JPH07231504A - 鉄道車両の駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】空転を必要最小限に抑えて、粘着力を最大限に
活用し、列車の加減速度を向上，駆動力変動を低減して
乗り心地を向上させる。 【構成】一駆動軸ごとに三相交流モータとインバータ装
置が独立にあり、各インバータ装置は伝送路で結ばれて
いる車両の駆動制御系で、走行状態情報２３から空転の
起こりうる可能性を判断する処理１５にもとづき空転の
可能性があると判断された場合、駆動軸の計測制御の周
期を短くする処理１９、あるいは、少なくとも一軸の駆
動軸トルクあるいは駆動軸速度を他の駆動軸のものより
低めに設定する処理１８を有する。 【効果】空転の早期滑走検出，空転滑走量の低減，空転
滑走軸数の低減ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道車両に係り、特
に、空転を必要最小限に留め、粘着力を最大限に利用し
て、高速移動を可能にするとともに乗り心地向上に好適
な鉄道車両の駆動制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の制御方法は、電気車の科学（１９
９２年）７月号の第１３頁から第１９頁において以下の
ように論じられている。

【０００３】軌道の状態は、場所によって異なり、空
転，滑走が発生するまでは、どこまで粘着係数を高める
ことが出来るか分からず、駆動力が最大粘着係数に相当
する値を越した瞬間から、空転滑走が始まり、一旦発生
すると粘着係数が急激に低下し、空転滑走が加速され
る。そのため、モータ軸速度相互間の軸速度差がある値
を越えるか、あるいは、軸速度の一階微分値がある時間
ある値を越えたら空転と検知し、インバータ制御の場合
はすべり周波数を絞るかインバータ周波数を絞るかして
駆動トルクを低減させて、再粘着させるという駆動力制
御が、全ての駆動軸で同じロジックにもとづいて行われ
ている。モータ軸速度相互間の軸速度差は一軸だけの空
転を検知するためであり、軸速度の一階微分値は全軸同
時空転を検知するためのものである。再粘着は、軸速度
の二階微分値やインバータ周波数とロータの差分で検知
して、周波数すなわち駆動トルクの絞りを解除する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のような
独立した制御では、次の問題が生じる。すなわち、従来
技術は全ての駆動軸が同じロジックで制御されるので、
同時に全軸が空転しやすく、その結果、あまり高い粘着
係数を実現できず、しかも駆動力が、大きく振動的に変
動するため、乗り心地が悪くなるという問題があった。
また、空転検知用に軸速度や軸加速度情報のみしか用い
ていないので、検知の高速化の点で問題があった。ま
た、各駆動軸の計測・制御のタイミングについて考慮が
無く、駆動力が計測・制御の遅れにより大きく振動的に
変動するため、乗り心地が悪くなるという問題があっ
た。

【０００５】本発明の目的は、同時に空転する軸と空転
量をできるだけ減らす駆動制御方法を提供するととも
に、空転の検知をより早く正確に行う方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】空転は、粘着の物理的性
格によるため本質的に避けがたい、すなわち、空転が発
生しなければ最大粘着係数を知ることが出来ない。しか
し、列車の場合には、複数の駆動軸が設けられている。
したがって、上記目的を達成するために、本発明は
〔１〕空転を許容する駆動軸と空転を許容しない駆動軸
とに分けて異なる駆動制御を行い、あるいは、〔２〕過
去の走行経験情報，湿度情報，走行環境情報，走行状態
情報、のうちの少なくとも走行状態情報を含む情報から
空転の起こりうる可能性を判断する処理、この判断処理
にもとづき空転の起こりうる可能性があると判断された
場合は少なくとも一つの駆動軸の計測制御の周期を短く
する、あるいは、少なくとも一つの駆動軸の駆動軸トル
クあるいは駆動軸速度を他の駆動軸のものより低めに設
定する処理を有する駆動制御を行い、あるいは、〔３〕
空転を判別するのにモータあるいは車輪の回転速度情報
のほかに駆動軸と台車間の進行方向の力あるいは圧力情
報，モータ電流情報あるいは電圧情報の少なくとも一つ
を用いる、あるいは、〔４〕Ｎ個の駆動軸を有する車両
の駆動系で、各駆動軸の計測・駆動力制御のタイミング
をずらせて、各駆動軸の制御周期の１／Ｎごとに一駆動
軸の計測・駆動力制御処理を開始する、処理を施したも
のである。

【０００７】

【作用】〔１〕の手段によれば、空転を許容する駆動軸
と空転を許容しない駆動軸とに分けて異なるロジックで
駆動制御を行うので、同時に全軸が空転することはな
い。〔２〕の手段によれば、過去の走行経験情報，湿度
情報，走行環境情報，走行状態情報、のうち少なくとも
走行状態情報を含む情報から空転の起こりうる可能性を
判断する処理にもとづき空転の起こりうる可能性がある
と判断された場合は少なくとも一つの駆動軸の計測制御
の周期を短くする、あるいは、少なくとも一つの駆動軸
の駆動軸トルクあるいは駆動軸速度を他の駆動軸のもの
より低めに設定する処理を有するので、空転検知の高速
化や同時空転する軸数を減らせる。

【０００８】〔３〕の手段によれば、空転を判別するの
にモータあるいは車輪の回転速度情報のほかに駆動軸と
台車間の進行方向の力あるいは圧力情報，モータ電流情
報あるいは電圧情報の少なくとも一つを用いるので、空
転の検知をより早く正確に行うことができる。〔４〕の
手段によれば、Ｎ個の駆動軸を有する車両の駆動系で、
各駆動軸の計測・駆動力制御のタイミングをずらせて、
各駆動軸の制御周期の１／Ｎごとに一駆動軸の計測・駆
動力制御処理を開始するので、同時に全軸が空転した時
に、全軸の空転検出タイミングが最悪となるケースは避
けられるので、駆動力が大きく振動的に変動する乗り心
地の低下を低減できる。

【０００９】

【実施例】図１は本実施例の駆動制御のブロック線図を
示す。駆動制御の目的は、空転を必要最小限に抑えて、
粘着力を最大限に活用した走行を実現することである。

【００１０】図２は本実施例の全体の説明図で、列車は
複数の車両１が結合され、その駆動には、モータとして
三相交流誘導電動機を用いた場合を例として述べる。図
２で、各車両には、各台車２の各車輪３の車軸ごとにそ
れを駆動するモータを制御するＰＷＭ（パルス幅変調）
方式電圧形インバータ装置５（直流から交流への電力変
換回路）が搭載されている。場合によっては、非駆動台
車のみの車両、あるいは、一個のインバータ装置で複数
の台車，複数の車両のモータを統括駆動する。ここで
は、すべてモータごとにインバータ装置が設置されてい
るものとするが、その限りではない。以上の構成で、各
インバータ装置は、データ伝送路６によって結合され、
互いに情報を交換することができる。ここでは、各車両
１ごとにデータ伝送路６が個別に設置されており、一つ
のデータ伝送路で全車両がつながれてはいないが、その
限りではない。

【００１１】図３は、一台のモータ７に着目した場合
の、インバータ装置５，伝送路６，モータ７，センサ類
８よりなる駆動制御システムの説明図である。インバー
タ装置５は、マイクロコンピュータ５１と三相のインバ
ータ回路５２からなる。マイクロコンピュータ５１は、
データ伝送路６を通して得た情報とセンサ類８を通して
得た情報を用いて、図１の駆動制御ブロック図に従い、
インバータ回路５２のＧＴＯ(Gate Turn Off）サイリス
タのゲートへＰＷＭの操作指令を出力する。この指令に
もとづきインバータ回路５２は、モータ７の電圧と周波
数を制御することでトルクと回転速度を制御し、所望の
引張力、あるいはブレーキ力を発生させる。場合によっ
ては、一個のマイクロコンピュータ５１で複数のインバ
ータ回路５２、あるいは、全車両のインバータ回路を統
括制御することができるが、本実施例ではインバータ回
路一つごとに一個のマイクロコンピュータが設置されて
いるものとする。

【００１２】一車両あたりＮ個の駆動軸があり、各軸の
マイクロコンピュータ５１は標準制御周期Ｔ秒で同期し
てモータ３を駆動力制御するものである。車両の進行方
向から順に駆動軸に番号１，…，Ｎを割当て、ｉ番目の
駆動軸（１≦ｉ≦Ｎ）を例に、図１における処理ブロッ
クの処理を以下に説明する。

【００１３】図１における処理ブロック：ロータ周波数
推定部１１，目標滑り周波数算出部１２，パルス変換部
１３，ロータ周波数調整部１４，空転可能性判別部１
５，空転判別部１６，空転許容軸選択部１７，空転許容
度別滑り周波数の絞り量算出部１８，タイム制御変更部
１９、のうち空転可能性判別部１５，空転判別部１６，
空転許容軸選択部１７，空転許容度別滑り周波数の絞り
量算出部１８，タイム制御変更部１９以外は従来と同様
の処理を行うものである。

【００１４】ロータ周波数推定部１１では、制御対象モ
ータのロータ周波数の推定値fr*i(0) をセンサ類８のう
ちの速度センサにより計測されたロータ回転速度情報２
１を該車輪径情報で補正して求め、その値をメモリに記
憶する。その後、車軸の(軸番号ｉ，ロータ周波数の推
定値fr*i(0)）のセットの情報を伝送路６に送り出すと
ともに、他駆動軸のセットの情報を取り込みメモリに記
憶する。目標滑り周波数算出部１２では、センサ類８よ
り計測されるノッチ指令，応荷重指令，列車速度の情報
２４から目標滑り周波数fsi を算出する。パルス変換部
１３では、インバータ周波数finvi(＝fri＋fsi−Δfsi)
をパルス幅に変調して、ＧＴＯサイリスタのゲートへＰ
ＷＭの操作指令２２を出力する。ロータ周波数調整部１
４では、絞りロータ周波数fri を過去のロータ周波数の
推定値のトレンドより変化量に制約を設けてもとめる。
制約以内の場合はロータ周波数推定値と絞りロータ周波
数は等しくなる。絞りロータ周波数fri を求める意味
は、空転時に制御による空転の拡大を抑えるためであ
る。以下では、本発明の特徴である空転可能性判別部１
５，空転判別部１６，空転許容軸選択部１７，空転許容
度別滑り周波数の絞り量算出部１８，タイム制御変更部
１９の処理について詳述する。

【００１５】空転可能性判別部１５では、走行状態情報
から空転の起こりうる可能性を判断する。センサ類８の
うちの当該駆動軸と台車間の進行方向の力センサにより
計測された力情報２３のFi(0)を用いて、Fi(0)≧C1(定
数)なる時、車軸の空転可能性あり(Pri(0)＝1)と判断
し、それ以外のときは、当該車軸の空転可能性なし（Pr
i(0)＝0）と判断する。

【００１６】空転判別部１６では、センサ類８より計測
されたモータの回転速度情報２１のほかに駆動軸と台車
間の進行方向の力情報２３を用いて当該車輪の空転判別
を行う。Ｔ秒前の前回のステップでｉ軸が非空転(Sai
(−1)＝0) と判別されている時には、

【００１７】

【数１】ΔFi(0)／ΔRSi(0)＜C2(定数), ただし、ΔFi(0)＝Fi(0) − Fi(−1), ΔRSi(0)＝〔fr*i(0)−fr*min(0)〕−〔fr*i(−1)−fr*
min(−1)〕, Fi(0), Fi(−1)：駆動軸ｉと台車間の力の今回計測値と
前回（Ｔ秒前）の計測値，fr*i(0), fr*i(−1)：駆動軸
ｉの今回と前回（Ｔ秒前）のロータ周波数の推定値，fr
*min(0), fr*min(−1)：｛fr*j(0)，j＝1，…，N｝と
｛fr*j(−1)，j＝1,…,N｝の各最小値、の時空転(Sai
(0)＝1) と判別し、それ以外の時は非空転(Sai(0)＝0)
と判別する。前回のステップでｉ軸が空転(Sai(−1)＝
1)と判別されている時には、 Fi(0)≧C3(定数), あるいは、|fr*i(0)−fr*min(0)|＜C
4(定数), を満たす時には再粘着と判断し、非空転(Sai(0)＝0) と
判定する。満たさないときには、空転(Sai(0)＝1) と判
別する。その後、当該車軸の（軸番号ｉ，空転可能性判
別結果Pri(0)，空転判別結果Sai(0)）のワンセットの情
報を伝送路６に送り出すとともに、他駆動軸のワンセッ
トの情報を取り込みメモリに記憶する。

【００１８】空転許容軸選択部１７では、図４の条件判
定ロジックにもとづきｉ軸の空転許容の判定を以下のよ
うに行う。

【００１９】すなわち、 ｛Prj(0)＝0，j＝1,…,N｝かつSai(0)＝1，のとき、
ｉ軸は空転非許容軸 ｛Prj(0)＝0，j＝1,…,N｝かつSai(0)＝0，のとき、
ｉ軸は空転許容軸 あるｊとｋで Prj(0)＝1，Sak(0)＝1，のとき、ｉ軸
は空転非許容軸 あるｊとｋで Prj(0)＝1，Prk(−1)＝1，かつ、｛Sam
(0)＝0，m＝1,…,N｝かつ、空転許容軸j*でSaj*(−1)＝
0，のとき、ｉ軸の判定に変更なし あるｊとｋでPrj(0)＝1，Prk(−1)＝1，かつ、｛Sam
(0)＝0，m＝1,…,N｝かつ、空転許容軸j*でSaj*(−1)＝
1，かつ、i＝min{j′|fr*j′(0)＝max{fr*k′(0),k′＝
1…,N},j′＝1,…,N}のとき、ｉ軸は空転許容軸 あるｊとｋで、Prj(0)＝1，Prk(−1)＝1，かつ、｛Sa
m(0)＝0，m＝1,…,N｝かつ、空転許容軸j*でSaj*(−1)
＝1，かつ、i≠min{j′|fr*j′(0)＝max{fr*k′(0),k′
＝1…,N},j′＝1,…,N}のとき、ｉ軸は空転非許容軸 あるｊおいてPrj(0)＝1，かつ、｛Prm(−1)＝0，m＝
1,…,N｝,｛Sam(0)＝0，m＝1,…,N｝かつ、i＝min{j′|
fr*j′(0)＝max{fr*k′(0),k′＝1…,N},j′＝1,…,N}
のとき、ｉ軸は空転許容軸 あるｊおいてPrj(0)＝1，かつ、｛Prm(−1)＝0，m＝
1,…,N｝,｛Sam(0)＝0，m＝1,…,N｝かつ、i≠min{j′|
fr*j′(0)＝max{fr*k′(0),k′＝1…,N},j′＝1,…,N}
のとき、ｉ軸は空転非許容軸 と判定する。

【００２０】空転許容度別滑り周波数の絞り量算出部１
８では、滑り周波数の絞り量Δfsi算出をつぎの場合に
分けて求める。ｉ軸が空転している場合、Δfsi＝f(t),
t:空転検出後の経過時間（図５参照）、ｉ軸は空転して
いないで空転非許容の場合、Δfsi＝fsi・C6(０.５以下
の正定数)、ｉ軸は空転していないで空転許容の場合、
Δfsi＝0、である。

【００２１】タイム制御変更部１９では、モータが空転
許容モータであり、かつ、空転可能性判別部１５で空転
可能性ありと判別された場合には、駆動力制御の周期を
半分にして、Ｔ／２の周期で当該モータ制御用マイクロ
コンピュータに割込みがかかるように、マイクロコンピ
ュータの駆動力制御用割込みトリガ用記憶定数を半減す
る。空転可能性なし、あるいは、空転から空転非許容モ
ータと判定された時は、制御周期をＴに戻す。

【００２２】本発明はインバータ車両に適用した実施例
を述べたが、ディーゼル車両さらにはチョッパ車両ある
いは電気機関車でも個々の回路，空転検出方法の差はあ
るが、同じ原理でシステムを構成できることは明らかで
ある。また、実施例では力行、すなわち、加速の場合に
ついて説明したが制動における滑走の最小化も同様に実
現することができる。

【００２３】本制御方法では、空転許容軸選択部１６
で、一番速度の速いものを空転許容モータと判定し、二
番目に速度の速いものを次回空転許容モータと判定する
ので、駆動力の大きい（すなわち荷重の大きい）駆動軸
は空転非許容軸となり、その軸の空転は避けられるので
粘着力を有効に活用でき駆動力の変動低減，乗り心地向
上の効果がある。また、ロータ速度情報だけからではな
く、駆動軸と台車間の力情報も利用して空転を判別して
いるので、空転を速く正確に検知できる。

【００２４】上記の実施例で、駆動軸と台車間の力や圧
力情報の計測手段が車両に搭載されていない場合では、
モータ電流や電圧を計測して空転の判定は次のように行
うことができる。

【００２５】Fi(0) を〔Ti／Ri−2・π・I・((fr*i(0)
−fr*i(−1))／Ｔ)〕で代用するのである。ただし、Ti
＝K・Ei・Ii／finvi：モータ出力トルク、K ：定数、E
i：モータ実行電圧、Ii：モータ実行電流、Ri：ｉ軸の
車輪の半径、I ：ｉ軸の回転部の慣性モーメント、であ
る。モータ電流や電圧のセンサがない場合には、電流や
電圧の目標値で代用する。

【００２６】また、過去走行経験情報のデータより空転
頻度の高いモータは計測制御の周期を短くしたり、湿度
センサ情報から湿度の高い時には空転可能性判別定数C1
を小さめにしたり、同じ経路を走行する場合あるいは走
行環境情報が与えられる場合には、空転の起こる過去の
経験から空転可能性判別定数C1を適応的に変更して、空
転検出を速めたり、空転軸を減らすことができる。

【００２７】また、上記の実施例で、制御周期のトリガ
のタイミングをかえることも可能である。すなわち、車
両の進行方向からｉ番目の駆動軸（１≦ｉ≦Ｎ）の制御
は一番目の駆動軸の制御よりＴ・（ｉ−１）／Ｎ秒だけ
遅らせて当該マイクロコンピュータへの割込みにもとづ
き駆動力制御を行うものである。ただし、この場合に
は、各駆動軸の計測タイミングが前から順にＴ／Ｎずつ
ずれるのでロータ速度の比較を行う時には、各軸の過去
の２時刻のロータ速度より外挿して同じ現在時刻にして
比較する必要がある。このように実施すると、同時に全
軸が空転した時に、全軸の空転検出タイミングが最悪と
なるケースは避けられるので、駆動力が大きく振動的に
変動する乗り心地の低下を低減できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、空転の早期滑走検出，空転滑
走量の低減，空転滑走軸数の低減ができる。

【００２９】本発明によれば、走行環境と走行状態で規
定される粘着力を最大限に活用することができ、列車の
加減速度を向上させることが可能となり、空転滑走防止
制御で発生する引張力の変動を低減し、乗り心地を向上
させることができる。また、電動車（Ｍ車）／付随車
（Ｔ車）比率を減らせるので、初期・運転コストが安価
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の駆動制御のブロック図。

【図２】本実施例の全体説明図。

【図３】一モータの駆動制御システムの説明図。

【図４】空転許容判別ロジックの説明図。

【図５】空転時の絞り量関数の説明図。

【符号の説明】

１１…ロータ周波数推定部、１２…目標滑り周波数算出
部、１３…パルス変換部、１４…ロータ周波数調整部、
１５…空転可能性判別部、１６…空転判別部、１７…空
転許容軸選択部、１８…空転許容度別滑り周波数の絞り
量算出部、１９…タイム制御変更部、２１…ロータ回転
速度情報、２２…ゲートへの操作指令、２３…軸と台車
間の力情報、２４…ノッチ指令，応荷重指令，列車速度
の情報。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の駆動軸を有する車両の駆動系におい
   て、空転を許容する駆動軸と空転を許容しない駆動軸と
   に分けて異なる駆動制御を行うことを特徴とする鉄道車
   両の駆動制御方法。
2. 【請求項２】複数の駆動軸を有する車両の駆動系におい
   て、過去の走行経験情報，湿度情報，走行環境情報，走
   行状態情報、のうち少なくとも走行状態情報を含む情報
   から空転の起こる可能性を判断する処理、空転の起こる
   可能性があると判断された場合は少なくとも一つの駆動
   軸の計測制御の周期を短くする、あるいは、少なくとも
   一つの駆動軸の駆動軸トルクと駆動軸速度の一方を他の
   駆動軸のものより低めに設定する処理を含むことを特徴
   とする鉄道車両の駆動制御方法。
3. 【請求項３】車両駆動系の駆動制御において、空転を判
   別するのにモータあるいは車輪の回転速度情報のほかに
   駆動軸と台車間の進行方向の力あるいは圧力情報，モー
   タ電流情報あるいは電圧情報の少なくとも一つを用いる
   ことを特徴とする鉄道車両の駆動制御方法。
4. 【請求項４】複数（Ｎ個）の駆動軸を有する車両の駆動
   系において、各駆動軸の計測・駆動力制御のタイミング
   をずらせて、各駆動軸の制御周期の１／Ｎごとに一駆動
   軸の計測・駆動力制御処理を開始することを特徴とする
   鉄道車両の駆動制御方法。