(57)【要約】【課題】  パンタグラフのアクティブ制御において、アクチュエータの摩擦の影響を低減する方法を提供する。【解決手段】  本発明のパンタグラフ１は、架線Ｔと摺り板１０との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータ５０を備える。さらに、枠組み２０の変位を計測する変位計５５を備える。変位計５５で計測した枠組み２０の変位の変化率を用いてアクチュエータ５０の摩擦力を想定し、想定した摩擦力と反対方向の力を付加するように制御することによって、アクチュエータ５０の摩擦の影響をキャンセルする。このため、アクティブ制御の精度が向上し、トロリ線とパンタグラフとの間に作用する接触力の変動をより効果的に低減できる。【選択図】  図１
2012050230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気鉄道の車両に電力供給する架線に押し当てられる摺り板を有する舟体、
前記車両の屋根上に前記舟体を昇降可能に支持する枠組み、
該枠組みに、前記舟体を略一定の力で押し上げる押上力を与える手段、及び、
前記架線と前記摺り板との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータ、
を備えるパンタグラフにおける、
前記アクチュエータの摩擦の影響を低減する方法であって、
前記アクチュエータ自身の摩擦力を想定し、想定した摩擦力をキャンセルするように前記アクチュエータを制御することを特徴とするパンタグラフのアクティブ制御におけるアクチュエータの摩擦の影響を低減する方法。
【請求項２】
前記パンタグラフを、前記舟体の質量ｍ1、前記舟体と前記枠組み間のばね要素ｋ1及び減衰要素ｃ1、前記枠組みの質量ｍ2、並びに、前記枠組みと前記車両の屋根との間の減衰要素ｃ2及び静押上力Ｐ0を含む力学系としてモデル化し、
前記力学系に、前記アクチュエータの仮想的な摩擦力を付加して前記パンタグラフの動特性を制御することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフのアクティブ制御におけるアクチュエータの摩擦の影響を低減する方法。
【請求項３】
前記枠組み変位の速度を計測し、
この速度に符号関数を適用したものと摩擦キャンセルゲインとを掛けたものを、前記アクチュエータの摩擦の影響をキャンセルする項として、前記アクチュエータの摩擦力と同じ値を出すように前記摩擦キャンセルゲインを設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のパンタグラフのアクティブ制御におけるアクチュエータの摩擦の影響を低減する方法。
【請求項４】
電気鉄道の車両に電力供給する架線に押し当てられる摺り板を有する舟体と、
前記車両の屋根上に前記舟体を昇降可能に支持する枠組みと、
該枠組みに、前記舟体を略一定の力で押し上げる押上力を与える手段と、
前記架線と前記摺り板との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータと、
前記枠組みの変位を計測する手段と、
前記計測手段で計測した変位の変化率を用いて前記アクチュエータの摩擦力を想定し、想定した摩擦力をキャンセルするように前記アクチュエータを制御する手段と、
を備えることを特徴とするパンタグラフ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道におけるトロリ線（架線）とパンタグラフとの間に作用する接触力を動的に制御する方法において、アクチュエータの摩擦の影響を低減する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状の電気鉄道においては、トロリ線（架線）から車体屋根に搭載されたパンタグラフを介して車両に電力を送る方式が一般的である。このようなパンタグラフは、トロリ線に押し当てられる舟体（摺り板を含む）や、舟体を昇降可能に支持するとともに、トロリ線に押し当てる押上力を与える支持機構、支持機構と舟体との間に介装された支持ばね（復元ばね）・ダッシュポット等を備えている。
【０００３】
トロリ線とパンタグラフの舟体との接触力は、トロリ線の高さ変動や車両・パンタグラフの振動によって変動する。この接触力の変動が大きすぎると、パンタグラフの舟体がトロリ線から離れる離線現象が生じるおそれがある。離線が頻発すると、舟体とトロリ線との間にスパークが生じて、すり板の摩耗が進み、問題となる。また、離線に至らない場合でも、パンタグラフの接触力は極力変動の小さい方がよい。
【０００４】
トロリ線とパンタグラフの舟体との間に作用する接触力の変動を低減する技術として、舟体をトロリ線に押し当てるアクチュエータを動的に制御するアクティブ方式のものが提案されている（特許文献１参照）。このようなアクチュエータとしては、空気式や油圧式、電動式のシリンダを使用するのが一般的である。ところが、このアクチュエータの摩擦が大きい場合、制御効果が十分に発揮できない場合がある。現在のところ、このようなアクチュエータの摩擦を考慮した制御方法については提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２８７２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前記の課題に鑑みてなされたものであって、パンタグラフのアクティブ制御において、アクチュエータの摩擦の影響を低減する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のパンタグラフのアクティブ制御におけるアクチュエータの摩擦の影響を低減する方法は、  電気鉄道の車両に電力供給する架線に押し当てられる摺り板を有する舟体、  前記車両の屋根上に前記舟体を昇降可能に支持する枠組み、  該枠組みに、前記舟体を略一定の力で押し上げる押上力を与える手段、及び、  前記架線と前記摺り板との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータ、を備えるパンタグラフにおける、  前記アクチュエータの摩擦の影響を低減する方法であって、  前記アクチュエータ自身の摩擦力を想定し、想定した摩擦力をキャンセルするように前記アクチュエータを制御することを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、  前記パンタグラフを、前記舟体の質量ｍ1、前記舟体と前記枠組み間のばね要素ｋ1及び減衰要素ｃ1、前記枠組みの質量ｍ2、並びに、前記枠組みと前記車両の屋根との間の減衰要素ｃ2及び静押上力Ｐ0を含む力学系としてモデル化し、  前記力学系に、前記アクチュエータの仮想的な摩擦力を付加して前記パンタグラフの動特性を制御する。
【０００９】
具体的には、  前記枠組み変位の速度を計測し、  この速度に符号関数を適用したものと摩擦キャンセルゲインとを掛けたものを、前記アクチュエータの摩擦の影響をキャンセルする項として、前記アクチュエータの摩擦力と同じ値を出すように前記摩擦キャンセルゲインを設定する。
【００１０】
本発明によれば、力学系モデルにおいて、アクチュエータの摩擦力と反対方向の力を付加するように制御することによって、アクチュエータの摩擦の影響をキャンセルできる。このため、アクティブ制御の精度が向上し、トロリ線とパンタグラフとの間に作用する接触力の変動をより効果的に低減できる。
【００１１】
本発明のパンタグラフは、  電気鉄道の車両に電力供給する架線に押し当てられる摺り板を有する舟体と、  前記車両の屋根上に前記舟体を昇降可能に支持する枠組みと、  該枠組みに、前記舟体を略一定の力で押し上げる押上力を与える手段と、  前記架線と前記摺り板との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータと、  前記枠組みの変位を計測する手段と、  前記計測手段で計測した変位の変化率を用いて前記アクチュエータの摩擦力を想定し、想定した摩擦力をキャンセルするように前記アクチュエータを制御する手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、力学系モデルにおいて、アクチュエータの摩擦力と反対方向の力を付加するように制御することによって、アクチュエータの摩擦の影響をキャンセルできる。このため、アクティブ制御の精度が向上し、トロリ線とパンタグラフとの間に作用する接触力の変動をより効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るパンタグラフの構造を説明する図であり、図１（Ａ）はパンタグラフ全体の機構図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）をモデル化した図である。
【図２】一般的なパンタグラフの構造を説明する図であり、図２（Ａ）はパンタグラフ全体の機構図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）をモデル化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ説明する。
まず、図２を参照して、一般的なパンタグラフの機構について説明する。
図２（Ａ）に示すように、パンタグラフ１は、電気鉄道の車両に電力供給する架線（トロリ線）Ｔに押し当てられる摺り板１０を有する舟体１１と、車両の屋根上に舟体１１を昇降可能に支持する枠組み２０と、枠組み２０に舟体１１を略一定の力で押し上げる押上力を与える主バネ４０とを、主に備える。これらは、車両の屋根３に碍子４を介して固定されたベース５上に取り付けられている。
【００１５】
舟体１１は、車体の幅方向（左右方向）に沿って延びる箱状体である。この舟体１１は、一例でアルミニウム合金等からなる。舟体１１の上面には、摺り板１０が取り付けられている。摺り板１０は、一例で鉄系や銅系の焼結合金製、あるいは、カーボン系材料等からなる。この摺り板１０がトロリ線Ｔに直接接触する。
【００１６】
舟体１１は、枠組み２０によって車両の屋根２上に昇降可能に支持されている。枠組み２０は、回動可能に連結された上枠２１と下枠２２とを有する。上枠２１の下端側は、くの字状に屈曲しており、この屈曲部に下枠２２の上端が回動可能に連結している。上枠２１の上端には、枠状の舟支え２４が取り付けられている。舟支え２４には、舟体１１の下面に取り付けられた復元ばね２５が収容されている。摺り板１０は、枠組み２０が上昇した後復元ばね２５の弾性力でトロリ線Ｔに押し付けられる。舟支え２４の下部と下枠２２の上端寄りの部分とは、舟支えリンク２７で接続されている。これにより、舟支え２４及びその上の舟体１１が正規の姿勢に保たれている。上枠２１の下端には、釣り合い棒２８の上端が連結されている。この釣り合い棒２８の下端はベース５に連結されている。
【００１７】
下枠２２の下端は、主軸３１に連結されている。主軸３１は、ベース５上の取付フランジ３２に回動可能に取り付けられているとともに、ベース５上に配置された主バネ４０に連結されている。主バネ４０は、枠組み２０に上昇力を与えるバネである。
【００１８】
図２（Ａ）に示したパンタグラフの運動モデルを図２（Ｂ）に示す。図２（Ａ）に示した各要素が、以下に示すように図２（Ｂ）においてモデル化されている。
ｍ1：摺り板１０及び舟体１１の質量
ｍ2：枠組み２０（舟支え２４、復元ばね２５、上枠２１、下枠２２、舟支えリンク２２及び釣り合い棒２８）の質量
ｋ1：復元ばね２５のばね定数、
ｃ1：舟体１１と枠組み２０間の減衰要素の減衰定数、
ｃ2：枠組み２０とベース２間の減衰要素の減衰定数、
ｘ１：摺り板１０及び舟体１１の変位、
ｘ２：枠組み２０の変位、
Ｐ0：主ばね４０によって加えられる静押上力、
ｆｃ：質量ｍ1に作用する架線との接触力。
【００１９】
図２（Ｂ）の運動モデルで表わされるパンタグラフの運動方程式を数１に示す。
【数１】
2012050230.tif 000003
【００２０】
簡便化するため、架線系を単純なばね・減衰要素で表わすと、接触力ｆｃは数２で表わされる。
【数２】
2012050230.tif 000004
ここで、ｘ0は架線変位、ｋ0は架線のばね定数、ｃ0は架線の減衰定数である。
【００２１】
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るパンタグラフを説明する。この例のパンタグラフ１は、枠組み２０に力を与えることによりパンタグラフをアクティブ制御するアクチュエータ５０を備えている。
図１（Ａ）に示すように、アクチュエータ５０は、ベース５の上方に、主ばね４０の並列に配置されている。アクチュエータ５０の出力軸５１の先端は主軸３１に連結されている。出力軸５１を進退させると枠組み２０がリンク運動し、舟体１１及び摺り板１０を昇降させる。アクチュエータ５０はコントローラに接続されており、このコントローラによって、摺り板１０をトロリ線Ｔに押し当てる押上力を制御することができる。
【００２２】
図１（Ａ）に示したパンタグラフの運動モデルを図１（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）に示した各要素と同じ要素は、図２（Ｂ）と同じ符号を付す。
アクチュエータ５０は摩擦の影響のないアクチュエータと仮定する。アクチュエータ５０は主ばね４０と並列に取り付けられているので、アクチュエータ５０からの発生力は静押上力と並列に作用することとなる。したがって、パンタグラフの運動方程式は、数３で示される。ｕは、アクチュエータ５０の制御力を示す。
【数３】
2012050230.tif 000005
【００２３】
アクチュエータ５０をＰＩＤ制御する場合、制御力ｕは数４で示される。
【数４】
2012050230.tif 000006
ここで、Ｋp、ＫI及びＫDはそれぞれ比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインを示す。
【００２４】
次に、アクチュエータ５０の摩擦が無視できない程度である場合を考える。この場合、パンタグラフの運動方程式は数５のように書き換えられる。
【数５】
2012050230.tif 000007
ここで、ｆはアクチュエータ５０の摩擦力である。この摩擦力ｆは、事前にアクチュエータ単体試験を実施し、ロードセルで計測しておく。枠組み変位の速度の符号によって力の向きが変わることを表現するために符号関数を用いている。
【００２５】
摩擦の影響を軽減するための制御力は、上記と同様のＰＩＤ制御の場合、数６で示される。
【数６】
2012050230.tif 000008
ここで、Ｋfを摩擦キャンセルゲインと呼ぶ。数６の右辺第１項が摩擦の影響をキャンセルする項である。この項には、枠組み変位の速度が含まれる。枠組みの変位は、例えば、図１に示すように、ベース５上にレーザー変位計５５を取り付けて、同変位計５５によって舟支え２４の高さを計測することによって得ることができる。枠組み変位の速度は、この変位を時間で割ることによって得られる。
【００２６】
数５の運動方程式からもわかるように、摩擦力ｆと同じ値となるようにＫfを設定することによって、摩擦力と反対方向の力が付加され、摩擦の影響を完全に消去することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  パンタグラフ                      ３  屋根
４  碍子                              ５  ベース
１０  摺り板                            １１  舟体
２０  枠組み                            ２１  上枠
２２  下枠                              ２４  舟支え
２５  復元ばね                          ２７  舟支えリンク
２８  釣り合い棒                        ３１  主軸
３２  フランジ                          ４０  主ばね
５０  アクチュエータ                    ５１  出力軸
５５  変位計
【図１】
2012050230.tif 000009
【図２】
2012050230.tif 000010