(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動するためのインバータを起動させるインバータ起動指令により、
任意の電圧パルスを前記電動機に印加するよう指令する電圧パルス指令出力部と、
前記電圧パルス指令出力部からの出力指令により、前記電動機から発生する電流を検出する電流センサと、
前記電流センサで検出された電流値よりｑ軸電流を算出するＤＱ変換部と、
前記ＤＱ変換部から出力されるｑ軸電流から周波数を検出するｑ軸電流周波数検出部と、
前記ｑ軸電流の周波数をもとに、前記電動機の回転周波数を推定する電動機回転周波数検出部と
前記電動機回転周波数検出部で算出したインバータ周波数を前記インバータの起動の際の初期値として使用する電気車制御装置。
【請求項２】
電動機を駆動するためのインバータを起動させるインバータ起動指令により、
任意の電圧パルスを前記電動機に印加するよう指令する電圧パルス指令出力部と、
任意の電流を前記電動機に印加するように指令する電流指令演算部と、
前記電圧指令出力部と前記電流指令演算部の出力指令により前記電動機で発生する電流を検出する電流センサと、
前記電流センサで検出された電流値よりｑ軸電流を算出するＤＱ変換部と、
前記ＤＱ変換部から出力されるｑ軸電流から周波数を検出するｑ軸電流周波数検出部と、
前記ｑ軸電流の周波数をもとに、前記電動機の回転周波数を推定する電動機回転周波数検出部と、
前記電動機回転周波数検出部で算出したインバータ周波数を前記インバータの起動の際の初期値として使用する電気車制御装置。
【請求項３】
前記インバータ起動指令より発生するｑ軸電流において、
前記ｑ軸電流をＦＴＴ解析し、ｑ軸電流の周波数成分を抽出するｑ軸電流周波数検出部と、
前記ｑ軸電流周波数検出部で検出された前記ｑ軸電流の前記周波数成分の高周波側から低周波側にかけて、所定の振幅値の差を有する部分を凸部とし、前記凸部の頂点が存在する周波数を凸部周波数と、
前記ｑ軸電流周波数検出部で検出された前記ｑ軸電流の前記周波数成分の高周波側から低周波側にかけて、最も高い振幅値が存在する周波数を最高振幅周波数と、
前記凸部周波数と前記最高振幅周波数に基づき、前記インバータ起動の際の初期値を変更する請求項１乃至２記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記インバータ起動指令より発生するｑ軸電流において、
前記ｑ軸電流をＦＴＴ解析し、ｑ軸電流の周波数成分を抽出するｑ軸電流周波数検出部と、
前記ｑ軸電流周波数検出部で検出された前記ｑ軸電流の前記周波数成分の高周波側から低周波側にかけて、所定の振幅値の差を有する部分を凸部とし、前記凸部の頂点の振幅値である凸部振幅値と、
前記凸部振幅値が存在する周波数である凸部周波数と、
前記ｑ軸電流周波数検出部で検出された前記ｑ軸電流の前記周波数成分の高周波側から低周波側にかけて、最も高い振幅値である最高振幅値と、
前記最高振幅値が存在する周波数を最高振幅周波数と、
前記凸部振幅値、前記凸部周波数、前記最高振幅値、前記最高振幅周波数に基づき、前記インバータ起動の際の初期値を変更する請求項１乃至２記載の電気車制御装置。
【請求項５】
前記凸部振幅値、前記凸部周波数、前記最高振幅値、前記最高振幅周波数において、前記凸部周波数が、凸部を探索する最低周波数と設定される閾値周波数を比較し、前記凸部周波数≧前記閾値周波数及び、前記凸部周波数＝前記最高振幅周波数の場合、
第１インバータ周波数を出力し、前記凸部周波数＜前記閾値周波数及び、前記凸部周波数≠前記最高振幅周波数の場合、前記最高振幅値とある任意の値である閾値振幅値を比較し、前記最高振幅値＜前記閾値振幅値である場合は、第３インバータ周波数を出力し、前記最高振幅値≧前記閾値振幅値である場合は、車両の進行方向が後退であるかどうかを判断し、前記車両が後退していない場合は第４インバータ周波数を出力し、前記車両が後退しているとする場合は、第２インバータ周波数を出力する請求項３または４記載の電気車制御装置。
【請求項６】
前記車両の進行方向が後退であるかを判断する後退検知部と、
前記後退検知部では、ｑ軸電流成分よりＳＩＮ成分を抽出し、前記ＳＩＮ成分から検出される任意に設定する周波数のＳＩＮ成分振幅値と任意に設定するＳＩＮ成分振幅閾値に基づき、第２インバータ周波数と第４インバータ周波数のどちらを出力するか選択が行われる請求項５記載の電気車制御装置。
【請求項７】
前記インバータの起動開始と停止を行うとき、
前記インバータの起動指令に伴い電動機の電動機磁束を逓減させ、前記インバータの起動指令後、電動機磁束が抑制されてからインバータを起動させる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
速度センサを有していない誘導電動機を駆動する制御装置において速度センサレス制御を適用する場合、インバータが停止している状態から再起動するときに、図１０に示す従来制御ではモータ回転周波数真値と離れた高い周波数域からインバータ周波数を起動させ、ｄ軸誘起電圧がゼロに収束するようにインバータ周波数をモータ回転周波数真値に向かってスイープさせる図１１のような速度センサレス制御を用いた電気車制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２５３５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の電気車制御装置のインバータ制御では、高いインバータ周波数を初期値として設定し、そのインバータ周波数をモータ回転周波数へ早く一致させる制御を行っているため、速度推定ゲインを高く設定することになる。インバータ起動時の高い速度推定ゲインから、インバータ通常動作時の通常速度推定ゲインへ移行する際は制御系が不安定になり、高調波が生じやすくなる。そのため、高調波による誘導障害や、軸ずれによるトルクショックが生じる恐れがあった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、制御不安定や誘導障害やトルクショックを抑制する電気車制御装置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】
【０００６】
上記を解決するために、本発明による電気車制御装置は、電動機を駆動するためのインバータを起動させるインバータ起動指令により、任意の電圧パルスを前記電動機に印加するよう指令する電圧パルス指令出力部と、前記電圧パルス指令出力部からの出力指令により、前記電動機から発生する電流を検出する電流センサと、前記電流センサで検出された電流値よりｑ軸電流を算出するＤＱ変換部と、前記ＤＱ変換部から出力されるｑ軸電流から周波数を検出するｑ軸電流周波数検出部と、前記ｑ軸電流の周波数をもとに、前記電動機の回転周波数を推定する電動機回転周波数検出部と前記電動機回転周波数検出部で算出したインバータ周波数を前記インバータの起動の際の初期値として使用することを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電動機の回転周波数を推定できるので、高調波による誘導障害や制御系の振動、また推定誤差によるトルクショックを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態のインバータの制御ブロック図。
【図２】本発明の第１の実施形態のインバータの制御タイムチャート。
【図３】本発明の第２の実施形態のインバータの制御フローチャート。
【図４】本発明の第２の実施形態の第１のＦＦＴ解析後の出力図。
【図５】本発明の第２の実施形態の凸部探索方法の説明図。
【図６】本発明の第２の実施形態の第２のＦＦＴ解析後の出力図。
【図７】本発明の第３の実施形態の後退検知のフローチャート。
【図８】本発明の第３の実施形態の第３のＦＦＴ解析後の出力図。
【図９】本発明の第４の実施形態のインバータの制御タイチャート。
【図１０】従来発明のインバータの制御ブロック図。
【図１１】従来発明のインバータの制御タイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
本発明に基づく第１の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態のインバータの制御ブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態のインバータの制御タイムチャートである。
【００１１】
（構成）
図１は、誘導電動機１、インバータ初期値設定部２、電圧パルス指令出力部３、電流指令演算部４、電圧指令演算部５、ＰＷＭパルス生成部６、インバータ７、ＤＱ軸変換部８、ｑ軸電流周波数検出部９、電動機回転周波数検出部１０、第１電流センサ１１、第２電流センサ１２で構成される。
【００１２】
以下に誘導電動機１が動作するまでの流れについて説明する。図１と図２で示すように、インバータ起動指令がインバータ初期値設定部２の電圧パルス指令出力部３、電流指令演算部４に入力されると、電圧パルス指令出力部３から任意の電圧パルス指令“ＶｄＰ”及び、電流指令演算部４から励磁電流指令である任意のｄ軸電流指令“ＩｄＲｅｆ”とｑ軸電流指令“ＩｑＲｅｆ”が出力される。このとき、ｑ軸電流指令“ＩｑＲｅｆ”はゼロとする。また、電圧パルス指令出力部３からの電圧パルスＶｄＰのみを出力することも可能とする。電圧指令演算部５では、電圧パルス指令“ＶｄＰ”、“ｄ軸電流指令”ＩｄＲｅｆ”、ｑ軸電流指令“ＩｑＲｅｆ”及び、第１電流センサ１１で検出した電流値Ｕ相“Ｉｕ”と第２電流センサ１２で検出した電流値Ｗ相“Ｉｗ”からＤＱ変換部８で算出したｄ軸電流“Ｉｄ”とｑ軸電流“Ｉｑ”を入力とし、ｄ軸電圧指令“Ｖｄ”、ｑ軸電圧指令“Ｖｑ”を出力する。このとき、電圧指令演算部５でｑ軸方向の電流フィードバック制御は行われず、ｑ軸電流は０Ａに制御されない。ＰＷＭパルス生成部６は“Ｖｄ”及び“Ｖｑ”を入力とし、インバータを動作させるためのＵ相電圧指令“Ｖｕ”、Ｖ相電圧指令“Ｖｖ”、Ｗ相電圧指令“Ｖｗ”を出力する。インバータ７は、“Ｖｕ”、“Ｖｖ”、“Ｖｗ”を入力とし、３相交流線を介して誘導電動機１を動作させる。
【００１３】
（作用）
次に、インバータ起動時のインバータ周波数を推定するインバータ初期値設定部２について説明する。上記のようにインバータ起動指令が（ア）点で出力されると同時に、任意の電圧パルス指令“ＶｄＰ”が（ア）から（イ）間で出力される。電圧パルス指令“ＶｄＰ”の出力後に、ｄ軸電流指令“ＩｄＲｅｆ”２２が（ウ）から（エ）間で出力される。このとき、ｑ軸電流指令“ＩｑＲｅｆ”はゼロにし、電流フィードバック制御を行わない。電流フィードバック制御は、ｑ軸電流“Ｉｑ”を０Ａに制御するため、ｑ軸電流“Ｉｑ”の振動を抑制させる方向に働きかけることになる。そのため、インバータ７の起動直後の電圧ルス指令“ＶｄＰ”及びｄ軸電流指令“ＩｄＲｅｆ”の印加中はｑ軸方向の電流フィードバック制御は行わない。電圧パルス指令“ＶｄＰ”とｑ軸電流指令“ＩｄＲｅｆ”を入力とすることで、誘導電動機１からＵ相電流“Ｉｕ”及びＷ相電流“Ｉｗ”が第１電流センサ１１及び第２電流センサ１２によって検出される。このＵ相電流“Ｉｕ”とＷ相電流“Ｉｗ”から算出されるｑ軸電流“Ｉｑ”が振幅を有して、（ウ）から（オ）間で発生する。このようなｑ軸電流“Ｉｑ”を図１に示すｑ軸電流周波数検出部９に入力する。ｑ軸電流周波数検出部９では、ｑ軸電流“Ｉｑ”の（ウ）から（エ）間のｑ軸電流抽出期間で検出したｑ軸電流周波数成分を、電動機回転周波数検出部１０へ出力する。電動機回転周波数検出部１０では、抽出されたｑ軸電流周波数成分に基づいて（エ）から（オ）間でインバータ周波数“Ｗｉｎｉ”２４を演算する。演算されたインバータ周波数“Ｗｉｎｉ”はインバータ７へ出力され、インバータ７の起動時の初期値として使用される。
【００１４】
（効果）
このような構成の電気車制御装置は、電動機の回転周波数の推定にｑ軸電流成分使用する。またそのｑ軸電流成分を発生させるために、電圧パルスを使用している。従来発明では電流の入力によるインバータ初期値の推定を行っていたが、電圧は電流とは異なり、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の切替えが容易であるという特性を有している。その特性を利用してインバータの初期値推定に使用することで、ｑ軸電流の振幅の発生タイミングが早くなり、また、より明確な振幅が発生するようになる。そのｑ軸電流よりｑ軸電流周波数成分を抽出することで、誘導電動機の回転周波数の推定が可能となり、インバータ起動時のインバータ周波数を電動機の回転周波数と近い値で設定することが可能となる。
【００１５】
つまり、インバータ起動時には、電動機回転周波数を把握した状態でインバータを立ち上げることで、従来のように高い速度推定ゲインを用いて、高いインバータ周波数を電動機回転周波数に一致させる必要がなくなり、インバータ起動時の制御系を安定させることが可能となる。以上のことから、本実施形態の電気車制御装置は、電動機の回転周波数をより正確に推定することで軸ずれによるトルクショックを防止し、安定した制御系を使用することから高調波による誘導障害を抑制することができる。
【００１６】
（第２の実施形態）
本発明に基づく第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図３は、本発明の第２の実施形態のインバータの制御フローチャートである。図４は、本発明の第２の実施形態の第１のＦＦＴ解析後の出力図である。図５は、本発明の第２の実施形態の凸部探索方法の説明図である。尚、図１乃至２と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００１７】
本実施形態では、第１の実施形態のインバータ制御を経て出力されるインバータ周波数（Ｗｉｎｉ）を誘導電動機１の状態に合わせて変化させる。以下、その点について説明する。
【００１８】
図３に示すように、本実施形態のインバータ制御は（Ｓ１）〜（Ｓ１０）のステップで構成される。インバータ起動指令が出力されると（Ｓ１）、ｑ軸電流が検出される(Ｓ２)。次に、凸部周波数及び最高振幅周波数を検出する。検出方法については、図４及び図５を参考に説明する。
【００１９】
まず、凸部周波数及び最高振幅周波数を検出するためにＦＦＴ解析を行い、ｑ軸電流成分周波数を抽出する。以下、その説明である。任意の電圧パルス指令“ＶｄＰ”及び、ｄ軸電流指令“ＩｄＲｅｆ”が出力されると、誘導電動機１のＵ相電流“Ｉｕ”及び、Ｗ相電流“Ｉｗ”が第１電流センサと第２電流センサによって検出され、そのＵ相電流“Ｉｕ”及びＷ相電流“Ｉｗ”をＤＱ変換部８に入力することでｑ軸電流を算出する。算出されたｑ軸電流に対してｑ軸電流周波数検出部９でＦＦＴ解析を行うと、図４に示すような特性が現れる。ｑ軸電流“Ｉｑ”にＦＦＴ解析を行うことで、電動機回転周波数に対応した周波数成分が特に大きな振幅となって現れる。このようなＦＴＴ解析後のｑ軸周波数成分は、電動機回転周波数検出部１０に入力される。電動機回転周波数検出部１０では、図４のようなｑ軸周波数成分を高周波側から低周波側へ順次、振幅値を探索していき、凸部の頂点が存在する凸部周波数及び、最高振幅値が存在する最高振幅値周波数を検出する。
【００２０】
図５を参照して、凸部の頂点の検出方法について説明する。演算したＦＦＴ解析後のｑ軸周波数成分４２では、高周波側から低周波側へ探索を終了する閾値周波数まで振幅値の探索が行われる。その探索の際に、ある振幅値４０から低周波側に任意に設定したＡ値以上の振幅の落ち込みである凸部判定振幅領域４１が検知されたとき、その凸部振幅値４０は凸部の頂点であると判定される。また、探索を実行した結果、ｑ軸周波数成分内で発見された最も高い振幅値を最高振幅値とし、その最高振幅値が存在する周波数を最高振幅値周波数とする。このような凸部及び最高振幅値の検出方法が実行されると、例えば図４に示すような８００ｃｎｔ付近で凸部の頂点と最高振幅値が重複した凸部・最高振幅値３１と、１６０Ｈｚ付近で凸部・最高振幅値３１に対応した凸部・最高振幅周波数３１が検出される。
【００２１】
図３では、上記のような検出方法によって検出された凸部周波数が、凸部周波数≧閾値周波数３２及び、凸部周波数＝最高振幅周波数であるかどうか判断する（Ｓ３）。凸部周波数≧閾値周波数３２及び、凸部周波数＝最高振幅周波数であると判断された場合、ｑ軸周波数成分より抽出された凸部・最高振幅周波数を第１のインバータ周波数（Ｗｉｎｉ）としてインバータ７に出力する（Ｓ４）。一方、凸部周波数＜閾値周波数または、凸部周波数≠最高振幅周波数であると判断された場合、最高振幅値≧閾値振幅値かどうかの判定に移行する（Ｓ５）。図６は、凸部振幅値５０の存在する凸部周波数が３０Ｈｚ付近で発見され、最高振幅値５１は閾値周波数以下かつ予め設定した振幅閾値５２以上で発見されるｑ軸電流周波成分の一例である。図６のように抽出されたｑ軸周波数成分で最高振幅値≧閾値振幅値と判定されると、次に制御装置が認識している進行方向が後方かどうかの後退検知が行われる（Ｓ６）。一方、最高振幅値＜閾値振幅値と判断された場合、誘導電動機を停止状態にすると判断し、第３インバータ周波数（ＷｉｎｉＳｔｏｐ）を出力する（Ｓ８）。
【００２２】
車両の後退が検知された場合、後退に応じた第２インバータ周波数（ＷｉｎｉＳＩＮ）がインバータ７へ出力される（Ｓ１０）。車両の後退が検知されない場合、誘導電動機１が低周波で稼動中であると判断し、第４インバータ周波数（ＷｉｎｉＢ％）がインバータ７に出力される。
【００２３】
（効果）
このような構成の電気車制御装置は、第１の実施形態の効果を有する。またさらに、インバータ起動時の電動機回転周波数が低周波数あるいはゼロであるの場合や、車両の進行方向が後退している場合においても、電動機回転周波数を推定し、それぞれのパターンに応じたインバータ周波数を出力することが可能である。そのため、第１の実施形態よりもより正確な制御を行うことができ、トルクショックや誘導障害等の抑制効果を向上させることが可能となる。
【００２４】
（第３の実施形態）
本発明に基づく第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図７は、本発明の第３の実施形態の後退検知のフローチャートである。図８は、本発明の第３の実施形態の第４のＦＦＴ解析後の出力図である。尚、図１乃至６と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００２５】
本実施形態では、第２の実施形態で記載した後退検知（Ｓ６）について詳細に説明する。後退検知（Ｓ６）は、図７に示すように（Ｓ２１）〜（Ｓ２７）のステップで構成される。後退検知がスタートすると（Ｓ２１）、ＦＦＴ解析によってｑ軸電流のＳＩＮ成分周波数を抽出する（Ｓ２２）。抽出したＳＩＮ成分周波数を図８に示す。次に、制御装置が認識している車両の進行方向が前進かどうか判定される（Ｓ２３）。制御装置が車両の進行方向が前進していると判定されると、ＳＩＮ成分周波数の振幅がマイナスで抽出されるため、振幅を反転させる（Ｓ２４）。その後、ＳＩＮ成分周波数から予め設定した周波数であるＳＩＮ振幅値１００を検出し、予め設定したＳＩＮ成分振幅閾値１０１と比較する（Ｓ２５）。ＳＩＮ振幅値１００≧ＳＩＮ振幅閾値１０１となった場合、車両が後退していると判断され（Ｓ２６）、車両の後退に応じた第４インバータ周波数（ＷｉｎｉＳＩＮ）がインバータ７へと出力される（Ｓ１０）。また、ＳＩＮ最高振幅値１００＜ＳＩＮ振幅閾値１０１となった場合、車両は後退していないと判断され（Ｓ２７）、低周波で動作中の誘導電動機１に応じた第２インバータ周波数（ＷｉｎｉＢ）がインバータ７へと出力される。
【００２６】
（効果）
従来はインバータ再起動時の初期設定値の特定と車両の進行方向の検知を、段階的に行っていた。本実施形態では、ＦＴＴ解析後のｑ軸周波数成分から車両の後退検知とインバータ再起動時の初期設定値の推定を同時におこなうことができる。そのため、インバータ制御の所要時間が短縮され、インバータ起動指令に対して誘導電動機１が動作させるタイミングを早めることが可能である。
【００２７】
（第４の実施形態）
本発明に基づく第４の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図９は、本発明の第４の実施形態のインバータの制御タイムチャートである。尚、図１乃至８と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
【００２８】
（作用）
図９に示すように、インバータ起動指令が（キ）点でＯＮからＯＦＦから切換えられると、誘導電動機１への励磁電流（Ａ）の低減を開始する。誘導電動機１への励磁電流（Ａ）を低減すると、電動機磁束（Φ）が低減を開始する。その後、インバータ起動指令の停止を受けて、インバータが（ク）点で動作を停止する。インバータが動作を完全にＯＦＦすると、励磁電流（Ａ）は０Ａにまで下がり、電動機磁束（Φ）は逓減を続ける。インバータ起動指令が再び（ケ）点でＯＮした後、電動機磁束（Φ）がゼロに近づく（コ）の点で、インバータ起動指令を受けてインバータが動作を開始する。このように（ク）〜（コ）の期間は予め設定したＯＦＦ時間を必ず確保して電動機磁束（Φ）が十分に低減するようにしている。
【００２９】
（効果）
電動機磁束が発生した状態、例えば（ケ）点のインバータ起動指令と同時にインバータを起動させる場合、残存する電動機磁束が電圧パルス“ＶｄＰ”によって発生するｑ軸電流の発生を阻害する要因となる。その結果、電動機回転周波数を決定するための周波数成分の演算に誤差が生じる恐れがあった。
【００３０】
本実施形態のような構成の電気車制御装置は、インバータ起動指令のＯＦＦと同時に励磁電流を低減させることで電動機磁束の低減開始タイミングを早め、またインバータ動作の停止タイミングをインバータ起動指令出力よりも遅らせることで、電動機磁束の低減時間を保持することが可能となる。電動機から発生する電動機磁束をゼロに近づけた状態で、再度インバータを起動させるため、電動機の回転状態に応じたｑ軸電流を検出することができる。このようなｑ軸電流からｑ軸電流周波数成分を抽出し、インバータ周波数を推定することで、インバータ制御の性能を向上させることが可能となる。また、本実施形態は第１乃至３の実施形態に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  誘導電動機
２  インバータ初期値設定部
３  電圧パルス指令出力部
４  電流指令演算部
５  電圧指令演算部
６  ＰＷＭパルス生成部
７  インバータ
８  ＤＱ軸変換部
９  ｑ軸電流周波数検出部
１０  電動機回転周波数検出部
１１  第１電流センサ
１２  第２電流センサ
３０  凸部・最高振幅周波数  
３１  凸部・最高振幅値
３２  閾値周波数
４０  凸部振幅値
４１  凸部判定振幅領域
４２  周波数成分
５０  凸部振幅値
５１  最高振幅値
５２  閾値振幅値
１００  ＳＩＮ成分最高振幅値
１０１  ＳＩＮ成分閾値振幅値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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