JP5515885B2 - 電気車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気車の主電動機としての永久磁石同期電動機を位置・速度センサレスベクトル制御により可変速駆動する電気車制御装置に関するものである。

永久磁石同期電動機を位置・速度センサレスベクトル制御する電気車制御装置として、特許文献１に記載された従来技術が知られている。
図３は、この従来技術に基づいて構成された電気車制御装置のブロック図である。

図３において、電気車制御装置１は、永久磁石同期電動機４に対するトルク指令値が入力されてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部２と、このセンサレスベクトル制御部２により生成された三相の電圧指令値ｖ_ｕａ ^＊，ｖ_ｖａ ^＊，ｖ_ｗａ ^＊に基づくＰＷＭ信号により半導体スイッチング素子がオンオフ駆動されるインバータ部３と、このインバータ部３によって回転が制御される永久磁石同期電動機（以下、ＰＭＳＭともいう）４と、インバータ部３から永久磁石同期電動機４に供給される三相電流ｉ_ｕａ，ｉ_ｖａ，ｉ_ｗａを検出してセンサレスベクトル制御部２に与える電流センサ５と、微分演算部６と、空転滑走制御部７と、加算器８とを備えている。

センサレスベクトル制御部２は、入力されたトルク指令値からγ，δ軸（磁極軸に平行なｄ軸、及び、このｄ軸に直交するｑ軸を制御装置内で推定した制御軸）電流指令値ｉ_γａ ^＊，ｉ_δａ ^＊をそれぞれ生成する電流指令生成部２１と、これらのγ軸電流指令値ｉ_γａ ^＊、δ軸電流指令値ｉ_δａ ^＊と電流センサ５からフィードバックされたγ軸電流検出値ｉ_γａ、δ軸電流検出値ｉ_δａとからＰＩ（比例・積分）制御を実行してγ軸電圧指令値ｖ_γａ ^＊、δ軸電圧指令値ｖ_δａ ^＊をそれぞれ生成するＡＣＲ制御部２２と、これらのγ軸電圧指令値ｖ_γａ ^＊、δ軸電圧指令値ｖ_δａ ^＊を回転子位置推定値θ_＃に従い座標変換して三相各相の電圧指令値ｖ_ｕａ ^＊，ｖ_ｖａ ^＊，ｖ_ｗａ ^＊を生成し、インバータ部３に供給する座標変換部２３と、前記電流センサ５による三相各相の電流検出値ｉ_ｕａ，ｉ_ｖａ，ｉ_ｗａを位置推定値θ_＃に従い座標変換する座標変換部２４と、γ軸電圧指令値ｖ_γａ ^＊、δ軸電圧指令値ｖ_δａ ^＊、γ軸電流検出値ｉ_γａ、δ軸電流検出値ｉ_δａが入力されて永久磁石同期電動機４の回転子位置を推定し、この位置推定値θ_＃を座標変換部２３，２４にそれぞれ供給する位相推定部２５と、を備えている。

また、微分演算部６は、位相推定部２５から出力された位置推定値θ_＃を微分して速度推定値ω_＃を生成する。
空転滑走制御部７は、入力された速度推定値ω_＃の変化率（加速度推定値）がある一定値を超えた場合に、電気車の車輪に空転が発生したと判定し、トルク調整信号（加速トルクまたは減速トルク）を生成して出力する。
加算器８は、空転滑走制御部７から出力されるトルク調整信号をトルク指令値に加算して、センサレスベクトル制御部２に入力されるトルク指令値を調整する。
以上のような構成により、位置センサ及び速度センサを用いずに電気車の空転滑走制御を行うことができる。

特開２００８−８６０８５号公報（段落［００２４］〜［００２７］、図３等）

上述した従来技術では、電流センサ５による電流検出誤差やインバータ部３の短絡防止時間（デッドタイム）等の影響によってγ，δ軸電流が振動する場合があり、また、電動機４の機械系が振動する場合もある。このようにγ，δ軸電流や機械系が振動する場合、位相推定部２５による位置推定値θ_＃や微分演算部６による速度推定値ω_＃が振動することになり、速度推定値ω_＃を微分して求める加速度推定値も振動する。

加速度推定値が振動すると、空転滑走制御部７が空転を誤検知するおそれがある。これを防止するためには、空転滑走制御部７において加速度推定値をフィルタに通す等の振動低減対策をとる必要があるが、このような振動低減対策をとると加速度推定に遅れが生じ、結果として空転滑走制御に遅れが生じるという問題がある。
そこで、本発明の解決課題は、γ，δ軸電流や機械系の振動に起因した加速度推定の遅れ、ひいては空転滑走制御の遅れを低減可能とした電気車制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気車の主電動機としての永久磁石同期電動機を、位置・速度センサレス制御により可変速駆動する電気車制御装置において、
前記電動機を駆動するインバータ部の電圧指令値と前記電動機の電流検出値とから前記電動機の回転子位置真値と回転子位置推定値との位置誤差を推定する位置誤差推定手段、及び、前記位置誤差の推定値から前記回転子位置推定値を演算する位相推定手段、を有し、前記電動機のトルク指令値及び前記回転子位置推定値に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御手段と、
前記位置誤差の推定値に基づいて前記電動機の加速度を推定する加速度推定手段と、
この加速度推定手段により生成された加速度推定値に基づいて車輪とレールとの間の空転状態を推定し、前記トルク指令値を調整するための加減速トルクを生成する空転滑走制御手段と、
を備え、
前記加速度推定手段は、
前記位置誤差推定値に比例する項と、前記位置誤差推定値に比例する項の微分値とを加算して前記加速度推定値を演算するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電気車制御装置において、前記加速度推定手段は、前記位置誤差推定値に比例する項の振動成分を低減する第１の振動低減対策手段と、前記位置誤差推定値に比例する項の微分値の振動成分を低減する第２の振動低減対策手段と、第１及び第２の振動低減対策手段の出力を加算して前記加速度推定値を演算する加算手段と、を備えたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電気車制御装置において、前記インバータ部の出力側の各相電圧を検出する電圧検出手段を備え、この電圧検出手段による電圧検出値を、前記インバータ部の電圧指令値に代えて用いるものである。

本発明においては、電動機の回転子位置真値と回転子位置推定値との位置誤差推定値に比例する項と、位置誤差推定値に比例する項の微分値とを加算することにより加速度を推定している。従って、γ，δ軸電流や機械系が振動して位置誤差推定値が振動する場合にも、位置誤差推定値に比例する項と位置誤差推定値に比例する項の微分値とに対し、フィルタを用いてそれぞれ異なる振動低減対策をとることが可能であり、その結果を加算することで適切な加速度推定値を得ることができる。
よって、従来技術のように速度推定値を微分して求めた加速度推定値に基づいて振動低減対策をとる場合に比べ、振動低減対策部における遅れを低減することができ、加速度推定の遅れ、ひいては空転滑走制御の遅れを低減することが可能になる。

本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。 図１における位相推定部及び加速度推定部の構成を示すブロック図である。 従来技術に基づく電気車制御装置の構成を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態の構成を示すブロック図であり、図３に示した従来技術の各構成要素と同一機能を有するものには同一の符号を付してある。以下では、図３と異なる部分を中心に説明する。

まず、図１に示す電気車制御装置１Ａでは、図３における位相推定部２５、微分演算部６及び空転滑走制御部７に代えて、位置誤差推定部３１、位相推定部２５Ａ、加速度推定部３２及び空転滑走制御部７Ａを備えている。ここで、位置誤差推定部３１は、ＡＣＲ制御部２２からのγ軸電圧指令値ｖ_γａ ^＊、δ軸電圧指令値ｖ_δａ ^＊と、座標変換部２４からのγ軸電流検出値ｉ_γａ、δ軸電流検出値ｉ_δａとを用いてＰＭＳＭ４の回転子の位置誤差（回転子位置真値と回転子位置推定値との位置誤差）を推定し、位相推定部２５Ａは、位置誤差推定値（Δθ）_＃から位置推定値θ_＃及び速度推定値ω_＃を生成する。そして、この速度推定値ω_＃は位置誤差推定部３１に入力されている。また、加速度推定部３２は、位置誤差推定値（Δθ）_＃に基づいて加速度を推定するように構成されている。
更に、空転滑走制御部７Ａは、加速度推定部３２から入力された加速度推定値α_＃がある一定値を超えた場合に電気車の車輪に空転が発生したと判定し、トルク調整信号（加速トルクまたは減速トルク）を生成して加算器８に出力するものである。
なお、この実施形態では、電流指令生成部２１、ＡＣＲ制御部２２、座標変換部２３，２４、位置誤差推定部３１及び位相推定部２５Ａにより、センサレスベクトル制御部２Ａが構成されている。

上記構成において、位置誤差推定部３１は、例えば以下のようにして回転子位置誤差を推定する。
推定座標であるγ，δ座標の回転角速度をω_＃（電気角）とし、γ軸はｕ相軸からθ_＃（電気角）の位相角上にあり、磁石の磁極に平行なｄ軸よりΔθ（電気角）だけ遅れているものとする。γ，δ座標における永久磁石同期電動機４の電圧方程式は、数式１のように表される。

数式１において、ＰＬ_γｉ_γａ＝ＰＬ_γδＳｉ_δａ＝ＰＬ_γδＳｉ_γａ＝ＰＬ_δｉ_δａ＝０とすると、電動機４の電圧方程式は数式２のようになる。

位置誤差推定部３１では、数式２に基づく数式３によって電動機４の位置誤差推定値（Δθ）_＃を演算し、出力する。

なお、位置誤差の推定には、他の方式を用いても良い。
また、図示されていないが、電圧センサによりインバータ部３の出力側の各相電圧を検出してγ，δ軸電圧に座標変換し、そのγ，δ軸電圧検出値を数式３におけるγ，δ軸電圧指令値ｖ_γａ ^＊，ｖ_δａ ^＊に代えて用いても良い。

図２は、図１における位相推定部２５Ａ及び加速度推定部３２の構成を示すブロック図である。
位相推定部２５Ａは、図２に示すように、乗算器４１，４２、加算器４４及び積分器４３，４５から構成されている。すなわち、乗算器４１により位置誤差推定値（Δθ）_＃にゲインＫ_ｐを乗じた信号と、乗算器４２により位置誤差推定値（Δθ）_＃にゲインＫ_ｉを乗じた信号を積分器４３により積分した信号とを加算器４４によって加算し、その結果を速度推定値ω_＃として出力すると共に、この速度推定値ω_＃を積分器４５により積分して回転子位置推定値θ_＃を出力する。
上述した位相推定部２５Ａの演算内容は、数式４，数式５に示すとおりである。なお、これらの数式において、ｓはラプラス演算子である。

加速度推定部３２は、図２に示すように、乗算器５１，５２、微分器５３、第１，第２の振動低減対策部５４，５５及び加算器５６から構成されている。
まず、乗算器５２により位置誤差推定値（Δθ）_＃に積分ゲインＫ_ｉを乗じた信号が第１の振動低減対策部５４に入力される。一方、乗算器５１により位置誤差推定値（Δθ）_＃に比例ゲインＫ_ｐを乗じた信号を微分器５３によって微分した信号が、第２の振動低減対策部５５に入力される。そして、これらの第１，第２の振動低減対策部５４，５５の出力信号を加算器５６にて加算することにより、加速度推定値α_＃が演算される。

ここで、第１の振動低減対策部５４を時定数Ｔ_ａのローパスフィルタにより構成し、第２の振動低減対策部５５を時定数Ｔ_ｂのローパスフィルタにより構成すると、加速度推定値α_＃は数式６によって表される。なお、数式６における各ゲインＫ_ｐ，Ｋ_ｉは数式４と同じものである。

第１，第２の振動低減対策部５４，５５がなければ（つまり、Ｔ_ａ＝Ｔ_ｂ＝０）、数式６は数式７となり、前述した数式４の速度推定値ω_＃を微分したものと同一となる。すなわち、本実施形態では、速度推定値ω_＃を微分することなく加速度推定値α_＃を演算することができる。

γ，δ軸電流や機械系が振動する場合、これに伴って位置誤差推定値（Δθ）_＃が振動する。位置誤差推定値（Δθ）_＃が振動すると、図２において、乗算器５２の出力及び微分器５３の出力がそれぞれ振動する。
この場合、本実施形態では、位置誤差推定値（Δθ）_＃に比例する項に振動低減対策を施した信号と、位置誤差推定値（Δθ）_＃に比例する項の微分値に振動低減対策を施した信号とを加算することで加速度推定値α_＃を演算しており、第１，第２の振動低減対策部５４，５５における各フィルタの時定数に応じて異なる振動低減対策をとることができる。
従って、図３に示したように速度推定値を微分して加速度推定値を演算し、この加速度推定値に応じて振動低減対策をとる場合に比べ、振動低減対策部での遅れを低減することが可能である。

また、前述した加速度推定部３２による数式６に比べて演算が若干複雑になることを許容できるのであれば、図２の位相推定部２５Ａにより求めた速度推定値ω_＃を用いて、数式８により加速度推定値α_＃を求めても良い。

なお、第１，第２の振動低減対策部５４，５５は必ずしも両方必要ではなく、いずれか一方の振動低減対策部を備えていても良い。

１Ａ：電気車制御装置
２Ａ：センサレスベクトル制御部
３：インバータ部
４：永久磁石同期電動機
５：電流センサ
７Ａ：空転滑走制御部
８：加算器
２１：電流指令生成部
２２：ＡＣＲ制御部
２３，２４：座標変換部
２５Ａ：位相推定部
３１：位置誤差推定部
３２：加速度推定部
４１，４２：乗算器
４３，４５：積分器
４４：加算器
５１，５２：乗算器
５３：微分器
５４，５５：振動低減対策部
５６：加算器

Claims (3)

1. 電気車の主電動機としての永久磁石同期電動機を、位置・速度センサレス制御により可変速駆動する電気車制御装置において、
   前記電動機を駆動するインバータ部の電圧指令値と前記電動機の電流検出値とから前記電動機の回転子位置真値と回転子位置推定値との位置誤差を推定する位置誤差推定手段、及び、前記位置誤差の推定値から前記回転子位置推定値を演算する位相推定手段、を有し、前記電動機のトルク指令値及び前記回転子位置推定値に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御手段と、
   前記位置誤差の推定値に基づいて前記電動機の加速度を推定する加速度推定手段と、
   この加速度推定手段により生成された加速度推定値に基づいて車輪とレールとの間の空転状態を推定し、前記トルク指令値を調整するための加減速トルクを生成する空転滑走制御手段と、
   を備え、
   前記加速度推定手段は、
   前記位置誤差推定値に比例する項と、前記位置誤差推定値に比例する項の微分値とを加算して前記加速度推定値を演算することを特徴とする電気車制御装置。
2. 請求項１に記載した電気車制御装置において、
   前記加速度推定手段は、
   前記位置誤差推定値に比例する項の振動成分を低減する第１の振動低減対策手段と、前記位置誤差推定値に比例する項の微分値の振動成分を低減する第２の振動低減対策手段と、第１及び第２の振動低減対策手段の出力を加算して前記加速度推定値を演算する加算手段と、を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
3. 請求項１または２に記載した電気車制御装置において、
   前記インバータ部の出力側の各相電圧を検出する電圧検出手段を備え、この電圧検出手段による電圧検出値を、前記インバータ部の電圧指令値に代えて用いることを特徴とする電気車制御装置。

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