JPH02193502A - 電気車の駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は電動機で駆動される電気車の駆動制御装置に関
する。

（従来の技術） 電気車は、車軸に電動機で回転力（トルク）を与えて、
この車輪とレールとの間の粘着力（摩擦力）により回転
力を推進力として用いて車両を推進する。１個の車輪の
粘着力ＦＡＤは、粘着係数をμ、その車軸にかかる重量
（軸重）をＷとするとＦＡＤ＝μＷ　　　　　　　　　
　　（ト）になる。回転力ＦＴＨが粘着力が上回ると、
余剰の回転力ΔＦＴＨ（＝　ＦＴＨＦＡＤ）により車輪
が車体速度以上に加速されレール上を空回りして、推進
力の伝達が著しく低下する。この現象は駆動時に発生し
、「空転」とよぶ。制御時には、制御力ＦＢにが粘着力
を上回ると、余剰の制御力ΔＦＢＲ（＝ＦＢＲ−ＦＡＤ
）により車軸が車体速度以下に減速され、車輪がレール
上をすベリ、やはり制御力の伝達が著しく低下する。こ
れを「滑走」とよぶ。以下本発明では空転に関して説明
を行うが、滑走についても全く同様のことが成り立つの
で説明を省略する。

なお、上記の、電動機に連結された車輪を動輪とよび、
連結されていないものを従軸とよぶ。

空転は上記のとおり回転力が粘着力を上回ると発生する
のであるが、粘着力が回転力を下回る場合も同様である
。

空転が発生するとまず第一に駆動力の円滑な伝達が行わ
れなくなるが、この他動翰踏面の剥離。

軸受けの焼損、レールの疲労・摩滅などの副次的問題も
生じる。そこでなるべく空転しないように駆動制御する
必要がある。そのための最も簡単な対策の一つは、各動
輪があまり大きなトルクを発生せぬよう動輪に連結され
た駆動機を駆動制御する方法である。しかしこの方法で
は車両を牽引するのに十分なトルクを得るのに多数の電
動機ないしは動輪を必要とし、コストの上昇をまねく。

したがって空転を起こさぬ範囲でなるべく大きなトルク
を発生して駆動制御することが望ましい。

ここで従来の制御例を示し、その問題点を指摘する。第
１２図はＰＷＭインバータで誘導電動機を駆動する電気
車における電動機駆動装置の一般的構成を示す制御ブロ
ック図である。図示のように電流制御ループを構成し、
電流指令を与えて電動機のトルクを制御して電気車の駆
動力を制御する。

図中、１は電流指令に基づき電流パターン（実際の電流
指令）を発生する電流パターン発生器、２は電流パター
ンと検出した実際の電動機電流を用い適当な制御論理に
基づいてすべり周波数指令を出力する電流制御器、３は
電動機回転周波数にすベリ周波数指令を加算してインバ
ータ周波数指令を作る加算器、４はすべり周波数指令に
基づきＶ／Ｆ一定制御をするＶ／Ｆ一定制御器、５はＶ
／Ｆ一定制御器の出力である電圧指令に基づきＰＷＭパ
ルスを発生するＰＷＭパルス発生器、６はＰＷＭ制御電
圧形インバータ、７は誘導電動機、８は電流検出器で検
出した電流は電流制御部２ヘフイードバツクされる。９
は速度検出器で、検出した速度は本例ではインバータ周
波数指令を作る加算器３へ送られる。１０は空転／滑走
検出器で、その検出信号は、電流パターン発生器１へ送
られる。

この電動機制御系で電気車を駆動制御する場合、空転・
滑走を起こさなければ何等問題はない。ここでは空転・
滑走を起こした後、動輪を再粘着させる制御（再粘着制
御）をする場合を例として説明する。

この例では、電流制御系を構成しているが、電流制御に
関する速度のフィードバックがない。

（速度検出器９の出力信号が加算器３へ送られているが
、これはインバータ周波数を作るためのもので、電流制
御には関係がない。）空転、滑走が生じた場合、それは
速度の急上昇あるいは急減少として現れる。速度フィー
ドバックのないこの系では、何等かの方法で空転を検出
すると１例えば予め定めた電流変化率で電流を絞る。

（発明が解決しようとする課題） 上記の従来例では、速度フィードバックがないので、空
転の程度によって絞り具合いを調節することが出来ない
という問題点がある。

また、この例に限ったことではないが、１０の空転／滑
走検出器では、電動機の加速度を監視し、この加速度が
予め定めておいた値（以下本明細書では空転検出加速度
と称する）を上回ったら空転と判定し、別に定めておい
た値（以下本明細書では再粘着検出加速度と称する）を
下回ったら再粘着と判定することが多い。この方法の最
大の欠点は、速度の微分信号である加速度を用いる点に
ある。周知のとおり、一般に微分信号は雑音に弱い。

このため、まず第一に、空転および再粘着の誤判定を起
こしやすい。誤判定を起こすと、再粘着のための制御が
適正に作動せず、空転期間が長くなったり、更には再粘
着さへしなくなるなどの問題が生じる。

誤判定対策として、空転検出加速度および再粘着検出加
速度にある程度の余裕をもたせることがよく行われる０
例えば、空転判定加速度を正常走行加速度の２倍くらい
に取り、この設定で空転を検出したら実際の電流指令を
一定の傾斜で減少させ、再粘着加速度を正常走行加速度
より若干太きめにし、この設定で再粘着と判定してから
も一定の期間実際の電流指令を再粘着と判定した時点の
値に固定する方法がある。この方法によると、余裕を持
たせた分だけ再粘着制御の起動、つまり電流を絞る動作
の起動が遅れ、また本当に再粘着したとしても上記の一
定期間が経過するまでは再加速に移れず、速度の回復が
遅れるなどの問題がある。

また、空転判定において、検出した加速度が空転検出加
速度を単に越えただけでなく一定時間（例えば０．５秒
）以上越えている場合を空転として、誤判定を防ぐ方法
もある。この方法では、真の空転が発生しても、電流の
絞りが遅れるので空転の成長が続き、再粘着しづらくな
るという問題点がある。

更には、速度を監視しておらず、加速度に頼っているた
め、特に再粘着の判定では正しい判定が必ずしも期待で
きないという問題点がある。そのため上記のように、再
粘着と判定した後も、一定の期間、実際の電流指令を再
粘着と判定した時点の値に固定する方法がとられたりす
るのだが、この一定の期間をどれほどにするのかの選択
基準はなく、またこの期間内に再粘着する保証はどこに
もない。

本発明は従来技術における上述の如き問題点を除去し、
空転／滑走の判定を必要とせず、かつ空転・滑走の程度
に応じた制御動作をすることのできる電気車の制御装置
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、以下の構成にて電
気車の駆動制御を行う電気車の駆動制御装置である。

電気車の駆動制御において、電流指令を発生する電流パ
ターン発生器と、該電流パターン発生器の出力である電
流指令と電動機電流検出信号から電動機電流を制御する
手段を有し、駆動力を加えられる動輪の速度を検出する
手段と、車体速度を検出する手段と、該両速度の偏差を
検出する手段と、該偏差を元にして、電流指令変化率補
正信号を算定する手段を有し、前記電流パターン発生器
内に於いて電流指令である電流パターンを発生する際の
電流指令変化率を前記変化率補正信号を用いて補正する
ことを特徴とする。

（作用） 上記の１本発明による電気車の駆動制御装置では、動輪
の速度をフィードバックして車体速度との偏差を制御に
用いる。これにより回転数の偏差、即ち空転・滑走量に
応じた再粘着制御ができる。

このフィードバック・ループは常時作動しているので、
空転／再粘着の判定を必要としない。よって、空転・再
粘着などの検出に伴う誤動作や制御の遅れなど、（発明
が解決しようとする課題）の項で指摘した従来技術の難
点を除去できる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる電気車の駆動制
御装置のブロック図である。同図において第１２図と同
一の構成要素には同一の記号を付し説明を省略する。

本実施例では、車体速度として従軸速度を用いている。

第１図で、１１は従軸、１２は従軸速度検出器である。

従軸速度検出器１２で検出した従軸速度と、速度検出器
９で検出した電動機速度を係数器９４でギヤ比、動輪半
径等を考慮して動輪速度に換算して、電流指令変化率補
正器１３ヘフイードバツクする。第２図は電流指令変化
率補正器１３の機能を示すブロック図である。ここでは
、上記の従軸速度と動輪速度との偏差を減算器１３１で
算出し、比例・積分要素１３２を通して電流指令変化率
補正信号を生成する。この電流指令変化率補正信号を電
流パターン発生器１ヘフイードバツクして、電流制御器
２への指令値を算定する。第３図は電流パターン発生器
の構成例を示すブロック図である。

図中、１０１は電流変化率選択器で、この例では加速時
のように電流を増加させるときは４　Ａ　／　１０ｍ５
　。

電流を一定に保つときはＯＡ　／　１０ｍ５、減速時の
ように電流を減少させるときは−４Ａ　／　１０ｍ５を
選択する。積分器１０２は、電流変化率補正信号が０で
あったとき、つまり電流変化率選択器１０１が選択した
一定の電流変化率がそのまま入力されたとき、この一定
の電流変化率を傾きとして単調に増加・一定ないしは減
少する信号を発生する。リミッタ１０３は単調に増加な
いしは減少する積分器１０２の信号に上限ないしは下限
を設定する働きをするもので、この例では、電流指定は
実はこの電流の上限ないしは下限、換言すれば電流パタ
ーンの目標値を与えている。図示してはいないが、この
リミッタが作動したときは、積分器のい力ゆるワインド
アップ現象を防止するため、積分禁止をするなどの対策
を施すことは言を待たない。第４図は上記の動作を説明
するための、電流パターン発生器の出力信号、即ち電流
パターンの一例である。尚、ここまでの動作は第１２図
に示した従来例に於ける電流パターン発生器の動作と同
一である。本発明では、上記の機能を有する電流パター
ン発生器内に減算器１０４を設け、電流変化率補正信号
をフィードバックする。

上記の構成の制御装置の作用を空転が発生した場合を例
に取り説明する。空転が発生すると、動輪の速度が急上
昇する。従軸は空転しないので、両者の間に偏差が生じ
る。この偏差は空転の大きさを表すもので、この偏差に
比例係数を乗じて電流指令変化率から差し引けば、空転
の大きさに応じて電流絞り動作が実現できる。この偏差
を積分したものは、空転量だけでなく空転継続時間をも
考゛慮した値となり、微小空転で比例動作だけでは絞り
量が小さい時効果がある。

ここで、空転・滑走現象について若干説明を加える。粘
着現象の物理的解明は現在でも不充分であるが、実験に
よれば、粘着特性は例えば第５図に示したように得られ
る。図中、横軸はクリープ速度である。これは車輪周速
と車両速度の差として定義されるものである。この図は
まず粘着係数μがクリープ速度の関数として最大値を取
ることを示しているにれは同図で粘着係数μが最大値を
取る点の左側では走行が安定であるが、右側ではクリー
プが増大するにつれ粘着係数μが減少するので車輪が暴
走して走行が不安定になることを意味する。厳密にはこ
の状態が空転あるいは滑走と定義されるものである。こ
れに対し最大値の点の左側でも実は車軸がわずかに滑っ
ているのであるが、このすベリをクリープと呼び空転と
は区別する。尚、以上の説明において、車輪周速と車両
速度の差と、車輪速度との比率をクリープ率と称し、ク
リープ速度の代わりに用いる考え方もある。

何れがよいかについては、今のところ定説がない。

さて、このように空転・滑走を生じていない健全な走行
においても、動輪速度と車体速度との間には僅かながら
も偏差がある。この偏差は、電流指令変化率補正器１３
に積分要素が存在すると蓄積され、健全走行時でもある
程度以上の大きさの不必要な電流指令変化率補正信号を
生成し、健全時の運転を阻害する恐れがある。これを防
ぐには、積分要素の積分量に、一定周期で忘却係数（１
以下の正の係数）を乗じるのが１つの方法である。

この忘却係数は運転状態に応じて可変とすることを妨げ
ない。また、１に等−しい値、つまり忘却係数としては
機能しないことがあっても、運転上問題がなければ差し
支えない。忘却係数を乗じるかわりに、忘却量を一定周
期で差し引いてもよい。

但し、忘却量を差し引くことで積分量の正負が反転する
ときは、積分量を０とするなどの対策が必要である。こ
の忘却量は運転状態に応じて可変とすることを妨げない
、また、Ｏに等しい値、つまり忘却量としては機能しな
いことがあっても、運転上問題がなければ差し支えない
。

空転した後、再粘着したとき、電流指令変化率補正器１
３に積分要素が存在すると、空転中の速度偏差に比例し
た量が積分器に蓄積され、やはり再粘着後の健全走行を
阻害する恐れがある。これを防ぐには、上記の忘却係数
または忘却量を用いる方法が効果がある。再粘着を検知
して、積分量をＯとする方法でもよいが、この方法では
再粘着を検知する何らかの手段が必要となることをっけ
加えておく。

以上に記した電流指令変化率補正器１３の積分要素に係
わる忘却係数ないしは忘却量を用いる対策は、以後、本
明細書に記す他のすべての実施例にも当てはまることを
記しておく。

第６図は本発明の第２の実施例に係わる電気車の駆動制
御装置のブロック図である。同図において第１図と同一
の構成要素には同一の記号を付し説明を省略する。

本実施例は第１の実施例の変形例である。本実施例では
、従軸速度を係数器１１１でギヤ比、動輪半径等を考慮
して電動機速度に換算し、インバータ指令周波数の元と
なる加算器３へ戻される信号として用いている。この構
成にすると、全部の動輪が空転したときでも、インバー
タ周波数が動輪速度と共に増大することがな（、誘導電
動機のいわゆる分巻特性により空転の成長を最小限にと
どめる効果があり、本発明による再粘着特性が向上する
。

第７図は本発明の第３の実施例に係わる電気車の駆動制
御装置のブロック図である。同図において第１図と同一
の構成要素には同一の記号を付し説明を省略する。

この実施例は、１台のＰＷＭインバータが複数台（本実
施例では４台）の電動機を駆動している場合である。第
７図で、７１．７２．７３はそれぞれ誘導電動機、９１
．９２．９３は各電動機にそれぞれ取り付けられた速度
検出器である。本実施例では、本発明と直接関係ないが
、インバータ指令周波数の元となる加算器３へ戻される
信号として、カ行時は４台の電動機速度の内最小の値、
制動時は４台の電動機速度の内最大の値を選択回路１４
で選択して戻すようにしている。

さて、本実施例でも、各速度検出器で検出された電動機
速度は、係数器９４．９５．９６．９７でギヤ比、動輪
半径等を考慮してそれぞれ動輪速度に換算される。電流
指令変化率補正器１３では、第８図に示したように、最
大／最小値検出回路１３３で、カ行及び定速走行時は４
つの動輪速度の最大値、制動時は４つの動輪速度の最小
値を検出し、減算器１３１で従軸速度との偏差を取って
いる。

この構成にすると、カ行時および定速走行時に発生する
空転においては、空転した動輪の速度が最大値となり、
制動時に発生する滑走においては、滑走した動輪の速度
が最小値となるので、これ等を選択してフィードバック
量として用いることで、第１の実施例と同じ効果が得ら
れる。

第９図は本発明の第４の実施例に係わる電気車の駆動制
御装置のブロック図である。同図において第６図と同一
の構成要素には同一の記号を付し説明を省略する。

本実施例は第３の実施例の変形例である。本実施例では
、従軸速度を係数器１１１でギヤ比、動輪半径等を考慮
して電動機速度に換算し、インバータ指令周波数の元ど
なる加算器３へ戻される信号として用いている。この方
法による効果は、第２の実施例と同一であるので、ここ
では言及しない。

第７図は本発明の第５の実施例に係わる電気車の駆動制
御装置のブロック図である。本実施例の全体構成は第３
の実施例と変わりはない。１台の電源で複数台の電動機
を駆動する場合は、空転した動輪の数が多くなれば当然
電流の絞りを強くする必要がある。本実施例は、この点
を考慮したものである。

さて、本実施例でも、各速度検出器で検出された電動機
速度は、係数器９４．９５．９６．９７でギヤ比、動輪
半径等を考慮してそれそぞれ動輪速度に換算される。電
流指令変化率補正器１３では、第１０図に示したように
、加算器１３５で４つの動輪速度の総和を計算し、係数
器１３６で従軸速度に電動機台数、つまり動輪数（本実
施例では４）を乗じる。加算器１３５と係数器１３６の
出力信号を減算器１３１で算出し、比例・積分要素１３
２を通して電流指令変化率補正信号を生成する。

上記の構成としたときの効果を以下に説明する。

簡単のため空転・滑走が生じていない健全走行時では、
従軸速度Ｎと４つの各動輪速度Ｎ工（ｉ＝１〜４）は等
しいものとする。すなわち、Ｎ　＝Ｎｉ　（１＝　１〜
４）　　　　　■ここで、空転が発生したとして、空転
による各動輪速度の増加量をそれぞれδＮよ（ｉ＝１〜
４）とする。空転していない動輪の速度増加量δＮｉは
Ｏである。

このとき、各動輪速度は下式であられせる。

Ｎ、＝Ｎ＋δＮ１（ｉ＝１〜４）　　　■ここで軸輪速
度に電動機台数、つまり動輪数を乗じた量と４つの動輪
速度の総和との偏差ΔＮを求めると、 ΔＮ＝芥（Ｎ＋δＮ、）　−４Ｎ となる。以上から明らかなように、このようにすると、
空転量の総和が得られるので、複数の動輪が空転したと
き、その数を考慮した電流指令変化率補正信号が得られ
る効果がある。

第９図は本発明の第６の実施例に係わる電気車の駆動制
御装置のブロック図である。本実施例の全体構成は第４
の実施例と変わりはない。

本実施例は第５の実施例の変形例であり、前記第２の実
施例と同じく、軸輪速度を係数器１１１でギヤ比、動輪
半径等を考慮して電動機速度に換算し、インバータ指令
周波数の元となる、加算器３へ戻される信号として用い
ている。この方法による効果は、第２の実施例と同一で
あるので、ここでは言及しない。

第１１図は本発明の第７の実施例に係わる電気車の駆動
制御装置のブロック図である。同図において第１図と同
一の構成要素には同一の記号を付し説明を省略する。本
実施例の構成は、車体速度として従軸速度を用いる代わ
りに、車体推定速度を用いる点を除き、第１の実施例と
変わりはない。

車体推定速度は車体速度推定器１６で推定する。この推
定方法としては様々な方法があるが、実用に供し得る方
法であればいかなる方法でもよい。例えば、車体に加速
度計を設置し、得られた加速度信号を積分すれば、車体
推定速度が算定できる。

本実施例の作用と効果は、車体の実際の速度の代わりに
その推定速度を用いる点を除き、第１の実施例と同一で
あるのでここでは言及しない。本実施例の方法、即ち車
体の実際の速度の代わりにその推定速度を用いる方法は
、第１の実施例ばかりでなく、既述の第２から第６の実
施例のいずれにも適用可能であることは言を待たない。

尚、本発明においては、電流パターン発生器に加えられ
る信号としては、トルク指令として与えられる電流値で
あってもよい。電流指令の代わりにトルク指令を与えて
もよく、この場合、電流パターン発生器はトルクパター
ン発生器になる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、空転／′ａ走
の判定を必要とせず、かつ空転・滑走の程度に応じた制
御動作をすることのできる電気車の制御装置を提供する
ことを目的とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図
、第２図は電流指令変化率補正器１３の機能を示すブロ
ック図、第３図は電流パターン発生器の構成例を示すブ
ロック図、第４図は電流パターンの一例、第５図はレー
ルと車輪間の粘着特性を示す一般的な例、第６図は本発
明の第２の実施例の構成を示すブロック図、第７図は本
発明の第３および第５の実施例の構成を示すブロック図
。 第８図は本発明の第３及び第４の実施例の電流指令変化
率補正器１３の機能を示すブロック図、第９図は本発明
の第４および第６の実施例の構成を示すブロック図、第
１０図は本発明の第５及び第６の実施例の電流指令変化
率補正器１３の機能を示すブロック図、第１１図は本発
明の第７の実施例に係わる電気車の駆動制御装置のブロ
ック図、第１２図は従来例の構成を示すブロック図であ
る。 １・・電流パターン発生器、２・・・電流制御器、３・
・・加算器、　　　４・・・Ｖ／Ｆ一定制御器、５・・
・ＰＷＭパルス発生器。 ６・・・ＰＷＭ制御電圧形インバータ、７．７１，７２
，７．３・・・誘導電動機、　８・・・電流検出器、９
．９１，９２．９３・・・速度検出器、９４．９５，９
６．９７・・・係数器、１０・・・空転／滑走検出器、
１０１・・・電流変化率選択器、　１０２・・・積分器
、１０３・・・リミッタ、　１１・・・軸輪、　１１１
・・・係数器、１２・・・従軸速度検出器、 １３・・・電流指令変化率補正器、１０４，１３１・・
・減算器、１３２・・・比例・積分要素、 １３３・・・最大／最小値検出回路、 １３５・・・加算器、 １３６・・・係数器、 １６・・・車体速度推定器。 １４・・・選択回路、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　電気車の駆動制御において、電流指令を発生する電
   流パターン発生器と、該電流パターン発生器の出力であ
   る電流指令と電動機電流検出信号から電動機電流を制御
   する手段を有し、 駆動力を加えられる動輪の速度を検出する手段と、車体
   速度を検出する手段と、該両速度の偏差を検出する手段
   と、該偏差を元にして、電流指令変化率補正信号を算定
   する手段を有し、前記電流パターン発生器内に於いて電
   流指令である電流パターンを発生する際の電流指令変化
   率を前記変化率補正信号を用いて補正すること を特徴とする電気車の駆動制御装置。 ２　車体速度推定器を有し、実際の車体速度の代わりに
   、車体推定速度を用いることを特徴とする、特許請求の
   範囲第１項記載の電気車の駆動制御装置。