JP4083697B2 - 電気車の制御装置及び電気車の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は電気車の制御装置に関し、より具体的には軸重変動（軸重移動ともいう。）を考慮した電動機のトルク制御に関する。

電気車として電車や電気自動車等が知られているが、以下、その代表例として電車（動力車）について説明する。電車は車輪・レール間の接線力（粘着力ともいう。）によって加減速がなされる。電動機の発生トルクが接線力以下の範囲であれば粘着走行がなされるが、接線力を超えた場合には空転又は滑走（以下、「空転滑走」という。）が生じる。

空転滑走が生じた場合には、電動機の発生トルクを引き下げて粘着走行に復帰させる制御、すなわち再粘着制御が行われる（例えば、特許文献１参照）。

従って、有効な粘着性能を維持し空転滑走を生じさせないトルク制御、或いは空転滑走後の速やか且つ最適な再粘着トルク制御が要求される。但し、粘着性能の維持のためには接線力を求める必要がある。接線力係数を推定する技術として、例えば特許文献２の技術が知られている。
特開２００２−４４８０４号公報 特開平１１−２５２７１６号公報

ところで、接線力係数は以下の式により求められる。

ここで、Ｆは車輪周引張力［Ｎ］、ｍは回転慣性質量［ｋｇ］、αは車輪周加速度［ｍ／ｓｅｃ²］、Ｗは軸重［Ｎ］である。

軸重Ｗは静止輪重Ｗ₀［Ｎ］と軸重変動ΔＷ［Ｎ］との和で求められる。軸重変動ΔＷとは、電車の駆動時や制動時等に車体や台車に働く回転モーメントによって生じる軸重の変化である。従来では、この軸重変動ΔＷを、例えば以下の簡易式で算出していた。

ここで、正負の符号は進行方向と歯車回転方向との相対関係に応じて選択され、Ｆは当該軸の引張力［Ｎ］、ｈはレール面と牽引リンク間距離［ｍ］、ｌは台車内軸間距離［ｍ］、Ｈはレール面と連結器間距離［ｍ］、Ｌは前後台車牽引リンク間距離［ｍ］である。

上述の通り、軸重変動は電車の駆動／制動等に応じてリアルタイムに変化する。しかしながら、従来用いていた（２）式の各諸元は固定値であるため、求められる軸重変動も固定値となっていた。即ち、従来の電動機トルク制御は、リアルタイムに変化する軸重変動を動的に考慮していなかった。

本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、リアルタイムに変化する軸重変動を動的に考慮して、より適切な電動機トルク制御を実現することである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、
軸バネに加わる力を検出する力検出手段（例えば、図６の軸バネ変位検出器４０）と、
前記力検出手段により検出された力及び電動機トルクと、静止輪重とから軸重を算出する軸重算出手段（例えば、図６の軸重演算器５３）とを備え、
前記軸重算出手段により算出された軸重に基づいた電動機のトルク制御を行うことを特徴とする電気車の制御装置である。

また、第５の発明は、軸バネに加わる力を検出し、その検出された力及び電動機トルクと、静止輪重とから軸重を算出する軸重算出ステップ（例えば、図６の軸重演算器５３）を含み、前記軸重算出ステップにより算出された軸重に基づいた電動機のトルク制御を行うことを特徴とする電気車の制御方法である。

この第１又は第５の発明によれば、軸バネの力を検出し、その検出された力及び電動機トルクと、静止輪重とから算出された軸重に基づいた動的な電動機のトルク制御が行われる。電気車の駆動時や制動時等に働くモーメントは、車輪にかかる軸重の変化として現れるが、この軸重の変化は軸バネに加わる力として現れる。従って、軸バネに加わる力を動的に検出し、検出された力に基づくことで、リアルタイムに変化する軸重変動を動的に考慮した電動機トルク制御を実現し得る。

また、第２の発明は、第１の発明の電気車の制御装置において、
前記軸重算出手段により算出された軸重を用いて接線力係数を算出する接線力係数算出手段（例えば、図６のμ演算器５４）を更に備え、前記接線力係数算出手段により算出された接線力係数を制御基準値の１つとして電動機のトルク制御を行う電気車の制御装置である。

また、第６の発明は、第５の発明の電気車の制御方法であって、
前記軸重算出ステップにより算出された軸重を用いて接線力係数を算出する接線力係数算出ステップ（例えば、図６のμ演算器５４）を含み、前記接線力係数算出ステップにより算出された接線力係数を制御基準値の１つとして電動機のトルク制御を行う電気車の制御装置である。

この第２又は第６の発明によれば、接線力係数を制御基準値の１つとして電動機のトルク制御が行われる。その接線力係数は、検出される軸バネに加わる力及び電動機トルクと、静止輪重とから算出される軸重を用いて動的に算出される。このため、リアルタイムに変化する軸重変動を動的に考慮した電動機トルク制御を実現し得る。

また、第３の発明は、第１の発明の電気車の制御装置において、
前記軸重算出手段により算出された軸重を用いて接線力係数を算出する接線力係数算出手段（例えば、図６のμ演算器５４）と、
駆動輪の空転滑走を検出する空転滑走検出手段（例えば、図６の空転滑走検出装置５２）と、
前記空転滑走検出手段による空転滑走の検出開始時の前記算出された接線力係数を保持する保持手段（例えば、図６の保持回路５５）と、
を更に備え、前記保持手段により保持された接線力係数及び前記力検出手段により検出されている現在の力を用いて再粘着時の電動機のトルク制御を行う電気車の制御装置である。

また、第７の発明は、第５の発明の電気車の制御方法であって、
前記軸重算出ステップにより算出された軸重を用いて接線力係数を算出する接線力係数算出ステップ（例えば、図６のμ演算器５４）と、
駆動輪の空転滑走開始時の前記接線力係数を保持する保持ステップ（例えば、図６の保持回路５５）と、
を含み、前記保持ステップにより保持された接線力係数及び前記軸重算出ステップにより算出されている現在の軸重を用いて再粘着時の電動機のトルク制御を行う電気車の制御方法である。

この第３又は第７の発明によれば、検出される現在の軸バネに加わる力及び電動機トルクと、静止輪重とから軸重が算出され、算出された軸重を用いて接線力係数が動的に算出される。一方、空転滑走が生じた場合、その開始時の接線力係数が保持される。そして、保持していた接線力係数と、再粘着制御する際の現在軸バネに加わっている力とを用いて再粘着制御が行われる。空転滑走開始時の接線力係数は電気車の車輪・レール間の粘着特性を示す値である。このため、適切な再粘着トルク制御を実現し得る。

第４の発明は、第１の発明の電気車の制御装置において、
前記電気車は駆動軸を複数具備し、
前記力検出手段及び前記軸重算出手段が前記各駆動軸それぞれについて設けられ、
前記各軸重算出手段により算出される軸重を用いて前記各駆動軸の駆動トルク配分を求め、求めた駆動トルク配分に従って前記各駆動軸それぞれを駆動する各電動機のトルク制御を行う電気車の制御装置である。

第８の発明は、第５の発明の電気車の制御方法であって、
前記電気車は駆動軸を複数具備する電気車であり、
前記各駆動軸それぞれについて前記軸重算出ステップを行って算出される各軸重を用いて前記各駆動軸の駆動トルク配分を求め、求めた駆動トルク配分に従って前記各駆動軸それぞれを駆動する各電動機のトルク制御を行う電気車の制御方法である。

電気車の進行方向と各駆動軸の配置位置との関係（前方／後方）や、各駆動軸を駆動する電動機歯車の回転方向（駆動軸を押さえ付ける方向に働くかどうか）などに起因して、各駆動軸の軸重変動は同じではなく、また動的に変化している。この第４又は第８の発明によれば、各駆動軸の軸バネに加わる力が検出され、その検出された各駆動軸の軸バネに加わる力に応じたトルク配分でトルク制御が行われる。従って、複数の駆動軸全体において、適切なトルク配分による電動機制御を実現し得る。なお、一の電力源をもとに各電動機がそれぞれの駆動軸を駆動する制御を行う場合には、全体の使用可能電力量が限られているため、この第４又は第８の発明はより好適に作用する。

軸バネに加わる力を動的に検出し、その検出された力及び電動機トルクと、静止輪重とから算出された軸重に基づくことで、リアルタイムに変化する軸重変動を動的に考慮した電動機トルク制御を実現し得る。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
尚、以下では、本発明を電車に適用した場合を説明するが、本発明の適用がこれに限定されるものではない。

［原理］
先ず、本実施形態の原理を説明する。
電車等の電気車では、駆動／ブレーキ時において台車や車体に回転モーメントが働くことで各軸に軸重変動が生じるが、この軸重変動は軸バネに加わる力として現れる。この軸バネに加わる力は軸バネの変位として現れるため、本実施形態では、軸バネに加わる力の検出の一例として、軸バネの変位検出として説明する。そして、本実施形態では、軸バネ変位を検出し、検出した軸バネ変位を用いて接線力係数μを算出する。そして、算出した接線力係数μに基づいて電動機のトルク制御を行う。

軸バネは、図１に示すように、車軸１の両端部において、車軸１を支持する軸箱２と車両を支える台車枠４との間に設けられている。本実施形態では、この軸バネ３の長さ、即ち台車枠４に接している軸バネ３の上端部から軸箱２の上面に接している下端部までの距離を、例えば距離センサを用いて測定し、測定した長さと軸バネ３の基準長さとを比較することで軸バネ３の変位を検出（算出）する。尚、軸バネ変位の他の検出方法として、ロードセルを介して軸バネの下端部を軸箱に当接させ、このロードセルの測定値を軸バネ変位に換算する方法や、軸バネにひずみゲージを貼付し、このひずみゲージの測定値を軸バネ変位に換算する方法等であっても良い。
そして、軸重変動ΔＷは、軸バネ変位を用いて次のように求められる。

（Ａ）つりかけ式台車
つりかけ式台車の電車の場合、軸重変動ΔＷは以下の式で求められる。

ここで、Ｄは車輪の直径［ｍ］、ａは電動機のノーズと支え軸受間の距離［ｍ］、Ｋｂは軸バネ係数［Ｎ／ｍｍ］、ＸＲ、ＸＬは、進行方向に向かって車軸の右側、左側に設けられている軸バネの変位［ｍｍ］、Ｆは引張力［Ｎ］である。但し、軸バネ変位ＸＲ、ＸＬは、軸バネが縮む方向を正（＋）とし、伸びる方向を負（−）とする。

式（３）において、第１項は引張力（車輪周引張力）が直接車軸に作用する力を表し、第２項は軸バネを介して車軸に作用する力を表しており、何れも、下向き（即ち、車軸を押さえ付ける向き）に力が働く場合を正（＋）とし、上向きに力が働く場合を負（−）としている。

また、第１項の正負（＋／−）の符号は、進行方向に対する車軸と電動機との位置関係に応じて選択される。具体的には、電動機が進行方向に向かって車軸の後方に有る場合には、引張力Ｆが上向き方向に働くので負（−）となり、電動機が進行方向に向かって車軸の前方に有る場合には、引張力が下向きに働くので正（＋）となる。

式（３）の各諸元の内、車輪の直径Ｄ、電動機のノーズと支え軸受間の距離ａ及びバネ係数Ｋｂは、電車の仕様によって決まる固定値であり、軸バネ変位ＸＲ、ＸＬ及び引張力Ｆは、電車の走行に従って変化する値である。軸バネ変位ＸＲ、ＸＬは、上述のように検出値として得ることができ、また、引張力Ｆは以下の式で求められる。

ここで、Ｇは大歯車と小歯車の歯車比、ｒは車輪の半径［ｍ］、τｅは電動機の発生トルク［Ｎｍ］である。

式（４）の各諸元の内、歯車比Ｇ及び車輪半径ｒは、電車の仕様によって決まる固定値である。また、発生トルクτｅは、電車の走行に従って変化する値であり、以下の式で求められる。

ここで、Ｍは相互インダクタンス［Ｈ］、Ｌ２は二次インダクタンス［Ｈ］、Ｉｄ^*は磁束分電流指令値［Ａ］、Ｉｑは電動機トルク分電流［Ａ］である。

式（５）の各諸元の内、相互インダクタンスＭ及び二次インダクタンスＬ２は、電動機の仕様によって決まる固定値であり、磁束分電流指令値Ｉｄ^*及び電動機トルク分電流Ｉｑは、電車の走行に応じて変化する値である。電動機トルク分電流Ｉｑは測定値として得ることができる。

このように、つりかけ式台車の場合、式（２）〜式（５）より、測定した現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬ、電動機トルク分電流Ｉｑ、磁束分電流指令値Ｉｄ^*及び電車の各諸元から現在の軸重変動ΔＷを求めることができる。

（Ｂ）台車装架式
台車装架式の電車の場合、軸重変動ΔＷは以下の式で求められる。

ここで、Ｆｗは歯車に伝わる力［Ｎ］である。

式（６）において、第１項は軸バネを介して車軸に作用する力を表し、第２項は引張力が直接車軸に作用する力を表しており、何れも、下向きに力が働く場合を正（＋）としている。また、第１項の正負（＋／−）の符号は、車軸を駆動する電動機歯車の回転方向に応じて選択される。

歯車に伝わる力Ｆｗは、電車の走行に伴って値が変化するものであり、以下の式で求められる。

ここで、ｒｂは大歯車のピッチ円半径［ｍ］、Ｆは車輪周引張力［Ｎ］である。

式（７）の各諸元の内、ピッチ円半径ｒｂは電車の仕様によって決まる固定値である。また、車輪周引張力Ｆは、電車の走行に伴って変化する値であり、上述した式（４）で求められる。

このように、台車装架式の場合、式（４）〜式（７）より、測定した現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬ、電動機トルク分電流Ｉｑ、磁束分電流指令値Ｉｄ^*及び電車の各諸元から現在の軸重変動ΔＷが求められる。

つまり、つりかけ式台車、台車装架式の何れの場合であっても、検出された現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬ及び電動機トルク分電流Ｉｑに基づいて、現在の軸重変動ΔＷが求められる。そして、軸重変動ΔＷに基づき、式（１）より接線力係数μが求められる。

以上のように、検出した現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬから現在の軸重変動ΔＷが求められ、更に、走行に伴って変化する現在の接線力係数μがリアルタイムに求められる。

［試験結果］
次に、上述した原理に基づく１つの試験結果を開示し、検出した軸バネに加わる力（現在の軸バネ変位より演算・算出）に基づく接線力係数μを用いた電動機トルク制御の有効性を説明する。

図２は、新幹線電車を約３３０［ｋｍ／ｈ］で高速試験走行させた場合の空転検知前後の試験結果を示す図である。同図では、横軸を共通な時間軸として、１軸、２軸それぞれを駆動する電動機の速度（電動機速度）Ｖ１、Ｖ２と、１軸について測定した軸バネ変位ＸＲ１、ＸＬ１と、２軸について測定した軸バネ変位ＸＲ２、ＸＬ２と、を示している。

次いで、これらの軸バネ変位ＸＲ２、ＸＬ２、ＸＲ２、ＸＬ２から、１軸、２軸のそれぞれについて、引張力Ｆ１、Ｆ２、軸重変動ΔＷ１、ΔＷ２を算出した。尚、新幹線電車は台車装架式の電車であるので、式（４）〜式（７）を用いて算出した。その算出結果を図３に示す。

同図では、横軸を共通な時間軸として、電動機速度Ｖ１、Ｖ２と、１軸、２軸それぞれについて算出した引張力Ｆ１、Ｆ２と、この引張力Ｆ１、Ｆ２から１軸、２軸それぞれについて算出した軸重変動ΔＷ１、ΔＷ２と、を示している。

そして、これらの算出した引張力Ｆ１、Ｆ２、軸重変動ΔＷ１、ΔＷ２から、式（１）に従って、１軸、２軸それぞれについての接線力係数、即ち軸重変動を考慮した接線力係数μを算出した。また、式（１）において、Ｗ＝Ｗ₀、とした場合の接線力係数、即ち軸重変動を考慮しない接線力係数μ´を算出した。その算出結果を図４に示す。

同図は、横軸を共通な時間軸として、電動機速度Ｖ１、Ｖ２と、１軸について算出した軸重変動を考慮した接線力係数μ１、軸重変動を考慮しない接線力係数μ１´と、２軸について算出した、軸重変動を考慮した接線力係数μ２、軸重変動を考慮しない接線力係数μ２´と、を示している。

更に、１軸、２軸それぞれについて、軸重変動を考慮した接線力係数μ１、μ２と、軸重変動を考慮しない接線力係数μ１´、μ２´と、の差分Δμ１（＝μ１´−μ１）、Δμ２（＝μ２´−μ２）を算出した。その算出結果を図５に示す。

同図では、横軸を共通な時間軸として、電動機速度Ｖ１、Ｖ２と、１軸について算出した軸重変動を考慮した接線力係数μ１と軸重変動を考慮しない接線力係数μ１´との差分Δμ１と、２軸について算出した軸重変動を考慮したμ２と軸重変動を考慮しない接線力係数μ２´との差分Δμ２と、を示している。

同図に示すように、接線力係数の差分Δμ１、Δμ２、即ち軸重変動を考慮した場合としない場合とでは、接線力係数μには最大で約０．３５％弱の差が生じていることがわかる。また、空転滑走の開始時点から検知時点の間においては、接線力係数の差分Δμ１、Δμ２の変化が大きくなり、空転滑走時にはかなり大きな軸重変動が生じていることがわかる。

接線力係数μ１、μ２は、図４に示したように、約３．０％を中心に変動している。つまり、接線力係数の差分Δμ１、Δμ２はこの接線力係数μ１、μ２の約１割を占める。従って、このバネ軸変位に基づく接線力係数μを用いてこの接線力係数の差分Δμを改善するように電動機のトルク制御を行うことは、特に再粘着制御において有効であるといえる。

以下、軸バネ変位ＸＲ、ＸＬに基づく接線力係数μを用いたトルク制御の具体的な３つの実施例を順に説明する。

［第１実施例］
図６は、第１実施例における電車の主回路構成の概略を示すブロック図であり、一の駆動軸についての構成要素を示している。同図に示すように、第１実施例では、電車の主回路は、電動機１０と、インバータ２０と、電流センサ３０と、軸バネ変位検出器４０と、電動機制御装置５０−１と、を備えて構成される。

電動機１０は、例えば上述したつりかけ式や台車装架式によって、インバータ２０から電力が供給されることで車軸を回転駆動する主電動機（メインモータ）であり、例えば３相誘導電動機で実現される。

インバータ２０には、パンタグラフ及びコンバータを介して架線の電力が供給される。そして、インバータ２０は、ベクトル制御演算装置６１から入力されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に基づいて出力電圧を調整し、電動機１０に印加する。

電流センサ３０は、電動機１０の入力端に設けられ、電動機１０に流入するＵ相、Ｖ相の電流値Ｉｕ、Ｉｖを検出する。

軸バネ変位検出器４０は、車軸の両端部に設けられている各軸バネの変位ＸＲ、ＸＬを常時検出する。検出した軸バネ変位ＸＲ、ＸＬは軸重演算器５３に出力される。

電動機制御装置５０−１は、電動機１０をベクトル制御するものであり、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるコンピュータ等によって実現され、例えば制御ボードとして電動機の制御装置の一部として実装されたり、或いは、インバータ２０を含めて一体的にインバータ装置として構成されたりする。また、電動機制御装置５０−１は、座標変換器５１と、空転滑走検出装置５２と、軸重演算器５３と、μ演算器５４と、保持回路５５と、復帰トルク演算器５６と、ベクトル制御演算装置６１と、を備えている。

座標変換器５１は、電流センサ３０によって検出された電流値Ｉｕ、Ｉｖをｄ−ｑ座標変換し、ｄ軸成分である励磁電流成分Ｉｄと、ｑ軸成分であるトルク電流成分（電動機トルク分電流）Ｉｑとに変換する。変換された電流成分Ｉｄ、Ｉｑは、空転滑走検出装置５２及び軸重演算器５３に出力される。尚、電流値Ｉｕ、Ｉｖから電流成分Ｉｄ、Ｉｑへの変換式としては、例えば次式が知られている。

ここで、θはＵ相電流と二次鎖交磁束との成す角である。

空転滑走検出装置５２は、座標変換器５１から入力された電流成分Ｉｄ、Ｉｑに基づいて、電動機１０が空転或いは滑走しているか否か（詳細には、電動機１０に駆動される車輪が空転或いは滑走しているか否か）を検出し、空転或いは滑走を検出した場合には空転滑走検出信号を出力する。

軸重演算器５３は、軸バネ変位検出器４０によって検出された軸バネ変位ＸＲ、ＸＬと、座標変換器５１から入力されたトルク電流成分Ｉｑと、に基づいて、常時、軸重Ｗを算出する。算出した軸重Ｗは、μ演算器５４及び復帰トルク演算器５６に出力される。

具体的には、「つりかけ式台車」である場合には、不図示の電流指令値演算装置から入力される電流指令値Ｉｄ^*と、座標変換器５１から入力されたトルク電流成分Ｉｑとに基づき、式（５）に従って発生トルクτｅを算出する。次いで、算出した発生トルクτｅに基づき、式（４）に従って引張力Ｆを算出し、この算出した引張力Ｆと、軸バネ変位検出器４０によって検出されたバネ変位ＸＲ、ＸＬとに基づき、式（３）に従って軸重変動ΔＷを算出する。そして、算出した軸重変動ΔＷに静止輪重Ｗ₀を加算して、現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬに応じた現在の軸重Ｗを算出する。

また、「台車装架式」である場合には、電流指令値Ｉｄ^*と座標変換器５１から入力されたトルク電流成分Ｉｑとに基づき、式（５）に従って発生トルクτｅを算出する。次いで、算出した発生トルクτｅに基づき、式（４）に従って引張力Ｆを算出し、この算出した引張力Ｆと、軸バネ変位検出器４０によって検出されたバネ変位ＸＲ、ＸＬとに基づき、式（６）、式（７）に従って軸重変動ΔＷを算出する。そして、算出した軸重変動ΔＷに静止輪重Ｗ₀を加算して、現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬに応じた現在の軸重Ｗを算出する。

μ演算器５４は、軸重演算器５３から入力される軸重Ｗに基づき、式（１）に従って、常時、接線力係数μを算出する。算出した接線力係数μは、保持回路５５及び復帰トルク演算部５６に出力される。

保持回路５５は、空転滑走検出装置５２から空転滑走検出信号が入力された場合に、その時点でμ演算器５４から入力されている接線力係数μを保持する。即ち、空転滑走が検出された時点での接線力係数μを保持する。保持している接線力係数μは復帰トルク演算器５６に出力される。

復帰トルク演算器５６は、軸重演算器５３から入力される軸重Ｗと、保持回路５５から入力される接線力係数μとに基づいて、復帰トルク指令信号を生成する。生成した復帰トルク指令信号はベクトル制御演算装置６１に出力される。

具体的には、軸重演算器５３から入力される軸重Ｗと、保持回路５５から入力される接線力係数μとに基づき、式（１）を満たす引張力Ｆを算出する。次いで、算出した引張力Ｆに基づき、式（４）を満たす発生トルクτｅを算出し、この算出した発生トルクτｅに基づき、式（５）を満たすトルク電流成分Ｉｑを算出する。

即ち、ここで算出されるトルク電流成分Ｉｑは、現在の軸重Ｗで粘着走行し得る限界のトルク電流成分Ｉｑに相当する。従って、復帰トルク演算器５６は、算出したトルク電流成分Ｉｑより若干小さい値を、復帰トルク指令信号としてベクトル制御演算装置６１に出力する。

ベクトル制御演算装置６１は、空転滑走検出装置５２から入力される空転滑走検出信号と、復帰トルク演算器５６から入力される復帰トルク指令信号と、不図示の電流指令演算装置から入力される電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*と、に基づいて、インバータ２０に対する電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を算出する。算出した電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*は、インバータ２０に出力される。

具体的には、空転滑走検出装置から空転滑走検出信号が入力されない間は、電流指令値Ｉｄ^*、Ｉｑ^*に基づいて電圧指令値を算出する。そして、空転滑走指令信号が入力された場合、即ち空転滑走の発生時には、電動機１０の発生トルクを引き下げるように電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を生成した後、復帰トルク指令信号に基づく発生トルクに引き上げる（復帰させる）ように電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を生成する再粘着制御を行う。

このように、電動機制御装置５０−１は、常時、軸バネ変位検出器４０によって検出される現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬに基づいて現在の接線力係数μを算出し、この算出した現在の接線力係数μに基づいて空転滑走検出時の再粘着制御を行っている。即ち、リアルタイムに変動する軸重変動を動的に考慮した電動機１０のトルク制御を行っている。

［第２実施例］
図７は、第２実施例における電車の主回路構成の概略を示すブロック図である。尚、第２実施例において、第１実施例と同一の構成要素については同符合を付し、詳細な説明を省略する。

同図によれば、第２実施例では、電動機制御装置５０−２は、座標変換器５１と、軸重演算器５３と、μ演算器５４と、トルク指令信号補正装置５７と、ベクトル制御演算装置６２と、を備えている。

トルク指令信号補正装置５７は、μ演算器５４から入力される接線力係数μに基づいて、不図示の電流指令値演算装置から入力されるトルク分電流指令値Ｉｑ^*を補正し、補正トルク指令信号として出力する。

具体的には、μ演算器５４から入力される接線力係数μに対応する最大トルク指令信号とトルク分電流指令値Ｉｑ^*とを比較する。そして、トルク分電流指令値Ｉｑ^*が最大トルク指令信号以下であれば、このトルク分電流指令値Ｉｑ^*をそのまま補正トルク信号として出力し、トルク分電流指令値Ｉｑ^*が最大トルク指令信号を超える場合には、この最大トルク指令信号を補正トルク指令信号として出力する。

ここで、「最大トルク指令信号」は、接線力係数μと対応付けられており、対応する接線力係数μにおいて空転滑走が生じないトルク指令信号の最大値である。この最大トルク指令信号は、例えば接線力係数μと対応付けたデータテーブルや、接線力係数μを変数とする関数式として予め用意されている。

ベクトル制御演算装置６２は、トルク指令信号補正装置５７から入力される補正トルク指令信号及び入力される磁束分電流指令値Ｉｄ^*に基づいて、インバータ２０に対する電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を算出する。算出した電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*、はインバータ２０に出力される。

このように、電動機制御装置５０−２は、常時、軸バネ変位検出器４０によって検出される現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬに基づいて現在の接線力係数μを算出し、この算出した現在の接線力係数μに基づいて空転滑走を生じさせないようなトルク制御を行っている。即ち、リアルタイムに変動する軸重変動を動的に考慮した電動機１０のトルク制御を行っている。

［第３実施例］
図８は、第３実施例における電車の主回路構成の概略を示すブロック図である。尚、第３実施例において、上述した第１及び第２実施例と同一の構成要素については同符合を付し、詳細な説明を省略する。第３実施例では、１つの電動機制御装置が２つの駆動軸（寄り詳細には、各軸を駆動するそれぞれの電動機）を制御する点で第１、第２実施例と異なる。

同図によれば、第３実施例では、電車の主回路は、１軸用インバータ２０ａと、２軸用インバータ２０ｂと、軸バネ変位検出器４０ａ、４０ｂと、電動機制御装置５０−３と、を備えて構成される。

１軸用インバータ２０ａ、２軸用インバータ２０ｂは、それぞれ、１軸用ベクトル制御演算装置６３ａ、２軸用ベクトル制御演算装置６３ｂから入力される電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*に従って、不図示の１軸、２軸それぞれを駆動する１軸用電動機、２軸用電動機に電力を印加する。

軸バネ変位検出器４０ａ、４０ｂは、それぞれ、１軸についての軸バネ変位ＸＲ１、ＸＬ１、２軸についての軸バネ変位ＸＲ２、ＸＬ２を検出する。検出した軸バネ変位ＸＲ１、ＸＬ１は軸重演算器５３ａに出力され、軸バネ変位ＸＲ２、ＸＬ２は、軸重演算器５３ｂに出力される。

電動機制御装置５０−３は、１軸用電動機及び２軸用電動機をベクトル制御するものであり、座標変換器５１ａ、５１ｂと、軸重演算器５３ａ、５３ｂと、μ演算器５４ａ、５４ｂと、トルク配分演算装置５８と、１軸用ベクトル制御演算装置６３と、２軸用ベクトル制御演算装置６３ｂと、を備えている。

座標変換器５１ａ、５１ｂは、それぞれ、不図示の電流センサによって検出される、１軸用インバータ２０ａから１軸用電動機に印加される電流値Ｉｕ１、Ｉｖ１、２軸用インバータ２０ｂから２軸用電動機に印加される電流値Ｉｕ２、Ｉｖ２を、ｄ軸、ｑ軸の電流成分Ｉｄ１、Ｉｑ１、Ｉｄ２、Ｉｑ２に変換する。変換された電流成分Ｉｄ１、Ｉｑ１は軸重演算器５３ａに出力され、電流成分Ｉｄ２、Ｉｑ２は軸重演算部５３ｂに出力される。

軸重演算器５３ａ、５３ｂは、それぞれ、軸バネ変位検出器４０ａから入力された軸バネ変位ＸＲ１、ＸＬ１、軸バネ変位検出器４０ｂから入力されたＸＲ２、ＸＬ２に基づいて、１軸、２軸についての軸重Ｗ１、Ｗ２を算出する。算出された軸重Ｗ１はμ演算器５４ａに出力され、軸重Ｗ２はμ演算器５４ｂに出力される。

μ演算器５４ａ、５４ｂは、それぞれ、軸重演算器５３ａ、５３ｂから入力される軸重Ｗ１、Ｗ２に基づいて、１軸についての接線力係数μ１、２軸についての接線力係数μ２を算出する。算出した接線力係数μ１、μ２は、トルク配分演算装置５８に出力される。

トルク配分演算装置５８は、μ演算器５４ａ、５４ｂから入力される接線力係数μ１、μ２と、不図示の電流指令値演算装置から入力される２軸一括トルク指令信号Ｉｑ^*に基づいて、１軸に対する１軸トルク指令信号、２軸に対する２軸トルク指令信号を生成する。具体的には、例えば入力される接線力係数μ１、μ２に応じた比率で１軸用電動機、２軸用電動機にトルクを発生させるように、１軸トルク指令信号、２軸トルク信号を生成する。また、電流指令値演算装置から２軸一括磁束指令信号Ｉｄ^*を入力し、先に生成した１軸トルク指令信号、２軸トルク指令信号を考慮して、１軸に対する１軸磁束指令信号、２軸に対する２軸磁束指令信号を生成する。生成された１軸トルク指令信号及び１軸磁束指令信号は１軸用ベクトル制御演算装置６３ａに出力され、２軸トルク指令信号及び２軸磁束指令信号は２軸用ベクトル制御演算装置６３ｂに出力される。

１軸用ベクトル制御演算装置６３ａは、トルク配分演算装置５８から入力される１軸トルク指令信号及び１軸トルク指令信号に基づいて、１軸用インバータ２０ａに対する電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を生成する。生成された電圧指令信号Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*は１軸用インバータ２０ａに出力される。

２軸用ベクトル制御演算装置６３ｂは、トルク配分演算装置５８から入力される２軸トルク指令信号及び２軸磁束指令信号に基づいて、２軸用インバータ２０ｂに対する電圧指令値Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を生成する。生成された電圧指令信号Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*は２軸用インバータ２０ｂに出力される。

このように、電動機制御装置５０−３は、常時、軸バネ変位検出器４０によって検出される現在の軸バネ変位ＸＲ、ＸＬに基づいて現在の接線力係数μを算出し、この算出した現在の接線力係数μに基づいて各軸のトルク配分を制御している。即ち、リアルタイムに変動する軸重変動を動的に考慮した電動機のトルク制御を行っている。また、この第３実施例の電動機制御装置５０−３が一の動力源を用いて１軸用電動機及び２軸用電動機を駆動する場合には、合計の電力量が限られているため、接線力係数μ１、μ２に応じた各電動機のトルク制御は極めて有効である。

［変形例］
尚、本発明の適用は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適適宜変更可能である。

（Ａ）軸バネの数
上述した各実施例では、各車軸に左右両端部に１つづつの軸バネが設けられた台車の場合について図示・説明したが、それぞれに複数の軸バネが設けられた場合にも同様に適用可能である。この場合、式（３）又は式（６）において、バネ係数Ｋｂを、これら複数の軸バネを仮想的に１つの軸バネとみなした場合のバネ係数とするとともに、代表する１つの軸バネの変位を測定し、測定した変位を軸バネ変位ＸＲ、ＸＬとして接線力係数μを求めれば良い。

（Ｂ）インバータから電動機への給電
また、上述した各実施例では、インバータ２０は、それぞれ、一の軸に対して印加することとしたが、二以上の軸（電動機）に一括して印加することとしても良い。

（Ｃ）適用する電気車
また、上述した実施形態では、本発明を電車に適用した場合を説明したが、他の電気車、例えば電気自動車にも適用可能である。この場合、サスペンションが軸バネに相当し、このサスペンションの変位を検出することで接線力係数μを検出する。

［付言］
電動機による引張力の他に輪軸に作用するモーメントとして、軸バネを通じた車体及び台車のモーメントがあるとして実施形態を説明したが、台車と輪軸とを接続する部材としては、軸バネの他に軸ダンパがあるため、より精確な制御を行うためには、この軸ダンパを通じたモーメントをも考慮する必要がある。しかし、軸バネは変位に比例した力を発生するのに対して、軸ダンパは変位速度に比例した力を発生する。そのため、実際に軸ダンパが機能する（実際に輪軸に作用する）のは、大きな振動（例えば、レールの継ぎ目からの大きな振動）が発生したな場合と考えられる。従って、通常走行においてトルク制御に用いる軸重変動は、軸バネの変位のみを基にすることで十分であると考えられる。

軸バネの変位の検出を説明するための図。 測定した軸バネ変位ＸＲ、ＸＬを示す図。 図２から算出した引張力Ｆ、軸重変動ΔＷを示す図。 図３から算出した接線力係数μを示す図。 図４接線力係数の差分Δμを示す図。 第１実施例における電車の主回路構成図。 第２実施例における電車の主回路構成図。 第３実施例における電車の主回路構成図。

符号の説明

１０ 電動機
２０ インバータ
３０ 電流センサ
４０ 軸バネ変位検出器
５０−１、５０−２、５０−３ 電動機制御装置
５１（５１ａ、５１ｂ） 座標変換器
５２ 空転滑走検出装置
５３（５３ａ、５３ｂ） 軸重演算器
５４（５４ａ、５４ｂ） μ演算器
５５ 保持回路
５６ 復帰トルク演算器
５７ トルク指令信号補正装置
５８ トルク配分演算装置
６１、６２、６３ａ、６３ｂ ベクトル制御演算装置

Claims (8)

1. 軸バネに加わる力を検出する力検出手段と、
   前記力検出手段により検出された力及び電動機トルクと、静止輪重とから軸重を算出する軸重算出手段とを備え、
   前記軸重算出手段により算出された軸重に基づいた電動機のトルク制御を行うことを特徴とする電気車の制御装置。
2. 前記軸重算出手段により算出された軸重を用いて接線力係数を算出する接線力係数算出手段を更に備え、前記接線力係数算出手段により算出された接線力係数を制御基準値の１つとして電動機のトルク制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
3. 前記軸重算出手段により算出された軸重を用いて接線力係数を算出する接線力係数算出手段と、
   駆動輪の空転又は滑走（以下「空転滑走」）を検出する空転滑走検出手段と、
   前記空転滑走検出手段による空転滑走の検出開始時の前記接線力係数算出手段により算出された接線力係数を保持する保持手段と、
   を更に備え、前記保持手段により保持された接線力係数及び前記力検出手段により検出されている現在の力を用いて再粘着時の電動機のトルク制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
4. 前記電気車は駆動軸を複数具備し、
   前記力検出手段及び前記軸重算出手段が前記各駆動軸それぞれについて設けられ、
   前記各軸重算出手段により算出される軸重を用いて前記各駆動軸の駆動トルク配分を求め、求めた駆動トルク配分に従って前記各駆動軸それぞれを駆動する各電動機のトルク制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気車の制御装置。
5. 軸バネに加わる力を検出し、その検出された力及び電動機トルクと、静止輪重とから軸重を算出する軸重算出ステップを含み、
   前記軸重算出ステップにより算出された軸重に基づいた電動機のトルク制御を行うことを特徴とする電気車の制御方法。
6. 前記軸重算出ステップにより算出された軸重を用いて接線力係数を算出する接線力係数算出ステップを含み、前記接線力係数算出ステップにより算出された接線力係数を制御基準値の１つとして電動機のトルク制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の電気車の制御方法。
7. 前記軸重算出ステップにより算出された軸重を用いて接線力係数を算出する接線力係数算出ステップと、
   駆動輪の空転滑走開始時の前記接線力係数を保持する保持ステップと、
   を含み、前記保持ステップにより保持された接線力係数及び前記軸重算出ステップにより算出されている現在の軸重を用いて再粘着時の電動機のトルク制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の電気車の制御方法。
8. 前記電気車は駆動軸を複数具備する電気車であり、
   前記各駆動軸それぞれについて前記軸重算出ステップを行って算出される各軸重を用いて前記各駆動軸の駆動トルク配分を求め、求めた駆動トルク配分に従って前記各駆動軸それぞれを駆動する各電動機のトルク制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の電気車の制御方法。

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