JP4872007B2

JP4872007B2 - 電動機制御装置及び再粘着制御方法

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Publication number: JP4872007B2
Application number: JP2010065462A
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: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: JP2010183835A

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２０００−６０１９８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

第１の形態は、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を１つの仮想電動機とみなし、前記給電電流の挙動に基づいて、前記仮想電動機の負荷トルクを推定するトルク推定手段（例えば、図１の再粘着制御演算部６０）を備え、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あるいは滑走が発生した場合に、前記負荷トルクに基づく再粘着制御を行うことにより、前記駆動軸の回転速度検出手段を設けることなく再粘着制御を行う電動機制御装置である。

また、他の形態として、給電ラインに複数並列に接続された誘導電動機を１つの仮想電動機とみなし、ベクトル制御による給電によって一括して制御する際に、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あるいは滑走が発生した場合に、前記給電電流の挙動に基づいて、前記仮想電動機の負荷トルクを推定するとともに、推定した負荷トルクに応じた再粘着制御を行う再粘着制御方法を構成することとしてもよい。

この第１の形態等によれば、駆動軸の空転あるいは滑走が発生した場合に、空転あるいは滑走の発生を検知した時、発生する直前、或いは発生した直後の前記仮想電動機の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。以下簡明のため、空転あるいは滑走を検知した直前の負荷トルクを推定することとして説明するが、空転あるいは滑走の発生時あるいは発生直後の負荷トルクを推定することとしてもよい。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。

第２の形態は、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の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、前記複数の誘導電動機それぞれが駆動する駆動軸の空転あるいは滑走が発生した場合に、当該駆動軸を駆動する誘導電動機の前記負荷トルクに基づく再粘着制御を行うことにより、前記車軸の回転速度検出手段を設けることなく再粘着制御を行う電動機制御装置である。

また、他の形態として、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際に、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あるいは滑走が発生した場合に、前記複数の誘導電動機それぞれに流入する電流の挙動に基づいて、前記複数の誘導電動機それぞれの負荷トルクを推定するとともに、推定した負荷トルクに応じた再粘着制御を行う再粘着制御方法を構成することとしてもよい。

この第２の形態等によれば、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。

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。（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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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３（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。）。

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。）。

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差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。）。

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。

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。）。

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。

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。

ただし、

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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、発生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、速やかに発生トルクを空転・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（特開平１０−２５７６１１号公報）「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。

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。

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。

ここにθはＵ相電流と磁束のなす角を示す。

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。

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。

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ｑ軸電流（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の発生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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

レールへの接線力によって粘着走行していた駆動軸の空転又は滑走（以下「空転滑走」という。）の発生を検出した場合に、前記駆動軸を駆動する誘導電動機の発生トルクを変化させて再粘着と判定した後、当該発生トルクを変化前のトルク状態に向けて復帰させる再粘着制御（以下、再粘着制御のうち、再粘着後に発生トルクを復帰させる制御のことを「復帰制御」という。）を行う電動機制御装置であって、
前記誘導電動機への流入電流を用いて前記接線力に相当する負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段と、
前記駆動軸の空転滑走の発生を検出する検出手段と、
前記空転滑走の発生時あるいは発生直前の時点に前記トルク推定手段が推定した負荷トルクに基づき、負荷トルクが当該時点の負荷トルクとなるように前記発生トルクを変化させることで前記復帰制御を行う復帰制御手段と、
を備えた電動機制御装置。
前記負荷トルク推定手段は、前記誘導電動機への流入電流と、前記誘導電動機を動力として前記駆動軸を駆動する駆動系の慣性モーメントとを用いて前記接線力に相当する負荷トルクを推定する、
請求項１に記載の電動機制御装置。
前記負荷トルク推定手段は、前記誘導電動機への流入電流のうちのトルク電流成分であるトルク電流の時間変化を用いて、前記負荷トルクを推定する、
請求項１又は２に記載の電動機制御装置。
レールへの接線力によって粘着走行していた駆動軸の空転滑走の発生を検出した場合に、前記駆動軸を駆動する誘導電動機の発生トルクを変化させて再粘着と判定した後、当該発生トルクを変化前のトルク状態に向けて復帰させる再粘着制御方法であって、
前記誘導電動機への流入電流を用いて前記接線力に相当する負荷トルクを推定する負荷トルク推定ステップと、
前記空転滑走の発生時あるいは発生直前の時点に前記トルク推定ステップで推定された負荷トルクに基づき、負荷トルクが当該時点の負荷トルクとなるように前記発生トルクを変化させることで前記復帰制御を行う復帰制御ステップと、
を含む再粘着制御方法。