JPS63314105A - 電気車の空転滑走制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気車の空転滑走制御装置に係り、特に、動輪
とレールの間の粘着力を最大限にけん引力ないし制動力
として利用するのに好適な電気車の空転滑走制御装置に
関する。

〔従来の技術〕

鉄道車両は、そのけん引力、または、制動力を動輪レー
ル間の粘着力により得ており、動輪周の駆動力、または
、制動力が動輪レール間の粘着係数により定まる限界値
をこすと、動輪の空転、ないし、滑走を生じることは周
知である。この空転と滑走は本質的に同じ現象であり、
これらを防止する方策は同様な手段が講じられている。

以下、電気車のカ行時の動作を例にとり説明し、制動時
に異なる点はその都度説明する。

第５図は、動輪レール間のクリープ速度Ｖｓ（動輪周速
度と車両速度の差）と駆動力Ｆ及び摩擦力μＷの関係を
示す。動輪の駆動力を作用すると、動輪レール間に摩擦
力が発生するが、同時に、クリープ（相対すべり）が発
生する。駆動力を増大すると、摩擦力がピーク値μＷｍ
ａｘに達するまで矢印のように摩擦力とクリープ速度が
安定的に増大する。駆動力をさらに増加すると、摩擦力
は減少し、クリープ速度は急激に増大する。この領域の
クリープを空転または滑走と称し、摩擦力のピーク点以
上のクリープ速度（Ｖｇ−Ｖｓｏ）を空転速度または滑
走速度と称する。

摩擦力のピーク値μＷ＋ａａｘ　、及び、ピーク点のク
リープ速度Ｖｓｏは動輪とレールとの接触面の状態゛に
よって大幅に変動する。従って、接触面の状態が変化し
ても常に摩擦力のピーク値を利用できれば、粘着性能上
理想的といえる。すなわち、空転または滑走の速度がで
きるだけ小さいうちにこれ・を検知し、駆動力またはブ
レーキ力の減少量を必要最小限の値になるように制御す
ることにより達成される。

電気車における空転滑走制御装置はこれまで各種の方式
が提案されているが、チョッパ制御装置を用いた電車等
では第６図に示すように、動輪駆動用電動機群の不平衡
電圧を用いて空転滑走を検知し、再粘着制御を行なう比
較的簡単な空転滑走制御装置が採用されている。すなわ
ち、第６図でＰＧは集電袋は、Ａ１．Ａｔ及びＦｔ、Ｆ
２は動輪駆動用の直流電動機の電機子及び界磁巻線、Ｃ
Ｈはチョッパ、Ｄはフリーホイルダイオード、Ｒ１゜Ｒ
２は分圧抵抗器、ＤＣＰＴは電圧検出器、　ＤＣＣＴは
電流検出器、７１は電流指令発生器、７２は加算器、７
３はチョッパ制御装置、７４は空転滑走制御装置を各々
示す。

従来の空転滑走制御装置は、例えば、特開昭５１−９３
００５号公報に記載のように、通常直列接続された電機
子ＡＩ、Ａｚと分圧抵抗器Ｒ１，Ｒ２によって構成され
たブリッジ回路の不平衡電圧が空転速度にほぼ比例して
発生することを利用して、ＤＣＰＴで検出した不平衝電
圧ＤＥに比例した空転滑走制御信号１ｃ　を出力し、加
算器７２に入力する。

７２では７１で発生した電流指令Ｉｐから空転滑走制御
信号Ｉｃ　を減算し、７３によって駆動力を減少させ、
再粘着（空転速度を零にする）を図るように構成してい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、簡単な構成で空転を検知し、再粘着制
御を行なうことができる長所があるが、空転速度を微小
値におさえ、駆動力の減少を必要最小限の値になるよう
に制御するには精度の点で問題があった。すなわち、検
出された不平衡電圧ＤＥには、車輪径差、電動機特性差
、Ｒ１１Ｒ２の抵抗差等に起因した偏差分が含まれるた
め、定常加速時に空転と誤検出しないように不感帯へ〇
を設ける必要があるが、通常、このΔｅの値は第５図に
示した摩擦力のピーク点のクリープ速度ｖｓ。

の値より大きい。このため、空転速度が高くなり、再粘
着させるのに駆動力を大きく減少させる必要がある等の
問題があった。また、比較している電動機の駆動軸が同
時に空転した場合、ＤＥの値は零ないし非常に小さい値
を示すため電動機や駆動装置を損耗させるような大空転
に至る可能性もあった。

本発明の目的は、常に摩擦力のピーク値を有効に利用す
ることができる高精度の空転滑走制御装置を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、電動機回転における不平衡電圧等の検出値
に含まれる、偏差分を除去し、車輪の空転滑走速度に関
連した出力信号のみを取り出す偏差補正装置を設け、高
精度化した出力信号により空転滑走を検知し、再粘着制
御を行うことにより達成される。

〔作用〕

本発明による方法は、空転ないし滑走によって発生する
ブリッジ回路の不平衡電圧等の時間変化分（以下単に微
分値と称する）が定常加速時に比較して著るしく大きく
なることに着目している。

すなわち、不平衡電圧等に含まれる車輪径差、電動機特
性差１分圧抵抗差等の偏差分は列車の定常加速にほぼ比
例した時間変化を示すが、空転または滑走時の車輪軸の
加減速度は比較的大きく、不平衡電圧も、また、かなり
大きな時間変化を示すため、偏差分とは明確に区分でき
る。

そこで、不平衡電圧等の検出値の微分値を求め、これに
判別要素を加えて積分演算を行うことにより偏差分を除
去し、車輪の空転滑走速度のみに関連した出力信号を求
める偏差補正装置を設け、高精度化した出力信号により
空転滑走を検知し、再粘着制御を行なうようにしている
。それによって、誤検出防止を目的とした不感帯Δｅは
、極めて小さい値でよく、定常加速時に空転と誤検出す
ることがない。従って、不感帯Δｅは常に摩擦力のピー
ク点のクリープ速度Ｖｓｏに相当する値に設定すること
ができ、その結果、空転速度を微小値におさえ、電流変
動も小さく、駆動力を摩擦力の最大点近くに制御するこ
とができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図により説
明する。第１図は、本発明の一実施例の全体構成を示す
ブロック図であり、ＰＧは集電装置、Ａ１．Ａ２及びＦ
ｌ、Ｆ２は動輪駆動用直流電動機の電機子及び界磁巻線
、ＣＨはチョッパ、Ｄはフリーホイルダイオード、Ｒ１
，Ｒ２は分圧抵抗器、ＤＣＰＴは電圧検出器、ＤＣＣＴ
は電流検出器、１は電流指令発生器、２は加算器、３は
チョッパ制御装置、４は空転滑走制御装置を各々示す。

−チョッパによる直流電動機の電流制御については既に
多くの論文等に記載された周知の技術であり、ここでは
その動作説明は省略する。

電機子Ａｌ、Ａｔと分圧抵抗器Ｒ１，ＲＺとで構成した
ブリッジ回路の対辺間には空転発生時に不平衡電圧が発
生する。これをＤＣＰＴで検出し、検出信号ＤＥに基づ
いて空転滑走制御装置４で空転を検知するとともに再粘
着に必要な制御信号ＩＣを演算して出力する。

電流指令発生器１の出力Ｉｐと空転滑走制御信号ＩＣは
加算器２に入力され、Ｉｐ　　Ｉｃの減算を行ない、チ
ョッパ制御装置３に入力する。３ではこの減算されたパ
ターンとＤＣＣＴの出力が一致するように電流制御を行
ない、駆動力を減少させ再粘着を図るように構成してい
る。

空転滑走制御装置４は、偏差補正装置５と制御信号演算
装置６で構成され、偏差補正装置５において、検出信号
ＤＥに含まれる電動機特性差、車輪径差、Ｒ１，Ｒ２の
抵抗差等に起因した偏差成分ｄＤＥを除去する演算を行
ない、動輪の空転速度のみに関連した信号ＣＤＥを出力
する。制御信号演算装置６では、高精度化した出力信号
ＣＤＥに基づいて動輪の空転を検知するとともに電動機
電流を減少させ、再粘着させるための最適制御信号ＩＣ
を演算して出力する。

第２図は、第１図の偏差補正装置５をマイクロプロセッ
サで構成した場合の論理演算の内容を具体的にフローチ
ャートで示したものである。

第２図において、２１では第１図のチョッパ制御装置３
より出力されたカ行指令Ｐが零かどうかすなわち、「だ
行中」かどうかを判別し、Ｐ＝０すなわち、だ行中であ
れば２２に進み、出力信号ＣＤＥを零とおく、これは、
ＤＣＰＴの検出信号ＤＥに含まれる零ドリフト及びカ行
からだ行に移る（ノツチオフ）際、偏差を含んだ検出信
号ＤＥが零になるため負の微分値が大きく現われ、後述
する偏差補正出力に跳ねあがり現象が生じるのでこれを
除去する目的で設けている。２１において、Ｐ≠０、す
なわち、カ行中であれば２３に進み、ＤＣＰＴの出力電
圧を入力してＤＥに記憶させて２４に進み、ＤＥの微分
値ＤＥＤを演算して記憶する。２５では、ＤＥＤが定常
加速時に発生する微分値レベル（ＤＥＤＭＩＮ）以下か
どうかの判別を行なう。ＤＥＤＭＩＮを越えた場合は空
転に関連した微分値信号と判断して、２６で除去（ＤＥ
Ｄ＝Ｏ）したのち２７で積分演算を行ない、定常加速時
に生じる電圧信号、すなわち、偏差分に相当する信号と
し、てｄＤＥに記憶する。次に、２８でＤＥ−ｄＤＥの
演算を行ない結果をＥｓに記憶する。ここで、２８で記
憶したＥｓは正負の極性を持った値であるため、２９で
極性判別を行ない、Ｅｓが負（Ｅ、＜Ｏ）の場合には３
ｏで正極性に反転させ再度Ｅｓに記憶している。すなわ
ち、第１図において電動機Ａｈ側の動輪が空転した場合
正極性の電圧が発生するものとすれば、Ａｚ側の動輪が
空転すると負の極性の電圧が発生する。空転滑走制御信
号工。はどちらの動輪が空転しても同じ制御信号を発生
させる必要があり、その演算要素となる信号も絶対値で
あることが望ましい。

３１ないし３５は、２３から３０までの論理演算の結果
偏差分が残された場合のバックアップとして設けたもの
で、３１でＥｓの微分値を演算しＥ　ａ　Ｄ　に記憶し
、３２でＥｓ＞ＥｓＭＩＮ’ｌ、３３でＥ　ｓ　Ｄ　Ｍ
　Ｉ　Ｎ　＞　Ｅ　ｓ　Ｄ　＞　−Ｅ　ｓ　Ｍ　Ｉ　Ｎ
　？　の判別を行なう。すなわち、Ｅ８の値が基準値Ｅ
　ｓＭ　Ｉ　Ｎ以上のとき及びＥｓがＥｓＤＭＩＮより
小さく、かつ、Ｅｌｌの微分値Ｅ　ｓ　Ｄが正負両極性
の微分値レベルＥＳＤにＩＮ以上のときは空転に関連し
た微分信号と考えて３４に進み、積分演算されＣＤＥに
記憶される。一方、３２でＥｘがＥ　ｓＭ　Ｉ　Ｎより
小さく、かつ、ＥｓＤ　が両極性の微分値レベルＥｘＤ
ＭＩＮ以内の場合には偏差分と考えて３５でＣＤＥに零
が記憶される。以上の論理演算によって、空転に関連し
た電圧成分のみがほぼ忠実にＣＤＥに記憶される。なお
、第２図における判別の基準となる微分値レベルＤＥＤ
ＭＩＮ、及び、Ｅ　、ＤＭＩＮ　　（いずれも正負両極
性）は定常加速時に生じる電圧信号の微分値の最小値程
度が設定され、基準値ＥｓＭＩＮは第５図に示した摩擦
力のピーク点のクリープ速度Ｖｓｏに相当する電圧差よ
り小さく、車両速度の上昇に見合って増加させることが
望ましい。

第３図は第２図に示したフローチャートをもとにして偏
差補正装置を構成し、実測した波形の一例を示しており
、（ａ）が偏差補正装置の入力信号ＤＥの波形（ｂ）が
出力信号の波形である。第３図によると不平衡電圧の検
出信号ＤＥは、時間経過、すなわち、車軸速度の上昇と
ともに増加する電動機特性差、車両径差等に起因した偏
差分ｄＤＥに動輪の空転に関連した信号ＣＤＥが重畳し
た波形となっているが（ａ）、偏差補正装置５の出力波
形（ｂ）には偏差分ｄＤＥがほとんどなく、動輪の空転
に関連した電圧信号のみがほぼ忠実に出力されているこ
とが分る。

従って、偏差の補正後の出力信号ＣＤＥを入力として動
輪の空転を再粘着させるのに必要な制御信号Ｉｃ　を演
算する制御信号演算装置６（第１図）では空転検知レベ
ルΔｅの値を第５図に示した摩擦力のピーク点のクリー
プ速度Ｖｓｏに相当する電圧差以下に設定しても定常加
速時に誤検出することかない。又、動輪の空転のみに関
連した高精度の出力信号ＣＤＥに基づいて空転滑走制御
信号Ｉｃが作成されるので、空転速度を微小値におさえ
、駆動力の減少を必要最小限の値に制御することができ
るなど粘着性能を著るしく向上させることができる。

第４図は本発明の他の実施例の全体構成を示すブロック
図である。

空転滑走制御装置１２は、直列接続された電動機群Ａｌ
、Ａ２の不平衡電圧をＤＣＰＴＩで検出し。

再粘着制御を行なう制御に加えて、電機子Ａ　１１Ａ２
の全電圧をＤＣＰＴ２で検出し、検出信号ＥＰＭを入力
し、車両速度Ｖ丁及び電動機電流Ｉａを入力して、演算
器７で電動機の特性式ＥＭ＝ｋ・φ・Ｎ（ｋ；定数、φ
：磁束、Ｎ；車両速度から換算した電動機の回転数）に
基づいて、定常加速時の電機子電圧ＥＡＭを演算する。

８は加算器であり、実測した動輪駆動用電動機の電機子
電圧（ただし、第４図の実施例ではＥＰＭの１／２の値
とする）から定常加速時の電機子電圧演算値ＥＡＭを減
算し、電圧差ＤＥＭを出力する。電圧差ＯＥＭは電機子
Ａ　１　、　Ａ　２に連結された動輪の空転速度の平均
値に相当する値となるが、検出信号ＤＥと同称、電動機
特性差、車輪径差に起因した偏差分も重畳している。そ
こで偏差補正装置９を設け、偏差分を除去し、空転のみ
に関連した電圧差信号ＣＤＥＭを作成し、制御信号演算
装置１ｏにおいて、電圧差信号ＣＤＥＭに基づいて演算
された制御信号Ｉｃ工を作成して出力する。最大値選択
装置１１は、電機子Ａｔ、Ａｚの不平衡電圧ＤＥに基づ
いて演算された制御信号ＩｃｚとＣＤＥＭニ基づいて演
算された制御信号ＩＣ１とを入力し、両者の高位値を制
御信号Ｉｃ　として出力する。

このように構成した空転滑走制御装置１２では、ＡＩ、
Ａ２の電動機に連結された各動輪のどちらかが空転した
場合、その空転速度に見合った出力信号はＣＤＥで高精
度に検出でき制御信号Ｉｃｚによって再粘着制御が行ね
れる。一方、Ａｔ、Ａ２に連結された動輪が同特に空転
した場合には、ＣＤＥＭがその時の空転速度に見合った
電圧差信号を示し、制御信号ＩＣＩによって再粘着制御
が行われるため、空転状況に適応した空転滑走制御が可
能となり、空転速度を微小値におさえ、電流変動も小さ
く、駆動力を摩擦力の最大点近くに制御することができ
る。

すなわち、機関車の場合けん引荷重を増大することがで
き、電車の場合−編成内の動力車の数を減らし、かつ、
加減速度を大きくすることができる。又、空転または滑
走の速度が微小値に抑制されるので動輪とレールの摩耗
を少なくし、かつ、空転または滑走発生時の乗心地を改
善することができ、騒音も低減できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高精度に空転または滑走を検出するこ
とができ、駆動力ないしブレーキ力の減少量を必要最小
限の値になるように制御することができ、動輪レール間
の摩擦力を最小限有効にけん引力ないしブレーキ力とし
て利用し、粘着性能を大巾に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体構成を示すブロック図
、第２図は第１図の構成要素の一つである偏差補正装置
をマイクロプロセッサで構成した場合の論理演算内容を
示すフローチャート、第３図は本発明の構成要素の一つ
である偏差補正装置を試作し、実測した波形図、第４図
は本発明の他の実施例の全体構成を示すブロック図、第
５図は動輪とレール間のクリープ速度と駆動力及び摩擦
力の関係の説明図、第６図は従来技術の一例の全体構成
を示すブロック図である。 ４．１２・・・空転滑走制御装置、５，９・・・偏差補
正装置、６．１０・・・制御信号演算装置、７・・・演
算器。 ８・・・加算器、１１・・・最大値選択装置。 ｉ１＋ｒＺＪ 第２０ 奈３　囚 一ゝＣ 第４菌

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電動機若しくは電動機と低抵器のブリッジ回路を構
   成し、ブリッジ対辺間の不平衡電圧を検出して空転ない
   し滑走を検知し、再粘着制御を行なう電気車の空転滑走
   制御装置において、前記不平衡電圧の出力とその微分出
   力及び判別要素を用いて空転ないし滑走に関連した信号
   のみを取出す偏差補正装置を設け、前記偏差補正装置の
   出力信号に基づいて空転滑走検知及び再粘着制御を行な
   うように構成したことを特徴とする電気車の空転滑走制
   御装置。 ２、電動機若しくは電動機と抵抗器のブリッジ回路を構
   成し、ブリッジ対辺間の不平衡電圧を検出して空転ない
   し滑走を検知し、再粘着制御を行なう電気車の空転滑走
   制御装置において、前記ブリッジの対辺間の前記不平衡
   電圧の出力とその微分出力及び判別要素を用いて空転な
   いし滑走に関連した信号のみを取出す偏差補正装置と、 前記偏差補正装置の出力信号に基づいて空転滑走を検知
   し、再粘着させるための制御信号を演算する制御信号演
   算装置と、 前記ブリッジ回路の全電圧を検出する手段と車両速度及
   び電動機電流を検出し、予め得られる電動機の特性から
   、車両速度に対応した電動機の端子電圧を計算する手段
   と、両者の電圧差を計算する手段と、電圧差出力とその
   微分出力及び判別要素を用いて空転ないし滑走に関連し
   た電圧信号のみを取出す偏差補正装置と、 前記偏差補正装置の出力信号に基づいて空転滑走を検知
   し、再粘着させるための制御信号を演算する制御信号演
   算装置とを設け、前記各制御信号演算装置の出力信号の
   高位値に従つて空転滑走制御を行なうことを特徴とする
   電気車の空転滑走制御装置。 ３、前記偏差補正装置は、各入力電圧の微分値を求める
   手段と、前記微分出力のうち定常加速時に発生すると考
   えられる微分出力を判別し取り出す手段と、判別された
   微分出力を積分する手段と、前記入力電圧から積分出力
   を減算する手段とにより構成したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の電気車の空転滑走
   制御装置。 ４、前記偏差補正装置は、各入力電圧とその微分値を求
   める手段と、入力電圧が偏差分に相当する基準値以上で
   あるかどうかを判別する手段と、微分値出力が定常加速
   時に発生すると考えられる微分値レベル以上であるかど
   うかを判別する手段と、入力電圧が基準値以上となつた
   場合の微分出力及び微分値レベル以上となつた微分出力
   のみを積分する手段と、入力電圧が基準値以下で、かつ
   、微分値レベル以下と判別された場合、出力信号を零と
   する手段とによつて構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の電気車の空転滑走制御
   装置。