JP5777814B2 - 電気車の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両の動力を発生させる交流電動機を駆動するための電力変換器を制御し、交流電動機の抵抗値を算出する電気車の制御装置に関する。

交流電動機の抵抗値は温度によって変動する。抵抗値が変動して、制御側で設定した抵抗値と実際の抵抗値との間に誤差が生じることになれば、所望の出力トルクを得ることができない場合や、所望の制御応答性を得られない場合がある。そこで、交流電動機の抵抗値を正確に算出する必要がある。

特許文献１に開示される技術では、誘導電動機の起動直後の決められた長さの時間内に直流電圧を印加して電流値を測定し、測定した電流値と基準温度での電流値とに基づき、一次抵抗値と二次抵抗値との変動を算出する。特許文献２に開示される誘導電動機制御装置では、インバータに試験電源を供給し、多相誘導電動機が回転し始めないような周波数の電圧指令をインバータに与え、予め測定された多相誘導電動機の一次抵抗値に基づき、二次抵抗値の算出を行う。

特許文献１および２に開示される技術では、交流電動機が回転しているか否かの判断は行わない。交流電動機が回転している場合には、交流電動機は回転周波数に応じた複雑なインピーダンス特性を持ち、交流電動機に印加した電圧に対する電流値の応答特性から、一次抵抗値および二次抵抗値を推定して検出することは難しい。そのため、交流電動機が回転している場合には、交流電動機の一次抵抗値および二次抵抗値を正確に算出することは困難である。そこで特許文献３に開示される電力変換装置は、運転指令および交流電動機において生じる回転磁界に同期して回転する回転座標系での電圧および電流に基づいて、交流電動機の角速度を算出し、角速度が０である場合に、交流電動機の抵抗値を算出する。

特開平４−３６４３８４号公報 特許第３７７１２３９号公報 特許第４７３８５４９号公報

特許文献３に開示される電力変換装置は、交流電動機の角速度が０である場合に交流電動機の抵抗値を算出するが、角速度は厳密には０にならない。そのため角速度が０を含む決められた範囲内であれば、角速度が０であると判断して交流電動機の抵抗値を算出する必要があり、範囲内であっても交流電動機が回転している場合には、交流電動機の一次抵抗値および二次抵抗値を正確に算出することは困難である。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであり、交流電動機の抵抗値を算出する精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る電気車の制御装置は、電力変換器、抵抗演算部、および抵抗演算起動部を備える。電力変換器は、車両の動力を発生させる交流電動機を駆動する。抵抗演算部は、電圧指令値と電流値に基づき交流電動機の抵抗値を算出する。抵抗演算起動部は、交流電動機が回転停止していると判断した状態で運転指令として力行指令が入力された場合に、抵抗演算部を起動する。

本発明によれば、交流電動機の抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態２に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態３に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態３に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態４に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態４に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態５に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態５に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態５に係る抵抗演算起動部の異なる構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態７に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態７における偏差電圧の振幅の変化を示す図である。 実施の形態７に係る電気車の制御装置の異なる構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態８に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態８における相電流を示す図である。 実施の形態８における相電流を示す図である。 本発明の実施の形態９に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態９に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態９に係る抵抗演算起動部が速度演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。制御装置１は、車両の動力を発生する交流電動機５を駆動する。制御装置１は、制御部２、ｄｑ（direct-quadrature）／三相変換部３、電力変換器４、交流電動機５、電流検出部６ａ、６ｂ、６ｃ、三相／ｄｑ変換部７、抵抗演算起動部８、および交流電動機５の抵抗値を算出する抵抗演算部９を備える。制御装置１および交流電動機５が搭載される車両を電気車と呼び、制御装置１を電気車の制御装置とも呼ぶ。

制御装置１を電気車に用いる場合に、運転指令信号Ｓ１は、運転台からの指令信号であり、運転台で運転員が行う運転操作に応じてその内容が変化する。外部信号Ｓ２は、制御装置１の外側において電気車の制御に用いられる信号であり、電気車が停止しているか否かの判断に用いることができる信号である。以下の説明においては、交流電動機５として三相誘導電動機を用いる。なお、三相誘導電動機以外の交流電動機に対しても、本願発明を適用できる。

制御部２は、例えば特許文献３に記載されているような従来技術を用いて、運転指令信号Ｓ１に基づき、回転座標系でのｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を生成する。回転座標とは、交流電動機５において生じる回転磁界に同期して回転する座標である。ｄ軸は回転磁界の主磁束と同方向であり、ｑ軸はｄ軸に直交する方向である。制御部２は、下記（１）式で表されるように、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊、および三相／ｄｑ変換部７が出力するｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑに基づき、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸電流値Ｉｄとの偏差およびｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｑ軸電流値Ｉｑとの偏差がなくなるように、電力変換器４が出力する電圧の回転座標系での指令値であるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を生成し、ｄｑ／三相変換部３に送る。下記（１）式中のｓは微分演算子である。

上記（１）式中の比例ゲインｋ_ｃｐおよび時定数ω_ｃｐｉは、下記（２）式で表される。下記（２）式中のω_ｃｃは、制御部２によって制御されるｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑの応答を設計する上で決められた電流応答目標値であり、電力変換器４のキャリア周波数（後述）と、交流電動機５を制御するための要求仕様を加味して決定される。例えば、本実施の形態１のように交流電動機５が回転を停止している間に交流電動機５の抵抗値を算出する場合は、ω_ｃｐｉ＝５００ｒａｄ／秒程度に設定すればよい。また下記（２）式中のＬｓは、交流電動機５の一次側インダクタンスであり、交流電動機５の相互インダクタンスと一次漏れインダクタンスの和である。

ｄｑ／三相変換部３は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊について、回転座標系から交流電動機５を駆動するための座標である駆動座標系への座標変換を行い、駆動座標系の電圧指令値を生成して電力変換器４に送る。交流電動機５が三相誘導電動機である場合は、駆動座標は、互いに１２０度の角度差を有するＵ相軸、Ｖ相軸およびＷ相軸を有する三相座標である。図１の例では、ｄｑ／三相変換部３は、回転座標系のｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に座標変換する。ｄｑ／三相変換部３は、Ｕ相軸に対するｄ軸の位相をθ１とし、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の座標変換を行う。ｄ軸は任意の方向に設定でき、θ１の値はｄ軸の方向に応じた値である。ｄｑ／三相変換部３は、相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を電力変換器４に送る。電力変換器４は、相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づき、図示しない電力源から入力された電力を交流電動機５に供給する三相交流電力に変換し、交流電動機５を駆動する。

電流検出部６ａ、６ｂ、６ｃは、電力変換器４と交流電動機５との結線に流れる電流値を検出するＣＴ（Current Transformer）である。電流検出部６ａ、６ｂ、６ｃは、それぞれ電力変換器４が交流電動機５に供給する相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出し、三相／ｄｑ変換部７に送る。電流検出部６ａ、６ｂ、６ｃは、ＣＴに限られない。また相電流値はＩｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０という関係を満たすので、例えば電流検出部６ｃを省略し、電流検出部６ａ、６ｂがそれぞれ検出した相電流値Ｉｕ、Ｉｖから相電流値Ｉｗを算出してもよい。三相／ｄｑ変換部７は、相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの座標変換を行い、回転座標系のｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑを生成し、制御部２および抵抗演算部９に送る。

抵抗演算起動部８は、運転指令信号Ｓ１および外部信号Ｓ２に基づいて交流電動機５が回転しているか回転停止しているかを判断し、交流電動機５が回転停止していると判断している状態で力行指令が入力された場合に抵抗演算の開始を通知する抵抗演算信号Ｓ３を抵抗演算部９に送る。抵抗演算起動部８は、運転指令信号Ｓ１および外部信号Ｓ２に基づき、電気車が停止しているか否かを判断し、電気車が停止していると判断した場合であって、運転指令として力行指令が入力された場合に、抵抗演算が可能である期間の開始時点を決定する。抵抗演算起動部８が決定した開始時点以降の抵抗演算が可能な期間を抵抗演算期間と呼ぶ。抵抗演算期間の長さは、設計の過程で決定される。例えば、抵抗演算期間の長さを４００ｍ秒とする。

抵抗演算信号Ｓ３は、抵抗演算期間の間、Ｈ（High）レベルが継続する信号である。抵抗演算起動部８はＨレベルの抵抗演算信号Ｓ３を抵抗演算部９に出力することで、抵抗演算部９を起動する。なお、抵抗演算起動部８は抵抗演算期間の開始時点を抵抗演算部９に通知し、抵抗演算部９が抵抗演算期間の終了時点を決定するよう構成してもよい。

Ｈレベルの抵抗演算信号Ｓ３の入力によって起動された抵抗演算部９は、抵抗演算期間の少なくとも一部の期間でのｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｄ軸電流値Ｉｄに基づき、交流電動機５の抵抗値を算出する。抵抗演算期間は、抵抗演算部９が起動された後の決められた期間である。なお、交流電動機５の抵抗値の算出方法は上述の例に限られず、起動された後の決められた期間における電力変換器４に対する電圧指令値および電力変換器４が出力する電流値を用いて、抵抗演算部９は交流電動機５の抵抗値を算出すればよい。抵抗演算部９は、例えばＵ相電圧指令値Ｖｕ＊およびＵ相電流値Ｉｕに基づいて、交流電動機５の抵抗値を算出してもよい。

抵抗演算部９は、例えば特許文献２および特許文献３に記載されているような従来技術を用いて、交流電動機５の一次抵抗値Ｒｓおよび二次抵抗値Ｒｒを算出する。例えば、交流電動機５にステップ電圧を印加する場合には、抵抗演算期間の開始直後の予め決められた長さの時間において、抵抗演算部９は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊をｄ軸電流値Ｉｄで除算して、一次抵抗値Ｒｓと二次抵抗値Ｒｒの和を算出する。決められた長さの時間が経過した後、抵抗演算部９は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊をｄ軸電流値Ｉｄで除算して、一次抵抗値Ｒｓを算出する。そして、一次抵抗値Ｒｓと二次抵抗値Ｒｒの和から一次抵抗値Ｒｓを減算することで、二次抵抗値Ｒｒを算出する。抵抗演算期間の開始直後の予め決められた長さの時間は、例えば５０ｍ秒のように抵抗演算期間より十分に短い時間とする。

図２は、実施の形態１に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。運転指令信号Ｓ１である力行指令信号Ｐおよびブレーキ指令信号Ｂ、および外部信号Ｓ２である速度信号Ｖｅｌ（後述）が抵抗演算起動部８に入力される。抵抗演算起動部８は、電気車が停止していると判断できる場合であって、ブレーキ指令が入力されている状態で力行指令が入力され、またはブレーキ指令が解除されてからの所定の長さの期間である所定の期間Ｔａに力行指令が入力された場合に、該力行指令が入力されてから抵抗演算期間の間は、抵抗演算信号Ｓ３を出力する。本明細書において、「所定」とは、予め決められていること、または変数を用いた式などにより表現され、使用する時までに値が決められていることを意味する。

運転指令として力行指令が入力されると、力行指令信号ＰはＨレベルになり、力行指令が解除されると、力行指令信号ＰはＬ（Low）レベルになる。また運転指令としてブレーキ指令が入力されると、ブレーキ指令信号ＢはＨレベルになり、ブレーキ指令が解除されると、ブレーキ指令信号ＢはＬレベルになる。

ブレーキ指令信号Ｂは、ＯＦＦディレイ８１に入力される。ＯＦＦディレイ８１は、入力された信号の立ち下がりを検出し、立ち下がりを検出してから所定の期間Ｔａ経過後に、立ち下がりを出力する。所定の期間Ｔａの長さは、ブレーキ指令が解除されてから機械ブレーキ装置が動作し、電気車の車輪に働いているブレーキ力を解放するまでの時間に基づき決定される時間であり、例えば１秒とする。

なお、電気車が駅などに停止しているときには、電力変換器４は動作しておらず、かつ、機械ブレーキ装置により電気車の車輪が固定されている。このような状態でブレーキ指令が解除されると、機械ブレーキ装置は電気車の車輪に働いているブレーキ力を解放する。機械ブレーキ装置によるブレーキ力の解放は機械的な動作を伴うため、ブレーキ力は徐々に解放される。ある程度以上のブレーキ力が車輪に働いている期間では、電気車の車輪は固定されているため、交流電動機５が回転停止していると判断できる。このような機械的な動作に要する時間は、機械ブレーキ装置の動作特性によって異なるが、概ね１秒程度である。本実施の形態では、上述のように所定の期間Ｔａの長さを１秒とする。

速度信号Ｖｅｌは、電気車の速度を示す信号であり、速度判定器８２に入力される。速度信号Ｖｅｌには、例えばＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）の速度情報を用いることができる。速度判定器８２は、速度信号Ｖｅｌが示す電気車の速度が所定の閾値以下であるか否かに基づき電気車が停止しているか否かを判断する。速度判定器８２は、電気車が停止していると判断できる場合にはＨレベルであり、電気車が停止していると判断できない場合にはＬレベルである信号を出力する。

なお、速度信号Ｖｅｌが示す電気車の速度は、電気車の車輪軸に取り付けられたＰＧ（Pulse Generator）が出力するパルスをカウントして求められる。ＰＧは、車輪軸が１回転するごとに所定の数のパルスを出力する。一般的に電気車に用いられるＰＧは、車輪軸が１回転するのに対して、１０程度のパルスを出力する。上記演算によって求められる電気車の速度は速度分解能が比較的粗いため、交流電動機５が回転停止しつつある場合または回転停止の状態から回転し始めた場合には、速度信号Ｖｅｌのみを用いて精度よく交流電動機５の回転停止を判断することは困難である。

第１の論理積８３は、ＯＦＦディレイ８１の出力および速度判定器８２の出力の論理積をＯＮディレイ８４に出力する。ＯＮディレイ８４は、入力された信号の立ち上がりを検出し、立ち上がりを検出してから所定の期間Ｔｂ経過後に、立ち上がりを出力する。またＯＮディレイ８４は、入力された信号の立ち下がりにおいて、立ち下がりを出力する。ＯＮディレイ８４は、ノイズ除去やチャタリング防止のために設けられている。例えば、ＯＮディレイ８４の所定の期間Ｔｂの長さを５秒とする。

第２の論理積８５は、力行指令信号ＰおよびＯＮディレイ８４の出力の論理積を抵抗演算信号生成部８６に送る。抵抗演算信号生成部８６は、入力された信号の立ち上がりを検出した場合には、立ち上がりから所定の長さの抵抗演算期間の間、Ｈレベルが継続する抵抗演算信号Ｓ３を出力する。

図３は、実施の形態１に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。図３において、力行指令の入力およびブレーキ指令の解除、電気車のブレーキ圧力、交流電動機５のトルク、および電気車の速度の変化、および抵抗演算起動部８が備える所定の素子の入力および出力の変化を示す。図２および図３を用いて、抵抗演算起動部８が抵抗演算期間を判断する動作について説明する。

図３の例では、電気車速度は、ブレーキ指令が入力されている間に徐々に減少し、時刻Ｔ１において電気車が停止していると判断できる状態になる。その後、時刻Ｔ３においてブレーキ指令が解除され、時刻Ｔ４において力行指令が入力される。ブレーキ指令が時刻Ｔ３において解除されると、ブレーキ圧力は徐々に減少する。時刻Ｔ３からの所定の期間Ｔａ内にある時刻Ｔ４において力行指令が入力された後、後述するように抵抗演算期間が終了する時刻Ｔ６においてトルクが増加し始めると、交流電動機５が回転を開始して電気車が動き出し、電気車速度が徐々に増加する。

ＯＦＦディレイ８１の出力は、ブレーキ指令が解除された時刻Ｔ３から所定の期間Ｔａが経過した後の時刻Ｔ５において、Ｌレベルになる。時刻Ｔ１において電気車が停止してから、時刻Ｔ６において電気車が動き出すまでの間、速度信号Ｖｅｌの値は閾値以下であるので、速度判定器８２の出力は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ６までＨレベルである。第１の論理積８３の出力は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ５までＨレベルである。ＯＮディレイ８４の出力は、時刻Ｔ１から所定の期間Ｔｂが経過した後の時刻Ｔ２においてＨレベルになり、時刻Ｔ５においてＬレベルになる。

力行指令信号Ｐは力行指令が入力される時刻Ｔ４においてＨレベルになり、ＯＮディレイ８４の出力は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ５までＨレベルである。したがって、第２の論理積８５の出力は、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までＨレベルである。抵抗演算信号Ｓ３は、時刻Ｔ４から抵抗演算期間が経過した後の時刻Ｔ６までＨレベルである。

ブレーキ指令が入力されている状態で時刻Ｔ４において力行指令が入力された場合にも、上述の例と同様に、抵抗演算起動部８は抵抗演算期間の間、Ｈレベルが継続する抵抗演算信号Ｓ３を出力する。これは以下の実施の形態においても同様である。上述のように、交流電動機５が回転停止していると判断した場合に算出した一次抵抗値Ｒｓおよび二次抵抗値Ｒｒを用いることで、より安定した所望の交流電動機５の出力トルクを得ることができる。

以上説明したとおり、本実施の形態１では、力行指令信号Ｐ、ブレーキ指令信号Ｂ、および電気車の速度を示す速度信号Ｖｅｌを用いて、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断し、交流電動機５が回転停止している間に交流電動機５の抵抗値を算出するため、抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。また交流電動機５が回転停止しているか否かを判断するために交流電動機５の角速度を検出する速度演算部を設ける必要がないため、構成を簡易化することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。実施の形態２に係る抵抗演算起動部８Ａは、運転指令信号Ｓ１である力行指令信号Ｐおよび外部信号Ｓ２である速度信号Ｖｅｌおよびブレーキ圧力信号ＢＰに基づき、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断する。抵抗演算起動部８Ａは、電気車が停止していると判断できる状態で、かつブレーキ圧力が閾値以上である場合であって、ブレーキ指令が入力されている状態で力行指令が入力され、またはブレーキ指令が解除されてからブレーキ圧力が所定値以上である期間に力行指令が入力された場合に、抵抗演算期間の開始時点を決定する。上述の状態で力行指令が入力されてから少なくとも抵抗演算期間以内は、交流電動機５が回転停止していると判断でき、交流電動機５の抵抗値を算出することが可能である。実施の形態２に係る抵抗演算起動部８Ａは、実施の形態１に係る抵抗演算起動部８が備えるＯＦＦディレイ８１の替わりに、圧力判定器８７を備える。

ブレーキ圧力信号ＢＰは、ブレーキ圧力を示す信号であり、圧力判定器８７に入力される。圧力判定器８７は、ブレーキ圧力が閾値以上であるか否かを判定する。例えば、圧力判定器８７は、ブレーキ圧力が閾値以上である場合にＨレベルであり、閾値未満である場合にＬレベルである信号を出力するものとする。第１の論理積８３Ａは、圧力判定器８７の出力および速度判定器８２の出力の論理積をＯＮディレイ８４に出力する。

図５は、実施の形態２に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。図４および図５を用いて、抵抗演算起動部８Ａが抵抗演算期間を判断する動作について説明する。力行指令の入力およびブレーキ指令の解除が行われる時刻、および、ブレーキ圧力、交流電動機５のトルクおよび電気車速度の変化は実施の形態１と同様である。

力行指令が入力される時刻Ｔ４よりも後の時刻Ｔ５においてブレーキ圧力が閾値未満となると、圧力判定器８７の出力は、時刻Ｔ５においてＬレベルになる。速度判定器８２の動作は実施の形態１と同様である。第１の論理積８３Ａの出力は、実施の形態１と同様に時刻Ｔ１から時刻Ｔ５までＨレベルである。ＯＮディレイ８４、第２の論理積８５、および抵抗演算信号生成部８６の動作は実施の形態１と同様である。抵抗演算信号Ｓ３は、時刻Ｔ４から抵抗演算期間が経過した後の時刻Ｔ６までＨレベルである。

以上説明したとおり、本実施の形態２では、力行指令信号Ｐ、ブレーキ圧力信号ＢＰ、および電気車速度を示す速度信号Ｖｅｌを用いて、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断し、交流電動機５が回転停止しているときに交流電動機５の抵抗値を算出するため、抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。実施の形態３に係る抵抗演算起動部８Ｂは、運転指令信号Ｓ１である力行指令信号Ｐおよびブレーキ指令信号Ｂ、および外部信号Ｓ２であるドア開閉信号Ｄに基づき、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断する。抵抗演算起動部８Ｂは、電気車のドアが開閉された後、ブレーキ指令が入力されている状態で力行指令が入力され、またはブレーキ指令が解除されてから所定の期間Ｔａ以内に力行指令が入力された場合に、抵抗演算期間の開始時点を決定する。実施の形態３に係る抵抗演算起動部８Ｂは、実施の形態１に係る抵抗演算起動部８が備える速度判定器８２の替わりに、ラッチ回路８８を備える。

ラッチ回路８８に入力されるドア開閉信号Ｄは、ドアが開いている場合にＨレベルであり、ドアが閉じている場合にＬレベルである信号である。ラッチ回路８８は、入力されるドア開閉信号ＤがＨレベルである場合にＨレベルを出力し、入力される力行指令信号ＰがＨレベルである場合にＬレベルを出力し、ドア開閉信号Ｄと力行指令信号ＰがともにＬレベルである場合には、出力状態を保持する。なおドア開閉信号Ｄと力行指令信号Ｐが同時にＨレベルになることはない。第１の論理積８３Ｂは、ＯＦＦディレイ８１の出力およびラッチ回路８８の出力の論理積をＯＮディレイ８４に出力する。

図７は、実施の形態３に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。図７の例では、時刻Ｔ５においてブレーキ指令が解除され、時刻Ｔ５からの所定の期間Ｔａ内にある時刻Ｔ６において力行指令が入力される。ブレーキ指令が時刻Ｔ５において解除されると、ブレーキ圧力は徐々に減少する。時刻Ｔ６において力行指令が入力された後、時刻Ｔ９においてトルクが増加し始めると、交流電動機５が回転を開始して電気車が動き出し、電気車速度が徐々に増加する。図６および図７を用いて、抵抗演算起動部８が抵抗演算期間を判断する動作について説明する。

図７の例では、時刻Ｔ２においてドアが開き、時刻Ｔ４においてドアが閉じる。ラッチ回路８８の出力は、ドアが開く時刻Ｔ２から力行指令Ｐが立ち上がる時刻Ｔ６までの期間Ｔｃにおいて、Ｈレベルである。期間Ｔｃに含まれる時刻Ｔ４において、ドアが閉じるが、時刻Ｔ４から時刻Ｔ６までの間は、ラッチ回路８８の出力はＨレベルで保持される。

ＯＦＦディレイ８１の動作は実施の形態１と同様である。ＯＦＦディレイ８１の出力は、時刻Ｔ８においてＬレベルとなる。第１の論理積８３Ｂの出力は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ６までＨレベルである。ＯＮディレイ８４、第２の論理積８５、および抵抗演算信号生成部８６の動作は実施の形態１と同様である。ＯＮディレイ８４の出力は、第１の論理積８３Ｂの出力がＨレベルになる時刻Ｔ２から所定の期間Ｔｂが経過した後の時刻Ｔ３においてＨレベルになり、時刻Ｔ６においてＬレベルになる。

ＯＮディレイ８４の出力は制御周期のため実際には時刻Ｔ６においてＬレベルにはならず、第２の論理積８５の出力は時刻Ｔ６から所定の制御周期後の時刻Ｔ７までＨレベルである。所定の制御周期とは、第２の論理積８５を含む抵抗演算起動部８Ｂの各素子が制御動作を繰り返す周期であり、設計の過程で決められた時間の長さである。抵抗演算信号Ｓ３は、時刻Ｔ６から抵抗演算期間が経過した後の時刻Ｔ９までＨレベルである。第２の論理積８５の出力がＨレベルである期間を十分な長さにするために、ＯＮディレイを介して力行指令信号Ｐをラッチ回路８８に入力するように構成してもよい。

以上説明したとおり、本実施の形態３では、力行指令信号Ｐ、ブレーキ指令信号Ｂ、およびドア開閉信号Ｄを用いて、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断し、交流電動機５が回転停止しているときに交流電動機５の抵抗値を算出するため、抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。実施の形態４に係る抵抗演算起動部８Ｃは、運転指令信号Ｓ１である力行指令信号Ｐおよび外部信号Ｓ２であるブレーキ圧力信号ＢＰおよびドア開閉信号Ｄに基づき、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断する。抵抗演算起動部８Ｃは、ブレーキ圧力が閾値以上である場合であって、電気車のドアが開閉された後、ブレーキ指令が入力されている状態で力行指令が入力され、またはブレーキ指令が解除されてから力行指令が入力された場合に、抵抗演算期間の開始時点を決定する。実施の形態４に係る抵抗演算起動部８Ｃは、実施の形態３に係る抵抗演算起動部８Ｂが備えるＯＦＦディレイ８１に替えて、実施の形態２に係る抵抗演算起動部８Ａが備える圧力判定器８７を備える。

図９は、実施の形態４に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。図８および図９を用いて、抵抗演算起動部８Ｃが抵抗演算期間を判断する動作について説明する。力行指令の入力およびブレーキ指令の解除が行われる時刻、および、ブレーキ圧力、交流電動機５のトルクおよび電気車速度の変化は実施の形態３と同様である。ただし、時刻Ｔ８は、ブレーキ圧力が閾値未満になる時刻であり、力行指令が入力される時刻Ｔ６よりも後の時点である。

圧力判定器８７の動作は実施の形態２と同様であり、ラッチ回路８８の動作は実施の形態３と同様である。第１の論理積８３Ｃは、圧力判定器８７の出力およびラッチ回路８８の出力の論理積をＯＮディレイ８４に出力する。第１の論理積８３Ｃの出力は、実施の形態３と同様に時刻Ｔ２から時刻Ｔ６までＨレベルである。ＯＮディレイ８４、第２の論理積８５、および抵抗演算信号生成部８６の動作は実施の形態３と同様である。抵抗演算信号Ｓ３は、時刻Ｔ６から抵抗演算期間が経過した時点である時刻Ｔ９までＨレベルである。

以上説明したとおり、本実施の形態４では、力行指令Ｐ、ブレーキ圧力信号ＢＰおよびドア開閉信号Ｄを用いて、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断し、交流電動機５が回転停止しているときに交流電動機５の抵抗値を算出するため、抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。実施の形態５に係る抵抗演算起動部８Ｄは、運転指令信号Ｓ１である力行指令信号Ｐ、および外部信号Ｓ２である勾配起動信号Ｇに基づき、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断する。勾配起動とは、電気車が上り勾配である場所に停止している場合に、電気車が後退しない程度のブレーキをかけ、力行指令を入力してから交流電動機５のトルクがブレーキを解除しても後退することが無いような値に達するまでの間に勾配による後退を防止するものである。勾配起動信号Ｇは、運転台における例えば勾配起動スイッチのＯＮとＯＦＦの切り替えにより信号レベルが変化する。例えば勾配起動信号Ｇは、勾配起動の状態である場合にＨレベルであり、勾配起動の状態でない場合にＬレベルである信号である。

抵抗演算起動部８Ｄは、勾配起動状態で力行指令が入力された場合に、抵抗演算期間の開始時点を決定する。抵抗演算起動部８Ｄは、第１の論理積８３Ｄおよび抵抗演算信号生成部８６を備える。力行指令信号Ｐおよび勾配起動信号Ｇは第１の論理積８３Ｄに入力される。第１の論理積８３Ｄは、力行指令信号Ｐおよび勾配起動信号Ｇの論理積を抵抗演算信号生成部８６に出力する。

図１１は、実施の形態５に係る抵抗演算起動部が抵抗演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。図１１の例では、時刻Ｔ１において勾配起動スイッチがＯＮになり、時刻Ｔ２においてブレーキ指令が解除され、時刻Ｔ３において力行指令が入力される。時刻Ｔ３において力行指令が入力された後、時刻Ｔ３から抵抗演算期間が経過した後の時刻Ｔ５においてトルクが増加し始めるが、勾配起動スイッチがＯＮであるため、電気車は停止したままである。勾配起動スイッチがＯＦＦになる時刻Ｔ６からブレーキ圧力が減少し始め、時刻Ｔ７から交流電動機５が回転を開始して電気車が動き出し、電気車速度が徐々に増加する。図１０および図１１を用いて、抵抗演算起動部８Ｄが抵抗演算期間を判断する動作について説明する。

時刻Ｔ１から時刻Ｔ６まで勾配起動信号はＨレベルである。時刻Ｔ２においてブレーキ指令が解除された後も勾配起動の状態である間は、ブレーキ圧力は、ある値で維持され、時刻Ｔ６において勾配起動の状態でなくなると、徐々に減少する。第１の論理積８３Ｄの出力は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ６までＨレベルである。抵抗演算信号生成部８６の動作は実施の形態１と同様である。抵抗演算信号Ｓ３は、時刻Ｔ３から抵抗演算期間が経過した後の時刻Ｔ５までＨレベルである。

図１２は、実施の形態５に係る抵抗演算起動部の異なる構成例を示すブロック図である。図１２に示す抵抗演算起動部８Ｅは、図１０に示す抵抗演算起動部８Ｄが用いる勾配起動信号Ｇの替わりにホールディングブレーキ信号Ｈを用いる。抵抗演算起動部８Ｅは、運転指令信号Ｓ１である力行指令信号Ｐおよび外部信号Ｓ２であるホールディングブレーキ信号Ｈに基づき、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断する。抵抗演算起動部８Ｅは、第１の論理積８３Ｅおよび抵抗演算信号生成部８６を備える。力行指令信号Ｐおよびホールディングブレーキ信号Ｈは第１の論理積８３Ｅに入力される。第１の論理積８３Ｅは、力行指令信号Ｐおよびホールディングブレーキ信号Ｈの論理積を抵抗演算信号生成部８６に出力する。抵抗演算起動部８Ｅは、抵抗演算起動部８Ｄと比較して、外部信号Ｓ２として用いる信号が異なるが、動作は同じである。

ホールディングブレーキはフェールセーフの観点から設けられるものであり、電気車が停止している際に常に機械ブレーキ装置によって電気車の車輪にブレーキ力をかけ、力行指令を入力してから交流電動機５のトルクが所定の値に達すると、機械ブレーキ装置がブレーキ力を解放する。ホールディングブレーキ信号Ｈは、機械ブレーキ装置により出力され、例えばホールディングブレーキ状態であればＨレベルであり、ホールディングブレーキ状態が解除されている状態であればＬレベルである信号である。

勾配起動信号Ｇおよびホールディングブレーキ信号Ｈ以外の信号を用いてもよく、機械ブレーキ装置が動作中であることを示す信号である機械ブレーキ動作中信号が出力されている間は、交流電動機５が回転停止していると判断してもよい。

以上説明したとおり、本実施の形態５では、力行指令信号Ｐおよび、勾配起動信号Ｇまたはホールディングブレーキ信号Ｈを用いて、交流電動機５が回転停止しているか否かを判断し、交流電動機５が回転停止しているときに交流電動機５の抵抗値を算出するため、抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態６）
図１３は、本発明の実施の形態６に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。制御装置１Ｆの構成は、実施の形態１の場合での制御装置１と同様である。ただし、実施の形態６での制御装置１Ｆが有する制御部２Ｆには、抵抗演算起動部８から抵抗演算信号Ｓ３が入力される。電力変換器４Ｆは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御を行い、抵抗演算起動部８から抵抗演算信号Ｓ３が入力される。ＰＷＭ制御として、例えば参考文献：杉本英彦編著、「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際」、総合電子出版社、３章．電力変換回路、ｐｐ．３１〜７１、に記載されている方式を用いる。

電力変換器４Ｆでは、直列に接続されたスイッチング素子が交互にＯＮまたはＯＦＦになる。スイッチング素子が同時にＯＮ状態になり、短絡することを防止するために、ＯＮとＯＦＦの切り替えの際に、スイッチング素子が同時にＯＦＦとなる短絡防止時間Ｔｄが設けられている。この短絡防止時間Ｔｄのため、相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と電力変換器４Ｆが出力する電圧との差である偏差電圧が発生する。偏差電圧は、電力変換器４Ｆが出力する相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと極性が逆で位相が同じであり、ある振幅をもつ方形波電圧とみなすことができる。その偏差電圧の振幅ΔＶｄの目安は、下記（３）式で表される。下記（３）式中において、Ｆｃは電力変換器４Ｆで用いるＰＷＭ制御のパルス信号の周期を決定するキャリア周波数であり、Ｖｄｃは、電力変換器４Ｆへの入力直流電圧である。

例えば、Ｔｄ＝１５μ秒、Ｆｃ＝３ｋＨｚ、Ｖｄｃ＝２８０Ｖとする。上記（３）式より、偏差電圧の振幅ΔＶｄは１２．６Ｖである。特許文献３においては、回転座標系の交流電動機５への入力電圧Ｖｄがｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊に一致すると仮定し、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊をｄ軸電流値Ｉｄで除算して、交流電動機５の一次抵抗値Ｒｓを算出している。例えば、ｄ軸電流値Ｉｄを定格励磁電流の振幅である１１．１Ａとし、一次抵抗値Ｒｓを０．４０７Ωとして、一次抵抗値Ｒｓが正しく算出されるためには、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊は４．５１８Ｖである必要がある。前述のように偏差電圧の振幅ΔＶｄは１２．６Ｖなので、１１．１Ａの電流を流すためには、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊は１７．１Ｖである必要がある。そのため、入力電圧Ｖｄがｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊に一致すると仮定する特許文献３の方法では、抵抗値を実際よりも大きく算出することになる。交流電動機５の抵抗値を算出する精度を向上させるためには、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を偏差電圧の影響を軽減するように補正して、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊と入力電圧Ｖｄとの差を小さくする必要がある。

偏差電圧の影響を軽減する方法として、例えば上記（２）式に示す比例ゲインｋ_ｃｐおよび時定数ω_ｃｐｉを高める方法や、相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの向きを検出し、出力電流の向きに応じて偏差電圧を相殺するための電圧を相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に加算する方法があるが、偏差電圧の影響を正確にゼロにすることは難しい。また相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づく波形と電力変換器の出力電圧が一致するように相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を制御する方法では、電力変換器の出力電圧を検出するセンサを設ける必要があり、制御装置１の製造コストが増加してしまう。

また省エネルギー、省メンテナンス、低騒音などの観点から、電気車の交流電動機には、全閉型の電動機が用いられる。エネルギー損失を低減するため、全閉型電動機は、一般的に抵抗値が数１０ｍΩ程度と小さい。電動機の抵抗値が小さくなるにつれて、偏差電圧の影響がより大きくなるため、全閉型の電動機において抵抗値を算出する精度を向上するためには、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を偏差電圧の影響を軽減するように補正して、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊と入力電圧Ｖｄとの誤差を小さくする必要がある。

そこで制御部２Ｆは、抵抗演算部９が抵抗を算出している間、すなわち抵抗演算信号Ｓ３がＨレベルである場合には、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を交流電動機５の定格励磁電流の振幅よりも大きく決められた範囲内にある電流値に設定する。決められた範囲は、好ましくは、定格励磁電流の振幅より大きく、定格励磁電流の振幅の５倍以下の範囲である。例えばｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を定格励磁電流の５倍とする。

交流電動機５が回転停止中である場合には、入力電圧Ｖｄは一次抵抗値Ｒｓにｄ軸電流値Ｉｄを乗算することにより算出できる。そのような場合に、ｄ軸電流値Ｉｄはｄ軸電流指令値Ｉｄ＊＝５５．５Ａに一致するとみなすと、一次抵抗値Ｒｓが０．４０７Ωの場合には、入力電圧Ｖｄは２２．８５６Ｖである。ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を定格励磁電流の振幅と同じとした場合の入力電圧Ｖｄの偏差電圧に対するＳ／Ｎ比（Signal-to-Noise：信号対雑音比）と比べて、Ｓ／Ｎ比が大きく改善する。その結果、交流電動機５の抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子を電力変換器に用いることで、ケイ素を用いたスイッチング素子に比べて、より多くの電流を交流電動機に流すことができるので、交流電動機の抵抗値を算出する精度を向上することが可能となる。

電力変換器４Ｆは、抵抗演算起動部８の判断結果に応じて、ＰＷＭ制御のパルス信号の周期を決定するキャリア周波数を切り替える。抵抗演算信号Ｓ３がＨレベルである場合には、キャリア周波数を、抵抗演算起動部８が交流電動機５が回転していると判断した場合に用いるキャリア周波数よりも低く決められた範囲のキャリア周波数とする。例えば、交流電動機５が回転している場合に用いるキャリア周波数が３ｋＨｚである場合に、好ましくは、電力変換器４Ｆは、キャリア周波数を３００Ｈｚ以上７００Ｈｚ以下の範囲の周波数に設定する。例えばキャリア周波数を５００Ｈｚとした場合には、偏差電圧の振幅ΔＶｄは２．１Ｖとなり、入力電圧Ｖｄの偏差電圧に対するＳ／Ｎ比が大きく改善する。その結果、交流電動機５の抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

なお制御装置は、制御部におけるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の変更および電力変換器におけるキャリア周波数の変更のいずれか一方のみを行うよう構成してもよい。

以上説明したとおり、本実施の形態６では、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の変更およびキャリア周波数の変更の内、少なくともいずれか一方を行うことにより、交流電動機５の抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態７）
図１４は、本発明の実施の形態７に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態７での制御装置１Ｇは、実施の形態６の場合での制御装置１Ｆの構成に加え、補正部１０を備える。補正部１０には、制御部２Ｆからｄ軸電流指令値Ｉｄ＊が入力され、ｄｑ／三相変換部３から相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊が入力され、電流検出部６から相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが入力され、電力変換器４Ｇから短絡防止時間Ｔｄ、キャリア周波数Ｆｃ、および入力直流電圧Ｖｄｃなど偏差電圧の補正に必要な情報が入力される。

補正部１０は、補正前の電圧指令値と電力変換器が出力する電圧との差として求めた偏差電圧の振幅が小さくなるように補正するための補正量を算出し、補正量に基づき相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を補正し、補正した相電圧指令値である補正後電圧指令値を電力変換器４Ｇに送る。補正部１０は、電力変換器４Ｇが出力する電流値および電力変換器４Ｇの特性を考慮して電力変換器４Ｇに対する電圧指令値を補正し、補正後電圧指令値を電力変換器４Ｇに送り、指令値補正部として動作する。補正部１０は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を補正してもよい。

補正部１０は、実施の形態６の場合での制御装置１Ｆのように、抵抗演算信号Ｓ３がＨレベルである場合に、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびキャリア周波数の内、少なくともいずれか一方の値を変更する場合には、変更した後の値に基づき、補正量を制御する。

上記（３）式に電力変換器のスイッチングに伴う偏差電圧の振幅の目安を示したが、実際に発生する偏差電圧は、例えば特開平５−２６０７５５号公報に記載されているように、交流電動機の各相に流れる電流の大きさにより偏差電圧が変化する電流依存性を示す。このため、偏差電圧の補償を電流依存性を考慮して行うことで、交流電動機５の抵抗値算出の精度を向上させることができる。

図１５は、実施の形態７における偏差電圧の振幅の変化を示す図である。横軸が相電流の振幅｜Ｉ｜であり、縦軸が偏差電圧の振幅である。キャリア周波数を３ｋＨｚとした場合の偏差電圧の振幅の理論値が一点鎖線のグラフであり、実測値が実線のグラフである。またキャリア周波数を５００Ｈｚとした場合の偏差電圧の振幅の理論値が二点鎖線のグラフであり、実測値が点線のグラフである。偏差電圧の振幅の実測値は、理論値よりも小さく、相電流の振幅｜Ｉ｜によって変化する電流依存性を示すことがわかる。これは電力変換器が備えるスイッチング素子のゲート回路や配線などにおける寄生容量の影響によって発生することが知られている。

上述のようにｄ軸電流値Ｉｄおよびキャリア周波数によって偏差電圧が変化するため、補正部１０は、電力変換器４Ｇが出力する電流値および電力変換器４Ｇの特性、例えばｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびキャリア周波数の変更に基づき、補正量を制御する。補正部１０は、例えばキャリア周波数を３ｋＨｚから５００Ｈｚに変更した場合には、補正量を減らす。ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊およびキャリア周波数の変更に基づき補正量を制御することで、入力電圧Ｖｄの偏差電圧に対するＳ／Ｎ比が改善する。その結果、交流電動機５の抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

図１６は、実施の形態７に係る電気車の制御装置の異なる構成例を示すブロック図である。制御装置１Ｈが備える補正部１０Ａは、演算した偏差電圧の振幅ΔＶの補正量を抵抗演算部９Ａに送る。抵抗演算部９Ａは、補正量に基づきｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を補正し、補正後のｄ軸電圧指令値とｄ軸電流値Ｉｄに基づき、交流電動機５の抵抗値を算出する。補正部１０Ａおよび抵抗演算部９Ａが協働して、電力変換器４Ｇが出力する電圧との差が電圧指令値よりも小さい推定電圧を、電力変換器４Ｇが出力する電流値および電力変換器４Ｇの特性を考慮して、電圧指令値に基づき求める電圧推定部として動作する。抵抗演算部９Ａは、推定電圧を電圧指令値の替わりに用いて交流電動機５の抵抗値を算出する。

なお、補正部１０Ａが電圧指令値と補正量から推定電圧を生成し、抵抗演算部９Ａは、電圧指令値の替わりに補正部１０Ａから送られた推定電圧を用いて交流電動機５の抵抗値を算出するよう構成してもよい。その場合には、補正部が電圧推定部として動作する。電力変換器が出力する電圧と推定電圧との差は、偏差電圧より小さいため、上述の例と同様に、交流電動機の抵抗値を算出する精度を向上することが可能となる。

以上説明したとおり、本実施の形態７では、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の変更およびキャリア周波数の変更に基づき、偏差電圧の振幅ΔＶの補正量を制御することで、抵抗値を算出する精度を向上することが可能となる。

（実施の形態８）
図１７は、本発明の実施の形態８に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態８での制御装置１Ｊは、実施の形態７の場合での制御装置１Ｇの構成に加え、位相制御部１１を備える。位相制御部１１は、Ｕ相軸に対するｄ軸の位相θをｄｑ／三相変換部３および三相／ｄｑ変換部７に送る。位相制御部１１には、抵抗演算起動部８から抵抗演算信号Ｓ３が入力される。位相制御部１１は、抵抗演算部９が抵抗を算出している間、すなわち抵抗算出信号Ｓ３がＨレベルである場合には、相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅が決められた値以上となるような位相θを送る。ｄｑ／三相変換部３および三相／ｄｑ変換部７は、位相制御部１１が出力する位相θを用いて座標変換を行う。

図１８Ａおよび図１８Ｂは、実施の形態８における相電流を示す図である。図１８Ａは位相θ＝０°とした場合の、ｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑと相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとの関係を示した図であり、図１８Ｂは位相θ＝９０°とした場合の図である。θ＝０°の場合、相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、下記（４）式で表され、θ＝９０°の場合は、下記（５）式で表される。

偏差電圧は、電力変換器４が出力する相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと極性が逆であるので、交流電動機５に流れる電流の方向によって、補正部１０で算出する補正量の符号を適切に変える必要がある。θ＝９０°の場合は、相電流値Ｉｕは０Ａである。電流検出部６ａのオフセットや、電力変換器４が備えるスイッチング素子のＯＮとＯＦＦの切り替えなどにより生じるリプル電流によって、微小な相電流値Ｉｕが生じ、相電流値Ｉｕの符号が変わると、補正部１０で算出する補正量の符号が変わる。短時間で補正量の符号が頻繁に変わると、補正部１０自身が偏差電圧を大きくする恐れがある。一方θ＝０°の場合には、上述のように補正量の符号が頻繁に変わることはない。そこで例えばθ＝０°のように、交流電動機５に供給される相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅が決められた値以上となるような位相を用いて座標変換をすることで、入力電圧Ｖｄの偏差電圧に対するＳ／Ｎ比が改善する。相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅は上述の例に限られず、補正量の符号が頻繁に変わらないような値であればよい。

以上説明したとおり、本実施の形態８では、相電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの振幅が決められた値以上となるような位相を用いて座標変換を行うことで、交流電動機の抵抗値を算出する精度を向上させることが可能となる。

（実施の形態９）
図１９は、本発明の実施の形態９に係る電気車の制御装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態９での制御装置１Ｋは、実施の形態１の場合での制御装置１の構成に加え、位相制御部１１、速度演算部１２および抵抗演算部９が算出した抵抗値を記憶する記憶部１３を備える。位相制御部１１は、Ｕ相軸に対するｄ軸の位相θをｄｑ／三相変換部３および三相／ｄｑ変換部７に送る。ｄｑ／三相変換部３および三相／ｄｑ変換部７は、位相制御部１１が出力する位相θを用いて座標変換を行う。

本発明の実施の形態９での制御装置１Ｋは、速度センサレス制御を適用した電気車の制御装置に関し、速度検出器を用いることなく、回転停止中または自由回転中の交流電動機５を起動する。速度センサレス制御にて交流電動機を制御する場合、後述する速度演算部１２の演算式である（６）式中に交流電動機の一次抵抗値Ｒｓを用いるため、交流電動機の角速度の算出精度と抵抗値の算出精度には密接な関係があることがわかる。実施の形態９での制御装置１Ｋを用いることで、角速度の算出精度と抵抗値の算出精度を同時に向上させるという効果が得られる。

抵抗演算起動部８Ｋは、運転指令信号Ｓ１および外部信号Ｓ２に基づいて交流電動機５が回転しているか回転停止しているかを判断し、交流電動機５が回転停止していると判断している状態で力行指令が入力された場合に抵抗演算の開始を通知する抵抗演算信号Ｓ３を抵抗演算部９に送る。また交流電動機５が回転していると判断している状態で力行指令が入力された場合に速度演算の開始を通知する速度演算信号Ｓ４を速度演算部１２に送る。

抵抗演算起動部８Ｋは、運転指令信号Ｓ１および外部信号Ｓ２に基づき、電気車が停止していると判断できる状態で運転指令として力行指令が入力された場合には、抵抗演算期間の開始時点を決定する。抵抗演算起動部８Ｋは、抵抗演算期間の間、Ｈレベルである抵抗演算信号Ｓ３を抵抗演算部９に送る。抵抗演算部９は、抵抗演算信号Ｓ３がＨレベルである間に、交流電動機５の一次抵抗値Ｒｓおよび二次抵抗値Ｒｒを算出し、記憶部１３に記憶する。抵抗演算起動部８Ｋは、電気車が停止していると判断しなかった場合であって、運転指令として力行指令が入力された場合には、力行指令が入力されてから決められた長さの速度演算期間の間、Ｈレベルである速度演算信号Ｓ４を速度演算部１２に送る。

図２０は、実施の形態９に係る抵抗演算起動部の構成例を示すブロック図である。実施の形態９に係る抵抗演算起動部８Ｋは、実施の形態１に係る抵抗演算起動部８の構成に加え、論理否定８９、第３の論理積９０、および速度演算信号生成部９１を備える。実施の形態９に係る抵抗演算起動部８Ｋは、上述の抵抗演算起動部８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅの構成に加え、論理否定８９、第３の論理積９０、および速度演算信号生成部９１を備えた構成としてもよい。

論理否定８９は、ＯＮディレイ８４の出力の反転値を出力する。第３の論理積９０は、力行指令信号Ｐおよび論理否定８９の出力の論理積を速度演算信号生成部９１に出力する。速度演算信号生成部９１は、入力された信号の立ち上がりを検出した場合には、立ち上がりから決められた長さの速度演算期間の間、Ｈレベルが継続する速度演算信号Ｓ４を出力する。例えば、速度演算期間の長さを２００ｍ秒とする。以上のように、抵抗演算起動部８Ｋは、抵抗演算信号Ｓ３を抵抗演算部９に、速度演算信号Ｓ４を速度演算部１２に送ることを特徴とする。

図２１は、実施の形態９に係る抵抗演算起動部が速度演算期間を判断する動作を説明するためのタイミングチャートである。図２１の例では、時刻Ｔ３においてブレーキ指令が解除され、時刻Ｔ６において力行指令が入力される。ブレーキ指令が時刻Ｔ３において解除されると、ブレーキ圧力は徐々に減少する。例えば上り勾配にある駅に電気車が停止している場合には、時刻Ｔ４においてブレーキ圧力が車輪の回転を止められる下限よりも小さくなるまで減少すると、電気車が後方に動き出し、交流電動機５が回転を開始する。時刻Ｔ６において力行指令が入力された後、時刻Ｔ７においてトルクが増加し始め、その後、時刻Ｔ８から前方に車両が動き出し、電気車速度が徐々に増加する。図２０および図２１を用いて、実施の形態１と異なる抵抗演算起動部８Ｋが速度演算期間を判断する動作について説明する。

力行指令が入力される前に、電気車が停止していると判断できる状態ではなくなっているため、第２の論理積８５の出力はＨレベルにならず、抵抗演算信号Ｓ３もＨレベルにならない。第３の論理積９０の出力は、時刻Ｔ６においてＨレベルになる。速度演算信号Ｓ４は、時刻Ｔ６から速度演算期間が経過した後の時刻Ｔ７までＨレベルである。

速度演算部１２は、抵抗演算起動部８Ｋが交流電動機５が回転停止していると判断しなかった場合であって、運転指令として力行指令が入力された場合、すなわち速度演算信号Ｓ４がＨレベルである間に、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑ、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、および記憶部１３に記憶された抵抗演算部９が算出した一次抵抗値Ｒｓに基づき、交流電動機５の角速度を算出する。速度演算部１２は、角速度の算出において、記憶部１３に記憶された直前の一次抵抗値Ｒｓを用いてもよいし、直前の決められた個数の一次抵抗値Ｒｓの平均値や中央値、決められたゲインを一次抵抗値Ｒｓに乗算した値などを用いてもよい。これにより速度の算出精度を向上させることが可能となる。

速度演算部１２は、例えば特許文献３に記載されているような従来技術を用いて、交流電動機５の角速度ωを算出し、角速度ωを位相制御部１１に送る。角速度ωは、下記（６）式で表される。下記（６）式中のφｄｓは、交流電動機５の電機子磁束のｄ軸成分であり、下記（７）式で表される。

なお、上記では抵抗演算起動部８Ｋが交流電動機５が回転停止していると判断しなかった場合であって、運転指令として力行指令が入力された場合、すなわち速度演算信号Ｓ４がＨレベルである間の動作について説明した。抵抗演算起動部８Ｋが交流電動機５が回転停止していると判断した場合には、速度演算部１２は、上記（６）式の演算を行わずに、ω＝０を位相制御部１１に出力する。

実施の形態６から８に記載したように偏差電圧の影響により、交流電動機５が回転停止しているにも関わらず、上記（６）式に基づき算出した交流電動機５の角速度ωが０にならない場合があるという課題がある。そこで、本実施の形態９では抵抗演算起動部８Ｋが交流電動機５が回転停止していると判断した場合には、速度演算部１２は、上記（６）式の演算を行わずに、ω＝０とすることで、速度センサレス制御の速度誤差を除くことができ、トルク制御精度を向上することが可能となる。

さらに、交流電動機５が微小回転中においても、上記理由と同様に速度の算出精度の低下を招くことがわかる。このような場合は、実施の形態６から８に記載した方法を速度演算期間に実施することで、交流電動機の抵抗値の算出精度と同様に交流電動機の角速度の算出精度も向上することができる。

位相制御部１１は、速度演算部１２から角速度ωが入力されると、角速度ωを積分して位相を算出し、該位相を位相θとしてｄｑ／三相変換部３および三相／ｄｑ変換部７に送る。実施の形態１のように抵抗演算部９が抵抗を算出する場合には、位相制御部１１は、任意の位相θ１を位相θとしてｄｑ／三相変換部３および三相／ｄｑ変換部７に送る。

特許文献２においては、角速度ωを算出し、角速度ωが０である場合に交流電動機の抵抗値を算出する。一方、本実施の形態９においては、交流電動機の抵抗値の算出または角速度の算出のいずれか一方を行うので、制御装置１が交流電動機の速度センサレス制御を開始するまでの時間を短縮することができる。

以上説明したとおり、本実施の形態９では、交流電動機の角速度の算出精度と抵抗値の算出精度を同時に向上させることが可能になり、さらに、制御装置が交流電動機の速度センサレス制御を開始するまでの時間を短縮することができる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られず、上述の実施の形態のうち複数の形態を任意に組み合わせたもので構成してもよい。電力変換器がケイ素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されるスイッチング素子を用いるよう構成してもよい。ワイドギャップ半導体とは、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は耐電圧性および許容電流密度が高い。

上記実施の形態６でも記述したが、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子を用いることで、ケイ素を用いたスイッチング素子に比べて、より多くの電流を交流電動機に流すことができるので、交流電動機の抵抗値を算出する精度を向上することが可能となる。またワイドバンドギャップ半導体を用いることで、スイッチング素子の小型化が可能である。小型化されたスイッチング素子を用いることにより、スイッチング素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

ワイドバンドギャップ半導体は耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であり、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。さらに電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、ひいては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

交流電動機は、誘導電動機でもよいし、回転電動機でもよい。また交流電動機の替わりに、リニア誘導電動機、リニア同期電動機、およびソレノイドなどを用いるよう構成してもよい。

上記実施の形態は、いずれも本発明の趣旨の範囲内で各種の変形が可能である。上記実施の形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は実施形態よりも添付した請求項によって示される。請求項の範囲内、および発明の請求項と均等の範囲でなされた各種変形は本発明の範囲に含まれる。

本発明は、電動機を駆動するための電力の変換を制御し、電動機の抵抗値を算出する制御装置に好適に採用され得る。

１、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｊ、１Ｋ 制御装置
２、２Ｆ 制御部
３ ｄｑ／三相変換部
４、４Ｆ、４Ｇ 電力変換器
５ 交流電動機
６ａ、６ｂ、６ｃ 電流検出部
７ 三相／ｄｑ変換部
８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、
８Ｄ、８Ｅ、８Ｋ 抵抗演算起動部
９、９Ａ 抵抗演算部
１０、１０Ａ 補正部
１１ 位相制御部
１２ 速度演算部
１３ 補正部
８１ ＯＦＦディレイ
８２ 速度判定器
８３、８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ、
８３Ｄ、８３Ｅ 第１の論理積
８４ ＯＮディレイ
８５ 第２の論理積
８６ 抵抗演算信号生成部
８７ 圧力判定器
８８ ラッチ回路
８９ 論理否定
９０ 第３の論理積
９１ 速度演算信号生成部

Claims (14)

1. 車両の動力を発生させる交流電動機を駆動する電力変換器と、
   前記交流電動機が回転停止していると判断した状態で運転指令として力行指令が入力された場合に抵抗演算の開始を通知する抵抗演算信号を出力する抵抗演算起動部と、
   前記抵抗演算信号によって前記抵抗演算の開始が通知された後、前記交流電動機の抵抗値を算出する抵抗演算部と、
   を備えた電気車の制御装置。
2. 前記抵抗演算起動部は、速度信号又はドア開閉信号のいずれか一方の信号と、ブレーキ指令又はブレーキ圧力信号のいずれか一方の信号との論理積によって前記交流電動機が回転しているか回転停止しているかを判断する、
   請求項１に記載の電気車の制御装置。
3. 前記抵抗演算起動部は、前記車両の機械ブレーキが動作中であることを示す機械ブレーキ動作中信号が入力されている間は前記交流電動機が回転停止していると判断する請求項１に記載の電気車の制御装置。
4. 前記機械ブレーキ動作中信号が勾配起動信号である請求項３に記載の電気車の制御装置。
5. 前記機械ブレーキ動作中信号がホールディングブレーキ信号である請求項３に記載の電気車の制御装置。
6. 前記電力変換器が出力する電圧の指令値である電圧指令値を出力する制御部と、
   前記電力変換器が前記交流電動機に供給する電流値を検出する電流検出部とを備え、
   前記抵抗演算部は、前記電圧指令値と前記電流値とに基づき前記交流電動機の抵抗値を算出する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
7. 車両の動力を発生させる交流電動機を駆動する電力変換器と、
   前記電力変換器が出力する電圧の指令値である電圧指令値を出力する制御部と、
   前記電力変換器が前記交流電動機に供給する電流値を検出する電流検出部と、
   前記電圧指令値と前記電流値とに基づき前記交流電動機の抵抗値を算出する抵抗演算部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記抵抗演算部が前記交流電動機の抵抗値を算出する期間に、前記電力変換器が前記交流電動機に供給する前記電流値の振幅が前記交流電動機の定格励磁電流の振幅よりも大きい電流値になるように、前記電圧指令値を出力する電気車の制御装置。
8. 車両の動力を発生させる交流電動機を駆動する電力変換器と、
   前記電力変換器が出力する電圧の指令値である電圧指令値を出力する制御部と、
   前記電力変換器が前記交流電動機に供給する電流値を検出する電流検出部と、
   前記電圧指令値と前記電流値とに基づき前記交流電動機の抵抗値を算出する抵抗演算部と、
   を備え、
   前記電力変換器は、前記抵抗演算部が前記交流電動機の抵抗値を算出する期間に、前記交流電動機が回転している場合に用いるキャリア周波数よりも低いキャリア周波数で動作する電気車の制御装置。
9. 前記電力変換器が出力する電圧と前記電圧指令値との差である偏差電圧の振幅が小さくなるように、前記電流値および前記電力変換器の特性を考慮して前記電圧指令値を補正した補正後電圧指令値を前記電力変換器に出力する指令値補正部を備え、
   前記指令値補正部における補正量は前記キャリア周波数が低いほど小さい請求項８に記載の電気車の制御装置。
10. 前記電力変換器が出力する電圧と前記電圧指令値の差よりも前記出力電圧に対する差が小さい推定電圧を、前記電流値および前記電力変換器の特性を考慮して前記電圧指令値を補正して求める電圧推定部を備え、
    前記抵抗演算部は前記推定電圧を用いて前記交流電動機の抵抗値を算出する、
    請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
11. 前記電力変換器が前記交流電動機に供給する電流の各相の電流の振幅が決められた値以上となるような状態で、前記抵抗演算部が前記交流電動機の抵抗値を算出する請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
12. 前記交流電動機の角速度を算出する速度演算部を備え、
    前記抵抗演算起動部は、前記交流電動機が回転していると判断している状態で運転指令として力行指令が入力された場合には前記速度演算部に速度演算の開始を通知する速度演算信号を通知する、
    請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。
13. 前記抵抗演算部が算出した前記交流電動機の抵抗値を記憶する記憶部を備える請求項１２に記載の電気車の制御装置。
14. 前記電力変換器は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドを用いたワイドバンドギャップ半導体によって形成されるスイッチング素子を備える請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の電気車の制御装置。

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