JP4777812B2 - パンタグラフの集電方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に高速電気鉄道の高速走行時における離線及び著大トロリー線歪みを防止し得るようにしたパンタグラフの集電方法及び装置に関するものである。

近年、電気鉄道の高速化が推進され、特に３００ｋｍ／ｈ以上、例えば３５０ｋｍ／ｈ前後で走行する高速電気鉄道が実施された場合には、トロリー線からの変位外乱が大きくなることによって、パンタグラフのすり板とトロリー線の接触力の変動が大きくなることが予想される。そのため、従来のようなばね機構と押付け装置で構成した押付緩衝装置によるパッシブ制御のパンタグラフでは、追従振幅（離線しないための最大振幅）を十分に大きくとることができず、上記の高速化によって離線の頻度が高くなることが懸念される。また、離線を防止するために、前記パンタグラフのすり板がトロリー線に押付けられる押付け力を高く設定した場合には、トロリー線の変位外乱が大きい場合にトロリー線への負荷が増大してトロリー線の著大歪みを生じる懸念がある。

従って、高速電気鉄道のパンタグラフにおいては、トロリー線とすり板との接触力の変動を極力低減することが大きな課題となっている。

このような高速電気鉄道におけるトロリー線とすり板との間に作用する接触力を低減するようにした集電装置としては、特許文献１及び特許文献２に示すようなものがある。

特許文献１は、トロリー線高さの変化、不整に対する変動接触力制御、揚力変動に対する接触力制御等のすべての機能をアクティブ制御によって実現しようとしたものである。具体的には、すり板に作用するＡＣ成分のトロリー線不整変位、ＤＣ成分の定常揚力と摩擦力等の外乱を周波数領域上で分離させて制御している。これを実現するために、Ｈ_∞制御理論の混合感度問題を適用している。

また、特許文献２は、過渡特性の向上のため、フィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせた２自由度制御系を適用している。

上記特許文献１及び２を具現化するアクチュエータとしては、油圧シリンダを用いており、接触力制御を行う力シリンダ式駆動機構と、トロリー線の高さの変化に対して大きなストロークを出す位置シリンダ式駆動機構の２種類を用意し、両者を直列に配置した構成としている。
特開平１０−２４８１１１号公報 特開平０９−２５２５０２号公報

しかしながら、前記特許文献１及び２は、パンタグラフのすべての機能をアクティブ制御で実現しようとした構成であるため、外乱を周波数領域上で分離させる制御アルゴリズムを採用しており、制御系が複雑になるという問題がある。

また、前記した如くパンタグラフのすべての機能をアクティブ制御で実現するために、力シリンダ駆動機構と変位シリンダ駆動機構を直列に配置した構成としており、このために信頼性の観点においてリスクが増加するという問題がある。即ち、パンタグラフに搭載するアクチュエータとしては、パンタグラフ本体が数万Ｖの高電位体であるために電動アクチュエータを採用することはできず、このために特許文献１及び２では油圧シリンダによる駆動方式を採用しているが、油圧シリンダを用いた場合には、パンタグラフから絶縁隔置させた油圧源からの油を配管を介して油圧シリンダに導く必要があるために構成が複雑になる問題があり、更に、油圧を用いた場合には常に油漏れの問題があり、また、油圧シリンダは効率（駆動速度）及びメンテナンスの面で電動アクチュエータに比して劣るという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、電動式パンタグラフの実装を可能にし、すり板とトロリー線の接触力の変動を早い速度で精度よく抑制し、構成を簡略化してメンテナンスを軽減し、万一電動アクチュエータが故障した場合にもパンタグラフの機能を維持してパンタグラフの信頼性を高められるようにしたパンタグラフの集電方法及び装置を提供することを目的としてなしたものである。

請求項１に記載の発明は、すり板が先端ばねと中間部材と中間ばねにより支持部材に支持された弾性支持装置を電車屋根部に配置し、前記すり板をトロリー線に押付けて集電を行うパンタグラフの集電方法であって、前記弾性支持装置を、押付緩衝装置と電動アクチュエータとを用いて電車屋根部に支持し、前記先端ばねと前記中間部材の間に設置したロードセルの荷重検出信号に基づいてＨ∞制御を行うＨ∞制御器の制御信号により前記電動アクチュエータを駆動して、すり板とトロリー線との接触力の変動が抑制されるように前記すり板の押付け力を制御することを特徴とするパンタグラフの集電方法、に係るものである。

請求項２に記載の発明は、すり板が先端ばねと中間部材と中間ばねにより支持部材に支持された弾性支持装置を電車屋根部に配置し、前記すり板をトロリー線に押付けて集電を行うパンタグラフの集電方法であって、前記弾性支持装置を、押付緩衝装置と電動アクチュエータとを用いて電車屋根部に支持し、前記すり板と中間部材と支持部材の夫々に設けた加速度計の各加速度信号に基づいて外乱包含型ＬＱ制御を行う外乱包含型ＬＱ制御器の制御信号により前記電動アクチュエータを駆動して、すり板とトロリー線との接触力の変動が抑制されるように前記すり板の押付け力を制御することを特徴とするパンタグラフの集電方法、に係るものである。

請求項３に記載の発明は、前記トロリー線とパンタグラフとの相対高さの変化による長周期の接触力の変動は押付緩衝装置により抑制し、トロリー線のばね特性の変動によって生じる短周期の接触力の変動は電動アクチュエータの駆動により抑制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集電方法、に係るものである。

請求項４に記載の発明は、前記電車屋根部側の移動速度が設定速度以下の時、或いは接触力にしきい値を設定しておき接触力がしきい値以下の時は押付緩衝装置により接触力の変動を抑制し、前記移動速度が設定速度を越えた時、或いは接触力が前記しきい値を越えた時は電動アクチュエータの駆動により接触力の変動を抑制するように電動アクチュエータの駆動と非駆動とを切替え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集電方法、に係るものである。

請求項５に記載の発明は、すり板が先端ばねと中間部材と中間ばねにより支持部材に支持された弾性支持装置を電車屋根部に備えて前記すり板をトロリー線に押付けることにより集電を行うパンタグラフの集電装置であって、前記弾性支持装置を電車屋根部に支持するように並設した押付緩衝装置及び電動アクチュエータと、前記先端ばねと前記中間部材との間に設けたロードセルと、該ロードセルからの荷重検出信号を入力し、Ｈ∞制御方法を用いてすり板とトロリー線との接触力の変動を抑制する制御信号を演算して前記電動アクチュエータに出力するＨ∞制御器と、を備えたことを特徴とするパンタグラフの集電装置、に係るものである。

請求項６に記載の発明は、すり板が先端ばねと中間部材と中間ばねにより支持部材に支持された弾性支持装置を電車屋根部に備えて前記すり板をトロリー線に押付けることにより集電を行うパンタグラフの集電装置であって、前記弾性支持装置を電車屋根部に支持するように並設した押付緩衝装置及び電動アクチュエータと、前記すり板と中間部材と支持部材の夫々に設けた加速度計と、各加速度計からの加速度信号を入力し、外乱包含型ＬＱ制御方法を用いてすり板とトロリー線との接触力の変動を抑制する制御信号を演算して前記電動アクチュエータに出力する外乱包含型ＬＱ制御器と、を備えたことを特徴とするパンタグラフの集電装置、に係るものである。

請求項７に記載の発明は、前記電動アクチュエータが、リニアモータ、ベクトルインバータモータ、ＡＣサーボモータのいずれか１つであることを特徴とする請求項５又は６に記載のパンタグラフの集電装置、に係るものである。

本発明のパンタグラフの集電方法及び装置によれば、パッシブ制御を行う押付緩衝装置を備えると共にアクティブ制御を行う電動アクチュエータとを備えたので、高速走行時におけるすり板の接触力の変動を電動アクチュエータによる早い速度で抑制制御することができ、且つ従来の油圧シリンダを用いた場合に比し構成が簡略化できてメンテナンスを軽減できる効果がある。

また、すり板に設置した加速度計の加速度信号と先端ばねに設置した歪み計の歪み信号に基づいてＨ_∞制御を行うＨ_∞制御器からの制御信号で電動アクチュエータの駆動を制御するようにしたので、センサ装置とＨ_∞制御器が簡略化でき、且つ接触力の変動を確実に抑制できる効果がある。

また、先端ばねと中間部材の間に設置したロードセルの荷重検出信号に基づいてＨ_∞制御を行うＨ_∞制御器からの制御信号で電動アクチュエータの駆動を制御するようにしたので、センサ装置とＨ_∞制御器が更に簡略化でき、且つ接触力の変動を確実に抑制できる効果がある。

また、すり板と中間部材と支持部材の夫々に設けた加速度計の各加速度信号に基づいて外乱包含型ＬＱ制御を行う外乱包含型ＬＱ制御器からの制御信号で電動アクチュエータの駆動を制御するようにしたので、センサ装置と制御器が簡略化でき、且つ接触力の変動を確実に抑制できる効果がある。

一方、万一電動アクチュエータが故障した場合にも、押付緩衝装置によるパッシブ制御によりパンタグラフの機能は維持することができ、よってパンタグラフの信頼性を大幅に向上できる効果がある。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図４は高速電気鉄道の架線設備の一例を示したものであり、この架線設備は、支柱１により４０〜５０ｍの径間Ｌ１で支持した吊架線２と、該吊架線２にドロッパ３により８〜１０ｍのドロッパ間隔Ｌ２で支持された補助架線４と、該補助架線４にハンガ５により４．５〜５ｍのハンガ間隔Ｌ３で支持されたトロリー線６とを備えており、該トロリー線６の高電圧を、走行する電車の電車屋根部７に備えたパンタグラフ８によって電車に給電するようにしている。

図５は高速電気鉄道用として従来開発されたパッシブ制御のパンタグラフの一例を示す概略切断側面図であり、このパンタグラフは、弾性支持装置９とエアシリンダ１０とを備えた構成を有している。即ち、前記弾性支持装置９は、すり板１１を先端ばね１２（微動ばね）で支持する舟体及びホーン等の中間部材１３と、該中間部材１３を中間ばね１４で支持する支持部材１５とを有しており、前記中間部材１３は前記支持部材１５に対してベアリング等の案内部材１６により上下に移動可能に支持され、また、前記支持部材１５は電車屋根部７に固定した固定部材１７に対してベアリング等の案内部材１８により上下に移動可能に支持されている。

一方、前記エアシリンダ１０は、前記電車屋根部７に固定した固定部材１７に鉛直に固定されており、且つシリンダロッド１０ａが前記弾性支持装置９の支持部材１５に固定されており、エアシリンダ１０は伸長によって弾性支持装置９を押し上げると共に、押し引きにより弾性支持装置９の昇降を行うようになっている。

図５に示したパッシブ制御のパンタグラフ８では、エアシリンダ１０を伸長して弾性支持装置９を上昇させることによりすり板１１をトロリー線６に押付け、このときのすり板１１の接触力が略３０〜１７０Ｎに維持されるようにエアシリンダ１０の押上げ力を設定している。また、このとき、すり板１１は先端ばね１２によって中間部材１３に弾性支持され、中間部材１３は中間ばね１４によって支持部材１５に弾性支持され、支持部材１５はエアシリンダ１０の空気圧によって弾性支持されている。

図４において、電車が３００ｋｍ／ｈ〜３５０ｋｍ／ｈの高速走行を行うと、前記径間Ｌ１においては２Ｈｚ前後の振動数の径間振動が生じ、また、ドロッパ間隔Ｌ２においては１０Ｈｚ前後の振動数のドロッパ間振動が生じ、また、ハンガ間隔Ｌ３においては１７Ｈｚ前後の振動数のハンガ間振動が生じることが知られている。そしてこのとき、図５のパッシブ制御のパンタグラフでは、２Ｈｚ前後の径間振動は主にエアシリンダ１０により吸収抑制し、１０Ｈｚ前後のドロッパ間振動は主に中間ばねにより吸収抑制し、１７Ｈｚ前後のハンガ間振動は主に先端ばね（微動ばね）により吸収抑制している。

しかし、前記したように電車が３００ｋｍ／ｈ〜３５０ｋｍ／ｈの高速走行を行うと、トロリー線６からの強制振動によってすり板１１の接触力が図６に示す如く大きく変動し、このために接触力がマイナスになる、即ち離線を生じる問題がある。

図１は、上記問題を解決するための本発明の集電装置の一例を示す概略切断側面図である。図１の集電装置は、図５と同様の弾性支持装置９の支持部材１５と電車屋根部７に固定した固定部材１７との間に、図５と同様のエアシリンダ１０を備えると同時に、電動アクチュエータ１９を並設してハイブリッド型パンタグラフ２０としたものである。即ち、このハイブリッド型パンタグラフ２０は、電動アクチュエータ１９を作動するとアクティブ制御が可能な電動式パンタグラフとすることができ、また電動アクチュエータ１９の駆動を停止すると、エアシリンダ１０によりパッシブ制御されるパンタグラフとすることができる。尚、前記エアシリンダ１０は、一定の静的押し上げ力を与える機能とトロリー線６の高さの変化等で生じた長周期振動を抑制する緩衝（ダンパ）の機能とを備えた押付緩衝装置２１であり、従って、前記エアシリンダ１０以外の渦巻きばね等の機械的なものも押付緩衝装置２１として用いることができる。

また、図１の電動アクチュエータ１９は、リニアモータ２２を採用した場合を示しており、リニアモータ２２は固定部材１７に固定した上下に長い固定子２２ａと、前記弾性支持装置９の支持部材１５に固定した可動子２２ｂとを備えており、該可動子２２ｂが固定子２２ａに沿って上下に移動するようになっている。尚、上記ではリニアモータ２２を備えた場合について説明したが、電動アクチュエータ１９には、前記リニアモータ２２以外にも支持部材１５を上下動させることができれば、ベクトルインバータモータ、或いはＡＣサーボモータ等の回転駆動方式のものも採用することができる。

図１に示したハイブリッド型パンタグラフ２０によれば、電動アクチュエータ１９により弾性支持装置９を昇降させるアクティブ制御ができるだけでなく、トロリー線６の高さの長周期変動に対しては、従来のままのパッシブ制御の機能を活用することができる。従って、この場合には、トロリー線６のばね特性の変動によって生じる接触力変動のみを電動アクチュエータ１９によるアクティブ制御に負担させればよい。

アクティブ制御を実現するための制御理論としては、Ｈ_∞制御理論、或いはＬＱ制御理論等のフィードバック制御理論や、これらとフィードフォワード制御を組み合わせることが考えられる。このような制御系を実現することによって、接触力の周波数応答（或いは、追従振幅の周波数特性）を改善することができ、トロリー線６に対するすり板１１の接触力の変動を低減することができる。

まず、図１のハイブリッド型パンタグラフ２０によりアクティブ制御を行うための振動系について説明する。

図２は、前記図１のハイブリッド型パンタグラフ２０をばね−質量系にモデル化した作動説明図、図３は前記図５のパッシブ制御のパンタグラフ８をばね−質量系にモデル化した作動説明図である。図２、図３中、ｍ₁はすり板１１の質量、ｍ₂は中間部材１３（舟体）の質量、ｍ₃は支持部材１５の質量である。

制御効果が達成されるメカニズムを説明するために、トロリー線６を特定の正弦波で強制加振させたときの状況をパッシブ制御とアクティブ制御とで比較した。図７（ａ），（ｂ），（ｃ）はパッシブ制御での各質点ｍ₁，ｍ₂，ｍ₃の絶対変位、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）はアクティブ制御での各質点ｍ₁，ｍ₂，ｍ₃の絶対変位、図９（ａ），（ｂ）はパッシブ制御での質点ｍ₁と質点ｍ₂との間、及び質点ｍ₂と質点ｍ₃との間の相対変位、図１０（ａ），（ｂ）はアクティブ制御での質点ｍ₁と質点ｍ₂との間、及び質点ｍ₂と質点ｍ₃との間の相対変位である。

図７、図８に示す如く、パッシブ制御とアクティブ制御における絶対変位の相違はわずかであるのに対し、図９、図１０に示す如く、アクティブ制御による質点間相対変位は、パッシブ制御のそれと大きく異なっている。従って、電動アクチュエータ１９の駆動により質点間相対変位が積極的に制御され、これにより接触力の変動を低減できることがわかる。

次に、前記トロリー線６に対するすり板１１の接触力を求めるため、トロリー線６から入力される強制変位に対する場合を考える。尚、図２、図３のモデルで最上部の質点ｍ₁はすり板１１であり、ばね定数ｋ_wと減衰係数ｃ_wの動特性を有するトロリー線６と接触している。図中、ｋ₁は先端ばね１２のばね定数、ｋ₂は中間ばね１４のばね定数、ｃ₁は先端ばね１２の減衰係数、ｃ₂は中間ばね１４の減衰係数、ｃ₃はエアシリンダ１０の減衰係数、ｕ₃は電動アクチュエータ１９の減衰係数である。このときの運動方程式は次式で与えられる。

ここで、ｙ₁＝ｙ_w＋ｚである。図３のパッシブ制御の場合は、ｕ₃＝０とすればよい。

図２、図３において、トロリー線６に対するすり板１１の接触力は以下で定義される。トロリー線６の動特性は、ばね定数ｋ_w、減衰係数ｃ_wとし、トロリー線６の質量を無視すれば、接触力ｆは、

で与えられる。ただし、ｙ_wはトロリー線６のたわみである。ここではトロリー線６を剛体とみなし、ばね定数ｋ_wと減衰係数ｃ_wには、パンタグラフの特性と十分離れた大きな値を与えることにする。

図１１は、上記の運動方程式によって得られたパッシブ制御の追従振幅特性を実測値とともに示したもので、横軸に周波数、縦軸に追従振幅を示している。ここで、実測値と計算値は一致している。

次に、Ｈ_∞制御理論を用いて接触力を制御する方法を、図１２の制御ブロック図を参照して説明する。

図１２において、ｗは外乱、ｕは制御信号、ｙは観測出力、ｚ_i（ｉ＝１，２）は制御量である。ここでは、ｗをトロリー線６の高さ方向の不ぞろいによる強制変位入力（図２、図３のｚ）、ｕを電動アクチュエータ１９の制御力、ｙをすり板１１の接触力にとることにする。また、ｗ_T，ｗ_Sは、夫々制御信号と観測出力（接触力）にかかる重み関数であり、周波数特性を有する。Ｈ_∞制御理論によれば、Ｈ_∞制御器２３による制御は次式の形式で得られる。

［数３］
ｕ＝Ｈ_∞（ｓ）ｙ （５）
ここで、Ｈ_∞（ｓ）は動的な制御器であり、次式の状態空間形式で表示される。尚、式中ηは状態変数、Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤはＨ_∞制御器を表わす状態空間マトリックスである。

設計では、まず、

と定義し、式（１）から式（４）を状態空間の形式で記述すると次式となる。

ここで、

重み関数ｗ_T及びｗ_Sを以下のような状態空間で設定する。

ここで、添え字のT及びSは、夫々重み関数ｗ_T，ｗ_Sに関する量を意味する。

Ｈ_∞制御系を設計するため、式（８）から式（１１）を次式の一般化プラントで構成する。

ここで、

である。

Ｈ_∞制御理論によれば、制御器２３は系を内部安定にし、且つ次式を満足することにより得られる。

ここで、Ｎ（ｓ）とＭ（ｓ）は、夫々外乱から制御信号までの伝達関数及び外乱から出力までの伝達関数である。

計算例として、主成分２Ｈｚ付近に発生する変動力を積極的に低減し、１７Ｈｚ付近の変動成分については、パッシブ制御と同程度になるように設計した場合の結果を以下に示す。図１３は重み関数ｗ_T，ｗ_Sの一例を示し、また、図１４はアクティブ制御によって得られた接触力の周波数応答をパッシブ制御の場合と比較して示しており、また、図１５はアクティブ制御によって得られた追従振幅特性をパッシブ制御の場合と比較して示している。

図１４によれば、アクティブ制御によって接触力の周波数応答が安定している。また、図１５によれば、アクティブ制御によって、追従振幅特性がパッシブ制御に比して大幅に上昇しており、これにより、特に２Ｈｚ付近での離線の問題を防止できることがわかる。

上記で得られた接触力制御系の効果を時刻歴応答計算によって確認した。図１６中破線は、２Ｈｚの正弦波を入力した場合におけるパッシブ制御での接触力の変動の大きさを表わしたものである。これに対して、図１７における電動アクチュエータ１９による制御力を付加したところ、図１６に実線で示すように接触力の変動が著しく低減した。

また、図１８は、２Ｈｚと１７Ｈｚの複合波を入力した場合におけるパッシブ制御での接触力の変動の大きさを表わしたものである。これに対して、前記電動アクチュエータ１９により高周波での制御の影響を小さくしつつ、２Ｈｚの変動力成分を約１／３に低減することで、図１９に示す如く複合力成分を１／２以下に低減することができた。尚、前記入力振幅は、２Ｈｚが１０ｍｍ、１７Ｈｚが０．９ｍｍであり、通常のパンタグラフの追従振幅特性で要求される振幅値である。

次に、前記Ｈ_∞制御理論を用いた実際の制御装置の一例を説明する。図２０は、図２の力学モデルにＨ_∞制御系を具現化する場合の制御装置の一例を示したものである。

前記すり板１１の接触力は、直接には検出することができない。このため、図２０に示す如く、すり板１１に加速度計２４を取り付け、また、先端ばね１２に歪み計２５を取り付ける。尚、上記加速度計２４には積分機能が備えられた速度計を用いることもできる。そして、前記加速度計２４の加速度信号と歪み計２５の歪み信号をアンプ２６を介して夫々接触力の演算を行う演算装置２７に入力すると共に、前記歪み計２５の歪み信号を微分器２８を介して演算装置２７に入力する。演算装置２７で演算した結果に基づき、Ｈ_∞制御器２３は、すり板１１とトロリー線６との接触力の変動を抑制する制御信号ｕを前記電動アクチュエータ１９に出力する。３０は制御装置（デジタル制御器）である。

上記によれば、直接検出することができない接触力が、すり板１１に取り付けた加速度計２４と、先端ばね１２に取り付けた歪み計２５の検出信号から、次式によって間接的に検出することができる。

尚、すり板１１の弾性変形が無視できない場合は、すり板１１の歪みも考慮する。

上記したように、すり板１１に取り付けた加速度計２４と、先端ばね１２に取り付けた歪み計２５からの検出信号をフィードバック信号として、Ｈ_∞制御器２３によって制御信号ｕが演算され、この制御信号ｕにより電動アクチュエータ１９の作動が制御されて、接触力の変動が有効に低減されるようになる。

図２１はＨ_∞制御系を具現化する制御装置の他の例を示すブロック図、図２２は図２１のハイブリッド型パンタグラフ２０をばね−質量系にモデル化した作動説明図であり、図中、図１、図２及び図２０と同一のものには同じ符号を付して説明を省略する。尚、図２２では図１における支持部材１５と中間部材１３とを剛結合して質点を二つ（ｍ₁，ｍ₂）とした２元系の場合を対象として示しているが、質点が三つの３元系の場合も同様に扱うことができる。

図２１、図２２に示すように、前記中間部材１３（舟体）の上面にロードセル６０（圧電素子及び歪みゲージ型検出器）を設けてすり板１１を支持する先端ばね１２に掛る負荷を直接検出するようにしており、ロードセル６０で検出した荷重検出信号ｆ₁は、アンプ２６を介して直接Ｈ_∞制御器２３に入力されており、Ｈ_∞制御器２３はすり板１１とトロリー線６との接触力の変動を抑制する制御信号ｕをデジタル演算し、該制御信号ｕにより前記電動アクチュエータ１９を制御力ｆ_ｃで制御するようにしている。

図２２の質点ｍ₂である中間部材１３の運動方程式は式（１６）のように表わされる。

ここで、すり板１１とトロリー線６との接触力は次式（１７）となる。

この時ロードセル６０の荷重検出信号は次式（１８）で表わされる。

制御手法にはＨ_∞制御理論を用い、同理論によると、電動アクチュエータ１９への制御信号ｕは前記式（５）で与えられる。

上記の系に対してＨ_∞制御器２３を設計し、追従振幅特性と走行時の時刻歴応答解析によって制御効果を確認した。設計したアクティブ制御系の追従振幅特性を図２３に実線で示す。比較のため、パッシブ系の特性を破線で示した。図２３から、接触力を直接フィードバックする前述の方法の結果と同等の特性が得られた。

また、走行時における接触力の時刻歴応答解析結果を、前後に設けたパンタグラフ２０の前パンタグラフの場合を図２４に示し、後パンタグラフの場合を図２５に示した。外乱に相当するトロリー線６の強制変位入力には、実測された接触力をもとに解析的に求めたすり板１１の変位を用いた。図２４、図２５から、変動接触力の主要成分である２Ｈｚの成分が大きく低減され、パッシブ系よりも変動成分が更に小さくなっていることが確認できる。

次に、外乱包含型ＬＱ制御理論を用いて接触力を制御する方法について説明する。

外乱包含型ＬＱ制御理論を用いて接触力を制御するには、パッシブ機構を有効に活用するため、制御する周波数領域を限定する方法を用いる。

接触力の変動は、トロリー線６を支持する図４の支柱１の径間Ｌ１及びハンガ５によるハンガ間隔Ｌ３によって生じるから、一般には、パンタグラフ系の共振点からは外れ、強制振動として作用する。従って、減衰付与による共振ピークの低減だけでは高い効果は期待できない。そこで、制御の強さを周波数領域で変化させるようにし、強制振動に対して高い性能を確保できるようにする。例えば、アクティブ制御の稼働を速度３００ｋｍ／ｓ以上のように限定すれば、抑制するべき接触力変動の周波数領域はほぼ決定できる。このような考えのもとに適用できる制御方法としては外乱包含型ＬＱ制御がある。外乱包含型ＬＱ制御は、フィードバック制御にフィードフォワード制御を組み合わせた方式である。

以下にその計算例を示す。

径間変動の振動数を２Ｈｚとし、外乱の特性を以下の二次遅れ系で与える。

ここで、ω_dと

は夫々、二次遅れ系で定義された固有角振動数と減衰比であり、固有角振動数は、抑制したい振動数に設定する。設計では、

と定義し、式（７）の代わりに状態方程式（２１）を用いる。

式（２１）にＬＱ制御理論を適用すれば、制御信号は二次形式の評価関数

を最小にする入力として決定できる（図２７）。

こうすることで、外乱には周波数領域で重みが与えられたことになり、特定の周波数で制御効果を高めるような制御系、即ち外乱包含型ＬＱ制御が設計できる。図２６に外乱包含型ＬＱ制御による接触力の周波数応答をパッシブ制御の場合と比較して示した。外乱の振動数を２Ｈｚ（ω_d＝２×ｐｉ×２ ）、減衰比を

とした場合であり、２Ｈｚ近傍で接触力の周波数応答が安定した大きな効果を確認できる。

次に、前記外乱包含型ＬＱ制御理論を用いた実際の制御装置の一例を説明する。図２７は、図２の力学モデルに外乱包含型ＬＱ制御理論を具現化する場合の制御装置の一例を示したものである。

すり板１１の接触力は直接には検出できないため、図２７では、前記すり板１１と、中間部材１３と、支持部材１５の夫々に加速度計３１，３２，３３を取り付け、各加速度計３１，３２，３３からの加速度信号をアンプ３４を介して積分器３５に導くことにより速度を求め、一方、積分器３５で積分した信号を更に積分器３６に導くことにより変位を求めて出力すると共に、前記速度及び変位を観測器２９に入力する。この時、強制変位入力ｚと

はオブザーバ理論により推定する。前記算出された速度、変位、観測器２９の出力の各信号にフィードバックゲインｋ₁〜ｋ₈を乗じ、加算する加算器３７を備えた外乱包含型ＬＱ制御器３８により制御信号ｕを得、この制御信号ｕを電動アクチュエータ１９に入力するようにしている。又、前記制御信号ｕは観測器２９に入力されている。

上記により、外乱に周波数領域で重みが与えられ、特定の周波数で制御効果が高められた制御系が設計でき、外乱包含型ＬＱ制御器３８からの制御信号ｕにより電動アクチュエータ１９の作動が制御されて、図２６に示すように２Ｈｚ近傍での周波数応答が安定し、接触力の変動が有効に抑制されるようになる。

図１に示したように、パッシブ制御を行う押付緩衝装置２１と、Ｈ_∞制御器２３（図２０、図２１）又は外乱包含型ＬＱ制御器３８（図２７）を備えた電動アクチュエータ１９によりアクティブ制御を行うようにした電動アクチュエータ１９とを有するハイブリッド型パンタグラフ２０を構成したことにより、高速走行時におけるすり板１１の接触力の変動を電動アクチュエータ１９による早い速度で抑制制御することができ、且つ従来の油圧シリンダを用いた場合に比して構成を大幅に簡略化することができ、よってメンテナンスの軽減が図れる。

また、図２０に示したすり板１１に設置した加速度計２４と歪み計２５からの信号に基づいてＨ_∞制御器２３から出力される制御信号ｕにより電動アクチュエータ１９の駆動を制御するようにしたので、センサ類及び制御器が簡略化でき、且つ接触力の変動を確実に抑制できるようになる。

また、図２１に示した先端ばね１２と中間部材１３（舟体）の間に設置したロードセル６０からの荷重検出信号ｆ₁に基づいてＨ_∞制御器２３から出力される制御信号ｕにより電動アクチュエータ１９の駆動を制御するようにしたので、センサ類及び制御器が更に簡略化でき、且つ接触力の変動を確実に抑制できるようになる。

また、図２７に示したすり板１１と中間部材１３と支持部材１５の夫々に設けた加速度計３１，３２，３３からの信号に基づいて外乱包含型ＬＱ制御器３８から出力される制御信号ｕにより電動アクチュエータ１９の駆動を制御するようにしたので、センサ類及び制御器が簡略化でき、且つ接触力の変動を確実に抑制できるようになる。

図１に示したハイブリッド型パンタグラフ２０によれば、パッシブ制御を行う押付緩衝装置２１と、アクティブ制御を行う電動アクチュエータ１９を同時に作用させて、前記トロリー線６とハイブリッド型パンタグラフ２０との相対高さの変化による長周期の接触力の変動は押付緩衝装置２１により抑制し、トロリー線６のばね特性の変動によって生じる短周期の接触力の変動は電動アクチュエータ１９の駆動により抑制することができる。

また、電車の移動速度が設定速度以下の時、或いは接触力にしきい値を設定しておき接触力がしきい値以下の時は、パッシブ制御を行う押付緩衝装置２１により接触力の変動を抑制し、前記移動速度が設定速度を越えた時、或いは接触力が前記しきい値を越えた時は、アクティブ制御を行う電動アクチュエータ１９の駆動により接触力の変動を抑制するようにし、このようにして電動アクチュエータ１９の駆動と非駆動とを切替えて使用することもできる。

また、ハイブリッド型パンタグラフ２０は電動アクチュエータ１９を備えて伸縮できるようにしているので、ハイブリッド型パンタグラフ２０を格納する際には、電動アクチュエータ１９を縮小させることで迅速に格納することができる。

また、万一電動アクチュエータ１９が故障した場合にも、押付緩衝装置２１によるパッシブ制御は機能を維持できるので、パンタグラフの信頼性を大幅に向上することができる。

次に、前記電動アクチュエータ１９によって駆動される電動式パンタグラフ３９を電車屋根部７上へ実装するための本発明の形態例を説明する。

図２８に示す如く、トロリー線６に対するすり板１１の接触力を調整するための前記電動式パンタグラフ３９を駆動する電動アクチュエータ１９と、電動アクチュエータ用ＡＣ／ＤＣ電源４０と、ドライバ４１と、インターフェースユニット４２と、トロリー線６に対するすり板１１の接触力を検出するための前記加速度計２４及び歪み計２５、又は加速度計３１，３２，３３等のセンサ装置４３とを取付台４４に設置する。そして、該取付台４４を電車屋根部７上に搭載すると共にトロリー線６の高電圧（例えば２５ｋＶ）に接続して取付台４４をトロリー線６と同電位とする。更に、前記電動アクチュエータ用ＡＣ／ＤＣ電源４０の交流電源の片側４０ａを取付台４４にアースし、直流電源のマイナス側４０ｂを取付台４４にアースする。

更に、前記電動アクチュエータ用ＡＣ／ＤＣ電源４０と、ドライバ４１と、インターフェースユニット４２を放射ノイズから保護するための収納箱４５に収容し、且つ該収納箱４５を取付台４４に対し接続部４５ａでアースする。

また、前記インターフェースユニット４２には、取付台４４の外部に設けた前記Ｈ_∞制御器２３或いは外乱包含型ＬＱ制御器３８等の制御器４６が光ファイバ４７によって接続されており、制御器４６には外部制御信号４８が入力されていると共に前記センサ装置４３からの検出信号が入力されており、また制御器４６からの制御信号がドライバ４１に入力されて電動アクチュエータ１９の駆動が制御されるようになっている。図中４９はトロリー線６の高電圧に上乗せするように電気を供給する電動アクチュエータ用電源（ＡＣ）、５０は高耐電圧ケーブル、５１は避雷器、５２は碍子を示す。

図２８に示した電動式パンタグラフ３９の実装装置によれば、トロリー線６に接続されて高電圧となるパンタグラフに電動式パンタグラフ３９を実装することが可能となり、よって、電動アクチュエータ１９により電動式パンタグラフ３９を早い速度で精度よく制御できること、及び、従来の油圧シリンダを用いた場合に比して簡単な構成でメンテナンスが軽減できること、が有効に活用できるようになる。

更に、電動アクチュエータ用ＡＣ／ＤＣ電源４０と、ドライバ４１と、インターフェースユニット４２を収納箱４５に収容して放射ノイズから保護し、且つ取付台４４にアースして高電圧の帯電を回避するようにしたので、放射ノイズの影響を防止して電動アクチュエータの作動を確実に行わせることできる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の集電装置の一例を示す概略切断側面図である。 図１のハイブリッド型パンタグラフをばね−質量系にモデル化した作動説明図である。 図５のパッシブ制御のパンタグラフをばね−質量系にモデル化した作動説明図である。 高速電気鉄道の架線設備の一例を示した側面図である。 高速電気鉄道用として従来開発されたパッシブ制御のパンタグラフの一例を示す概略切断側面図である。 パンタグラフがトロリー線によって強制振動した状態を示す線図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）はパッシブ制御での各質点の絶対変位を示す線図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）はアクティブ制御での各質点の絶対変位を示す線図である。 （ａ），（ｂ）はパッシブ制御での質点間の相対変位を示す線図である。 （ａ），（ｂ）はアクティブ制御での質点間の相対変位を示す線図である。 運動方程式によって得られたパッシブ制御の追従振幅特性を実測値とともに示した線図である。 Ｈ_∞制御理論を用いて接触力を制御する方法を説明するための制御ブロック図である。 重み関数ｗ_T，ｗ_Sの一例を示す線図である。 アクティブ制御によって得られた接触力の周波数応答をパッシブ制御の場合と比較して示した線図である。 アクティブ制御によって得られた追従振幅特性をパッシブ制御の場合と比較して示した線図である。 パッシブ制御とアクティブ制御での接触力の変動の大きさを表わした線図である。 電動アクチュエータに制御力を付加してアクティブ制御する制御信号の一例を示す線図である。 ２Ｈｚと１７Ｈｚの複合波を入力した場合におけるパッシブ制御での接触力の変動の大きさを表わした線図である。 電動アクチュエータに制御力を付加してアクティブ制御することにより複合力成分が低減した状態を示す線図である。 図２の力学モデルにＨ_∞制御系を具現化する場合の制御装置の一例を示すブロック図である。 Ｈ_∞制御系を具現化する場合の他の制御装置のブロック図である。 図２１のハイブリッド型パンタグラフをばね−質量系にモデル化した作動説明図である。 図２１で設計したアクティブ制御系の追従振幅特性を示す線図である。 走行時における前パンタグラフの場合の接触力の時刻歴応答解析結果を示す線図である。 走行時における後パンタグラフの場合の接触力の時刻歴応答解析結果を示す線図である。 外乱包含型ＬＱ制御による接触力の周波数応答をパッシブ制御の場合と比較して示した線図である。 図２の力学モデルに外乱包含型ＬＱ制御理論を具現化する場合の制御装置の一例を示すブロック図である。 電動アクチュエータによって駆動される電動式パンタグラフを電車屋根部７上へ実装するための形態例を示すブロック図である。

符号の説明

６ トロリー線
７ 電車屋根部
９ 弾性支持装置
１１ すり板
１２ 先端ばね
１３ 中間部材
１４ 中間ばね
１５ 支持部材
１９ 電動アクチュエータ
２０ ハイブリッド型パンタグラフ
２１ 押付緩衝装置
２２ リニアモータ
２３ Ｈ<SUB>∞</SUB>制御器
２４ 加速度計
２５ 歪み計
３１，３２，３３ 加速度計
３８ 外乱包含型ＬＱ制御器
３９ 電動式パンタグラフ
４０ 電動アクチュエータ用ＡＣ／ＤＣ電源
４０ａ 片側
４０ｂ マイナス側
４１ ドライバ
４２ インターフェースユニット
４３ センサ装置
４４ 取付台
４５ 収納箱
４５ａ 接続部（アース）
４６ 制御器
４７ 光ファイバ
４９ 電動アクチュエータ用ＡＣ電源
６０ ロードセル
ｕ 制御信号

Claims (7)

1. すり板が先端ばねと中間部材と中間ばねにより支持部材に支持された弾性支持装置を電車屋根部に配置し、前記すり板をトロリー線に押付けて集電を行うパンタグラフの集電方法であって、前記弾性支持装置を、押付緩衝装置と電動アクチュエータとを用いて電車屋根部に支持し、前記先端ばねと前記中間部材の間に設置したロードセルの荷重検出信号に基づいてＨ∞制御を行うＨ∞制御器の制御信号により前記電動アクチュエータを駆動して、すり板とトロリー線との接触力の変動が抑制されるように前記すり板の押付け力を制御することを特徴とするパンタグラフの集電方法。
2. すり板が先端ばねと中間部材と中間ばねにより支持部材に支持された弾性支持装置を電車屋根部に配置し、前記すり板をトロリー線に押付けて集電を行うパンタグラフの集電方法であって、前記弾性支持装置を、押付緩衝装置と電動アクチュエータとを用いて電車屋根部に支持し、前記すり板と中間部材と支持部材の夫々に設けた加速度計の各加速度信号に基づいて外乱包含型ＬＱ制御を行う外乱包含型ＬＱ制御器の制御信号により前記電動アクチュエータを駆動して、すり板とトロリー線との接触力の変動が抑制されるように前記すり板の押付け力を制御することを特徴とするパンタグラフの集電方法。
3. 前記トロリー線とパンタグラフとの相対高さの変化による長周期の接触力の変動は押付緩衝装置により抑制し、トロリー線のばね特性の変動によって生じる短周期の接触力の変動は電動アクチュエータの駆動により抑制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集電方法。
4. 前記電車屋根部側の移動速度が設定速度以下の時、或いは接触力にしきい値を設定しておき接触力がしきい値以下の時は押付緩衝装置により接触力の変動を抑制し、前記移動速度が設定速度を越えた時、或いは接触力が前記しきい値を越えた時は電動アクチュエータの駆動により接触力の変動を抑制するように電動アクチュエータの駆動と非駆動とを切替え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集電方法。
5. すり板が先端ばねと中間部材と中間ばねにより支持部材に支持された弾性支持装置を電車屋根部に備えて前記すり板をトロリー線に押付けることにより集電を行うパンタグラフの集電装置であって、前記弾性支持装置を電車屋根部に支持するように並設した押付緩衝装置及び電動アクチュエータと、前記先端ばねと前記中間部材との間に設けたロードセルと、該ロードセルからの荷重検出信号を入力し、Ｈ∞制御方法を用いてすり板とトロリー線との接触力の変動を抑制する制御信号を演算して前記電動アクチュエータに出力するＨ∞制御器と、を備えたことを特徴とするパンタグラフの集電装置。
6. すり板が先端ばねと中間部材と中間ばねにより支持部材に支持された弾性支持装置を電車屋根部に備えて前記すり板をトロリー線に押付けることにより集電を行うパンタグラフの集電装置であって、前記弾性支持装置を電車屋根部に支持するように並設した押付緩衝装置及び電動アクチュエータと、前記すり板と中間部材と支持部材の夫々に設けた加速度計と、各加速度計からの加速度信号を入力し、外乱包含型ＬＱ制御方法を用いてすり板とトロリー線との接触力の変動を抑制する制御信号を演算して前記電動アクチュエータに出力する外乱包含型ＬＱ制御器と、を備えたことを特徴とするパンタグラフの集電装置。
7. 前記電動アクチュエータが、リニアモータ、ベクトルインバータモータ、ＡＣサーボモータのいずれか１つであることを特徴とする請求項５又は６に記載のパンタグラフの集電装置。

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