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【発明の名称】 電気車制御装置
【発明者】 【氏名】大石 潔

【氏名】黒丸 廣一

【氏名】宮下 一郎

【氏名】保川 忍
【要約】 【課題】台車のパラメータがいかなる値の場合であっても、外乱オブザーバを用いて接線力係数とその時間微分値を推定する手法を用いた再粘着制御系について、常に安定な再粘着制御系を構成し、粘着力の有効利用を図ることにある。

【解決手段】それぞれの動軸の推定接線力係数と接線力係数の時間微分値の推定値を互いに他方の主電動機へのトルク指令値を演算する前記制御器へ入力して各主電動機へのトルク指令値を演算し、より一層再粘着制御の安定化を図るよう構成したものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 二台の主電動機それぞれのトルク指令値または発生トルクの演算値と、速度センサによって検出した前記二台の主電動機軸の回転速度をそれぞれの主電動機に対応した外乱オブザーバへの入力情報として、前記外乱オブザーバそれぞれを用いて推定した各主電動機に対応した電気車の動輪の推定接線力係数と接線力係数の時間微分値の推定値を用いて前記二台の主電動機のトルク指令値または発生トルクをそれぞれ独立に制御する制御器を設けた電気車制御装置において、前記それぞれの動軸の推定接線力係数と接線力係数の時間微分値の推定値を互いに他方の主電動機へのトルク指令値を演算する前記制御器へ入力して各主電動機へのトルク指令値を演算し、より一層再粘着制御の安定化を図るよう構成したことを特徴とする電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、電気車の良好な乗り心地を維持しつつ粘着力の有効利用を図った再粘着制御を実現する電気車制御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14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、接線力係数の最大値を粘着係数という。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あるいはブレーキ時に主電動機トルクに併せて主電動機に機械的に結合された動軸（以下単に動軸と称する）の空気ブレーキ力と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の粘着領域で電気車は走行する。
【０００３】もし最大値より大きな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、車輪およびレールが乾燥状態では主電動機で発生するトルクあるいはブレーキ時には動軸の空気ブレーキ力と主電動機トルクの合算値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。しかし、実線で示すように、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トルクより小さくなる。
【０００４】この場合、すべり速度が増大し空転・滑走状態になり、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・減速に必要な加減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あるいはブレーキ時には動軸の空気ブレーキ力と主電動機発生トルクとの合算値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あるいは動軸の空気ブレーキ力と主電動機発生トルクとの合算値を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。
【０００５】このような再粘着制御の実現を目的とした方法として、主電動機の回転速度を検出し、この情報と主電動機発生トルクの演算値または計測値を入力情報として最小次元外乱オブザーバを用いて車輪・レール間の接線力係数を各制御周期毎に推定して、主電動機の発生トルクを制御する方式が、最近提案されている (文献(1) ：外乱オブザーバを用いた電気車の接線力係数の推定方法−第２報−、電気学会半導体電力変換器研究会、平成10年１月30日) 。
【０００６】また１次外乱オブザーバを用いて接線力係数の他に、接線力係数の時間に対する微分値を推定して、空転・滑走をより速く検出することで再粘着制御性能をより一層向上するための提案もなされている（文献(2) ：１次外乱オブザーバに基づく電気車のロバストな粘着制御の一方式、平成11年電気学会産業応用部門大会論文集、平成11年８月) 。
【０００７】実際の電気車では、各動軸毎に装置された電動機への指令トルクを制御する場合、各台車の進行方向前方の動軸と後方の動軸の軸重が、車両が停止している時の軸重から変化する。しかも、時々刻々指令トルク (したがって、発生トルク)が変化すると、それに対応して各動軸の軸重もダイナミックに変化する。そのため、これらの外乱オブザーバを用いて推定した接線力係数に軸重変動に伴う推定誤差が発生する。再粘着制御には、このような状況においても、安定な再粘着制御系を構成して良好な乗り心地を維持しつつ粘着力の有効利用が達成できることが求められる。もちろん、上記の文献の制御手法もこのような目的の実現を目指したものであるが、台車の動的な挙動を十分に考慮に入れて、これに対して非常にロバストな制御系を構成することが求められる。
【０００８】以下、図面に基づいて説明する。図７は従来の各軸独立に再粘着制御系を構成する場合の一例を示す図、図８は空転・滑走検知したときに発生するトルク低減関数C(t)の例を示す図、図９は台車の簡略図、図10は従来の各軸独立に再粘着制御系を構成した場合の再粘着制御のシミュレーション結果の例、図11は従来の各軸独立に再粘着制御系を構成した再粘着制御系・主電動機トルク制御系および台車を包含した全体の系を示す図、図12は図11に対応した系のインパルス応答の例(微分ゲインK Ｌ =100のとき)、図13は図11に対応した系のインパルス応答の例(微分ゲインK Ｌ = 0 のとき)、図14は接線力係数あるいは接線力のすべり速度に対する一般的な特性を示す図である。例えば、図７に示すように、台車内の各動軸毎に独立に再粘着制御系を構成する方式が考えられる。図７において、例えば第１軸については、図示しない第１軸の主電動機制御系に対するトルク指令値T ＰＩ１ と、同じく図示しないエンコーダからの第１軸の主電動機の回転角速度ωm1を外乱オブザーバ９に入力する。外乱オブザーバ９は、後述する図２に示すような１次外乱オブザーバを想定し(文献(2)参照)、このオブザーバで接線力係数の推定値μh1と接線力係数の時間微分値の推定値μdh1を演算し、トルク指令値演算器11に出力する。トルク指令値演算器11では(1)式に従って第一のトルク指令値T'ＰＩ１ を求め、加算器15に出力する。
【０００９】
T'ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(1)ここで、ＫＩ,ＫＬはゲイン定数である。また、接線力係数の時間微分値の推定値μdh1 は、外乱オブザーバ９からトルク低減関数発生器13に対して出力される。トルク低減関数発生器13では、入力された接線力係数の時間微分値の推定値μdh1 について、μdh1 ＜０の条件がある時間継続して成立すると空転が発生したと認識し（ブレーキの場合は滑走が発生したと認識して) 、図８に示すようなトルク低減関数C(t)を発生し、加算器15に対して出力する (以下力行の場合について説明するが、ブレーキの場合も同様である) 。したがって、加算器15の出力である図示しない第１軸の主電動機トルク制御系に対するトルク指令値T ＰＩ１ は空転検知していない場合には(2) 式で、空転検知した場合は(3) 式によって求められる。
【００１０】
T ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(2) T ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1+ C(t) ・・・・・(3)第２軸についても、同じように、外乱オブザーバ10、トルク指令値演算器12、トルク低減関数14、加算器16によって、第２軸の主電動機トルク制御系に対するトルク指令値T ＰＩ２ を演算する。このように、各軸独立にそれぞれの主電動機制御系に対してトルク指令値を指令する上記のような再粘着制御系を構成した場合、次のような問題点が発生する場合がある。
【００１１】すなわち、図９に台車の簡略図を示すが、台車の台車枠17の慣性モーメントや軸バネ18、19のバネ定数によっては、図７に示した再粘着制御系、主電動機トルク制御系および台車を包含した全体の系（図１１参照）が不安定系になり、図７に示した再粘着制御系のトルク指令値演算器11、12のゲインを如何に調整しようとも、安定な系を実現できない場合が発生する。
【００１２】例えば、台車枠17の慣性モーメントを旧来の台車にみられるように大きく設定し(例えば10,000 N/m程度)、軸バネのバネ定数も例えば6400×10３ N/m 程度にとると、図１１に示す如く、第１軸のトルクインパルス入力に対して、第１軸主電動機トルク制御系へのトルク指令値T ＰＩ１ を出力とした場合の、図１１に示す全体系のインパルス応答は図12に示すように、発散する結果となる (微分ゲインK Ｌ ＝ 100とした場合) 。
【００１３】図13は、微分ゲインK Ｌ ＝０とした場合のインパルス応答で、この場合も発散系であることがわかる (第２軸についても同様である)。この例の如く、図７に示すような再粘着制御系を第１軸、第２軸独立に構成した場合には、系を発散系から収斂系にすることができない（比例ゲインＫＩの調整は制御系の安定・不安定に無関係である) 。
【００１４】図１０にこのような系で再粘着制御行った場合のシミュレーション結果の例を示す。進行方向第１軸については、空転が収束した後もトルク指令値を徐々に絞ってトルク指令値がゼロになり、第２軸については空転が発生することなく徐々にトルクを絞っている。このように不安定な制御系になり、(4) 式で定義される粘着力の利用率ηtは非常に小さくなってしまっている(粘着力の利用率ηt は100 % が利用率が最大であることを意味している)。
【００１５】
ηt = (動軸の接線力／動軸の軸重) × 100 (%) ・・・・・・・(4)図12、13の例に示したインパルス応答を示すような台車枠慣性モーメント・軸バネ定数等のパラメータを有する台車では、図７に示した各軸独立に再粘着制御系を構成した場合、台車内のいずれかの軸での発生トルクの変化が引き金となって、台車のピッチングによる動揺を引起し、トルク指令値が徐々に増大して空転が発散したり、粘着状態にあるにもかかわらずトルク指令値を小さくし過ぎてしまうというように(図１０はこの場合の例)、不安定制御になり、粘着力の有効利用は望めない。以上に述べたように、図７に示した如く各軸の再粘着制御系を独立に構成した場合、台車によっては安定な制御系を構成できない可能性があるという問題点がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、各軸毎に独立に再粘着制御系を構成した場合、台車のパラメータの値（台車枠の慣性モーメント、軸バネ定数の値等）によっては、台車の軸重変動等の動的な挙動によって再粘着制御系を含む系全体が不安定系になって、粘着力の有効利用が図れなくなる事態の発生が想定されるが、これを回避することが必要である。
【００１７】本発明の目的は、前述の如き各軸の主電動機を別々の電力変換器で駆動するシステムにおいて、台車のパラメータがいかなる値の場合であっても、外乱オブザーバを用いて接線力係数とその時間微分値を推定する手法を用いた再粘着制御系について、常に安定な再粘着制御系を構成し、粘着力の有効利用を図ることができるようにすることである。
【００１８】
【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、二台の主電動機それぞれのトルク指令値または発生トルクの演算値と、速度センサによって検出した前記二台の主電動機軸の回転速度をそれぞれの主電動機に対応した外乱オブザーバへの入力情報として、前記外乱オブザーバそれぞれを用いて推定した各主電動機に対応した電気車の動輪の推定接線力係数と接線力係数の時間微分値の推定値を用いて前記二台の主電動機のトルク指令値または発生トルクをそれぞれ独立に制御する制御器を設けた電気車制御装置であって、前記それぞれの動軸の推定接線力係数と接線力係数の時間微分値の推定値を互いに他方の主電動機へのトルク指令値を演算する前記制御器へ入力して各主電動機へのトルク指令値を演算し、より一層再粘着制御の安定化を図るよう構成したことを特徴とする電気車制御装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の電気車制御装置について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。図１は本発明の再粘着制御系の実施例を示すブロック図、図２は本発明の実施例で用いる外乱オブザーバのブロック図、図３は本発明の実施例を用いて再粘着制御したシミュレーション結果の例を示す図、図４は本発明の再粘着制御系・主電動機トルク制御系および台車を包含した全体の系を示す図、図５は図４に対応した系のインパルス応答の例(微分ゲインK Ｌ =100のとき)、図６は図４に対応した系のインパルス応答の例(微分ゲインK Ｌ = 0 のとき)である。
【００２０】図１において、二台の主電動機それぞれのトルク指令値または発生トルクの演算値と、速度センサによって検出した前記二台の主電動機軸の回転速度をそれぞれの主電動機に対応した外乱オブザーバへの入力情報として、前記外乱オブザーバそれぞれを用いて推定した各主電動機に対応した電気車の動輪の推定接線力係数と接線力係数の時間微分値の推定値を用いて前記二台の主電動機のトルク指令値または発生トルクをそれぞれ独立に制御する制御器を設けた電気車制御装置であって、前記それぞれの動軸の推定接線力係数と接線力係数の時間微分値の推定値を互いに他方の主電動機へのトルク指令値を演算する前記制御器へ入力して各主電動機へのトルク指令値を演算し、より一層再粘着制御の安定化を図るよう構成したものである。
【００２１】すなわち、図示しない速度センサによって検出した第一の主電動機回転速度ωm1と、第一の主電動機へのトルク指令値T ＰＩ１ が第一の外乱オブザーバ１に入力され、第一の外乱オブザーバ１によって第一の動軸の接線力係数の推定値μh1と接線力係数の時間微分値の推定値μdh1 が、前述した手段と同様にして演算される。そして、第一の動軸の接線力係数の推定値μh1と接線力係数の時間微分値の推定値μdh1 が、第二の主電動機へのトルク指令値演算器（制御器）４に入力される。
【００２２】また、同様に図示しない速度センサによって検出した第二の主電動機回転速度ωm2と、第二の主電動機へのトルク指令値T ＰＩ２ が第二の外乱オブザーバ２に入力され、第二の外乱オブザーバ２によって第二の動軸の接線力係数の推定値μh2と接線力係数の時間微分値の推定値μdh2 が演算され、これが第一の主電動機へのトルク指令値演算器（制御器）３へ入力される。そして、外乱オブザーバ１は、図２（公知技術であるため説明を割愛する）に示すような１次外乱オブザーバを想定し、このオブザーバで接線力係数の推定値μh1と接線力係数の時間微分値の推定値μdh1 を演算し、第２軸のトルク指令値演算器４に出力する。トルク指令値演算器４では(5)式に従って第２軸のトルク指令値T'ＰＩ２ を求め、加算器８に出力する。
【００２３】
T'ＰＩ２ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(5) 一方、外乱オブザーバ２で推定された第２軸の接線力係数の時間微分値の推定値μdh2 は、外乱オブザーバ２からトルク低減関数発生器６に対して出力される。トルク低減関数発生器６では、入力された接線力係数の時間微分値の推定値μdh2 について、μdh2 ＜０の条件がある時間継続して成立すると空転が発生したと認識して、図８に示すようなトルク低減関数C(t)を発生し、加算器８に対して出力する。したがって、加算器８の出力である図示しない第２軸の主電動機トルク制御系に対するトルク指令値T ＰＩ２ は空転検知していない場合には(6) 式で、空転検知した場合は(7) 式によって求められる。
【００２４】
T ＰＩ２ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(6) T ＰＩ２ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1+ C(t) ・・・・・(7) 第１軸についても、同じように、外乱オブザーバ２で推定された第２軸の接線力係数の推定値μh2と第２軸の接線力係数の時間微分値の推定値μdh2を第１軸のトルク指令値演算器３に入力し、トルク指令値演算器３では(8) 式に従って第１軸のトルク指令値T'ＰＩ１ を求め、加算器７に出力する。
【００２５】
T'ＰＩ１ = K Ｉ ・μh2 + K Ｌ・μdh2 ・・・・・・(8) そして、外乱オブザーバ１で推定された第１軸の接線力係数の時間微分値の推定値μdh1 は、外乱オブザーバ１からトルク低減関数発生器５に対して出力される。トルク低減関数発生器５では、入力された接線力係数の時間微分値の推定値μdh1 について、μdh1 ＜０の条件がある時間継続して成立すると空転が発生したと認識して、図８に示すようなトルク低減関数C(t)を発生し、加算器７に対して出力する。したがって、加算器７の出力である図示しない第１軸の主電動機トルク制御系に対するトルク指令値T ＰＩ１ は空転検知していない場合には(9)式で、空転検知した場合は(10)式によって求められる。
【００２６】
T ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1 ・・・・・・(9) T ＰＩ１ = K Ｉ ・μh1 + K Ｌ・μdh1+ C(t)・・・・・(10)このように、各軸の接線力係数の推定値とその時間微分値を、互いに他の軸の主電動機トルク指令値演算器に入力させるようにした再粘着制御系を構成すると、図４に示したこの再粘着制御系と主電動機トルク制御系および台車を包含した全体系のブロック図において、第１軸のトルクインパルス入力に対して、第１軸主電動機トルク制御系へのトルク指令値T ＰＩ１ を出力とした場合の、図４に示す全体系のインパルス応答は図５に示すように、収斂系とすることができる (微分ゲインK Ｌ ＝ 100とした場合) 。微分ゲインK Ｌ ＝ 0とした場合についても、図６に示すように収斂系とすることができる。
【００２７】このように系全体を収斂系とすることができるので、図３に示したこのような再粘着制御系を構成した場合の再粘着制御状態のシミュレーション結果をみればわかるように、安定な制御状態が得られ、また、粘着力の有効利用が図れることが、接線力係数の利用率からも了解できる。なお、上記においてはトルク指令値を用いるものとして実施例の説明を行なったが、主電動機の発生トルクの演算値をトルク指令の代わりに外乱オブザーバへ入力するように構成しても、同じ制御動作が得られるので、発生トルクの演算値を用いる場合については説明を割愛する。
【００２８】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、同一台車内の各軸の主電動機を別々の電力変換器を用いて駆動するシステムにおいて、第１軸の外乱オブザーバによって推定した接線力係数の推定値と接線力係数の時間微分値の推定値を第２軸の主電動機トルク指令値演算器に入力し、第２軸の外乱オブザーバによって推定した接線力係数の推定値と接線力係数の時間微分値の推定値を第１軸の主電動機トルク指令値演算器に入力するようにすることで、再粘着制御系・台車等を含む系全体を台車のパラメータ（台車枠の慣性モーメント、軸バネ定数等）の如何によらず、常に安定な制御系を構成できるので、粘着力の有効利用を図ることができる。
【出願人】 【識別番号】５９８１２５３９４
【氏名又は名称】大石 潔
【識別番号】０００００３１１５
【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社
【出願日】 平成１２年２月１５日（２０００．２．１５）
【代理人】
【公開番号】 特開２００１−２３１１０５（Ｐ２００１−２３１１０５Ａ）
【公開日】 平成１３年８月２４日（２００１．８．２４）
【出願番号】 特願２０００−３６６３７（Ｐ２０００−３６６３７）