JP3793907B2 - インバータ制御車両の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ制御車両の制御装置に係り、特にインバータで制御する誘導電動機の回転周波数を直接的に検出せずに(速度センサレス)インバータをベクトル制御する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両駆動用誘導電動機をインバータで駆動するインバータ制御車両で、インバータの出力電圧Vと出力周波数Fの比(V/F)を制御する方式(以下、V/F制御方式と称す)において、基本的には誘導電動機の回転周波数を用いずに、つまり速度センサレスで、インバータの出力周波数指令を作成する方式が、特開平8−80082号(特願平6−208357 号)公報「電気車の制御装置」に開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前記の公報には、V/F制御方式において、速度センサレスでインバータ出力周波数指令を作成する方式が主として記載されているが、ベクトル制御方式においても適用できることも可能であると補足的に記載されている。しかし、いずれにしても、インバータ運転開始時のインバータ出力周波数指令の初期値設定には、誘導電動機の回転周波数をセンサで検出した値に基づいて行うことから、完全な速度センサレスの制御方式とは言えない。
【0004】
本発明の目的は、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速度センサを一切排除することにあり、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にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、車両駆動用誘導電動機を駆動するインバータと、このインバータを前記電動機の推定した回転周波数指令に基づきベクトル制御するベクトル制御手段と、このベクトル制御手段に与えるトルク電流指令及び励磁電流指令を発生する手段と、インバータの出力電流のトルク電流成分を検出する手段と、トルク電流指令とトルク電流検出値の偏差に基づいて第1の加速度指令を発生する手段と、第1の加速度指令に基づいて回転周波数指令を発生する手段とを備えたインバータ制御車両の制御装置において、
インバータの運転開始時にベクトル制御手段に与えるトルク電流指令は励磁電流指令より所定時間遅らせる手段と、インバータの運転開始時に動作させて予め定めた立ち上げ所定値の第2の加速度指令を発する初期速度確立手段と、当該初期速度確立手段は、励磁電流指令とトルク電流指令及びトルク電流成分検出値の大きさの関係に基づき第2の加速度指令の発生と停止を制御する手段を有し、インバータの運転開始時には、回転周波数指令を発生する手段における第1の加速度指令に初期速度確立手段から出力される第2の加速度指令を加算する手段とを備える。
また、インバータの運転停止時に動作させて予め定めた立ち下げ所定値の第3の加速度指令を発する初期速度確立手段と、当該初期速度確立手段は、励磁電流指令とトルク電流指令及びトルク電流成分検出値の大きさの関係に基づき第3の加速度指令の発生と停止を制御する手段を有し、インバータの運転停止時には、回転周波数指令を発生する手段における第1の加速度指令に初期速度確立手段から出力される第3の加速度指令を加算する手段とを備える。
【0006】
本発明の構成によれば、誘導電動機の回転周波数指令は、インバータの運転開始時には主に第2の加速度指令に基づいて、またインバータの通常運転時には第1の加速度指令に基づいて作成される。すなわち、誘導電動機の回転周波数指令は完全に速度センサレスで作成される。そして、第1の加速度指令は、インバータ出力電流のトルク電流成分がトルク電流指令となるように制御され、トルク電流指令に対応したものとなるので、車両はトルク電流指令相当のトルクで加速される。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施例を示すインバータ制御車両の制御装置の構成である。1は直流架線、2は架線1から供給される直流電力を3相交流電力に変換するPWM(パルス幅変調)インバータ、3はインバータ2で駆動される車両駆動用誘導電動機である。4はインバータ2の出力電流のトルク電流成分及び励磁電流成分のトルク電流指令Iqp及び励磁電流指令Idpを発生する手段で、インバータの運転開始時にはトルク電流指令Iqpは励磁電流指令Idpより所定時間だけ遅れて発生させる。51はインバータ2の3相の出力電流の瞬時値検出器(図中ではこの検出器を簡略して1相分しかつけていないが2相又は3相分設ける)で、この電流検出値を52のdq座標変換器でトルク電流成分Iqに変換する。
【0008】
6は、トルク電流指令Iqpからトルク電流検出値Iqを減算器61で減算し、その電流偏差に基づいて、電流制御器62により、誘導電動機3の回転加速度の指令αc(以下、第1の加速度指令αcと称す)を発生する手段である。
【0009】
7は、誘導電動機3の回転周波数指令Frcを発生する手段である。この手段では、第1の加速度指令αcと後述する初期速度確立手段8の出力の加速度指令αoを加算器71で加算し、その加算結果を積分演算器72で積分演算して、回転周波数指令Frcを出力する。
【0010】
8は初期速度確立手段で、インバータの運転開始および停止時に加速度指令の初期値として所定値αoを発生する。この手段における詳細な構成は後述図2を用いて説明する
9はベクトル制御手段である。この手段では、トルク電流指令Iqpと励磁電流指令Idp及び回転周波数指令Frcを受けて、インバータ2の出力周波数指令Finとインバータ2の出力電圧指令Vm及びこのVmの位相指令θを出力する。
【0011】
10はPWM制御手段である。この手段では、インバータ2の出力周波数指令Finとインバータ2の出力電圧指令Vm及びこのVmの位相指令θを受けて、インバータ2を構成するスイッチング素子(図示していない)が所定の動作を行うような信号を出力する。
【0012】
図2は、上記初期速度確立手段8における機能,構成を詳述したもので、インバータ運転開始時と停止時では初期値の与える加速度指令αoの出力に違いを有する。
【0013】
まず、インバータ運転開始時における制御構成について説明する。立ち上げ加速度器81aは、予め定めた所定値の第2の加速度指令αouを発生する。トルク電流検出値判別器81cは、絶対値器81bにより検出したトルク電流成分Iqの絶対値を求め、その絶対値と所定値Iqrとを比較し、Iq<Iqrの時に1を、Iq≧Iqrの時に0を出力する。トルク電流指令判別器81dは、トルク電流指令Iqpを受けて、Iqp=0の時に1を、Iqp≠0の時に0を出力する。励磁電流指令判別器81fは、励磁電流指令Idpを受けて、インバータ2の運転/停止を判断し、Idp>0つまりインバータ運転時に1を、Idp=0つまりインバータ停止時に0を出力する。そして、トルク電流検出値判別器81cとトルク電流指令判別器81dと励磁電流指令判別器81fの出力を乗算器81eで乗算し、さらにその乗算結果と第2の加速度指令αouを乗算器81gで乗算する。
【0014】
すなわち、インバータ運転開始時において立ち上げ加速度器からの指令αouが、加速度指令の初期値αoとして出力される条件は、励磁電流指令Idp>0,トルク電流指令Iqp=0,トルク電流成分検出値Iqの絶対値が所定値以下という3者のAND条件で決定される。また、その設定された初期値は上記3者のうちいずれかでも条件が満足されなかったとき解除されることになる。
【0015】
次に、インバータ運転停止時における制御構成について説明する。立ち下げ加速度器82aは予め定めた所定値の第3の加速度指令αodを発生する。回転周波数指令判別器82bは、回転周波数指令Frcを受けて、Frc≦0の時に0を、
Frc>0の時に1を出力する。励磁電流指令判別器82cは、励磁電流指令Idpを受けて、インバータ2の運転/停止を判断し、Idp>0つまりインバータ運転時に0を、Idp=0つまりインバータ停止時に1を出力する。そして、第3の加速度指令αodと回転周波数指令判別器82bの出力と励磁電流指令判別器82cの出力を乗算器82dで乗算する。さらに、この乗算器82dと乗算器81gの出力を加算器83で加算して、加速度指令αoを出力する。
【0016】
すなわち、インバータ運転停止時において立ち下げ加速度器からの指令αodが、加速度指令の初期値αoとして出力される条件は、回転周波数指令Frc>0と励磁電流指令Idp=0のAND条件で決定される。また、その設定された初期値は上記2者のうちいずれかでも条件が満足されなかったとき解除されることになる。
【0017】
図3及び図4は、図1,図2における本発明の実施例における基本動作の説明図である。図3は、インバータ2の運転開始時における誘導電動機3の回転周波数Frの初期値が低速の場合(B−1)と高速の場合(B−2)について示す。図3(A)は、インバータ2の運転開始時にはトルク電流指令Iqpは励磁電流指令Idpより所定時間tqs 遅らせて立ち上げることを示している。
【0018】
インバータ2が運転開始すると、初期速度確立手段8の乗算器82dの出力は0で、乗算器81eの出力は1となり、第2の加速度指令αouが加速度指令αoとして出力される。回転周波数指令Frcは、積分演算回路72より加速度指令αoを積分した値となるので増加し、誘導電動機3の回転周波数Frが低速の場合、その回転周波数指令Frcは、図3の(B−1)のように増加して直ちに誘導電動機3の回転周波数Frより大きく、つまりすべり周波数が大きくなり、これに応じてトルク電流Iq(検出値)も増加する。そして、トルク電流Iq(検出値)が所定値Iqrより大きくなると(図3の時間t=t1)、初期速度確立手段8のトルク電流検出値判別器81cの出力が0となり、加速度指令αoを0として回転周波数指令Frcの増加を停止する。その後は、電流制御器62によりトルク電流Iq(検出値)はトルク電流指令値Iqpとなるように第1の加速度指令αcが出力され、その値を積分した回転周波数指令Frcは図3の(B−1)のようになる。ここで回転周波数指令Frcは、トルク電流指令Iqpが発生されるまでは減少するがIqpの増加と共にFrcは、電動機の実際の回転周波数Frに近づき、通常運転モードでは回転周波数指令Frcは電流制御器62の出力の第1の加速度指令αcのみを積分した値が出力される。
【0019】
また、インバータ2の運転開始時、誘導電動機3の回転周波数Frの初期値が高速の場合、図3(B−2)のように加速度指令αoにより回転周波数指令Frcが増加していきFrに近づく。しかし、Frc<Frではすべり周波数が負になるため、トルク電流Iq(検出値)も負となり電流制御器62からの加速度指令αcも負となるので、Frcはαoよりαcが減算された加速度指令を積分したものとなる。次に、トルク電流指令Iqpが時間tqs で立ち上げを開始すると、初期速度確立手段8のトルク電流指令判別器81dの出力が0となり、加速度指令αoも0となる。その後、定常状態まで、回転周波数指令Frcは電流制御器62により出力である第1の加速度指令αcを積分した信号から生成され、Frcは実際の回転周波数Frとなることがわかる。
【0020】
これは、通常モードでは、第1の加速度指令αcはトルク電流指令Iqpに対応したものとなり、車両はトルク電流指令Iqp相当のトルクで加速されるためである。
【0021】
ところで、電気車の運転モードには、インバータ2を運転−停止−運転、すなわち力行−楕行−再力行を繰り返すものがある。図4は、そのモードにおけるインバータの制御状態量の動作波形を示す。図4(A)は、トルク電流指令Iqpと励磁電流指令Idpである。ここで両指令は力行から楕行に入る時すなわちインバータ2の運転を停止する時は両指令をほぼ同じように絞っていき、楕行から再力行に入る時、すなわちインバータ2の停止から再運転する時には図3(A)でも示したと同じようにIqpはIdpより遅らせて立ち上げる。
【0022】
図4(B)は上記運転状態におけるトルク電流成分検出値Iq,電動機の回転周波数Fr及び回転周波数指令Frcの動作波形を示す。
【0023】
楕行から再力行に入る時、インバータを停止してからの楕行状態における電動機の実際に近い回転周波数を推定しておけば安定な制御ができる。それを行うのが、図2の初期速度確定手段の制御ブロック82a,82b,82c,82d及び83である。インバータを停止し楕行に入った時点では、Iqp,Iqは0となるため上記制御ブロックを設けないと停止時点の回転周波数指令Frcを保持し続けることになる。そこで実際の回転周波数FrにFrcを近づけるように立ち下げ加速度器82aからの第3の加速度指令αodをFrc及びIdpに応じて加速度指令αoの初期値として出力する。それは図2を見るように、楕行に入るまえのインバータ停止時の回転周波数指令は、Frc>0であり、回転周波数指令判別器82bの出力が1、及びIdp=0なのでブロック82cの出力が1となることにより動作される。ここで、第3の加速度指令αodを走行抵抗,勾配等を考慮して設定すれば、再びインバータ2の運転を開始するときの回転周波数指令FrcはFrに追従し精度良いものとなる。インバータ2が停止中において推定される回転周波数指令Frcの精度が良くなれば、前述のようなインバータ2の運転開始時の動作(回路)を省略することができる。
【0024】
なお、以上の説明では、トルク電流指令Iqpが励磁電流指令Idpより所定時間tqs だけ遅れて発生する場合について述べたが、初期速度確立手段8のトルク電流検出値判別器81cの出力が0になった時点で、トルク電流指令Iqpを発生するようにしてもよい。この場合、初期速度確立手段8のトルク電流指令判別器81dは不要で、またトルク電流検出値判別器81cの出力が0になったことを電流指令発生手段4に帰還する必要がある。
【0025】
以上のように、図1の実施例によれば、回転周波数指令Frcは、インバータ2の運転開始時において、初期速度確立手段8により誘導電動機3の回転周波数Fr近傍に確立され、その後、電流制御器62を通じて制御される。すなわち、完全な速度センサレスでベクトル制御が行え、且つ車両をトルク電流指令Iqp相当のトルクで加速できるという効果がある。
【0026】
なお、加速度指令発生手段6は、図5のように、トルク電流指令Iqpと励磁電流指令Idpを乗算器63で乗算して、その結果に係数を掛けて演算する基準加速度器64で基準加速度αsに変換し、このαsに、電流制御器62の出力αcoを加算器65で加算して、加速度指令αcを発生するように構成してもよい。この場合、電流制御器62の電流偏差分を調整するに留まり、電流制御器62の負担が軽減するという効果がある。
【0027】
また、回転周波数指令発生手段7は、図6のように、加速度指令αcを電流抑制器73を介して、この出力Frsを、積分演算器72の出力Frco に加算器74で加算して、回転周波数指令Frcを発生するように構成してもよい。この場合、周波数制御つまり電流制御の応答性が高められるという効果がある。
【0028】
図7は本発明の他の実施例を示す回路構成であって、図1に示す実施例と異なるところは次のことを付加したことである。すなわち、トルク電流指令Iqpと励磁電流指令Idpより実効値演算器110で実効値電流指令Impを作成し、またトルク電流検出値Iqと励磁電流検出値Idより実効値演算器111で実効値電流検出値Imを求める。そして、実効値電流指令Impから実効値電流検出値Imを減算器112で減算して電圧制御器113に与え、この電圧制御器113の出力をベクトル制御手段9の出力のインバータ出力電圧指令Vmに加算器114で加算して、インバータ出力電圧指令Vm* を作成するようにしたことである。他は図1と同様である。
【0029】
図7の実施例によれば、ベクトル制御手段9の演算において、誘導電動機3の実回路定数とベクトル制御用定数のパラメータの誤差、特に一次抵抗の誤差があっても、その誤差の影響を受ける実効値電流Imがその指令Impとなるように制御される。その結果、図1の実施例の効果に加えて、一次抵抗の誤差がトルク等に及ぼす影響が大きい低速時での制御精度の向上が図れるという効果を得ることができる。
【0030】
【発明の効果】
本発明によれば、ベクトル制御方式を行う上で必要であった電動機の速度センサを一切排除することができるので、インバータ制御車両の制御装置における構成の簡素化および耐環境性の向上を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す回路構成図。
【図2】図1の初期速度確立手段8の回路構成例。
【図3】図1の基本動作説明図。
【図4】図1の基本動作説明図。
【図5】図1の加速度指令発生手段6の他の回路構成例。
【図6】図1の回転周波数指令発生手段7の他の回路構成例。
【図7】本発明の他の実施例を示す回路構成図。
【符号の説明】
1…直流架線、2…PWMインバータ、3…車両駆動用誘導電動機、4…電流指令発生手段、6…加速度指令発生手段、7…回転周波数指令発生手段、8…初期速度確立手段、9…ベクトル制御手段、10…PWM制御手段。
Claims (2)
- 車両駆動用誘導電動機を駆動するインバータと、このインバータを前記電動機の推定した回転周波数指令に基づきベクトル制御するベクトル制御手段と、このベクトル制御手段に与えるトルク電流指令及び励磁電流指令を発生する手段と、前記インバータの出力電流のトルク電流成分を検出する手段と、前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値の偏差に基づいて第1の加速度指令を発生する手段と、前記第1の加速度指令に基づいて前記回転周波数指令を発生する手段とを備えたインバータ制御車両の制御装置において、
前記インバータの運転開始時に前記ベクトル制御手段に与える前記トルク電流指令は前記励磁電流指令より所定時間遅らせる手段と、
前記インバータの運転開始時に動作させて予め定めた立ち上げ所定値の第2の加速度指令を発する初期速度確立手段と、
当該初期速度確立手段は、前記励磁電流指令と前記トルク電流指令及び前記トルク電流成分検出値の大きさの関係に基づき前記第2の加速度指令の発生と停止を制御する手段を有し、
前記インバータの運転開始時には、前記回転周波数指令を発生する手段における前記第1の加速度指令に前記初期速度確立手段から出力される前記第2の加速度指令を加算する手段とを備えたことを特徴とするインバータ制御車両の制御装置。 - 車両駆動用誘導電動機を駆動するインバータと、このインバータを前記電動機の推定した回転周波数指令に基づきベクトル制御するベクトル制御手段と、このベクトル制御手段に与えるトルク電流指令及び励磁電流指令を発生する手段と、前記インバータの出力電流のトルク電流成分を検出する手段と、前記トルク電流指令と前記トルク電流検出値の偏差に基づいて第1の加速度指令を発生する手段と、前記第1の加速度指令に基づいて前記回転周波数指令を発生する手段とを備えたインバータ制御車両の制御装置において、
前記インバータの運転停止時に動作させて予め定めた立ち下げ所定値の第3の加速度指令を発する初期速度確立手段と、
当該初期速度確立手段は、前記励磁電流指令と前記トルク電流指令及び前記トルク電流成分検出値の大きさの関係に基づき前記第3の加速度指令の発生と停止を制御する手段を有し、
前記インバータの運転停止時には、前記回転周波数指令を発生する手段における前記第1の加速度指令に前記初期速度確立手段から出力される前記第3の加速度指令を加算する手段とを備えたことを特徴とするインバータ制御車両の制御装置。
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