JP4544709B2

JP4544709B2 - Electric motor control device

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Publication number: JP4544709B2
Application number: JP2000224213A
Authority: JP
Inventors: 朝紀渡邉; 道寛山下
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: JP2002044804A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機を動力とする電動機構における電動機制御装置およびその再粘着制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導電動機を動力とする電動機構（電車の駆動機構等）において、誘導電動機（以下、単に「電動機」という。）を制御する際に、駆動軸（電車の車軸等）の回転速度を速度センサによって検出し、検出された速度に基づいて、電動機に対する給電を制御する電動機制御装置が知られている。
【０００３】
図１０は、速度センサを用いて、空転・滑走の検出および再粘着制御を行う電動機制御装置１００の制御部の構成を示す図である。
図１０において、電動機制御装置１００は、電動機１１０（１１１〜１１４）、インバータ１２０、電流センサ１３０、ベクトル制御演算器１４０、粘着制御演算部１６０を備えている。さらに、粘着制御演算部１６０は、各電動機の回転速度（速度センサの出力信号）に基づいて空転・滑走の発生を検出する検出回路１６１を備えている。なお、電流センサ１３０からフィードバックされる電流値（Ia，Ib）は、インバータから出力される電流が電流指令に基づく値（目的値）に制御されているか否かを把握するためにのみ利用される。
【０００４】
この速度センサを用いる方式の電動機制御装置１００においては、例えば、電車の電動機を制御する場合、電車の床下の車輪間に設けられた電動機１１０（１１１〜１１４）に速度センサが備えられ、車軸を駆動する電動機１１１〜１１４の回転速度（ω_r-1〜ω_r-4）が検出される。
【０００５】
速度センサは、図示しないが、主に、電動機に組み込まれたコイルおよびコイルに発生する誘導起電力を検出する起電力検出部から構成される。そして速度センサは、検出した起電力に基づく信号（速度センサ信号）を検出回路１６１に出力する。図１１は、図１０の電動機制御装置１００に備えられる検出回路１６１の一例を示す図である。
【０００６】
電動機の速度センサによって車軸の回転速度を検出する原理は以下の通りである。速度センサは、電動機軸に嵌め込まれた歯車と、これと対向するように電動機の固定子側に固定されたコイル及び増幅器とから構成される。電動機軸が回転すると、速度センサのコイルと歯車の“山”が対向するか、或いは“谷”が対向するかによって、速度センサの歯車とコイルの間の距離が変化し、コイルのインダクタンスが変化する。このため、コイルに一定電圧を加えると、流れる電流の大きさがコイルに対向する歯車の山谷に合わせて変化する。これを増幅器にて波形整形し、コイルに対向する歯車の歯に対応した矩形波の電圧又は電流信号を得る。さらに、得られた電圧又は電気信号に基づいて所定の処理を行うことにより電動機の回転速度を検出し、検出した回転速度をさらに電動機と車軸の回転数比で割ることによって車軸速度を検出する。
【０００７】
電動機制御装置１００においては、この検出された回転速度に基づいて、粘着制御演算部１６０の検出回路１６１によって、車軸の空転・滑走が検出される。
また、このとき、粘着制御演算部１６０において誘導電動機のトルク電流を調整するための信号（トルク電流指令）がベクトル制御演算器１４０に出力され、誘導電動機１００のトルクが制御される。
【０００８】
この速度センサを用いる電動機制御装置１００には、以下のような問題があった。
速度センサが車軸の回転速度を検出する場合、車軸の歯車の歯（歯幅４ｍｍ程度）が磁束を切る際にコイルに発生する微小な誘導起電力を検出しなければならず、精密に誘導起電力の検出を行う必要があった。また、起電力検出部はＩＣ等のデバイスを多数備えているため、電動機付近のような環境条件の厳しい場所に配設された場合、故障が発生しやすかった。さらに、微小信号である速度センサ信号には、電動機１１０の制御動作に伴うノイズがのりやすく、検出回路の動作にエラーが生じやすかった。
【０００９】
また、速度センサは、上述の通りコイル等の検出機構を備えるため、比較的大型となり、車輪間の限られたスペースに配設される場合には、電動機１１０の占有スペースを圧迫することとなっていた。そのため、電動機１１０の大型化が阻まれ、電動機１１０の出力を制限する要因となっていた。
【００１０】
このような問題を解決すべく、近年、速度センサを用いない電動機制御方法が開発されつつある。
【００１１】
図１２は、複数の電動機を給電する総電流に基づいて、複数の電動機を一括して制御する電動機制御装置２００の制御部を示す概略図である。
図１２に示す電動機制御装置２００は、図１０に示す電動機制御装置１００において、速度センサを用いて車軸を駆動する電動機１１１〜１１４の回転速度を検出する代わりに、電流センサ２３０を用いて電動機２１１〜２１４を給電する総電流を検出する。そして、電流センサ２３０によって検出された総電流に基づいて、ベクトル制御演算器２４０が電動機２１１〜２１４に印加する電圧を算出し、インバータ２２０に指示信号を出力する。このようにして、インバータ２２０が電動機２１１〜２１４を１つの仮想電動機２１０として制御する。
【００１２】
この電流センサを用いる電動機制御装置２００の場合、電流センサ２３０は、もともとインバータの制御に必要なもので、速度センサがない分、電動機２１１〜２１４の大型化を図ることができ、電動機２１１〜２１４の高出力化が可能となる。また、電流センサ２３０は、一般的に耐環境性に優れている。このような利点から、電流センサと速度センサを用いる方法に代えて、電流センサのみによって電動機を制御する方法の実用化が期待されている。
【００１３】
しかし、電流センサを用いる電動機制御装置において車軸等の空転・滑走が発生した場合、従来、速度センサを用いて行われていた空転滑走検出および再粘着制御は適用できないため、適切な方法で再粘着を行う必要がある。
【００１４】
ここで、電流センサを用いる電動機制御装置のうち、現在、既に開発されているものは、上述した電動機制御装置２００と同様の、１つの制御部により複数の電動機を制御するものである。尚、この制御においては、複数の電動機を１つの電動機と仮想する。そして、当該仮想電動機を給電する電流、即ち、インバータ等から複数の電動機に流出する総電流を検出することによって、複数の電動機を制御している。そのため、仮想電動機の回転速度（より正確には仮想電動機の回転速度として想定される回転速度）を算出（想定）することは可能であるが、各電動機の回転速度の差を算出することができない。
したがって、仮想電動機の回転速度の変化に基づいて、仮想電動機の回転加速度を算出（想定）し、この回転加速度に基づいて車軸の空転あるいは滑走が検出・制御されている。
【００１５】
しかしながら、各電動機の回転速度の差を算出（想定）せず、仮想電動機の回転加速度を算出（想定）して車軸の空転あるいは滑走を検出・制御する場合、各車軸等の微少な空転あるいは滑走が検出できず、また、複数の電動機に駆動される各車軸のうちの１つが空転あるいは滑走したことを直ちに検出することができなかった。したがって、空転・滑走が発生した場合に適切な再粘着制御を行うことができなかった。
【００１６】
また、従来の他の方法としては、再粘着に要するトルクを直接推定せず、電動機の発生トルクを変動させながら、再粘着に適するトルクを探知する手法がある。しかしこの方法では、空転・滑走が発生した場合に、再粘着が迅速に行えないという問題があった。
【００１７】
本発明の課題は、速度センサを用いずに、電動機が空転・滑走した場合の再粘着制御を適切に行うことである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、
給電ラインに複数並列に接続された誘導電動機を、ベクトル制御による給電によって一括して制御する電動機制御装置であって、
前記複数の誘導電動機それぞれに流入する電流を検出する電流検出手段（例えば、図１の電流センサ３１〜３４）と、
前記電流検出手段によって検出された電流の挙動に基づいて、前記複数の誘導電動機それぞれが空転滑走した時、直前あるいは直後の車軸とレールとの接線力に相当する負荷トルクを推定するトルク推定手段（例えば、図１の粘着制御演算部６０）と、を備え、
前記電流の電流振幅の差、前記電流の位相差、前記電流の電流振幅の時間変化、前記電流の位相時間変化、前記電流の各電流ベクトルの変化及び前記電流の総電流ベクトルの変化の少なくとも１つに基づいて、前記複数の誘導電動機それぞれが駆動する駆動軸の空転滑走が発生したか否かを検出し、前記駆動軸の空転滑走が発生したことを検出した場合に行う再粘着制御において、再粘着したと判定した後、前記トルク推定手段によって推定された負荷トルクに基づくトルク電流指令値を、前記ベクトル制御を行なうベクトル制御演算部に出力することにより、前記駆動軸の回転速度検出手段を設けることなく前記空転滑走前のトルク状態に復帰させる再粘着制御を行うことを特徴としている。
【００２０】
請求項１記載の発明によれば、複数の誘導電動機のうちの一部に空転あるいは滑走が発生した場合に、当該空転あるいは滑走を検出でき、さらに、空転あるいは滑走が発生する直前の各誘導電動機の車軸とレールとの接線力に相当する負荷トルクを直接推定し、当該負荷トルクに基づいた再粘着制御を行うため、空転あるいは滑走が発生した後、迅速に再粘着させることができる。また、空転あるいは滑走後、再度の空転あるいは滑走を発生させることなく、スムーズに再粘着させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明に係る電動機制御装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
まず、構成を説明する。
図１は、本発明を適用した電動機制御装置１の制御部の構成を示す概略図である。
図１において、電動機制御装置１の制御部は、電車の誘導電動機を制御するために備えられ、主に、誘導電動機１１〜１４（以下、誘導電動機を総称して、適宜、誘導電動機１０という。）、インバータ２０、電流センサ３１〜３４（以下、電流センサを総称して、適宜、電流センサ３０という。）、ベクトル制御演算器４０、座標変換部５０、粘着制御演算部６０から構成される。
【００２６】
誘導電動機１１〜１４は、３相誘導電動機であり、インバータ２０によって、各誘導電動機のｕ，ｖ，ｗの３つの巻線に一次電圧（後述する電圧指令値）が印加されることにより、一次電流Iu，Iv，Iwがそれぞれ流入される（以下、適宜、誘導電動機１１〜１４の個別のIu，Iv，IwをそれぞれIu-11〜Iu-14，Iv-11〜Iv-14，Iw-11〜Iw-14という。また、後述するIdおよびIqについても、同様に表現する。）。すると、巻線ｕ，ｖ，ｗによって発生される回転磁界によって、回転子が回転し、回転子と連動する車軸が駆動される。また、誘導電動機１１〜１４は、インバータ２０によって、一括して制御される。
【００２７】
インバータ２０には、ベクトル制御演算器４０から、誘導電動機１１〜１４それぞれの３つの巻線ｕ，ｖ，ｗに印加する指定電圧Vu*，Vv*，Vw*（以下、「電圧指令値」という。）が入力される。そして、インバータ２０は、入力された電圧指令値に従って出力電圧を調整し、誘導電動機１１〜１４に給電する。
【００２８】
電流センサ３１〜３４は、誘導電動機１１〜１４の入力端に設けられ、各誘導電動機に流入する一次電流Iu，Iv，Iwをそれぞれ検出する。即ち、電流センサ３１〜３４は、誘導電動機１１〜１４それぞれのｕ，ｖ，ｗの３つの巻線（３相巻線）に流入する電流Iu，Iv，Iwを検出する。ここで、Iu，Iv，Iwは、電流センサ３１〜３４によって誘導電動機１１〜１４のそれぞれについて検出されるが、各誘導電動機のIu，Iv，Iwについて同様の処理がなされるため、代表して、誘導電動機１１のIu-11，Iv-11，Iw-11について説明する。なお、図１においても誘導電動機１１に係る電流のみを示し、他の誘導電動機に係る電流は図示を省略する。
【００２９】
ベクトル制御演算器４０には、座標変換部５０から誘導電動機１１〜１４に対応する電流のｄ軸，ｑ軸成分Id-11〜Id-14，Iq-11〜Iq-14がそれぞれ入力され、また、不図示の電流指令演算部から電流指令値Id*，Iq*がそれぞれ入力される。
このId*，Iq*は、電流指令演算部において算出された、誘導電動機１１〜１４に入力指示される総電流ベクトルのｄ軸，ｑ軸成分をそれぞれ示す値である。ただし、Iq*には、粘着制御演算部６０から入力されるトルク電流指令値（後述）が加味された後にベクトル制御演算部４０に入力される。また、Iq-11〜Iq-14は、各誘導電動機のトルク電流成分を表している。なお、本実施の形態において、電流指令演算部は定電流制御を行うものとして説明する。この場合、各誘導電動機の負荷にばらつきが生じても、Id*，Iq*としては一定値が指示されることとなる。
【００３０】
そして、ベクトル制御演算器４０は、Id-11〜Id-14，Iq-11〜Iq-14，Id*，Iq*に基づいて、各誘導電動機のｕ，ｖ，ｗの３つの巻線に印加する電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*を算出し、インバータ２０に出力する。
【００３１】
また、ベクトル制御演算器４０は、誘導電動機１１〜１４の電流成分Id-11〜Id-14，Iq-11〜Iq-14をそれぞれ粘着制御演算部６０に出力する。
【００３２】
座標変換部５０には、電流センサ３１〜３４が検出した各誘導電動機の３相巻線のそれぞれに流入する電流値Iu，Iv，Iwのが入力される。そして、この電流値Iu，Iv，Iwを磁気的に等価なａ，ｂの２つの巻線（２相巻線）に流入する電流成分Ia，Ib（２相静止座標ａ−ｂ上の電流ベクトルの各軸成分）に２相−３相変換する。さらに、座標変換部５０は、Ia、Ibを回転子の角速度ω₁で回転するｄ−ｑ座標上の電流ベクトルの各軸成分Id，Iqに変換してベクトル制御演算器４０に出力する。
【００３３】
粘着制御演算部６０は、ベクトル制御演算器４０から誘導電動機１１〜１４の電流成分Id，Iqが入力されると、電流成分Id，Iqに基づいて、各誘導電動機が空転あるいは滑走しているか否かを判定し、空転あるいは滑走が発生している場合に、ベクトル制御演算器４０に、空転あるいは滑走を解消するためのトルク電流指令（以下、トルク電流指令により示される値をトルク電流指令値という。）を出力する。トルク電流指令は、電流指令演算部からベクトル制御演算器４０に入力される電流指令値Iq*に対し、空転・滑走が発生した場合にトルク電流を引き下げ、再粘着させるためのフィードバック信号である。
【００３４】
ここで、図２および図３を参照して、粘着制御演算部６０が各誘導電動機の電流成分Id，Iqに基づいて空転あるいは滑走を検出し、再粘着させる方法について説明する。
なお、説明を簡単にするために、電動機制御装置１によって２つの誘導電動機ｍ，ｎを制御するものとして説明する。
図２（ａ）は、空転・滑走が発生していない場合の誘導電動機ｍ，ｎに流入する電流ベクトルIm，InおよびIm，Inの和である総電流ベクトルIの関係を示すベクトル図であり、図２（ｂ）は、誘導電動機ｎが空転した場合の電流ベクトルIm，Inおよび総電流ベクトルIの関係を示すベクトル図である。また、図２におけるＶ1は、総電流ベクトルIに対する一次電圧ベクトル、φ2は、二次鎖交ベクトルであり、この二次鎖交ベクトルφ2が、ｄ軸と一致するように座標設定されている。
【００３５】
図２（ａ）、（ｂ）において、ベクトル制御演算器４０が定電流制御を行うため、総電流ベクトルIの振幅（総電流ベクトルIの長さ）は一定となる。ここで、誘導電動機ｎが空転した場合、電流ベクトルInの振幅およびｄ軸となす角が変化する。即ち、図２（ａ）の電流ベクトルInから図２（ｂ）の電流ベクトルInへ変化する。すると、（総電流ベクトルI）=（電流ベクトルIm）＋（電流ベクトルIn）であるため、電流ベクトルImが、電流ベクトルInの変化を打ち消すように変化する。その結果、総電流ベクトルIの振幅は一定となる。したがって、従来の誘導電動機ｍ，ｎを１つの仮想電動機として定電流制御する場合、総電流ベクトルIのみに基づいて空転あるいは滑走を検出するため、誘導電動機ｍ，ｎのいずれかにおいて発生した空転・滑走を検出できなかった。一方、本発明においては、各誘導電動機毎の電流ベクトルIm，Inをそれぞれ解析するため、総電流ベクトルIの振幅が変化しない場合であっても、誘導電動機ｎにおいて発生した空転あるいは滑走を検出できることとなる。
【００３６】
また、図３は、定電流制御される場合に、誘導電動機ｎが空転した際の、誘導電動機ｍ，ｎが発生するトルク（τ_e-m，τ_e-n）、実際の負荷トルク（τ_l-m，τ_l-n）および誘導電動機ｍ，ｎのｄ軸，ｑ軸電流（I_d-m，I_q-m），（I_d-n，I_q-n）の関係を示す図である。なお、図３中、τ_e-mとτ_l-mは、誘導電動機ｍが空転していないことから一致している。
図３において、時刻ｔ=１で誘導電動機ｎが空転すると、誘導電動機ｎの負荷トルクτl-nが減少する。すると、減少した負荷トルク分のトルクを下げるようにトルク電流が減少し、トルク電流の減少分（I_q-nの減少分）は、誘導電動機ｍのトルク電流の増加分（I_q-mの増加分）として配分されることとなる（図２のdIq参照）。そのため、誘導電動機ｍのトルク（τ_e-m）が増加する。この現象を放置した場合、誘導電動機ｍに過度のトルクがかかり、誘導電動機ｍも空転し得る。即ち、全軸空転が発生し得る。
【００３７】
以下、まず粘着制御演算部６０が空転あるいは滑走を検出する際の具体的な第１〜第３の方法について説明する。
第１の方法では、粘着制御演算部６０は、誘導電動機ｍ，ｎそれぞれに流入する電流振幅の差（図２のdIq）を検出し、この電流振幅の差が所定値以上となった場合に、空転あるいは滑走が発生していると判定する（図４（ａ）にこの場合の粘着制御演算部６０を示す。）。また、粘着制御演算部６０は、誘導電動機ｍ，ｎに流入する電流の位相差（図２のdθ）が所定値以上となった場合に、空転あるいは滑走が発生していると判定する（図４（ｂ）にこの場合の粘着制御演算部６０を示す。）。
【００３８】
即ち、図２において、粘着制御演算部６０は、ベクトル制御演算器４０から入力された誘導電動機ｍ，ｎの一次電流ベクトルIm，Inを解析することによって、誘導電動機ｍ，ｎに流入する電流振幅（ｑ軸成分）の差dIq（=I_q-m−I_q-n）を検出し、dIqが所定値以上の場合に空転あるいは滑走が発生したと判定する。また、粘着制御演算部６０は、ベクトル制御演算器４０から入力された誘導電動機ｍ，ｎの一次電流ベクトルIm，Inとｄ軸とがなす角θ1，θ2の差（位相差）dθを検出し、位相差dθが所定値以上の場合に空転あるいは滑走が発生したと判定する。なお、電流振幅の差に基づいて車軸の空転あるいは滑走を検出する場合、電流振幅のｄ軸成分あるいは電流ベクトルIm，Inそれぞれの全振幅の差に基づいて空転あるいは滑走を検出することも可能である（以下説明を省略するが、第２の方法（電流振幅の時間変化に基づく検出方法）および第３の方法（第１と第２の方法の組合せによる検出方法）においても同様に空転あるいは滑走の検出が可能である。）。
【００３９】
第２の方法では、粘着制御演算部６０は、誘導電動機ｍ，ｎそれぞれに流入する電流振幅の時間変化dI_q-m/dt，dI_q-n/dtを検出し、この電流振幅の時間変化が所定値以上となった場合に、空転あるいは滑走が発生したと判定する（図５（ａ）にこの場合の粘着制御演算部６０を示す。）。また、粘着制御演算部６０は、誘導電動機ｍ，ｎに流入する電流の位相時間変化が所定値以上となった場合に、空転あるいは滑走が発生したと判定する（図５（ｂ）にこの場合の粘着制御演算部６０を示す。）。
【００４０】
即ち、図２において、粘着制御演算部６０は、ベクトル制御演算器４０から入力された誘導電動機ｍ，ｎの一次電流ベクトルIm，Inを解析することによって、誘導電動機ｍ，ｎに流入する電流振幅の時間変化dI_q-m/dt，dI_q-n/dtを検出し、dI_q-m/dt，dI_q-n/dtが所定値以上の場合に空転あるいは滑走が発生したと判定する。また、粘着制御演算部６０は、位相差dθの時間変化dθ/dtを検出し、dθ/dtが所定値以上の場合に空転あるいは滑走が発生したと判定する。なお、図２より、dθ1/dtあるいはdθ2/dtを検出し、これらが所定値以上であるか否かを判定することによっても、空転あるいは滑走を検出することが可能である。
【００４１】
第３の方法では、粘着制御演算部６０は、第１および第２の方法によって検出される電流振幅の差dIqまたは位相差dθおよび電流振幅の時間変化dI_q-m/dt，dI_q-n/dtまたは位相差dθの時間変化dθ/dtが所定値以上であるか否かの条件を組み合わせて判定することによって、車軸の空転あるいは滑走を検出する（図６にこの場合の粘着制御演算部６０を示す。）。
【００４２】
例えば、電流差dIqおよび電流振幅の時間変化dI_q-m/dt，dI_q-n/dtが所定値以上である場合に空転滑走を検出することとしたり、電流の位相差dθおよび電流位相の時間変化dθ₁/dt，dθ₂/dtが所定値以上である場合および電流差dIqが所定値以上である場合にも空転滑走を検出するといった組み合わせが可能である。
【００４３】
続いて、空転あるいは滑走が発生した場合に、粘着制御演算部６０が再粘着を行う方法について説明する。
誘導電動機１０を含む駆動系の状態方程式は、以下の（１）〜（３）式で表される。
【００４４】
【数１】

【００４５】
【数２】

【００４６】
【数３】

ただし、
【数４】

【００４７】
ここで、I：一次電流ベクトル（総電流ベクトル）、V₁：一次電圧ベクトル、φ₂：２次鎖交磁束ベクトル、ω₁：一次角周波数（角速度）、ω_r：回転子角周波数（角速度）、ω_s：すべり角周波数、ｒ₁：一次抵抗、ｒ₂：二次抵抗、Ｌ₁：一次インダクタンス、Ｌ₂：二次インダクタンス、Ｍ：相互インダクタンス、Ｊ：駆動系慣性モーメントである。
【００４８】
上記（１）式より、誘導電動機ｎの車軸とレールとの接線力に相当する負荷トルクτ_l-nは、次式（４）で表される。
【００４９】
【数５】

【００５０】
（４）式において、誘導電動機ｎの発生トルクτ_e-2は、次式（５）を用いて近似できる。なお、φ_2dは、磁束指令値である。
【００５１】
【数６】

【００５２】
また、（４）式において、ｄω_r-n／ｄｔは、速度センサによって回転速度ω_rを検出しないことから、次式（６）によって推定する。
【００５３】
【数７】

【００５４】
すべり角周波数ω_s-nは、粘着走行時において、次式（７）によって表される。
【００５５】
【数８】

【００５６】
誘導電動機ｎが実際に空転した後、その空転を検知するまでの短時間においては、φ_2d-nは殆ど変化しない。そのため、すべり角周波数ω_s-nの微分形を次式（８）によって近似できる。
【００５７】
【数９】

【００５８】
（４）式に（５）〜（７）式を適用すると、空転あるいは滑走によって変化した負荷トルクτ_l-n’が推定できる。
粘着制御演算部６０は、空転・滑走が発生した場合、一旦、負荷トルクを所定値まで変化させ、再粘着したと判定した後、推定負荷トルクτ_l-n’に基づくトルク電流指令値をベクトル制御演算部４０に出力する。そして、粘着制御演算部６０は、再度空転・滑走を発生させることなく、速やかに負荷トルクを空転・滑走前のトルク状態に復帰させる。具体的な復帰方法としては、例えば特願平９−６８９８７号「電気車再粘着制御装置」の図８に開示されているものがある。したがって、空転が発生した後には、空転が発生する前の速度に到達する時間が短縮され、また、スムーズに加速できるため、空転の発生によるダイヤの乱れ、乗客の乗り心地の悪化等を防ぐことができる。また、滑走が発生した後には、速やかに滑走発生前の制動状態に復帰させることができる。
【００５９】
次に、動作を説明する。
誘導電動機１０によって電車の車軸が駆動されると、電流センサ３０によって誘導電動機１０に流入する電流値Iu，Iv，Iwが検出される。次に、座標変換部５０によって、この電流値Iu，Iv，Iwがｄ−ｑ座標上の電流ベクトル（Id，Iq）に変換され、ベクトル制御演算器４０に入力される。
【００６０】
尚、電流が平衡している場合には、Iu，Iv，Iwのうち二つを用いればよく、（Iu，Iv）より（Id，Iq）への変換式として、例えば次の式が知られている。
【数１０】

ここにθはＵ相電流と磁束のなす角を示す。
【００６１】
次に、ベクトル制御演算器４０が、電流指令演算部から入力された電流指令値Id*，Iq*および座標変換部５０から入力されたId，Iqに基づいて電圧指令値Vu*，Vv*，Vw*を算出し、インバータ２０に出力する。そして、インバータ２０によって、各誘導電動機に電圧指令値Vu*，Vv*，Vw*に基づく電圧および電流が出力される。
【００６２】
また、ベクトル制御演算器４０によってId，Iqが粘着制御演算部６０に入力され、粘着制御演算部６０によって所定方法（上記第１〜第３のいずれかの方法）による空転滑走検出が行われる。さらに、粘着制御演算部６０によって、空転・滑走発生前（上述した通り、発生時あるいは発生直後であってもよい。）の負荷トルクが推定され、再粘着後、再度の空転・滑走を発生させることなく、速やかに空転・滑走発生前の最適な負荷トルクに復帰される。
【００６３】
以上のように、本実施の形態における電動機制御装置１は、各誘導電動機の入力端に備えられた電流センサ３０によって検出された電流に基づいて、各誘導電動機に発生した空転あるいは滑走を検出する。そして、各誘導電動機に流入する負荷トルク電流Iqに基づいて、空転・滑走発生前のトルクが推定され、再粘着後、再度の空転・滑走を発生させることなく、誘導電動機１０の負荷トルクを推定トルクにまで速やかに上昇あるいは下降させる。
【００６４】
したがって、一の制御部によって複数の誘導電動機を制御する場合にも、それぞれの誘導電動機に発生する空転あるいは滑走を確実に検出できる。また、速度センサを用いて誘導電動機の回転速度を検出することなく、電流センサ３０によって検出された電流に基づいて個々の誘導電動機の空転・滑走を検出できる。
【００６５】
また、各誘導電動機に空転・滑走が発生した場合、当該誘導電動機に流入する電流に基づいて、当該誘導電動機が空転・滑走した時、直前、あるいは直後の負荷トルクが推定される。したがって、一旦空転・滑走が発生した後、再度、空転・滑走発生前の状態に復帰する時間が短縮され、スムーズに復帰させることができるため、空転・滑走の発生によるダイヤの乱れ、乗客の乗り心地の悪化を防ぐことができる。
【００６６】
なお、粘着制御演算部６０は、以下のような構成とすることも可能である。
即ち、粘着制御演算部６０は、誘導電動機１１〜１４に流入する電流Iu，Iv，Iwに基づいて、誘導電動機１１〜１４の速度を推定する。そして、粘着制御演算部６０は、内部に備える検出回路において、従来の電動機制御方法である、速度センサによって検出した誘導電動機の回転速度に基づく空転滑走検出あるいは再粘着制御において、速度センサの検出信号の代わりに、推定した速度に基づく空転滑走検出あるいは再粘着制御を行うこととしてもよい。
【００６７】
ここで、速度センサを用いないベクトル制御における速度推定の方法はいくつか知られている。例えば、１９９９年１１月に開催された「第３６回サイバネティックス利用国内シンポジウム」の論文番号５２２「速度センサレスベクトル制御の車両駆動への応用」では次式を紹介している。
【数１１】

【００６８】
図７は、推定速度に基づく空転滑走検出を行う場合の粘着制御演算部６０に備えられる検出回路の構成を示すブロック図である。図７の粘着制御演算部６０は、図１０に示す従来の検出回路において、速度センサによって検出した各誘導電動機の回転速度ｖ1〜ｖ4に代えて、誘導電動機１１〜１４に流入する電流Iu，Iv，Iwから推定した回転速度ｖ1’〜ｖ4’について、図１１の各部と同様に処理することにより空転滑走を検出する。このような構成とした場合、従来の速度センサを備えた電動機制御装置においても、本実施の形態における電流センサ３０および座標変換部５０を備え、ベクトル制御演算器４０の処理プログラム等を変更することにより、従来の検出回路を活用しつつ、ベクトル制御による適切な電動機制御を実現することができる。
【００６９】
また、本実施の形態において、粘着制御演算部６０には、ベクトル制御演算器４０から各誘導電動機の電流に関する情報（Id，Iq）が入力される構成としたが、ベクトル制御演算器４０を介さずに各誘導電動機に設けられた電流センサ３０から、直接Iu，Iv，Iwのうち少なくとも二つの電流値が入力されることとし、粘着制御演算部６０がベクトル制御演算器４０とは独立して空転・滑走を検出可能または再粘着制御可能な構成としてもよい。
【００７０】
電流Iu，Iv，Iwのうち例えばIuとIvを用いて静止座標系の電流ベクトル（I_a，I_b）を求めることができる。
【数１２】

誘導電動機ｍ、ｎの電流ベクトルを（I_a-m，I_b-m），（I_a-n，I_b-n）とすると、電流の差は例えば、｜I_a-m−I_a-n｜＋｜I_b-m−I_b-n｜や（I_a-m−I_a-n）²＋（I_b-m−I_b-n）²で表すことができ、これが一定値を超えたことをもって空転あるいは滑走と判定する。またI_a，I_bの値より電流の振幅を次式で求めることができ、これをもとに判定することとしてもよい。
【数１３】

図８は、このような構成とする場合の電動機制御装置１の制御部の一例を示す図である。
【００７１】
さらに、本実施の形態において、電流指令演算部は定電流制御を行うこととして説明したが、定電流制御でない場合にも、本発明の適用が可能である。またここでは１つのインバータより給電される電動機を２個の場合として説明したが、複数の電動機であっても同様に本発明を適用できる。図９は、図２の例（電動機制御装置１によって２つの誘導電動機ｍ，ｎを制御する例）において、定電流制御でない場合に、誘導電動機ｎが空転した際の電流ベクトルIm，Inおよび総電流ベクトルIの関係を示すベクトル図である。定電流制御でない場合、空転していない誘導電動機ｍの電流ベクトルは変化せず、空転している誘導電動機ｎの電流ベクトルのみ、その振幅および位相が変化する。したがって、各電流ベクトルIm，Inの変化あるいは総電流ベクトルIの変化を解析することによって、各誘導電動機の空転・滑走が検出できる。
【００７３】
請求項１記載の発明によれば、複数の誘導電動機のうちの一部に空転あるいは滑走が発生した場合に、当該空転あるいは滑走を検出でき、さらに、空転あるいは滑走が発生する直前の各誘導電動機の車軸とレールとの接線力に相当する負荷トルクを直接推定し、当該負荷トルクに基づいた再粘着制御を行うため、空転あるいは滑走が発生した後、迅速に再粘着させることができる。また、空転あるいは滑走後、再度の空転あるいは滑走を発生させることなく、空転滑走前のトルク状態に復帰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電動機制御装置１の制御部の構成を示す概略図である。
【図２】（ａ）は、空転・滑走が発生していない場合の電流ベクトルIm，Inおよび総電流ベクトルIの関係を示すベクトル図であり、（ｂ）は、誘導電動機ｎが空転した場合の電流ベクトルIm，Inおよび総電流ベクトルIの関係を示すベクトル図である。
【図３】定電流制御される場合に、誘導電動機ｎが空転した際の、誘導電動機ｍ，ｎが発生するトルク（τ_e-m，τ_e-n）、実際の負荷トルク（τ_l-m，τ_l-n）および誘導電動機ｍ，ｎのｄ軸，ｑ軸電流（Id-m，Iq-m），（Id-n，Iq-n）の関係を示す図である。
【図４】空転・滑走を検出する第１の方法における粘着制御演算部６０の構成図。
【図５】空転・滑走を検出する第２の方法における粘着制御演算部６０の構成図。
【図６】空転・滑走を検出する第３の方法における粘着制御演算部６０の構成図。
【図７】推定速度に基づく空転滑走検出を行う場合の粘着制御演算部６０の構成を示すブロック図である。
【図８】ベクトル制御演算器４０を介さずに、粘着制御演算部６０に電流に関する情報が入力される場合の電動機制御装置１の制御部の一例を示す図である。
【図９】図２の例（電動機制御装置１によって２つの誘導電動機ｍ，ｎを制御する例）において、定電流制御でない場合に、誘導電動機ｎが空転した際の電流ベクトルIm，Inおよび総電流ベクトルIの関係を示すベクトル図である。
【図１０】速度センサを用いて、空転・滑走の検出および再粘着制御を行う電動機制御装置１００の制御部の構成を示す図である。
【図１１】速度センサを用いる電動機制御装置１００に備えられる検出回路１６１の一例を示す図である。
【図１２】電動機を給電する総電流に基づいて複数の電動機を一括して制御する電動機制御装置２００の制御部を示す概略図である。
【符号の説明】
１，１００，２００電動機制御装置
１０（１１〜１４）誘導電動機
１１０（１１１〜１１４），２１０（２１１〜２１４）（誘導）電動機
２０，１２０，２２０インバータ
３０（３１〜３４），１３０，２３０電流センサ
４０，１４０ベクトル制御演算器
５０座標変換部
６０，１６０，２６０粘着制御演算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a motor control device in an electric mechanism powered by an induction motor and a re-adhesion control method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when an induction motor (hereinafter simply referred to as an “motor”) is controlled in an electric mechanism (such as a train drive mechanism) powered by an induction motor, the rotational speed of the drive shaft (such as a train axle) is increased. 2. Description of the Related Art An electric motor control device that detects power by a sensor and controls power supply to the electric motor based on the detected speed is known.
[0003]
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a control unit of the motor control device 100 that performs idling / sliding detection and re-adhesion control using a speed sensor.
In FIG. 10, the motor control device 100 includes a motor 110 (111 to 114), an inverter 120, a current sensor 130, a vector control calculator 140, and an adhesion control calculator 160. Furthermore, the adhesion control calculation unit 160 includes a detection circuit 161 that detects the occurrence of idling / sliding based on the rotational speed (output signal of the speed sensor) of each electric motor. The current values (Ia, Ib) fed back from the current sensor 130 are used only for grasping whether or not the current output from the inverter is controlled to a value (target value) based on the current command. .
[0004]
In the motor control device 100 using the speed sensor, for example, when controlling a train motor, the motor 110 (111 to 114) provided between the wheels under the floor of the train is provided with a speed sensor, and the axle is The rotational speeds (ω _{r-1 to} ω _r-4 ) of the electric motors 111 to 114 to be driven are detected.
[0005]
Although not shown, the speed sensor is mainly composed of a coil incorporated in the electric motor and an electromotive force detection unit that detects an induced electromotive force generated in the coil. Then, the speed sensor outputs a signal (speed sensor signal) based on the detected electromotive force to the detection circuit 161. FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the detection circuit 161 provided in the motor control device 100 of FIG.
[0006]
The principle of detecting the rotational speed of the axle by the speed sensor of the electric motor is as follows. The speed sensor includes a gear fitted to the motor shaft, and a coil and an amplifier fixed to the stator side of the motor so as to face the gear. When the motor shaft rotates, the distance between the speed sensor gear and the coil changes and the coil inductance changes depending on whether the speed sensor coil and the gear "crest" or "valley" face each other. To do. For this reason, when a constant voltage is applied to the coil, the magnitude of the flowing current changes in accordance with the peaks and troughs of the gears facing the coil. This is shaped by an amplifier to obtain a rectangular wave voltage or current signal corresponding to the gear teeth facing the coil. Further, the rotation speed of the electric motor is detected by performing predetermined processing based on the obtained voltage or electric signal, and the axle speed is detected by further dividing the detected rotation speed by the rotation speed ratio between the electric motor and the axle.
[0007]
In the electric motor control device 100, the idling / sliding of the axle is detected by the detection circuit 161 of the adhesion control calculation unit 160 based on the detected rotational speed.
At this time, a signal (torque current command) for adjusting the torque current of the induction motor is output to the vector control calculator 140 in the adhesion control calculation unit 160, and the torque of the induction motor 100 is controlled.
[0008]
The motor control device 100 using this speed sensor has the following problems.
When the speed sensor detects the rotational speed of the axle, it must detect the minute induced electromotive force generated in the coil when the gear of the axle gear (tooth width of about 4 mm) cuts off the magnetic flux, and the induced It was necessary to detect the power. In addition, since the electromotive force detection unit includes a large number of devices such as ICs, failure is likely to occur when the electromotive force detection unit is disposed in a place with severe environmental conditions such as the vicinity of an electric motor. Furthermore, the speed sensor signal, which is a minute signal, is likely to carry noise accompanying the control operation of the electric motor 110, and an error is likely to occur in the operation of the detection circuit.
[0009]
In addition, since the speed sensor includes a detection mechanism such as a coil as described above, the speed sensor is relatively large, and when the speed sensor is disposed in a limited space between the wheels, the space occupied by the motor 110 is compressed. It was. Therefore, the increase in size of the electric motor 110 is hindered, and this is a factor that limits the output of the electric motor 110.
[0010]
In order to solve such a problem, an electric motor control method not using a speed sensor has been developed in recent years.
[0011]
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a control unit of an electric motor control device 200 that collectively controls a plurality of electric motors based on a total current that supplies power to the plurality of electric motors.
An electric motor control device 200 shown in FIG. 12 uses an electric current sensor 230 to detect the electric motor 211 instead of detecting the rotational speed of the electric motors 111 to 114 that drive the axles using the speed sensor in the electric motor control device 100 shown in FIG. The total current that feeds ~ 214 is detected. Based on the total current detected by the current sensor 230, the voltage applied to the motors 211 to 214 by the vector control calculator 240 is calculated and an instruction signal is output to the inverter 220. In this way, the inverter 220 controls the electric motors 211 to 214 as one virtual electric motor 210.
[0012]
In the case of the motor control device 200 using this current sensor, the current sensor 230 is originally necessary for controlling the inverter, and the motors 211 to 214 can be increased in size by the absence of the speed sensor. Output can be increased. The current sensor 230 is generally excellent in environmental resistance. Because of such advantages, practical use of a method for controlling an electric motor only by a current sensor is expected instead of a method using a current sensor and a speed sensor.
[0013]
However, when an idling / sliding of an axle or the like occurs in an electric motor control device using a current sensor, the idling / sliding detection and re-adhesion control conventionally performed using a speed sensor cannot be applied. Need to do.
[0014]
Here, among the motor control devices that use current sensors, what has already been developed is to control a plurality of motors by a single control unit, similar to the motor control device 200 described above. In this control, a plurality of electric motors are assumed to be one electric motor. The plurality of motors are controlled by detecting the current that feeds the virtual motor, that is, the total current flowing out from the inverter or the like to the plurality of motors. Therefore, although it is possible to calculate (assuming) the rotation speed of the virtual motor (more precisely, the rotation speed assumed as the rotation speed of the virtual motor), it is not possible to calculate the difference between the rotation speeds of the motors. .
Therefore, the rotational acceleration of the virtual motor is calculated (assumed) based on the change in the rotational speed of the virtual motor, and the idling or sliding of the axle is detected and controlled based on this rotational acceleration.
[0015]
However, when calculating (assuming) the rotation acceleration of the virtual motor and detecting / controlling the idling or sliding of the axle without calculating (assuming) the difference between the rotating speeds of the respective motors, the slight idling or sliding of each axle, etc. Cannot be detected, and it has not been possible to immediately detect that one of the axles driven by the plurality of electric motors has slipped or slid. Therefore, appropriate re-adhesion control could not be performed when idling / sliding occurred.
[0016]
As another conventional method, there is a method of detecting a torque suitable for re-adhesion while varying the generated torque of the motor without directly estimating the torque required for re-adhesion. However, this method has a problem that re-adhesion cannot be performed quickly when slipping or sliding occurs.
[0017]
An object of the present invention is to appropriately perform re-adhesion control when an electric motor idles and slides without using a speed sensor.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The invention described in claim 1
An electric motor control device that collectively controls induction motors connected in parallel to a power supply line by power supply by vector control,
Current detection means (for example, current sensors 31 to 34 in FIG. 1) for detecting current flowing into each of the plurality of induction motors;
Based on the behavior of the current detected by the current detection means, when each of the plurality of induction motors is idling, a torque estimation means for estimating a load torque corresponding to the tangential force between the axle and the rail immediately before or immediately after ( For example, the adhesion control calculation unit 60) of FIG.
At least one of a difference in current amplitude of the current, a phase difference in the current, a time change in the current amplitude of the current, a phase time change in the current, a change in each current vector of the current, and a change in the total current vector of the current one on the basis, performed when run empty TenNamera the drive shaft of the plurality of induction motors respectively to drive detects whether occurring, run empty TenNamera before SL drive shaft is detected that occurs In the re-adhesion control, after determining that the re-adhesion has occurred, the torque current command value based on the load torque estimated by the torque estimating means is output to the vector control calculation unit that performs the vector control, thereby Re-adhesion control for returning to the torque state before the idling is performed without providing a rotation speed detecting means.
[0020]
According to the first aspect of the present invention, when idling or sliding occurs in a part of the plurality of induction motors, the idling or sliding can be detected, and each induction motor immediately before the idling or sliding occurs. Since the load torque corresponding to the tangential force between the axle and the rail is directly estimated and the re-adhesion control is performed based on the load torque, the re-adhesion can be performed quickly after idling or sliding. Further, after idling or sliding, it can be smoothly re-adhered without causing another idling or sliding.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of an electric motor control device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0025]
First, the configuration will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a control unit of an electric motor control device 1 to which the present invention is applied.
In FIG. 1, the control unit of the motor control device 1 is provided to control an induction motor of a train, and is mainly referred to as induction motors 11 to 14 (hereinafter, induction motors are collectively referred to as induction motors 10 as appropriate). ), An inverter 20, current sensors 31 to 34 (hereinafter, the current sensors are collectively referred to as a current sensor 30 as appropriate), a vector control calculator 40, a coordinate converter 50, and an adhesion control calculator 60.
[0026]
The induction motors 11 to 14 are three-phase induction motors. The primary voltage (voltage command value to be described later) is applied to the three windings u, v, and w of each induction motor by the inverter 20 so that the primary motors are primary. Currents Iu, Iv, and Iw are respectively introduced (hereinafter, the individual Iu, Iv, and Iw of the induction motors 11 to 14 are respectively changed to Iu-11 to Iu-14, Iv-11 to Iv-14, and Iw-11 as appropriate. It is referred to as ~ Iw-14, and Id and Iq described later are also expressed in the same manner.) Then, the rotor is rotated by the rotating magnetic field generated by the windings u, v, and w, and the axle that is linked to the rotor is driven. Further, the induction motors 11 to 14 are collectively controlled by the inverter 20.
[0027]
The inverter 20 includes designated voltages Vu *, Vv *, Vw * (hereinafter referred to as “voltage command values”) applied to the three windings u, v, w of the induction motors 11 to 14 from the vector control arithmetic unit 40. .) Is entered. Then, the inverter 20 adjusts the output voltage according to the input voltage command value and supplies power to the induction motors 11 to 14.
[0028]
Current sensors 31 to 34 are provided at the input ends of induction motors 11 to 14 and detect primary currents Iu, Iv, and Iw flowing into the induction motors, respectively. That is, the current sensors 31 to 34 detect currents Iu, Iv, and Iw that flow into the three windings (three-phase windings) of u, v, and w of the induction motors 11 to 14, respectively. Here, Iu, Iv, and Iw are detected for each of the induction motors 11 to 14 by the current sensors 31 to 34, but the same processing is performed for Iu, Iv, and Iw of each induction motor. Next, Iu-11, Iv-11, and Iw-11 of the induction motor 11 will be described. 1, only the current related to the induction motor 11 is shown, and the current related to other induction motors is not shown.
[0029]
The vector control arithmetic unit 40 is supplied with d-axis and q-axis components Id-11 to Id-14 and Iq-11 to Iq-14 corresponding to the induction motors 11 to 14 from the coordinate conversion unit 50, respectively. Current command values Id * and Iq * are input from a current command calculation unit (not shown).
These Id * and Iq * are values respectively indicating the d-axis and q-axis components of the total current vector input to the induction motors 11 to 14 and calculated by the current command calculation unit. However, a torque current command value (described later) input from the adhesion control calculation unit 60 is added to Iq * and then input to the vector control calculation unit 40. Iq-11 to Iq-14 represent torque current components of the induction motors. In the present embodiment, the current command calculation unit is described as performing constant current control. In this case, even if the load of each induction motor varies, a constant value is designated as Id * and Iq *.
[0030]
The vector control arithmetic unit 40 applies the three windings u, v, and w of each induction motor based on Id-11 to Id-14, Iq-11 to Iq-14, Id *, and Iq *. The voltage command values Vu *, Vv *, Vw * to be calculated are calculated and output to the inverter 20.
[0031]
The vector control calculator 40 outputs the current components Id-11 to Id-14 and Iq-11 to Iq-14 of the induction motors 11 to 14 to the adhesion control calculator 60, respectively.
[0032]
The coordinate converter 50 receives current values Iu, Iv, and Iw that flow into the three-phase windings of the induction motors detected by the current sensors 31 to 34, respectively. The current values Iu, Iv, and Iw are used as current components Ia and Ib (current vectors on two-phase stationary coordinates ab) flowing into two magnetically equivalent windings a and b (two-phase windings). 2 axis to 3 phase conversion to each axis component). Further, the coordinate conversion unit 50 converts Ia and Ib into the respective axis components Id and Iq of the current vector on the dq coordinate rotating at the angular velocity ω ₁ of the rotor and outputs the converted vector components to the vector control calculator 40.
[0033]
When the current components Id and Iq of the induction motors 11 to 14 are input from the vector control calculator 40, the adhesion control calculation unit 60 determines whether each induction motor is idling or sliding based on the current components Id and Iq. When the idling or sliding occurs, a torque current command (hereinafter, a value indicated by the torque current command) for eliminating the idling or sliding is referred to as a torque current command value. .) Is output. The torque current command is a feedback signal for reducing and re-adhering the torque current when idling / sliding occurs with respect to the current command value Iq * input to the vector control calculator 40 from the current command calculation unit.
[0034]
Here, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, a method in which the adhesion control calculation unit 60 detects idling or sliding based on the current components Id and Iq of each induction motor and re-adheres will be described.
In order to simplify the explanation, it is assumed that the two induction motors m and n are controlled by the motor control device 1.
FIG. 2A is a vector diagram showing the relationship of the total current vector I which is the sum of the current vectors Im, In and Im, In flowing into the induction motors m, n when no idling / sliding has occurred. FIG. 2B is a vector diagram showing the relationship between the current vectors Im and In and the total current vector I when the induction motor n idles. In FIG. 2, V1 is a primary voltage vector with respect to the total current vector I, φ2 is a secondary linkage vector, and the coordinates are set so that the secondary linkage vector φ2 coincides with the d-axis.
[0035]
2A and 2B, since the vector control computing unit 40 performs constant current control, the amplitude of the total current vector I (the length of the total current vector I) is constant. Here, when the induction motor n idles, the amplitude of the current vector In and the angle made with the d-axis change. That is, the current vector In in FIG. 2A changes to the current vector In in FIG. Then, since (total current vector I) = (current vector Im) + (current vector In), the current vector Im changes so as to cancel the change in the current vector In. As a result, the amplitude of the total current vector I is constant. Therefore, when constant current control is performed on the conventional induction motors m and n as one virtual motor, the idling / sliding generated in any one of the induction motors m and n is detected based on the total current vector I only. No gliding was detected. On the other hand, in the present invention, since the current vectors Im and In for each induction motor are analyzed, even if the amplitude of the total current vector I does not change, it is possible to detect idling or sliding that has occurred in the induction motor n. It becomes.
[0036]
FIG. 3 shows the torque (τ _em , τ _en ) generated by the induction motor m, n and the actual load torque (τ _lm , τ _ln ) when the induction motor n is idled when constant current control is performed. ) And d-axis and q-axis currents (I _dm , I _qm ), (I _dn , I _qn ) of the induction motors m and n. In FIG. 3, τ _em and τ _lm coincide with each other because the induction motor m is not idling.
In FIG. 3, when the induction motor n idles at time t = 1, the load torque τl-n of the induction motor n decreases. Then, the torque current decreases so as to decrease the torque corresponding to the reduced load torque, and the decrease in torque current (decrease in I _qn ) is the increase in torque current of the induction motor m (increase in I _qm ). (See dIq in FIG. 2). Therefore, the torque (τ _em ) of the induction motor m increases. If this phenomenon is neglected, excessive torque is applied to the induction motor m, and the induction motor m can also idle. That is, all-axis idle rotation can occur.
[0037]
Hereinafter, specific first to third methods when the adhesion control calculation unit 60 detects idling or sliding will be described first.
In the first method, the adhesion control calculation unit 60 detects a difference in current amplitude (dIq in FIG. 2) flowing into each of the induction motors m and n, and when the difference in current amplitude exceeds a predetermined value. Then, it is determined that idling or sliding occurs (FIG. 4A shows the adhesion control calculation unit 60 in this case). In addition, the adhesion control calculation unit 60 determines that idling or gliding has occurred when the phase difference (dθ in FIG. 2) of the current flowing into the induction motors m and n exceeds a predetermined value (FIG. 2). 4 (b) shows the adhesion control calculation unit 60 in this case.)
[0038]
That is, in FIG. 2, the adhesion control calculation unit 60 analyzes the primary current vectors Im and In of the induction motors m and n input from the vector control calculator 40, whereby the current amplitude flowing into the induction motors m and n is analyzed. A difference dIq (= I _qm −I _qn ) of (q-axis component) is detected, and it is determined that idling or sliding has occurred when dIq is a predetermined value or more. The adhesion control calculation unit 60 detects the difference (phase difference) dθ between the angles θ1, θ2 formed by the primary current vectors Im, In of the induction motors m, n input from the vector control calculator 40 and the d axis. When the phase difference dθ is greater than or equal to a predetermined value, it is determined that idling or sliding has occurred. When detecting the slipping or sliding of the axle based on the difference in the current amplitude, it is also possible to detect the slipping or sliding based on the difference between the d-axis component of the current amplitude or the total amplitude of each of the current vectors Im and In. In the second method (detection method based on time variation of the current amplitude) and the third method (detection method based on a combination of the first and second methods), there are also slipping or sliding similarly. Can be detected.)
[0039]
In the second method, the adhesion control calculation unit 60 detects temporal changes dI _qm / dt and dI _qn / dt of current amplitudes flowing into the induction motors m and n, and the temporal changes of the current amplitudes exceed a predetermined value. In this case, it is determined that idling or sliding has occurred (FIG. 5A shows the adhesion control calculation unit 60 in this case). In addition, the adhesion control calculation unit 60 determines that idling or sliding has occurred when the phase time change of the current flowing into the induction motors m and n becomes a predetermined value or more (in this case, as shown in FIG. 5B). The adhesion control calculating part 60 of FIG.
[0040]
That is, in FIG. 2, the adhesion control calculation unit 60 analyzes the primary current vectors Im and In of the induction motors m and n input from the vector control calculator 40, whereby the current amplitude flowing into the induction motors m and n is analyzed. , _{DI qm} / dt and dI _qn / dt are detected, and when dI _qm / dt and dI _qn / dt are equal to or greater than a predetermined value, it is determined that idling or sliding has occurred. Further, the adhesion control calculation unit 60 detects the time change dθ / dt of the phase difference dθ, and determines that idling or sliding has occurred when dθ / dt is equal to or greater than a predetermined value. From FIG. 2, it is possible to detect idling or sliding by detecting dθ1 / dt or dθ2 / dt and determining whether these are equal to or greater than a predetermined value.
[0041]
In the third method, the adhesion control calculation unit 60 performs the current amplitude difference dIq or phase difference dθ detected by the first and second methods and the time variation dI _qm / dt, dI _qn / dt or the current amplitude. By detecting a combination of whether or not the time change dθ / dt of the phase difference dθ is equal to or greater than a predetermined value, slipping or sliding of the axle is detected (FIG. 6 shows the adhesion control calculation unit 60 in this case. ).
[0042]
For example, when the current difference dIq and the time changes dI _qm / dt and dI _qn / dt of the current amplitude are equal to or greater than a predetermined value, slipping is detected, or the current phase difference dθ and the current phase time change dθ ₁ Combinations such as detecting idling are also possible when / dt and dθ ₂ / dt are greater than or equal to predetermined values and when the current difference dIq is greater than or equal to a predetermined value.
[0043]
Next, a description will be given of a method in which the adhesion control calculation unit 60 performs re-adhesion when idling or sliding occurs.
The state equation of the drive system including the induction motor 10 is expressed by the following equations (1) to (3).
[0044]
[Expression 1]

[0045]
[Expression 2]

[0046]
[Equation 3]

However,
[Expression 4]

[0047]
Where I: primary current vector (total current vector), V ₁ : primary voltage vector, φ ₂ : secondary flux linkage vector, ω ₁ : primary angular frequency (angular velocity), ω _r : rotor angular frequency (angular velocity) ), Ω _s : slip angular frequency, r ₁ : primary resistance, r ₂ : secondary resistance, L ₁ : primary inductance, L ₂ : secondary inductance, M: mutual inductance, J: drive system moment of inertia.
[0048]
From the above equation (1), the load torque τ _ln corresponding to the tangential force between the axle of the induction motor n and the rail is expressed by the following equation (4).
[0049]
[Equation 5]

[0050]
In the equation (4), the generated torque τ _e-2 of the induction motor n can be approximated using the following equation (5). Φ _2d is a magnetic flux command value.
[0051]
[Formula 6]

[0052]
Further, in equation (4), dω _rn / dt is estimated by the following equation (6) because the rotational speed ω _r is not detected by the speed sensor.
[0053]
[Expression 7]

[0054]
The slip angular frequency ω _sn is expressed by the following equation (7) during adhesion running.
[0055]
[Equation 8]

[0056]
Φ _2d-n hardly changes in a short time after the induction motor n actually slips and before the slipping is detected. Therefore, the differential form of the slip angular frequency ω _sn can be approximated by the following equation (8).
[0057]
[Equation 9]

[0058]
When the equations (5) to (7) are applied to the equation (4), the load torque τ _ln ′ changed due to idling or sliding can be estimated.
When the idling / sliding occurs, the adhesion control calculation unit 60 temporarily changes the load torque to a predetermined value and determines that the adhesion has been performed again, and then calculates the torque current command value based on the estimated load torque τ _ln ′ as a vector control calculation. To the unit 40. Then, the adhesion control calculation unit 60 quickly returns the load torque to the torque state before idling / sliding without causing idling / sliding again. As a specific return method, for example, there is one disclosed in FIG. 8 of Japanese Patent Application No. 9-68987 “Electric Vehicle Re-adhesion Control Device”. Therefore, after the idling occurs, the time to reach the speed before the idling is shortened and it can be accelerated smoothly, preventing the disturbance of the diamond due to the idling, the deterioration of the passenger comfort, etc. Can do. In addition, after the occurrence of sliding, it is possible to quickly return to the braking state before the occurrence of sliding.
[0059]
Next, the operation will be described.
When the train axle is driven by the induction motor 10, the current values Iu, Iv, and Iw flowing into the induction motor 10 are detected by the current sensor 30. Next, the current value Iu, Iv, Iw is converted into a current vector (Id, Iq) on the dq coordinate by the coordinate converter 50 and input to the vector control calculator 40.
[0060]
When the current is balanced, two of Iu, Iv, and Iw may be used. For example, the following formula is known as a conversion formula from (Iu, Iv) to (Id, Iq): ing.
[Expression 10]

Here, θ represents an angle formed by the U-phase current and the magnetic flux.
[0061]
Next, the vector control computing unit 40 determines the voltage command values Vu *, Vv *, and Vd based on the current command values Id * and Iq * input from the current command calculation unit and the Id and Iq input from the coordinate conversion unit 50. Vw * is calculated and output to the inverter 20. The inverter 20 outputs a voltage and a current based on the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * to each induction motor.
[0062]
In addition, Id and Iq are input to the adhesion control calculation unit 60 by the vector control calculator 40, and idling detection by the predetermined method (any one of the first to third methods) is performed by the adhesion control calculation unit 60. Furthermore, the adhesion control calculation unit 60 estimates a load torque before the occurrence of idling / sliding (as described above, it may be at the time of occurrence or immediately after the occurrence), and after idling again, another idling / sliding is generated. Without any problems, the load torque is quickly restored to the optimum load torque before idling / sliding.
[0063]
As described above, the motor control device 1 according to the present embodiment detects idling or gliding generated in each induction motor based on the current detected by the current sensor 30 provided at the input end of each induction motor. . Based on the load torque current Iq flowing into each induction motor, the torque before idling / sliding is estimated, and after re-adhesion, the load torque of the induction motor 10 is estimated without causing another idling / sliding. Ascend or descend quickly to torque.
[0064]
Therefore, even when a plurality of induction motors are controlled by a single control unit, it is possible to reliably detect idling or sliding that occurs in each induction motor. Further, idling / sliding of each induction motor can be detected based on the current detected by the current sensor 30 without detecting the rotation speed of the induction motor using the speed sensor.
[0065]
Further, when idling / sliding occurs in each induction motor, the load torque immediately before or immediately after the idling motor slips / slides is estimated based on the current flowing into the induction motor. Therefore, once the idling / sliding occurs, the time to return to the state before the idling / sliding is shortened again and it can be smoothly restored. Deterioration of comfort can be prevented.
[0066]
Note that the adhesion control calculation unit 60 can be configured as follows.
That is, the adhesion control calculation unit 60 estimates the speeds of the induction motors 11 to 14 based on the currents Iu, Iv, and Iw flowing into the induction motors 11 to 14. Then, the adhesion control calculation unit 60 is a detection signal of the speed sensor in the slip detection or re-adhesion control based on the rotation speed of the induction motor detected by the speed sensor, which is a conventional motor control method, in the detection circuit provided inside. Instead of this, it is also possible to perform idling detection or re-adhesion control based on the estimated speed.
[0067]
Here, several speed estimation methods in vector control without using a speed sensor are known. For example, the following equation is introduced in paper number 522 “Application of Speed Sensorless Vector Control to Vehicle Drive” of “The 36th Cybernetics Utilization National Symposium” held in November 1999.
[Expression 11]

[0068]
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a detection circuit provided in the adhesion control calculation unit 60 in the case of performing idling detection based on the estimated speed. In the conventional detection circuit shown in FIG. 10, the adhesion control calculation unit 60 of FIG. 7 replaces the rotational speeds v1 to v4 of the induction motors detected by the speed sensor with the currents Iu and Iv flowing into the induction motors 11 to 14, respectively. , Iw is detected in the same manner as each part of FIG. 11 for the rotational speeds v1 ′ to v4 ′ estimated from Iw. In the case of such a configuration, the electric motor control device provided with the conventional speed sensor is also provided with the current sensor 30 and the coordinate conversion unit 50 in the present embodiment, and the processing program of the vector control arithmetic unit 40 is changed. Thus, it is possible to realize appropriate motor control by vector control while utilizing a conventional detection circuit.
[0069]
In the present embodiment, the adhesion control calculation unit 60 is configured to receive information (Id, Iq) related to the current of each induction motor from the vector control calculation unit 40. The at least two current values of Iu, Iv, and Iw are directly input from the current sensor 30 provided in each induction motor, and the adhesion control calculation unit 60 is independent of the vector control calculation unit 40. It may be configured such that idling / sliding can be detected or re-adhesion control can be performed.
[0070]
The current vector (I _a , I _b ) in the stationary coordinate system can be obtained using, for example, Iu and Iv among the currents Iu, Iv, and Iw.
[Expression 12]

If the current vectors of the induction motors m and n are (I _am , I _bm ), (I _an , I _bn ), the current difference is, for example, | I _am −I _an | + | I _bm −I _bn | I _am −I _an ) ² + (I _bm −I _bn ) ² , and when this exceeds a certain value, it is determined as idling or sliding. Further, the current amplitude can be obtained from the values of I _a and I _b by the following equation, and the determination may be made based on this.
[Formula 13]

FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a control unit of the electric motor control device 1 having such a configuration.
[0071]
Furthermore, in the present embodiment, the current command calculation unit has been described as performing constant current control, but the present invention can also be applied to cases where constant current control is not performed. In addition, although the case where two electric motors are fed from one inverter has been described here, the present invention can be similarly applied to a plurality of electric motors. FIG. 9 shows the current vectors Im, In and the total when the induction motor n is idle in the case of non-constant current control in the example of FIG. 2 (example in which the two motors m, n are controlled by the motor control device 1). 3 is a vector diagram showing a relationship of current vector I. FIG. In the case of non-constant current control, the current vector of the induction motor m that is not idling does not change, and only the current vector of the induction motor n that is idling changes its amplitude and phase. Therefore, by analyzing changes in the current vectors Im and In or changes in the total current vector I, it is possible to detect idling and sliding of the induction motors.
[0073]
According to the first aspect of the present invention, when idling or sliding occurs in some of the plurality of induction motors, the idling or sliding can be detected, and each induction motor immediately before the idling or sliding occurs. Since the load torque corresponding to the tangential force between the axle and the rail is directly estimated and the re-adhesion control is performed based on the load torque, the re-adhesion can be performed quickly after idling or sliding. Further, after idling or sliding, it is possible to return to the torque state before idling without causing another idling or gliding.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a control unit of an electric motor control device 1 to which the present invention is applied.
FIG. 2A is a vector diagram showing the relationship between current vectors Im and In and a total current vector I when no idling / sliding occurs, and FIG. 2B shows a case where the induction motor n is idling. FIG. 6 is a vector diagram showing the relationship between current vectors Im, In and total current vector I.
FIG. 3 shows the torque (τ _em , τ _en ) generated by the induction motor m, n, the actual load torque (τ _lm , τ _ln ), and the actual load torque (τ _lm , τ _ln ) It is a figure which shows the relationship between the d-axis of the induction motors m and n, q-axis current (Id-m, Iq-m), (Id-n, Iq-n).
FIG. 4 is a configuration diagram of an adhesion control calculation unit 60 in a first method for detecting idling / sliding.
FIG. 5 is a configuration diagram of an adhesion control calculation unit 60 in a second method for detecting idling / sliding.
FIG. 6 is a configuration diagram of an adhesion control calculation unit 60 in a third method for detecting idling / sliding.
FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration of an adhesion control calculation unit 60 when performing idling detection based on an estimated speed.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a control unit of the electric motor control device 1 when information regarding current is input to the adhesion control calculation unit 60 without using the vector control calculation unit 40;
FIG. 9 shows an example of current vectors Im, In and total current when the induction motor n idles in the case of non-constant current control in the example of FIG. 2 (an example in which the two induction motors m, n are controlled by the motor control device 1). 3 is a vector diagram showing a relationship of current vector I. FIG.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a control unit of an electric motor control device 100 that performs idling / sliding detection and re-adhesion control using a speed sensor.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a detection circuit 161 provided in the electric motor control apparatus 100 using a speed sensor.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a control unit of an electric motor control apparatus 200 that collectively controls a plurality of electric motors based on a total current for supplying electric power to the electric motors.
[Explanation of symbols]
1,100,200 Motor controller 10 (11-14) Induction motor 110 (111-114), 210 (211-214) (Induction)

motor

20, 120, 220 Inverter 30 (31-34), 130, 230 Current Sensor 40, 140 Vector control calculator 50 Coordinate

converter

60, 160, 260 Adhesion control calculator

Claims

An electric motor control device that collectively controls induction motors connected in parallel to a power supply line by power supply by vector control,
Current detection means for detecting current flowing into each of the plurality of induction motors;
Based on the behavior of the current detected by the current detection means, when each of the plurality of induction motors idles or slides (hereinafter referred to as “idling” in the claims), the axle and rail immediately before or immediately after Torque estimation means for estimating a load torque corresponding to the tangential force of
At least one of a difference in current amplitude of the current, a phase difference in the current, a change in time of the current amplitude of the current, a change in phase time of the current, a change in each current vector of the current, and a change in the total current vector of the current one on the basis, performed when run empty TenNamera the drive shaft of the plurality of induction motors respectively to drive detects whether occurring, run empty TenNamera before SL drive shaft is detected that occurs In the re-adhesion control, after determining that the re-adhesion has occurred, the torque current command value based on the load torque estimated by the torque estimating means is output to the vector control calculation unit that performs the vector control, thereby An electric motor control device for performing re-adhesion control for returning to the torque state before idling without providing a rotation speed detecting means.