(57)【要約】【課題】空転発生時の線路上の車両位置や天候情報に応じて電動機のトルクリミット値を設定・更新可能とし、空転の防止、及び空転発生時の速やかな再粘着を可能とする。【解決手段】電動機を駆動する電力変換器を備えた車両駆動制御装置において、電動機２の速度検出値から空転を検知する空転／滑走検知部７と、外部との無線通信により得た位置データと電動機２の速度検出値とを用いて車両位置を演算する車両位置演算部１０と、空転させない範囲でトルク指令を制限するトルクリミット値を、車両位置及び天候情報に応じて設定するトルクリミット値設定部９と、空転発生時に車両位置及び天候情報に応じてトルクリミット値設定部９から読み出したトルクリミット値を上限値とし、かつ、ノッチ指令を速度検出値に応じて変換してなるトルク指令を出力する駆動制御部８と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線路上の車両を駆動するための電動機に電圧を供給する電力変換器と、前記電動機のトルク指令に基づいて前記電力変換器の出力電圧指令を生成する手段と、前記出力電圧指令に従って前記電力変換器を構成する半導体スイッチング素子を駆動する手段と、を有する車両駆動制御装置において、
前記電動機の速度検出値から前記車両の車輪が空転していることを検知する空転検知手段と、
外部との無線通信により得た前記車両の位置データと前記電動機の速度検出値とを用いて線路上の車両位置を演算する車両位置演算手段と、
車輪を空転させない範囲で前記トルク指令を制限するためのトルクリミット値を、前記車両位置及び天候情報に応じて設定するトルクリミット値設定手段と、
前記空転検知手段により空転を検知したときに、そのときの前記車両位置及び天候情報に応じて前記トルクリミット値設定手段から読み出した前記トルクリミット値を上限値とし、かつ、車両駆動指令としてのノッチ指令を前記電動機の速度検出値に応じて変換してなるトルク指令を出力する駆動制御手段と、
を備えたことを特徴とする車両駆動制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載した車両駆動制御装置において、
前記トルクリミット値設定手段は、前記空転検知手段により空転を検知したときの前記電動機の出力トルクを、そのときの前記車両位置及び天候情報に対応する前記トルクリミット値として設定することを特徴とする車両駆動制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した車両駆動制御装置において、
前記車両位置演算手段は、
線路に沿って地上に設置されたトランスポンダを含む無線通信手段からの受信データにより得た位置データを、前記電動機の速度検出値から求めた前記車両の速度検出値の積算値により補正して前記車両位置を演算することを特徴とする車両駆動制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した車両駆動制御装置において、
前記トルク指令及びトルクリミット値を、乗客を含む車両総重量により正規化した値として扱うことを特徴とする車両駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両等の電気車に搭載された車両駆動用電動機をインバータ等の電力変換器により制御するための車両駆動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータによって制御される車両駆動用電動機を備えた電気車において、車輪の空転／滑走が発生すると、車両駆動制御装置により再粘着を行うようにインバータの出力電圧指令が制御される。
電気車の空転／滑走時の速やかな再粘着を目的とした従来技術としては、特許文献１に記載された電気車の制御装置が知られている。この制御装置は、同一車両に設けられた複数の誘導電動機を制御するインバータと、誘導電動機の回転周波数を検出する手段と、回転周波数検出値の時間変化率の平均値に基づき基準周波数時間変化率指令を発生する手段と、基準周波数時間変化率指令をインバータ出力電流偏差及び空転量／滑走量検出値に応じて調整することにより周波数時間変化率指令を発生する手段と、この周波数時間変化率指令に基づいてインバータの出力周波数指令を発生する手段と、を備えている。
【０００３】
また、特許文献２には、ＧＰＳにより算出した車両の位置を粘着係数推定値と結び付けたデータを情報管理センターに送信し、他の車両が前記データに基づいて電動機を駆動制御することにより、粘着係数が低い線路上の位置を予測して他の車両の空転／滑走を防止するようにした鉄道車両用推進制御支援装置が記載されている。
【０００４】
特許文献３には、空転／滑走発生時の車両運転状態及び車両位置を記憶装置に予め記憶しておき、これらのデータと現在の車両運転状態から空転／滑走の確率を推定して運転士に予告することにより、車両推進装置の出力トルクを弱めて空転／滑走を未然に防止するようにした鉄道車両用運行支援装置が記載されている。
【０００５】
特許文献４には、各車両に配置された車両駆動装置から空転／滑走履歴情報を含む状態データを車上通信ネットワーク経由で受信し、前記状態データに応じて各車両駆動装置に対するトルク指令を決定する列車制御装置を備え、この列車制御装置は、第１の車両駆動装置のトルク指令を低減する場合に、低減されたトルク量が第２の車両駆動装置に分配されるように各車両駆動装置へのトルク指令をそれぞれ決定する列車制御システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３０８００６号公報（段落［００１３］〜［００２１］、図１等）
【特許文献２】特開２００７−２０２２４９号公報（段落［０００６］〜［０００８］、図１等）
【特許文献３】特開２００９−１１８５４３号公報（段落［０００６］〜［０００８］、図１等）
【特許文献４】特開２００４−３２８９９３号公報（段落［００２２］〜［００５７］、図１〜図１２等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、従来の車両駆動制御装置では、電動機の速度（回転数）に応じて発生トルクを制御しており、電動機の速度−トルク特性は、例えば図２のように設定されている。なお、図２において、Ｎ＝１，２，３はノッチ指令１，２，３にそれぞれ対応するトルク指令であることを示している。
図２に示すように、電動機の低速域では定トルク制御、中速域では定出力制御を行い、高速域では電動機特性に依存した特性となっており、車両駆動指令として運転台から送られるノッチ指令に応じた速度−トルク特性に基づいて電動機が駆動制御されている。
【０００８】
鉄道車両では、通常、鋼鉄製の車輪と線路との間の摩擦抵抗は小さい。しかし、線路上に水滴や錆、落ち葉等が存在すると、摩擦抵抗は更に小さくなり、これが車輪の空転を引き起こす。また、線路勾配等が顕著な線路上の特定位置では、空転により線路が削られて空転が一層発生しやすくなる。これらの原因によって空転が発生すると、電動機に過大な電流が流れて車両故障の原因となり、ダイヤの遅延により乗客に大きな影響を及ぼすことになる。
更に、空転や滑走は乗客を含む車両の総重量や天候等によって発生場所が異なるので、空転／滑走発生後の再粘着動作については運転士の経験に頼らざるを得ず、結果として再粘着動作の確実性、安定性に欠けるという問題がある。
【０００９】
前述した特許文献１に係る従来技術は、空転／滑走の検出時にインバータの出力周波数指令を調整するものであるが、空転が発生しやすい線路上の車両位置を考慮してトルクを制御するような制御系を備えておらず、電動機に過大なトルクを発生させて空転を助長させてしまうおそれがあった。
また、特許文献２に記載されているようにＧＰＳを用いて車両位置情報を得る場合、ＧＰＳでは基本的に緯度情報、経度情報が得られるだけであるため使い勝手が悪く、粘着係数が低い線路上の位置を予測することが難しいと共に、当該位置に他の車両がいつ到達するのかが明確ではないという問題があった。更に、車両位置を粘着係数の推定値と結び付けたデータを作成することも困難であった。
【００１０】
特許文献３に係る従来技術は、記憶装置に蓄積されたデータと現在の車両運転状態とに基づいて空転／滑走の確率を推定しているので、確率の精度を上げるためには大量のデータを蓄積しておく必要があり、記憶装置の容量が増大するという問題があった。
更に、特許文献４に係る従来技術は、車両編成全体のトルク量を指定値に維持しながら複数の車両駆動装置間でトルク指令を分配することを特徴としており、車両位置や天候に応じたきめ細かい再粘着制御を可能にするものではない。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、空転発生時の線路上の車両位置や天候情報に応じて電動機のトルクリミット値を設定しておくと共にこのトルクリミット値を更新可能とし、電動機のトルクを適切な値に制御して空転発生時の速やかな再粘着処理を可能とした車両駆動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、線路上の車両を駆動するための電動機に電圧を供給する電力変換器と、前記電動機のトルク指令に基づいて前記電力変換器の出力電圧指令を生成する手段と、前記出力電圧指令に従って前記電力変換器を構成する半導体スイッチング素子を駆動する手段と、を有する車両駆動制御装置において、
前記電動機の速度検出値から前記車両の車輪が空転していることを検知する空転検知手段と、
外部との無線通信により得た前記車両の位置データと前記電動機の速度検出値とを用いて線路上の車両位置を演算する車両位置演算手段と、
車輪を空転させない範囲で前記トルク指令を制限するためのトルクリミット値を、前記車両位置及び天候情報に応じて設定するトルクリミット値設定手段と、
前記空転検知手段により空転を検知したときに、そのときの前記車両位置及び天候情報に応じて前記トルクリミット値設定手段から読み出した前記トルクリミット値を上限値とし、かつ、車両駆動指令としてのノッチ指令を前記電動機の速度検出値に応じて変換してなるトルク指令を出力する駆動制御手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した車両駆動制御装置において、前記トルクリミット値設定手段は、前記空転検知手段により空転を検知したときの前記電動機の出力トルクを、そのときの前記車両位置及び天候情報に対応する前記トルクリミット値として設定するものである。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した車両駆動制御装置において、前記車両位置演算手段は、線路に沿って地上に設置されたトランスポンダを含む無線通信手段からの受信データにより得た位置データを、前記電動機の速度検出値から求めた前記車両の速度検出値の積算値により補正して前記車両位置を演算するものである。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載した車両駆動制御装置において、前記トルク指令及びトルクリミット値を、乗客を含む車両総重量により正規化した値として扱うものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、線路上の車両位置や天候に応じて設定したトルクリミット値を上限値として電動機のトルク指令を生成することにより、同一の車両位置や天候条件のもとでの空転発生を未然に防止すると共に、仮に空転が発生した場合でも短時間で粘着復帰を行わせることができる。
また、トルクリミット値は空転が発生するたびに更新されるため、トルクリミット値を記憶しておく記憶装置の容量も少なくて済む等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る車両駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態における平常時の電動機の速度−トルク特性を示す図である。
【図３】本発明の実施形態におけるトルクリミット値のデータテーブルを示す図である。
【図４】本発明の実施形態における空転発生−再粘着処理時のトルクパターンを示す図である。
【図５】本発明の実施形態における空転発生−再粘着処理時の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態において、車両が地上との間で位置データをやり取りする様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る車両駆動制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、パンタグラフ１４と車輪１５との間には、架線電圧を平渇するフィルタ回路用のリアクトル３とコンデンサ４とが直列に接続され、コンデンサ４の両端にはインバータ１の直流側が接続されている。
【００１９】
インバータ１は、並列接続された複数台の交流電動機２を駆動すると共に、制動時に電動機２から発生する交流電力を架線（図示せず）に回生する機能も備えている。
電動機２には速度検出器１２がそれぞれ取り付けられており、これらの速度検出器１２から出力される電動機２の速度検出値はベクトル制御演算部５に入力されている。また、ベクトル制御演算部５には、電流検出器１３により得た電動機２の電流検出値と後述する駆動制御部８からのトルク指令も入力されている。
【００２０】
ベクトル制御演算部５は、上記トルク指令に従ったトルクを電動機２に発生させるために必要なインバータ１の出力電圧指令を、電動機２の速度検出値及び電流検出値に基づいて演算し、ＰＷＭ回路６に出力する。
ＰＷＭ回路６は、出力電圧指令に従ってインバータ１のスイッチング素子に対するゲート駆動信号を生成し、出力する。これにより、インバータ１からは前記電圧指令どおりの交流電圧が出力されて各電動機２に供給されることになる。
【００２１】
ベクトル制御演算部５からは電動機２の速度検出値が出力され、この速度検出値は、空転／滑走検知部７、駆動制御部８及び車両位置演算部１０に入力されている。
空転／滑走検知部７は、電動機３の速度変化率が設定値以上となった場合に、車輪１５と線路３０との粘着が外れて空転が発生したと判断する。なお、車輪１５の滑走状態は、空転／滑走検知部７が車輪１５の速度検出値に基づいて検知するものであるが、この実施形態では空転発生、及び、その後の再粘着動作を中心に説明する。
【００２２】
空転／滑走検知部７は、空転発生時に空転検知信号を駆動制御部８に出力する。
駆動制御部８は、空転／滑走が発生していない平常時は、車両駆動指令として車両間ネットワーク及び伝送部１１を介して入力されるノッチ指令に従い、電動機３の速度に応じたトルク指令をベクトル制御演算部５に与えている。
【００２３】
駆動制御部８に空転検知信号が入力されると、駆動制御部８は、予め設定されたトルク生成パターンにより再粘着動作を行うようにトルク指令を出力するが、このトルク指令は、車両位置及び天候等の条件をパラメータとしてトルクリミット値設定部９に設定されているトルクリミット値を上限値として制御される。このトルクリミット値は、車両位置演算部１０により演算された車両位置と別途入力される天候情報とに応じてトルクリミット値設定部９の記憶装置から選択されて読み出され、駆動制御部８に与えられる。
【００２４】
図３は、トルクリミット値設定部９の記憶装置に設定されるトルクリミット値のデータテーブルであり、これらのトルクリミット値τ１１，τ１２，……は、線路上の車両位置（始点距離と終点距離との間の車両位置）と天候情報（晴天または曇天等の通常時、雨天時、豪雨時、降雪時）とをパラメータとして登録されている。なお、天候情報のパラメータは上記の例示内容に何ら限定されるものではなく、車輪の空転に影響を与える各種の天候情報を含めても良い。
前記データテーブルのトルクリミット値τ１１，τ１２，……，τ２１，……，τ３１，……は、初期状態では、車両位置及び天候情報に応じて経験的かつ暫定的に所定値が設定されているが、実際の走行中に空転が発生した場合には、駆動制御部８を介して、そのときの電動機２の出力トルクがそのときの車両位置及び天候情報に該当するトルクリミット値として更新、登録されるようになっている。
【００２５】
次に、図４は、本実施形態における空転発生−再粘着処理時の電動機２のトルクパターンを示しており、図５は、空転発生−再粘着処理時の動作を示すフローチャートである。
図４の時刻ｔ１において駆動制御部８が空転を検知すると（図５のステップＳ１ Ｙｅｓ）、以前の粘着状態における出力トルク（トルク指令）τａを低減トルク量だけ減少させるように、駆動制御部８がトルク指令τｂを出力する。これと同時に、駆動制御部８は、トルクリミット値設定部９に指令を送り、空転が発生した時点の車両位置及び天候情報に該当するデータテーブル内のトルクリミット値を出力トルク値τａに置き換えて更新させる（図５のステップＳ２）。
時刻ｔ１以後、トルク指令がτｂに減少すると、電動機２の出力トルクは図４に実線で示すように減少する。
【００２６】
次いで、電動機２の出力トルクがトルク指令τｂに一致すると、車輪の再粘着が開始され、出力トルクは図４に実線で示すように増加していく。その後、図４の時刻ｔ２において、駆動制御部８は、再粘着状態を保持可能な値としての再粘着保持トルク量に相当するトルク指令τｃを出力する。これにより、電動機２の出力トルクは時刻ｔ２から時刻ｔ３までの再粘着保持時間にわたってτｃに維持される。以上が図５における再粘着処理（図５のステップＳ３）に相当する。
ここで、トルク指令τｂ（言い換えれば低減トルク量）、トルク指令τｃ（再粘着保持トルク量）、再粘着保持時間は、トルクリミット値設定部９に予め設定された値である。
【００２７】
次に、時刻ｔ３において空転が検知されなくなったら（図５のステップＳ１ Ｎｏ）、駆動制御部８は再粘着処理が終了して粘着状態に復帰したと判断し、車両間ネットワーク及び伝送部１１を経由して入力されるノッチ指令を、図２に示したように現在速度に基づくトルク指令τｄに変換して出力する（図５のステップＳ４）。
なお、図４において、トルク指令の大小関係はτａ＞τｄ＞τｃ＞τｂとなっている。
【００２８】
次いで、駆動制御部８は、粘着復帰後のトルク指令τｄが、トルクリミット値設定部９から読み出した現在の車両位置及び天候情報におけるトルクリミット値（この例では図５のステップＳ２により、τａが登録されている。）より大きいか否かを判断する（図５のステップＳ５）。
図４の場合には、τａ＞τｄであるため、トルク指令τｄをそのまま出力する（図５のステップＳ５ Ｎｏ，ステップＳ７）。また、τａ≦τｄの場合には、トルク指令τｄをトルクリミット値であるτａに変更して出力する（図５のステップＳ５ Ｙｅｓ，ステップＳ６，Ｓ７）。
【００２９】
上記の動作により、駆動制御部８からは、車両位置及び天候情報に応じたトルクリミット値を上限値とするトルク指令が出力されることになり、以後は、車両位置及び天候情報が同一の条件のもとで空転が発生するのを未然に防止することができる。
【００３０】
次いで、前記車両位置演算部１０による車両位置の演算方法について説明する。
車両位置演算部１０は、車両２０が通過する地上からの位置データを無線にて受信すると共に、電動機２の速度検出値及び車輪径から求めた車両２０の速度検出値を積算して位置補正量を算出し、前記位置データに位置補正量を加算することによって線路上の現在の車両位置を演算する。
【００３１】
ここで、図６は車両２０が地上との間で位置データをやり取りする様子を示している。
図６において、２１ａ，２１ｂは先頭の車両及び最後尾の車両に設置された本実施形態に係る車両駆動制御装置、２２は車両駆動制御装置２１ａ，２１ｂを結ぶ車両間ネットワーク、３１は地上の線路脇に設置された無線伝送装置、３２は線路３０に沿って配置されたトランスポンダ送信機、２３は最後尾の車両に設置されたトランスポンダ受信機である。
なお、無線伝送装置３１、トランスポンダ送信機３２及び受信機２３、前記伝送部１１等は、請求項における無線通信手段を構成している。
【００３２】
車両２０が無線伝送装置３１の横を通過すると、車両駆動制御装置２１ａ，２１ｂと無線伝送装置３１との間の無線通信により、無線伝送装置３１の位置データ（車両２０の位置データ）が車両駆動制御装置２１ａ，２１ｂに入力される。また、車両２０がトランスポンダ送信機３２の上を通過した場合には、通過したトランスポンダ送信機３２の位置データ（車両２０の位置データ）が車両駆動制御装置２１ａ，２１ｂに入力される。
このように車両２０が地上の無線伝送装置３１やトランスポンダ送信機３２との間で無線通信を行って得た位置データは、図１の伝送部１１から直接、あるいは車両間ネットワーク２２を介して、伝送部１１、駆動制御部８から車両位置演算部１０に入力される。車両位置演算部１０は、前述したように位置データと位置補正量とを用いて、線路上の現在の車両位置を正確に求めることができる。
【００３３】
なお、この実施形態において、パラメータとして乗客を含む車両総重量を導入し、この車両総重量によりトルクリミット値やトルク指令を正規化して扱うことも可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１：インバータ
２：交流電動機
３：リアクトル
４：コンデンサ
５：ベクトル制御演算部
６：ＰＷＭ回路
７：空転／滑走検知部
８：駆動制御部
９：トルクリミット値設定部
１０：車両位置演算部
１１：伝送部
１２：速度検出器
１３：電流検出器
１４：パンタグラフ
１５：車輪
２０：車両
２１ａ，２１ｂ：車両駆動制御装置
２２：車両間ネットワーク
２３：トランスポンダ受信機
３０：線路
３１：無線伝送装置
３２：トランスポンダ送信機
【図１】
2012228053.tif 000003
【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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