JP4486109B2 - 電気車の制御装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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・滑走制御を可能とする。
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。
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し、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。
Claims (3)
- 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、前記各々の電動機により駆動される車輪の回転速度を検出する手段と、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、
前記車輪の回転速度を検出する手段により検出した回転速度に基づいて、前記電力変換器を動作させる信号を出力する手段に入力する制御回転速度を演算する手段と、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、空転検知および滑走検知の期間中は前記制御回転速度の変化量を前記車両の予測加速度に基づいて抑制することを特徴とする電気車の制御装置。 - 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、前記各々の電動機により駆動される車輪の回転速度を検出する手段と、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、
前記車輪の回転速度を検出する手段により検出した回転速度に基づいて、前記電力変換器を動作させる信号を出力する手段に入力する制御回転速度を演算する手段と、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い、前記空転検知および滑走検知の期間中は前記制御回転速度の変化量を前記車両の予測加速度に基づいて抑制することを特徴とする電気車の制御装置。 - 請求項1または請求項2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は、前記予測加速度の演算に用いる時間遅れ演算手段を備え、車両の運転指令の変化信号の継続中は前記時間遅れ演算手段の時定数を通常の時定数より小さく設定し、前記予測加速度の追従性を高めることを特徴とする電気車の制御装置。
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