JP6092020B2 - Electric vehicle control device - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電気車を制御する電気車制御装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to an electric vehicle control device that controls an electric vehicle.
一般に、主電動機の回転速度を検出することなく主電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御を適用した場合、主電動機の誘起電圧に基づき回転速度すなわちロータ角周波数を推定する。 In general, when speed sensorless vector control for controlling the torque of the main motor without detecting the rotation speed of the main motor is applied, the rotation speed, that is, the rotor angular frequency is estimated based on the induced voltage of the main motor.
しかし、電気車が停止中や極低速域回転中は主電動機の誘起電圧が絶対的にごく小さい値となるため、検出器の誤差などによって、ロータ角周波数の推定に誤差が生じることにより、所定のトルクを出力できずに加速不良となる場合がある。 However, since the induced voltage of the main motor becomes an extremely small value while the electric vehicle is stopped or rotating at a very low speed range, an error occurs in the estimation of the rotor angular frequency due to the error of the detector, etc. The torque may not be output, resulting in acceleration failure.
このため、極低速域では別の方法で速度推定を行う必要がある。例えば、勾配による外乱トルクを設定して、速度推定を行うことが知られている。 For this reason, it is necessary to perform speed estimation by another method in the extremely low speed range. For example, it is known to perform speed estimation by setting a disturbance torque due to a gradient.
しかしながら、零速度近傍での制御をする場合(例えば、上り勾配で電気車を発進させる場合)、トルク不足を確実に解消するような電気車制御は知られていない。 However, when performing control near zero speed (for example, when starting an electric vehicle on an ascending slope), there is no known electric vehicle control that reliably eliminates torque shortage.
例えば、勾配による外乱トルクを予め設定して、速度推定を行う場合、外乱トルクを設定するために想定された勾配と実際の勾配との間に差があると、トルク低下を生じる可能性がある。 For example, when speed estimation is performed by setting a disturbance torque due to a gradient in advance, if there is a difference between the gradient assumed for setting the disturbance torque and the actual gradient, torque reduction may occur. .
そこで、本発明の実施形態による目的は、零速度近傍での制御におけるトルク特性を向上させた電気車制御装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the embodiment of the present invention is to provide an electric vehicle control device that has improved torque characteristics in control near zero speed.
本発明の実施形態の観点に従った電気車制御装置は、電気車の動力源である誘導電動機に交流電力を出力するインバータと、前記インバータから出力される交流電流を検出する交流電流検出手段と、前記交流電流検出手段により検出された交流電流に基づいて、前記誘導電動機の外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、前記インバータから出力される交流電流に対する電流指令値及び前記外乱トルク推定手段より推定された前記外乱トルクに基づいて、前記誘導電動機のロータ角周波数を推定するロータ角周波数推定手段と、前記ロータ角周波数推定手段により推定された前記ロータ角周波数及び前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備える。 An electric vehicle control device according to an embodiment of the present invention includes an inverter that outputs AC power to an induction motor that is a power source of an electric vehicle, and AC current detection means that detects an AC current output from the inverter. A disturbance torque estimating means for estimating a disturbance torque of the induction motor based on the alternating current detected by the alternating current detecting means; a current command value for the alternating current output from the inverter; and the disturbance torque estimating means. Based on the estimated disturbance torque, the rotor angular frequency estimating means for estimating the rotor angular frequency of the induction motor, and on the basis of the rotor angular frequency and the current command value estimated by the rotor angular frequency estimating means, Inverter control means for controlling the inverter.
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る電気車制御装置20の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
(Embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an electric
電気車制御装置20は、電気車の動力源である誘導電動機(主電動機)1を駆動制御する制御装置である。電気車制御装置20は、速度センサを不要とし、ベクトル制御により、誘導電動機1の可変速制御を行う。電気車制御装置20は、電気車が前進する場合に行う前進制御、電気車が後退する場合に行う後退制御、又は電気車が零速度近傍の場合に行う機械シミュレータ制御のいずれかを行う。なお、ここでは、機械シミュレータ制御を行う場合の電気車制御装置20について主に説明し、その他の制御については説明を省略する。
The electric
電気車制御装置20は、インバータ2、2つの座標変換器3,4、積分器5、電流制御器6、電圧調整器7、シミュレータ8、外乱トルク演算部9、すべり角周波数指令演算部10、励磁電流演算部11、トルク電流演算部12、加算器13、2つの減算器14,15、及び3つの電流検出器16を備える。
The electric
励磁電流演算部11には、誘導電動機1に対する2次磁束指令値Φ2*が入力される。励磁電流演算部11は、次式により、2次磁束指令値Φ2*を用いて、インバータ2から出力される磁束電流(dq軸回転座標系のd軸電流)I1dに対する指令値である磁束電流指令値(d軸電流指令値)I1d*を演算する。励磁電流演算部11は、演算した磁束電流指令値I1d*を、電圧調整器7、シミュレータ8、すべり角周波数指令演算部10、及び減算器15に出力する。
ここで、Mmは、相互インダクタンスである。 Here, Mm is a mutual inductance.
トルク電流演算部12には、誘導電動機1に対する2次磁束指令値Φ2*及びトルク指令値Torq*が入力される。トルク電流演算部12は、次式により、2次磁束指令値Φ2*及びトルク指令値Torq*を用いて、インバータ2から出力されるトルク電流(dq軸回転座標系のq軸電流)I1qに対する指令値であるトルク電流指令値(q軸電流指令値)I1q*を演算する。トルク電流I1qは、磁束電流I1dに直交する電流である。磁束電流I1dとトルク電流I1qのベクトル和は、1次電流となる。トルク電流演算部12は、演算したトルク電流指令値I1q*を、電圧調整器7、シミュレータ8、すべり角周波数指令演算部10、及び減算器14に出力する。
ここで、L2は、2次自己インダクタンス、Mmは、相互インダクタンス、である。 Here, L2 is a secondary self-inductance, and Mm is a mutual inductance.
3つの電流検出器16は、インバータ2の出力側に設置されている。3つの電流検出器16は、インバータ2から誘導電動機1に流れる各相の交流電流Iu,Iv,Iwを検出する。電流検出器16は、それぞれ検出した相電流Iu,Iv,Iwを座標変換器4に出力する。
The three
座標変換器4は、積分器5により演算された位相θ1を用いて、3つの電流検出器16により検出された三相交流電流Iu,Iv,Iwをdq軸回転座標系のdq軸電流I1d,I1qに変換する。座標変換器4は、d軸電流(磁束電流)I1dを減算器15に、q軸電流(トルク電流)I1qを減算器14に出力する。
The
減算器15は、励磁電流演算部11により演算されたd軸電流指令値I1d*から座標変換器4により演算されたd軸電流I1dを引いた差分の値を電流制御器6に出力する。
The
電流制御器6は、減算器15により演算されたd軸電流指令値I1d*とd軸電流I1dとの差分が零になるように、d軸電圧指令値Vd*を演算する。即ち、電流制御器6は、検出したd軸電流I1dをフィードバックして、d軸電流I1dをd軸電流指令値I1d*に一致させるように制御する。電流制御器6は、演算したd軸電圧指令値Vd*を座標変換器3に出力する。
The
電圧調整器7は、励磁電流演算部11により演算されたd軸電流指令値I1d*及びトルク電流演算部12により演算されたq軸電流指令値I1q*を用いて、次式により、q軸電圧指令値Vq*を演算する。電圧調整器7は、演算したq軸電圧指令値Vq*を座標変換器3に出力する。
ここで、σ=1−Mm^2/(L1・L2)である。また、R1は、一次巻線抵抗、L1は、一次自己インダクタンス、L2は、二次自己インダクタンス、Mmは、相互インダクタンス、である。 Here, σ = 1−Mm ^ 2 / (L1 · L2). R1 is a primary winding resistance, L1 is a primary self-inductance, L2 is a secondary self-inductance, and Mm is a mutual inductance.
座標変換器3は、積分器5により演算された位相θ1を用いて、電流制御器6及び電圧調整器7により演算されたdq軸電圧指令値Vd*,Vq*を三相電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に変換する。座標変換器3は、変換した三相電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*をインバータ2に出力する。
The
インバータ2は、電圧形インバータである。インバータ2は、座標変換器3から入力された三相電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に基づいて、三角波比較PWM(pulse width modulation)制御などにより生成されたゲート指令により、三相交流電力を発生させる。これにより、誘導電動機1が駆動制御される。
The
すべり角周波数指令演算部10は、励磁電流演算部11により演算されたd軸電流指令値I1d*及びトルク電流演算部12により演算されたq軸電流指令値I1q*を用いて、次式により、すべり角周波数指令値ωs*を演算する。すべり角周波数指令演算部10は、演算したすべり角周波数指令値ωs*を加算器13に出力する。
ここで、R2は、二次巻線抵抗、L2は、二次自己インダクタンス、である。 Here, R2 is a secondary winding resistance, and L2 is a secondary self-inductance.
減算器14は、座標変換器4により演算されたq軸電流I1qからトルク電流演算部12により演算されたq軸電流指令値I1q*を引いた差分を演算する。減算器14は、演算したq軸電流I1qとq軸電流指令値I1q*との差分を外乱トルク演算部9に出力する。
The
加算器13には、すべり角周波数指令演算部10により演算されたすべり角周波数指令値ωs*及びシミュレータ8により演算されたロータ角周波数推定値(ロータ角加速度推定値)ωreestが入力される。加算器13は、すべり角周波数指令値ωs*とロータ角周波数推定値ωreestを加算して、インバータ出力周波数(1次角周波数)ω1を演算する。加算器13は、演算したインバータ出力周波数ω1を積分器5、電圧調整器7及び外乱トルク演算部9に出力する。
The
外乱トルク演算部9には、予め設定されている外乱トルク設定値TLset、減算器14により演算されたq軸電流I1qとq軸電流指令値I1q*との差分、及び加算器13により演算されたインバータ出力周波数ω1が入力される。外乱トルク設定値TLsetは、例えば、通勤電車などの満車時の30‰の上り勾配などの状況を予め想定して決定される。ここで、勾配は、とり得る範囲(例えば、0‰から30‰)が予め決まっている。そこで、外乱トルク設定値TLsetを決定するために想定する勾配は、とり得る範囲の最大値(例えば、30‰)としてもよい。外乱トルク設定値TLsetは、想定した勾配及び等価慣性質量設定値を用いて求める。
The disturbance torque calculation unit 9 includes a disturbance torque set value TLset that is set in advance, a difference between the q-axis current I1q calculated by the
外乱トルク演算部9は、インバータ出力周波数ω1に基づいて、機械シミュレータ制御を行う否かを判断する。外乱トルク演算部9は、例えば、インバータ出力周波数ω1が±1Hzの範囲内であれば、機械シミュレータ制御を行うと判断する。外乱トルク演算部9は、機械シミュレータ制御を行うと判断すると、外乱トルク設定値TLset、及びq軸電流I1qとq軸電流指令値I1q*との差分を用いて、次式に示す比例積分演算式により、外乱トルク推定値TLestを演算する。外乱トルク演算部9は、演算した外乱トルク推定値TLestをシミュレータ8に出力する。外乱トルク演算部9は、機械シミュレータ制御を行わないと判断すると、外乱トルク設定値TLsetを外乱トルク推定値TLestとして出力する。
ここで、KTPは、外乱トルク演算部の比例ゲイン、KTIは、外乱トルク演算部の積分ゲイン、である。 Here, KTP is a proportional gain of the disturbance torque calculator, and KTI is an integral gain of the disturbance torque calculator.
シミュレータ8には、励磁電流演算部11により演算されたd軸電流指令値I1d*、トルク電流演算部12により演算されたq軸電流指令値I1q*、及び外乱トルク演算部9により演算された外乱トルク推定値TLestが入力される。シミュレータ8は、d軸電流指令値I1d*、q軸電流指令値I1q*、及び外乱トルク推定値TLestを用いて、次式に示すシミュレータ数式モデルにより、ロータ角周波数推定値ωreestを演算する。シミュレータ8は、演算したロータ角周波数推定値ωreestを加算器13に出力する。
ここで、Pは、極対数、Jsetは、回転慣性、Mmは、相互インダクタンス、L2は、2次インダクタンス、である。回転慣性は、ギアや車輪の質量及び大きさなどにより決まるパラメータである。 Here, P is the number of pole pairs, Jset is rotational inertia, Mm is mutual inductance, and L2 is secondary inductance. Rotational inertia is a parameter determined by the mass and size of gears and wheels.
このシミュレータ数式モデルは、ロータの慣性力が、発生トルクから外乱トルクを減算した力と釣り合う数式モデルである。また、外乱トルク推定値TLestは、式(5)により常に変化するので、この数式モデルは、リアルタイムで逐次計算される。 This simulator mathematical model is a mathematical model in which the inertial force of the rotor balances with the force obtained by subtracting the disturbance torque from the generated torque. Moreover, since the disturbance torque estimated value TLest always changes according to the equation (5), this mathematical model is sequentially calculated in real time.
これらの構成により、速度センサレスベクトル制御によるトルク制御系が形成される。 With these configurations, a torque control system based on speed sensorless vector control is formed.
次に、電気車制御装置20による機械シミュレータ制御の動作について説明する。機械シミュレータ制御は、例えば、上り勾配の零速度からの起動時などで実行される。上り勾配の零速度からの起動時では、電気車は、一度少し後退してから後退速度が徐々に減速し、零速度になった後に、前進に転じて速度が徐々に加速していく。このとき、電気車制御装置20は、後退制御、機械シミュレータ制御、前進制御の順に実行される。
Next, the operation of the machine simulator control by the electric
機械シミュレータ制御時に、ロータ角周波数推定値ωreestに誤差が生じて、すべり角周波数がすべり角周波数指令値ωs*から変動すると、q軸電流I1qがq軸電流指令値I1q*から変動する。そこで、q軸電流I1qとq軸電流指令値I1q*との偏差を外乱トルク推定値TLestに補償することで、ロータ角周波数推定値ωreestの誤差が減少する。これにより、ロータ角周波数推定値ωreestは、実際の外乱トルクに応じたものになるため、勾配によらず、トルク指令値Torq*に従ったトルクが出力される。 If an error occurs in the estimated rotor angular frequency value ωrest during the machine simulator control and the slip angular frequency varies from the slip angular frequency command value ωs *, the q-axis current I1q varies from the q-axis current command value I1q *. Therefore, by compensating the deviation between the q-axis current I1q and the q-axis current command value I1q * to the disturbance torque estimated value TLest, the error of the rotor angular frequency estimated value ωreest is reduced. As a result, the estimated rotor angular frequency value ωreest is in accordance with the actual disturbance torque, so that torque according to the torque command value Torq * is output regardless of the gradient.
次に、図2から図5を参照して、電気車制御装置20による効果について説明する。図2から図5は、数値シミュレーションによる発生トルクTeと発生トルク指令値Te*との相関関係を示すグラフ図である。図2及び図4は、従来型の電気車制御を示し、図3及び図5は、本実施形態に係る電気車制御を示したものである。なお、ここでは、従来型の電気車制御は、シミュレータ8に常に固定の外乱トルク設定値TLsetが入力される構成とする。外乱トルク設定値TLsetは、通勤電車等の満車時で30‰上り勾配を想定したものが設定されている。
Next, effects of the electric
図2及び図3は、通勤電車等の満車時で30‰上り勾配での起動状態を想定したシミュレーション結果である。 FIGS. 2 and 3 are simulation results assuming an activated state with a 30 ‰ up slope when the commuter train is full.
従来型の制御では、図2に示すように、発生トルクTeは、最初の方は、発生トルク指令値Te*に追従しているが、時間経過とともにずれが生じる。それにより、ロータ角周波数推定値ωreestは時間経過とともに乖離する。 In the conventional control, as shown in FIG. 2, the generated torque Te follows the generated torque command value Te * in the first direction, but shifts with time. As a result, the rotor angular frequency estimated value ωrest deviates with time.
本実施形態の制御では、図3に示すように、発生トルクTeは、最初から最後まで、発生トルク指令値Te*に追従している。従って、適切な加速が行われたといえる。従って、外乱トルク設定値TLsetで想定した条件下でも、本実施形態の方が従来型よりもトルク制御に優れているといえる。 In the control of this embodiment, as shown in FIG. 3, the generated torque Te follows the generated torque command value Te * from the beginning to the end. Therefore, it can be said that appropriate acceleration was performed. Accordingly, it can be said that the present embodiment is superior to the conventional type in torque control even under the conditions assumed by the disturbance torque set value TLset.
図4及び図5は、通勤電車等の満車時で10‰上り勾配での起動状態を想定したシミュレーション結果である。 FIG. 4 and FIG. 5 show simulation results assuming an activated state with a 10% up slope when the commuter train is full.
従来型の制御では、図4に示すように、零速度からの起動はできているが、発生トルクTeは発生トルク指令値Te*を下回っており、トルク低下が生じていることがわかる。これは、勾配30‰相当に設定された外乱トルク設定値TLsetで、機械シミュレータ回転数推定式によって、ロータ角周波数推定値ωreestを求めるためである。 In the conventional control, as shown in FIG. 4, the engine can be started from zero speed, but the generated torque Te is lower than the generated torque command value Te *, and it is understood that the torque is reduced. This is because the rotor angular frequency estimation value ωreest is obtained from the disturbance torque setting value TLset set to be equivalent to a gradient 30 ‰ by the machine simulator rotation speed estimation formula.
本実施形態の制御では、図5に示すように、勾配10‰の場合でも、発生トルクTeは発生トルク指令値Te*に追従している。よって、勾配10‰の場合も、零速度からトルク低下が生じることなく起動する。従って、外乱トルク設定値TLsetで想定していない条件下では、本実施形態の方が従来型よりもトルク制御に優れている点が明確である。 In the control of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the generated torque Te follows the generated torque command value Te * even when the gradient is 10 ‰. Therefore, even in the case of a gradient of 10 ‰, the engine starts without a torque drop from zero speed. Therefore, it is clear that the present embodiment is superior to the conventional type in torque control under conditions not assumed by the disturbance torque set value TLset.
本実施形態によれば、検出されたq軸電流I1qとq軸電流指令値I1q*との偏差に基づいて、外乱トルク推定値TLestを演算し、この演算した外乱トルク推定値TLestを用いて、シミュレータ8によりロータ角周波数を推定する。これにより、電気車制御装置20は、予め想定される勾配の範囲であれば、勾配などの外的要因により誘導電動機1に掛かる外乱トルクが変動した場合でも、トルク指令値Torq*に追従するように誘導電動機1のトルクを出力させることができる。従って、零速度近傍での制御における誘導電動機1のトルク特性を向上させることができる。
According to this embodiment, based on the deviation between the detected q-axis current I1q and the q-axis current command value I1q *, the disturbance torque estimated value TLest is calculated, and the calculated disturbance torque estimated value TLest is used. The rotor angular frequency is estimated by the simulator 8. As a result, the electric
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 In addition, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…誘導電動機、2…インバータ、3,4…座標変換器、5…積分器、6…電流制御器、7…電圧調整器、8…シミュレータ、9…外乱トルク演算部、10…すべり角周波数指令演算部、11…励磁電流演算部、12…トルク電流演算部、13…加算器、14,15…減算器、16…電流検出器、20…電気車制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記インバータから出力される交流電流を検出する交流電流検出手段と、
前記交流電流検出手段により検出された交流電流に基づいて、前記誘導電動機の外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、
前記インバータから出力される交流電流に対する電流指令値及び前記外乱トルク推定手段より推定された前記外乱トルクに基づいて、前記誘導電動機のロータ角周波数を推定するロータ角周波数推定手段と、
前記ロータ角周波数推定手段により推定された前記ロータ角周波数及び前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御手段と
を備えることを特徴とする電気車制御装置。 An inverter that outputs AC power to an induction motor that is a power source of the electric vehicle;
AC current detection means for detecting AC current output from the inverter;
Disturbance torque estimating means for estimating the disturbance torque of the induction motor based on the alternating current detected by the alternating current detecting means;
Rotor angular frequency estimating means for estimating a rotor angular frequency of the induction motor based on a current command value for the alternating current output from the inverter and the disturbance torque estimated by the disturbance torque estimating means;
An electric vehicle control device comprising: inverter control means for controlling the inverter based on the rotor angular frequency estimated by the rotor angular frequency estimation means and the current command value.
を特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。 The disturbance torque estimating means estimates the disturbance torque by performing a proportional integral calculation based on a deviation between a torque component of the alternating current detected by the alternating current detecting means and a torque component of the current command value. The electric vehicle control device according to claim 1.
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電気車制御装置。 The rotor angular frequency estimation means uses the disturbance torque estimated by the disturbance torque estimation means as a mathematical model that balances the inertial force of the rotor with the force obtained by subtracting the disturbance torque from the generated torque. The electric vehicle control device according to claim 1, wherein the electric vehicle control device estimates the electric vehicle.
検出した交流電流に基づいて、前記誘導電動機の外乱トルクを推定し、
前記インバータから出力される交流電流に対する電流指令値及び推定した前記外乱トルクに基づいて、前記誘導電動機のロータ角周波数を推定し、
推定した前記ロータ角周波数及び前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御すること
を含むことを特徴とする電気車制御方法。 Detects AC current output from an inverter that outputs AC power to the induction motor that is the power source of the electric vehicle,
Based on the detected alternating current, estimate the disturbance torque of the induction motor,
Based on the current command value for the alternating current output from the inverter and the estimated disturbance torque, the rotor angular frequency of the induction motor is estimated,
An electric vehicle control method comprising controlling the inverter based on the estimated rotor angular frequency and the current command value.
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