JP4819372B2 - 空転滑走検知手段を備えたインバータ制御車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、速度センサを用いずにインバータをベクトル制御する電気車において、空転検知、滑走検知および再粘着検知を行う装置に関する。

従来、車両駆動用誘導電動機（以下、誘導電動機という）を、速度センサを用いずにベクトル制御する方式（以下、速度センサレス制御という）で駆動する制御装置であって、１台のインバータで少なくとも１台以上の誘導電動機を駆動する制御装置において、空転検知、滑走検知および再粘着検知（以下、空転滑走検知という）を行う場合、下記の方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

（１）それぞれの誘導電動機に流入する電流を検出し、それぞれの誘導電動機間の電流を比較することにより空転滑走検知を行う方法、（２）それぞれの誘導電動機に流入する電流を検出し、電流検出値の時間変化を演算し空転滑走検知を行う方法、（３）誘導電動機に流入する電流を検出した電流検出値と、制御装置内で生成される電流指令値を比較することで空転滑走検知を行う方法などである。

これらの方法は、空転発生または滑走発生した誘導電動機の電流検出値と空転も滑走もしていない誘導電動機の電流検出値に偏差が生じることや、空転発生または滑走発生によって電流検出値と電流指令値に偏差が生じることを利用したものである。
特開２００２−１１２４０４号公報

誘導電動機を速度センサレス制御で駆動する制御装置において、上記従来技術による空転滑走検知手法を用いた場合、空転滑走検知は行えるが、各誘導電動機に流入する電流の比較、または誘導電動機に流入する電流と制御装置内で生成される電流指令値を比較することで空転滑走検知を行っているため、架線電圧変動やレール継ぎ目通過時などの電流偏差を生じる外乱が生じた場合、空転滑走を誤検知する可能性がある。また、電流偏差から空転滑走検知する場合、空転が徐々に進行する持続空転の検知が困難である可能性がある。

本発明の目的は、速度センサレス制御駆動の電気車において、空転滑走検知をより正確に行うことにある。

上記課題を解決するために、本発明は、誘導電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流検出値を座標変換により交流量から直流量の電流検出値に変換する座標変換手段と、前記直流量の電流検出値に対する電流指令値を生成する電流指令生成手段と、前記電流指令値、前記電流検出値から誘導電動機の回転速度の推定値（以下、速度推定値という）を演算する速度推定手段と、前記インバータを前記電流指令値および前記誘導電動機の速度推定値に基づきベクトル制御するベクトル制御手段とを備えたインバータ制御車両の制御装置において、誘導電動機の軸回りの質量偏差相当量を求め、空転滑走検知もしくは再粘着検知を行う空転滑走検知手段を備えた。

また、本発明は、前記インバータ制御車両の制御装置において、前記誘導電動機の軸回りの質量偏差相当量を、前記電流指令値と前記電流検出値の偏差を積分した電流偏差積分値から求め空転滑走検知または再粘着検知を行う空転滑走検知手段を備え、または、前記インバータ制御車両の制御装置において、前記電流偏差積分値と前記電流偏差を組み合わせたものを用いて誘導電動機の軸回りの質量偏差相当量を求め空転滑走検知または再粘着検知を行う空転滑走検知手段を備える。

空転発生前後の誘導電動機の様子を考える。空転発生前、誘導電動機には車両全体の質量相当の負荷がかかる。一方、空転発生時には車両を推進しないため、誘導電動機にかかる負荷は減少する。このとき、誘導電動機の実際の回転速度が急激に増加し、速度推定値は誘導電動機の実際の回転速度に遅れて追従する。その結果、誘導電動機にとっての実際のすべり周波数が減少するので、前記電流指令値のトルク成分（以下、トルク電流指令値という）と前記電流検出値のトルク成分（以下、トルク電流検出値という）に偏差が生じる。

このとき生じる電流偏差を積分し、電流偏差積分値を求めることで誘導電動機にかかる負荷の減少分つまり、質量偏差相当量を演算できる。前記質量偏差相当量に空転検知用のしきい値を設けることで空転検知が可能である。滑走検知も同様に行う。

次に、空転または滑走発生後、再粘着時の誘導電動機の様子を考える。再粘着前、誘導電動機には上記空転発生前後の誘導電動機の様子により、前記質量偏差相当量が生じる。再粘着時には、前記質量偏差相当量が減少するので、質量偏差相当量に再粘着検知用の閾値を設けることで、再粘着検知が可能である。

同様に、前記質量偏差相当量と電流偏差を組み合わせることで、空転滑走検知を行うことが出来る。

本発明では、電流偏差の積分値を用いて誘導電動機にかかる負荷の変化分つまり質量偏差相当量を演算することで空転滑走検知を行うため、外乱による空転滑走誤検知を低減できる。また、電流偏差と組み合わせることで、空転滑走検知をより正確に行うことが出来る。

以下、本発明の第１の実施例を説明する。図１は、本発明の一実施例を示す電気車の制御装置の構成である。本発明にかかるＰＷＭインバータ２により駆動制御される誘導電動機３を制御する制御装置は、電流指令生成手段４と、ノッチ指令生成手段５と、電流検出手段６と、座標変換手段７と、速度推定手段８と、ベクトル制御手段９と、空転滑走検知手段１０とを有している。

ＰＷＭインバータ２は架線１から電力を受け、誘導電動機３を駆動する。ＰＷＭインバータの出力電流は電流検出手段６で検出され、座標変換手段７によってトルク電流検出値Ｉ_ｑｆおよび励磁電流検出値Ｉ_ｄｆへと変換される。トルク電流検出値Ｉ_ｑｆは、速度推定手段８および空転滑走検知手段１０へ送られ、励磁電流検出値Ｉ_ｄｆは、速度推定手段８へ送られる。

一方、ノッチ指令生成手段５から運転指令が電流指令生成手段４へ送られ、電流指令生成手段４は、運転指令に対応したトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよび励磁電流指令値Ｉ_ｄｐに変換して出力する。トルク電流指令値Ｉ_ｑｐは、ベクトル制御手段９および速度推定手段８ならびに空転滑走検知手段１０へ送られ、励磁電流指令値Ｉ_ｄｐは、ベクトル制御手段９および速度推定手段８へ送られる。

速度推定手段８は、電流指令生成手段４から出力されるトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよび励磁電流指令値Ｉ_ｄｐならびに座標変換手段７から出力されるトルク電流検出値Ｉ_ｑｆおよび励磁電流検出値Ｉ_ｄｆを用いて、誘導電動機３の速度推定値Ｆ_ｒｃを演算する。速度推定値Ｆ_ｒｃは、ベクトル制御手段９へ送られる。

ベクトル制御手段９は、速度推定手段８の出力である速度推定値Ｆ_ｒｃと、電流指令生成手段４の出力であるトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよび励磁電流指令値Ｉ_ｄｐからＰＷＭインバータ２を制御するための電圧指令値Ｖ、電圧位相指令値θ、インバータ周波数指令値Ｆ_ｉｎｖを生成する。電圧指令値Ｖ、電圧位相指令値θ、インバータ周波数指令値Ｆ_ｉｎｖは、ＰＷＭインバータ２へ送られ、ＰＷＭインバータの制御を行う。

空転滑走検知手段１０は、電流指令生成手段４の出力であるトルク電流指令値Ｉ_ｑｐと座標変換手段７の出力であるトルク電流検出値Ｉ_ｑｆから空転滑走検知を行い、空転滑走検知したかどうかを示す空転検知フラグＦｌａｇを出力する。その構成例を図２に示す。

図２を用いて、空転検知を行う場合の空転滑走検知手段１０の構成例を説明する。空転滑走検知手段１０は、減算器１０１と、積分器１０２と、乗算器１０３と、空転検知器１０４とを有している。この空転滑走検知手段１０において、空転滑走検知手段１０に入力したトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよびトルク電流検出値Ｉ_ｑｆの偏差を減算器１０１で演算し、積分器１０２で積分演算を行う。積分器１０２の出力であるトルク電流偏差積分値に対して、トルク電流偏差積分値から質量偏差相当量Δｍに換算する係数ｋ_０１を乗算器１０３にて乗算する。

乗算器１０３の出力である質量偏差相当量Δｍと空転検知用の閾値Δｍ_０を空転検知器１０４にて比較する。Δｍ≧Δｍ_０の場合、空転が発生しているとして空転検知器１０４の出力として、空転検知フラグＦｌａｇに“１”を出力する。一方、Δｍ＜Δｍ_０の場合、空転していないとして空転滑走検知手段１０４の出力として、空転検知フラグＦｌａｇに“０”を出力する。

図２のように、本発明ではトルク電流偏差の積分値から質量偏差相当量を演算し空転検知を行っているため、架線電圧急変やレール継ぎ目通過時などトルク電流偏差を生じる外乱の影響を受けにくく、正確な空転検知が可能である。また、上記理由から速度変化の小さい持続空転も検知可能である。

以下、本発明の第２の実施例を説明する。図３を用いて、空転検知を行う場合の空転滑走検知手段１０の別の構成例を示す。空転転滑走検知手段１０は、減算器２０１と、積分器２０２と、乗算器２０３と、乗算器２０４と、空転検知器２０５と、空転検知器２０６と、論理演算器２０７とを有している。この空転検知器１０において、空転滑走検知手段１０に入力したトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよびトルク電流検出値Ｉ_ｑｆの偏差を減算器２０１で演算してトルク電流偏差を演算する。その後トルク電流偏差を積分器２０２で積分演算する。

積分器２０２の出力であるトルク電流偏差積分値に対して、トルク電流偏差積分値から質量偏差相当量Δｍに換算する係数ｋ_１１を乗算器２０３にて乗算する。乗算器２０３の出力である質量偏差相当量Δｍと空転検知用の閾値Δｍ_１を空転検知器２０５にて比較する。Δｍ≧Δｍ_１の場合、空転検知器２０５の出力として、中間値フラグ１に“１”を出力する。一方、Δｍ＜Δｍ_１の場合、空転検知器２０５の出力として、中間値フラグ１に“０”を出力する。

同様に、トルク電流偏差からトルク偏差ΔＴに換算する係数ｋ_１２を乗算器２０４にて乗算する。乗算器２０４の出力であるトルク偏差ΔＴと空転検知用の閾値ΔＴ_１を空転検知器２０６にて比較する。ΔＴ≧ΔＴ_１の場合、空転検知器２０６の出力として、中間値フラグ２に“１”を出力する。一方、ΔＴ＜ΔＴ_１の場合、空転検知器２０６の出力として、中間値フラグ２に“０”を出力する。

空転検知器２０５の出力である中間値フラグ１と空転検知器２０６の出力である中間値フラグ２の論理積または論理和を論理演算器２０７で行う。論理演算器２０７の出力を空転検知フラグＦｌａｇに“１（空転検知あり）”または“０（空転検知なし）”で出力する。

論理演算器２０７で論理積演算を行った場合、従来の空転検知方法に質量偏差相当量で閾値を設けることができるので、空転誤検知を減少させることが出来る。

論理演算器２０７で論理和演算を行った場合、従来の空転検知方法で困難であった持続空転検知を正確に行う機能を付加することが出来る。

以下、本発明の第３の実施例を説明する。図４を用いて、滑走検知を行う場合の空転滑走検知手段１０の構成例を説明する。滑走検知を行う空転滑走検知手段１０は、減算器３０１と、積分器３０２と、乗算器３０３と、滑走検知器３０４とを有している。空転滑走検知手段１０に入力したトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよびトルク電流検出値Ｉ_ｑｆの偏差を減算器３０１で演算し、積分器３０２で積分演算を行う。積分器３０２の出力であるトルク電流偏差積分値に対して、トルク電流偏差積分値から質量偏差相当量Δｍに換算する係数ｋ_２１を乗算器３０３にて乗算する。

乗算器３０３の出力である質量偏差相当量Δｍと滑走検知用の閾値Δｍ_２を滑走検知器３０４にて比較する。力行回生でトルク電流の極性が逆転する場合、滑走発生時には空転検知と逆極性のトルク電流偏差が生じる。空転発生時のトルク電流偏差を正とすると滑走検知では負のトルク電流偏差を生じるので、滑走検知の閾値Δｍ_２も負の値で設定する。Δｍ≦Δｍ_２の場合、滑走が発生しているとして滑走検知器３０４の出力として、空転検知フラグＦｌａｇに“１”を出力する。一方、Δｍ＞Δｍ_２の場合、滑走していないとして滑走検知器３０４の出力として、空転検知フラグＦｌａｇに“０”を出力する。

以下、本発明の第４の実施例を説明する。図５を用いて、滑走検知を行う空転滑走検視手段１０の別の構成例を説明する。この空転滑走検知手段１０は、減算器４０１と、積分器４０２と、乗算器４０３と、乗算器４０４と、滑走検知器４０５と、滑走検知器４０６と、論理演算器４０７とを有している。空転滑走検知手段１０に入力したトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよびトルク電流検出値Ｉ_ｑｆの偏差を減算器４０１で演算してトルク電流偏差を演算する。その後トルク電流偏差を積分器４０２で積分演算する。

積分器４０２の出力であるトルク電流偏差積分値に対して、トルク電流偏差積分値から質量偏差相当量Δｍに換算する係数ｋ_３１を乗算器４０３にて乗算する。乗算器４０３の出力である質量偏差相当量Δｍと滑走検知用の閾値Δｍ_３を滑走検知器４０５にて比較する。Δｍ≦Δｍ_３の場合、滑走検知器４０５の出力として、中間値フラグ１に“１”を出力する。一方、Δｍ＞Δｍ_３の場合、滑走検知器４０５の出力として、中間値フラグ１に“０”を出力する。

同様に、トルク電流偏差からトルク偏差ΔＴに換算する係数ｋ_３２を乗算器４０４にて乗算する。乗算器４０４の出力であるトルク偏差ΔＴと滑走検知用の閾値ΔＴ_３を滑走検知器４０６にて比較する。ΔＴ≦ΔＴ_３の場合、滑走検知器４０６の出力として、中間値フラグ２に“１”を出力する。一方、ΔＴ＞ΔＴ_３の場合、滑走検知器４０６の出力として、中間値フラグ２に“０”を出力する。

滑走検知器４０５の出力である中間値フラグ１と滑走検知器４０６の出力である中間値フラグ２の論理積または論理和を論理演算器４０７で行う。論理演算器４０７の出力を空転検知フラグＦｌａｇに“１（滑走検知あり）”または“０（滑走検知なし）”で出力する。

論理演算器４０７で論理積演算を行った場合、従来の滑走検知方法に質量偏差相当量で閾値を設けることができるので、滑走誤検知を減少させることが出来る。

論理演算器４０７で論理和演算を行った場合、従来の滑走検知方法で困難であった持続滑走検知を正確に行う機能を付加することが出来る。

以下、本発明の第５の実施例を説明する。図６を用いて再粘着検知を行う空転滑走検知手段１０の構成例を説明する。再粘着検知を行う空転滑走検知手段１０は、減算器５０１と、積分器５０２と、乗算器５０３と、絶対値演算器５０４と、再粘着検知器５０５と、条件判定機５０６とを有して構成される。空転滑走検知手段１０に入力したトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよびトルク電流検出値Ｉ_ｑｆの偏差を減算器５０１で演算し、積分器５０２で積分演算を行う。積分器５０２の出力であるトルク電流偏差積分値に対して、トルク電流偏差積分値から質量偏差相当量Δｍに換算する係数ｋ_４１を乗算器５０３にて積算する。

再粘着検知の場合、空転、滑走の両方に対応する必要があるので、質量偏差相当量Δｍの絶対値で判断する。乗算器５０３の出力である質量偏差相当量Δｍの絶対値演算を絶対値演算器５０４で行う。絶対値演算器５０４の出力｜Δｍ｜と再粘着検知用の閾値Δｍ_４を再粘着検知器５０５で比較する。再粘着時には空転または滑走により生じていた質量偏差相当量が収束するので、質量偏差相当量の絶対値がある閾値を下回った時点で再粘着検知とする。｜Δｍ｜≦Δｍ_４の場合、再粘着したとして再粘着検知器５０５の出力として、再粘着検知フラグに“１”を出力する。一方、｜Δｍ｜＞Δｍ_４の場合、再粘着していないとして再粘着検知器５０５の出力として、再粘着検知フラグに“０”を出力する。

再粘着検知は、空転または滑走発生後に行うものなので、あらかじめ空転検知フラグＦｌａｇが“１（空転発生または滑走発生）”になっていることを確認する。空転検知フラグＦｌａｇと再粘着検知フラグを用いて条件判定器５０６にて判定を行う。空転検知フラグＦｌａｇが“１”かつ再粘着検知フラグが“１”の場合、空転または滑走が収束し再粘着したとして空転検知フラグＦｌａｇに“０”を出力する。それ以外の場合、空転または滑走が再粘着していない、もしくは空転滑走していないとして、空転検知フラグＦｌａｇの値を保持する。

以下、本発明の第６の実施例を説明する。図７を用いて、再粘着検知を行う空転滑走検知手段１０の別の構成例を説明する。再粘着検知を行う空転滑走検知手段１０は、減算器６０１と、積分器６０２と、乗算器６０３と、絶対値演算器６０４と、再粘着検知器６０５と乗算器６０６と、絶対値演算器６０７と、再粘着検知器６０８と、論理演算器６０９と、条件判定機６１０を有している。空転滑走検知手段１０に入力したトルク電流指令値Ｉ_ｑｐおよびトルク電流検出値Ｉ_ｑｆの偏差を減算器６０１で演算してトルク電流偏差を演算する。その後トルク電流偏差を積分器６０２で積分演算する。

積分器６０２の出力であるトルク電流偏差積分値に対して、トルク電流偏差積分値から質量偏差相当量Δｍに換算する係数ｋ_５１を乗算器６０３にて乗算する。

乗算器６０３の出力である質量偏差相当量Δｍの絶対値演算を絶対値演算器６０４で行う。絶対値演算器６０４の出力｜Δｍ｜と再粘着検知用の閾値Δｍ_５を再粘着検知器６０５で比較する。｜Δｍ｜≦Δｍ_５の場合、再粘着したとして再粘着検知器６０５の出力として、中間値フラグ１に“１”を出力する。一方、｜Δｍ｜＞Δｍ_５の場合、再粘着していないとして再粘着検知器６０５の出力として、中間値フラグ１に“０”を出力する。

同様に、トルク電流偏差からトルク偏差ΔＴに換算する係数ｋ_５２を乗算器６０６にて乗算する。再粘着検知の場合、質量偏差相当量と同様の理由から、トルク偏差も絶対値で判断する。乗算器６０６の出力であるトルク偏差ΔＴの絶対値演算を絶対値演算器６０７で行う。絶対値演算器６０７の出力｜ΔＴ｜と再粘着検知用の閾値ΔＴ_５を再粘着検知器６０８にて比較する。｜ΔＴ｜≦ΔＴ_５の場合、再粘着検知器６０８の出力として、中間値フラグ２に“１”を出力する。一方、｜ΔＴ｜＞ΔＴ_５の場合、再粘着検知器６０８の出力として、中間値フラグ２に“０”を出力する。

再粘着検知器６０５の出力である中間値フラグ１と再粘着検知器６０８の出力である中間値フラグ２の論理積または論理和を論理演算器６０９で行う。論理演算器６０９の出力を再粘着検知フラグに“１（再粘着検知あり）”または“０（再粘着検知なし）”で出力する。

再粘着検知は、空転または滑走発生後に行うものなので、あらかじめ空転検知フラグＦｌａｇが“１（空転または滑走発生）”になっていることを確認する。空転検知フラグＦｌａｇと再粘着検知フラグを用いて条件判定器６１０にて判定を行う。空転検知フラグＦｌａｇが“１”かつ再粘着検知フラグが“１”の場合、空転または滑走が収束し再粘着したとして空転検知フラグＦｌａｇに“０”を出力する。それ以外の場合、空転または滑走が再粘着していない、もしくは空転滑走していないとして、空転検知フラグＦｌａｇの値を保持する。

インバータ制御の電気車において、空転／滑走は常に発生することであり、それを検知する技術は必須である。また、将来的に、速度センサレス制御駆動の電気車はより広く普及すると予想され、本発明の需要は高いと考える。

本発明の一実施例を示す制御装置構成図。 図１の空転滑走検知手段の構成例１（空転検知の場合）。 図１の空転滑走検知手段の構成例２（空転検知の場合）。 図１の空転滑走検知手段の構成例１（滑走検知の場合）。 図１の空転滑走検知手段の構成例２（滑走検知の場合）。 図１の空転滑走検知手段の構成例１（再粘着検知の場合）。 図１の空転滑走検知手段の構成例２（再粘着検知の場合）。

符号の説明

１…架線、２…ＰＷＭインバータ、３…誘導電動機、４…電流指令生成手段、５…ノッチ指令生成手段、６…電流検出手段、７…座標変換手段、８…速度推定手段、９…ベクトル制御手段、１０…空転滑走検知手段、１０１…減算器、１０２…積分器、１０３…乗算器、１０４…空転検知器、２０１…減算器、２０２…積分器、２０３…乗算器、２０４…乗算器、２０５…空転検知器、２０６…空転検知器、２０７…論理演算器、３０１…減算器、３０２…積分器、３０３…乗算器、３０４…滑走検知器、４０１…減算器、４０２…積分器、４０３…乗算器、４０４…乗算器、４０５…滑走検知器、４０６…滑走検知器、４０７…論理演算器、５０１…減算器、５０２…積分器、５０３…乗算器、５０４…絶対値演算器、５０５…再粘着検知器、５０６…条件判定器、６０１…減算器、６０２…積分器、６０３…乗算器、６０４…絶対値演算器、６０５…再粘着検知器、６０６…乗算器、６０７…絶対値演算器、６０８…再粘着検知器、６０９…論理演算器、６１０…条件判定器。

Claims (2)

1. 車両駆動用電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により得られた電流検出値を座標変換して交流量から直流量に変換する座標変換手段と、前記電流検出値を直流量に変換したものに対する電流指令値を生成する電流指令生成手段と、前記電流検出値を直流量に変換したもの及び前記電流指令値から前記車両駆動用電動機の回転速度の推定値を演算する速度推定手段と、前記電流指令値および前記速度推定手段から得られた速度推定値に基づいて前記インバータをベクトル制御するベクトル制御手段を備えており、
   前記電流検出値を直流量に変換したものと前記電流指令値の偏差を積分した電流偏差積分値をしきい値と比較して、空転検知または滑走検知もしくは再粘着検知を行う空転滑走検知手段を備えたインバータ制御車両の制御装置。
2. 車両駆動用電動機を駆動するインバータと、前記インバータの出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により得られた電流検出値を座標変換して交流量から直流量に変換する座標変換手段と、前記電流質量偏差相当量検出値を直流量に変換したものに対する電流指令値を生成する電流指令生成手段と、
   前記電流検出値を直流量に変換したもの及び前記電流指令値から前記車両駆動用電動機の回転速度の推定値を演算する速度推定手段と、前記電流指令値および前記速度推定手段から得られた速度推定値に基づいて前記インバータをベクトル制御するベクトル制御手段を備えており、
   前記電流検出値を直流量に変換したものと前記電流指令値の偏差をしきい値と比較した結果、及び当該偏差を積分した電流偏差積分値をしきい値と比較した結果から空転検知または滑走検知もしくは再粘着検知を行う空転滑走検知手段を備えたインバータ制御車両の制御装置。
   

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