JP4804290B2 - 電流検出手段の異常判定方法、及びその方法を用いた三相交流電動機の制御装置、並びにその装置を用いた電気車制御システム - Google Patents

Description

この発明は、三相交流電動機の回転周波数やトルクの制御電流を検出する電流検出手段の異常判定方法、及びその方法を用いた三相交流電動機の制御装置、並びにその装置を用いた電気車制御システムに関するものである。

電気車などの制御では、三相交流電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出器の何れか一つが故障した場合でも、残りの二つの電流検出器の検出値から故障している電流検出器が検出し得るであろう検出値を推定することにより制御を継続させている（例えば、特許文献１参照）。

そして、故障した電流検出器を特定するのに、直接検出される各相電流の総和が零という条件を満足しなくなったとき、三相各相に設けられた電流制御系の三相交流電流指令と前記電流検出器により検出される三つの相電流との偏差を相互に比較することによって前記三つの電流検出器の何れが故障しているかを判定することが行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−１４０００１号公報（段落０００２、図１） 特開平７−１７７６０２号公報（段落００３１、図６）

上記従来技術のように、三つの相電流にそれぞれ電流制御系を設けると、制御系が複雑となるため演算時間が増大し、マイクロコンピュータの大容量化が余儀なくされるため、コストアップになる問題点があり、また、制御装置が大型化する問題点があった。

また、鉄道車両等電気車の制御においては、電流制御系は電流検出器で検出した三相の相電流を二相に変換して、二つの電流制御器で制御するベクトル制御方式が主流となっており、そのため、上記特許文献２のような３つの電流制御系を設けて、故障した相を特定する方法を電気車の制御に適用するには制御系自体を根本的に見直す必要があり、流用性に欠けていた。

この発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、故障した電流検出手段の相を、電流制御系のような複雑な論理を用いず、四則演算のような簡単な論理構成のみで判定することにより、マイクロコンピュータの負荷低減化を図ってコスト低減すると共に、制御装置の小型化を実現する電流検出手段の異常判定方法、及びその方法を用いた三相交流電動機の制御装置、並びにその装置を用いた電気車制御システムを提供することにある。

上記の目的は、三相交流電動機の各相の電流をそれぞれ電動機の回転周波数毎にピークホールドして直流量に変換し、その直流量を相互に差分をとって、その差分の偏差を予め設定された閾値と比較することによって故障した電流検出手段を判定することにより達成される。

この発明によれば、三相交流電動機の各相に流れる電流を検出する何れかの電流検出手段が故障しているのか判定するのに、四則演算、比較等の簡単な論理構成のみで故障している電流検出手段を判定できるので、マイクロコンピュータの負荷低減を図ることができる。従って、制御装置のコストを低減すると共に、小型化を実現する効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電流検出手段の異常判定方法、及びその方法を用いた三相交流電動機の制御装置、並びにその装置を用いた電気車制御システムの好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示すブロック構成図で、この発明を電気車制御システムに適用した例を示すものである。図１に示すように、電気車駆動制御装置１は、直流電源２から供給される直流電力をＩＧＢＴ等のパワーモジュールで構成される電力変換装置３で３相交流電力に制御、変換し、三相交流電動機４に供給して所望の回転速度、または所望のトルクで駆動させ、電気車を走行させる。そして、その結果を電流検出手段５ａ、５ｂ、５ｃから電流検出手段５ａ、５ｂ、５ｃのフィードバック信号６ａ、６ｂ、６ｃとして電流切替処理部７と異常部位判定処理部８に入力する。また、回転速度検出手段９から回転速度検出手段９のフィードバック信号１０を異常部位判定処理部８に入力する。なお、電流検出手段５ａはＵ相の電流を検出し、電流検出手段５ｂはＶ相の電流を検出し、電流検出手段５ｃはＷ相の電流を検出する。

電流切替処理部７では、異常部位判定処理部８からの異常部位情報１１ａ、１１ｂ、１１ｃに基づいて、異常部位がない場合は、三相電流をそのまま電動機制御処理部１２に入力して三相交流電動機４の回転速度あるいはトルクが所望の値になるように制御を行なう。

一方、異常部位がある場合は、異常部位判定処理部８で判定された異常部位情報１１ａ、１１ｂ、１１ｃに基づいて、セレクタ１３ａ、１３ｂ、１３ｃにより健全な２相の電流値から異常となった相の電流値を演算する電流演算処理部１４ａ、１４ｂ、１４ｃの出力に切替え、同様に電動機制御処理部１２に３相の電流値を入力して制御を行なう。

例えば、Ｕ相の電流検出手段５ａが故障した場合は、異常部位判定処理部８よりＵ相故障信号１１ａが出力され、この信号により電流切替処理部７のセレクタ１３ａをオンし、電動機制御処理部１２に入力するＵ相電流フィードバック信号を電流演算処理部１４ａで演算された結果（−Ｖ−Ｗ）に切り替えて制御を継続させる。また、Ｖ相の電流検出手段５ｂが故障した場合は、Ｖ相故障信号１１ｂにより電流切替処理部７のセレクタ１３ｂをオンし、電動機制御処理部１２に入力するＶ相電流フィードバック信号を電流演算処理部１４ｂで演算された結果（−Ｕ−Ｗ）に切り替えて制御を継続させ、Ｗ相の電流検出手段５ｃが故障した場合は、Ｗ相故障信号１１ｃにより電流切替処理部７のセレクタ１３ｃをオンし、電動機制御処理部１２に入力するＷ相電流フィードバック信号を電流演算処理部１４ｃで演算された結果（−Ｕ−Ｖ）に切り替えて制御を継続させる。

また、２つ以上の電流検出手段が故障しているという信号１５が異常部位判定処理部８より出力された場合は、電流検出手段の切替処理は行なわず、無条件に装置を停止させるため、直接、電動機制御処理部１２に入力する。

次に異常部位判定処理部８について説明する。図２は異常部位判定処理部８の動作原理を説明する図である。
図２に示すように、電流検出手段５ａ、５ｂ、５ｃから検出された電流フィードバック信号６ａ、６ｂ、６ｃをそれぞれ、三相交流電動機４の回転速度を検出する回転速度検出手段９から検出された回転速度のフィードバック信号１０の周波数に同期してピークホールド処理部２０にてピークホールドし、直流量６ｄ、６ｅ、６ｆに変換する。ここで、説明のために、直流量６ｄ、６ｅ、６ｆをそれぞれＩＭＵＤ、ＩＭＶＤ、ＩＭＷＤとすると、式１に示すように第１の差分演算部となる第１の差分演算器２１ａ、２１ｂ、２１ｃにて相互の差分を演算し、さらに第１の絶対値処理部となる第１の絶対値処理器２２ａ、２２ｂ、２２ｃにて絶対値処理を施して、差分Ａ、Ｂ、Ｃを演算する。
Ａ＝|ＩＭＵＤ−ＩＭＶＤ|
Ｂ＝|ＩＭＶＤ−ＩＭＷＤ| ・・・・・（１）
Ｃ＝|ＩＭＷＤ−ＩＭＵＤ|
ここで、上記Ａ、Ｂ、Ｃは電流検出手段５ａ、５ｂ、５ｃが正常である場合は、
Ａ＝Ｂ＝Ｃ ・・・・・・・・・・・・・・（２）
となるが、電流検出手段５ａ、５ｂ、５ｃのいずれかが異常となった場合は、式２が成立しなくなる。つまり、
Ａ＝Ｃ≠Ｂ ならば Ｕ相電流検出手段５ａが異常
Ａ＝Ｂ≠Ｃ ならば Ｖ相電流検出手段５ｂが異常
Ａ≠Ｂ＝Ｃ ならば Ｗ相電流検出手段５ｃが異常
Ａ≠Ｂ≠Ｃ ならば ２相以上の電流検出手段が異常
が成立するので、故障している電流検出手段を判定することができる。

通常、三相交流電流は、電力変換装置３のスイッチングによりリップル電流が重畳しているため、三相のピーク値には多少のバラツキがある。そこで、式１に閾値を設けることにより、リップル電流による振幅のバラツキを吸収することができる。
具体的には、差分Ａ、Ｂ、Ｃをさらに第２の差分演算部となる第２の差分演算器２３ａ、２３ｂ、２３ｃにて相互の差分を演算し、第２の絶対値処理部となる第２の絶対値処理器２４ａ、２４ｂ、２４ｃにて絶対値処理を施し、差分Ａ、Ｂ、Ｃの偏差Ａ’、Ｂ’、Ｃ’を演算する。この差分Ａ、Ｂ、Ｃの偏差Ａ’、Ｂ’、Ｃ’とあらかじめ設定しておいた閾値２５ａ、２５ｂ、２５ｃを比較器２６ａ、２６ｂ、２６ｃで比較することにより故障部位信号Ｕ、Ｖ、Ｗを演算する。これにより、リップル電流による振幅のバラツキを吸収することができる。

さらに、故障部位信号Ｕ、Ｖ、Ｗを故障部位特定インデックス２７より、３つの電流検出手段５ａ、５ｂ、５ｃのうち１つが故障しているのか、２つ以上が故障しているのか、全相健全なのかを分類し、故障部位特定信号１１ａ、１１ｂ、１１ｃを電流切替処理部７に出力し、故障した相の切替処理を実施する。また、２つ以上の電流検出手段が故障している場合は、信号１５を出力して装置を停止させる。

次にピークホールド処理部２０について説明する。図３に示すように、三相交流電動機４の回転周波数３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ・・・毎に相電流３１のピーク値を回転周波数期間毎に保持し、直流量３２に変換する。具体的な手段としては、例えば５００μ秒のサンプリング処理能力を有するマイクロコンピュータであれば、
回転数周波数が１０Ｈｚの時；
１／１０（秒）÷５００μ秒＝２００サンプリング
回転数周波数が２０Ｈｚの時；
１／２０（秒）÷５００μ秒＝１００サンプリング
回転数周波数が３０Ｈｚの時；
１／３０（秒）÷５００μ秒＝６７サンプリング
回転数周波数が１００Ｈｚの時；
１／１００（秒）÷５００μ秒＝２０サンプリング
毎に最大値を出力することにより、ピークホールド処理はなされる。

以上のように、この発明による電流検出手段の異常判定方法、及びその方法を用いた三相交流電動機の制御装置によれば、故障した電流検出手段の相を、電流制御系のような複雑な論理を用いず、四則演算のような簡単な論理構成のみで判定することにより、マイクロコンピュータの負荷低減化を図ってコスト低減すると共に、制御装置の小型化を実現することができる効果がある。

また、この発明による電気車制御システムによれば、上記効果に加え、制御システムに流用性が生じ、装置自体に変更を加えることなく適用できる効果がある。

この発明による電流検出手段の異常判定方法、及びその方法を用いた三相交流電動機の制御装置、並びにその装置を用いた電気車制御システムは、電気車走行用の三相交流電動機を駆動制御する電気車制御システムに適用できる。

この発明の実施の形態１を示す電気車制御システムのブロック構成図である。 図１の異常部位判定処理部の動作原理を説明する図である。 異常部位判定処理部のピークホールド処理部の形態を示す構成図である。

符号の説明

１ 電気車駆動制御装置
２ 直流電源
３ 電力変換装置
４ 三相交流電動機
５ａ、５ｂ、５ｃ 電流検出手段
６ａ、６ｂ、６ｃ、１０ フィードバック信号
７ 電流切替処理部
８ 異常部位判定処理部
９ 回転速度検出手段
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 異常部位情報
１２ 電動機制御処理部
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ セレクタ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 電流演算処理部
１５ 信号
２０ ピークホールド処理部
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ 第１の差分演算器
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 第１の絶対値処理器
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 第２の差分演算器
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ 第２の絶対値処理器
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ 閾値
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ 比較器
２７ 故障部位特定インデックス
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ 回転周波数
３１ 相電流
３２ 直流量

Claims (3)

1. 三相交流電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出手段の何れかに異常が生じたとき、残りの電流検出手段の電流検出値から異常を生じた電流検出手段を判定する電流検出手段の異常判定方法において、
   上記三相交流電動機の回転周波数毎の瞬時ピーク値をピークホールドすることにより上記三相交流電動機の三つの相電流をそれぞれ直流量に変換し、この直流量の各々の差分を求め、この求めた差分の偏差を予め設定された閾値と比較して異常を生じた電流検出手段を判定することを特徴とする電流検出手段の異常判定方法。
2. 三相交流電動機を駆動制御する駆動制御装置と、上記三相交流電動機の各相の電流を検出し、上記駆動制御装置を制御する電流検出手段と、を含む三相交流電動機の制御装置において、
   上記駆動制御装置は、上記電流検出手段の異常部位情報を出力する異常部位判定処理部と、上記異常部位判定処理部から出力される異常部位情報により、異常と判定された電流検出手段の相の電流を残りの電流検出手段の電流検出値から算出する電流演算処理部と、を備え、
   上記異常部位判別処理部から出力される異常部位情報は、上記三相交流電動機の回転周波数毎の瞬時ピーク値をピークホールドすることにより上記三相交流電動機の三つの相電流をそれぞれ直流量に変換し、この直流量の各々の差分を演算し、この演算された各々の差分の偏差を予め設定された閾値と比較されたものであることを特徴とする三相交流電動機の制御装置。
3. 電気車を走行させる三相交流電動機と、上記三相交流電動機を駆動制御する駆動制御装置と、上記三相交流電動機の各相の電流を検出し、上記駆動制御装置を制御する電流検出手段と、を含む電気車制御システムにおいて、
   上記駆動制御装置は、上記電流検出手段の異常部位情報を出力する異常部位判定処理部と、上記異常部位判定処理部から出力される異常部位情報により、異常と判定された電流検出手段の相の電流を残りの電流検出手段の電流検出値から算出する電流演算処理部と、を備え、
   上記異常部位判別処理部は、上記三相交流電動機の回転周波数毎の瞬時ピーク値をピークホールドし、上記三相交流電動機の三つの相電流をそれぞれ直流量に変換するピークホールド処理部と、上記ピークホールド処理部で変換された直流量の各々の差分を演算する第１の差分演算部と、上記第１の差分演算部で演算された各々の差分から更にその差分を演算する第２の差分演算部と、上記第１の差分演算部で演算された差分と上記第２の差分演算部で演算された差分との偏差を、予め設定された閾値と比較し、異常部位信号とする比較部と、
   を備えたことを特徴とする電気車制御システム。

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