(57)【要約】【課題】車輪の空転量を最小限に抑制できる電気車の制御装置を実現する。【解決手段】本発明の電気車の制御装置は、基準速度を出力する手段と、電動機の回転速度を検出する手段とを具備し、電気車の車輪を駆動する電動機の発生トルクが前記基準速度と前記回転速度の差に比例するように制御する。また、本発明の電気車の制御装置では、電動機の発生トルクが基準速度と回転速度の差に比例するように制御するので、車輪の空転が発生し回転速度が増加すると電動機の発生トルクが減少させて空転を抑制することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車の車輪を駆動する電動機を制御する電気車の制御装置において、
基準速度を求める手段と、電動機の回転速度を検出する手段とを具備し、電動機の発生トルクが前記基準速度と前記回転速度の差と比例するように制御することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項２】
電気車の車輪を駆動する電動機を制御する電気車の制御装置において、
基準速度を出力する手段と、電動機の回転速度を検出する手段とを具備し、電動機の発生トルクが前記基準速度と前記回転速度の差に対し単調増加となるように制御することを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項３】
車輪を駆動する電動機を制御する電気車の制御装置を複数搭載する軌道上を走行する電気車の制御装置において、
他の制御装置の情報を受信する情報伝送手段を有し、他の制御装置が制御する電動機の発生するトルクと該制御装置が制御する電動機の発生するトルクに基づき該電動機の駆動する車輪の空転を検知することを特徴とする電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車の車輪の空転を抑制する電気車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車輌では、鉄の車輪とレールの粘着により駆動力を得るが、特に雨天時などで粘着係数が低下した場合は、車輪が空転する場合がある。車輪が空転すると駆動力が大幅に低下するため、車輪の空転を抑制しながら、なるべく大きな駆動力を得る必要がある。
【０００３】
これに対し、空転を抑制する方法として、特許文献１がある。当該装置では、電動機の回転速度の微分値が判定値よりも大きくなったことにより空転を検知し、トルクを減少させることにより、車輪の空転を抑制している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３４５１０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した特許文献１に記載の装置では、車輪の空転量が増加した後にトルクを減少させるため、空転量が大きくなる問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、車輪の空転量を最小限に抑制できる電気車の制御装置を実現することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気車の制御装置は、電気車の車輪を駆動する電動機を制御し、基準速度を出力する手段と、電動機の回転速度を検出する手段とを具備し、電動機の発生トルクが前記基準速度と前記回転速度の差と比例するように制御する。
【０００８】
本発明の電気車の制御装置では、電動機の発生トルクが基準速度と回転速度の差に比例するため、空転が発生し回転速度が増加すると電動機の発生トルクが減少する。これにより、車輪の空転を抑制することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１、図２及び図３を用いて説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施例の構成を示す。図１において、１は架線、２は軌道、３は集電器、４は車輪、５は受電リアクトル、６は電動機、７は速度センサ、１００は電気車の制御装置である。なお、本実施例では電気車の制御装置及び電動機が１個の場合を示しているが、これが複数搭載された場合やさらに複数の電気車が連結された構成であっても同様の効果を有する。
【００１１】
架線１及び軌道２により供給される直流の電力を、集電器３及び車輪４で受電し、受電リアクトル５を介して制御装置１００に供給する。制御装置１００では、直流電圧を可変周波数可変電圧の交流電圧に変換し、電動機６に加える。さらに、電動機６により、車輪４を駆動することにより、電気車の駆動を行う。また、速度センサ７は電動機６の回転速度ωを検出し、制御装置１００に対して出力する。
【００１２】
制御装置１００は、フィルタコンデンサ１０１、インバータ１０２、トルク指令演算部１０３、トルク指令補正部１０４、加算器１０５、減算器１０６、外乱補償部１０７、基準速度演算部１０８、減算器１０９、トルク制御部１１０、ベクトル制御部１１１、ＰＷＭ制御部１１２、粘着力推定部１１３で構成される。
【００１３】
フィルタコンデンサ１０１は、受電リアクトル５と共に受電フィルタを構成し、架線１と軌道２の間の電圧に含まれるノイズ成分を除去すると共にインバータ１０２で発生するノイズ電流が架線１や軌道２に流れることを抑制する。インバータ１０２では、ＰＷＭ制御部１１２の出力に従い、具備するスイッチング素子をオンオフすることにより、直流電圧を交流電圧に変換する。
【００１４】
次に、トルク指令演算部１０３は、図示していないが運転士の操作あるいは自動運転装置の指令及び粘着力推定部１１３の出力である推定粘着力Ｔ＾に基づいて第１のトルク指令値Ｔ１を演算する。トルク指令演算部１０３では、運転士の操作あるいは自動運転装置の指令に従い、あらかじめ定められたトルク指令を第１のトルク指令値Ｔ１として出力するが、推定粘着力が第１の基準値よりも低くなった場合は、車輪が空転したと判断し、空転を抑制し、車輪とレールを再粘着させるため、第１の基準値よりも低い第２の基準値に第１のトルク指令値Ｔ１を設定する。
【００１５】
推定粘着力が第１の基準値よりも大きくなった後、再び第１の基準値よりも小さくなることにより、車輪の再粘着を検知し、第１のトルク指令値Ｔ１として第１の基準値を出力し、その後、所定の割合で第１のトルク指令値Ｔ１を増加させ、運転士の操作あるいは自動運転装置の指令に従ったトルク指令まで増加させる。なお、第１のトルク指令値Ｔ１を増加させる期間あるいは運転士の操作あるいは自動運転装置の指令に従ったトルク指令に到達した後も推定粘着力が第１の基準値よりも低くなった場合は、前述した再粘着のための動作を行う。
【００１６】
トルク指令補正部１０４では、数式（１）に基づき第１のトルク指令値Ｔ１の補正を行い、第２のトルク指令値Ｔ２を演算する。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
なお、数式（１）でｓは微分演算子、Ｊｍはモータ１個当たりの電気車の慣性を電動機６の軸換算した慣性モーメント、Ｋｐは後述するトルク制御部１１０の比例ゲインである。詳細は後述するが、上記補正を行うことにより、車輪とレールが粘着し、かつ外乱がない状態では、第１のトルク指令値Ｔ１と第４のトルク指令値Ｔ４が一致する。
【００１９】
次に加算器１０５は、第２のトルク指令値Ｔ２と外乱補償部１０７の出力である外乱補償量ΔＴを加算して第３のトルク指令値Ｔ３を出力する。さらに、基準速度演算部１０８では、数式（２）に基づき、第３のトルク指令値Ｔ３から基準速度ω＊を演算する。
【００２０】
【数２】
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【００２１】
数式（２）から明らかなように、基準速度ω＊は、電動機６が第３のトルク指令値Ｔ３を出力し、かつ勾配等の外乱がない場合の回転速度ωに相当する。
【００２２】
減算器１０９では、基準速度ω＊から回転速度ωを減算し、速度偏差Δωを求め、トルク制御部１１０では、速度偏差Δωに比例ゲインＫｐを乗算し第４のトルク指令値Ｔ４を出力する。よって、基準速度ω＊及び回転速度ωと第４のトルク指令値Ｔ４の関係は数式（３）となる。
【００２３】
【数３】
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【００２４】
ベクトル制御部１１１では、該第４のトルク指令値Ｔ４、回転速度ω、及び図示してはいないが電動機６に流れる電流の検出値に基づき、電動機６の出力トルクが第４のトルク指令値Ｔ４に一致するよう電圧指令Ｖ＊を操作する。ＰＷＭ制御部１１２では、電圧指令Ｖ＊をパルス幅変調して、インバータ１０２のスイッチング素子のオンオフを指令する。
【００２５】
また、減算器１０６では、第１のトルク指令値Ｔ１から第４のトルク指令値Ｔ４を減算してトルク偏差Ｅｔを求め、外乱補償部１０７では数式（４）に基づき、トルク偏差Ｅｔからトルク補正量ΔＴを演算する。
【００２６】
【数４】
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【００２７】
なお、数式（４）でＫ１及びＫ２は制御ゲインである。これにより、第１のトルク指令値Ｔ１と第４のトルク指令値Ｔ４のトルク偏差Ｅｔを０に近づくこととなる。例えば、第１のトルク指令値Ｔ１が大きい場合、トルク補正量ΔＴが増加し、第３のトルク指令値Ｔ３、基準速度ω＊も増加するため第４のトルク指令値Ｔ４が増加し、トルク偏差Ｅｔは小さくなる。また、第１のトルク指令値Ｔ１が小さい場合も同様にトルク偏差Ｅｔは小さくなる。
【００２８】
最後に、粘着力推定部１１３では、電動機６の出力するトルクから電動機６及び車輪４を加速するために必要なトルクを減算し、車輪とレール間の粘着力を電動機軸換算した粘着トルクを推定している。具体的には、数式（５）に基づき、第４のトルク指令値Ｔ４と回転速度ωから推定粘着トルクＴ＾を演算する。
【００２９】
【数５】
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【００３０】
なお、数式（５）でＴｏｂは推定応答を決める時定数、Ｊｗは電動機６及び車輪４の電動機６の軸換算での慣性モーメントである。
【００３１】
次に、本実施例の具体的な動作を図２及び図３を用いて説明する。
【００３２】
図２及び図３は電動機６の回転速度ωに対する粘着力及び出力トルクの関係を示している。図２は晴天時のように、車輪とレールの粘着力が十分に確保された状態、図３は雨天時などのように、車輪とレールが滑りやすく、粘着力が十分に確保できない場合である。実線は車輪とレールの粘着力を電動機６の軸換算した粘着トルクを表しており、一点鎖線は、電動機６の出力トルク特性を表している。
【００３３】
また、車両速度ωＴは車輪とレールの間のすべりが０である時の電動機６の回転速度である。粘着トルクは、電動機６の回転速度ωが車両速度ωＴと一致している時は０であり、電動機６の回転速度ωが微少量大きくなる、すなわち車輪とレールの間に微小な空転が発生すると、粘着力が発生する。回転速度ωが図２中のω０より小さいときは、回転速度ωが大きくなると粘着力が大きくなるが、回転速度ωが図２中のω０より大きくなると回転速度ωが増加により粘着力は逆に減少する。
【００３４】
一方、電動機６の出力トルクは、減算器１０９及びトルク制御部１１０により、基準速度ω＊と回転速度ωの差に比例した特性である。よって、図２に示す場合は、実線と破線の交点である回転速度ωがω１、発生トルクがＴ１の状態で運転される。但し、厳密には電動機６と車輪４が加速するために必要なトルクの分、発生トルクが粘着トルクよりも大きくなる。しかし、その量は小さく、本実施例の効果に影響を与えるものでは無く、ここでは説明を簡単にするため、無視する。
【００３５】
ここで、雨が降り始める等して、粘着力の特性が図２から図３に示す粘着力が小さい場合に変化した場合を考える。粘着トルクは図３の実線で示すように小さくなる。このとき、電動機６の発生トルクが図２と同じＴ１ままであると、粘着トルクよりも発生トルクが大きいため、回転速度ωが増加する。回転速度ωがω０以上になると粘着力が減少するため、さらに回転速度ωは増加していき、粘着力が減少してしまう。
【００３６】
しかしながら、本実施例の場合には、回転速度ωが増加すると、減算器１０９で演算される速度偏差Δωが減少するため発生トルクも減少し、その結果、図３の粘着トルク特性（実線）と発生トルク（一点鎖線）の交点である回転数がω２、発生トルクがＴ２の点で安定して動作し、空転が抑制されるため、粘着力が大きく減少することはない。よって、空転が発生した後、空転を検知し、トルク指令演算部１０３の第１のトルク指令値Ｔ１を減らして発生トルクを減少することにより再粘着するまでの間における空転の増大を抑制することが可能である。
【００３７】
なお、本実施例では、速度偏差Δωと第４のトルク指令値Ｔ４は比例関係であるが、速度偏差Δωに対して単調増加となる適当な関数によって第４のトルク指令値を求めても同様の効果を得ることができる。
【００３８】
一方、本実施例では、粘着トルクが減少しても空転が抑制されるため、回転速度ωの時間変化量により空転を検出することができない。このため、第４のトルク指令値Ｔ４と回転速度ωから粘着力推定部１１３で推定粘着トルクＴ＾を求め、これに基づいて空転を検出している。
【００３９】
次に、第３のトルク指令値Ｔ３と第４のトルク指令値Ｔ４の関係について説明し、トルク指令補正部１０４の役割を説明する。第４のトルク指令値Ｔ４は電動機６の出力トルクに一致するため、勾配等の外乱がなく、空転が発生していない場合、回転速度ωは数式（６）で表される。
【００４０】
【数６】
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【００４１】
よって、数式（２）、（３）、及び（６）より第４のトルク指令値Ｔ４は数式（７）となる。
【００４２】
【数７】
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【００４３】
すなわち、第４のトルク指令値Ｔ４は第３のトルク指令値Ｔ３に対して時間遅れがあることがわかる。よって、第１のトルク指令値Ｔ１に対して、第４のトルク指令値Ｔ４が時間遅れを生じないように、トルク指令補正部１０４では、数式（７）の時間遅れを相殺するよう、数式（２）に基づき補正を行っている。トルク補正量ΔＴが０の場合、第１のトルク指令値Ｔ１と第４のトルク指令値Ｔ４が等しくなることは、数式（２）及び（７）から明らかである。
【００４４】
以上の説明では勾配等の外乱が無いことを仮定していたが、勾配等がある場合には、空転が発生していない場合にも第１のトルク指令値Ｔ１と第４のトルク指令値Ｔ４に偏差が発生する。この場合には、前述した減算器１０６と外乱補償部１０７の働きにより、偏差が小さくなるようにトルク補正量ΔＴが作用する。なお、勾配の変動は、空転現象に比べるとゆっくりした現象であるため、トルク補正量ΔＴの応答を低く抑えることができるため、空転を抑制するための第４のトルク指令値Ｔ４の減少に対しては不感に設定することができる。
【００４５】
また、粘着トルク推定部１１３の出力である推定粘着トルクＴ＾は、勾配による重力とレールの車輪の粘着力の和を電動機６の軸換算したトルクになるため、勾配がある場合は精度が低下する。このため、鉄道車両のように複数の車両が連結され、電気車の制御装置を複数搭載する車両においては、それぞれの電気車の制御装置を情報伝達手段で結び、回転速度の変化量と車両全体の慣性電動機の軸換算した慣性モーメントの積から各制御装置の第４のトルク指令値Ｔ４の総和を減算して勾配による重力を求め、推定粘着トルクＴ＾を補正する構成とすることができる。
【００４６】
以上説明した実施例では、電動機６の回転速度ωを速度センサ７で検出した値を用いているが、速度センサ７に替えて、電動機６の電圧、電流から推定した推定速度を用いることも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、車輪の空転を効果的に抑制できる電気車の制御装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の構成図。
【図２】実施例の第１の動作状態を示す図。
【図３】実施例の第２の動作状態を示す図。
【符号の説明】
２…軌道、４…車輪、６…電動機、１００…制御装置、１０８…基準速度演算部、１０９…減算器、１１０…トルク制御部、１１１…粘着力推定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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