(57)【要約】【課題】速度センサレス制御において、ロータ回転周波数の検出精度を高くすることができ、電動機を安定かつスムーズに起動することができるようにする。【解決手段】本発明では、直流を任意の周波数の交流に変換する可変電圧可変周波数インバータ（VVVFインバータ）と、電動機の回転速度を直接検出することなく推定で検出して前記VVVFインバータの出力周波数や出力電圧を制御して前記電動機を駆動する制御手段とからなる電気車制御装置において、前記電動機を制御する励磁電流指令を立ち下げる際、前記磁束電流指令を経過時間に対して、二次関数で立ち下げる手段を備えたことを特徴する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流を任意の周波数の交流に変換する可変電圧可変周波数インバータ（以下VVVFインバータと記す）と、電動機の回転速度を直接検出することなく推定で検出して前記VVVFインバータの出力周波数や出力電圧を制御して前記電動機を駆動する制御部とを有した電気車制御装置において、
前記電動機を制御する励磁電流指令を立ち下げる際、前記磁束電流指令を経過時間に対して、二次関数で立ち下げる磁束電流指令得残部を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記磁束電流指令得残部は、前記電動機を制御する励磁電流指令を前記二次関数で立ち下げるとともに、さらに前記VVFインバータのゲート出力をオフする直前まで、所定値の磁束電流指令を維持する手段を含むことを特徴する請求項1記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記所定値の磁束電流指令は、最大値の５％程度であることを特徴とする請求項２記載の電気車制御装置。
【請求項４】
直流を任意の周波数の交流に変換する可変電圧可変周波数インバータ（以下VVVFインバータと記す）と、電動機の回転速度を直接検出することなく推定で検出して前記VVVFインバータの出力周波数や出力電圧を制御して前記電動機を駆動する制御手段を有する電気車制御装置の制御方法において、
前記電動機を制御する励磁電流指令を立ち下げる際、前記磁束電流指令を経過時間に対して、二次関数で立ち下げ、かつ前記VVFインバータのゲート出力をオフ直前までは所定値の磁束電流指令を維持することを特徴とする電気車制御方法。
【請求項５】
前記所定値の磁束電流指令は、最大値の５％程度であることを特徴とする請求項４記載の電気車制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気車制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
主電動機の回転速度を直接検出することなく、主電動機の磁束あるいは誘起電圧に基づき回転速度すなわちロータ周波数を推定し、この推定に基づいて主電動機のトルクを制御する技術がある。この技術は、速度センサレス制御と称される。
【０００３】
速度センサレス制御では、電気車が停車中あるいは惰行中のような、インバータのゲート信号を停止し主電動機への励磁を行わない期間では、速度を推定することはできず、停車であるのか高速回転中であるのかがわからない。このような状態から力行指令あるいはブレーキ指令によってインバータを始動する場合、不要なトルクを生じ、乗り心地や信号系への影響が懸念される。電気的、または機械的に安定でスムーズに主電動機を始動するためには、インバータ出力周波数を回転速度すなわちロータ周波数に一致させて始動する必要がある。
【０００４】
従来からの速度検出器を備えた速度センサ付きベクトル制御方式を適用した電気車制御装置では、ロータ周波数に一致したインバータ出力周波数を設定して始動を行っている。
【０００５】
これに対して、速度センサレス制御ではインバータを始動した直後に、通常運転時の回転速度推定方式とは異なる概略のロータ周波数を推定するための制御モードが設けられる。速度すなわちロータ周波数の概略値が推定できた時点で、ロータ周波数推定値をインバータ出力周波数として与えて通常運転を開始する。
【０００６】
このような概略速度の推定方法については、特許文献１（周波数スイープ)、特許文献２などの公知技術がある。また、速度センサレス制御法としては、公知技術であり各種の方式がある。
【０００７】
以上のように速度センサレスベクトル制御では、電動機の磁束あるいは誘起電圧に基づき回転速度すなわちロータ周波数を推定する。電動機の運転を停止する場合、インバータの動作を停止して、電動機への電力供給を止めるが、電動機は直ちに回転運動や直線運動を停止せず、その運動を継続する期間が存在し、その期間は電動機の磁束がゼロにならず、ある期間、残留磁束として存在する。
【０００８】
その結果、インバータ停止後、残留磁束が存在している間に、電動機の再起動のためにインバータの動作を再開し、始動させようとすると、インバータの通電位相と電動機の残留磁束の位相が合わない場合は、不要なトルクを生じ、乗り心地や信号系への影響が懸念される。
【０００９】
この問題を解決するための制御技術として、特許文献３ではインバータの動作を停止する直前に電動機の残留磁束を減衰させる方法が提案なされている。
【００１０】
しかしながら、一方では前述のとおり、速度センサレス制御では、電動機の磁束に基づき回転速度すなわちロータ周波数を推定することから、ある程度の磁束が存在しないと、回転速度を推定することが不可能である。特許文献２による制御方法では、磁束電流指令を打ち消す方向に磁束電流指令を動作させているため、磁束電流指令を立ち下げ後のゲート信号を遮断する直前では、磁束が減衰しすぎて、推定回転速度を正確に推定できない懸念がある。
【００１１】
また電気車制御装置は、主電動機を駆動制御するために電流指令発生部を有する。この電流指令発生部の制御方法を工夫した技術がある（例えば特許文献４）。この技術は主電動機を力行或いは回生状態から惰行状態にする際、トルクの発生を停止した後、余計な電力を消費しないようにしている。そのために、磁束電流指令Ｉｄｐとトルク電流指令Ｉｑｐを一次関数で減少する際、両者の減少する傾斜を異ならせている。そしてＩｄｐが０に達する前に、Ｉｄｑが０に達するように設計している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−２５３５０６号公報
【特許文献２】特開平１１−４１９８６号公報
【特許文献３】特開２００８−１１３５０１号公報
【特許文献４】特開２０００−２４５１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら従来の技術においては、短時間のうちに頻繁に停止、再起動が繰り返された場合、十分な円滑運転が得られない場合がった。
【００１４】
本発明は、速度センサレス制御において、応答速度に着目し、電動機の残留磁束を急速に低減することができるとともに、かつにこのような状況においてもロータ回転周波数の検出精度を高くすることができ、電動機を機敏に安定かつスムーズに起動することができる電気車制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明は直流を任意の周波数の交流に変換する可変電圧可変周波数インバータ（VVVFインバータ）と、電動機の回転速度を直接検出することなく推定で検出して前記VVVFインバータの出力周波数や出力電圧を制御して前記電動機を駆動する制御手段とを有した電気車制御装置において、前記電動機を制御する励磁電流指令を立ち下げる際、前記磁束電流指令を経過時間に対して、二次関数で立ち下げる磁束指令演算部を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また本発明では、さらに前記VVFインバータのゲート出力をオフする直前で所定値の磁束電流指令を維持する手段を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
上記の手段によると、磁束指令電流演算部により磁束電流指令を経過時間に対して、二次関数で立ち下げるために、電動機の残留磁束が急速に低減しているので、インバータの際起動時に不要なトルクを生じ難くなる。また頻繁に停止、再起動が繰り返されても残留磁束の低減処理の応答性が良く、円滑な運転が可能となる。またこれに加えて、ゲート出力オフする直前で所定値の磁束電流指令を維持していることで、正確な回転速度を検出することが可能であり、インバータの通電位相と電動機の残留磁束（十分に低減しているが）の位相関係が同期し円滑な運転再開時の円滑動作に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】図１のインバータ出力周波数演算部の構成例を示す図である。
【図３】本発明の装置の動作を説明するために示したタイミング説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、この発明の一実施例であり、まず基本的な構成と速度センサレス制御について説明する。
【００２０】
集電装置（パンタグラフ）11により架線（図示せず）から集電された電力は、リアクトル12を介してコンデンサ13の正電極端子に供給される。コンデンサ13の負電極端子は車輪17を介してレール（図示せず）にアースされる。
【００２１】
この車輪17は、主電動機15により駆動される。主電動機15は、可変電圧可変周波数（VVVF)インバータ16からの3相の駆動電流Iu,IV,Iwにより駆動される。VVVFインバータ16は、コンデンサ13の端子間の直流電圧をインバータ制御部100からのパルス幅変調（PWM）信号に基づいて3相の駆動電流Iu,IV,Iwに変換している。
【００２２】
次にインバータ制御部100について説明する。運転台101から出力される運転指令としての例えばブレーキ指令は、電流指令演算部111に入力される。電流指令演算部111は、ブレーキ指令に基づいて、励磁電流指令IdRefと、トルク電流指令IqRefを出力する。励磁電流指令IdRefは、磁束電流指令演算部130により、修正されて励磁電流指令IdRef１として出力され、電圧演算部112に入力される。
【００２３】
このように本装置では、磁束電流指令演算部130がブレーキ指令に基づいてトルク電流指令IqRefを修正しているが、この動作及びその意義についてはさらに後で詳しく説明する。
【００２４】
電圧演算部112は、励磁電流指令IdRef１とトルク電流指令IqRefから、DQ軸出力電圧指令Vd*、Vq*を演算して出力する。このとき、励磁電流指令IdRef１と励磁電流Idが一致するようにD軸出力電圧指令Vd*を演算出力し、トルク電流指令IqRefとトルク電流Iqとが一致するようにQ軸出力電圧指令Vd*、Vq*を演算出力する。
【００２５】
DQ軸出力電圧指令Vd*, Vq*は、座標変換部113に入力される。座標変換部113は、DQ軸出力電圧指令Vd*, Vq*を、3相電圧指令Vu*, Vv*, Vw*に変換して、PWM制御部114に出力する。PWM制御部114は、3相電圧指令Vu*, Vv*, Vw*に基づき、例えば、三角波比較PWM制御によってゲート指令を生成し、VVVFインバータ16を駆動制御する。
【００２６】
VVVFインバータ16から出力された3相の駆動電流Iu,IV,Iwは、主電動機15に供給される。
【００２７】
主電動機15に流れる電流Iu,Iwは、電流検出器14U, 14Wによって検出され、座標変換器115によって、先のDQ軸電流Id,Iqに変換される。このDQ軸電流Id,Iqは、先に説明したように電圧演算部112に入力される。
【００２８】
さらに、インバータ出力周波数演算部116が設けられている。インバータ出力周波数演算部116には、DQ軸電流Id,Iq、出力電圧指令Vd*、Vq*が入力されている。
【００２９】
図２には、インバータ出力周波数演算部116の構成例を示している。インバータ出力周波数演算部116は、D軸誘起電圧演算部116aとインバータ出力周波数制御部116bを有する。
【００３０】
このインバータ出力周波数演算部116は、(1)式で述べるD軸誘起電圧Edに基づきインバータ出力周波数を制御するものである。D軸誘起電圧演算部116aでは、DQ軸電圧指令Vd*,Vq*とDQ軸電流Id,IqとからD軸誘起電圧Edを演算出力する。
【００３１】
Ed = Vd* ‐ R1×Id + ω1 ×σL1 × Iq                    (1)
ここに、R11次抵抗、σ：漏れ係数（= 1- M×M/L1/L2）、L11次自己インダクタンスである。
【００３２】
インバータ出力周波数制御部116bは、フィードバック動作により、入力であるD軸誘起電圧Edが零となるようにインバータ出力周波数基準ω1*を制御出力する。
【００３３】
ω1* = - (Kp + Ki / s ) Ed                              (2)
ここに、Kp：比例ゲイン、Ki：積分ゲイン、s：ラプラス演算子である。
【００３４】
インバータ出力周波数演算部116の出力であるインバータ出力周波数ω1は、積分器117及び減算器118に入力される。
【００３５】
積分器117は、インバータ出力周波数ω1を積分し、座標変換器113,115で用いる（静止座標系の基準軸A軸に対する）D軸の位相角θを生成出力する。これにより、インバータ出力周波数ω1に対応したD軸の位相が設定される。
【００３６】
以上により直接的な速度検出器を用いずにインバータの出力周波数および出力電圧を制御し、主電動機15のトルクを制御することができる。
【００３７】
すべり周波数演算部119では、電流指令IdRef,IqRefからすべり周波数基準Ws*(=ωRH)を演算する。
【００３８】
ωRH = R2/L2 × IqRef / IdRef                        (３)
ここに、R2：2次時定数、L2：2次自己インダクタンスである。
【００３９】
よって、（２）式により演算されたインバータ周波数基準ω1*からすべり周波数基準ωｓ*を減算器118にて減算し電動機の回転速度（ロータ周波数FRH）を推定することができる。
【００４０】
以上のように速度センサレスベクトル制御では、電動機の磁束あるいは誘起電圧に基づき回転速度すなわちロータ周波数FRHを推定する。このロータ周波数FRHは、空転制御部（図示せず）、及び電流指令演算部111にフィードバックされる。電流指令演算部111では、電流指令IdRef,IqRef（電動機のコイルの磁力の変化タイミングと磁束量を決める電流）を生成及び補正するための基準周波数として採用される。
【００４１】
つまり電流指令演算部111は、その内部において、電動機のロータ周波数FRHを用いて磁束指令Φ*を得る。このとき、電気車が運転停止のときは磁束指令Φ*を最小とする。これに対して電気車が運転状態のときは、ロータ周波数FRHが所定値より低いときは磁束指令Φ*を最大Φ*max（電動機がとり得る最大磁束量）にし、ロータ周波数FRHが所定値より高いときは磁束指令Φ*を最小Φ*min（電動機がとり得る最小磁束量）にする。そして、別途入力されているトルク指令Tm*と、前記磁束指令Φ*を用いて、Ｄ軸電流基準ＩｄＲとＱ軸電流基準ＩｑＲを次式（１），（２）のように演算する。
【数１】
2010259299.tif 000003
【００４２】
同（３），（４）式は、モータのリラクタンストルクを用いないことを想定し、モータ極数も０とした演算式である。Ｄ軸インダクタンスＬｄとＱ軸インダクタンスＬｑの差異ΔＬがある突極形モータであっても、差異のない非突極形のモータであってもよい。
【００４３】
しかしながら、効率の最適化や所定電流での最大出力を考える場合、リラクタンストルクを考慮することが有効である。この場合、例えば、次式のように演算する。
【数２】
2010259299.tif 000004
【００４４】
ここに、ＫはＤ軸電流とＱ軸電流との比率であり、前述の効率最適化や最大出力等、用途によって変わる値である。
【００４５】
ところで、電動機の運転を停止する場合、インバータの動作を停止して（VVFインバータのゲート出力をオフする）、電動機への電力供給を止めるが、電動機は直ちに回転運動や直線運動を停止せず、その運動を継続する期間が存在し、その期間は電動機の磁束がゼロにならず、ある期間、残留磁束として存在する。
【００４６】
その結果、インバータ停止後、残留磁束が存在している間に、インバータの動作を再開し、再起動を行ううとき、インバータの通電位相と電動機の残留磁束の位相が合わない場合は、不要なトルクを生じ、乗り心地や信号系への影響が懸念される。
【００４７】
そこでこの装置では、電流指令演算器111より出力される磁束電流指令IdRefと運転台101より出力される起動指令（ブレーキ指令の解除）を磁束電流指令演算器130に入力し、磁束電流指令IdRef1を出力する。これにより、インバータ停止後、残留磁束を急速に低減できるようにしている。
【００４８】
図３は運転指令を停止する際の励磁電流指令の動作を示したものである。運転台より出力される運転指令がオン（起動）からオフ（停止）になると、磁束電流指令IdRef1は経過時間に対して、２次関数で立ち下げる。これにより迅速に残留磁束を減衰させた後、次回の再起動に備えて、残留磁束を減衰させる。
【００４９】
また、起動指令がオフしてから一定時間経過後、PWM信号をオフする直前まで回転速度推定が可能とするために、磁束電流指令を０とはせず所定の値（５％程度）を残し、ゲートオフ直前においても、回転速度推定が正確に行えるようにする。
【００５０】
このように起動指令がオフしたら、磁束電流指令を２次関数で立ち下げ、かつ所定の値を残すことによって、ゲートオフ直前まで速度推定を正確に行い、かつ次回の再起動時の残留磁束の影響を極力低減することができる。起動指令のオフとオンが短い間隔で繰り替えされるような場合にも電動機の回転速度の推定が正しく得られ、電動機を安定かつスムーズに運転することができる。
【００５１】
励磁指令電流を立ち下げる場合、一次関数で立ち下げることも考えられる。しかし励磁電流指令を一次関数で立ち下げるよりも二次関数で立ち下げたほうが、短時間でより残留磁束を低減することが可能である。よって、残留磁束により電動機に不要なトルクを生じさせたり、電気車の乗り心地や信号系へ与える悪影響を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、直流電車、交流電気車両、交直流車両などのような電気車の制御装置に適用されて有効である。
【符号の説明】
【００５３】
11・・・パンタグラフ、12・・・リアクトル、13・・・コンデンサ、14U,14W・・・電流検出器、15・・・主電動機、16・・・インバータ、17・・・車輪、100・・・インバータ制御部、111・・・電流指令演算部、112・・・電圧演算部、113・・・座標変換部、114・・・PWM制御部、115・・・座標変換部、116・・・インバータ出力周波数演算部、117・・・積分器、118・・・減算器、119・・・すべり周波数演算部、130・・・磁束電流指令演算部。
【図１】
2010259299.tif 000005
【図２】
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【図３】
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