CN1186743A - 用于电动车辆的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一个主控制器监视和控制多个逆变器控制器,每个逆变器控制器控制一个逆变器。逆变器向至少一台驱动电动机供电。当某台驱动电动机发生打滑或滑移时,一个和这一驱动电动机相关的逆变器控制器向主控制器传送非粘着信息。根据传输的非粘着信息,主控制器立即减小对于和某台驱动电动机相关的逆变器控制器的转矩模式。同时,主控制器查明打滑或滑移发生的状态和位置,根据查明的结果,补偿对于和某台驱动电动机之外的驱动电动机相关的逆变器控制器的转矩模式。

Description

用于电动车辆的控制装置
本发明涉及一种用于电动车辆的控制装置，它具有一个主控制器和多个由主控制器监视和控制的逆变器控制器，每一个逆变器控制器控制一个逆变器，此逆变器至少给一个驱动电动机供电。
更详细地说，本发明涉及用于电动车辆的上述构造的控制装置，此控制装置可以提供出色的粘着(achesion)能力，从而达到期望的电动车辆的加速和减速的特性。
由本申请的同一申请人拥有的日本专利申请的公开公报JP-A-4-248301(1992)揭示了这类电动车辆的一种控制装置。
换句话说，所揭示的控制装置具有一个主控制器和多个由主控制器监视和控制的逆变器控制器。每一个逆变器控制器控制一个逆变器。逆变器给一个单独的驱动电动机供电。
在现有技术中，一个逆变器只给一个驱动电动机供电。从下面的描述可以明白，本发明和将由一个逆变器供电的驱动电动机的数目无关。
就重新粘着控制而论，此现有技术的公报之描述如下。参照附图9将简要解释它的工作原理。
此图只指出了电动车辆在加速操作中的打滑(slip)现象。然而，要注意，下面的描述同样应用于减速操作中的滑移(skid)现象，因为考虑到两者都是驱动车轮的非粘着状态，它们相互之间是共同的。
如图9所示，当在某一驱动车轮发生打滑时，与车轮耦合的驱动电动机的速度会异常增加。电动机速度Fr的这种异常变化Fr可由和驱动车轮相贴的测速发电机的输出电压的变化率检测出来。在检测了电动机速度Fr的这种变化后，产生一个滑动信号，在打滑的产生过程，(也就是图9中t0～t1这一段时间)中假定为“1”。
在存在打滑信号时，电动机的电流模式(current pattern)Ip减小了。在滑动信号消失后的t0～t1这段时间中，电流模式Ip在减小了的值处保持一会儿，如图所示。然后，在t1～t2这段时间里，电流模式Ip如此缓慢地回复到最初始值，以致不会再发生打滑。
如图9所示，相应于电流模式Ip的打阴影线的部分的转矩由于上述针对打滑而进行的重新粘着控制而消失。
由于上面提及的，也就是说，在t0～t2这段时间里，重新粘着控制，通常持续几秒时间，如果重复发生打滑，则电动车辆加速特性被严重损坏。电动车辆的乘坐质量也会显著下降，因为如上面提到的重新粘着控制引起由驱动车轮产生的转矩波动。
本发明的一个目的是提供一种电动车辆的控制装置，它包括一个决定电动车辆的操作状况的主控制器和多个由主控制器监视和控制的逆变器控制器，每个逆变器控制器控制至少一个给电动车辆的一个驱动电动机供电的逆变器，其中，一旦驱动车轮发生打滑或滑移，打滑和溜滑即可被抑制，而且根据从打滑或滑移得到的信息，使得发出的打滑或滑移尽可能地集中，从而不延伸到别的车轮，这样，可以防止要由驱动电动机产生的转矩的不必要的减小，以得到想要的加速或减速特性。
根据本发明的一个特点，当某一驱动车轮发生打滑或滑移时，主控制器根据来自和驱动电动机相关的逆变器控制器的非粘着信号，减小和非粘着车轮耦合的驱动电动机的转矩模式，并通过使用接收到的非粘着信号推测打滑或滑移发生的位置以及那时发生的打滑或滑移的状态，并根据上述推测结果确定对其余的驱动电动机进行转矩指令校正。
根据本发明的实施例，当在驱动车轮中发生打滑或滑移时，根据上述推测的结果，相对于非粘着车轮与在沿行驶方向后侧的车轮耦合的驱动电动机的转矩被减小了。
这样，即使一个随后的车轮(它在沿行驶方向的后侧)经过前面的车轮发生打滑或滑移的位置，也可以防止随后的车轮发生打滑或滑移。即，抑制了在随后的车轮中打滑或滑移的发生。换句话说，打滑或滑移被限制在第一次发生，故可以说局限了打滑或滑移的发生。
现有技术中施行的重新粘着控制不再不必要地重复，从而防止了由这种控制引起的不希望的转矩的减小。
图1是方框图，概要地显示了根据本发明一个实施例的控制装置的整个结构，其中，要注意，由于具有同样的结构，一对逆变器控制器2a、2b中的一个只显示方框图而没有它的细节；
图2是功能方框图，解释了包括在图1的实施例中的主控制器1的功能和操作；
图3是流程图，解释了上面的主控制器1的操作；
图4是功能方框图，解释了图1实施例的逆变器控制器2a、2b的功能和操作；
图5是流程图，解释了上面的逆变器控制器2a、2b的操作；
图6是辅助图用于解释通过本发明得到的使打滑和滑移的局限的操作原理；
图7是流程图，显示了在主控制器1中执行的异常处理；
图8是解释本发明的实施例控制的效果的图；以及
图9是解释传统重新粘着控制操作的图。
下面，将参照附图描述本发明的一个实施例。
图1是方框图，概要地显示根据本发明的一个实施例的电动车辆的控制装置的整个结构。
如图所示，主控制器1由中央处理单元(CPU)11、模拟接口(AI)12、数字输入接口(DI)13、数字输出接口(DO)14，程序存储器(ROM)15，工作存储器(RAM)16和网络接口(NI)17组成。这些元件通过众所周知的合适的数据总线相互连接。
制动操作装置3通过模拟接口12向CPU11提供载荷重模式(load weighpattern)31和制动模式32(brake pattern)。载荷称量模式31是一个和车辆的重量成比例的模拟信号，车辆重量决定于乘客的数量或装载的货运负载量。
来自主控制器4的档(notch)指令41a～41e和来自线路继路器5的接触状态信号51通过数字输入接口13都被提供给CPU11。CPU11通过数字输出接口14向断路器5产生断路器驱动信号52。当断路器驱动信号52是“1”时，线路断路器5变为闭合。当信号52为“0”时，断路器5释放而断开。
使用RAM16，CPU11按照ROM15中储存的程序，根据通过接口12、13从中得到的信号执行一个预定的处理，这样决定了电动车辆的操作状况。此外，CPU11执行的处理将在下面详细描述。这样决定的电动车辆的操作状况通过网络接口17和传输路径10传递到逆变器控制器2a、2b。作为传输路径，当然可以使用任何类型的；即，串行的或并行的。
通常，把多个逆变器控制器连接在单个主控制器上。下面，将描述如图所示两组逆变器控制器2a、2b连接在单独主控制器1上的情形。而且，注意由于逆变器控制器2a、2b具有相同的结构，图中逆变器控制器2b的细节被省略了，在下面的描述中只描述逆变器控制器2b。
逆变器控制器2a包含中央处理单元(CPU)21a、模拟接口(AI)25a、网络接口(NI)27a、程序存储器(ROM)22a、工作存储器(RAM)23a、脉冲接口(PI)24a和逻辑电路(PLD)26a。这些部件通过众所周知的合适的数据总线相互连接。
根据主控制器1提供的操作状态，上面结构的逆变器控制器2a执行一个预定的处理操作，以对逆变器6a产生一个逆变控制信号261a。逆变器6a受信号261a的控制驱动感应电动机7a。测速发电机8a与电动机7a耦合以检测它的转速。
使用RAM 23a，CPU 21a按照存储于ROM 22a中的程序，根据通过网络接口27a和串行传输路径10而从中取得的有关电动车辆操作状况的数据，执行一个预定的处理。这个由CPU 21a执行的处理操作将在下文详细描述。
CPU 21a执行预定的操作，产生通过逻辑电路传输给逆变器6a的PWM脉冲信号261a，由此驱动逆变器6a并且控制感应电动机的转速。
测速发电机8a产生脉冲串81a，其重复频率和感应电动机7a的转速成比例。脉冲串81a通过脉冲接口24a输入CPU 21a。把由检测器9ua、9va、9wa检测到的电动机电流信号91a、92a、93a和施加至逆变器6a的DC源电压的信号61a通过模拟输入接口25a提供给CPU 21a。
下文中，参照显示其功能的方框图的图2，描述主控制器1的功能和操作过程。
如图所示，载荷称量模式31和制动模式32引至切换功能1a。把各种档信号41a～41e引至档鉴别功能1b。根据档信号41a～41e，档鉴别功能1b产生PB信号411，它用“1”表示驱动(驱动)状态而用“0”表示制动状态。
响应于PB信号411，切换功能1a选择载荷称量方式31和制动模式32中的一个作为转矩指令而输出。相减小功能1j从转矩指令312中减去由异常处理功能1e产生的转矩补偿值314以产生最终转矩指令313把它存储在输出存储器1f中。
档鉴别功能1b将档信号41a～41e变换成档信息412。线路断路器5的接触状态信号51被线路断路器控制功能1c接收，它产生LB信号511，分别用“1”或“0”显示线路断路器5的触点的接通状态或断开状态。
序列处理功能1d根据档信息412和LB信号511鉴别是否是启动逆变器6a的时刻。根据鉴别结果，把一个启动标志加于档信息412以形成信号512。启动标志“1”意味着逆变器的启动。把这样形成的信号512存储在输出存储器1f中。
网络控制功能1h响应于来自序列处理功能1d的传输要求512，把存储在输出存储器1f中的数据送至网络器。这个功能也可以通过网络10将从中取出由逆变器控制器2a、2b传输来的数据以存储到输入存储器1g中。
如下面将描述的来自逆变器控制器2a、2b的传输数据包括常规数据(如车辆速度、源电压、电动机电流等等，它们是每隔一个预定的恒定的时间间隔取出的)和异常数据。
异常处理功能1e从输入存储器1g读出异常数据523(有关打滑或滑移、过电压、过电流，异常PWM脉冲等等的信息)产生代表适当的转矩校正值的信号314。转矩指令312在相减功能1j中由信号314减小。结果，处于非粘着状态下的驱动电动机产生减小了的转矩，从而促进了电动机的重新粘着。
然而，也可能不仅控制处于非粘着状态的驱动电动机，而且控制所有的驱动电动机(包括处于粘着状态的驱动电动机)以减小它们的转矩。还可以某一时间差减小和增加处于正常状态下的其它驱动电动机的输出。
如果异常状态是基于其它原因，诸如过电压、过电流和异常PWM脉冲，则通过产生使包含在来自序列处理功能1d的信号512中的驱动标志复位的信号522，而停止一个和发生异常情况的一个逆变器以及一台或数台驱动电动机相关联的逆变器控制器的工作。当信号522假定为“1”时，启动标志复位。
图3是流程图，显示了为了得到上面提到的主控制器1的功能而由CPU 11执行的处理操作的序列。
启动后，在步骤100取出档信号41a～41e。如果在步骤101判断档信号为驱动，则取载荷称量模式31作为要存储在输出存储器1f中的转矩指令312(步骤102)。如果在步骤101，103判断档信号不是驱动，而是制动，则取制动模式32作为要储存在输出存储器1f中的转矩指令312(步骤104)。
由于车辆正在滑行或停止，如果在步骤101、103处判断档信号既不是驱动也不是制动，则在接收到常规数据后结束处理操作。
在步骤105处鉴别是否存在有异常信息，如果存在异常，则在步骤106执行异常处理。如果在步骤105判断了不存在异常，则跳过异常处理步骤106，而在步骤107产生给断路器5的驱动信号52。而后，在步骤108，从线路断路器5取出接触状态信号51。
根据信号51，在步骤109鉴别是否完成断路器5触点的闭合。如果在步骤109判断出断路器5触点的闭合已经完成，则把指令数据送到逆变器控制器2a、2b(步骤110)。如果在步骤109判断出断路器还没有闭合，则跳过下面的处理，并在接收到常规数据后结束(步骤111)。
上述处理操作根据由硬计时器(hard timer)产生的周期的中断信号而重复执行。中断续信号的时间间隔例如为1msec。
上述指令数据由发送器(主控制器1)的地址、接收器(逆变器控制器2a、2b)的地址，转矩指令、档信息等等构成。
接着，描述逆变器控制器的功能和处理操作。然而，由于逆变器控制器2a、2b具有相同的构造，为了解释的简便起见，下面将只对逆变器控制器2a作解释。
图4是示意地显示逆变器控制器2a的功能的方框图。如图所示，网络控制功能2a-1通过网络10为逆变器控制器2a取出指令数据，并将它们储存在输入存储器2a-2中。
操作状态判断功能2a-3产生启动信号231(对于驱动假定“1”而“2”对于停止)和操作状态信号232，诸如驱动/制动、前进/倒车，等等。
电流模式计算功能2a-4通过使用操作状态信号232、储存在输入存储器2a-2中的转矩指令222和由模拟/数字变换器(A/D)2a-5变换成数字形式的DC源电压的信号251，来产生用于驱动或制动的电流模式241。
打滑频率/电流计算功能2a-9接收电流模式241和通过A/D变换器2a-5～2a-8变换成数字形式的U、V、W-相电动机电流261、271、281，从而根据电流模式241产生得到电动机电流所必需批滑频率指令291和电动机电流指令292。
速度计算功能2a-10根据通过测速发电机8a得到的脉冲串81a，根据下面公式(1)计算电动机速度指令2101：
     Fr＝Np/30                   (1)
其中，Np指一秒内由侧速发电机8a产生的脉冲的数目，即，脉冲重复频率。然而，要注意，这个实施例所用的测速发电机8a每转产生三十个脉冲。此外，Fr以Hz为单位表示驱动电动机的转速。
频率 计算功能2a-1根据打滑频率291和电动机速度2101，根据下面的公式(2)计算频率指令2111：
    Fi＝Fs+Fr                    (2)
其中，Fi和Fs分别表示频率指令和打滑频率；它们都以Hz作单位。
电压计算功能2a-12根据电流指令292和频率指令2111以及DC源电压信号251，产生电压指令2121和电压一相位指令2122。
PWM计算功能2a-13根据频率指令2111和电压指令2121以及电压-相位指令2122，产生用于驱动逆变器6a的PWM脉冲信号261a。
异常检测功能2a-5用于检测DC源电压251的过电压、三相电动机电流261、271、281的过电流，电动机速度的打滑或滑移2101以及PWM脉冲信号中的异常。当检测到任何一种异常情况时，功能2a-15产生异常标志2151(用标志“0”表示正常，而“1”表示异常)，并储存异常信息2152和常规信息2153。
当来自操作状态判断功能2a-3的驱动信号231假定为“1”而来自异常检测功能2a-15的异常标志2151假定为“0”时，启动控制功能2a-17输出允许PWM计算功能2a-13产生PWM脉冲信号的门启动信号2171。
由于把逆变器控制器2a的地址存储在输出存储器2a-16中，网络控制功能2a-1向网络10产生异常数据(它由发送器和接收器的地址，以及异常信息构成)或常规数据(它由发送器和接收器的地址，以及常规信息构成)。
下面参照示于图5的流程图，描述CPU 21a为了得到逆变器控制器2a的上述功能所进行的处理操作。
在步骤120，检查是否存在有异常情况。如果确认有异常存在，并且在步骤121判定异常是由于打滑或滑移的发生造成的，则在步骤122施行重新粘着控制，以减小电流模式241。重新粘着控制将参照图6在后面进一步解释。
当上面提到的异常不是由于打滑或滑移造成的，而是由过电压、过电流或PWM中的异常所引起的，则在步骤121处的判定结果为“否”，而处理转到步骤123，在那里电流模式减小为0，而在步骤124处停止PWM脉冲信号261a。
然后，把主控制器1的地址和异常信息存储在输出存储器2a-16中(步骤125)。而且，逆变器控制器2a的地址也被存储了(步骤126)。那样，网络控制功能2a-1向网络10产生异常信息(步骤127)，并且在传输常规数据后结束处理操作(步骤139)。
回到步骤120，然而如果在此步骤处判断不存在异常，于是在步骤128进一步鉴别是否接收到来自主控制器1的指令数据。通常，上述指令数据由发送器地址、接收器地址、转矩指令和档信息构成。
当接收到指令数据时，把该数据暂时存储在输入存储器2a-2中，并且把其中的档信息在步骤129首先取出。如果根据档信息，在步骤130判断已指令启动，则在步骤131判断操作状态。
如果在步骤131处，判断操作状态为驱动，则根据转矩指令222和DC源电压251产生用于驱动的电流模式241，并根据电流模式241产生PWM脉冲信号261a(步骤133)。
如果在步骤131，132处，判断出操作状态不是驱动而是制动，则根据转矩指令222和DC源电压251产生用于制动电流模式241，并且根据电流模式241产生PWM脉冲信号261a(步骤135)。
如果在步骤132处，操作状态判断为不是制动，则电流模式241变成“0”(步骤135)并停止产生PWM脉冲信号261a(步骤136)。
如果在步骤128判定未接收到指令数据，或者如果在步骤130判断出操作状态不处于启动，则在该时刻的操作状态要进一步判断(步骤137)。如果在步骤137判断出操作状态已经处于驱动下，则继续在步骤133施行用于驱动的处理。
如果在步骤137，138，判断出操作状态不是驱动而是制动，则在步骤134继续施行用于制动的处理。另外，如果在这些步骤处判断出操作状态既不是驱动也不是制动，则施行步骤135，136，并且在常规数据传输后终止操作处理(步骤139)。每隔一预定时间间隔里重复上述的一组处理操作。
下面将描述当发生打滑或滑移时，上面提到的实施例的操作。
在描述中假定，驱动车辆的主要部件按照图6所示安排。即，由逆变器控制器2a、逆变器6a和驱动电动机7a构成的第一驱动系统安排在电动车辆沿行驶方向(由粗箭头表示)的前面，而由逆变器控制器2b、逆变器6b和驱动电动机7b构成的第二驱动系统安排在后面。而且，A和B分别表示由电动机7a和7b驱动的车轮，L表示它们之间的距离。
如果在电动机7a驱动的车轮A中发生打滑，逆变器控制器2a通过执行图5所示的流程图的步骤122施行重新粘着控制，并通过执行同一流程图中的步骤125、126、127传送异常数据给主控制器1。主控制器1接收异常数据并施行图3所示的流程的步骤106的异常处理。
由图7所示的流程图显示了异常处理操作的细节。PWM脉冲信号的异常、过电流和过电压的发生或存在，在步骤1061、1062、1063连续地检测。通过执行这些步骤，如果发现任何异常，会产生停止有关的逆变器控制器操作的复位信号522(图2)(步骤1064)。而且，“有关的”逆变器控制器指属于一个发生异常的驱动系统的逆变器控制器。
当通过执行步骤1061～1063，未发现异常时，在步骤1065鉴别是否有打滑或滑移发生，如果有，则相应对打滑或滑移的状态，计算和产生转矩补偿值314(步骤1066)。另一方面，如果判断出未发生打滑或滑移，则跳过步骤1066并终止处理操作。
在发生打滑后，在步骤1066处执行的转矩补偿计算如下。
再参照图6，让我们假定在图所示的位置处车轮A产生打滑。而且，假定电动车辆的速度是v，车轮B经过距离L所必需的时间T由下面的公式(3)表达：
    T＝L/v                  (3)
上述的电动车辆的速度v可以从包含于常规数据的有关车辆速度的信息得到。例如，假定车辆速度是30公里/小时而L是20米，则时间T为2.4秒。
而且，要注意，这样得到的时间T也指从车轮A发生打滑的时刻到车轮B到达车轮A发生打滑的位置的时刻之间的持续时间。
在发生打滑或滑移之前和之后的约一秒中，正比于打滑或滑移的持续时间Δt计算要给逆变器控制器2b的相对于电流模式的补偿值ΔIp，如下面的等式(4)所示：
  ΔIp＝k×t                   (4)
其中，k是比例常数。
作为例子，如图8所示，如果ΔIp是初始模式的20％，和传统的重新粘着控制相比，每发生一次滑动转矩指令可以减小到七分之一。
图6中，如果车轮B发生打滑，逆变器控制器2b实施和由逆变器控制器2a实施的相同的处理。主控制器1根据上面提到的等式(4)增加要给逆变器控制器2a的电流模式，这样可以防止转矩的减小。
上面已经描述了实施例的有关情况，其中一个主控制器监视和控制两个逆变器控制器，每个逆变器控制器驱动一个单独的逆变器和一台感应电动机。然而，理所当然的是本发明可以用于这样一种情况，其中一个主控制器监视和控制两个以上的逆变器控制器，每个逆变器控制器控制一个给两台以上的感应电动机供电的逆变器。
例如，一个逆变器可以可以给四台感应电动机供电，其中两台安装在一个转向架(truck)上，剩下两个安装在另一个转向架上。这种情况下，一个逆变器控制器实施转矩补偿计算。由前述主控制器实施的。
在前述的实施例中，如参照图6的描述，在车轮A发生打滑后，逆变器控制器2b开始转矩模式的补偿时间设定为，在车轮B到达车轮A发生打滑的位置之前一秒。然而，当检测出车轮A发生打滑时，电流模式可以立即降低。
如上所述，根据本发明，即使在这样的路面条件下使得先前的车轮中发生了打滑或滑移的情况下，在后继的两个车轮中发生打滑或滑移也非常困难。相应地，可以得到预定的加速特性，并可防止行驶质量的降低。

Claims (4)

1.一种电动车辆的控制装置，包含：
主控制器，用于根据各种操作信息决定操作状态；和
多个和所述主控制器连接的逆变器控制器，根据已决定的操作状态，每个所述逆变器控制器控制一个逆变器，所述逆变器向所述电动车辆的至少一台驱动电动机供电，
其特征在于，当某台驱动电动机中发生非粘着状态，所述主控制器立即减小供给与这台驱动电动机有关的所述逆变器控制器的转矩模式，并在随后一预定时刻减小供给和剩下的所述驱动电动机连接的所述逆变器控制器的转矩模式。
2.如权利要求1所述的电动车辆的电力逆变器控制装置，其特征在于，只有这样一个转矩模式在预定的时刻之后被减小，该转矩模式将被供给和相对于某台电动机在沿电动车辆行驶方向后侧的驱动电动机相关的逆变器控制器。
3.如权利要求1所述的电动车辆的电力逆变器控制器，其特征在于，这样一个转矩模式被加大，该转矩模式将被供给和相对于某台电动机在沿电动车辆行驶方向前侧的驱动电动机相关的逆变器控制器。
4.如权利要求2所述的电动车辆的电力逆变器控制器装置，其特征在于，预定的时间是从在轨道上某一位置处某个车轮发生非粘着状态的时刻到相对于某个车轮在沿行驶方向后侧的车轮到达这一位置的时刻的时间。
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