(57)【要約】      （修正有）【課題】ばね特性を持つ連結器により複数の車両が連結されて成る列車の連成振動を低コストに抑え、列車の乗り心地を向上させる。【解決手段】列車を構成する車両ｃ１〜ｃ６のうち動力装置ｍ２，ｍ４，ｍ５を有する動力車のいくつかが進行方向の運動を検出するセンサａ５を持ち、該動力装置ｍ２，ｍ４，ｍ５を制御する動力制御装置ｉ２，ｉ４，ｉ５が該センサａ５の出力から列車の連成振動の振動モードに相当する周波数成分を抽出する振動抽出部を持ち、該動力制御装置ｉ２，ｉ４，ｉ５が該振動抽出部の出力を抑えるように該動力装置ｍ２，ｍ４，ｍ５を制御する。【選択図】図２
2008011659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連結器で連結された複数の車両を有し、前記複数の車両の少なくとも一つの車両が動力装置と進行方向の運動を検出するセンサとを有する制御車両であり、前記動力装置の出力を制御する動力制御装置を有する列車制御システムにおいて、
前記動力制御装置は、前記センサで検出された検出情報から予め定められた周波数帯域の振動成分を抽出する振動抽出部を有し、
前記振動抽出部から抽出された振動成分に応じて前記動力装置の調整出力を演算し、演算された前記調整出力に基づいて前記動力装置の出力を制御することを特徴とする列車制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の列車制御システムにおいて、
前記予め定められた周波数帯域は、前記連結器の特性と前記連結器で連結された複数の車両の重量とで決まる連成振動の固有振動数のうち少なくとも一つを含むように定められていることを特徴とする列車制御システム。
【請求項３】
請求項１記載の列車制御システムにおいて、
前記動力制御装置は、インバータであることを特徴とする列車制御システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の列車制御システムにおいて、
前記センサで検出される検出情報は、加速度情報，速度情報，位置情報のいずれかであることを特徴とする列車制御システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の列車制御システムにおいて、
前記動力制御装置は、前記連結器で連結された複数の車両の進行方向を検出する方向検出部を有し、前記振動抽出部から抽出された振動成分を予め定められた振動成分に抑えるように前記動力装置を制御する際の制御量を前記方向検出部により検出された進行方向に基づいて変更することを特徴とする列車制御システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の列車制御システムにおいて、
前記制御車両は、前記動力制御装置を有することを特徴とする列車制御システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の列車制御システムにおいて、
前記動力制御装置は、受信した運転指令に基づいて指令トルクを計算する指令トルク演算部を有し、前記指令トルク演算部から出力された前記指令トルクと前記振動抽出部から抽出された振動成分から計算された調整トルクとに基づいて前記動力装置の出力を制御することを特徴とする列車制御システム。
【請求項８】
請求項７記載の列車制御システムにおいて、
前記動力制御装置は、前記指令トルクに基づいて前記動力装置の出力を制御するか、前記指令トルクと前記調整トルクとに基づいて前記動力装置の出力を制御するかを切り替えるスイッチを有することを特徴とする列車制御システム。
【請求項９】
連結器で連結された複数の車両を運動させる動力装置の出力を制御する動力制御装置において、
前記車両の進行方向の運動を検出するセンサを有し、前記センサで検出された検出情報から予め定められた周波数帯域の振動成分を抽出する振動抽出部を有し、前記振動抽出部から抽出された振動成分に応じて前記動力装置の調整出力を演算し、演算された前記調整出力に基づいて前記動力装置の出力を制御することを特徴とする動力制御装置。
【請求項１０】
請求項９記載の動力制御装置において、
前記予め定められた周波数帯域は、前記連結器の特性と前記連結器で連結された複数の車両の重量とで決まる連成振動の固有振動数のうち少なくとも一つを含むように定められていることを特徴とする動力制御装置。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載の動力制御装置において、
前記センタで検出される検出情報は、加速度情報，速度情報，位置情報のいずれかであることを特徴とする動力制御装置。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の動力制御装置において、
前記連結器で連結された複数の車両の進行方向を検出する方向検出部を有し、前記振動抽出部から抽出された振動成分を予め定められた振動成分に抑えるように前記動力装置を制御する際の制御量を前記方向検出部により検出された進行方向に基づいて変更することを特徴とする動力制御装置。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の動力制御装置において、
受信した運転指令に基づいて指令トルクを計算する指令トルク演算部を有し、前記指令トルク演算部から出力された前記指令トルクと前記振動抽出部から抽出された振動成分から計算された調整トルクとに基づいて前記動力装置の出力を制御することを特徴とする動力制御装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の動力制御装置において、
前記指令トルクに基づいて前記動力装置の出力を制御するか、前記指令トルクと前記調整トルクとに基づいて前記動力装置の出力を制御するかを切り替えるスイッチを有することを特徴とする動力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は列車の運転を制御する動力制御装置及び列車制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道列車は大量輸送を目的として複数車両で構成されることが多い。例えば都市部の通勤列車は通常８〜１０両編成、新幹線列車は１０〜１６両編成で運行されている。また最近は、場所による乗客数の変動や、多様な目的地への旅客の輸送に適切に対応するため、比較的短編成な列車を複数併結して長編成の列車を構成する例も少なくない。逆に、長編成の列車を短編成に分割する例もある。このような列車編成の長大化，複雑化にともない、車両間の相互作用による車両の前後振動の影響がますます問題となる。
【０００３】
列車の前後運動は、概ね各車両をばね要素と減衰要素で連結した振動系とみなせ、車両数と同数の固有振動を持つ。列車がＮ両編成であれば、運動はＮ通りの固有振動の重ね合わせである。通常、列車の固有振動は０.５〜３Ｈｚ 程度の周波数帯域に分布し、低次モードほど振動数が小さく、減衰が遅い。一方、人間は０.５〜２Ｈｚ 程度の振動を体感しやすいということが知られている。したがって、とりわけ振動の低次モード成分が乗り心地の上で問題とされる。
【０００４】
非特許文献１に、よく知られている乗り心地の定量評価基準が開示され、ある振動数の車両動揺が乗り心地にどの程度影響するかが示されている。
【０００５】
電車では駆動車と付随車が混在するのが普通であるため力は均一になり得ず、１次以上の振動モードが発生する。加減速特性の異なる２編成が併結されたときも、特性の違いが加振源となる。振動を防止する、あるいは発生した振動をできるだけ抑えるための対策法がいくつか考えられている。
【０００６】
特許文献１では、インバータがモータを制御して駆動する電車で、１つのインバータが複数車両のモータを制御することで、各車両のトルクを極力合わせる方法が開示されている。
【０００７】
特許文献２では、動的特性を持つ連結器に関して開示され、減衰特性を適宜変更すれば、振動が発生しても素早く収束させられる。また新幹線などの一部の車両では、制振用途のダンパが追加されている。ことが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２１１５１３号公報
【特許文献２】特許第３５８３９４０号公報
【非特許文献１】日本機械学会編、「鉄道車両のダイナミクス」、ｐｐ.７０−７５、１９９４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の１台のインバータが複数車両にまたがるモータを制御することで複数車両の動力を極力合わせて車両間の振動を抑える方法は、動力装置を持たない付随車に対しては適用できず、付随車が電動車に押される、または引っ張られることで連成振動が励起される現象は解消されない。またインバータの性能の限界から１台のインバータで制御できるモータの数は限られるため、モータを数多く持つ列車ではやはり複数のインバータが必要であり、異なるインバータが制御する車両間の力の差で振動が励起される現象は解消されない。また現行の電車では１台のインバータで１車両のモータを制御する構成が普通であり、１台のインバータが複数車両のモータを駆動するように変更するためにはコストがかかる。
【００１０】
また特許文献２のように減衰特性を改善するため連結器を複雑化したり、ダンパを追加したりするためにはコストがかかる。
【００１１】
本発明の目的は、簡単なシステムで低コストに列車の前後振動を抑え、乗り心地を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、連結器で連結された複数の車両を有し、複数の車両の少なくとも一つの車両が動力装置と進行方向の運動を検出するセンサとを有する制御車両であり、動力装置の出力を制御する動力制御装置を有する列車制御システムにおいて、動力制御装置は、センサで検出された検出情報から予め定められた周波数帯域の振動成分を抽出する振動抽出部を有し、その振動抽出部から抽出された振動成分に応じて動力装置の調整出力を演算し、その調整出力に基づいて動力装置の出力を制御する構成とする。
【００１３】
また、連結器で連結された複数の車両を運動させる動力装置の出力を制御する動力制御装置において、車両の進行方向の運動を検出するセンサを有し、そのセンサで検出された検出情報から予め定められた周波数帯域の振動成分を抽出する振動抽出部を有し、その振動抽出部から抽出された振動成分に応じて動力装置の調整出力を演算し、その調整出力に基づいて動力装置の出力を制御する構成とする。
【発明の効果】
【００１４】
簡単なシステムで低コストに列車の前後振動を抑え、乗り心地を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上述した通り、列車の前後運動は、概ね各車両をばね要素と減衰要素で連結した振動系とみなせ、車両数と同数の固有振動を持つ。その固有振動を図１の３両編成の例で解説する。３両編成の場合、固有振動は０〜２次モードの３通りである。０次モードは車両１，２，３全てが同位相で前進する並進運動である。１次モードは中央の車両２が節、両端の車両１、３が腹となり、状態（１Ａ）と状態（１Ｂ）を繰り返す振動成分、２次モードは両端の車両１、３が同位相、中央の車両２が逆位相となり、状態（２Ａ）と状態（２Ｂ）を繰り返す振動成分である。列車の進行方向の主な運動はこれら独立な３つの固有振動の重ね合わせである。列車がＮ両編成であれば、運動はＮ通りの固有振動の重ね合わせである。
【００１６】
このように列車が複数両編成である場合でも、より良い乗り心地を得るためには、連成振動の１次以上のモードに相当する成分が０であるのが理想である。もし全ての車両の特性が同じで、かつ全ての車両の駆動力が等しければ、連結器に力がかからず、１次以上の振動モードは生じない。しかし、電車では駆動車と付随車が混在するのが普通であるため力は均一になり得ず、１次以上の振動モードが発生する。本発明では、簡単なシステムで低コストに列車の前後振動を抑え、乗り心地を向上できる動力制御装置及びその動力制御装置を備えた列車制御システムを提供する。
【００１７】
以下各実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図２は本実施例の列車制御システムの構成を示す図である。
【００１９】
列車は複数の車両が連結器で連結されてなり、本実施例では車両ｃ１〜ｃ６の６両で成る。車両ｃ２，ｃ４，ｃ５は動力装置としてそれぞれ誘導モータｍ２，ｍ４，ｍ５を持つ電動車である。車両ｃ２は動力装置の出力を制御する動力制御装置であるインバータｉ２を、車両ｃ４はインバータｉ４，ｉ５を有し、それぞれ電力伝送線ｅ２，ｅ４，ｅ５を介してトルク相当の電流を与えることで誘導モータｍ２，ｍ４，ｍ５を制御する。ここでは現行の電車でよく利用される構成にしたがい、１つのインバータが１電動車の全駆動軸に対応する誘導モータ全てを並列に制御する構成とし、便宜上、誘導モータｍ２，ｍ４，
ｍ５はそれぞれインバータｉ２，ｉ４，ｉ５が制御する複数の誘導モータを指すとする。
【００２０】
以下の制御は、１つのインバータが１電動車の全誘導モータを制御する構成に限らず、誘導モータのような駆動力を発生する装置と、インバータのような駆動力を制御する装置があり、少なくとも車両単位で駆動力を制御できる構成であれば実施可能である。例えば１電動車にある複数の車軸が軸ごとに駆動装置とその制御装置を備え、各軸が独立に制御できる構成であっても、１車両の駆動力は各軸の駆動力の合計であるため車両単位で駆動力を制御でき、以下の制御は実施できる。
【００２１】
車両ｃ１，ｃ３，ｃ６はモータを持たない付随車である。ここでは３電動車と３付随車で成る６両編成を扱うが、本実施例では複数の車両のうち、少なくとも１つの電動車（制御車両）があれば、編成の車両数や電動車と付随車の数によらず実施できる。
【００２２】
列車が走行する基本的なしくみは、運転手が車両ｃ１にある運転装置ｄｒまたは車両
ｃ６にある運転装置ｄｒ２を操作して運転指令を決め（非常時など運転手の操作によらず運転指令が決まることもある）、運転指令が指令伝送線ｃｍｄを介してインバータｉ２，ｉ４，ｉ５に配布され、インバータｉ２，ｉ４，ｉ５がそれぞれ指令トルク演算部ｔ２，ｔ４，ｔ５で運転指令に応じた運動をするために必要なモータへの指令トルクを計算し、電力伝送線ｅ２，ｅ４，ｅ５を介してこれに相当するモータ電流を伝送することで誘導モータｍ２，ｍ４，ｍ５を制御するという流れである。指令トルク演算部ｔ２，ｔ４，ｔ５による指令トルクの計算は、例えば全車両を勘案した列車全体が運転指令に従い走行するために必要な総駆動力を加速度，車両重量などから求め、これを誘導モータｍ２，ｍ４，ｍ５で等分負担するという方法が考えられるが、以下の制御は誘導モータｍ２，ｍ４，
ｍ５の動力配分とは無関係であり、列車全体が運転指令に従い走行できるという前提があればよい。本実施例では車両ｃ１を進行方向前方とする場合は運転装置ｄｒを、車両ｃ６を進行方向前方とする場合は運転装置ｄｒ２を操作し、操作される方の運転装置のみが指令伝送線ｃｍｄに運転指令を発せられる構成とする。なおインバータｉ２，ｉ４，ｉ５が運転指令を一意に参照できれば運転装置の構成はこれに限らない。
【００２３】
以下では進行方向を車両ｃ１を前方として運転装置ｄｒを操作する場合を想定するが、車両ｃ６を前方として運転装置ｄｒ２を操作する場合も同様に実施できる。
【００２４】
運転装置ｄｒ，ｄｒ２、動力装置である誘導モータｍ２，ｍ４，ｍ５、その動力装置の出力を制御する動力制御装置であるインバータｉ２，ｉ４，ｉ５、という基本的な装置に加え、電動車である車両ｃ５（制御車両）は進行方向の運動を検出するセンサを有する、本実施例では自車の加速度を検出する加速度センサａ５を有する。またインバータｉ５は入力から連成振動の１次モードの固有振動数前後の周波数成分を抽出するように予め定められた振動抽出部である１次モード抽出部ｆｔを有する。加速度センサａ５で取得した車両ｃ５の加速度情報は加速度伝送線ｂ５を介してインバータｉ５に伝送される。インバータｉ５は加速度センサａ５で取得した加速度情報から１次モード抽出部ｆｔで振動成分を抽出し、これを用いて指令トルク演算部ｔ５が運転指令に従って決める指令トルクとは別に車両ｃ５の運動を調整するための調整トルクを求め、指令トルクと調整トルクを合わせた調整後トルクで誘導モータｍ５を制御する。なお、本実施例ではセンサで検出する進行方向の運動情報として加速度情報を用いたが、自車の速度情報や位置情報を用いてもよい。
【００２５】
図３はインバータｉ５におけるトルク演算部の構成を示す図である。
【００２６】
インバータｉ５において、前述の通り指令トルク演算部ｔ５は運転装置ｄｒから指令伝送線ｃｍｄを介して運転指令を受け、運転指令に合った指令トルクを計算するが、これに別途１次モード制御演算部ｏｐの出力である調整トルクを加えた調整後トルクで誘導モータｍ５を駆動するしくみがある。
【００２７】
つまり、インバータｉ５は、受信した運転指令に基づいて指令トルクを計算する指令トルク演算部ｔ５を有し、その指令トルク演算部ｔ５から出力された指令トルクと、１次モード制御演算部ｏｐ内に有する振動抽出部である１次モード抽出部から抽出された振動成分から計算された調整トルクとに基づいて誘導モータの出力を制御する。
【００２８】
具体的に本実施例では、１次モード制御演算部ｏｐは車両ｃ５の加速度から連成振動の１次モードに相当する振動成分を取り出し、振動成分と逆位相の調整トルクを生成する。この調整トルクが誘導モータｍ５に印加されると、車両の運動は連成振動の１次モード相当の加速度振動と逆方向に調整され、１次モードの振動がキャンセルされる。１次モード制御演算部ｏｐの構成はこの役割に適するものであればよい。本実施例では１次モード抽出部ｆｔと、その出力をＫｐ倍してモータトルク相当量に変換する１次モード比例ゲインｋｐと、位相を反転させるための−１乗算要素で１次モード制御演算部ｏｐを構成している。
【００２９】
つまりインバータは、センサである加速度センサで検出された検出情報である加速度情報から、予め定められた周波数帯域の振動成分を抽出する振動抽出部(１次モード抽出部)を有し、その振動抽出部から抽出された振動成分に応じて動力装置である誘導モータの調整出力（調整トルク）を演算し、その調整出力に基づいて誘導モータの出力を制御する。
【００３０】
具体的には、振動抽出部である１次モード抽出部ｆｔが抽出する振動成分を連成振動の複数ある固有振動成分のうち抑えたい振動成分に合わせれば、その振動成分を抑えることが可能である。
【００３１】
ここで本実施例でとりわけ１次モード成分を抑えるように設定した理由と、１次モード成分の特徴を説明する。
【００３２】
説明に先立ち、本実施例が想定する列車諸元を挙げる。車両ｃ１〜ｃ６の重量は全て
３０トンとする。各車両間の連結器の特性は、ばね定数約３０００キロニュートン毎メートルのばねと減衰率５％のダンパの並列結合に等しいと仮定する。このとき車両重量，ばね定数，減衰率を用いて各車両の運動方程式を記述でき、運動方程式の解から連成振動の各振動モードの固有振動数が分かる。本実施例では１次，２次モード成分の固有振動数はそれぞれ０.８Ｈｚ，１.５Ｈｚ である。３次，４次，５次モードの固有振動数は２.１
Ｈｚ，２.６Ｈｚ，２.９Ｈｚである。なお固有振動数は車両数，連結器の特性，車両重量（乗車率による変化も含む）によって異なるが、現行列車ではおよそ０.５〜３.０Ｈｚに分布する。以下は列車諸元が異なり固有振動数が異なる場合でも同様であり、１次モード抽出部ｆｔの通過帯域を変更することで適宜対応できる。つまり予め定められた周波数帯域は、少なくとも連結器の特性と、その連結器で連結された複数の車両の重量とで決まる連成振動の固有振動数のうち少なくとも１つを含むように定められる。
【００３３】
図４は非特許文献１の７２頁から、よく知られている乗り心地の定量評価基準を抜粋したものである。
【００３４】
縦軸の値が大きいほど乗り心地を悪化させやすい。これによると、振動数の低い低次モード成分ほど乗り心地への影響が大きい。本実施例では１次モード成分（０.８Ｈｚ ）と２次モード成分（１.５Ｈｚ ）が同程度に乗り心地を悪化させる。この傾向は列車全般に関して成り立つ。
【００３５】
図５は本実施例の列車の連成振動の各モードのダンピング係数を示している。
【００３６】
ダンピング係数が小さい振動モードほど減衰が遅い。これによると、１次モード成分の減衰が最も遅く、高次モード成分ほど減衰が速い。この高次モードほど減衰しやすい傾向は、一般の連成振動に関して成り立ち、列車の構成によらない。
【００３７】
以上より、振動の１次モード成分が最も減衰が遅い上に、固有振動数が低周波数であるため乗り心地に影響しやすく、最も乗り心地を悪化させると分かる。逆に言えば、振動の１次モード成分を抑えることができれば、乗り心地を向上させる効果が最も大きい。この効果をねらい、本実施例では複数ある振動モードの中でもとりわけ１次モード成分を抑えている。ただし以下の制御は抑えたい振動モードに応じて１次モード抽出部ｆｔを適宜変更すれば、１次モードに限らず他の振動成分も抑えられる。
【００３８】
図６に振動の１次モード成分の変化を示す。図中の矢印は、その向きが運動の方向を、長さが振幅の大きさを表す。車両ｃ１の振幅が最も大きい状態１ａを起点とすると１周期の間に状態１ａ→状態１ｂ→状態１ｃ→状態１ｄ→状態１ｅ→状態１ｄ→状態１ｃ→状態１ｂ→状態１ａと変化する。両端が腹，中央が節であり、腹に近い車両ほど振幅が大きく、節に近い車両ほど振幅が小さい。すなわち端に近い車両ほど連成振動の１次モード相当の振動が大きく、乗り心地を損ないやすい。本実施例では連成振動の１次モードに相当する振動は、車両ｃ１，ｃ６で最大、車両ｃ３，ｃ４で最小である。車両ｃ５が連成振動の１次モード成分を抑えるように運動すると、その運動は連結器を介して他の車両にも伝搬し、他の車両でも１次モードに相当する振動が抑えられる。
【００３９】
数値例で制御効果を具体的に示す。１次モード抽出部ｆｔの伝達関数Ｆ（ｓ）を
Ｆ（ｓ）＝（Ｔ１×ｓ）／（Ｔ１×ｓ＋１）×１／（Ｔ２×ｓ＋１）      （１）
とする（ｓはラプラス演算子）。Ｔ１，Ｔ２は正の定数で、Ｔ１＝１／(２×π×０.６)，Ｔ２＝１／（２×π×１.０）である。
【００４０】
図７はこのときの１次モード抽出部ｆｔの入出力特性である。１次モード抽出部ｆｔは連成振動の１次モードの固有振動数にあたる０.８Ｈｚ の周波数成分を最もよく通過させ、０.８Ｈｚ から離れた周波数成分ほど小さくするという特性を持つ。列車は運転計画に沿った所望の運動（並進成分）と、車両間の相対的な運動である１次モード以上の振動成分の重ね合わせで運動するが、運転計画を妨げずに振動を抑えて乗り心地を向上するためには、１次モード以上の振動成分を的確に抽出し、これを並進成分に干渉することなく抑えることが望まれる。２車両間の加速度の差分（相対加速度）を取れば並進成分をキャンセルして振動成分のみを取り出せるが、これには２つ以上の加速度センサと、それらの出力を共有するための伝送線を敷設する必要があり、コストがかかる。これに対し、図７の特性を持つ式（１）のようなフィルタを用いれば、入力を単車両の加速度としても、運転計画に沿った加減速成分は主に非常に低い周波数帯域に分布する（例えば加速度一定であれば周波数０（ＤＣ成分））ため除去されて振動成分のみを抽出でき、簡単・低コストに振動を抑えて乗り心地を向上できる。
【００４１】
なお１次モード抽出部ｆｔはこの構成に限らず、１次モードの固有振動数前後の帯域を十分に通過させる特性を持つものであればよく、特に前述の理由で低周波成分をよく除去できるものであればよい。
【００４２】
１次モード比例ゲインｋｐの値はＫｐ＝５００とする。以下では制御を無効にした場合も考えるが、これは本実施例の構成でＫｐ＝０のときに相当する。
【００４３】
本実施例の列車を図８の目標加速度である運転計画ａｌｐで運転する。加速度０からの起動（時刻０秒）で、時刻０.５秒で列車全体の加速度が０.８３メートル毎秒毎秒となるようにトルクを立ち上げ、以降は６.０秒までトルク一定で、６.０秒以降は時間に反比例するようにトルクを低減する。以下では振動の大きさを運転計画に沿った運動からのずれの二乗平均値で評価する。二乗平均値による振動の評価は乗り心地と関連づけて一般的に用いられる（非特許文献１，７２頁）。評価する時間区間は０〜１０秒とする。すなわち、時間をｔ（単位は秒）、車両加速度をａ（ｔ）（単位はメートル毎秒毎秒）、運転計画に沿った加速度パターンをＡ（ｔ）（単位はメートル毎秒毎秒）とすると、
ｅｖｌ＝√［∫（ａ（ｔ）−Ａ（ｔ））＾２ｄｔ×（１／１０）］        （２）
で定義される評価値ｅｖｌ（単位はメートル毎秒毎秒）が大きいほど振動が大きい、小さいほど振動が小さいと評価する（ｘ＾２はｘの二乗、∫ｘ（ｔ）ｄｔは時間区間０〜１０秒におけるｘの時間積分、√［ｘ］はｘの平方根を表す）。
【００４４】
図９は制御有効のときの車両ｃ５の加速度ａｌ５５、制御無効のときの車両ｃ５の加速度ａｌ５０、目標とする加速度パターンの運転計画ａｌｐを併記した図である。制御無効の場合の加速度ａｌ５０に関して評価値ｅｖｌ（ａｌ５０）＝０.０４０ で、制御有効の場合の加速度ａｌ５５に関して評価値ｅｖｌ（ａｌ５５）＝０.０２０ であるため、制御により車両ｃ５の振動が抑えられている。
【００４５】
図１０は制御有効のときの車両ｃ１の加速度ａｌ１５、制御無効のときの車両ｃ１の加速度ａｌ１０、目標とする加速度パターンの運転計画ａｌｐを併記した図である。制御無効の場合の加速度ａｌ１０に関して評価値ｅｖｌ（ａｌ１０）＝０.０５６ で、制御有効の場合の加速度ａｌ１５に関して評価値ｅｖｌ（ａｌ１５）＝０.０３７ であるため、制御により車両ｃ１の振動が抑えられている。
【００４６】
図１１は制御有効のときの車両ｃ２の加速度ａｌ２５，制御無効のときの車両ｃ２の加速度ａｌ２０，目標とする加速度パターンの運転計画ａｌｐを併記した図である。制御無効の場合の加速度ａｌ２０に関して評価値ｅｖｌ（ａｌ２０）＝０.０４３ で、制御有効の場合の加速度ａｌ２５に関して評価値ｅｖｌ（ａｌ２５）＝０.０３１ であるため、制御により車両ｃ２の振動が抑えられている。
【００４７】
図１２は制御有効のときの車両ｃ６の加速度ａｌ６５，制御無効のときの車両ｃ２の加速度ａｌ６０，目標とする加速度パターンの運転計画ａｌｐを併記した図である。制御無効の場合の加速度ａｌ６０に関して評価値ｅｖｌ（ａｌ６０）＝０.０６０ で、制御有効の場合の加速度ａｌ６５に関して評価値ｅｖｌ（ａｌ６５）＝０.０３８ であるため、制御により車両ｃ６の振動が抑えられている。
【００４８】
図１３は以上に示した車両ｃ１，ｃ２，ｃ５，ｃ６の結果に車両ｃ３，ｃ４の結果を合わせ、制御有効，制御無効のときの結果を一覧した表である。車両ｃ３，ｃ４ではもともと振動が小さく、制御無効時の評価値はそれぞれ０.０３６，０.０３５で、車両ｃ１，
ｃ２，ｃ６の制御有効時程度の水準である。車両ｃ３，ｃ４の制御有効時の評価値はそれぞれ０.０３８，０.０３８であり、やはり車両ｃ１，ｃ２，ｃ６の制御有効時と同程度である。この表から、振動制御を実施した車両である車両ｃ５で振動が最も小さくなり、その他の車両でも特に列車の両端に近い車両ｃ１，ｃ６で大きく振動が抑えられ、もともと振動の１次モード成分が小さい中央付近の車両ｃ３，ｃ４では式（２）の評価値では振動を抑える効果は見られないが、列車全体の平均としては振動が抑えられたと言える。
【００４９】
以上より、運転指令に従いインバータである動力制御装置が誘導モータである動力装置を制御して走行する列車に加速度センサａ５と１次モード抽出部ｆｔを付加することで列車の前後振動が抑えられ、乗り心地が向上することが分かる。この方法により、動力車と付随車が混在する場合でも全ての車両の振動を抑えることができる。またこの方法は複数車両にまたがるモータを制御するようにモータとインバータの構成を変更したり、振動をよく抑えられるように連結器の物理特性を変更したりするためのコストを必要とせずに実施できる。
【００５０】
つまり、連結器で連結された複数の車両で成る列車で、一部の駆動車において比較的安価なセンサの追加と動力制御装置内部のソフトウェアの追加程度の低コストな変更を加えることで、当該駆動車はもちろん他の車両においても進行方向の振動を抑えられ、列車の乗り心地が向上する。
【００５１】
本実施例では加速度センサを設けて加速度をフィードバックしているが、連成振動による車両の前後運動を表す量で、加速度のように時間にともなう振動が観測できる量を用いれば、振動と逆位相の制御力をかけることで同様に振動を抑えることができる。これには速度や変位が利用できる。速度センサは車軸の回転をカウントすることで速度を求める装置で簡単に実現でき、またこのような装置は現行の列車で別途利用されていることが多いため、導入は容易で低コストである。変位は速度あるいは加速度の積算値として算出できる。
【実施例２】
【００５２】
図１４は実施例２の列車制御システムを示す図である。
【００５３】
実施例１の制御システムと比較して実施例２で追加された装置，演算部のみ説明する。
【００５４】
本実施例では、電動車ｃ５およびインバータｉ５と同様に、電動車ｃ２に加速度センサａ２があり、加速度センサａ２の出力が加速度伝送線ｂ２を介してインバータｉ２に伝送され、インバータｉ２は加速度センサａ２の出力から車両の連結による連成振動の１次モードの固有振動数前後の周波数成分を取り出す１次モード抽出部ｆｔ２と、その出力を用いて誘導モータｍ２を制御する機能を有する。またインバータｉ５は方向検出部ｄ５を持つ。本実施例では車両ｃ１を先頭として前進するとき運転装置ｄｒが指令伝送線ｃｍｄに運転指令を発し、車両ｃ６を先頭として前進するとき運転装置ｄｒ２が運転指令を発する。運転指令にはどの運転装置から発せられたかという情報が記されている。方向検出部
ｄ５は運転指令を参照し、運転指令がどの運転装置から発せられたかを調べて列車の進行方向を検出する。なお列車の進行方向を検出する方法はこれに限らず、例えば指令トルク演算部ｔ５の指令トルクの符号から検出することも可能である。インバータｉ５は、加速度センサａ５の出力を用いて算出した振動を抑えるためのトルクを誘導モータｍ５の制御に反映するか反映しないかを、方向検出部ｄ５で検出した列車の進行方向に応じて切り替える。インバータｉ２は方向検出部ｄ２を持つ。方向検出部ｄ２は方向検出部ｄ５と同様にして列車の進行方向を検出する。インバータｉ２は、加速度センサａ２の出力を用いて算出した振動を抑えるためのトルクを誘導モータｍ２の制御に反映するか反映しないかを、方向検出部ｄ２で検出した列車の進行方向に応じて切り替える。なお、加速度センサ
ａ２は加速度センサａ５と同様の特性を持つもので十分である。
【００５５】
なお本実施例では、電動車である車両ｃ２は、動力装置である誘導モータｍ２と、その動力装置の出力を制御する動力制御装置であるインバータｉ２と、加速度センサａ２を設けている。電動車の車両ｃ５は誘導モータｍ５と加速度センサａ５を設けている。
【００５６】
図１５はインバータｉ５，ｉ２におけるトルク演算部の構成を示す図である。インバータｉ５の構成はスイッチｓｗ５と方向検出部ｄ５を除けば実施例１と同様である。
【００５７】
スイッチｓｗ５は指令トルク演算部ｔ５で求めた指令トルクをそのまま調整後トルクとして誘導モータｍ５の制御に用いるか、指令トルクに１次モード制御演算部ｏｐの出力である調整トルクを合わせた調整後トルクを誘導モータｍ５の制御に用いるかを切り替える機能を有する。言い換えればスイッチｓｗ５は、指令トルクに基づいて誘導モータの出力を制御するか、指令トルクと調整トルクに基づいて誘導モータの出力を制御するかを切り替える機能を有する。なお、この機能を実現するものであればどのような構成でもよい。
【００５８】
例えば指令トルク演算部ｔ５の指令トルクをそのまま制御量として用いる場合は１次モード制御演算部ｏｐの調整トルクが０となるように１次モード比例ゲインｋｐの値を０に変更するという手段であってもよい。スイッチｓｗ５は方向検出部ｄ５が検出した列車の進行方向に応じて切り替えられ、車両ｃ１の側が前方であれば指令トルクと調整トルクを合わせて調整後トルクとする方向、車両ｃ６の側が前方であれば指令トルクをそのまま調整後トルクとする方向に切り替える。
【００５９】
インバータｉ２はインバータｉ５と同様のしくみである。１次モード制御演算部ｏｐ２、１次モード比例ゲインｋｐ２はそれぞれ１次モード制御演算部ｏｐ、１次モード比例ゲインｋｐと同様である。スイッチｓｗ２は方向検出部ｄ２が検出した列車の進行方向に応じて切り替えられる。スイッチｓｗ２はスイッチｓｗ５とは逆に、車両ｃ１の側が前方であれば指令トルクをそのまま調整後トルクとする方向、車両ｃ６の側が前方であれば指令トルクと調整トルクを合わせて調整後トルクとする方向に切り替えられる。
【００６０】
スイッチｓｗ５，ｓｗ２の機能により、結果として、車両ｃ１が進行方向前方であれば誘導モータｍ５に振動を抑えるための調整トルクが印加され、誘導モータｍ２には振動を抑えるための調整トルクは印加されない。逆に車両ｃ６が進行方向前方であれば、誘導モータｍ５に振動を抑えるための調整トルクは印加されず、誘導モータｍ２に振動を抑えるための調整トルクが印加される。すなわち進行方向に対して後方の電動車にあるモータのみが振動を抑えるように制御される。制御系をこのように構成したのは次の理由による。
【００６１】
レール上を走行する鉄道列車では車輪が滑る現象がしばしば起こる。車輪が滑ると車輪やレールが物理的に消耗したり、動力が十分に伝わらず列車の加減速が妨げられるため、車輪の滑りはできるだけ抑えることが望ましい。滑りは車輪とレール間の摩擦力が接触面の状態で決まる一定値を越えると発生する。車輪・レール間の接触面の状態を滑りが起こりやすい状態にする最大の要因とされているのは雨天等によるレール表面の湿潤である。レール表面に水滴が付着すると滑りやすくなること、前方車両が水滴を踏み散らすことで後方車両ほど水滴の影響を受けず滑りにくくなることが知られている。これを踏まえると、運転指令で決まる指令トルクに対して振動を抑えるための調整トルクを上乗せしてモータのトルクを増加させたとき、前方車両ほどトルクの上乗せが原因で車輪の滑りが発生する可能性が大きく、後方車両では逆にその可能性が小さいことが分かる。
【００６２】
以上のような理由で、本実施例では車両の振動を制御できる電動車のうち振動を抑えるための調整トルクの印加を後方の車両に限ることで、車両の振動を抑える制御が車輪の滑りを誘発することを防いでいる。
【００６３】
なお、本実施例では列車の進行方向に従い２つの電動車ｃ２，ｃ５で車両の振動を抑えるための制御を排他的に実施したが、制御車両が３つ以上ある場合は、車輪の滑り易さに応じて振動を制御するための調整トルクの大きさを（０にすることも含めて）変化させ、車輪が滑り易い場合ほど調整トルクを小さくするように制御系を構成すればよい。例えば列車の後ろ半分に属する電動車のみで振動を制御するという方法でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の列車の連成振動を説明する図である。
【図２】本発明の列車制御システムに係る一実施例の構成を示す図である。
【図３】図２におけるインバータのトルク演算部の構成の一例を示す図である。
【図４】列車の水平動揺の振動数と乗り心地の関係を示す図である。
【図５】図２における列車の振動モードのダンピング係数を示す図である。
【図６】図２における列車の連成振動の１次モード成分の変化を示す図である。
【図７】図２における連成振動の１次モード相当の成分を抽出するフィルタの特性を示す図である。
【図８】図２における列車の運転計画である加速度パターンを示す図である。
【図９】図２における列車の進行方向先頭から５番目の車両の加速度を示す図である。
【図１０】図２における列車の進行方向先頭から１番目の車両の加速度を示す図である。
【図１１】図２における列車の進行方向先頭から２番目の車両の加速度を示す図である。
【図１２】図２における列車の進行方向先頭から６番目の車両の加速度を示す図である。
【図１３】図２における列車の各車両の振動の評価値を示す表である。
【図１４】本発明の列車制御システムに係る他の実施例の構成を示す図である。
【図１５】図１４におけるインバータのトルク演算部の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４，ｃ５，ｃ６…車両、ｍ２，ｍ４，ｍ５…誘導モータ、ｉ２，ｉ４，ｉ５…インバータ、ｄｒ，ｄｒ２…運転装置、ｃｍｄ…指令伝送線、ｔ２，ｔ４，ｔ５…指令トルク演算部、ｅ２，ｅ４，ｅ５…電力伝送線、ａ２，ａ５…加速度センサ、ｂ２，ｂ５…加速度伝送線、ｆｔ，ｆｔ２…１次モード抽出部、ｏｐ，ｏｐ２…１次モード制御演算部、ｋｐ，ｋｐ２…１次モード比例ゲイン、ａｌｐ…運転計画、ａｌ５０，
ａｌ５５…車両ｃ５の加速度、ａｌ１０，ａｌ１５…車両ｃ１の加速度、ａｌ２０，
ａｌ２５…車両ｃ２の加速度、ａｌ６０，ａｌ６５…車両ｃ６の加速度。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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