JP3680112B2

JP3680112B2 - 電気車の制御装置

Info

Publication number: JP3680112B2
Application number: JP2000362490A
Authority: JP
Inventors: 基巳嶋田; 徹郎児島; 清仲田; 瑛一豊田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP2002171602A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車の制御装置に係り、特に、推定速度に基づく電気ブレーキの停止制御の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電動機用のインバータ制御においては電動機の回転速度を制御用変数として用いる必要があり、電気車では電動機あるいは車軸にパルスセンサ等の速度検出器を取り付け、その検出値に基づいて制御を行っている。しかしながら、速度検出器は取り付けスペースを確保する必要があること、また、速度検出器は電動機毎に取り付ける必要があるため、メンテナンスに労力とコストがかかることから、速度検出器を用いない速度センサレスインバータ制御が注目されつつある。
電気車の速度センサレスインバータ制御については、インバータ制御車両の制御装置においてベクトル制御方式を行う上で必要であった電動機のセンサを一切排除し、これにより、構成の簡素化および耐環境性の向上を図ることを目的とした方式が特開２０００−６０２００号公報に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開２０００−６０２００号公報に示されている方式では、回転加速度指令の演算に用いるトルク電流検出値をインバータの出力電圧の瞬時値検出器によって検出した電流検出値をｄｑ座標変換することにより求めている。しかし、瞬時値検出器によって検出した電流検出値は、電動機が速度ゼロ付近で低速回転しているときには安定したトルクを出力する充分な検出精度が得られないため、電気車を完全に停止させるまでブレーキ出力を得ることが難しい。
【０００４】
本発明の課題は、電気車の制御装置の速度センサレスインバータ制御において、速度零まで安定してトルク出力し、特に、ブレーキ制御において速度ゼロで完全に停止する電気ブレーキ解除タイミングを決定するために必要な速度推定精度を得るに好適な電気車の制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、電動機の加速度推定値に基づいて第１の速度推定手段が出力する第１の基準回転速度推定値を補正して第２の基準回転速度推定値を出力する第２の速度推定手段を設け、電気車のブレーキ指令による減速中に第１の基準回転速度推定値が予め定めた設定速度値に達したとき、第２の基準回転速度推定値を電動機の基準回転速度指令として電力変換器を制御する。この際、第２の速度推定手段の出力する第２の基準回転速度推定値は、電気車のブレーキ指令による減速中に第１の基準回転速度推定値が予め定めた設定速度値に達したとき、電動機の加速度推定値および加速度指令値のうちのいずれかの最小値を求め、この最小値に基づいて第１の基準回転速度推定値を補正して求める。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の電気車の制御装置の一実施形態を示すブロック図である。図１において、運転台１は、ブレーキ投入中にＯＮするブレーキ指令フラグＢを出力し、このブレーキ指令フラグＢを電流指令演算器２、速度推定器（１）３、速度推定器（２）４、停止制御演算器５に入力する。電流指令演算器２は、ブレーキ指令フラグＢおよび後述の停止速度演算器５の出力であるブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂを入力とし、励磁電流指令Ｉｄｐ、トルク電流指令Ｉｑａおよび加速度指令値Ａｃｃｐを出力する。ベクトル制御演算器６には、励磁電流指令Ｉｄｐとトルク電流指令Ｉｑａと電流検出器７ａ、７ｂ、７ｃから得られる電動機電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗおよび停止制御演算器５が出力する基準回転速度信号Ｆｒを入力し、インバータの出力電圧指令Ｖｐおよび加速度推定値Ａｃｃｈを出力する。ＰＷＭインバータ８では出力電圧指令Ｖｐが入力され、これにより演算されるゲート信号は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９より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１０に供給される。
【０００７】
速度推定器（１）３は、運転台１が出力するブレーキ指令フラグＢおよびベクトル制御演算器６が出力する加速度推定値Ａｃｃｈを入力とし、これらの入力信号に基づいて基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１を出力する。基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１は、ブレーキ指令フラグＢがオンであるとき、加速度推定値Ａｃｃｈを積分することにより演算する。
速度推定器（２）４は、運転台１が出力するブレーキ指令フラグＢ、速度推定器（１）３が出力する基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１、電流指令演算器２が出力する加速度指令値Ａｃｃｐおよびベクトル制御演算器６が出力する加速度推定値Ａｃｃｈを入力とし、これらの入力信号に基づいて基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２を出力する。基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２は、ブレーキ指令フラグＢがオンであり、基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がある速度条件を満たしたとき、基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１を加速度指令値Ａｃｃｐおよび加速度推定値Ａｃｃｈに基づいて補正することにより演算する。
停止制御演算器５は、運転台１が出力するブレーキ指令フラグＢ、速度推定器（１）３が出力する基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１および基準速度推定器（２）４が出力する基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２を入力とし、これらの入力信号に基づいて基準回転速度Ｆｒおよびブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂを出力する。
ここで、基準回転速度Ｆｒは、高速域では基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１を出力し、ブレーキ指令フラグＢがオンで減速中に基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がある速度（基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がまだ演算精度に充分な精度の得られる速度として設定する条件速度）Ｆｒｂに達したときに、基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２に切り換えて出力する。また、ブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂは、ブレーキ指令フラグＢがオンで減速中に基準回転速度Ｆｒが停止直前のトルク電流立ち下げ開始速度である回転速度Ｆｒ０に達した時点でトルク電流パターンＩｑａを時間ｔｄで立ち下げる指令である。なお、トルク電流立ち下げ開始速度である回転速度Ｆｒ０およびトルク電流立ち下げ時間ｔｄは乗り心地を確保し、かつ、確実に停止するように設定する。
【０００８】
図２に、本実施形態における速度推定器（１）３の入出力信号の時間的関係を表す波形図を示す。
ブレーキ投入によりブレーキ指令フラグＢがオンすると、電流指令演算器２はトルク電流指令Ｉｑａおよび図示しない励磁電流指令Ｉｄｐを出力する。ベクトル制御演算器６は、トルク電流指令Ｉｑａ、励磁電流指令Ｉｄｐ、さらに図示しない電動機電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのフィードバックによりベクトル制御演算を行い、時々刻々の加速度推定値Ａｃｃｈを出力する。速度推定器（１）３は、ブレーキ指令フラグＢおよび加速度推定値Ａｃｃｈを入力とし、ブレーキ指令フラグＢがオンしている期間、加速度推定値Ａｃｃｈを積分することにより、基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１を次式により演算する。
【数式１】
Ｆｒｈ１（ｔ）＝∫Ｂ（ｔ）・Ａｃｃｈ（ｔ）・ｄｔ（１）
【０００９】
図３に、本実施形態における速度推定器（２）４の入出力信号の時間的関係を表す波形図を示す。
ブレーキ投入によりブレーキ指令フラグＢがオンすると、電流指令演算器２は、トルク電流指令Ｉｑａおよび図示しない励磁電流指令Ｉｄｐを出力する。また、次式に基づいて加速度指令値Ａｃｃｐを演算し、出力する。
【数式２】
Ａｃｃｈ（ｔ）＝Ｋ・Ｉｄｐ（ｔ）＋α_r （２）
ここで、Ｋは比例定数、α_rは勾配、曲線等の走行抵抗分相当の加速度である。すなわち、Ａｃｃｐはα_rとしてその走行区間における最大の走行抵抗分の加速度とすることにより、ブレーキ中に期待できる減速度の最小値（負の加速度としては最大値）に設定できる。
また、ベクトル制御演算器６は、トルク電流指令Ｉｑａ、励磁電流指令Ｉｄｐさらに図示しない電動機電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのフィードバックによりベクトル制御演算を行い、時々刻々の加速度推定値Ａｃｃｈを出力する。
加速度推定値Ａｃｃｈの演算には、図示しない電動機電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを用いるため、電動機電流検出値に充分な精度が得られない低速域では基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１の演算精度も低下する。したがって、基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がまだ演算精度に充分な精度の得られる速度として設定する条件速度Ｆｒｂに達した時点における加速度推定値Ａｃｃｈおよび加速度指令値Ａｃｃｐをホールドする。さらに両者のホールドした値の小さい方を選択し、最小値として加速度最小値Ａｃｃ＿ｍｉｎを求める。速度推定器（２）４は、ブレーキ指令フラグＢがオンしている期間、初期値をＦｒｂとし、Ａｃｃｈ＿ｍｉｎを積分することにより、基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２を次式により演算する。
【数式３】
Ｆｒｈ２（ｔ）＝Ｆｒｂ＋∫Ｂ（ｔ）・Ａｃｃｍｉｎ（ｔ）・ｄｔ（３）
なお、図３において、符号ａは基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２の傾きがＡｃｃｈ＿ｍｉｎに該当することを表す。
ここで、加速度推定値Ａｃｃｈの演算に失敗した場合、加速度指令値Ａｃｃｐを用いることで最低限の減速度を確保することができる。この場合、加速度指令値Ａｃｃｐを初期値Ｆｒｂで積分することにより、基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２を演算する。
【００１０】
図４に、本実施形態における停止制御演算器５の入出力信号の時間的関係を表す波形図を示す。
ブレーキ投入によりブレーキ指令フラグＢがオンしているとき、基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１が条件速度Ｆｒｂよりも大きいときは基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１をそのまま基準回転速度Ｆｒとして出力し、基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１が条件速度Ｆｒｂ以下となった時点で基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２に切り換え、基準回転速度Ｆｒとして出力する。
ブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂは、ブレーキ指令フラグＢがオンで減速中に基準回転速度Ｆｒが停止直前の設定速度Ｆｒ０に達した時点でトルク電流パターンＩｑａを時間ｔｄ（ｓ）（図５を参照）で立ち下げる指令である。ここで、トルク電流立ち下げ開始速度であるＦｒ０およびトルク電流立ち下げ時間ｔｄ（ｓ）は乗り心地を確保し、かつ、確実に停止するように設定する。
【００１１】
図５に、本実施形態における電流指令演算器２の入出力信号の時間的関係を表す波形図を示す。時刻０においてブレーキ投入中でブレーキ指令フラグＢはオンである。実回転速度が零で大きなショックなく完全に停止させるために、ブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂ（これに比例するトルク電流指令Ｉｑａ）を点線のパターン〈１〉のように時刻ｔ０でステップ状に立ち下げ、実回転速度が一定減速度で停止すると仮定した時刻ｔ０よりもｔｄ／２だけ早い時点（ｔ０−ｔｄ／２）すなわち回転速度Ｆｒ０で基準回転速度Ｆｒを立ち下げはじめ、ｔｄ（ｓ）間でブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂ（これに比例するトルク電流指令Ｉｑａ）が完全に立ち下がる時点（ｔ０＋ｔｄ／２）で丁度基準回転速度Ｆｒがゼロとなるような変化率で徐々に立ち下げる（実線のパターン〈２〉）。このとき、ブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂ（これに比例するトルク電流指令Ｉｑａ）の立ち下げるを始める回転速度Ｆｒ０（Ｈｚ）は次式で求められる。
【数式４】
Ｆｒ０＝β×（ｔｄ／２＋Δｔ）（４）
ここで、Δｔは基準回転速度Ｆｒの検出おくれであり、例えばノイズ除去のために導入する遅れ要素分などを考慮する。βはＡｃｃｍｉｎに相当する。
【００１２】
本実施形態は、これらの構成により、高速域では速度推定器（１）３が出力する基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１を基準回転速度Ｆｒに用い、ブレーキ指令Ｂによる減速中に基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がまだ演算精度に充分な精度の得られる速度として設定する条件速度Ｆｒｂに達したときに、つまり低速域では速度推定器（２）４が出力する基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２に切り換え、この基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２を基準回転速度Ｆｒに用いる。そして、基準回転速度Ｆｒが停止直前のトルク電流立ち下げ開始速度である回転速度Ｆｒ０に達した時点でトルク電流パターンＩｑａを時間ｔｄで立ち下げる指令すなわちブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂを発し、ｔｄ間でブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂ（これに比例するトルク電流指令Ｉｑａ）が完全に立ち下がる時点で丁度基準回転速度Ｆｒをゼロとするような変化率で徐々に立ち下げる。
このようにして、本実施形態では、全速度域において安定したトルク制御が可能となり、また、低速度の速度検知の精度が向上することにより、零速度まで電気ブレーキ力のみで停止する全電気ブレーキ停止制御が可能になると共に、電気ブレーキ停止制御の精度の向上を図ることができる。
【００１３】
なお、ここでは、ブレーキ指令Ｂによる減速中に基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がまだ演算精度に充分な精度の得られる速度として設定する条件速度Ｆｒｂに達したときに、基準回転速度推定値（２）Ｆｒｈ２に切り換えて基準回転速度Ｆｒに用いることについて説明したが、加速度推定値Ａｃｃｈの演算に失敗した場合、加速度指令値Ａｃｃｐを用いることで最低限の減速度を確保することができるので、条件速度Ｆｒｂに達しても基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１を基準回転速度Ｆｒとして用いてもよい。
【００１４】
図６は、本発明の電気車の制御装置の他の実施形態を示すブロック図である。図６において、図１の実施形態と異なる点は、図１の速度推定器（２）４の代わりに、ブレーキ指令フラグＢがオンであり、基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がある速度条件を満たしたとき、以降の誘導電動機３の動作を規定する回転速度パターンを発生する速度指令器１１を用いる点である。
速度指令器１１は、運転台１が出力するブレーキ指令フラグＢ、速度推定器（１）３が出力する基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１、電流指令演算器２が出力する加速度指令値Ａｃｃｐを入力とし、これらの入力信号に基づいて基準回転速度パターンＦｒｐを出力する。基準回転速度パターンＦｒｐは、ブレーキ指令フラグＢがオンであり、基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がある速度条件を満たしたとき、加速度指令値Ａｃｃｐに基づいて予め速度指令器１１内に記憶させておく複数の速度パターンの中から１つを選択して出力する。
停止制御演算器５は、運転台１が出力するブレーキ指令フラグＢ、速度推定値（１）３が出力する基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１および速度推定器１１が出力する基準回転速度パターンＦｒｐを入力とし、これらの入力信号に基づいて基準回転速度Ｆｒおよびブレーキトルク立ち下げ信号ｓｂを出力する。
ここで、基準回転速度Ｆｒは、高速域では基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１を出力し、ブレーキ指令フラグＢがオンで減速中に基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１の条件速度Ｆｒｂに達したときに、基準回転速度パターンＦｒｐに切り換えて出力する。また、図１の実施形態と同様に、ブレーキトルク立ち下げ信号ｓｂは、ブレーキ指令フラグＢがオンで減速中に基準回転速度Ｆｒが停止直前のある速度Ｆｒ０に達した時点でトルク電流パターンＩｑａを時間ｔｄ（ｓ）で立ち下がる指令である。ここで、トルク電流立ち下げ開始速度であるＦｒ０およびトルク電流立ち下げ時間ｔｄ（ｓ）は乗り心地を確保しかつ確実に停止するように設定する。
【００１５】
図７に、本実施形態における速度指令器１１の入出力信号の時間的関係を表す波形図を示す。
ブレーキ投入によりブレーキ指令フラグＢがオンすると、電流指令演算器２はトルク電流指令Ｉｑａおよび図示しない励磁電流指令Ｉｄｐを出力する。また、上述した（２）式に基づいて加速度指令値Ａｃｃｐを演算し、出力する。
基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がまだ演算精度に充分な精度の得られる速度として設定する条件速度Ｆｒｂに達した時点で、その時の加速度指令値Ａｃｃｐに基づいて予め速度指令器１１内に記憶させておく複数の速度パターンの中から１つを選択し、基準回転速度パターンＦｒｐとして出力する。
【００１６】
本実施形態は、これらの構成により、高速域では速度推定器（１）３が出力する基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１を基準回転速度Ｆｒに用い、ブレーキ指令Ｂによる減速中に基準回転速度推定値（１）Ｆｒｈ１がまだ演算精度に充分な精度の得られる速度として設定する条件速度Ｆｒｂに達したときに、つまり低速域では速度指令器１１が出力する基準回転速度パターンＦｒｐに切り換え、この基準回転速度パターンＦｒｐを基準回転速度Ｆｒに用いる。そして、基準回転速度Ｆｒが停止直前のトルク電流立ち下げ開始速度である回転速度Ｆｒ０に達した時点でトルク電流パターンＩｑａを時間ｔｄで立ち下げる指令すなわちブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂを発し、ｔｄ間でブレーキトルク立ち下げ信号Ｓｂ（これに比例するトルク電流指令Ｉｑａ）が完全に立ち下がる時点で丁度基準回転速度Ｆｒをゼロとするような変化率で徐々に立ち下げる。
このようにして、本実施形態では、全速度域において安定したトルク制御が可能となり、また、低速度の速度検知の精度が向上することにより、零速度まで電気ブレーキ力のみで停止する全電気ブレーキ停止制御が可能になると共に、電気ブレーキ停止制御の精度の向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気車の制御装置の速度センサレスインバータ制御において速度零まで安定してトルク出力し、特に、ブレーキ制御において速度ゼロで完全に停止する電気ブレーキ解除タイミングを決定するために必要な速度推定を高精度に行うことができる。
また、全速度域において安定したトルク制御が可能となり、また、低速度の速度検知の精度が向上することにより、零速度まで電気ブレーキ力のみで停止する全電気ブレーキ停止制御を可能にすると共に、電気ブレーキ停止制御の精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気車の制御装置の一実施形態を示すブロック図
【図２】本発明の速度推定器（１）の入出力信号の時間的関係を示す波形図
【図３】本発明の速度推定器（２）の入出力信号の時間的関係を示す波形図
【図４】本発明の停止速度演算器の入出力信号の時間的関係を示す波形図
【図５】本発明の電流指令演算器の入出力信号の時間的関係を示す波形図
【図６】本発明の電気車の制御装置の他の実施形態を示すブロック図
【図７】本発明の速度指令器の入出力信号の時間的関係を示す波形図
【符号の説明】
１…運転台、２…電流指令演算器、３…速度推定器（１）、４…速度推定器（２）、５…停止制御演算器、６…ベクトル制御演算器、７…電流検出器、８…ＰＷＭインバータ、９…直流電源、１０…誘導電動機、１１…速度指令器

Claims

電動機を駆動する電力変換器と、前記電動機の加速度推定値に基づいて第１の基準回転速度推定値を出力する第１の速度推定手段と、前記第１の基準回転速度推定値を補正して第２の基準回転速度推定値を出力する第２の速度推定手段を設け、前記電気車のブレーキ指令による減速中に前記第１の基準回転速度推定値が予め定めた設定速度値に達したとき、前記第２の基準回転速度推定値を前記電動機の基準回転速度指令とし、前記基準回転速度指令に基づいて前記電力変換器を制御する電気車の制御装置において、
前記第２の速度推定手段の出力する第２の基準回転速度推定値は、前記電気車のブレーキ指令による減速中に前記第１の基準回転速度推定値が予め定めた設定速度値に達したとき、前記電動機の加速度推定値および加速度指令値のうちのいずれかの最小値を求め、前記最小値に基づいて前記第１の基準回転速度推定値を補正して求めることを特徴とする電気車の制御装置。
請求項１において、前記電動機の基準回転速度指令が停止直前のトルク電流立ち下げ開始速度である回転速度に達したとき、ブレーキトルク立ち下げ指令に基づいて前記電動機のトルクを所定変化率で減少させることを特徴とする電気車の制御装置。