JP5572035B2

JP5572035B2 - パンタグラフの接触力変動低減方法及びパンタグラフ

Info

Publication number: JP5572035B2
Application number: JP2010189462A
Authority: JP
Inventors: 充池田; 義隆山下; 新増田; 大輔射場
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: JP2012050229A

Description

本発明は、電気鉄道におけるトロリ線（架線）とパンタグラフとの間に作用する接触力の変動を低減する方法、及び、接触力変動の低減が可能なパンタグラフに関する。

現状の電気鉄道においては、トロリ線（架線）から車体屋根に搭載されたパンタグラフを介して車両に電力を送る方式が一般的である。このようなパンタグラフは、トロリ線に押し当てられる舟体（摺り板を含む）や、舟体を昇降可能に支持するとともに、トロリ線に押し当てる押上力を与える支持機構、支持機構と舟体との間に介装された支持ばね（復元ばね）・ダッシュポット等を備えている。

トロリ線とパンタグラフの舟体との接触力は、トロリ線の高さ変動や車両・パンタグラフの振動によって変動する。この接触力の変動が大きすぎると、パンタグラフの舟体がトロリ線から離れる離線現象が生じるおそれがある。離線が頻発すると、舟体とトロリ線との間にスパークが生じて、すり板の摩耗が進み、問題となる。また、離線に至らない場合でも、パンタグラフの接触力は極力変動の小さい方がよい。

トロリ線とパンタグラフの舟体との間に作用する接触力の変動を低減する技術として、舟体をトロリ線に押し当てるアクチュエータを動的に制御するアクティブ方式のものが提案されている（特許文献１参照）。アクチュエータの制御技術としては、例えば、ＰＩＤ制御技術を適用することができる。ＰＩＤ制御は、比例動作に積分動作と微分動作を加えた制御を行い、残留残差をなくすようにアクチュエータの出力を制御する。この場合、制御したい物理量である接触力、あるいは、接触力を推定するために必要な物理量（例えば、歪ゲージで計測した舟体や支持機構にかかっている荷重など）をフィードバック信号として制御器に入力する。この信号は高い周波数成分を含んでいるため、そのまま制御器にフィードバックすると制御系が発散することがある。このため、ゲインを非常に小さい値に設定して使用するか、フィードバック信号の位相遅れを覚悟してローパスフィルタを使用するというのが現状である。このような条件では、制御可能な周波数帯がごく低い周波数帯に限られてしまう。

なお、前述の特許文献１の提案は、測定値の内の低周波数成分（例えば、２〜３Ｈｚ以下）をゼロに近づけるようにアクチュエータを制御するものである。

特開２００５−２８７２０９号公報

本発明は前記の課題に鑑みてなされたものであって、高周波成分を比較的含まない信号を使用してアクティブ制御を行うパンタグラフの接触力低減方法を提供することを目的とする。

本発明のパンタグラフの接触力低減方法は、電気鉄道の車両に電力供給する架線に押し当てられる摺り板を有する舟体、前記車両の屋根上に前記舟体を昇降可能に支持する枠組み、該枠組みに、前記舟体を略一定の力で押し上げる押上力を与える手段、及び、前記架線と前記摺り板との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータ、を備えるパンタグラフにおける、前記接触力の変動を低減する方法であって、前記パンタグラフの機械的なインピーダンスを変えるように前記アクチュエータを制御することを特徴とする。

具体的には、前記パンタグラフを、前記舟体の質量ｍ_１、前記舟体と前記枠組み間のばね要素ｋ_１及び減衰要素ｃ_１、前記枠組みの質量ｍ_２、並びに、前記枠組みと前記車両の屋根との間の減衰要素ｃ_２及び静押上力Ｐ_０を含む力学系としてモデル化し、前記アクチュエータにより、前記力学系に仮想的なばね及び減衰要素を付加して前記パンタグラフの動特性を制御する。

また、前記パンタグラフを、前記舟体の質量ｍ_１、前記舟体と前記枠組み間のばね要素ｋ_１及び減衰要素ｃ_１、前記枠組みの質量ｍ_２、並びに、前記枠組みと前記車両の屋根との間の減衰要素ｃ_２及び静押上力Ｐ_０を含む力学系としてモデル化し、前記アクチュエータにより、前記ｍ_１、前記ｋ_１及びｃ_１、前記ｍ_２、並びに、前記ｃ_２を仮想的に変更して前記パンタグラフの動特性を制御することもできる。

さらに具体的な手法としては、前記パンタグラフのいずれかの箇所の変位を測定し、該変位を制御状態量として前記アクチュエータを制御する。

本発明によれば、アクチュエータの制御方式としてインピーダンス制御を利用する。インピーダンス制御は、アクチュエータによって仮想的なばね要素と減衰要素を付加してパンタグラフの接触力変動を低減させるように制御するものである。この制御に最低限必要な信号は、パンタグラフの支持機構の変位のみである。ＰＩＤ制御などにおいては、接触力や接触力を推定するために必要な物理量として、歪ゲージ等で測定された舟体内部の歪や加速度が使用される。これらの物理量と比較すると、変位の信号は高周波数成分があまり含まれていない。

したがって、高周波数域においても、安定にゲインを調整可能であり、ＰＩＤ制御よりも高い周波数域の接触力変動を低減できる。また、高周波成分の問題が無視できる場合には、変位以外の速度や接触力などの情報をフィードバックすることもできる。これにより、より自由にパンタグラフの動特性を制御できる。

これらの結果、１〜２Ｈｚ程度の周波数域での接触力変動を低減できる。

本発明においては、前記アクチュエータを、前記車両の屋根と前記枠組みとの間に配置し、該枠組みの変位を制御状態量とすることもできる。
または、前記アクチュエータを、前記舟体と前記枠組みとの間に配置し、前記舟体の変位を制御状態量とすることもできる。
さらに、前記アクチュエータを、前記車両の屋根と前記枠組みとの間、及び、前記舟体と前記枠組みとの間に配置し、前記枠組みの変位及び前記舟体の変位を制御状態量とすることもできる。

以上のように、アクチュエータの配置箇所を選択できるので、パンタグラフの構造や寸法などに応じて自在に配置できる。

本発明のパンタグラフは、電気鉄道の車両に電力供給する架線に押し当てられる摺り板を有する舟体と、前記車両の屋根上に前記舟体を昇降可能に支持する枠組みと、該枠組みに、前記舟体を略一定の力で押し上げる押上力を与える手段と、前記架線と前記摺り板との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータと、前記舟体及び／又は前記枠組みの変位を計測する手段と、前記計測手段で計測した変位を用いて前記パンタグラフの機械的なインピーダンスを変えるように前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、パンタグラフのアクティブ制御方式としてインピーダンス制御を適用する。この場合、最低限必要な信号はパンタグラフの枠組みの変位のみであって、従来のＰＩＤ制御のような、高周波成分を含む舟体内部の歪や舟体の加速度などを必要としない。したがって、ＰＩＤ制御よりも高い周波数域（例えば１〜２Ｈｚ）での接触力変動量を低減できる。

本発明の第１の実施の形態に係るパンタグラフの構造を説明する図であり、図１（Ａ）はパンタグラフ全体の機構図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）をモデル化した図である。図１（Ａ）のパンタグラフにおいて、機械要素を仮想的に付加した状態をモデル化した図である。本発明の第２の実施の形態に係るパンタグラフの構造を説明する図であり、図３（Ａ）はパンタグラフ全体の機構図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）をモデル化した図である。図３（Ａ）のパンタグラフにおいて、機械要素を仮想的に付加し、元々のパラメータを仮想的に変更した状態をモデル化した図である。一般的なパンタグラフの構造を説明する図であり、図５（Ａ）はパンタグラフ全体の機構図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）をモデル化した図である。

以下、図面を参照しつつ説明する。
まず、図５を参照して、一般的なパンタグラフの機構について説明する。
図５（Ａ）に示すように、パンタグラフ１は、電気鉄道の車両に電力供給する架線（トロリ線）Ｔに押し当てられる摺り板１０を有する舟体１１と、車両の屋根上に舟体１１を昇降可能に支持する枠組み２０と、枠組み２０に舟体１１を略一定の力で押し上げる押上力を与える主バネ４０とを、主に備える。これらは、車両の屋根３に碍子４を介して固定されたベース５上に取り付けられている。

舟体１１は、車体の幅方向（左右方向）に沿って延びる箱状体である。この舟体１１は、一例でアルミニウム合金等からなる。舟体１１の上面には、摺り板１０が取り付けられている。摺り板１０は、一例で鉄系や銅系の焼結合金製、あるいは、カーボン系材料等からなる。この摺り板１０がトロリ線Ｔに直接接触する。

舟体１１は、枠組み２０によって車両の屋根２上に昇降可能に支持されている。枠組み２０は、回動可能に連結された上枠２１と下枠２２とを有する。上枠２１の下端側は、くの字状に屈曲しており、この屈曲部に下枠２２の上端が回動可能に連結している。上枠２１の上端には、枠状の舟支え２４が取り付けられている。舟支え２４には、舟体１１の下面に取り付けられた復元ばね２５が収容されている。摺り板１０は、枠組み２０が上昇した後復元ばね２５の弾性力でトロリ線Ｔに押し付けられる。舟支え２４の下部と下枠２２の上端寄りの部分とは、舟支えリンク２７で接続されている。これにより、舟支え２４及びその上の舟体１１が正規の姿勢に保たれている。上枠２１の下端には、釣り合い棒２８の上端が連結されている。この釣り合い棒２８の下端はベース５に連結されている。

下枠２２の下端は、主軸３１に連結されている。主軸３１は、ベース５上の取付フランジ３２に回動可能に取り付けられているとともに、ベース５上に配置された主バネ４０に連結されている。主バネ４０は、枠組み２０に上昇力を与えるバネである。

さらに、舟体１１と枠組み２０との間には、図示しない減衰要素（例えばダッシュポットなど）が介されている。また、枠組み２０とベース５との間にも、図示しない減衰要素が介されている。

図５（Ａ）に示したパンタグラフの運動モデルを図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）に示した各要素が、以下に示すように図５（Ｂ）においてモデル化されている。
ｍ_１：摺り板１０及び舟体１１の質量
ｍ_２：枠組み２０（舟支え２４、復元ばね２５、上枠２１、下枠２２、舟支えリンク２２及び釣り合い棒２８）の質量
ｋ_１：復元ばね２５のばね定数、
ｃ_１：舟体１１と枠組み２０間の減衰要素の減衰定数、
ｃ_２：枠組み２０とベース２間の減衰要素の減衰定数、
ｘ１：摺り板１０及び舟体１１の変位、
ｘ２：枠組み２０の変位、
Ｐ_０：主ばね４０によって加えられる静押上力。

この場合、質点やばね定数によって決まる共振周波数においてパンタグラフの追随性能は高くなり、接触力変動は小さい。

図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るパンタグラフを説明する。この例のパンタグラフ１Ａは、枠組み２０に力を与えることによりパンタグラフをアクティブ制御するアクチュエータ５０を備えている。
図１（Ａ）に示すように、アクチュエータ５０は、ベース５の上方に配置されている。アクチュエータ５０の出力軸５１の先端は主軸３１に連結されている。出力軸５１を進退させると枠組み２０がリンク運動し、舟体１１及び摺り板１０を昇降させる。アクチュエータ５０はコントローラに接続されており、このコントローラによって、摺り板１０をトロリ線Ｔに押し当てる押上力を制御することができる。アクチュエータ５０としては例えばエアシリンダを使用できる。

コントローラはインピーダンス制御器を備えている。インピーダンス制御とは、典型的にはロボットの手先に外から力を加えた場合に生じる機械的なインピーダンス（慣性、減衰係数、剛性）を、目的の値に設定するために、位置と力を制御する手法である。外力Ｆは、減衰項Ｂ_ｄ、剛性項Ｋ_ｄを用いて数１として表わされる。

図１（Ａ）に示したパンタグラフの運動モデルを図１（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）に示した各要素と同じ要素は、図５（Ｂ）と同じ符号を付す。
この場合、パンタグラフの運動方程式は、数２で示される。ｕは、アクチュエータ５０の制御力を示す。

ただし、ｆｃは舟体・トロリ線間の接触力である。

次に、アクチュエータ５０によって各質点の運動を制御し、元々存在しない機械要素を仮想的に付加することを考慮する。この例では、ベース５と枠組み２０との間に、ばね要素と減衰要素を直列に配置するものと仮想する。この場合の運動モデルを図２に示す。ｋ_３は仮想したばね要素のばね定数、ｃ_３は仮想した減衰要素の減衰定数を示す。
この場合、パンタグラフの運動方程式は、数３で示される。

数２と数３により、アクチュエータの制御力ｕは数４のように決定される。

つまり、アクチュエータの制御力をｕとなるように制御することによって、図３の運動モデルが実現される。

ここで、ｘ_３は実際には存在しない点の変位であり、ｘ_２と数３の第３式とを用いて制御器内で計算されるものである。つまり、制御力ｕを算出するために必要な情報はｘ_２（枠組み２０の変位）のみであり、ｘ_２を制御器にフィードバックすればよい。ｘ_２（枠組み２０の変位）は、例えば、図１（Ａ）に示すようにベース５上にレーザー変位計５５を取り付けて、同変位計５５によって舟支え２４の高さを計測することによって得ることができる。このように、フィードバック信号は、高周波数成分が含まれない枠組み２０の変位のみである。これにより、高周波数域においても安定にゲインを調整可能であり、ＰＩＤ制御よりも高い周波数帯の接触力変動量を低減できる。また、ローパスフィルタが必要でなくなり、位相遅れの問題も起こらない。さらには、高周波成分の振動による制御系の発散の可能性も低減できる。

図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係るパンタグラフを説明する。この例のパンタグラフ１Ｂは、前述の枠組み２０に力を与えるアクチュエータ５０（枠組み用アクチュエータ）に加えて、摺り板１０及び舟体１１に力を与えるアクチュエータ６０（舟体用アクチュエータ）を備えている。

舟体用アクチュエータ６０は、舟支え２５内に取り付けられている。アクチュエータ６０の出力軸６１の先端は舟体１１の下面に連結されている。出力軸６１を進退させると舟体１１及び摺り板１０が昇降する。アクチュエータ６０はコントローラに接続されており、このコントローラによって、摺り板１０をトロリ線Ｔに押し当てる押上力を制御することができる。アクチュエータ６０としては例えばエアシリンダを使用できる。このアクチュエータ６０も、インピーダンス制御器を備えたコントローラで制御される。

図３（Ａ）に示したパンタグラフの運動モデルを図３（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）に示した各要素と同じ要素は、図５（Ｂ）と同じ符号を付す。
この場合、パンタグラフの運動方程式は、数５で示される。ｕ_１は舟体用アクチュエータ６０の制御力を示し、ｕ_２は枠組み用アクチュエータ５０の制御力を示す。

各アクチュエータ５０、６０によって各質点の運動を制御し、パンタグラフの各パラメータを変えることを考える。例えば、以下のように変更する。
ｍ_１→ｍ_１ｄ
ｍ_２→ｍ_２ｄ
ｋ_１→ｋ_１ｄ
ｃ_１→ｃ_１ｄ
ｃ_２→ｃ_２ｄ

変更後のパンタグラフの運動方程式を数６に示す。

数５の制御力ｕ１、ｕ２によって、数６で表わされる運動を実現することになる。数６と数５から、制御力ｕ１、ｕ２は数７、数８で表わされる。

これにより、舟体１０及び摺り板１１の質量、枠組み２０の質量、復元ばね２５のばね定数、舟体１１と枠組み２０間の減衰要素の減衰定数、枠組み２０とベース５間の減衰要素の減衰定数を仮想的に変更することができ、任意の動特性を得ることができる。ただし、この場合、トロリ線Ｔとの接触力、舟体１１の速度、舟体１１の変位、枠組み２０の速度、枠組み２０の変位がフィードバック量として必要となる。舟体１１の変位と枠組み２０の変位は、前述のように、ベース５上に舟体の高さを計測するレーザー変位計と舟支えの高さを計測するレーザー変位計を取り付けて、これらの変位計で舟体１０の高さや舟支え２４の高さを計測することによって得ることができる。また、舟体１１の速度と枠組み２０の速度は、各々に速度計を取り付けて計測できる。接触力は、例えば、舟体１１などに歪ゲージを取り付けて計測した荷重などから推定することができる。ただし、接触力信号や速度信号は高周波数成分を含むので、これらの信号を使用しないなど、信号の内いくつかのみを選択してフィードバックすることができる。この場合、制御できるパラメータは制限されるが、高周波成分を含む信号が含まれないので、制御系を安定に実現することができる。ただし、高周波成分の問題が無視できる場合などには、速度信号や接触力信号をフィードバックすることもでき、より自由にパンタグラフの動特性を制御できる。

なお、アクチュエータがどちらか一方のみの場合は、利用されないアクチュエータに対応する制御力を利用することができず、利用できない制御力に応じて制御できるパラメータが制限される。例えば、枠組み用アクチュエータ５０のみの場合、制御力ｕ_１は利用できない。このため、数７のパラメータ、ｍ_１ｄ、ｃ_１ｄ、ｋ_１ｄは実現不可能である。これにより、制御力ｕ_２は数９で表わされる。

つまり、実現可能なパラメータはｍ_２ｄとｃ_２ｄである。

図３を参照して、本発明の第３の実施の形態に係るパンタグラフを説明する。前述のように、このパンタグラフ１Ｂは、前述の枠組み２０に力を与えるアクチュエータ５０（枠組み用アクチュエータ）に加えて、摺り板１０及び舟体１１に力を与えるアクチュエータ６０（舟体用アクチュエータ）を備えている。

このパンタグラフの機構及び運動モデルにおいて、各アクチュエータによって各質点の運動を制御してパンタグラフの各パラメータを変更し、さらに、元々存在しない機構要素を仮想的に付加することを考える。この場合のモデル図を図４に示す。
パンタグラフの各パラメータは、前述と同様に以下のように変更する。
ｍ_１→ｍ_１ｄ
ｍ_２→ｍ_２ｄ
ｋ_１→ｋ_１ｄ
ｃ_１→ｃ_１ｄ
ｃ_２→ｃ_２ｄ

さらに、枠組みとベースとの間に、アクチュエータによってばね要素と減衰要素とを直列に配置するものと仮想する。ｋ_３は、ばね要素のばね定数、ｃ_３は、減衰要素の減衰定数を示す。この運動モデルの運動方程式は数１０で表わされる。

数５の制御力ｕ１、ｕ２によって、数１０で表わされる運動を実現することになる。数１０と数５から、制御力ｕ１、ｕ２は数１１、数１２で表わされる。

ここで、ｘ_３は、実際には存在しない点の変位であり、制御器内で計算されるものである。

なお、アクチュエータがどちらか一方のみの場合は、利用されないアクチュエータに対応する制御力を利用することができず、利用できない制御力に応じて制御できるパラメータが制限される。例えば、枠組み用アクチュエータのみ５０の場合、制御力ｕ_１は利用できない。このため、数１１のパラメータ、ｍ_１ｄ、ｃ_１ｄ、ｋ_１ｄは実現不可能である。これにより、制御力ｕ２は数１３で表わされる。

つまり、実現可能なパラメータはｍ_２ｄ、ｃ_２ｄ、ｋ_３及びｃ_３である。

１パンタグラフ３屋根
４碍子５ベース
１０摺り板１１舟体
２０枠組み２１上枠
２２下枠２４舟支え
２５復元ばね２７舟支えリンク
２８釣り合い棒３１主軸
３２フランジ４０主ばね
５０アクチュエータ５１出力軸
５５変位計６０アクチュエータ
６１出力軸

Claims

電気鉄道の車両に電力供給する架線に押し当てられる摺り板を有する舟体、
前記車両の屋根上に前記舟体を昇降可能に支持する枠組み、
該枠組みに、前記舟体を略一定の力で押し上げる押上力を与える手段、及び、
前記架線と前記摺り板との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータ、
を備えるパンタグラフにおける、
前記接触力の変動を低減する方法であって、
前記パンタグラフをモデル化した力学系に仮想的なばねと減衰要素を付加することにより前記パンタグラフの機械的なインピーダンスを変えて共振周波数を調整し前記接触力の変動を低減するように前記アクチュエータを制御することを特徴とするパンタグラフ接触力変動低減方法。
前記パンタグラフを、前記舟体の質量ｍ１、前記舟体と前記枠組み間のばね要素ｋ１及び減衰要素ｃ１、前記枠組みの質量ｍ２、並びに、前記枠組みと前記車両の屋根との間の減衰要素ｃ２及び静押上力Ｐ０を含む力学系としてモデル化し、
前記アクチュエータにより、前記力学系に仮想的なばね及び減衰要素を付加することにより、前記パンタグラフの動特性を制御し共振周波数を調整することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ接触力変動低減方法。
前記パンタグラフを、前記舟体の質量ｍ１、前記舟体と前記枠組み間のばね要素ｋ１及び減衰要素ｃ１、前記枠組みの質量ｍ２、並びに、前記枠組みと前記車両の屋根との間の減衰要素ｃ２及び静押上力Ｐ０を含む力学系としてモデル化し、
前記アクチュエータにより、前記ｍ１、前記ｋ１及びｃ１、前記ｍ２、並びに、前記ｃ２を仮想的に変更することにより、前記パンタグラフの動特性を制御し共振周波数を調整することを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ接触力変動低減方法。
前記パンタグラフの舟体及びまたは枠組みの変位を測定し、該変位を制御状態量として前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のパンタグラフ接触力変動低減方法。
前記アクチュエータを、前記車両の屋根と前記枠組みとの間に配置し、
該枠組みの変位を制御状態量とすることを特徴とする請求項４記載のパンタグラフ接触力変動低減方法。
前記アクチュエータを、前記舟体と前記枠組みとの間に配置し、
前記舟体の変位を制御状態量とすることを特徴とする請求項４に記載のパンタグラフ接触力低減方法。
前記アクチュエータを、前記車両の屋根と前記枠組みとの間、及び、前記舟体と前記枠組みとの間に配置し、
前記枠組みの変位及び前記舟体の変位を制御状態量とすることを特徴とする請求項４記載のパンタグラフ接触力変動低減方法。
パンタグラフを介して電気鉄道の車両に電力供給する架線に押し当てられる摺り板を有する舟体と、
前記車両の屋根上に前記舟体を昇降可能に支持する枠組みと、
該枠組みに、前記舟体を略一定の力で押し上げる押上力を与える手段と、
前記架線と前記摺り板との間の上下方向接触力を動的に制御するアクチュエータと、
前記舟体及び／又は前記枠組みの変位を計測する手段と、
前記計測手段で計測した変位を用い、前記パンタグラフをモデル化した力学系に仮想的なばねと減衰要素を付加することにより、前記パンタグラフの機械的なインピーダンスを変えて共振周波数を調整し前記接触力の変動を低減するように前記アクチュエータを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするパンタグラフ。