JP5349121B2

JP5349121B2 - 車両用同期機制御装置

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Publication number: JP5349121B2
Application number: JP2009095960A
Authority: JP
Inventors: 康滋椋木; 雅樹河野; 聖東
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: JP2010252412A

Description

この発明は、車両用同期機制御装置に関し、特には、系統電源から車両用同期機への電力供給が一時的に停止した場合でも車両運転を円滑に行えるようにした車両用同期機制御装置に関する。

一般に、車両用同期機としては、負荷変動に対しても回転速度を一定に保つことが容易で、またインバータ制御により可変速制御を行える等の理由で永久磁石同期電動機が広く使用されている。この永久磁石同期電動機（以下、単に同期電動機と称する）は、回転子に装備された永久磁石によって励磁する方式であるため、同期電動機自身が回転数に比例した誘起電圧を発生する。このため、高速運転になるほど誘起電圧は高い値を持つことになる。

ここで、同期電動機の誘起電圧が高速運転中にインバータの出力電圧を越えると、電流位相制御が適切に行えなくなる。そのため、通常は、インバータを制御することで、永久磁石による磁束を打ち消すような磁束が電機子巻線で発生するような界磁電流を流す、いわゆる弱め界磁制御を行い、常に誘起電圧がインバータの出力電圧以下になるように抑制して高速域での制御を継続できるようにしている。

ところで、同期電動機を備えた電気車両は、上記の弱め界磁制御を実施して高速運転を行っている途中で、電力供給が停止することがある。このような電力供給が途中で停止する原因としては、落雷等の自然災害の他に、交流き電区分所（セクション）で発生する数百ｍｓ程度の電力中断（以下、セクション停電と称する）がある。このセクション停電は、変電設備上、不可避であるため、このセクション停電が生じた場合にも電気車両が円滑に走行されるように何らかの対策を講じる必要がある。

そのため、従来技術では、停電を検知すると、基本トルク電流指令を一旦ゼロ電流指令に切替えた後、インバータの直流電圧値および同期電動機の回転速度に基づいて、新たにトルク電流指令と磁束電流指令とを生成することで、インバータの直流電圧を一定値に保持しつつ、弱め界磁制御を行って電気車両が円滑に走行されるようにしたり、あるいは、インバータの直流電圧指令値を追加入力し、停電を検知すると、基本トルク電流指令を一旦ゼロ電流指令に切替えた後、インバータの直流電圧値とインバータ直流電圧指令値との偏差および同期電動機の回転速度から、新たにトルク電流指令と磁束電流指令を生成することで、インバータ直流電圧を一定値に保持しつつ、弱め界磁制御を行って電気車両が円滑に走行されるようにしたものが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２００８−２２８５４０号公報（第７頁、第５図）

上述の特許文献１記載の従来技術は、セクション停電が発生した場合のインバータ素子の保護および同期電動機の運転継続に対しては有る程度有効であるが、停電発生に伴って基本トルク電流指令を一旦ゼロ電流指令に切り替えた後に、新たにトルク電流指令と磁束電流指令とを生成するため、制御系が複雑である。そのため、必然的に制御動作の安定性や応答性に欠けるとともに、制御系を構成するためにコストが高くなる等の課題がある。さらに、系統電力が復電した場合の制御に関しては何ら想定されていない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、車両用の同期機に電力を供給する系統電力が一時的に停電した場合でも、従来よりも簡素な制御系で当該同期機の運転を円滑に継続することができ、また、系統電源からの供給が再開された場合には、通常の高速運転に速やかに復帰することが可能な車両用同期機制御装置を提供することを目的とする。

本発明の車両用同期機制御装置は、系統電源から受電した交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、このコンバータの出力側に接続された平滑用のコンデンサと、上記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して永久磁石同期機に供給するインバータと、このインバータを制御する制御手段と、上記系統電源からの電力供給の停止を検出する停電検出器とを備え、上記制御手段は、上記インバータが力行モードで弱め界磁制御により永久磁石同期機を高速運転している途中で上記停電検出器によって電力供給停止が検出された場合、これに応じて、上記コンバータの動作を停止させるとともに、上記インバータに対して、上記永久磁石同期機の誘起電圧が上記コンデンサの直流電圧を超えないように上記弱め界磁制御を継続し、かつ上記弱め界磁制御を継続する制御は、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流を電力供給停止直前の設定値を保持する制御であることを特徴としている。

また、本発明の車両用同期機制御装置は、系統電源から受電した交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、このコンバータの出力側に接続された平滑用のコンデンサと、上記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して永久磁石同期機に供給するインバータと、このインバータを制御する制御手段と、上記系統電源からの電力供給の停止を検出する停電検出器とを備え、上記制御手段は、上記インバータが回生モードで上記永久磁石同期機にブレーキトルクが発生している途中で上記停電検出器によって電力供給停止が検出された場合、これに応じて、上記コンバータの動作を停止させるとともに、ｄｑ座標系におけるｑ軸電流を一定に保ちながら、上記インバータの発生する電力が零になるように制御するものであることを特徴としている。

本発明によれば、同期機に電力を供給する系統電力が一時的に停電した場合でも、従来よりも簡素な制御系で当該同期機の運転を円滑に継続することができ、また、系統電源からの供給が再開された場合には、通常の高速運転に速やかに復帰することができる。したがって、制御系の動作の安定性や応答性が高くなり、高速化、低コスト化が可能となる。

本発明の実施の形態１における車両用同期機制御装置の構成図である。同装置の制御演算部の動作ブロック図である。同装置の動作説明に供するタイミングチャートである。本発明の実施の形態２における車両用同期機制御装置の動作ブロック図である。同装置の動作説明に供するタイミングチャートである。同装置の動作説明に供する電圧ベクトル図である。本発明の実施の形態３における制御演算部路の動作ブロック図である。同装置の動作説明に供するタイミングチャートである。同装置による車両速度の経時変化を従来技術と比較して示す特性図である。本発明の変形例を示すタイミングチャートである。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における車両用同期機制御装置の構成図、図２は同装置の制御演算部の動作ブロック図である。

この実施の形態１における車両用同期機制御装置１は、系統電源となる交流架線２に接触するパンタグラフ等の集電装置３とレール４との間に主変圧器５が設けられ、この主変圧器５には、受電した交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ８、平滑用のコンデンサ９、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ１０、および同期機としての同期電動機１１が順次接続されている。

また、この車両用同期機制御装置１は、交流架線２のセクション停電などの停電発生を検出する停電検出器１２を備えるとともに、同期電動機１１の回転速度ωを検出する速度検出器１３と、コンデンサ９に充電される直流電圧Ｖｃを検出する電圧検出器１４とが設けられ、さらに、停電検出器１２、速度検出器１３、電圧検出器１４の各検出出力に基づいてコンバータ８やインバータ１０を制御する制御手段２０を備えている。

そして、上記の集電装置３、主変圧器５、コンバータ８、コンデンサ９、インバータ１０、同期電動機１１、停電検出器１２、速度検出器１３、電圧検出器１４、および制御手段２０は図示しない電気車両に搭載されている。

ここに、上記のインバータ１０は、ＩＧＢＴ等の図示しないスイッチング素子を有し、後述のゲート制御部２２によってそのオン／オフが制御される。また、制御手段２０は、例えばマイクロコンピュータ等で構成されるもので、所定の演算プログラムをインストールすることで、制御演算を行う制御演算部２１とゲート制御部２２とが構成されている。

そして、制御演算部２１は、速度検出器１３で検出される同期電動機１１の回転速度ωと、電圧検出器１４で検出されるコンデンサ９の直流電圧Ｖｃとに基づいてｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊（以下、符号に＊が付加されているのは指令値の意味である）とを演算するものである。

また、ゲート制御部２２は、制御演算部２１で算出されるｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊、速度検出器１３で検出される回転速度ω、電圧検出器１４で検出されるコンデンサ９の直流電圧Ｖｃの各値に基づいて三相分の電圧指令を演算し、その演算結果からインバータ１０のスイッチング素子のゲートをオン／オフするゲート制御信号を出力するものである。

特に、この実施の形態１の特徴として、上記の制御演算部２１は、インバータ１０の弱め界磁制御により同期電動機１１を高速運転している途中で、停電検出器１２によって電力供給の停止が検出された場合、これに応じて、コンバータ８の動作を停止させるとともに、インバータ１０に対して、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃを超えないように弱め界磁制御を継続するとともに、運転が円滑に継続されるようにトルク制御を行うように構成されている。

すなわち、制御演算部２１は、系統電源からの電力供給が停止した際、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃを超えないように弱め界磁制御を継続するため、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流を停電発生前と同値に保つ制御を行う。また、制御演算部２１内のｑ軸電流指令演算手段３１は、運転が円滑に継続するためのトルクが発生されるように、回転速度ωとコンデンサ９の直流電圧Ｖｃとから、ｄｑ座標系におけるｑ軸電流を変化させて引き続きトルク制御を行う。

上記の制御原理について、ここでは理解を容易にするため、非突極性の同期電動機（以下、非突極機という）を例にとってさらに詳しく説明する。

非突極機の場合、ｄｑ座標上で表した電圧方程式、およびトルクＴは、それぞれ次式で与えられる。

ここに、ｉｄ，ｉｑは電機子電流のｄ軸，ｑ軸成分、ｖｄ，ｖｑは電機子電圧のｄ軸，ｑ軸成分、φａ＝√｛（３／２）φｆ｝、φｆは永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値、Ｒは電機子抵抗、Ｌは電機子巻線の自己インダクタンス、ｐ＝ｄ／ｄｔ、Ｐｎは極対数、ωは回転速度（電気角速度）である。

また、同期電動機１１に供給できる端子電圧｜Ｖｍ｜は、｜Ｖｍ｜＝√（ｖｄ^２＋ｖｑ^２）で与えられる。この場合、｜Ｖｍ｜は同期電動機１１の線間電圧実効値に相当しており、コンデンサ９の直流電圧をＶｃとすると、同期電動機１１からインバータ１０への電流の流れ込みを防ぐためには、線間電圧実効値｜Ｖｍ｜は、次式のように制限される。

高速運転中の同期電動機１１においては、誘起電圧Ｖｍをコンデンサ９の直流電圧Ｖｃ以下に抑えるように、ｄ軸電流を流してｄ軸電機子反作用による減磁作用を利用した等価的な弱め界磁制御を行う。このため、上記（３）式の電圧制限条件を用いてｄ軸電流指令ｉｄ＊を次のようにして算出する。

まず、（３）式を簡略化すると、次式のようになる。

ただし、ｖｄ_０，ｖｑ_０は、（１）式より微分項を無視した値であり、また、弱め界磁制御を行うのは高速運転域であるため、ωＬが十分に大きいと考えられる。そこで、電機子抵抗のドロップ分を無視すると、（１）式は次式のように簡略化される。

（４）、（５）式より、弱め界磁制御のｄ軸電流の条件は、次式となる。

高速運転中は、上記（２）式と（６）式とに基づいて所望のトルクに対してｄ軸電流指令ｉｄ＊、ｑ軸電流指令ｉｑ＊が定まる。また、高速運転中にセクション停電等の停電が生じた場合には、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を一定に保って停電前の弱め界磁制御状態をそのまま継続する。これにより、同期電動機１１の誘起電圧をコンデンサ９の直流電圧Ｖｃ以下に抑えることができる。また、このとき、ｄ軸電流指令ｉｄ＊は一定に保たれるので、（６）式においてｉｄは定数と考えることができ、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃの大きさに応じてｑ軸電流指令ｉｑ＊を制御することで、トルク制御を行うことができる。その際のトルクＴは（２）式により決定することができる。

なお、ここでは理解を容易にするため、非突極機を例にとって説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、突極性の同期電動機１１について本発明を適用することは可能である。

次に、上記構成を備えた車両用同期機制御装置の動作について、図３に示すタイミングチャートを参照して説明する。なお、図３において（ａ）は系統電源、（ｂ）はコンバータ８の運転指令、（ｃ）はコンデンサ９の直流電圧Ｖｃ（実線）および同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍ（破線）を模式的に示している。

時刻ｔ１に至るまでは、系統電源から主変圧器５、コンバータ８、インバータ１０を経由して同期電動機１１に電力が供給されている。この場合、同期電動機１１が高速運転されているので、制御手段２０の制御演算部２１は、所望のトルクが得られるとともに、弱め界磁制御が行われるように、速度検出器１３で検出される回転速度ωと電圧検出器１４で検出器されるコンデンサ９の直流電圧Ｖｃとに基づいてｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊とを求め、それらの値をゲート制御部２２に出力する。

ゲート制御部２２は、制御演算部２１で算出されるｄ軸、ｑ軸電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊と、上記同期電動機１１の回転速度ω、およびコンデンサ９の直流電圧Ｖｃの各値に基づいて三相分の電圧指令を演算し、その演算結果からインバータ１０のスイッチング素子のゲートをオン／オフするＰＷＭ制御用のゲート制御信号を出力する。これにより、同期電動機１１の高速運転中は、インバータ１０が力行モードの下で弱め界磁制御が実施されて、同期電動機１１には所望のトルクが発生されるとともに、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍはコンデンサ９の直流電圧Ｖｃよりも低く（Ｖｍ≦Ｖｃ）抑えられる。

次に、時刻ｔ１において、セクション停電等により系統電源からの電力供給が停止したことが停電検出器１２で検出されると、これに応じて、制御演算部２１は、コンバータ８の全ゲートを遮断して動作を停止させる。また、制御演算部２１は、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流指令ｉｄ＊を停電発生前と同値に保ち、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃを超えないようにインバータ１０による弱め界磁制御を継続する。さらに、制御演算部２１のｑ軸電流指令演算手段３１は、停電発生状態でも円滑に運転が継続されるように、回転速度ωとコンデンサ９の直流電圧Ｖｃとから、前述の（２）式に示したような所望のトルクが得られるようにｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力してトルク制御を行う。

このように、停電発生時にも弱め界磁制御を継続するので、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃを超えないように抑制される。また、停電発生時にもトルク制御が行われるため、運転状態が円滑に継続される。その場合のトルク制御は、コンバータ８の動作が停止された状態で、コンデンサ９の充電電圧を利用しているため、コンデンサ９の充電電圧Ｖｃは時間経過とともに次第に低下する。

次に、時刻ｔ２において、セクション停電等が解消されて系統電源からの電力供給が再開されると、これに応じて、制御演算部２１はコンバータ８を起動するので、コンデンサ９に電力が供給される。そのためコンデンサ９の充電電圧Ｖｃは上昇する。また、制御演算部２１は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を変化させずにその値をそのまま保ち、弱め界磁制御を継続する。さらに、制御演算部２１のｑ軸電流指令演算手段３１は、所望のトルクが発生されるようにｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力してトルク制御を行うので、運転状態が円滑に継続される。

以上のように、この実施の形態１では、インバータ１０が力行モードで同期電動機１１が高速運転中に系統電源からの電力供給が停止した場合や復電した場合のいずれにおいても、停電発生前の弱め界磁制御が継続されるため、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃを超えないように抑制されるとともに、トルク制御により運転状態が円滑に継続される。

そして、このような停電発生時の制御において、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を制御する必要はなく一定に保った状態で、ｑ軸電流指令ｉｑ＊のみの制御で運転を継続することができる。すなわち、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊をそれぞれ独立して制御するので、従来技術に比べて制御系の簡素化を実現することができる。したがって、制御系の動作の安定性や応答性が高くなり、高速化が可能になるとともに、安価なマイコン等で制御手段２０を構成することができるため、低コスト化を実現できる。

なお、上記の実施の形態１では、同期電動機１１が高速運転中に電力供給が停止する時刻ｔ１において、インバータ１０は力行モードで動作している場合を示したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。すなわち、例えば、図１０に示すように、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃの値として、同期電動機１１の誘起電圧値Ｖｍ以上である、所望のしきい値Ｖｃｓｈを予め設定しておき、時刻ｔ１からしばらくして、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃがしきい値Ｖｃｓｈまで低下した時に、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍをインバータ１０側に回生させるようにすることも可能である。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２における車両用同期機制御装置の動作ブロック図である。なお、車両用同期機制御装置の全体構成は図１の場合と基本的に同じであるので詳細な説明は省略する。

この実施の形態２の特徴として、制御演算部２１は、停電検出器１２で電力供給の停止が検出されるのに応じて、同期電動機１１の誘起電圧がコンデンサ９の直流電圧を超えないように弱め界磁制御を継続するとともに、運転が円滑に継続されるようにトルク制御を行うが、その際、同時にインバータ１０に対してコンデンサ９の直流電圧を一定値に保持する制御を行うように構成されている。

すなわち、制御演算部２１は、系統電源からの電力供給が停止した場合、弱め界磁制御を継続するためにｄｑ座標系におけるｄ軸電流指令ｉｄ＊を停電発生前と同値に保つ制御を行う。また、制御演算部２１内のｑ軸電流指令演算手段３１は、同期電動機１１の回転速度ω、および例えば外部から与えられるコンデンサ９の直流電圧指令Ｖｃ＊とコンデンサ９の直流電圧Ｖｃとの偏差ΔＶｃ（＝Ｖｃ−Ｖｃ＊）に基づいて、運転が円滑に継続されるようにトルク制御を行うのと同時に、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃが一定値に保持されるように、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を、例えば次式のように演算して出力する。

ここに、ｉｑ＊はｑ軸電流指令、Ｋは比例ゲイン、Ｖｃ＊はコンデンサ９の直流電圧指令、Ｖｃはコンデンサ９の直流電圧、Ｔは周知のＰＩ制御の折点の時定数、ｓは複素数である。

次に、上記構成を備えた車両用同期機制御装置の動作について、図５に示すタイミングチャート、および図６に示す電圧ベクトル図を参照して説明する。なお、図５において（ａ）は系統電源、（ｂ）はコンバータ８の運転指令、（ｃ）はコンデンサ９の直流電圧Ｖｃ（実線）および同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍ（破線）を模式的に示している。

時刻ｔ１に至るまでの、制御演算部２１の動作は、実施の形態１の場合と同様であり、高速運転中、インバータ１０による弱め界磁制御が実施されて同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃよりも低く制御され（Ｖｍ≦Ｖｃ）、かつ、同期電動機１１に所望のトルクが発生されている。

すなわち、図６（ａ）の電圧ベクトル図に示すように、時刻ｔ１以前は、負のｄ軸電流ｉｄが流れるように負のｄ軸電流指令ｉｄ＊を出力して弱め界磁制御を実施しているため、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃよりも低く制御される。

次に、時刻ｔ１において、セクション停電等により系統電源からの電力供給が停止したことが停電検出器１２で検出されると、これに応じて制御演算部２１は、コンバータ８の全ゲートを遮断して動作を停止させる。また、制御演算部２１は、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流指令ｉｄ＊を停電発生前と同値に保ち、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃを超えないようにインバータ１０による弱め界磁制御を継続する。

さらに、制御演算部２１のｑ軸電流指令演算手段３１は、回転速度ωおよびコンデンサ９の直流電圧Ｖｃとコンデンサ９の直流電圧指令Ｖｃ＊との偏差ΔＶｃから上記の（７）式に基づいてｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。つまり、同期電動機１１からの誘起電圧Ｖｍに基づく電力がインバータ１０を経由してコンデンサ９に供給されるように回生モードで動作するようにする。そのため、同期電動機１１はトルク制御が継続されるとともに、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃは、時刻ｔ１以降も時刻ｔ１以前と同値に維持される。

すなわち、図６（ｂ）の電圧ベクトル図に示すように、時刻ｔ１で系統電源からの電力供給が停止した場合、負のｄ軸電流ｉｄが流れるように負のｄ軸電流指令ｉｄ＊を出力して時刻ｔ１以前と同様に弱め界磁制御を実施しつつ、さらに負のｑ軸電流ｉｑが流れるように負のｑ軸電流指令ｉｑ＊を上記の（７）式に基づいて発生させてインバータ１０を回生モードにすることで、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃが時刻ｔ１以前の値にそのまま維持される。

次に、時刻ｔ２において、セクション停電等が解消されて系統電源からの電力供給が再開された場合、これに応じて、制御演算部２１はコンバータ８を起動するので、コンデンサ９に電力が供給される。また、制御演算部２１は、ｄ軸電流指令ｉｄ＊を変化させずにその値をそのまま保ち、弱め界磁制御を継続する。さらに、制御演算部２１のｑ軸電流指令演算手段３１は、所望のトルクが発生されるようにｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力してトルク制御を行うので、運転状態が円滑に継続される。すなわち、ｔ２以降の電圧ベクトル図は、図６（ａ）の状態に復帰する。

なお、コンバータ８の動作が再開されても、ｑ軸電流指令ｉｑ＊によりコンデンサ９の充電電圧Ｖｃは既に一定値に保たれているので、コンデンサ９に急な電圧変動は発生せず、このため、元の制御状態に速やかに復帰する。

以上のように、この実施の形態２においても、実施の形態１と同様、インバータ１０が力行モードで同期電動機１１が高速運転中に系統電源からの電力供給が停止した場合や復電した場合のいずれにおいても、停電発生前の弱め界磁制御が継続されるため、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍがコンデンサ９の直流電圧Ｖｃを超えないように抑制されるとともに、トルク制御により運転状態が円滑に継続される。

これに加えて、この実施の形態２では、時刻ｔ１〜ｔ２の停電時においても、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃはｔ１以前の値にそのまま維持されるため、系統電源が時刻ｔ２で復電した場合、速やかに元の制御状態に復帰できるだけでなく、コンデンサ９には急な電圧変動が発生しないのでコンデンサ９に急峻な電流が流れ込むことがない。したがって、より安定な制御を実現できる。さらに、急な電圧変動ｄｖ／ｄｔによる電磁ノイズ障害を回避でき、電磁環境に適合した駆動システムを実現できる。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３における車両用同期機制御装置の動作ブロック図である。なお、車両用同期機制御装置の全体構成は図１の場合と基本的に同じであるので詳細な説明は省略する。

上記の実施の形態１，２では、インバータ１０が力行モードで同期電動機１１が高速運転されている場合であるが、この実施の形態３では、インバータ１０が回生モードで同期電動機１１が減速運転されている場合について説明する。

この実施の形態３の特徴として、制御演算部２１は、インバータ１０が回生モードでブレーキトルクが発生している途中で停電検出器１２によって電力供給の停止が検出された場合、これに応じて、コンバータ８の動作を停止させるとともに、インバータ１０に対して、ブレーキトルクの発生が継続するようにトルク制御を行うとともに、インバータ１０の発生する電力を零にする制御を行うように構成されている。

すなわち、制御演算部２１は、系統電源からの電力供給が停止した際、トルク制御を行ってブレーキトルクが継続されるように、ｄｑ座標系におけるｑ軸電流を停電発生前と同値に保つ制御を行い、また、インバータ１０の発生する電力が零になるように、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流を変化させる制御を行う。

この実施の形態３の制御演算部２１の制御動作を説明する前に、まず、図７に示す制御演算部２１の構成の一例について説明する。

制御演算部２１に入力されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗは、同期電動機１１に発生する相電流である。各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、インバータ１０と同期電動機１１との接続する結線を流れる電流を図示しないＣＴ等の電流検出器により検出される。なお、他の公知の手法を用いて、母線電流などインバータ１０内部に流れる電流を用いて相電流を検出してもよい。なお、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０の関係が成立するので、いずれか２相分の検出電流から残りの１相の電流を求めるようにしてもよい。

このＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗは、ｄｑ／３相変換手段２１１によって回転直交二軸に変換される。この回転直交二軸への座標変換には、制御座標軸が必要となるため、積分手段２１２は、任意の回転速度ωに基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相θを算出する。すなわち、この位相θは、積分手段２１２で回転速度ωに基づいて、以下の（８）式で算出される。

次に、ｄｑ／３相変換手段２１１は、積分手段２１２で得られた位相θに基づいて、図示しない電流検出器から得られた相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、位相θの回転直交二軸座標（ｄｑ座標）上のｄ軸電流検出値ｉｄとｑ軸電流検出値ｉｑに座標変換する。

電力演算手段２１３は、上記のｄ軸電流検出値ｉｄ、ｑ軸電流検出値ｉｑ、ゲート制御部２２からのｄ軸電圧指令ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊をそれぞれを用いて、次式によりインバータ１０が発生している電力Ｐを演算する。

続いて、減算器２１４は、例えば外部から与えられる零電力指令Ｐ＊から電力演算手段２１３で演算された電力Ｐを減算する。その減算した値ΔＰ（＝Ｐ＊−Ｐ）をｄ軸電流指令演算手段２１５に入力する。ｄ軸電流指令演算手段２１５は、インバータ１０が発生する電力が零になるように、次式によりｄ軸電流指令ｉｄ＊を演算する。

なお、（１０）式における比例ゲインｋ_ｃｐ，ω_ｃｐｉは、応答目標値ω_ｃｃを定め、次の（１１）、（１２）式によって与えればよい。

また、応答目標値ω_ｃｃは、回生を行なう最高回転速度より１０倍以上の十分に高い値を設定する必要がある。例えば、最高回転速度が２０００ｒａｄ／ｓｅｃであると応答目標値ω_ｃｃは、２００００ｒａｄ／ｓｅｃ以上を設定する。

ゲート制御部２２は、制御演算部２１から出力されるｄ軸、ｑ軸電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊と、上記同期電動機１１の回転速度ωの各値に基づいて、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊と、ｑ軸電圧指令ｖｑ＊とを例えば次式により算出する。

なお、ここで、φａ＊＝√｛（３／２）・φｆ｝、φｆは永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値、Ｒ＊は電機子抵抗、Ｌｑ＊はｑ軸インダクタンス、Ｌｄ＊はｄ軸インダクタンスである。

続いて、ゲート制御部２２は、これらの電圧指令ｖｄ＊，ｖｑ＊から３相座標系に変換して三相分の電圧指令を演算し、その演算結果からインバータ１０のスイッチング素子のゲートをオン／オフするＰＷＭ制御用のゲート制御信号を出力する。

次に、上記構成を備えた車両用同期機制御装置の動作について、図８に示すタイミングチャートを参照して説明する。なお、図８において（ａ）は系統電源、（ｂ）はコンバータ８の運転指令、（ｃ）はブレーキトルク、（ｄ）はコンデンサ９の直流電圧Ｖｃ（実線）および同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍ（破線）を模式的に示している。

時刻ｔ１に至るまでは、コンバータ８やインバータ１０には系統電源から電力が供給されている。この場合、同期電動機１１は減速運転の状態にあるので、制御手段２０の制御演算部２１は、負のｑ軸電流を発生するようにｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。このとき、インバータ１０は回生モードであり、同期電動機１１にはブレーキトルクが発生されている。また、その際、制御手段２０の制御演算部２１は、電力演算手段２１３により前述の（９）式に基づいて算出されるインバータ１０が発生している電力Ｐと、例えば予め外部から与えられる零電力指令Ｐ＊とから減算器２１４で偏差ΔＰ（＝Ｐ−Ｐ＊）を求め、次いで、ｄ軸電流指令演算手段２１５でインバータ１０が発生する電力を零とするｄ軸電流指令ｉｄ＊を前述の（１０）に基づいて演算して出力する。

ゲート制御部２２は、制御演算部２１で算出されるｄ軸、ｑ軸電流指令ｉｄ＊，ｉｑ＊と、同期電動機１１の回転速度ωの各値に基づいてｄ軸、ｑ軸の電圧指令ｖｄ＊，ｖｑ＊を求め、これらの電圧指令ｖｄ＊，ｖｑ＊から３相座標系に変換して三相分の電圧指令を演算し、その演算結果からインバータ１０のスイッチング素子のゲートをオン／オフするＰＷＭ制御用のゲート制御信号を出力する。これにより、同期電動機１１の減速運転中は、同期電動機１１にブレーキトルクが発生され、かつ、インバータ１０が発生する電力は零とされる（つまり、臨界制動状態となる）ため、同期電動機１１の誘起電圧Ｖｍはコンデンサ９の直流電圧Ｖｃよりも低く抑えられる。

次に、時刻ｔ１において、セクション停電等により系統電源からの電力供給が停止したことが停電検出器１２で検出されると、これに応じて制御演算部２１は、コンバータ８の全ゲートを遮断して動作を停止させる。また、制御演算部２１は、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を停電発生前と同値に保ち、ブレーキトルクの発生をそのまま継続して減速度を維持する。さらに、制御演算部２１は、インバータ１０の出力する消費電力が零になるようにｄ軸電流指令ｉｄ＊を生成する。これにより、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃが停電発生前の状態に維持され、コンデンサ９の直流電圧Ｖｃが上昇するのが抑制される。

次に、時刻ｔ２において、セクション停電等が解消されて系統電源からの電力供給が再開されると、これに応じて、制御演算部２１はコンバータ８を起動するので、コンデンサ９に電力が供給される。また、制御演算部２１は、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を停電発生前と同値に保つので、ブレーキトルクの発生がそのまま継続されて減速度が維持される。さらに、制御演算部２１は、インバータ１０の出力する消費電力が零になるようにｄ軸電流指令ｉｄ＊を生成するので、コンデンサ９の電圧Ｖｃが上昇するのが抑制される。このように、時刻ｔ２以降、インバータ１０は、時刻ｔ１以前の元の制御状態に速やかに復帰する。

図９は、この実施の形態３の車両用同期機制御装置による車両速度の経時変化を従来技術と比較して示す特性図である。

従来技術の場合、インバータ１０が回生モードで同期電動機１１にブレーキトルクが発生されている状態で時刻ｔ１で停電が発生した場合、基本トルク電流指令を一旦零にした上で、インバータ１０の直流電圧値および同期電動機１１の回転速度に基づいて、新たにトルク電流指令を生成するので、その間にタイムラグが生じ、図９の破線で示すように、停電発生時刻ｔ１から一定期間Ｔａに渡りブレーキトルクが発生されず、減速度が変動することが起こる。これは、給電再開時刻ｔ２からも一定期間Ｔｂに渡って同様に生じる。そのため、円滑な減速動作を行うのが難しい。

これに対して、この実施の形態３では、図８のタイミングチャートで説明したように、インバータ１０が回生モードで同期電動機１１にブレーキトルクが発生されている状態で時刻ｔ１で停電が発生した場合、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の停電中、および時刻ｔ２以降の給電復帰のいずれにおいても、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を停電発生前と同値に保つことにより、一定のブレーキトルクを出力し続けるので、図９の実線で示されるように、減速度は常にリニアに低下し途中で変動することがない。したがって、円滑な減速動作が行われる。

以上のように、この実施の形態３では、インバータ１０が回生モードで同期電動機１１にブレーキトルクが発生している途中で系統電源からの電力供給が停止した場合や復電した場合のいずれにおいても、同期電動機１１は停電発生前の状態でブレーキトルクを出力し続けるので減速度の変動が抑制され、車両運行精度および安全性の向上を実現することができる。また、同時に、電力供給が停止した場合でもインバータ１０の発生する電力を零にすることでコンデンサ９の直流電圧Ｖｃが上昇するのを抑制して元の直流電圧Ｖｃを維持するので、系統電源が復電した場合でも、急な電圧変動ｄｖ／ｄｔによる電磁ノイズ障害を回避でき、電磁環境に適合した駆動システムを実現できる。

そして、このような停電発生時の制御において、ｑ軸電流指令ｉｑ＊を制御する必要はなく一定に保った状態で、ｄ軸電流指令ｉｄ＊のみの制御で運転を継続することができる。すなわち、ｄ軸電流指令ｉｄ＊とｑ軸電流指令ｉｑ＊をそれぞれ独立して制御するので、従来技術に比べて制御系の簡素化を実現することができる。したがって、制御系の動作の安定性や応答性が高くなり、高速化が可能になるとともに、安価なマイコン等で制御手段２０を構成することができるため、低コスト化を実現できる。

１車両用同期機制御装置、８コンバータ、９コンデンサ、１０インバータ、
１１永久磁石同期電動機（同期機）、１２停電検出器、１３速度検出器、
１４電圧検出器、２０制御手段、２１制御演算部、２２ゲート制御部、
Ｖｃコンデンサの直流電圧、Ｖｍ同期電動機の誘起電圧、
ω 回転速度（電気角速度）。

Claims

系統電源から受電した交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、このコンバータの出力側に接続された平滑用のコンデンサと、上記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して永久磁石同期機に供給するインバータと、このインバータを制御する制御手段と、上記系統電源からの電力供給の停止を検出する停電検出器とを備え、
上記制御手段は、上記インバータが力行モードで弱め界磁制御により上記永久磁石同期機を高速運転している途中で上記停電検出器によって電力供給停止が検出された場合、これに応じて、上記コンバータの動作を停止させるとともに、上記インバータに対して、上記永久磁石同期機の誘起電圧が上記コンデンサの直流電圧を超えないように上記弱め界磁制御を継続し、かつ上記弱め界磁制御を継続する制御は、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流を電力供給停止直前の設定値を保持する制御であることを特徴とする車両用同期機制御装置。
上記制御手段は、上記停電検出器によって電力供給停止が検出された状態で、上記コンデンサの直流電圧が予め設定されたしきい値まで低下した場合には、これに応じて、上記永久磁石同期機の誘起電圧を上記インバータ側に回生させるものである、ことを特徴とする請求項１に記載の車両用同期機制御装置。
上記制御手段は、電力供給停止検出に応じて、上記永久磁石同期機の誘起電圧が上記コンデンサの直流電圧を超えないように弱め界磁制御を継続する際に、同時に上記インバータに対して上記コンデンサの直流電圧を一定値に保持する制御を行うものである、ことを特徴とする請求項１に記載の車両用同期機制御装置。
上記コンデンサの直流電圧を一定値に保持する制御は、上記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段の電圧検出値と予め設定されたコンデンサ電圧指令との偏差に基づいてｄｑ座標系におけるｑ軸電流を変化させる制御であることを特徴とする請求項３に記載の車両用同期機制御装置。
系統電源から受電した交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、このコンバータの出力側に接続された平滑用のコンデンサと、上記コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して永久磁石同期機に供給するインバータと、このインバータを制御する制御手段と、上記系統電源からの電力供給の停止を検出する停電検出器とを備え、
上記制御手段は、上記インバータが回生モードで上記永久磁石同期機にブレーキトルクが発生している途中で上記停電検出器によって電力供給停止が検出された場合、これに応じて、上記コンバータの動作を停止させるとともに、ｄｑ座標系におけるｑ軸電流を一定に保ちながら、上記インバータの発生する電力が零になるように制御するものであり、ことを特徴とする車両用同期機制御装置。
上記インバータの発生する電力が零になるようにする制御は、ｄｑ座標系におけるｄ軸電流を変化させる制御であることを特徴とする請求項５に記載の車両用同期機制御装置。