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【発明の名称】 リニアシステムの加速度制御装置
【発明者】 【氏名】古賀 俊作

【氏名】北野 淳一
【要約】 【課題】加速度指令値をフィードフォワードして速度偏差を低減する際に乗り心地の悪化を防止する。

【解決手段】速度制御器13では、第１比較器21にて速度偏差△Ｖ（＝Ｖ*−Ｖ）を求め、速度偏差平均化処理器22にて所定回数分の速度偏差の平均値△Ｖavを求め、速度補償器23にてこの平均値△Ｖavを補償演算して加算器25に入力する一方、走行前に定められた加速度指令値α*を加速度フィードフォワード補償器27にて補償演算した値を加算器25に入力し、この加算器25の出力を電流指令値Ｉ*として出力する。つまり、速度指令値から実速度平均値を差し引いた速度偏差を用いて補償演算を行うのではなく、速度指令値から実速度を差し引いた速度偏差の平均値を用いて補償演算を行うため、制御遅れを生じさせることなく加速度変化点のタイミングで適切に加速度フィードフォワードを適用できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 推進コイルが地上側の軌道に沿って配置され、界磁コイルが前記推進コイルに対向するように車両側に搭載され、速度制御器が電流指令値を出力し、電力変換器がこの電流指令値に応じた電流を前記推進コイルへ供給して前記推進コイルに磁界を発生させることにより前記界磁コイルを搭載した車両を推進させるリニアシステムに用いられ、前記速度制御器の一部を成す加速度制御装置において、所定タイミングごとに速度指令値と実速度との速度偏差につき、所定回数分の平均値を算出する速度偏差平均算出手段と、前記速度偏差平均算出手段により算出された速度偏差平均値のフィードバック補償演算値および予め走行前に定められた加速度指令値のフィードフォワード補償演算値に基づいて、前記電流指令値を求める電流指令値算出手段とを備えたことを特徴とするリニアシステムの加速度制御装置。
【請求項２】 請求項１記載のリニアシステムの加速度制御装置であって、前記電流指令値算出手段は、前記速度偏差平均算出手段により算出された速度偏差平均値を比例・積分演算して得たフィードバック補償演算値と、予め走行前に定められた加速度指令値を比例演算して得たフィードフォワード補償演算値とを加算した加算値に基づいて、前記電流指令値を求めることを特徴とするリニアシステムの加速度制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リニアシステムの加速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、超電導磁気浮上式鉄道車両に代表されるリニアシンクロナスモータ（以下ＬＳＭともいう）式車両の制御装置として、図５に示すように、地上側の軌道に沿って配置された推進コイル１０１と、この推進コイル１０１に対向するように車両側に搭載された界磁コイル１０２と、速度指令値Ｖ*と実速度Ｖとの偏差即ち速度偏差△Ｖを補償演算した値に基づいて電流指令値Ｉ*を出力する速度制御部１０３と、この電流指令値Ｉ*と位相基準信号とから正弦波状の電流パターンを出力する乗算器１０４と、この乗算器１０４から出力された電流パターンに応じた三相交流電流を推進コイル１０１へ供給する電力変換器１０５と、推進コイル１０１と界磁コイル１０２との相対位置を検出して位置位相信号を出力する位置検出器１０６と、この位置位相信号を安定化させると共に電力変換器１０５に指令する位相基準信号や速度制御のための実速度を演算して出力する位相同期制御部１０７とを備えたものが知られている。
【０００３】ＬＳＭ式車両は、超電導コイルである界磁コイル１０２によって発生する磁界と、電力変換器１０５から供給される三相交流電流によって推進コイル１０１に発生する磁界との相互作用により、推進力を得て駆動される。ここで、速度制御部１０３は速度偏差△Ｖがゼロになるように電流指令値Ｉ*を出力するが、具体的には図６のブロック図に示すように、第１比較器１１１にて速度指令値Ｖ*と実速度Ｖとの速度偏差△Ｖを求め、速度補償器１１２にてこの速度偏差△Ｖを補償演算し、その出力を加算器１１５に入力する。一方、走行前に定められた加速度指令値α＊（例えば速度指令値Ｖ＊を微分器１１６にて微分して得た値）を加速度フィードフォワード補償器１１７にて演算処理した値を同じく加算器１１５に入力する。そして、この加算器１１５の出力を電流指令値Ｉ＊として出力する。このようにして加速度指令値をフィードフォワードして速度偏差を低減する制御は、例えば特開平４−７９７８３号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述のように加速度指令値をフィードフォワードして速度偏差を低減する制御を行った場合には、加速度変化点において過剰な電流が流れて加速度が大きく変動し、かえって乗り心地に悪影響を与えることがあるという問題があった。
【０００５】その原因につき以下のように推察した。即ち、上述の制御では、実速度Ｖを取り込む際にノイズ等の影響を考慮して速度平均化処理器１１３にて所定回数分の過去の実速度を平均した平均値を実速度Ｖとして取り込んでいるため、取り込んだ実速度Ｖは本当の意味での実速度ではなく、したがって加速度変化点のタイミングで加速度フィードフォワードを適用して速度偏差△Ｖを低減したいにもかかわらず、制御に遅れが生じてしまい、加速度変化点のタイミングで加速度フィードフォワードを適用できていないと推察した。
【０００６】本発明は上記問題点を解決することを課題とするものであり、加速度指令値をフィードフォワードして速度偏差を低減する際に乗り心地の悪化を防止するリニアシステムの加速度制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記課題を解決するため、本発明は、推進コイルが地上側の軌道に沿って配置され、界磁コイルが前記推進コイルに対向するように車両側に搭載され、速度制御器が電流指令値を出力し、電力変換器がこの電流指令値に応じた電流を推進コイルへ供給して前記推進コイルに磁界を発生させることにより前記界磁コイルを搭載した車両を推進させるリニアシステムに用いられ、前記速度制御器の一部を成す加速度制御装置において、所定タイミングごとに速度指令値と実速度との速度偏差につき、所定回数分の平均値を算出する速度偏差平均算出手段と、前記速度偏差平均算出手段により算出された速度偏差平均値のフィードバック補償演算値および予め走行前に定められた加速度指令値のフィードフォワード補償演算値に基づいて、前記電流指令値を求める電流指令値算出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】本発明のリニアシステムの加速度制御装置は、速度制御器の一部として構成され、速度偏差平均算出手段と、電流指令値算出手段とを備えている。そして、速度偏差平均算出手段は、所定タイミングごとに速度指令値と実速度との速度偏差につき、所定回数分の平均値を算出し、電流指令値算出手段は、この速度偏差平均値をフィードバック補償演算した値および予め走行前に定められた加速度指令値をフィードフォワード補償演算した値に基づいて、電流指令値を求める。
【０００９】このように、本発明では加速度フィードフォワードを適用しているため、速度偏差がゼロになるまでの時間を短縮化できる。また、予め定められた加速度指令値を用いるため、実速度を微分して求めた実加速度を用いる加速度制御系に比べて、高域周波数帯やノイズに対して不安定な微分回路が不要であり、安定性が高い。そして、特に本発明では、所定回数分の実速度を平均した実速度平均値を取り込んで速度偏差（＝速度指令値−実速度平均値）を求めてこの速度偏差の補償演算を行うのではなく、所定回数分の速度偏差（＝速度指令値−実速度）を平均した速度偏差平均値を求めてこの速度偏差平均値の補償演算を行うため、加速度変化点のタイミングで加速度フィードフォワードを適用して速度偏差を低減したい場合に、制御遅れを生じさせることなくその加速度変化点のタイミングで適切に加速度フィードフォワードを適用できる。
【００１０】以上のように、本発明によれば、加速度指令値をフィードフォワードして速度偏差を低減する際、追従性や動作安定性が良好なばかりでなく、制御遅れを生じさせることなくその加速度変化点のタイミングで適切に加速度フィードフォワードを適用できるため、乗り心地も良好に保つことができる。
【００１１】本発明のリニアシステムの加速度制御装置において、電流指令値算出手段は、速度偏差平均算出手段により算出された速度偏差平均値を比例・積分演算して得たフィードバック補償演算値と、予め走行前に定められた加速度指令値を比例演算して得たフィードフォワード補償演算値とを加算した加算値に基づいて、電流指令値を求めることが好ましい。この場合、加速度指令値をフィードフォワードして速度偏差を低減する際に乗り心地の悪化を確実に防止できる。なお、電流指令値を求める際に、両補償演算値に更に実速度を補償演算して得た値を加算して、その加算値に基づいて電流指令値を求めるようにしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、リニアシステムの構成を表す概略ブロック図である。リニアシステムは、地上側の軌道に沿って配置された推進コイル１１と、この推進コイル１１に対向するようにＬＳＭ式車両側に搭載された界磁コイル１２と、電流指令値Ｉ*を出力する速度制御器１３と、この電流指令値Ｉ*と位相基準信号とから正弦波状の電流パターンを出力する乗算器１４と、この乗算器１４から出力された電流パターンに応じた三相交流電流を推進コイル１１へ供給する電力変換器１５と、推進コイル１１と界磁コイル１２との相対位置を検出して位置位相信号θを出力する位置検出器１６と、この位置位相信号θを安定化させると共に電力変換器１５に指令する位相基準信号や速度制御のための実速度Ｖを演算して出力する位相同期制御部１７とを備えている。なお、ＬＳＭ式車両は、超電導コイルである界磁コイル１２によって発生する磁界と、電力変換器１５から供給される三相交流電流によって推進コイル１１に発生する磁界との相互作用により、推進力を得て駆動される。
【００１３】ここで、速度制御器１３の機能について図１に基づいて詳説する。速度制御器１３では、第１比較器２１にて速度指令値Ｖ*と実速度Ｖとの速度偏差△Ｖを求め、速度偏差平均化処理器２２にて所定回数分（ここではＮ回分）の速度偏差△Ｖの平均値△Ｖavを求め、速度補償器２３にてこの速度偏差平均値△Ｖavをフィードバック補償演算し、その出力を加算器２５に入力する。一方、走行前に定められた加速度指令値α*（ここでは速度指令値Ｖ*を微分器２６にて微分して得た値）を加速度フィードフォワード補償器２７にて補償演算した値を同じく加算器２５に入力する。そして、この加算器２５の出力を電流指令値Ｉ*として出力する。
【００１４】なお、本実施形態の速度偏差平均化処理器２２が本発明の速度偏差平均算出手段に相当し、本実施形態の加算器２５が本発明の電流指令値算出手段に相当する。この速度制御器１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータとして構成されており、その機能は既に述べたとおりであるが、具体的な動作について図２の電流指令値出力処理のフローチャートに基づいて説明する。この電流指令値出力処理のプログラムは速度制御器１３のＲＯＭに記憶されており、所定サンプリング時間Ｔｓおきに速度制御器１３のＣＰＵがＲＯＭから読み出して実行するものである。
【００１５】速度制御器１３は、この電流指令値出力処理が開始されると、今回が初回か否かを判断し（Ｓ１０１）、今回が初回ならばサンプリング番号ｎに「１」をセットし（Ｓ１０２）、その後Ｓ１０４へ進む。一方、Ｓ１０１で今回が初回でなければサンプリング番号ｎをインクリメントし（Ｓ１０３）、その後Ｓ１０４へ進む。
【００１６】Ｓ１０４では、速度指令値Ｖn*と実速度Ｖnから速度偏差△Ｖnを求めこれを記憶し、続くＳ１０５では、サンプリング番号ｎが所定回数Ｎに達したか否かを判断し、サンプリング番号ｎが所定回数Ｎに達していなければ（Ｓ１０５でＮＯ）、所定回数Ｎ分の速度偏差平均を求めることができないため、Ｓ１１０に進んで過去ｎ回分の速度偏差平均△Ｖavnを求めたあと後述のＳ１０７以下の処理を行う。尚、添え字の「ｎ」はｎ番目のサンプリング時の値であることを示す。
【００１７】一方、サンプリング番号ｎが所定回数Ｎに達していれば（Ｓ１０５でＹＥＳ）、Ｓ１０６に進んで、今回から過去Ｎ回分の速度偏差平均△Ｖavnを求め、続くＳ１０７で△Ｖavnを比例・積分演算して速度補償値（フィードバック補償演算値）を求め、Ｓ１０８で加速度指令値α*を比例演算して加速度補償値（フィードフォワード補償演算値）を求め、Ｓ１０９で速度補償値と加速度補償値とを加算し、これを電流指令値Ｉ*として出力する。
【００１８】次に、上述の電流指令値出力処理を実行してＬＳＭ式車両を走行させたときの結果を図３に基づいて説明する。ここでは、図３（ａ）にて点線で示すように、速度Ｖ１から速度Ｖ２へ移行する速度パターンにおける加速度変化点付近での実加速度の推移を計測した。この速度パターンにおける速度指令値の変化は図３（ａ）にて実線で示したとおりである。なお、対比のために、速度偏差平均の代わりに速度平均を用いた比較形態（[従来の技術］、［発明が解決しようとする課題］の欄で図５及び図６を用いて説明した従来例）についても同様の計測を行った。この比較形態は、図６に示すように、速度平均化処理器１１３を用いて過去Ｎ回分の実速度の平均値を求め、これを第１比較器１１１に入力して速度偏差（＝速度指令値−実速度平均値）を求めるものである。
【００１９】図３から明らかなように、本実施形態の実加速度の推移をみると、加速度変化点において過剰な電流が流れて加速度が大きく変動するような様子は見られず、加速度がスムーズに推移していく様子がみられた（図３（ｂ）参照）。これに対して、比較形態の実加速度の推移をみると、加速度変化点において過剰な電流が流れて加速度が大きく変動する様子がみられた（図３（ｃ）参照）。この結果、本実施形態は比較形態に比べて加速度変化点における乗り心地が良好であることが明らかになった。
【００２０】なお、本実施形態、比較形態のいずれにおいても、加速度フィードフォワードを採用したことにより、これを採用しない場合に比べて、加速度変化点における速度偏差が抑制されると共に速度偏差がゼロになるまでに要する時間も短縮されたが、特に本実施形態においてその程度が顕著であった。
【００２１】以上詳述したように、本実施形態によれば、加速度フィードフォワードを適用しているため、速度偏差がゼロになるまでの時間を短縮化でき、また、予め定められた加速度指令値を用いるため、実速度を微分して求めた実加速度を用いる加速度制御系に比べて、高域周波数帯やノイズに対して不安定な微分回路が不要であり、安定性が高いという効果が得られる。
【００２２】そして特に、速度指令値から実速度平均値を差し引いた速度偏差を用いて補償演算を行うのではなく、速度指令値から実速度を差し引いた速度偏差の平均値を用いて補償演算を行うため、加速度変化点のタイミングで加速度フィードフォワードを適用して速度偏差を低減したい場合に、制御遅れを生じさせることなくその加速度変化点のタイミングで適切に加速度フィードフォワードを適用できる。
【００２３】つまり、本発明によれば、加速度指令値をフィードフォワードして速度偏差を低減する際、追従性や動作安定性が良好なばかりでなく、乗り心地も良好に保つことができるという効果が得られる。尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
【００２４】例えば、上記実施形態の速度制御器１３につき、図４に示すように、速度フィードバック補償器２４にて実速度Ｖのフィードバック補償演算（例えば比例演算）を行い、これを加算器２５にて差し引くように構成してもよい。また、速度制御器１３につき、加算器２５の出力を電流リミッタを通し、加算器２５の出力値が電流リミッタの許容範囲内であればその出力値をそのまま電流指令値Ｉ*とし、加算器２５の出力値が電流リミッタの許容範囲を超えていればその出力値ではなくリミッタ値を電流指令値Ｉ*とするように制御してもよい。
【００２５】更に、速度制御器１３につき、速度指令（速度指令値Ｖ*）のフィードフォワード補償量や位置指令（速度指令値Ｖ*の積分値）のフィードフォワード補償量を加算器２５に加算してもよい。
【出願人】 【識別番号】３９００２１５７７
【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社
【識別番号】０００１７３７８４
【氏名又は名称】財団法人鉄道総合技術研究所
【出願日】 平成１２年１月２５日（２０００．１．２５）
【代理人】 【識別番号】１０００８２５００
【弁理士】
【氏名又は名称】足立 勉 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−２１１５０９（Ｐ２００１−２１１５０９Ａ）
【公開日】 平成１３年８月３日（２００１．８．３）
【出願番号】 特願２０００−１５７３６（Ｐ２０００−１５７３６）