JP4131785B2 - 電気車の駆動制御装置及び空転制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車の駆動制御装置及び空転制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、VVVFインバータを備えた電気車の駆動制御装置として図6に示す電気鉄道用のものが知られている。この従来の電気車の駆動制御装置は速度検出器PGを備えたものであり、VVVFインバータ1には、誘導電動機(IM)4が接続されている。VVVFインバータ1は広く知られた構成の電圧形インバータである。誘導電動機4のロータは、図示していないギア、継手等を介して車輪5と結合されている。これにより、VVVFインバータ1からの電力によって誘導電動機4が回転駆動され、この誘導電動機4の回転力が車輪5に伝達されて車輪5が回転し、車輪5とレール6との粘着力により車両が推進される。
【0003】
この従来例の場合、VVVFインバータ1の制御回路として、トルク制御部2を備えている。このトルク制御部2は、詳細にはベクトル制御部、PWM制御部等に分けられるが、ここでは、総じてトルク制御部としている。なお、トルク制御部2の処理機能は広く知られたものであるので、その詳細は省略する。
【0004】
また、この従来例の場合、電動機4の回転速度を検出するために速度検出器PGが備えられ、トルク制御部2では、速度検出器PGによって検出された速度に基づいてトルクを制御する。
【0005】
電気車では、車輪5とレール6の間に生じる力、すなわち粘着力により推進力を得る。図8は、すべり速度と接線力係数との関係の一例を示している。ここでのすべり速度とは、車輪5の周速度と車軸の前進速度との差を表すものであり、誘導電動機4のすべり速度のことを表すものではない。また、接線力係数とは粘着力を、輪重と呼ばれる車輪5からレール6に加わる荷重で除した係数である。すなわち、接線力係数は輪重を一定と考えれば、粘着力に比例する。図8から、粘着力には最大値があることが分かる。よって、電気車を高加減速する場合には、粘着力の最大付近に動作点があるように、適切なすべり速度を維持することが不可欠である。
【0006】
一般に、粘着力係数の特性は、路面の条件により大きく変化する。雨天等の湿潤状態では滑り易く、乾燥時に比べて粘着力が低下する。そして、最大の粘着力を超えるような一定のモータトルクを与えた場合、ロータの速度が増加して発散する。これを空転と呼ぶ(ブレーキ中は、逆の現象となり、滑走と呼ばれる)。この空転あるいは滑走状態は、車両の粘着力、すなわち車両推進力が低下するために好ましくない。そのため、空転が発生すればすばやくモータトルクを引き下げ、再粘着させることが必要である。この一連の制御は「空転制御」と呼ばれている。
【0007】
一般的な空転制御部3の構成は、図9に示すようなものであり、その波形は図10に示すようなものである。空転制御部3には、速度ωr(速度センサ付きの場合のセンサ出力)又はωrh(後述する、速度センサレスの場合の推定速度)が入力される。加速度演算部13では、入力速度を疑似微分して加速度を求め、出力する。ヒステリシスコンパレータ14では、演算された加速度が所定値αを超過した場合には空転状態にあると見なし、空転フラグをオンとする。また、同加速度が所定値βを下回った場合には粘着状態にあるとして、空転フラグをオフとする。空転フラグがオンである場合、切替器15はトルク電流絞り演算部16の出力を選択し、出力する。
【0008】
トルク電流絞り演算部16では、空転を抑制し再粘着に至るように、その出力であるトルク指令補正量を徐々に増加させる。減算器17では、トルク指令Tm*からトルク指令補正量が減算されることで、補正後のトルク指令Tm*cmpも徐々に減少する。この結果、空転が抑制されて再粘着に至る。
【0009】
加速度演算部13で演算された加速度が減少し、ヒステリシスコンパレータ14により空転フラグがオフとなると、切替器15は、トルク保持値演算部21からの出力をその出力とする。
【0010】
このトルク保持値演算部21は、トルク指令Tm*、最大空転速度演算部18の出力である最大空転速度ΔFに基づき、モータトルクが(1),(2)式により演算されるトルク保持値TmHoldと一致するように、トルク指令への補正量TmHoldcmpを演算する。ここに、a,bは調整ゲインである。
【0011】
【数1】
TmHold=a×ΔF+b (1)
TmHoldcmp=Tm*−TmHold (2)
最大空転速度演算部18は、空転フラグがオンである期間において、最大の基準速度差を最大空転速度ΔFとして出力する。ここで、基準速度差とは、速度ωrと基準速度演算部19の演算速度との差を表すものである。
【0012】
トルク保持値演算部21は、所定時間だけトルク指令への補正量を保持した後、補正量を0まで徐々に減少させる。
【0013】
以上の空転制御部3による空転制御を、図10の波形例を用いて説明する。なお、説明を簡単にするため、空転制御を以下の5つの領域に分ける。
【0014】
▲1▼通常領域
・空転制御によるトルク指令Tm*への補正がかからない。
【0015】
・粘着状態であると制御側で認識している領域である。
【0016】
・加速度が所定値αを超過した場合には、空転状態とみなし空転フラグをオンとする。
【0017】
▲2▼トルク絞り領域
・空転フラグがオンの領域である。
【0018】
・制御上は、空転状態であると認識し、トルクを減少させる方向にトルク指令Tm*を補正する。
【0019】
・加速度が所定値βを下回った時点にて、制御上再粘着とみなし、空転フラグをオフとする。
【0020】
▲3▼トルク戻し領域
・再粘着を判断した後、トルク指令Tm*cmpを所定値まで戻す。
【0021】
▲4▼トルク保持領域
・空転の再発を懸念し、トルク指令を粘着限界付近となる所定値に維持する。
【0022】
▲5▼トルク回復領域
・空転制御部3でのトルク指令の補正量を0にするようにトルク指令補正量を減少させる。
【0023】
上述の空転制御により、滑り易い状況下においても空転による推力低下を軽減し、高い平均加速度を得ることができる。
【0024】
以上は、速度検出器PGを用いた速度センサ付きベクトル制御を適用した電気車の駆動制御装置の例であるが、近年、速度検出器を用いない速度センサレスベクトル制御を適用した鉄道車両の駆動制御装置の開発が進められている。この速度センサレスベクトル制御を適用した従来の電気車の駆動制御装置の例が、図7に示してある。
【0025】
この第2の従来例の構成では、速度すなわちロータ周波数を検出する速度検出器(PG)を用いずに、モータトルクがトルク指令Tm*に一致するようにVVVFインバータを制御する。速度センサレスベクトル制御では、検出速度ωrを用いず、速度を推定(その推定速度ωrh)する。この速度推定は、トルク制御部2が実行するが、速度推定演算には、(「電車用速度センサレスベクトル制御の開発(第2法)−高速領域の評価−」、H13年電気学会全国大会5−261)に記載された方法が用いられる。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような速度センサレスベクトル制御方式を適用した電気車の駆動制御装置では、推定された速度ωrhに基づいて空転制御を行うが、速度を推定しているために推定の遅れが生じる。この速度推定の遅れの影響で、空転制御のトルク絞り領域▲2▼の解除、すなわち空転フラグをオフするタイミングが遅れる。トルク絞り領域▲2▼では、ロータが空転状態から再粘着するため、急峻にロータ周波数、すなわち速度が減少する。推定速度は、一般に速度が急峻に変化するほど追従が遅い傾向がある。空転フラグをオフするタイミングの遅れにより、トルクの絞り量が大きくなる。この結果、平均加速度の低下や乗り心地の悪化が生じる可能性がある。
【0027】
本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、速度検出器を用いず、電動機速度を推定しながらVVVFインバータにより主電動機を駆動制御する電気車の駆動制御装置において、速度推定の遅れの影響を軽減し、平均加速度の向上と乗り心地の改善を図ることを目的とする。
【0028】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、VVVFインバータと、当該VVVFインバータに接続される主電動機と、速度検出器を用いずに当該主電動機の速度を推定して推定速度を得るとともに当該主電動機の出力トルクがトルク指令値に追従するような前記VVVFインバータに対するゲート指令を生成するトルク制御手段と、前記推定速度に基づきトルク指令を補正する空転制御を行う空転制御手段とを備えた電気車の駆動制御装置において、前記トルク制御手段の出力である前記推定速度を入力とし、速度推定の遅れを補うように前記推定速度を補正する推定速度補正手段を備え、前記空転制御手段は、当該推定速度補正手段の出力である補正された推定速度に基づき前記空転制御を行うようにしたことを特徴とするものである。
【0029】
請求項2の発明は、請求項1に記載の電気車の駆動制御装置において、前記推定速度補正手段は、前記推定速度を入力として、実速度から推定速度までの逆伝達特性を備えたフィルタ手段を有することを特徴とするものである。
【0030】
請求項3の発明は、請求項1に記載の電気車の駆動制御装置において、前記推定速度補正手段は、前記速度推定の遅れを補正するような推定速度補正量を予め記憶した推定速度補正量記憶手段と、当該推定速度補正量記憶手段の出力と前記推定速度とを加算する加算手段とを有することを特徴とするものである。
【0031】
請求項4の発明は、VVVFインバータと、当該VVVFインバータに接続される主電動機と、速度検出器を用いずに当該主電動機の速度を推定して推定速度を得るとともに当該主電動機の出力トルクがトルク指令値に追従するような前記VVVFインバータに対するゲート指令を生成するトルク制御手段と、前記推定速度に基づきトルク指令を補正する空転制御を行う空転制御手段とを備えた電気車の駆動制御装置における空転制御方法であって、前記トルク制御手段の出力する前記推定速度を入力し、速度推定の遅れを補うように当該推定速度を補正し、前記補正された推定速度を前記空転制御手段に入力し、前記空転制御を行うことを特徴とするものである。
【0032】
本発明では、トルク制御手段の出力である主電動機の推定速度を入力し、速度推定の遅れを補うように推定速度を補正し、この補正された推定速度に基づいて空転制御を行うことにより、速度推定の遅れの影響を改善し、空転制御による過剰なトルクの絞り込みを改善し、平均加速度の向上や乗り心地の改善を図る。なお、推定速度補正値をあらかじめ記憶している記憶手段から取り出すようにすれば、推定速度の補正量を逐次演算する必要がなく、制御演算処理の負荷を軽減することができる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1は、本発明の第1の実施の形態の構成を示すブロック図である。本実施の形態の電気車の駆動制御装置は、図7に示した第2の従来例と比べ、推定速度補正部7を新たに備え、この推定速度補正部7がトルク制御部2の求める推定速度ωrhを補正し、補正推定速度ωrhcmpを空転制御部3に与え、空転制御部3がこの補正された推定速度ωrhcmpに基づいて空転制御することを特徴とする。なお、その他の構成要素については、図7に示した従来例と共通する要素について同一の符号を付して示してある。
【0034】
この第1の実施の形態による空転制御方法について説明する。トルク制御部2の出力の1つである推定速度ωrhは、推定速度補正部7に入力される。推定速度補正部7は、次のように設定されている。トルク制御部2で推定される推定速度ωrhの特性として、実際の速度ωrから推定速度ωrhまでの伝達関数が図2(a),(b)に示すものであるとする。この周波数特性では、高域ほどゲインが減衰し、また、位相が遅れており、高域になるほど追従性が劣化する傾向を示している。
【0035】
そこで、次の(3)式により、速度推定系の特性を近似する。同伝達関数の入力は、ロータ周波数ωrであり、出力はロータ周波数推定値ωrhである。ただし、ωest=62.8[rad/s]とする。
【0036】
【数2】
速度推定の遅れを改善するため、速度推定系の逆システムを導入する。ただし、(3)式の逆システムは実現できないため、高域で減衰するローパスフィルタを組み合わせた(4)式により実現する。ここでは、ωf=314.2[rad/s]とする。
【0037】
【数3】
推定速度補正部7では、(5)式の演算を行い、推定速度ωrhを補正してωrhcmpを出力する。
【0038】
【数4】
図3(a),(b)は、実際の速度から逆システムにより補正された推定速度ωrmcmpの周波数特性を示したものである。図2(a),(b)に示した逆システムによる補正なしの場合の特性に比べ、ゲインの減衰や位相の遅れが改善されていることが分かる。
【0039】
以上の構成により、次のような効果がある。推定速度ωrhに対して速度推定系の逆システムに近似した特性を有するフィルタを直列に挿入することによって推定遅れを改善し、実際の速度にすばやく追従した推定速度ωrhcmpを得ることができる。これに基づき、空転制御を施す場合、トルク絞り領域における過剰なトルク絞りが改善され、平均加速度の向上や乗り心地の改善が図れる。
【0040】
過剰なトルク絞りが改善されることを示す例を図4を用いて説明する。図4は、モータトルクとすべり速度(すべり速度とは、車輪の周速度と車軸の前進速度との差のことであり、このすべり速度に応じて接線力、すなわち推力が決まる)との関係を示したものである。同図(a)は、図6の第1の従来例で示した速度センサ付きベクトル制御を適用した電気車の駆動制御装置の空転制御の結果を示し、同図(b)は図7の第2の従来例で示した速度センサレスベクトル制御を適用した結果を示す。同図(a)の速度センサ付き方式では、空転後のトルク絞りが適切に行われており、動作点の軌跡が小さい。一方、同図(b)の速度センサレス方式では、空転フラグの解除が遅れるため、トルクが0近傍まで絞られている。このため、車両の平均加速度が低下したり乗り心地が悪化したりする可能性がある。
【0041】
これに比べて、本実施の形態の場合、速度推定の遅れを補正した速度センサレスベクトル制御を行うため、同図(c)に示すように速度推定の遅れを改善することによって空転フラグのリセットのタイミングが適切になり、同図(a)に示す速度センサを使用する第1の従来例と同等な動作点軌跡を得ることができる。これにより、本実施の形態では、平均加速度や乗り心地が改善できる。
【0042】
なお、上記の実施の形態の駆動制御装置は誘導電動機を主電動機とする電気車に対して適用したが、誘導電動機に限定されるものではなく、永久磁石同期電動機(PM)や永久磁石リラクタンス同期電動機(PRM)など他の電動機を用いた速度センサレスベクトル制御系にも同様に適用できる。また、電気鉄道を例としたが、電気自動車等の電気車に応用する場合にも、同様な作用効果を得ることができる。
【0043】
次に、本発明の第2の実施の形態の電気車の駆動制御装置について、図5を用いて説明する。第2の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態と比べ、推定速度補正部70の機能構成が異なる。なお、その他の構成要素は、図1に示した第1の実施の形態と共通するため、図1と共通の符号を用いて説明する。
【0044】
第2の実施の形態の場合、推定速度補正部70は、推定速度補正量記憶部9と加算器10とより構成されている。そして、推定速度補正量記憶部9は、カウンタ11と推定速度補正量テーブル12とより構成されている。カウンタ11は、空転制御部3からの空転フラグを入力とし、空転フラグがオンの場合、カウントアップし、空転フラグがオフの場合、カウントをクリアする。ここでは、整数のカウントCntで動作させ、各制御毎に次式を演算する。
【0045】
【数5】
Cnt=Cnt+1 if空転フラグ=オン
Cnt=0 if空転フラグ=オフ
速度補正量記憶テーブル12には、予め速度推定の遅れを補正するような補正量Δωrhcmp(k)を記憶しており、カウンタ11のカウントCntに応じた値を出力する。カウンタ11は、空転状態を認識している空転フラグ=オンの期間のみ値を持つため、トルク絞り領域▲2▼において生じる速度推定の遅れ、すなわち速度差を設定しておく。
【0046】
以上の構成により、第2の実施の形態の電気車の駆動制御装置は、次のように動作する。制御上空転と認識した場合に、トルクが絞り込まれ、ロータが急減速する。このとき、推定速度ωrhには推定の遅れが生じている。そこで、予めこの領域での速度推定の遅れ、すなわち速度を時系列データとして記憶しておいた値Δωrhcmp(k)を推定速度ωrhに加算することによって推定の遅れの影響を軽減する。
【0047】
この遅れを補正された推定速度ωrhcmpに基づき空転制御を施す場合、トルク絞り領域における過剰なトルク絞りが改善され、平均加速度の向上や乗り心地の改善効果がある。また、第1の実施の形態に比べて演算量が小さく、処理装置の負荷が軽減できる。
【0048】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、速度検出器を用いずに主電動機の駆動制御を行う場合に速度推定系の遅れを補正するので、過剰なトルク絞込みを抑制し、平均加速度の向上と乗り心地の改善が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図2】逆システム特性を適用しない場合の速度推定系の周波数特性のグラフ。
【図3】上記の実施の形態による逆システム特性を適用する場合の速度推定系の周波数特性のグラフ。
【図4】速度センサ付きベクトル制御方式、速度センサレスベクトル制御方式(逆システム特性適用なし)、速度センサレスベクトル制御方式(逆システム特性適用)それぞれによる空転制御時の速度差対トルクの動作点軌跡を示す説明図。
【図5】本発明の第2の実施の形態の電気車の駆動制御装置における推定速度補正部のブロック図。
【図6】第1の従来例のブロック図。
【図7】第2の従来例のブロック図。
【図8】乾燥時、湿潤時それぞれにおける一般的なすべり速度と接線力係数との関係を示すグラフ。
【図9】一般的な空転制御部のブロック図。
【図10】一般的な空転制御時のトルク挙動の説明図。
【符号の説明】
1 VVVFインバータ
2 トルク制御部
3 空転制御部
4 誘導電動機
5 車輪
6 レール
7 推定速度補正部
9 推定速度補正量記憶部
10 加算部
11 カウンタ
12 推定速度補正量テーブル
13 加速度演算部
14 ヒシテリシスコンパレータ
15 切替器
16 トルク絞り演算部
17 減算器
18 最大空転速度演算部
19 基準速度演算部
20 減算器
21 トルク保持値演算部
Claims (4)
- VVVFインバータと、当該VVVFインバータに接続される主電動機と、速度検出器を用いずに当該主電動機の速度を推定して推定速度を得るとともに当該主電動機の出力トルクがトルク指令値に追従するような前記VVVFインバータに対するゲート指令を生成するトルク制御手段と、前記推定速度に基づきトルク指令を補正する空転制御を行う空転制御手段とを備えた電気車の駆動制御装置において、
前記トルク制御手段の出力である前記推定速度を入力とし、速度推定の遅れを補うように前記推定速度を補正する推定速度補正手段を備え、
前記空転制御手段は、当該推定速度補正手段の出力である補正された推定速度に基づき前記空転制御を行うようにしたことを特徴とする電気車の駆動制御装置。 - 請求項1に記載の電気車の駆動制御装置において、前記推定速度補正手段は、前記推定速度を入力として、実速度から推定速度までの逆伝達特性を備えたフィルタ手段を有することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
- 請求項1に記載の電気車の駆動制御装置において、前記推定速度補正手段は、前記速度推定の遅れを補正するような推定速度補正量を予め記憶した推定速度補正量記憶手段と、当該推定速度補正量記憶手段の出力と前記推定速度とを加算する加算手段とを有することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
- VVVFインバータと、当該VVVFインバータに接続される主電動機と、速度検出器を用いずに当該主電動機の速度を推定して推定速度を得るとともに当該主電動機の出力トルクがトルク指令値に追従するような前記VVVFインバータに対するゲート指令を生成するトルク制御手段と、前記推定速度に基づきトルク指令を補正する空転制御を行う空転制御手段とを備えた電気車の駆動制御装置における空転制御方法であって、
前記トルク制御手段の出力する前記推定速度を入力し、速度推定の遅れを補うように当該推定速度を補正し、
前記補正された推定速度を前記空転制御手段に入力し、前記空転制御を行うことを特徴とする電気車の駆動制御装置の空転制御方法。
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