JP2001008487A - 電気車の制御装置及び制御方法 - Google Patents
電気車の制御装置及び制御方法Info
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- JP2001008487A JP2001008487A JP11174282A JP17428299A JP2001008487A JP 2001008487 A JP2001008487 A JP 2001008487A JP 11174282 A JP11174282 A JP 11174282A JP 17428299 A JP17428299 A JP 17428299A JP 2001008487 A JP2001008487 A JP 2001008487A
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Abstract
を補正する電気車の制御装置とその制御方法を得る。 【解決手段】電気車の制御装置において、位相演算部の
位相を補正する位相補正部を有し、該位相補正部は、電
力変換器の入力電圧VB×電流IBで算出した入力電力
状態に基づいて、位相演算部で演算された位相の補正を
行なう。
Description
及び制御方法に係り、特に、回転センサの出力を基に演
算される位相角を補正する位相補正部を内蔵した電気車
の制御装置及び制御方法に関する。
する場合には、レゾルバ等の回転センサにより同期機の
永久磁石(ロータ)の磁極位置と回転角度を検出し、同
期機電流を制御している。しかし、レゾルバ等のセンサ
やセンサ出力処理回路は誤差、特に、速度に依存した位
相誤差を含んでいるため、同期機のロータの位置を正確
に検出することは不可能である。
するものとして、特開平10−304676号公報に
は、電気車の停止信号IGNOFF時に電力変換器用平
滑コンデンサを放電する際、回転センサの位相誤差を補
正する発明が記載されている。この発明では、同期機停
止時にのみ位相補正を行っている。
度変化、経年変化や速度に依存した位相誤差を生ずる。
この誤差は、同期機停止時の平滑コンデンサ放電時のみ
だけでなく、通常の運転時にも影響を及ぼす。同期機停
止時にのみ位相補正を行うものでは、回転センサの出力
に誤差があると、例えば、回転中トルク指令値がゼロの
場合、不要な力行あるいは回生トルクを発生してバッテ
リーの不要な充放電が生じる。
て、回転センサの位相誤差を補正する電気車の制御装置
とその制御方法を得ることを目的とする。
と、前記同期機の磁極位置と回転角度を検出する回転セ
ンサと、前記同期機を駆動する電力変換器と、該電力変
換器を制御する制御装置とを備えた電気車の制御装置で
あって、前記制御装置が、d軸電流指令とq軸電流指令
を発生する電流指令発生部と、dq軸電流指令と同期機
電流からのdq軸電流を検出値をもとにdq軸電圧指令
値Vd*、Vq*、座標変換処理を行って交流電圧指令
値Vu*、Vv*、Vw*を演算するdq軸電流制御部
と、前記交流電圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号
を発生するPWM制御部と、前記回転センサの出力から
座標変換処理で使用する位相及び速度を演算する位相演
算部及び速度演算部を備えた電気車の制御装置におい
て、前記位相演算部の位相を補正する位相補正部を有
し、該位相補正部は、前記回転センサの位相誤差特性に
基づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行
なうことにある。
置において、前記位相補正部は、前記電力変換器の入力
電圧VB×電流IBで算出された入力電力状態に基づい
て、前記位相演算部で演算された位相の補正を行なうこ
とにある。
置において、前記位相補正部が、前記電力変換器の入力
電圧VB×電流IBで算出した電力変換器の入力電力
と、電力変換器と同期機の損失WTに加えてトルク指令
τM*×速度ωMから算出した目標出力が等しくなるよう
に補正をすることにある。
置において、前記位相補正部が、前記電力変換器の入力
電圧VB×電流IBで算出した前記電力変換器の入力電
力と、トルク指令τM*×速度ωMから算出した目標出
力が等しくなるように補正をすることにある。
たって、回転センサの温度変化、経年変化や速度に依存
する位相誤差を電力変換器の入力電力情報から随時補正
するので、トルク指令値に追従した同期機の制御が可能
である。例えば、トルク指令値ゼロ時に、位相誤差によ
る不要な力行あるいは回生トルクを発生してバッテリー
の不要な充放電を行うようなことを防止できる。
装置の一実施例について、図面に基づいて説明する。
動車のシステム構成を示す回路図である。図において、
バッテリー10は、キースィッチにより開閉制御される
メインコンタクタ11を介して電力変換器12に接続さ
れている。電力変換器12は、バッテリー10からの直
流電流を交流電力に変換して電気車駆動用の永久磁石型
同期機13に供給するものである。メインコンタクタ1
1と電力変換器12の間には、直流電力を平滑化するた
めの電解コンデンサがバッテリー10に並列に接続され
ている。電力変換器12は複数のスイッチング素子を有
しており、これらのスイッチング素子は制御装置20に
よりオンオフ制御される。
り、それぞれアクセル開度とモータ回転数(速度)に対
応したトルク指令τM*が生成され、このトルク指令τM*
が制御装置20に送られる。
角度はレゾルバ16で、また、同期機電流は電流検出器
16で検出され、これらの検出値は制御装置20に送ら
れる。
値と、トルク指令発生部から送られてきたトルク指令τ
M*を基に、電力変換器12のスイッチング素子のオンオ
フを制御するPWM信号を生成する。なお、14は電気
自動車の変速機、17はタイヤを示す。また、18、1
9は、電力変換器12の入力電力状態、すなわち入力電
流IBと入力電圧VBを検出するための電流検出器及び
電圧検出器である。
軸電流指令iq*を発生する電流指令発生部21と、d
q軸電流指令と同期機電流からのdq軸電流の検出値を
もとにdq軸電圧指令値Vd*、Vq*、座標変換処理
を行って交流電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*を演算
するdq軸電流制御部(dq−ACR)22と、交流電
圧指令値をもとに電力変換器の駆動信号を発生するPWM
制御部23を備えている。
出力をR/D変換するR/D変換部24と、このR/D
変換部24の出力である磁極位置信号U、V、W及び角
度信号A、Bから、位相演算により位相θ0を演算する
位相演算部25及び速度ωMを演算する速度演算部26
を備えている。
で演算された位相θ0を、本発明のレゾルバ16の位相
誤差特性に基づい補正し、dq軸電流制御部22で使用
する位相θを出力する。位相補正値演算部28におい
て、上記位相θ0の誤差を補正するための補正値Δθ
が、電流検出器18及び電圧検出器19により検出され
た電力変換器12の入力電力状態、及び速度演算部26
で演算された速度ωMに基づいて演算される。
示す。280は制御モード選択部、281は予め求めら
れたレゾルバ16やR/D変換部24の位相誤差特性
(レゾルバ、R/Dにより図示特性とは異なる場合があ
る。)であり、横軸が速度ωM、縦軸が誤差Δθ1であ
る。また、282は同期機と電力変換器の全損失マップ
であり、トルク指令τM*をパラメータとして、横軸が速
度ωM、縦軸が全損失WTである。283は補正演算の結
果を記録するE2PROMなどのメモリ部、284は入
力電圧VB×電流IBの演算を行う乗算器、287は加
算器である。285、286、289(A、B、C)は
スイッチ部であり、制御モードに応じてり、制御モード
選択部280で切替られる。
Mの乗算から目標出力WT*を算出する目標出力演算部で
あり、301は加算器である。
モードを設定できる。
部の位相誤差特性に基つく補正であり、電力変換器の入
力電力状態に基づく補正はしない。
状態に基づく補正であり、前記電力変換器の入力電圧V
B×電流IBで算出した電力変換器の入力電力と、電力
変換器と同期機の全損失WTに加えてトルク指令τM*×
速度ωMから算出した目標出力が等しくなるように補正
をする。すなわち、τM*=0のときは、VB×IB=W
Tということになり、実質軸出力をゼロにするように位
相を補正する。この制御モードは力行時に有効である。
状態に基づく補正であり、電力変換器の入力電圧VB×
電流IBの入力電力とトルク指令τM*×速度ωMから算
出した目標出力が等しくなるように補正をする。すなわ
ち、τM*=0のときは、VB×IB=0となるように補
正する。この制御モードは回生時に有効である。
する。電流指令発生部21において、トルク分電流に相
当するq軸電流の指令値Iq*が、トルク指令値τM*を
もとに算出される。一方、d軸電流の指令値Id*は、
トルク指令値τM*とレゾルバ16からのパルス信号か
ら速度演算部26で演算した速度ωMをもとに、損失最
小となるId*を得るための高効率制御テーブルを参照
して算出する。このようにして、制御装置20は、高効
率制御に必要な電流指令値Iq*、Id*を算出する。
は、電流検出器16で検出した同期機電流の3相交流電
流について3相/2相の座標変換して算出したd、q軸
電流Id、Iqと指令値Iq*、Id*及び位相θをもと
に、比例あるいは比例積分電流制御処理を行い、電圧指
令値Vq*、Vd*を算出し、さらに、2相/3相の座標
変換して3相交流電圧指令値VU*、VV*、VW*を算
出する。PWM制御部23は、この電圧指令値VU*、
VV*、VW*から三角波信号の搬送波信号との比較処理
を行って、電力変換器12のPWM信号を発生する。こ
のようにして同期機13にPWM制御された電圧を印加
することにより、同期機電流を電流指令値Iq*、Id*
に制御する。このような処理を行って、同期機13はト
ルク指令値τM*のトルクで、かつ損失最小の高効率で
制御される。
る。 τM=Pn[{E0+(1−ρ)LdId}Iq]……(1) ただし、Pnは定数、ρはLqとLdの比、E0は誘起
電圧である。
ク、第2項はリアクタンストルクと呼ばれており、同期
トルク及びリアクタンストルクの和が発生トルクτMで
ある。
磁極位置信号U、V、W及び角度信号A、Bが出力され
る。磁極位置信号U、V、Wは、同期機の誘起電圧位相
に同期している。
4に位相誤差が有る場合、R/D変換部24からの出力
信号U、V、Wにも、位相誤差(進み:+θR、遅れ:
−θR)を生ずる。図4(a)に示した同期機のベクト
ル図において、+θRの位相誤差があった場合、Id*、
Iq*の指令に対して同期機の内部電流がIdM、IqM
となり、出力トルクに誤差が生じる。
ルクτMに関して、同期機へのdq軸電流一定とした場
合の、進み角βを横軸としたトルク特性を、図4(b)
に示す。(1)式のρが1よりも大きい逆突極特性をも
つ同期機は進み角βが45度付近で最大トルクを発生す
るので、通常、この角度以上で同期機は制御される。
4(b)のベクトル図に示すように、同期機は進み角β
=90度付近で運転される。もし、レゾルバ16やR/
D変換部24に位相誤差が有り位相誤差(θR1=β−θ
R、θR 2=β+θR)を生じた場合について考えると、
θR1の位相誤差があった場合は+τM1の力行トルクを
生じる。また、θR 2の位相誤差があった場合は−τM1
の回生トルクを生じる。このように、レゾルバ16の出
力に位相誤差が有ると、トルク指令τM*が0であるに
もかかわらず、+τM1、−τM1の誤差トルクを生じる。
特に、進み角β=90度付近は、トルク特性の勾配が急
なので、位相誤差の影響が大きくなる。
B×電流IBの入力電力状態に基づいて、位相演算部2
5で演算された位相を補正する位相補正部27及び位相
補正値演算部28を有しており、トルク指令値τM*が
ゼロの時には、不要な力行(+τM1)あるいは回生(−
τM1)を発生しバッテリーの不要な充放電を行うことを
防止する。
演算部28のスイッチ部289Bが閉じられ、他のスイ
ッチ部は全て開かれる。速度演算部26で演算された速
度ωMと位相誤差特性281に基づいて、誤差Δθ1が求
められる。この誤差Δθ1が位相補正値演算部28のΔ
θとして出力される。
トル図において、位相誤差が有り、+θRの位相誤差が
あった場合でも、これに対応したΔθの補正が行なわ
れ、同期機電流はId*=IdM、Iq*=IqMに制御さ
れる。
変換器の入力電圧VB×電流IBで算出した入力電力W
Bと、電力変換器と同期機の全損失WTに目標出力(τ
M*×ωM)を加えた値が等しくなるように補正をする。
全損失WT=電力変換器の損失IWT+同期機の損失M
WTであり、IWTは、パワー素子IGBTのON損失
+スイッチング損失、MWTは、銅損+鉄損+機械損+
漂遊損を含む。
289Cが閉じられ、他のスイッチ部は全て開かれる。
まず、速度ωMをもとに全損失マップ282から、全損
失WTと目標出力WT*を加算器301で得た値を、スイッ
チ部285を介して加算器287に入力される。一方、
電力変換器12の入力電圧VB×電流IBの入力電力W
Bが加算器287に入力され、これら全損失WT+目標出
力WT*と入力電力WBの差をもとに、制御補償部288を
介して、位相角Δθを出力する。換言すると、全損失WT
+目標出力WT*と入力電力WBが等しくなるようにフィー
ドバック制御して、位相角Δθを算出する。例えば、τ
M*=0の場合には、全損失分WT相当の入力電力を供
給することになる。全損失マップ282のWTは予め、
トルク指令τM*をパラメータに計算と実験でマッチン
グしておく。すなわち、実質の軸出力がゼロになるよう
に位相を補正する。
部286、289Cが閉じられ、他のスイッチ部は全て
開かれる。(制御モード3)において、位相補正値演算
部28は、電力変換器12の入力電圧VB×電流IBで
算出した入力電力WBとトルク指令τM*×速度ωMで算
出した目標出力WT*が等しくなるように、(制御モー
ド2)同様にフィードバック制御して、位相角Δθを算
出する。従って、軸出力は目標出力に対して、全損失分
WT相当分増減する。しかし、目標出力=0(τM*=
0)の場合には、入力電力WB=0とすることができ
る。
なせる場合は、IBを基に、 入力電力WBを算出しても
良い。
ド3)の終了時、あるいは制御装置の停止時、これらの
制御で得られた補正値を次回利用するために、スイッチ
部289Aを閉じられ、E2PROMに保持する。従っ
て、次の制御の開始に先立って、スイッチ部289Aが
閉じられ、前回保持された補正値を読み出し、初期値と
して利用する。
8を、同期機を駆動中τM*=0時のみ演算するなど、
特定の場合に限定させて動作させても良い。
自動車の駆動源として2台の同期機(SM1、SM2)
13A、13Bとエンジン(図示略)を備えたハイブリ
ット型の電気自動車に、本発明を適用した例である。制
御装置20の位相補正部27、28は、電力変換器12
A、12Bに共通に供給される入力電圧VB×電流IB
から算出した入力電力WBをもとに位相角を補正する。
(SM1)運転からエンジン単独運転で、かつ、同期機
SM2が発電運転をしていないとき、すなわち、トルク
指令τM1*=τM2*=0という特定の場合のみ制御モー
ド2あるいは3の制御を行う。この場合、同期機SM
1、SM2用の制御装置20の位相を交互に1ステッ
プ、例えば、Δθ0=を0.2度ずつ補正するフィード
バック制御を行い、その結果を見ながら最適の補正値を
求める。
よる加速運転時には、位相補正部27、28による補正
を行わない。
自動車の駆動源として2台の同期機(SM1、SM2)
13A、13Bとエンジン(図示略)を備え、油圧制御
機構などの補機の駆動源として1台の同期機(SM3)
13Cを備えたハイブリット型の電気自動車に、本発明
を適用した例である。エンジン単独運転で、同期機によ
る発電はなく、補機の駆動も行っていないとき、τM1
*=τM2*=τM3*=0という特定の場合のみ、制御
装置20の位相補正部27、28は、電力変換器12の
入力電圧VB×電流IBの入力電力状態をもとに位相角
を補正する。すなわち、本発明の(制御モード2)ある
いは(制御モード3)による位相補正処理を実行する。
その場合、図5で説明したように、制御装置20は各同
期機(SM1、SM2、SM3)13A〜13C用の電
力変換器12A〜12Cの位相を順次、ステップ的に位
相補正して、最適値を算出する。
転センサの温度変化、経年変化や速度に依存した位相誤
差を電力変換器の入力電力情報から随時位相補正を行な
うので、トルク指令値に追従した同期機制御が可能であ
る。特に、トルク指令値ゼロ時にバッテリーの不要な充
放電を防止できる。
ム構成を示す回路図である。
ある。
示す図である。
力変換器、13…永久磁石型同期機、16…レゾルバ、
18…電流検出器、19…電圧検出器、20…制御装
置、25…位相演算部25、26…速度演算部、27…
位相補正部、28…位相補正値演算部
Claims (6)
- 【請求項1】同期機と、前記同期機の磁極位置と回転角
度を検出する回転センサと、前記同期機を駆動する電力
変換器と、該電力変換器を制御する電気車の制御装置で
あって、前記制御装置が、d軸電流指令とq軸電流指令
を発生する電流指令発生部と、dq軸電流指令と同期機
電流からのdq軸電流を検出値をもとにdq軸電圧指令
値Vd*、Vq*を算出しさらに座標変換処理を行って
交流電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*を演算するdq
軸電流制御部と、前記交流電圧指令値をもとに電力変換
器の駆動信号を発生するPWM制御部と、前記回転セン
サの出力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演
算する位相演算部及び速度演算部を備えた電気車の制御
装置において、 前記位相演算部の位相を補正する位相補正部を有し、 該位相補正部は、前記回転センサの位相誤差特性に基づ
いて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行なう
ことを特徴とする電気車の制御装置。 - 【請求項2】同期機と、前記同期機の磁極位置と回転角
度を検出する回転センサと、前記同期機を駆動する電力
変換器と、該電力変換器を制御する電気車の制御装置で
あって、前記制御装置が、d軸電流指令とq軸電流指令
を発生する電流指令発生部と、dq軸電流指令と同期機
電流からのdq軸電流を検出値をもとにdq軸電圧指令
値Vd*、Vq*を算出しさらに座標変換処理を行って
交流電圧指令値Vu*、Vv*、Vw*を演算するdq
軸電流制御部と、前記交流電圧指令値をもとに電力変換
器の駆動信号を発生するPWM制御部と、前記回転セン
サの出力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演
算する位相演算部及び速度演算部を備えた電気車の制御
装置において、 前記位相演算部の位相を補正する位相補正部を有し、 該位相補正部は、前記電力変換器の入力電圧VB×電流
IBで算出した入力電力状態に基づいて、前記位相演算
部で演算された位相の補正を行なうことを特徴とする電
気車の制御装置。 - 【請求項3】請求項2において、前記位相補正部は、前
記電力変換器の入力電圧VB×電流IBで算出した電力
変換器の入力電力と、電力変換器と同期機の損失WTに
加えてトルク指令τM*×速度ωMから算出した目標出力
が等しくなるように補正をすることを特徴とする電気車
の制御装置。 - 【請求項4】請求項2記載の電気車の制御装置におい
て、前記位相補正部は、前記電力変換器の入力電圧VB
×電流IBで算出した前記電力変換器の入力電力と、ト
ルク指令τM*×速度ωMから算出した目標出力が等し
くなるように補正をすることを特徴とする電気車の制御
装置。 - 【請求項5】電力変換器と同期機を多数台使用し、各電
力変換器に共通の入力電流IBを検出し各同期機を駆動
する駆動装置を備えた電気車の制御装置であって、前記
制御装置が、d軸電流指令とq軸電流指令を発生する電
流指令発生部と、dq軸電流指令と同期機電流からのd
q軸電流を検出値をもとにdq軸電圧指令値Vd*、V
q*を算出しさらに座標変換処理を行って交流電圧指令
値Vu*、Vv*、Vw*を演算するdq軸電流制御部
と、前記交流電圧指令値をもとに前記各電力変換器の駆
動信号を発生するPWM制御部と、前記回転センサの出
力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演算する
位相演算部及び速度演算部を備えた電気車の制御装置に
おいて、 前記位相演算部で演算された位相を補正する位相補正部
を有し、 該位相補正部は、前記電力変換器の入力電圧VB×電流
IBの全入力電力状態をもとに前記各電力変換器に対す
る位相角を順次ステップ的に補正することを特徴とする
電気車の制御装置。 - 【請求項6】同期機と、前記同期機の磁極位置と回転角
度を検出する回転センサと、前記同期機を駆動する電力
変換器と、該電力変換器を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は電流指令発生部、dq軸電流制御部、P
WM制御部、位相演算部及び速度演算部を有する電気車
の制御方法において、 前記電流指令発生部により、d軸電流指令とq軸電流指
令を発生し、 前記dq軸電流制御部により、dq軸電流指令と同期機
電流からのdq軸電流をもとにdq軸電圧指令値Vd
*、Vq*を算出しさらに座標変換処理を行って交流電
圧指令値Vu*、Vv*、Vw*を演算し、 前記PWM制御部で、前記交流電圧指令値をもとに電力
変換器の駆動信号を発生し、 前記位相演算部及び速度演算部で、前記回転センサの出
力から座標変換処理で使用する位相及び速度を演算し、 前記位相演算部の位相補正部において、前記電力変換器
の入力電圧VB×電流IBで算出した入力電力状態に基
づいて、前記位相演算部で演算された位相の補正を行な
うことを特徴とする電気車の制御方法。
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JP17428299A JP3542741B2 (ja) | 1999-06-21 | 1999-06-21 | 電気車の制御装置及び制御方法 |
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