JP3754319B2 - 電気車の制御方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電動機により電気車を駆動する電気車の制御に係り、特にバッテリを用いた交流電動機駆動による電気車、例えばフォークリフトなどの制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、特開平６−１４４０４号公報（以下第１の先行技術という）がある。この公報の記載は、制御回路の外部に切り換え選択スイッチを設け、車両を駆動する電動機の制御方法を電動機の発生トルクを制御するいわゆるトルク制御モードと、電動機の回転速度を制御する速度制御モードのいずれかに選択可能とし、必要に応じていずれかの動作モードを運転者が切り換え選択し電気車の稼働状況に合わせて制御を行う方法が開示されている。切り換えスイッチは手動で「Ｔ」あるいは「Ｎ」に切り換えることの説明がなされている。
【０００３】
また、特開平７−３３６８０８号公報（以下第２の先行技術という）がある。この記載は、永久磁石型同期電動機を駆動用電動機として用いている。走行用モータの負荷がある程度安定していればコギングトルク等は速度変動として現れるので、速度フィードバック制御によってトルク変動によるドライブフィーリングの悪化を防止している。そして、同期電動機のコギングトルクによる車両微速域のフィーリング悪化を抑制するために、微低速域では電動機を速度制御、微低速域でない場合にはトルク制御を行うように制御を切り換える方法について開示されている。
【０００４】
また、特開平１１−８９０１５号公報（以下第３の先行技術という）がある。この記載は、産業用車両の走行駆動装置としてアクセル操作により車両の目標速度を決定、すなわち電動機の回転速度を決定して電動機の速度制御を行い、産業用車両特有の進行方向切り換え選択指示による制動、いわゆるスイッチバック制動を行った際に目標速度を固定して急制動を行い産業用車両としての急速な車両切り返し動作を行うという方法について開示されている。
【０００５】
また、特開平８−９５０８号公報（以下第４の先行技術という）がある。この記載は、判別された運転モードに応じて電力変換器を制御するものである。その際、切り換え前後の運転モードの組み合わせよって、走行モータの出力トルクが急激に変化しないように電力変換器を制御することについて述べている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記第１の先行技術では、力行状態における電動機の速度制御またはトルク制御を、外部の選択手段により選択することによって切り換える構成となっており、電気車の稼働状況に応じて電気車の運転者が頻繁に制御モードを選択切り換えする必要がある。また、回生制動時における電動機の制御方法については配慮されていない。また、前記第２の先行技術では、いわゆる公道を走行する自動車に適したものではあるが、産業用車両、例えばフォークリフトトラックのようにアクセル開度に対して一定速度で走行できることが望ましい車両については適切ではないと考えられる。
【０００７】
また前記第３の先行技術では、フォークリフトトラック等の制御において、アクセル指示により、電動機の速度制御を行うものの、産業用車両特有の進行方向切り換え選択指示による制動、いわゆるスイッチバック制動を行った際にはある規定の減速力特性にて車両を減速し、制動後はまた通常の速度制御に復帰する動作を行うが、この制動中における運転者のアクセル指示による制動力の調節については配慮されていない。また、前記第４の先行技術では、運転モード切り換え時におけるトルク出力変動の抑制をおこなうことにあり、運転モードに応じて駆動回路を制御する記載であります。
【０００８】
しかしながら、前記いずれの先行技術においても、車両が坂道等で退行（ずり下がり動作）をした場合の電動機制御の方法については、考慮されていない。
【０００９】
本発明の目的は、車両の走行条件及び運転者の操作に応じて走行状態を自動的に判別し、走行状態に応じて適切な電動機駆動制御方法を選択実行できるようにし、運転者がフィーリングや使い勝手がよい電気車の制御装置および制御方法を選択制御できることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題は以下の手段によって解決することができる。
【００１１】
直流電源と、電気車を駆動する交流駆動電動機と、前記直流電源により前記駆動電動機を駆動するための電力変換器と、前記電気車のアクセル開度検出手段と、ブレーキ検出手段、前後進選択手段と、前記駆動電動機の回転検出手段とを備えた電気車の制御において、前記アクセル開度検出信号と前記ブレーキ検出信号と前記前後進選択信号および前記回転検出手段からの信号などの走行状態信号に基づいてあらかじめ複数の制御モードを定め、前記電気車の走行時にその走行状態を判定し、前記あらかじめ定められた複数の制御モードの中から該当する制御モードを選択し、選択された制御モードにおける所定回転速度制御の目標速度および所定トルク制御の目標トルクを演算し、前記運転状態に応じて選択された制御モードにおいて前記目標値のうちの一つを選択し、前記駆動電動機の制御をおこなうこと、により解決することができる。
【００１２】
また、前記電気車の走行状態が前後進回生制動状態あるときは、前記駆動電動機に対し前記目標値によるトルク制御が選択されること、また、前記電気車の走行状態が前後進力行状態あるいは前後進アンチロール回生制動状態にあるとき、前記駆動電動機に対し前記所定の目標値により所定回転速度制御が選択されること、また、前記電気車の走行状態が前後進力行状態あるいは前後進アンチロール回生制動状態にあるとき、速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされる前記モードについてトルク制御が選択されること、前記モードにあっては前記目標速度と前記駆動電動機の回転速度との偏差により制動力を制限制御すること、前記モードにあっては回転速度に基づく出力トルクパターンについてアクセル開度により演算されるトルク制限値により前記トルクを制限すること、前記走行状態が坂道退行と判別したときは前記速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされる前記モードについてトルク制御あるいは速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされる前記モードについて速度制御が選択されること、により解決することができる。
【００１３】
また、直流電源と、電気車を駆動する交流駆動電動機と、前記直流電源により前記駆動電動機を駆動するための電力変換器と、前記電気車のアクセル開度検出手段と、ブレーキ検出手段、前後進選択手段と、前記駆動電動機の回転検出手段とを備えた電気車の制御装置において、前記アクセル開度検出信号と前記ブレーキ検出信号と前記前後進選択信号および前記回転検出手段からの信号に基づいて前記駆動電動機の目標速度を演算する目標速度演算装置と、前記駆動電動機の目標トルクを演算する目標トルク演算装置と、前記電気車の複数の走行状態を判別する走行状態判別手段と、前記交流駆動電動機の正逆回転、カ行、回生および停止の車両状態を含む前記電気車の走行状態に対応し、速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされるモードであって、いずれかに選択されて定められたモード、および速度制御およびトルク制御のいずれかにするか予め定められたモードからなる複数のモードを予め設定するモード設定手段と、前記走行状態判別手段により判別された走行状態に対応した制御モードにおいて目標速度演算装置からの目標値あるいは前記目標トルク演算装置からの目標値のいずれかを選択する選択切換手段、とを備え前記駆動電動機の制御を行う制御装置により解決することができる。
【００１４】
また、前記駆動電動機の制御として目標速度演算装置からの目標値による所定回転速度制御が選択されたとき、駆動電動機の速度帰還による速度制御演算手段を介して伝達される指令信号により制御をおこなう駆動電動機制御手段、を備えたこと、また、前記選択切換手段は、目標速度演算装置からの目標値を速度制御演算手段への目標値とするかどうかの切換手段と、速度制御演算手段の出力側において前記速度制御演算手段の出力信号を電動機制御手段への指令信号とするか目標トルク演算手段の出力信号を電動機制御手段への指令信号とするかの切換選択手段、とを備えた制御装置により解決することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電気車の制御装置及び制御方法の実施例を、図を用いて説明する。
【００１６】
図１は本発明の、電気車の制御装置及び制御方法の基本構成を示す図である。電気車の制御装置には運転者の操作意志を電気的な信号に変換するアクセル検出手段１，ブレーキ検出手段２、前後進選択手段３が備えられ、それらの信号は制御手段４に入力される。制御手段４には駆動電動機に対する指令を演算する指令演算手段５，電動機制御手段６、電動機回転演算手段７が内包されている。駆動電動機８には回転検出手段９が備えられており、駆動電動機８の回転数を電気的な信号の回転数信号２６に変換して制御手段４内の電動機回転演算手段７に伝達する。
【００１７】
次に、制御手段４とこれを含む制御駆動全体について簡単に説明する。電動機回転演算手段７では、伝達された回転信号２６に基づき電動機回転速度１１を演算し、指令演算手段５、電動機制御手段６に伝達される。制御手段４の内部の指令演算手段５では、アクセル検出手段１，ブレーキ検出手段２，前後進選択手段３、電動機回転速度１１の信号に基づき、駆動電動機８が発生すべき目標駆動力としての駆動トルクτoutを演算し、電動機制御手段６に駆動指令信号１２として伝達する。
【００１８】
電動機制御手段６では、駆動指令１２の信号をもとに、電力変換手段１０を駆動するための駆動信号１３を生成する。電力変換手段１０では、駆動信号１３の信号をもとに駆動手段１４を用いて半導体素子１５を駆動し、バッテリ電源１７の電力を交流電力に変換して駆動電動機８に伝達し、駆動電動機８が車両を駆動する駆動力を発生する。駆動電動機８に供給される電流は電流検出手段１６により検出され、電動機制御手段６に帰還する構成である。
【００１９】
このような構成にすることにより、駆動電動機８の回転速度及び回転方向、運転者の運転操作の状況を検出して、制御手段４により運転操作や車両の走行状態を判断し、その結果に応じた駆動電動機８の駆動制御を実行することが可能となる。また、前後進選択手段３は前進または後進を選択するものであるが、いわゆるシフトポジションのパーキングやニュートラルの選択が含まれているものを用いても良い。
【００２０】
図２は本発明に関する電気車の制御装置及び制御方法のうち、指令演算手段５の全体構成を示す図である。
指令演算手段５は制御手段４に内包されており、指令演算手段５にはアクセル検出手段１、ブレーキ検出手段２、前後進選択手段３の信号が入力され、回転信号２６の信号より電動機回転演算手段７にて演算される電動機回転速度１１の信号も指令演算手段５に入力されている。
【００２１】
指令演算手段５には、アクセル開度演算手段１８にて運転者のアクセル操作に応じたアクセルの開度を演算し、アクセル開度信号２７（ＡＣＯ）を出力する。ブレーキ開度演算手段１９では、運転者の操作によるブレーキ踏み込み量に応じたブレーキ開度信号２８（ＢＲＳ）を演算する。演算したアクセル開度信号２７及びブレーキ開度信号２８は、前後進選択信号２９と電動機回転速度１１とともに目標速度演算手段２０，目標トルク演算手段２１，走行状態判別手段２２、のそれぞれに入力される。
【００２２】
目標速度演算手段２０では、運転者の操作によるアクセル開度信号２７に基づいて車両の走行速度、すなわち駆動電動機８が到達すべき目標回転速度信号３０（Ｎref）を演算する。目標トルク演算手段２１では、運転者の操作によるアクセル開度信号２７に基づき駆動電動機８が発生すべきトルク、すなわち、目標トルク３１（τref）を演算する。目標速度演算手段２０及び目標トルク演算手段２１のいずれの演算処理においても、ブレーキ開度信号２８を参照して演算するので、信号３０として表した目標速度信号Ｎref、または信号３１として表した目標トルクτrefは、その補正がおこなわれた目標値である。
【００２３】
ブレーキ開度信号２８（ＢＲＳ）と目標速度との関係は、ＢＲＳが大きいときはＮrefあるいはτrefとも小さくなるように補正される。またＢＲＳが比較的小さいような場合は、前記Ｎref、あるいはτrefは大きくなるように補正される。そのときの補正の量や補正の仕方については、予め定めておいて、それにしたがって、補正を行うようにすればよい。
【００２４】
走行状態判別手段２２では、先に述べた検出信号、すなわち、アクセル開度信号２７、ブレーキ開度信号２８、前後進選択信号２９および電動機回転速度信号１１に基づいて、車両がどのように走行すべきか、あるいはどのような状態で走行しているかどうかなどの判断をおこなう。そして、その判断結果に基づいて駆動電動機８の制御モード信号、すなわち、図示したモードシグナル信号３２（mdf）が出力される。
【００２５】
モードシグナル信号３２（ｍｄｆ）は、先に説明した目標速度演算手段２０と目標トルク演算手段２１にもそれぞれ入力する。
【００２６】
目標速度演算手段２０および目標トルク演算手段２１では、モードシグナル信号３２（ｍｄｆ）が示す走行モードに応じた適切な目標速度指令３０または目標トルク３１を、目標速度演算手段２０または目標トルク演算手段２１のそれぞれの内部で選択切り換えをするように動作する。これは一律に目標速度指令３０といっても走行モードに応じ、通常の力行時とその他のモードでは目標速度が異なること、また目標トルク３１においては目標トルクが力行、回生のモードで異なること、アクセル、ブレーキ等、異なる信号から生成されること、などに対応できるようにするためである。
【００２７】
先に演算された目標速度信号３０（Ｎref）および目標トルク信号３１（τref）は、まず２３の切換手段１（ＳＬ１）にそれぞれ入力する。切換手段１のＳＬ１では、同時に入力されるモードシグナル３２のmdfの信号に基づき切換手段１の内部の伝達経路を、図中の切換経路Ａ側にするか、切換経路Ｂ側にするかの選択切換処理を行う。モードシグナル３２のmdfが切換Ａを選択するように指示されていた場合、すなわち、速度制御が選択されている場合は、切換手段１では伝達経路の切換経路Ａを投入し、切換経路Ｂ側を開放とする。
【００２８】
この場合の動作では、目標速度３０のＮrefと、目標トルク３１のτref、の複数の入力のうち、目標速度Ｎrefの経路側が選択されることとなり、目標速度Ｎref３０が切換手段１の出力として採用されるから、Ｎrefが切換手段１の出力となる。モードシグナル３２のmdfが切換経路Ｂを選択するように指示されていた場合、切換手段１（ＳＬ１）では伝達経路の切換経路Ａを開放し、切換経路Ｂ側を投入する。この場合の動作では、目標速度Ｎrefと目標トルクτrefの入力信号のうち、目標トルクτrefが選択されることになる。したがって、目標トルクτrefが切換手段１の出力となる。
【００２９】
目標速度Ｎref３０が切換手段Ａ２３の出力となった場合、目標速度Ｎref３０は速度制御演算手段２４に伝達される。速度制御演算手段２４には駆動電動機８の実回転速度１１も入力され、速度制御演算手段２４内部でいわゆる速度帰還制御を行い、駆動電動機８を所望の回転速度に制御し、速度帰還制御における演算結果を２５の切換手段２（ＳＬ２）に伝達する。この速度制御演算手段２４には、いわゆる通常の比例、積分、微分補償制御を組み合わせた方式を用いても良いし、他の制御方法を用いても良い。目標トルクτrefが切換手段１の出力となった場合、目標トルク信号３１τrefはそのまま切換手段２に伝達される。
【００３０】
切換手段２（ＳＬ２）では、目標トルクτref３１および速度制御演算手段２４の、複数の出力を入力し、同時に入力するモードシグナル３２（mdf）の信号に基づいて、切換手段１と同様に伝達経路について切換経路Ａまたは切換経路Ｂの何れの経路を接続するかの切換を行う。モードシグナルmdfが切換経路Ａを選択するように指示していた場合は、速度制御演算手段２４での演算結果が選択出力され、駆動指令τout１２として採用される。モードシグナルmdf３２が切換Ｂを選択するように指示していた場合は、目標トルクτref３１が選択され、駆動指令τout１２として採用される。
【００３１】
このような構成とすることにより、アクセル検出手段１、ブレーキ検出手段２，前後進検出手段３、電動機回転速度１１のそれぞれの信号に基づいて車両がどのように走行しているか、あるいはどのように走行すべきか、力行なのか、回生なのかを走行状態判別手段２２によって判別が可能であり、その判定結果を用いて駆動電動機８を速度制御とするか、トルク制御とするかの選択切換を行えるようにできる。またこの選択切換は走行状態に応じて予め定められた制御を選択することと、選択された制御モードによっては運転者の好みにより設定切換が可能である。
【００３２】
図３は本発明の電気車の制御において、電気車の走行状態に応じてあらかじめ定められた制御モードおよび前記切換手段の選択経路を決める走行状態判別手段２２の判定内容を示す図である。
【００３３】
走行状態判別手段２２には、先に述べたようにアクセル検出手段１、ブレーキ検出手段２、前後進選択手段３，電動機回転速度１１が入力されている。これらの信号状態の組み合わせにより、図３に示すような車両状態の区分けと駆動電動機８の制御モードを予め定めておく。そして、それぞれのモードに応じた制御を行うようにする。
【００３４】
例えばモード２では、アクセル検出手段２がＯＮ、つまり踏み込まれている状態で、ブレーキはＯＦＦなので踏まれていない状態である。そして前後進選択手段３が前進に選択されている場合であって、モータ回転方向が正転、つまり電動機回転速度１１が正の値を示している。すなわち、このときは普通に前進している状態であると判断できる。したがって、車両の走行状態は、前進力行運転と判断でき、駆動電動機８の制御モードは速度制御、あるいはトルク制御のいずれかを選択して動作するようにする。図３では原則として速度制御が選択される。括弧内は、場合によって選択されることを表わしている。
【００３５】
この場合、速度制御またはトルク制御のいずれかの制御方法を選択できるのは、速度制御を用いた場合はアクセル検出手段１の運転者の操作に応じ一定の定速度で車両を走行させることができるため、例えばフォークリフトトラックなど積載負荷や走行状況によらず一定速度で走行したい場合には好適であるためである。また、トルク制御を用いた場合には、例えばバッテリ式のフォークリフトトラックななどの場合でもエンジン式フォークリフトトラックと同様の運転操作フィーリングが得られるため、エンジン式フォークリフトトラックからの乗り換え時等にも運転者に対して違和感を与えることはない。
【００３６】
このように運転者の好みや使用状況に応じた駆動電動機８の制御方法をあらかじめ用意しておいて、駆動電動機８に対して該当する制御モードになった場合には、駆動電動機８を適切な制御で動作させることが可能となる。図３では速度制御を主にしたのでトルク制御は括弧で示している。すなわち、切換手段１および２は切換経路Ａが選択されることになる。
【００３７】
次にモード５の場合について述べる。アクセル検出手段１と前後進選択手段３の選択指示およびブレーキＯＦＦであって、踏まれていない状態であることは、モード２と同じである。しかし、駆動電動機８が逆転、すなわち電動機回転速度１１が負の値であることを示している。しかし、この場合は運転者の意志によって車両の進行方向に対し前後進選択手段３が逆方向に選択されていて、車両に回生制動をかける操作がなされた状態であると判断できる。このため、この時の車両状態は後進回生で、駆動電動機８の制御モードはトルク制御となるように制御を実行する。切換手段１と２は、切換経路Ｂが選択される。
【００３８】
次にモード６ではアクセル検出手段１がオフ状態、すなわち踏み込まれていない状態である。そして、駆動電動機８はいずれかの方向に回転している状態でブレーキ検出手段２がオン、つまりブレーキが踏み込まれている状況である。車両状態としてはブレーキ回生となり、駆動電動機８の制御モードはトルク制御となるように動作する。ここで回生制動時にトルク制御を行うのは、制動力は駆動電動機８の回転速度を制御するのではなく、駆動電動機８によって制動力を得るための発生トルクを制御することが車両の制動力制御になるため、トルク制御を行うのが適切である。このときも、切換手段１と２は経路Ｂが選択される。
【００３９】
次にモード９ではアクセル検出手段１がオフ、ブレーキ検出手段２がオフ、前後進選択手段３が前進に選択されている状態である。そして、駆動電動機８の回転方向が逆転という条件となっている。この場合には車両が何らかの外力、例えば坂道上で運転者の意志で進もうとする方向（この場合は前後進選択手段３の前進方向選択）に対して、車両が逆方向に動いている状態なので、電気車は坂道をずり下がっている状態であると判断できる。この場合には坂道のずり下がりを抑制すべく、車両状態は後進アンチロール回生、駆動電動機８の制御モードは速度制御あるいはトルク制御のいずれかを選択して制御を行い、車両のずり下がりを抑制するように制御を行う。
【００４０】
ここで制御モードが速度制御かトルク制御のいずれかであるのは、車両を一定速度で坂道を降坂させたい場合には速度制御のほうが車両ずり下がり時の車速を一定にすることが容易である。したがって、このような要求の場合には速度制御を用いるのが望ましい。また、トルク制御を採用した場合には坂道の傾斜によらず制動力が一定となるため、運転者には機械ブレーキを掛けているようになるから、フィーリングが自然である。しかし、これらは運転者の好みや車両の稼働条件などに応じて選択指示するのが望ましいために、いずれかを選択できるようにしている。このように、走行状態判別手段２２の内部の判断によって、車両の走行状況に応じた適切な制御方法を用いて、運転者の好みを考慮して、駆動電動機８を駆動制御することが可能となる。図３の例では、予め１１の制御モードに分けた場合の例であって、これよりも多い場合もあり、少ない場合もある。
【００４１】
図４は前記本発明による電気車の、走行状態判別手段２２の内容を説明するためのフローチャートを示している。
まず処理４ａにてアクセル検出手段１が踏み込み状態であるかどうかを判別し踏み込み状態である場合には処理４ｂに進む。処理４ｂで前後進選択手段３の選択方向を確認し、前進方向に選択されている場合には処理４ｃ、前進が選択されていない場合には処理４ｄに進む。処理４ｃでは駆動電動機８の回転方向を判定し、正転である場合には処理４ｆに進んで車両状態が前進力行であると判断する。処理４ｃにおいて駆動電動機８が逆転である場合には前後進選択手段３での選択方向と車両の進行方向が逆であるため、この場合には処理４ｅにて後進回生であると判断する。
【００４２】
処理４ｂにて進行方向選択が前進でなかった場合には後進ＳＷがＯＮかどうかを、処理４ｄで再び前後進選択手段がどちらに選択されているかを判定し、後進に選択されている場合には処理４ｇ、そうでない場合には処理４ｊに進む。処理４ｊに進んだ場合には前後進選択手段３が前進、後進いずれにも選択されていないということなので、この場合には駆動電動機８に駆動力を発生させず、車両状態は惰行となる。ここで惰行運転とは、惰行運転に入る前の制御モードを継続することである。
【００４３】
処理４ｄで後進に選択されていた場合、処理４ｇで電動機８の回転方向を判別する。駆動電動機８の回転方向が逆転である場合には前後進選択手段３の選択方向と電動機８の回転方向が一致しているので、処理４ｈに進み車両状態を後進力行と判定する。また、処理４ｇにおいて駆動電動機８の回転方向が逆転でなかった場合には前後進選択手段３の選択方向と電動機８の回転方向が逆であるため、この場合には処理４ｉで前進回生であると判定する。
【００４４】
処理４ａにおいてアクセル検出手段１が踏み込まれていないと判断される場合には、処理４ｋに進む。処理４ｋではブレーキ検出手段２が踏み込まれているかどうかを判別し、踏み込まれている（ＯＮ）と判断した場合は処理４ｌ、踏み込まれていないと判断した場合には処理４ｎにそれぞれ分岐する。処理４ｌでは駆動電動機８の回転方向を判定し、駆動電動機８が正転である場合には走行中でブレーキ検出手段２が踏み込まれているということなので、処理４ｍにて車両状態を前進ブレーキ回生であると判断する。
【００４５】
処理４ｌで駆動電動機８の回転方向が正転でない場合には処理４ｏに進む。処理４ｏでは駆動電動機８が回転しているか停止しているかを判断し、停止している場合には、車両がブレーキを踏み込まれた状態で停止している状況なので、処理４ｒに進み車両状態を停止とする。処理４ｏで電動機８が停止していなければ、駆動電動機８は逆転している状態なので、車両としては後進中であって、かつブレーキが掛けられている状態とみなし、処理４ｓに進み車両状態を後進ブレーキ回生状態と判断する。
【００４６】
処理４ｋにおいてブレーキ検出手段２が踏み込み状態でない場合にはアクセル検出手段１もブレーキ検出手段２も操作されていない状態である。この時は処理４ｎに進み、駆動電動機８が停止しているかどうかを判定する。処理４ｎで電動機８が静止していない場合には、運転者は運転操作をしていないが車両は前進か後進どちらかに動いている状態であると考えられるため、処理４ｇに進んでアンチロール判定、いわゆる坂道退行判定を行う（処理４ｇについては図５により後で述べる）。
【００４７】
処理４ｎで電動機８が静止していると判断された場合は、運転者が車両を操作する意志がなく、車両も静止している状態であると判断でき、処理４ｐに進んで車両状態を停止と判断する。このような処理によってアクセル検出手段１，ブレーキ検出手段２，前後進選択手段３，電動機８の電動機回転速度１１の条件をそれぞれ判定することにより車両の状態を適切に判断することができる。
【００４８】
図５は本発明における電気車の走行状態判別手段２２のアンチロール判定内容を示すフローチャートで、図４の処理４ｇについての詳細処理フローを示している。図４の処理、４ｇのアンチロール判定の処理は、アクセル検出手段１がオフ状態でブレーキ検出手段２もオフ状態、さらに駆動電動機８が停止状態でない場合に実行される判定処理である。
【００４９】
まず処理５ａにおいて駆動電動機８の回転方向を判定する。回転方向が正転である場合には処理５ｂに進む。そうでない場合、つまり逆転の場合には処理５ｄに進む。処理５ｂに進んだ場合、処理５ｂでは前後進選択手段３の選択指示方向を検出し、前進に選択されている場合には車両が前進方向に進行していて前後進選択手段３の選択指示方向も前進である。このため、この場合の処理は処理５ｃにて車両状態を、前進アクセルオフ回生状態と判断する。
【００５０】
一方、処理５ｂで前後進選択手段３の選択指示が後進だった場合には処理５ｊに進む。処理５ｊではさらに前後進選択手段３の選択指示方向を確認し、前後進選択手段３の指示方向が後進である場合には、車両が前進していて駆動電動機８の回転方向が正転なので、この場合は処理５ｋに進み車両状態を前進アンチロール回生と判定する。これは車両が坂道から降坂している状況である。前後進選択手段３の指示方向が後進でなかった場合には前後進選択手段３が前進にも後進にも選択されていないということになるので前後進選択手段３は中立、すなわちニュートラルであると判断でき、この場合には処理５ｌに進んで車両状態は惰行運転状態であると判断する。
【００５１】
処理５ａにて電動機８が逆転していた場合、処理５ｄに進む。処理５ｄで前後進選択手段３の選択指示方向を確認し、後進が選択されている場合には処理５ｆに進んで後進アクセルオフ回生状態と判断する。一方、処理５ｄにて前進が選択されている場合には処理５ｇに進む。処理５ｇで再度前後進選択手段３の選択指示方向を再度確認し、前進方向に選択されていれば、処理５ｈに進んで車両状態を後進アンチロール回生、処理５ｇにおいて、前進に選択されていなかった場合には、前後進選択手段３は中立なので処理５ｉに進み、車両状態を惰行と判断する。
【００５２】
このように駆動電動機８の回転方向と前後進選択手段３の選択指示方向との比較判定により、車両の走行状態を判断し、駆動電動機８の適切な制御モードに切り換えをし、運転を行うことができる。
【００５３】
図６は本発明の電気車の、制御装置及び制御方法における切換手段の選択方法を示すフローチャートを示している。前記図４及び図５にて説明した車両状態の判別結果をもとに、まず処理６ａで車両状態が前進力行かどうかを判別する。車両状態が前進力行であれば処理６ｂに進み電動機８の制御を速度制御（またはトルク制御）にすべく切換手段Ａ２３と切換手段Ｂ２５を、切換経路Ａ（または切換経路Ｂ）に切り換える。この場合切換経路Ａに切り換えると速度制御となり、切換経路Ｂに切り換えるとトルク制御となるように動作する。切換経路Ａまたは切換経路Ｂのいずれにするかは、運転者の好みや車両の稼働状況に応じてあらかじめ走行状態検出手段２２の処理で出力するモードシグナルmdf３２の出力で決定しておけばよい。
【００５４】
処理６ａにて車両状態が前進力行でない場合、処理６ｃに進み後進力行かどうかを判別する。後進力行である場合には処理６ｄに進み駆動電動機８の制御を速度制御（またはトルク制御いずれか）にすべく切換手段１の２３と切換手段２の２５を切換経路Ａ（または、切換経路Ｂ）に切り換える。これは前進力行の処理６ｂと同様の処理である。車両状態が後進力行でない場合には処理６ｅに進む。処理６ｅで車両状態が前進回生かどうか判別する。前進回生の場合は処理６ｆにて駆動電動機８の制御をトルク制御にすべく切換手段１の２３と切換手段２の２５を切換経路Ｂ側に切り換える。これにより車両及び電動機８は目標トルク３１に従って制御されるようになる。
【００５５】
処理６ｅで車両状態が前進回生でないと判断された場合には処理６ｇに進む。処理６ｇにて車両状態が後進回生である場合にも駆動電動機８の制御をトルク制御にすべく切換手段１の２３と切換手段２の２５を切換経路Ｂに切り換える。処理６ｇにおいて車両状態が後進回生でないと判断された場合には処理６ｉに進む。処理６ｉにおいて車両状態がブレーキ回生か、またはアクセルオフ回生かどうかを判別し、車両状態がブレーキ回生またはアクセルオフ回生に該当した場合、処理６ｊに進みこの場合にも駆動電動機８の制御をトルク制御にすべく切換手段１の２３と切換手段２の２５を切換経路Ｂに切り換える。処理６ｉにて走行状態がブレーキ回生またはアクセル回生いずれにも該当しない場合には処理６ｋに進み車両状態が惰行か停止かを判別する。
【００５６】
処理６ｋにて車両状態が惰行か停止いずれかに該当する場合には、駆動電動機８自体が動作していないので駆動電動機８の制御状態は速度制御、トルク制御いずれであっても駆動電動機８の駆動には何ら影響がない。よって特に切換手段１の２３と切換手段２の２５を切り換える必要がない。この場合には切換手段１の２３と切換手段２の２５は車両状態が惰行または停止となった場合の、前の車両状態での選択状態に保持したままとするようにする。処理６ｋにて車両状態が惰行でも停止でもない場合には処理６ｍに進む。処理６ｍにて車両状態がアンチロール回生かどうかを判別し、車両状態がアンチロール回生である場合には処理６ｎに進む。アンチロール回生でない場合には処理６ｏに進む。
【００５７】
処理６ｎに進んだ場合には、車両状態がアンチロール回生なので駆動電動機８の制御を速度制御またはトルク制御にすべく切換手段１の２３と切換手段２の２５を切換経路Ｂに切り換える。処理６ｏに進んだ場合には車両状態がいずれの条件にも合致しない通常あり得ないモードであるため、この場合は切換手段Ａ２３及び切換手段Ｂ２５をやはり保持状態とする。このような処理により、車両の走行状態に応じて電動機８の制御方法を適切に切り換えることができるようになり、電気車にとってより良い電動機８の制御を実行することが可能となる。
【００５８】
図７は本発明の電気車の制御における、動作を示すタイムチャートである。
電気車が走行するために前後進選択手段３が前進に選択され（図７（ｂ））、アクセル検出手段１が踏み込まれた場合（図７の（ａ））、この時は駆動電動機８の回転速度（ｄ）が停止の状態からスタートするので、車両状態は前進力行と判断される。切換手段１の２３と切換手段２の２５は切換経路Ａの方に切り換えられる。この動作により目標速度演算手段２０の出力の目標速度３０（図７の（ｃ））が駆動電動機８の制御に選択されて、駆動電動機８は速度制御が行われる。このとき目標速度（ａ）と実回転速度（ｄ）の偏差は（ｅ）で表わされる。
【００５９】
そしてこの場合は速度制御モードであるから、目標トルク信号はゼロであり、速度制御における電力変換器への駆動指令信号１２（τout）は同図（ｇ）に示す信号となる。モードシグナルｍｄｆ３２は、したがって切換経路Ａを選択することになる。このため、アクセル検出手段１の踏み込み量（ａ）がそのまま目標速度３０の値（ｃ）となり、図７の（ｃ）、＋Ｎｒの値となる。この速度制御により駆動電動機８の電動機回転速度１１との速度偏差補償が電動機８の発生出力となって電動機８は目標速度３０の指示する回転速度＋Ｎｒに到達するように加速する。
【００６０】
この時に目標トルク３１は選択されなかったので、目標トルク３１は無出力状態である。加速後運転者がアクセル検出手段１を踏み込んだまま、図７の中の（Ｐ）点に示す点で、前後進選択手段３を後進に選択切り換えた場合、電気車特有である駆動電動機８の回生制動力を利用した電気制動であるスイッチバック制動を行う走行状態となる。この時は走行状態の判定により車両状態を前進回生と判断するので、切換手段１の２３と切換手段２の２５は切換経路Ｂに切り換えられる。このことにより、駆動指令τoutは目標トルク３１が選択され、駆動電動機８はトルク制御によって制御されて回生制動力を発生し、電気車の制動を行う。この時に速度偏差補償は無出力状態となる。車両が制動されると、やがて電動機８の回転速度はゼロ近傍まで達する。
【００６１】
この状態になった場合には、次に、車両は後進方向に進むことになるので、図７中の（Ｑ）点において車両状態を後進力行と判断する。この時点で切換手段１の２３と切換手段２のＢ２５は切換経路Ａに切り換えられる。この動作により駆動電動機８は再び速度制御に切り替わり、今度は目標速度３０が−Ｎｒ（図７の（ｃ））に向かって駆動電動機８の回転速度が速度制御されるようになる。このような動作により力行または回生それぞれの車両状態に応じ、速度制御またはトルク制御を時々刻々と切り換えることができるので、車両の走行状態に応じ適切な駆動電動機８の制御を行うことができる特徴がある。
【００６２】
図８は、本発明の電気車における速度制御時の、駆動電動機８の駆動特性を示す図である。駆動電動機８を目標速度３０の指令に従って速度制御している場合には、アクセル検出手段１の踏み込み量に応じて駆動電動機８の回転速度がＮ１，Ｎ２からＮｎまで無段階に制御される。速度制御中、例えば回転速度Ｎ１で回転している場合には車両の走行抵抗や負荷が変動した場合でも駆動電動機８の最大トルクの範囲で自動的に発生トルクが変化し、駆動電動機８の回転速度はＮ１に維持されるように動作して、車両は一定速度で走行することが可能となる。また、車両の走行抵抗Ｒｓは図中で示すように電動機８の回転速度に対してほぼ一定の傾斜で、比例的推移を示す特性である。
【００６３】
この走行抵抗Ｒｓは走行勾配によって変化するものであり、図８中の走行抵抗Ｒｓは平坦路走行相当の抵抗を表した概念図である。この走行抵抗Ｒｓの特性曲線は目標速度３０の特性（図８中のＮ１、Ｎ２・・・Ｎｎで示す垂直の直線特性）に対して走行抵抗曲線Ｒｓが交差する特性であるため、走行抵抗Ｒｓによらず目標速度３０を決めて駆動電動機８を速度制御すれば、車両の走行速度は安定に一定走行で走行することができることとなる。すなわち、目標速度３０がＮｎであった場合、走行抵抗Ｒｓの曲線との交点は平衡点Ｓとなり、その時の必要駆動力が自動的に調整されて車両は速度Ｎｎで走行できるように動作するのである。
【００６４】
図９は本発明の電気車の制御におけるトルク制御時の駆動電動機８の駆動特性を示す図である。
【００６５】
駆動電動機８をトルク制御した場合には、アクセル検出手段１の踏み込み量に応じて駆動電動機８の発生トルクが図中のＴ１、Ｔ２からＴｎまで無段階に変化する。このため回生制動などの、アクセル検出手段１の踏み込み量に応じて車両の制動力を変化させたい場合には、トルク制御を用いることにより制動力である駆動電動機８の発生トルクが変化するので、制動力の調節が容易となる。この場合には車両の走行抵抗Ｒｓの特性曲線に対しトルク特性が並行に近い特性となり、アクセル検出手段１が微少開度、例えば図９中の特性Ｔｎのような小さいトルク特性であってもトルク特性と走行抵抗Ｒｓが平衡点Ｐで交差してしまい、一定速度での走行が難しくなる。このために車両をアクセル検出手段１の指示によって一定速度で走行させたい場合には図８で述べた速度制御を用いることが望ましい。
【００６６】
このように駆動電動機８を速度制御またはトルク制御のいずれかの、車両状態に応じた制御を用いることによって電気車を運転者が運転しやすいように動作させることができる。
【００６７】
図１０は本発明の電気車の制御装置及び制御方法における目標トルク演算手段２１（図２の２１）の実施例を示す図である。駆動電動機回転速度１１とアクセル開度２７の信号をもとに、電動機回転速度１１の値からブロック１０ａにて基本となるトルクパターンを発生する。このパターンは駆動電動機８が電動機回転速度１１に対して発生可能な最大のトルクをあらかじめ設定しておいて、電動機回転速度１１に応じて演算抽出するものである。決まったパターンのテーブルやマップを準備しても良いし、関数式による演算で求めても良い。
【００６８】
アクセル開度２７からはブロック１０ｃにてアクセル開度２７に応じたリミッタ値を計算する。トルクパターンとリミッタ値はブロック１０ｂに伝達され、ブロック１０ｂにてトルクパターンの値をリミッタ値でリミットする処理を行う。ブロック１０ｃで生成するリミッタ値は、電動機回転速度１１によっても補正するようにする。これは電動機の回転数によって電動機が出力できるトルクが変化するため（一般的に電動機の回転数が上昇するほど出力トルクは低下する）、ある任意の電動機回転数の時の最大のトルクが、アクセル開度１００％に対応するようなリミッタ値とすることが望ましいためである。
【００６９】
この処理により駆動電動機８の電動機回転速度１１に応じた最大の発生可能トルクをアクセル開度２７に応じたリミッタ値で制限する動作となり、アクセル開度２７に応じた目標トルク３１を得ることができる。その後、切換手段１の２３と切換手段２の２５のそれぞれの切換手段について、切換経路Ｂの経路を通じて駆動指令τout１２が生成される。このようにして駆動電動機８の発生トルクをアクセル開度２７及び電動機回転速度１１に従って制御することができる。
【００７０】
また、この目標トルク３１の発生方法は図１０で述べた方法を用いても良いし、電動機回転速度１１に応じた最大トルクのパターン値をアクセル開度２７の開度１００％に対する比率で補償演算する方法で求めても良い。
【００７１】
図１１は本発明の電気車の制御における目標速度演算手段２０（図２の２０）の実施例を示している。目標速度演算手段２０にはブロック１１ａ、ブロック１１ｂ、ブロック１１ｃの処理を内包しており、アクセル開度２７の信号をもとにブロック１１ａにてアクセル開度２７に応じた目標速度Ｎref３０を演算する。この目標速度Ｎref３０はアクセル開度２７の値が１００％、すなわちアクセル全開時に車両が最高速度で走行するべき値に設定することが妥当である。アクセル開度２７からは同時にアクセル開度２７に応じたリミッタ値も計算する。
【００７２】
なお、ブロック１１ｃで生成するリミッタ値は、電動機回転速度１１によっても補正するようにする。これは電動機の回転数によって電動機が出力できるトルクが変化するため（一般的に電動機の回転数が上昇するほど出力トルクは低下する）、ある任意の電動機回転数時の最大のトルクがアクセル開度１００％に対応するようなリミッタ値とすることが望ましいためである。
【００７３】
目標速度Nref３０は、切換手段１の２３の、切換経路Ａの経路を通じて速度制御演算手段２４に伝達され、電動機回転速度１１との偏差を元に速度偏差補償を演算しブロック１１ｃへ伝達する。この速度制御演算はいわゆる通常の比例、積分、微分制御を組み合わせたものでも良い。ブロック１１ｃにはリミッタ値も入力し、ブロック１１ｃにおいて速度補償の値をリミッタ値で制限する処理を行う。制限した結果を、切換手段２の２５の切換経路Ｂを通じて出力し、駆動指令τout１２を生成する。
【００７４】
このような構成にすることにより、通常の速度帰還方式によって速度制御演算を行っているときに、回生制動を行う場合には、前後進選択手段３の選択指示方向を電動機８の回転方向と逆に選択するために、目標速度３１は前後進選択手段３の切換前の目標速度３１に対し符号が逆となる状態となり、目標速度３１と電動機回転速度１１の正負の符号が逆となって速度制御演算手段の速度偏差補償の値が極大となり、アクセル開度２７で制動力を調節できなくなるが、図１１に示す構成でによれば電動機８の発生トルクをアクセル開度２７に応じて調節することが可能となり、回生制動等の動作において速度制御を用いている場合でも、アクセル開度２７に応じた制動力の調節を行うことが可能となる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば交流電動機による駆動方式であっても従来の直流電動機駆動電気車と同じようなフィーリングで電気車を運転することができるとともに、運転者による速度制御あるいはトルク制御モードの選択制御ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の、基本構成を示す図である。
【図２】 図１における本発明の、指令演算手段についての詳細を示す図である。
【図３】 図２における本発明の、走行状態判別手段による制御モードの判断例を説明するための図である。
【図４】 図３の走行状態判別手段における処理内容を説明するためのフローチャートである。
【図５】 図４のアンチロール処理の詳細処理を説明する為のフローチャート図である。
【図６】 本発明の電気車の、走行状態判別手段による切換手段の選択方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】 本発明の電気車の動作例を示すタイムチャートである。
【図８】 本発明の電気車における速度制御時の駆動電動機の駆動特性例を示す図である。
【図９】 本発明の電気車におけるトルク制御時の駆動電動機の駆動特性例を示す図である。
【図１０】 本発明の電気車における目標トルク演算手段（図２の２１）の実施例を示す図である。
【図１１】 本発明の電気車における目標速度演算手段２０（図２の２０）の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…アクセル検出手段、２…ブレーキ検出手段、３…前後進選択手段、４…制御手段手段、５…指令演算手段、６…電動機制御手段、７…電動機回転演算手段、８…電動機、９…回転検出手段、１０…電力変換器（手段）、１１…電動機回転速度、１２（τout）…駆動指令、１７…電源、１８…アクセル開度演算手段、１９…ブレーキ開度演算手段、２０…目標速度演算手段、２１…目標トルク演算手段、２２…走行状態判別手段、２３…切換手段Ａ、２４…速度制御演算手段、２５…切換手段Ｂ、２７…アクセル開度、２８…ブレーキ開度、３０（Ｎref）…目標速度、３１（τref）…目標トルク、３２（ｍｄｆ）…モードシグナル

Claims (11)

1. 直流電力を交流電力に変換して電気車の駆動用交流駆動電動機に供給制御する電気車の制御方法において、前記電気車のアクセル開度とブレーキ踏み込み量と前記電気車の前後進および前記駆動用交流電動機の正逆回転、力行、回生および停止の車両状態を含む前記電気車の走行状態に対応し、速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされるモードであって、いずれかに選択されて定められたモード、および、速度制御およびトルク制御のいずれにするかが予め定められたモードからなる複数の制御モードを予め設定し、前記電気車の走行時の走行状態を判定し、判定された走行状態に対応する制御モードを前記複数の制御モードの中から選択し、前記選択された制御モードにおける回転速度制御の速度の目標値およびトルク制御のトルクの目標値を演算し、前記選択された制御モードにおいて前記目標値のいずれか一方を選択し、前記選択された目標値に基づいて前記駆動用電動機を制御することを特徴とする電気車の制御方法。
2. 前記請求項１の記載において、前記電気車の走行状態が前後進回生制動状態にあるときは、前記駆動電動機に対し前記目標値によるトルク制御が選択されることを特徴とする電気車の制御方法。
3. 前記請求項1の記載において、前記電気車の走行状態が前後進力行状態あるいは前後進アンチロール回生制動状態にあるとき、速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされる前記モードについて速度制御が選択されることを特徴とする電気車の制御方法。
4. 前記請求項１の記載において、前記電気車の走行状態が前後進力行状態あるいは前後進アンチロール回生制動状態にあるとき、速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされる前記モードについてトルク制御が選択されることを特徴とする電気車の制御方法。
5. 前記請求項３の記載において、前記モードにあっては、前記目標速度と前記駆動電動機の回転速度との偏差により制動力を制限制御することを特徴とする電気車の制御方法。
6. 前記請求項４の記載において、前記モードにあっては、回転速度に基づく出力トルクパターンについてアクセル開度により演算されるトルク制限値により前記トルクを制限することを特徴とする電気車の制御方法。
7. 直流電源と、電気車を駆動する交流駆動電動機と、前記直流電源により前記駆動電動機を駆動するための電力変換器と、前記電気車のアクセル開度検出手段と、ブレーキ検出手段、前後進選択手段と、前記駆動電動機の回転検出手段とを備えた電気車の制御装置において、アクセル開度検出信号とブレーキ検出信号と前後進選択信号および前記回転検出手段からの信号に基づいて前記駆動電動機の目標速度を演算する目標速度演算装置と、前記駆動電動機の目標トルクを演算する目標トルク演算装置と、前記電気車の複数の走行状態を判別する走行状態判別手段と、前記交流駆動電動機の正逆回転、力行、回生および停止の車両状態を含む前記電気車の走行状態に対応し、速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされるモードであって、いずれかに選択されて定められたモード、および速度制御およびトルク制御のいずれかにするか予め定められたモードからなる複数のモードを予め設定するモード設定手段と、前記走行状態判別手段により判別された走行状態に対応した制御モードにおいて目標速度演算装置からの目標値あるいは前記目標トルク演算装置からの目標値のいずれかを選択する選択切換手段、とを備え前記駆動電動機の制御をおこなうことを特徴とする電気車の制御装置。
8. 前記請求項７の記載において、前記電気車の走行状態が前後進力行状態あるいは前後進アンチロール回生制動状態にあるとき、速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされる前記モードについてトルク制御が選択されることを特徴とする電気車の制御装置。
9. 前記請求項７の記載において、前記電気車の走行状態が前後進力行状態あるいは前後進アンチロール回生制動状態にあるとき、前記速度制御およびトルク制御のいずれかが選択可能とされる前記モードについて速度制御が選択されることを特徴とする電気車の制御装置。
10. 前記請求項９の記載において、前記駆動電動機の制御として目標速度演算装置からの目標値による回転速度制御が選択されたとき、駆動電動機の速度帰還による速度制御演算手段を介して伝達される指令信号により制御をおこなう駆動電動機制御手段、を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
11. 前記請求項９の記載において前記選択切換手段は、目標速度演算装置からの目標値を速度制御演算手段への目標値とするかどうかの切換手段と、速度制御演算手段の出力側において前記速度制御演算手段の出力信号を電動機制御手段への指令信号とするか目標トルク演算手段の出力信号を電動機制御手段への指令信号とするかの切換選択手段、とを備えたことを特徴とする電気車の制御装置。

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