JP4058732B2 - 電気車の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１台の電力変換器により複数の電動機を駆動する電気車の制御装置に係り、特に、車輪・レール間に発生する空転および滑走を最小限に抑制する制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の電動機を駆動制御する電気車の制御装置において、より簡単な構成で再粘着検知を行い、可能な限り電気車の加減速度を高くする方法に関して特開２０００−０５９９１１号公報に記載の技術が挙げられる。
粘着性能を向上するためには、実際に空転あるいは滑走が始まった時点から、これを検知をしてトルクを絞り始めるまでの『空転滑走検知遅れ』を最小化し、できるだけ空転の拡大を抑えることが重要である。
特開２０００−０５９９１１号公報に記載の電気車の制御装置によると、ロータ周波数の微分値が予め設定した空転・滑走検知レベルを超過したことにより空転・滑走を検知する。この方法では、ロータ周波数の微分値が車両加速度分を含むため、空転・滑走が発生し得ないドライ走行時における通常加速度に下り最大勾配での重力加速度成分を加えた下り最大加速度を仮定してこれが検知レベルを超過しないように空転検知レベルを設定する必要があり、通常はロータ周波数微分値のノイズ分を考慮して概ね下り最大加速度の１．２〜１．５倍に設定している。この場合、上り最大勾配を走行するときは、通常加速度から上り最大勾配での重力加速度成分を減じた上り最大加速度での走行となる。ここで、雨天などウェット走行時に空転によりロータ周波数の微分値が増加したとき、空転検知レベルに達するまでに｜（上り最大勾配）｜＋｜（下り最大勾配）｜に相当する重力加速度成分のマージンが存在するため、結局このマージン分だけ空転検知レベルを高めに設定したことと同値である。このため、上り勾配区間では空転検知に遅れが生じるために十分な粘着性能を確保することが難しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、１台の電力変換器により複数の電動機を駆動する電気車の制御装置において、空転・滑走検知遅れの最小化および空転・滑走の拡大を抑制することにより、車輪・レール間に発生する空転・滑走を最小限に抑制し、如何なる粘着状態でも最大限の加速度を確保するに好適な粘着制御を実現することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、空転および滑走の検知は、勾配などによる車両加速度変化の影響を受けない空転加速度および滑走加速度により行う。また、空転あるいは滑走を検知した時点の車両加速度を推定し、その値によってインバータ制御速度の変化量を抑制する。
【０００５】
【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。
図１において、運転指令発生器１は、図示していないが、運転士の操作あるいは自動運転装置の指令に基づいて惰行、力行ノッチ、ブレーキステップ等の運転指令信号ＰＢおよび指令信号Ｉｑｐを出力する。指令信号Ｉｑｐとしてはトルク指令、電流指令、すべり周波数指令などがあるが、ここでは必要なトルクに応じた電流指令とする。減算器２では、このＩｑｐと電流制御部３から得られる電流制御量ΔＩｑから電流指令Ｉｑａを演算する。ゲート信号演算器４は、電流指令Ｉｑａと電流検出器５ａ、５ｂ、５ｃから得られる電動機電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗおよび速度演算部６が出力する制御回転速度Ｆｒｖを入力として、インバータのゲート信号Ｖｐを出力する。ＰＷＭインバータ７は、ゲート信号Ｖｐを入力として、これ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８より得られる直流電力を三相交流電力に変換し、その電力を誘導電動機９に供給する。ここでは１台のインバータ７で２台の誘導電動機９ａ，９ｂを駆動する構成の例を示しているが、誘導電動機の数は何台でも構わない。回転速度検出器１０ａ，１０ｂでは誘導電動機９ａ，９ｂの回転速度Ｆｒ＿ａ，Ｆｒ＿ｂを検出する。速度演算部６では、誘導電動機９ａ，９ｂの回転速度Ｆｒ＿ａ，Ｆｒ＿ｂ、後述の空転滑走検知部１１が出力する空転信号Ｆｇ＿ｓｌ、滑走信号Ｆｇ＿ｓｋ、車両の予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈ、車両の予測最大加速度Ｂｅｔａ＿ｈを入力として、制御回転速度Ｆｒｖを演算して出力する。空転滑走検知部１１では、回転速度Ｆｒ＿ａ，Ｆｒ＿ｂを微分器１２で微分した回転加速度ｄＦｒ＿ａ，ｄＦｒ＿ｂ、運転指令信号ＰＢを入力として、空転信号Ｆｇ＿ｓｌ、滑走信号Ｆｇ＿ｓｋ、予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈ、予測最大加速度Ｂｅｔａ＿ｈを演算する。
【０００６】
次に、図１における本実施形態の特徴とする空転滑走検知部１１、速度演算部６の構成について説明する。なお、電流制御部３は、空転信号Ｆｇ＿ｓｌ、滑走信号Ｆｇ＿ｓｋを入力し、指令信号Ｉｑｐに応じて電流制御量ΔＩｑを出力する。（電流制御部３については特開２０００−０５９９１１号公報に説明が記載されているので、ここでは省略する。）
【０００７】
図２は、図１における空転滑走検知部１１の詳細構成図である。
最大値演算器１３は、ｄＦｒ＿ａ，ｄＦｒ＿ｂの時々刻々の最大値ｄＦｒ＿ｍａｘを演算し、同様に最小値演算器１４では最小値ｄＦｒ＿ｍｉｎを演算する。最大値軸番号演算器１５は、ｄＦｒ＿ａ，ｄＦｒ＿ｂのうち最大値をとる軸番号Ｎｍａｘを時々刻々演算する。データ保持器１６は、空転信号Ｆｇ＿ｓｌが“１”となった時点のＮｍａｘを保持し、選択器１７は、保持したＮｍａｘに相当する軸の回転加速度ｄＦｒ＿ｎｍａｘを選択する。最小値軸番号演算器１８は、ｄＦｒ＿ａ，ｄＦｒ＿ｂのうち最小値をとる軸番号Ｎｍｉｎを時々刻々演算する。データ保持器１９は、滑走信号Ｆｇ＿ｓｋが“１”となった時点のＮｍｉｎを保持し、選択器２０は、保持したＮｍｉｎに相当する軸の回転加速度ｄＦｒ＿ｎｍｉｎを選択する。
時間遅れ演算器２１では、ｄＦｒ＿ｎｍａｘの入力に対して時定数Ｔの遅れ分を加味した予測最大加速度Ｂｅｔａ＿ｈを、また、時間遅れ演算器２２では、ｄＦｒ＿ｎｍｉｎの入力に対して時定数Ｔの遅れ分を加味した予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈを演算する。また、運転指令変化検知器２３では、ノッチアップ時など運転指令信号ＰＢが上位変化した場合に一定時間のフラグ出力を行い、その期間中は選択器２４において時間遅れ演算器２１，２２の時定数ＴをＴ０からＴ１に変更する。
以上で演算したｄＦｒ＿ｍａｘとＡｌｐｈａ＿ｈの差分、あるいは、Ｂｅｔａ＿ｈとｄＦｒ＿ｍｉｎの差分を演算することにより、純粋に車輪の空転・滑走分の加速度を抽出した空転加速度ｄＦｓｌ、滑走加速度ｄＦｓｋを求めることができる。
さらに、これらの空転加速度ｄＦｓｌ、滑走加速度ｄＦｓｋを用いて空転・滑走検知の早期化を可能とする空転滑走検知器１１の構成を説明する。
空転加速度ｄＦｓｌは、比較器２５に入力され、空転加速度ｄＦｓｌが所定値よりも大きいとき“１”となる空転検知信号Ｆｇ＿ｄｓｌを出力する。これにより、空転が発生した際は空転加速度ｄＦｓｌの最大値が上昇するので、空転を検知できる。次に、空転発生後の再粘着の検知として、比較器２６に空転加速度ｄＦｓｌを、比較器２７に軸の回転加速度ｄＦｒ＿ｎｍａｘを微分器２８で微分した２階微分値ｄｄＦｒ＿ｎｍａｘを入力する。ここで比較器２６は空転加速度ｄＦｓｌが所定値よりも小のとき“１”を出力し、比較器２７ではｄｄＦｒ＿ｎｍａｘが所定値よりも大のとき“１”を出力するように設定されている。論理積回路２９では、比較器２６，２７出力値の論理積をとり、その結果より空転検知後に再粘着したかどうかの再粘着検知信号Ｆｇ＿ｒｓｌが出力される。即ち、空転が発生し、再粘着する際は空転加速度ｄＦｓｌが負でかつ２階微分値ｄｄＦｒ＿ｎｍａｘが正となる条件が成立することによるものである。
フリップフロップ３０は、空転検知信号Ｆｇ＿ｄｓｌがいったん“１”になると、再粘着検知信号Ｆｇ＿ｒｓｌが“１”になるまで空転信号Ｆｇ＿ｓｌを“１”に保持する。
一方、滑走後の再粘着の検知として、滑走加速度ｄＦｓｋは、比較器３１に入力され、滑走加速度ｄＦｓｋが所定値よりも小さいとき“１”となる滑走検知信号ｆｌａｇ＿ｄｓｋを出力する。これにより、滑走が発生した際は滑走加速度ｄＦｓｋの最小値が下降するので、滑走を検知できる。
次に、滑走発生後の再粘着の検知として、比較器３２に空転加速度ｄＦｓｋを、比較器３３に軸の回転加速度ｄＦｒ＿ｎｍｉｎを微分器３４で微分した２階微分値ｄｄＦｒ＿ｎｍｉｎを入力する。ここで比較器３２は滑走加速度ｄＦｓｋが所定値よりも大のとき“１”を出力し、比較器３３はｄｄＦｒ＿ｎｍａｘが所定値よりも小のとき“１”を出力するように設定する。論理積回路３５では、比較器３２、３３出力値の論理積をとり、その結果より滑走検知後に再粘着したかどうかの再粘着検知信号Ｆｇ＿ｒｓｋを出力する。即ち、滑走が発生し再粘着する際は滑走加速度ｄＦｓｋが正でかつ２階微分値ｄｄＦｒ＿ｎｍｉｎが負となる条件が成立することによるものである。
フリップフロップ３６は、滑走検知信号Ｆｇ＿ｄｓｋがいったん“１”になると再粘着検知信号Ｆｇ＿ｒｓｋが“１”になるまで滑走信号Ｆｇ＿ｓｋを“１”に保持する。
この構成により、車両加速度変化の影響を受けない空転加速度あるいは滑走加速度により空転・滑走を検知できるため、勾配区間をはじめとするどのような走行状態でも安定した空転・滑走制御を可能とし、空転・滑走検知遅れの最小化による加速度・減速度の向上、乗り心地の向上を実現することができる。
【０００８】
図３は、図１における速度演算部６の詳細構成図である。
最小値演算器３７は、回転速度Ｆｒ＿ａ、Ｆｒ＿ｂのうち小さい方の値を選択し、回転速度最小値Ｆｒ＿ｍｉｎを出力する。データ保持器３８は、空転信号Ｆｇ＿ｓｌが“１”になった時点の予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈの値を保持し、予測最小加速度ホールド値Ａｌｐｈａ＿ｈ＿ｈｏｌｄを出力する。選択器３９は、空転信号Ｆｇ＿ｓｌが“１”のとき予測最小加速度ホールド値Ａｌｐｈａ＿ｈ＿ｈｏｌｄを選択し、空転信号Ｆｇ＿ｓｌが“０”のとき後述する加速度上限値Ａｌｐｈａ＿ｕを選択し、空転開始加速度Ａｌｐｈａ＿ｌｉｍｉｔとして出力する。データ保持器４０は、滑走信号Ｆｇ＿ｓｋが“１”になった時点の予測最大加速度Ｂｅｔａ＿ｈの値を保持し、予測最大加速度ホールド値Ｂｅｔａ＿ｈ＿ｈｏｌｄを出力する。選択器４１は、滑走信号Ｆｇ＿ｓｋが“１”のとき予測最大加速度ホールド値Ｂｅｔａ＿ｈ＿ｈｏｌｄを選択し、空転信号Ｆｇ＿ｓｋが“０”のとき後述する減速度下限値Ｂｅｔａ＿ｌを選択し、空転開始加速度Ｂｅｔａ＿ｌｉｍｉｔとして出力する。変化量リミッタ４２は、入力の回転速度最小値Ｆｒ＿ｍｉｎを上限値Ａｌｐｈａ＿ｌｉｍｉｔ、下限値Ｂｅｔａ＿ｌｉｍｉｔの変化量で抑制し、制御回転速度Ｆｒｖを出力する。
ここで、加速度上限値Ａｌｐｈａ＿ｕは、通常の走行状態では発生し得ない十分大きな加速度値を設定し、減速度下限値Ｂｅｔａ＿ｌは、通常の走行状態では発生し得ない十分大きな減速度値を設定する。これは、空転あるいは滑走が発生していないとき、加速度上限値Ａｌｐｈａ＿ｕあるいは減速度下限値Ｂｅｔａ＿ｌを選択することにより、変化量リミッタ４２において回転速度最小値Ｆｒ＿ｍｉｎの変化量の抑制を行わないようにするためである。
この構成により、制御回転速度Ｆｒｖは、空転・滑走が発生した時点（即ち、空転・滑走検知の期間中）の予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈ・予測最大加速度Ｂｅｔａ＿ｈの変化量によって抑制され、制御回転速度Ｆｒｖに誘導電動機のすべり周波数を加えたインバータ周波数が空転・滑走により急変することを防ぐことができる。即ち、空転・滑走が発生した以外の軸が共連れ的に空転・滑走する複数軸空転・滑走を防止することができる。
【０００９】
次に、本実施形態の空転滑走検知部１１、速度演算部６の動作例について図面をもとに説明する。
図４は、図２の空転滑走検知部１１の動作例を示す。図４は、回転速度Ｆｒ＿ａ，Ｆｒ＿ｂが共に空転した場合を示し、特にＦｒ＿ａの方が空転量が大きい場合を示している。
回転速度Ｆｒ＿ａ，Ｆｒ＿ｂを微分器１２により微分した回転加速度ｄＦｒ＿ａ，ｄＦｒ＿ｂは、直流分としての車両加速度に対して空転分の加速度の増減が重畳する動作となる。この時、空転量が大きい回転速度Ｆｒ＿ａに対応する回転加速度ｄＦｒ＿ａの増減の変化は、空転量が小さい回転速度Ｆｒ＿ｂに対応する回転加速度ｄＦｒ＿ｂに比べて大きくなる。このとき、選択器２０は回転加速度ｄＦｒ＿ａ，ｄＦｒ＿ｂのうちいずれか一方を選択し、ｄＦｒ＿ｎｍｉｎとして出力しているが、最小値軸番号演算器１８は“２”（ｄＦｒ＿ｂを検出している軸番号が“２”軸であることを表す。）を出力しているので、空転検知により空転信号Ｆｇ＿ｓｌが“１”（ｄＦｒ＿ａを検出している軸番号が“１”軸であることを表す。）となった時点でデータ保持器１９は最小値軸番号“２”を出力し、ｄＦｒ＿ｎｍｉｎはｄＦｒ＿ｂに固定される。図２のｄＦｒ＿ｎｍｉｎは、特に空転検知前はｄＦｒ＿ａを選択していて、空転検知と同時にｄＦｒ＿ｂに固定する様子を示す。このｄＦｒ＿ｎｍｉｎを時間遅れ演算器２２を通過させ、空転分の加速度変化の影響を低減したものが予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈである。一方、最大値演算器１３により回転加速度最大値ｄＦｒ＿ｍａｘは、回転加速度ｄＦｒ＿ａが選択される。これより空転加速度ｄＦｓｌは回転加速度ｄＦｒ＿ａ（ｄＦｒ＿ｍａｘ）から予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈを引き算することにより求められる。この空転加速度ｄＦｓｌが比較器２５の設定値である空転検知レベルを超過することにより空転検知信号Ｆｇ＿ｄｓｌは“１”となり、空転検知する。空転加速度ｄＦｓｌは直流分がゼロの純粋に車輪軸の空転分のみの加速度であるため、勾配などの車両加速度の変化に影響されない安定した、かつ、迅速な空転検知が可能となる。
なお、ここでは空転の発生時を例に説明したが、滑走の発生時についても同様に機能する。
【００１０】
図５は、運転指令信号ＰＢが変化する場合の図２の空転滑走検知部１１の動作例を示す。図５は、運転指令ＰＢが変化する一例として、停止状態から力行起動する場合の各部信号の動きを示している。
運転指令信号ＰＢが変化すると、運転指令変化検知器２３は運転指令変化信号Ｆｇ＿ＰＢを出力する。この運転指令変化信号Ｆｇ＿ＰＢは運転指令の変化より例えば回転加速度ｄＦｒ＿ａが変化する期間とほぼ一致して出力する設定とする。図５において予測最小加速度Ａｐｌｈａ＿ｈ、空転加速度ｄＦｓｌは『状態１』と『状態２』の２通りを図示している。予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈの演算に用いる時間遅れ演算器２２の時定数Ｔは、選択器２４により運転指令変化信号Ｆｇ＿ＰＢが“０”のときはＴ０を、“１”のときはＴ１を選択する。『状態１』はＴ０＝Ｔ１即ちＴ０とＴ１を同一の設定値とした場合、『状態２』はＴ０＞Ｔ１即ちＴ１の設定値をＴ０よりも小さくした場合である。時間遅れ演算器２２の時定数Ｔとしては、空転分の加速度変化分を除去するという観点ではＴ＝１（ｓ）程度が適当だが、運転状態が変化した場合には、予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈの変化に遅れが生じるため、回転加速度ｄＦｒ＿ｍａｘから予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈを引き算することで求める空転加速度ｄＦｓｌに誤差が生じることになる。この状態を示しているのが『状態１』である。このとき空転加速度ｄＦｓｌの誤差分が比較器２５の設定値である空転検知レベルを超過すると、空転の誤検知により加速不良、乗り心地悪化を招くことになる。
これに対して、『状態２』は運転指令変化信号Ｆｇ＿ＰＢが“１”の期間中は時間遅れ演算器２２の時定数Ｔを通常のＴ０よりも小さいＴ１とすることにより、運転指令変化による加速度変化に対する予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈの追従性を高める。これにより空転加速度ｄＦｓｌの誤差分が減少し、空転の誤検知の発生を抑制することができる。
【００１１】
図６は、図２の速度演算部６の動作例を示す。図６は、回転速度Ｆｒ＿ａ、Ｆｒ＿ｂが共に空転した場合を示し、特にＦｒ＿ａの空転量の方が大きい場合を示している。従って、空転中は最小値演算器３７ではＦｒ＿ｂが選択され、Ｆｒ＿ｍｉｎとして出力する。ここで空転滑走検知部１１において空転検知し、空転信号Ｆｇ＿ｓｌを出力すると、データ保持器３８はその時点の予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈを保持し、同時に切換器３９は予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈの保持値を出力し、変化量リミッタ４２の上限値とする。即ち、空転検知の期間中、変化量リミッタ４２ではＦｒ＿ｍｉｎの変化量を予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈで抑制し、制御回転速度Ｆｒｖを出力する。
この構成により、制御回転速度Ｆｒｖは、空転が発生した時点の予測最小加速度Ａｌｐｈａ＿ｈの変化量で抑制され、制御回転速度Ｆｒｖに誘導電動機のすべり周波数を加えたインバータ周波数が空転により急変することを防ぐことができる。即ち、空転が発生した以外の軸が共連れ的に空転する複数軸空転を防止することができる。
なお、ここでは空転の発生時を例に説明したが、滑走の発生時についても同様に機能する。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１台の電力変換器により複数の電動機を駆動する電気車の制御装置において、空転・滑走検知遅れの最小化および空転・滑走の拡大を抑制することができ、これによって車輪・レール間に発生する空転・滑走を最小限に抑制し、如何なる粘着状態でも最大限の加速度を確保する粘着制御を実現することができる。
また、車両加速度変化の影響を受けない空転加速度あるいは滑走加速度により空転・滑走を検知できるため、勾配区間をはじめとするどのような走行状態でも安定した空転・滑走制御を可能とし、空転・滑走検知遅れの最小化による加速度・減速度の向上、乗り心地の向上を実現することができる。
また、空転検知および滑走検知の期間中は制御回転速度の変化量を車両の予測加速度に基づいて抑制するので、この制御回転速度に誘導電動機のすべり周波数を加えたインバータ周波数が空転・滑走により急変することを防ぐことができ、空転・滑走が発生した以外の軸が共連れ的に空転・滑走する複数軸空転・滑走を防止することができる。
また、運転指令変化信号の期間中（継続中）は、時間遅れ演算手段の時定数を通常の時定数よりも小さく設定することにより、運転指令変化による加速度変化に対する予測加速度の追従性を高め、これにより空転加速度の誤差分が減少し、空転の誤検知の発生を抑制することができる。
【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
【図２】本発明の空転滑走検知部の詳細構成図
【図３】本発明の速度演算部の詳細構成図
【図４】本発明の空転滑走検知部の動作例を示す図
【図５】本発明の空転滑走検知部の動作例を示す図
【図６】本発明の速度演算部の動作例を示す図
【符号の説明】
１…運転指令発生部、２…減算器、３…電流制御部、４…ゲート信号演算部、５…電流検出器、６…速度演算部、７…ＰＷＭインバータ、８…直流電源、９…誘導電動機、１０…回転速度検出器、１１…空転滑走検知部、１２…微分器、１３…最大値演算器、１４…最小値演算器、１５…最大値軸番号演算器、１６…データ保持器、１７…選択器、１８…最小値軸番号判別器、１９…データ保持器、２０…選択器、２１…時間遅れ演算器、２２…時間遅れ演算器、２３…運転状態変化検知器、２４…選択器、２５…比較器、２６…比較器、２７…比較器、２８…微分器、２９…論理積回路、３０…フリップフロップ、３１…比較器、３２…比較器、３３…比較器、３４…微分器、３５…論理積回路、３６…フリップフロップ、３７…最小値演算器、３８…データ保持器、３９…選択器、４０…データ保持器、４１…選択器

Claims (1)

1. 複数の電動機を駆動する電力変換器と、前記電動機のトルクを制御する指令値を発生する手段と、前記指令値に基づいて前記電力変換器を動作させる信号を出力する手段と、前記各々の電動機または電動機により駆動される車輪の加速度を検出または演算する手段を備えた電気車の制御装置において、
   前記車輪の加速度をもとに演算し、車両の予測加速度を発生する手段を設け、空転および滑走検知を前記車輪の加速度と前記車両の予測加速度に基づいて得た空転加速度および滑走加速度を用いて行うことを特徴とする電気車の制御装置。

Images