JPH0295106A - 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） レール上を運転する車軸に電動機で回転力（トルク）を
与えて動輪とし、この動輪とレールとの間の粘着力によ
り回転力を推進力と、して用いて車両を推進する電気車
においては、回転力が粘着力を上回ると動輪がレール上
を空回りして推進力の伝達が著しく低下する。この現象
が駆動時に発生した場合は「空転」、制動時に発生した
場合は「滑走」とよぶ。以下本文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
で説明を省略する場合がある。

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、この他動輸踏面の剥離、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
なトルクを発生ぜぬよう動輪に連結された電動機を駆動
制御する方法である。しかしこの方法では車輪を牽引す
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
９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）を発生するパターン発生器、２は電流パターン
と検出した実際の銃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べり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■／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、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（以下本明細書では定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。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
り若干大きめにし、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
れるまどの問題がある。

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、電動機への電流指令補正信号を常時算定す
る手段と、該補正信号と電流指令から実際の電流指令を
算定する手段と、該実際の電流指令を、前記電動機電流
を制御する手段の入力とすることを特徴とする。

（作　用） 上記の、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９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、電流指令補正器１
３ヘフイードバツクする。

第２図は電流指令補正器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
電流指令補正信号を生成する。第１図に示したように、
減算器１５でこの電流指令補正信号を実際の電流指令か
ら差し引いたものを実際の電流指令とする。

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から差し引けば、空転の大き
さに比例した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定慮
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十分であるが、実験に
よれば、粘着特性は例えば第３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
速と車輪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。こ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が減少するので車軸
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、このすべり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）を乗じるのが一つの方法である。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
を乗じるがわりに、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。

第４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”く、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と
どめる効果があり、本発明による再粘着特性が向上す１
す る。

第５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
５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１
４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算換される。電流
指令補正器１３では、第６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７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５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。

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。

第５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。

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
指令補正器１３では、第８図に示したように、加算器１
３５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１３２を通して
電流指令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Ｎ１（ｉ＝１〜４）は等
しいものとする。すなわち、Ｎ＝Ｎ工（ｉ＝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□（ｉ＝１〜４）とする。空転
していない動輪の速度増加量δＮ□は０である。

このとき、各動輪速度は下式であられせる。

ＮニーＮ＋δＮ４（ｉ＝１〜４）　　　　　■ここで従
軸速度に電動機台数、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を求ぬると、 ΔＮ＝　Σ　（Ｎ＋δＮよ）−４Ｎ ｉ＝＋ ＝ΣδＮよ＋４Ｎ　−４Ｎ ＝　ΣδＮ１ 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補正信号が得られる効果
がある。

第７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、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。

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
あってもよいし、電流指令の代わりにトルク指令を与え
てもよい。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、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
とができる。

【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図は電流指令補正器１３の機能を示すブロック図
、第３図はレールと車軸間の粘着特性を示す一般的な例
、第４図は本発明の第２の実施例の構成を示すブロック
図、第５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６図は本発明の第３及び第４の実施
例の電流指令補正器１３の機能を示すブロック図、第７
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８図は本発明の第５及び第６の実施例の電流
指令補正器１３の機能を示すブロック図、第９図は従来
例の構成を示すブロック図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　電気車の駆動制御において、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、電動機への電流指令補正信号を
   算定する手段と、該補正信号と電流指令から実際の電流
   指令を算定する手段と、該実際の電流指令を、前記電動
   機電流を制御する手段の入力とすること を特徴とする電気車の駆動制御装置。