(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
台車と車両との間に複数個の緩衝器が備えられ、各緩衝器の各々にアクチュエータが備えられ、１つの電源電圧で各アクチュエータを制御する制御手段を備えた鉄道車両用緩衝器の制御装置であって、
前記アクチュエータは、ソレノイドと、前記制御手段によって設定された電流値の変化に応じて抵抗値が可変である可変抵抗器とを有し、
前記制御手段は、前記台車又は前記車両に伝達される振動に応じて各緩衝器に要求される減衰特性を判断する減衰特性判断部と、
前記減衰特性判断部によって判断された各減衰特性に基づき各アクチュエータに通電させる電流値を決定する電流値決定部と、
前記電流値決定部によって決定された各電流値を比較して最も大きい電流値を選択する最大電流値選択部と、
前記最大電流値選択部によって選択された電流値を得るために要求される電圧値に前記電源電圧を変化させる電源電圧可変部と、
を含むことを特徴とする鉄道車両用緩衝器の制御装置。
【請求項２】
台車と車両との間に複数個の緩衝器が備えられ、各緩衝器の各々にアクチュエータが備えられ、１つの電源電圧で複数個の前記アクチュエータを制御する制御手段を備えた鉄道車両用緩衝器の制御装置であって、
前記アクチュエータは、ソレノイドと、前記制御手段によって設定された電流値の変化に応じて抵抗値が可変である可変抵抗器とを有し、
前記制御手段は、前記台車又は前記車両に伝達される振動に応じて各緩衝器に要求される減衰特性を判断する減衰特性判断部と、
前記減衰特性判断部によって判断された各減衰特性に基づき各アクチュエータに通電させる電流値を決定する電流値決定部と、
前記電流値決定部によって決定された各電流値の時系列データの波形を作成する電流値波形作成部と、
前記電流値波形作成部によって作成された各波形を比較して傾向が近似する予め決められた数のグループに分類する電流値分類部と、
前記電流値決定部によって決定された各電流値を各グループ内で比較して各グループで最も大きい電流値を選択する最大電流値選択部と、
前記最大電流選択部によって選択された各電流値を得るために要求される各電圧値に各グループの電源電圧を変化させる、各グループに対応して設けられる電源電圧可変部と、
を含むことを特徴とする鉄道車両用緩衝器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、鉄道車両のサスペンションシステムに適用される制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、鉄道車両のセミアクティブサスペンションシステムにおいては、ドロッパー方式を適用したソレノイド駆動回路を含む制御装置が採用されている（例えば、特許文献１参照）。この制御装置では、ＣＰＵから出力された指令電流に応じてソレノイド制御用トランジスタ（例えば、電界効果トランジスタ(FET)）のオン／オフが制御され、このトランジスタのオン／オフの制御に応じてソレノイドに電流（駆動電流）が流される。そして、駆動電流の大きさに応じてソレノイドバルブのバルブが駆動されることにより、緩衝器は、駆動電流に応じた減衰力を発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１１３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した制御装置では、トランジスタの抵抗値は、駆動電流（駆動回路に流れる電流値）の変化に応じて可変抵抗であるかのように変動することが知られている。そして、このような制御装置では、トランジスタの抵抗による発熱によって損失が発生することが知られている。この損失は、ソレノイド１個当りの損失が数ワット(W)であったとしても、鉄道車両のセミアクティブサスペンションシステムでは、４〜８個のソレノイドに電流が流されるため、一車両当りにおける総損失が数十ワット(W)に上る場合があり、システム全体では消費電力が増大される。
【０００５】
そこで本発明は、消費電力が小さい制御装置を提供することを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の制御装置は、台車と車両との間に複数個の緩衝器が備えられ、各緩衝器の各々にアクチュエータが備えられ、１つの電源電圧で各アクチュエータを制御する制御手段を備えた鉄道車両用緩衝器の制御装置であって、前記アクチュエータは、ソレノイドと、前記制御手段によって設定された電流値の変化に応じて抵抗値が可変である可変抵抗器とを有し、前記制御手段は、前記台車又は前記車両に伝達される振動に応じて各緩衝器に要求される減衰特性を判断する減衰特性判断部と、前記減衰特性判断部によって判断された各減衰特性に基づき各アクチュエータに通電させる電流値を決定する電流値決定部と、前記電流値決定部によって決定された各電流値を比較して最も大きい電流値を選択する最大電流値選択部と、前記最大電流値選択部によって選択された電流値を得るために要求される電圧値に前記電源電圧を変化させる電源電圧可変部と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の制御装置は、台車と車両との間に複数個の緩衝器が備えられ、各緩衝器の各々にアクチュエータが備えられ、１つの電源電圧で複数個の前記アクチュエータを制御する制御手段を備えた鉄道車両用緩衝器の制御装置であって、前記アクチュエータは、ソレノイドと、前記制御手段によって設定された電流値の変化に応じて抵抗値が可変である可変抵抗器とを有し、前記制御手段は、前記台車又は前記車両に伝達される振動に応じて各緩衝器に要求される減衰特性を判断する減衰特性判断部と、前記減衰特性判断部によって判断された各減衰特性に基づき各アクチュエータに通電させる電流値を決定する電流値決定部と、前記電流値決定部によって決定された各電流値の時系列データの波形を作成する電流値波形作成部と、前記電流値波形作成部によって作成された各波形を比較して傾向が近似する予め決められた数のグループに分類する電流値分類部と、前記電流値決定部によって決定された各電流値を各グループ内で比較して各グループで最も大きい電流値を選択する最大電流値選択部と、前記最大電流選択部によって選択された各電流値を得るために要求される各電圧値に各グループの電源電圧を変化させる、各グループに対応して設けられる電源電圧可変部と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、消費電力が小さい制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の説明図であり、１両の鉄道車両に構築されたセミアクティブサスペンションシステムの概略を示す図である。
【図２】第１実施形態の制御装置の概略構造を示す図である。
【図３】第１実施形態の制御装置による制御のフローチャートを示す図である。
【図４】第１実施形態の制御装置による制御によって得られた各軸（緩衝器）の指令電流値の変化及び電源電圧可変部の出力電圧を時系列で表した図である。
【図５】従来の制御装置による制御によって得られた各軸（緩衝器）の指令電流値の変化及び電源電圧可変部の出力電圧を時系列で表した図である。
【図６】図４に対応する軸（緩衝器）の総電力損失を時系列で表した図である。
【図７】図５に対応する軸（緩衝器）の総電力損失を時系列で表した図である。
【図８】第２実施形態の制御装置の概略構造を示す図である。
【図９】第２実施形態の制御装置の概略構造を示す図である。
【図１０】第２実施形態の説明図であり、電流値波形作成部によって作成された各指令電流値の時系列データの波形を示す図である。
【図１１】第２実施形態の説明図であり、指令電流値のグループ分けを行った場合の軸（緩衝器）の総電力損失を時系列で表した図である。
【図１２】第２実施形態の説明図であり、指令電流値のグループ分けを行っていない場合の軸（緩衝器）の総電力損失を時系列で表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を添付した図を参照して説明する。
図１に、１両の鉄道車両に構築されたセミアクティブサスペンションシステムの概略を示す。本システムは、車体１の１位側（図１における左側）端部に設けられて車体１の左右方向の加速度を検出する加速度センサ２と、車体１の２位側（図１における右側）端部に設けられて車体１の左右方向の加速度を検出する加速度センサ３と、車体１と１位側台車４との間に設けられて減衰力切替機能を有する一対の緩衝器６及び７と、車体１と２位側台車５との間に設けられて減衰力切替機能を有する一対の緩衝器８及び９と、加速度センサ２及び３の検出信号に基づいて各緩衝器６〜９の減衰力を制御する制御装置１０と、を含む。
【００１１】
図２に示されるように、制御装置１０（制御手段）は、ＤＡ変換器を備えてアナログ電圧を出力可能なＣＰＵ１１と、車両１の電源装置１２に接続されてＣＰＵ１１からの出力信号によって操作される電源電圧可変部１３と、各緩衝器６〜９に内蔵された各ソレノイドバルブに対応して設けられるソレノイド１４〜１７（アクチュエータ）と、各ソレノイド１４〜１７を駆動するソレノイド駆動回路１８〜２１と、を含む。なお、各ソレノイド駆動回路１８〜２１は同一の構成及び作用を有する。したがって、図２において、ソレノイド１５〜１７に対応する各ソレノイド駆動回路１９〜２１を簡略化して示す。また、ソレノイド１４を駆動するソレノイド駆動回路１８のみを詳細に説明する。
【００１２】
ソレノイド駆動回路１８は、ソース−ドレイン間にソレノイド１４を駆動する駆動電流（駆動電圧）を通電可能な電流容量を有してゲート電圧の変化に応じて抵抗値を変化させるトランジスタ２２と、ソレノイド１４に流れる電流（実電流）を電圧として出力するための電流検出抵抗２３（シャント抵抗）と、オペアンプによって構成されて電流検出抵抗２３の電圧を所定の電圧に増幅するための電流検出回路２４と、オペアンプによって構成されてＣＰＵ１１から出力された指令電流値（指令電圧値）と電流検出回路２４によって検出された実電流値（実電圧値）との差分を増幅して出力するゲート駆動回路２５と、を含む。なお、第１実施形態におけるトランジスタ２２は、金属酸化膜型電界効果トランジスタ(MOSFET)である。
【００１３】
ソレノイド１４は、一端が電源電圧可変部１３に接続されている。トランジスタ２２は、コレクタがソレノイド１４の他端に接続され、エミッタが電流検出抵抗２３の一端に接続されている。また、トランジスタ２２は、ベースがゲート駆動回路２５を介してＣＰＵ１１に接続されており、ＣＰＵ１１から出力された指令電流値が入力されるように構成されている。電流検出回路２４は、一方の入力端子が電流検出抵抗２３の一端に接続され、他方の入力端子が電流検出抵抗２３の他端に接続され、出力端子がＣＰＵ１１に接続されている。そして、電流検出回路２４は、電流検出抵抗２３に流れる電流（電圧）、延いてはソレノイド１４に流れる実電流（実電圧）を検出し、この実電流値（実電圧値）をＣＰＵ１１へ出力するように構成されている。
なお、トランジスタ２２、ソレノイド１４、電流検出抵抗２３の並ぶ順序はいかなる組み合わせであってもよい。
【００１４】
ＣＰＵ１１には、加速度センサ２及び３からの出力信号が入力される。ＣＰＵ１１は、加速度センサ２及び３からの出力信号と指令電流値（指令電圧値）との対応関係が書き込まれたマップが格納されており、このマップに基づいて加速度センサ２及び３から受け取った出力信号に対応した駆動電流（駆動電圧）、延いては減衰力を得るための指令電流値（指令電圧値）をゲート駆動回路２５を介してトランジスタ２２へ出力するように構成されている。そして、制御装置１０は、ＣＰＵ１１から出力された指令電流値（指令電圧値）に応じてトランジスタ２２のベース電圧を制御し、これにより、ソレノイド１４に駆動電流（駆動電圧）が流れる。その結果、駆動電流（駆動電圧）に基づいてソレノイド１４が駆動され、対応する緩衝器６が駆動電流（駆動電圧）に応じた大きさの減衰力を発生するように構成されている。
【００１５】
また、制御装置１０は、加速度センサ２及び３から受け取った出力信号に応じて各緩衝器６〜９に要求される減衰特性を判断する論理回路（減衰特性判断部）と、この論理回路（減衰特性判断部）によって判断された各減衰特性に基づき各ソレノイド１４〜１７に対応する指令電流値を決定する論理回路（電流値決定部）と、この論理回路（電流値決定部）によって決定された各指令電流値を比較して最も大きい指令電流値を選択する論理回路（最大電流値選択部）と、電源電圧可変部１３を操作して電源電圧を論理回路（最大電流値選択部）によって選択された指令電流値を得るために要求される電圧値に変化させる論理回路（電源電圧可変部）と、を含む集積回路(IC)（制御手段）を有する。
【００１６】
次に、第１実施形態における制御装置１０（制御手段）の制御フローを図３に基づき説明する。
まず、ＣＰＵ１１に各加速度センサ２及び３からの出力信号（加速度信号）が取り込まれる（ステップ１）。ＣＰＵ１１に取り込まれたデータには、ノイズ成分を除去するためのＬＰＦ処理、ドリフト成分及び定常偏差成分を除去するためのＨＰＦ処理を含むフィルタ処理が実行される（ステップ２）。次に、加速度信号が予め設定された領域内であるか否かの判断、並びに各加速度信号を比較する等して異常があるか否かを判定する（ステップ３）。次に、減衰特性判断部において、各加速度信号に各種のゲイン等が乗じられて車体１の振動を低減させるために各緩衝器６〜９に要求される減衰特性が演算され、この演算結果に基づき、電流値決定部により、各緩衝器６〜９の減衰力指令、すなわち各ソレノイド１４〜１７の指令電流値が決定される（ステップ４）。
【００１７】
ここで、制御装置１０は、ソレノイド駆動電力の積算値、外気温度、及びソレノイド１４〜１７（アクチュエータ）への電流の流し難さ等の条件から、各ソレノイド１４〜１７の抵抗値を推定する（ステップ５）。次に、制御装置１０は、各ソレノイド１４の抵抗値（推定値）及び前述したステップ４において決定された指令電流値に基づいてソレノイド１４〜１７を駆動するために要求される電圧を演算し、電源電圧可変部１３から出力される電圧を調整する（ステップ６）。そして、前述したステップ４において決定された指令電流値をＣＰＵ１１のＤＡ変換器によって処理した後、この指令電流値を各ソレノイド駆動回路１８〜２１のゲート駆動回路２５に出力し、各ソレノイド１４〜１７を駆動する（ステップ７）。
【００１８】
なお、ソレノイド１４〜１７を駆動するために要求される電圧を演算するに際し、ソレノイド１４〜１７の抵抗値として固定値を使用する場合、ステップ５の処理を省略することができる。
【００１９】
次に、ステップ６で実行されるサブルーチンを説明する。まず、最大電流値選択部において、電流値決定部によって決定された各指令電流値を比較して最も大きい指令電流値が選択される（ステップ８）。次に、ステップ５で推定された各ソレノイド１４〜１７の抵抗値のうちの最大値及びステップ８で選択された指令電流値を用いて電源電圧可変部１３の出力電圧が演算される（ステップ９）。そして、ステップ９の演算結果に基づいて電源電圧可変部１３が操作され、電源電圧可変部１３から出力される電圧が調整される（ステップ１０）。
【００２０】
なお、ステップ８及び９は、ソレノイド１４〜１７毎に要求される電源電圧を算出し、この算出結果のうちの最大値を選定する処理に置き換えることができる。
【００２１】
ここで、図４に、第１実施形態の制御装置１０による制御によって得られた各軸（緩衝器６〜９）の指令電流値の変化及び電源電圧可変部１３の出力電圧を時系列で表した図を示す。また、図５は、比較対象としての従来の制御装置による制御によって得られた各軸（緩衝器６〜９）の指令電流値の変化及び電源電圧可変部１３の出力電圧を時系列で表した図である。さらに、図６は、図４に対応する軸（緩衝器６〜９）の総電力損失を時系列で表した図であり、図７は、図５に対応する軸（緩衝器６〜９）の総電力損失を時系列で表した図である。
【００２２】
図５に示されるように、従来の制御装置による制御では、電源電圧が固定値、すなわち、ソレノイド駆動回路１８〜２１によって要求される電源電圧のうち最も高い電圧値に固定されていたため、図７に示されるように、軸（緩衝器６〜９）の総電力損失（図７におけるグレースケール部分の面積に相当）は、比較的大きくなる。これに対し、図４に示されるように、第１実施形態の制御装置１０による制御では、電源電圧が各軸（緩衝器６〜９）の指令電流値の変動に応じて変化される。これにより、図６に示されるように、第１実施形態の制御装置１０は、従来の制御装置による制御と比較して、軸（緩衝器６〜９）の総電力損失（図６におけるグレースケール部分の面積に相当）が大幅に削減される。
【００２３】
第１実施形態によれば、電源電圧を各軸（緩衝器６〜９）の指令電流値の変動に応じて変化させたので、従来の制御装置による制御と比較して、軸（緩衝器６〜９）の総電力損失、言い換えると、各ソレノイド駆動回路１８〜２１が放出する熱を大幅に削減することができる。
これにより、各ソレノイド駆動回路１８〜２１の放熱フィンを小型化することができ、延いては、制御装置１０を小型化することができる。加えて、送風ファンも小型化或いは不用とすることができるので、制御装置１０、延いては、サスペンションシステムのさらなる小型化並びにコストダウンが可能になる。
また、ソレノイド駆動回路１８〜２１から放出される熱が大幅に削減されることで、基板のはんだ部の耐久性及び信頼性、延いては、サスペンションシステムの耐久性及び信頼性をも向上させることができる。
さらに、サスペンションシステムのメンテナンスの頻度を減らすことができるので、ランニングコストを削減することができる。
【００２４】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を添付した図に基づき説明する。なお、前述した第１実施形態と同一又は相当の構成には、同一の名称及び符号を付与する。また、説明を簡潔にすることを目的に、第１実施形態と重複する説明を省く。
【００２５】
図８に、第２実施形態のセミアクティブサスペンションシステムの概略を示す。本システムは、軸ばね２８に並列に設けられた各緩衝器２６の減衰力を調整することにより車体１の上下方向への振動を低減させる上下動セミアクティブサスペンションシステムである。なお、図８には、１両の鉄道車両の１位側（図８における右側）のみが示されている。また、図８には、緩衝器２６が２個のみ示されているが、緩衝器２６は各車輪２７に対応させて設けられており、１位側台車４及び２位側台車５には各々４個の車輪２７が設けられているので、１両の鉄道車両に合計８個の緩衝器２６が設けられている。
【００２６】
本システムは、１位側台車４の枠上に設けられた加速度センサ２９を含む。加速度センサ２９は、１位側台車４の前後（図８における左右）に配置されており、各加速度センサ２９によって車体１の上下方向の加速度が検出される。なお、本システムでは、１位側台車４同様、図示が省略された２位側台車（５）にも前後に配置された２個の加速度センサ２９が設けられており、１両の鉄道車両に合計４個の加速度センサ２９が設けられている。そして、本システムは、各加速度センサ２９の検出信号に基づいて各緩衝器２６の減衰力を制御する制御装置３０を有している。
【００２７】
図９に示されるように、制御装置３０（制御手段）は、各緩衝器２６に内蔵された各ソレノイドバルブに対応して設けられるソレノイド３１〜３８（アクチュエータ）と、各ソレノイド３１〜３８を駆動するソレノイド駆動回路３９〜４６と、を含む。なお、第２実施形態の制御装置３０は、第１実施形態に対する緩衝器（ソレノイドバルブ）の増加に伴い、ソレノイド及びソレノイド駆動回路を追加したものであり、第１実施形態の制御装置３０と基本構造は同一である。第１実施形態との顕著な差異は、制御装置３０は、２つの電源電圧可変部１３が並列に配置されている点である。そして、制御装置３０では、ソレノイド３１〜３４の一端が一方の電源電圧可変部１３（図９における左側の電源電圧可変部１３）に接続されており、ソレノイド３５〜３８の一端が他方の電源電圧可変部１３（図９における右側の電源電圧可変部１３）に接続されている。
【００２８】
そして、制御装置３０は、加速度センサ２９から受け取った出力信号に応じて各緩衝器２６に要求される減衰特性を判断する論理回路（減衰特性判断部）と、この論理回路（減衰特性判断部）によって判断された各減衰特性に基づき各ソレノイド３１〜３８に対応する指令電流値を決定する論理回路（電流値決定部）と、この論理回路（電流値決定部）によって決定された各指令電流値の時系列データの波形を作成する論理回路（電流値波形作成部）と、この論理回路（電流値波形作成部）によって作成された各指令電流値の波形を比較して傾向が近似する２つ（電源電圧可変部１３の数に一致する予め決められた数）のグループに分類する論理回路（電流値分類部）と、論理回路（電流値決定部）によって決定された各指令電流値を各グループ内で比較して、各グループで最も大きい指令電流値を選択する論理回路（最大電流値選択部）と、この論理回路（最大電流選択部）によって選択された各指令電流値を得るために要求される各電圧値に、各電源電圧可変部１３の電源電圧、延いては、各グループの電源電圧を変化させる論理回路（電源電圧可変部）と、を含む集積回路(IC)（制御手段）を有する。
なお、指令電流値が似たような傾向で変化する２つのグループに、予め、電源電圧可変部を接続しておくことで、電流値分類部と電源選択部を省略してもよい。
【００２９】
ここで、第２実施形態における制御装置３０（制御手段）特有の処理を説明する。
まず、電流値決定部によって各ソレノイド３１〜３８に対応する各指令電流値が決定されると、図１０に示されるように、電流値波形作成部によって各指令電流値の時系列データの波形が作成される。次に、電流値分類部によって各指令電流値の波形を比較して傾向が近似する２つのグループに分類する。なお、図１０に示される一例においては、図１０のＡ部に特徴的なピークが表れるＡグループと図１０のＢ部に特徴的なピークが表れるＢグループとに分類される。また、便宜上、ソレノイド３１〜３４の指令電流値波形がＡグループ、ソレノイド３５〜３８の指令電流値波形がＢグループに分類されたものとする。さらに、第２実施形態では、制御軸が８軸（緩衝器２６の数量が８個）であるため、８つの指令電流値波形が作成されるが、図の煩雑化を防ぐ（視認性を確保する）ため、図１０には、６つの指令電流波形のみを示す。
【００３０】
次に、最大電流値選択部において、各グループ内の指令電流値が比較されて各グループで最も大きい指令電流値が選択される。次に、Ａグループの各ソレノイド３１〜３４の抵抗値のうちの最大値及び最大電流値選択部で選択されたＡグループの指令電流値を用いて一方の電源電圧可変部１３の出力電圧が演算される。同時に、Ｂグループの各ソレノイド３５〜３８の抵抗値のうちの最大値及び最大電流値選択部で選択されたＢグループの指令電流値を用いて他方の電源電圧可変部１３の出力電圧が演算される。そして、各演算結果に基づいて、対応する電源電圧可変部１３が操作され、各電源電圧可変部１３から出力される電圧が調整される。
【００３１】
ここで、図１１は、第２実施形態の制御装置３０による制御、すなわち、指令電流値のグループ分けを行った場合の軸（緩衝器２６）の総電力損失を時系列で表した図であり、図１２は、指令電流値のグループ分けを行っていない場合の軸（緩衝器２６）の総電力損失を時系列で表した図である。
【００３２】
図１１と図１２とを比較して理解できるように、指令電流値のグループ分けを行った場合（図１１）の制御では、指令電流値のグループ分けを行っていない場合（図１２）の制御と比較して、軸（緩衝器２６）の総電力損失（図１１及び図１２におけるグレースケール部分の面積に相当）を低減することができる。
【００３３】
第２実施形態によれば、指令電流値のグループ分けを行うことで、第１実施形態によって得られる効果をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  車体、２，３  加速度センサ、４  １位側台車、５  ２位側台車、６〜９  緩衝器、１０  制御装置、１１  ＣＰＵ、１２  電源電圧、１３  電源電圧可変部、１４〜１７  ソレノイド、１８〜２１  ソレノイド駆動回路、２２  トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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【図１１】
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【図１２】
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