接触力制御方法及び接触力制御装置、並びに、集電装置における接触力制御方法及び接触力制御装置
【課題】 電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御装置であって、接触力を直接測定しなくても高い周波数まで接触力の制御が可能な接触力制御装置などを提供する。
【解決手段】 集電装置の接触力制御装置２０は、摺動集電部材１３を電車線３に押し当てるアクチュエータ２１と、アクチュエータ２１への入力電流を測定する電流計２３と、アクチュエータ２１の出力変位を測定するセンサ２５と、アクチュエータ２１の駆動回路２７と、電流計２３及びセンサ２５の測定値が入力されるとともに、アクチュエータ駆動回路２７を制御する制御部３０と、を備える。制御部３０は、接触力の指令値を設定する設定部、センサの計測値から接触力の実際の値を推定する推定部、及び、現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるようにアクチュエータ駆動回路２７を制御するアクチュエータ制御部、を有する。
【解決手段】 集電装置の接触力制御装置２０は、摺動集電部材１３を電車線３に押し当てるアクチュエータ２１と、アクチュエータ２１への入力電流を測定する電流計２３と、アクチュエータ２１の出力変位を測定するセンサ２５と、アクチュエータ２１の駆動回路２７と、電流計２３及びセンサ２５の測定値が入力されるとともに、アクチュエータ駆動回路２７を制御する制御部３０と、を備える。制御部３０は、接触力の指令値を設定する設定部、センサの計測値から接触力の実際の値を推定する推定部、及び、現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるようにアクチュエータ駆動回路２７を制御するアクチュエータ制御部、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの物体の間の接触力の制御方法及び装置に関し、特には、線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御方法及び装置に関する。さらに、電気車両において、電車線（トロリ線や第三軌条など）に接触しながら摺動する集電装置（摺り板や集電靴など）の接触力の制御方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道においては、線路に沿って電車線が敷設されており、この電車線に車両に搭載された集電装置を接触させながら摺動させて集電している。電車線の方式には、架空方式、第三軌条方式、剛体複線方式などがある。架空方式は最も一般的な方式であり、線路上の高い位置にトロリ線を吊架し、電気車両の屋根上に設けたパンタグラフをトロリ線に摺動させて集電するものである。第三軌条方式は、線路の側方に第三軌条を敷設し、電気車両の下部側面から突出した集電靴を第三軌条に摺動させて集電する。このタイプは、一般に地下鉄に採用されている。また、剛体複線方式は、線路の側方に各々プラス極とマイナス極、又は三相交流をなす剛体構造の電車線を敷設し、電気車両の下部から突出した集電装置を摺動させて集電する。このタイプは、モノレールや新交通システムに採用されている。
【０００３】
このような集電装置においては、電車線と集電装置の接触力は、車両の振動や電車線の凹凸などによって変動する。架空方式の場合は、集電装置によって励起されたトロリ線の波動によっても変動する。接触力の変動が大きすぎると、集電装置が電車線から離れる離線が生じるおそれがある。離線が頻発すると、集電装置と電車線との間にスパークが生じて、電車線や摺り板の損耗が進み、問題となる。また、離線に至らない場合でも、接触力は極力変動の小さい方がよい。
【０００４】
そこで、走行中の電車の集電体（パンタグラフ）と電車線（トロリ線）の接触力を測定し、得られた測定結果を用いて接触力を制御する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この例においては、集電体が固定された碍子が駆動用シリンダのロッドに固定されており、シリンダは、制御装置からの制御信号が入力される制御回路によって駆動されて、集電体を押し上げ操作する。碍子とロッドとの間には、ロードセルと変位計が組み込まれている。ロードセルは、ロッドと碍子との間に作用する力、すなわち集電体を押し上げる力の反力を検出し、変位計は、シリンダに対する碍子の変位、すなわち集電体の変位を計測する。ロードセルと変位計の出力は、速度情報や路線情報とともに制御装置へ入力され、フィードバック制御を行ってトロリ線の最適押上力が演算される。この最適押上力に基づいた制御信号は制御回路に送られ、シリンダが信号に応じて駆動されて、集電体を押し上げ操作する。
【０００５】
つまり、この例では、トロリ線の最適押上力を演算するために、センサ（ロードセル）で計測された物理量からオブザーバを用いて接触力を推定している。ロードセルを使用した場合、以下のような問題が生じる。ロードセルには可動部分があるために頻繁なメンテナンスが必要である。また、集電装置と碍子とから大きな荷重がかかっている状態で反力の微小な変化を検出する必要があるため、ダイナミックレンジの大きいセンサが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１４７７０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ロードセルを使用せずに接触力を推定する接触力制御方法などを提供することを目的とする。また、電車線（トロリ線や第三軌条など）の凹凸に応じて接触力の指令値を動的に変化させることにより、電車線や摺り板の摩耗量を制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の接触力制御方法は、 ２つの物体の間の接触力の制御方法であって、 前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、 前記接触力の指令値を動的に変化させながら、 前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、 現在における接触力の指令値と推定値とを比較し、 後者を前者に合わせるように、前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータを制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明の接触力制御装置は、 ２つの物体の間の接触力の制御装置であって、 前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、 前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、 前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、 該制御手段が、 前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、 前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、 現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、を有することを特徴とする。
【００１０】
以上の発明においては、２つの物体として、線状体と、この線状体に接触しながら摺動する摺動部材とを挙げることができる。この場合、アクチュエータは、摺動部材を線状体に押し当てるように作用する。
【００１１】
また、以上の発明の接触力制御方法及び装置を、電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力制御方法及び装置に適用することができる。
この場合、線状体として電車線が適用され、摺動部材として摺動集電部材が適用される。
【００１２】
特許文献１に記載されている方法では、ロードセルで計測された、ロッドと碍子との間に作用する力とアクチュエータの移動量とから接触力を推定している。一方、本発明においては、例えば、アクチュエータへ入力される電流量とアクチュエータの移動量とから接触力を推定する。電流量は一般に電流センサで計測できる。電流センサは、ロードセルに比べて、センサの構造や構成が簡単であるとともに、可動部分が存在しないのでメンテナンスが容易であるなどの利点を有する。さらに、高速走行時の接触力変動の影響がセンサに直接及ぼされないので、センサの耐久性や大きさの点で有利である。さらには、測定対象が電気信号であって、ロードセルのように測定対象物の弾性振動の影響を受けないので、より高い周波数までの接触力測定・接触力制御が可能になる。
【００１３】
また、「接触力の指令値を動的に変化させながら設定する」とは、例えば、後述するように、電車線と摺動集電部材の接触力制御において、電車線の摩耗度合いに応じてアクチュエータを動的（例えば数百Ｈｚの領域で）に制御する。一例として、電車線が摩耗しているところでは接触力を下げるようにアクチュエータを制御する。
これにより、電車線が摩耗している箇所は摩耗量を少なく、電車線が摩耗していない箇所は摩耗量を多くなるように制御できるので、電車線の摩耗量を場所によらず一定にでき、摺動面の平滑化が可能になる。したがって、離線の軽減や摺動音の軽減、局部摩耗量の低減による電車線や摺り板の長寿命化が期待でき、保守費用を削減できる。
【００１４】
なお、「線状体」の例としては、トロリ線や第三軌条などの電車線などを挙げることができる。「摺動部材」の例としては、パンタグラフなどの電車集電装置や集電靴などを挙げることができる。
また、アクチュエータは、電動駆動のリニア型又はロータリー型が、周波数特性の点で好ましい。ただし、油圧・空圧駆動アクチュエータを使用することもできる。
「接触力を推定するための物理量」の例としては、アクチュエータの出力変位（直線・回転含む）、アクチュエータの入力電流などを挙げることができる。
【００１５】
なお、「電気車両」は、電気鉄道・モノレール・新交通システムの車両を含む。また、「電車線」は、トロリ線・第三軌条・剛体複線式電車線を含む。
【００１６】
本発明の他の態様の接触力制御方法は、 ２つの物体の間の接触力の制御方法であって、 前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、 前記接触力の指令値を与え、 前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、 前記接触力の指令値と推定値とを比較し、 後者を前者に合わせるように、前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータを制御し、 ここで前記物理量を、前記アクチュエータの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータ出力変位としたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の他の態様の接触力制御装置は、 ２つの物体の間の接触力の制御装置であって、 前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、 前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータの出力変位を測定するセンサと、 前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、 該制御手段が、 前記接触力の指令値を設定する設定部、 前記センサの計測値から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、 現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、 を有することを特徴とする。
【００１８】
以上の発明においては、２つの物体として、線状体と、この線状体に接触しながら摺動する摺動部材とを挙げることができる。この場合、アクチュエータは、摺動部材を線状体に押し当てるように作用する。
【００１９】
また、以上の発明の接触力制御方法及び装置を、電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力制御方法及び装置に適用することができる。
この場合、線状体として電車線が適用され、摺動部材として摺動集電部材が適用される。
【００２０】
ロードセルで測定した力とアクチュエータ変位から推定して接触力を制御するよりも、アクチュエータへの入力電流とアクチュエータの出力変位から推定して接触力を制御する方が、センサのメンテナンス性や簡素化、周波数応答性の点で有利である。
【００２１】
アクチュエータは、電動アクチュエータが周波数応答性の点で好ましい。ただし、油圧又は空圧駆動を含むこともできる。また、アクチュエータはリニア型又はロータリー型を含む。
【００２２】
本発明においては、 前記アクチュエータの変位に応じて前記接触力指令値を動的に変化させることが好ましい。
【００２３】
本発明においては、 装置にかかる外乱を推定する外乱オブザーバを備え、該外乱オブザーバは、前記アクチュエータの出力の偏差（指令値と実際の出力との差）を推定し、補償する機能（誤差補償機能）を備えることが好ましい。
【００２４】
本発明においては、 前記センサで計測された前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量と、前記センサで計測された前記アクチュエータの変位量とから、接触力の実際の値を推定する反力推定オブザーバを備えることが好ましい。
【００２５】
前記反力推定オブザーバは、予め前記アクチュエータの外乱力を同定しておき、同定したパラメータに応じて反力を推定することができる。
【００２６】
本発明においては、 前記アクチュエータへの入力量と該入力量に対応した動作量から前記アクチュエータにかかる反力を推定することができる。
【００２７】
本発明においては、 前記アクチュエータの変位量によって決定される、前記反力推定オブザーバの出力である反力の推定値と反力制御値の比である反力制御ゲインは、前記アクチュエータの変位量が大となるほど大きくなる。
ただし、アクチュエータ又は変位センサの取り付け方法により、符号が反転し、変位量が小となるほど反力制御ゲインが大きくなるという結果もありうる。
変位量が大きいと反力制御ゲインが大きくなり、アクチュエータは接触力の目標値よりも小さい力で接触する。一方、変位量が小さいと反力制御ゲインは小さくなり、アクチュエータは目標値よりも大きい力で接触する。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明においては、接触力を推定するための物理量として、アクチュエータに入力される電流量を使用している。電流量を計測する電流センサは、構造の簡易性やメンテナンス性、周波数応答性などの点でロードセルよりも有利である。本発明の接触力制御装置を電気鉄道に適用して、電車線の摩耗量を制御することによって、電車線表面の凹凸を低減して滑らかな摺動を得ることができ、離線アークの軽減、局部摩耗の軽減、摺動音の低減などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の接触力制御装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】第三軌条方式を説明する図である。
【図３】図１の接触力制御装置のブロック線図である。
【図４】接触制御装置の電車線への適用例を説明する図であり、図４（Ａ）は、アクチュエータを水平に配置した例、図４（Ｂ）はアクチュエータをロータリーアクチュエータに変更した例、図４（Ｃ）は電車線がトロリ線の例を示す。
【図５】実験装置の測定結果を示すグラフであり、図５（Ａ）は位置の変位、図５（Ｂ）は反力の変位、図５（Ｃ）は反力制御ゲインの変位を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る接触力制御装置２０を説明する。ここでは、接触力測定装置２０で測定される２つの物体が、線状体とこの線状体に接触しながら摺動する摺動部材の場合を説明する。さらには、同装置を電気鉄道に適用した例について説明し、線状体として、第三軌条方式の第三軌条を適用し、線状体に接触しながら摺動する摺動体として、電気車両に設けられた集電靴を適用する。
【００３１】
図２を参照して、第三軌条方式の電車線路について簡単に説明する。第三軌条方式においては、走行レール１の側方に、同レール１に沿って第三軌条３が敷設されている。第三軌条３は、防護板５上に碍子７を介して取り付けられている。第三軌条３は給電用であって、直流６００〜７５０Ｖの電圧が印加されるプラス極となっており、走行レール１がマイナス極となっている。一方、電気車両の台車１１の下部の側面からは集電靴１３が突き出している。この集電靴１３は、第三軌条３の上面に接触しながら摺動して、第三軌条３から集電している。集電靴１３によって第三軌条３から集電された電気はケーブル（図示されず）によって車両に送られる。
【００３２】
再度図１を参照して本発明の接触力制御装置２０について説明する。
接触力制御装置２０は、集電靴１３を第三軌条３の上面に押し当てるリニアアクチュエータ２１と、リニアアクチュエータ２１への入力電流量を計測するセンサ（電流計）２３と、リニアアクチュエータ２１の変位量を計測する変位計２５と、アクチュエータ２１の制御回路２７と、各センサ２３、２５の計測値が入力されるとともにアクチュエータ制御回路２７に信号を出力する制御部３０と、を備える。
【００３３】
集電靴１３はリニアアクチュエータ２１に取り付けられて、第三軌条３の上面に押し当てられている。図１では、リニアアクチュエータ２１として電動アクチュエータを使用した例を示す。アクチュエータ２１は台車１１に垂直方向に取り付けられており、可動部２１ａは上下方向に移動する。可動部２１ａには碍子１４を介して集電靴１３が取り付けられている。集電靴１３はアクチュエータ２１によって第三軌条３の上面に対して垂直に押し当てられている。集電靴１３には、第三軌条３からの反力（接触力ともいう）がかかる。
【００３４】
アクチュエータ２１は、制御部３０からの電気信号で駆動されるアクチュエータ駆動回路２７によって駆動される。アクチュエータ駆動回路２７は、制御部３０からの電気信号によってアクチュエータ２１に供給される油圧量を制御し、集電靴１３の第三軌条３との接触力（反力）を調整する。アクチュエータ２１に入力される電流量はセンサ２３（電流計）で計測される。センサ２３で計測された電流量は制御部３０へ入力される。
【００３５】
変位計２５は、アクチュエータ２１の可動部２１ａと固定部２１ｂとの間に取り付けられており、可動部２１ａの変位量を計測する。計測された変位量は制御部３０へ入力される。
【００３６】
図３を参照して制御部３０を説明する。
制御部３０においては、アクチュエータに入力された電流量とアクチュエータの変位量とから実際の接触力を推定し、推定された接触力をフィードバック制御して目標の電流量を算出する。制御部３０は、電流計が測定した電流量と反力推定オブザーバ３２により接触力の実際の値を推定し、さらに、現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるようにアクチュエータを制御し、また、誤差補償機能を有する。ここで、接触力推定値を動的に変化させることで、等価的に接触力指令値を変化させる効果を持たせている。誤差補償機能は、外乱を補償する外乱オブザーバ部３１により達成される。
【００３７】
図中の符号を以下に説明する。
Ｆｃｍｄ：接触力目標値、
Ｆｄｉｓ：外乱力、
Ｆ＾ｄｉｓ：外乱力の推定値、
Ｆｅｘｔ：接触力、
Ｆ＾ｅｘｔ：接触力の推定値、
Ｃｆ：力のゲイン、
Ｍ：システムの真の質量、
Ｍｎ：ノミナル質量、
Ｋｔｎ：ノミナルな力の係数、
Ｋｔ：実際の力の係数、
Ｉｒｅｆ：目標電流量、
Ｉｃｍｐ：補償電流値、
ｇｄｉｓ：外乱オブザーバのカットオフ周波数、
ｇｒｅａｃ：反力推定オブザーバのカットオフ周波数、
α：反力制御ゲイン、
ｓ：ラプラス演算子。
【００３８】
まず接触力目標値Ｆｃｍｄが入力されて、演算器４１でこの目標値Ｆｃｍｄと、反力推定値Ｆ＾ｅｘｔに反力制御ゲインαを乗じたもの（αＦ＾ｅｘｔ）との差が算出される。次に、この差（Ｆｃｍｄ−αＦ＾ｅｘｔ）とＣｆ（力のゲイン）から加速度参照値（加速度の次元を示す量）ｘ¨ｒｅｆが求められる（ｘ¨ｒｅｆ＝Ｃｆ（Ｆｃｍｄ−αＦ＾ｅｘｔ））。つまり、ゲインαによってアクチュエータの接触力を調整できる。αが１．０よりも大きければ、アクチュエータは接触力の目標値Ｆｃｍｄよりも小さい力で接触し、１．０よりも小さければ大きい力で接触する。
【００３９】
そして、この加速度参照値ｘ¨ｒｅｆに、Ｍｎ／Ｋｔｎを掛けて、その加速度を出すための電流量Ｉｒｅｆを出力する。次に、演算器４２でこの現在の電流量Ｉｒｅｆと補償電流量Ｉｃｍｐとが加算されて、アクチュエータへ入力される電流量が出力される。このアクチュエータ入力電流量を、Ｋｔを掛けることによって、アクチュエータの実動作により実際に発生した力に変換し、演算器４３でこのアクチュエータの出力と外乱力Ｆｄｉｓとの差を算出する。この差を積分してアクチュエータの速度ｘ・を算出し、さらに速度ｘ・を積分してアクチュエータの変位ｘが算出される。この変位ｘに応じて反力制御ゲインαが調整される。
【００４０】
そして、アクチュエータ２１が、算出された変位ｘだけ移動するように、制御部３０からアクチュエータ駆動回路２７に制御信号が送られる。アクチュエータ駆動回路２７では、制御信号に基づいてアクチュエータ２１に供給される電流量を制御し、可動部２１ａを所定の変位量ｘだけ変位させる。アクチュエータ２１の変位量は変位計２５で計測される。
【００４１】
外乱オブザーバ部３１においては、演算器４４で、アクチュエータに入力される電流量ＩｒｅｆにＫｔｎを掛けたものと、アクチュエータ速度ｘ・とｇｄｉｓＭｎとを掛けたものとが加算された後、ローパスフィルタ（ｇｄｉｓ／（ｓ＋ｇｄｉｓ））を通過する。そして、演算器４５でアクチュエータ速度ｘ・とｇｄｉｓＭｎとを掛けたものとの差が算出されて、外乱力の推定値Ｆ＾ｄｉｓが数１として推定される。
【数１】
推定された外乱力Ｆ＾ｄｉｓに１／Ｋｔｎを掛けることによって外乱による補償電流量Ｉｃｍｐが算出される。
【００４２】
反力推定オブザーバ部３２においては、システムの外乱力を予め同定しておくことによって力センサを使用せずに反力を推定することができる。例えば、摩擦力は、一定速度試験によって同定されてモデル化することができる。
【００４３】
同部においては、演算器４６で、アクチュエータに入力される電流量ＩｒｅｆにＫｔｎを掛けたものと、アクチュエータ速度ｘ・とＭｎとを掛けたものとの差が求められる。そして、演算器４７でこの差と、外乱力Ｆｄｉｓと接触力Ｆｅｘｔとの差（Ｆｄｉｓ−Ｆｅｘｔ）との差が算出された後、ローパスフィルタ（ｇｒｅａｃ／（ｓ＋ｇｒｅａｃ））を通過して反力の推定値が数２として推定される。
【数２】
【００４４】
本発明においては、反力制御ゲインαが変位ｘに応じて動的に変化するので、電車線の摩耗状態に応じた接触力の制御が可能になる。例えば、変位ｘが大きければ摩耗が進んでいることを示し、反力制御ゲインαを大きくして、接触力を小さくすることで摩耗の進行を抑制する。逆に変位ｘが小さければ摩耗が進んでいないことを示し、反力制御ゲインを小さくして、接触力を大きくすることで摩耗の進行を促進して、電車線の摺動面の凹凸を減らし、平滑な摺動面を得ることができる。
【００４５】
また、本発明では、アクチュエータへの入力電流とアクチュエータの出力変位から推定して接触力を制御するので、ロードセルで測定した力とアクチュエータ変位から推定して接触力を制御するよりも、センサのメンテナンス性や簡素化、周波数応答性の点で有利である。
【００４６】
次に、図４を参照してこの接触力制御装置の変形例を説明する。
図４（Ａ）は、剛体電車線の場合を示す。この場合、アクチュエータ２１は、台車１１に水平方向に取り付けられており、可動部２１ａは水平方向に移動する。可動部２１ａには碍子１４を介して集電靴１３が取り付けられている。集電靴１３はアクチュエータ２１によって剛体電車線３の側面に対して水平に押し当てられている。可動部２１ａの移動量は変位計２５で計測される。
図４（Ｂ）は、集電装置が図１と同様に第三軌条方式の場合であるが、アクチュエータとしてリニアアクチュエータはなく、ロータリーアクチュエータ７１を使用した例を示す。ロータリーアクチュエータ７１は台車枠１１に取り付けられており、その出力軸７１ａに碍子１４を介して集電靴１３が取り付けられている。集電靴１３は、ロータリーアクチュエータ７１によって第三軌条３の上面に接触するように押し当てられている。ロータリーアクチュエータ７１の変位（回転角度）はロータリーエンコーダ７５で計測される。この例でも、ロータリーアクチュエータ７１へ供給される電流量やロータリーエンコーダ７５の計測値は制御部３０へ送られて、前述の例と同様に処理される。
【００４７】
図４（Ｃ）は、集電装置がトロリ線とパンタグラフとの例を模式的に示したものである。パンタグラフの集電装置は、舟体１５と舟体１５に支持された摺り板１６とを有する。舟体１５は、復元バネ（図示されず）によって枠組（図示されず）の上端に支持されている。さらに舟体１５はアクチュエータ８１で上方に付勢されて、摺り板１６がトロリ線１７に押し付けられている。アクチュエータ８１は台枠１２に垂直方向に取り付けられており、可動部８１ａは垂直方向に移動する。可動部８１ａの先端には碍子１４を介して舟体１５が取り付けられている。可動部８１ａの移動量は変位計８５で計測される。この例でも、アクチュエータ８１へ供給される電流量や変位計８５の計測値は制御部３０へ送られて、前述の例と同様に処理される。
【００４８】
また、アクチュエータの例としては、電磁駆動アクチュエータの他に、油圧・空圧アクチュエータを使用することもできる。ただし、周波数応答性の点では電動アクチュエータが好ましい。
【実施例】
【００４９】
接触力制御装置をモデル化した実験装置を使用して実験を行った。実験装置は、接触対象物と、この対象物に接触物体を接触させるリニアモータと、リニアモータの移動量を検出する光学式エンコーダとを有する。
【００５０】
各パラメータは以下のように設定した。
Ｃｆ：１．００、
Ｋｔｎ：３３．０Ｎ／Ａ、
Ｍｎ：０．５０ｋｇ、
ｇｄｉｓ、ｇｒｅａｃ：６００ｒａｄ／ｓ。
【００５１】
初期位置での接触力の指令値Ｆｃｍｄは１０．０（Ｎ）とする。ゲインαは、初期位置からの変位δｘに応じて以下の数３のように設定される。
【数３】
【００５２】
この場合、接触力Ｆｅｘｔは対象物の凹凸に応じて以下の数４のように決定される。
【数４】
【００５３】
実験結果を図５に示す。
図５（Ａ）は位置を示すグラフであり、縦軸が位置、横軸が時間を表す。
図５（Ｂ）は力を示すグラフであり、縦軸が力、横軸が時間を表す。太線は、計測値、細線は参照線を示す。
図５（Ｃ）はゲインを示すグラフであり、縦軸がゲイン、横軸が時間を表す。
【００５４】
図５（Ａ）のグラフに示すように、約３秒までの間は位置の変位はほとんどないが、その後急激に変位が生じ、約４秒後に０．０１（ｍ）まで上昇する。すなわち、対象物の表面が凹んでくる。その後約６秒後まではほぼ一定に保たれた後、約８秒後には−０．０１（ｍ）以下に減少する。すなわち、表面が出っ張ってくる。
【００５５】
図５（Ｂ）のグラフに示すように、反力は約３秒後までは１０Ｎに維持されているが、約３秒後に対象物の表面が凹んでくると急激に５Ｎに減少する。そして、約６秒後から対象物の表面が出っ張ってくると上昇し始めて、約８秒後には１５Ｎとなる。
【００５６】
図５（Ｃ）のグラフに示すように、ゲインは約３秒後までは表面の変位がないので１であるが、その後表面の変位が生じてくると、変位量に応じて変化している。すなわち、表面が凹んでくると１よりも大きくなり、表面が出っ張ってくると１よりも小さくなる。
【符号の説明】
【００５７】
１ レール ３ 第三軌条
５ 防護板 ７ 碍子
１１、１２ 台枠 １３ 集電靴
１４ 碍子 １５ 舟体
１６ 摺り板 １７ トロリ線
２０ 制御装置 ２１ アクチュエータ
２３ 電流計 ２５ 変位計
２７ アクチュエータ制御回路
３０ 制御部 ３１ 外乱オブザーバ部
３２ 反力推定オブザーバ部
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７ 加算器
７１ ロータリーアクチュエータ ７５ ロータリーエンコーダ
８１ アクチュエータ ８５ 変位計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの物体の間の接触力の制御方法及び装置に関し、特には、線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御方法及び装置に関する。さらに、電気車両において、電車線（トロリ線や第三軌条など）に接触しながら摺動する集電装置（摺り板や集電靴など）の接触力の制御方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道においては、線路に沿って電車線が敷設されており、この電車線に車両に搭載された集電装置を接触させながら摺動させて集電している。電車線の方式には、架空方式、第三軌条方式、剛体複線方式などがある。架空方式は最も一般的な方式であり、線路上の高い位置にトロリ線を吊架し、電気車両の屋根上に設けたパンタグラフをトロリ線に摺動させて集電するものである。第三軌条方式は、線路の側方に第三軌条を敷設し、電気車両の下部側面から突出した集電靴を第三軌条に摺動させて集電する。このタイプは、一般に地下鉄に採用されている。また、剛体複線方式は、線路の側方に各々プラス極とマイナス極、又は三相交流をなす剛体構造の電車線を敷設し、電気車両の下部から突出した集電装置を摺動させて集電する。このタイプは、モノレールや新交通システムに採用されている。
【０００３】
このような集電装置においては、電車線と集電装置の接触力は、車両の振動や電車線の凹凸などによって変動する。架空方式の場合は、集電装置によって励起されたトロリ線の波動によっても変動する。接触力の変動が大きすぎると、集電装置が電車線から離れる離線が生じるおそれがある。離線が頻発すると、集電装置と電車線との間にスパークが生じて、電車線や摺り板の損耗が進み、問題となる。また、離線に至らない場合でも、接触力は極力変動の小さい方がよい。
【０００４】
そこで、走行中の電車の集電体（パンタグラフ）と電車線（トロリ線）の接触力を測定し、得られた測定結果を用いて接触力を制御する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この例においては、集電体が固定された碍子が駆動用シリンダのロッドに固定されており、シリンダは、制御装置からの制御信号が入力される制御回路によって駆動されて、集電体を押し上げ操作する。碍子とロッドとの間には、ロードセルと変位計が組み込まれている。ロードセルは、ロッドと碍子との間に作用する力、すなわち集電体を押し上げる力の反力を検出し、変位計は、シリンダに対する碍子の変位、すなわち集電体の変位を計測する。ロードセルと変位計の出力は、速度情報や路線情報とともに制御装置へ入力され、フィードバック制御を行ってトロリ線の最適押上力が演算される。この最適押上力に基づいた制御信号は制御回路に送られ、シリンダが信号に応じて駆動されて、集電体を押し上げ操作する。
【０００５】
つまり、この例では、トロリ線の最適押上力を演算するために、センサ（ロードセル）で計測された物理量からオブザーバを用いて接触力を推定している。ロードセルを使用した場合、以下のような問題が生じる。ロードセルには可動部分があるために頻繁なメンテナンスが必要である。また、集電装置と碍子とから大きな荷重がかかっている状態で反力の微小な変化を検出する必要があるため、ダイナミックレンジの大きいセンサが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１４７７０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ロードセルを使用せずに接触力を推定する接触力制御方法などを提供することを目的とする。また、電車線（トロリ線や第三軌条など）の凹凸に応じて接触力の指令値を動的に変化させることにより、電車線や摺り板の摩耗量を制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の接触力制御方法は、 ２つの物体の間の接触力の制御方法であって、 前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、 前記接触力の指令値を動的に変化させながら、 前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、 現在における接触力の指令値と推定値とを比較し、 後者を前者に合わせるように、前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータを制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明の接触力制御装置は、 ２つの物体の間の接触力の制御装置であって、 前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、 前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、 前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、 該制御手段が、 前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、 前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、 現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、を有することを特徴とする。
【００１０】
以上の発明においては、２つの物体として、線状体と、この線状体に接触しながら摺動する摺動部材とを挙げることができる。この場合、アクチュエータは、摺動部材を線状体に押し当てるように作用する。
【００１１】
また、以上の発明の接触力制御方法及び装置を、電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力制御方法及び装置に適用することができる。
この場合、線状体として電車線が適用され、摺動部材として摺動集電部材が適用される。
【００１２】
特許文献１に記載されている方法では、ロードセルで計測された、ロッドと碍子との間に作用する力とアクチュエータの移動量とから接触力を推定している。一方、本発明においては、例えば、アクチュエータへ入力される電流量とアクチュエータの移動量とから接触力を推定する。電流量は一般に電流センサで計測できる。電流センサは、ロードセルに比べて、センサの構造や構成が簡単であるとともに、可動部分が存在しないのでメンテナンスが容易であるなどの利点を有する。さらに、高速走行時の接触力変動の影響がセンサに直接及ぼされないので、センサの耐久性や大きさの点で有利である。さらには、測定対象が電気信号であって、ロードセルのように測定対象物の弾性振動の影響を受けないので、より高い周波数までの接触力測定・接触力制御が可能になる。
【００１３】
また、「接触力の指令値を動的に変化させながら設定する」とは、例えば、後述するように、電車線と摺動集電部材の接触力制御において、電車線の摩耗度合いに応じてアクチュエータを動的（例えば数百Ｈｚの領域で）に制御する。一例として、電車線が摩耗しているところでは接触力を下げるようにアクチュエータを制御する。
これにより、電車線が摩耗している箇所は摩耗量を少なく、電車線が摩耗していない箇所は摩耗量を多くなるように制御できるので、電車線の摩耗量を場所によらず一定にでき、摺動面の平滑化が可能になる。したがって、離線の軽減や摺動音の軽減、局部摩耗量の低減による電車線や摺り板の長寿命化が期待でき、保守費用を削減できる。
【００１４】
なお、「線状体」の例としては、トロリ線や第三軌条などの電車線などを挙げることができる。「摺動部材」の例としては、パンタグラフなどの電車集電装置や集電靴などを挙げることができる。
また、アクチュエータは、電動駆動のリニア型又はロータリー型が、周波数特性の点で好ましい。ただし、油圧・空圧駆動アクチュエータを使用することもできる。
「接触力を推定するための物理量」の例としては、アクチュエータの出力変位（直線・回転含む）、アクチュエータの入力電流などを挙げることができる。
【００１５】
なお、「電気車両」は、電気鉄道・モノレール・新交通システムの車両を含む。また、「電車線」は、トロリ線・第三軌条・剛体複線式電車線を含む。
【００１６】
本発明の他の態様の接触力制御方法は、 ２つの物体の間の接触力の制御方法であって、 前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、 前記接触力の指令値を与え、 前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、 前記接触力の指令値と推定値とを比較し、 後者を前者に合わせるように、前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータを制御し、 ここで前記物理量を、前記アクチュエータの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータ出力変位としたことを特徴とする。
【００１７】
本発明の他の態様の接触力制御装置は、 ２つの物体の間の接触力の制御装置であって、 前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、 前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータの出力変位を測定するセンサと、 前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、 該制御手段が、 前記接触力の指令値を設定する設定部、 前記センサの計測値から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、 現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、 を有することを特徴とする。
【００１８】
以上の発明においては、２つの物体として、線状体と、この線状体に接触しながら摺動する摺動部材とを挙げることができる。この場合、アクチュエータは、摺動部材を線状体に押し当てるように作用する。
【００１９】
また、以上の発明の接触力制御方法及び装置を、電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力制御方法及び装置に適用することができる。
この場合、線状体として電車線が適用され、摺動部材として摺動集電部材が適用される。
【００２０】
ロードセルで測定した力とアクチュエータ変位から推定して接触力を制御するよりも、アクチュエータへの入力電流とアクチュエータの出力変位から推定して接触力を制御する方が、センサのメンテナンス性や簡素化、周波数応答性の点で有利である。
【００２１】
アクチュエータは、電動アクチュエータが周波数応答性の点で好ましい。ただし、油圧又は空圧駆動を含むこともできる。また、アクチュエータはリニア型又はロータリー型を含む。
【００２２】
本発明においては、 前記アクチュエータの変位に応じて前記接触力指令値を動的に変化させることが好ましい。
【００２３】
本発明においては、 装置にかかる外乱を推定する外乱オブザーバを備え、該外乱オブザーバは、前記アクチュエータの出力の偏差（指令値と実際の出力との差）を推定し、補償する機能（誤差補償機能）を備えることが好ましい。
【００２４】
本発明においては、 前記センサで計測された前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量と、前記センサで計測された前記アクチュエータの変位量とから、接触力の実際の値を推定する反力推定オブザーバを備えることが好ましい。
【００２５】
前記反力推定オブザーバは、予め前記アクチュエータの外乱力を同定しておき、同定したパラメータに応じて反力を推定することができる。
【００２６】
本発明においては、 前記アクチュエータへの入力量と該入力量に対応した動作量から前記アクチュエータにかかる反力を推定することができる。
【００２７】
本発明においては、 前記アクチュエータの変位量によって決定される、前記反力推定オブザーバの出力である反力の推定値と反力制御値の比である反力制御ゲインは、前記アクチュエータの変位量が大となるほど大きくなる。
ただし、アクチュエータ又は変位センサの取り付け方法により、符号が反転し、変位量が小となるほど反力制御ゲインが大きくなるという結果もありうる。
変位量が大きいと反力制御ゲインが大きくなり、アクチュエータは接触力の目標値よりも小さい力で接触する。一方、変位量が小さいと反力制御ゲインは小さくなり、アクチュエータは目標値よりも大きい力で接触する。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から明らかなように、本発明においては、接触力を推定するための物理量として、アクチュエータに入力される電流量を使用している。電流量を計測する電流センサは、構造の簡易性やメンテナンス性、周波数応答性などの点でロードセルよりも有利である。本発明の接触力制御装置を電気鉄道に適用して、電車線の摩耗量を制御することによって、電車線表面の凹凸を低減して滑らかな摺動を得ることができ、離線アークの軽減、局部摩耗の軽減、摺動音の低減などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の接触力制御装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】第三軌条方式を説明する図である。
【図３】図１の接触力制御装置のブロック線図である。
【図４】接触制御装置の電車線への適用例を説明する図であり、図４（Ａ）は、アクチュエータを水平に配置した例、図４（Ｂ）はアクチュエータをロータリーアクチュエータに変更した例、図４（Ｃ）は電車線がトロリ線の例を示す。
【図５】実験装置の測定結果を示すグラフであり、図５（Ａ）は位置の変位、図５（Ｂ）は反力の変位、図５（Ｃ）は反力制御ゲインの変位を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る接触力制御装置２０を説明する。ここでは、接触力測定装置２０で測定される２つの物体が、線状体とこの線状体に接触しながら摺動する摺動部材の場合を説明する。さらには、同装置を電気鉄道に適用した例について説明し、線状体として、第三軌条方式の第三軌条を適用し、線状体に接触しながら摺動する摺動体として、電気車両に設けられた集電靴を適用する。
【００３１】
図２を参照して、第三軌条方式の電車線路について簡単に説明する。第三軌条方式においては、走行レール１の側方に、同レール１に沿って第三軌条３が敷設されている。第三軌条３は、防護板５上に碍子７を介して取り付けられている。第三軌条３は給電用であって、直流６００〜７５０Ｖの電圧が印加されるプラス極となっており、走行レール１がマイナス極となっている。一方、電気車両の台車１１の下部の側面からは集電靴１３が突き出している。この集電靴１３は、第三軌条３の上面に接触しながら摺動して、第三軌条３から集電している。集電靴１３によって第三軌条３から集電された電気はケーブル（図示されず）によって車両に送られる。
【００３２】
再度図１を参照して本発明の接触力制御装置２０について説明する。
接触力制御装置２０は、集電靴１３を第三軌条３の上面に押し当てるリニアアクチュエータ２１と、リニアアクチュエータ２１への入力電流量を計測するセンサ（電流計）２３と、リニアアクチュエータ２１の変位量を計測する変位計２５と、アクチュエータ２１の制御回路２７と、各センサ２３、２５の計測値が入力されるとともにアクチュエータ制御回路２７に信号を出力する制御部３０と、を備える。
【００３３】
集電靴１３はリニアアクチュエータ２１に取り付けられて、第三軌条３の上面に押し当てられている。図１では、リニアアクチュエータ２１として電動アクチュエータを使用した例を示す。アクチュエータ２１は台車１１に垂直方向に取り付けられており、可動部２１ａは上下方向に移動する。可動部２１ａには碍子１４を介して集電靴１３が取り付けられている。集電靴１３はアクチュエータ２１によって第三軌条３の上面に対して垂直に押し当てられている。集電靴１３には、第三軌条３からの反力（接触力ともいう）がかかる。
【００３４】
アクチュエータ２１は、制御部３０からの電気信号で駆動されるアクチュエータ駆動回路２７によって駆動される。アクチュエータ駆動回路２７は、制御部３０からの電気信号によってアクチュエータ２１に供給される油圧量を制御し、集電靴１３の第三軌条３との接触力（反力）を調整する。アクチュエータ２１に入力される電流量はセンサ２３（電流計）で計測される。センサ２３で計測された電流量は制御部３０へ入力される。
【００３５】
変位計２５は、アクチュエータ２１の可動部２１ａと固定部２１ｂとの間に取り付けられており、可動部２１ａの変位量を計測する。計測された変位量は制御部３０へ入力される。
【００３６】
図３を参照して制御部３０を説明する。
制御部３０においては、アクチュエータに入力された電流量とアクチュエータの変位量とから実際の接触力を推定し、推定された接触力をフィードバック制御して目標の電流量を算出する。制御部３０は、電流計が測定した電流量と反力推定オブザーバ３２により接触力の実際の値を推定し、さらに、現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるようにアクチュエータを制御し、また、誤差補償機能を有する。ここで、接触力推定値を動的に変化させることで、等価的に接触力指令値を変化させる効果を持たせている。誤差補償機能は、外乱を補償する外乱オブザーバ部３１により達成される。
【００３７】
図中の符号を以下に説明する。
Ｆｃｍｄ：接触力目標値、
Ｆｄｉｓ：外乱力、
Ｆ＾ｄｉｓ：外乱力の推定値、
Ｆｅｘｔ：接触力、
Ｆ＾ｅｘｔ：接触力の推定値、
Ｃｆ：力のゲイン、
Ｍ：システムの真の質量、
Ｍｎ：ノミナル質量、
Ｋｔｎ：ノミナルな力の係数、
Ｋｔ：実際の力の係数、
Ｉｒｅｆ：目標電流量、
Ｉｃｍｐ：補償電流値、
ｇｄｉｓ：外乱オブザーバのカットオフ周波数、
ｇｒｅａｃ：反力推定オブザーバのカットオフ周波数、
α：反力制御ゲイン、
ｓ：ラプラス演算子。
【００３８】
まず接触力目標値Ｆｃｍｄが入力されて、演算器４１でこの目標値Ｆｃｍｄと、反力推定値Ｆ＾ｅｘｔに反力制御ゲインαを乗じたもの（αＦ＾ｅｘｔ）との差が算出される。次に、この差（Ｆｃｍｄ−αＦ＾ｅｘｔ）とＣｆ（力のゲイン）から加速度参照値（加速度の次元を示す量）ｘ¨ｒｅｆが求められる（ｘ¨ｒｅｆ＝Ｃｆ（Ｆｃｍｄ−αＦ＾ｅｘｔ））。つまり、ゲインαによってアクチュエータの接触力を調整できる。αが１．０よりも大きければ、アクチュエータは接触力の目標値Ｆｃｍｄよりも小さい力で接触し、１．０よりも小さければ大きい力で接触する。
【００３９】
そして、この加速度参照値ｘ¨ｒｅｆに、Ｍｎ／Ｋｔｎを掛けて、その加速度を出すための電流量Ｉｒｅｆを出力する。次に、演算器４２でこの現在の電流量Ｉｒｅｆと補償電流量Ｉｃｍｐとが加算されて、アクチュエータへ入力される電流量が出力される。このアクチュエータ入力電流量を、Ｋｔを掛けることによって、アクチュエータの実動作により実際に発生した力に変換し、演算器４３でこのアクチュエータの出力と外乱力Ｆｄｉｓとの差を算出する。この差を積分してアクチュエータの速度ｘ・を算出し、さらに速度ｘ・を積分してアクチュエータの変位ｘが算出される。この変位ｘに応じて反力制御ゲインαが調整される。
【００４０】
そして、アクチュエータ２１が、算出された変位ｘだけ移動するように、制御部３０からアクチュエータ駆動回路２７に制御信号が送られる。アクチュエータ駆動回路２７では、制御信号に基づいてアクチュエータ２１に供給される電流量を制御し、可動部２１ａを所定の変位量ｘだけ変位させる。アクチュエータ２１の変位量は変位計２５で計測される。
【００４１】
外乱オブザーバ部３１においては、演算器４４で、アクチュエータに入力される電流量ＩｒｅｆにＫｔｎを掛けたものと、アクチュエータ速度ｘ・とｇｄｉｓＭｎとを掛けたものとが加算された後、ローパスフィルタ（ｇｄｉｓ／（ｓ＋ｇｄｉｓ））を通過する。そして、演算器４５でアクチュエータ速度ｘ・とｇｄｉｓＭｎとを掛けたものとの差が算出されて、外乱力の推定値Ｆ＾ｄｉｓが数１として推定される。
【数１】
推定された外乱力Ｆ＾ｄｉｓに１／Ｋｔｎを掛けることによって外乱による補償電流量Ｉｃｍｐが算出される。
【００４２】
反力推定オブザーバ部３２においては、システムの外乱力を予め同定しておくことによって力センサを使用せずに反力を推定することができる。例えば、摩擦力は、一定速度試験によって同定されてモデル化することができる。
【００４３】
同部においては、演算器４６で、アクチュエータに入力される電流量ＩｒｅｆにＫｔｎを掛けたものと、アクチュエータ速度ｘ・とＭｎとを掛けたものとの差が求められる。そして、演算器４７でこの差と、外乱力Ｆｄｉｓと接触力Ｆｅｘｔとの差（Ｆｄｉｓ−Ｆｅｘｔ）との差が算出された後、ローパスフィルタ（ｇｒｅａｃ／（ｓ＋ｇｒｅａｃ））を通過して反力の推定値が数２として推定される。
【数２】
【００４４】
本発明においては、反力制御ゲインαが変位ｘに応じて動的に変化するので、電車線の摩耗状態に応じた接触力の制御が可能になる。例えば、変位ｘが大きければ摩耗が進んでいることを示し、反力制御ゲインαを大きくして、接触力を小さくすることで摩耗の進行を抑制する。逆に変位ｘが小さければ摩耗が進んでいないことを示し、反力制御ゲインを小さくして、接触力を大きくすることで摩耗の進行を促進して、電車線の摺動面の凹凸を減らし、平滑な摺動面を得ることができる。
【００４５】
また、本発明では、アクチュエータへの入力電流とアクチュエータの出力変位から推定して接触力を制御するので、ロードセルで測定した力とアクチュエータ変位から推定して接触力を制御するよりも、センサのメンテナンス性や簡素化、周波数応答性の点で有利である。
【００４６】
次に、図４を参照してこの接触力制御装置の変形例を説明する。
図４（Ａ）は、剛体電車線の場合を示す。この場合、アクチュエータ２１は、台車１１に水平方向に取り付けられており、可動部２１ａは水平方向に移動する。可動部２１ａには碍子１４を介して集電靴１３が取り付けられている。集電靴１３はアクチュエータ２１によって剛体電車線３の側面に対して水平に押し当てられている。可動部２１ａの移動量は変位計２５で計測される。
図４（Ｂ）は、集電装置が図１と同様に第三軌条方式の場合であるが、アクチュエータとしてリニアアクチュエータはなく、ロータリーアクチュエータ７１を使用した例を示す。ロータリーアクチュエータ７１は台車枠１１に取り付けられており、その出力軸７１ａに碍子１４を介して集電靴１３が取り付けられている。集電靴１３は、ロータリーアクチュエータ７１によって第三軌条３の上面に接触するように押し当てられている。ロータリーアクチュエータ７１の変位（回転角度）はロータリーエンコーダ７５で計測される。この例でも、ロータリーアクチュエータ７１へ供給される電流量やロータリーエンコーダ７５の計測値は制御部３０へ送られて、前述の例と同様に処理される。
【００４７】
図４（Ｃ）は、集電装置がトロリ線とパンタグラフとの例を模式的に示したものである。パンタグラフの集電装置は、舟体１５と舟体１５に支持された摺り板１６とを有する。舟体１５は、復元バネ（図示されず）によって枠組（図示されず）の上端に支持されている。さらに舟体１５はアクチュエータ８１で上方に付勢されて、摺り板１６がトロリ線１７に押し付けられている。アクチュエータ８１は台枠１２に垂直方向に取り付けられており、可動部８１ａは垂直方向に移動する。可動部８１ａの先端には碍子１４を介して舟体１５が取り付けられている。可動部８１ａの移動量は変位計８５で計測される。この例でも、アクチュエータ８１へ供給される電流量や変位計８５の計測値は制御部３０へ送られて、前述の例と同様に処理される。
【００４８】
また、アクチュエータの例としては、電磁駆動アクチュエータの他に、油圧・空圧アクチュエータを使用することもできる。ただし、周波数応答性の点では電動アクチュエータが好ましい。
【実施例】
【００４９】
接触力制御装置をモデル化した実験装置を使用して実験を行った。実験装置は、接触対象物と、この対象物に接触物体を接触させるリニアモータと、リニアモータの移動量を検出する光学式エンコーダとを有する。
【００５０】
各パラメータは以下のように設定した。
Ｃｆ：１．００、
Ｋｔｎ：３３．０Ｎ／Ａ、
Ｍｎ：０．５０ｋｇ、
ｇｄｉｓ、ｇｒｅａｃ：６００ｒａｄ／ｓ。
【００５１】
初期位置での接触力の指令値Ｆｃｍｄは１０．０（Ｎ）とする。ゲインαは、初期位置からの変位δｘに応じて以下の数３のように設定される。
【数３】
【００５２】
この場合、接触力Ｆｅｘｔは対象物の凹凸に応じて以下の数４のように決定される。
【数４】
【００５３】
実験結果を図５に示す。
図５（Ａ）は位置を示すグラフであり、縦軸が位置、横軸が時間を表す。
図５（Ｂ）は力を示すグラフであり、縦軸が力、横軸が時間を表す。太線は、計測値、細線は参照線を示す。
図５（Ｃ）はゲインを示すグラフであり、縦軸がゲイン、横軸が時間を表す。
【００５４】
図５（Ａ）のグラフに示すように、約３秒までの間は位置の変位はほとんどないが、その後急激に変位が生じ、約４秒後に０．０１（ｍ）まで上昇する。すなわち、対象物の表面が凹んでくる。その後約６秒後まではほぼ一定に保たれた後、約８秒後には−０．０１（ｍ）以下に減少する。すなわち、表面が出っ張ってくる。
【００５５】
図５（Ｂ）のグラフに示すように、反力は約３秒後までは１０Ｎに維持されているが、約３秒後に対象物の表面が凹んでくると急激に５Ｎに減少する。そして、約６秒後から対象物の表面が出っ張ってくると上昇し始めて、約８秒後には１５Ｎとなる。
【００５６】
図５（Ｃ）のグラフに示すように、ゲインは約３秒後までは表面の変位がないので１であるが、その後表面の変位が生じてくると、変位量に応じて変化している。すなわち、表面が凹んでくると１よりも大きくなり、表面が出っ張ってくると１よりも小さくなる。
【符号の説明】
【００５７】
１ レール ３ 第三軌条
５ 防護板 ７ 碍子
１１、１２ 台枠 １３ 集電靴
１４ 碍子 １５ 舟体
１６ 摺り板 １７ トロリ線
２０ 制御装置 ２１ アクチュエータ
２３ 電流計 ２５ 変位計
２７ アクチュエータ制御回路
３０ 制御部 ３１ 外乱オブザーバ部
３２ 反力推定オブザーバ部
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７ 加算器
７１ ロータリーアクチュエータ ７５ ロータリーエンコーダ
８１ アクチュエータ ８５ 変位計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの物体の間の接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
現在における接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータを制御することを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項２】
２つの物体の間の接触力の制御装置であって、
前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項３】
線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
現在における接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータを制御することを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項４】
線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御装置であって、
前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項５】
電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御方法であって、
該集電装置は、
前記摺動集電部材を前記電車線に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段によって、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定し、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
現在における接触力の指令値と推定値とを比較して後者を前者に合わせ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集電装置における接触力の制御方法。
【請求項６】
電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御装置であって、
前記摺動集電部材を前記電車線に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力の指令値と推定値とを比較して後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする集電装置における接触力の制御装置。
【請求項７】
２つの物体の間の接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を与え、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
前記接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータを制御し、
ここで前記物理量を、前記アクチュエータの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータ出力変位としたことを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項８】
２つの物体の間の接触力の制御装置であって、
前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、
前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータの出力変位を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を設定する設定部、
前記センサの計測値から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項９】
線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を与え、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
前記接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータを制御し、
ここで前記物理量を、前記アクチュエータの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータ出力変位としたことを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項１０】
線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御装置であって、
前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータと、
前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータの出力変位を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を設定する設定部、
前記センサの計測値から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項１１】
電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を与え、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
前記接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータを制御し、
ここで前記物理量を、前記アクチュエータの入力電流・油空圧流量、及び、前記アクチュエータ出力変位としたことを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項１２】
電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御装置であって、
前記摺動集電部材を前記電車線に押し当てるアクチュエータと、
前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータの出力変位を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を設定する設定部、
前記センサの計測値から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項１３】
前記アクチュエータの変位に応じて前記接触力指令値を動的に変化させることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１４】
装置にかかる外乱を推定する外乱オブザーバを備え、該外乱オブザーバは、前記アクチュエータの出力の偏差（指令値と実際の出力との差）を推定し、補償する機能（誤差補償機能）を備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１５】
前記センサで計測された前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量と、前記センサで計測された前記アクチュエータの変位量とから、接触力の実際の値を推定する反力推定オブザーバを備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１６】
前記反力推定オブザーバは、予め前記アクチュエータの外乱力を同定しておき、同定したパラメータに応じて反力を推定することを特徴とする請求項１５に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１７】
前記アクチュエータへの入力量と該入力量に対応した動作量から前記アクチュエータにかかる反力を推定することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１８】
前記アクチュエータの変位量によって決定される、前記反力推定オブザーバの出力である反力の推定値と反力制御値の比である反力制御ゲインは、前記アクチュエータの変位量が大となるほど大きくなることを特徴とする請求項１５、１６又は１７に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１】
２つの物体の間の接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
現在における接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータを制御することを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項２】
２つの物体の間の接触力の制御装置であって、
前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項３】
線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
現在における接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータを制御することを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項４】
線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御装置であって、
前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項５】
電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御方法であって、
該集電装置は、
前記摺動集電部材を前記電車線に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段によって、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定し、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
現在における接触力の指令値と推定値とを比較して後者を前者に合わせ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集電装置における接触力の制御方法。
【請求項６】
電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御装置であって、
前記摺動集電部材を前記電車線に押し当てるアクチュエータと、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を動的に変化させながら設定する設定部、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力の指令値と推定値とを比較して後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする集電装置における接触力の制御装置。
【請求項７】
２つの物体の間の接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を与え、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
前記接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータを制御し、
ここで前記物理量を、前記アクチュエータの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータ出力変位としたことを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項８】
２つの物体の間の接触力の制御装置であって、
前記２つの物体を相互に押し当てるアクチュエータと、
前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータの出力変位を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を設定する設定部、
前記センサの計測値から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項９】
線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を与え、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
前記接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータを制御し、
ここで前記物理量を、前記アクチュエータの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータ出力変位としたことを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項１０】
線状体に接触しながら摺動する摺動部材の接触力の制御装置であって、
前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータと、
前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータの出力変位を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を設定する設定部、
前記センサの計測値から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項１１】
電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御方法であって、
前記接触力を推定するための物理量を測定するセンサを設けておき、
前記接触力の指令値を与え、
前記センサが測定した物理量から前記接触力の実際の値を推定し、
前記接触力の指令値と推定値とを比較し、
後者を前者に合わせるように、前記摺動部材を前記線状体に押し当てるアクチュエータを制御し、
ここで前記物理量を、前記アクチュエータの入力電流・油空圧流量、及び、前記アクチュエータ出力変位としたことを特徴とする接触力の制御方法。
【請求項１２】
電気車両に電車線から摺動集電部材を介して集電する集電装置における接触力の制御装置であって、
前記摺動集電部材を前記電車線に押し当てるアクチュエータと、
前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量、並びに、前記アクチュエータの出力変位を測定するセンサと、
前記アクチュエータを制御する制御手段と、を備え、
該制御手段が、
前記接触力の指令値を設定する設定部、
前記センサの計測値から前記接触力の実際の値を推定する推定部、及び、
現在における接触力指令値と推定値とを比較し、後者を前者に合わせるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部、
を有することを特徴とする接触力の制御装置。
【請求項１３】
前記アクチュエータの変位に応じて前記接触力指令値を動的に変化させることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１４】
装置にかかる外乱を推定する外乱オブザーバを備え、該外乱オブザーバは、前記アクチュエータの出力の偏差（指令値と実際の出力との差）を推定し、補償する機能（誤差補償機能）を備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１５】
前記センサで計測された前記アクチュエータへの入力電流又は油空圧流量と、前記センサで計測された前記アクチュエータの変位量とから、接触力の実際の値を推定する反力推定オブザーバを備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１６】
前記反力推定オブザーバは、予め前記アクチュエータの外乱力を同定しておき、同定したパラメータに応じて反力を推定することを特徴とする請求項１５に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１７】
前記アクチュエータへの入力量と該入力量に対応した動作量から前記アクチュエータにかかる反力を推定することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【請求項１８】
前記アクチュエータの変位量によって決定される、前記反力推定オブザーバの出力である反力の推定値と反力制御値の比である反力制御ゲインは、前記アクチュエータの変位量が大となるほど大きくなることを特徴とする請求項１５、１６又は１７に記載の接触力制御方法又は接触力制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２０５７７４（Ｐ２０１１−２０５７７４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７００８７（Ｐ２０１０−７００８７）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
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