(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動する電力変換器の出力電圧を制御する制御装置において、
回転座標系のｄ軸電流検出値が前記回転座標系の第１のｄ軸電流指令値に近づくように、前記回転座標系の第２のｄ軸電流指令値を生成するｄ軸電流指令生成部と、
回転座標系のｑ軸電流検出値が前記回転座標系の第１のｑ軸電流指令値に近づくように、前記回転座標系の第２のｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令生成部と、
前記第２のｄ軸電流指令値と、前記第２のｑ軸電流指令値に基づいて、前記電力変換器の電圧指令を生成する電圧ベクトル演算部と、
前記ｑ軸電流検出値と、前記第２のｑ軸電流指令値に基づいて、電動機の速度推定値を生成する速度推定部と、を備え、
前記速度推定部は、前記ｑ軸電流検出値と、前記第２のｑ軸電流指令値と、前記第２のｑ軸電流指令値の時間変化率と、電力変換機周波数指令とを用いて演算することにより、前記電動機の速度推定値を生成すること
を特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置において、
前記電圧ベクトル演算部は、前記第２のｄ軸電流指令値と、前記第２のｄ軸電流指令値の時間変化率と、前記第２のｑ軸電流指令値と、前記第２のｑ軸電流指令値の時間変化率とを用いて演算することにより、前記電力変換器の電圧指令を生成すること
を特徴とする制御装置。
【請求項３】
電動機を駆動する電力変換器の出力電圧を制御する制御装置において、
回転座標系のｄ軸電流検出値が前記回転座標系の第１のｄ軸電流指令値に近づくように、前記回転座標系の第２のｄ軸電流指令値を生成するｄ軸電流指令生成部と、
回転座標系のｑ軸電流検出値が前記回転座標系の第１のｑ軸電流指令値に近づくように、前記回転座標系の第２のｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令生成部と、
前記第２のｄ軸電流指令値と、前記第２のｑ軸電流指令値と、前記第２のｄ軸電流指令値の時間変化率と、前記第２のｑ軸電流指令値の時間変化率とを用いて演算し、ｄ軸の２次磁束指令値は第２のｄ軸の電流指令値に基づいて演算することにより、前記電力変換器の電圧指令を生成する電圧ベクトル演算部と、
前記ｑ軸電流検出値と、前記第２のｑ軸電流指令値に基づいて、前記電動機の速度推定値を生成する速度推定部と、を備え、
前記速度推定部は、前記ｑ軸電流検出値と、前記第２のｑ軸電流指令値と、前記第２のｑ軸電流指令値の時間変化率と、電力変換機周波数指令とを用いて演算することにより、前記電動機の速度推定値を生成すること
を特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項３記載の制御装置において、
前記電圧ベクトル演算部は、前記第２のｄ軸電流指令値と、前記第２のｄ軸電流指令値の時間変化率と、前記第２のｑ軸電流指令値と、前記第２のｑ軸電流指令値の時間変化率とを用いて演算することにより、前記電力変換器の電圧指令を生成すること
を特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の制御装置と、前記制御装置により制御される電力変換器と、前記電力変換器により駆動される誘導電動機とを備え、前記誘導電動機により車輪を駆動して走行すること
を特徴とする電気車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘導電動機の制御装置として、特開２００５−４５８４７号公報には、速度不明時に大電流を流すとトルクショックが発生するために、微少なｄ軸電流を印加することが記載されている。しかし、速度起電力が小さく電圧誤差の影響を受けやすい低速域では、ｄ軸電流を増加して磁束を増加することで速度起電力を増加させ、速度推定精度を改善する。つまり、低速域で、速度推定値とｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値とから求めた電圧補償値を、ｄ軸電圧指令値に印加して磁束を増加させて、推定速度の初期値の極性と実速度の極性とが異なる場合に生じる推定速度が、実速度に収束する過程で磁束が減少するために、速度推定精度が劣化することを回避するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−４５８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術として示した誘導電動機の制御装置は、低速域で電圧補償値をｄ軸電圧指令値に印加して磁束を増加させるためにトルクショックが発生することがある。
【０００５】
本発明の課題は、低速域でｄ軸電圧指令に電圧補償を行わなくても、速度推定精度が劣化せず、かつ低速域から高速域の全速度域においても高精度な速度推定が可能な、電動機の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、回転座標系のｄ軸電流検出値が前記回転座標系の第１のｄ軸電流指令値に近づくように、前記回転座標系の第２のｄ軸電流指令値を生成するｄ軸電流指令生成部と、回転座標系のｑ軸電流検出値が前記回転座標系の第１のｑ軸電流指令値に近づくように、前記回転座標系の第２のｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令生成部と、前記第２のｄ軸電流指令値と、前記第２のｑ軸電流指令値に基づいて、前記電力変換器の電圧指令を生成する電圧ベクトル演算部と、前記ｑ軸電流検出値と、前記第２のｑ軸電流指令値に基づいて、電動機の速度推定値を生成する速度推定部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ｄ軸電圧指令に電圧補償を行わずに、低速域における速度推定精度を向上させる、または速度推定精度の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態による誘導電動機の制御装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の制御装置を備えた鉄道車両駆動システムの構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるｄ軸電流指令演算部の構成図である。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるｑ軸電流指令演算部の構成図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における速度推定演算部の構成図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による誘導電動機の制御装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
本実施例の誘導電動機の制御装置について図１と図２を用いて説明する。
【００１１】
図２は、本発明を適用した鉄道車両駆動システムを示している。架線２０１および軌道２０２から、それぞれ集電器２０３および車輪２０４を介して受電した直流電圧を、受電フィルタ２０５を介して電力半導体スイッチング素子を備えた電力変換器２０６に入力する。受電フィルタ２０５はフィルタリアクトル２０５ａとフィルタコンデンサ２０５ｂとを備えている。
【００１２】
主幹制御部２０９は、運転士のノッチ操作をノッチ指令α*に変換し、電流指令生成部２１０にノッチ指令α*を入力する。電流指令生成部２１０は、ノッチ指令α*に基づき、第１のｄ軸電流指令値Ｉd*と、第１のｑ軸電流指令値Ｉq*を生成し、このｄ軸電流指令Ｉd*とｑ軸電流指令Ｉq*をベクトル制御部２１１に入力する。ベクトル制御部２１１は、電流指令生成部２１０から送られるｄ軸電流指令Ｉd*と、ｑ軸電流指令Ｉq*と、電流検出器２０７で検出した３相電流検出値Ｉu，Ｉv，Ｉwとから、３相電圧指令Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*を生成する。
【００１３】
電力変換器２０６は、ベクトル制御部２１１から送られる３相電圧指令Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に従い、前記の集電した直流電圧を、可変電圧，可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機２０８を駆動する。誘導電動機２０８は、電力変換器２０６から供給された交流電圧によりトルクを発生し、図示していないギアを介して車輪２０４を駆動する。
【００１４】
なお、図２では１台の誘導電動機を図示しているが、駆動する誘導電動機は２台あるいは４台など複数台でもよい。
【００１５】
次に、図１を用いてベクトル制御部２１１の詳細な構成を説明する。
【００１６】
座標変換部１は、位相指令θ*に基づいて、３相電流検出値Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ軸電流Ｉdと、ｑ軸電流Ｉqとに変換する。ｄ軸電流指令演算部６およびｑ軸電流指令演算部７は、前記の電流検出値Ｉd，Ｉqが、上位装置から与えられる第１のｄ軸およびｑ軸電流指令値Ｉd*，Ｉq*に各々一致するように、第２のｄ軸およびｑ軸電流指令値Ｉd**，Ｉq**を演算する。
【００１７】
電圧ベクトル演算部８では、演算された電流指令値Ｉd**，Ｉq**と電力変換器周波数指令ω1*と誘導電動機定数を用いて、電圧指令値Ｖd*，Ｖq*を演算し、座標変換部９は、位相指令θ*に基づいて、電圧指令Ｖd*，Ｖq*を三相電圧指令Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*に変換して、電力変換器出力電圧を制御する。
【００１８】
速度推定演算部２は、第１のｄ軸電流指令値Ｉd*と第２のｑ軸電流指令値Ｉq**とｑ軸電流検出値Ｉqと電力変換器周波数指令値ω1*に基づいて速度推定値ωr＾を演算する。
【００１９】
すべり演算部３では、第１のｄ軸電流指令値Ｉd*と第１のｑ軸電流指令値Ｉq*に基づいて、すべり周波数指令ωs*を演算する。加算器４で速度推定値ωr＾とすべり周波数指令ωs*とを加算することにより、電力変換器周波数指令ω1*を生成する。位相演算部５は、この電力変換器周波数指令ω1*を積分し、位相指令θ*を生成する。
【００２０】
以上が、本発明の誘導電動機の速度センサレスベクトル制御装置での電圧制御と速度推定演算の基本動作である。
【００２１】
次に、図３と図４を用いて、ｄ軸電流指令演算部６およびｑ軸電流指令演算部７の構成について説明する。図３は、ｄ軸電流指令演算部６の構成であり、上位装置から与えられる第１のｄ軸電流指令値Ｉd*とｄ軸電流検出値Ｉdの偏差に積分ゲインＫidを乗じて積分処理を行い、第２のｄ軸電流指令値Ｉd**を出力する。図４は、ｑ軸電流指令演算部７の構成であり、上位装置から与えられる第１のｑ軸電流指令値Ｉq*とｑ軸電流検出値Ｉqの偏差に積分ゲインＫiqを乗じて積分処理を行い、第２のｑ軸電流指令値Ｉq**を出力する。ここでは、ｄ軸電流指令演算部６およびｑ軸電流指令演算部７において、積分演算の処理を行っているが、比例あるいは比例＋積分演算に置き換えることも可能である。
【００２２】
次に、電圧ベクトル演算部８の詳細な構成を説明する。
【００２３】
電圧ベクトル演算部８では、式（１）と式（２）で示すように、第２のｄ軸電流指令値Ｉd**と第２のｑ軸電流指令値Ｉq**とモータ定数を用いて、電圧指令値Ｖd**とＶq**を演算し、電力変換機出力電圧を制御する。
【００２４】
【数１】
0005537399.tif 000002
【００２５】
【数２】
0005537399.tif 000003
【００２６】
式（１）と式（２）においてＲ1*，Ｌσ*，Ｍ*，Ｌ2*，ω1*，Ｔ2，ｓは、それぞれ誘導電動機２０８の１次抵抗設定値，漏れインダクタンス設定値，相互インダクタンス設定値，２次インダクタンス設定値，電力変換器周波数指令値，２次時定数，微分演算子である。
【００２７】
また、第２のｄ軸電流指令値Ｉd**および第２のｑ軸電流指令値Ｉq**の時間微分に関する電圧の演算においては、第２の電流指令値が第１の電流指令値と電流検出値の偏差を積分処理して演算されることから、ｄ軸電流指令演算部６およびｑ軸電流指令演算部７の積分と式（１）と式（２）の微分演算子とがキャンセルすることは明らかで、微分演算において出力信号が±∞に発散することが回避できるため、制御演算を安定に実行することができる。式（１）の第１項のカッコ内第２項と、式（１）第３項のｄ軸電流指令値Ｉd**の微分演算と、式（２）の第１項のカッコ内第２項のｑ軸電流指令値Ｉq**の微分演算については、従来の制御では無視していたが、本願においてはこれらの項を考慮することで、過渡状態においても高精度に制御することができる。そして、式（２）の第３項の速度起電力項については、従来の制御ではｄ軸電流指令が通常は一定であるため、ｄ軸磁束指令値φd*を一定として取扱っていたが、本願では第２のｄ軸電流指令値Ｉd**により、ｄ軸磁束指令値の変動についても高精度に制御することができるため、制御を安定に行うことが可能である。このように直列に、第１段目で電流指令値の演算を行い、その電流指令値に基づいて第２段目で電圧ベクトルの演算を行えば、電動機電流を電流指令値に一致させるように出力電圧が精度よく追従して制御され、高精度な制御を実現することができる。
【００２８】
次に、図５を用いて、速度推定演算部２の詳細な構成を説明する。
【００２９】
誘導電動機のｑ軸電圧方程式は、式（３）に示す通りであり、速度推定には、右辺第３項の、速度ωrとｄ軸磁束φdとに比例する電動機の速度起電力を利用する。そのため、精度よく速度の推定を行うためには、速度ωrとｄ軸磁束φdが十分な大きさの値であり、電流検出が精度よくできることが必要である。しかし、速度ωrは、車両の運転状態により零の近傍から最高速度までの範囲で変わり得るので、速度に依存せず速度推定を高精度に行うためには、第２のｄ軸電流指令値に基づいて、ｄ軸の電圧ベクトル演算を行うことにより、電動機の運転に必要なｄ軸磁束φdを高精度に制御して、十分な大きさの速度起電力を得る必要がある。
【００３０】
【数３】
0005537399.tif 000004
【００３１】
速度推定演算部２では、式（４）に示すように、ｑ軸電流検出値と、第２のｑ軸電流指令値Ｉq**と、電力変換器周波数指令ω1*とモータ定数を用いて、速度推定値ωr＾を演算する。式（４）のカッコ内の第１項はｑ軸電流指令値比例電圧演算部５０１、カッコ内の第２項はｑ軸電流検出値比例電圧演算部５０３、第３項はｑ軸電流指令値時間微分電圧演算部５０２に相当する。ゲインＫαは、所望の速度推定性能が得られるように０以上の値で調整すればよい。
【００３２】
【数４】
0005537399.tif 000005
【００３３】
また、第２のｑ軸電流指令値は、第１のｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値の偏差を積分処理して演算されることから、ｑ軸電流指令演算部７の積分と電流指令値時間微分電圧演算部５０２の微分とがキャンセルすることは明らかで、ｑ軸電流指令値時間微分電圧演算部５０２の出力信号が±∞に発散することは回避できるため、制御演算を安定に実行することができる。
【００３４】
速度推定演算において、速度推定値ωr＾と実速度ωrが一致していない場合には、速度推定値ωr＾とすべり周波数指令ωs*との加算値である電力変換器周波数指令ω1*を積分して演算される位相指令θ*は誤差を含む値になるため、この位相指令θ*に基づいて演算されるｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉd，Ｉqも誤差を含む値になるが、ｄ軸電流指令演算部６およびｑ軸電流指令演算部７と、電圧ベクトル演算部８とにより、電動機電流を電流指令値に一致するように出力電圧が制御される。この制御により、電動機電流が電流指令値に一致するときには、電力変換器周波数指令ω1*とすべり周波数指令ωs*が精度よく演算されて、位相指令θ*が電動機の位相に一致しているのであるから、結果、速度推定値ωr＾と実速度ωrとが一致する。
【００３５】
ところで、鉄道車両では、例えば、停止状態の初期速度ωr＝０から電力変換器を起動する場合と、上り坂において後退した状態すなわち負の初期速度ωr＜０から起動する場合と、電力変換器の損失を低減する目的で惰行時には電力変換器を停止させることから、正の初期速度ωr＞０から電力変換器を再起動時する場合と、がある。これらの起動時には、トルクショックを避けるために、負の速度を含む低速域から高速域までの幅広い初期速度の推定において、速度推定値ωr＾を速やかに実速度ωrに一致させる必要がある。そこで、このような初期速度を推定する場合について説明する。
【００３６】
初期速度推定時は、停止，後退または惰行の状態で制御していないのであるから、速度を推定するために電力変換器を起動するときは、第１のｑ軸電流指令値Ｉq*＝０とする。
このとき、すべり周波数指令ωs*＝０となるので、電力変換器周波数指令ω1*＝ωr＾＋ωs*と速度推定値ωr＾は一致する。ｄ軸電流検出値が第１のｄ軸電流指令値Ｉd*（電動機の運転に必要な電流値）に一致するように、かつ、ｑ軸電流検出値Ｉqが第１のｑ軸電流指令値Ｉq*＝０に一致するように出力電圧を制御すると、第２のｑ軸電流指令Ｉq**＝０、ｑ軸電流検出値Ｉq＝０となるので、その結果、速度推定演算部２の出力である速度推定値ωr＾は実速度ωrに一致させることができる。また、電流がＩd＝Ｉd*，Ｉq＝Ｉq*＝０になるように出力電圧が制御され、その結果、磁束がφd＝φd*，φq＝０に収束すれば、原理的にトルクショックは発生しないので、第１のｄ軸電流指令値Ｉd*には微小な電流値を与える必要はない。ここでは、ω1*に初期値を設定していないが、速度推定を行う速度範囲の間の正の値を初期値として与えることで、速度推定時間を短縮することができる。
【００３７】
以上のように、速度の極性に関わらず推定速度ωr＾が実速度ωrに収束し、速度推定が可能になる。
【実施例２】
【００３８】
図６は本発明の実施例２を示す。
【００３９】
実施例２は、図２に示したベクトル制御部２１１の構成の一部が実施例１と異なる実施例であり、第１のｄ軸およびｑ軸電流指令値Ｉd*，Ｉq*と、電流指令演算部６，７の出力値Ｉd**，Ｉq**との加算値により、第２のｄ軸およびｑ軸電流指令値Ｉd***，Ｉq***を演算する方式である。図６において、１〜９は図１と同一物である。１０は、第１のｄ軸電流指令値Ｉd*とｄ軸電流指令演算部６の出力値Ｉd**とを加算する加算器、１１は、第１のｑ軸電流指令値Ｉq*とｑ軸電流指令演算部７の出力値Ｉq**とを加算する加算器である。
【００４０】
本実施例では、電流指令値は基本的にＩd*とＩq*により供給される。Ｉd*とＩd，Ｉq*とＩqが各々一致することを考慮すれば、前記実施例と同様に動作し、同様の効果が得られることは明らかである。また、制御演算周期が長い場合は、制御ゲインを上げることができず、高応答を実現することができないが、本実施例のようなフィードフォワード制御をすることにより、即応性を高めることが可能になる。
【符号の説明】
【００４１】
１  座標変換部
２  速度推定演算部
３  すべり演算部
４，１０，１１  加算器
５  位相演算部
６  ｄ軸電流指令演算部
７  ｑ軸電流指令演算部
８  電圧ベクトル演算部
９  座標変換部
２０１  架線
２０２  軌道
２０３  集電器
２０４  車輪
２０５  受電フィルタ
２０５ａ  フィルタリアクトル
２０５ｂ  フィルタコンデンサ
２０６  電力変換器
２０７  電流検出器
２０８  誘導電動機
２０９  主幹制御部
２１０  電流指令生成部
２１１  ベクトル制御部
５０１  ｑ軸電流指令値比例電圧演算部
５０２  ｑ軸電流指令値時間微分電圧演算部
５０３  ｑ軸電流検出値比例電圧演算部
５０４  周波数演算部
【図１】
0005537399.tif 000006
【図２】
0005537399.tif 000007
【図３】
0005537399.tif 000008
【図４】
0005537399.tif 000009
【図５】
0005537399.tif 000010
【図６】
0005537399.tif 000011