JP6847276B2

JP6847276B2 - 車両用駆動装置

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Publication number: JP6847276B2
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Inventors: 太一吉田; 和紀小西; 西尾　直樹; 直樹西尾
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Description

この発明は、車両用駆動装置に関する。

鉄道車両には、内燃機関を動力源として走行するものがある。内燃機関の出力は、運転台に設けられるマスターコントローラから入力されるノッチ指令に応じて制御される。上記鉄道車両を駆動する車両用駆動装置には、発電機および電動機を使用するタイプの車両用駆動装置がある。該車両用駆動装置は、内燃機関に駆動されて交流電力を出力する発電機、発電機が出力する交流電力を直流電力に変換するコンバータ、および、直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を電動機に供給するインバータを備える。車両用駆動装置はさらに、ノッチ指令に応じた電動機出力を得るために、インバータの出力を制御する制御装置を備える。上述したように、内燃機関の出力および電動機の出力は共に、ノッチ指令に応じて制御される。

内燃機関にとって負荷装置である電動機の出力が増大し、内燃機関が過負荷の状態となると、内燃機関が失速状態に陥ることがある。内燃機関が失速状態になると、鉄道車両を駆動するための動力が得られない。そこで、車両用駆動装置は、内燃機関が過負荷の状態になることを抑制するためのインバータ制御を行う必要がある。内燃機関が過負荷の状態になることを抑制するため、ノッチ指令が示す加速度が増大した場合、特許文献１に開示される内燃機関型電気機関車用制御装置は、トルク指令値を増大させるタイミングを遅らせる。トルク指令値を増大させるタイミングを遅らせることで、発電機の出力が十分に大きくなってから、発電機の負荷装置である電動機の出力を増大させることが可能である。これにより、内燃機関が過負荷の状態となることを抑制することができる。

詳細には、特許文献１に開示される内燃機関型電気機関車用制御装置は、ノッチの段数がＮ１からＮ２に大きくなった場合、エンジン回転数がノッチＮ１に応じたエンジン回転数とノッチＮ２に応じたエンジン回転数との間のどこに位置するかを示す変数Ｒを用いて、変数Ｒが設定値ＲＬＭより小さい間は、トルク指令値を増大させない。

特開２０００−１１５９０７号公報

特許文献１に開示される内燃機関型電気機関車用制御装置が用いる設定値ＲＬＭは、電動機の回転速度によらず、一定の値である。したがって、ノッチの段数が大きくなってから、特許文献１に開示される内燃機関型電気機関車用制御装置がトルク指令値を増大させ始めるまで、電動機の回転速度によらず、変化後のノッチに応じたエンジン回転数に基づくタイムラグが生じる。そのため、鉄道車両が上り勾配である地点に停車している場合、マスターコントローラを力行にしても、直ちに電動機の出力は増大しないため、鉄道車両が後退してしまうことがある。すなわち、内燃機関が過負荷の状態となることを抑制するために上述のタイムラグを設けることで、電動機の出力の応答性が低下し、鉄道車両が上り勾配である地点に停車している場合、力行運転中に鉄道車両が意図しない後退をするという課題が生じてしまう。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、内燃機関が過負荷の状態となることを抑制しながら、車両の発車時における電動機の出力の応答性を高めることが目的である。

上記目的を達成するために、本発明の車両用駆動装置は、運転指令に応じて制御される内燃機関を動力源として、車両を駆動する車両用駆動装置であって、発電機、コンバータ、インバータ、電動機、および、インバータ制御部を備える。発電機は、内燃機関に駆動され回転することで、交流電力を出力する。コンバータは、発電機が出力する交流電力を直流電力に変換し、該直流電力を出力する。インバータは、コンバータが出力する直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を出力する。電動機は、インバータが出力する交流電力で駆動され回転する。インバータ制御部は、運転指令に応じて、インバータに対する制御指令値を算出し、制御指令値に基づきインバータを制御する。運転指令が変化した場合、インバータ制御部は、変化前の運転指令に応じて算出された制御指令値から、変化後の運転指令に応じて算出された制御指令値まで、運転指令が変化した時点における電動機の回転速度に応じて制御指令値を連続的に変化させ、連続的に変化する制御指令値に基づきインバータを制御する。運転指令が増大した場合における変化前の運転指令に応じて算出された制御指令値から変化後の運転指令に応じて算出された制御指令値までの制御指令値の変化量を、運転指令が変化してから、制御指令値が変化後の運転指令に応じて算出された制御指令値に到達するまでの時間で除算して得られる値は、運転指令が変化した時点における電動機の回転速度に対して負の相関関係を有する。

本発明によれば、運転指令が増大した場合の制御指令値の変化量を、運転指令が変化してから、制御指令値が変化後の運転指令に応じた制御指令値に到達するまでの時間で除算して得られる値が、運転指令が変化した時点における電動機の回転速度に対して負の相関関係を有することで、内燃機関が過負荷の状態となることを抑制しながら、車両の発車時における電動機の出力の応答性を高めることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る車両用駆動装置の構成を示すブロック図実施の形態１に係るインバータ制御部の構成を示すブロック図実施の形態１に係る判定部の構成を示すブロック図実施の形態１における電動機の回転速度に応じた比率を算出する関数の例を示す図実施の形態１における制御指令値の変化を示すタイミングチャート実施の形態１における制御指令値の変化を示すタイミングチャート本発明の実施の形態２に係るインバータ制御部の構成を示すブロック図実施の形態２における電動機の回転速度に応じた変化率を算出する関数の例を示す図実施の形態２における制御指令値の変化を示すタイミングチャート本発明の実施の形態３に係るインバータ制御部の構成を示すブロック図実施の形態３に係る判定部の構成を示すブロック図実施の形態３における制御指令値の変化を示すタイミングチャート実施の形態３における制御指令値の変化を示すタイミングチャート

以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置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に示す本発明の実施の形態１に係る車両用駆動装置１は、内燃機関２を動力源として、鉄道車両を駆動する。動力源である内燃機関２は、内燃機関制御部３によって制御される。内燃機関制御部３には、運転指令が入力される。内燃機関制御部３は、図示しない運転台に設けられたマスターコントローラから運転指令を取得する。内燃機関制御部３は、運転指令に応じて、内燃機関２に対する内燃機関ノッチ指令を算出し、内燃機関ノッチ指令を内燃機関２に出力することで、内燃機関２を制御する。内燃機関ノッチ指令は、内燃機関２の回転速度を示す指令である。内燃機関２は、上記内燃機関ノッチ指令に応じて動作し、後述する発電機１１を駆動する。運転指令として、ノッチ指令が入力される。ノッチ指令は、力行ノッチおよびブレーキノッチを含む。入力される力行ノッチの段数が、Ｎ１，Ｎ２，・・・と定められ、力行ノッチの段数の数字が大きいほど、運転指令に対応する内燃機関２の出力は大きい場合を例にして、以下に車両用駆動装置１の動作について説明する。換言すれば、力行ノッチの段数がＮ１，Ｎ２，・・・と増大すると、内燃機関２の出力が増大する。

車両用駆動装置１は、内燃機関２に駆動され回転することで交流電力を出力する発電機１１、発電機１１が出力する交流電力を直流電力に変換し、該直流電力を出力するコンバータ１２、および、直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を出力するインバータ１４を備える。インバータ１４は、直流電力を、後述する電動機１５の駆動に適した交流電力に変換する。コンバータ１２とインバータ１４の間には、平滑用のフィルタコンデンサ１３が設けられる。車両用駆動装置１はさらに、インバータ１４が出力する交流電力で駆動され回転する電動機１５、および運転指令に応じてインバータ１４を制御するインバータ制御部１６を備える。発電機１１に速度センサ１７が取り付けられ、電動機１５に速度センサ１８が取り付けられる。速度センサ１７は、ＰＧ（Pulse Generator：パルスジェネレーター）を備え、ＰＧが出力するパルス信号から得られる発電機１１の回転速度を示す信号を出力する。同様に、速度センサ１８は、ＰＧを備え、ＰＧが出力するパルス信号から得られる電動機１５の回転速度を示す信号を出力する。

インバータ制御部１６は、運転指令に応じて、インバータ１４に対する制御指令値を算出する。詳細には、インバータ制御部１６は、制御指令値として、トルク指令値を算出する。インバータ制御部１６は、トルク指令値をインバータ１４に出力する。図示しないが、インバータ１４は、スイッチング素子、および、スイッチング素子のオンオフを切り替える内部制御部を備える。内部制御部は、インバータ制御部１６が出力するトルク指令値に応じてスイッチング素子のオンオフを切り替える。

運転指令が変化すると、内燃機関制御部３は、変化後の運転指令に応じた内燃機関ノッチ指令を内燃機関２に出力する。すなわち、ノッチ指令の段数が変化すると、内燃機関ノッチ指令が示す回転速度が変化する。内燃機関ノッチ指令が示す回転速度の変化に応じて、内燃機関２の回転速度が変化する。なお内燃機関２の回転速度は、連続的に変化する。その結果、発電機１１の回転速度が連続的に変化する。また運転指令が変化すると、インバータ制御部１６は、変化前の運転指令に応じた制御指令値から、変化後の運転指令に応じた制御指令値まで、制御指令値を連続的に変化させる。詳細には、インバータ制御部１６は、変化前のノッチ指令の段数に応じた制御指令値から、変化後のノッチ指令の段数に応じた制御指令値まで、制御指令値を連続的に変化させる。制御指令値が連続的に変化することで、電動機１５の回転速度が連続的に変化する。なお後述するように、インバータ制御部１６は、運転指令が変化した時点、すなわち、ノッチ指令の段数が変化した時点における電動機１５の回転速度に応じて、制御指令値の変化の開始を遅らせる。インバータ制御部１６による制御の詳細について説明する。

図２に示すように、インバータ制御部１６は、運転指令が変化した場合に、制御指令値を変化させ始めるか否かを判定し、判定の結果を示す開始可否信号を出力する判定部２１、開始可否信号に基づいて、運転指令に応じた制御指令値を算出し、制御指令値を出力する算出部２２、および、算出部２２が出力する制御指令値が変化した場合に、変化前の制御指令値から変化後の制御指令値まで、制御指令値を連続的に変化させ、連続的に変化する制御指令値を出力するジャーク制御部２３を備える。以下の説明において、算出部２２が出力する制御指令値を第１制御指令値、ジャーク制御部２３が出力する制御指令値、すなわち、インバータ制御部１６が出力する制御指令値を第２制御指令値として区別する。

判定部２１は、運転指令が変化した場合に、第２制御指令値を変化させ始めるか否かを、発電機１１の回転速度が第１閾値速度以上であるか否かに基づいて判定する。第１閾値速度は、後述するように、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度と正の相関関係を有する速度である。図３に示すように、判定部２１は、運転指令に応じた発電機１１の回転速度を算出する基準回転速度算出部３１、および、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に基づいて比率を決定し、出力する比率決定部３２を備える。判定部２１はさらに、基準回転速度算出部３１が算出した発電機１１の回転速度に、比率決定部３２が決定した比率を乗算した結果を出力する乗算器３３、および、発電機１１の回転速度と乗算器３３の出力を比較する比較器３４を備える。

基準回転速度算出部３１は、運転指令と発電機１１の回転速度とが対応付けられた発電機速度テーブルを保持している。基準回転速度算出部３１は、マスターコントローラから取得した運転指令および発電機速度テーブルに基づき、運転指令に応じた発電機１１の回転速度を算出する。比率決定部３２は、図４に示すように、電動機１５の回転速度に応じた比率αを算出する関数を保持している。また比率決定部３２は、速度センサ１８が出力する信号から、電動機１５の回転速度を得る。比率決定部３２は、運転指令が変化したことを検出すると、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度および図４に示す関数に基づき、比率αを決定する。比率αは、１以下の正数であり、図４に示すように、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度と正の相関関係を有する。図４の例では、電動機１５の回転速度ω’１＜ω’２とする。図４に示す一次関数を用いて比率αを決定するため、ω’２に応じたα２は、ω’１に応じたα１より大きくなる。すなわち、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が速くなるにつれて、比率αは、１以下の範囲で大きくなる。換言すれば、車両停止時の比率αは、車両走行時の比率αより小さい。

乗算器３３は、基準回転速度算出部３１が算出した発電機１１の回転速度に、比率決定部３２が決定した比率を乗算した結果である第１閾値速度を出力する。比較器３４は、発電機１１の回転速度と第１閾値速度の大小関係に応じて信号レベルが変わる開始可否信号を出力する。発電機１１の回転速度が第１閾値速度未満である場合、開始可否信号は、Ｌ（Low）レベルである。発電機１１の回転速度が第１閾値速度以上である場合、開始可否信号は、Ｈ（High）レベルである。

上記構成により、発電機１１の回転速度が第１閾値速度未満である場合に、判定部２１は、第２制御指令値を変化させ始めないと判定し、Ｌレベルの開始可否信号を出力する。一方、発電機１１の回転速度が第１閾値速度以上である場合に、判定部２１は、第２制御指令値を変化させ始めると判定し、Ｈレベルの開始可否信号を出力する。

図２に示すように、算出部２２は、運転指令、および、判定部２１が出力する開始可否信号を取得する。算出部２２は、開始可否信号に基づいて、運転指令に応じた第１制御指令値を算出し、出力する。詳細には、運転指令が変化した場合であって、開始可否信号がＬレベルである間、算出部２２は、変化前の運転指令に応じた第１制御指令値を出力する。一方、運転指令が変化した場合であって、開始可否信号がＨレベルである場合、算出部２２は、変化後の運転指令に応じた第１制御指令値を出力する。

ジャーク制御部２３は、算出部２２から第１制御指令値を取得する。第１制御指令値がＴｒからＴｒ’に変化した場合を例にして説明する。第１制御指令値が変化した場合に、ジャーク制御部２３は、変化前の第１制御指令値Ｔｒから変化後の第１制御指令値Ｔｒ’まで連続的に変化する第２制御指令値を出力する。詳細には、ジャーク制御部２３は、変化前の第１制御指令値Ｔｒから変化後の第１制御指令値Ｔｒ’まで、一定の変化率で連続的に変化する第２制御指令値を出力する。

上記構成を有するインバータ制御部１６が行うインバータ制御について、図５および図６を用いて説明する。運転指令としてブレーキノッチＢが入力されていて、鉄道車両が停止している状態から、力行ノッチが入力され、鉄道車両が発車する場合を例にして説明する。下記の説明において、段数がＮ１，Ｎ２の力行ノッチを、力行ノッチＮ１，Ｎ２と表記する。以下の例においては、時刻Ｔ１において、力行ノッチＮ１が入力され、時刻Ｔ２において、車両が発車し、時刻Ｔ３において、第２制御指令値が力行ノッチＮ１に応じた制御指令値に到達すると仮定する。さらに時刻Ｔ４において、力行ノッチＮ２が入力され、時刻Ｔ５において、第２制御指令値が増大し始め、時刻Ｔ６において、第２制御指令値が力行ノッチＮ２に応じた制御指令値に到達すると仮定する。

図５および図６の（ａ）は、インバータ制御部１６に入力される運転指令の時間変化を示す。図５および図６の（ｂ）は、発電機１１の回転速度の時間変化を示す。図５および図６の（ｃ）は、判定部２１が出力する開始可否信号の時間変化を示す。図５および図６の（ｄ）は、算出部２２が出力する第１制御指令値の時間変化を示す。図５および図６の（ｅ）は、インバータ制御部１６が出力する第２制御指令値の時間変化を示す。図５および図６の（ｆ）は、電動機１５の回転速度の時間変化を示す。

図５の（ａ）に示すように、時刻Ｔ１までの間、マスターコントローラから、運転指令としてブレーキノッチＢが車両用駆動装置１に入力される。時刻Ｔ１までの間、運転指令に応じた鉄道車両の加速度は０である。発電機１１は、ブレーキノッチＢに応じた内燃機関ノッチ指令に基づいて制御される。発電機１１の回転速度は、ブレーキノッチＢに応じた回転速度ω１＝０である。基準回転速度算出部３１は、ブレーキノッチＢに応じた発電機１１の回転速度として０を算出する。したがって、時刻Ｔ１までの間、第１閾値速度は０である。発電機１１の回転速度が第１閾値速度に一致するため、開始可否信号はＨレベルである。インバータ制御部１６は、ブレーキノッチＢに応じた制御指令値Ｔｒ１＝０を出力する。電動機１５は、制御指令値Ｔｒ１によって制御され、電動機１５の回転速度は、ブレーキノッチＢに応じた回転速度ω’１＝０である。

時刻Ｔ１において力行ノッチＮ１が入力されると、内燃機関ノッチ指令が示す回転速度が増大する。内燃機関ノッチ指令が示す回転速度の増大に伴って、図５の（ｂ）に示すように、発電機１１の回転速度が増大する。力行ノッチＮ１が入力されると、基準回転速度算出部３１は、変化後の運転指令である力行ノッチＮ１に応じた発電機１１の回転速度ω２を算出し、出力する。比率決定部３２は、運転指令の変化を検出し、時刻Ｔ１における電動機１５の回転速度ω’１に基づき、比率α１を出力する。乗算器３３は、回転速度ω２に比率α１を乗算した結果である第１閾値速度ω_ｔｈ１を出力する。時刻Ｔ２までは、発電機１１の回転速度が第１閾値速度ω_ｔｈ１未満であるため、図５の（ｃ）に示すように、開始可否信号はＬレベルである。時刻Ｔ２までは、開始可否信号はＬレベルであるため、図５の（ｄ）に示すように、算出部２２は、ブレーキノッチＢに応じた第１制御指令値Ｔｒ１を出力する。したがって、時刻Ｔ２までは、図５の（ｅ）に示すように、インバータ制御部１６は、第２制御指令値Ｔｒ１を出力する。そのため、図５の（ｆ）に示すように、電動機１５の回転速度はω’１のままである。

時刻Ｔ２において、発電機１１の回転速度が第１閾値速度ω_ｔｈ１に到達すると、開始可否信号はＨレベルとなる。開始可否信号がＨレベルになると、算出部２２は、力行ノッチＮ１に応じた第１制御指令値Ｔｒ２を出力する。ジャーク制御部２３は、第１制御指令値がＴｒ１からＴｒ２に変化したため、Ｔｒ１からＴｒ２まで第２制御指令値を変化率β１で連続的に変化させる。なお変化率β１は、固定値とする。第２制御指令値がＴｒ１からＴｒ２に増加することに伴って、電動機１５の回転速度がω’１からω’２まで増加する。時刻Ｔ３において、第２制御指令値がＴｒ２に到達し、電動機１５の回転速度がω’２に到達する。

図６の（ａ）に示すように、時刻Ｔ３の後、時刻Ｔ４までは、力行ノッチＮ１が入力されており、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの間、発電機１１の回転速度はω２であり、電動機１５の回転速度はω’２である。

時刻Ｔ４において、力行ノッチＮ２が入力され、内燃機関ノッチ指令が示す回転速度が増大する。内燃機関ノッチ指令が示す回転速度の増大に伴って、図６の（ｂ）に示すように、発電機１１の回転速度が増大する。発電機１１の回転速度は、力行ノッチＮ１が入力された場合と同様の変化率で増大する。力行ノッチＮ２が入力されると、基準回転速度算出部３１は、変化後の運転指令である力行ノッチＮ２に応じた発電機１１の回転速度ω３を算出し、出力する。比率決定部３２は、運転指令の変化を検出し、時刻Ｔ４における電動機１５の回転速度ω’２に基づき、比率α２を出力する。比率αは、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して正の相関関係を有するため、比率α２は、比率α１より大きい。乗算器３３は、回転速度ω３に比率α２を乗算した結果である第１閾値速度ω_ｔｈ２を出力する。時刻Ｔ５までは、発電機１１の回転速度が第１閾値速度ω_ｔｈ２未満であるため、図６の（ｃ）に示すように、開始可否信号はＬレベルである。時刻Ｔ５までは、開始可否信号はＬレベルであるため、図６の（ｄ）に示すように、算出部２２は、力行ノッチＮ１に応じた第１制御指令値Ｔｒ２を出力する。したがって、時刻Ｔ５までは、図６の（ｅ）に示すように、インバータ制御部１６が第２制御指令値Ｔｒ２を出力する。そのため、図６の（ｆ）に示すように、電動機１５の回転速度はω’２のままである。

時刻Ｔ５において、発電機１１の回転速度が第１閾値速度ω_ｔｈ２に到達すると、開始可否信号はＨレベルとなる。開始可否信号がＨレベルになると、算出部２２は、力行ノッチＮ２に応じた第１制御指令値Ｔｒ３を出力する。ジャーク制御部２３は、第１制御指令値がＴｒ２からＴｒ３に変化したため、Ｔｒ２からＴｒ３まで第２制御指令値を変化率β１で連続的に変化させる。上述したように、β１は、固定値とする。第２制御指令値がＴｒ２からＴｒ３に増加することに伴って、電動機１５の回転速度がω’２からω’３まで増加する。時刻Ｔ６において、第２制御指令値がＴｒ３に到達し、電動機１５の回転速度がω’３に到達する。

図５に示すように、運転指令が変化してから、電動機１５の回転速度がω’２に到達するまでの時間をτ１とする。図５の例では、第２制御指令値は、Ｔｒ１からＴｒ２に増大する。すなわち、第２制御指令値の変化量は、（Ｔｒ２−Ｔｒ１）で表される。また図６に示すように、運転指令が変化してから、電動機１５の回転速度が、ω’３に到達するまでの時間をτ２とする。図６の例では、第２制御指令値は、Ｔｒ２からＴｒ３に増大する。すなわち、第２制御指令値の変化量は、（Ｔｒ３−Ｔｒ２）で表すことができる。なお実施の形態１の例では、（Ｔｒ２−Ｔｒ１）＝（Ｔｒ３−Ｔｒ２）とする。

図５に示す、運転指令としてブレーキノッチＢが入力されている状態から、力行ノッチＮ１が入力される場合における電動機１５の応答性と、図６に示す、運転指令として力行ノッチＮ１が入力されている状態から、力行ノッチＮ２が入力される場合における電動機１５の応答性を比較する。そこで、制御指令値の変化量を、運転指令が変化してから、制御指令値が変化後の運転指令に応じた制御指令値に到達するまでの時間で除算して得られる値を電動機１５の応答性を示す値Ｒとして定義する。図５の例における電動機１５の応答性を示す値Ｒ１を、（Ｔｒ２−Ｔｒ１）／τ１で表すことができる。また図６の例における電動機１５の応答性を示す値Ｒ２を、（Ｔｒ３−Ｔｒ２）／τ２で表すことができる。実施の形態１では、比率決定部３２が出力する比率は、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度と正の相関関係を有する。そのため、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が速くなるにつれ、運転指令が変化してから、インバータ制御部１６が出力する第２制御指令値が増大し始めるまでの時間は、長くなる。その結果、電動機１５の応答性を示す値Ｒは、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対し負の相関関係を有する。すなわち、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が低い方が、電動機１５の応答性が高い。換言すれば、車両停車時における電動機１５の応答性は、車両走行時における電動機１５の応答性より高い。

運転指令が増大する場合について説明したが、運転指令が減少する場合、例えば、力行ノッチＮ２から力行ノッチＮ１に変化する場合の車両用駆動装置１の各部の動作も同様である。ただし、運転指令が減少する場合は、運転指令が変化した時点において、発電機１１の回転速度は第１閾値速度以上であるため、運転指令が変化すると、ただちに第２制御指令値が変化する。

以上説明したとおり、本発明の実施の形態１に係る車両用駆動装置１は、電動機１５の応答性を示す値Ｒが、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係を有することで、内燃機関２が過負荷の状態となることを抑制しながら、車両の発車時における電動機１５の出力の応答性を高めることが可能である。

（実施の形態２）
実施の形態１においては、電動機１５の応答性を示す値Ｒに、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係をもたせるため、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して正の相関関係を有する比率αを用いて、第１閾値速度ω_ｔｈを変化させた。上述の負の相関関係をもたせるための手法は任意である。例えば、電動機１５の回転速度に応じて変化する変化率βに基づいて、第２制御指令値を変化させてもよい。以下、比率αおよび変化率βを共に変化させる実施の形態２について説明する。

本発明の実施の形態２に係る車両用駆動装置１の構成は、実施の形態１に係る車両用駆動装置１と同様である。図７に示すように、インバータ制御部１６は、ジャーク制御部２３に代えて、ジャーク制御部２４を備える。ジャーク制御部２４は、算出部２２から第１制御指令値を取得する。ジャーク制御部２４には、運転指令が入力される。またジャーク制御部２４は、速度センサ１８が出力する信号から、電動機１５の回転速度を得る。第１制御指令値が変化した場合、ジャーク制御部２４は、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度と負の相関関係を有する変化率βに基づいて、第２制御指令値を連続的に変化させる。

詳細には、ジャーク制御部２４は、図８に示すように、電動機１５の回転速度に応じた変化率βを決定する関数を保持している。ジャーク制御部２４は、運転指令が変化したことを検出すると、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度および図８に示す関数に基づき、変化率βを決定する。図８に示すように、変化率βは、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度と負の相関関係を有する。図８の例では、電動機１５の回転速度ω’１＜ω’２とする。図８に示す一次関数を用いて変化率βを決定するため、ω’２に応じたβ２は、ω’１に応じたβ１より小さくなる。すなわち、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が速くなるにつれて、変化率βは小さくなる。換言すれば、車両停止時の変化率βは、車両走行時の変化率βより大きい。運転指令が変化した後、算出部２２が出力する第１制御指令値が変化すると、ジャーク制御部２４は、変化前の第１制御指令値から、変化後の第１制御指令値まで、決定した変化率βに基づいて連続的に変化する第２制御指令値を出力する。

インバータ制御部１６が行うインバータ制御について、図５および図９を用いて説明する。図９の見方は、図５と同様である。時刻Ｔ４までの運転指令の時間変化、発電機１１の回転速度の時間変化、開始可否信号の時間変化、第１制御指令値の時間変化、第２制御指令値の時間変化、および電動機１５の回転速度の時間変化は、図５に示す実施の形態１と同様である。実施の形態１で説明したように、時刻Ｔ２において、算出部２２が出力する制御指令値がＴｒ１からＴｒ２に変化したため、ジャーク制御部２３は、Ｔｒ１からＴｒ２まで制御指令値を連続的に変化させる。Ｔｒ１からＴｒ２まで変化させる際の制御指令値の変化率βは、時刻Ｔ２における電動機１５の回転速度ω’１に応じた変化率β１である。また時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの運転指令の時間変化、発電機１１の回転速度の時間変化、開始可否信号の時間変化、第１制御指令値の時間変化、第２制御指令値の時間変化、および電動機１５の回転速度の時間変化は、実施の形態１と同様である。

第１閾値速度ω_ｔｈ２は、実施の形態１と同様である。時刻Ｔ５において、発電機１１の回転速度が第１閾値速度ω_ｔｈ２に到達すると、比較器３４が出力する開始可否信号はＨレベルとなる。開始可否信号がＨレベルになると、算出部２２は、力行ノッチＮ２に応じた第１制御指令値Ｔｒ３を出力する。ジャーク制御部２３は、第１制御指令値がＴｒ２からＴｒ３に変化したため、Ｔｒ２からＴｒ３まで第２制御指令値を変化率β２で連続的に変化させる。上述したように、Ｔｒ２からＴｒ３まで変化させる際の変化率β２は、時刻Ｔ４における電動機１５の回転速度ω’２に応じた値である。第２制御指令値の変化率は、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係を有するため、変化率β２は、変化率β１より小さい。すなわち、第２制御指令値がＴｒ２からＴｒ３に増大する場合、第２制御指令値がＴｒ１からＴｒ２に増大する場合と比べて、第２制御指令値の増加速度が遅い。第２制御指令値がＴｒ２からＴｒ３に増加することに伴って、電動機１５の回転速度がω’２からω’３まで増加する。時刻Ｔ７において、第２制御指令値がＴｒ３に到達し、電動機１５の回転速度がω’３に到達する。

上述のように、時刻Ｔ４までの第２制御指令値の時間変化は、実施の形態１と同様である。したがって、図５に示すように、運転指令が変化してから、電動機１５の回転速度がω’２に到達するまでの時間を、実施の形態１と同様、τ１とする。また図９に示すように、運転指令が変化してから、電動機１５の回転速度がω’３に到達するまでの時間を、τ３とする。図５の例における電動機１５の応答性を示す値Ｒ１を、（Ｔｒ２−Ｔｒ１）／τ１で表すことができる。また図９の例における電動機１５の応答性を示す値Ｒ２を、（Ｔｒ３−Ｔｒ２）／τ３で表すことができる。実施の形態１と同様に、比率決定部３２が出力する比率αは、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度と正の相関関係を有する。そのため、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が速くなるにつれ、運転指令が変化してから、第２制御指令値が増大し始めるまでの時間は、長くなる。また第２制御指令値の変化率βは、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係を有する。そのため、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が速くなるにつれ、第２制御指令値の増加速度が遅くなる。その結果、電動機１５の応答性を示す値Ｒは、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対し負の相関関係を有する。すなわち、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が低い方が、電動機１５の応答性が高い。換言すれば、車両停止時における電動機１５の応答性は、車両走行時における電動機１５の応答性より高い。

以上説明したとおり、本発明の実施の形態２に係る車両用駆動装置１は、電動機１５の応答性を示す値Ｒが、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係を有することで、内燃機関２が過負荷の状態となることを抑制しながら、車両の発車時における電動機１５の出力の応答性を高めることが可能である。実施の形態２に係る車両用駆動装置１においては、ジャーク制御部２４での変化率βが、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度と負の相関関係を有するため、車両の発車時における電動機１５の出力の応答性をより高めることが可能である。

（実施の形態３）
実施の形態１，２においては、電動機１５の応答性を示す値Ｒに、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係をもたせるため、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して正の相関関係を有する比率αを用いて、第１閾値速度ω_ｔｈ１を変化させた。上述の負の相関関係をもたせるための手法は任意である。例えば、比率αを固定値とし、電動機１５の回転速度に応じて変化する変化率βに基づいて、第２制御指令値を変化させてもよい。以下、比率αを固定値とし、変化率βを電動機１５の回転速度に応じて変化させる実施の形態３について説明する。

本発明の実施の形態３に係る車両用駆動装置１の構成は、実施の形態１に係る車両用駆動装置１と同様である。実施の形態３に係る車両用駆動装置１が有するインバータ制御部１６は、運転指令が変化した場合に、制御指令値を変化させ始めるか否かを、発電機１１の回転速度が第２閾値速度以上であるか否かに基づいて判定する。第２閾値速度は、後述するように、運転指令に応じた発電機１１の回転速度に１以下の正数を乗算して得られる。また車両用駆動装置１は、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に応じて、第２制御指令値を連続的に変化させる。図１０に示すように、インバータ制御部１６は、判定部２１に代えて、判定部２５を備える。またインバータ制御部１６は、実施の形態２と同様に、ジャーク制御部２４を備える。

判定部２５は、運転指令が変化した場合に、制御指令値を変化させ始めるか否かを、発電機１１の回転速度が第２閾値速度以上であるか否かに基づいて判定する。図１１に示すように、判定部２５は、運転指令に応じた発電機１１の回転速度を算出する基準回転速度算出部３１、基準回転速度算出部３１が算出した発電機１１の回転速度に固定比率を乗算した結果を出力する乗算器３３、および、発電機１１の回転速度と乗算器３３の出力を比較する比較器３４を備える。固定比率は、１以下の正数である。固定比率は、電動機１５の回転速度によらず、一定の値である。

基準回転速度算出部３１は、実施の形態１と同様に、発電機速度テーブルを保持している。基準回転速度算出部３１は、マスターコントローラから取得した運転指令および発電機速度テーブルに基づき、運転指令に応じた発電機１１の回転速度を算出する。乗算器３３は、基準回転速度算出部３１が算出した発電機１１の回転速度に、固定比率を乗算した結果である第２閾値速度を出力する。比較器３４は、発電機１１の回転速度と第２閾値速度の大小関係に応じて信号レベルが変わる開始可否信号を出力する。発電機１１の回転速度が第２閾値速度未満である場合、開始可否信号は、Ｌレベルである。発電機１１の回転速度が第２閾値速度以上である場合、開始可否信号は、Ｈレベルである。

上記構成により、発電機１１の回転速度が第２閾値速度未満である場合に、判定部２５は、第２制御指令値を変化させ始めないと判定し、Ｌレベルの開始可否信号を出力する。一方、発電機１１の回転速度が第２閾値速度以上である場合に、判定部２５は、第２制御指令値を変化させ始めると判定し、Ｈレベルの開始可否信号を出力する。

図１０に示すように、算出部２２は、運転指令、および、判定部２５が出力する開始可否信号を取得する。算出部２２は、開始可否信号に基づいて、運転指令に応じた第１制御指令値を算出し、出力する。詳細には、運転指令が変化した場合であって、開始可否信号がＬレベルである間、算出部２２は、変化前の運転指令に応じた第１制御指令値を出力する。一方、運転指令が変化した場合であって、開始可否信号がＨレベルである場合、算出部２２は、変化後の運転指令に応じた第１制御指令値を出力する。

ジャーク制御部２４は、算出部２２から第１制御指令値を取得する。ジャーク制御部２４には、運転指令が入力される。またジャーク制御部２４は、速度センサ１８が出力する信号から、電動機１５の回転速度を得る。ジャーク制御部２４の構成および動作は、実施の形態２と同様である。第１制御指令値が変化した場合、ジャーク制御部２４は、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度と負の相関関係を有する変化率βに基づいて、第２制御指令値を連続的に変化させる。

インバータ制御部１６が行うインバータ制御について、図１２および図１３を用いて説明する。図の見方は、図５と同様である。運転指令としてブレーキノッチＢが入力されていて、鉄道車両が停止している状態から、力行ノッチが入力され、鉄道車両が発車する場合を例にして説明する。下記の説明において、段数がＮ１，Ｎ２の力行ノッチを、力行ノッチＮ１，Ｎ２と表記する。以下の例においては、時刻Ｔ１１において、力行ノッチＮ１が入力され、時刻Ｔ１２において、車両が発車し、時刻Ｔ１３において、第２制御指令値が力行ノッチＮ１に応じた制御指令値に到達すると仮定する。さらに時刻Ｔ１４において、力行ノッチＮ２が入力され、時刻Ｔ１５において、第２制御指令値が増大し始め、時刻Ｔ１６において、第２制御指令値が力行ノッチＮ２に応じた制御指令値に到達すると仮定する。

図１２の（ａ）に示すように、時刻Ｔ１１までの間、マスターコントローラから、運転指令としてブレーキノッチＢが車両用駆動装置１に入力される。時刻Ｔ１１までの間、運転指令に応じた鉄道車両の加速度は０である。発電機１１は、ブレーキノッチＢに応じた内燃機関ノッチ指令に基づいて制御される。発電機１１の回転速度は、ブレーキノッチＢに応じた回転速度ω１＝０である。基準回転速度算出部３１は、ブレーキノッチＢに応じた発電機１１の回転速度として０を算出する。したがって、時刻Ｔ１１までの間、第１閾値速度は０である。発電機１１の回転速度が第１閾値速度に一致するため、開始可否信号はＨレベルである。インバータ制御部１６は、ブレーキノッチＢに応じた制御指令値Ｔｒ１＝０を出力する。電動機１５は、制御指令値Ｔｒ１によって制御され、電動機１５の回転速度は、ブレーキノッチＢに応じた回転速度ω’１＝０である。

時刻Ｔ１１において力行ノッチＮ１が入力されると、内燃機関ノッチ指令が示す回転速度が増大する。内燃機関ノッチ指令の増大に伴って、図１２の（ｂ）に示すように、発電機１１の回転速度が増大する。力行ノッチＮ１が入力されると、基準回転速度算出部３１は、変化後の運転指令である力行ノッチＮ１に応じた発電機１１の回転速度ω２を算出し、出力する。乗算器３３は、回転速度ω２に固定比率γを乗算した結果である第２閾値速度ω’_ｔｈ１を出力する。時刻Ｔ１２までは、発電機１１の回転速度が第２閾値速度ω’_ｔｈ１未満であるため、図１２の（ｃ）に示すように、開始可否信号はＬレベルである。時刻Ｔ１２までは、開始可否信号はＬレベルであるため、図１２の（ｄ）に示すように、算出部２２は、ブレーキノッチＢに応じた第１制御指令値Ｔｒ１を出力する。したがって、時刻Ｔ１２までは、図１２の（ｅ）に示すように、インバータ制御部１６は、第２制御指令値Ｔｒ１を出力する。そのため、図１２の（ｆ）に示すように、電動機１５の回転速度はω’１のままである。

時刻Ｔ１２において、発電機１１の回転速度が第２閾値速度ω’_ｔｈ１に到達すると、開始可否信号はＨレベルとなる。開始可否信号がＨレベルになると、算出部２２は、力行ノッチＮ１に応じた第１制御指令値Ｔｒ２を出力する。ジャーク制御部２３は、第１制御指令値がＴｒ１からＴｒ２に変化したため、Ｔｒ１からＴｒ２まで第２制御指令値を変化率β１で連続的に変化させる。第２制御指令値がＴｒ１からＴｒ２に増加することに伴って、電動機１５の回転速度がω’１からω’２まで増加する。時刻Ｔ１３において、制御指令値がＴｒ２に到達し、電動機１５の回転速度がω’２に到達する。

図１３の（ａ）に示すように、時刻Ｔ１３の後、時刻Ｔ１４までは、力行ノッチＮ１が入力されており、時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４までの間、発電機１１の回転速度はω２であり、電動機１５の回転速度はω’２である。

時刻Ｔ１４において、力行ノッチＮ２が入力され、内燃機関ノッチ指令が示す回転速度が増大する。内燃機関ノッチ指令が示す回転速度の増大に伴って、図１３の（ｂ）に示すように、発電機１１の回転速度が増大する。発電機１１の回転速度は、力行ノッチＮ１が入力された場合と同様の変化率で増大する。力行ノッチＮ２が入力されると、基準回転速度算出部３１は、変化後の運転指令である力行ノッチＮ２に応じた回転速度ω３を算出し、出力する。乗算器３３は、回転速度ω３に固定比率γを乗算した結果である第２閾値速度ω’_ｔｈ２を出力する。時刻Ｔ１５までは、発電機１１の回転速度が第２閾値速度ω’_ｔｈ２未満であるため、図１３の（ｃ）に示すように、開始可否信号はＬレベルである。時刻Ｔ１５までは、開始可否信号はＬレベルであるため、図１３の（ｄ）に示すように、算出部２２は、力行ノッチＮ１に応じた第１制御指令値Ｔｒ２を出力する。したがって、時刻Ｔ１５までは、図１３の（ｅ）に示すように、インバータ制御部１６が第２制御指令値Ｔｒ２を出力する。そのため、図１３の（ｆ）に示すように、電動機１５の回転速度はω’２のままである。

時刻Ｔ１５において、発電機１１の回転速度が第２閾値速度ω’_ｔｈ２に到達すると、開始可否信号はＨレベルとなる。開始可否信号がＨレベルになると、算出部２２は、力行ノッチＮ２に応じた第１制御指令値Ｔｒ３を出力する。ジャーク制御部２３は、第１制御指令値がＴｒ２からＴｒ３に変化したため、Ｔｒ２からＴｒ３まで第２制御指令値を変化率β２で連続的に変化させる。第２制御指令値の変化率は、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係を有するため、変化率β２は、変化率β１より小さい。すなわち、第２制御指令値がＴｒ２からＴｒ３に増大する場合、第２制御指令値がＴｒ１からＴｒ２に増大する場合と比べて、第２制御指令値の増加速度が遅い。第２制御指令値がＴｒ２からＴｒ３に増加することに伴って、電動機１５の回転速度がω’２からω’３まで増加する。時刻Ｔ１６において、第２制御指令値がＴｒ３に到達し、電動機１５の回転速度がω’３に到達する。

図１２に示すように、運転指令が変化してから、電動機１５の回転速度がω’２に到達するまでの時間をτ４とする。図１２の例では、第２制御指令値は、Ｔｒ１からＴｒ２に増大する。すなわち、図１２の例における電動機１５の応答性を示す値Ｒ１を、（Ｔｒ２−Ｔｒ１）／τ４で表すことができる。また図１３に示すように、運転指令が変化してから、電動機１５の回転速度がω’３に到達するまでの時間をτ５とする。図１３の例では、第２制御指令値は、Ｔｒ２からＴｒ３に増大する。すなわち、図１３の例における電動機１５の応答性を示す値Ｒ２を（Ｔｒ３−Ｔｒ２）／τ５で表すことができる。実施の形態２と同様に、第２制御指令値の変化率はβ、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係を有する。そのため、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が速くなるにつれ、第２制御指令値の増加速度が遅くなる。その結果、電動機１５の応答性を示す値Ｒは、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係を有する。すなわち、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度が低い方が、電動機１５の応答性が高い。換言すれば、車両停止時における電動機１５の応答性は、車両走行時における電動機１５の応答性より高い。

以上説明したとおり、本発明の実施の形態３に係る車両用駆動装置１は、電動機１５の応答性を示す値Ｒが、運転指令が変化した時点における電動機１５の回転速度に対して負の相関関係を有することで、内燃機関２が過負荷の状態となることを抑制しながら、車両の発車時における電動機１５の出力の応答性を高めることが可能である。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。内燃機関２は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等である。インバータ制御部１６は、ＡＴＣ（Automatic Train Control：自動列車制御装置）から電動機１５の回転速度を取得してもよい。基準回転速度算出部３１は、関数に基づいて、運転指令に応じた発電機１１の回転速度を算出してもよい。比率決定部３２は、電動機１５の回転速度が取り得る値の範囲と比率αとを対応付けたテーブルを用いて、比率αを決定してもよい。ジャーク制御部２３，２４は、ランプ関数、一次遅れ要素等に基づいて、制御指令値を連続的に変化させてもよい。ジャーク制御部２４は、電動機１５の回転速度が取り得る値の範囲と変化率βとを対応付けたテーブルを用いて、変化率βを決定してもよい。変化後の運転指令に応じた発電機１１の回転速度から変更前の運転指令に応じた発電機１１の回転速度を減算して得られる値に比率αを乗算して、第１閾値速度ω_ｔｈ１を算出してもよい。同様に、変化後の運転指令に応じた発電機１１の回転速度から変更前の運転指令に応じた発電機１１の回転速度を減算して得られる値に固定比率γを乗算して、第２閾値速度ω_ｔｈ２を算出してもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この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ものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１車両用駆動装置、２内燃機関、３内燃機関制御部、１１発電機、１２コンバータ、１３フィルタコンデンサ、１４インバータ、１５電動機、１６インバータ制御部、１７，１８速度センサ、２１，２５判定部、２２算出部、２３，２４ジャーク制御部、３１基準回転速度算出部、３２比率決定部、３３乗算器、３４比較器。

Claims

運転指令に応じて制御される内燃機関を動力源として、車両を駆動する車両用駆動装置であって、
前記内燃機関に駆動され回転することで、交流電力を出力する発電機と、
前記発電機が出力する交流電力を直流電力に変換し、該直流電力を出力するコンバータと、
前記コンバータが出力する直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を出力するインバータと、
前記インバータが出力する交流電力で駆動され回転する電動機と、
前記運転指令に応じて、前記インバータに対する制御指令値を算出し、前記制御指令値に基づき前記インバータを制御するインバータ制御部と、
を備え、
前記運転指令が変化した場合、前記インバータ制御部は、変化前の前記運転指令に応じて算出された前記制御指令値から、変化後の前記運転指令に応じて算出された前記制御指令値まで、前記運転指令が変化した時点における前記電動機の回転速度に応じて前記制御指令値を連続的に変化させ、連続的に変化する前記制御指令値に基づき前記インバータを制御し、
前記運転指令が増大した場合における前記変化前の運転指令に応じて算出された前記制御指令値から前記変化後の運転指令に応じて算出された前記制御指令値までの前記制御指令値の変化量を、前記運転指令が変化してから、前記制御指令値が前記変化後の運転指令に応じて算出された前記制御指令値に到達するまでの時間で除算して得られる値は、前記運転指令が変化した時点における前記電動機の回転速度に対して負の相関関係を有する、
車両用駆動装置。
前記インバータ制御部は、
前記運転指令が変化した場合に、前記制御指令値を変化させ始めるか否かを、前記発電機の回転速度が、前記変化後の運転指令に応じた前記発電機の回転速度に基づく閾値速度以上であるか否かに基づいて判定し、判定の結果を示す開始可否信号を出力する判定部と、
前記開始可否信号に基づいて、前記運転指令に応じて算出された前記制御指令値を算出し、算出した前記制御指令値を出力する算出部と、
前記算出部が出力する前記制御指令値が変化した場合に、変化前の前記制御指令値から変化後の前記制御指令値まで、前記制御指令値を連続的に変化させ、連続的に変化する前記制御指令値を出力するジャーク制御部と、
を備え、
前記運転指令が変化した場合であって、前記開始可否信号が前記制御指令値を変化させ始めないことを示す間は、前記算出部は、前記変化前の運転指令に応じて算出された前記制御指令値を算出し、
前記運転指令が変化した場合であって、前記開始可否信号が前記制御指令値を変化させ始めることを示す場合は、前記算出部は、前記変化後の運転指令に応じて算出された前記制御指令値を算出する、
請求項１に記載の車両用駆動装置。
前記判定部が判定に用いる前記閾値速度である第１閾値速度は、前記変化後の運転指令に応じた前記発電機の回転速度に、前記運転指令が変化した時点における前記電動機の回転速度と正の相関関係を有する比率を乗算して得られ、
前記発電機の回転速度が前記第１閾値速度以上である場合に、前記判定部は、前記制御指令値の変化を開始すると判定する、
請求項２に記載の車両用駆動装置。
前記ジャーク制御部は、前記運転指令が変化した時点における前記電動機の回転速度と負の相関関係を有する変化率に基づいて、前記制御指令値を連続的に変化させる、
請求項３に記載の車両用駆動装置。
前記判定部が判定に用いる前記閾値速度である第２閾値速度は、前記変化後の運転指令に応じた前記発電機の回転速度に１以下の正数を乗算して得られ、
前記発電機の回転速度が前記第２閾値速度以上である場合に、前記判定部は、前記制御指令値の変化を開始すると判定し、
前記ジャーク制御部は、前記運転指令が変化した時点における前記電動機の回転速度と負の相関関係を有する変化率に基づいて、前記制御指令値を連続的に変化させる、
請求項２に記載の車両用駆動装置。