JP6231634B1 - 鉄道車両用制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストと鉄道車両への搭載性を損なわずに緩和曲線区間走行時の乗心地を向上できる鉄道車両用制振装置の提供である。【解決手段】本発明の鉄道車両用制振装置１は、鉄道車両の車体Ｂと台車Ｔとの間に介装されて制御力を発揮可能なアクチュエータＡと、車体Ｂの横方向加速度αに基づいて車体Ｂの振動を抑制する目標制御力Ｆｒｅｆを求めるコントローラＣとを備え、コントローラＣが車体Ｂの共振周波数よりも低い周波数成分である低周波制御力Ｆｌｏｗを抽出するバンドパスフィルタ４１３と、低周波制御力Ｆｌｏｗに基づいて目標制御力Ｆｒｅｆ＊を補正する補正部４１４とを有して構成される。【選択図】図４

Description

本発明は、鉄道車両用制振装置の改良に関する。

鉄道車両には、車体と台車との間に介装された複動型のアクチュエータと、アクチュエータを制御するコントローラを備えて、車体の進行方向に対して左右方向の振動を抑制する鉄道車両用制振装置が設けられている。そして、鉄道車両用制振装置は、加速度センサで検知した車体の左右方向の加速度をコントローラに入力して、加速度フィードバックによりアクチュエータを制御し、車体の左右動を抑制できる。

ところで、鉄道車両が曲線区間を走行する場合、車体には定常加速度と称される遠心加速度が作用するため、加速度センサが検知する加速度には、台車側から入力されて車体を横方向へ振動させる加速度の他に定常加速度が含まれる。

乗心地を悪化させる主因は、車体の横方向の振動にあって、定常加速度に対抗する力をアクチュエータに発揮させようとするとアクチュエータが過大な力を発揮せざるを得ず、アクチュエータの駆動源であるポンプを駆動するモータに過負荷がかかってしまう。そこで、鉄道車両用制振装置では、加速度センサが検知する加速度から定常加速度を取り除く処理を行ってから加速度フィードバックによってアクチュエータを制御し、前記振動を抑制して乗心地の向上を図っている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２４５９２６号公報

定常加速度の周波数帯は、０．３Ｈｚ程度であり、一般的に車体の共振周波数帯は、１Ｈｚから１．５Ｈｚ程度であって、両者の周波数帯は非常に接近している。定常加速度を取り除くバンドパスフィルタの下側のカットオフ周波数は、低すぎると定常加速度の除去が不十分となり、高すぎると抑制したい振動成分まで除去してしまい制振効果が低下する。よって、前記バンドパスフィルタのカットオフ周波数は、定常加速度の周波数帯と車体の共振周波数帯の間の極限られた範囲に設定する他はない。

ここで、鉄道車両が直線区間から直線区間と定常曲線区間の間に設置される緩和曲線区間に差しかかると車体には遠心加速度が作用する。この遠心加速度に起因する振動の周波数帯は、定常曲線区間走行時における定常加速度の周波数帯よりも高いが車体の共振周波数帯よりも低い。

前述のようなフィルタのカットオフ周波数の設定では、緩和曲線区間走行時の遠心加速度を取り除けないため、従来の鉄道車両用制振装置では、アクチュエータにこの遠心加速度を抑制する制御力を発生させる制御を行う。

前述したように、遠心加速度に対抗して車体を押す力は非常に大きいため、アクチュエータに大きな力を発揮させなくてはならず、従来の鉄道車両用制振装置では、モータの過負荷を避けるためにリミッタを設けていて、制御力を制限する。このように制御力が制限されてしまうと、本来、抑制したい台車から入力される車体の振動を抑制できなくなって、車両における乗心地を損なってしまう。

また、アクチュエータの制御力の上限を大きくするには、モータの大型化すればよいが、鉄道車両用制振装置のコストが嵩むとともに鉄道車両への搭載性が損なってしまう。

そこで、本発明の目的は、コストと鉄道車両への搭載性を損なわずに緩和曲線区間走行時の乗心地を向上できる鉄道車両用制振装置の提供である。

本発明の鉄道車両用制振装置は、鉄道車両の車体と台車との間に介装されて制御力を発揮可能なアクチュエータと、車体の横方向加速度に基づいて車体の振動を抑制する目標制御力を求めるコントローラとを備え、コントローラが車体の共振周波数よりも低い周波数成分である低周波制御力を抽出するバンドパスフィルタと、低周波制御力に基づいて目標制御力を補正する補正部とを有して構成される。

本発明の鉄道車両用制振装置は、バンドパスフィルタで、目標制御力から緩和曲線区間を走行中の車体に作用する遠心加速度に対抗するための力成分を抽出できる。そして、バンドパスフィルタで抽出した低周波制御力に基づいて目標制御力を補正するので、緩和曲線区間走行時の遠心加速度の影響で最終の目標制御力が過剰となってしまうのを抑制できる。

また、請求項２の鉄道車両用制振装置では、補正部によって、低周波制御力が閾値以上であると目標制御力を低下させるよう補正するので、補正後の目標制御力がリミッタによって制限されてしまう機会を少なくでき、高い乗心地向上効果を発揮できる。

さらに、請求項３の鉄道車両用制振装置では、補正部によって、低周波制御力が閾値以上であると目標制御力に上限値が１以下の補正ゲインを乗じて目標制御力を補正する。このように構成された鉄道車両用制振装置では、補正前の目標制御力と補正後の目標制御力の周波数が変化しないので、より一層、台車側から伝達される車体の振動を抑制する効果が高まる。よって、このように構成された鉄道車両用制振装置によれば、より一層、緩和曲線区間走行時における乗心地を向上できる。

そして、請求項４の鉄道車両用制振装置１では、補正部によって、低周波制御力が閾値以上である間中は補正ゲインを徐々に低下させ、低周波制御力が閾値未満であると補正ゲインを上昇させるようになっている。このように鉄道車両用制振装置によれば、補正ゲインの値の急変が緩和されるため、補正後の目標制御力の急変も緩和されるので、乗心地もより一層良好となる。

発明の鉄道車両用制振装置によれば、コストと鉄道車両への搭載性を損なわず、緩和曲線区間走行時の乗心地を向上できる。

一実施の形態における鉄道車両用制振装置を搭載した鉄道車両の断面図である。 アクチュエータの詳細図である。 一実施の形態の鉄道車両用制振装置におけるコントローラの制御ブロック図である。 第一の実施の形態の鉄道車両用制振装置における補正部の制御ブロック図である。 補正ゲインの値の変化を説明する図である。 第一の実施の形態のコントローラにおける処理手順を示したフローチャートである。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における鉄道車両用制振装置１は、鉄道車両の車体Ｂの制振装置として使用され、図１に示すように、車体Ｂと台車Ｔとの間に対として介装されるアクチュエータＡと、アクチュエータＡを制御するコントローラＣとを備えて構成されている。

アクチュエータＡは、詳細には、鉄道車両の場合、車体Ｂの下方に垂下されるピンＰに連結され、車体Ｂと台車Ｔとの間で対を成して並列に介装されている。台車Ｔは、車輪Ｗを回転自在に保持しており、車体Ｂと台車Ｔとの間には、ばねＳ，Ｓが介装され、車体Ｂが弾性支持されることにより、台車Ｔに対する車体Ｂの横方向への移動が許容されている。

そして、これらのアクチュエータＡは、基本的には、アクティブ制御されて、車体Ｂの車両進行方向に対して水平横方向の振動を抑制するようになっている。コントローラＣは、アクチュエータＡを制御して前記車体Ｂの横方向の振動を抑制するようになっている。

コントローラＣは、本例にあっては、車体Ｂの振動を抑制する制御を行う際に、車体Ｂの車両進行方向に対して水平横方向の横方向加速度αを検知する。そして、コントローラＣは、横方向加速度αに基づいて、アクチュエータＡが発生すべき目標制御力Ｆｒｅｆを求め、各アクチュエータＡに目標制御力Ｆｒｅｆ通りの推力を発生させて車体Ｂの前記横方向の振動を抑制する。

つづいて、アクチュエータＡの具体的な構成について説明する。これらアクチュエータＡは、共に同じ構成である。なお、図示したところでは、アクチュエータＡが台車Ｔに対して二つずつ設けられているが、一つのみを設けてもよい。また、各アクチュエータＡに対して一つずつコントローラＣを設けてもよい。

アクチュエータＡは、本例では図２に示すように、鉄道車両の車体Ｂと台車Ｔの一方に連結されるシリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に挿入されるピストン３と、シリンダ２内に挿入されてピストン３と、車体Ｂと台車Ｔの他方に連結されるロッド４と、シリンダ２内にピストン３で区画したロッド側室５とピストン側室６とを備えて伸縮可能なシリンダ本体Ｃｙに加え、作動油を貯留するタンク７と、タンク７から作動油を吸い上げてロッド側室５へ作動油を供給可能なポンプ１２と、ポンプ１２を駆動するモータ１５と、シリンダ本体Ｃｙの伸縮の切換と推力を制御する液圧回路ＨＣとを備えており、片ロッド型のアクチュエータとして構成されている。

また、前記ロッド側室５とピストン側室６には、本例では、作動液体として作動油が充填されるとともに、タンク７には、作動油のほかに気体が充填されている。なお、タンク７内は、特に、気体を圧縮して充填して加圧状態とする必要は無い。また、作動液体は、作動油以外にも他の液体を利用してもよい。

液圧回路ＨＣは、ロッド側室５とピストン側室６とを連通する第一通路８の途中に設けた第一開閉弁９と、ピストン側室６とタンク７とを連通する第二通路１０の途中に設けた第二開閉弁１１とを備えている。

そして、基本的には、第一開閉弁９で第一通路８を連通状態とし、第二開閉弁１１を閉じてポンプ１２を駆動すると、シリンダ本体Ｃｙが伸長し、第二開閉弁１１で第二通路１０を連通状態とし、第一開閉弁９を閉じてポンプ１２を駆動すると、シリンダ本体Ｃｙが収縮する。

以下、アクチュエータＡの各部について詳細に説明する。シリンダ２は筒状であって、その図２中右端は蓋１３によって閉塞され、図２中左端には環状のロッドガイド１４が取り付けられている。また、前記ロッドガイド１４内には、シリンダ２内に移動自在に挿入されるロッド４が摺動自在に挿入されている。このロッド４は、一端をシリンダ２外へ突出させており、シリンダ２内の他端をシリンダ２内に摺動自在に挿入されるピストン３に連結している。

なお、ロッドガイド１４の外周とシリンダ２との間は図示を省略したシール部材によってシールされており、これによりシリンダ２内は密閉状態に維持されている。そして、シリンダ２内にピストン３によって区画されるロッド側室５とピストン側室６には、前述のように作動油が充填されている。

また、このシリンダ本体Ｃｙの場合、ロッド４の断面積をピストン３の断面積の二分の一にして、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積がピストン側室６側の受圧面積の二分の一となるようになっている。よって、伸長作動時と収縮作動時とでロッド側室５の圧力を同じくすると、伸縮の双方で発生される推力が等しくなり、シリンダ本体Ｃｙの変位量に対する作動油量も伸縮両側で同じとなる。

詳しくは、シリンダ本体Ｃｙを伸長作動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６を連通させた状態とする。すると、ロッド側室５内とピストン側室６内の圧力が等しくなり、アクチュエータＡは、ピストン３におけるロッド側室５側とピストン側室６側の受圧面積差に前記圧力を乗じた推力を発生する。反対に、シリンダ本体Ｃｙを収縮作動させる場合、ロッド側室５とピストン側室６との連通を断ちピストン側室６をタンク７に連通させた状態とする。すると、アクチュエータＡは、ロッド側室５内の圧力とピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積を乗じた推力を発生する。

要するに、アクチュエータＡの発生推力は伸縮の双方でピストン３の断面積の二分の一にロッド側室５の圧力を乗じた値となるのである。したがって、このアクチュエータＡの推力を制御する場合、伸長作動、収縮作動共に、ロッド側室５の圧力を制御すればよい。また、本例のアクチュエータＡでは、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しているので、伸縮両側で同じ推力を発生する場合に伸長側と収縮側でロッド側室５の圧力が同じとなるので制御が簡素となる。加えて、変位量に対する作動油量も同じとなるので伸縮両側で応答性が同じとなる利点がある。なお、ピストン３のロッド側室５側の受圧面積をピストン側室６側の受圧面積の二分の一に設定しない場合にあっても、ロッド側室５の圧力でアクチュエータＡの伸縮両側の推力を制御できる点は変わらない。

戻って、ロッド４の図２中左端とシリンダ２の右端を閉塞する蓋１３とには、図示しない取付部を備えており、このアクチュエータＡを鉄道車両における車体Ｂと台車Ｔとの間に介装できるようになっている。

そして、ロッド側室５とピストン側室６とは、第一通路８によって連通されており、この第一通路８の途中には、第一開閉弁９が設けられている。この第一通路８は、シリンダ２外でロッド側室５とピストン側室６とを連通しているが、ピストン３に設けられてもよい。

第一開閉弁９は、電磁開閉弁とされており、第一通路８を開放してロッド側室５とピストン側室６とを連通する連通ポジションと、第一通路８を遮断してロッド側室５とピストン側室６との連通を断つ遮断ポジションとを備えている。そして、この第一開閉弁９は、通電時に連通ポジションを採り、非通電時に遮断ポジションを採るようになっている。

つづいて、ピストン側室６とタンク７とは、第二通路１０によって連通されており、この第二通路１０の途中には、第二開閉弁１１が設けられている。第二開閉弁１１は、電磁開閉弁とされており、第二通路１０を開放してピストン側室６とタンク７とを連通する連通ポジションと、第二通路１０を遮断してピストン側室６とタンク７との連通を断つ遮断ポジションとを備えている。そして、この第二開閉弁１１は、通電時に連通ポジションを採り、非通電時に遮断ポジションを採るようになっている。

ポンプ１２は、コントローラＣに制御されて所定の回転数で回転するモータ１５によって駆動され、一方向のみに作動油を吐出するポンプとされている。そして、ポンプ１２の吐出口は供給通路１６によってロッド側室５へ連通されるとともに吸込口はタンク７に通じていて、ポンプ１２は、モータ１５によって駆動されるとタンク７から作動油を吸込んでロッド側室５へ作動油を供給する。

前述のようにポンプ１２は、一方向のみに作動油を吐出するのみで回転方向の切換動作がないので、回転切換時に吐出量が変化するといった問題は皆無であり、安価なギアポンプ等を使用できる。さらに、ポンプ１２の回転方向が常に同一方向であるので、ポンプ１２を駆動する駆動源であるモータ１５にあっても回転切換に対する高い応答性が要求されず、その分、モータ１５も安価なものを使用できる。なお、供給通路１６の途中には、ロッド側室５からポンプ１２への作動油の逆流を阻止する逆止弁１７が設けられている。

さらに、本例の液圧回路ＨＣは、前述の構成に加えて、ロッド側室５とタンク７とを接続する排出通路２１と、排出通路２１の途中に設けた開弁圧を変更可能な可変リリーフ弁２２を備えている。

可変リリーフ弁２２は、本例では、比例電磁リリーフ弁とされており、供給する電流量に応じて開弁圧を調節でき、電流量を最大とすると開弁圧を最小とし、電流を供給しないと開弁圧を最大とするようになっている。

このように、排出通路２１と可変リリーフ弁２２とを設けると、シリンダ本体Ｃｙを伸縮作動させる際に、ロッド側室５内の圧力を可変リリーフ弁２２の開弁圧に調節でき、アクチュエータＡの推力を可変リリーフ弁２２へ供給する電流量で制御できる。排出通路２１と可変リリーフ弁２２とを設けると、アクチュエータＡの推力を調節するために必要なセンサ類が不要となり、ポンプ１２の吐出流量の調節のためにモータ１５を高度に制御する必要もなくなる。よって、鉄道車両用制振装置１が安価となり、ハードウェア的にもソフトウェア的にも堅牢なシステムを構築できる。

なお、第一開閉弁９を開いて第二開閉弁１１を閉じる場合或いは第一開閉弁９を閉じて第二開閉弁１１を開く場合、ポンプ１２の駆動状況に関わらず、外力からの振動入力に対して伸長或いは収縮のいずれか一方にのみアクチュエータＡが減衰力を発揮できる。よって、たとえば、減衰力を発揮する方向が鉄道車両の台車Ｔの振動により車体Ｂを加振する方向である場合、そのような方向には減衰力を出さないようにアクチュエータＡを片効きのダンパと機能させ得る。よって、このアクチュエータＡは、カルノップのスカイフック理論に基づくセミアクティブ制御を容易に実現できるため、セミアクティブダンパとしても機能できる。

なお、可変リリーフ弁２２に与える電流量で開弁圧を比例的に変化させる比例電磁リリーフ弁を用いると開弁圧の制御が簡単となるが、開弁圧を調節できる可変リリーフ弁であれば比例電磁リリーフ弁に限定されない。

そして、可変リリーフ弁２２は、第一開閉弁９および第二開閉弁１１の開閉状態に関わらず、シリンダ本体Ｃｙに伸縮方向の過大な入力があって、ロッド側室５の圧力が開弁圧を超える状態となると、排出通路２１を開放する。このように、可変リリーフ弁２２は、ロッド側室５の圧力が開弁圧以上となると、ロッド側室５内の圧力をタンク７へ排出するので、シリンダ２内の圧力が過大となるのを防止してアクチュエータＡのシステム全体を保護する。よって、排出通路２１と可変リリーフ弁２２を設けると、システムの保護も可能となる。

さらに、本例のアクチュエータＡにおける液圧回路ＨＣは、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう作動油の流れのみを許容する整流通路１８と、タンク７からピストン側室６へ向かう作動油の流れのみを許容する吸込通路１９を備えている。よって、本例のアクチュエータＡでは、第一開閉弁９および第二開閉弁１１が閉弁する状態でシリンダ本体Ｃｙが伸縮すると、シリンダ２内から作動油が押し出される。シリンダ２内から排出された作動油の流れに対して可変リリーフ弁２２が抵抗を与えるので、第一開閉弁９および第二開閉弁１１が閉弁する状態では、本例のアクチュエータＡはユニフロー型のダンパとして機能する。

より詳細には、整流通路１８は、ピストン側室６とロッド側室５とを連通しており、途中に逆止弁１８ａが設けられ、ピストン側室６からロッド側室５へ向かう作動油の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。さらに、吸込通路１９は、タンク７とピストン側室６とを連通しており、途中に逆止弁１９ａが設けられ、タンク７からピストン側室６へ向かう作動油の流れのみを許容する一方通行の通路に設定されている。なお、整流通路１８は、第一開閉弁９の遮断ポジションを逆止弁とすると第一通路８に集約でき、吸込通路１９についても、第二開閉弁１１の遮断ポジションを逆止弁とすると第二通路１０に集約できる。

このように構成されたアクチュエータＡでは、第一開閉弁９と第二開閉弁１１がともに遮断ポジションを採っても、整流通路１８、吸込通路１９および排出通路２１で、ロッド側室５、ピストン側室６およびタンク７を数珠繋ぎに連通させる。また、整流通路１８、吸込通路１９および排出通路２１は、一方通行の通路に設定されている。よって、シリンダ本体Ｃｙが外力によって伸縮すると、シリンダ２から必ず作動油が排出されて排出通路２１を介してタンク７へ戻され、シリンダ２で足りなくなる作動油は吸込通路１９を介してタンク７からシリンダ２内へ供給される。この作動油の流れに対して前記可変リリーフ弁２２が抵抗となってシリンダ２内の圧力を開弁圧に調節するので、アクチュエータＡは、パッシブなユニフロー型のダンパとして機能する。

また、アクチュエータＡの各機器への通電が不能となるようなフェール時には、第一開閉弁９と第二開閉弁１１のそれぞれが遮断ポジションを採り、可変リリーフ弁２２は、開弁圧が最大に固定された圧力制御弁として機能する。よって、このようなフェール時には、アクチュエータＡは、自動的に、パッシブダンパとして機能する。

つづいて、アクチュエータＡに所望の伸長方向の推力を発揮させる場合、コントローラＣは、基本的には、モータ１５を回転させてポンプ１２からシリンダ２内へ作動油を供給しつつ、第一開閉弁９を連通ポジションとし、第二開閉弁１１を遮断ポジションとする。このようにすると、ロッド側室５とピストン側室６とが連通状態におかれて両者にポンプ１２から作動油が供給され、ピストン３が図２中左方へ押されアクチュエータＡは伸長方向の推力を発揮する。ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力が可変リリーフ弁２２の開弁圧を上回ると、可変リリーフ弁２２が開弁して作動油が排出通路２１を介してタンク７へ排出される。よって、ロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力は、可変リリーフ弁２２に与える電流量で決まる可変リリーフ弁２２の開弁圧にコントロールされる。そして、アクチュエータＡは、ピストン３におけるピストン側室６側とロッド側室５側の受圧面積差に可変リリーフ弁２２によってコントロールされるロッド側室５内およびピストン側室６内の圧力を乗じた値の伸長方向の推力を発揮する。

これに対して、アクチュエータＡに所望の収縮方向の推力を発揮させる場合、コントローラＣは、モータ１５を回転させてポンプ１２からロッド側室５内へ作動油を供給しつつ、第一開閉弁９を遮断ポジションとし、第二開閉弁１１を連通ポジションとする。このようにすると、ピストン側室６とタンク７が連通状態におかれるとともにロッド側室５にポンプ１２から作動油が供給されるので、ピストン３が図２中右方へ押されアクチュエータＡは収縮方向の推力を発揮する。そして、前述と同様に、可変リリーフ弁２２の電流量を調節すると、アクチュエータＡは、ピストン３におけるロッド側室５側の受圧面積と可変リリーフ弁２２によってコントロールされるロッド側室５内の圧力を乗じた収縮方向の推力を発揮する。

ここで、アクチュエータＡが外力で伸縮するのではなく、自ら伸縮する場合、ロッド側室５の圧力の上限は、モータ１５が駆動するポンプ１２の吐出圧に制限される。つまり、アクチュエータＡが外力で伸縮するのではなく、自ら伸縮する場合、ロッド側室５の圧力の上限は、モータ１５が出力可能な最大トルクに制限される。

また、アクチュエータＡにあっては、アクチュエータとして機能するのみならず、モータ１５の駆動状況に関わらず、第一開閉弁９と第二開閉弁１１の開閉のみでダンパとしても機能できる。また、アクチュエータＡをアクチュエータからダンパへ切換える際に、面倒かつ急峻な第一開閉弁９と第二開閉弁１１の切換動作を伴わないので、応答性および信頼性が高いシステムを提供できる。

なお、本例のアクチュエータＡにあっては、片ロッド型に設定されているので、両ロッド型のアクチュエータに比較してストローク長を確保しやすく、アクチュエータの全長が短くなって、鉄道車両への搭載性が向上する。

また、本例のアクチュエータＡにおけるポンプ１２からの作動油供給および伸縮作動による作動油の流れは、ロッド側室５、ピストン側室６を順に通過して最終的にタンク７へ還流するようになっている。そのため、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、シリンダ本体Ｃｙの伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、推力発生の応答性の悪化を阻止できる。したがって、アクチュエータＡの製造にあたって、面倒な油中での組立や真空環境下での組立を強いられず、作動油の高度な脱気も不要となるので、生産性が向上するとともに製造コストを低減できる。さらに、ロッド側室５あるいはピストン側室６内に気体が混入しても、気体は、シリンダ本体Ｃｙの伸縮作動によって自立的にタンク７へ排出されるので、性能回復のためのメンテナンスを頻繁に行う必要もなくなり、保守面における労力とコスト負担を軽減できる。

つづいて、コントローラＣは、図３に示すように、車体Ｂの横方向加速度αを検知する加速度センサ４０と、アクチュエータＡが出力すべき目標制御力Ｆｒｅｆを求める目標制御力演算部４１と、目標制御力Ｆｒｅｆに基づいてモータ１５、第一開閉弁９、第二開閉弁１１、可変リリーフ弁２２を駆動する駆動部４２とを備えている。

加速度センサ４０は、図１中で右側へ向く方向となる場合に、横方向加速度αを正の値として検知し、反対に図１中左側へ向く方向となる場合に負の値とをして検知する。

目標制御力演算部４１は、図３に示すように、横方向加速度αを濾波するバンドパスフィルタ４１１と、横方向加速度αから車体Ｂの振動を抑制する目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を求める制御器４１２と、補正前の目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を濾波するバンドパスフィルタ４１３と、制御器４１２が求めた目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を補正して最終的な目標制御力Ｆｒｅｆを出力する補正部４１４と、リミッタ４１５とを備えて構成されている。

バンドパスフィルタ４１１は、横方向加速度αを濾波して、横方向加速度αから鉄道車両が曲線区間を走行する際の定常加速度、ドリフト成分やノイズを除去して、制御器４１２へ入力する。バンドパスフィルタ４１１が透過する周波数帯は、定常加速度を除去しつつ車体Ｂの共振周波数帯である０．７Ｈｚから２Ｈｚの加速度成分を充分に抽出できるように、たとえば、０．５Ｈｚ程度から３Ｈｚ程度に設定される。このように、バンドパスフィルタ４１１で横方向加速度αに含まれる曲線走行時の定常加速度が除去されて制御器４１２に入力されるので、乗心地を悪化させる振動のみを抑制できる。

制御器４１２は、Ｈ∞制御器とされており、バンドパスフィルタ４１１が抽出した横方向加速度αの共振周波数帯の成分から車体Ｂの横方向の振動を抑制する目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を演算する。バンドパスフィルタ４１１が抽出した横方向加速度αの共振周波数帯の成分は、車体Ｂの横方向の共振周波数帯の振動加速度である。したがって、制御器４１２が求める補正前の目標制御力Ｆｒｅｆ^＊は、車体Ｂの横方向の振動の抑制に最適となる。

バンドパスフィルタ４１３は、本例では、定常加速度の周波数帯である０．３Ｈｚより大きく車体Ｂの共振周波数帯の１Ｈｚよりも低い範囲の周波数帯のみを抽出する。つまり、バンドパスフィルタ４１３は、補正前の目標制御力Ｆｒｅｆ^＊に含まれる０．３Ｈｚから１Ｈｚまでの周波数帯の成分である低周波制御力Ｆｌｏｗを抽出するようになっている。

補正部４１４は、図４に示すように、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊をバンドパスフィルタ４１３で濾波して得た低周波制御力Ｆｌｏｗに基づいて補正ゲインＫの値を設定するゲイン設定部４１４１と、補正前の目標制御力Ｆｒｅｆ^＊に補正ゲインＫを乗じて最終的な目標制御力Ｆｒｅｆを求めるゲイン乗算部４１４２とを備えて構成されている。

ゲイン設定部４１４１は、バンドパスフィルタ４１３が出力した低周波制御力Ｆｌｏｗと閾値Ｆｔとを比較する。そして、ゲイン設定部４１４１は、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上であると、補正ゲインＫの値を低下させ、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ未満であると、補正ゲインＫの値を増加させる。補正ゲインＫは、本例では、上限値を１、下限値を０．０１として前述の基準で値が増減する。具体的には、ゲイン設定部４１４１は、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上であると、この条件を満たしている時間をカウントして、条件が成就している時間中は補正ゲインＫの値を徐々に低下させる。詳細には、図５に示すように、補正ゲインＫの値が上限値の１から下限値の０．０１まで減少させるまでの時間Ｔを予め決めてある。つまり、目標制御力Ｆｒｅｆの演算周期をｔ秒とすると、補正ゲインＫの演算周期ｔに対する減少量βを予め決めてある。よって、ゲイン設定部４１４１は、前回の補正ゲインＫの値をＫｐｒｅとし、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上の条件が成就すると、今回の補正ゲインＫの値は、Ｋ＝Ｋｐｒｅ−β×ｔを演算して求める。他方、ゲイン設定部４１４１は、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ未満であると、この条件を満たしている時間をカウントして、条件が成就している時間中は補正ゲインＫの値を徐々に増加させる。なお、補正ゲインＫの値が下限値の０．０１から上限値の１まで上昇させるまでの時間は、減少させるまでに要する時間と同じにしてある。つまり、目標制御力Ｆｒｅｆの演算周期をｔ秒とすると、補正ゲインＫの演算周期ｔに対する増加量は減少量βと同じ値に設定してある。よって、ゲイン設定部４１４１は、前回の補正ゲインＫの値をＫｐｒｅとし、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ未満であると、今回の補正ゲインＫの値は、Ｋ＝Ｋｐｒｅ＋β×ｔを演算して求める。なお、補正ゲインＫの最大限の低下および上昇に要する時間Ｔは、鉄道車両に最適となるようにチューニングすればよく、たとえば、緩和曲線区間走行時における遠心加速度の周期の１／４から１／２程度に設定される。

図５中の実線で示すように、補正ゲインＫの値が１である状況から、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上となる条件が連続して成就して時間Ｔを経過すると、徐々に時間に比例して補正ゲインＫの値が１から減少して０．０１まで低下する。補正ゲインＫの値が０．０１となると、引き続いて低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上となる条件が成就しても、これ以上値は低下しない。他方、補正ゲインＫの値が０．０１となった後、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ未満となる条件が連続して成就して時間Ｔを経過すると、徐々に時間に比例して補正ゲインＫの値が０．０１から増加して１まで上昇する。補正ゲインＫの値が１となると、引き続いて低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ未満となる条件が成就しても、これ以上値は上昇しない。よって、たとえば、補正ゲインＫの値が１であった状況から低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上となる条件が時間Ｔ１（ただし、０＜Ｔ１＜Ｔ）だけ連続して成就すると、補正ゲインＫの値は、１−β×（Ｔ１／ｔ）となる。その後、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ未満となる条件が時間Ｔ１以上連続して成就すると、図５中の破線で示すように、補正ゲインＫの値は時間の経過にしたがって徐々に上昇して１となる。

なお、閾値Ｆｔの値は、本例では、リミッタ４１５が制限する目標制御力Ｆｒｅｆの上限値Ｆｌｉｍの二分の１の値に設定されている。つまり、閾値Ｆｔ＝Ｆｌｉｍ／２に設定されている。上限値Ｆｌｉｍは、アクチュエータＡが連続して上限値Ｆｌｉｍの力を発揮しても、モータ１５に過剰に負荷がかからない程度の値に設定されている。

ゲイン乗算部４１４２は、補正前の目標制御力Ｆｒｅｆ^＊にゲイン設定部４１４１で設定された補正ゲインＫを乗じて最終的な目標制御力Ｆｒｅｆを求めて駆動部４２へ出力する。よって、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上となると補正ゲインＫが低下するので、補正後の最終の目標制御力Ｆｒｅｆにおいて、上限値Ｆｌｉｍに達してしまう機会が減少する。

駆動部４２は、モータ１５、第一開閉弁９、第二開閉弁１１および可変リリーフ弁２２を駆動するドライバ回路を備えている。駆動部４３は、制御力Ｆに応じて、アクチュエータＡにおけるモータ１５、第一開閉弁９、第二開閉弁１１および可変リリーフ弁２２へ供給する電流量を制御して、目標制御力Ｆｒｅｆ通りにアクチュエータＡに推力を発揮させる。

なお、コントローラＣは、ハードウェア資源としては、図示はしないが具体的にはたとえば、加速度センサ４０が出力する信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器と、横方向加速度αを取り込んでアクチュエータＡを制御するのに必要な処理に使用されるプログラムが格納されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、前記プログラムに基づいた処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の演算装置と、前記ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置とを備えて構成されればよい。そして、コントローラＣの各部の構成は、ＣＰＵの前記処理を行うためのプログラムの実行により実現できる。

コントローラＣの処理を図６に示したフローチャートを用いて説明する。まず、コントローラＣは、横方向加速度αを取り込む（ステップＦ１）。つづいて、コントローラＣは、横方向加速度αから目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を求める（ステップＦ２）。次に、コントローラＣは、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊をバンドパスフィルタ処理して低周波制御力Ｆｌｏｗを得る（ステップＦ３）。さらに、コントローラＣは、低周波制御力Ｆｌｏｗと閾値Ｆｔを比較し、Ｆｌｏｗ≧Ｆｔであるか否かを判断する（ステップＦ４）。そして、コントローラＣは、Ｆｌｏｗ≧Ｆｔの場合には、補正ゲインＫの値を減少させる（ステップＦ５）。他方、コントローラＣは、Ｆｌｏｗ＜Ｆｔの場合には、補正ゲインＫの値を上昇させる（ステップＦ６）。さらに、コントローラＣは、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊に補正ゲインＫを乗じて最終的な目標制御力Ｆｒｅｆを求める（ステップＦ７）。最後に、コントローラＣは、制御力Ｆに基づいてアクチュエータＡのモータ１５、第一開閉弁９、第二開閉弁１１および可変リリーフ弁２２を駆動して、アクチュエータＡに推力を発揮させる（ステップＦ８）。

以上のように鉄道車両用制振装置１は、鉄道車両の車体Ｂと台車Ｔとの間に介装されて制御力を発揮可能なアクチュエータＡと、車体Ｂの横方向加速度αに基づいて車体Ｂの振動を抑制する目標制御力Ｆｒｅｆを求めるコントローラＣとを備え、コントローラＣが車体Ｂの共振周波数よりも低い周波数成分である低周波制御力Ｆｌｏｗを抽出するバンドパスフィルタ４１３と、低周波制御力Ｆｌｏｗに基づいて目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を補正する補正部４１４とを有して構成される。

前述したように、鉄道車両が直線区間から直線区間と定常曲線区間の間に設置される緩和曲線区間に差しかかると車体Ｂには定常加速度の周波数帯よりも高い周波数帯域の遠心加速度が作用する。横方向加速度αを濾波するバンドパスフィルタ４１１では、緩和曲線区間走行時の遠心加速度を取り除けない。しかしながら、本発明の鉄道車両用制振装置１は、バンドパスフィルタ４１３で、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊から緩和曲線区間を走行中の車体Ｂに作用する遠心加速度に対抗するための力成分を抽出できる。そして、バンドパスフィルタ４１３で抽出した低周波制御力Ｆｌｏｗに基づいて目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を補正するので、バンドパスフィルタ４１１では除去できない緩和曲線区間走行時の遠心加速度の影響で最終の目標制御力Ｆｒｅｆが過剰となってしまうのを抑制できる。

さらに、補正部４１４が低周波制御力Ｆｌｏｗに基づいて目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を補正するが、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊には、台車Ｔ側から伝達される車体Ｂの振動を抑制する成分も含まれている。よって、補正後の目標制御力Ｆｒｅｆをリミッタ４１５による上限値Ｆｌｉｍ以下に収めるようにすれば、アクチュエータＡが発揮する力は減少するものの、車体Ｂの振動を抑制する力成分が失われないので、乗心地が向上する。また、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を補正して、最終の目標制御力Ｆｒｅｆが過剰となってしまうのを抑制できるため、大型のモータの利用も必要としない。

よって、本発明の鉄道車両用制振装置１によれば、大型のモータを必要としないのでコストと鉄道車両への搭載性を損なわず、かつ、緩和曲線区間走行時の乗心地を向上できるのである。

なお、本例では、バンドパスフィルタ４１３で目標制御力Ｆｒｅｆ^＊の定常加速度の周波数帯よりも高く車体Ｂの共振周波数よりも低い周波数成分を抽出しているが、車体Ｂの共振周波数よりも低い周波数成分の透過を許容するローパスフィルタの利用も可能である。このようにローパスフィルタを利用しても、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊は、バンドパスフィルタ４１１によって定常加速度成分が取り除かれた横方向加速度αから求められる。よって、定常加速度の影響によって目標制御力Ｆｒｅｆ^＊が大きくはならないため、曲線区間走行時に目標制御力Ｆｒｅｆが小さく補正される事態は生じないので、不利益はない。

また、本例の鉄道車両用制振装置１では、補正部４１４によって、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上であると目標制御力Ｆｒｅｆを低下させるよう補正するので、補正後の目標制御力Ｆｒｅｆがリミッタ４１５によって制限されてしまう機会を少なくでき、高い乗心地向上効果を発揮できる。

さらに、本例の鉄道車両用制振装置１では、補正部４１４によって、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上であると目標制御力Ｆｒｅｆ^＊に上限値が１以下の補正ゲインＫを乗じて目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を補正する。このように構成された鉄道車両用制振装置１では、補正前の目標制御力Ｆｒｅｆ^＊と補正後の目標制御力Ｆｒｅｆの周波数が変化しないので、より一層、台車Ｔ側から伝達される車体Ｂの振動を抑制する効果が高まる。よって、このように構成された鉄道車両用制振装置１によれば、より一層、緩和曲線区間走行時における乗心地を向上できる。

そして、本例の鉄道車両用制振装置１では、補正部４１４によって、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ以上である間中は補正ゲインＫを徐々に低下させ、低周波制御力Ｆｌｏｗが閾値Ｆｔ未満であると補正ゲインＫを上昇させるようになっている。つまり、本例の鉄道車両用制振装置１では、前述の通り、補正ゲインＫを目標制御力Ｆｒｅｆ^＊が閾値Ｆｔ以上となった時間に応じて減少させ、閾値Ｆｔ未満となった時間に応じて増加させる。このように鉄道車両用制振装置１によれば、補正ゲインＫの値の急変が緩和されるため、補正後の目標制御力Ｆｒｅｆの急変も緩和されるので、乗心地もより一層良好となる。

なお、前述したところでは、補正部４１４は、補正ゲインＫを目標制御力Ｆｒｅｆ^＊が閾値Ｆｔ以上となった時間に応じて減少させているが、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊が上限値Ｆｌｉｍを超えた量に応じて補正ゲインＫの値を変更してもよい。つまり、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊が上限値Ｆｌｉｍを超えた量が大きければ大きい程、補正ゲインＫの値を小さくするように変更してもよい。また、前述したところでは、補正部４１４は、補正ゲインＫを乗じて目標制御力Ｆｒｅｆ^＊を補正しているが、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊が正の値であれば、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊から一定値を差し引き、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊が負の値であれば、目標制御力Ｆｒｅｆ^＊に一定値を加算して補正してもよい。この場合も補正の前後で目標制御力Ｆｒｅｆの周波数の変化が生じない。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。

１・・・鉄道車両用制振装置、４１３・・・バンドパスフィルタ（フィルタ）、４１４・・・補正部、Ａ・・・アクチュエータ、Ｂ・・・車体、Ｃ・・・コントローラ、Ｔ・・・台車

Claims (4)

1. 鉄道車両の車体と台車との間に介装されて制御力を発揮可能なアクチュエータと、
   前記車体の横方向加速度に基づいて前記車体の振動を抑制する目標制御力を求めて前記アクチュエータを制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、
   前記目標制御力における前記車体の共振周波数よりも低い周波数成分である低周波制御力を抽出するフィルタと、
   前記低周波制御力に基づいて前記目標制御力を補正する補正部とを有する
   ことを特徴とする鉄道車両用制振装置。
2. 前記補正部は、前記低周波制御力が閾値以上であると前記目標制御力を低下させるよう補正する
   ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用制振装置。
3. 前記補正部は、前記低周波制御力が閾値以上であると前記目標制御力に上限値が１以下の補正ゲインを乗じて前記目標制御力を補正する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用制振装置。
4. 前記補正部は、前記低周波制御力が閾値以上である間中は前記補正ゲインを徐々に低下させ、前記低周波制御力が閾値未満であると前記補正ゲインを上昇させる
   ことを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両用制振装置。
   

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