(57)【要約】【課題】車体振動を効果的に抑制することが可能な鉄道車両のサスペンション制御装置を提供する事である。【解決手段】鉄道車両の車体Ｂに作用する横方向の加速度を検出する加速度センサ２が出力する加速度の信号に基づいて制御力Ｆｓを演算し、鉄道車両における車体Ｂと車体Ｂを支持する台車Ｗとの間に介装され車両の進行方向に対し横方向の車体Ｂの振動を抑制するサスペンション装置４に制御力Ｆｓを発生させるべくサスペンション装置４を制御する鉄道車両のサスペンション制御装置において、上記信号に含まれる遠心加速度成分を除去するハイパスフィルタ７と、信号を位相遅れ補償する位相補償器９と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図３
2009023475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の車体に作用する横方向の加速度を検出する加速度センサが出力する加速度の信号に基づいて制御力を演算し、鉄道車両における車体と車体を支持する台車との間に介装され車両の進行方向に対し横方向の車体の振動を抑制するサスペンション装置に制御力を発生させるべくサスペンション装置を制御する鉄道車両のサスペンション制御装置において、上記信号に含まれる遠心加速度成分を除去するハイパスフィルタと、信号を位相遅れ補償する位相補償器と、を備えたことを特徴とする鉄道車両のサスペンション制御装置。
【請求項２】
ハイパスフィルタおよび位相補償器による処理を行う前に信号に含まれる高周波成分を除去するローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両のサスペンション装置。
【請求項３】
加速度の信号を積分して車体の横方向の速度を得て、当該速度からスカイフック制御側に則り制御力を演算して、サスペンション装置をスカイフック制御することを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両のサスペンション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両のサスペンション制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の走行時には、レール設置面の傾斜、軌道狂い、横風、旋回走行時に車両に負荷される遠心加速度等を原因として車体に車両の進行方向に対して横方向（以下、単に「横方向」と言う）への振動が作用する。この横方向の振動は、鉄道車両における乗り心地を悪化させる原因となるため、鉄道車両にあっては、この振動を抑制するために、車体と台車の間に空気バネやコイルバネ等を介装して車体が台車から受ける衝撃を吸収すると共に、車体の振動を抑制するべくダンパ、アクチュエータあるいはこれら両方を備えたサスペンション装置を車体と台車との間に介装させる。
【０００３】
そして、その一例として、サスペンション装置が発生する制御力を可変とし、このサスペンション装置に出力させる制御力を制御則に則って制御する制御装置が知られており、このような制御装置においては、加速度センサで検知する横方向の加速度信号に基づいてスカイフックセミアクティブ制御を行うようになっている。
【０００４】
しかしながら、車両が曲線区間を走行する際には、加速度センサで検出する加速度信号には、軌道狂いや横風といった車体に振動させる振動成分のみならず、カント不足による定常的な遠心加速度成分が含まれ、加速度センサで検知する加速度の値がドリフトしてしまい、車体速度の信号のみに基づいてスカイフックセミアクティブ制御したのでは、車体振動を効果的に抑制する事ができない可能性があるため、加速度センサが出力した加速度信号をハイパスフィルタ処理するようにしている。また、加速度信号に含まれるノイズ成分や制御対象周波数領域を超える周波数領域の信号成分をローパスフィルで除去するようにしている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０９−２０７７７５号公報（図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開平０９−２０７７７５号公報の技術では、曲線区間走行時における遠心加速度の影響による加速度信号のドリフトを防止できるのであるが、このドリフトを防止するハイパスフィルタ処理のために、以下の問題の新たな問題が生じることになる。
【０００６】
すなわち、ハイパスフィルタ処理は微分要素となるため、ハイパスフィルタ処理を実施すると、処理後の加速度信号における位相が進む傾向となり、特に、ハイパスフィルタのカットオフ周波数近傍では大きく位相が進んでしまうことになる。
【０００７】
そして、振動制御の対象となる加速度の周波数領域は、１Ｈｚ程度から１０Ｈｚ程度の間の領域であるのに対して、ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、上記した曲線区間走行時において定常的に車体に作用する遠心加速度による加速度のドリフトを抑制するために１Ｈｚ未満の低い周波数域に設定されるものの、振動制御対象周波数領域の近傍にハイパスフィルタのカットオフ周波数を設定しなくてはならず、振動制御対象周波数領域における加速度信号に無視できない位相進みが生じて、車体振動を抑制できなくなり、サスペンション装置によっては車体を発振させてしまう虞がある。
【０００８】
また、このような事態を避けようとして、加速度信号の位相進みが振動制御に影響を与えない程度の周波数領域でサスペンション装置を制御することも考えられるが、そうすると、振動制御対象周波数領域が狭まってしまって、やはり、車体振動を効果的に抑制できなくなってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、車体振動を効果的に抑制することが可能な鉄道車両のサスペンション制御装置を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、鉄道車両の車体に作用する横方向の加速度を検出する加速度センサが出力する加速度の信号に基づいて制御力を演算し、鉄道車両における車体と車体を支持する台車との間に介装され車両の進行方向に対し横方向の車体の振動を抑制するサスペンション装置に制御力を発生させるべくサスペンション装置を制御する鉄道車両のサスペンション制御装置において、上記信号に含まれる遠心加速度成分を除去するハイパスフィルタと、信号を位相遅れ補償する位相補償器と、を備えた。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による鉄道車両のサスペンション制御装置によれば、曲線区間走行時における遠心加速度による加速度の信号のドリフトをハイパスフィルタで防止できるとともに、ハイパスフィルタ処理で位相が進む信号を位相補償器で処理することにより、信号の位相進みを改善することができる。
【００１２】
そして、加速度の信号の位相進みが改善されるので、ハイパスフィルタのカットオフ周波数の近傍の周波数領域でサスペンション装置の制御を行っても、車体の振動を効果的に抑制でき、車体振動を発振させるなどの問題も生じさせることが無い。
【００１３】
換言すれば、ハイパスフィルタ処理で位相が進んだ信号を使用して制御していた従来の制御装置では、位相進みが大きな周波数領域で制御すると、車体の振動を抑制することができないばかりか加振してしまう場合があるので、このような位相進みが大きな周波数領域については制御を行うことができない制御不能範囲とせざるを得なかったが、このサスペンション制御装置では、位相補償器の処理によって信号の位相進みが改善されるので、従来制御装置では制御不能であった周波数領域まで制御可能な周波数領域とすることができるので、制御可能周波数領域の下限が拡大することになる。すなわち、曲線通過時の定常的な遠心加速度成分の除去と、制御可能周波数領域の下限の拡大とを高次元で両立することができ、サスペンション制御装置は、制御上加速度の信号に含まれることが好ましくない定常的な遠心加速度成分の周波数領域と制御対象周波数領域とが接近する鉄道の制御に最適となる。
【００１４】
また、位相補償器の処理によって高周波領域のゲインが小さくなるので、サスペンション装置の制御力発生応答遅れによる振動の悪化を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１は、一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置を概念的に示す図である。図２は、一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置を搭載した車両の平面図である。図３は、一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置のシステムの一例を示す図である。図４は、ローパスフィルタとハイパスフィルタを合成したフィルタにおけるゲイン曲線の一例である。図５は、ローパスフィルタとハイパスフィルタを合成したフィルタにおける位相曲線の一例である。図６は、ローパスフィルタとハイパスフィルタに位相補償器の特性を合成したフィルタにおけるゲイン曲線の一例である。図７は、ローパスフィルタとハイパスフィルタに位相補償器の特性を合成したフィルタにおける位相曲線の一例である。
【００１６】
一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置１は、図１および図２に示すように、基本的には、鉄道車両の車体Ｂに作用する車両進行方向に対し横方向の加速度を検出する検知手段たる加速度センサ２と、加速度センサ２が出力する加速度の信号を取り込んでサスペンション装置４を制御する制御部３とを備えて構成されている。
【００１７】
他方、サスペンション制御装置１で制御されるサスペンション装置４は、鉄道車両の進行方向に対して横方向の車体Ｂの振動を抑制するように車体Ｂと前後の台車Ｗとの間に介装されており、サスペンション制御装置１の指令通りに制御力を発生することができるようになっている。なお、この場合、サスペンション装置４は、たとえば、油圧や電動等で推力を発揮するアクチュエータとされている。
【００１８】
また、車体Ｂは、車体Ｂと台車Ｗとの間に介装されるエアバネＡによって弾性支持され、さらに、台車Ｗは、台車Ｗと車軸Ｒとの間に介装されるバネＳによって弾性支持されている。
【００１９】
さらに、制御部３は、加速度センサ２が出力する加速度から車体Ｂの横方向の速度を得てスカイフック制御則に則ってサスペンション装置４が発生すべき制御力Ｆｓを演算し、サスペンション装置４に当該制御力Ｆｓを発生させるべく制御指令を出力するようになっており、サスペンション装置４は、上記したように、当該制御指令を受け取ると、制御指令通りに制御力Ｆｓを発生する。
【００２０】
そして、鉄道車両のサスペンション制御装置１における制御部３は、図３に示すように、サスペンション装置４をスカイフック制御するために、加速度センサ２が出力するアナログ電圧でなる加速度の信号に含まれる高周波ノイズを除去するローパスフィルタ５と、ローパスフィルタ５で処理したアナログの信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器６と、デジタル信号に変換された加速度の信号に含まれる低周波成分を除去するハイパスフィルタ７と、ハイパスフィルタ７で処理した加速度の信号を位相遅れ補償する位相補償器９、位相補償器９によって位相遅れ補償された加速度の信号を積分する積分器８と、この場合、積分器８で積分処理された速度を表す信号を取り込んでスカイフック制御側に則りサスペンション装置４が出力すべき制御力を演算するとともに、当該制御力をサスペンション装置４に出力させるべく制御指令を出力する制御力演算部１０と、制御指令のデジタル信号をアナログ電圧の信号に変換するＤ／Ａ変換器１１とを備えて構成されている。
【００２１】
他方、サスペンション装置４は、この場合、アナログ電圧でなる制御指令を受け取ると、図示しない、駆動源を駆動して制御指令どおりの制御力を発生することになる。
【００２２】
そして、ハイパスフィルタ７、積分器８、位相補償器９および制御力演算部１０は、ハードウェア資源として、フィルタ処理、積分演算、制御力演算が可能なように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｓｓｅｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等の演算処理装置と、上記演算処理装置に記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置部と、上記車体傾斜角度の異常検出を行うための処理に使用されるプログラム等が格納されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＨＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ）等の副記憶装置とを備えており、ＣＰＵで上記各種処理を実行することで、上記のハイパスフィルタ７、積分器８、位相補償器９および制御力演算部１０が実現されるようになっている。
【００２３】
なお、本実施の形態の場合、上記した車体Ｂに作用する横方向の加速度を検出する加速度センサ２は、車体Ｂの前後の台車W付近に一つずつ設置され、車体Ｂの床面に沿う横方向の加速度を検知可能な加速度センサとされればよいが、それ以外に、上下方向および前後方向の加速度を検知することが可能な加速度センサとされてもよい。
【００２４】
つづいて、ローパスフィルタ５は、制御上不要となる車体振動制御の対象の加速度の周波数領域を超える周波数成分である高周波ノイズを除去して、制御性を向上させるために用いられており、この場合、特に、アンチエイリアスフィルタとして機能しているが、ローパスフィルタを省略することも可能である。また、この場合、アナログのフィルタとされているが、デジタル信号を処理するフィルタとして、ハイパスフィルタ７と同様に、ＣＰＵによる演算処理によって実現されるようにしてもよい。
【００２５】
また、ハイパスフィルタ７は、鉄道車両が曲線区間を走行する際に、加速度センサ２が出力する加速度の信号に含まれる車体Ｂに定常的に作用する遠心加速度の成分を除去するために設置されるものである。この遠心加速度は１Ｈｚ未満の低周波であり、ハイパスフィルタ７のカットオフ周波数は信号から遠心加速度成分を除去できるように設定されるが、ハイパスフィルタ７の処理によって加速度の信号の位相が進んでしまうので、１Ｈｚ程度から１０Ｈｚ程度となる振動制御対象の加速度の周波数領域（サスペンション装置４で振動を抑制する対象となる加速度の周波数領域。以下、「振動制御対象周波数領域」と言う）への影響を軽微とするべく、カットオフ周波数をできるだけ１Ｈｚ未満でできるだけ小さく設定することが望ましい。
【００２６】
位相補償器９は、ハイパスフィルタ７の処理で進んだ信号の位相を遅らせる位相遅れ補償要素として設置され、その伝達関数Ｋ（ｓ）は、Ｋ（ｓ）＝ｋ・（Ｔ１・ｓ＋１）／（Ｔ２・ｓ＋１）となる。なお、上記式中、ｋはゲインを、Ｔ１，Ｔ２は時定数を、ｓはラプラス演算子を、それぞれ示しており、ただし、Ｔ２＞Ｔ１の関係となっている。すなわち、この位相補償器９によれば、信号の位相を、特に、１／Ｔ２＜ω＜１／Ｔ１の範囲で顕著に遅らせることができる。なお、ωは、加速度の信号の角周波数を示している。したがって、時定数Ｔ１，Ｔ２の設定によって、ハイパスフィルタ７で進んでしまった信号の位相を希望する周波数帯で遅らせることができる。
【００２７】
ここで、ローパスフィルタ５およびハイパスフィルタ７を合成したフィルタのボード線図は、たとえば、図４および図５に示すように、振動制御対象周波数領域における位相が進む傾向となり、振動制御対象の周波数領域であるのでゲインは大きくなっている。
【００２８】
これに対して、位相補償器９で位相が進んだ信号を位相遅れ補償してやることによって、たとえば、図５および図６に示すように、補償前の破線で示す特性から、補償後の実線で示す特性へ変化し、振動制御対象周波数領域における位相進みが改善されていることが分かる。なお、位相補償器９の時定数Ｔ１，Ｔ２の設定によって振動制御対象周波数領域における位相進みを改善させるため、その分、振動制御対象周波数領域におけるゲインが小さくなり、より高周波領域についても同様にゲインが小さくなる。
【００２９】
なお、位相補償器９は、この場合、ハイパスフィルタ７と積分器８との間に配置されてハイパスフィルタ７で処理した加速度の信号について処理を行うようになっているが、Ａ／Ｄ変換器６と制御演算部１０との間であれば、処理の順番は任意であり、ハイパスフィルタ７の処理より前に位相遅れ補償を行ってもよいし、積分器８の処理後に位相遅れ補償を行うようにしてもよい。また、ローパスフィルタ５がＣＰＵの演算処理によって実現されるか、位相補償器９がアナログフィルタとして構成されるのであれば、ローパスフィルタ５の前後に任意に配置してもよい。
【００３０】
さらに、制御力演算部１０は、ローパスフィルタ５、ハイパスフィルタ７、積分器８、位相補償器９の各処理によって得られた車体Ｂの横方向の速度Ｖを示す信号を取り込んで、スカイフックゲインＣｓに乗算して制御力Ｆｓを演算し、この制御力Ｆｓをサスペンション装置４に当該演算された制御力Ｆｓを発生させるのに必要な制御指令に変換し、当該制御指令をサスペンション装置４に出力する。
【００３１】
このように構成されたサスペンション制御装置１は、曲線区間走行時における遠心加速度による加速度の信号のドリフトをハイパスフィルタ７で防止できるとともに、ハイパスフィルタ処理で位相が進む信号を位相補償器９で処理することにより、信号の位相進みを改善することができる。
【００３２】
そして、加速度の信号の位相進みが改善されるので、ハイパスフィルタ７のカットオフ周波数の近傍の周波数領域でサスペンション装置４の制御を行っても、車体Ｂの振動を効果的に抑制でき、車体振動を発振させるなどの問題も生じさせることが無い。
【００３３】
換言すれば、ハイパスフィルタ処理で位相が進んだ信号を使用して制御していた従来の制御装置では、位相進みが大きな周波数領域で制御すると、車体の振動を抑制することができないばかりか加振してしまう場合があるので、このような位相進みが大きな周波数領域については制御を行うことができない制御不能範囲とせざるを得なかったが、このサスペンション制御装置１では、位相補償器９の処理によって信号の位相進みが改善されるので、従来制御装置では制御不能であった周波数領域まで制御可能な周波数領域とすることができるので、制御可能周波数領域の下限が拡大することになる。すなわち、曲線通過時の定常的な遠心加速度成分の除去と、制御可能周波数領域の下限の拡大とを高次元で両立することができ、サスペンション制御装置１は、制御上加速度の信号に含まれることが好ましくない定常的な遠心加速度成分の周波数領域と制御対象周波数領域とが接近する鉄道の制御に最適となる。
【００３４】
また、位相補償器９の処理によって高周波領域のゲインが小さくなるので、サスペンション装置４の制御力発生応答遅れによる振動の悪化を抑制することが可能となる。
【００３５】
なお、位相補償器９の処理によって制御対象周波数領域のゲインが小さくなるが、位相進みが改善されるので、ゲインが小さくなっても、振動抑制効果は向上されることになる。
【００３６】
また、位相補償器９の伝達関数Ｋ（ｓ）であるが、ハイパスフィルタ７で進んだ信号の位相を大きく改善する必要がある場合、Ｋ（ｓ）＝ｋ・｛（Ｔ１・ｓ＋１）／（Ｔ２・ｓ＋１）｝・｛（Ｔ３・ｓ＋１）／（Ｔ４・ｓ＋１）｝としてもよい。Ｔ３，Ｔ４は時定数であり、ただし、Ｔ４＞Ｔ３。
【００３７】
さらに、サスペンション装置４は、アクチュエータではなく、減衰力可変ダンパとされてもよいし、アクチュエータとダンパ、あるいは、アクチュエータと減衰力可変ダンパを組み合わせたものとされてもよい。
【００３８】
なお、サスペンション装置４が減衰力可変ダンパとされる場合、制御演算部１０は、車体Ｂの速度Ｖの方向と、車体Ｂと台車Ｗの相対速度の方向が一致する場合、制御力Ｆｓ＝Ｃｓ・Ｖとし、車体Ｂの速度Ｖの方向と、車体Ｂと台車Ｗの相対速度の方向が一致しない場合、制御力Ｆｓ＝０として、サスペンション装置４を制御すればよい。
【００３９】
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置を概念的に示す図である。
【図２】一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置を搭載した車両の平面図である。
【図３】一実施の形態における鉄道車両のサスペンション制御装置のシステムの一例を示す図である。
【図４】ローパスフィルタとハイパスフィルタを合成したフィルタにおけるゲイン曲線の一例である。
【図５】ローパスフィルタとハイパスフィルタを合成したフィルタにおける位相曲線の一例である。
【図６】ローパスフィルタとハイパスフィルタに位相補償器の特性を合成したフィルタにおけるゲイン曲線の一例である。
【図７】ローパスフィルタとハイパスフィルタに位相補償器の特性を合成したフィルタにおける位相曲線の一例である。
【符号の説明】
【００４１】
１  サスペンション制御装置
２  加速度センサ
３  制御部
４  サスペンション装置
５  ローパスフィルタ
６  Ａ／Ｄ変換器
７  ハイパスフィルタ
８  積分器
９  位相補償器
１０  制御演算部
１１  Ｄ／Ａ変換器
Ａ  エアバネ
Ｂ  車体
Ｒ  車軸
Ｓ  バネ
Ｗ  台車
【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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