JP3323899B2 - 電気車の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ベクトル制御を用いたインバータにより電
動機を駆動する電気車の制御装置に係り、特に車輪と軌
道面間に発生する空転，滑走を検知して再粘着させるた
めのトルク制御を行う電気車の制御装置に関する。
動機を駆動する電気車の制御装置に係り、特に車輪と軌
道面間に発生する空転，滑走を検知して再粘着させるた
めのトルク制御を行う電気車の制御装置に関する。
背景技術 従来の技術として、電気車の車輪の空転，滑走を検知
して電動機の発生トルクを絞り再粘着制御を行う方法が
例えば特開平４−197004号公報に記載されている。また
車輪が再粘着したことを検知する方法が特開平４−6900
3号公報に記載されている。さらに鉄道車両用電気車を
駆動する電動機をインバータのベクトル制御によって駆
動する技術が特開平５−83976号公報に記載されてい
る。
して電動機の発生トルクを絞り再粘着制御を行う方法が
例えば特開平４−197004号公報に記載されている。また
車輪が再粘着したことを検知する方法が特開平４−6900
3号公報に記載されている。さらに鉄道車両用電気車を
駆動する電動機をインバータのベクトル制御によって駆
動する技術が特開平５−83976号公報に記載されてい
る。
ここで、上記特開平４−197004号公報に記載された従
来の再粘着制御において、空転検知方法は誘導電動機の
ロータ周波数（車輪速度に比例）の時間変化率（微分
値）が一定値の検出レベルを越えたかどうかで認識して
おり、空転が認識された期間だけ電動機トルクを絞る制
御を行う。しかし、微分値が所定の値より小さくなると
空転の認識が解除され、実際に車輪が再粘着したかどう
かに関係なく電動機トルクを戻す制御になるので、車輪
が再粘着していなかった場合にはすぐに再空転してしま
い、空転現象が頻繁に繰り返し発生するという問題があ
る。
来の再粘着制御において、空転検知方法は誘導電動機の
ロータ周波数（車輪速度に比例）の時間変化率（微分
値）が一定値の検出レベルを越えたかどうかで認識して
おり、空転が認識された期間だけ電動機トルクを絞る制
御を行う。しかし、微分値が所定の値より小さくなると
空転の認識が解除され、実際に車輪が再粘着したかどう
かに関係なく電動機トルクを戻す制御になるので、車輪
が再粘着していなかった場合にはすぐに再空転してしま
い、空転現象が頻繁に繰り返し発生するという問題があ
る。
そして、上記特開平４−69003号公報には、再粘着を
検出してトルクを制御することが記載されており、その
再粘着の検出方法を第10図を用いて説明する。それは時
刻t1で空転を検知したあと、時刻t2においてロータ周波
数fr（車輪速度に比例）の２回微分値fr″（軸ジャーク
値）が所定の値Leを超えたことで再粘着を検知してい
る。
検出してトルクを制御することが記載されており、その
再粘着の検出方法を第10図を用いて説明する。それは時
刻t1で空転を検知したあと、時刻t2においてロータ周波
数fr（車輪速度に比例）の２回微分値fr″（軸ジャーク
値）が所定の値Leを超えたことで再粘着を検知してい
る。
しかしながら、２回微分値fr″による検知では次のよ
うな問題が考えられる。まず、第11図で示すように再粘
着の際に車輪速度が挙動すると、車輪速度の２回微分値
fr″が所定値Leを超えず、時刻t2で再粘着しているにも
関わらず再粘着が検知できずにトルクをいつまでも絞り
込み電気車として加速力が低下するという問題がある。
また、第12図で示すように一旦収束に向かいかけた空転
が時刻t1aで再度発展し始めるような場合、時刻t1aで２
回微分値fr″が所定値Leを超えてしまい誤った再粘着の
検知でいつまでも空転が収まらないという問題がある。
うな問題が考えられる。まず、第11図で示すように再粘
着の際に車輪速度が挙動すると、車輪速度の２回微分値
fr″が所定値Leを超えず、時刻t2で再粘着しているにも
関わらず再粘着が検知できずにトルクをいつまでも絞り
込み電気車として加速力が低下するという問題がある。
また、第12図で示すように一旦収束に向かいかけた空転
が時刻t1aで再度発展し始めるような場合、時刻t1aで２
回微分値fr″が所定値Leを超えてしまい誤った再粘着の
検知でいつまでも空転が収まらないという問題がある。
尚、これらの問題は滑走が発生した場合にも同様に起
こりうる。このように従来の技術では空転や滑走の状況
によっては、再粘着を検知できなかったり誤検知してし
まうという課題がある。
こりうる。このように従来の技術では空転や滑走の状況
によっては、再粘着を検知できなかったり誤検知してし
まうという課題がある。
また、近年、電気車を駆動する誘導電動機の制御装置
として、上記特開平５−83976号公報記載のようなベク
トル制御のインバータが用いられるようになってきてい
るが、再粘着制御としてベクトル制御の持つ性能を活か
した技術はこれまでには見当たらない。
として、上記特開平５−83976号公報記載のようなベク
トル制御のインバータが用いられるようになってきてい
るが、再粘着制御としてベクトル制御の持つ性能を活か
した技術はこれまでには見当たらない。
本発明の目的は、ベクトル制御の高速トルク応答を活
かして物理的な粘着限界までトルクを有効活用し、粘着
係数の低い状況においても可能な限り電気車の加減速度
を高くすることができる電気車の制御装置を提供するこ
とにある。
かして物理的な粘着限界までトルクを有効活用し、粘着
係数の低い状況においても可能な限り電気車の加減速度
を高くすることができる電気車の制御装置を提供するこ
とにある。
発明の開示 本発明は、電動機の一次電流を励磁電流成分とトルク
電流成分に分けそれぞれに相当する各指令値に基づき制
御するベクトル制御インバータにより、電気車の車輪を
駆動する電動機を制御する電気車の制御装置において、
前記車輪速度（それに比例する電動機のロータ周波数も
含む）を検出する手段と、該検出の車輪速度の微分値
（時間変化率）に基づいて車輪の空転，滑走を検知する
手段と、前記検出の車輪速度の微分値及び２回微分値に
基づいて車輪が再粘着したことを検知する手段と、前記
両検知手段に応じて前記トルク電流成分指令値を調整す
る手段とを備えることを特徴とする。
電流成分に分けそれぞれに相当する各指令値に基づき制
御するベクトル制御インバータにより、電気車の車輪を
駆動する電動機を制御する電気車の制御装置において、
前記車輪速度（それに比例する電動機のロータ周波数も
含む）を検出する手段と、該検出の車輪速度の微分値
（時間変化率）に基づいて車輪の空転，滑走を検知する
手段と、前記検出の車輪速度の微分値及び２回微分値に
基づいて車輪が再粘着したことを検知する手段と、前記
両検知手段に応じて前記トルク電流成分指令値を調整す
る手段とを備えることを特徴とする。
これによれば、電気車が加速しているときに車輪速度
の微分値が所定値を超えたら空転とみなしトルク電流を
絞る制御が行われ、その結果空転速度が収まり再粘着す
ると再び車輪は加速を始める。この再粘着点は、車輪速
度の微分値が負になり、かつ２回微分値が正となる点よ
り見つけられる。これによって車輪の空転が確実に収束
方向に向かい再粘着して再び加速を始めたことがわか
る。再粘着するまではトルク電流を絞り続け、再粘着し
たことを確実に検知することにより再粘着後にトルク電
流を速やかに戻しても再空転する可能性は低く、その分
トルクを速やかに大きくすることができ、電気車の加速
を高くすることができる。
の微分値が所定値を超えたら空転とみなしトルク電流を
絞る制御が行われ、その結果空転速度が収まり再粘着す
ると再び車輪は加速を始める。この再粘着点は、車輪速
度の微分値が負になり、かつ２回微分値が正となる点よ
り見つけられる。これによって車輪の空転が確実に収束
方向に向かい再粘着して再び加速を始めたことがわか
る。再粘着するまではトルク電流を絞り続け、再粘着し
たことを確実に検知することにより再粘着後にトルク電
流を速やかに戻しても再空転する可能性は低く、その分
トルクを速やかに大きくすることができ、電気車の加速
を高くすることができる。
また空転が発生して再粘着検知する前でも、車輪速度
の微分値が小さくなってきた場合には空転が収束しつつ
あるのでトルク電流を絞る量を小さくして行くことによ
りトルクの減少量を小さくすることができ、その分加速
を高くすることができる。電気車が減速しているときに
滑走が起こった場合についても空転の場合と検知レベル
の符号が違うだけで原理は全く同じである。
の微分値が小さくなってきた場合には空転が収束しつつ
あるのでトルク電流を絞る量を小さくして行くことによ
りトルクの減少量を小さくすることができ、その分加速
を高くすることができる。電気車が減速しているときに
滑走が起こった場合についても空転の場合と検知レベル
の符号が違うだけで原理は全く同じである。
このように車輪を駆動する電動機をベクトル制御する
と電動機の一次電流におけるトルク電流成分が独立に調
整でき、そのトルク電流の制御として影響するのは電動
機の漏れインピーダンスに関係するのみであり、その時
定数は小さく制御応答が速いという特徴を有している。
したがって、このベクトル制御のもとで、本発明の再粘
着制御を行えば当然応答の速い再粘着性能が得られるこ
とになり、物理的な粘着限界までトルクを有効に活用で
きる。
と電動機の一次電流におけるトルク電流成分が独立に調
整でき、そのトルク電流の制御として影響するのは電動
機の漏れインピーダンスに関係するのみであり、その時
定数は小さく制御応答が速いという特徴を有している。
したがって、このベクトル制御のもとで、本発明の再粘
着制御を行えば当然応答の速い再粘着性能が得られるこ
とになり、物理的な粘着限界までトルクを有効に活用で
きる。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明の一実施例を示す制御装置のブロッ
ク図である。第２図は、第１図における空転・滑走検知
器２の詳細構成図である。第３図は、第１図における再
粘着検知器３の詳細構成図である。第４図は、第１図に
おけるトルク電流制御器６の詳細構成図である。第５図
は、第１図における微分器４の詳細構成図である。第５
図〜第８図は、本発明の動作を説明する図である。第９
図は、本発明の第２の実施例を示す制御装置のブロック
図である。第10図〜第12図は従来技術における動作を説
明する図である。
ク図である。第２図は、第１図における空転・滑走検知
器２の詳細構成図である。第３図は、第１図における再
粘着検知器３の詳細構成図である。第４図は、第１図に
おけるトルク電流制御器６の詳細構成図である。第５図
は、第１図における微分器４の詳細構成図である。第５
図〜第８図は、本発明の動作を説明する図である。第９
図は、本発明の第２の実施例を示す制御装置のブロック
図である。第10図〜第12図は従来技術における動作を説
明する図である。
発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。第１
図は、直流電力をベクトル制御インバータにより交流電
力に変換し誘導電動機を駆動する電気車の制御装置にお
ける制御構成の概要をブロック図で示している。なお、
同図の各ブロックは発明の説明を分かり易くするために
装置名で表現しているが、必要に応じてマイクロコンピ
ュータによるソフトウエアでその機能を処理するもので
もよい。
図は、直流電力をベクトル制御インバータにより交流電
力に変換し誘導電動機を駆動する電気車の制御装置にお
ける制御構成の概要をブロック図で示している。なお、
同図の各ブロックは発明の説明を分かり易くするために
装置名で表現しているが、必要に応じてマイクロコンピ
ュータによるソフトウエアでその機能を処理するもので
もよい。
第１図において、電流指令演算器56には、運転台54か
ら出力される力行指令Ｐ又はブレーキ指令Ｂ及び誘導電
動機60に連動した回転速度検出器７から得られるロータ
周波数frの信号８が入力され、励磁電流指令Idとトルク
電流パターンIqpが生成される。減算器116では、このIq
pと空転・滑走制御器１から得られるトルク電流制御量
ΔIqpの差よりトルク電流指令Iqが演算される。ベクト
ル制御演算器57には、このIqとロータ周波数frと電流検
出器61,62,63から得られる電動機電流検出値iu,iv,iwが
入力され、インバータからの出力電圧の電圧指令が生成
される。PWM信号演算器58では、この電圧指令と図示し
ない三角波の搬送波との比較によりPWM信号が生成さ
れ、これがゲート信号として出力される。PWMインバー
タ59ではこのゲート信号により主回路を構成するスイッ
チング素子を動作させ、直流電源52からフィルタコンデ
ンサ53を介して得られる直流電力が三相交流電力に変換
され、その電力は誘導電動機60に供給される。
ら出力される力行指令Ｐ又はブレーキ指令Ｂ及び誘導電
動機60に連動した回転速度検出器７から得られるロータ
周波数frの信号８が入力され、励磁電流指令Idとトルク
電流パターンIqpが生成される。減算器116では、このIq
pと空転・滑走制御器１から得られるトルク電流制御量
ΔIqpの差よりトルク電流指令Iqが演算される。ベクト
ル制御演算器57には、このIqとロータ周波数frと電流検
出器61,62,63から得られる電動機電流検出値iu,iv,iwが
入力され、インバータからの出力電圧の電圧指令が生成
される。PWM信号演算器58では、この電圧指令と図示し
ない三角波の搬送波との比較によりPWM信号が生成さ
れ、これがゲート信号として出力される。PWMインバー
タ59ではこのゲート信号により主回路を構成するスイッ
チング素子を動作させ、直流電源52からフィルタコンデ
ンサ53を介して得られる直流電力が三相交流電力に変換
され、その電力は誘導電動機60に供給される。
なお、図示していないが電気車の車輪は上記誘導電動
機で駆動されるようになっており、車輪速度と誘導電動
機の回転速度は比例関係にある。また、上記演算器56,5
7,58とPWMインバータ59の詳細な構成，動作は上記特開
平５−83976号公報に詳細に記載されているのでここで
は省略する。本発明はこのような構成のベクトル制御PW
Mインバータで駆動する電気車の制御を前提としてい
る。
機で駆動されるようになっており、車輪速度と誘導電動
機の回転速度は比例関係にある。また、上記演算器56,5
7,58とPWMインバータ59の詳細な構成，動作は上記特開
平５−83976号公報に詳細に記載されているのでここで
は省略する。本発明はこのような構成のベクトル制御PW
Mインバータで駆動する電気車の制御を前提としてい
る。
次に、第１図において発明部となる空転・滑走制御器
１の構成について説明し、詳細には第２図〜第５図より
説明する。同制御器１は、微分器4,空転・滑走検知器2,
再粘着検知器3,トルク電流制御器６から構成される。微
分器４では、回転速度検出器７より得られるロータ周波
数frの信号８の時間変化率である微分値fr′と更にそれ
の時間変化率である２回微分値fr″が演算される。空転
・滑走検知器２では、微分値fr′の信号24に基づき、運
転台54より出力される力行指令P,ブレーキ指令Ｂより空
転と滑走を検知しその検知信号21が出力される。再粘着
検知器３では、空転・滑走検知信号21,運転台54からの
P,B指令信号23,微分器４からのfr′,fr″信号24,25に基
づき車輪とレールの再粘着を検知しその検知信号23が出
力される。トルク電流制御器６では、空転・滑走検知信
号21,再粘着検知信号22,電流指令演算器56からのトルク
電流パターンIqpの信号27,fr′信号24に基づきトルク電
流制御量ΔIqpが演算される。
１の構成について説明し、詳細には第２図〜第５図より
説明する。同制御器１は、微分器4,空転・滑走検知器2,
再粘着検知器3,トルク電流制御器６から構成される。微
分器４では、回転速度検出器７より得られるロータ周波
数frの信号８の時間変化率である微分値fr′と更にそれ
の時間変化率である２回微分値fr″が演算される。空転
・滑走検知器２では、微分値fr′の信号24に基づき、運
転台54より出力される力行指令P,ブレーキ指令Ｂより空
転と滑走を検知しその検知信号21が出力される。再粘着
検知器３では、空転・滑走検知信号21,運転台54からの
P,B指令信号23,微分器４からのfr′,fr″信号24,25に基
づき車輪とレールの再粘着を検知しその検知信号23が出
力される。トルク電流制御器６では、空転・滑走検知信
号21,再粘着検知信号22,電流指令演算器56からのトルク
電流パターンIqpの信号27,fr′信号24に基づきトルク電
流制御量ΔIqpが演算される。
第２図は、空転・滑走検知器２の具体的な構成例を示
す。同検知器は、比較器68,69と切換器82から構成され
る。微分値fr′の信号24は比較器68,69にそれぞれ入力
され、比較器68では微分値fr′が所定値よりも大の時
“1"が出力され、比較器69では微分値fr′が所定値より
も小の時“1"が出力される。切換器82では運転台54から
の指令信号23に基づき、力行指令Ｐが出力されている時
はＰ側に切り換わり比較器68の出力が空転・滑走検知信
号21として出力され、ブレーキ指令Ｂが出力されている
時はＢ側に切り換わり比較器69の出力が空転・滑走検知
信号21として出力される。ここで通常は、比較器68の検
知レベルは最大加速度の1.5〜２倍程度（正の値）に、
比較器69の検知レベルは最大減速度の1.5〜２倍程度
（負の値）に設定される。これにより、空転が発生した
際はロータ周波数frの微分値fr′が上昇し、滑走が発生
した際はロータ周波数frの微分値fr′が下降するので空
転及び滑走が検知できる。
す。同検知器は、比較器68,69と切換器82から構成され
る。微分値fr′の信号24は比較器68,69にそれぞれ入力
され、比較器68では微分値fr′が所定値よりも大の時
“1"が出力され、比較器69では微分値fr′が所定値より
も小の時“1"が出力される。切換器82では運転台54から
の指令信号23に基づき、力行指令Ｐが出力されている時
はＰ側に切り換わり比較器68の出力が空転・滑走検知信
号21として出力され、ブレーキ指令Ｂが出力されている
時はＢ側に切り換わり比較器69の出力が空転・滑走検知
信号21として出力される。ここで通常は、比較器68の検
知レベルは最大加速度の1.5〜２倍程度（正の値）に、
比較器69の検知レベルは最大減速度の1.5〜２倍程度
（負の値）に設定される。これにより、空転が発生した
際はロータ周波数frの微分値fr′が上昇し、滑走が発生
した際はロータ周波数frの微分値fr′が下降するので空
転及び滑走が検知できる。
第３図は、再粘着検知器３の具体的な構成例を示す。
同検知器は、比較器64〜67と論理積回路101,102と切換
器81と論理和回路111及びタイマー80から構成される。
先ず、空転後の再粘着の検知として、比較器64に微分値
fr′の信号24が、比較器65に２回微分値fr″の信号25が
入力される。ここで比較器64ではfr′信号24が所定値よ
りも小の時“1"が出力され、比較器65ではfr″信号25が
所定値より大の時“1"が出力されるよう設定されてい
る。論理積回路101では両者比較器の論理積を取りその
結果より空転後に再粘着したかどうかの信号が出力され
る。即ち、空転が発生し再粘着する際はロータ周波数fr
の微分値fr′が負で且つfrの２回微分値fr″が正となる
条件が成立することによるものである。
同検知器は、比較器64〜67と論理積回路101,102と切換
器81と論理和回路111及びタイマー80から構成される。
先ず、空転後の再粘着の検知として、比較器64に微分値
fr′の信号24が、比較器65に２回微分値fr″の信号25が
入力される。ここで比較器64ではfr′信号24が所定値よ
りも小の時“1"が出力され、比較器65ではfr″信号25が
所定値より大の時“1"が出力されるよう設定されてい
る。論理積回路101では両者比較器の論理積を取りその
結果より空転後に再粘着したかどうかの信号が出力され
る。即ち、空転が発生し再粘着する際はロータ周波数fr
の微分値fr′が負で且つfrの２回微分値fr″が正となる
条件が成立することによるものである。
一方、滑走後の再粘着の検知として、比較器66に微分
値fr′の信号24が、比較器67に２回微分値fr″の信号25
が入力される。ここで比較器66ではfr′信号24が所定値
よりも大の時“1"が出力され、比較器67ではfr″信号25
が所定値より小の時“1"が出力されるよう設定されてい
る。論理積回路102では両者比較器の論理積を取りその
結果より滑走後に再粘着したかどうかの信号が出力され
る。即ち、滑走が発生し再粘着する際はロータ周波数fr
の微分値fr′が正で且つfrの２回微分値fr″が負となる
条件が成立することによるものである。
値fr′の信号24が、比較器67に２回微分値fr″の信号25
が入力される。ここで比較器66ではfr′信号24が所定値
よりも大の時“1"が出力され、比較器67ではfr″信号25
が所定値より小の時“1"が出力されるよう設定されてい
る。論理積回路102では両者比較器の論理積を取りその
結果より滑走後に再粘着したかどうかの信号が出力され
る。即ち、滑走が発生し再粘着する際はロータ周波数fr
の微分値fr′が正で且つfrの２回微分値fr″が負となる
条件が成立することによるものである。
切換器81では、運転台からの指令23に基づき力行指令
ＰでＰ側、ブレーキ指令ＢでＢ側に切り換え、力行中に
は論理積回路101の出力が、ブレーキ中には論理積回路1
02の出力が論理和回路111に入力され、空転，滑走後の
再粘着検知信号22が出力される。
ＰでＰ側、ブレーキ指令ＢでＢ側に切り換え、力行中に
は論理積回路101の出力が、ブレーキ中には論理積回路1
02の出力が論理和回路111に入力され、空転，滑走後の
再粘着検知信号22が出力される。
なお、論理和回路111のもう一方の入力としてタイマ
ー80からの出力が入力されており、これはレールの継ぎ
目やポイント通過時などに空転や滑走を誤検知した場合
上記の方法では再粘着を検知できない場合があるのでそ
れに対応するものである。即ち、再粘着を検知できない
と空転や滑走が発生していないにも関わらず誘導電動機
のトルクを減少させ続けることになる。そこで、タイマ
ー80に空転・滑走検知信号21と再粘着検知信号22を入力
し、空転又は滑走を検知してから所定時間が経過しても
再粘着の検知が無い場合には再粘着したと見なし、タイ
マー80より再粘着信号30が論理和回路111より出力され
る。
ー80からの出力が入力されており、これはレールの継ぎ
目やポイント通過時などに空転や滑走を誤検知した場合
上記の方法では再粘着を検知できない場合があるのでそ
れに対応するものである。即ち、再粘着を検知できない
と空転や滑走が発生していないにも関わらず誘導電動機
のトルクを減少させ続けることになる。そこで、タイマ
ー80に空転・滑走検知信号21と再粘着検知信号22を入力
し、空転又は滑走を検知してから所定時間が経過しても
再粘着の検知が無い場合には再粘着したと見なし、タイ
マー80より再粘着信号30が論理和回路111より出力され
る。
第４図は、トルク電流制御器６の具体的な構成と機能
を示す。フリップフロップ44では、空転・滑走検知信号
21が一旦“1"となると再粘着検知信号22が“1"になるま
で空転・滑走信号29が“1"で保持される。空転・滑走信
号29が“1"の期間即ち空転又は滑走中は切換器83,84は
“1"側に切り換えられ、関数発生器40はロータ周波数の
微分値fr′の信号24に応じて所定の値を出力し減算器11
3に入力される。この時切換器84は“1"側に切り換わっ
ているため減算器113の差分入力値105は“0"であり、関
数発生器40の出力値がそのままリミッタ付積分器43に入
力される。リミッタ付積分器43において、加算器112に
より関数発生器40の出力値は保持器47の出力値と加算さ
れ積分値を得る。この積分値はリミッタ42により“0"以
上でトルク電流パターンIqp以下の値にリミットされト
ルク電流制御量ΔIqpとして出力される。即ち、空転・
滑走検知信号21が“1"となってから再粘着検知信号22が
“1"となるまでの期間ΔIqpは増加し誘導電動機のトル
クを減少させていく。次に再粘着検知信号22が“1"とな
ると空転・滑走信号29は“0"となり切換器83,84は“0"
側に切り換えられ、トルク電流復帰量演算器41はトルク
電流制御量ΔIqpに応じて所定の値を出力し、この値が
減算器113に差分入力値105として入力される。この時、
切換器83は“0"側に切り換わっているため減算器113の
和分入力値104は“0"であり、トルク電流復帰量演算器4
1の出力値が負の値としてリミッタ付積分器43に入力さ
れる。この結果、加算器112では保持器47より得られる
前回値76からトルク電流復帰量演算器41の出力値を減算
することで積分値を減少させていき、リミッタ42により
“0"以下にならないようリミットしトルク電流制御量Δ
Iqpが出力される。尚、関数発生器40はfr′の信号24に
関係なく一定値を出力することも可能である。
を示す。フリップフロップ44では、空転・滑走検知信号
21が一旦“1"となると再粘着検知信号22が“1"になるま
で空転・滑走信号29が“1"で保持される。空転・滑走信
号29が“1"の期間即ち空転又は滑走中は切換器83,84は
“1"側に切り換えられ、関数発生器40はロータ周波数の
微分値fr′の信号24に応じて所定の値を出力し減算器11
3に入力される。この時切換器84は“1"側に切り換わっ
ているため減算器113の差分入力値105は“0"であり、関
数発生器40の出力値がそのままリミッタ付積分器43に入
力される。リミッタ付積分器43において、加算器112に
より関数発生器40の出力値は保持器47の出力値と加算さ
れ積分値を得る。この積分値はリミッタ42により“0"以
上でトルク電流パターンIqp以下の値にリミットされト
ルク電流制御量ΔIqpとして出力される。即ち、空転・
滑走検知信号21が“1"となってから再粘着検知信号22が
“1"となるまでの期間ΔIqpは増加し誘導電動機のトル
クを減少させていく。次に再粘着検知信号22が“1"とな
ると空転・滑走信号29は“0"となり切換器83,84は“0"
側に切り換えられ、トルク電流復帰量演算器41はトルク
電流制御量ΔIqpに応じて所定の値を出力し、この値が
減算器113に差分入力値105として入力される。この時、
切換器83は“0"側に切り換わっているため減算器113の
和分入力値104は“0"であり、トルク電流復帰量演算器4
1の出力値が負の値としてリミッタ付積分器43に入力さ
れる。この結果、加算器112では保持器47より得られる
前回値76からトルク電流復帰量演算器41の出力値を減算
することで積分値を減少させていき、リミッタ42により
“0"以下にならないようリミットしトルク電流制御量Δ
Iqpが出力される。尚、関数発生器40はfr′の信号24に
関係なく一定値を出力することも可能である。
第５図は、微分器４の具体的な構成例を示す。減算器
114ではその時点のロータ周波数frと保持器50による時
刻T1秒前のロータ周波数frの差分が演算され、その出力
を乗算器99により1/T1倍して１秒あたりのロータ周波数
の変化量に換算し、これをロータ周波数の微分値fr′
（ロータ周波数の時間変化率相当）の信号24として出力
される。更に、このfr′の信号24と保持器51による時刻
T2秒前のfr′の差分が減算器115で演算され、これを乗
算器98により1/T2倍して１秒あたりのfr′の変化量に換
算し、これをロータ周波数の２回微分値fr″（ロータ周
波数の時間変化率の変化率相当）の信号25として出力さ
れる。
114ではその時点のロータ周波数frと保持器50による時
刻T1秒前のロータ周波数frの差分が演算され、その出力
を乗算器99により1/T1倍して１秒あたりのロータ周波数
の変化量に換算し、これをロータ周波数の微分値fr′
（ロータ周波数の時間変化率相当）の信号24として出力
される。更に、このfr′の信号24と保持器51による時刻
T2秒前のfr′の差分が減算器115で演算され、これを乗
算器98により1/T2倍して１秒あたりのfr′の変化量に換
算し、これをロータ周波数の２回微分値fr″（ロータ周
波数の時間変化率の変化率相当）の信号25として出力さ
れる。
次に本発明の第１図の実施例における動作を空転発生
時の場合について第６図〜第８図より説明する。第６図
は第４図における関数発生器40がロータ周波数の微分値
fr′に関係なく一定値を出力する場合の動作例である。
同図において、時刻T1で空転が発生しロータ周波数frが
急激に増加するとロータ周波数の微分値fr′が急上昇す
る。fr′が検知レベル35を超えると空転・滑走検知信号
21が“1"となり、空転・滑走信号29は“1"で保持され時
刻T2で空転・滑走検知信号21が“0"となっても“1"のま
まとなる。空転・滑走信号29が“1"の期間中第４図にお
ける関数発生器40は所定値を出力し、減算器113の和分
入力値104が一定値ΔIqp1となるためトルク電流制御量
ΔIqpは一定の傾きで増加し、誘導電動機のトルクを減
少させて車輪とレールを再粘着に向かわせるよう作用す
る。時刻T4で車輪とレールが再粘着するとfr′の信号24
は負から正へと移行し、fr″の信号25は正の値となる。
よって、この時fr′が負でfr″が正となる条件が成立
し、再粘着検知信号22が“1"となり、空転・滑走信号29
は“0"となる。空転・滑走信号29が“0"となると、トル
ク電流復帰量演算器41はトルク電流制御量ΔIqpに応じ
て出力する。第６図ではトルク電流復帰量演算器41の出
力を△Iqb1から△Iqb2へと切り換える場合のもので、ト
ルク電流制御量ΔIqpは２段階で減少し、誘導電動機の
トルクを復帰させていく。このように再粘着を検知する
ことで、速やかに誘導電動機のトルクを復帰させること
が可能になるため、誘導電動機のトルクを有効活用する
ことが可能となる。
時の場合について第６図〜第８図より説明する。第６図
は第４図における関数発生器40がロータ周波数の微分値
fr′に関係なく一定値を出力する場合の動作例である。
同図において、時刻T1で空転が発生しロータ周波数frが
急激に増加するとロータ周波数の微分値fr′が急上昇す
る。fr′が検知レベル35を超えると空転・滑走検知信号
21が“1"となり、空転・滑走信号29は“1"で保持され時
刻T2で空転・滑走検知信号21が“0"となっても“1"のま
まとなる。空転・滑走信号29が“1"の期間中第４図にお
ける関数発生器40は所定値を出力し、減算器113の和分
入力値104が一定値ΔIqp1となるためトルク電流制御量
ΔIqpは一定の傾きで増加し、誘導電動機のトルクを減
少させて車輪とレールを再粘着に向かわせるよう作用す
る。時刻T4で車輪とレールが再粘着するとfr′の信号24
は負から正へと移行し、fr″の信号25は正の値となる。
よって、この時fr′が負でfr″が正となる条件が成立
し、再粘着検知信号22が“1"となり、空転・滑走信号29
は“0"となる。空転・滑走信号29が“0"となると、トル
ク電流復帰量演算器41はトルク電流制御量ΔIqpに応じ
て出力する。第６図ではトルク電流復帰量演算器41の出
力を△Iqb1から△Iqb2へと切り換える場合のもので、ト
ルク電流制御量ΔIqpは２段階で減少し、誘導電動機の
トルクを復帰させていく。このように再粘着を検知する
ことで、速やかに誘導電動機のトルクを復帰させること
が可能になるため、誘導電動機のトルクを有効活用する
ことが可能となる。
また、第７図の動作例は、第４図における関数発生器
40がロータ周波数の微分値fr′に応じた値を出力した場
合の動作例であり、時刻T1〜T3のfr′が正の期間は△Iq
a1を出力し、時刻T3〜T4のfr′が負の期間は△Iqa2（△
Iqa1＞△Iqa2）を出力する。この結果、時刻T3以降トル
ク電流制御量ΔIqpの増加は抑えられるが、時刻T3ではf
r′が正から負に変わっており、これは空転が収束に向
かっていることを示しているため、空転の初期に比べて
トルク電流制御量ΔIqpの増加率を抑えても、車輪とレ
ールは再粘着に向かい時刻T4で再粘着する。このように
fr′に応じてトルク電流制御量を変化させることで、空
転が収束に向かい始めた時はトルク電流制御量ΔIqpを
必要以上に増加させずに済み、ΔIqpの積分値を最小限
に抑えることが可能となるため、第６図の場合よりも更
に誘導電動機のトルクの利用率が大きくなる。同図動作
が得られるように設定すれば、第６図の場合よりもΔIq
pの最大値を小さくできることから、誘導電動機のトル
クの変動を小さくでき乗り心地を改善することができ
る。
40がロータ周波数の微分値fr′に応じた値を出力した場
合の動作例であり、時刻T1〜T3のfr′が正の期間は△Iq
a1を出力し、時刻T3〜T4のfr′が負の期間は△Iqa2（△
Iqa1＞△Iqa2）を出力する。この結果、時刻T3以降トル
ク電流制御量ΔIqpの増加は抑えられるが、時刻T3ではf
r′が正から負に変わっており、これは空転が収束に向
かっていることを示しているため、空転の初期に比べて
トルク電流制御量ΔIqpの増加率を抑えても、車輪とレ
ールは再粘着に向かい時刻T4で再粘着する。このように
fr′に応じてトルク電流制御量を変化させることで、空
転が収束に向かい始めた時はトルク電流制御量ΔIqpを
必要以上に増加させずに済み、ΔIqpの積分値を最小限
に抑えることが可能となるため、第６図の場合よりも更
に誘導電動機のトルクの利用率が大きくなる。同図動作
が得られるように設定すれば、第６図の場合よりもΔIq
pの最大値を小さくできることから、誘導電動機のトル
クの変動を小さくでき乗り心地を改善することができ
る。
また、第８図は空転が一旦収束し始めた後、再度発展
し始めるような場合の動作例である（これは従来技術の
第12図で挙げた空転状態に対応する）。第８図におい
て、一旦収まりかけた空転が時刻T2aで再度拡大し始め
た場合fr″が正になるが、第３図で説明したように、本
発明では空転時はfr′が負で且つfr″が正になったこと
で再粘着を検知しており、時刻T2aではfr′が正である
から誤って再粘着を検知することはない。本発明によれ
ば、このような空転の場合でも第６図の場合同様時刻T4
で正しく再粘着を検知できる。
し始めるような場合の動作例である（これは従来技術の
第12図で挙げた空転状態に対応する）。第８図におい
て、一旦収まりかけた空転が時刻T2aで再度拡大し始め
た場合fr″が正になるが、第３図で説明したように、本
発明では空転時はfr′が負で且つfr″が正になったこと
で再粘着を検知しており、時刻T2aではfr′が正である
から誤って再粘着を検知することはない。本発明によれ
ば、このような空転の場合でも第６図の場合同様時刻T4
で正しく再粘着を検知できる。
なお、第６図〜第８図において図示していないが、再
粘着検知信号22が“1"となり、トルク電流制御量ΔIqp
を減少させ誘導電動機のトルクを復帰していく過程で再
度空転又は滑走が発生し空転・滑走信号21が“1"となっ
た場合には、その時点のトルク電流制御量ΔIqpを初期
値としてトルク電流制御量ΔIqpを増加させていき、再
粘着へと向かわせるように動作させる。
粘着検知信号22が“1"となり、トルク電流制御量ΔIqp
を減少させ誘導電動機のトルクを復帰していく過程で再
度空転又は滑走が発生し空転・滑走信号21が“1"となっ
た場合には、その時点のトルク電流制御量ΔIqpを初期
値としてトルク電流制御量ΔIqpを増加させていき、再
粘着へと向かわせるように動作させる。
ところで、第１図で示した本発明の一実施例では、１
台の電動機を１台のインバータで駆動する場合を示した
が、電気車１車両内の各車輪軸に電動機が取り付けら
れ、それら複数の電動機を１台のインバータで駆動する
場合がある。第９図は本発明の第２の実施例を示し、誘
導電動機を複数台制御する制御装置において本発明を実
施した例である。各誘導電動機に接続された回転速度検
出器より得られるロータ周波数fr1〜frn（n:誘導電動機
の制御台数）を微分器31〜33でそれぞれ微分し、ロータ
周波数の微分値fr1′〜frn′を演算する。選択器77では
fr1′〜frn′の代表値を選択しこれをfr′とする。代表
値としては、例えば力行中は最大値を選択しブレーキ中
は最小値を選択するようにすれば、一つの軸のみの空転
及び滑走を検出することが可能となる。
台の電動機を１台のインバータで駆動する場合を示した
が、電気車１車両内の各車輪軸に電動機が取り付けら
れ、それら複数の電動機を１台のインバータで駆動する
場合がある。第９図は本発明の第２の実施例を示し、誘
導電動機を複数台制御する制御装置において本発明を実
施した例である。各誘導電動機に接続された回転速度検
出器より得られるロータ周波数fr1〜frn（n:誘導電動機
の制御台数）を微分器31〜33でそれぞれ微分し、ロータ
周波数の微分値fr1′〜frn′を演算する。選択器77では
fr1′〜frn′の代表値を選択しこれをfr′とする。代表
値としては、例えば力行中は最大値を選択しブレーキ中
は最小値を選択するようにすれば、一つの軸のみの空転
及び滑走を検出することが可能となる。
空転検出部9,滑走検出部10では、選択されたfr′の信
号24がそれぞれ入力され空転及び滑走を検知する。ここ
で力行中に空転が発生した場合の動作について説明す
る。空転検出部９においてfr′の信号24が所定値を超え
ると比較器70で空転を検知し、空転検知信号106が“1"
となりフリップフロップ78の出力である空転信号26は
“1"で保持される。この時切換器85はＰ側になっている
ため切換器85の出力は“1"となり，切換器83,84は“1"
側を選択する。切換器86はＰ側を選択しているためfr′
の信号24に応じた関数発生器38の出力値は切換器86〜切
換器83を経て減算器113に入力される。以降は第４図の
場合と同様、リミッタ付積分器43で積分されトルク電流
制御量ΔIqpとして出力される。
号24がそれぞれ入力され空転及び滑走を検知する。ここ
で力行中に空転が発生した場合の動作について説明す
る。空転検出部９においてfr′の信号24が所定値を超え
ると比較器70で空転を検知し、空転検知信号106が“1"
となりフリップフロップ78の出力である空転信号26は
“1"で保持される。この時切換器85はＰ側になっている
ため切換器85の出力は“1"となり，切換器83,84は“1"
側を選択する。切換器86はＰ側を選択しているためfr′
の信号24に応じた関数発生器38の出力値は切換器86〜切
換器83を経て減算器113に入力される。以降は第４図の
場合と同様、リミッタ付積分器43で積分されトルク電流
制御量ΔIqpとして出力される。
車輪とレールが再粘着するとfr′が負でfr″が正の条
件が成立するので、比較器71の検知レベルを０付近に設
定しておくことでfr′が負の時比較器71は“1"を出力す
る。fr′を微分器34で微分して得られた２回微分値fr″
は比較器72に入力され、比較器72の検知レベルを０付近
に設定しておくことで、fr″が正の時比較器72は“1"を
出力する。よって再粘着した時は論理積回路94の出力は
“1"となり、この時比較器70の出力は“0"であるから論
理積回路91の出力は“1"となり、論理和回路96の出力が
“1"となって再粘着検知信号108は“1"となる。よっ
て、空転信号26は“0"となり、切換器83,84は“0"側を
選択し、トルク電流復帰量演算器36の出力値が減算器11
3で負の値となり、リミッタ付積分器43に入力され、ト
ルク電流制御量ΔIqpを減少させ誘導電動機のトルクを
復帰していく。尚、このトルクの復帰過程で再度空転が
発生したら上記の動作を繰り返し再粘着へ向かわせるよ
う作用させる。また、レールの継ぎ目やポイント通過時
等，瞬間的にfr′24が大きな値となり比較器70の出力が
一瞬“1"になって空転信号26が“1"で保持される場合が
考えられる。しかし、このように空転を誤検知した場合
は、その後fr′が負でfr″が正となる再粘着の条件が成
立しないことが有り得、このような誤検知の場合、比較
器70の出力は直ちに“0"になり、この時点で論理積回路
90の出力は“1"となるため、オンディレイ88はカウント
を開始し、所定の時間を経過したら“1"を出力し再粘着
検知信号108を“1"とする。このように比較器70の出力
が“0"となった時点からオンディレイ88が動作するよう
にすることで、オンディレイ88の設定時間は数百ms程度
と短くでき、空転を誤検知してもすぐに再粘着を検知で
きるため、トルクの利用率の低下を最小限に抑えること
が可能である。また、ブレーキ時に滑走が発生した場合
は、滑走検出部10で滑走を検出し、上記空転の場合と同
様にトルク電流制御量ΔIqpを演算する。尚、第９図に
示した実施例は、誘導電動機の制御台数が複数有る点
や、関数発生器やトルク電流復帰量演算器を空転と滑走
それぞれの場合に設けている等の点で第１の実施例と構
成が異なるが、動作は第６図〜第８図と同様である。
件が成立するので、比較器71の検知レベルを０付近に設
定しておくことでfr′が負の時比較器71は“1"を出力す
る。fr′を微分器34で微分して得られた２回微分値fr″
は比較器72に入力され、比較器72の検知レベルを０付近
に設定しておくことで、fr″が正の時比較器72は“1"を
出力する。よって再粘着した時は論理積回路94の出力は
“1"となり、この時比較器70の出力は“0"であるから論
理積回路91の出力は“1"となり、論理和回路96の出力が
“1"となって再粘着検知信号108は“1"となる。よっ
て、空転信号26は“0"となり、切換器83,84は“0"側を
選択し、トルク電流復帰量演算器36の出力値が減算器11
3で負の値となり、リミッタ付積分器43に入力され、ト
ルク電流制御量ΔIqpを減少させ誘導電動機のトルクを
復帰していく。尚、このトルクの復帰過程で再度空転が
発生したら上記の動作を繰り返し再粘着へ向かわせるよ
う作用させる。また、レールの継ぎ目やポイント通過時
等，瞬間的にfr′24が大きな値となり比較器70の出力が
一瞬“1"になって空転信号26が“1"で保持される場合が
考えられる。しかし、このように空転を誤検知した場合
は、その後fr′が負でfr″が正となる再粘着の条件が成
立しないことが有り得、このような誤検知の場合、比較
器70の出力は直ちに“0"になり、この時点で論理積回路
90の出力は“1"となるため、オンディレイ88はカウント
を開始し、所定の時間を経過したら“1"を出力し再粘着
検知信号108を“1"とする。このように比較器70の出力
が“0"となった時点からオンディレイ88が動作するよう
にすることで、オンディレイ88の設定時間は数百ms程度
と短くでき、空転を誤検知してもすぐに再粘着を検知で
きるため、トルクの利用率の低下を最小限に抑えること
が可能である。また、ブレーキ時に滑走が発生した場合
は、滑走検出部10で滑走を検出し、上記空転の場合と同
様にトルク電流制御量ΔIqpを演算する。尚、第９図に
示した実施例は、誘導電動機の制御台数が複数有る点
や、関数発生器やトルク電流復帰量演算器を空転と滑走
それぞれの場合に設けている等の点で第１の実施例と構
成が異なるが、動作は第６図〜第８図と同様である。
産業上の利用可能性 本発明によれば、車輪が空転，滑走したときに確実に
再粘着点を見つけることができ、それに応じてベクトル
制御の高速応答を活かして電動機トルク電流成分を速や
かに戻すことができ、これにより、雨天など粘着係数の
低い状況においても物理的な粘着限界までトルクを有効
活用できるので、可能な限り電気車の加減速度を高くす
ることが可能となる。
再粘着点を見つけることができ、それに応じてベクトル
制御の高速応答を活かして電動機トルク電流成分を速や
かに戻すことができ、これにより、雨天など粘着係数の
低い状況においても物理的な粘着限界までトルクを有効
活用できるので、可能な限り電気車の加減速度を高くす
ることが可能となる。
したがって、本発明は、空転・滑走が頻繁に発生する
鉄道の電気車の制御への利用に最も適している。しか
し、更にその発明の応用範囲を広げるなら電気自動車へ
も適している。
鉄道の電気車の制御への利用に最も適している。しか
し、更にその発明の応用範囲を広げるなら電気自動車へ
も適している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−153326（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−245315（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−243803（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−69003（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−364304（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B60L 9/00 - 9/32
Claims (5)
- 【請求項１】電動機の一次電流を励磁電流成分とトルク
電流成分に分け、それぞれに相当する各指令値に基づき
制御するベクトル制御インバータにより、電気車の車輪
を駆動する電動機を制御する電気車の制御装置におい
て、車輪速度（それに比例する電動機のロータ周波数も
含む）を検出する手段と、該検出の車輪速度の微分値
（時間変化率）とその微分値の変曲点に基づいて前記ト
ルク電流成分指令値を調整する手段とを備えたことを特
徴とする電気車の制御装置。 - 【請求項２】電動機の一次電流を励磁電流成分とトルク
電流成分に分け、それぞれに相当する各指令値に基づき
制御するベクトル制御インバータにより、電気車の車輪
を駆動する電動機を制御する電気車の制御装置におい
て、車輪速度（それに比例する電動機のロータ周波数も
含む）を検出する手段と、電気車に加速の指令が与えら
れている場合には前記検出の車輪速度の微分値が正の所
定の値より大きいことにより空転を検知し、電気車に減
速の指令が与えられている場合には前記検出の車輪速度
の微分値が負の所定の値より小さいことにより滑走を検
知する車輪の空転、滑走を検知する手段と、電気車に加
速の指令が与えられている場合には前記検出の車輪速度
の微分値が負の値かつ２回微分値が正となることによ
り、電気車に減速の指令が与えられている場合には前記
検出の車輪速度の微分値が正の値かつ２回微分値が負と
なることにより、車輪が再粘着したことを検知する手段
と、前記両検知手段に応じて前記トルク電流成分指令値
を調整する手段とを備えた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、前記トルク電流成分指
令値を調整する手段は、空転、滑走が検知され、再粘着
が検知されるまでの間は前記トルク電流指令値の基準値
に対して絶対値を減少させ、該絶対値の減少量はその時
点の車輪速度の微分値に応じて変化させ、再粘着検知後
には、前記基準となるトルク電流指令値に向かってトル
ク電流指令値を戻すように調整されるようにしたことを
特徴とする電気車の制御装置。 - 【請求項４】請求項３において、前記空転、滑走検知手
段からの空転、滑走検知信号が出力されてから所定時間
が経過しても、前記再粘着検知手段からの再粘着検知信
号が出力されない場合には再粘着を検知したとみなす手
段を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。 - 【請求項５】請求項３において、前記空転、滑走検知手
段からの空転、滑走検知信号が出力の終了後から所定時
間が経過しても、前記再粘着検知手段からの再粘着検知
信号が出力されない場合には再粘着を検知したとみなす
手段を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
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