JP2001275375A - 低速度における速度起電力位相制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電流指令値や位相基準等に基づいて出力され
る電圧指令値に応じた電圧を推進コイルへ出力するＬＳ
Ｍ式車両の制御装置において、車両速度が低速度であっ
ても、誤差の少ない安定した位相基準を得ることを目的
とする。 【解決手段】 電力変換器６５から出力される出力電圧
Ｖ及び推進コイル６１を流れるコイル電流を、三相／ｄ
−ｑ変換器２１、２２にてｄｑ回転座標系での電圧及び
電流に変換する。速度起電力オブザーバ２５では、これ
らの電圧、電流、及び車両角速度ωに基づいて速度起電
力を推定し、推定された速度起電力Ｚｄ、Ｚｑに基づ
き、速度起電力位相生成部４０で速度起電力位相θｅを
算出する。そして、二次のＰＩ制御系で構成された位相
同期制御部３０にて、この速度起電力位相θｅを安定化
し、位相基準θ^*として出力する。これにより、低速度
でも誤差の少ない安定した位相基準θ^*を得ることが可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リニアシンクロナ
スモータ式車両の制御装置に関し、特に低速度における
速度起電力位相制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、リニアシンクロナスモータ（以下
「ＬＳＭ」と称す）式車両の制御装置として、図７に示
すように、地上側の軌道に沿って配置された推進コイル
６１と、この推進コイル６１に対向するように車両６２
に搭載された界磁コイル６２ａと、速度指令値ｖ^*と実
速度ｖとの偏差を比例・積分演算した電流指令値Ｉ^*を
出力する速度制御部６３と、この電流指令値Ｉ^*と推進
コイル６１を流れるコイル電流Ｉとの偏差を比例・積分
演算して、車両位置を示す位相基準としての位置検知位
相θｐとの同期をとった正弦波状の電圧指令値Ｖ^*を出
力する変換器制御部６４と、この電圧指令値Ｖ^*に応じ
た三相の出力電圧Ｖをき電線６６を介して推進コイル６
１へ出力する電力変換器６５と、推進コイル６１を流れ
るコイル電流Ｉを検出する電流検出器６７と、車両位置
情報を得るために軌道に沿って配置された交差誘導線６
８ａと、この交差誘導線６８ａに生じる信号に基づき、
推進コイル６１と界磁コイル６２ａとの相対位置を検出
して位置検知位相θｐを出力する位置検知装置６８と、
この位置検知位相θｐから速度制御のために必要な実速
度ｖを演算して出力する速度検出器６９とを備えたもの
が知られている。

【０００３】推進コイル６１は、詳細には、図８（ａ）
に示すように、複数の推進コイル群を有する一定長のコ
イルセクション７１Ａ１、７１Ｂ１、７１Ｃ１、・・・
が、車両６２の左右に１／２ずつずらして千鳥状に設置
されて構成されている。各コイルセクションは、図８
（ｂ）に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の各コイ
ルを一組とする推進コイル群が車両進行方向に複数連な
って配置されており、これらの推進コイル群に三相交流
を供給することで、移動磁界を発生させる。そして、一
つの推進コイル群の長さ２．７ｍを電気角の一周期（３
６０度）として位相基準を定め、この位相基準を位置検
知装置６８にて検知することにより、車両位置情報を得
ている。

【０００４】また、電力変換器６５から各コイルセクシ
ョンへ電力を供給（即ち出力電圧Ｖを出力）するための
き電線６６も、電力変換器６５が有する各インバータ６
５Ａ、６５Ｂ、６５Ｃに対応して３系統設置されてい
る。そして、き電区分開閉器７２Ａ１、７２Ｂ１、７２
Ｃ１、・・・（図７では省略）を個々に開閉制御すること
により、車両６２が走行している近傍３系のコイルセク
ションのみに電力を供給するようにしている。

【０００５】例えば、車両６２が図８（ａ）に示す位置
を右方向に走行しているときは、三つのき電区分開閉器
７２Ｃ１、７２Ａ２及び７２Ｂ２を投入して、コイルセ
クション７１Ｃ１にはインバータＣ系６５Ｃから、コイ
ルセクション７１Ａ２にはインバータＡ系６５Ａから、
コイルセクション７１Ｂ２にはインバータＢ系６５Ｂか
ら、それぞれ電力供給を行う。そして、車両６２がコイ
ルセクション７１Ｂ２の区間に移ったときは、き電区分
開閉器７２Ｃ２を投入してき電区分開閉器７２Ｃ１を開
くことにより、コイルセクション７１Ｃ１への電力供給
をやめ、コイルセクション７１Ｃ２への電力供給を開始
する。

【０００６】ＬＳＭ式車両は、超電導コイルである界磁
コイル６２ａによって発生する磁界と、電力変換器６５
から出力される三相の出力電圧Ｖによって推進コイル６
１に発生する磁界との相互作用により、推進力を得て駆
動される。ＬＳＭ式車両の駆動制御においては、位置検
知位相θｐが車両６２の位置を示す位相基準として変換
器制御部６４へ入力され、速度検出器６９でもこの位置
検知位相θｐから実速度ｖが演算されることなどから、
この位置検知位相θｐ（即ち車両位置）を高精度で検出
する必要がある。

【０００７】このために、軌道上の全線に渡って交差誘
導線６８ａを敷設し、車両６２から交差誘導線６８ａへ
信号（電波）を発信することにより交差誘導線６８ａに
生じる正弦波状の信号を、位置検知装置６８にて信号処
理して位置検知位相θｐを得ている。これにより、非常
に正確な位置検知を行うことができる。

【０００８】しかしながら、上記方法で車両６２の位置
を検知するためには、軌道上の全線に渡って高精度に交
差誘導線６８ａを敷設し、維持管理する必要があり、車
両位置を検知するための設備の施工及び保守に多大な労
力・コストが必要となる。そこで、交差誘導線６８ａの
ような地上設備を設けることなく車両位置を検知する方
法として、車両６２の走行により推進コイル６１に誘起
される起電力（以下「速度起電力」と称す）を推定し、
この推定値から車両位置を示す位相（以下「速度起電力
位相」と称す）θｅを得ることが考えられている。具体
的には、図９に示すように、電力変換器６５から出力さ
れる出力電圧Ｖと推進コイル６１を流れるコイル電流Ｉ
を、三相／αβ変換器８１ａ、８１ｂにてα−β座標系
での電圧Ｖα，Ｖβ、及び電流Ｉα，Ｉβに変換し、こ
の電圧Ｖα，Ｖβ、電流Ｉα，Ｉβ、及び車両角速度ω
から、速度起電力オブザーバ８２にて速度起電力を推定
し、速度起電力推定値Ｚα、Ｚβを得る。尚、速度起電
力オブザーバ８２には、制御定数として、車両６２が走
行しているコイルセクション固有の抵抗値Ｒやインダク
タンス値Ｌなども入力される。そして、速度起電力位相
演算器８３にて、下記式（３）により、速度起電力位相
θｅを算出するものである。

【０００９】

【数３】

【００１０】このようにして速度起電力位相θｅを推定
し、このθｅを位置検知位相θｐの代わりに位相基準と
して用いることにより、交差誘導線６８ａや位置検知装
置６８などの地上設備が不要となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９で
示したような、速度起電力を推定して得られた速度起電
力位相θｅを位相基準として用いると、交差誘導線６８
ａや位置検知装置６８などの地上設備は不要になるもの
の、車両速度が低速度（例えば時速１５ｋｍ以下）にな
ると、安定した速度起電力位相θｅを得ることができな
いという問題があった。

【００１２】即ち、上記式（３）により速度起電力位相
θｅを直接算出するため、速度起電力位相θｅの算出過
程において、コイルセクションの抵抗値Ｒやインダクタ
ンス値Ｌなどの制御定数の影響を受けやすい。つまり、
制御定数の変化に対してロバスト性がなく、車両６２が
走行するコイルセクションが変わる毎にこれらの制御定
数が変化すると、速度起電力位相θｅと実際の車両位置
（位相基準）との誤差が生じやすくなる。

【００１３】車両速度が高速度域にあるときは、この誤
差はそれほど問題にならないレベルであるためこの速度
起電力位相θｅを用いることができるが、低速度域にな
ると、速度起電力が小さくなることもあり、θｅの誤差
は大きくなってしまう。そして、このように実際の位相
基準と速度起電力位相θｅとの誤差が大きくなると、Ｌ
ＳＭ式車両を駆動制御する際に用いる位相基準としてθ
ｅを利用することは困難となる。

【００１４】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、電流指令値や位相基準等に基づいて出力される電圧
指令値に応じた電圧を推進コイルへ出力するＬＳＭ式車
両の制御装置において、車両速度が低速度であっても、
誤差の少ない安定した位相基準を得ることを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記課題
を解決するためになされた、請求項１記載の速度起電力
位相制御装置は、電力変換手段から出力される出力電圧
Ｖによって地上側の軌道に沿って配置された推進コイル
に発生する磁界と、その推進コイルに対向するように車
両側に搭載された界磁コイルによって発生する磁界との
相互作用により、推進力を得て駆動されるＬＳＭ式車両
の制御装置において、車両速度が所定の速度以下のと
き、前記車両位置信号としての位相基準θを生成するも
のである。

【００１６】ＬＳＭ式車両の制御装置では、既述した従
来の駆動制御装置と同様、変換制御手段が、速度制御手
段から出力される電流指令値と、電流検出手段によって
検出される推進コイルを流れるコイル電流Ｉと、車両位
置信号とに基づいて、電圧指令値を出力する。そして、
この電圧指令値に応じて、電力変換手段が推進コイルへ
出力電圧Ｖを出力する。

【００１７】車両位置信号としての位相基準θは、界磁
コイルと推進コイルとで構成されるＬＳＭにおいて、推
進コイルに対する界磁コイルの相対的位置を電気角で表
したものである。例えば推進コイルに三相交流を供給し
て移動磁界を発生させるＬＳＭの場合、車両進行方向に
おけるＵ相コイルと界磁コイルとの距離を電気角で表
し、これを位相基準θとするものである。

【００１８】本発明の速度起電力位相制御装置では、図
１に示すように、まずｄｑ変換手段１にて、電力変換手
段からの出力電圧Ｖ及び推進コイルを流れるコイル電流
Ｉを、ｄｑ回転座標系におけるｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧
Ｖｑ、ｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑに変換する。そし
て、得られた各電圧Ｖｄ、Ｖｑ、及び各電流Ｉｄ、Ｉｑ
と、車両角速度ωとに基づいて、速度起電力推定手段２
が、推進コイルに誘起される速度起電力を推定する。

【００１９】この推定は、例えば現代制御理論における
オブザーバ理論により推定することができ、その場合、
推進コイルの抵抗分やインダクタンス分などがオブザー
バにおける制御定数として用いられることになる。尚、
車両角速度ωは、例えば本発明の速度起電力位相制御装
置が最終的に生成する位相基準θ（即ち、現在出力して
いる位相基準θ）を微分演算して得たり、何らかの方法
で実測した車両速度を角速度に変換するなど、種々の方
法で得ることができる。

【００２０】次に、Δθ算出手段３が、速度起電力推定
手段２にて推定された速度起電力推定値のｄ軸成分Ｚｄ
及びｑ軸成分Ｚｑを用いて、速度起電力位相補正量Δθ
を算出する。一般に、ｄｑ回転座標系においては、回転
座標系であるゆえ、理論的には速度起電力はｄ軸かｑ軸
のいずれか一方にのみ誘起する。例えば速度起電力のｑ
軸成分が０となるように座標変換を行ったとき、ｄ軸に
は所定の直流電圧が誘起される。しかし、実際にはＬＳ
Ｍが駆動しているときは、本来０となる軸（上記例では
ｑ軸）にも速度起電力が生じている。ＬＳＭをｄｑ回転
座標系にて制御する場合、一般的には、このような本来
０となる軸に生じる成分が０になるように制御される。
尚、電力変換機器や変電関係等の分野において、ｄｑ回
転座標系で各種制御を行う際は、ｑ軸成分が０になるよ
うな座標変換及び制御を行うのが一般的である。

【００２１】そこで、例えば上記例のようにｑ軸成分が
０となるような座標変換を行ったとき、速度起電力位相
補正量Δθは下記式（１）により得ることができる。
尚、ｄ軸成分が０になるような座標変換を行った場合
は、下記式（１）において、分母と分子（即ちＺｄとＺ
ｑ）を入れ替えればよい。

【００２２】

【数４】

【００２３】そして、速度起電力位相算出手段４が、Δ
θ算出手段３により得られた速度起電力位相補正量Δθ
と、現在出力している位相基準θとを加算することによ
り、速度起電力位相θｅを算出する。ここで得られた速
度起電力θｅをそのまま位相基準θとして用いることも
できるが、速度起電力が小さくなる低速度域においても
誤差の少ないより安定した位相基準θを得るために、位
相信号安定化手段５が、速度起電力位相θｅと、現在出
力している位相基準θとの偏差（位相偏差）を算出し、
この位相偏差を比例・積分演算することにより、誤差が
低減された安定した位相基準θを出力する。

【００２４】尚、本発明において「車両速度が所定の速
度以下」とは、例えば図９で示したような、従来の速度
起電力位相θｅの算出方法を用いた場合に、速度起電力
が小さくなって速度起電力位相θｅの誤差等が無視でき
なくなることにより、この速度起電力位相θｅを位相基
準θとして使用することができなくなる速度域をいう。
通常、例えば時速１５ｋｍ以下の低速度域だと、従来の
方法では速度起電力位相θｅを位相基準として用いるの
は困難になる。

【００２５】つまり、本発明の速度起電力位相制御装置
では、図９に示した従来技術のように速度起電力位相θ
ｅを直接算出するものではなく、ｄｑ回転座標系におけ
る速度起電力から速度起電力位相の補正量Δθを算出
し、このΔθを現時点での位相基準θに加算していくこ
とで、速度起電力位相θｅを算出する。そして、算出し
た速度起電力位相θｅを、さらに比例・積分演算等によ
り安定化処理した上で、最終的に新たな位相基準θとし
て出力する。

【００２６】尚、ここでいうｄｑ回転座標系への座標変
換は、零相分も考慮したいわゆるｄｑ０回転座標系への
座標変換をも含むものとする。つまり、例えば、電力変
換手段が零相分を考慮した三相四線式の構成である場合
にｄｑ回転座標系への変換を行うと、ｄｑ回転座標系に
おいても零相分を考慮する必要があり、このような場合
は厳密にはｄｑ０回転座標系への変換となる。本発明の
ｄｑ変換手段によるｄｑ回転座標系への変換は、このよ
うなｄｑ０回転座標系への変換も含むものとする。ま
た、ｄｑ変換手段による座標変換前の座標系は、三相交
流座標系に限らず、例えば二相交流座標系など、座標系
の種類は特に限定されない。

【００２７】従って、上記の速度起電力位相制御装置に
よれば、ｄｑ回転座標系から得られた速度起電力位相補
正量Δθにて位相基準θを補正することにより速度起電
力位相θｅを求め、さらに速度起電力位相θｅを、位相
信号安定化手段５を介して位相基準θとして出力してい
るため、速度起電力が小さくなる低速度域であっても、
誤差の少ない安定した位相基準θを得ることができる。
その結果、図９で示した従来の方法では例えば時速１５
ｋｍ以下の低速度域で速度起電力位相θｅを得るのは困
難であったが、本発明の速度起電力位相制御装置によっ
て、所定の速度以下であっても誤差の少ない安定した位
相基準θを得ることが可能となった。

【００２８】ここで、速度起電力位相θｅを安定化する
ために位相信号安定化手段５にて行われる比例・積分演
算は、例えば請求項２に記載したように、まず、速度起
電力位相θｅと現在出力している位相基準θとの位相偏
差を比例演算、積分演算、及び二重積分演算して、各演
算結果を加える（いわゆる二次のＰＩ制御）ことにより
車両角速度ωを算出し、その算出した車両角速度ωをさ
らに積分演算することにより、位相基準θを算出すると
よい。

【００２９】車両が一定速度のときは、位相偏差を比例
演算及び積分演算して各演算結果を加える（いわゆる一
次のＰＩ制御）ことで、位相基準θの定常偏差を低減す
ることができるが、車両の加減速時には、位相基準θが
二次曲線状に変化するため、一次のＰＩ制御のみでは定
常偏差が生じる。

【００３０】そこで、二重積分演算までを含めた二次の
ＰＩ制御を採用することで、加減速時の定常偏差をほぼ
０にまで低減することができる。そのため、上記の速度
起電力位相制御装置によれば、定常偏差をより低減した
位相基準θを安定して得ることができる。

【００３１】また、速度起電力推定手段２では、例えば
請求項３に記載したように、下記式（２）の演算を行う
ことにより、速度起電力推定値Ｚｄ及びＺｑを得るよう
にすればよい。

【００３２】

【数５】

【００３３】上記式（２）は、例えば現代制御理論にお
けるオブザーバ理論を応用して得ることができる。そし
て、実験やシミュレーション等の結果に基づいて行列Ｇ
の各成分ｇ11〜ｇ22（いわゆるオブザーバゲイン）を適
切な値に設定することにより、安定かつ高速に速度起電
力推定値Ｚが演算され、速度起電力の真値に収束してい
くようになる。そのため、このようにして得られた速度
起電力推定値Ｚ（Ｚｄ、Ｚｑ）を用いれば、速度起電力
位相θｅをより正確かつ確実に得ることができる。

【００３４】ところで、ＬＳＭ式車両の制御装置におい
て、本発明の速度起電力位相制御装置を用いることによ
り、車両位置を検出する装置等を軌道上に設けることな
く、速度起電力位相θｅから位相基準θを得ることがで
きるが、請求項４に記載したように、軌道上にも車両位
置信号としての位置検知位相θｐを得るための位置検知
位相生成手段を設け、入力位相信号選択手段によって選
択された、速度起電力位相θｅまたは位置検知位相θｐ
のいずれか一方を、位相信号として位相信号安定化手段
５に入力するようにしてもよい。

【００３５】つまり、速度起電力位相算出手段４によっ
て得られる速度起電力位相θｅと、軌道上の位置検知位
相生成手段によって得られる位置検知位相θｐとを、選
択的に用いるものである。このような構成にすることに
より、例えば位置検知位相生成手段が故障したときのバ
ックアップ用として速度起電力位相θｅを用いることが
できるなど、ＬＳＭ式車両の制御装置の信頼性をより向
上させることができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を図面に基づいて説明する。図２は、本発明が適用され
たＬＳＭ式車両の制御システムの概略構成を表す概略ブ
ロック図である。この制御システムは、主に速度制御部
１０、変換器制御部２０、位相同期制御部３０、速度起
電力位相生成部４０、入力位相切換器４５、推進コイル
６１、界磁コイル６２ａ、電力変換器６５、き電線６
６、電流検出器６７、位置検知装置６８、交差誘導線６
８ａとから構成されている。

【００３７】速度制御部１０は、所定時間の周期で速度
指令値ｖ^*に対する追従制御を行うため、ＰＩ制御系で
構成され、速度指令値ｖ^*と車両速度（実速度）ｖとの
速度偏差を比例・積分演算することにより電流指令値Ｉ
^*を演算し出力する。具体的には、加減算器１１にて速
度指令値ｖ^*と車両速度ｖとの速度偏差を求め、この速
度偏差を比例器１２、積分器１３にて比例・積分演算
し、両演算結果を加減算器１４にて加算することにより
電流指令値Ｉ^*を求める。尚、この電流指令値Ｉ^*は、ｄ
ｑ０回転座標系における値（Ｉ^*ｄ、Ｉ^*ｑ、Ｉ^*０）で
ある。

【００３８】変換器制御部２０は、速度制御部１０から
出力された電流指令値Ｉ^*と推進コイル６１を流れる電
流（以下「コイル電流」と称す）Ｉとの電流偏差を補償
し、さらに推進コイル６１に誘起される速度起電力の補
償分を加えて、電力変換器６５への出力電圧Ｖ（Ｖｕ、
Ｖｖ、Ｖｗ）を演算する。

【００３９】具体的には、まず電流検出器６７により検
出されるコイル電流Ｉ（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）を三相／ｄ
−ｑ変換器２１によりｄｑ０回転座標系における電流Ｉ
ｄ、Ｉｑ、Ｉ０に変換し、電流制御部２４にて、この電
流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉ０と速度制御部１０から出力された電
流指令値Ｉ^*（ｄｑ０回転座標系でのＩ^*ｄ、Ｉ^*ｑ、Ｉ^*
０）との電流偏差に対し、一次のＰＩ制御により電圧指
令演算値Ｖｄ、Ｖｑ、Ｖ０を算出して出力する。

【００４０】一方、電力変換器６５から出力された出力
電圧Ｖも三相／ｄ−ｑ変換器２２によりｄｑ０回転座標
系における電圧Ｖｄ、Ｖｑ、Ｖ０に変換され、この電圧
Ｖｄ、Ｖｑ、Ｖ０と、電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉ０と、車両角
速度ωとに基づいて、速度起電力オブザーバ２５（詳細
は後述）が速度起電力推定値Ｚｄ、Ｚｑ、Ｚ０を演算し
て出力する。

【００４１】次に、この速度起電力推定値Ｚｄ、Ｚｑ、
Ｚ０と電流制御部２４から出力される電圧指令演算値Ｖ
ｄ、Ｖｑ、Ｖ０とを加減算器２６にて加算することによ
り、ｄｑ軸電圧指令値Ｖ^*ｄ、Ｖ^*ｑ、Ｖ^*０を得る。そ
して、このＶ^*ｄ、Ｖ^*ｑ、Ｖ^*０をｄ−ｑ／三相変換器
２３により三相交流座標系における電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖ
ｗに変換し、この電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを電圧指令値と
して電力変換器６５へ出力する。

【００４２】電流制御部２４は図３のように構成されて
おり、電流指令値Ｉ^*（Ｉ^*ｄ、Ｉ^*ｑ）とコイル電流Ｉ
（Ｉｄ、Ｉｑ）との電流偏差を各加減算器２４ａ、２４
ｂにて算出し、算出した電流偏差をそれぞれＰＩ演算器
２４ｃ、２４ｄにより比例・積分演算して電圧演算値
Ｖ’ｄ、Ｖ’ｑを得る。また、推進コイル６１やき電線
６６の抵抗値Ｒ、インダクタンス値Ｌによる電圧降下分
も、各抵抗係数器２４ｅ、２４ｆ、各インダクタンス係
数器２４ｇ、２４ｈ、各乗算器２４ｊ、２４ｋにより演
算され、電圧演算値Ｖ’ｄ、Ｖ’ｑに対してこの電圧降
下分を各加減算器２４ｍ、２４ｎにて補償することによ
り、電圧指令演算値Ｖｄ、Ｖｑを得ている。尚、抵抗値
Ｒやインダクタンス値Ｌは、車両６２が走行しているコ
イルセクション（図８参照）固有の値であり、車両６２
が走行するコイルセクションが変わる毎に、これらの値
も変化する。また、インダクタンス値Ｌによる電圧降下
分を算出するために車両角速度ωも入力される。さら
に、本実施形態では電圧指令値の０軸成分Ｖ０について
も計算しているが、本発明による位相基準θ^*の導出に
はこのＶ０は直接的に関わってこないため、図３では０
軸成分についての構成を省略し、ｄ軸及びｑ軸成分につ
いてのみ記載した。

【００４３】速度起電力位相生成部４０は、速度起電力
オブザーバ２５により推定された速度起電力推定値Ｚ
ｄ、Ｚｑから、速度起電力位相補正量Δθを演算し、こ
のΔθを位相基準θ^*に加えることで、速度起電力位相
θｅを算出する。位相同期制御部３０は、所定時間の周
期（本実施形態では５ｍsec.）で、入力位相切換器４５
により選択された速度起電力位相θｅ或いは位置検知位
相θｐのいずれか一方を、車両位置を示す位相信号とし
て取り込み、この位相信号と位相基準θ^*との位相偏差
から補償演算部３２にて補償演算を行い、車両角速度ω
を演算する。この車両角速度ωをさらに速度／位相変換
部３３にて積分演算することにより、位相基準θ^*が出
力される。

【００４４】尚、補償演算部３２では、後述するよう
に、演算された車両角速度ωが車両速度ｖにも変換され
る。車両角速度ωと車両速度ｖは共にローパスフィルタ
５０を介して出力される。入力位相切換器４５は、位相
同期制御部３０に入力される位相信号として、速度起電
力位相生成部４０にて生成された速度起電力位相θｅ又
は位置検知装置６８にて生成された位置検知位相θｐの
いずれか一方のみを選択するためのものである。

【００４５】推進コイル６１、界磁コイル６２ａ、電力
変換器６５、き電線６６、電流検出器６７、交差誘導線
６８ａ、位置検知装置６８は、いずれも図７及び図８で
説明したものと同様の構成であるため、これらについて
は図７、図８と同じ符号を付し、その説明を省略する。

【００４６】本実施形態では、三相／ｄ−ｑ変換器２
１、２２と速度起電力オブザーバ２５と速度起電力位相
生成部４０と位相同期制御部３０とで、本発明の速度起
電力位相制御装置が構成される。以下に、上記構成の速
度起電力位相制御装置による位相基準θ^*の生成につい
て詳述する。

【００４７】上述したように、電力変換器６５から推進
コイル６１へ出力される三相の出力電圧Ｖ（Ｖｕ、Ｖ
ｖ、Ｖｗ）は、三相／ｄ−ｑ変換器２２にてｄｑ０回転
座標系における電圧Ｖｄ、Ｖｑ、Ｖ０に変換され、推進
コイルを流れるコイル電流Ｉ（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）も、
三相／ｄ−ｑ変換器２１にてｄｑ０回転座標系における
電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉ０に変換される。そして、速度起電
力オブザーバ２５には、座標変換されたこれらの電圧Ｖ
ｄ、Ｖｑ、Ｖ０及び電流Ｉｄ、Ｉｑ、Ｉ０が入力され
る。

【００４８】ここで、三相交流座標系からｄｑ０回転座
標系への座標変換、及び速度起電力オブザーバ２５の構
成について説明する。本実施形態では、電力変換器６５
が三相４線式で構成されているため、三相の出力電圧Ｖ
とコイル電流Ｉとの間には、下記式（４）の電圧方程式
が成立する。

【００４９】

【数６】

【００５０】三相交流座標系で表された上記式（４）の
電圧方程式を、二相のｄｑ軸及び零相軸に変換（いわゆ
るｄｑ０座標変換）するための絶対変換行列Ｃを、下記
式（５）のように定めると、上記式（４）はこの絶対変
換行列Ｃにより下記式（６）のようなｄｑ０回転座標系
での電圧方程式に変換される。尚、下記式（５）におけ
るθは、例えば位相基準θ^*を用いればよい。

【００５１】

【数７】

【００５２】

【数８】

【００５３】上記式（６）における制御では、ｄ軸電流
Ｉｄを制御することで車両の推進力を制御することがで
き、また、ｑ軸と０軸の電流Ｉｑ、Ｉ０はいずれも０と
なるように制御される。次に、速度起電力オブザーバ２
５の理論的構成について説明する。現代制御理論におけ
るオブザーバ理論を適用して、ｄｑ０回転座標系でのオ
ブザーバを導出する際、オブザーバの収束度を十分高速
にとると、車両角速度ω、速度起電力Ｅｄ、Ｅｑはいず
れも一定とみなせるので、上記式（６）を下記式（７）
に変形する。

【００５４】

【数９】

【００５５】速度起電力Ｅｄ、Ｅｑの推定値をＺｄ、Ｚ
ｑとすると、最小次元オブザーバ理論により、オブザー
バは下記式（８）で与えられる。

【００５６】

【数１０】

【００５７】尚、上記式（８）で与えられるオブザーバ
の固有値λは、下記式（９）にて得られる。このλにお
いて、ｇ１を負ととれば、システムは安定化されること
になる。

【００５８】

【数１１】

【００５９】そして、速度起電力推定値Ｚは、上記式
（８）を積分することにより、下記式（１０）にて得ら
れる。

【００６０】

【数１２】

【００６１】尚、オブザーバゲインＧ１は、速度起電力
オブザーバ２５より上位の制御系である位相同期制御部
３０の応答時定数より十分高速とし、かつ電流検出器６
７内部のフィルタや制御システム内部の遅れの影響を受
けないようにこれらの時間よりは十分に遅くなるように
して、その最適値を求める必要がある。

【００６２】上記式（８）にて得られた速度起電力オブ
ザーバ２５の具体的構成を、図４に示す。ここで、αは
オブザーバの固有値λ（式（９）参照）の実部を、βは
オブザーバの固有値λの虚部を、それぞれ表す。図４に
おいて、乗算器２５ａ、２５ｂと、抵抗係数器２５ｃ、
２５ｄと、インダクタンス係数器２５ｅ、２５ｆと、積
分器２５ｇ、２５ｈと、固有値係数器２５ｊ、２５ｋ、
２５ｍ、２５ｎと、加減算器２５ｐ１、２５ｐ２、２５
ｐ３、２５ｐ４、２５ｐ５、２５ｐ６とによって、上記
式（１０）の右辺第二項の各成分が演算される。また、
ゲイン係数器２５ｑ、２５ｒ、２５ｓ、２５ｔによっ
て、上記式（１０）の右辺第一項が演算される。そし
て、これらを加減算器２５ｕ、２５ｖにてそれぞれ演算
することにより上記式（１０）の右辺全体の演算が行わ
れ、これにより速度起電力推定値Ｚｄ、Ｚｑが得られ
る。

【００６３】尚、この場合も、図３の電流制御部２４の
場合と同様、実際には速度起電力推定値の０軸成分Ｚ０
についても計算しているが、本発明による位相基準θ^*
の導出には直接的に関わってこないため、図４では０軸
成分についての構成を省略し、ｄ軸及びｑ軸成分につい
てのみ記載した。

【００６４】速度起電力位相生成部４０では、まず、速
度起電力オブザーバ２５にて推定された速度起電力推定
値Ｚｄ、Ｚｑに基づき、速度起電力位相補正量演算器４
１にて、下記式（１１）により速度起電力位相補正量Δ
θが演算される。

【００６５】

【数１３】

【００６６】そして、この速度起電力位相補正量Δθ
と、現在出力されている位相基準θ^*とが、加減算器４
２にて加算されることにより、速度起電力位相θｅが演
算される。速度起電力位相生成部４０によって得られた
速度起電力位相θｅは、入力位相切換器４５を介して位
相同期制御部３０に入力される。図５に、位相同期制御
部３０の具体的構成を示す。

【００６７】位相同期制御部３０は、所定時間の周期
（本実施形態では５ｍsec.）で速度起電力位相θｅ或い
は位置検知位相θｐを位相信号として取り込み、この位
相信号と現在出力している位相基準θ^*との位相偏差を
加減算器３１にて算出する。この位相偏差から、補償演
算部３２を介して車両角速度ωが得られる。補償演算部
３２は、比例器３２ａと積分器３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ
と加減算器３２ｅとで、二次のＰＩ制御系として構成さ
れ、加減速時の定常偏差をゼロとし入力位相を安定化さ
せる制御系となっている。補償演算部３２で演算された
車両角速度ωを、速度／位相変換部３３の積分器３３ａ
にて積分演算することにより、位相基準θ ^*が算出され
る。

【００６８】位相信号の入力は、上記の通り５ｍsec.毎
に行うが、ＰＷＭ制御にてインバータの制御が行われる
電力変換器６５では、そのＰＷＭ制御の周期が約３００
Ｈｚであるため、位相基準θ^*は、このＰＷＭ制御周期
より早い２００μsec.周期で出力される。

【００６９】尚、車両角速度ωは、変換器制御部２０に
も出力されると共に、角速度／速度変換器３２ｆにて車
両速度ｖにも変換され、速度制御部１０に取り込まれ
る。上記のように得られた位相基準θ^*の具体的な例
を、図６に示す。図６は、車両速度が時速１０ｋｍの低
速走行のときの位相基準θ^*を、速度起電力位相θｅ及
び位置検知位相θｐと共に示したものである。図６から
わかるように、時速１０ｋｍと低速走行している場合、
速度起電力が小さいこと等の影響で速度起電力位相θｅ
の出力は不安定になり、この速度起電力位相θｅをその
まま位相基準として用いるのは困難であるが、位相基準
θ^*は、位相同期制御部３０により速度起電力位相θｅ
の誤差が非常に低減され且つ安定化された上で出力され
ている。しかも、従来から用いられている位置検知位相
θｐと比較しても、ほぼ遜色のない出力となる。

【００７０】以上詳述したように、本実施形態のＬＳＭ
式車両の制御装置では、ｄｑ０回転座標系における速度
起電力を推定し、この推定値に基づいて速度起電力位相
θｅを求め、さらにこの速度起電力位相θｅを位相同期
制御部３０にて安定化した上で、車両位置を示す位相基
準θ^*として出力している。

【００７１】従って、本実施形態のＬＳＭ式車両の制御
装置によれば、ｄｑ０回転座標系における速度起電力を
速度起電力オブザーバ２５にて推定し、速度起電力推定
値から得られる速度起電力位相補正量Δθにて位相基準
θ^*を補正することにより速度起電力位相θｅを求め、
さらに速度起電力位相θｅを、位相同期制御部３０を介
して位相基準θ^*として出力しており、しかもこの位相
同期制御部３０は二次のＰＩ制御系にて構成されている
ため、速度起電力が小さくなる低速度域であっても、誤
差の非常に少ない安定した位相基準θを得ることができ
る。その結果、例えば時速１５ｋｍ以下の低速度域であ
っても誤差の少ない安定した位相基準θ ^*を確実に得る
ことが可能となる。

【００７２】また、入力位相切換器４５により速度起電
力位相θｅと位置検知位相θｐとを選択し、いずれか一
方を位相信号として使用する構成にしたことにより、例
えば通常は位置検知位相θｐを用いるようにして、位置
検知装置６８或いは交差誘導線６８ａの異常時には速度
起電力位相θｅを用いるようにすることもできるなど、
ＬＳＭ式車両の制御装置の信頼性をより向上させること
ができる。

【００７３】ここで、本実施形態の構成要素と本発明の
構成要素の対応関係を明らかにする。本実施形態におい
て、速度制御部１０は本発明の速度制御手段に相当し、
変換器制御部２０は本発明の変換制御手段に相当し、電
流検出器は本発明の電流検出手段に相当し、電力変換器
６５は本発明の電力変換手段に相当し、三相／ｄ−ｑ変
換器２１、２２は本発明のｄｑ変換手段に相当し、速度
起電力オブザーバ２５は本発明の速度起電力推定手段に
相当し、速度起電力位相補正量演算器４１は本発明のΔ
θ算出手段に相当し、加減算器４２は本発明の速度起電
力位相算出手段に相当し、位相同期制御部３０は本発明
の位相信号安定化手段に相当し、位置検知装置６８は本
発明の位置検知位相生成手段に相当し、入力位相切換器
４５は本発明の入力位相信号選択手段に相当し、位相基
準θ^*は本発明の位相基準θに相当する。

【００７４】尚、本発明の実施の形態は、上記実施形態
に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に
属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもな
い。例えば、上記実施形態では、速度起電力位相θｅと
位置検知位相θｐとのいずれか一方を位相信号として位
相同期制御部３０に取り込む構成にしたが、本発明によ
り全速度域において速度起電力位相θｅが正確に推定で
きるようになったため、交差誘導線６８ａなどの地上設
備を省いて、速度起電力位相θｅのみを用いて位相基準
θ^*を得るようにしてもよい。このようにすれば、地上
設備の保守等にかかる労力・コストを大幅に削減でき、
経済的メリットも大きい。

【００７５】また、位相同期制御部３０内の補償演算部
を二次のＰＩ制御系として構成したが、これに限らず一
次のＰＩ制御系として構成することもできる。但しこの
場合、車両６２の加減速時に定常偏差が生じやすいた
め、制御定数を適切に設定してこの定常誤差を許容範囲
内に収まるようにする必要がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の速度起電力位相制御装置の基本構成
を説明する説明図である。

【図２】 本発明が適用されたＬＳＭ式車両の制御シス
テムの概略構成を表す概略ブロック図である。

【図３】 電流制御部の具体的構成を示すブロック図で
ある。

【図４】 速度起電力オブザーバの具体的構成を示すブ
ロック図である。

【図５】 位相同期制御部の具体的構成を示すブロック
図である。

【図６】 時速１０ｋｍ走行時の位相基準、速度起電力
位相、位置検知位相の波形を示す説明図である。

【図７】 従来のＬＳＭ式車両の制御システムの概略構
成を表す概略ブロック図である。

【図８】 き電線及び推進コイルの詳細を示す説明図で
ある。

【図９】 従来の速度起電力位相を算出する方法を示す
概略ブロック図である。

【符号の説明】

１・・・ｄｑ変換手段、 ２・・・速度起電力推定手段 ３・・・Δθ算出手段 ４・・・速度起電力位相算出手段 ５・・・位相信号安定化手段 １０・・・速度制御部 １１、１４、３１・・・加減算器、 １２・・・比例器、 １３・・・積分器 ２０・・・変換器制御部 ２１、２２・・・三相／ｄ−ｑ変換器 ２３・・・ｄ−ｑ／三相変換器 ２４・・・電流制御部 ２５・・・速度起電力オブザーバ ２６・・・加減算器、 ３０・・・位相同期制御部 ３２・・・補償演算部、 ３３・・・速度／位相変換部 ４０・・・速度起電力位相生成部 ４１・・・速度起電力位相補正量演算器 ４２・・・加減算器、 ４５・・・入力位相切換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北野 淳一 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４号 東海旅客鉄道株式会社内 Ｆターム(参考） 5H113 CC04 CC08 CD03 CD12 GG03 GG12 HH04 HH08 HH13 HH14 HH28 5H540 AA02 BA03 BB09 BB10 EE06 EE15 EE20 FA06 FB05 FC02 5H550 AA01 BB10 DD10 FF07 GG03 GG05 HB08 JJ04 JJ22 JJ24 LL22 LL35

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 推進コイルが地上側の軌道に沿って配置
   され、界磁コイルが前記推進コイルに対向するように車
   両側に搭載され、速度制御手段が電流指令値を出力し、
   変換制御手段がこの電流指令値と、電流検出手段によっ
   て検出される前記推進コイルを流れるコイル電流Ｉと、
   車両位置信号とに基づいて電圧指令値を出力し、電力変
   換手段がこの電圧指令値に応じて推進コイルへ出力電圧
   Ｖを出力することにより、車両を推進させるリニアシン
   クロナスモータ式車両の制御装置において、 車両速度が所定の速度以下のとき、前記車両位置信号と
   して、前記推進コイルに対する前記界磁コイルの相対的
   位置を電気角で表した位相基準θを生成する速度起電力
   位相制御装置であって、 前記出力電圧Ｖ及び前記コイル電流Ｉを、ｄｑ回転座標
   系におけるｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑ、ｄ軸電流Ｉ
   ｄ、ｑ軸電流Ｉｑに変換するｄｑ変換手段と、 前記ｄｑ変換手段により得られた前記各電圧Ｖｄ、Ｖ
   ｑ、及び前記各電流Ｉｄ、Ｉｑと、車両角速度ωとに基
   づき、前記推進コイルに誘起される速度起電力を推定す
   る速度起電力推定手段と、 前記速度起電力推定手段にて推定された速度起電力推定
   値のｄ軸成分Ｚｄ及びｑ軸成分Ｚｑを用いて、下記式
   （１）により速度起電力位相補正量Δθを算出するΔθ
   算出手段と、 現在出力している前記位相基準θに、前記Δθ算出手段
   により得られた前記速度起電力位相補正量Δθを加える
   ことにより、速度起電力位相θｅを算出する速度起電力
   位相算出手段と、 位相信号として入力される前記速度起電力位相θｅと、
   現在出力している前記位相基準θとの位相偏差を算出
   し、前記位相偏差を比例・積分演算することにより、定
   常偏差が低減された前記位相基準θを出力する位相信号
   安定化手段とを備えたことを特徴とする低速度における
   速度起電力位相制御装置。 【数１】
2. 【請求項２】 前記位相信号安定化手段にて行われる前
   記比例・積分演算は、前記位相偏差を比例演算、積分演
   算、及び二重積分演算して、各演算結果を加えることに
   より車両角速度ωを算出し、更にその車両角速度ωを積
   分演算することにより、前記位相基準θを算出すること
   を特徴とする請求項１記載の低速度における速度起電力
   位相制御装置。
3. 【請求項３】 前記速度起電力推定手段は、下記式
   （２）の演算を行うことにより、前記各速度起電力推定
   値Ｚｄ及びＺｑを得ることを特徴とする請求項１又は２
   に記載の低速度における速度起電力位相制御装置。 【数２】
4. 【請求項４】 前記速度起電力位相θｅ或いは前記軌道
   上に設けられた位置検知位相生成手段から得られる車両
   位置信号としての位置検知位相θｐのいずれか一方を入
   力位相信号選択手段にて選択し、それを前記位相信号と
   して前記位相信号安定化手段に入力することを特徴とす
   る請求項１〜３いずれかに記載の低速度における速度起
   電力位相制御装置。