JP2009234421A - 車上装置及び車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車軸１回転当たりのパルス数の少ない車軸回転検出器を用いた場合にも、車両速度制御を高精度化しえる車上装置及び車両制御装置を提供すること。
【解決手段】車軸回転検出器３１は、車両１の車輪１１の回転に応じた周期性を持つ電圧信号Ｓ０を発生する。車上信号処理装置３は、車軸回転検出器３１から供給された電圧信号Ｓ０の周期を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号Ｓ２を、カウンタ部３３で測定し、速度信号Ｓ３を発生する。信号処理部３４は、速度信号Ｓ３から車両速度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両制御に用いられる車上装置及び車両制御装置に関する。

たとえば、ＡＴＳ（自動列車停止装置）、ＡＴＣ（自動列車制御装置）等による車両制御に当たっては、車両の速度を検出する必要がある。その手段として、従来より、車輪の回転速度を、速度発電機などの車軸回転検出器によって検出し、その検出信号を用いて車両速度を算出するシステム（特許文献１〜３参照）が採用されている。車軸回転検出器には、車軸１回転につき多数のパルス（例えば６０パルス／１回転）を発生するタイプ（多パルス型と称する）と、車軸の１回転につき１周期の正弦波交流電圧を発生するタイプ（ＦＡＣ型と称する）が知られている。

ＡＴＣ等では、車軸回転検出器によって得られた速度信号を、地上側から与えられた速度制御信号（ＡＴＣ信号）と照査し、前者が後者を越えないように、車両速度が制御される。このシステムにおいて、車両速度を高精度で制御するには、車両速度検出に供されるパルス数を増大させ、車両速度検出精度と高めなければならない。

これを前提として、上述した２つのタイプの車軸回転検出器を検討すると、多パルス型は、車軸１回転当たりの発生パルス数を増大させればよいので、車両速度制御の高精度化に容易に対応できるようにも思える。しかし、そのような車軸回転検出器は、当然、コスト高になる。

また、多パルス型の場合、車両速度制御を高精度化する手法として、車軸１回転当たりに発生するパルス数は固定したままで、パルス計数時間を長く取り、パルス数を増大させる手法が考えられる。しかし、この場合には、車両の力行、減速に対する速度追従性が悪くなる。速度追従性を改善するには、パルス計数時間を短くせざるを得ず、今度は、車両速度制御の精度が低下してしまう。

他方、ＦＡＣ型を用いた場合は、低コストになるが、速度照査に用いるには、パルス数が少なすぎる。多くのパルス数を計数した後に、速度を算出しようとすれば、パルス計数時間を長く取ってパルス数を増大させるほかはなく、車両の力行、減速に対する速度追従性が悪くなる。この問題点のために、ＦＡＣ型は、現実には、速度照査を必要とする車両制御システムには用いられていない。
特開２００３−９５１０３号公報 特開２００３−４０１１０号公報 特開２００２−１６０６３３号公報

本発明の課題は、車軸１回転当たりのパルス数の少ない車軸回転検出器を用いた場合にも、車両速度を高精度で検出し、車両制御の高精度化に寄与しえる車上装置及び車両制御装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る車上装置は、車軸回転検出器と、車上信号処理装置とを含む。前記車軸回転検出器は、前記車両の車輪の回転に応じた周期性を持つ電圧信号を発生する。前記車上信号処理装置は、前記車軸回転検出器から供給された前記電圧信号の周期を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号で測定し、速度信号を生成する。

上述したように、本発明に係る車上装置では、車軸回転検出器は、車両の車輪の回転に応じた周期性を持つ電圧信号を発生するから、電圧信号の周期、車軸と一体化された車輪の回転直径、及び、補正係数等から、車両速度を算出することができる。

車両速度算出のための上記ファクタのうち、車輪の走行有効径、及び、補正係数等は、車両毎に特定される既知の値である。問題は、車軸回転検出器で発生された電圧信号の周期を如何にして検出するかである。この点について、従来の手法では、種々問題があったことは、既に述べたとおりである。

これらの問題を解決する手段として、本発明では、車上信号処理装置において、車軸回転検出器から供給された電圧信号の周期を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号で測定し、速度信号を生成させる。即ち、車軸回転検出器の構成自体については、手を加えずに、車軸回転検出器から供給された電圧信号の周期よりは、充分に短い周期を持つ基準パルス信号を、目盛の細かい一種の時間的物差として利用し、電圧信号の周期を測定し、速度信号を発生するのである。より具体的には、車輪の回転周期内で基準パルス信号のパルス数をカウントすることにより、車輪の回転周期を測定する。

したがって、車軸回転検出器について、車軸１回転につき発生するパルス数を増やすことなく、時間的物差となる基準パルス信号の周期を短縮すること、即ち、基準パルス信号を高周波化することにより、電圧信号の周期を高精度で測定し、延いては、速度信号の高精度化、及び、車両制御の高精度化に資することができる。また、車軸回転検出器の構成自体については、手を加えずに済むので、コスト高になることもない。

しかも、時間的物差となる基準パルス信号の周期を短縮することにより、車両速度算出に供されるパルス数を増加できるので、パルス計数時間を長く取る必要もない。このため、車両速度の上昇、低下に対する速度追従性を向上させることもできる。

特に、ＦＡＣ型を用いた場合でも、時間的物差となる基準パルス信号の周期を短縮することにより、車両速度算出に供されるパルス数を増加できる。このため、速度照査システムには用いることができなかったＦＡＣ型を、多パルス型と同等の地位におき、実用に供することができる。この技術的価値は、実用上、きわめて大きい。

本発明に係る車上装置は、地上装置と組み合わされ、両装置間の送受信により、車両を制御する車両制御装置を構成する。

以上述べたように、本発明によれば、車軸１回転当たりのパルス数の少ない車軸回転検出器を用いた場合にも、車両速度制御を高精度化しえる車上装置及び車両制御装置を提供することができる。

本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施例によって更に詳しく説明する。

図１は本発明に係る車上装置と、この車上装置を用いた車両制御装置の構成を概略的に示す図である。図示されたシステムは、モノレール、新交通システム、磁気浮上鉄道、又は、地下鉄などの都市交通システムに適用されるもので、車両１は、多数の車輪１１、１２により、軌道３の上を矢印Ｆ１で示す方向に走行する。車両１は、車上装置２及び車上アンテナ３５を有している。車上アンテナ３５は、地上側に敷設されたループアンテナ５との間で、送信信号Ｔｘ及び受信信号Ｒｘの送受信を行うために用いられる。車上と地上との間における通信方式としては、上述したループアンテナ５を用いた方式のほか、無線通信方式を用いてもよい。

車上装置２は、車軸回転検出器３１と、車上信号処理装置３とを含む。車軸回転検出器３１は、車両１の車輪１１の回転に応じた周期性を持つ電圧信号Ｓ0を発生する。車軸回転検出器３１は、一般には、正弦波の電圧信号Ｓ0を発生する速度発電機である。もっとも、車軸回転検出器３１は、車軸の所定回転角度ごとに、光学的又は電磁的にパルスを発生する多パルス型のものであってもよい。実施例の車軸回転検出器３１は、車輪１１の一回転につき、一周期分の正弦波の電圧信号Ｓ0を発生す速度発電機（ＦＡＣ型）である。車軸回転検出器３１から供給された正弦波の電圧信号Ｓ0は、車上信号処理装置３、又は、その前段に備えられた波形整形回路３０により、パルス信号Ｓ１に整形される。

車上信号処理装置３は、電圧信号Ｓ0を波形整形して得られたパルス信号Ｓ１の周期を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号Ｓ２で測定し、速度信号Ｓ３を発生する。基準パルス信号Ｓ２は、パルス発生器３２によって生成される。基準パルス信号Ｓ２の周波数は、車軸回転検出器３１の回転周期を基準にして定めるのが好ましい。基準パルス信号Ｓ２の周波数は、通常の車両では、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度であれば、充分に対応することができる。

速度信号Ｓ３を発生させるに当たり、この実施例では、車軸回転検出器３１から供給された正弦波の電圧信号Ｓ0を、波形整形回路３０により整形して、電圧信号Ｓ0と実質的に同一の周期を持つパルス信号Ｓ１を生成する。そして、パルス信号Ｓ１の１周期に含まれる基準パルス信号Ｓ２のパルス数を、カウンタ部３３でカウントすることによって、周期を算出し、速度信号Ｓ３を生成する。

速度信号Ｓ３は、車上信号処理装置２の信号処理部３４に供給される。信号処理部３４は、一般には、ＣＰＵを主要素として構成されるもので、速度信号Ｓ３と、車上アンテナ３５を通して地上側から受信した受信信号Ｒｘとを用いて、ＡＴＣ制御やＡＴＳ制御を行うための信号を生成し、この信号を速度制御器３６に与えて車両速度を制御する。信号処理部３４と、カウンタ部３３は、ＣＰＵとして、一体化されていてもよい。波形整形回路３０も同様である。

車上信号処理装置２の信号処理部３４は、速度信号Ｓ３、車輪１１の有効車輪径、及び、補正係数などのファクタから、車両速度を算出する。車両速度算出のための上記ファクタのうち、車輪１１の回転直径（車輪径）、及び、補正係数は、車両毎に特定される既知の値である。問題は、電圧信号Ｓ0を波形整形して得られたパルス信号Ｓ１の周期を如何にして、正確に、かつ、高精度で検出するかである。

この点について、従来の手法では、種々問題があったことは、既に述べたとおりである。要約すると、多パルス型を用いた場合はコスト高になり、車軸１回転当たりに発生するパルス数は固定したままで、パルス計数時間を長く取り、パルス数を増大させた場合には、車両速度の上昇、低下に対する速度追従性が悪くなり、これを回避しようとして、パルス計数時間を短くすると、車両速度制御の精度が低下してしまう。

他方、ＦＡＣ型は低コストになるが、速度照査に用いるには、パルス数が少なすぎ、現実には、速度照査を必要とする車両制御システムには用いることができなかった。

この問題点を解決する手段として、この実施例では、車上信号処理装置３において、車軸回転検出器３１から供給された電圧信号Ｓ0の周期と同一視しえるパルス信号Ｓ１の周期を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号Ｓ２で測定し、速度信号Ｓ３を生成させる。

図２は、電圧信号Ｓ0から得られたパルス信号Ｓ１及び基準パルス信号Ｓ２を用いて、速度信号Ｓ３を生成する過程を具体的に示す波形図である。車軸回転検出器３１から供給される電圧信号Ｓ0は、図２（Ａ）に示すように、周期Ｔ１１を持つ正弦波であり、正弦波の一周期が、車軸の一回転（回転周期）に対応する。この電圧信号Ｓ０は、波形整形回路３０による波形整形作用を受け、図２（Ｂ）に示すように、周期Ｔ１１を有するパルス信号Ｓ１に変換される。

波形整形回路３０は、図２（Ａ）に示すように、Ｈレベルのスレッショールド電圧Ｖｔｈ１と、Ｌレベルのスレッショールド電圧Ｖｔｈ２を持つ。電圧信号Ｓ０が上昇する過程では、Ｈレベルのスレッショールド電圧Ｖｔｈ１を超えるｔ１１時に、パルス信号Ｓ１が立ち上がり、Ｈレベル（論理値１）になる。

Ｈレベルは、電圧信号Ｓ０の電圧値がＬレベルのスレッショールド電圧Ｖｔｈ２よりも低くなるｔ１２時までは継続し、ｔ１２時にＬレベル（論理値０）になる。そして、電圧信号Ｓ０が上昇過程に転じ、Ｈレベルのスレッショールド電圧Ｖｔｈ１を超えるｔ１３時に、パルス信号Ｓ１が立ち上がり、Ｈレベル（論理値１）になる。

波形整形回路３０は、車軸回転検出器３１から供給される電圧信号Ｓ0の変動にあわせて、以上の動作を繰り返す。これにより、図２（Ｂ）に示すように、電圧信号Ｓ０の周期と同じ周期Ｔ１１を持つパルス信号Ｓ１が生成される。

パルス信号Ｓ１は、カウンタ部３３に供給される。カウンタ部３３には、パルス発生器３２から、図２（Ｃ）に示すような基準パルス信号Ｓ２が供給されている。カウンタ部３３は、パルス信号Ｓ１の一周期Ｔ１１の間、つまり、電圧信号Ｓ０がＨレベルのスレッショールド電圧Ｖｔｈ１を超えるｔ１１時から、次に、電圧信号Ｓ０がＨレベルのスレッショールド電圧Ｖｔｈ１を超えるｔ１３時までの一周期Ｔ１１の間、速度信号Ｓ３を出力する。速度信号Ｓ３の周波数は、図２（Ｄ）にも示すとおり、基準パルス信号Ｓ２の周波数に一致する。図示は省略するが、ｔ１３時において、次の速度検出ステップに属する速度信号の生成が開始される。

基準パルス信号Ｓ２は、その周期が、電圧信号Ｓ0及びパルス信号Ｓ１の周期Ｔ１１よりも充分に短い。カウンタ部３３は、周期Ｔ１１を、この基準パルス信号Ｓ２のパルス数をカウントすることによって測定し、速度信号Ｓ３を発生する。即ち、車軸回転検出器３１の構成自体については、手を加えずに、車軸回転検出器３１から供給された電圧信号Ｓ0の周期、及び、これと実質的に同一であるパルス信号Ｓ１の周期Ｔ１１よりは、充分に短い周期を持つ基準パルス信号Ｓ２を、目盛の細かい一種の時間的物差とし、これをカウントすることにより、パルス信号Ｓ１の周期を測定し、速度信号Ｓ３を発生するのである。

したがって、多パルス型を用いることなく、時間的物差となる基準パルス信号Ｓ２をカウントすることにより、パルス信号Ｓ１の周期Ｔ１１を高精度で測定し、延いては、速度信号Ｓ３の高精度化、及び、車両制御の高精度化に資することができる。また、車軸回転検出器３１の構成自体については、手を加えずに済むので、コスト高になることもない。

しかも、時間的物差となる基準パルス信号Ｓ２の周期を短縮（高周波化）することにより、車両速度算出に供されるパルス数を増加できるので、パルス計数時間を長く取る必要もない。このため、車両速度の上昇、低下に対する速度追従性を向上させることも可能になる。

特に、ＦＡＣ型を用いた場合でも、時間的物差となる基準パルス信号Ｓ２の周期を短縮することにより、車両速度算出に供されるパルス数を増加できる。このため、パルス数が少なすぎて、速度照査を必要とする車両制御システムには用いることができなかったＦＡＣ型を、多パルス型と同等の地位におき、実用に供しえるから、その技術的価値はきわめて大きい。

図３は、本発明に係る車上装置と、この車上装置を用いた車両制御装置の別の構成を概略的に示す図である。図において、図１に現れた構成部分と対応する部分については、同一の参照符号を付し、説明を省略することがある。図３を参照すると、車上信号処理装置３のカウンタ部３３は、第１のカウンタ部３３３と、第２のカウンタ部３３４と、インバータ（反転器）３３５とを含んでいる。

第１のカウンタ部３３３では、その入力端子Ck１に、波形整形回路３０から出力されたパルス信号Ｓ１１が、そのまま、供給され、もう一つの入力端子Ｃｏｕｔ１に、パルス発生器３２から基準パルス信号Ｓ２が供給される。一方、第２のカウンタ部３３４では、その入力端子Ck２に、パルス信号S1１をインバータ３３５で反転させて得られた反転パルス信号Ｓ１２が供給され、もう一つの入力端子Ｃｏｕｔ２に、パルス発生器３２から基準パルス信号Ｓ２が供給される。

図４は、図３に示した車上装置における速度信号生成過程を具体的に示す波形図である。図４（Ａ）、（Ｂ）を参照すると、第１のカウンタ部３３３では、パルス信号Ｓ１１の周期Ｔ１１を、これよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号Ｓ２をカウントすることによって測定する一方、第２のカウンタ部３３４では、パルス信号Ｓ１１を反転させて得られた反転パルス信号Ｓ１２の周期Ｔ２１（＝Ｔ１１）を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号Ｓ２をカウントすることによって測定して、それぞれ、速度信号Ｓ３１、Ｓ３２を発生させる。

パルス信号Ｓ１１の周期Ｔ１１は、パルス信号Ｓ１１が立ち上がるｔ２１時に開始され、パルス信号Ｓ１１がｔ２２時にＬレベルになった後に再度立ち上がるｔ２３時までとなる。

パルス信号Ｓ１２の周期Ｔ２１は、反転パルス信号Ｓ１２が立ち上がるｔ２２時に開始され、反転パルス信号Ｓ１２がｔ２３時にＬレベルになった後に再度立ち上がるｔ２４時までとなる。反転パルス信号Ｓ１２は、パルス信号Ｓ１１の反転信号であるので、その立上がり時は、パルス信号Ｓ１１の立ち下がり時に対応する。

信号処理部３４は、第１のカウンタ部３３３から供給された速度信号Ｓ３１及び第２のカウンタ部３３４から供給された速度信号Ｓ３２から、車両速度を算出する。車両速度の算出に当たり、第１のカウンタ部３３３の計数値と、第２のカウンタ部３３４における計数値との平均をとり、それを車両速度とすることにより、速度信号誤差を低減させ、高精度化を達成することができる。この点について、従来例と対比しながら、更に説明する。

＜従来例１＞
車輪径８６０ｍｍとし、車軸回転検出器３１として、車輪１１の一回転につき、９０パルスを生じる多パルス型のものを使用し、パルス数を、信号処理部３４のＣＰＵにより、２５０ｍｓ毎に読み取って速度を求めるものとする。この場合、列車速度Ｖ１（ｋｍ／ｈ）は、
Ｖ１＝（０．８６π＊３．６＊パルス数）／９０＊０．２５ｓ （１）
となる。パルス計数処理において、仮に、１パルス分の増減誤差を生じた場合の速度誤差は、上記（１）式から、０．４３（ｋｍ／ｈ）となる。

速度誤差を小さくするには、読取周期２５０ｍｓを更に長くすればよい。しかしそうすると、読取期間中に車両力行、減速などにより、速度が変わってしまっても、これを算出速度に反映させることができず、算出車両速度が実際の車両速度から乖離してしまう。これは、速度追従性が悪いことに他ならない。

例えば、加速度α（ｋｍ／ｈ／ｓ）で力行する場合を想定すると、読取周期２５０ｍｓでは、速度誤差は、
速度誤差＝（α＊０．２５ｓ／２）＋０．４３（ｋｍ／ｈ） （２）
となる。

＜従来例２＞
車軸回転検出器３１として、ＦＡＣ型のものを用いた場合は、車輪１１の一回転につき２パルスが発生するので、上記（１）式に９０パルスを２パルスに置き換えて、車両速度及び速度誤差を求めることができる。速度誤差は、計算上、９０パルスを用いる従来例１（多パルス型）の４５倍に達する。これでは、速度照査に用いることができない。

＜本発明の場合＞
車軸回転検出器３１として、車輪１１の一回転につき、一周期分の正弦波電圧信号Ｓ0を発生す速度発電機を用いたものとし、車輪径８６０ｍｍとする。また、パルス信号Ｓ２は、車輪１１の一回転（一周期）につきパルス数９０となるような周波数を持つものとする。上述した条件下では、図３及び図４の実施例の場合、車両速度Ｖ１（ｋｍ／ｈ）は、
Ｖ１＝（２＊０．８６π＊３．６）／（Ｔ１１＋Ｔ２１）＊９０ （３）
となる。一般に、Ｔ１１＝Ｔ２１であるので、上記式を書き換えれば、
Ｖ１＝（０．８６π＊３．６）／（Ｔ１１）＊９０ （４）
となる。したがって、基準パルス信号Ｓ２を計数することによって周期Ｔ１１を算出することにより、車両速度Ｖ１を高精度で検出することができる。

加速度α（ｋｍ／ｈ／ｓ）で力行する場合を想定すると、その速度誤差は、
速度誤差＝（α＊０．０４３／２） （５）
加速度αを車両における最大値である４（ｋｍ／ｈ／ｓ）として、速度誤差について、式（２）で表わされる多パルス型の場合と対比すると、多パルス型の場合、
速度誤差＝０．９３（ｋｍ／ｈ）
となる。これに対し、本発明では、式（５）から、
速度誤差＝０．００８６（ｋｍ／ｈ）
となり、多パルス型の場合よりも、約１０．８倍も改善される。

更に、図３に示す実施例では、減速により車両速度が低下した場合の誤動作を防止する手段として、車上信号処理装置３に電圧検出器３３２を備える。電圧検出器３３２を備えることにより、図５（Ａ）に示すように、車両が停止に向かって減速して行き、車軸回転検出器３１から供給された電圧信号Ｓ0１の平均値Ｓ０２が、図５（Ｂ）に示すように、予め定められた電圧値Ｖｄよりも低くなったとき、速度零信号を発生する構成をとることができる。

この構成によれば、車両速度が低下したために、車軸回転検出器３１を構成する速度発電機から出力される電圧信号Ｓ０のレベルが低下し、波形歪（図５（Ａ）参照）が発生した場合でも、誤った速度算出を惹起する危険性を回避することができる。

以上、実施の形態を参照して説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々の変形、変更が可能であることは言うまでもない。

本発明に係る車上装置と、この車上装置を用いた車両制御装置の構成を概略的に示す図である。 電圧信号から得られたパルス信号及び基準パルス信号を用いて、速度信号を生成する過程を示す波形図である。 本発明に係る車上装置と、この車上装置を用いた車両制御装置の別の構成を概略的に示す図である。 図３に示した車上装置における速度信号生成過程を示す波形図である。 減速により車両速度が低下した場合の誤動作を防止する手段としての電圧検出器の動作を説明する波形図である。

符号の説明

１ 車両
２ 車上装置
１１ 車輪
３１ 車軸回転検出器

Claims (5)

1. 車軸回転検出器と、車上信号処理装置とを含み、車両に搭載される車上装置であって、
   前記車軸回転検出器は、前記車両の車輪の回転に応じた周期性を持つ電圧信号を発生し、
   前記車上信号処理装置は、前記車軸回転検出器から供給された前記電圧信号の周期を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号で測定し、速度信号を発生する、
   車上装置。
2. 請求項１に記載された車上装置であって、
   前記車軸回転検出器は、正弦波電圧信号を発生し、
   前記車上信号処理装置は、波形整形回路を備え、前記波形整形回路は、前記車軸回転検出器から供給された前記正弦波電圧信号をパルス信号に変換する、
   車上装置。
3. 請求項２に記載された車上装置であって、
   前記車上信号処理装置は、前記パルス信号の周期を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号で測定する一方、前記パルス信号を反転させ、その反転パルス信号の周期を、それよりも充分に短い周期を持つ基準パルス信号で測定し、両測定信号を処理して、速度信号を発生する、
   車上装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載された車上装置であって、
   前記車上信号処理装置は、電圧検出器を備え、前記電圧検出器は、前記車軸回転検出器から供給された前記電圧信号が予め定められた電圧値よりも低くなったとき、速度零信号を発生する、
   車上装置。
5. 車上装置と、地上装置とを含み、前記車上装置と前記地上装置との間の送受信により、車両を制御する車両制御装置であって、
   前記車上装置は、請求項１乃至４の何れかに記載されたものでなり、
   前記車上装置及び前記地上装置の協働により、前記車両の速度を制御する、
   車両制御装置。
   

Images