CN101622782B - 电动车辆的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于得到一种能使交流电动机的损耗及主电路的损耗的总和减小的电动车辆的控制装置。在矢量控制指令值运算部(11a)中，根据转矩指令(T*)，算出并选择使得交流电动机(1)的损耗及第二主电路(7)的损耗的总和最小的磁通量指令值(F2R)及直流电压指令值(EFCR)。然后，矢量控制指令值运算部(11a)将磁通量指令值(F2R)输出到矢量控制部(8)，并将直流电压指令值(EFCR)输出到变换器控制部(6)。

Description

电动车辆的控制装置

技术领域

本发明涉及铁道车辆用的变电器，特别涉及包括交流电动机的电动车辆的控制装置。 

背景技术

现有的电动车辆的控制装置中，例如非专利文献1的99～134页所记载的那样，一般使用将交流电动机中流过的交流电流矢量在旋转坐标系中分成磁通量分量和转矩分量进行管理、控制的所谓的矢量控制。 

交流电动机的感应电压大致与交流电动机的转速和磁通量之积成正比。因此，在交流电动机的控制中，一般在高速域实施使磁通量变得比额定磁通量要弱的控制，使得不会因感应电压超过控制装置的可输出最大电压而不能进行控制。另外，在电动车辆的控制装置中，以减小控制器的变电器的开关损耗为目的，在交流电压指令基波的电角度360度中仅开关两次以输出矩形波电压，在高速域中使用固定在控制器可输出的最大电压的单脉冲模式。为了能稳定地实现该单脉冲模式时的磁通量控制、转矩控制，例如专利文献1所示，通过运算求出转子磁通量指令值，并将其用于控制。 

专利文献1中，具体地示出磁通量指令值Φ2*2和电压值|V|的动作关系。即，在可输出额定磁通量的速度域中使磁通量指令值作为额定值一定的磁通量指令，电压值|V|随转速上升而上升。然后，若|V|变为可输出控制的最大电压，则成为单脉冲模式，电压固定在最大值，并且磁通量指令值依照专利文献1的式(6)，被控制成随转速上升而变小。 

另一方面，专利文献2中，示出对于转矩指令值算出磁通量指令值、以控制感应电动机的方法，使得感应电动机的定子铜损、转子铜损、及定子铁损的总和最小。 

专利文献1：日本专利特开平11-285299号公报 

专利文献2：日本专利特开平7-322700号公报 

非专利文献1：杉本英彦编著“AC伺服系统的理论和设计的实际”综合电子出版社 

然而，上述现有的电动车辆的控制装置中，存在如下问题，即，由于优先考虑减小主电路的开关损耗的观点，积极使用单脉冲模式，因此对交流电动机施加大致一定的固定电压而不取决于负载状态，不一定能使交流电动机以最大效率进行工作，电动车辆的控制装置整体的效率并非最大。 

相反地，在优先使交流电动机的损耗最小来进行工作的情况下，要操作电压指令值的基波振幅，需要使主电路的脉冲模式成为单脉冲模式以外的模式，此时，例如可选择三脉冲模式。在这种情况下，存在如下问题，即，电角度360度中开关次数成为6次，与单脉冲模式相比主电路的开关损耗增加。 

另外，在使用具有三电平以上的等级的多电平逆变器以作为主电路的情况下，例如可选择使用了三电平逆变器的非单脉冲模式。在这种情况下，存在如下问题，即，尽管无需使构成主电路的开关单元的开关次数发生变化便能进行脉冲宽度调制，但由于有时要增加主电路的外形、重量、及元器件数、以及成本，因此该方法不能应用于所有的电动车辆。 

另外，在从交流电源部利用变换器控制部和变换器主电路来控制直流电源部的电压的现有的电动车辆的控制装置的结构中，也存在如下问题，即，由于基本上是将直流电源部的电压作为一定值来进行控制，因此也同样地对交流电动机施加不取决于负载状态的电压，无法以最佳的效率进行工作，电动车辆的控制装置整体的效率并非最大。 

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于得到能使交流电动机的损耗及主电路的损耗的总和减小的电动车辆的控制装置。 

为了解决上述问题以达到目的，本发明所涉及的电动车辆的控制装置是包括交流电动机的电动车辆的控制装置，其特征为，包括：主电路，该主电路将由直流电电源提供的直流电变换成交流电，并向所述交流电动机提供交流电；矢量控制部，该矢量控制部生成指示该主电路进行开关动作的开关指令，并对 所述交流电动机进行矢量控制；转矩指令值生成部，该转矩指令值生成部生成转矩指令值，所述转矩指令值是向所述交流电动机输出的转矩的指令值；及矢量控制指令值运算部，该矢量控制指令值运算部根据所述转矩指令值，算出使得所述交流电动机的损耗最小的第一磁通量指令值、和用单脉冲模式控制所述交流电动机时的磁通量指令值即第二磁通量指令值，并且算出用所述第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和、和用所述第二磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和，并将与较小的损耗总和对应的磁通量指令值输出到所述矢量控制部。 

利用本发明，可起到如下效果，即，根据转矩指令值，算出并选择磁通量指令值后输出到矢量控制部，从而能抑制交流电动机的损耗和主电路的损耗的总和，能提高电动车辆的控制装置整体的效率。 

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的电动车辆的控制装置的结构的结构图。 

图2是表示感应电动机的损耗特性的概念图。 

图3是表示感应电动机的端子电压的速度依存特性的概念图。 

图4是表示实施方式1中的矢量控制指令值运算部的内部结构的结构图。 

图5是表示根据挡指令NC输出指令值的矢量控制指令值生成部的结构的结构图。 

图6是表示实施方式2中的矢量控制指令值运算部的内部结构的结构图。 

图7是表示实施方式3所涉及的电动车辆的控制装置的结构的结构图。 

图8是表示实施方式3中的矢量控制指令值运算部的内部结构的结构图。 

图9-1是表示单脉冲模式中的电压波形图。 

图9-2是表示三脉冲模式中的电压波形图。 

图9-3是表示使用了三电平逆变器时的电压波形图。 

标号说明 

1交流电动机 

2交流电源部 

3直流电源部 

4直流电压检测部 

5第一主电路 

6变换器控制部 

7第二主电路 

8矢量控制部 

9速度检测部 

10转矩指令值生成部 

11矢量控制指令值运算部 

12交流电源状态量检测部 

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明所涉及的电动车辆的控制装置的实施方式。此外，本发明并不受该实施方式的限制。 

实施方式1. 

图1是表示本实施方式所涉及的电动车辆的控制装置的结构的结构图。如图1所示，本实施方式包括产生转矩以作为电动车辆的动力的交流电动机1、和测量该交流电动机1的转速的速度检测部9，该交流电动机1例如是感应电动机或同步电动机等。 

而且，本实施方式包括：转矩指令值生成部10，该转矩指令值生成部10将驾驶台中的司机的手柄操作等的控制指令信息作为输入，将该输入后的控制指令信息变换成在交流电动机1中产生的转矩的指令值T*(以下，称为转矩指令值T*。)并加以输出；矢量控制指令值运算部11a，该矢量控制指令值运算部11a设于该转矩指令值生成部10的下级，基于来自转矩指令值生成部10的转矩指令值T*等的输入，算出并选择直流电压指令值EFCR及磁通量指令值F2R并加以输出；变换器控制部6，对该变换器控制部6输入矢量控制指令值运算部11a的一个输出即直流电压指令值EFCR；及矢量控制部8，对该矢量控制部8输入矢量控制指令值运算部11a的另一个输出即磁通量指令值F2R。此外，如转矩指令值T*那样，在附加有*的情况下，表示指令值。 

本实施方式中，从由架空线、导电弓等构成的交流电源部2提供交流电，本实施方式还包括：交流电源状态量检测部12，该交流电源状态量检测部12对交流电源部2的电压值及电流值进行检测；第一主电路5，该第一主电路5基于由变换器控制部6所作的控制，将从交流电源部2输出的交流电变换成直流电并加以输出；直流电源部3a，该直流电源部3a由电容等构成，具有对从第一主电路5输出的直流电进行脉动抑制并将其一部分加以储存等的功能；直流电压检测部4，该直流电压检测部4对该直流电源部3a的直流电压值EFC进行检测；第二主电路7，该第二主电路7将来自直流电源部3a的直流电作为输入，基于矢量控制部8的控制，将该输入后的直流电变换成交流电并提供给交流电动机1；及交流电动机电流检测部13，该交流电动机电流检测部13对从该第二主电路7输出的给予交流电动机1的交流电流量进行检测。此外，将在后面对矢量控制指令值运算部11a的内部结构进行阐述。 

接着，说明本实施方式的动作。首先，说明由交流电源部2对于直流电源部3a、交流电动机1的供电动作。由交流电源部2向第一主电路5提供交流电，第一主电路5将交流电暂时变换成直流电，向第二主电路7提供直流电。直流电源部3a被插入在第一主电路5和第二主电路7之间，对直流电进行脉动抑制，并将直流电的一部分进行储存。上述从交流电向直流电的变电控制由变换器控制部6来担任。即，在控制侧算出主电路开关信号Sw_c*，将该主电路开关信号Sw_c*从变换器控制部6输出到第一主电路5，从而控制直流电源部3a的电压值、及交流电源部2的电流值，使得由直流电压检测部4检测出的直流电源部3a的电压值即直流电压值EFC跟踪从矢量控制指令值运算部11a输出的直流电压指令值EFCR，并且由交流电源状态量检测部12检测出的交流电源部2的电压值、及电流值Is的功率因数关系成为1，以此从交流电向直流电进行变电。 

从直流电源部3a向第二主电路7提供直流电，第二主电路7将直流电变换成电压可变、频率可变的交流电后提供给交流电动机1以进行驱动。担任该变电的矢量控制部8，将基于由速度检测部9检测出的交流电动机1的旋转频率FM、及由交流电动机电流检测部13检测出的交流电动机1的三相中的电流值Iu、Iv、Iw而在控制侧算出的主电路开关信号Sw_i*输出到第二主电路7， 从而进行控制，使得交流电动机1输出的实际转矩T跟踪从转矩指令值生成部10输入的转矩指令值T*，以此能对电动车辆进行加速和减速控制。 

如上所述，以功率的流向为中心进行了说明，而接下来将详细说明在矢量控制指令值运算部11a、矢量控制部8内部的处理内容、控制方法。特别是本说明书中，对于例如使用了感应电动机以作为交流电动机1的情况进行叙述，但本发明并不局限于此，也可同样适用于使用了同步电动机等的情况。 

向矢量控制部8输入来自转矩指令值生成部10的转矩指令值T*，而且输入来自矢量控制指令值运算部11a的磁通量指令值F2R。另外，输入由速度检测部9检测出的交流电动机1的旋转角速度Wm、及由交流电动机电流检测部13检测出的交流电流Iu、Iv、Iw。 

作为感应电动机的转矩控制的方法，在电动车辆领域从九十年代后半期开始作为标准使用的所谓矢量控制中，导入与感应电动机的磁通量矢量同步旋转的正交二轴坐标系即dq轴，将感应电动机中流过的电流的矢量分成磁通量分量和转矩分量来进行控制和管理。即，矢量控制部8中，算出磁通量分量电流指令I1DR、转矩分量电流指令I1QR、交流电动机1的差频指令Ws、及逆变器频率指令Winv。 

I1DR＝F2R/M                …(1) 

I1QR＝L2·T*/pm·M·F2R    …(2) 

Ws＝R2/L2·I1QR/I1DR       …(3) 

Winv＝Wm+Ws                …(4) 

这里，上述(1)～(4)式中的常数表示如下所示的感应机的各常数，预先在矢量控制部8内设定对于所使用的感应电动机的各值。 

R1：感应电动机的定子电阻 

R2：感应电动机的转子电阻 

M：感应电动机的互感 

L1：感应电动机的定子自感 

L2：感应电动机的转子自感 

pm：感应电动机的极对数 

然后，由交流电动机电流检测部13检测出的交流电动机1的交流电流Iu、 Iv、Iw通过下述(5)式变换成磁通量分量电流I1D、及转矩分量电流I1Q。 

[数学式1] 

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{IID}\\ \mathrm{IIQ}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \sin \mathrm{\θ}& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right)...\left(5\right)$

这里，θ是控制相位角，可利用下述(6)式算出： 

[数学式2] 

θ＝∫Winv·dt            …(6) 

接着，矢量控制部8利用所谓的矢量控制生成要输出到交流电动机1的电压指令值，使得基于上述(1)～(6)式得到的、磁通量分量电流指令值I1DR和磁通量分量电流I1D一致，并且转矩分量电流指令值I1QR和转矩分量电流I1Q一致。在理想地进行矢量控制的情况下，d轴及q轴的电压指令分别如下述(7)及(8)式那样。 

Vd*＝R1·I1DR-σL1·Winv·I1QR    …(7) 

Vq*＝R1·I1QR+Winv·L1/M·F2R     …(8) 

这里，σ＝1-M·M/(L1·L2)是泄漏系数。特别是，若将电压指令变换成振幅|V|和相位角θv，对于后者若关注与(6)式的控制相位角之间的关系，则如下述(9)及(10)式所示。 

[数学式3] 

$\left|V\right|=\sqrt{{\mathrm{Vd}*}^2+\mathrm{Vq}{*}^2}...\left(9\right)$

$\mathrm{\θv}=\mathrm{\θ}+{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{Vq}*}{\mathrm{Vd}*}\right)...\left(10\right)$

对由以上的(9)、(10)式得到的电压指令值进行脉冲宽度调制，算出主电路开关信号Sw_i*，输出到第二主电路7，以对其进行控制，从而能按照转矩指令值T*控制交流电动机1的转矩。 

此外，(9)式所示的电压振幅|V|在单脉冲模式中最大，此时的值|V|max由直流电压检测部4所检测出的直流电压值EFC来决定。此外，单脉冲模式中， 如图9-1所示，在交流电压指令基波的电角度360度中仅开关两次以输出矩形波电压。 

$\left|V\right|\max =\sqrt{\mathrm{}}6/\mathrm{\π}\·\mathrm{EFC}...\left(11\right)$

本实施方式中，以提高电动车辆的控制装置整体的效率为目的，其特征为，矢量控制指令值运算部11a根据转矩指令值T*，算出并选择(转子)磁通量指令值F2R后输出到矢量控制部8，并且算出并选择直流电压指令值EFCR后输出到变换器控制部6。以下对其详细情况进行说明。 

图2是表示交流电动机1的损耗特性的概念图。设交流电动机1的转速为一定的额定速度，设转矩分别为额定的25、50、75、100、125[％]，在这种情况下，设横轴为磁通量(磁通量分量电流指令)[％]，纵轴为交流电动机1的损耗[W]，来表示此时的损耗曲线。此外，对于磁通量(磁通量分量电流指令)，设单脉冲模式时的磁通量(磁通量上限值)为100％，用％来表示相对于磁通量上限值的相对量。如图2所示可知，通过操作磁通量，从而损耗变化，存在损耗最小的条件。即，设转矩为额定的情况下(转矩100％)，使交流电动机1的损耗最小的磁通量等于单脉冲模式时的磁通量即磁通量上限值，在使转矩小于额定的情况下(不到转矩100％)，使交流电动机1的损耗最小的磁通量存在于比磁通量上限值要小的范围。而且，若减小转矩，则使交流电动机1的损耗最小的磁通量也变小。此外，图2中，对于各损耗曲线，在成为损耗最小条件(效率最大条件)的部位附加星号表示。另外，上述损耗表示交流电动机1的电路损耗。 

交流电动机1的电路损耗主要有定子侧、转子侧各自的电路电阻中的定子铜损、转子铜损、和铁心中的铁损，在物理上具有如下关系。 

定子铜损：定子侧电流的平方与定子电阻R1之积(大致与I1D和I1Q的平方和成正比) 

转子铜损：转子侧电流的平方与转子电阻R2之积(大致与I1Q的平方成正比) 

铁损：与定子侧的励磁分量电流和铁损电阻相关的值(随I1D变化而变化) 

因而，利用矢量控制中的(1)、(2)式，当转矩指令T*给出时，若操作磁通量指令值F2R(或磁通量分量电流指令I1DR)，则能够操作磁通量分量电流I1D和转矩分量电流I1Q之间的平衡、即电路损耗平衡。通过基于上述关系使图2 的损耗最小条件公式化，或者预先设为表格数据，从而能根据转矩指令T*算出并取得磁通量分量电流指令I1DR。 

另一方面，图3是表示交流电动机1的端子电压的速度依存特性的概念图，设横轴为(旋转)速度，纵轴为第二主电路(或矢量控制部)的输出电压。另外，图3中，(1)表示专利文献1所记载的方式中的电压特性，(2)表示在本实施方式中使用的图2所示的损耗最小条件(效率最大条件)下使速度变化时的电压特性。此外，(1)、(2)都为同一转矩条件。图3中，专利文献1所记载的方式中的电压指令值振幅|V|在高速域中固定在依存于成为单脉冲模式的直流电压值EFC的值、即作为其换算值的 

(与(1)的横轴平行的区域)。在该区域中控制交流电动机1的电压振幅时，有下述(A)、(B)所示的方法，且分别存在制约条件。 

(A)利用通过变换器控制部6的控制使直流电压值EFC上下变化。 

(B)在矢量控制部8的开关模式选择中选择单脉冲模式以外的模式。 

在(A)的方法中，直流电压值EFC的操作范围被制约在根据第一主电路5的绝缘或耐压性等决定的上限值EFC_max、和根据交流电源部2的电压条件(交流电压振幅值)及第一主电路5的电路结构决定的下限值EFC_min的范围。 

在(B)的方法中，除了交流电动机1的电压指令值振幅|V|的控制范围被制约在仅朝 

以下的方向之外，在电动车辆中使用的第二主电路7中的一般结构为二电平逆变器的情况下，如图9-1及图9-2所示，成为开关次数最小的单脉冲模式以外的动作，从而开关次数必然增加，存在第二主电路7的损耗增加的缺点。这里，图9-2示出三脉冲模式，在电角度360度中开关次数成为6次。 

基于上述情况，本实施方式中，如图4那样构成矢量控制指令值运算部11a，实现如下所述的功能。如图4所示，矢量控制指令值运算部11a包括磁通量指令运算部21、最大效率特性函数部22、指令值选择部23a、及F2R1条件损耗推定部24。磁通量指令运算部21根据对于矢量控制指令值运算部11a的输入即直流电压值EFC、转矩指令T*、及旋转频率FM，平常算出现有的单脉冲模式用的磁通量指令值F2R1。磁通量指令运算部21例如由专利文献1所记载的转子磁通量指令运算部来实现。F2R1条件损耗推定部24基于磁通量指令 运算部21所输出的单脉冲模式用的磁通量指令值F2R1、及转矩指令T*，根据图2所示的特性关系，算出以单脉冲模式进行工作时的交流电动机1的损耗Loss1。另外，向最大效率特性函数部22输入转矩指令T*及旋转频率FM。然后，最大效率特性函数部22中，根据转矩指令T*，并根据图2的特性，输出使交流电动机1的效率最大化的磁通量指令值F2R2。另外同时，根据图2的特性输出该效率最大条件时的交流电动机1的损耗Loss2，而且，根据以下的(12)～(15)式，算出效率最大条件时的交流电动机1的端子电压振幅值|V|2。 

[数学式4] 

$\mathrm{Winv}2=\mathrm{Wm}+\frac{R2\·T*}{\mathrm{pm}\·{F2R2}^2}...\left(12\right)$

$\mathrm{Vd}2*=R1\·\frac{F2R2}{M}-\mathrm{\σL}1\·\mathrm{Winv}2\·\frac{L2\·T*}{\mathrm{pm}\·M\·F2R2}...\left(13\right)$

$\mathrm{Vq}2*=R1\·\frac{L2\·T*}{\mathrm{pm}\·M\·F2R2}+\mathrm{Winv}2\·\frac{L1}{M}\·F2R2...\left(14\right)$

$\left|V\right|2=\sqrt{{\mathrm{Vd}2*}^2+{\mathrm{Vq}2*}^2}...\left(15\right)$

这里，Winv2、Vd2*、及Vq2*分别相当于(4)、(7)、及(8)式，是对于磁通量指令值F2R2算出的。 

以上得到的两种磁通量指令值F2R1、F2R2、对应的条件下的交流电动机1的损耗Loss1、Loss2、及效率最大条件时的交流电动机1的端子电压振幅值|V|2被输入到指令值选择部23a。然后，指令值选择部23基于这些输入值，并根据|V|2的条件，如以下那样决定输出到矢量控制部8的磁通量指令值F2R、及输出到变换器控制部6的直流电压指令值EFCR。此外，图3中也记载有与下述条件(i)、(ii)、(iii)对应的区域。 

(i) $\sqrt{\mathrm{}}6/\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{EFC}\_\max <\left|V\right|2$ 的区域 

该区域中，由于给予交流电动机1的效率最大条件的端子电压振幅值|V|2超过第二主电路7的可输出电压上限值，因此不能选择效率最大条件。这里，依照图2的特性，选择EFCR＝EFC_max，F2R＝F2R1，使得在可选择的范围内损耗最小。 

(ii) $\sqrt{}6/\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{EFC}\_\min \&le;\left|V\right|2\&le;\sqrt{\mathrm{}}6/\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{EFC}\_\max$ 的区域 

该区域中，交流电动机1的效率最大条件可通过使第二主电路7作为单脉冲模式、并控制直流电压值EFC来实现，选择 $\mathrm{EFCR}=\mathrm{\&pi;}/\sqrt{}6\&CenterDot;\left|V\right|2,F2R=F2R2.$ 此外，在这种情况下，F2R＝F2R1＝F2R2。 

(iii) $\left|V\right|2<\sqrt{\mathrm{}}6/\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{EFC}\_\min$ 的区域 

该区域中，交流电动机1的效率最大条件为单脉冲模式以外的模式。因而，考虑第二主电路7的损耗增加来选择指令值。若将单脉冲模式时的第二主电路7的开关损耗设为LossP1，将非单脉冲模式时的第二主电路7的开关损耗设为LossPn1，则交流电动机1的损耗和第二主电路7的损耗之和如下。 

依照专利文献1以单脉冲模式进行工作时：Loss1+LossP1 

在感应电动机的损耗最小点进行工作时：Loss2+LossPn1 

因此，为了减小电动车辆的控制装置整体的损耗，预先在指令值选择部23a中具有LossP1、LossPn1的数据，并选择如下： 

(iii-a)：Loss1+LossP1＞Loss2+LossPn1时 

EFCR＝EFC_min，F2R＝F2R2 

(iii-b)：Loss1+LossP1≤Loss2+LossPn1时 

EFCR＝EFC_min，F2R＝F2R1 

。此外，在使用具有三电平以上的等级的多电平逆变器以作为第二主电路7的情况下(例如，为三电平逆变器，图9-3表示使用了三电平逆变器时的电压波形)，基本无需使构成主电路的开关单元的开关次数发生变化，便能进行脉冲宽度调制。在这种情况下，由于LossP1＝LossPn1，因此在(iii)的区域中一直成为(iii-a)，只要将最大效率控制用的F2R2选择作为磁通量指令F2R即可。 

如上所述，利用指令值选择部23a，构成如(i)、(ii)、(iii-a)、(iii-b)那样进行判别的矢量控制指令值运算部11a，通过算出并选择直流电压指令值EFCR、及磁通量指令值F2R，从而能减小电动车辆的控制装置整体的损耗。 

如上所述，根据图1～图4所示的本实施方式，可得到如下效果，即，通过基于转矩指令T*对给予矢量控制部8的磁通量指令值F2R进行选择操作，从而能根据工作条件使交流电动机1及第二主电路7的损耗总和最小化，能提高 电动车辆的控制装置整体的效率。 

另外，除了如下效果以外，即，通过基于转矩指令T*对给予变换器控制部6的直流电压指令值EFCR进行选择，从而能使上述交流电动机1的损耗最小，还可得到能减小第二主电路7的开关损耗的效果，从而可得到能进一步提高电动车辆的控制装置整体的效率的效果。 

此外，本实施方式中，如图4所示，阐述了将交流电动机1的最大效率条件作为函数加以安装的方式，但在铁道车辆中，来自驾驶台的转矩指令T*有时也会对每一手柄挂入挡位(所谓的挡指令NC)预先决定速度特性，可对每一挡指令NC预先算出交流电动机1的最大效率条件的速度特性。因此，如图1所示，本实施方式中，转矩指令值生成部10采用与转矩指令T*一起生成驾驶台的挡指令NC的结构。因而，作为矢量控制指令值运算部11a，也可采用如下结构，即，如图5所示，预先设置对每一挡登录有最大效率磁通量指令值F2R2的最大效率磁通量特性表格25、及对每一挡登录有最大效率直流电压指令值EFC2的最大效率直流电压特性表格26，根据挡指令NC选择直流电压指令值EFCR及磁通量指令值F2R并加以输出。 

根据这种结构，由于能基于驾驶台的挡指令NC选择使控制装置整体的效率最大化的磁通量指令值F2R，并输出到矢量控制部8，因此具有如下效果，即，能利用更简单的结构提高控制装置的效率。另外，由于能基于驾驶台的挡指令NC选择使控制装置整体的效率最大化的直流电压指令值EFCR，并输出到变换器控制部6，因此具有如下效果，即，能利用更简单的结构提高控制装置的效率。 

实施方式2. 

图6是表示本发明所涉及的电动车辆的控制装置的实施方式2中的矢量控制指令值运算部的内部结构的结构图。本实施方式中，实施方式1中的矢量控制指令值运算部11a被置换成图6所示的矢量控制指令值运算部11b。图3中(i)、(ii)、(iii)的比例会根据电动车辆的控制装置中的转矩指令的动作范围、电动机的最佳设计、直流电源部3a的动作范围的规格、电车实际行驶的路线条件等而发生变化。特别是，当电动车辆的规格被判断为是：(iii)的区域与其它区域相比较小、对于高效率工作时的贡献较小的情况下，矢量控制指令值 运算部11a的结构中也可省略将第二主电路7的损耗考虑在内的(iii-a)(iii-b)的判别，如下述那样使单脉冲模式动作优先，同时仅操作直流电压值EFC来实现装置的高效率化。 

(i)的区域：EFCR＝EFC_max，F2R＝F2R1 

(ii)的区域： $\mathrm{EFCR}=\mathrm{\&pi;}/\sqrt{\mathrm{}}6\&CenterDot;\left|V\right|2,F2R=F2R2(=F2R1)$

(iii)的区域：EFCR＝EFC_min，F2R＝F2R1 

图6示出进行这种判别的矢量控制指令值运算部11b的结构，矢量控制指令值运算部11b包括磁通量指令运算部21、最大效率特性函数部22b、和指令值选择部23b。磁通量指令运算部21与实施方式1相同，将直流电压值EFC、转矩指令T*、及旋转频率FM作为输入，平常算出现有的单脉冲模式用的磁通量指令值F2R1，该磁通量指令值F2R1一直作为磁通量指令值F2R被输出到矢量控制部8。另外，最大效率特性函数部22b将转矩指令T*、及旋转频率FM作为输入，算出效率最大条件时的交流电动机1的端子电压振幅|V|2，并将其输出到指令值选择部23b。指令值选择部23b中，根据上述(i)、(ii)、(iii)的区域，选择直流电压指令值EFCR，输出到变换器控制部6。本实施方式中，由于一直使单脉冲模式优先，因此严格地来讲在(iii)的区域中装置整体的损耗未最小化，但不需要一面比较损耗值、一面进行磁通量指令值F2R的选择处理，使微机的运算量减少，从而能更容易地对矢量控制指令值运算部11b进行实际的安装。此外，本实施方式的其它结构与实施方式1的结构相同。 

如上所述，根据图1及图6所示的实施方式2中的电动车辆的控制装置，可得到如下效果，即，通过基于转矩指令T*操作给予直流电源部3a的直流电压指令值EFCR，从而间接地操作给予矢量控制部8的磁通量指令F2R的值，能根据工作条件使交流电动机1及第二主电路7的损耗总和最小化，提高电动车辆的控制装置整体的效率。 

实施方式3. 

图7是表示本发明的实施方式3所涉及的电动车辆的控制装置的结构的结构图。另外，图8是表示实施方式3中的矢量控制指令值运算部的内部结构的结构图。与实施方式1是从交流架空线供电的所谓交流电动车辆的结构不同，实施方式3示出从直流架空线供电的所谓直流电动车辆。即，如图7所示，从 由架空线、导电弓、滤波电容等构成的直流电源部3b通过由矢量控制部8控制的第二主电路7向交流电动机1供电，交流电动机1产生转矩，成为电动车辆的动力。转矩指令值生成部10输出转矩指令T*，利用矢量控制指令值运算部11c、矢量控制部8、直流电压检测部4、第二主电路7、交流电动机电流检测部13、速度检测部9，并利用矢量控制来实现交流电动机1的转矩控制，这些关系与实施方式1相同，因此对于同一结构物附加同一标号并省略说明。另外，采用可基于挡挂入信号对交流电动机1进行矢量控制的结构，这一点也与实施方式1相同。 

本实施方式中，与实施方式1不同的是直流电源部3b从架空线直接供电的方式，而没有直流电源部的控制单元，因此矢量控制指令值运算部11c不具有输出直流电压指令值EFCR的单元，成为图8那样的结构，仅用下述的(iii-a)’、(iii-b)’来实施磁通量指令值F2R的选择处理。 

(iii-a)’：Loss1+LossP1＞Loss2+LossPn1时 

F2R＝F2R2 

(iii-b)’：Loss1+LossP1≤Loss2+LossPn1时 

F2R＝F2R1 

这里，与实施方式1相同，LossP1是单脉冲模式时的开关损耗，LossPn1是非单脉冲模式的开关损耗。 

如上所述，利用图7及图8所示的实施方式3中的电动车辆的控制装置，可得到如下效果，即，通过基于转矩指令T*对给予矢量控制部8的磁通量指令值F2R进行选择操作，从而能根据工作条件使交流电动机1及第二主电路7的损耗总和最小化，能提高电动车辆的控制装置整体的效率。 

工业上的实用性 

如上所述，本发明所涉及的电动车辆的控制装置在对产生驱动电动车辆的转矩的交流电动机进行高效的控制时是有用的。 

Claims (6)

1.一种电动车辆的控制装置，该电动车辆包括交流电动机，其特征在于，包括：

主电路，该主电路将由直流电电源提供的直流电变换成交流电，并向所述交流电动机提供交流电；

矢量控制部，该矢量控制部生成指示该主电路进行开关动作的开关指令，并对所述交流电动机进行矢量控制；

转矩指令值生成部，该转矩指令值生成部生成转矩指令值，所述转矩指令值是向所述交流电动机输出的转矩的指令值；及

矢量控制指令值运算部，该矢量控制指令值运算部根据所述转矩指令值，算出使得所述交流电动机的损耗最小的第一磁通量指令值、和用单脉冲模式控制所述交流电动机时的磁通量指令值即第二磁通量指令值，并且算出用所述第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和、和用所述第二磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和，并且当用所述第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和小于用所述第二磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和，在这样的情况下，将用非单脉冲模式来控制所述交流电动机的所述第一磁通量指令值输出到所述矢量控制部，当用所述第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和大于等于用所述第二磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和，在这样的情况下，将用单脉冲模式来控制所述交流电动机的所述第二磁通量指令值输出到所述矢量控制部。

2.一种电动车辆的控制装置，该电动车辆包括交流电动机，其特征在于，包括：

第一主电路，该第一主电路将由交流电电源提供的交流电变换成直流电；

变换器控制部，该变换器控制部生成指示该第一主电路进行开关动作的开关指令；

直流电源部，对该直流电源部输入从所述第一主电路输出的直流电；

直流电压检测部，该直流电压检测部对该直流电源部的电压值进行检测；

第二主电路，该第二主电路将从所述直流电源部输出的直流电变换成交流电，并向所述交流电动机提供交流电；

矢量控制部，该矢量控制部生成指示所述第二主电路进行开关动作的开关指令，并对所述交流电动机进行矢量控制；

转矩指令值生成部，该转矩指令值生成部生成转矩指令值，所述转矩指令值是向所述交流电动机输出的转矩的指令值；及

矢量控制指令值运算部，该矢量控制指令值运算部根据所述转矩指令值，算出用使得所述交流电动机的损耗最小的磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的端子电压振幅值，基于该算出的端子电压振幅值和根据所述第一主电路的特性而预先决定的所述直流电源部的施加电压值的上限值及下限值，从所述端子电压振幅值的直流电源部换算值、所述上限值及所述下限值中，选择出用于对所述电源部的电压发出指令的直流电压指令值，并将该选择出的直流电压指令值输出到所述变换器控制部，

所述第一主电路的特性中，包含所述交流电电源的电压条件及所述第一主电路的电路结构、以及所述第一主电路的绝缘性及耐压性。

3.如权利要求2所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，

所述矢量控制指令值运算部算出用单脉冲模式控制所述交流电动机时的磁通量指令值，并将该算出的磁通量指令值输出到所述矢量控制部。

4.一种电动车辆的控制装置，该电动车辆包括交流电动机，其特征在于，包括：

第一主电路，该第一主电路将由交流电电源提供的交流电变换成直流电；

变换器控制部，该变换器控制部生成指示该第一主电路进行开关动作的开关指令；

直流电源部，对该直流电源部输入从所述第一主电路输出的直流电；

直流电压检测部，该直流电压检测部对该直流电源部的电压值进行检测；

第二主电路，该第二主电路将从所述直流电源部输出的直流电变换成交流电，并向所述交流电动机提供交流电；

矢量控制部，该矢量控制部生成指示所述第二主电路进行开关动作的开关指令，并对所述交流电动机进行矢量控制；

转矩指令值生成部，该转矩指令值生成部生成转矩指令值，所述转矩指令值是向所述交流电动机输出的转矩的指令值；及

矢量控制指令值运算部，该矢量控制指令值运算部根据所述转矩指令值，算出使得所述交流电动机的损耗最小的第一磁通量指令值及用该第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的端子电压振幅值、和用单脉冲模式控制所述交流电动机时的磁通量指令值即第二磁通量指令值，并且算出用所述第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述第二主电路的损耗的总和、和用所述第二磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述第二主电路的损耗的总和，并将与较小的损耗总和对应的磁通量指令值输出到所述矢量控制部，并且将根据所述第一主电路的特性而预先决定的所述直流电源部的施加电压值的下限值设定为用于对所述直流电源部的电压发出指令的直流电压指令值，并将该直流电压指令值输出到所述矢量控制部，

所述第一主电路的特性中，包含所述交流电电源的电压条件及所述第一主电路的电路结构、以及所述第一主电路的绝缘性及耐压性。

5.一种电动车辆的控制装置，该电动车辆包括交流电动机，其特征在于，包括：

主电路，该主电路将由直流电电源提供的直流电变换成交流电，并向所述交流电动机提供交流电；

矢量控制部，该矢量控制部生成指示该主电路进行开关动作的开关指令，并对所述交流电动机进行矢量控制；

转矩指令值生成部，该转矩指令值生成部生成转矩指令值和驾驶台的挡指令值，所述转矩指令值是向所述交流电动机输出的转矩的指令值；及

矢量控制指令值运算部，该矢量控制指令值运算部包括表格，所述表格中根据所述挡指令值，预先算出使得所述交流电动机的损耗最小的第一磁通量指令值、用单脉冲模式控制所述交流电动机时的磁通量指令值即第二磁通量指令值、用所述第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和、以及用所述第二磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和，并且当用所述第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和小于用所述第二磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和，在这样的情况下，在所述表格中登录用非单脉冲模式来控制所述交流电动机的所述第一磁通量指令值，当用所述第一磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和大于等于用所述第二磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的损耗及所述主电路的损耗的总和，在这样的情况下，在所述表格中登录用单脉冲模式来控制所述交流电动机的所述第二磁通量指令值，

所述矢量控制指令值运算部根据所述挡指令值，从所述表格中选择出向所述矢量控制部输出的磁通量指令值。

6.一种电动车辆的控制装置，该电动车辆包括交流电动机，其特征在于，包括：

第一主电路，该第一主电路将由交流电电源提供的交流电变换成直流电；

矢量控制部，该矢量控制部生成指示该第一主电路进行开关动作的开关指令；

直流电源部，对该直流电源部输入从所述第一主电路输出的直流电；

直流电压检测部，该直流电压检测部对该直流电源部的电压值进行检测；

第二主电路，该第二主电路将从所述直流电源部输出的直流电变换成交流电，并向所述交流电动机提供交流电；

矢量控制部，该矢量控制部生成指示所述第二主电路进行开关动作的开关指令，并对所述交流电动机进行；

转矩指令值生成部，该转矩指令值生成部生成转矩指令值和驾驶台的挡指令值，所述转矩指令值是向所述交流电动机输出的转矩的指令值；及

矢量控制指令值运算部，该矢量控制指令值运算部包括表格，所述表格中根据所述挡指令值，对基于用使得所述交流电动机的损耗最小的磁通量指令值进行控制时的所述交流电动机的端子电压控制值、和根据所述第一主电路的特性预先决定的所述直流电源部的施加电压值的上限值及下限值而预先算出的、用于对直流电源部的电压发出指令的直流电压指令值，进行登录，

所述矢量控制指令值运算部根据所述挡指令值，从所述表格中选择出向所述变换器控制部输出的直流电压指令值，所述第一主电路的特性中，包含所述交流电电源的电压条件及所述第一主电路的电路结构、以及所述第一主电路的绝缘性及耐压性。

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