JPH11252708A - インバータ制御電気車の空転・滑走制御装置 - Google Patents
インバータ制御電気車の空転・滑走制御装置Info
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- JPH11252708A JPH11252708A JP10053545A JP5354598A JPH11252708A JP H11252708 A JPH11252708 A JP H11252708A JP 10053545 A JP10053545 A JP 10053545A JP 5354598 A JP5354598 A JP 5354598A JP H11252708 A JPH11252708 A JP H11252708A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
Abstract
着状態に応じた適切なトルク絞りパターンを決定し、電
動機のトルクを制御する。電車の加速度を最大限に確保
する。 【解決手段】 インバータにより車輪駆動用の複数台の
誘導電動機を並列に駆動して電気車を運転するインバー
タ制御電気車の空転・滑走制御装置に関する。車輪周速
度と車両速度相当値との差である滑り速度最大値に基づ
いて車輪の空転・滑走を検出し、かつ、滑り速度最大値
と空転・滑走制御補償手段100の出力とに基づいて、
通常制御としての力行・制動制御に対する空転・滑走制
御の付加の要否を判断する手段500と、滑り速度指令
値と滑り速度最小値との差に基づいて誘導電動機に対す
るトルク絞り指令値を求めることにより空転・滑走制御
を行う空転・滑走制御補償手段100とを備える。
Description
により並列駆動される複数の誘導電動機を車輪駆動用電
動機として使用するインバータ制御電気車において、車
輪の空転・滑走時に車輪とレールとの間の粘着状態に応
じた適切なトルク絞りパターンを決定して電動機のトル
クを制御するようにしたインバータ制御電気車の空転・
滑走制御装置に関するものである。
御するインバータ制御電気車の空転・滑走制御には、様
々な方式が提案されている。第1の方式として、特開平
2−151204号公報に記載された方式があり、この
方式は、インバータの電流と電圧とを利用して車輪とレ
ールとの間の接線力を計算し、滑り速度と接線力との変
化に基づくファジー制御を行うものである。第2の方式
として、特開平4−121004号公報に記載された方
式があり、この方式は、各電動機の電流の最大値を制御
するものである。第3の方式として、特開平4−251
502号−公報に記載された方式があり、この方式は、
各電動機の電流を利用してそれぞれの接線力を検出し、
滑り速度と接線力との変化に基づくファジー制御を行う
ものである。更に第4の方式として、特願平9−179
751号に記載する方式があり、この方式は、各電動機
の電流を利用してそれぞれの接線力を計算し、接線力を
探索して滑り速度制御を行うものである。
接線力の計算がエネルギーバランスの観点から行われて
おり、損失エネルギー等の存在により計算誤差はかなり
大きいと考えられる。また、第2の方式では、各電動機
電流の検出のために電流検出器が必要であるとともに、
車輪とレールとの間の粘着状態が考慮されていないた
め、良好な制御性能を期待できるものとは言えない。第
3の方式でも電動機電流の検出が必要であり、また、ト
ータルの接線力が最大になるような制御が行われていな
いといった問題がある。更に、第4の方式では、複数の
電動機を制御する場合に、トータルの接線力が最大にな
ることは保証されていない。
に空転・滑走車輪軸速度と車両速度との差を用い、ファ
ジー制御等によって直接に電動機トルクを操作するもの
であり、そのトルク絞りパターンの決定は困難であっ
た。更に、これらの制御方式では、上述した種々の欠点
のほかに、滑り速度に依存する車輪とレールとの間の粘
着状態は考慮されておらず、最大限に電車の加速度を確
保することができなかった。
に、滑り速度と車輪・レール間の粘着状態との関係に容
易に対応可能な滑り速度制御系を構成し、接線力を最大
限に利用するために最適な滑り速度指令値を探索するよ
うにした。ただし、本発明では、制御装置のハードウェ
ア上の制約(例えば電動機ごとの電流検出器を使用しな
い等)を満たすために、各電動機電流を利用することな
く電動機のトータル電流、すなわちインバータの出力電
流を利用してトータルの接線力を推定し、空転・滑走制
御系はトータルの接線力が常に最大になるように動作さ
せて加速性能を向上させるようにしたインバータ制御電
気車の空転・滑走制御装置を提供しようとするものであ
る。
を対象とした本発明の構成、作用につき説明する。な
お、車輪の滑走時には、滑り速度の向きが空転時と逆に
なるだけであり、本質的には同様に考えることができ
る。まず、電気車1車両において、車輪軸に関する運動
方程式は数式1によって表される。ただし、電動車1車
両に車輪軸は4軸あるものとする。
である。 i:車輪軸番号 Jmi:車輪軸慣性モーメント ωi:車輪軸角速度 τi:車輪軸駆動トルク Fi:車輪・レール間接線力 Rwi:車輪半径
数式2によって表される。
である。 mt:車両質量 vt:車両速度 Fr:車両走行抵抗 FΔ:線路勾配・連結車両等による力
る。なお、ここでは第1車輪軸を例示している。この図
1における各値は次の通りである。 αt:車両加速度 ω'1:第1車輪軸の角加速度 vm1:第1車輪軸の周速度 vs1:第1車輪軸の滑り速度 μ1:第1車輪・レール間の接線力係数 W1:第1車輪軸の軸重 f1( vs1):「滑り速度−接線力係数」特性
f(vs)は、図2に示すように定性的に表現することが
できる。vsが最大値vsmaxをとるとき、接線力係数μ
は最大値μmをとる。
並列に制御される複数の電動機をベクトル制御する場
合、各電動機の角速度の差は大きくならない。各車輪と
レールとの粘着特性がそれぞれ図2の特性に属していれ
ば、最小の滑り速度と各車輪の接線力係数の和との特性
も一般に図2の特性に属することが確認できる。
て、1台のインバータにより2個の誘導電動機が並列運
転され、対応する2つの車輪軸が空転した場合、図3に
示すような接線力探索機能付きの滑り速度制御を利用し
た空転制御系を得ることができる。なお、図3におい
て、100はPI(比例+積分)制御器からなる空転制
御補償手段、201,202は各々1台のインバータと
2台の車両駆動用電動機とを含む電動機トルク制御系、
300は前述した数式1及び数式2によって表される車
両動特性、400は車両速度計算手段である。
転が発生したら自動的に空転制御補償手段100による
空転制御を力行制御に付加し、その後、空転が抑えら
れ、かつ、電動機トルクによる引張力が所要の値になっ
たら自動的に空転制御を解除し、力行制御のみに戻るよ
うに作用する。600は予め定められた引張力特性であ
り、ノッチ指令と車両特性とに応じて電動機のトルク指
令を出力する。700は入力信号(車両動特性300か
ら出力されるvm1,vm2)の最大値を求める最大値検出手
段であり、その出力が空転発生の判断に使用される。8
00は入力信号(vm1,vm2)の最小値を求める最小値検
出手段であり、その出力が滑り速度の計算に使用され
る。900は接線力推定値と滑り速度とに基づいて最適
な滑り速度指令値を探索して出力するロジック(最適滑
り速度探索手段)であり、1000は、インバータの出
力電流と車輪軸の周速度とに基づいてトータルの接線力
を推定し出力するロジック(接線力推定手段)である。
また、1101〜1104は加算手段である。
る。 τ* 0:力行時のトルク指令値(引張力特性600の出
力) Δτ*:絞りトルク指令値(空転制御補償手段100の出
力) τ*:電動機トルク指令値(加算手段1102の出力) τ1:第1の電動機の出力トルク(電動機トルク制御系2
01の出力) τ2:第2の電動機の出力トルク(同上) τ3,τ4:第3、第4の電動機の出力トルク(電動機トル
ク制御系202の出力) vm1:第1の車輪周速度(車両動特性300の出力) vm2:第2の車輪周速度(同上) vm3,vm4:第3、第4の車輪周速度(同上) vm:第1及び第2の車輪軸の車輪周速度の最大値(最大
値検出手段700の出力) vn:第1及び第2の車輪軸の車輪周速度の最小値(最小
値検出手段800の出力) vt:基準速度(各軸の車輪周速度の最小値、全軸空転時
車両速度の推定値;基準速度計算手段400の出力) vs:滑り速度(=vn-vt;加算手段1104の出力) vsr:滑り速度指令値(最適滑り速度探索手段900の
出力) vsm:滑り速度最大値(加算手段1103の出力) Iinv:インバータ電流(電動機トルク制御系201の出
力) F(この本文内では便宜上、記号「^」を省略する):
接線力推定値(接線力推定手段1000の出力
に、PI制御器からなる空転制御補償手段100の演算
により決定される。なお、数式3における各値は次のと
おりである。kp=PI制御器の比例ゲインTi= PI制
御器の積分時間
線力は数式4のように推定することができる。なお、数
式4における各値は次の通りである。 Ts:空転制御ループの制御周期 ωi(k):i番目の車輪軸の現時刻の角速度 ωi(k−1): i番目の車輪軸の一制御周期前の角速
度 τ(k):トータルの電動機トルク k:制御周期の数
より計算することができる。ここで、数式5におけるe
1q,e1dは数式6の通りであり、添字のd,qは誘導電
動機のd軸成分、q軸成分を示す。なお、数式5、数式
6における各値は次の通りである。 i1:インバータ電流 v1:インバータ電圧 e1:電動機の一次電圧演算値 R1:電動機の一次抵抗値 τ*:電動機のトルク指令値
「滑り速度−接線力係数」特性に基づき、下記の基本ル
ールに従って行われる。 (1)IF(vsが増)&(Fが増) THEN vsr
が増 (2)IF(vsが減)&(Fが減) THEN vsr
が増 (3)IF(vsが増)&(Fが減) THEN vsr
が減 (4)IF(vsが減)&(Fが増) THEN vsr
が減
項1記載の発明は、インバータにより車輪駆動用の複数
台の誘導電動機を並列に駆動して電気車を運転するイン
バータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、車輪
周速度と車両速度相当値との差である滑り速度最大値に
基づいて車輪の空転・滑走を検出する手段と、滑り速度
指令値と滑り速度最小値との差に基づいて誘導電動機に
対するトルク絞り指令値を求めることにより空転・滑走
制御を行う空転・滑走制御補償手段と、滑り速度最大値
と前記空転・滑走制御補償手段の出力とに基づいて、通
常制御としての力行・制動制御に対する空転・滑走制御
の付加の要否を判断する手段と、を備えたものである。
ンバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、前
記空転・滑走制御補償手段は、滑り速度指令値と滑り速
度最小値との差に対し比例・積分制御を行ってトルク絞
り指令値を生成し、このトルク絞り指令値をノッチ指令
と車両速度相当値とに基づく通常制御時のトルク指令値
に加算して電動機制御系に対するトルク指令値を得るも
のである。
ンバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、ト
ータルの車輪・レール間の接線力が最大になるように、
滑り速度及び接線力推定値の増減情報を用いて最適な滑
り速度指令値を探索し、前記空転・滑走制御補償手段に
おける制御に用いるものである。
ンバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、ト
ータルの車輪・レール間の接線力を、インバータの電流
・電圧の計測値と、車輪角速度の前回計測値と今回計測
値との差分と、計測周期とを用いて推定することにより
得ると共に、滑り速度指令値を、最適な滑り速度指令値
の探索によって得た滑り速度補正値と前回の滑り速度指
令値とを加算して得るものである。
ンバータ制御電気車の空転・滑走制御装置において、滑
り速度補正値を制限関数とし、滑り速度指令値に上下限
を設けるものである。
態を説明する。まず、図4は、2台のインバータが各々
2台(合計4台)の誘導電動機を駆動する場合の実施形
態を示すブロック図である。図において、1は電気車制
御用の2台のインバータ、21,22及び23,24は
各インバータにより並列的に駆動され、かつ車輪軸に対
応して設けられた車輪駆動用の第1〜第4の誘導電動
機、3は各電動機21〜24にそれぞれ設けられたパル
スジェネレータ(PG)、4は速度演算手段、5はイン
バータ1に対するトルク成分電流指令発生手段、6は加
算手段、7はトルク指令発生手段である。
滑走制御ユニットであり、A12は第1、第2の電動機
21,22に対応する制御ユニット、A34は第3、第
4の電動機に対応する制御ユニットである。ここでは、
一方の制御ユニットA12の内部構成のみを図示してあ
る。この制御ユニットA12において、8は接線力推定
手段、9は最適滑り速度探索手段、10は滑り速度演算
手段、11は空転・滑走制御手段である。なお、12は
インバータ1の電流(電動機21,22のトータル電
流、電動機23,24のトータル電流)を検出する電流
検出手段である。
る。まず、速度演算手段4は、パルスジェネレータ3の
出力信号から各車輪の角速度ωi及び車両速度vtを演算
する。トルク指令発生手段7は、ノッチ指令と車両速度
vtとに応じて通常制御における力行制御時のトルク指
令値τ* 012,τ* 034を出力する。接線力推定手段8は、
前述の数式4〜数式6により接線力推定値F12,F34を
得る。最適滑り速度探索手段9は、接線力推定値F12,
F34及び滑り速度vs12,vs34から最適な滑り速度指令
値vsr12,vsr34を探索して出力する。滑り速度演算手
段10は、車両速度vtとmin(ω1,ω2),min
(ω3,ω4)とから、滑り速度vs12,vs34及び空転発生
の判断に利用するvm12=max(ω 1,ω2),vm34=ma
x(ω3,ω4)を演算し、出力する。
数式7によって行われる。ただし、数式7におけるRwi
は該当車輪の半径である。
りトルク絞り指令値Δτ* 12,Δτ* 3 4を演算して出力す
る。加算手段6は、τ* 12=τ* 012+Δτ* 12、τ* 34=τ*
034+Δτ* 34の演算を行い、トルク成分電流指令発生手
段5に対する最終的なトルク指令値τ* 12,τ* 34を出力
する。そして、電流指令発生手段5は、トルク指令値τ
* 12,τ* 34をトルク成分電流指令値Im * 12,Im * 34に変換
する。
ここでは、第1または第2の車輪軸に空転が発生した場
合を例にとって述べる。車両速度や第1、第2の車輪軸
の滑り速度を計算し、大きい方の滑り速度(滑り速度の
最大値)が予め与えられた空転速度閾値を超えたら、図
3におけるON/OFF判断ブロック500の出力をオ
ンとし、通常制御(力行制御)に空転制御系を付加し
て、滑り速度指令値と小さい方の滑り速度(滑り速度最
小値)との差に対して空転制御補償手段100により計
算した結果をトルク絞り量として電動機トルクを絞る。
滑り速度とを利用して、最大接線力が得られるような最
適な滑り速度を最適滑り速度探索手段900により探索
し、オンラインで滑り速度指令値を変えていく。粘着係
数が回復しなければ、空転制御系が動作を継続し、制御
される車輪は適当な滑り速度を維持する。粘着係数が回
復すれば、空転制御補償手段100の出力であるトルク
絞り量は小さくなり、その後、粘着係数の回復程度に応
じたあるレベルで継続する。もし、そのトルク絞り量の
レベルがある時間帯において所定の小さい値以下になっ
たら、粘着係数はもう完全に回復したと判断し、ON/
OFF判断手段500の出力をオフにして力行制御から
空転制御を切り離す。
をとり、履歴から予想される速度を大きく外れる場合に
は補正する。あるいは、車両速度として付随車の車輪軸
のパルスジェネレータ信号を使用できる場合にはこれを
利用して車両速度の推定値とする。ここでは、各車輪周
速度の最小値を基本とする車両速度及びその推定値を含
めて、車両速度相当値という。
11(図3の空転制御補償手段100)の補償動作を図
5に基づいて説明する。まず、空転制御のON/OFF
を判断する(S1)。通常の力行制御時には空転制御は
オフとなっている。現在、空転制御がオフである場合に
は、滑り速度v sm12と閾値vsdとを比較し(S2)、v
sm12≦vsdならば引き続き空転制御のオフ状態を維持し
てトルク絞り指令値Δτ* 12を0として出力する(S
3)。
てvsm12>vsdならば、空転制御をオンとする(S
4)。このように閾値vsdを設けて滑り速度vsm12との
比較結果に応じて空転制御の要否を決定することによ
り、レールの継ぎ目等での誤信号による空転制御系の誤
動作を防止することができる。同時に、微少滑りによる
トルク低下の頻発を防ぐ効果もある。
り速度指令値vsr12と滑り速度vs1 2とを入力として、
空転制御補償手段100によりトルク補正値Δτ** 12を
求める(S5)。そして、このトルク補正値Δτ** 12の
正負を判断し(S6)、補正値Δτ** 12が正であるとき
には現在の引張力は引張力指令を満足しているので、空
転制御をオフとし、トルク絞り指令値Δτ* 12を0とし
て出力する(S3)。
** 12が負である時には、その絶対値とトルク絞り量の最
大値Δτmaxとを比較し(S8)、補正値Δτ** 12の絶
対値が最大値Δτmaxよりも小さいときには、トルク絞
り指令値Δτ* 12としてトルク補正値Δτ** 12をそのま
ま出力する(S9)。また、補正値Δτ** 12の絶対値が
最大値Δτmaxよりも小さいときには、トルク絞り指令
値Δτ* 12としてトルク補正値Δτ** 12をそのまま出力
する(S9)。補正値Δτ** 12の絶対値が最大値Δτ
maxよりも大きいときには、トルク絞り指令値Δτ* 12と
して−Δτmaxを出力する(S10)。これにより、ト
ルクの急激な変動を抑制して乗り心地の悪化を防ぐ効果
がある。
は、前述した数式4〜6により当該時刻における当該車
輪での接線力を推定する(この推定値がF12(k)であ
る。)。接線力推定手段8内のディジタルローパスフィ
ルタにかけた接線力の推定結果を接線力探索に用いるこ
ととし、このようにローパスフィルタを用いることによ
り、ノイズや誤信号による誤動作を防ぐことができる。
り速度探索手段9の動作を示すフローチャートである。
ここでは、周期Tpで滑り速度指令値vsr12を更新する
ものとする。
−1)と今回値F12(k)の接線力推定値の増減情報と
してΔF12を求め(S11)、滑り速度vs12の前回値
(vs12(k−1))と今回値(vs12(k))とから滑り
速度の増減情報としてΔv's12を求める(S12)。更
に、図7に示すΔvsの関数を発生する関数発生器によ
り、Δv's12からΔvs12を求める(S13)。ここ
で、図7の関数の上下限の設定により、滑り速度の変動
幅が大きくなり過ぎるのを防いでいる。また、この関数
でΔv's12に対する閾値があることから、滑り速度の変
化が小さいときでも強制的に探索を行うことができる。
関係から、滑り速度指令値の補正値Δvsr12の値を決定
する(S14〜S20)。すなわち、ΔF12>0かつΔ
vs12>0、あるいは、ΔF12<0かつΔvs12<0である
場合には、現在の滑り速度は接線力が最大になる滑り速
度よりも小さく、ΔF12>0かつΔvs12<0、あるい
は、ΔF12<0かつΔvs12>0である場合には、現在の
滑り速度は接線力が最大となる滑り速度よりも大きい。
これに基づき、Δvsr12=β・Δvs12(S15,S2
0)、または、Δvsr12=−β・Δvs12(S17,S1
9)とする。但し、βは設計パラメータであり、0<β
≦1の定数である。
に上下限のリミッタvsru,vsrlを設けて、vsrl≦v
sr12<vsruとする(S22〜S25,S26)。この
ように上下限のリミッタを設けることで、滑り速度が過
大になるのを防ぐことができる。
(ω1,ω2)・Rwiとする。また、図4におけるON/O
FF判断にmin(ω1,ω2)を利用する。但し、車両速
度としては各車輪の周速度の最大値をとり、履歴から予
想される車両速度を大きく外れる場合には補正する。あ
るいは、車両速度として付随車の車輪軸のパルスジェネ
レータ信号を利用できる場合にはこれを用いることとす
る。他は空転の場合と同様である。
り2台の誘導電動機を駆動する場合につき説明したが、
本発明は、図8に示すように1台のインバータ1により
4台の誘導電動機21〜24を駆動する場合にも適用可
能である。この場合、空転滑走制御ユニットA1は単一
で良い。
を制御することで空転や滑走を制御し、車輪とレールと
の間の接線力を一定にして閉ループ的な安定した空転・
滑走制御を行うことができる。また、自動的に生成され
る滑り速度指令値に従い、レールと車輪との間の粘着状
態に応じて電動機を制御することができる。また、接線
力係数特性を推定して電気車の運転状態を把握できるた
め、力行・制動制御等の通常制御に付加する空転・滑走
制御のオン・オフを自動的に選択することができる。更
に、接線力の探索がオンラインでできるので、空転・滑
走時に電気車の加速度を最大限に確保することができ
る。
図である。
る。
合の接線力探索機能付きの空転制御系のブロック図であ
る。
ローチャートである。
すフローチャートである。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 インバータにより車輪駆動用の複数台の
誘導電動機を並列に駆動して電気車を運転するインバー
タ制御電気車の空転・滑走制御装置において、 車輪周速度と車両速度相当値との差である滑り速度最大
値に基づいて車輪の空転・滑走を検出する手段と、 滑り速度指令値と滑り速度最小値との差に基づいて誘導
電動機に対するトルク絞り指令値を求めることにより空
転・滑走制御を行う空転・滑走制御補償手段と、 滑り速度最大値と前記空転・滑走制御補償手段の出力と
に基づいて、通常制御としての力行・制動制御に対する
空転・滑走制御の付加の要否を判断する手段と、 を備えたことを特徴とするインバータ制御電気車の空転
・滑走制御装置。 - 【請求項2】 請求項1記載のインバータ制御電気車の
空転・滑走制御装置において、 前記空転・滑走制御補償手段は、滑り速度指令値と滑り
速度最小値との差に対し比例・積分制御を行ってトルク
絞り指令値を生成し、 このトルク絞り指令値をノッチ指令と車両速度相当値と
に基づく通常制御時のトルク指令値に加算して電動機制
御系に対するトルク指令値を得ることを特徴とするイン
バータ制御電気車の空転・滑走制御装置。 - 【請求項3】 請求項2記載のインバータ制御電気車の
空転・滑走制御装置において、 トータルの車輪・レール間の接線力が最大になるよう
に、滑り速度及び接線力推定値の増減情報を用いて最適
な滑り速度指令値を探索し、前記空転・滑走制御補償手
段における制御に用いることを特徴とするインバータ制
御電気車の空転・滑走制御装置。 - 【請求項4】 請求項3記載のインバータ制御電気車の
空転・滑走制御装置において、 トータルの車輪・レール間の接線力を、インバータの電
流・電圧の計測値と、車輪角速度の前回計測値と今回計
測値との差分と、計測周期とを用いて推定することによ
り得ると共に、滑り速度指令値を、最適な滑り速度指令
値の探索によって得た滑り速度補正値と前回の滑り速度
指令値とを加算して得ることを特徴とするインバータ制
御電気車の空転・滑走制御装置。 - 【請求項5】 請求項4記載のインバータ制御電気車の
空転・滑走制御装置において、 滑り速度補正値を制限関数とし、滑り速度指令値に上下
限を設けることを特徴とするインバータ制御電気車の空
転・滑走制御装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP05354598A JP3679599B2 (ja) | 1998-03-05 | 1998-03-05 | インバータ制御電気車の空転・滑走制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05354598A JP3679599B2 (ja) | 1998-03-05 | 1998-03-05 | インバータ制御電気車の空転・滑走制御装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH11252708A true JPH11252708A (ja) | 1999-09-17 |
JP3679599B2 JP3679599B2 (ja) | 2005-08-03 |
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ID=12945780
Family Applications (1)
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1998
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