電気車の接線力係数推定装置

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【発明の名称】	電気車の接線力係数推定装置
【発明者】	【氏名】大石潔【氏名】中野建【氏名】宮下一郎【氏名】保川忍
【要約】	【課題】主電動機の回転角速度の各演算時点毎に接線力係数を精度良く推定する装置を提供することにある。【解決手段】主電動機の回転角速度に第１の係数器４の係数と第２の係数器５の係数を乗算したものを第１の情報とし、前記主電動機の発生トルクの計測値または演算値を第２の情報とし、積分器６を設けて該出力を第３の情報とし、該第３の情報の符号を反転した情報と前記第２の情報と前記第１の情報を加算器３に入力して加算した出力を積分器６に入力して積分して得られた前記第３の情報と前記第１の情報の符号を反転した情報とを加算器７にて加算して得られたものを第４の情報とする最小次元外乱オブザーバを形成する。更に前記第４の情報に第３の係数器２の係数を乗算することによって接線力係数を算出する電気車の接線力係数推定装置である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】電気車の主電動機軸の回転角速度と主電動機の発生トルクの演算値または計測値を入力情報として電気車の接線力係数を推定する装置において、前記主電動機軸の回転角速度情報に該電動機回転子軸に換算した回転系慣性を乗算する第１の係数器４と、該係数器４の出力情報に積分器６の同一のゲイン定数を乗算する第２の係数器５を具え、該第２の係数器出力情報を第１の情報とし、前記主電動機の発生トルクの演算値または計測値である第２の情報を加算する入力加算器３と、該加算器３の出力情報を入力情報とする積分器６と、該積分器６の出力符号を反転した情報を前記入力加算器３に帰還して得られる積分器６の出力を第３の情報とし、該第３情報と前記第１情報の符号を反転した情報とを加算する出力加算器７とから構成される主電動機負荷トルクの推定器１と、該負荷トルク推定情報を第４の情報とし、該第４情報に減速歯車比と動輪半径逆数値と動輪軸換算荷重逆数値とを乗算する第３の係数器２とから成る電気車の接線力係数推定装置。
【請求項２】電気車の主電動機軸の回転角速度と主電動機の発生トルクの演算値または計測値を入力情報として電気車の接線力係数を推定する装置において、前記主電動機軸の回転角速度情報に該電動機回転子軸に換算した回転系慣性を乗算する第１の係数器４と、該係数器４の出力情報に積分器６のゲイン定数を乗算する第２の係数器５を具え、該第２の係数器出力情報を第１の情報とし、前記主電動機の発生トルクの計測値または演算値である第２の情報を加算する入力加算器３と、該加算器３の出力情報を入力情報とする積分器６と、該積分器６の出力の符号を反転した情報を前記入力加算器３に帰還して得られる積分器６の出力を第３の情報とし、該第３情報と前記第１情報の符号を反転した情報とを加算する出力加算器７と、該出力加算器出力情報を第４の情報とし、該第４情報に減速歯車比と動輪半径逆数値とを乗算する第４の係数器８とから構成される電気車動輪周接線力の推定器と、該動輪周接線力推定器出力情報を第５の情報とし、該第５情報に動輪軸荷重の逆数を乗算する第５の係数器９とから成る電気車の接線力係数推定装置。
【請求項３】電気車の主電動機軸の回転角速度と主電動機の発生トルクの演算値または計測値を入力情報として電気車の接線力係数を推定する装置において、前記主電動機軸の回転角速度情報に該電動機回転子軸に換算した回転系慣性を乗算する第１の係数器４と、該係数器４の出力情報に積分器６のゲイン定数を乗算する第２の係数器５を具え、該第２の係数器出力情報を第１の情報とし、前記主電動機の発生トルクの計測値または演算値である第２の情報を加算する入力加算器３と、該加算器３の出力情報を入力情報とする積分器６と、該積分器６の出力の符号を反転した情報を前記入力加算器３に帰還して得られる積分器６の出力を第３の情報とし、該第３情報と前記第１情報の符号を反転した情報とを加算する出力加算器７とから構成される主電動機負荷トルクの推定器１と、該負荷トルク推定情報を第４の情報とし、該第４情報に減速歯車比と動輪半径逆数値と動輪軸換算荷重逆数値とを乗算する第３の係数器２と、前記第４情報を微分する微分器１１と該微分器出力の符号及び零判別手段１２を備えて成る電気車の接線力係数推定装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、電気車の粘着力の有効利用を図った再粘着制御方法を実現する上で必要となる電気車の接線力係数推定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電気車は車輪・レール間の接線力（粘着力ともいう）によって加減速を行っているが、この接線力は、一般にすべり速度に対して図４に破線で示すような特性を有している。この接線力を軸重（車軸１軸当たりのレールに加わる垂直荷重）で割ったものを接線力係数、接線力の最大値を軸重で割ったものを粘着係数という。図示の如く、接線力の最大値を超えないトルクを主電動機で発生している場合は、空転・滑走は発生せず、接線力の最大値より左側の微小なすべり速度で電気車は走行する。もし最大値より大きいトルクを発生するとすべり速度は増大し、接線力が低下するのでますますすべり速度が増大する空転・滑走状態になるが、車輪及びレールが乾燥状態では主電動機で発生するトルクは接線力の最大値を超えないように車両の性能が設定されるので、空転・滑走は発生しない。
【０００３】しかし、実線で示す如く、レール面が雨等によって湿潤状態にある場合は、粘着係数が低下して接線力の最大値が車両の設定性能に対応した主電動機の発生トルクより小さくなる。この場合、すべり速度が増大し空転状態になり、そのまま放置するとこれに対応して接線力が低下し、車両の加速に必要な加速力がますます低下してしまうので、迅速に空転・滑走を検出し、主電動機が発生するトルクを低減して再粘着させることが必要になる。このようにトルクの制御を行って再粘着させる場合、小さなすべり速度に抑制しつつ、主電動機の発生トルクが極力接線力の最大値近傍の値になるように制御することが、電気車の加減速性能を高める上で必要である。
【０００４】このような再粘着制御の実現を目的とした装置として、主電動機の回転周波数（回転速度）を検出し、これからその時間変化率、すなわち動軸加速度を求めて空転・滑走を検出するとともに、動軸加速度からそのときの主電動機トルクに対応した粘着係数からの低下分を推定することによって粘着係数を推定し、再粘着後に推定した粘着係数に対応したトルクを主電動機で発生するようにした再粘着制御装置がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしこの装置の場合、空転・滑走を誤検知することなく確実に検出するためには、特に軸加速度の各演算時点毎の変動を小さく抑制することが必要で、軸加速度の演算間隔を長くすることが一般に用いられている。そのため軸加速度の演算に大きな遅れが発生し、さらに空転・滑走を確実に検出するための閾値との関係から、空転・滑走検出時には空転・滑走速度が大きくなってしまって、図３に示すようにその時点で粘着係数を推定しても、実際には粘着係数ではなくすべり速度が大きくなったときの接線力係数を推定することになり、粘着係数よりは小さな値になっている。
【０００６】またこのように大きな遅れをともなって軸加速度を演算しても、なお演算時間毎の軸加速度の演算値の変動が大きいため、接線力係数の推定値も大きく変動することになる。この接線力係数を用いて再粘着制御を行うため、接線力係数の最大値近傍でのトルク制御が実現できない。さらに、空転・滑走を検出してからすべり速度を小さくするために、すなわち再粘着させるために、主電動機での発生トルクを低減した後、推定粘着係数相当のトルクに復帰させる制御を行うことによって、乗り心地が悪化することが考えられる。このように、従来の接線力係数の推定方法では、良好な乗り心地を保ちつつ粘着力の有効利用が可能な再粘着制御が実現できない。
【０００７】このように、各演算時点毎の軸加速度の変動を抑制するために、演算時間間隔を大きくして求めた軸加速度を用いて、空転・滑走を検出し、その時の接線力係数を推定する方法では、空転・滑走検出時の接線力しか推定できないことと、一般に空転・滑走検出感度との関係から、空転・滑走が大きくなった、すなわちすべり速度の大きいときの接線力係数の推定にしかならないので、この接線力の推定値を用いて再粘着制御しても、接線力の最大値に対応したトルクを発生することができないので、十分に粘着力の有効利用可能な再粘着制御にはならないことと、空転・滑走を検出してトルクを制御する間欠制御であるため、乗り心地の悪化を招くきらいがある。本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、これらの欠点を解決し、主電動機の回転角速度の各演算時点毎に接線力係数を精度良く推定する方法を提供することであり、本推定方法を用いてトルク制御を行うことによって、良好な乗り心地を保ちつつ粘着力の有効利用が可能な再粘着制御が実現できる電気車の接線力係数推定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】つまり、その目的を達成するための手段は、電気車の主電動機軸の回転角速度情報に該電動機回転子軸に換算した回転系の全慣性を乗算する第１の係数器４と、該係数器４の出力情報に積分器６のゲイン定数を乗算する第２の係数器５を具え、該第２係数器出力情報を第１の情報とし、前記主電動機の発生トルクの演算値または計測値である第２の情報を加算する入力加算器３と、該加算器３の出力情報を入力情報とする積分器６と、該積分器出力の符号を反転した情報を前記入力加算器３に帰還して得られる積分器出力を第３の情報とし、該第３情報と前記第１情報の符号を反転した情報とを加算する出力加算器７とから構成される主電動機負荷トルクの推定器１を構成し、該負荷トルク推定情報を第４の情報とし、該第４情報に減速歯車比と動輪半径逆数値と動輪軸換算荷重逆数値とを乗算する第３の係数器２とから前記電気車の接線力係数を推定する。
【０００９】負荷トルクの推定器１はいわゆる最小次元外乱オブザーバと称するもので、電動機の負荷トルクまたは慣性、粘性などの機械的はパラメータがステップ状に変化するとき、これらを負荷外乱として一括推定することができる。外乱オブザーバはサーボモータの制御系の外乱抑圧方策として知られており、その原理は下記論文により開示されている。文献名：大石潔、大西公平、宮地邦夫（慶応大学）：「オブザーバを用いた他励直流機のトルク制御」、電気学会回転機研究会資料，ＲＭ－８２－３３，１９８２－２【００１０】前記の機械的なパラメータがステップ状ではなく複雑な形で変化してもその変化が緩慢であればそれは微少なステップ的変動の積み重ねとして最小次元外乱オブザーバで推定できる。ところで電動機発生トルクのうち車両の加速に寄与する成分は発生トルクから電動機回転子自身及び減速歯車、駆動輪等回転部分を加速するトルク成分を差し引いた残りである。すなわち外乱推定器１の出力が車両を加速する成分にほかならない。加速トルク成分を動輪周接線力で表すには減速歯車比を乗じ動輪半径で割ればよい。接線力係数は、ここで得られた動輪周接線力をさらに動輪軸換算荷重で割ることにより求められる。あるいは外乱オブザーバ出力すなわち前記第４情報に減速歯車比と動輪半径逆数値と動輪軸換算荷重逆数値等をまとめて乗算する第３の係数器２を設置することにより接線力係数を推定することができる。
【００１１】また、前記電気車の接線力係数を推定する際第３の係数器２は軸重を定数としていた。しかし電気車の軸重は乗客数が変わると変動する。そこでつぎのように構成すると、電気車の軸重が変動しても正しい接線力係数を求めることができるすなわち、電気車の主電動機の回転角速度と主電動機の発生トルクの演算値または計測値を入力情報として電気車の接線力係数を推定する方法において、前記主電動機軸の回転角速度情報に該電動機回転子軸に換算した回転系慣性を乗算する第１の係数器４と、該係数器４の出力情報に積分器６のゲイン定数を乗算する第２の係数器５を具え、該第２係数器出力情報を第１の情報とし、前記主電動機の発生トルクの計測値または演算値である第２の情報を加算する入力加算器３と、該加算器３の出力情報を入力情報とする積分器６と、該積分器出力の符号を反転した情報を前記入力加算器３に帰還して得られる積分器出力を第３の情報とし、該第３情報と前記第１情報の符号を反転した情報とを加算する出力加算器７と、該出力加算器出力情報を第４の情報とし、該第４情報に減速歯車比と動輪半径逆数値とを乗算する第４の係数器８とから構成される電気車動輪周接線力の推定器と、該動輪周接線力推定器出力情報を第５の情報とし、該第５情報に動輪軸荷重の逆数を乗算する第５の係数器９とから成る装置を構成することにより、電気車の接線力係数を推定することができる。
【００１２】さらに、接線力係数が最大値に達すると、接線力係数の微分値が零になるので推定した接線力係数の微分手段を設けることにより、これを知ることができる。すなわち、電気車の主電動機軸の回転角速度と主電動機の発生トルクの演算値または計測値を入力情報として電気車の接線力係数を推定する方法において、前記主電動機軸の回転角速度情報に該電動機回転子軸に換算した回転系慣性を乗算する第１の係数器４と、該係数器４の出力情報に積分器６のゲイン定数を乗算する第２の係数器５を具え、該第２係数器出力情報を第１の情報とし、前記主電動機の発生トルクの計測値または演算値である第２の情報を加算する入力加算器３と該加算器３の出力情報を入力情報とする積分器６と、該積分器出力の符号を反転した情報を前記入力加算器３に帰還して得られる積分器出力を第３の情報とし、該第３情報と前記第１情報の符号を反転した情報とを加算する出力加算器７とから構成される主電動機負荷トルクの推定器と、該負荷トルク推定情報を第４の情報とし、該第４情報に減速歯車比と動輪半径逆数値と動輪軸換算荷重逆数値とを乗算する第３の係数器２と、前記第４情報を微分する微分器１１と該微分器出力の符号及び零判別手段１２を備える装置を構成すれば、電気車の接線力係数推定とその接線力係数が最大値に達する時点を推定することができる。以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は最小次元外乱オブザーバを用いた接線力係数推定の基本構成を表すブロック線であり、請求項１記載の第一実施例に対応する。図２は図１の原理に基づく接線力係数推定のシミュレーション結果を示す図、図３は従来の空転・滑走検出時の接線力係数の推定値をもとに再粘着制御した場合の接線力の推移を示す図、図４はすべり速度に対する車輪・レール間の接線力特性の例を示す図である。また図５、図６は本発明の請求項２及び３に記載した別の実施例を示すブロック線図である。図１は主電動機発生トルクＴｒｑｍと回転角速度ωｍｉを入力として最小次元外乱オブザーバ１により車両加速トルクＴｌを推定し、その結果に第３の係数器２の係数Ｒｇ／（Ｗ・ｇ・ｒ）を乗じて電気車の接線力係数μｅを推定する装置である。図１において、主電動機回転角速度入力ωｍｉに第１の係数器４の係数Ｊｍと第２の係数器５の係数ａを乗算したものを第１の情報としこの第１情報を加算器３に入力する。また主電動機発生トルクの演算値あるいは計測値Ｔｒｑｍの入力を第２の情報とし加算器３に入力するとともに、積分器６の出力の符号を反転した信号を帰還し加算器３に入力する。積分器６の出力を第３の情報とし次の加算器７に入力するとともに、前記第１情報の符号を反転して加算器７に入力する。かくして負荷トルクまたは車両加速トルク成分Ｔｌを得る。この車両加速トルク成分Ｔｌを第４の情報とする。第４の情報に第３の係数器２により係数Ｒｇ／（Ｗ・ｇ・ｒ）を乗算し接線力係数の推定値μｅを得る。
【００１４】図５は軸重Ｗを車両の積載荷重により変化する点を考慮しこれを第３の入力として接線力係数の推定値μｅに反映させるようにする手段を示す。すなわち係数器２の係数を定数項Ｒｇ／ｒと変数１／（Ｗ・ｇ）に分け、車両加速トルク成分Ｔｌに定数項Ｒｇ／ｒを乗じて得られる接線力Ｆμを第５の情報とし、この第５情報ＦμをＷ・ｇで割るか、または逆数１／（Ｗ・ｇ）を乗ずることにより積載荷重の変化を考慮した接線力係数の推定値μｅを得る。図５は可変軸重の逆数１／（Ｗ・ｇ）を乗算する手段の例を示すが、これをＷ・ｇの除算手段で実現することも可能である。図６はトルク外乱オブザーバ１を基本とする手段を示すが、あらかじめ電動機発生トルクＴｒｑｍ入力及び回転角速度ωｍｉ入力に定数項Ｒｇ／ｒを乗じておけば推定器そのものが動輪周接線力オブザーバとなるが、このような装置は図１のトルク外乱オブザーバ１を用いる方法と同等であることはいうまでもない。
【００１５】次にこの実施例の動作について説明する。車両全体を１軸モデルで表すと、次に示す（１）～（７）式の関係式が得られる。
Ｍ・ｄＶｔ／ｄｔ＝μ（Ｖｓ）・Ｗ・ｇ－Ｒｖ・・・・・・・・・・（１）
Ｊ・ｄωｄ／ｄｔ＝Ｔ－μ (Ｖｓ）・Ｗ・ｇ・ｒ・・・・（２）
Ｖｓ＝Ｖｄ－Ｖｔ・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｔｒｑｍ＝Ｊｍ・ｄωｍｉ／ｄｔ・・・・・・・・・・・・・（４）
Ｔｍ１＝Ｊｍ１・ｄωｍ１／ｄｔ・・・・・・・・・・・・・（５）
Ｔｒｑｍ・Ｒｇ＝Ｔ・・・・・・・・・・・・・（６）
Ｔｍ１・Ｒｇ＝Ｔ１・・・・・・・・・・・・・（７）
ここに、Ｖｔ: 車両進行速度、Ｖｄ: 動輪周速度、Ｖｓ: すべり速度 (動輪周速度と車両速度との差速度) 、Ｒｖ：列車の走行抵抗、Ｍ :１動輪軸に換算した列車全体の重量、μ（Ｖｓ） :接線力係数、Ｗ :軸重、ｇ :重力加速度、ｒ: 動輪半径、Ｒｇ :歯車比、Ｔ :動軸入力トルク、Ｔ１: 動軸出力トルク、Ｔｒｑｍ: 主電動機軸まわりの入力トルク、Ｔｍ１ :主電動機軸まわりの出力トルク、Ｊ : 動輪軸まわりの慣性モーメント、Ｊｍ：電動機軸に換算した回転軸まわりの慣性モーメント（入力トルクに対応したもの）、Ｊｍ１: 主電動機軸まわりの慣性モーメント（入力トルクに対応したもの) 、ωｄ: 動軸出力トルクによって発生する動輪軸角速度、ωｍｉ: 主電動機軸まわりの入力トルクに対応した主電動機の回転角速度、ωｍ１: 主電動機軸まわりの出力トルクに対応した主電動機の回転角速度である。
【００１６】さらに、Ｔｍ１＝ (Ｊ・ｄωｄ／ｄｔ）／Ｒｇ＝〔Ｔ－μ (Ｖｓ）・Ｗ・ｇ・ｒ〕／Ｒｇ・・・・・・・・（８）
上記（６）～（８）式から、Ｔｒｑｍ－Ｔｍ１＝〔μ (Ｖｓ）・Ｗ・ｇ・ｒ〕／Ｒｇ・・・・・・（９）
が得られる。ここで、Ｔｒｑｍ－Ｔｍ１を負荷外乱と見なせば、図１に破線で示す最小次元外乱オブザーバ１を構成し、その出力Ｆμを係数器２に入力することによって、（１０）式のように接線力係数の推定値μｅが求められる。
μｅ＝（Ｔｒｑｍ－Ｔｍ１) ・〔ａ／（ｓ＋ａ）〕・〔Ｒｇ／( Ｗ・ｇ・ｒ）〕
・・・（１０）
ここに、ｓ: ラプラス演算子、ａ: 外乱オブザーバの極であり、極ａの逆数はオブザーバの推定遅れの時定数を意味している。である。
【００１７】図２は、外乱オブザーバの極ａを変えた場合の接線力係数の推定シミュレーション結果の例を示す特性図であって、図４に示すような接線力係数の特性を仮定して、指令トルクをランプ関数状に増大させていったときの結果を示している。図２において、接線力係数は真値μ（Ｖｓ）を、また接線力係数の推定誤差は接線力係数μ（Ｖｓ）と接線力係数の推定値μｅの差を表しており、図示の如く、外乱オブザーバの極が５０００の場合と１００の場合共に、接線力係数の真値μ（Ｖｓ）に接線力係数の推定値μｅが良く追従していて、その推定誤差は非常に小さく、高い精度で接線力係数が推定できていることが分かる。
【００１８】このように外乱オブザーバによって接線力係数の推定値μｅを時々刻々演算し、このμｅに対応したトルクを指令して主電動機で発生するように制御することによって、接線力をピーク点近傍に維持する制御が可能になる。接線力がピーク点近傍にあるか、ピーク点のどちら側にあるかを判別するには図６のように負荷トルク推定出力に微分器１１及び符号判別器１２とを設け、その出力が正値、負値、零値を判定すればよい。接線力係数の微分値はｄμ（Ｖｓ）／ｄＶｓで表されるが、この式は｛ｄμ（Ｖｓ）／ｄｔ｝／｛ｄＶｓ／ｄｔ｝と変形される。ただしｄｔは時間微分である。すなわち前記微分器１１は｛ｄμ（Ｖｓ）／ｄｔ｝を出力する。接線力係数の微分値の符号により現在の接線力係数の状態を正確に評価することができる。接線力係数を推定する最小次元外乱オブザーバはローパスフィルタの機能があるので、微分演算に対してはある程度ノイズを抑制したものになっている。ここで接線力係数の微分は無次元化された出力情報を基に演算せず、負荷トルク推定器または接線力推定器の出力を歯車比、車輪径、軸重を乗除せずに微分しても等価な情報が得られる。この微分値の符号により現在の接線力係数の状態を正確に評価する方法は前記軸重が変動する場合にも図６の実施方法により適用可能であることはいうまでもない。
【００１９】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、時々刻々接線力係数を精度良く推定できるので、この推定値を用いて主電動機のトルク制御を行うことによって、接線力のピーク点近傍に発生トルクを維持することができ、良好な乗り心地を維持しつつ粘着力の有効利用が可能となり、実用上、極めて有用性の高いものである。

【出願人】	【識別番号】０００００３１１５【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社【識別番号】５９８１２５３９４【氏名又は名称】大石潔
【出願日】	平成１０年（１９９８）２月２７日
【代理人】
【公開番号】	特開平１１－２５２７１６
【公開日】	平成１１年（１９９９）９月１７日
【出願番号】	特願平１０－６１９３８