JP2009077572A - 電気車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の指令トルクは本来、車両を所定の加速度で運転するために設定されたものであるが、空転検知で指令トルクを引き下げるという粘着制御アルゴリズムによって、空転時には自ずと所定の加速度が得られない状態になる。
【解決手段】車輪とレールのすべり速度に相当する車両速度と電動機回転速度の差速度を検知し、この値が所定値以下の間は通常のトルク制御を行い、所定のトルク指令値のままでは差速度の拡大が止まらない状態で、差速度の制限目標値との偏差に応じたトルク低減特性を付加した粘着制御アルゴリズムを適用する。空転状態にあっても所定の車両加速度を得ることを可能にする電気車制御装置を提供するものである。従来の粘着制御は図５の左側の接線力ピークを想定して、すべり速度を極力小さくするように制御していた。本発明は図５右寄りの接線力を利用可能にしたことで車両の加速度が確保でき、定時運行が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は鉄道車両用の電気車制御装置に関するものであり、特に空転制御に関する。

鉄道車両の推進制御装置として可変電圧可変周波数のインバータ装置で多相交流電動機を駆動する方式が一般化しつつある。鉄道車両では推進システムの如何に関わらず、いわゆる接線力の低下する現象によって空転や滑走が起き、一時的に推進力や制動力が得られないときがある。鉄道車両の推進制御装置はトルク制御系で構成するのが一般的であり、接線力が低下して空転状態になると車輪の回転速度および駆動源である電動機の回転速度が急激に上昇する。接線力は動輪とレールとの間に作用する推進力であり、通常の粘着状態では動輪の周速度と車両速度とは概略一致する。しかしレールと車輪の接触面に雨滴や雪等が介在し、粘着状態が保てなくなると、駆動源の電動機のトルクがレールに伝達されず、動輪周速度だけが上昇し、車両速度と動輪周速度に大きな差速度（すべり速度）が生じた、いわゆる空転状態となる。

滑走の場合は車両速度に対して、動輪周速度だけが下降することであるが、以下の説明では簡素化のために空転側だけで記述する。
従来の交流電動機駆動システムでは、電動機の回転速度の変化率等から空転を空転開始直後に検知し、指令トルクを速やかに低減して電動機および車輪の回転速度が発散することを防止するのが通例である。
図２に従来の粘着制御方式を適用した電気車制御装置の一例をブロック図で示す。電動機21,22の回転速度は速度検出器31,32で検出し、速度演算部107で制御情報に変換し、空転検知部121でこれを時間微分して変化率信号とし、かつ空転検知レベルとして設定した値とを比較し、電動機回転速度の変化率が検知レベルを超えた時点で空転検知信号を出力する。空転検知信号は論理信号であり、粘着制御部120はこの空転検知信号を受けると指令トルクの引き下げ係数信号を所定の時系列で出力する。本例の指令トルクの引き下げ方法は前記引き下げ係数信号を本来の指令値100に係数乗算部110で乗算して指令値を操作する。図３は横軸に時間、縦軸を引き下げ係数とした引き下げ係数信号の一例である。

従来は前記、すべり速度とレールに伝達し得る接線力との関係は図４のようになると考えられていた。すなわちすべり速度が微少な領域で接線力は最大になり、それよりすべり速度が拡大すると、接線力は一方的に減少するとされていた。したがって従来の粘着制御では、すべり速度を極力小さくするような制御アルゴリズムが適用され、空転を検知した場合は速やかに指令トルクを引き下げていた。
特開平６−３３５１０６号公報

電動機の指令トルクは本来、車両を所定の加速度で運転するために設定されたものであるが、空転検知で指令トルクを引き下げるという上記粘着制御アルゴリズムによって、空転時には自ずと所定の加速度が得られない状態になる。

請求項１の発明によれば、交流電動機を駆動する電気車制御装置であって、車輪とレールのすべり速度に相当する車両速度と電動機回転速度の差速度を検知し、該差速度の値が所定値以下の間は通常のトルク制御を行い、所定のトルク指令値のままでは前記差速度の拡大が止まらない場合に、前記差速度の制限目標値との偏差に応じたトルク低減特性を付加したことを特徴とする。

請求項２の発明によれば、交流電動機を駆動する請求項１記載の電気車制御装置であって、所定の前記差速度を前記差速度と前記車両速度の比率であるすべり率として制限目標値を設定することを特徴とする。

請求項３の発明によれば、交流電動機を駆動する請求項１記載の電気車制御装置であって、電動機回転速度が並列駆動する誘導電動機の平均値であることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、交流電動機を駆動する請求項１記載の電気車制御装置であって、電動機回転速度が電動機電流と端子電圧指令または端子電圧検出値から演算して得たことを特徴とする。

請求項５の発明によれば、交流電動機を駆動する請求項１記載の電気車制御装置であって、車両速度をＴ軸速度、またはＡＴＣ装置 から得ることを特徴とする。

請求項６の発明によれば、交流電動機を駆動する請求項１記載の電気車制御装置であって、電動機回転速度から編成全体の接線力の合計を積分して車両速度を得ることを特徴とする。

請求項７の発明によれば、交流電動機を駆動する請求項１記載の電気車制御装置であって、所定の前記差速度で制限目標値を設定する場合と所定の前記すべり率で制限目標値を設定する場合を車両速度領域で切換えてトルク制御をすることを特徴とする。

すなわち、車輪とレールのすべり速度に相当する車両速度と電動機回転速度の差速度
を検知し、この値が所定値以下の間は通常のトルク制御を行い、所定のトルク指令値
のままでは差速度の拡大が止まらない状態で、差速度の制限目標値との偏差に応じた
トルク低減特性を付加した粘着制御アルゴリズムを適用する。

本発明は空転状態にあっても所定の車両加速度を得ることを可能にする電気車制御装
置を提供するものである。従来の粘着制御は図５の左側の接線力ピークを想定して、
すべり速度を極力小さくするように制御していた。本発明は図５右寄りの接線力を利
用可能にしたことで車両の加速度が確保でき、定時運行が可能になる。

図１に本発明の粘着制御方式を適用した電気車制御装置をブロック図で示す。

図１は電気車制御装置１が交流電動機21,22を駆動するシステムの例である。インバータ制御部103は交流電動機のトルク分電流偏差と励磁分電流偏差とをそれぞれ極小になるように独立に制御する。各偏差は偏差演算部105および106で各指令値と実電流との偏差をそれぞれ演算したものである。トルク分電流指令と励磁分電流指令は電流指令発生部102の出力であり、トルク指令100と磁束指令101の指令入力から演算する。トルク指令100は電流指令発生部102に入力する手前で係数乗算部110を通過する。係数乗算部110は従来は、速やかな再粘着制御のためのトルク引下げを行う部位であったが、図１では、空転時のすべり速度の発散を防止するトルク指令操作部となる。
電流演算部104はインバータ制御部103から出力電圧の位相情報を得て、インバータ出力電流から実トルク分電流と実励磁分電流とにベクトル分解した各電流成分を出力する。すべり速度演算部109は車両速度４と動輪周速度との差速度を演算する。インバータ制御部103はトルク分電流偏差と励磁分電流偏差情報の他に、電動機の回転速度をインバータ出力周波数に換算した入力情報が必要である。
速度検出器31,32が電動機回転速度を検出し、速度演算部107は前記速度検出器31,32の出力信号の単位時間当りのパルス数等の検出量をインバータ出力周波数に換算する。電動機の回転速度の単位は通常[rad/sec]で表すがインバータ出力周波数に換算した場合の単位は[Hz]、後述するがこれを動輪周速度に換算する場合は[km/h]とする。速度演算部107の出力は様々に利用されるが、すべて比例関係にあり、各参照部でそれぞれの比例係数を乗じて用いるものとし、説明上はいずれも電動機実回転速度信号108とする。すべり速度信号は電動機回転速度信号108から求めた動輪周速度と車両速度４との差である。
本発明はすべり速度と接線力との関係が図５のようになる調査結果に基づくものである。従来方式との相違は、空転検知に当たる論理信号を作成しないことである。
空転発散防止部111はすべり速度信号が小さい間は、指令トルクを低減しないよう、出力の低減係数値を1.0とする。すべり速度が拡大して、より大きな接線力を期待できない領域に至った時点で、すべり速度に応じて空転発散防止部111は出力の低減係数値を1.0以下に下げ、接線力と電動機の出力トルクとのバランス状態を得て、すべり速度の発散を防止する。
すべり速度に応じた低減係数値とは 座標標記（すべり速度，低減係数値）に従えば、例えば図６に示すように、（Ｓ0，1.0）（Ｓ1，0.0）の２点を通る直線で表すような低減特性でよい。

速度検出部107は図１では各電動機21,22のそれぞれの速度検出を行う構成を示す。従来の空転検知に当たる論理信号を必要としていた装置では、力行時に最小値、制動時は最大値あるいは力行と制動および（上り下り等の）進行方向に基づいて選択軸の切換えをしていたが、すべり速度の大きい状態を利用する場合は、速度の平均値を用いる方が推進力を確保し易い。
すなわち、並列駆動の一方の軸が空転して回転速度が上昇すると平均値も上昇し、インバータ出力周波数を上昇させる。平均値の上昇率は空転軸の上昇率より小さいため、空転軸のトルクは減少するが、非空転軸はインバータ出力周波数の上昇によってトルクが増大する。この空転軸と非空転軸の相反するトルクの過渡状態も、トルクの総和は片軸の空転前後でほとんど変化しないため、車両の推進力を維持する上では都合の良い状態となる。この状態でレールの継ぎ目を通過する際の瞬間的な回転速度ムラや片軸の微小空転で車両の加速性能を低下させることが防止できる。
全軸が空転した場合は、図５の接線力特性に則ったすべり速度で運転するために車両の加速性能を維持できる。

図７は速度センサを用いない電気車制御装置のブロック図である。図１の速度検出部31,32が省かれ、速度演算部107の入力をインバータ出力電流信号とインバータ出力電圧信号としている。電動機の回転速度は電圧・電流および電動機定数を用いて演算でき、さらに電動機を並列駆動する場合は、速度の演算結果は自ずと各電動機の平均値となる。したがって、速度センサを用いない電気車制御装置において本粘着制御方式を実現することは容易である。

並列駆動する電動機の回転速度の平均値と車両速度の差がすべり速度である。車両速度は種々の方法で得られるが、編成内の車両システムの制御情報を利用する一方法としてＡＴＣ装置の速度情報を外部に出力し、本発明であるところの電気車制御装置に取り込む方法が最もシンプルで信頼性の高いシステムを容易に構成できる。図８にＡＴＣ用速度検出器とＡＴＣ装置および制御信号伝送ラインの構成を示す。またＴ軸用速度検出器との位置関係も図８に示す。
通常、電気車制御装置以外で車両速度を検知する方法としては、車軸端に速度センサを装着する。かつ、選定する車軸も空転の影響を排除する目的でＴ軸（トレーラ車の軸）とし、滑走の影響を排除する目的でブレーキ力も他の軸より低減するなどの処置を講じる場合もある。ＡＴＣ装置の速度情報を利用する具体的な手段としては、当該信号専用の艤装線を設けても、編成内に既設の車両制御情報伝送ラインに速度情報を追加してもよい。車両速度は元来数十mSのオーダーの変化は微小であるため、前記の伝送ラインに信号を付加することでも性能確保には十分である。

他の装置の信号に頼らず、制御装置の独立性が必要な場合は車両速度を電動機の回転速度から推定して求める。
前記のように電動機の回転速度を電圧・電流・電動機定数を用いて演算する方式は、従来の速度検出装置の出力周波数を計数する方式に比べ、データ更新周期を短くすることができる。これにより電動機の速度変化率の検知精度を高くすることができ、電動機の出力トルクを車輪および駆動系の慣性モーメント（設計的に既知である）を加速する成分と、レールに伝わって車両を加速する成分、すなわち接線力とに分離することが可能となる。図９に車両速度推定方法の実施例を示す。
車両用制御装置は停車状態からの起動も惰行状態からのトルク制御の投入も、ジャーク制御と称して、トルク指令を小さな値から徐々に増加させるのが一般的である。したがって投入直後は電動機の回転速度と車両速度とは一致していると見なせる。そしてジャーク制御でトルクが小さい期間内に電動機トルクと速度変化率から車両質量の推定を行う。ここで推定する車両質量は乗車率も勾配条件も含まれる。
加速度ａ＝接線力ｆ／推定質量ｍ であり、車両速度ｖは加速度ａを積分して得られる。
原理的にはこの車両質量の推定値と電動機の回転速度が急上昇した場合の接線力とから各制御装置単位で空転中の車両速度を推定することは可能であるが、粘着係数が極端に低下して編成全体に空転が拡大した最悪条件を考慮すると、車両質量は編成全体とし接線力も編成内のすべての制御装置の総和で扱う方が誤差が小さくなり望ましい。
編成内の制御装置の接線力の総和を得る方法の一例は、前記車両制御情報ラインに各制御装置の接線力情報を出力し、情報中央装置が総和を求めて各装置に対してこれを伝送すればよい。
別の実現手段として、例えば制御装置が編成内で２台であるなら、制御装置間で情報交換用の専用線を設け、互いに他方の接線力と自身の接線力の和を演算する方法でもよい。いずれにしろ、図１０は接線力と車両質量を編成の総和として扱う場合の車両速度の推定方法の一例である。

車両速度と動輪周速度の差速度をすべり速度と称するが、すべり速度を車両速度で除した比率をすべり率という。図５に示すように接線力がピークを示すすべり速度は高速になるにしたがって大きくなる傾向にある。この傾向を制御に加味して、接線力をより有効に利用するには車両速度が高速になるにしたがって、すべり速度の発散防止のためのトルク低減特性のＳ0やＳ1の値を高速側に動かせばよい。すなわちすべり速度応じたトルク低減特性とは別にすべり率に応じたトルク低減特性を付加することで、高速域の加速特性を確保できる電気車制御装置が実現できる。

上記の実施例で高速域のトルク低減特性をすべり率に応じた方法にすることを述べたが、低速域についてはすべり速度に応じた低減特性とする。したがって車両速度を参照して、所定の速度より低ければすべり速度による低減特性演算ブロック、所定の速度より高ければすべり率による低減特性演算ブロックを選択することで２つの制御方法を組み合わせることができる。以上の構成例を図１１に示す。

本願の交流電動機を駆動する電気車制御装置は、従来はレールと車輪のすべり状態を微小範囲に留めていたのに対して、雨滴等の付着で微小すべり状態では所定の接線力が確保できなくなっても、すべり範囲を拡大することで接線力を獲得するものであり、並列駆動を前提にする誘導電動機システムに対しても、個別制御が前提になる同期電動機システムに対しても実施可能である。

本発明の実施例のブロック図 従来の制御方式のブロック図 再粘着制御の係数パターン すべり速度と接線力の関係例 すべり速度と接線力の関係例 トルク低減特性例 速度センサレス制御方式のブロック図 車両速度の取り込み例 車両速度演算の実施例 すべり率制御 低減特性演算ブロックの切換え機能を持つ制御例

符号の説明

１ 電気車制御装置
２１ 交流電動機
２２ 交流電動機
３１ 速度検出器
３２ 速度検出器
４ 車両速度信号
１００ トルク指令
１０１ 磁束指令
１０２ 電流指令発生部
１０３ インバータ制御部
１０４ 電流演算部
１０５ トルク分電流偏差演算部
１０６ 磁束分電流偏差演算部
１０７ 速度演算部
１０８ 電動機実回転速度信号
１０９ すべり速度演算部
１１０ 係数乗算部
１１１ 空転発散防止部
１２０ 粘着制御部
１２１ 空転検知部
１２２ 信号選択器
１２３ 切換信号
１２４ すべり率補正部
１２５ すべり率制御信号
１２６ 速度領域判別部
１３０ 速度センサレス電動機回転速度演算部

Claims (7)

1. 交流電動機を駆動する電気車制御装置であって、車輪とレールのすべり速度に相当する車両速度と電動機回転速度の差速度を検知し、該差速度の値が所定値以下の間は通常のトルク制御を行い、所定のトルク指令値のままでは前記差速度の拡大が止まらない場合に、前記差速度の制限目標値との偏差に応じたトルク低減特性を付加したことを特徴とする電気車制御装置。
2. 交流電動機を駆動する電気車制御装置であって、所定の前記差速度を前記差速度と前記車両速度の比率であるすべり率として制限目標値を設定することを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
3. 交流電動機を駆動する電気車制御装置であって、電動機回転速度が並列駆動する誘導電動機の平均値であることを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
4. 交流電動機を駆動する電気車制御装置であって、電動機回転速度が電動機電流と端子電圧指令または端子電圧検出値から演算して得たことを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
5. 交流電動機を駆動する電気車制御装置であって、車両速度をＴ軸速度、またはＡＴＣ装置から得ることを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
6. 交流電動機を駆動する電気車制御装置であって、電動機回転速度から編成全体の接線力の合計を積分して車両速度を得ることを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。
7. 交流電動機を駆動する電気車制御装置であって、所定の前記差速度で制限目標値を設定する場合と所定の前記すべり率で制限目標値を設定する場合を車両速度領域で切換えてトルク制御をすることを特徴とする請求項１記載の電気車制御装置。

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