減衰力調整式シリンダ装置
【課題】 異常を検出するときの誤検出を減らすことができる減衰力調整式シリンダ装置を提供する。
【解決手段】 減衰力可変ダンパ６は、台車３と車体２との間に連結される。減衰力可変ダンパ６には、減衰力特性を調整するアクチュエータ７が搭載されると共に、減衰力可変ダンパ６から車体２に作用する力を検出する力センサ１２が内蔵されている。加速度センサ１３は、車体２に設けられ、上，下方向の車体加速度を検出する。制御装置１４は、正常状態と判定したときは、力センサ１２と加速度センサ１３の検出信号を用いて減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を制御する。一方、制御装置１４は、センサ故障状態と判定したときは、力センサ１２からの検出信号を用いずに、加速度センサ１３の検出信号を用いて減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を制御する。
【解決手段】 減衰力可変ダンパ６は、台車３と車体２との間に連結される。減衰力可変ダンパ６には、減衰力特性を調整するアクチュエータ７が搭載されると共に、減衰力可変ダンパ６から車体２に作用する力を検出する力センサ１２が内蔵されている。加速度センサ１３は、車体２に設けられ、上，下方向の車体加速度を検出する。制御装置１４は、正常状態と判定したときは、力センサ１２と加速度センサ１３の検出信号を用いて減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を制御する。一方、制御装置１４は、センサ故障状態と判定したときは、力センサ１２からの検出信号を用いずに、加速度センサ１３の検出信号を用いて減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鉄道車両、自動車等に用いられる減衰力調整式シリンダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄道車両には車体（ばね上）と台車（ばね下）との間に減衰力調整式緩衝器等のシリンダ装置が設けられ、制御信号（指令電流）に応じて該シリンダ装置による減衰力特性を可変に制御する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のシリンダ装置では、例えば車体の左，右方向の振動をばね上速度、またはばね上加速度として検出し、この検出したばね上速度等に応じて、車体振動を低減させる減衰力を発生させるように、シリンダ装置のアクチュエータに対して制御信号を出力する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２４８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、シリンダ装置の異常を検出する方法として、例えば車体に加わる加速度から振動レベルを求め、この振動レベルの増加によって異常を検出する方法が考えられる。しかし、天候や軌道の状態、あるいは乗客数等によって車両の振動状態が刻々と変化するため、車体加速度からシリンダ装置の異常を検出する方法では、異常か否かを正確に判定することが難しく、誤検出の回避に課題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、異常を検出するときの誤検出を減らすことができる減衰力調整式シリンダ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するため、本発明は、被取付側と路面との間に配置され、作動流体が封入され、内部に摺動可能なピストンが設けられたシリンダと、前記ピストンに連結されると共に前記シリンダの外部に延出されたピストンロッドと、前記ピストンの摺動によって生じる作動流体の流れを制御して減衰力を発生させる減衰力調整機構と、該減衰力調整機構を制御する制御手段と、該制御手段の故障を検出する故障検出手段と、を備えた減衰力調整式シリンダ装置であって、前記制御手段は、被取付側に取付けられ、被取付側に加わる力を検出する検出手段により実減衰力を検出する減衰力検出手段と、被取付側に取付けられる加速度検出手段により減衰力指令値を求める減衰力算出手段と、前記減衰力検出手段と前記減衰力算出手段の出力値から、実減衰力指令値を算出する実減衰力指令値算出手段と、を有し、前記故障検出手段は、前記減衰力検出手段の出力値と前記減衰力算出手段の出力値の差分が所定値を越えたときに故障と判断し、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記実減衰力指令値を算出することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、異常を検出するときの誤検出を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１および第２の実施の形態による減衰力調整式シリンダ装置が適用された鉄道車両を示す正面図である。
【図２】図１中の減衰力可変ダンパを示す正面図である。
【図３】第１の実施の形態においてフィードバック制御を行う場合の制御ブロック図である。
【図４】第１の実施の形態においてフィードフォワード制御を行う場合の制御ブロック図である。
【図５】第１の実施の形態におけるシステムの状態遷移図である。
【図６】第１の実施の形態におけるシステムの状態と制御状態の関係を示す説明図である。
【図７】第１の実施の形態において減衰力可変ダンパの制御用のプログラムを示す流れ図である。
【図８】第１の実施の形態においてフィードバック制御のプログラムを示す流れ図である。
【図９】第１の実施の形態においてフィードフォワード制御のプログラムを示す流れ図である。
【図１０】第２の実施の形態においてフィードフォワード制御を行う場合の制御ブロック図である。
【図１１】第２の実施の形態において減衰力可変ダンパの制御用のプログラムを示す流れ図である。
【図１２】第２の実施の形態においてフィードフォワード制御のプログラムを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態による減衰力調整式シリンダ装置を、鉄道車両に搭載した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１０】
まず、本発明の第１の実施の形態として、例えば流量制御バルブを搭載するセミアクティブダンパを用いた場合について説明する。図１ないし図９は本発明の第１の実施の形態を示している。図１において、鉄道車両１は、例えば乗客、乗員等が乗車する車体２と、車体２の下側に設けられた台車３とを備えている。台車３は、車体２の前，後方向の両側にそれぞれ取付けられ、各台車３には、２つの輪軸４が取付けられている。
【００１１】
台車３は、車体２に対して、鉛直軸回りに回動可能であり、また、上，下方向および左，右方向に一定の変位が可能なように連結されており、各台車３の左，右に設けられた一対のコイルバネ５によって車体２を弾性的に支持している。なお、コイルバネ５の代りに空気バネ等の他のバネ手段を用いて車体２を支持してもよい。
【００１２】
各台車３と車体２との間には、減衰力可変ダンパ６が連結されている。減衰力可変ダンパ６は、各台車３の左，右に配置され、車体２の前後左右（第１軸から第４軸という）の合計４箇所に配置されている。また、各輪軸４は、台車３に対して上，下方向に移動可能に設けられ、これらの間には、軸バネ８および油圧ダンパ９が装着されて台車３を弾性的に支持している。なお、本実施の形態では軸バネ８と並列に油圧ダンパ９を配する例を示したが、油圧ダンパ９を省略してもよい。
【００１３】
各台車３と車体２とを横方向（左，右方向）に対して弾性的に支持するバネおよびダンパ手段（図示せず）が設けられている。なお、台車の方式によっては、ダンパ手段を省略してもよい。さらに、これらの油圧ダンパ９およびダンパ手段は、減衰力可変ダンパ６と同様、減衰力特性を調整可能な減衰可変ダンパとしてもよい。ここでは、説明の簡素化のため、横方向のダンパがない車体において、減衰力可変ダンパ６の減衰力特性のみを制御する場合について説明する。
【００１４】
減衰力可変ダンパ６は、発生する力（減衰力）が調整可能なシリンダ装置、例えばセミアクティブダンパと呼ばれる減衰力調整式の油圧緩衝器を用いて構成されている。このため、減衰力可変ダンパ６は、台車３に対する車体２の上，下方向の振動に対して振動を低減させるような減衰力を発生することにより、車体２の上，下方向の振動を低減するものである。
【００１５】
図２に示すように、減衰力可変ダンパ６は、被取付側となる車体２と路面側となる台車３との間に配置され、作動流体（作動油）が封入された筒状のシリンダ６Ａと、シリンダ６Ａの内部に摺動変位可能に設けられたピストン６Ｂと、一端側（図２の上端側）がシリンダ６Ａの一端から外部に延出されると共に他端側（図２の下端側）がピストン６Ｂに連結されたピストンロッド６Ｃと、ピストンロッド６Ｃの周囲を覆うカバー６Ｄと、ピストン６Ｂを含むシリンダ６Ａ内に設けられ作動流体の流れを抑制して減衰力を発生させる減衰力発生機構（図示せず）とにより大略構成されている。
【００１６】
また、減衰力可変ダンパ６には、減衰力発生機構の調整を外部から行うアクチュエータ７が搭載されている。このアクチュエータ７は、ピストン６Ｂの摺動によって生じる作動流体の流れを制御して減衰力を発生させる減衰力調整機構を構成する。
【００１７】
アクチュエータ７は、例えば流量制御バルブを構成し、発生減衰力の特性（減衰力特性）をハードな特性（硬特性）からソフトな特性（軟特性）に連続的に調整する。具体的には、アクチュエータ７は、例えば電流制御型の比例ソレノイドバルブ等によって構成される。そして、減衰力可変ダンパ６は、アクチュエータ７に流れる電流値に応じて減衰力特性を調節可能としている。なお、減衰力調整用のアクチュエータ７は、減衰力特性を連続的でなくとも、２段階または複数段階に調整可能なものであってもよい。
【００１８】
ピストンロッド６Ｃの突出端には取付ピン１０Ａが設けられると共に、取付ピン１０Ａはボルト１１Ａを用いて車体２に取付けられている。一方、シリンダ６Ａの他端には取付ピン１０Ｂが設けられると共に、取付ピン１０Ｂはボルト１１Ｂを用いて台車３に取付けられている。
【００１９】
また、減衰力可変ダンパ６には、検出手段としての力センサ１２が内蔵されている。力センサ１２は、被取付側となる車体２に加わる力を検出し、その検出信号を後述の制御装置１４に出力する。具体的には、力センサ１２は、例えば取付ピン１０Ａの歪を検出する歪センサを用いて構成される。この場合、歪センサは、取付ピン１０Ａの歪を測定することにより、取付ピン１０Ａが取付けられた被取付側へ伝達する力、即ち、減衰力可変ダンパ６から車体２に作用する力（実減衰力）を直接検出（測定）することができる。
【００２０】
この歪センサとしては、従来から知られているＣｕ−Ｎｉ系合金やＮｉ−Ｃｒ系合金の金属薄膜の配線パターンを用いた歪ゲージを用いてもよく、シリコン等の半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用した半導体歪ゲージを用いてもよい。なお、力センサ１２は、歪センサに限らず、例えばピストンロッド６Ｃの軸方向に作用する圧力を検出する圧電センサ等でもよい。
【００２１】
車体２には、車体加速度として車体２の上，下方向の振動加速度を検出する加速度センサ１３が設けられている。加速度センサ１３は、各減衰力可変ダンパ６に対応した位置で車体加速度を検出し、その検出信号を後述の制御装置１４に出力する。このため、加速度センサ１３は、例えば車体２の下部、即ち、車体２の下面側で各減衰力可変ダンパ６の直上近傍となる位置に取付けられている。なお、加速度センサ１３は、車両の前，後方向両側に設けられた各減衰力可変ダンパ６に対応してそれぞれ設けられているため、一車両当たり（一車体当たり）、合計４個の加速度センサ１３を有する構成となっている。
【００２２】
次に、減衰力可変ダンパ６の発生減衰力の調整（制御）を行う制御手段としての制御装置１４について説明する。
【００２３】
制御装置１４は、例えばマイクロコンピュータ等により構成され、車体２の上，下方向の振動を低減すべく、サンプリング時間毎に例えばスカイフック理論（スカイフック制御則）に基づいて減衰力可変ダンパ６を制御するものである。なお、制御側はＬＱＧ制御則、あるいはＨ∞制御則等によっても構わない。ここで、制御装置１４は、その入力側が力センサ１２、加速度センサ１３等に接続され、出力側が減衰力可変ダンパ６のアクチュエータ７等に接続されている。
【００２４】
また、制御装置１４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる記憶部１４Ａを有している。そして、この記憶部１４Ａには、図７ないし図９に示す減衰力可変ダンパ６の制御用のプログラム等が格納されている。そして、制御装置１４は、後述するフィードバック制御、またはフィードフォワード制御による電流指令値に応じた電流を減衰力可変ダンパ６のアクチュエータ７に出力する。これにより、減衰力可変ダンパ６は、車体２の上，下方向の振動を低減するものである。
【００２５】
図３に、減衰力可変ダンパ６の発生する減衰力をフィードバック制御する場合における制御ブロック図の構成例を示す。
【００２６】
車体加速度取得部２１は、加速度センサ１３からの検出信号が入力され、この検出信号を用いて車体２の上，下方向に作用する車体加速度を求める。このため、加速度センサ１３および車体加速度取得部２１は、加速度検出手段を構成している。
【００２７】
振動制御演算実行部２２は、減衰力指令値を求める減衰力算出手段を構成する。即ち、振動制御演算実行部２２は、車体加速度取得部２１からの車体２の上，下方向の加速度に基づいて、減衰力可変ダンパ６に発生される目標減衰力を減衰力指令値として計算する。具体的には、振動制御演算実行部２２は、車体加速度取得部２１からの車体加速度に従って、スカイフック理論による目標減衰力（スカイフック制御量）を求める。換言すれば、振動制御演算実行部２２は、減衰力可変ダンパ６が発生すべき目標減衰力である、計算上の必要減衰力を算出し、該計算上の必要減衰力の値に応じた減衰力指令の信号を後述のフィードバック制御演算実行部２４に出力する。なお、振動制御演算実行部２２での制御演算は、スカイフック制御に限らず、ＬＱＧ制御、Ｈ∞制御等でもよい。
【００２８】
ダンパ発生力取得部２３は、力センサ１２からの検出信号が入力され、この検出信号を用いて減衰力可変ダンパ６が実際に発生したダンパ発生力を実減衰力として求める。このため、ダンパ発生力取得部２３は減衰力検出手段を構成している。
【００２９】
フィードバック制御演算実行部２４は、振動制御演算実行部２２およびダンパ発生力取得部２３からの出力値から実減衰力指令値を算出する実減衰力指令値算出手段を構成する。即ち、フィードバック制御演算実行部２４は、振動制御演算実行部２２およびダンパ発生力取得部２３からの出力値に基づいて、制御上最適な電流指令を実減衰力指令値として計算する。
【００３０】
ここで、フィードバック制御演算実行部２４は、振動制御演算実行部２２による減衰力指令とダンパ発生力取得部２３によるダンパ発生力の差分Ｕを演算する差分演算部２５と、差分演算部２５の出力に対してＰＩ制御を実行して電流指令を出力するＰＩ制御器２６とを備えている。必要に応じて、ＰＩ制御器２６に代えてＰＩＤ制御器を用いてもよい。
【００３１】
電流駆動部２７は、フィードバック制御演算実行部２４のＰＩ制御器２６からの信号（電流指令）が入力されると、アクチュエータ７に対して制御信号を出力する。より具体的には、電流駆動部２７は、フィードバック制御演算実行部２４から出力される電流指令値に応じて、例えばパルス波のＤＵＴＹ比を変化させるＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）を行なうことで、アクチュエータ７に電流を出力する。
【００３２】
図４に、減衰力可変ダンパ６の発生する減衰力をフィードフォワード制御する場合における制御ブロック図の構成例を示す。
【００３３】
この場合、車体加速度取得部２１から車体２の上，下方向の加速度が入力されると、車体加速度取得部２１からの車体加速度に基づいて、振動制御演算実行部２２は、減衰力可変ダンパ６に発生させる目標減衰係数を減衰係数指令値として計算する。
【００３４】
フィードフォワード制御演算実行部２８は、振動制御演算実行部２２からの減衰係数指令に対してある一定の比例ゲインを乗じて電流指令を生成する比例制御器２９を備える。即ち、フィードフォワード制御演算実行部２８は、減衰係数指令を電流指令に変換し、電流駆動部２７に向けて出力する。比例制御器２９からの信号（電流指令）が入力されると、電流駆動部２７は、アクチュエータ７に対して制御信号を出力する。
【００３５】
ここで、振動制御演算実行部２２での制御演算は、フィードバック制御と同様に、スカイフック制御、ＬＱＧ制御、Ｈ∞制御等でよい。ここで、これらの制御演算の出力が減衰係数指令となるように最適なパラメータを選定することが望ましい。制御演算の出力が減衰力指令となるようなパラメータを使用し、「減衰力指令≒減衰係数」として使用してもよい。また、比例制御器２９は、電流値と減衰係数の関係を示したマップを用いる構成としてもよい。
【００３６】
以上のフィードバック制御とフィードフォワード制御は、減衰力可変ダンパ６、力センサ１２、加速度センサ１３等を含めたシリンダ装置の状態、即ちシステムの状態に応じて切換えられる。そこで、次にシステムの状態と制御状態の関係について図５および図６を参照しつつ説明する。
【００３７】
図５および図６において、システムは電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）、正常状態（ＳＴＡＴＥ２）、センサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）、ダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）の４つの状態をとる。ここで、センサ故障状態とは、力センサ１２の故障であることを指す。
【００３８】
制御装置１４の電源投入時、システムは電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）から正常状態（ＳＴＡＴＥ２）に遷移することで起動し、振動制御演算実行部２２およびダンパ発生力取得部２３からの出力値を用いて、減衰力可変ダンパ６の減衰力をフィードバック制御する。
【００３９】
フィードバック制御の実行中において、フィードバック制御が正常に機能する場合は正常状態（ＳＴＡＴＥ２）を継続し、フィードバック制御に異常がある場合はセンサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）に遷移する。
【００４０】
センサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）では、振動制御演算実行部２２からの出力値を用いて、減衰力可変ダンパ６の減衰力をフィードフォワード制御する。フィードフォワード制御の実行中は、ダンパ異常検出ロジックによって、車体２の上，下方向の加速度である車体加速度の健全性を判定し、車体加速度が正常と判定される間はセンサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）を継続し、車体加速度が異常と判定される場合はダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）に遷移する。
【００４１】
ダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）では、振動制御演算を停止し、フィードフォワード制御とダンパ異常検出ロジックを停止し、電流出力を遮断する。これにより、減衰力可変ダンパ６をパッシブ状態にする。
【００４２】
他状態への遷移は、“電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）から正常状態（ＳＴＡＴＥ２）”、“正常状態（ＳＴＡＴＥ２）からセンサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）”、“センサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）からダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）”、“正常状態（ＳＴＡＴＥ２）から電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）”、“センサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）から電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）”、“ダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）から電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）”の６通りのみであり、正常状態（ＳＴＡＴＥ２）からダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）に直接遷移することはない。
【００４３】
次に、制御装置１４が制御周期毎に実行する減衰力可変ダンパ６の制御用のプログラムについて図７を用いて説明する。
【００４４】
まず、制御装置１４は、ステップ１で、力センサ１２の検出信号を用いてダンパ発生力を取得し、ステップ２で、加速度センサ１３の検出信号を用いて車体２の上下並進、ピッチング、ローリング方向の加速度として、車体加速度を取得する。
【００４５】
続いて、ステップ３では、現在のシステムの状態フラグが正常状態であるか否かを判定する。ステップ３で、状態フラグの値が正常状態であると判定したときには、ステップ４に移行して、減衰力指令用のパラメータを設定し、ステップ５では、ステップ４で設定したパラメータとステップ２で取得した車体加速度とに基づいて、車体加速度を低減させるための減衰力指令を算出する。そして、ステップ６では、フィードバック制御演算処理として、ステップ５で算出した減衰力指令とステップ１で取得したダンパ発生力との差を零とするように電流指令値を演算する。
【００４６】
一方、ステップ３で、状態フラグが正常状態以外であると判定したときには、ステップ８で状態フラグがダンパ異常であるか否かを判定する。ステップ８で、ダンパ異常状態と判定したときには、アクチュエータ７に出力する電流出力を停止して減衰力可変ダンパ６をパッシブ状態にするために、ステップ９に移行して、電流指令を零に設定する。
【００４７】
一方、ステップ８でダンパ異常状態以外、即ちセンサ故障状態と判定したときには、ステップ１０に移行して、ダンパ異常か否かを検出するためのダンパ異常検出処理を実行する。ステップ１０で、減衰力可変ダンパ６やアクチュエータ７に異常が生じたダンパ異常を検出したときには、システムの状態フラグをダンパ異常状態の値に設定する。一方、ステップ１０でダンパ異常状態以外と判定したときには、システムの状態フラグをセンサ故障状態の値に設定する。
【００４８】
続くステップ１１では、減衰係数指令用のパラメータを設定し、ステップ１２では、ステップ１１で設定したパラメータとステップ２で取得した車体加速度とに基づいて、車体加速度を低減させるための減衰係数指令を算出する。そして、ステップ１３では、フィードフォワード制御演算処理として、ステップ１２で算出した減衰係数指令に比例した電流指令値を演算する。
【００４９】
最後に、ステップ７では、ステップ６，９，１３で算出された電流指令値通りの電流値を減衰力可変ダンパ６のアクチュエータ７に出力する。
【００５０】
なお、ステップ１０のダンパ異常検出処理は、車体加速度の絶対値や車体加速度のパワー、車体加速度から求められる車両のピッチング運動やロール運動等の増加を、速度や地点によって変化し得る閾値によって判定するものである。ステップ１０のダンパ異常検出処理は、ステップ３とステップ８との間に実行してもよく、ステップ２とステップ３との間に実行してもよい。ステップ８以前にダンパ異常検出処理を実行した場合には、ダンパ異常の検知に必要な判断時間を短縮することができる。
【００５１】
次に、図７中のステップ６に示すフィードバック制御演算処理について図８を用いて説明する。
【００５２】
まず、ステップ２１では、ステップ５で算出した減衰力指令とステップ１で取得したダンパ発生力との差分Ｕを演算する。続くステップ２２では、差分Ｕに対して比例ゲインを乗じた比例値Ｐを演算し、ステップ２３では、差分Ｕに積分ゲインを乗じたものを毎周期積算した積分値Ｉを演算する。
【００５３】
続いて、ステップ２４ではカウンタＫが１００以上か否かを判定する。ステップ２４でカウンタＫが１００以上（Ｋ≧１００）であると判定したときには、ステップ２５でカウンタＫの値を零にリセットし（Ｋ＝０）、ステップ２６に移行する。
【００５４】
一方、ステップ２４でカウンタＫが１００よりも小さい（Ｋ＜１００）と判定したときには、ステップ２６に移行して、このときの積分値Ｉの絶対値をカウンタＫにおける乖離値Ｈ（Ｋ）として記憶部１４Ａに格納する。続くステップ２７では、記憶部１４Ａに格納されたカウンタＫが零（Ｋ＝０）から９９（Ｋ＝９９）までの乖離値Ｈ（Ｋ）を積算する。即ち、ステップ２７では、過去１００周期分の乖離値Ｈ（Ｋ）を積算し、積算乖離値ＳＵＭを算出する。その後、ステップ２８でカウンタＫの値を１つ増加させ、ステップ２９に移行する。
【００５５】
ステップ２９では、積算乖離値ＳＵＭが予め決められた閾値以上か否かを判定する。ステップ２９で積算乖離値ＳＵＭが閾値以上であると判定したときには、ステップ３０に移行して、システムの状態フラグをセンサ故障状態の値に設定する。一方、ステップ２９で積算乖離値ＳＵＭが閾値よりも小さいと判定したときには、ステップ３１に移行して、システムの状態フラグを正常状態の値に設定する。
【００５６】
ステップ３０，３１が終了すると、ステップ３２に移行して、電流指令を比例値Ｐと積分値Ｉとの加算値に設定する。
【００５７】
なお、ステップ２４〜３１がフィードバック制御の健全性を確認するロジックである。このロジックは、ダンパ発生力と減衰力指令の乖離が一定時間以上連続して続く場合に、フィードバック制御の異常と判定するロジックである。ダンパ発生力と減衰力指令の乖離が判定できるのであれば、ステップ２４〜３１以外の判定方法を採用することも可能である。
【００５８】
また、ステップ２４〜３１では、１００周期分の乖離値Ｈ（Ｋ）に基づいて、フィードバック制御の異常か否かを判定する構成としたが、判定に必要な周期数は１００周期以下でもよく、１００周期以上でもよく、判定精度等を考慮して適宜設定される。例えばダンパ発生力や減衰力指令を高精度に求めることができるのであれば、判定に必要な周期数は１周期でもよい。
【００５９】
次に、図７中のステップ１３に示すフィードフォワード制御演算処理について図９を用いて説明する。
【００６０】
ステップ４１では、ステップ１２で算出した減衰係数指令に比例ゲインを乗じて電流指令値を求める。なお、ステップ２２で用いられる比例ゲインとステップ４１で用いられる比例ゲインは別のパラメータである。
【００６１】
以上のように、本実施の形態によれば、制御装置１４は正常状態（ＳＴＡＴＥ２）においては車体加速度から異常検出を行なわないことから、正常状態において車体加速度取得部２１による車体加速度から異常を検出する場合に比べて、天候や軌道等の影響を低減することができ、誤検出を減らすことができる。
【００６２】
また、制御装置１４がセンサ故障状態と判断したときには、フィードフォワード制御を実行し、ダンパ発生力取得部２３によるダンパ発生力を用いずに実減衰力指令値としての電流指令を算出する。具体的には、力センサ１２の故障を検出した後は、ダンパ発生力取得部２３によるダンパ発生力を用いずに、車体加速度取得部２１による車体加速度を用いて電流指令を算出する。このため、例えば力センサ１２に異常が生じたときでも、力センサ１２を用いることなく、車体加速度取得部２１による車体加速度を用いたフィードフォワード制御によって、減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を制御することができる。この結果、例えば力センサ１２の異常時に減衰力可変ダンパ６をパッシブ状態にする場合に比べて、乗り心地の低下を最小限に抑えることができる。
【００６３】
また、制御装置１４は車体加速度取得部２１による車体加速度に基づいて力センサ１２の故障を検知するから、力センサ１２の異常と減衰力可変ダンパ６等の異常を判別することができる。このため、異常検出の精度が向上すると共に、それぞれの異常状態に応じて減衰力特性の制御を行うことができる。
【００６４】
これに加え、例えば減衰力可変ダンパ６の異常では、車両の減衰力可変ダンパ６を取外して検査、交換する作業が伴うが、力センサ１２の異常では、減衰力可変ダンパ６を取外す必要がない。このため、センサ故障状態かダンパ異常状態かを判別することによって、列車運用や整備性を向上することができる。
【００６５】
次に、図１０ないし図１２は本発明の第２の実施の形態を示している。本実施の形態の特徴は、例えば圧力制御バルブを搭載するセミアクティブダンパを用いる構成としたことにある。なお、本実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００６６】
第２の実施の形態では、減衰力可変ダンパ６のアクチュエータ３１は、圧力制御バルブを構成する点で、第１の実施の形態によるアクチュエータ７とは異なる。また、第２の実施の形態による制御装置１４では、フィードフォワード制御における振動制御演算実行部３２が減衰力可変ダンパ６に発生させる減衰力を計算する。これに伴い、フィードフォワード制御演算実行部２８の比例制御器３３は、減衰力指令を電流指令に変換し、電流駆動部２７に向けて出力する。この点で、第１の実施の形態による振動制御演算実行部２２や比例制御器２９とは異なる。その他の構成は、図１ないし図４に示す第１の実施の形態と同一である。
【００６７】
次に、制御装置１４が制御周期毎に実行する減衰力可変ダンパ６の制御用のプログラムについて図１１を用いて説明する。
【００６８】
圧力制御バルブを搭載した減衰力可変ダンパ６を用いた場合、第１の実施の形態では、減衰係数に比例した電流指令を生成するために行っていた処理（ステップ１１〜１３）が、減衰力に比例した電流指令を生成するための処理（ステップ５１〜５３）に入れ替わる。その他の構成は、図７に示す第１の実施の形態と同一である。
【００６９】
また、図１１中のステップ５３のフィードフォワード制御演算処理について図１２を用いて説明する。圧力制御バルブを搭載した減衰力可変ダンパ６を用いた場合、ステップ６１で、ステップ５２で算出した減衰力指令に比例ゲインを乗じて電流指令値を求める。
【００７０】
かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【００７１】
なお、前記各実施の形態では、図７、図１１中のステップ３〜１３、および図８中のステップ２１〜３１が故障検出手段の具体例を示し、図７、図１１中のステップ８，１０が原因判断手段の具体例を示している。
【００７２】
また、前記各実施の形態では、減衰力可変ダンパ６により車体２の上，下方向の振動を低減するように構成した場合を例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、ダンパにより車体の左，右方向の振動を低減するように構成してもよい。
【００７３】
さらに、前記各実施の形態では、減衰力調整式シリンダ装置を鉄道車両１に適用した場合を例に挙げて説明したが、自動車等の他の車両に適用してもよい。
【００７４】
次に、前記各実施の形態に含まれる発明について記載する。本発明によれば、制御手段は、被取付側に取付けられ、被取付側に加わる力を検出する検出手段により実減衰力を検出する減衰力検出手段と、被取付側に取付けられる加速度検出手段により減衰力指令値を求める減衰力算出手段と、前記減衰力検出手段と前記減衰力算出手段の出力値から、実減衰力指令値を算出する実減衰力指令値算出手段と、を有し、故障検出手段は、前記減衰力検出手段の出力値と前記減衰力算出手段の出力値の差分が所定値を越えたときに故障と判断し、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記実減衰力指令値を算出する構成とした。これにより、正常状態においては、減衰力検出手段の出力値と減衰力算出手段の出力値の差分による故障判定のみを実行し、車体加速度から異常検出を実行しないことから、正常状態においても加速度検出手段による車体加速度から異常を検出する場合に比べて、天候や軌道等の影響を低減することができ、誤検出を減らすことができる。
【００７５】
また、故障検出手段が故障と判断したときには、減衰力検出手段の出力値を用いずに実減衰力指令値を算出するから、例えば検出手段に異常が生じたときでも、検出手段および減衰力検出手段を用いずに実減衰力指令値を算出して減衰力を調整することができる。
【００７６】
また、本発明によれば、故障検出手段は、故障原因を判断する原因判断手段を備え、前記原因判断手段は、前記加速度検出手段による検出値により前記検出手段の故障を検知する構成とした。これにより、原因判断手段は加速度検出手段による出力値により検出手段の故障を検知するから、検出手段の異常とシリンダ等の異常を判別することができる。このため、異常検出の精度が向上すると共に、それぞれの異常状態に応じて減衰力特性の制御を行うことができる。
【００７７】
また、本発明によれば、前記検出手段の故障を検出した後は、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記加速度検出手段による検出値を用いて前記実減衰力指令値を算出する構成とした。このため、検出手段に異常が生じたときでも、検出手段を用いることなく、加速度検出手段による検出値を用いたフィードフォワード制御によって減衰力特性の制御を行うことができ、乗り心地の低下を最小限に抑えることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 鉄道車両
２ 車体（被取付側）
６ 減衰力可変ダンパ
６Ａ シリンダ
６Ｂ ピストン
６Ｃ ピストンロッド
７，３１ アクチュエータ（減衰力調整機構）
１２ 力センサ（検出手段）
１３ 加速度センサ
１４ 制御装置（制御手段）
２１ 車体加速度取得部（加速度検出手段）
２２，３２ 振動制御演算実行部（減衰力算出手段）
２３ ダンパ発生力取得部（減衰力検出手段）
２４ フィードバック制御演算実行部（実減衰力指令値算出手段）
２８ フィードフォワード制御演算実行部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鉄道車両、自動車等に用いられる減衰力調整式シリンダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄道車両には車体（ばね上）と台車（ばね下）との間に減衰力調整式緩衝器等のシリンダ装置が設けられ、制御信号（指令電流）に応じて該シリンダ装置による減衰力特性を可変に制御する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のシリンダ装置では、例えば車体の左，右方向の振動をばね上速度、またはばね上加速度として検出し、この検出したばね上速度等に応じて、車体振動を低減させる減衰力を発生させるように、シリンダ装置のアクチュエータに対して制御信号を出力する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２４８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、シリンダ装置の異常を検出する方法として、例えば車体に加わる加速度から振動レベルを求め、この振動レベルの増加によって異常を検出する方法が考えられる。しかし、天候や軌道の状態、あるいは乗客数等によって車両の振動状態が刻々と変化するため、車体加速度からシリンダ装置の異常を検出する方法では、異常か否かを正確に判定することが難しく、誤検出の回避に課題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、異常を検出するときの誤検出を減らすことができる減衰力調整式シリンダ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するため、本発明は、被取付側と路面との間に配置され、作動流体が封入され、内部に摺動可能なピストンが設けられたシリンダと、前記ピストンに連結されると共に前記シリンダの外部に延出されたピストンロッドと、前記ピストンの摺動によって生じる作動流体の流れを制御して減衰力を発生させる減衰力調整機構と、該減衰力調整機構を制御する制御手段と、該制御手段の故障を検出する故障検出手段と、を備えた減衰力調整式シリンダ装置であって、前記制御手段は、被取付側に取付けられ、被取付側に加わる力を検出する検出手段により実減衰力を検出する減衰力検出手段と、被取付側に取付けられる加速度検出手段により減衰力指令値を求める減衰力算出手段と、前記減衰力検出手段と前記減衰力算出手段の出力値から、実減衰力指令値を算出する実減衰力指令値算出手段と、を有し、前記故障検出手段は、前記減衰力検出手段の出力値と前記減衰力算出手段の出力値の差分が所定値を越えたときに故障と判断し、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記実減衰力指令値を算出することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、異常を検出するときの誤検出を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１および第２の実施の形態による減衰力調整式シリンダ装置が適用された鉄道車両を示す正面図である。
【図２】図１中の減衰力可変ダンパを示す正面図である。
【図３】第１の実施の形態においてフィードバック制御を行う場合の制御ブロック図である。
【図４】第１の実施の形態においてフィードフォワード制御を行う場合の制御ブロック図である。
【図５】第１の実施の形態におけるシステムの状態遷移図である。
【図６】第１の実施の形態におけるシステムの状態と制御状態の関係を示す説明図である。
【図７】第１の実施の形態において減衰力可変ダンパの制御用のプログラムを示す流れ図である。
【図８】第１の実施の形態においてフィードバック制御のプログラムを示す流れ図である。
【図９】第１の実施の形態においてフィードフォワード制御のプログラムを示す流れ図である。
【図１０】第２の実施の形態においてフィードフォワード制御を行う場合の制御ブロック図である。
【図１１】第２の実施の形態において減衰力可変ダンパの制御用のプログラムを示す流れ図である。
【図１２】第２の実施の形態においてフィードフォワード制御のプログラムを示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態による減衰力調整式シリンダ装置を、鉄道車両に搭載した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１０】
まず、本発明の第１の実施の形態として、例えば流量制御バルブを搭載するセミアクティブダンパを用いた場合について説明する。図１ないし図９は本発明の第１の実施の形態を示している。図１において、鉄道車両１は、例えば乗客、乗員等が乗車する車体２と、車体２の下側に設けられた台車３とを備えている。台車３は、車体２の前，後方向の両側にそれぞれ取付けられ、各台車３には、２つの輪軸４が取付けられている。
【００１１】
台車３は、車体２に対して、鉛直軸回りに回動可能であり、また、上，下方向および左，右方向に一定の変位が可能なように連結されており、各台車３の左，右に設けられた一対のコイルバネ５によって車体２を弾性的に支持している。なお、コイルバネ５の代りに空気バネ等の他のバネ手段を用いて車体２を支持してもよい。
【００１２】
各台車３と車体２との間には、減衰力可変ダンパ６が連結されている。減衰力可変ダンパ６は、各台車３の左，右に配置され、車体２の前後左右（第１軸から第４軸という）の合計４箇所に配置されている。また、各輪軸４は、台車３に対して上，下方向に移動可能に設けられ、これらの間には、軸バネ８および油圧ダンパ９が装着されて台車３を弾性的に支持している。なお、本実施の形態では軸バネ８と並列に油圧ダンパ９を配する例を示したが、油圧ダンパ９を省略してもよい。
【００１３】
各台車３と車体２とを横方向（左，右方向）に対して弾性的に支持するバネおよびダンパ手段（図示せず）が設けられている。なお、台車の方式によっては、ダンパ手段を省略してもよい。さらに、これらの油圧ダンパ９およびダンパ手段は、減衰力可変ダンパ６と同様、減衰力特性を調整可能な減衰可変ダンパとしてもよい。ここでは、説明の簡素化のため、横方向のダンパがない車体において、減衰力可変ダンパ６の減衰力特性のみを制御する場合について説明する。
【００１４】
減衰力可変ダンパ６は、発生する力（減衰力）が調整可能なシリンダ装置、例えばセミアクティブダンパと呼ばれる減衰力調整式の油圧緩衝器を用いて構成されている。このため、減衰力可変ダンパ６は、台車３に対する車体２の上，下方向の振動に対して振動を低減させるような減衰力を発生することにより、車体２の上，下方向の振動を低減するものである。
【００１５】
図２に示すように、減衰力可変ダンパ６は、被取付側となる車体２と路面側となる台車３との間に配置され、作動流体（作動油）が封入された筒状のシリンダ６Ａと、シリンダ６Ａの内部に摺動変位可能に設けられたピストン６Ｂと、一端側（図２の上端側）がシリンダ６Ａの一端から外部に延出されると共に他端側（図２の下端側）がピストン６Ｂに連結されたピストンロッド６Ｃと、ピストンロッド６Ｃの周囲を覆うカバー６Ｄと、ピストン６Ｂを含むシリンダ６Ａ内に設けられ作動流体の流れを抑制して減衰力を発生させる減衰力発生機構（図示せず）とにより大略構成されている。
【００１６】
また、減衰力可変ダンパ６には、減衰力発生機構の調整を外部から行うアクチュエータ７が搭載されている。このアクチュエータ７は、ピストン６Ｂの摺動によって生じる作動流体の流れを制御して減衰力を発生させる減衰力調整機構を構成する。
【００１７】
アクチュエータ７は、例えば流量制御バルブを構成し、発生減衰力の特性（減衰力特性）をハードな特性（硬特性）からソフトな特性（軟特性）に連続的に調整する。具体的には、アクチュエータ７は、例えば電流制御型の比例ソレノイドバルブ等によって構成される。そして、減衰力可変ダンパ６は、アクチュエータ７に流れる電流値に応じて減衰力特性を調節可能としている。なお、減衰力調整用のアクチュエータ７は、減衰力特性を連続的でなくとも、２段階または複数段階に調整可能なものであってもよい。
【００１８】
ピストンロッド６Ｃの突出端には取付ピン１０Ａが設けられると共に、取付ピン１０Ａはボルト１１Ａを用いて車体２に取付けられている。一方、シリンダ６Ａの他端には取付ピン１０Ｂが設けられると共に、取付ピン１０Ｂはボルト１１Ｂを用いて台車３に取付けられている。
【００１９】
また、減衰力可変ダンパ６には、検出手段としての力センサ１２が内蔵されている。力センサ１２は、被取付側となる車体２に加わる力を検出し、その検出信号を後述の制御装置１４に出力する。具体的には、力センサ１２は、例えば取付ピン１０Ａの歪を検出する歪センサを用いて構成される。この場合、歪センサは、取付ピン１０Ａの歪を測定することにより、取付ピン１０Ａが取付けられた被取付側へ伝達する力、即ち、減衰力可変ダンパ６から車体２に作用する力（実減衰力）を直接検出（測定）することができる。
【００２０】
この歪センサとしては、従来から知られているＣｕ−Ｎｉ系合金やＮｉ−Ｃｒ系合金の金属薄膜の配線パターンを用いた歪ゲージを用いてもよく、シリコン等の半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用した半導体歪ゲージを用いてもよい。なお、力センサ１２は、歪センサに限らず、例えばピストンロッド６Ｃの軸方向に作用する圧力を検出する圧電センサ等でもよい。
【００２１】
車体２には、車体加速度として車体２の上，下方向の振動加速度を検出する加速度センサ１３が設けられている。加速度センサ１３は、各減衰力可変ダンパ６に対応した位置で車体加速度を検出し、その検出信号を後述の制御装置１４に出力する。このため、加速度センサ１３は、例えば車体２の下部、即ち、車体２の下面側で各減衰力可変ダンパ６の直上近傍となる位置に取付けられている。なお、加速度センサ１３は、車両の前，後方向両側に設けられた各減衰力可変ダンパ６に対応してそれぞれ設けられているため、一車両当たり（一車体当たり）、合計４個の加速度センサ１３を有する構成となっている。
【００２２】
次に、減衰力可変ダンパ６の発生減衰力の調整（制御）を行う制御手段としての制御装置１４について説明する。
【００２３】
制御装置１４は、例えばマイクロコンピュータ等により構成され、車体２の上，下方向の振動を低減すべく、サンプリング時間毎に例えばスカイフック理論（スカイフック制御則）に基づいて減衰力可変ダンパ６を制御するものである。なお、制御側はＬＱＧ制御則、あるいはＨ∞制御則等によっても構わない。ここで、制御装置１４は、その入力側が力センサ１２、加速度センサ１３等に接続され、出力側が減衰力可変ダンパ６のアクチュエータ７等に接続されている。
【００２４】
また、制御装置１４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる記憶部１４Ａを有している。そして、この記憶部１４Ａには、図７ないし図９に示す減衰力可変ダンパ６の制御用のプログラム等が格納されている。そして、制御装置１４は、後述するフィードバック制御、またはフィードフォワード制御による電流指令値に応じた電流を減衰力可変ダンパ６のアクチュエータ７に出力する。これにより、減衰力可変ダンパ６は、車体２の上，下方向の振動を低減するものである。
【００２５】
図３に、減衰力可変ダンパ６の発生する減衰力をフィードバック制御する場合における制御ブロック図の構成例を示す。
【００２６】
車体加速度取得部２１は、加速度センサ１３からの検出信号が入力され、この検出信号を用いて車体２の上，下方向に作用する車体加速度を求める。このため、加速度センサ１３および車体加速度取得部２１は、加速度検出手段を構成している。
【００２７】
振動制御演算実行部２２は、減衰力指令値を求める減衰力算出手段を構成する。即ち、振動制御演算実行部２２は、車体加速度取得部２１からの車体２の上，下方向の加速度に基づいて、減衰力可変ダンパ６に発生される目標減衰力を減衰力指令値として計算する。具体的には、振動制御演算実行部２２は、車体加速度取得部２１からの車体加速度に従って、スカイフック理論による目標減衰力（スカイフック制御量）を求める。換言すれば、振動制御演算実行部２２は、減衰力可変ダンパ６が発生すべき目標減衰力である、計算上の必要減衰力を算出し、該計算上の必要減衰力の値に応じた減衰力指令の信号を後述のフィードバック制御演算実行部２４に出力する。なお、振動制御演算実行部２２での制御演算は、スカイフック制御に限らず、ＬＱＧ制御、Ｈ∞制御等でもよい。
【００２８】
ダンパ発生力取得部２３は、力センサ１２からの検出信号が入力され、この検出信号を用いて減衰力可変ダンパ６が実際に発生したダンパ発生力を実減衰力として求める。このため、ダンパ発生力取得部２３は減衰力検出手段を構成している。
【００２９】
フィードバック制御演算実行部２４は、振動制御演算実行部２２およびダンパ発生力取得部２３からの出力値から実減衰力指令値を算出する実減衰力指令値算出手段を構成する。即ち、フィードバック制御演算実行部２４は、振動制御演算実行部２２およびダンパ発生力取得部２３からの出力値に基づいて、制御上最適な電流指令を実減衰力指令値として計算する。
【００３０】
ここで、フィードバック制御演算実行部２４は、振動制御演算実行部２２による減衰力指令とダンパ発生力取得部２３によるダンパ発生力の差分Ｕを演算する差分演算部２５と、差分演算部２５の出力に対してＰＩ制御を実行して電流指令を出力するＰＩ制御器２６とを備えている。必要に応じて、ＰＩ制御器２６に代えてＰＩＤ制御器を用いてもよい。
【００３１】
電流駆動部２７は、フィードバック制御演算実行部２４のＰＩ制御器２６からの信号（電流指令）が入力されると、アクチュエータ７に対して制御信号を出力する。より具体的には、電流駆動部２７は、フィードバック制御演算実行部２４から出力される電流指令値に応じて、例えばパルス波のＤＵＴＹ比を変化させるＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）を行なうことで、アクチュエータ７に電流を出力する。
【００３２】
図４に、減衰力可変ダンパ６の発生する減衰力をフィードフォワード制御する場合における制御ブロック図の構成例を示す。
【００３３】
この場合、車体加速度取得部２１から車体２の上，下方向の加速度が入力されると、車体加速度取得部２１からの車体加速度に基づいて、振動制御演算実行部２２は、減衰力可変ダンパ６に発生させる目標減衰係数を減衰係数指令値として計算する。
【００３４】
フィードフォワード制御演算実行部２８は、振動制御演算実行部２２からの減衰係数指令に対してある一定の比例ゲインを乗じて電流指令を生成する比例制御器２９を備える。即ち、フィードフォワード制御演算実行部２８は、減衰係数指令を電流指令に変換し、電流駆動部２７に向けて出力する。比例制御器２９からの信号（電流指令）が入力されると、電流駆動部２７は、アクチュエータ７に対して制御信号を出力する。
【００３５】
ここで、振動制御演算実行部２２での制御演算は、フィードバック制御と同様に、スカイフック制御、ＬＱＧ制御、Ｈ∞制御等でよい。ここで、これらの制御演算の出力が減衰係数指令となるように最適なパラメータを選定することが望ましい。制御演算の出力が減衰力指令となるようなパラメータを使用し、「減衰力指令≒減衰係数」として使用してもよい。また、比例制御器２９は、電流値と減衰係数の関係を示したマップを用いる構成としてもよい。
【００３６】
以上のフィードバック制御とフィードフォワード制御は、減衰力可変ダンパ６、力センサ１２、加速度センサ１３等を含めたシリンダ装置の状態、即ちシステムの状態に応じて切換えられる。そこで、次にシステムの状態と制御状態の関係について図５および図６を参照しつつ説明する。
【００３７】
図５および図６において、システムは電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）、正常状態（ＳＴＡＴＥ２）、センサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）、ダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）の４つの状態をとる。ここで、センサ故障状態とは、力センサ１２の故障であることを指す。
【００３８】
制御装置１４の電源投入時、システムは電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）から正常状態（ＳＴＡＴＥ２）に遷移することで起動し、振動制御演算実行部２２およびダンパ発生力取得部２３からの出力値を用いて、減衰力可変ダンパ６の減衰力をフィードバック制御する。
【００３９】
フィードバック制御の実行中において、フィードバック制御が正常に機能する場合は正常状態（ＳＴＡＴＥ２）を継続し、フィードバック制御に異常がある場合はセンサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）に遷移する。
【００４０】
センサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）では、振動制御演算実行部２２からの出力値を用いて、減衰力可変ダンパ６の減衰力をフィードフォワード制御する。フィードフォワード制御の実行中は、ダンパ異常検出ロジックによって、車体２の上，下方向の加速度である車体加速度の健全性を判定し、車体加速度が正常と判定される間はセンサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）を継続し、車体加速度が異常と判定される場合はダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）に遷移する。
【００４１】
ダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）では、振動制御演算を停止し、フィードフォワード制御とダンパ異常検出ロジックを停止し、電流出力を遮断する。これにより、減衰力可変ダンパ６をパッシブ状態にする。
【００４２】
他状態への遷移は、“電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）から正常状態（ＳＴＡＴＥ２）”、“正常状態（ＳＴＡＴＥ２）からセンサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）”、“センサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）からダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）”、“正常状態（ＳＴＡＴＥ２）から電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）”、“センサ故障状態（ＳＴＡＴＥ３）から電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）”、“ダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）から電源遮断状態（ＳＴＡＴＥ１）”の６通りのみであり、正常状態（ＳＴＡＴＥ２）からダンパ異常状態（ＳＴＡＴＥ４）に直接遷移することはない。
【００４３】
次に、制御装置１４が制御周期毎に実行する減衰力可変ダンパ６の制御用のプログラムについて図７を用いて説明する。
【００４４】
まず、制御装置１４は、ステップ１で、力センサ１２の検出信号を用いてダンパ発生力を取得し、ステップ２で、加速度センサ１３の検出信号を用いて車体２の上下並進、ピッチング、ローリング方向の加速度として、車体加速度を取得する。
【００４５】
続いて、ステップ３では、現在のシステムの状態フラグが正常状態であるか否かを判定する。ステップ３で、状態フラグの値が正常状態であると判定したときには、ステップ４に移行して、減衰力指令用のパラメータを設定し、ステップ５では、ステップ４で設定したパラメータとステップ２で取得した車体加速度とに基づいて、車体加速度を低減させるための減衰力指令を算出する。そして、ステップ６では、フィードバック制御演算処理として、ステップ５で算出した減衰力指令とステップ１で取得したダンパ発生力との差を零とするように電流指令値を演算する。
【００４６】
一方、ステップ３で、状態フラグが正常状態以外であると判定したときには、ステップ８で状態フラグがダンパ異常であるか否かを判定する。ステップ８で、ダンパ異常状態と判定したときには、アクチュエータ７に出力する電流出力を停止して減衰力可変ダンパ６をパッシブ状態にするために、ステップ９に移行して、電流指令を零に設定する。
【００４７】
一方、ステップ８でダンパ異常状態以外、即ちセンサ故障状態と判定したときには、ステップ１０に移行して、ダンパ異常か否かを検出するためのダンパ異常検出処理を実行する。ステップ１０で、減衰力可変ダンパ６やアクチュエータ７に異常が生じたダンパ異常を検出したときには、システムの状態フラグをダンパ異常状態の値に設定する。一方、ステップ１０でダンパ異常状態以外と判定したときには、システムの状態フラグをセンサ故障状態の値に設定する。
【００４８】
続くステップ１１では、減衰係数指令用のパラメータを設定し、ステップ１２では、ステップ１１で設定したパラメータとステップ２で取得した車体加速度とに基づいて、車体加速度を低減させるための減衰係数指令を算出する。そして、ステップ１３では、フィードフォワード制御演算処理として、ステップ１２で算出した減衰係数指令に比例した電流指令値を演算する。
【００４９】
最後に、ステップ７では、ステップ６，９，１３で算出された電流指令値通りの電流値を減衰力可変ダンパ６のアクチュエータ７に出力する。
【００５０】
なお、ステップ１０のダンパ異常検出処理は、車体加速度の絶対値や車体加速度のパワー、車体加速度から求められる車両のピッチング運動やロール運動等の増加を、速度や地点によって変化し得る閾値によって判定するものである。ステップ１０のダンパ異常検出処理は、ステップ３とステップ８との間に実行してもよく、ステップ２とステップ３との間に実行してもよい。ステップ８以前にダンパ異常検出処理を実行した場合には、ダンパ異常の検知に必要な判断時間を短縮することができる。
【００５１】
次に、図７中のステップ６に示すフィードバック制御演算処理について図８を用いて説明する。
【００５２】
まず、ステップ２１では、ステップ５で算出した減衰力指令とステップ１で取得したダンパ発生力との差分Ｕを演算する。続くステップ２２では、差分Ｕに対して比例ゲインを乗じた比例値Ｐを演算し、ステップ２３では、差分Ｕに積分ゲインを乗じたものを毎周期積算した積分値Ｉを演算する。
【００５３】
続いて、ステップ２４ではカウンタＫが１００以上か否かを判定する。ステップ２４でカウンタＫが１００以上（Ｋ≧１００）であると判定したときには、ステップ２５でカウンタＫの値を零にリセットし（Ｋ＝０）、ステップ２６に移行する。
【００５４】
一方、ステップ２４でカウンタＫが１００よりも小さい（Ｋ＜１００）と判定したときには、ステップ２６に移行して、このときの積分値Ｉの絶対値をカウンタＫにおける乖離値Ｈ（Ｋ）として記憶部１４Ａに格納する。続くステップ２７では、記憶部１４Ａに格納されたカウンタＫが零（Ｋ＝０）から９９（Ｋ＝９９）までの乖離値Ｈ（Ｋ）を積算する。即ち、ステップ２７では、過去１００周期分の乖離値Ｈ（Ｋ）を積算し、積算乖離値ＳＵＭを算出する。その後、ステップ２８でカウンタＫの値を１つ増加させ、ステップ２９に移行する。
【００５５】
ステップ２９では、積算乖離値ＳＵＭが予め決められた閾値以上か否かを判定する。ステップ２９で積算乖離値ＳＵＭが閾値以上であると判定したときには、ステップ３０に移行して、システムの状態フラグをセンサ故障状態の値に設定する。一方、ステップ２９で積算乖離値ＳＵＭが閾値よりも小さいと判定したときには、ステップ３１に移行して、システムの状態フラグを正常状態の値に設定する。
【００５６】
ステップ３０，３１が終了すると、ステップ３２に移行して、電流指令を比例値Ｐと積分値Ｉとの加算値に設定する。
【００５７】
なお、ステップ２４〜３１がフィードバック制御の健全性を確認するロジックである。このロジックは、ダンパ発生力と減衰力指令の乖離が一定時間以上連続して続く場合に、フィードバック制御の異常と判定するロジックである。ダンパ発生力と減衰力指令の乖離が判定できるのであれば、ステップ２４〜３１以外の判定方法を採用することも可能である。
【００５８】
また、ステップ２４〜３１では、１００周期分の乖離値Ｈ（Ｋ）に基づいて、フィードバック制御の異常か否かを判定する構成としたが、判定に必要な周期数は１００周期以下でもよく、１００周期以上でもよく、判定精度等を考慮して適宜設定される。例えばダンパ発生力や減衰力指令を高精度に求めることができるのであれば、判定に必要な周期数は１周期でもよい。
【００５９】
次に、図７中のステップ１３に示すフィードフォワード制御演算処理について図９を用いて説明する。
【００６０】
ステップ４１では、ステップ１２で算出した減衰係数指令に比例ゲインを乗じて電流指令値を求める。なお、ステップ２２で用いられる比例ゲインとステップ４１で用いられる比例ゲインは別のパラメータである。
【００６１】
以上のように、本実施の形態によれば、制御装置１４は正常状態（ＳＴＡＴＥ２）においては車体加速度から異常検出を行なわないことから、正常状態において車体加速度取得部２１による車体加速度から異常を検出する場合に比べて、天候や軌道等の影響を低減することができ、誤検出を減らすことができる。
【００６２】
また、制御装置１４がセンサ故障状態と判断したときには、フィードフォワード制御を実行し、ダンパ発生力取得部２３によるダンパ発生力を用いずに実減衰力指令値としての電流指令を算出する。具体的には、力センサ１２の故障を検出した後は、ダンパ発生力取得部２３によるダンパ発生力を用いずに、車体加速度取得部２１による車体加速度を用いて電流指令を算出する。このため、例えば力センサ１２に異常が生じたときでも、力センサ１２を用いることなく、車体加速度取得部２１による車体加速度を用いたフィードフォワード制御によって、減衰力可変ダンパ６の減衰力特性を制御することができる。この結果、例えば力センサ１２の異常時に減衰力可変ダンパ６をパッシブ状態にする場合に比べて、乗り心地の低下を最小限に抑えることができる。
【００６３】
また、制御装置１４は車体加速度取得部２１による車体加速度に基づいて力センサ１２の故障を検知するから、力センサ１２の異常と減衰力可変ダンパ６等の異常を判別することができる。このため、異常検出の精度が向上すると共に、それぞれの異常状態に応じて減衰力特性の制御を行うことができる。
【００６４】
これに加え、例えば減衰力可変ダンパ６の異常では、車両の減衰力可変ダンパ６を取外して検査、交換する作業が伴うが、力センサ１２の異常では、減衰力可変ダンパ６を取外す必要がない。このため、センサ故障状態かダンパ異常状態かを判別することによって、列車運用や整備性を向上することができる。
【００６５】
次に、図１０ないし図１２は本発明の第２の実施の形態を示している。本実施の形態の特徴は、例えば圧力制御バルブを搭載するセミアクティブダンパを用いる構成としたことにある。なお、本実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同一の構成要素に同一符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００６６】
第２の実施の形態では、減衰力可変ダンパ６のアクチュエータ３１は、圧力制御バルブを構成する点で、第１の実施の形態によるアクチュエータ７とは異なる。また、第２の実施の形態による制御装置１４では、フィードフォワード制御における振動制御演算実行部３２が減衰力可変ダンパ６に発生させる減衰力を計算する。これに伴い、フィードフォワード制御演算実行部２８の比例制御器３３は、減衰力指令を電流指令に変換し、電流駆動部２７に向けて出力する。この点で、第１の実施の形態による振動制御演算実行部２２や比例制御器２９とは異なる。その他の構成は、図１ないし図４に示す第１の実施の形態と同一である。
【００６７】
次に、制御装置１４が制御周期毎に実行する減衰力可変ダンパ６の制御用のプログラムについて図１１を用いて説明する。
【００６８】
圧力制御バルブを搭載した減衰力可変ダンパ６を用いた場合、第１の実施の形態では、減衰係数に比例した電流指令を生成するために行っていた処理（ステップ１１〜１３）が、減衰力に比例した電流指令を生成するための処理（ステップ５１〜５３）に入れ替わる。その他の構成は、図７に示す第１の実施の形態と同一である。
【００６９】
また、図１１中のステップ５３のフィードフォワード制御演算処理について図１２を用いて説明する。圧力制御バルブを搭載した減衰力可変ダンパ６を用いた場合、ステップ６１で、ステップ５２で算出した減衰力指令に比例ゲインを乗じて電流指令値を求める。
【００７０】
かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【００７１】
なお、前記各実施の形態では、図７、図１１中のステップ３〜１３、および図８中のステップ２１〜３１が故障検出手段の具体例を示し、図７、図１１中のステップ８，１０が原因判断手段の具体例を示している。
【００７２】
また、前記各実施の形態では、減衰力可変ダンパ６により車体２の上，下方向の振動を低減するように構成した場合を例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、ダンパにより車体の左，右方向の振動を低減するように構成してもよい。
【００７３】
さらに、前記各実施の形態では、減衰力調整式シリンダ装置を鉄道車両１に適用した場合を例に挙げて説明したが、自動車等の他の車両に適用してもよい。
【００７４】
次に、前記各実施の形態に含まれる発明について記載する。本発明によれば、制御手段は、被取付側に取付けられ、被取付側に加わる力を検出する検出手段により実減衰力を検出する減衰力検出手段と、被取付側に取付けられる加速度検出手段により減衰力指令値を求める減衰力算出手段と、前記減衰力検出手段と前記減衰力算出手段の出力値から、実減衰力指令値を算出する実減衰力指令値算出手段と、を有し、故障検出手段は、前記減衰力検出手段の出力値と前記減衰力算出手段の出力値の差分が所定値を越えたときに故障と判断し、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記実減衰力指令値を算出する構成とした。これにより、正常状態においては、減衰力検出手段の出力値と減衰力算出手段の出力値の差分による故障判定のみを実行し、車体加速度から異常検出を実行しないことから、正常状態においても加速度検出手段による車体加速度から異常を検出する場合に比べて、天候や軌道等の影響を低減することができ、誤検出を減らすことができる。
【００７５】
また、故障検出手段が故障と判断したときには、減衰力検出手段の出力値を用いずに実減衰力指令値を算出するから、例えば検出手段に異常が生じたときでも、検出手段および減衰力検出手段を用いずに実減衰力指令値を算出して減衰力を調整することができる。
【００７６】
また、本発明によれば、故障検出手段は、故障原因を判断する原因判断手段を備え、前記原因判断手段は、前記加速度検出手段による検出値により前記検出手段の故障を検知する構成とした。これにより、原因判断手段は加速度検出手段による出力値により検出手段の故障を検知するから、検出手段の異常とシリンダ等の異常を判別することができる。このため、異常検出の精度が向上すると共に、それぞれの異常状態に応じて減衰力特性の制御を行うことができる。
【００７７】
また、本発明によれば、前記検出手段の故障を検出した後は、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記加速度検出手段による検出値を用いて前記実減衰力指令値を算出する構成とした。このため、検出手段に異常が生じたときでも、検出手段を用いることなく、加速度検出手段による検出値を用いたフィードフォワード制御によって減衰力特性の制御を行うことができ、乗り心地の低下を最小限に抑えることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 鉄道車両
２ 車体（被取付側）
６ 減衰力可変ダンパ
６Ａ シリンダ
６Ｂ ピストン
６Ｃ ピストンロッド
７，３１ アクチュエータ（減衰力調整機構）
１２ 力センサ（検出手段）
１３ 加速度センサ
１４ 制御装置（制御手段）
２１ 車体加速度取得部（加速度検出手段）
２２，３２ 振動制御演算実行部（減衰力算出手段）
２３ ダンパ発生力取得部（減衰力検出手段）
２４ フィードバック制御演算実行部（実減衰力指令値算出手段）
２８ フィードフォワード制御演算実行部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被取付側と路面との間に配置され、作動流体が封入され、内部に摺動可能なピストンが設けられたシリンダと、
前記ピストンに連結されると共に前記シリンダの外部に延出されたピストンロッドと、
前記ピストンの摺動によって生じる作動流体の流れを制御して減衰力を発生させる減衰力調整機構と、
該減衰力調整機構を制御する制御手段と、
該制御手段の故障を検出する故障検出手段と、を備えた減衰力調整式シリンダ装置であって、
前記制御手段は、
被取付側に取付けられ、被取付側に加わる力を検出する検出手段により実減衰力を検出する減衰力検出手段と、
被取付側に取付けられる加速度検出手段により減衰力指令値を求める減衰力算出手段と、
前記減衰力検出手段と前記減衰力算出手段の出力値から、実減衰力指令値を算出する実減衰力指令値算出手段と、を有し、
前記故障検出手段は、前記減衰力検出手段の出力値と前記減衰力算出手段の出力値の差分が所定値を越えたときに故障と判断し、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記実減衰力指令値を算出することを特徴とする減衰力調整式シリンダ装置。
【請求項２】
前記故障検出手段は、故障原因を判断する原因判断手段を備え、
前記原因判断手段は、前記加速度検出手段による検出値により前記検出手段の故障を検知することを特徴とする請求項１に記載の減衰力調整式シリンダ装置。
【請求項３】
前記検出手段の故障を検出した後は、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記加速度検出手段による検出値を用いて前記実減衰力指令値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の減衰力調整式シリンダ装置。
【請求項１】
被取付側と路面との間に配置され、作動流体が封入され、内部に摺動可能なピストンが設けられたシリンダと、
前記ピストンに連結されると共に前記シリンダの外部に延出されたピストンロッドと、
前記ピストンの摺動によって生じる作動流体の流れを制御して減衰力を発生させる減衰力調整機構と、
該減衰力調整機構を制御する制御手段と、
該制御手段の故障を検出する故障検出手段と、を備えた減衰力調整式シリンダ装置であって、
前記制御手段は、
被取付側に取付けられ、被取付側に加わる力を検出する検出手段により実減衰力を検出する減衰力検出手段と、
被取付側に取付けられる加速度検出手段により減衰力指令値を求める減衰力算出手段と、
前記減衰力検出手段と前記減衰力算出手段の出力値から、実減衰力指令値を算出する実減衰力指令値算出手段と、を有し、
前記故障検出手段は、前記減衰力検出手段の出力値と前記減衰力算出手段の出力値の差分が所定値を越えたときに故障と判断し、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記実減衰力指令値を算出することを特徴とする減衰力調整式シリンダ装置。
【請求項２】
前記故障検出手段は、故障原因を判断する原因判断手段を備え、
前記原因判断手段は、前記加速度検出手段による検出値により前記検出手段の故障を検知することを特徴とする請求項１に記載の減衰力調整式シリンダ装置。
【請求項３】
前記検出手段の故障を検出した後は、前記減衰力検出手段の出力値を用いずに前記加速度検出手段による検出値を用いて前記実減衰力指令値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の減衰力調整式シリンダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−１１２３１３（Ｐ２０１３−１１２３１３Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２９８３（Ｐ２０１１−２６２９８３）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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