JP5826879B2 - インバータ制御装置及び制御方法並びに電気車の駆動システム - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１３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。

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。

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。

図６はモータ駆動系の構造を示す図である。

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。

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。

実施形態に係るインバータ制御装置は、受信したノッチ指令に基づいて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、経過時間を計時する手段と、前記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とともに、この第２のトルク電流指令値が予め定められたトルクを出力するための第３のトルク電流指令値に一致すると、この第３のトルク電流指令値を出力する手段と、前記第２のトルク電流指令値または第３のトルク電流指令値が出力されているときに、前記計時された経過時間が予め定められた時間に達すると、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備える。

（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、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。 （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、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。 （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、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。 （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、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。 （ａ）は、インバータゲート指令をオフする制御を行う従来の電気車制御装置の構成を示し、（ｂ）、（ｃ）は、（ａ）に示す制御装置の動作を示すタイムチャートである。である。 モータ駆動系の構造を示す図である。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (9)

1. 電動機を駆動するインバータを制御するインバータ制御装置において、
   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、経過時間を計時する手段と、
   前記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とともに、この第２のトルク電流指令値が予め定められたトルクを出力するための第３のトルク電流指令値に一致すると、この第３のトルク電流指令値を出力する手段と、
   前記第２のトルク電流指令値または第３のトルク電流指令値が出力されているときに、前記計時された経過時間が予め定められた時間に達すると、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。
2. 前記ノッチ指令オフが入力された後、前記第１の励磁電流指令値を維持する手段、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
3. 前記第３のトルク電流指令値は、ギア部でのチャタリングを抑制するための微小トルクを発生させるトルク電流指令値であることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ制御装置。
4. 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、
   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、経過時間を計時し、
   前記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とともに、この第２のトルク電流指令値が予め定められたトルクを出力するための第３のトルク電流指令値に一致すると、この第３のトルク電流指令値を出力し、
   前記第２のトルク電流指令値または第３のトルク電流指令値が出力されているときに、前記計時された経過時間が予め定められた時間に達すると、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。
5. 前記インバータ制御装置は、前記ノッチ指令オフが入力された後、前記第１の励磁電流指令値を維持することを特徴とする請求項４に記載の電気車の駆動システム。
6. 前記第３のトルク電流指令値は、ギア部でのチャタリングを抑制するための微小トルクを発生させるトルク電流指令値であることを特徴とする請求項４または５に記載の電気車の駆動システム。
7. 電動機を駆動するインバータの制御方法であって、
   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、経過時間を計時し、
   前記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とともに、この第２のトルク電流指令値が予め定められたトルクを出力するための第３のトルク電流指令値に一致すると、この第３のトルク電流指令値を出力し、
   前記第２のトルク電流指令値または第３のトルク電流指令値が出力されているときに、前記計時された経過時間が予め定められた時間に達すると、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。
8. 前記ノッチ指令オフが入力された後、前記第１の励磁電流指令値を維持することを特徴とする請求項７に記載の制御方法。
9. 前記第３のトルク電流指令値は、ギア部でのチャタリングを抑制するための微小トルクを発生させるトルク電流指令値であることを特徴とする請求項７または８に記載の制御方法。

Images