JP6539538B2

JP6539538B2 - 電気車制御装置

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Publication number: JP6539538B2
Application number: JP2015159051A
Authority: JP
Inventors: 高木　正志; 正志高木
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: JP2017038486A

Description

本発明は、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置に関する。

電気車（車両）を駆動する電動機を制御する電気車制御装置の一例として、演算により電動機の回転速度を求めて、電動機のトルク制御を行う電気車制御装置が特許文献１に開示されている。このような電気車制御装置によれば、速度センサを用いずに、トルク指令Ｔｑｒに従って電動機１を制御することができる。電動機１のトルクが車両の車輪軸に伝えられることにより、車両を加減速させることができる。

図４は、上述したような、演算により電動機の回転速度を求めて電動機の制御を行う電気車制御装置の構成例を示す図である。

図４に示す電気車制御装置１０は、電力変換器１１と、電流検出器１２と、速度演算部１３と、すべり周波数指令生成部１４と、加算器１５と、トルク制御部１６ａとを備える。

電力変換器１１は、トルク制御部１６ａから出力された、電動機１への出力電圧を指示する電圧指令Ｖ^＊を増幅し、増幅した電圧指令Ｖ^＊に応じた電圧ｖを電動機１に印加する。

電流検出器１２は、電動機１に流れる電流ｉを検出し、検出結果を速度演算部１３およびトルク制御部１６ａに出力する。

速度演算部１３は、トルク制御部１６ａから出力された電圧指令Ｖ^＊と電流検出器１２により検出された電流ｉとに基づき、以下の式（１）〜（５）を用いて、電動機１の回転速度（演算速度ωｍｃ）を演算する。

ここで、Ｒ１，Ｒ２はそれぞれ電動機１の一次抵抗、二次抵抗であり、Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ電動機１の一次自己インダクタンス、二次自己インダクタンスである。また、ＦＡおよびＦＢは、式（１）で求められる誘導機磁束φのａ軸成分およびｂ軸成分である。なお、電圧指令Ｖ^＊の代わりに、電動機１に印加する電圧ｖを用いてもよい。

速度演算部１３は、演算した演算速度ωｍｃを加算器１５に出力する。

すべり周波数指令生成部１４は、入力されたトルク指令Ｔｑｒと二次磁束指令Ｉｆｒとに基づき、以下の式（６）を用いてすべり周波数指令ωｓｒを生成し、加算器１５に出力する。

加算器１５は、速度演算部１３から出力された演算速度ωｍｃとすべり周波数指令生成部１４から出力されたすべり周波数指令ωｓｒとを加算して、電動機１に印加する電圧の周波数を指示する周波数指令ωｉを生成し、トルク制御部１６ａに出力する。

トルク制御部１６ａは、トルク指令Ｔｑｒと、二次磁束指令Ｉｆｒと、電流検出器１２により検出された電流ｉと、加算器１５から出力された周波数指令ωｉとが入力される。トルク制御部１６ａは、これらの入力に基づき、電動機１のトルクがトルク指令Ｔｑｒに追従するような電圧指令Ｖ^＊を生成し、電力変換器１１および速度演算部１３に出力する。なお、図４においては、トルク指令Ｔｑｒと二次磁束指令Ｉｆｒとがトルク制御部１６ａに入力される例を示しているが、これに限られるものではない。トルク制御部１６ａは、入力されたトルク指令Ｔｑｒに基づき二次磁束指令Ｉｆｒを算出してもよい。

特開平１１−６９８９５号公報

図４に示す電気車制御装置１０においては、電動機１の温度変動により一次抵抗Ｒ１が変動すると、式（１）を用いて求められる誘導機磁束φの誤差が生じ、その結果、演算速度ωｍｃにも誤差が生じる。特に、低速走行時には、誘導機磁束φや演算速度ωｍｃに大きな誤差が生じやすい。演算速度ωｍｃに誤差が生じると、電動機１のトルクをトルク指令Ｔｑｒに従って制御することができなくなる。その結果、車両を想定通りに加減速させることができず、車両の低速走行時（停止時を含む）に、所望の進行方向に対して車両が逆方向に移動してしまうことがある。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、所望の進行方法に対する逆方向への車両の移動の発生を抑制することができる電気車制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電気車制御装置は、電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置であって、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出された電流と前記電動機への出力電圧を指示する電圧指令とに基づき前記電動機の回転速度を演算する速度演算部と、前記電動機のすべり周波数指令を生成するすべり周波数指令生成部と、前記速度演算部により演算された回転速度と前記すべり周波数指令生成部により生成されたすべり周波数指令とを加算した周波数指令を生成する加算器と、前記加算器により生成された周波数指令から、前記電動機の回転方向に応じて前記電動機の回転周波数を制限した制限周波数指令を生成する周波数制限部と、前記電流検出器により検出された電流と、前記周波数制限部により生成された制限周波数指令と、トルク指令とに基づき、前記電圧指令を生成するトルク制御部と、を備え、前記周波数制限部は、前記電動機の正転時には、前記周波数指令を正値で下限制限し、前記電動機の逆転時には、前記周波数指令を負値で上限制限して前記制限周波数指令を生成する。

本発明に係る電気車制御装置によれば、所望の進行方法に対する逆方向への車両の移動の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電気車制御装置の構成例を示す図である。図１に示す周波数制限部の構成例を示す図である。図２に示す正値ａの変化例を示す図である。関連する電気車制御装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電気車制御装置１００の構成を示す図である。なお、図１において、図４と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図１に示す電気車制御装置１００は、図４に示す電気車制御装置１０と比較して、周波数制限部１１０を追加した点と、トルク制御部１６ａをトルク制御部１６に変更した点とが異なる。

周波数制限部１１０は、加算器１５から出力された周波数指令ωｉが入力され、入力された周波数指令ωｉから、電動機１の回転方向に応じて電動機１の回転周波数を制限した制限周波数指令ωｉＬを生成する。そして、周波数制限部１１０は、生成した制限周波数指令ωｉＬをトルク制御部１６に出力する。

トルク制御部１６は、トルク指令Ｔｑｒと、二次磁束指令Ｉｆｒと、電流検出器１２により検出された電流ｉと、周波数制限部１１０から出力された制限周波数指令ωｉＬとに基づき、電動機１のトルクがトルク指令Ｔｑｒに追従するような電圧指令Ｖ^＊を生成し、電力変換器１１および速度演算部１３に出力する。なお、上述したように、トルク制御部１６には、トルク指令Ｔｑｒおよび二次磁束指令Ｉｆｒの両方が入力される必要は無く、トルク指令Ｔｑｒに基づき二次磁束指令Ｉｆｒを生成してもよい。

次に、周波数制限部１１０の構成について図２を参照して説明する。

図２に示す周波数制限部１１０は、下限制限部１１１と、上限制限部１１２と、切替器１１３とを備える。

加算器１５から出力された周波数指令ωｉは、下限制限部１１１および上限制限部１１２に入力される。

下限制限部１１１は、周波数指令ωｉに示される周波数が所定の周波数ωｉ１（＞０）以下である場合には、正値ａを制限周波数ωｉＬ＿Ｆとして切替器１１３に出力し、周波数指令ωｉに示される周波数が所定の周波数ωｉ１より大きい場合には、周波数指令ωｉに示される周波数を制限周波数ωｉＬ＿Ｆとして切替器１１３出力する。すなわち、下限制限部１１１は、周波数指令ωｉを正値ａで下限制限して、制限周波数ωｉＬ＿Ｆとして切替器１１３に出力する。なお、周波数ωｉ１は、電動機１の正転時に車両が低速走行（停止を含む）するような値である。

上限制限部１１２は、周波数指令ωｉに示される周波数が所定の周波数ωｉ２（＜０）より小さい場合には、周波数指令ωｉに示される周波数を制限周波数ωｉＬ＿Ｒとして切替器１１３に出力し、周波数指令ωｉに示される周波数が所定の周波数ωｉ２以上である場合には、負値ｂを制限周波数ωｉＬ＿Ｒとして切替器１１３に出力する。すなわち、上限制限部１１２は、周波数指令ωｉを負値ｂで上限制限して、制限周波数ωｉＬ＿Ｒとして切替器１１３に出力する。なお、周波数ωｉ２は、電動機１の逆転時に車両が低速走行（停止を含む）するような値である。

切替器１１３は、電動機１の回転方向を示す回転方向指令ＦＲ（図１においては不図示）が入力される。切替器１１３は、回転方向指令ＦＲに基づき、電動機１の正転時には、下限制限部１１１から出力された制限周波数ωｉＬ＿Ｆを制限周波数指令ωｉＬとして出力し、電動機１の逆転時には、上限制限部１１２から出力された制限周波数ωｉＬ＿Ｒを制限周波数指令ωｉＬとしてトルク制御部１６に出力する。

したがって、周波数制限部１１０からは、電動機１の正転時には、周波数指令ωｉを正値ａで下限制限し、電動機１の逆転時には、周波数指令ωｉを負値ｂで上限制限した制限周波数指令ωｉＬがトルク制御部１６に出力される。

トルク制御部１６は、切替器１１３から出力された制限周波数指令ωｉＬを用いて、電圧指令Ｖ^＊を生成する。

ここで、上述したように、電動機１の正転時には、制限周波数指令ωｉＬに示される周波数は、正値ａ以上、すなわち、常に正値である。また、電動機１の逆転時には、制限周波数指令ωｉＬに示される周波数は、負値ｂ以下、すなわち、常に負値となる。したがって、電動機１の回転方向が回転方向指令ＦＲに示される方向と反対方向となることがない。そのため、演算速度ωｍｃに誤差が生じたとしても、回転方向指令ＦＲと逆方向のトルクを電動機１に出力させる電圧指令Ｖ^＊が生成されることが無くなるので、所望の進行方向に対して車両が逆方向に移動することを抑制することができる。

なお、本実施形態おいては、切替器１１３は、回転方向指令ＦＲに基づき、制限周波数ωｉＬ＿Ｆと制限周波数ωｉＬ＿Ｒとを切り替えて出力する例を用いて説明したが、これに限られるものではない。例えば、切替器１１３は、加速／減速指令とトルク指令Ｔｑｒの符号とを用いて切替を行ってもよい。

また、本実施形態においては、下限制限部１１１は、周波数指令ωｉに示される周波数が所定の周波数ωｉ１以下である場合には、固定値である正値ａを制限周波数ωｉＬ＿Ｆとして出力し、上限制限部１１２は、周波数指令ωｉに示される周波数が所定の周波数ωｉ２以上である場合には、固定値である負値ｂを制限周波数ωｉＬ＿Ｒとして出力する例を用いて説明したが、これに限られるものではない。

例えば、図３に示すように、電動機1の制御開始後に正値ａは時間の経過とともに徐々に増加し、所定時間経過後に一定値となるようにしてもよい。また、負値ｂも同様に、時間の経過とともに変化してもよい。こうすることで、制御開始直後のすべり周波数を小さくし、電動機１の出力トルクを大きくすることができる。ただし、正値ａ（負値ｂ）の絶対値が小さいと、演算速度ωｍｃの誤差により、所望の進行方向に対して車両が逆方向に移動してしまう可能性がある。したがって、正値ａおよび負値ｂは、必要とされる（許容される）すべり周波数、電動機１の出力トルク、演算速度ωｍｃの誤差などを考慮して、適宜設定すればよい。要は、本発明においては、電動機１の正転時には、制限周波数ωｉＬ＿Ｆとして、所定の正値以上の値が出力され、電動機１の逆転時には、制限周波数ωｉＬ＿Ｒとして、所定の負値以下の値が出力されればよい。こうすることで、回転方向指令ＦＲと逆方向のトルクを電動機１に出力させる電圧指令Ｖ^＊が生成されることが無くなるので、所望の進行方向に対して車両が逆方向に移動することを抑制することができる。

このように本実施形態によれば、電気車制御装置１００は、電動機１に流れる電流ｉを検出する電流検出器１２と、検出された電流ｉと電圧指令Ｖ^＊とに基づき電動機１の演算速度ωｍｃを演算する速度演算部１３と、すべり周波数指令ωｓｒを生成するすべり周波数指令生成部１４と、演算速度ωｍｃと周波数指令ωｓｒとを加算した周波数指令ωｉを生成する加算器１５と、周波数指令ωｉから、電動機１の回転方向に応じて電動機１の周波数を制限した制限周波数指令ωｉＬを生成する周波数制限部１１０と、検出された電流ｉと、制限周波数指令ωｉＬと、トルク指令Ｔｑｒとに基づき、電圧指令Ｖ^＊を生成するトルク制御部１６と、を備える。

周波数指令ωｉから、電動機１の回転方向に応じて電動機１の周波数を制限した制限周波数指令ωｉＬを生成し、生成した制限周波数指令ωｉＬを用いて電動機１のトルク制御を行うことで、演算速度ωｍｃに誤差が生じたとしても、回転方向指令ＦＲと逆方向のトルクを電動機１に出力させる電圧指令Ｖ^＊が生成されることが無くなる。その結果、所望の進行方向に対して車両が逆方向に移動することを抑制することができる。

本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロックなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数のブロックを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１電動機
１１電力変換器
１２電流検出器
１３速度演算器
１４すべり周波数指令生成部
１５加算器
１６トルク制御部
１００電気車制御装置
１１０周波数制限部
１１１下限制限部
１１２上限制限部
１１３切替器

Claims

電気車を駆動する電動機を制御する電気車制御装置であって、
前記電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器により検出された電流と前記電動機への出力電圧を指示する電圧指令とに基づき前記電動機の回転速度を演算する速度演算部と、
前記電動機のすべり周波数指令を生成するすべり周波数指令生成部と、
前記速度演算部により演算された回転速度と前記すべり周波数指令生成部により生成されたすべり周波数指令とを加算した周波数指令を生成する加算器と、
前記加算器により生成された周波数指令から、前記電動機の回転方向に応じて前記電動機の回転周波数を制限した制限周波数指令を生成する周波数制限部と、
前記電流検出器により検出された電流と、前記周波数制限部により生成された制限周波数指令と、トルク指令とに基づき、前記電圧指令を生成するトルク制御部と、
を備え、
前記周波数制限部は、前記電動機の正転時には、前記周波数指令を正値で下限制限し、前記電動機の逆転時には、前記周波数指令を負値で上限制限して前記制限周波数指令を生成することを特徴とする電気車制御装置。