以下に、本発明の好適な実施にかかる電� ��車のブレーキ制御装置を図面に基づいて詳� ��に説明する。なお、以下の実施の形態によ� ��本発明が限定されるものではない。

(ブレーキ制御装置の構成)
 図1は、本発明の好適な実施にかかる電気車 のブレーキ制御装置を含むブレーキ制御系の 概略構成を示す図である。同図に示すブレー キ制御系では、モータ群32を構成する1以上の モータ(32 ₁ …32 _n )を制御する主変換装置1、および空気ブレー� ��等を含む機械ブレーキ33を制御する機械ブ� �ーキ制御装置2が構成されるとともに、主変� ��装置1は、モータ(32 ₁ …32 _n )を直接的に制御するモータ制御部31およびモ ータ制御部31を通じてモータ(32 ₁ …32 _n )に制動信号(電気ブレーキ信号)を付与する電 気ブレーキ制御部34を備え、この電気ブレー� ��制御部34と機械ブレーキ制御装置2との間が� ��号線S1,S2を通じて接続されている。なお、� �実施の形態にかかるブレーキ制御装置は、� �ータ制御部31、電気ブレーキ制御部34および� ��械ブレーキ制御装置2によって構成される。

(ブレーキ制御装置の全体機能)
 図1において、主変換装置1のモータ制御部31 は、PWM(Pulse Width Moduration)制御等によって所� ��電圧、所定周波数の交流電圧を出力してモ� ��タ群32を構成する各モータ(32 ₁ …32 _n )の回転を制御する。電気ブレーキ制御部34は 、実際の電気ブレーキ力を表す信号である実 電気ブレーキ力信号および電気ブレーキが立 下がることを一定時間前に通知するための立 下げ予告信号4を生成して機械ブレーキ制御� �置2に出力する。機械ブレーキ制御装置2は、 信号線S1を通じて入力される実電気ブレーキ� ��信号3および信号線S2を通じて入力される立� ��げ予告信号4に基づき、空気ブレーキ力等の 機械ブレーキ力を決定して機械ブレーキ力信 号37を出力する。

(ブレーキ制御装置の全体動作)
 図1において、モータ制御部31および電気ブ� ��ーキ制御部34を備えた主変換装置1は、電気� ��レーキを働かせる際に各モータを回生させ� ��所定の電気ブレーキ力を得るとともに、各� ��ータを発電機として動作させて所定の電力� ��架線に戻すか、あるいは消費装置(図示省略 )で消費させる。また、主変換装置1は、前述� ��た実電気ブレーキ力信号3および立下げ予告 信号4を出力する。一方、機械ブレーキ制御� �置2は、トータルブレーキ力と機械ブレーキ� ��とを制御するが、この際、主変換装置1の電 気ブレーキ制御部34から出力される実電気ブ� ��ーキ力信号3に基づいて所要のトータルブレ ーキ力を保持するに必要な不足ブレーキ力を 演算するとともに、当該不足ブレーキ力を機 械ブレーキ力で補うように制御する。また、 機械ブレーキ制御装置2は、主変換装置1の電� ��ブレーキ制御部34から出力される立下げ予� �信号4に基づき、電気ブレーキが所定時間後� ��立下がることを知り、機械ブレーキ力を立� ��げる制御を行うが、この際、電気ブレーキ� ��と機械ブレーキ力とによるトータルブレー� ��力を一定に保持し、減速度を変化させない� ��うに制御する。

(電気ブレーキ制御部の構成)
 図2は、主変換装置1内に具備される電気ブ� �ーキ制御部34の構成を中心として示す図であ る。同図に示すように、主変換装置1内に構� �される電気ブレーキ制御部34は、実電気ブレ ーキ力演算部6、電気ブレーキ力指令制御部15 および立ち下げ速度可変型立下げ予告信号生 成部16を備えるとともに、電気ブレーキ力指� ��制御部15は、比較パターン生成部5、比較部7 ,8を備えている。

(電気ブレーキ制御部の動作)
 図2において、電気ブレーキ力指令制御部15� ��、電気ブレーキ力指令14を生成して第1の比� ��部である比較部7に出力する。比較パターン 生成部5は、立下げ用電気ブレーキ力比較パ� �ーン9を生成して比較部7に出力するとともに 、立下げ予告信号用電気ブレーキ力比較パタ ーン10を生成して第2の比較部である比較部8� �出力する。実電気ブレーキ力演算部6は、前� ��の実電気ブレーキ力信号3を生成して機械ブ レーキ制御装置2に出力する。

 比較部7は、入力された電気ブレーキ力指 令14と立下げ用電気ブレーキ力比較パターン9 とを比較し、これらの信号のうちの小さい方 の信号を電気ブレーキ力パターン11として生� ��してモータ制御部31に出力する。なお、モ� �タ群32の各モータに付与する電気ブレーキ力 は、この電気ブレーキ力パターン11に従って� ��御される。

 比較部8は、入力された電気ブレーキ力指 令14と立下げ予告信号用電気ブレーキ力比較� ��ターン10とを比較し、立下げ予告信号用電� �ブレーキ力比較パターン10が電気ブレーキ力 指令14以下となったタイミング時に出力され� ��立下げ予告信号4を生成して機械ブレーキ制 御装置2に出力する。

 また、実電気ブレーキ力演算部6は、電気 ブレーキ力を電気ブレーキ力パターン11に追� ��させる制御を行わせるため、実電気ブレー� ��力信号3を演算して機械ブレーキ制御装置2� �出力する。

(比較パターン生成部5の制御系の構成)
 図3は、立ち下げ速度可変型立下げ予告信号 生成部16内に構成される比較パターン生成部5 の構成を示す図である。また、図4は、比較� �ターン生成部5内に具備される電気ブレーキ� ��下げテーブル12の概略特性を示す図であり� �図5は、比較パターン生成部5内に具備される 引き込みテーブル13の概略特性を示す図であ� ��。図3に示すように、主変換装置1内に構成� �れる比較パターン生成部5は、第1の参照テー ブルである電気ブレーキ立下げテーブル12、� ��2の参照テーブルである引き込みテーブル13� ��よび電気ブレーキ立下げテーブル12の出力� �ら引き込みテーブル13の出力を減算するため の減算器18を備えるとともに、これらの出力� ��基づいて、立下げ用電気ブレーキ力比較パ� ��ーン9および立下げ予告信号用電気ブレーキ 力比較パターン10を生成する。

(比較パターン生成部5の動作)
 つぎに、比較パターン生成部5の動作につい て図3~図5を参照して説明する。

 まず、比較パターン生成部5に具備される 電気ブレーキ立下げテーブル12について説明� ��る。この電気ブレーキ立下げテーブル12は� �図4に示すように、横軸がモータ周波数(FM[Hz] )、縦軸が電気ブレーキ力(T[Nm])で表されてお� ��、これらの両者間には、次式の関係がある� ��

 T=a×FM+b   …(1)

 上記(1)式において、aは直線の傾きを表す 定数であり、bは縦軸との交点を表す定数(切� ��)である。なお、現実には、モータ周波数が ある一定以下になると電気ブレーキ力を生じ なくなり、このときの周波数をC[Hz]として図4 に示している。

 図4において、比較パターン生成部5は、� �ータ周波数FMを入力変数とし、当該モータ周 波数の大きさに応じた値を上記(1)式の特性曲 線に用いて生成し、その生成値を立下げ用電 気ブレーキ力比較パターン9として比較部7に� ��力する。また、その出力は、減算器18にも� �力される。なお、図4の制御系では、電気ブ� ��ーキ立下げテーブル12への入力信号をモー� �周波数としているが、モータの回転速度を� �す速度信号であっても構わない。

 つぎに、比較パターン生成部5に具備され る引き込みテーブル13について説明する。こ� ��引き込みテーブル13は、図5に示すような直� ��となる。図5において、横軸はマスターコン トローラポジションの情報を表すマスコン率 であり、縦軸は引き込み電気ブレーキ力[Nm]� �表している。

 ここで、マスコン率とは、主幹制御器で� ��るマスターコントローラのポジションを0~1� ��での間でリニアに割り振った数字として表� ��たものである。例えば、ブレーキ最小ポジ� ��ョン(あるいは、だ行ポジション)のときは� �0”で表され、ブレーキ最大ポジションのと� ��は“1”で表される。

 電気車において、鉄道車両の減速度は、� ��スコン率によって決定される。いま、最大� ��速度がα[km/h/s]だと仮定するとマスターコン トローラがブレーキ最大ポジションのときは 、減速度がα×1=αとなり、マスターコントロ� ��ラがブレーキの50%のポジションのときは、� ��速度がα×0.5=0.5αとなり、マスターコントロ ーラがブレーキの0%のポジションのときは、� ��速度がα×0=0となる。

 図3に戻り、マスターコントローラのポジ ション情報は、マスコン率として引き込みテ ーブル13に入力される。比較パターン生成部5 は、引き込みテーブル13を用いて入力された� ��スコン率に応ずる出力値(電気ブレーキ力の 変化量)を引き込み電気ブレーキ力17として減 算器18に出力する。減算器18は、立下げ用電� �ブレーキ力比較パターン9と引き込み電気ブ� ��ーキ力17との出力差信号を立下げ予告信号� �電気ブレーキ力比較パターン10として比較部 8に出力する。

 つぎに、マスコン率に応ずる立下げ予告� ��号4を、電気ブレーキを立下げる一定時間前 に出力するための引き込みテーブル13の算出� ��領を図4~図6を参照して説明する。なお、図6 は、マスコン率に応じて変動する引き込み電 気ブレーキ力の概念を示す図である。

 いま、最大減速度をαとするとき、電気� �レーキが現実に立ち下がる時間の一定時間� �(t秒前)に立下げ予告信号4を出力する場合に� ��いて考える。

 まず、最大減速度α[km/h/s]をモータ周波数 FM[Hz]に換算し、かつ、t[s]あたりの周波数変� �量δFMに換算する。このとき、モータ速度か� ��モータ周波数への換算比をKとすると、この 換算比Kは、[K]=[Hz]/[km/h/s]=[Hz・h・s/km]のディ� �ンジョンを有しているので、周波数変化量δ FMは、次式に示すようなディメンジョンを有� ��ることになる。

 [δFM]=[K×α/t]
    =[Hz・h・s/km]×[km/h/s]/[s]
    =[Hz/s]                  …(2)

 ここで、“K×α”を“β”で置き換えると 、t[s]あたりの周波数変化量δβは、δβ=β/t=(K� �α)/tで表される。

 また、図4に示すように、立下げ用電気ブ レーキ力比較パターン9の傾きは“a”である� ��よって、マスコン率が1のとき、立下げ用電 気ブレーキ力比較パターン9と、立下げ予告� �号用電気ブレーキ力比較パターン10との差(� �レーキ力の差)、すなわち比較部8の出力(図2� ��照)が“a×(β/t)”であれば、t秒前に立下げ� �告信号4を出力できることになる。

 この関係は、マスコン率が0~1までの間でリ� ��アに変動する。図6において、直線Pはマス� �ン率γ=0のときの立下げ用電気ブレーキ力(図 4の特性曲線に相当)である。同様に、直線Qは マスコン率γ=γ ₀ (0<γ<1)のときの立下げ用電気ブレーキ力� ��示し、直線Rはマスコン率γ=1のときの立下� �用電気ブレーキ力を示している。すなわち� �マスコン率=γのときは、立下げ用電気ブレ� �キ力比較パターン9と、立下げ予告信号用電� ��ブレーキ力比較パターン10との差、すなわ� �比較部8の出力を“(a×β/t)×γ”とすれば、t� �前に立下げ予告信号4を出力できることにな� ��。

 上記のような立下げ予告信号4を出力するた めには、マスコン率γに対する“a×β/t”の関 係を規定する参照テーブルが準備されていれ ばよく、このために設けられたテーブルが、 図5に示す引き込みテーブルである。図5に示� ��直線の傾きはa×(β/t)であり、マスコン率γ=1 のときは“a×(β/t)”の値が引き込み電気ブレ ーキ力17として減算器18に出力される。また� �マスコン率γ=γ ₀ のときは“a×(β/t)×γ ₀ ”の値が引き込み電気ブレーキ力17として減� ��器18に出力される。

 図7は、従来技術にかかる立下げ予告信号 (上記特許文献1における電気ブレーキ力失効� ��告信号)の概念を説明するための図であり、 図8は、本実施の形態にかかる立下げ予告信� �の概念を説明するための図である。

 図7において、直線Lは図4に示した立ち上げ� ��ブレーキ力に相当する波形であり、また、� ��軸(モータ周波数軸)と平行に縦軸に向かっ� �延びる直線d ₁ および直線d ₂ は、電気ブレーキ力指令制御部15から出力さ� ��る電気ブレーキ力指令を表している。すな� ��ち、直線Lと直線d ₁ の部分を含む太実線で示される波形M ₁ は、電気ブレーキ力指令14が大きいときの電� ��ブレーキ力パターン11を示し、直線Lと直線d ₂ の部分を含む一点鎖線で示される波形M ₂ は、電気ブレーキ力指令14が小さいときの電� ��ブレーキ力パターン11を示している。図7に� ��すように、電気ブレーキ制御の終速時にお� ��ては、電気ブレーキ力を、ある速度(直線L� �直線d ₁ ,d ₂ の各交点)までは一定値を保持し、その後リ� �アに0[Nm]に下げるような制御が行われるとと もに、電気ブレーキ力を立下げる直前のある 速度(C ₀ )の時点で、立下げ予告信号を出力する処理� �行われる。

 また、図8において、直線Lは電気ブレー� �力立下げテーブル12から出力される立下げ用 電気ブレーキ力比較パターン9の出力に相当� �、直線L’は減算器18から出力される立下げ� �告信号用電気ブレーキ力比較パターン10の出 力に相当する。なお、減算器18の出力は、立� ��げ用電気ブレーキ力比較パターン9の出力か ら引き込みテーブル13の出力である“a×(β/t)� ��(マスコン率γ=1の場合)を引くことになり、� ��線L’は直線Lの下方向に移動するが、この� �とは等価的に“β/t”だけ右方向に移動した� ��とになる。

 ここで、従来技術では、前述のように、電� ��ブレーキの立下げ速度より少し高い速度に� ��った時点で立下げ予告信号を出力するよう� ��しているので、立下げ予告信号の出力タイ� ��ングが一定とならず(q ₀ ≠q ₁ )、ブレーキ力過多、あるいはブレーキ力不� �の状態を生じさせる原因となっていた。

 一方、本実施の形態では、図8に示すよう に、立下げ予告信号の出力タイミングは、電 気ブレーキ力指令の大小に依存せず、理論的 に一定のタイミングを維持することが可能と なる。なお、マスコン率が変化した場合には 、上述のように、減算器18に入力される引き� ��み電気ブレーキ力の大きさが調整されるの� ��、マスコン率に依存せず一定のタイミング� ��立下げ予告信号を出力することができる。

 以上説明したように、本実施の形態にか� ��る電気車のブレーキ制御装置では、電気ブ� ��ーキ力指令制御部15は、各モータに対する� �気ブレーキ力指令14を生成し、比較パターン 生成部5は、電気ブレーキの終速時に電気ブ� �ーキ力を0に減少させつつ、機械ブレーキ力� ��切り替えるための立下げ用電気ブレーキ力� ��較パターン9を生成するとともに、立下げ用 電気ブレーキ力比較パターン9をモータ周波� �の増加する側に所定周波数だけシフトさせ� �立下げ予告信号用電気ブレーキ力比較パタ� �ン10を生成し、比較部7は、電気ブレーキ力� �令14と立下げ用電気ブレーキ力比較パターン 9のうちの小さい方の信号を電気ブレーキ力� �ターン11としてモータ制御部31に出力し、比� ��部8は、立下げ予告信号用電気ブレーキ力比 較パターン10が電気ブレーキ力指令14以下と� �るタイミングで出力される信号を立下げ予� �信号4として機械ブレーキ制御装置2に出力す るようにしているので、電気ブレーキを立下 げるタイミングと立下げ予告信号を出力する タイミングとの時間差を略一定とすることが でき、ブレーキ力過多、あるいはブレーキ力 不足の状態を抑止することが可能となる。

 また、本実施の形態にかかる電気車のブ� ��ーキ制御装置では、立下げ用電気ブレーキ� ��比較パターン9をモータ周波数の増加する側 にシフトさせる際の周波数シフト量を、電気 車の主幹制御器であるマスターコントローラ の選択ポジションに応じて算出するようにし ているので、マスコン率に依存せず一定のタ イミングで立下げ予告信号を出力することが でき、マスターコントローラのポジションを 変化させた場合であっても、ブレーキ力過多 あるいはブレーキ力不足の状態を回避するこ とが可能となる。