JP5921030B2 - 誘導機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数台誘導機の一括トルク制御に関するもので、特に、一部軸が空転、滑走した状態でも、運転状態を維持したままで、安定したトルク制御を実現するものである。

図２は、一従来例を示すブロック図である。101、102、103、104は誘導機、200、201、202、203、204は電流検出器、３は電力変換器、４はトルク制御手段、５は磁束演算器、６は速度演算器である。
図２において、誘導機は４台しか示されていないが、複数台であれば、何台であっても良い。その際、電流検出器は総和電流と各個電流を検知する分を用意する。以下、誘導機は４台であるとして説明する。

電流検出器200は、電力変換器３につながる個々の誘導機に流れる電流の相毎の総和である総和電流ｉを検出する。
電流検出器201、202、203、204は、電力変換器３につながる個々の誘導機に流れる電流を各個に検出し、各個電流ｉ1、ｉ2、ｉ3、ｉ4とする。

磁束演算器５は、総和電流ｉと電力変換器３に入力される電圧指令ｖから、誘導機磁束φを式(1)で演算する。

ここで、Ｒ１は全誘導機の一次抵抗合成値、Ｌ２は二次自己インダクタンス合成値、Ｍは相互インダクタンス合成値、Lekは漏れインダクタンス合成値である。漏れインダクタンス合成値Lekは、

で与えられる。ここで、Ｌ１は全誘導機の一次自己インダクタンス合成値である。

速度演算器６は、総和電流ｉと誘導機磁束φから、式(3)〜式(5)を用いて瞬時誘導機速度ωｍを演算する。

ここで、Ｒ２は全誘導機の二次抵抗合成値、ＦＡとＦＢは誘導機磁束φの成分である。
また、×は外積を表す演算子である。

トルク制御手段４は、トルク指令τ＊と瞬時誘導機速度ωｍと総和電流ｉを基に、全誘導機のトータルトルクがトルク指令τ＊となるような電圧指令ｖを出力する。
電力変換器３は、電圧指令ｖを増幅し、負荷である誘導機101〜104に電力を供給する。

以上の構成とすることにより、複数台誘導機のトータルトルクをトルク指令τ＊に制御することができる。
車両においては、台車制御、１車両制御が一般的であるため、複数台誘導機の一括トルク制御が多用されている。

しかしながら、一括制御している一部車輪軸が空転あるいは滑走すると、誘導機101〜104の少なくとも1台が脱調状態となる可能性があり、その場合はトルク制御不能となり、最悪の場合、過電流や過電圧により、誘導機破壊、電力変換器素子破壊へとつながる。詳細については、下記[特許文献１]の[発明が解決しようとする課題]に記述されている。

一括制御している一部車輪軸が空転あるいは滑走していることを検知するのが、速度差発生検知器７である。速度差発生検知器７は、電力変換器３に入力される電圧指令ｖと各個電流ｉ1、ｉ2、ｉ3、ｉ4を元に、誘導機間速度差発生信号Ｋを作成する。速度差発生検知器７の詳細については、例えば、[特許文献１]及び[特許文献２]の[実施例]に記述されている。
[特許文献１]及び[特許文献２]においては、誘導機間速度差発生信号Ｋ（文献内では単に検知信号という名称になっている）が検知状態となったときに、トルク制御を停止させ、誘導機破壊、電力変換器素子破壊を防止している。

特開２００８−０４３１１１号公報 特開２００８−１７８１７６号公報

従来技術においては、以下に示す問題点がある。
一括制御している一部車輪軸が空転あるいは滑走すると、誘導機の実際のすべりが大きくなり、誘導機磁束φが低下する。すると、微小値を微小値で割る際に発生する量子化誤差や丸め誤差により、式(3)と式(4)の演算精度が下がり、瞬時誘導機速度ωｍの演算誤差が大きくなる。この誤差拡大が、トルク制御手段４のトルク制御を不安定とし、過電流や過電圧を発生させる。

過電流や過電圧を防止するために、誘導機間速度差発生信号Ｋを検知したときにトルク制御を停止すると、運転手が再度運転指令をＯＮするまで、トルクが出ないこととなるので、車両の走行性能が期待通りに出なくなる。
さらに、運転指令ＯＮの後、運転開始時に誘導機速度の拾い上げ制御が必要であり、ここでのトルク未出力期間の車両の走行性能劣化も考えられる。

また、一部車輪軸が空転あるいは滑走している状態でトルク制御を開始すると、結局は誘導機の脱調を引き起こし、過電流や過電圧となる可能性がある。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものである。

前述の問題点を解決するために、誘導機磁束φと総和電流ｉから補正誘導機速度ωｍＨを演算する補正速度演算器８と、瞬時誘導機速度ωｍと補正誘導機速度ωｍＨと誘導機間速度差発生信号Ｋを入力し制御誘導機速度ωｍＳを出力する速度選択器９を新たに追加し、瞬時誘導機速度ωｍの代わりに制御誘導機速度ωｍＳをトルク制御手段４に入力する。速度選択器９は、誘導機間速度差発生信号Ｋが検知状態で補正誘導機速度ωｍＨを制御誘導機速度ωｍＳとして出力し、誘導機間速度差発生信号Ｋが未検知状態で瞬時誘導機速度ωｍを制御誘導機速度ωｍＳとして出力する。

請求項２においては、誘導機間速度差発生信号Ｋを元に出力値を０まで絞るトルク指令減衰器10を新たに設け、トルク指令τ＊の代わりにトルク指令減衰器の出力値τ０＊をトルク制御手段４に入力する。

請求項３においては、補正速度演算器８において、
誘導機磁束φと総和電流ｉとの外積値と、積分ゲインＧから、補正誘導機速度ωｍＨを下記積分式

にて演算する。ここで×は外積を表す演算子である。

誘導機が脱調状態となる前に、一部車輪軸の空転、滑走が大きくなったことを誘導機間速度差発生信号Ｋとして検知できる。誘導機間速度差発生信号Ｋにより、トルク制御に用いる誘導機速度を切り替えることにより、一部車輪軸の空転、滑走の有無に関わらず、トルク制御手段による安定なトルク制御が実現できる。

誘導機間速度差発生信号Ｋ検知状態により、トルク制御に用いる制御誘導機速度ωｍＳとして補正誘導機速度ωｍＨを選択した場合、誘導機磁束φ低下による演算速度誤差拡大を防ぐことができ、トルク制御を安定にすることができる。

一部車輪軸の空転、滑走が収まり、誘導機間速度差発生信号Ｋが未検知状態になると、トルク制御に用いる制御誘導機速度ωｍＳとして瞬時誘導機速度ωｍを選択し、通常のトルク制御に戻り、トルクを出力する。これにより、運転手の操作が不要となり、運転状態を維持したままで、効率的なトルク出力をすることができる。また、一部車輪軸の空転、滑走中には、通常のトルク制御に戻らないため、誘導機の脱調を防止することができる。

図1は、本発明の請求項１の一実施例を示すブロック図である。 図2は、一従来例を示すブロック図である。 図3は、本発明の請求項２の一実施例を示すブロック図である。

誘導機磁束φと総和電流ｉから補正誘導機速度ωｍＨを演算する補正速度演算器８と、瞬時誘導機速度ωｍと補正誘導機速度ωｍＨと誘導機間速度差発生信号Ｋを入力し制御誘導機速度ωｍＳを出力する速度選択器９を新たに追加し、瞬時誘導機速度ωｍの代わりに制御誘導機速度ωｍＳをトルク制御手段４に入力することにより、一部車輪軸の空転、滑走の有無に関わらず、運転状態を維持したままで、トルク制御手段４による安定なトルク制御が実現できる。

図１は、本発明の一実施例を示すブロック図であり、８は補正速度演算器、９は速度選択器である。

補正速度演算器８は、総和電流ｉと誘導機磁束φを入力し、補正誘導機速度ωｍＨを演算する。演算式としては、誘導機磁束φの大きさが小さくなっても、補正誘導機速度ωｍＨの演算精度が保持できる演算式が適当である。

補正速度演算器８の演算式の一例としては、下記の式(7)、式(8)がある。

ここで、Ｇ１は積分補正ゲイン、×は外積を表す演算子である。式(7)、式(8)で補正誘導機速度ωｍＨを演算することにより、フィードバックトルクτＦがトルク指令τ＊に一致するように、補正誘導機速度ωｍＨが積分補正される。式(8)は、割り算を使用していないため、式(3)、式(4)のように誘導機磁束φの大きさが小さくなった場合の精度落ちという欠点を解消することができる。

速度選択器９は、瞬時誘導機速度ωｍと補正誘導機速度ωｍＨと誘導機間速度差発生信号Ｋを入力し、制御誘導機速度ωｍＳを出力する。
速度選択器９の一例としては、誘導機間速度差発生信号Ｋが検知状態であれば、補正誘導機速度ωｍＨを制御誘導機速度ωｍＳとして出力する。逆に、誘導機間速度差発生信号Ｋが未検知状態であれば、瞬時誘導機速度ωｍを制御誘導機速度ωｍＳとして出力する。

速度選択器９のその他の例としては、
・誘導機間速度差発生信号Ｋに対して時素Ｔ１を設けて、瞬時誘導機速度ωｍと補正誘導機速度ωｍＨとを切り替えて、制御誘導機速度ωｍＳとする方式、
・誘導機間速度差発生信号Ｋの変化を起点として、瞬時誘導機速度ωｍと補正誘導機速度ωｍＨの重み付けを時間Ｔ２かけて徐々に変えながら、制御誘導機速度ωｍＳとする方式、
が考えられる。

トルク制御手段４は、トルク指令τ＊と制御誘導機速度ωｍＳと総和電流ｉを基に、全誘導機のトータルトルクがトルク指令τ＊となるような電圧指令ｖを出力する。
電力変換器３は、電圧指令ｖを増幅し、負荷である誘導機101〜104に電力を供給する。

以上の構成とすることにより、誘導機間速度差発生信号Ｋにより、トルク制御に用いる誘導機速度を切り替えることができる。これにより、一部車輪軸の空転、滑走の有無に関わらず、運転状態を維持したままで、トルク制御手段による安定なトルク制御が実現できる。

まず、車両制御の一部車輪軸の空転、滑走が発生した場合を考える。車両制御の一部車輪軸の空転、滑走が発生すると、速度差発生検知器７の出力である誘導機間速度差発生信号Ｋが検知状態となり、［制御誘導機速度ωｍＳ＝補正誘導機速度ωｍＨ］となる。一部車輪軸の空転、滑走による誘導機磁束φの大きさ低下となっても、補正誘導機速度ωｍＨの演算精度は保持されるため、トルク制御手段４のトルク制御は安定となる。

その後、車両制御の一部車輪軸の空転、滑走が収まると、速度差発生検知器７の出力である誘導機間速度差発生信号Ｋが未検知状態となり、［制御誘導機速度ωｍＳ＝瞬時誘導機速度ωｍ］となる。すなわち、通常のトルク制御に戻り、トルクを出力する。これにより、運転手の操作が不要となり、効率的なトルク出力をすることができる。一部車輪軸の空転、滑走は収まっているため、トルク制御手段４のトルク制御は安定となる。また、一部車輪軸の空転、滑走中には、通常のトルク制御に戻らないため、誘導機の脱調を防止することができる。

車両制御の一部車輪軸の空転、滑走による速度演算誤差に限らず、トルクの一括制御対象となっている複数台誘導機の一部の軸速度に差ができた場合であっても、本発明は有効である。複数台誘導機の一部の軸速度に差ができる例としては、
・複数台誘導機につながる車輪径に差がある場合、
・車両台車に車軸が無く、カーブ走行時に内側車輪速度と外側車輪速度に差が発生した場合、
が考えられる。

図３は、本発明の一実施例を示すブロック図であり、10はトルク指令減衰器である。
トルク指令減衰器10は、誘導機間速度差発生信号Ｋを基に、減衰トルク指令τ０＊を作成する。減衰トルク指令τ０＊は、誘導機間速度差発生信号Ｋが検知状態となったことを切っ掛けに、０に向かって絞られる。絞り方の例としては、・ステップ、・一定傾き直線、・一次遅れ、等が考えられる。

トルク制御手段４は、減衰トルク指令τ０＊と制御誘導機速度ωｍＳと総和電流ｉを基に、全誘導機のトータルトルクが減衰トルク指令τ０＊となるような電圧指令ｖを出力する。
電力変換器３は、電圧指令ｖを増幅し、負荷である誘導機101〜104に電力を供給する。

以上の構成とすることにより、誘導機間速度差発生信号Ｋの検知により、トルク制御に用いるトルク指令を０に絞ることができる。これにより、全誘導機のトータルトルクが小さくなり、一部車輪軸の空転、滑走が収束方向に向かうことが期待でき、速度選択器９が［制御誘導機速度ωｍＳ＝補正誘導機速度ωｍＨ］となる時間が短くなり、通常のトルク制御の時間が増えるため、効率的なトルク出力をすることができる。

実施例１と同じく、車両制御の一部車輪軸の空転、滑走による速度演算誤差に限らず、トルクの一括制御対象となっている複数台誘導機の一部の軸速度に差ができた場合であっても、本発明は有効である。

図3に示す本発明の一実施例においては、補正速度演算器８の演算式を、下記の式(9)とすることができる。

ここで、Ｇは積分補正ゲイン、×は外積を表す演算子である。式(9)は、式(8)でトルク指令τ＊を０とした式から導かれる。
式(９)で補正誘導機速度ωｍＨを演算することにより、フィードバックトルク相当(φ×ｉ)が０となるように、補正誘導機速度ωｍＨが積分補正される。式(９)は、割り算を使用していないため、式(3)、式(4)のように誘導機磁束φの大きさが小さくなった場合の精度落ちという欠点を解消することができる。

以上の構成とすることにより、一部車輪軸の空転、滑走による誘導機磁束φの大きさ低下となっても、補正誘導機速度ωｍＨの演算精度は保持されるため、トルク制御手段４のトルク制御は安定となる。

実施例１と同じく、車両制御の一部車輪軸の空転、滑走による速度演算誤差に限らず、トルクの一括制御対象となっている複数台誘導機の一部の軸速度に差ができた場合であっても、本発明は有効である。

車両のような台車制御、１車両制御による複数台誘導機の一括トルク制御において、一部車輪軸の空転、滑走が大きくなったことを誘導機間速度差発生信号として検知できる。誘導機間速度差発生信号により、トルク制御に用いる誘導機速度を切り替えることにより、一部車輪軸の空転、滑走の有無に関わらず、運転状態を維持したままで、トルク制御手段による安定なトルク制御が実現できる。

誘導機間速度差発生信号の検知状態により、トルク制御に用いる制御誘導機速度として補正誘導機速度を選択した場合、誘導機磁束低下による演算速度誤差拡大を防ぐことができ、トルク制御を安定にすることができる。

一部車輪軸の空転、滑走が収まり、誘導機間速度差発生信号が未検知状態になると、トルク制御に用いる制御誘導機速度として瞬時誘導機速度を選択し、通常のトルク制御に戻り、トルクを出力する。これにより、運転手の操作が不要となり、効率的なトルク出力をすることができる。

一部車輪軸の空転、滑走の有無に関わらず、誘導機のトルク制御を安定にすることにより、誘導機脱調状態が原因である過電流や過電圧による誘導機破壊、電力変換器の素子破壊を防止することができる。

車両制御の一部車輪軸の空転、滑走による速度演算誤差に限らず、トルクの一括制御対象となっている複数台誘導機の一部の軸速度に差ができた場合であっても、本発明は有効である。

101、102、103、104 誘導機
200、201、202、203、204 電流検出器
３ 電力変換器
４ トルク制御手段
５ 磁束演算器
６ 速度演算器
７ 速度差発生検知器
８ 補正速度演算器
９ 速度選択器
10 トルク指令減衰器

ｉ・・・・総和電流
ｉ1、ｉ2、ｉ3、ｉ4・・・・各個電流
ｖ・・・・電圧指令
τ*・・・・トルク指令
τ０*・・・・減衰トルク指令
ωｍ・・・・瞬時誘導機速度
ωｍＨ・・・・補正誘導機速度
ωｍＳ・・・・制御誘導機速度
φ・・・・誘導機磁束
Ｋ・・・・誘導機間速度差発生信号

Claims (3)

1. 複数台誘導機を持ち、全誘導機の総和電流と電圧から誘導機磁束を演算する磁束演算器と、前記誘導機磁束と前記総和電流から瞬時誘導機速度を演算する速度演算器と、前記複数台誘導機の各個電流と前記電圧から誘導機間速度差発生信号を出力する速度差発生検知器を有し、前記総和電流と前記瞬時誘導機速度とトルク指令を基に前記複数台誘導機のトルクを一括制御するトルク制御手段を有する誘導機制御装置において、
   前記誘導機磁束と前記総和電流から補正誘導機速度を演算する補正速度演算器と、前記誘導機間速度差発生信号が検知状態で前記補正誘導機速度を制御誘導機速度として出力し前記誘導機間速度差発生信号が未検知状態で前記瞬時誘導機速度を制御誘導機速度として出力する速度選択器を新たに追加し、前記瞬時誘導機速度の代わりに前記制御誘導機速度を前記トルク制御手段に入力することを特徴とする誘導機制御装置。
2. 前記誘導機間速度差発生信号を元に出力値を0まで絞るトルク指令減衰器を新たに設け、前記トルク指令の代わりに前記トルク指令減衰器の出力値を前記トルク制御手段に入力することを特徴とする請求項１記載の誘導機制御装置。
3. 前記補正速度演算器において、
   前記誘導機磁束φと前記総和電流ｉとの外積値と、積分ゲインＧから、前記補正誘導機速度ωｍＨを下記積分式
   

   

   
   
   にて演算することを特徴とする請求項２記載の誘導機制御装置。
   ここで×は外積を表す演算子である。
   
   

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