JPH0315207A

JPH0315207A - 直流モータシステム

Info

Publication number: JPH0315207A
Application number: JP1146818A
Authority: JP
Inventors: Hideo Sakamoto; 英雄坂本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1989-06-12
Publication date: 1991-01-23

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】〔産業上の利用分野〕本発明は直流モータにより鉄道車両を駈動する直流モー
タシステムに関する。

〔従来の技術〕

従来、鉄道車両を駆動する直流モータシステムでは、直
流電圧発生装置の節減、粘着特性の改善、あるいは，直
流モータの端子電圧と電源電圧との適合を図るため、複
数の直流モータを直列に、あるいは、並列に直流電圧発
生装置に接続して使用することが多い．第２図は直巻の
直流モータを直列に直流電圧発生装置であるチョッパ装
置に接続した例である。第３図は複巻の直流モータを並
列に直流電圧発生装置である整流装置に接続した例であ
る．今、第２図に示される直流モータシステムの開ループ利
得を考えてみる．制御装置の利得をＧＣ、直流電圧発生
装置の利得をＧｓ　、直流モータ回路の利得をＧＬとす
ると、この直流モータシステムの開ループ利得Ｇｏｐは
、ＧＯＰ：ＧＣＸＧＳＸＧＬ　　　　　　　　−（１）直
流モーター台のインピダンスを２ム、直流モータより見
た直流電圧発生装置のインピダンスをＺｓ　、回路に挿
入されている直流モータの数をｎとすると、直流電圧発
生器の出力電圧に対する直流モータに流れる電流の割合
、すなねち、直流モータ回路の利得ＧＬは、１従って、直流モータシステムの開ループ利得Ｇｏｐは、１Ｇｏｐ＝ＧｃＸＧｓＸ・・（３）ＺＯ＋　ｎ　Ｘ　ＺＬつまり、直流モータを直列に接続した直流モータシステ
ムの開ループ利得は回路に挿入される直流モータの個数
ｎによって変化する。

次に、第３図に示される直流モータシステムの開ループ
利得は、直流モータの直列接続と同じに（１）式で表わ
される。

直流モーター台のインピダンスをＺＬ　．直流電圧発生
装置のインビダンスをＺｓ　．回路に挿入されている直
流モータの数をｎとすると、直流電圧発生器の出力電圧
に対する直流モータに流れる電流の割合，すなわち、直
流モータ回路の利得Ｇしは次式で表わされる．１ＧＬ＝　　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）ｎ
ＸＺｏ＋ＺＬ従って、直流モータシステムの開ループ利得Ｇａｐは、１Ｇｏｐ＝　ＧｃＸ　ＧｓＸ　　　　　　　　　　　　　
−（５）ｎ　　Ｘ　ＺＯ＋　ＺＬつまり、直流モータを並列に接続した直流モータシステ
ムの開ループ利得は回路に挿入される直流モータの個数
ｎによって変化する。

この様に、直列、あるいは，並列に接続した直流モータ
システムの開ループ利得は回路に挿入する直流モータの
個数に依存して変化する。

一般に、直流モータシステムにおいて、早い応答を得る
ため前述の開ループ利得の交差周波数をできるだけ高く
するのが望ましい。交差周波数を高くするためには、開
ループ利得を大きくすればよく、この調節は制御装置の
利得Ｇｃを調節することにより達戒される。

しかし、制御装置、直流電圧発生装置の遅れのため、応
答が振動的になり、ついには振動してしまう。このため
、応答が振動的にならない範囲で制御装置の利得を大き
く設定する必要がある。

ところで、鉄道車両を鹿動する直流モータシステムでは
直流モータのせん絡等によって特定の直流モータが使用
不能に陥っても、その直流モータのみを回路より切り放
して運転する場合が多い。

回路に挿入される直流モータの個数が変化するので，直
流モータ回路の利得も変化する。直流モ一夕が直列接続
される場合でも、並列接続する場合でも、回路より切り
放される直流モータの個数が増すほど、直流モータ回路
の利得が大きくなる。

従って、固定の利得をもつ制御装置の利得を設定するに
は、直流モータ回路の利得が最大となる場合、すなわち
、最多個数の直流モータが回路より切り放された運転状
態を想定する必要があった。

なお，この種の装置は特開昭４９　−　９３８２３号公
報に開示されているが、回路に挿入される直流モータの
個数により直流モータ回路の利得が変化することは言及
されていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、直流モータ回路の利得が回路に挿入さ
れる直流モータの個数に依存して変化することを考慮し
ておらず、直流モータ回路の利得が最小となる場合、す
なわち、所定の直流モータがすべて回路に挿入される通
常運転の場合に，直流モータシステムの開ループ利得が
下がってその交さ周波数が下がり、応答が遅くなるとい
う問題があった。

本発明の目的は回路に挿入される直流モータの個数に依
存しないで、常に、早い応答の得られる直流モータシス
テムを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は回路より切り放さ
れる直流モータの個数を制御装置に入力したものである
。

〔作用〕

制御装置は回路より切り放される直流モータの個数によ
り直流モータシステムの開ループ利得を補償する様に制
御装置の利得を変化させる，具体的には、第２図に示さ
れる直列に接続された直流モータシステムの場合、（３
）式において、回路に挿入される直流モータの個数ｎに
よって開ループ利得Ｇｏｐが変化しない様に、制御装置
の利得Ｇｃを変化させる。

つまり、制御装置の利得Ｇｃは回路に挿入される直流モ
ータの個数ｎによって次式の様に設定される。

Ｇｃ＝　ｋ　　Ｘ　　（　Ｚｏ＋　ｎ　　Ｘ　　Ｚｉ．
）　　　　　　　　　−（６）ここで．ｋは定数である
。

（６）式で表わされる利得をもつ制御装置を含む直流モ
ータシステムの開ループ利得は、■ ＝＝ｋＸＧｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（７）この開ループ利得Ｇｏｐは回路に挿入される
直流モータの個数ｎに依存せず一定となっている。

ここで、直流モータシステムの応答が振動的とならない
範囲で定数ｋを大きく設定すれば，個数ｎに依らず、交
さ周波数が高く、応答を早く保つことが可能となる。

また、第３図に示される並列に接続された直流モータシ
ステムの場合でも、同様な結論となり、制御装置の利得
Ｇｃを（８）式の様に設定すると、（９）式に示すよう
に開ループ利得を回路に挿入される直流モータの個数ｎ
に依らず一定とすることができる。

Ｇｃ＝ｋ×（ｎｘｚｏ＋ｚＬ）　　　　　　・・・（８
）Ｇｏｐ＝　ｋ　Ｘ　（ｎ　Ｘ　ＺＯ＋ＺＬ）　Ｘ　Ｇ
ＳＸｎ　Ｘ　ＺＯ＋　ＺＬ＝　ｋ　Ｘ　Ｇｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・（９）（６）式、および（８）式とも簡単のた
め次式の様に表わせる。

Ｇｃ＝　Ｋｏ＋　ｎ　Ｘ　Ｋｌ　　　　　　　　”・（
１０）ここでＫＯ、およびＫＬは定数である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

制御装置１はゲート信号１０をチョッパ装置２ａに出力
する。チョツバ装１ｉ２ａはゲート信号１０に従って直
流モータ回路に直流電圧を印加する。この直流モータ回
路は三つの直巻モータとそれぞれの七ータを回路より切
り放すスイッチ群の直列接続されたものである。一つの
直巻モータは電機子３ａと界磁３ｂの直列接続されたも
のである。スイッチ群はスイッチ４ａとスイッチ４ｂと
スイッチ４Ｃから或り、スイッチ４ａとスイッチ４ｂと
スイッチ４ｃは連動している。スイッチ４ａとスイッチ
４ｂは一つの直巻モータの両端にあって，直巻モータを
一つずつモータ回路より切放すことができる．一方、ス
イッチ４ｃは制御装置１にモータ切り放し信号４０を出
力する。直流変流器５はモータ回路に流れる電流の帰還
信号５０を制御装置１に出力する。制御装置１は帰還信
号５０が所定の値となるように，ゲート信号１０を制御
する。

制御装置１は目標値設定器１ａと反転増幅器と偏差増幅
器と位相器１ｐとから成っている。反転増幅器は抵抗１
ｂと抵抗１ｃと演算増幅器１ｄより或っており、目標値
設定器１ａの出力の極性を反転させて、偏差増幅器に出
力する。偏差増幅器は抵抗１ｅと，抵抗１ｆと，抵抗１
ｇと、コンデンサ１ｈと、三つの抵抗１１と，三つの抵
抗１ｊと、三つの抵抗１ｋと三つのコンデンサ１Ｑと、
三つのリレー１ｍと、コンデンサ１ｎと、演算増幅器１
ｏとから戒っている。一つの抵抗１１と，一つの抵抗ｌ
ｊと、一つの抵抗１ｋと、一つのコンデンサ１氾は一つ
のリレー１ｍの接点で演算増幅器１ｏの入力回路から切
放される様になっている。反転増幅器の出力は抵抗１ｅ
、および、抵抗１１を介して演算増幅器１ａに入力され
る。一方、帰還信号５０は、抵抗１ｆと抵抗１ｇとコン
デンサ１ｈと抵抗ｌｊと抵抗１ｋとコンデンサ１党とを
介して演算増幅器１ａに入力される。演算増幅器１０の
出力はコンデンサ１ｎを介して演算増幅器↓０に入力さ
れる。偏差増幅器は基本的には入力を積分して出力する
積分器である。但し、偏差増幅器の出力の極性は入力の
積分値の極性が反転したものとなる。従って、偏差増幅
器の出力は目標値設定器１ａの出力と帰還信号５０が等
しくなる様に増減する。偏差増幅器の出力は位相器１ｐ
に接続される。位相器１ｐは偏差増幅器の出力に応じた
ゲート信号１０をチョッパ装［２ａに出力する．この様にして、直巻モータに流れる電流は目標値設定器
１ａの出力に応じて積分制御される。この積分制御のル
ープにおいて、抵抗１ｇとコンデンサｌｈの直列接続し
たもの、および、抵抗１ｋとコンデンサ１１２の直列接
続したものは、積分制御における進み補償回路となって
いる。

さて、制御装置の利得を偏差増幅器の利得で調節する。

偏差増幅器の利得をＧｏ．位相器１ｐの利得をＧｐとす
ると制御装置ｌの利得ＧＣは、Ｇｃ＝ＧｏＸＯｐ　　　
　　　　　　　−（１１）位相器１ｐの利得Ｇｐは一定
とする。

抵抗１ｆと抵抗１ｇとコンデンサｌｈとで作られる合成
コンダクタンスをＹｏ　．抵抗１ｊと抵抗１ｋとコンデ
ンサＩＱとで作られる合成コンダクタンス２をＹｌ、コ
ンデンサ１ｎのコンダクタンスをＹ１、リレー１ｍの釈
放されている数をｎとすると、偏差増幅器の利得Ｇｏは
、よって、制御装置１の利得Ｇｃは，Ｙ　ｔ　　　　　　　　　　　Ｙ　ｉまた、リレー１ｍは直巻モータが回路より切り放される
と励磁されるので、ｎは回路に挿入されている直巻モー
タの個数である．（１３）式は回路に挿入される直巻モータの個数ｎに関
して（１０）式と同じ形式であるので、個数ｎによらず
本直流モータシステムの開ループ利得を一定とすること
ができる。

本実施例によれば、回路に挿入される直流モータの個数
ｎによらない開ループ利得が得られるので．直流モータ
システムを、常に，早い応答に設定することができる。

第４図は本発明の他の実施例を示す。第１図と異なるの
は，以下の点である。すなわち、直流モータ回路を直巻
モータの並列接続としたこと、三つの直流変流器５は三
つの直巻モータに流れる個別の電流の帰還信号５０を制
御装ｔｉｌｌに出力していること、制御装置１では最大
値優先回路１ｑが三つの帰還信号５０の最大値を偏差増
幅器に出力していること、直流電圧発生装置として整流
装置２ｂを用いたことである。

第５図は本発明の更に他の実施例を示すものである。第
４図と異なる点は以下の点である。すなわち、制御装置
工を中央処理装Ｗ１ｒとメモリ部１ｓとゲート出力部ｉ
ｔとアナログ入力部１ｕとデジタル入力部１ｖとそれ等
を結ぶコンピュータバス１ｗから成るマイクロコンピュ
ータで構成したことである。ゲート出力部ｉｔは中央処
理装置１ｒの指示に応じたゲート信号１０を整流器２ｂ
に出力する。アナログ入力部１ｕは帰還信号５ｏをアナ
ログ・デジタル変換し、中央処理装置１ｒは変換結果を
アナログ入力部１ｕより読み出す。

また、中央処理装置１ｒはデジタル入力部１ｖを介して
回路に挿入されている直巻モータの個数を読み出す。メ
モリ部ｉｇは中央処理装置１ｒのプログラムを格納する
他、後述するデータを格納する。

中央処理装置１ｒは第６図に示す処理を電源に同期して
繰り返して行なう。ブロック６ａで直巻モータに流れる
電流の帰還信号をアナログ入力部１ｕより読み込む。続
いてブロック６ｂで帰還信号の最大値を選択してＦｎと
してメモリ部ｉｓに、一時、格納する。モータの切り放
し信号をデジタル入力部１ｖより読み込む。続いてブロ
ック６ｄでモータの切り放し信号より、現在回路に挿入
されているモータの個数を算出してＭＮとしてメモリ部
１Ｓに一時格納する。ブロック６ｅで次式の計算を行な
う。

ＫＩ＝ＫＩ　φ＋ＭＮＸＫＩｔ　　　　　−（１４）Ｋ
Ｐ＝ＫＰφ＋Ｍ　Ｎ　Ｘ　Ｋ　Ｐ　ｌ　　　　　・・・
（１５）ここで、ＫＩは積分制御における積分係数，Ｋ
ｐは進み補償係数、ＫＩφとＫ　Ｉ　ｌとＫＰφとＫ　
Ｐ　１は定数である。定数Ｋｌφと定数ＫＰφは（１０
）式における定数Ｋφに，定数Ｋ　Ｉ　１と定数Ｋ　Ｐ
　１は（１０）式における定数Ｋ１に相当している。

ブロック６ｆで次式の計算を行なう．ＯＩ１＝Ｏｎ−ｌ＋　Ｋ　Ｉ　Ｘ（Ｐ　−　Ｆ−）　＋
　ＫＰ　Ｘ（ＦＩｌ−ｚ　　Ｆｎ）・・・（ｌ６）ここで，００はＯｔ　，・・・，ＯＬ１の電源の周期に
一致した時系列順のデータ列、Ｐは目標値に相当する定
数、ＦはＦｔ，・・・，Ｆｎの電源の周期に一致した時
系列順のデータ列である．　（１６）式の計算が偏差増
幅器の機能に一致している。ブロック６ｇでブロック６
ｆの計算結果Ｏ０をゲート出力部１ｔに書込む。ブロッ
ク６ｈでＯｎをＯｎ−１として，ＦｎをＦｎ−１として
メモリ部１ｓに格納し，次の周期の処理に備える．以上のアルゴリズムで動作する制御装置の利得ＧＣは、ＴＳここで，Ｔは処理の周期を示す定数、Ｓは微分演算子で
ある．　（１７）式に（１４）式と（１５）式を代入す
ると、・・（ｌ８）ここで．ＭＮは回路に挿入されている直巻モータ数であ
るので、（１０）式におけるｎに等しい。

（１８）式は回路に挿入されている直巻モータの個数ｎ
に関して（ＩＯ）式と同じ形式であるので、個数ｎに依
らず直流モータシステムの開ループ利得を一定とするこ
とができる。

第７図は本発明の更に他の実施例を示す。第６図と異な
る点は以下の点である。直流モータとして電機子３ａと
直巻界磁３ｂと分巻界磁３ｃとから成る複巻モータを用
いたことである６！１流装置２ｃは制御装置１のゲート
信号１０ａに応じた直流電圧を直列接続された分巻界磁
３ｃに印加する。

直流変流器５ａは分巻界磁３ｃに流れる電流の帰還信号
５０ａを制御装置１に出力する。制御装置１は帰還信号
５０ａをアナログ入力部１ｕａより取込み、帰還信号５
０ａが所定の大きさとなる様にゲート信号１０ａをゲー
ト出力部１ｔａより整流装１ｆ２ｃに出力する。その際
、スイッチ４ｄにより回路より切り放される分巻界磁３
ｃの切り放し信号４０ａがスイッチ４ｄに連動するスイ
ッチ４ｅから制御装［１に出力される。制御装置１は切
り放し信号４０ａをデジタル人力１ｖａより取込み、前
に述べた実施例の電機子３ａに対する制御と同様に．回
路に挿入される分巻界磁３ｃの個数により制御装Ｉ１の
利得を変化させる．これらの実施例において，ゲインを
切換える場合、前述した交差周波数がほぼ同じになるよ
うにゲインを選定しても良い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、回路に挿入される直流モータの個数に
依らない開ループ利得が得られるので、直流モータシス
テムを、常に、早い応答に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図は本発明の
適用する直流モータシステムの回路図、第３図は本発明
の適用する直流モータシステムの回路図、第４図は本発
明の他の実施例の回路図、第５図は本発明の更に他の実
施例の回路図、第６図は第５図のマイクロコンピュータ
の処理するフローチャート、第７図は本発明の更に他の
実施例の回路図である．１・・・制御装置、２ａ・・・チョッパ装置，３ａ・・
・直流モータの電機子、３ｂ・・・直流モータの界磁、
４ａ・・・スイッチ．４ｃ・・・スイッチ，５・・・直
流変流器、１０・・・ゲート信号、４ｏ・・・モータ切
り放し信号、黍２区＄３口第６口

Claims

【特許請求の範囲】１、複数の直流モータと、前記直流モータの電源たる直
流電圧発生装置と、前記直流モータの帰還信号を受け前
記直流電圧発生装置に出力電圧を指示することにより閉
ループ制御を行なう制御装置と、前記直流モータの内、
特定の直流モータを前記直流電圧発生器から切り放す手
段より成る直流モータシステムにおいて、切り放された前記直流モータの個数を前記制御装置に入
力する手段を設けたことを特徴とする直流モータシステ
ム。２、複数の直流モータと、前記直流モータを制御するチ
ョッパ装置と、前記直流モータに流れる電流を検出する
手段と、その検出電流と指令値との差に応じて所定ゲイ
ンで前記チョッパ装置を駆動する制御装置とを備えた直
流モータシステムにおいて、前記直流モータの個数に応じて前記ゲインを変える手段
を設けたことを特徴とする直流モータシステム。３、前記ゲインは、前記直流モータの個数にかかわらず
、前記直流モータシステムの開ループ特性の交差周波数
がほぼ一定となることを特徴とする請求項２に記載の直
流モータシステム。