
【００３１】請求項８記載の発明は、請求項６または７において、接線力推定のために用いる車輪角加速度を、車輪角速度の前回値と今回値との差分と、制御周期（サンプリング周期）とを用いてローパスフィルタにより計算した値を用いるものである。
【００３２】請求項９記載の発明は、請求項７または８において、すべり速度の増減情報を得る際に、現在のすべり速度に対する急激な変化を抑える関数を用いるものである。
【００３３】請求項１０記載の発明は、請求項７〜９の何れかにおいて、１台のインバータにより複数台の電動機を制御する際に、すべり速度の増減情報として、複数台の電動機により各々駆動される各車輪につき求めたすべり速度の増減情報の平均値を用いるものである。
【００３４】請求項１１記載の発明は、請求項１〜１０の何れかにおいて、すべり速度指令値に上下限を設定するものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図５はこの実施形態を示すブロック図であり、１は電気車制御用のインバータ、２はインバータ１により駆動され、かつ、車輪軸に対応して設けられた車輪駆動用の誘導電動機、３は各誘導電動機２に設けられたパルスジェネレータ（ＰＧ）、４は速度演算部、５はトルク指令値から電流指令値を得るための電流指令発生部、６は加算器、７はトルク指令発生器、８は接線力推定部、９は最適すべり速度探索部、１０はすべり速度演算部、１１は空転・滑走制御補償器である。このうち、接線力推定部８、最適すべり速度探索部９、すべり速度演算部１０、空転・滑走制御補償器１１によって、各誘導電動機２ごとに同一構成の空転・滑走制御部Ａ１〜Ａ４が構成されている。
【００３６】図５における主要な各部の作用は以下のとおりである。まず、インバータ１は単一のブロックにより示してあるが、４台のインバータにより個別に４台の誘導電動機２を制御するように構成されている。速度演算部４は、パルスジェネレータ３が生成した信号から、各車輪の角速度ωiと車両速度ｖtとを演算する。接線力推定部８は、上記角速度ωiと、電流検出器により検出した電動機２の電流Ｉとから、接線力推定値Ｆpを演算する。最適すべり速度探索部９は、上記接線力推定値Ｆpと、すべり速度演算部１０により角速度ωi及び車両速度ｖtを用いて演算した当該車輪のすべり速度Ｖsとから、最適なすべり速度をすべり速度指令値Ｖsrとして探索し出力する。空転・滑走制御補償器１１は、上記すべり速度指令値Ｖsrとすべり速度Ｖsとから、トルク絞り指令値Δτ*を生成し、出力する。一方、トルク指令発生器７は、ノッチ指令に応じたトルク指令値τ0*を、車両速度ｖtによるノッチ−引張力特性に従って出力する。加算器６は、τ*＝τ0*＋Δτ*の演算を行って最終的なトルク指令値τ*を得、電流指令発生部５ではトルク指令値τ*を電流指令値Ｉm*に変換してインバータ１に出力する。
【００３７】この動作を更に詳述すると、本実施形態では、空転・滑走制御等をディジタル処理で行っている。速度演算部４では、パルスジェネレータ３の出力信号に基づいて車輪の角速度ωiを演算するとともに、この角速度ωiの最小値をとって車両速度ｖtとする。なお、この車両速度ｖtが履歴より大きく外れる場合には、補正を行うか、あるいは、車両速度として付随車の車輪軸に取り付けたパルスジェネレータの出力信号を使用できる場合はこれを利用する。
【００３８】空転・滑走制御部Ａ１〜Ａ４内のすべり速度演算部１０では、数式４に示される演算を行う。なお、数式４において、Ｒwiは当該車輪の半径であって予め設定された値である。
【００３９】
【数４】Ｖsi＝ωi・Ｒwi−ｖt【００４０】図５における空転・滑走制御補償器１１の動作を図６に示す。まず、空転制御のＯＮ／ＯＦＦを判断する（Ｓ１）。通常の力行制御時には空転制御はＯＦＦとなっている。現在、空転制御がＯＦＦである場合には、すべり速度Ｖsと閾値Ｖsdとを比較し（Ｓ２）、Ｖs≦Ｖsdならば引き続き空転制御のＯＦＦ状態を維持して、トルク絞り指令値Δτ*を０として出力する（Ｓ３）。また、空転制御が現在、ＯＦＦの状態でＶs＞Ｖsdならば空転制御をＯＮとする（Ｓ４）。このように閾値Ｖsdを設けてすべり速度Ｖsとの比較結果に応じて空転制御の要否を決定することにより、レール継ぎ目等での誤信号による空転制御系の誤動作を防止することができる。同時に、微小すべりによるトルク低下の頻発を防ぐ効果もある。
【００４１】空転制御が現在、ＯＮである場合、すべり速度指令値Ｖsrとすべり速度Ｖsとを入力として、ＰＩ補償器によりトルク補正値Δτ**を得る（Ｓ５）。この補正値Δτ**の正負を判断し（Ｓ６）、補正値Δτ**が正であるときは現在の引張力は引張力指令を満足しているので、空転制御をＯＦＦとし（Ｓ７）、トルク絞り指令値Δτ*を０として出力する（Ｓ３）。最後に、補正値Δτ**が負であるとき、その絶対値とトルク絞り量の最大値Δτmaxとを比較し（Ｓ８）、補正値Δτ**の絶対値が最大値Δτmaxよりも小さい場合には、トルク絞り指令値として補正値Δτ**をそのまま出力する（Ｓ９）。また、補正値Δτ**の絶対値が最大値Δτmaxよりも大きい場合には、トルク絞り指令値Δτ*として−Δτmaxを出力する（Ｓ１０）。これにより、トルクの急激な変動を抑制して乗り心地の悪化を防ぐ効果がある。
【００４２】次に、接線力推定部８では、数式５により当該時刻における当該車輪での接線力Ｆを推定する。なお、Ｆpi(ｋ）は当該車輪での接線力推定値である。
【００４３】
【数５】Ｆpi（ｋ）＝（１／Ｒwi）｛τi（ｋ）−Ｊmiαi（ｋ）｝
【００４４】数式５において、電動機トルクτi（ｋ）はτi（ｋ）∝Ｉ（ｋ）であるので、電動機電流Ｉ（ｋ）から得ることができる。また、車輪角加速度αi（ｋ）としては、車輪角速度ωi（ｋ），ωi（ｋ−１）、サンプリング周期Ｔsより、数式６の演算を行い、これをディジタルローパスフィルタにかけたものを用いる。このようにローパスフィルタを用いることにより、ノイズや誤信号による誤動作を防ぐことができる。
【００４５】
【数６】
αi（ｋ）＝｛ωi（ｋ）−ωi（ｋ−１）｝／Ｔs【００４６】次に、図７は最適すべり速度探索部９の動作を示すフローチャートである。ここでは、周期Ｔpですべり速度指令値Ｖsrを更新する。まず、接線力推定値Ｆpの前回値と今回値とから、接線力推定値の増減情報としてのΔＦpを求め、すべり速度Ｖｓの前回値と今回値とからΔＶs’を求める（Ｓ１１，Ｓ１２）。更に、図８に示す関数発生器により、ΔＶs’から、すべり速度の増減情報としてのΔＶsを求める（Ｓ１３）。その際、図８に示す関数の上下限値を調節することにより、すべり速度Ｖsの変動幅が大きくなり過ぎるのを防ぐ。また、図８の関数においてΔＶs’に対する閾値があることから、すべり速度の変化が小さいときにも強制的に探索を行うことができる。
【００４７】次いで、ΔＦpの正負及びΔＶsの正負の関係から、すべり速度指令値Ｖsrの補正値ΔＶsrを決定する（Ｓ１４〜Ｓ２０）。ΔＦp＞０かつΔＶs＞０、あるいは、ΔＦp＜０かつΔＶs＜０の場合には、現在のすべり速度は接線力が最大となるすべり速度より小さく、ΔＦp＞０かつΔＶs＜０、あるいは、ΔＦp＜０かつΔＶs＞０の場合には、現在のすべり速度は接線力が最大となるすべり速度より大きい。これに基づき、ΔＶsr＝β・ΔＶs（Ｓ１５，Ｓ２０）またはΔＶsr＝−β・ΔＶs（Ｓ１７，Ｓ１９）とする。但し、βは設計パラメータであり、０＜β≦１の定数である。更に、ステップＳ２１によりΔＶsrから求めたＶsr(ｔ）に上下限のリミッタＶsru，Ｖsrlを設け、Ｖsrl≦Ｖsr≦Ｖsruの範囲のすべり速度指令値Ｖsrを出力させる（Ｓ２２〜Ｓ２６）。
【００４８】上記実施形態では、空転の場合につき説明したが、滑走時ではＶsi＝ｖt−ωi・Ｒwiとする。また、車両速度ｖtとして各車輪の角速度ωiの最大値をとり、履歴より大きく外れる場合には補正を行う。他は空転時と同様に処理すればよい。
【００４９】また、上記実施形態では、４台のインバータにより個別に４台の誘導電動機２を駆動する場合につき説明した。これに対し、１台のインバータによって複数台（例えば４台）の誘導電動機２を駆動する場合には、各電動機２に電流検出器を取り付け、個別の電動機制御の場合と同様に、各車輪についてすべり速度Ｖsの増減情報としてのΔＶsi（ｉ＝１，２，３，４）を求め、空転・滑走制御補償器１１において数式７により平均値ΔＶsを求めるとともに、このΔＶsをコントローラの入力としてトルク絞り指令値Δτ*を得ればよい。
【００５０】
【数７】

【００５１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、すべり速度を制御することで空転や滑走を抑制し、車輪とレール間の接線力を一定にして閉ループ的な安定した空転・滑走制御を行うことができる。また、自動的に生成されるトルク絞り指令値に従い、レールと車輪との間の粘着状態に応じて電動機を制御することができる。更に、常に接線力係数特性を推定して電気車の運転状態を把握できるので、力行制御等の通常制御に付加する空転・滑走制御のＯＮ／ＯＦＦを自動的に行なうことが可能である。また、接線力の探索をオンラインで行えば、空転・滑走時に電気車の加速度を最大限に確保することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５２３４
【氏名又は名称】富士電機株式会社
【識別番号】０００２３７１５６
【氏名又は名称】株式会社エフ・エフ・シー
【出願日】 平成９年（１９９７）７月４日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】森田 雄一
【公開番号】 特開平１１−２７８１１
【公開日】 平成１１年（１９９９）１月２９日
【出願番号】 特願平９−１７９７５１