JP2006050872A

JP2006050872A - 電気車制御装置

Info

Publication number: JP2006050872A
Application number: JP2004232224A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yamazaki; 修山崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】本発明の目的は、電気車が勾配のある地点にいる場合でも、安定且つス
ムーズにインバータを始動することが出来る速度サンサレス制御方式の電気車制御装置を
提供することである。
【解決手段】直流を交流に変換するインバータと、前記インバータ
により駆動される電動機と、この電動機の磁束または前記電動機の誘起電圧から前記電動
機のロータ周波数を推定し、このロータ周波数に基づき、前記インバータを制御するイン
バータ制御手段と、前記インバータ制御手段の制御方法を切換える勾配起動スイッチとを
有し、前記勾配起動スイッチは、前記勾配起動スイッチが入れられた場合には、前記イン
バータ装置始動後当該電気車にブレーキ指令を出力し、前記勾配起動スイッチが切られた
場合には、当該電気車へのブレーキ指令を解除することを特徴とする電気車制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車制御装置に関する。

主電動機の回転速度を検出する速度検出器を備えた従来の電気車制御装置では、電気車の
運行状態に関わらず、速度検出器によってロータ周波数を検出することが出来る。そのた
め、インバータを始動する際には、ロータ周波数に一致したインバータ周波数を出力して
始動することが出来た。

このように構成された従来の電気車制御装置は、電気車の運行状態に関わらず、速度検出
器によってロータ周波数を検出することが出来るので、インバータを始動する際にも乗り
心地が良い。
特開２０００−２５３５０６号公報特開平１１−２８５３００号公報特開平１１−３４６５００号公報

しかしながら、近年開発が進められている主電動機の回転速度を検出する速度検出器を備
えていない従来の電気車制御装置（以後、速度センサレス制御方式の電気車制御装置）で
は、主電動機の磁束あるいは誘起電圧に基づきロータ周波数を推定するため、電気車が停
車中あるいは惰行中のようにインバータのゲート信号を停止し主電動機への励磁を行わな
い期間は、速度を推定することはできず、停車であるのか、高速回転中であるのかがわか
らない。このような状態からインバータを始動する場合、インバータ周波数とロータ周波
数が一致しないため、不要なトルクを生じ、乗り心地や信号系への影響が懸念される。ス
ムーズにインバータを始動するためには、インバータ出力周波数を回転速度すなわちロー
タ周波数に一致させて始動する必要がある。

そこで、従来の速度センサレス制御方式の電気車制御装置制御では、インバータを始動し
た直後に、通常運転時の回転速度推定方式とは異なる概略のロータ周波数を推定するため
のロータ周波数推定制御モードを設けている。ロータ周波数推定制御モードで始動後、速
度すなわちロータ周波数の概略値が推定できた時点で、ロータ周波数推定値をインバータ
出力周波数として与えて通常運転を開始する（特許文献１，特許文献２，特許文献３参照
）。

しかしながらこれらの方式をもってしても極低速で回転している場合の速度を正確に推定
することはできないので、速度によって判断が出来る電気車の前進や後退の検知に関して
も精度が落ちてしまう。

電気車の前進や後退の検知精度が落ちてしまうため、電気車が勾配のある地点に居て、ブ
レーキを解除して発信をする際に、勾配のため電気車が後退しているにも関わらず前進制
御モードで運転してしまうということも考えられ、その結果、不要なトルクを生じ乗り心
地が悪化し、最悪の場合は電気車が進まないといった問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、電気車が勾配のある地点にいる場合でも、安定且つスムーズに
インバータを始動することが出来る速度サンサレス制御方式の電気車制御装置を提供する
ことである。

上記課題は、直流を交流に変換するインバータと、前記インバータにより駆動される電動
機と、この電動機の磁束または前記電動機の誘起電圧から前記電動機のロータ周波数を推
定し、このロータ周波数に基づき、前記インバータを制御するインバータ制御手段と、前
記インバータ制御手段の制御方法を切換える勾配起動スイッチとを有し、前記勾配起動ス
イッチは、前記勾配起動スイッチが入れられた場合には、当該電気車にブレーキ指令を出
力し、前記勾配起動スイッチが切られた場合には、当該電気車へのブレーキ指令を解除す
ることによって達成することが出来る。

上記課題は、直流を所定の周波数に変換するインバータと、前記インバータにより駆動さ
れる電動機と、この電動機の磁束または前記電動機の誘起電圧から前記電動機のロータ周
波数を推定し、このロータ周波数に基づき、前記インバータを制御するインバータ制御手
段と、当該電気車の現在位置を検出する位置検知手段と、当該電気車の走行する路線のデ
ータを保持した路線データ保持手段とを有し、前記位置検知手段から入力された当該電気
車の位置情報と、前記路線データ保持手段から入力された当該電気車の走行する路線デー
タから、当該電気車の現在位置が勾配のある区間か勾配のない区間かを判別し、当該電気
車の現在位置が勾配のある区間であった場合には、当該電気車にブレーキ指令を出力する
と共に、前記インバータ制御装置に後退判定を行わず起動を行うように指令する勾配起動
判別手段とを備えたことによって達成することが出来る。

本発明により、電気車が勾配のある地点にいる場合でも、安定且つスムーズにインバータ
を始動することが出来る速度サンサレス制御方式の電気車制御装置を提供することが出来
る。

（第１の実施の形態）本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置について、図
を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の
構成図である。図２は、本発明に基づく第１の実施の形態のインバータ出力周波数演算部
の構成図である。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置は、主電動機３に流れる電流Ｉｕ,Ｉ
ｗは、電流検出器４によって検出され、座標変換器７によって、ＤＱ軸電流Ｉｄ,Ｉｑに
変換される。電圧演算部５では、励磁電流指令ＩｄＲｅｆとトルク電流指令ＩｑＲｅｆに
、励磁電流Ｉｄとトルク電流Ｉｑとが一致するように出力電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算
出力する。座標変換器６では、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、３相電圧指令Ｖｕ
＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換し、出力する。ＰＷＭ制御部９では、３相電圧指令に基づき、
例えば、三角波比較ＰＷＭ制御によってゲート指令を生成し、インバータ１を駆動制御す
る。

このように構成された電気車制御装置において、インバータ出力周波数演算部１５は、Ｄ
軸誘起電圧に基づきインバータ出力周波数を制御するものである。インバータ出力周波数
演算部１５の詳細を図２に示す。インバータ出力周波数演算部１５は、Ｄ軸誘起電圧演算
部２０とインバータ出力周波数制御部２１とから構成される。Ｄ軸誘起電圧演算部２０で
は、ＤＱ軸電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊とＤＱ軸電流Ｉｄ，ＩｑとからＤ軸誘起電圧Ｅｄを数
１に基づいて、演算し出力する。

（数１）Ｅｄ＝Ｖｄ＊−Ｒ１×Ｉｄ＋ω１×σＬ１×Ｉｑここで、Ｒ１：1次抵抗、σ：
漏れ係数（＝１−Ｍ×Ｍ/Ｌ１/Ｌ２）、Ｌ１：１次自己インダクタンスである。

インバータ出力周波数制御部２１では、入力であるＤ軸誘起電圧Ｅｄが零となるようにイ
ンバータ出力周波数基準ω１＊を数２に基づいて制御出力する。

（数２）ω１＊＝-(Ｋｐ＋Ｋｉ/ｓ）ここに、Ｋｐ：比例ゲイン、Ｋｉ：積分ゲイン、ｓ
：ラプラス演算子である。

このように構成されたインバータ出力周波数演算部１５は、速度センサレスベクトル制御
法として公知技術であり他にも各種の方式がある。インバータ出力周波数演算部１５の出
力であるインバータ出力周波数基準ω１＊は、加算器１２において、後述するインバータ
出力周波数補正値ω１ｃｍｐと加算され、インバータ出力周波数ω１となる。

積分器８では、インバータ出力周波数ω１を積分し、座標変換器６，７で用いる（静止座
標系の基準軸Ａ軸に対する）Ｄ軸の位相角θを生成出力する。

このように構成された電気車制御装置は、速度検出器を用いずにインバータの出力周波数
および出力電圧を制御し、主電動機のトルクを制御することができる。なお、図示しては
いないが、電気車の駆動輪がスリップし、車両の加速度が低下しないようにする、空転制
御では主電動機の回転速度が必要である。この場合には、数３のような演算により、回転
速度推定値ωＲＨを算出することができる。

（数３）ωＲＨ＝Ｒ２/Ｌ２×ＩｑＲｅｆ/ＩｄＲｅｆここに、Ｒ２：２次時定数、Ｌ２：
２次自己インダクタンスである。

更に、車両が後退していることを判定するため、後退判定指標演算部１６と後退判定部１
７がある。後退判定指標演算部１６では、数４によってｑ軸誘起電圧Ｅｑを、数５によっ
てｑ軸誘起電圧基準を演算する。

（数４）Ｅｑ＝Ｖｑ＊−Ｒ１×Ｉｑ-σ×Ｌ１×ω１×Ｉｄ（数５）Ｅｑ＊＝ω１×Ｍ２/
Ｌ２×Ｉｄここで、後退判定のための評価指標Ｃは、数６に基づいて演算される。

（数６）Ｃ＝∫|Ｅｑ-Ｅｑ＊|ｄｔ後退判定部１７では、前記評価指標Ｃに基づき、数７
のように後退である否かを判定する。

（数７）Ｆｌｇ＿ＲｅａｒＤｅｔ＝０ｉｆＣ<α ＝１
ＥｌｓｅＣ>＝αここに、αは所定のセット値である。

インバータ出力周波数補正量演算部１８では、前記の後退判定フラグＦｌｇ＿ＲｅａｒＤ
ｅｔに基づき、次のようにインバータ出力周波数補正量ω１ｃｍｐを算出する。

（数８）ω１ｃｍｐ＝ＤＬＩＭ(−ω１ｒｅａｒ，ｄω１ｒｅａｒ）ｉｆＦｌｇ＿Ｒ
ｅａｒＤｅｔ＝1 ＝０ｅｌｓｅＦｌ
ｇ＿ＲｅａｒＤｅｔ＝０ここに、ＤＬＩＭは変化率リミットであり、ＤＬＩＭ(ａ，ｂ）
は最終値ａまで変化率をｂ以内で変化することを表すものである。

以上の構成によれば、一旦は停止あるいは前進であると想定し通常起動を行いながら、ｑ
軸誘起電圧の偏差に基づき後退しているか否かを判定する。後退と判定した場合には、イ
ンバータ出力周波数をマイナス方向に補正するように作用することで、所定の動作点への
収束、すなわち、所定トルクの出力を行うものである。

しかしながら、上述した電気車制御装置の構成では、停止中や極低速回転中は主電動機３
の誘起電圧Ｅｑが絶対的に極小さい値となるため、検出器の誤差などよって、前記ｑ軸誘
起電圧Ｅｑの誤差が生じて、前記後退判定の指標がばらつき、停止中に後退を誤検知した
り、または後退時に後退と判定できない場合がある。このような誤判定が起こるとインバ
ータ出力周波数とロータ周波数が一致しないので、乗り心地が劣化したり、所定のトルク
を出力できず加速不良となる場合があり、好ましくない。

そこで、本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置では、極低速や停止中に安定
した起動を行えるように勾配起動スイッチ２３（運転台等に設置）と切替スイッチ２２を
備えている。

本実施の形態の電気車制御装置は、勾配起動スイッチ２３の状態をインバータ制御部１９
に入力して、インバータ出力周波数補正演算部１８に入る後退判定フラグを切換える点が
従来の電気車制御装置と異なる。

このように構成された電気車制御装置において、勾配起動スイッチ２３は、電気車が上り
勾配区間で起動をする場合にスイッチ２３を入れるもので、勾配軌道スイッチ２３が入れ
られると、勾配軌道スイッチ２３は、電気車が後退しない程度のブレーキをかけ（ブレー
キ指令をブレーキ制御装置に出力し）、インバータ１始動からトルク出力までの間に勾配
による後退を防止するものである。インバータ１始動後トルク出力されたところで、勾配
起動スイッチ２３を「切」にする。

このように構成された電気車制御装置において、勾配起動スイッチ２３の状態は、インバ
ータ制御部１９に入力される。インバータ制御部１９内に設けられた切換スイッチ２２は
、後退判定指標演算部１６より出力される後退判定フラグを出力するか、「０」すなわち
、後退でないという結果を出力するかを切換える。勾配起動スイッチが「入」の場合は、
電気車にはブレーキがかかっているので（勾配起動スイッチ２３からブレーキ指令が出力
されるので）、後退することはないため、後退判定部１７から出力である後退判定結果は
用いずに制御する。勾配起動スイッチ２３が「切」の場合は、勾配起動スイッチ２３から
のブレーキ指令も解除され、インバータ制御部１９は、後退判定部１７の出力を用いてイ
ンバータ１の制御を行う。

このように、勾配起動スイッチ２３の状態をインバータ制御部１９に取り込み、「入り」
のときは後退判定をしないようにすることで、後退誤検知の頻度を低減することができる
。

このように構成された電気車制御装置は、勾配起動スイッチ２３を用いて、制御方法を切
換ることによって、インバータ１を始動する際の乗り心地劣化や、加速不良などをなくし
、安定かつスムーズに起動することができる。

また本実施の形態の電気車制御装置では、勾配起動スイッチ２３が「入」「切」でインバ
ータ出力演算部１８に入力を切換えているが、起動時は必ず、勾配起動スイッチ２３を「
入」とすれば、後退検知自体が不要となり、後退誤検知もなくなり、後退勾配起動での失
敗も低減することができシステムの信頼性があがるので好ましい。

このように構成された電気車制御装置は、勾配のあるところで、運転手がブレーキを解除
して、インバータ１を起動する時に、勾配軌道スイッチ２３が切られるまで電気車が下が
らないようにブレーキをかけることが出来るので、電気車の後退を防止することが出来、
乗り心地の悪化も防ぐことが出来る。

このように構成された電気車制御装置は、安定且つスムーズにインバータを始動すること
が出来る。

（第２の実施の形態）本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置について、図を
参照し詳細に説明する。図３は、本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置の構
成図である。尚、図１に記載したものと同一の物については、同符号を付して説明を省略
する。

本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置は、第１の実施の形態の電気車制御装
置とは、勾配起動スイッチを「切」にするための許可信号を追加した点が異なる。

このように構成された電気車制御装置においてトルク電流指令ＩｑＲｅｆを比較器２４に
入力し、比較器２４では、トルク電流指令ＩｑＲｅｆが所定値に以上になった時、勾配起
動スイッチ「切」許可指令を出力し、勾配起動スイッチ「切」許可指令により、勾配起動
スイッチを「切」にし、ブレーキを緩める。

このように構成された電気車制御装置では、トルクがある程度、出力したところで勾配起
動スイッチ２３を「切」とすることで、乗務員は勾配起動スイッチ２３を入れるときだけ
、操作をすればよく、勾配起動スイッチ２３を切る操作については、自動化でき、乗務員
の操作を省力化することができる。

尚、本実施の形態の電気車制御装置では、トルクの出力を基準に、勾配起動スイッチ２３
を自動的に切るという構成にしているが、例えば速度信号を基準にスイッチ２３を切る等
構成としても同等の効果が得られる。

（第３の実施の形態）本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置について、図を
参照し詳細に説明する。図４は、本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置の構
成図である。尚、図１乃至図３に記載したものと同一の物については、同符号を付して説
明を省略する。

本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置は、本発明に基づく第２の実施の形態
の電気車制御装置とは、勾配起動スイッチ信号と、勾配起動スイッチ「切」許可指令をシ
リアル通信化したところが異なる。

本実施の形態の電気車制御装置において、勾配起動スイッチ信号はシリアル通信データと
してシリアル通信変換器２５に入力され、シリアル通信変換器２５を介してインバータ制
御部１９に送られる。また、勾配起動スイッチ「切」許可指令はシリアル通信変換器２５
に入力され、シリアル通信変換器２５を介して、シリアル通信データとして出力される
本実施の形態の電気車制御装置によれば、情報のやりとりをシリアル通信化することで、
システム全体として信号線の削減が図れる他、編成内のＶＶＶＦインバータ１の台数が増
加してもシステムの拡張が容易になるという効果が得られる。

（第４の実施の形態）本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置について、図を
参照し詳細に説明する。図５は、本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置の構
成図である。尚、図１乃至図４に記載したものと同一の物については、同符号を付して説
明を省略する。

本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置は、勾配起動判別手段２６が、電気車
内に設けられた位置検知手段２７から入手する電気車の位置情報と、路線データ保持手段
２８から入手する路線情報から、電気車の現在位置が勾配のある区間か平坦な区間かを判
断することを特徴としている。

このように構成された電気車制御装置において、勾配起動判別手段２６は、位置検知手段
２７から入手した電気車の現在位置を、路線情報とを照合し、現在位置の勾配の度合いや
勾配の有無を判別する。電気車の現在位置が、勾配のある区間と判別された場合には、勾
配起動手段２６は、ブレーキ指令をブレーキ制御装置（図示しない）に出力するとともに
、切換スイッチ２２を切換える。勾配軌道判別手段２６は、電気車の現在位置の情報から
、電気車が進み始めたことを検知した場合には、ブレーキ制御装置へのブレーキ指令を解
除する。

このように構成された電気車制御装置は、運転手による切替を必要としないので、運転手
の負担を軽減することが出来る。

また、本実施の形態の電気車制御装置においても、安定且つスムーズにインバータを始動
することが出来る。

尚、本実施の形態の電気車制御装置において、位置検知手段２７や路線データ保持手段２
８から勾配起動判別手段２６に入力されるデータは、列車の現在の位置の勾配が判別出来
れば良いので、ＡＴＳやＡＴＣやＡＴＯ等の電気車を無人で制御するような機器から、勾
配情報を直接もらうようにしても良い。

また、ＡＴＳやＡＴＣやＡＴＯ等の機器は、自機の制御のために、車輪若しくは電動機の
回転速度を検出するセンサーを備えている場合が多いので、ＡＴＳやＡＴＣやＡＴＯ等の
機器が備えている速度センサーを基に勾配起動判別手段２６が動作をするように構成して
も良い。

本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。本発明に基づく第１の実施の形態の電気車制御装置のインバータ出力周波数演算部の構成図である。本発明に基づく第２の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。本発明に基づく第３の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。本発明に基づく第４の実施の形態の電気車制御装置の構成図である。

符号の説明

１・・・インバータ
２・・・フィルタコンデンサ
３・・・電動機
４・・・電流検出器
５・・・電圧演算部
６・・・座標変換器
７・・・座標変換器
８・・・積分器
９・・・ＰＷＭ制御部
１０・・・フィルタリアクトル
１１・・・すべり周波数演算部
１２・・・加算器
１３・・・パンタグラフ
１４・・・車輪
１５・・・インバータ出力周波数演算部
１６・・・後退判定指標演算部
１７・・・後退判定部
１８・・・インバータ出力周波数補正量演算部
１９・・・インバータ制御部
２０・・・Ｄ軸誘起電圧演算部
２１・・・インバータ出力周波数制御部
２２・・・切換えスイッチ
２３・・・勾配起動スイッチ
２４・・・比較器
２５・・・シリアル通信変換器
２６・・・勾配起動判別手段
２７・・・位置検知手段
２８・・・路線データ保持手段

Claims

直流を交流に変換するインバータと、前記インバータにより駆動される電動機と、この電
動機の磁束または前記電動機の誘起電圧から前記電動機のロータ周波数を推定し、このロ
ータ周波数に基づき、前記インバータを制御するインバータ制御手段と、前記インバータ
制御手段の制御方法を切換える勾配起動スイッチとを有し、前記勾配起動スイッチは、前
記勾配起動スイッチが入れられた場合には、当該電気車が後退しないように当該電気車に
ブレーキ指令を出力し、前記勾配起動スイッチが切られた場合には、当該電気車へのブレ
ーキ指令を解除することを特徴とする電気車制御装置。
前記請求項１記載の電気車制御装置において、前記勾配起動スイッチは、前記勾配起動ス
イッチが入れられた場合には、前記インバータ制御装置に、当該電気車の後退判定を行わ
ず起動するように指令することを特徴とする電気車制御装置。
前記請求項２記載の電気車制御装置において、前記インバータの起動時には、前記勾配起
動スイッチが入れられた状態になっていることを特徴とする電気車制御装置。
前記請求項１乃至請求項３記載の電気車制御装置において、前記勾配起動スイッチは、所
定値以上のトルクが電動機から出力された場合に、自動的に当該勾配起動スイッチを切る
ことを特徴とする電気車制御装置。
直流を所定の周波数に変換するインバータと、前記インバータにより駆動される電動機と
、この電動機の磁束または前記電動機の誘起電圧から前記電動機のロータ周波数を推定し
、このロータ周波数に基づき、前記インバータを制御するインバータ制御手段と、当該電
気車の現在位置を検出する位置検知手段と、当該電気車の走行する路線のデータを保持し
た路線データ保持手段とを有し、前記位置検知手段から入力された当該電気車の位置情報
と、前記路線データ保持手段から入力された当該電気車の走行する路線データから、当該
電気車の現在位置が勾配のある区間か勾配のない区間かを判別し、当該電気車の現在位置
が勾配のある区間であった場合には、当該電気車にブレーキ指令を出力すると共に、前記
インバータ制御装置に後退判定を行わず起動を行うように指令する勾配起動判別手段とを
備えたことを特徴とする電気車制御装置。