JP5642306B2 - Electric vehicle drive system, inverter control device, and control method - Google Patents
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Description
本発明は、電気車の主電動機を駆動するインバータ等の電力変換装置のトルク制御に関する。 The present invention relates to torque control of a power converter such as an inverter that drives a main motor of an electric vehicle.
図5(a)は、従来の電気車制御装置の構成を示すブロック図であって、特にインバータゲート指令をオフする制御を行うための構成を示している。 FIG. 5A is a block diagram showing a configuration of a conventional electric vehicle control apparatus, and particularly shows a configuration for performing control to turn off an inverter gate command.
電気車制御用の可変電圧可変周波数インバータ(以下VVVFインバータ)において、加速中に運転台からVVVFインバータ出力オフ指令、すなわちノッチ指令0が入力された場合、乗り心地を向上させる目的で、VVVFインバータのトルク電流を徐々に低下させる手法が一般に採用されている。このノッチ指令0は、車両を惰性走行させるための指令である。
In a variable voltage variable frequency inverter for electric vehicle control (hereinafter referred to as a VVVF inverter), when a VVVF inverter output off command, that is, a
VVVFインバータのトルク電流を徐々に低下させる方法としては第1に、車速すなわちモータ回転速度(以下単に速度という)に係わらず、一定の時間内にVVVFインバータの出力電流を絞り込む方法がある。この方法の場合、車速が比較的低い場合はゆっくりと加速度を低下させ、高い場合は比較的急激に加速度を低下するので、乗り心地に問題が生じる。 As a method of gradually reducing the torque current of the VVVF inverter, there is a method of narrowing the output current of the VVVF inverter within a certain time regardless of the vehicle speed, that is, the motor rotation speed (hereinafter simply referred to as speed). In the case of this method, when the vehicle speed is relatively low, the acceleration is slowly decreased, and when the vehicle speed is high, the acceleration is decreased relatively abruptly.
第2の方法として、乗り心地を改善させるため、VVVFインバータの出力トルクを低下させる比率を一定(前後振動加速度度を一定)にする方法がある。図5(a)は、この第2の方法を実現するための制御装置の構成を示すブロック図である。 As a second method, there is a method in which the ratio of decreasing the output torque of the VVVF inverter is made constant (the degree of longitudinal vibration acceleration is constant) in order to improve riding comfort. FIG. 5A is a block diagram showing a configuration of a control device for realizing the second method.
図5(a)において、電流演算部11は運転台からのノッチ指令値及び現在の速度に基づいて、インバータ出力電流指令値を演算する。ジャーク制御部12は、電流指令値の立ち上がり及び立ち下がりのタイミング及び傾きを制御する電流制御部である。特にジャーク制御部12は、ノッチ指令0が入力された時、電流指令値を一定の減少率(傾きdi/dt)で減少させる。ベクトル制御部13は、ジャーク制御部12からの電流指令値及び他の情報に基づいてベクトル制御し、インバータのゲート指令を生成する。このゲート指令は、主電動機(本例では誘導電動機)を駆動するVVVFインバータへ、出力スイッチ15を介して提供される。オフタイマ14は、ノッチ指令0が入力されてから所定時間後、出力スイッチ15をオフとし、これによりインバータのU、V、W相の全ゲート指令が0に設定される。
In FIG. 5A, the
図5(b)、5(c)は、図5(a)に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。 FIGS. 5B and 5C are time charts showing the operation of the control device shown in FIG.
先ず0以外のノッチ指令が入力されると、最初は励磁電流が流れ、モータ回転子に磁束が発生し磁束位置が検出される。この磁束位置はベクトル制御部15にて用いられ、トルク電流分を含む指令値に対応するゲート指令が生成されることで、モータにトルク電流が流れ車両が停止から加速し始める。その後、加速中にノッチ指令0が入力されると、オフタイマ14の時間計測が開始されると共に、電流は一定の傾きで減少してゆく。
First, when a notch command other than 0 is input, an exciting current flows first, a magnetic flux is generated in the motor rotor, and a magnetic flux position is detected. This magnetic flux position is used by the
図5(b)は、ノッチ指令0が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示している。図5(c)は、ノッチ指令0が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
FIG. 5B shows a case where the time during which the inverter current decreases from the maximum value to the excitation current from when the
図5(c)の場合、インバータの電流が励磁電流まで減少してからオフされるまでの時間T1の間、励磁電流によりVVVFインバータの動作が継続することになる。このとき、電流フィードバック制御のため、各インバータ出力相の電流検出器の感度バラつき等により、インバータ周波数成分のトルクリップルが微小に存在する。例えばインバータU相の電流検出器の感度が他の相に比べて低い場合、U相には他の相より大きな電流が流れ、モータにはトルクリップルが発生する。 In the case of FIG. 5C, the operation of the VVVF inverter is continued by the excitation current for a time T1 from when the inverter current decreases to the excitation current until it is turned off. At this time, because of the current feedback control, torque ripples of the inverter frequency component exist minutely due to variations in sensitivity of the current detectors of the inverter output phases. For example, when the sensitivity of the inverter U-phase current detector is lower than that of the other phases, a larger current flows in the U phase than in the other phases, and torque ripple occurs in the motor.
図6はモータ駆動系の構造を示す図である。 FIG. 6 shows the structure of the motor drive system.
車両駆動用のモータ(主電動機)20は、モータ駆動軸より継手を介して、車輪22を駆動するためギアボックス21を経由し、車輪22へ回転力を伝達する。この構造で、VVVFインバータ出力として、励磁電流による出力ゼロ付近でのインバータ周波数のトルクリップルが生じた場合、駆動ギア23と被駆動ギア24の遊び分のチャタリング(chattering)が発生し、騒音の原因となる。
The motor (main motor) 20 for driving the vehicle transmits the rotational force to the
従って本発明は、インバータ周波数で発生するトルクリップルに起因する騒音を抑制することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to suppress noise caused by torque ripple generated at an inverter frequency.
実施形態に係る電気車の駆動システムは、電動機を駆動するインバータと、このインバータを制御するインバータ制御装置とを備える。前記インバータ制御装置は、受信したノッチ指令に基づいて前記インバータを制御するための第1のトルク電流指令値および第1の励磁電流指令値を出力し、ノッチ指令オフの入力があると、前記第1のトルク電流指令値から予め定められた減少率で変化した第2のトルク電流指令値を出力し、この第2のトルク電流指令値がゼロになると、前記インバータに対するゲート指令をオフにする。 An electric vehicle drive system according to an embodiment includes an inverter that drives an electric motor and an inverter control device that controls the inverter. The inverter control device outputs a first torque current command value and a first excitation current command value for controlling the inverter based on the received notch command. A second torque current command value that is changed from a torque current command value of 1 at a predetermined reduction rate is output, and when the second torque current command value becomes zero, the gate command for the inverter is turned off.
以下、実施形態に係る電気車制御装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an electric vehicle control device according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1(a)は、第1実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。この電気車制御装置は、運転台からノッチ指令を入力し、ノッチ指令に対応するトルクを発生するためゲート信号を生成し、主電動機を駆動するインバータに該信号を出力する。
[First Embodiment]
FIG. 1A is a block diagram showing the configuration of the electric vehicle control device according to the first embodiment. The electric vehicle control device receives a notch command from the cab, generates a gate signal to generate torque corresponding to the notch command, and outputs the signal to an inverter that drives the main motor.
電流演算部11は運転台からのノッチ指令値及び現在の速度(車速またはモータ回転速度)に基づいて、インバータ出力電流指令値を演算する。また電流演算部11は一例として、5段階(ノッチ指令1〜5)のノッチ指令値を入力し、電流演算部11のブロック内に示されるように、ノッチ指令値をパラメータとする速度/電流特性に従って、インバータ出力電流指令値を演算する。この速度/電流特性は、運転士の手動操作で運転する時の一般的な特性である。尚、ノッチ指令0はインバータを構成するスイッチング素子を全てオフさせるための指令である。
The
ゲートオフ時間演算部16は、電流演算部11の出力電流指令値を所定の傾きdi/dtで除算することで、ゲートオフ時間Timeを演算する。従って、電流指令値が大きいほど、ゲートオフ時間Timeは大きな値となる。ここで、傾きdi/dtは、ノッチ指令0の入力後にインバータ出力電流を減少させる時の電流(加速度)減少率を示し、乗り心地等から決定される一定値である。
The gate off time calculation unit 16 calculates the gate off time Time by dividing the output current command value of the
オフタイマ14は、ノッチ指令値が0に立ち下がった時に時間計測を開始し、T端子に入力されるゲートオフ時間Timeが経過すると、Q端子に時間計測終了を示す信号(例えば論理1)を出力する時間計測部である。この信号に応じて出力スイッチ15はオフされ、インバータのU、V、W相の全ゲート指令が0に設定される。
The off timer 14 starts time measurement when the notch command value falls to 0, and outputs a signal (for example, logic 1) indicating the end of time measurement to the Q terminal when the gate off time Time input to the T terminal elapses. It is a time measurement unit. In response to this signal, the
ジャーク制御部12及びベクトル制御部13の動作は図5で前述した通りである。
The operations of the
図1(b)、1(c)は、図1(a)に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。 FIGS. 1B and 1C are time charts showing the operation of the control device shown in FIG.
先ず0以外のノッチ指令が入力されると前述したように、最初は励磁電流Imがモータの固定子に流れ、回転子に磁束が発生し磁束位置が検出される。この磁束位置、電流指令値及び速度等に基づいて、ベクトル制御部13はゲート指令を生成し、モータにトルク電流が流れ車両が発進する。
First, when a notch command other than 0 is input, as described above, the exciting current Im first flows to the stator of the motor, a magnetic flux is generated in the rotor, and the magnetic flux position is detected. Based on the magnetic flux position, current command value, speed, and the like, the
その後、ノッチ指令0が入力されると、オフタイマ14はゲートオフ時間演算部から提供されていたゲートオフ時間をラッチすると共に、例えばその値のカウントダウンを行い時間計測を開始する。このときジャーク制御部12は出力電流指令値を、ノッチ指令0の入力直前の値から所定の傾きdi/dtで減少させてゆく。ベクトル制御部13は、減少する電流指令値に対応するゲート指令を生成し、出力スイッチ15を介してVVVFインバータに提供する。この結果、車両の加速度は徐々に減少される。
Thereafter, when the
図1(b)は、ノッチ指令0が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少した場合を示し、図1(c)は最大値の1/2の電流から励磁電流まで減少した場合を示す。何れの場合でも、インバータの電流が励磁電流まで減少すると、オフタイマ14の時間計測は完了し、出力スイッチ15がオフされ、全てのゲート指令がオフに設定される。
FIG. 1 (b) shows a case where the inverter current decreases from the maximum value to the excitation current from when the
従って、従来の図5(c)のように、ノッチ指令0を入力して電流値が減少した後、モータが励磁電流で動作することが無いので、インバータ周波数成分のトルクリップルが発生せず、モータ駆動系のギアのチャタリングは大幅に低減される。
Therefore, as shown in FIG. 5C, after the
尚、本実施形態では、ゲートオフ時間Timeは電流指令値に基づいて算出したが、電流指令値の代わりにインバータに流れている実際の電流値あるいはその平均値に基づいて算出しても良い。 In this embodiment, the gate-off time Time is calculated based on the current command value, but may be calculated based on the actual current value flowing through the inverter or the average value thereof instead of the current command value.
[第2実施形態]
図2(a)は、第2実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
[Second Embodiment]
FIG. 2A is a block diagram illustrating a configuration of the electric vehicle control device according to the second embodiment.
第2実施形態の構成は、図1(a)の第1実施形態に比べ、電流演算部11及びゲートオフ時間演算部16の構成が異なっている。本例でも電流演算部11は、一例として5段階のノッチ指令値を入力し、図2(a)に示される速度/電流特性に従って、インバータ出力電流指令値を演算する。この速度/電流特性は、自動定速度運転に適した特性であって、出力電流指令値は全速度域において、ノッチ指令値毎に異なっている。すなわち出力電流指令値(トルク電流分)はノッチ指令値に実質的に比例している。運転士が走行中に自動定速度運転を選択すると、図2(a)に示されるような速度/電流特性が適用され、速度が一定に保たれる。尚、この速度/電流特性は、図1の速度/電流特性と好適に併用される。
The configuration of the second embodiment is different from that of the first embodiment of FIG. 1A in the configurations of the
ゲートオフ時間演算部16は、例えばノッチ指令値を常に所定時間記憶し、ノッチ指令0が入力されると、直前のノッチ指令値を読出す。またゲートオフ時間演算部16は、読み出したノッチ指令値を所定の傾きdi/dtで除算し、更に係数Kを乗算することで、ゲートオフ時間Timeを算出する。このようにゲートオフ時間は、図2に示すようなノッチ指令値に対する速度/電流特性に応じて、ノッチ指令値そのものを使用して好適に演算できる。
For example, the gate-off time calculation unit 16 always stores a notch command value for a predetermined time, and when the
図2(b)、2(c)は、図2(a)に示す制御装置の動作を示すタイムチャートであるが、図1(b)、1(c)の第1実施形態と同様であるから、詳細な説明は割愛する。 2 (b) and 2 (c) are time charts showing the operation of the control device shown in FIG. 2 (a), and are the same as those in the first embodiment of FIGS. 1 (b) and 1 (c). Therefore, the detailed explanation is omitted.
[第3実施形態]
図3(a)は、第3実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
[Third Embodiment]
FIG. 3A is a block diagram showing the configuration of the electric vehicle control device according to the third embodiment.
第3実施形態の構成は、図5(a)の従来構成に比べ、ジャーク制御部12とベクトル制御部13の間に、電流指令補正部17aが追加されている。
In the configuration of the third embodiment, a current
電流指令補正部17aは、ノッチ指令0が入力され、電流指令値が一定の傾きdi/dtで減少し、励磁電流値よりLだけ大きな値まで減少すると、その値を保持する。出力スイッチ15はオフタイマ14の時間計測結果に基づいて、ノッチ指令0が入力されてから一定時間Tco後オフされる。
When the
図3(b)、3(c)は、図3(a)に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。 3B and 3C are time charts showing the operation of the control device shown in FIG.
図3(b)は、ノッチ指令0が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示しており、図5(b)と同様である。図3(c)は、ノッチ指令0が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
FIG. 3B shows a case where the time during which the inverter current decreases from the maximum value to the excitation current from when the
図3(c)の場合、インバータの電流が励磁電流+Lの値まで減少すると、電流指令補正部17aの動作により、その値が維持される。この電流指令補正制御により、モータは僅かなプラス方向のトルクを発生する。この状態を図6のモータ駆動系構成図で説明する。被駆動ギア24が回転方向Aに回転すると車両が前進する場合、電流指令補正部17aの働きにより、駆動ギア23には回転方向Bのトルクが僅かに発生している。この結果、ギア23と24間のギャップCは無くなり、常に接触状態を維持しようとするので、ギアのチャタリングが大幅に抑制される。
In the case of FIG. 3C, when the current of the inverter decreases to the value of the excitation current + L, the value is maintained by the operation of the current
[第4実施形態]
図4(a)は、第4実施形態に係る電気車制御装置の構成を示すブロック図である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 4A is a block diagram showing the configuration of the electric vehicle control device according to the fourth embodiment.
第4実施形態の構成は、図5(a)の従来構成に比べ、ジャーク制御部12とベクトル制御部13の間に、電流指令補正部17bが追加されている。
In the configuration of the fourth embodiment, a current
電流指令補正部17bは、ノッチ指令0が入力され、電流指令値が一定の傾きdi/dtで減少し、励磁電流値まで減少すると、マイナスの補正値を重畳し、その値を保持する。出力スイッチ15はオフタイマ14の時間計測結果に基づいて、ノッチ指令0が入力されてから一定時間後オフされる。
When the
図4(b)、4(c)は、図4(a)に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。 4 (b) and 4 (c) are time charts showing the operation of the control device shown in FIG. 4 (a).
図4(b)は、ノッチ指令0が入力された時からインバータの電流が、最大値から励磁電流まで減少する時間と、オフタイマの一定計測時間Tcoが一致した場合を示しており、図5(b)と同様である。図4(c)は、ノッチ指令0が入力された時からインバータの電流が励磁電流まで減少する時間が、オフタイマの一定計測時間Tcoより短い一般的な場合を示している。
FIG. 4B shows a case where the time during which the inverter current decreases from the maximum value to the excitation current from when the
図4(c)の場合、インバータの電流が励磁電流値まで減少すると、電流指令補正部17bの動作により、マイナスの補正値(−L)が電流に重畳される。この電流指令補正制御により、モータには僅かなマイナス方向のトルクが発生する。この状態を図6のモータ駆動系構成図で説明する。被駆動ギア24が回転方向Aに回転すると車両が前進する場合、電流指令補正部17bの働きにより、駆動ギア23には回転方向Bとは逆方向のトルクが僅かに発生する。この結果、ギア23と24間のギャップDは無くなり、常に接触状態を維持しようとするので、ギアのチャタリングが大幅に抑制される。
In the case of FIG. 4C, when the inverter current decreases to the exciting current value, a negative correction value (-L) is superimposed on the current by the operation of the current
以上説明したように上記実施形態によれば、VVVFインバータの出力ゼロ付近でインバータ周波数のトルクリップルが生じることを回避し、ギアの遊び分のチャタリングによる騒音発生を防ぐことが可能となる。 As described above, according to the above-described embodiment, it is possible to avoid the occurrence of torque ripple at the inverter frequency near the output zero of the VVVF inverter and to prevent the generation of noise due to chattering of the gear play.
以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。例えば、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。 The above description is an embodiment of the present invention, and does not limit the apparatus and method of the present invention, and various modifications can be easily implemented. For example, various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment.
11…電流演算部、12…ジャーク制御部、13…ベクトル制御部、14…オフタイマ、15…出力スイッチ、16…ゲートオフ時間演算部、17…電流指令補正部。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
このインバータを制御するインバータ制御装置と、を備え、
前記インバータ制御装置は、
受信したノッチ指令に基づいて前記インバータを制御するための第1のトルク電流指令値および第1の励磁電流指令値を出力し、
ノッチ指令オフの入力があると、前記第1のトルク電流指令値から予め定められた減少率で変化した第2のトルク電流指令値を出力し、
この第2のトルク電流指令値がゼロになると、前記インバータに対するゲート指令をオフにすることを特徴とする電気車の駆動システム。 An inverter that drives an electric motor;
An inverter control device for controlling the inverter,
The inverter control device
Outputting a first torque current command value and a first excitation current command value for controlling the inverter based on the received notch command;
When there is an input of notch command off, a second torque current command value that changes at a predetermined decrease rate from the first torque current command value is output,
When the second torque current command value becomes zero, the gate command for the inverter is turned off.
受信したノッチ指令に基づいて前記インバータを制御するための第1のトルク電流指令値および第1の励磁電流指令値を出力する手段と、
ノッチ指令オフの入力があると、前記第1のトルク電流指令値から予め定められた減少率で変化した第2のトルク電流指令値を出力する手段と、
この第2のトルク電流指令値がゼロになると、前記インバータに対するゲート指令をオフにする手段と
を具備したことを特徴とするインバータ制御装置。 In an inverter control device that controls an inverter that drives an electric motor,
Means for outputting a first torque current command value and a first excitation current command value for controlling the inverter based on the received notch command;
Means for outputting a second torque current command value changed at a predetermined decrease rate from the first torque current command value when notch command off is input;
An inverter control apparatus comprising: means for turning off a gate command for the inverter when the second torque current command value becomes zero.
を更に備えたことを特徴とする請求項4に記載のインバータ制御装置。 Means for maintaining the first excitation current command value after the notch command off is input;
The inverter control device according to claim 4, further comprising:
受信したノッチ指令に基づいて前記インバータを制御するための第1のトルク電流指令値および第1の励磁電流指令値を出力し、
ノッチ指令オフの入力があると、前記第1のトルク電流指令値から予め定められた減少率で変化した第2のトルク電流指令値を出力し、
この第2のトルク電流指令値がゼロになると、前記インバータに対するゲート指令をオフにする
ことを特徴とする制御方法。 A control method for an inverter that drives an electric motor,
Outputting a first torque current command value and a first excitation current command value for controlling the inverter based on the received notch command;
When there is an input of notch command off, a second torque current command value that changes at a predetermined decrease rate from the first torque current command value is output,
When the second torque current command value becomes zero, the gate command for the inverter is turned off.
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