JP5051363B2 - 鉄道車両用振動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の左右方向の振動を抑制する鉄道車両用振動制御装置に関するものである。

鉄道車両は、軌道の不整、空力加振による外乱等によって車体の上下、左右に様々な振動を生じるが、近年、高速運行化に伴い、これらの振動の抑制の要求が高まっており、特に、車体と台車との左右方向の振動の抑制は、乗り心地及び走行安定性の両面から重要な課題の１つとなっている。

車体の左右方向の振動を抑制する一般的な鉄道車両用振動制御装置の一例について説明する。鉄道車両用振動制御装置は、輪軸が装着された台車によって車体が左右方向に変位可能に支持され、車体と台車との間に減衰係数を調整可能な減衰力可変ダンパ及びアクチュエータが連結されている。また、車体の左右方向の加速度を検出する横加速度センサ及び台車と車体との変位を検出する変位センサ等の走行中の車両状態を検出する各種センサを設け、これらのセンサの検出に基づいて、コントローラによって減衰力可変ダンパの減衰力及びアクチュエータの推力を制御することによって車体の振動を抑制する。

また、鉄道車両用振動制御装置は、車両運行上、アクチュエータ、減衰力可変ダンパ、加速度センサ、変位センサ等のシステム構成要素の健全性すなわち正常な作動を随時診断可能な自己診断機能を備えることが望まれている。そこで、従来、例えば特許文献１には、車両停止状態において、コントローラによってアクチュエータを作動させて車体を強制的に変位させ、これによって車体に生じる加速度を加速度センサによって検出し、アクチュエータの作動と、加速度センサによる検出を比較することにより、これらの健全性を診断する技術が開示されている。
特許第２７８３０３０号公報

しかしながら、従来の鉄道車両用振動制御装置では、システム構成要素の健全性の診断を実行する場合、車体と台車との間には、車体支持装置、懸架バネ（空気バネ等）の摩擦等によって車体と台車との相対変位にはヒステリシスが伴うことになる。このため、アクチュエータの一定の推力に対して、車体と台車との相対変位が必ずしも一定とはならず、このことがシステム構成要素の健全性の診断の精度及び信頼性を低下させる原因となっている。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、システム構成要素の健全性の自己診断の精度及び信頼性を高めることができる鉄道車両用振動制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、車体と、該車体の前部及び後部に配置されて該車体を左右方向に変位可能に支持する第１及び第２台車と、前記車体と前記第１及び前記第２台車との間にそれぞれ連結された第１及び第２アクチュエータと、前記車体と前記第１及び第２台車との変位をそれぞれ検出する第１及び第２変位検出手段と、前記車体の前部及び後部の左右方向の加速度をそれぞれ検出する第１及び第２加速度検出手段と、少なくとも前記第１及び第２加速度検出手段の検出に基づいて前記第１及び第２アクチュエータの作動を制御して前記車体の前部及び後部の左右方向の振動を抑制するコントローラとを備えた鉄道車両用振動制御装置において、
前記コントローラは、停車中に、前記第１又は第２アクチュエータによって前記車体を加振して、その変位又は加速度を前記第１又は第２変位検出手段、若しくは、前記第１又は第２加速度検出手段によって検出し、検出した変位又は加速度を所定の基準値と比較することによって各要素の健全性を診断する自己診断モードを有し、該自己診断モードにおいて、前記第１又は第２アクチュエータによって前記車体を加振して、その変位又は加速度を検出する前に、前記第１又は第２アクチュエータを健全性診断のための加振方向とは反対方向に作動させて前記車体を予備加振することを特徴とする。
請求項２の発明に係る鉄道車両用振動制御装置は、上記請求項１の構成において、前記コントローラは、予備加振した後、前記車体と前記台車との相対変位を所定位置に戻し、その後、前記第１又は第２アクチュエータによって前記車体を加振して、その変位又は加速度を検出することを特徴する。

本発明に係る鉄道車両用振動制御装置によれば、予備加振を実行することにより、車体と台車との相対変位に伴うヒステリシスを解消することができ、健全性の診断の精度及び信頼性を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本発明に係る鉄道車両用振動制御装置が適用された鉄道車両１は、車体２の前部及び後部に、輪軸３が装着された台車４（第１及び第２台車）が取付けられている。なお、図２において、車体２の前部に設けられた各要素については、その符号の末尾に符号Ｆを付し、車体２の後部に設けられた各要素については、その符号を末尾にＲを付して、適宜これらを区別して説明する。

台車４は、車体２に対して、鉛直軸回りに回動可能であり、また、上下方向及び左右方向に一定の変位が可能なように連結されており、空気バネ５によって車体２を支持している。車体２と台車４との間には、アクチュエータ６（第１及び第２アクチュエータ）及び減衰力可変ダンパ７（第１及び第２減衰力可変ダンパ）が連結されている。アクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７は、車体２に固定された中心ピン８と台車４に固定された支柱９、１０との間にそれぞれ結合されており、車体２と台車４との左右方向の変位に対して、アクチュエータ６の推力及び減衰力可変ダンパ７の減衰力が作用するようになっている。アクチュエータ６には、車体２と台車４間の左右方向の変位を検出するストロークセンサ１１（第１及び第２変位検出手段）が設けられている。更に、車体２には、車体２の前部及び後部それぞれの左右方向の加速度を検出する加速度センサ１２（第１及び第２加速度検出手段）が設けられ、また、ストロークセンサ１１及び加速度センサ１２からの入力信号に基づいてアクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７を制御するコントローラ１３が設けられている。

アクチュエータ６は、通電電流に応じて推力を発生する電磁アクチュエータであり、コントローラ１３からの駆動信号に応じて推力を発生する。また、減衰力可変ダンパ７は、ソレノイドバルブ等の減衰力切換弁を有し、通電電流によって減衰力を少なくとも２段階に切換可能な油圧ダンパであり、コントローラ１３からの制御信号によって減衰力を切換えることができる。なお、アクチュエータ６は、油圧、空気圧等の他の形式のアクチュエータとしてもよく、また、減衰力可変ダンパ７は、油圧ダンパ以外の形式のダンパとしてもよい。

コントローラ１３は、車載の車速センサ（図示せず）及び加速度センサ１２、その他の車両の走行状態を検出する各種センサの検出に基づいて、アクチュエータ６及び減衰力可変ダンパ７の作動を制御する。低速走行時には、いわゆるパッシブ（制御なし）とし、すなわち、アクチュエータ６を作動させず、減衰力可変ダンパ７の減衰力を高減衰力側に切換え、減衰力可変ダンパ７の減衰力によって車体２の左右方向の振動を減衰する。

高速走行時には、いわゆるアクティブ制御を実行し、すなわち、減衰力可変ダンパ７の減衰力を低減衰力側に切換え、車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒに対して、加速度センサ１２Ｆ、１２Ｒが検出する左右方向の加速度に基づいて、台車４Ｆ、４Ｒの左右方向の振動を吸収し、また、車体２の左右方向の振動を抑制するようにアクチュエータ６Ｆ、６Ｒの推力を制御する。これにより、軌道の不整による台車４Ｆ、４Ｒへの外乱の入力及び空力加振による車体２への外乱の入力に対して、車体２の左右方向の振動を抑制して、乗り心地及び走行安定性を高め、高速走行を可能にする。

また、コントローラ１３は、アクチュエータ６、減衰力可変ダンパ７、ストロークセンサ１１及び加速度センサ１２を含む制御システムの各要素の健全性を診断する自己診断モードを備えている。自己診断モードは、車両の停止状態において、（１）アクチュエータ６の駆動信号に対する推力極性（推力の方向）の健全性を診断するアクチュエータ推力極性診断、（２）アクチュエータ６の駆動信号に対する動作状態（推力等）の健全性を診断するアクチュエータ動作診断、（３）減衰力可変ダンパ７の発生減衰力の健全性を診断する減衰力診断及び（４）コントローラ１３によるアクティブ制御の健全性を診断する振動制御極性診断を実行する。

自己診断モードの全体フローについて図３を参照して説明する。車両が停止状態であり、かつ、アクチュエータ６によって車体２を加振可能な状態（加振によって車体２が周囲の構造物に接触することがない状態等）にあるとき、ステップＳ１で（１）アクチュエータ推力極性診断の実行の指令の有無を判断し、ステップＳ２で（２）アクチュエータ動作診断の実行の指令の有無を判断し、ステップＳ３で（３）減衰力可変ダンパ減衰力診断の実行の指令の有無を判断し、ステップＳ４で（４）振動制御極性診断の指令の有無を判断し、これらの実行の指令に従って（１）〜（４）の診断を実行する。

上記（１）〜（４）の診断を実行する際、アクチュエータ６によって車体２を加振して車体２の加速度及び変位を検出する前に、アクチュエータ６によって予備加振を実行する。予備加振は、健全性診断するためのアクチュエータ６による加振方向とは反対方向にアクチュエータ６を作動させることによって行う。このとき、アクチュエータ６を一旦、反対方向に一定量だけ作動させた後、作動方向を反転して、ストロークセンサ１１の検出に基づいて、所定位置、例えば、ストローク中心（車体２と台車４との中心が一致する相対変位のゼロ点）まで戻してもよい。

次に、（１）〜（４）の各診断の実行処理について説明する。
（１）アクチュエータ推力極性診断
アクチュエータ推力極性診断は、車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒの一方に対して、アクチュエータ６を停止し、減衰力可変ダンパ７を高減衰力側に切換えた状態で、他方に対して、減衰力可変ダンパ７を低減衰力側に切換え、アクチュエータ６に駆動信号を供給してアクチュエータ６を作動させる。このとき、アクチュエータ６を一旦、健全性診断のための加振方向とは反対方向（ここでは、健全性診断のための＋方向に対して−方向とする）に作動させて車体２を予備加振する（さらに、作動方向を反転してストローク中心に戻してもよい）。その後、アクチュエータ６を健全性診断のための方向（ここでは＋方向）に作動させて車体２を加振し、ストロークセンサ１１によって、その車体２と台車４との相対変位を検出し、相対変位を所定の基準値と比較することにより、アクチュエータ６の駆動信号に対する推力極性（推力の方向）の健全性を診断する。そして、この診断を車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒについて順次実行する。

次に、アクチュエータ推力極性診断の処理フローについて図４及び図５を参照して説明する。図４を参照して、ステップＳ１で、車体２の前後の減衰力可変ダンパ７Ｆ、７Ｒを高減衰力側に切換える。ステップＳ２で、車体前部の台車４Ｆ側のアクチュエータ６Ｆ及び減衰力可変ダンパ７Ｆへの制御信号の供給を選択する。ステップＳ３でタイマをカウントし（１秒間）、その間、ステップＳ４で、ストロークセンサ１１Ｆによって車体前部の台車４Ｆと車体２との相対ストロークを検出し、これを平均化して平均ストローク値ＳｔＡを計算する。ステップＳ５で平均ストローク値ＳｔＡを所定の基準値と比較して、平均ストローク値ＳｔＡが基準値以上であれば、アクチュエータが過大にストロークしている。ストロークセンサが断線・短絡している等の異常と判断して、ステップＳ６でエラー処理を実行し、基準値未満であれば、ステップＳ３に戻ってタイマのカウントを続行する。

ステップＳ３でのタイマのカウントアップ後、ステップＳ７で前部の減衰力可変ダンパ７Ｆを低減衰力側に切換える。そして、ステップＳ８で予備加振を実行する。
予備加振の処理フローについて、図５を参照して説明する。図５を参照して、ステップＳ８−１で、アクチュエータ６Ｆに一定方向（ここでは、−方向）の推力を指令して、一旦、健全性診断の加振方向とは反対方向に車体２を加振する。ステップＳ８−２で、タイマをカウントし（１秒間）、その間、ステップＳ８−３で、ストロークセンサ１１Ｆによって車体前部の台車４Ｆと車体２との相対ストロークＳｔを検出する。ステップＳ８−４で、相対ストロークＳｔを所定の基準値と比較して、相対ストロークＳｔが基準値以上であれば、アクチュエータが過大にストロークしている。ストロークセンサが断線・短絡している等の異常と判断して、ステップＳ８−５でエラー処理を実行し、基準値未満であれば、ステップＳ８−２に戻ってタイマのカウントを続行する。ステップＳ８−２でのタイマのカウントアップ後、ステップＳ８−７でアクチュエータ６Ｆの作動を停止し、図４のメインルーチンに戻ってステップＳ９へ進む。

図４を参照して、ステップＳ９で、アクチュエータ６Ｆに一定方向（＋方向）への推力を指令して、車体２を一定方向に加振する。このとき、アクチュエータ６Ｆの推力が急激に立ち上がると衝撃を伴うので、駆動信号を台形波、正弦波等として推力が急激に立ち上がらないようにするとよい。（Ｓ８−１も同様に）ステップＳ１０で、タイマをカウントし（１秒間）、その間、ステップＳ１１でストロークセンサ１１Ｆによって車体前部の台車４Ｆと車体２との相対ストロークＳｔＢを検出する。ステップＳ１２で、相対ストロークＳｔＢを所定の基準値と比較して、相対ストロークＳｔＢが基準値以上であれば、アクチュエータが過大にストロークしている。ストロークセンサが断線・短絡している等の異常と判断して、ステップＳ１４でエラー処理を実行し、基準値未満であれば、ステップＳ１３で相対ストロークＳｔＢを平均化して平均ストローク値ＳｔＣを計算し、ステップＳ１０に戻ってタイマのカウントを続行する。

ステップＳ１０でのタイマのカウントアップ後、ステップＳ１５で、アクチュエータ６Ｆの作動を停止し、ステップＳ１６で減衰力可変ダンパ７Ｆを高減衰力側に切換える。ステップ１７で、平均ストローク値ＳｔＣを所定の基準値と比較し、基準値以内であれば、ステップＳ１８で、アクチュエータ推力極性（＋方向）正常とし、基準値以下であれば、アクチュエータ推力極性（＋方向）異常とする。

その後、ステップＳ２０でタイマをカウントし（１秒間）、その間、ステップＳ２１で、ストロークセンサ１１Ｆによって車体前部の台車４Ｆと車体２との相対ストロークを検出し、これを平均化して平均ストローク値ＳｔＡを計算する。

ステップＳ２０でのタイマのカウントアップ後、ステップＳ２２で減衰力可変ダンパ７Ｆを低減衰力側に切換える。ステップＳ２３で、アクチュエータ６ＦにステップＳ９とは反対方向（−方向）への推力を指令して、車体２を一定方向に加振する。ステップＳ２４で、タイマをカウントし（１秒間）、その間、ステップＳ２５でストロークセンサ１１Ｆによって車体前部の台車４Ｆと車体２との相対ストロークＳｔＢを検出する。ステップＳ２６で、相対ストロークＳｔＢを所定の基準値と比較して、相対ストロークＳｔＢが基準値以上であれば、アクチュエータが過大にストロークしている。ストロークセンサが断線・短絡している等の異常と判断して、ステップＳ２８でエラー処理を実行し、基準値未満であれば、ステップＳ２７で相対ストロークＳｔＢを平均化して平均ストローク値ＳｔＣを計算し、ステップＳ２４に戻ってタイマのカウントを続行する。

ステップＳ２４でのタイマのカウントアップ後、ステップＳ２９で、アクチュエータ６Ｆの作動を停止し、ステップＳ３０で減衰力可変ダンパ７Ｆを高減衰力側に切換える。ステップ３１で、平均ストローク値ＳｔＣを所定の基準値と比較し、基準値以内であれば、ステップＳ３２で、アクチュエータ推力極性（−方向）正常とし、基準値外であれば、ステップＳ３３でアクチュエータ推力極性（−方向）異常とする。

そして、ステップＳ３４で、後部のアクチュエータ６Ｒの診断の終了を判断し、終了している場合には、診断フローを完了し、終了していない場合には、ステップＳ３５で、車体後部の台車４Ｒ側のアクチュエータ６Ｒ及び減衰力可変ダンパ７Ｒへの制御信号の供給を選択し、後部のアクチュエータ６Ｒについて、上述のステップＳ３からステップＳ３３と同様の処理を実行する。

このようにして、車体前後のアクチュエータ６Ｆ、６Ｒについて、アクチュエータ推力極性の健全性を診断することができる。このとき、アクチュエータ６によって健全性診断のための加振を行う前に、アクチュエータ６を一旦、反対方向に作動させて車体２を予備加振することにより、車体２と台車４と支持部及び空気バネ５の摩擦等による車体２と台車４との相対変位のヒステリシスを解消することができ、健全性の診断の精度及び信頼性を高めることができる。なお、予備加振を実行する際、図４及び図５に示す処理フローでは、車体前後のアクチュエータ６Ｆ、６Ｒは、車体２の前後の診断に対して、順次作動させることになるが、両方のアクチュエータ６Ｆ、６Ｒを同時に作動させてもよい。

そして、一方のアクチュエータ６によって車体２の一方を加振し、他方をほぼ停止した状態とすることにより、変位及び加速度の検出を効率よく行うことができ、診断の精度及び信頼性を高めることができる。そして、加振しない側の減衰力可変ダンパ７を高減衰力側に切換えて車体２の変位を抑制することにより、車体２をより効率的に加振することができる。減衰力可変ダンパ７を高減衰力側に切換える代りに、加振しない側のアクチュエータ６によって車体２を左右方向に固定してもよい。

なお、上記の処理フローにおいて、車体２と台車４との左右方向の相対変位に加えて、加速度センサ１２による車体２の左右方向の加速度を所定の基準値と比較することによって、健全性を診断するようにしてもよい。

（２）アクチュエータ動作診断
アクチュエータ動作診断は、車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒの一方に対して、アクチュエータ６を停止し、減衰力可変ダンパ７を高減衰力側に切換えた状態で、他方に対して、減衰力可変ダンパ７を低減衰力側に切換え、アクチュエータ６に正弦波状の駆動信号を供給して、車体２を加振し、ストロークセンサ１１によって、その車体２と台車４との相対ストロークを検出し、加速度センサ１２によって車体２の左右方向の加速度を検出し、最大相対ストローク及び最大加速度を所定の基準値と比較することにより、アクチュエータ６の駆動信号に対する動作状態（推力等）の健全性を診断する。そして、この診断を車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒについて順次実行する。

このとき、一方のアクチュエータ６によって車体２の一方を加振し、他方をほぼ停止した状態とすることにより、変位及び加速度の検出を効率よく行うことができ、診断の精度及び信頼性を高めることができる。そして、加振しない側の減衰力可変ダンパ７を高減衰力側に切換えて車体２の変位を抑制することにより、車体２をより効率的に加振することができる。減衰力可変ダンパ７を高減衰力側に切換える代りに、加振しない側のアクチュエータ６によって車体２を左右方向に固定してもよい。なお、上記のアクチュエータ動作診断において、アクチュエータ６に供給する正弦波状の駆動信号による加振周波数を車体２のヨーの固有振動数付近とすることにより、車体２の振幅及び横加速度が増幅されるので、診断精度を高めることができる。

（３）減衰力診断
減衰力診断は、車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒの一方に対して、アクチュエータ６を停止し、減衰力可変ダンパ７を高減衰力側に切換えた状態で、他方に対して、アクチュエータ６に正弦波状の駆動信号を供給して、車体２を加振し、この状態で減衰力可変ダンパ７の減衰力を切換え、ストロークセンサ１１によって、その車体２と台車４との相対ストロークを検出し、減衰力可変ダンパ７の減衰力の切換え前後の最大相対ストロークを比較することにより、減衰力可変ダンパの減衰力の健全性を診断する。そして、この診断を車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒについて順次実行する。

上記の減衰力診断において、アクチュエータ６に供給する正弦波状の駆動信号による加振周波数を車体２のヨーの固有振動数付近とすることにより、車体２の振幅及び横加速度が増幅されるので、診断精度を高めることができる。なお、上記の減衰力診断処理において、車体と台車との相対ストロークに加えて、減衰力切換前後の加速度センサ１２による車体の加速度を比較することによって、健全性を診断してもよい。

（４）振動制御極性診断
制振制御極性診断は、車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒの一方に対して、減衰力可変ダンパ７を低減衰力に切換え、アクチュエータ６に正弦波状の駆動信号を供給して、車体２を加振し、他方に対して、減衰力可変ダンパ７を低減衰力側に切換え、加速度センサ１２の検出等に基づいてアクチュエータ６に制御信号を供給してアクティブ制御を実行した場合と、実行しない場合とで、ストロークセンサ１１によって、その車体２と台車４との相対ストロークを検出し、それぞれの場合の最大相対ストロークを比較することにより、振動制御極性の健全性を診断する。そして、この診断を車体２の前後の台車４Ｆ、４Ｒについて順次実行する。

本発明の一実施形態に係る鉄道車両用振動制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す装置の車体の前後に設けられた台車の平面図である。 図１に示す装置のコントローラによる自己診断診断モードの処理全体を示すフローチャートである。 図３に示す自己診断モードのアクチュエータ極性診断処理を示すフローチャートである。 図４に示す処理フローにおいて予備加振を実行するためのサブルーチンの処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 鉄道車両、２ 車体、 ４ 台車（第１及び第２台車）、６ アクチュエータ（第１及び第２アクチュエータ）、７ 減衰力可変ダンパ（第１及び第２減衰力可変ダンパ）、１１ ストロークセンサ（第１及び第２変位検出手段）、１２ 加速度センサ（第１及び第２加速度検出手段）、１３ コントローラ

Claims (2)

1. 車体と、該車体の前部及び後部に配置されて該車体を左右方向に変位可能に支持する第１及び第２台車と、前記車体と前記第１及び前記第２台車との間にそれぞれ連結された第１及び第２アクチュエータと、前記車体と前記第１及び第２台車との変位をそれぞれ検出する第１及び第２変位検出手段と、前記車体の前部及び後部の左右方向の加速度をそれぞれ検出する第１及び第２加速度検出手段と、少なくとも前記第１及び第２加速度検出手段の検出に基づいて前記第１及び第２アクチュエータの作動を制御して前記車体の前部及び後部の左右方向の振動を抑制するコントローラとを備えた鉄道車両用振動制御装置において、
   前記コントローラは、停車中に、前記第１又は第２アクチュエータによって前記車体を加振して、その変位又は加速度を前記第１又は第２変位検出手段、若しくは、前記第１又は第２加速度検出手段によって検出し、検出した変位又は加速度を所定の基準値と比較することによって各要素の健全性を診断する自己診断モードを有し、該自己診断モードにおいて、前記第１又は第２アクチュエータによって前記車体を加振して、その変位又は加速度を検出する前に、前記第１又は第２アクチュエータを健全性診断のための加振方向とは反対方向に作動させて前記車体を予備加振することを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
2. 前記コントローラは、予備加振した後、前記車体と前記台車との相対変位を所定位置に戻し、その後、前記第１又は第２アクチュエータによって前記車体を加振して、その変位又は加速度を検出することを特徴する請求項１に記載の鉄道車両用振動制御装置。

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