JP4619908B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車の駆動源である電動機の回転速度を検出せずに当該電動機を駆動制御する速度センサレス制御の電気車制御装置に関する。

電気車の駆動源となる電動機の回転速度を検出せずに電動機のトルクを制御する速度センサレス制御を適用した場合、電動機の磁束あるいは誘起電圧に基づいて回転速度，すなわちロータ回転周波数を推定している。その結果、電気車が停車中あるいはインバータの動作停止に伴って電動機の励磁が行われていない惰行中（ニュートラル状態）であるとき、速度を推定できなくなり、停車中であるのか、高速回転中であるのか、判断できなくなる。つまり、力行運転によって加速したとき、ニュートラル状態に設定すると、加速度が零となるので、電動機が停車中であるのか、高速回転中であるのか判断できない。

一般の鉄道車両では、電気車に制動力を与える手段としては、空気ブレーキと電動機の回生運転による回生ブレーキとが併用される。通常、回生ブレーキが主体となり、この回生ブレーキの不足分を補うために空気ブレーキが使用される。実際には、電気車の停止間際になったとき、回生ブレーキから空気ブレーキに切替え、この空気ブレーキを用いて最終的に停止する。

ところで、鉄道車両では、以上のようにブレーキの使い分けをしているが、ここで問題になるのは、電気車の走行速度によって回生ブレーキをかければよいのか否かを判別しなければならないことである。

通常、速度センサ付き制御においては、速度センサにより検出された回転速度に基づいて電気車の走行状態を判断すればよいが、速度センサレス制御の場合、前述したように惰行中には速度を推定できない。その結果、停車中や停止間際の惰行中にブレーキ指令が入力された場合、回生ブレーキをかけるのか、空気ブレーキをかけるのかが判断できない。このとき、ブレーキ指令の入力に基づき、不用意に回生ブレーキをかけると、空気ブレーキとの協調がとれなくなったり、回生失効などが生じ、電気車の乗り心地が劣化する。また、電気車が目標停止位置に停止できなくなる。

従って、このような走行状態から力行指令あるいはブレーキ指令を受けてインバータを始動する場合、インバータの出力周波数を回転速度，すなわちロータ回転周波数に一致させるように始動する必要がある。通常、速度センサを備えた速度センサ付きベクトル制御法を適用した電気車制御装置では、ロータ回転周波数に一致するようなインバータ出力周波数を出力させて始動する。

一方、速度センサレス制御法では、通常運転時の回転速度推定方式とは異なる概略のロータ回転周波数を推定するための制御モードが設けられ、インバータの始動直後に当該制御モードによって概略のロータ回転周波数を推定する。そして、ロータ回転周波数を概略推定した時点において、インバータから概略のロータ回転周波数推定値に相当するインバータ出力周波数を出力し、電気車の通常運転を開始する（特許文献１）。

このような速度センサレス制御を適用した電気車制御装置としては、具体的には、図４に示すように構成されている。

同図において、１はパンタグラフ、２は直流フィルタリアクトル、３は直流フィルタコンデンサであって、この直流フィルタコンデンサ３にはＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバータ（以下、単にインバータと呼ぶ）４が接続されている。このインバータ４は、インバータ制御部１０から出力されるゲート指令によって制御され、所要とするインバータ出力周波数及び交流電圧を出力し、電動機５を駆動制御する。６は電気車の車輪である。なお、インバータ４のｕ，ｗ相出力ラインには電動機５に流れる電流Iｕ，Iｗを検出する電流検出器７ｕ，７ｗが設けられている。

インバータ制御部１０においては、座標変換器１１が設けられ、ここで各電流検出器７ｕ，７ｗで検出された電動機流入電流Iｕ，Iｗ及び後記のＤ軸位相角θを用いて、ＤＱ軸電流となる励磁電流Ｉｄ，トルク電流Ｉｑに変換して出力する。

また、インバータ制御部１０には電流指令演算部１２が設けられている。電流指令演算部１２は、運転台８から出力されるブレーキ指令に基づいて励磁電流指令IｄRefとトルク電流指令IｑRefとを取り出し、電圧指令演算部１３に送出する。電圧指令演算部１３は、座標変換部１１で変換されたＤＱ軸電流である励磁電流Ｉｄ及びトルク電流Ｉｑが励磁電流指令IｄRef及びトルク電流指令IｑRefに一致するようなＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*を演算した後、それぞれ座標変換部１４及びインバータ出力周波数演算部１５に送出する。

この座標変換部１４においては、電圧指令演算部１３から送られてくるＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*を３相電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に変換した後、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御部１６に供給し、ここで、入力される各相電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*と予め設定される三角波とを個別に比較することにより、各相のゲート指令を生成し、インバータ４を構成する各相スイッチング素子を制御するものである。

一方、インバータ出力周波数演算部１５は、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*とＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑとを用いて、下記する（１）式によってＤ軸誘起電圧を求めた後、このＤ軸誘起電圧に基づいてインバータ４の出力周波数を制御するためのインバータ基準出力周波数ω１^*を求める機能をもっている。

すなわち、インバータ出力周波数演算部１５は、具体的には図５に示すように、Ｄ軸誘起電圧演算部１５ａとインバータ出力周波数制御部１５ｂとで構成される。

Ｄ軸誘起電圧演算部１５ａは、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*とＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑとを用い、下記式に基づいてＤ軸誘起電圧Ｅｄを演算し、インバータ出力周波数制御部１５ｂに供給する。

Ｅｄ＝Ｖｄ^*−Ｒ１×Ｉｄ＋ω１×σＬ１×Ｉｑ ……（１）
なお、上式において、Ｒ１：電動機５の１次抵抗、ω１：インバータ基準出力周波数ω１^*の前回値、σ：漏れ係数（＝１−Ｍ／Ｌ１／Ｌ２）、Ｌ１：電動機５の1次自己インダクタンス、Ｍは漏れインダクタンスである。

インバータ出力周波数制御部１５ｂは、Ｄ軸誘起電圧演算部１５ａから入力されるＤ軸誘起電圧Ｅｄに基づき、下記（２）式に従ってＤ軸誘起電圧Ｅｄが零となるようなインバータ基準出力周波数ω１^*を求めた後、図４に示す減算演算部１７及び積分演算部１８に供給する。

ω１^*＝−（Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ）Ｅｄ （２）
ここで、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。

以上のようにして求めたインバータ基準出力周波数ω１^*は前述したように積分演算部１８に送られ、ここでインバータ基準出力周波数ω１^*を積分し、静止座標系の基準軸Ａ軸に対するＤ軸位相角θを生成し、前述した座標変換部１１，１４に帰還入力する。

その結果、インバータ制御部１０では、速度センサを用いることなく、インバータ４の出力周波数及び出力電圧を制御することができ、ひいては電動機５のトルク制御を行うことができる。

また、インバータ制御部１０にはすべり周波数演算部１９が設けられている。このすべり周波数演算部１９は、電流指令IｄRef，IｑRefから、下式に基づいてすべり基準周波数Ｗｓ^*を演算した後、減算演算部１７に送出する。

Ｗｓ^*＝Ｒ２／Ｒ１ × IｑRef／IｄRef （３）
上式において、Ｒ２は２次時定数、Ｌ２は２次自己インダクタンスである。

減算演算部１７は、前記（２）式で演算されたインバータ基準出力周波数ω１^*とすべり周波数演算部１９で求めたすべり基準周波数Ｗｓ^*を受け取ると、インバータ基準出力周波数ω１^*からすべり基準周波数Ｗｓ^*を減算し、電動機５の回転速度に相当する速度を推定することが可能となる。図４において、ＦＲＨは電動機５の推定速度である。
特開２０００−２５３５０６号公報（図１７参照）

しかしながら、以上のような速度センサレス制御を適用した電気車制御装置では、電動機５の磁束あるいは電流指令演算部１２で取得される電流指令から求められる電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*等を用いて得られる誘起電圧に基づいて回転速度、すなわち電動機５のロータ回転周波数を推定するものであって、ゲート制御によってインバータ４を始動したときに有効なものである。

従って、前述したようにインバータ４へのゲート指令を停止し、電動機５の励磁が行われていない惰行中には電動機５の回転速度を推定することができない。その結果、停止間際の惰行中や電気車の停車中にブレーキ指令が入力された場合、回生ブレーキをするのか、しないのかの判断ができなくなる。これにより、空気ブレーキとの協調化が難しく、回生失効などが生じ、電気車の乗り心地が劣化する。また、電気車の目標停止位置への停止が難しくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電動機の回転速度を検出せずに電動機のトルクを制御する速度センサレス制御を採用しつつ、回生運転を行う際、停止間際か否かを適切に判断し、インバータの不要な起動を回避する電気車制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するインバータと、前記電動機の回転速度を検出することなくゲート指令を供給して前記インバータの出力周波数及び出力電圧を可変出力し前記電動機を駆動するインバータ制御手段とを有する電気車制御装置において、運転台から出力されるブレーキ指令から前記インバータ制御手段で使用するために求めた電流指令を用いて前記電動機の回転速度を推定する速度推定手段と、この速度推定手段で推定された推定速度と予め定めた所定速度とを比較し、当該推定速度が所定速度以下か否か、及びブレーキ指令が出力されているか否かを条件とし、空気ブレーキ領域か回生ブレーキ領域かを判定するブレーキ領域判定手段と、前記ブレーキ指令から電流指令を求める電流指令演算手段の出力側に設けられ、前記ブレーキ領域判定手段から出力される判定結果に従い、前記電流指令と予め定める零電流指令とを選択的に出力する電流指令選択手段とを設けたブレーキ可否判定手段とを備え、前記電流指令選択手段から出力される電流指令または零電流指令を前記インバータ制御手段に用いて前記ＶＶＶＦインバータを制御する電気車制御装置である。

本発明によれば、電動機の回転速度を検出せずに電動機のトルクを制御する速度センサレス制御を採用しつつ、回生運転を行う際、停止間際か否かを適切に判断でき、インバータの不要な動作を回避できる電気車制御装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る電気車制御装置の第1の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において、図４と同一部分には同一符号を付して説明する。
この実施の形態は、電動機５の回転速度を検出することなく電気車の電動機５を駆動する速度センサレス制御を適用し、１台のＶＶＶＦインバータ（以下、インバータと呼ぶ）４により１台の電動機５を駆動する駆動ユニットを１つ備えた場合の電気車制御装置の構成例である。

この電気車制御装置は、従来と同様にゲート指令を出力し、インバータ４の出力周波数及び出力電圧を可変制御するインバータ制御部１０´が設けられている。

インバータ制御部１０´は、座標変換部１１、電流指令演算部１２、電圧指令演算部１３、座標変換部１４、インバータ出力周波数演算部１５、ＰＷＭ制御部１６、減算演算部１７、積分演算部１８及びすべり周波数演算部１９が設けられている点で図４とほぼ同様な構成である。

この電気車制御装置において、特に異なるところは、ブレーキ可否判定手段２０を設けたことにある。

以下、この発明に係る電気車制御装置の構成について説明する。
座標変換部１１は、インバータ４の所要とする出力ｕ，ｗ相ラインに設けられた各電流検出器７ｕ，７ｗで検出される電動機流入電流Iｕ，Iｗ及び前述したＤ軸位相角θを用いて、ＤＱ軸電流指令である励磁電流Ｉｄ，トルク電流Ｉｑに変換して出力し、電圧指令演算部１３に供給する。

電流指令演算部１２は、運転台８から送出されるブレーキ指令を受け、ＤＱ軸座標系上の電流指令となる励磁電流指令IｄRefとトルク電流指令IｑRefとを取り出し、電圧指令演算部１３に供給する。

この電圧指令演算部１３では、電流指令演算部１２から出力される電流指令IｄRef，IｑRefと一致するような電流がインバータ４から出力するようなＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*を演算し、座標変換部１４に送り、ここでＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*に基づいて３相電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に変換してＰＷＭ制御部１６に送出する。

このＰＷＭ制御部１６では、予め設定された三角波と各相電圧指令Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*とを個別に比較して各相ゲート指令を生成し、インバータ４を構成する各相スイッチング素子を制御する。

前記インバータ出力周波数演算部１５は、前述した図４及び図５と同様な構成であって、ＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*とＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑとに基づき、前記（１）式に従ってＤ軸誘起電圧Ｅｄを求めた後、さらに前記（２）式を用いてＤ軸誘起電圧Ｅｄが零となるようなインバータ基準出力周波数ω１^*を演算し、速度推定手段となる減算演算部１７及び積分演算部１８に送出する。積分演算部１８は、インバータ基準出力周波数ω１^*を積分し、座標変換部１１，１４によって座標変換するためのＤ軸位相角θを生成する機能を有する。

一方、減算演算部１７では、インバータ出力周波数演算部１５で得られたインバータ基準出力周波数ω１^*からすべり周波数演算部１９で求めたすべり基準周波数Ｗｓ^*を減算し、電動機５の回転速度を推定し，推定速度ＦＲＨを取り出すものである。

この電気車制御装置において新たに付加されたブレーキ可否判定手段２０は、回生ブレーキ領域か空気ブレーキ領域かを判定するブレーキ領域判定手段２１と、このブレーキ領域判定手段２０の判定結果に基づいて電流指令を切替え選択する電流指令選択手段２６とで構成される。

ブレーキ領域判定手段２１は、減算演算部１７で生成された電動機５の推定速度ＦＲＨと予め定めた空気ブレーキ領域に相当する所定速度とを比較し、推定速度ＦＲＨが所定速度以下のとき“１”信号を出力し、所定速度を越えたときに“０”信号を出力する論理回路などの比較手段２２と、運転台８から出力されるブレーキ指令の反転信号を出力する論理回路などの反転手段２３と、比較手段２２から“１”を受けた時にブレーキ禁止信号として保持出力し、かつ運転台８から出力されるブレーキ指令オフ時の反転手段２３の出力を受けてブレーキ禁止解除信号を出力する例えばＲＳフリップフロップなどのブレーキ領域判定出力手段２４とが設けられている。なお、これら比較手段２２、反転手段２３及びブレーキ領域判定出力手段２４は、ハード的な論理回路だけでなく、ソフトウエア的に処理することも容易に実現できるものである。

なお、ブレーキ可否判定手段２０に用いるための推定速度としては、例えばインバータ４が動作停止時点またはブレーキ指令出力直後に推定した速度を用いるものとする。

前記電流指令選択手段２６としては、電流指令演算部１２で得られる励磁電流指令IｄRｅｆと零値とを選択する第1のスイッチ手段２７と、同じく電流指令演算部１２で得られるトルク電流指令IｑRｅｆと零値とを選択する第２のスイッチ手段２８とから成り、前記ブレーキ領域判定出力手段２４からブレーキ禁止信号を受けたときに両スイッチ手段２７，２８とも零値を選択出力し、一方、ブレーキ領域判定出力手段２４からブレーキ禁止解除信号を受けたときに両スイッチ手段２７，２８とも励磁電流指令IｄRｅｆ及びトルク電流指令IｑRｅｆを選択出力し、電圧指令演算部１３に供給する構成である。

次に、以上のように構成された電気車制御装置のうち、特にブレーキ領域の判定に関連する部分の動作について説明する。

この電気車制御装置の速度センサレス制御法では、前述したようにインバータ出力周波数演算部１５がＤＱ軸出力電圧指令Ｖｄ^*，Ｖｑ^*とＤＱ軸電流Ｉｄ，Ｉｑとを用い、前述した（１）式に基づいてＤ軸誘起電圧Ｅｄを求めた後、当該Ｄ軸誘起電圧Ｅｄに基づいて前述した（２）式に従ってＤ軸誘起電圧Ｅｄが零となるようなインバータ基準周波数ω１^*を演算し、減算演算部１７に供給する。また、すべり周波数演算部１９では、電流指令演算部１２で演算し出力される励磁電流指令ＩｄRｅｆ及びトルク電流指令IｑRefを用い、前述した（３）式に従ってすべり基準周波数Ｗｓ^*を演算し、同様に減算演算部１７に供給する。

減算演算部１７では、インバータ出力周波数演算部１５で求めたインバータ基準周波数ω１^*からすべり周波数演算部１９のすべり基準周波数Ｗｓ^*を減算し、電動機５の回転速度を推定し、推定速度ＦＲＨを求める。

そして、減算演算部１７で求めた推定速度ＦＲＨを比較手段２２に入力する。このときの推定速度ＦＲＨとしては、例えば運転台８からブレーキ指令が入力され、かつインバータ４が始動して速度推定が完了したときの速度とする。比較手段２２は、減算演算部１７から入される推定速度ＦＲＨと予め定めた所定速度とを比較し、推定速度ＦＲＨが所定速度以下になったとき、“１”信号を出力し、ブレーキ領域判定出力手段２４のＳ端子に入力する。このとき、運転台８からブレーキ指令が出ているので、ブレーキ領域判定手段２４のＲ端子には“０”信号が入っている。

ブレーキ領域判定出力手段２４は、比較手段２２から“１”信号を受け取ると、空気ブレーキ領域と判定して“１”信号を保持出力するとともに、各スイッチ手段２７，２８にブレーキ禁止信号として送出する。各スイッチ手段２７，２８は、ブレーキ禁止信号を受けると、励磁電流指令ＩｄRｅｆ及びトルク電流指令IｑRefに替えて零値を選択し、電圧演算部１３に印加することにより、インバータ４を停止する。すなわち、回生ブレーキから空気ブレーキに切替える。なお、推定速度ＦＲＨが所定速度以上の場合には比較手段２２は“０”信号を出力し、かつ運転台８からブレーキ指令が出ている場合には回生ブレーキ領域として判定する。

以上のような状態において、運転台８のブレーキ指令がオフすると、反転手段２３の反転動作によって“１”信号を出力し、ブレーキ領域判定出力手段２４のＲ端子に入力する。その結果、ブレーキ領域判定出力手段２４のＱ端子から“０”信号，つまりブレーキ禁止解除信号が出力され、前記各スイッチ手段２７，２８に送られる。ここで、各スイッチ手段２７，２８は、電流指令演算部１２の出力である励磁電流指令ＩｄRef及びトルク電流指令IｑRefを選択し、電圧演算部１３に印加し、前述した速度センサレスベクトル制御による通常運転動作に戻る。

すなわち、本発明による速度センサレスベクトル制御は、一度推定速度ＦＲＨが所定速度以下に落ちた場合、電流指令ＩｄRef，IｑRefを流さずにブレーキ指令がオフするまでの間、そのままの状態を保持する制御を行うものである。

従って、以上のような実施の形態によれば、電動機５の推定速度ＦＲＨの大きさとブレーキ指令のオン・オフとを条件とし、電流指令を制御するので、電気車の停止時、回生ブレーキから空気ブレーキに確実に切替えることができる。また、ＲＳフリップフロップなどのブレーキ領域判定出力手段２４は、ブレーキ禁止信号を保持することにより、推定速度ＦＲＨが回生ブレーキから空気ブレーキへの切替わり速度付近まで速度が落ちた場合でも、インバータ４への停止状態を保持するので、当該インバータ４が起動及び停止を繰り返すことが無くなり、不要なトルクも発生せず、安定な乗り心地を確保することができる。

さらに、電気車が車庫や検車区などの場所で小移動する場合、微速による力行とブレーキ動作との繰り返し運転となることが多い。このような運転状況下では、電気車の停止精度や乗り心地が重要視され、回生ブレーキの必要性が少ない。その意味において、推定速度ＦＲＨがインバータ４を停止させたときの速度よりも十分に低い速度にすれば、回生ブレーキをかけない制御となる。これにより、回生ブレーキと空気ブレーキとの切替わりがなくなり、停止精度、乗り心地を向上させることができる。

なお、電動機５の推定速度ＦＲＨとしては、前述したようにノッチオフ時の速度であってもよく、また経過時間による速度低下を考慮した予測速度を用いてもよい。

また、インバータ４の始動直後の初期速度推定中はトルクを出力することなく、電流指令演算部１２の出力であるトルク電流指令ＩｑRefを零値として出力してもよい。その後、初期速度の推定を完了した後に実際のトルク電流指令を出力すれば、不要なトルク電流指令が出力されず、乗り心地を損なう危険性を低減することができる。

（第２の実施の形態）
図２は本発明に係る電気車制御装置の第２の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において、図１、図４と同一部分には同一符号を付して説明する。
この実施の形態は、力行指令、ブレーキ指令及びレバーザ指令を用いて、ブレーキ可否判定手段３０を構成する点が異なる。

一般に、鉄道車両システムでは、一編成内の前・後車両に第1の運転台８ａ，第２の運転台８ｂが設置され、これら運転台８ａ，８ｂからは力行指令Ｐ、ブレーキ指令Ｂの他、運転方向を判別させるためのレバーサ指令Ｒが出力される。第１及び第２の運転台８ａ，８ｂの出力側には運転台切替え器３１が接続され、運転統括制御系（図示せず）から入力される運転台切替え指令に基づき、何れかの運転台８ａ又は８ｂの出力指令を切替え選択し、インバータ制御部１０"に入力する。

このインバータ制御部１０"は、図１に示すインバータ制御部１０´と、図１のブレーキ可否判定手段２０とは異なる構成を有するブレーキ可否判定手段３０とで構成される。そして、インバータ制御部１０"の出力側には、これらインバータ制御部１０´の出力であるゲート指令とブレーキ可否判定手段３０の出力とのアンド条件のもとに最終的なゲート指令を出力し、インバータ４を制御する例えば論理積回路などのゲート指令出力条件手段３２が接続されている。

ブレーキ可否判定手段３０は、運転台８ａまたは運転台８ｂの出力が力行指令Ｐか、またはブレーキ指令Ｂかを判定する力行／ブレーキ判定手段３３と、第１の運転台８ａまたは第２の運転台８ｂの出力であるレバーサ指令Ｒを判定出力する反転手段３４と、力行指令Ｐと反転手段３４の出力とからブレーキ可否を判定する例えばＲＳフリップフロップなどのブレーキ可否出力手段３５と、例えば論理積回路などのブレーキ認識手段３６とが設けられている。

次に、以上のように構成された実施の形態の動作について説明する。
この電気車制御装置の速度センサレスベクトル制御においては、従来例でも説明したように力行指令Ｐまたはブレーキ指令Ｂが入力されると、概略速度を推定するためにゲート指令を出力し、インバータ４を制御する。その結果、運転台８ａ，８ｂの切替え時などのように速度推定が不要な場合でもゲート指令を出力し、インバータ４を制御してしまう問題がある。

そこで、この発明における電気車制御装置では、第１及び第２の運転台８ａ，８ｂの出力側に運転台切替え器３１を設け、運転方向切替え時に出力される運転台切替え指令を取り込み、該当する運転台例えば第１の運転台８ａの力行指令Ｐまたはブレーキ指令Ｂとレバーサ指令Ｒｓを選択し、ブレーキ可否判定手段３０に送出する
ここで、ブレーキ可否判定手段３０を構成する力行／ブレーキ判定手段３３は、第１の運転台８ａから出力される指令が力行指令Ｐか、またはブレーキ指令Ｂかを判定し、力行指令Ｐであれば力行指令Ｐ信号（“１”信号）を出力し，またブレーキ指令Ｂであればブレーキ指令Ｂ信号（“０”信号）を出力する。力行／ブレーキ判定手段３３から出力された力行指令Ｐ信号（“１”信号）はブレーキ可否出力手段３５を構成する例えばＲＳフリップフロップのＳ端子に入力される。このとき、ＲＳフリップフロップのＲ端子には第１の運転台８ａから反転手段３４を通してレバーサ指令Ｒの反転信号が入力されている。

一方、力行／ブレーキ判定手段３３において、ブレーキ指令Ｂ信号（“０”信号）と判定された場合には、ブレーキ指令Ｂ信号（“０”信号）をブレーキ認識手段３６である例えば論理積回路の一方入力端に入力する。

ここで、ブレーキ可否出力手段３５は力行／ブレーキ判定手段３３から力行指令Ｐ信号（“１”信号）が入力され、また反転手段３４からレバーサ指令Ｒの反転信号が入力された場合、ブレーキを許可するためのブレーキ許可信号Ｂ−ＯＫである“１”信号を出力し、ブレーキ認識手段３６に送出する。つまり、ブレーキ可否出力手段３５は、力行指令Ｐが１”信号、レバーサ指令Ｒの反転信号が“０”信号となったとき、レバーサ指令Ｒの反転信号が“１”となるまでの間、力行指令Ｐが“０”となっても、ブレーキ許可信号Ｂ−ＯＫである“１”信号を保持し出力し続ける。

その後、レバーサ指令Ｒの反転信号が“０”→“１”になると、ブレーキ可否出力手段３５は、ブレーキを禁止するためのブレーキ禁止信号Ｂ−ＯＫである“０”信号を出力し、ブレーキ認識手段３６に送出する。その結果、ブレーキ可否出力手段３５としては、レバーサ指令Ｒの反転信号が“１”になると、再度力行指令Ｐとして“１”が入力されるまでの間、ブレーキ禁止信号Ｂ−ＯＫである“０”をそのまま保持し出力し続ける。

すなわち、ブレーキ可否出力手段３５は、第１の運転台８ａから力行指令Ｐが出力されると、Ｂ−ＯＫとして“１”信号を出力し続け、ブレーキ許可信号を出力し、その後、レバーサ指令Ｒの反転信号が“１”になったとき、ブレーキ禁止信号を出力し、第２の運転台８ｂに切替わり、力行指令が入力されるまではブレーキ許可しないようにする。

一方、ブレーキ認識手段３６では、ブレーキ可否出力手段３５からのブレーキ許可信号Ｂ−ＯＫと力行／ブレーキ判定手段３３からのブレーキ指令Ｂとのアンド（ＡＮＤ）条件をとり、ブレーキ認識信号Ｂ−ＶＶＶＦをゲート指令出力条件手段３２に送出する。また、インバータ制御部１０´で生成されるゲート指令もゲート指令出力条件手段３２に送出する。

ゲート指令出力条件手段３２は、ブレーキ認識信号Ｂ−ＶＶＶＦとインバータ制御部１０´からのゲート指令とのアンド条件をとり、最終的なゲート指令を生成し、インバータ４を制御する。

従って、以上のような実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏する他、本実施の形態における追加的な効果を奏する。すなわち、本実施の形態では、運転台８ａから運転台８ｂ（又は運転台８ｂから運転台８ａ）に切替わった場合でも、その切替わった運転台８ｂ又は８ａから力行指令Ｐが入力されるまでの間、ブレーキ操作を許可しないので、ゲート指令が出力されない。そして、その後、切替わった運転台８ｂ又は８ａから力行指令Ｐが入力されたとき、ブレーキ可否出力手段３５で力行指令Ｐである“１”を保持し、ブレーキ許可とするブレーキ許可信号Ｂ−ＯＫを出力し、運転台８ｂ又は８ａから力行／ブレーキ判定手段３３を介して出力されるブレーキ指令Ｂである“１”信号を出力したとき、ブレーキ認識手段３６が力行指令Ｐである“１”と当該ブレーキ指令Ｂである“１”とに基づいてゲート指令を出力するための許可信号をゲート指令出力条件手段３２に与える。よって、運転台運転台８ｂ又は８ａに切替わった時に発生する不要なゲート指令を確実に回避できる。

（第３の実施の形態）
図３は本発明に係る電気車制御装置の第３の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において、図１、図４と同一部分には同一符号を付して説明する。
この実施の形態は、第１の実施の形態と比較し、比較手段２２への比較入力対象が異なるものであり、その他の構成については第１の実施の形態と全く同様である。従って、第１の実施の形態と同様な部分については図１の説明に譲り、以下特に異なる部分について説明する。

本発明の速度センサレスベクトル制御では、電動機５を駆動するための速度センサは設置されていないが、電気車の運転台８（第１及び第２の運転台８ａ，８ｂも含む）やブレーキ装置、自動列車停止装置などに使用する目的で速度計４０が設置されている。

そこで、この実施の形態では、既に電気車に設置されている速度計４０を利用し、当該速度計４０から速度情報を取り出し、比較手段２２に入力する。この比較手段２２は、速度計４０からの速度情報と予め設定された所定速度とを比較し、速度情報が所定速度以下となったときに“１”信号を出力し、ブレーキ領域判定出力手段２４に入力する。このブレーキ領域判定出力手段２４は、比較手段２２から“１”信号を受け取り、かつ反転手段２３を通してブレーキ指令の反転信号である“０”信号を受けているとき、“１”信号を保持するとともに、ブレーキ禁止信号を生成し、各スイッチ手段２７，２８に送出する。これらスイッチ手段２７，２８は、第１の実施の形態で説明したようにブレーキ禁止信号を受けると、零値の電流指令を選択し、電圧指令演算部１３に入力する。よって、電気車の停止時、ブレーキ禁止信号を生成し出力することにより、回生ブレーキから空気ブレーキに確実に切替えることができる。

その他、本実施の形態における具体的な動作説明は、第１の実施の形態に既に説明しているので、ここではその説明を省略する。

従って、以上のような実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏する他、一般の電気車の編成内にインバータ駆動制御以外の使用目的で設置された速度計４０を利用することにより、比較的容易に速度情報を取り出してブレーキの切替え判断に使用することができる。なお、この種の速度計４０の速度情報は、インバータ駆動制御、ひいては電動機の駆動制御用として用いるには精度的に低いが、回生ブレーキ領域か空気ブレーキ領域かを判断するには十分な精度の速度情報である。よって、電気車の一編成内に設置される速度計４０の速度情報を利用することにより、停止精度や乗り心地をさらに向上させることができる。

その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

また、各実施の形態は可能な限り組み合わせて実施することが可能であり、その場合には組み合わせによる効果が得られる。さらに、上記各実施の形態には種々の上位，下位段階の発明が含まれており、開示された複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得るものである。例えば問題点を解決するための手段に記載される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されうることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。

本発明に係る電気車制御装置の第１の実施の形態を説明する構成図。 本発明に係る電気車制御装置の第２の実施の形態を説明する構成図。 本発明に係る電気車制御装置の第３の実施の形態を説明する構成図。 従来の速度センサレス制御を適用した電気車制御装置の構成図。 図４に示すインバータ出力周波数演算部の一具体例を示す構成図。

符号の説明

１…パンタグラフ、４…インバータ、５…電動機、６…車輪、７ｕ，７ｗ…電流検出器、８，８ａ，８ｂ…運転台、１０，１０´，１０"…インバータ制御部、１１…座標変換部、１２…電流指令演算部、１３…電圧指令演算部、１４…座標変換部、１５…インバータ出力周波数演算部、１５ａ…Ｄ軸誘起電圧演算部、１５ｂ…インバータ出力周波数制御部、１６…ＰＷＭ制御部、１７…減算演算部、１８…積分演算部、１９…すべり周波数演算部、２０…ブレーキ可否判定手段、２１…ブレーキ領域判定手段、２２…比較手段、２３…反転手段、２４…ブレーキ領域判定出力手段、２６…電流指令選択手段、２７，２８…スイッチ手段、３０…ブレーキ可否判定手段、３１…運転台切替え器、３２…ゲート指令出力条件手段、３３…力行／ブレーキ判定手段、３４…反転手段、３５…ブレーキ可否出力手段、３６…ブレーキ認識手段、４０…速度計。

Claims (7)

1. 直流電力を任意の周波数の交流電力に変換するＶＶＶＦ（可変電圧可変周波数）インバータと、電動機の回転速度を検出することなくゲート指令を供給して前記ＶＶＶＦインバータの出力周波数及び出力電圧を可変出力し前記電動機を駆動するインバータ制御手段とを有する電気車制御装置において、
   前記電動機の磁束または誘起電圧に基づいて当該電動機の回転速度を推定する速度推定手段と、
   この速度推定手段で推定された推定速度と予め定めた所定速度とを比較し、当該推定速度が所定速度以下か否か、及びブレーキ指令が出力されているか否かを条件とし、空気ブレーキ領域か回生ブレーキ領域かを判定するブレーキ領域判定手段と、前記ブレーキ指令から電流指令を求める電流指令演算手段の出力側に設けられ、前記ブレーキ領域判定手段から出力される判定結果に従い、前記電流指令と予め定める零電流指令とを選択的に出力する電流指令選択手段とを設けたブレーキ可否判定手段とを備え、
   前記電流指令選択手段から出力される電流指令または零電流指令を前記インバータ制御手段に用いて前記ＶＶＶＦインバータを制御することを特徴とする電気車制御装置。
2. 請求項１に記載の電気車制御装置において、
   前記ブレーキ領域判定手段は、前記速度推定手段で推定された推定速度と前記所定速度とを比較し、当該推定速度が所定速度以下であり、かつ前記ブレーキ指令が出力されているときに空気ブレーキ領域と判定し、前記電流指令選択手段から零電流指令を出力させ、前記ゲート指令を介して前記ＶＶＶＦインバータを停止させることを特徴とする電気車制御装置。
3. 請求項１に記載の電気車制御装置において、
   前記ブレーキ領域判定手段は、前記速度推定手段で推定された推定速度と前記所定速度とを比較し、当該推定速度が所定速度を越えており、かつ前記ブレーキ指令が出力されているときに回生ブレーキ領域と判定することを特徴とする電気車制御装置。
4. 請求項１に記載の電気車制御装置において、
   前記ブレーキ領域判定手段は、前記速度推定手段で推定された推定速度と前記所定速度とを比較し、当該推定速度が所定速度以下であり、かつ前記ブレーキ指令がオフしたとき、前記電流指令選択手段から前記電流指令を出力させ、前記ゲート指令を介して前記ＶＶＶＦインバータを制御することを特徴とする電気車制御装置。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の電気車制御装置において、
   前記速度推定手段による推定速度の取得手段に代えて、前記電気車の一編成内の電動機駆動制御以外の目的で設置される速度計から速度を取得することを特徴とする電気車制御装置。
6. 請求項１に記載の電気車制御装置において、
   前記速度推定手段で推定される速度は、前記ＶＶＶＦインバータが動作停止した時点での推定速度であることを特徴とする電気車制御装置。
7. 請求項１に記載の電気車制御装置において、
   前記速度推定手段により推定される速度は、前記ブレーキ指令出力の直後に推定される初期速度であることを特徴とする電気車制御装置。

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