(57)【要約】  電気車制御装置は、インバータの出力電圧を制御する電圧制御部および電動機の回転速度推定値を演算する速度推定部２０を備える。速度推定部２０は、初期速度推定値ωxを出力する初期速度推定部２０１、定常速度推定値ωyを出力する定常速度推定部２０２、定常速度推定値ωyおよびバックアップ速度ωbに基づいて補正係数ｋを演算する補正係数演算部２０３、ならびに、補正係数ｋを記憶部２０４に保持し、補正係数ｋとバックアップ速度ωbを乗算して補正速度ωb'を演算する補正速度算出部２２を備える。
2017122296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置をセンサレスで制御する電気車制御装置であって、
前記電力変換装置の出力電圧を制御する電圧制御部と、
前記電動機の回転速度推定値を演算する速度推定部と、
を備え、
前記速度推定部は、
初期速度推定値を出力する初期速度推定部と、
定常速度推定値を出力する定常速度推定部と、
前記定常速度推定値および前記電気車の一編成中に有する外部からの速度情報であるバックアップ速度に基づいて補正係数を演算する補正係数演算部と、
前記補正係数を記憶部に保持し、前記補正係数と前記バックアップ速度を乗算して補正速度を算出する補正速度算出部と、
を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記初期速度推定値をリミット範囲内に制限するリミッタを備え、
前記速度推定部は、前記補正速度に基づいて前記リミッタの閾値を決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記補正速度算出部は、前記定常速度推定値が第１の値よりも大きいときに、前記補正速度を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記補正速度算出部は、前記補正係数の演算の最中に運転指令によって前記電力変換装置が動作を停止した場合には、前記記憶部に保持されている前回の演算で求めた補正係数を使用して前記補正速度を算出することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項５】
前記補正係数演算部は、前記定常速度推定値を積分した第１の積分値と、前記速度情報を積分した第２の積分値との比に基づいて前記補正係数を演算することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項６】
前記補正係数演算部は、前記電気車が惰行中ではない場合、前記第１の積分値および前記第２の積分値をリセットすることを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
【請求項７】
前記補正係数演算部は、前記定常速度推定値および前記バックアップ速度のうちの何れか一つが判定値よりも小さい場合、前記第１の積分値および前記第２の積分値をリセットすることを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
【請求項８】
前記補正係数演算部は、前記電気車に空転が発生している場合、前記第１の積分値および前記第２の積分値をリセットすることを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
【請求項９】
前記補正係数演算部は、前記補正係数の演算の最中に運転指令によって前記電力変換装置が動作を停止した場合には、前記電力変換装置が動作を停止する前の演算結果に基づいて前記補正係数を更新することを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
【請求項１０】
前記補正速度算出部は、前記電気車が力行状態から惰行状態へ移行するとき、前記電動機へのトルク指令がゼロになった後でも前記電力変換装置の動作を継続させて前記補正速度を算出することを特徴とする請求項１から９の何れか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、電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置をセンサレスで制御する電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、電気車の車両では常設されている車速センサの出力をバックアップ速度として利用し（「バックアップ速度」の定義については後述）、誘導電動機の回転周波数に変換する車速周波数変換手段と、車速周波数変換手段の出力に基づいてロータ回転周波数演算手段からのロータ回転周波数の推定値が制御の範囲外に逸脱するのを防止するリミッタ手段を備えた電気車制御装置が開示されている。【０００３】
特許文献１に記載の電気車制御装置によれば、リミッタ手段によって、ロータ回転周波数の推定値が制御の範囲外に逸脱するのを防止できるので、電気車が惰行から再起動に至る過程における制御の不安定性が解消され、安定で信頼性の高い運転特性が得られる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３２４９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の電気車制御装置は、センサレス制御といっても、バックアップ速度を利用する方式であり、当該バックアップ速度と、電気車を駆動している電動機（以下、適宜「モータ」と称する）の実際の速度（以下「モータ実速度」と称する）との間の誤差が大きくなると、本来は速度推定の信頼性を向上するために実施されていた推定速度のリミット処理が、かえって正確な速度推定を阻害してしまって、速度推定の精度が悪化する、という問題点があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バックアップ速度を利用する方式であっても、速度推定精度の悪化を抑制することができる、電気車制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置をセンサレスで制御する電気車制御装置であって、前記電力変換装置の出力電圧を制御する電圧制御部と、前記電動機の回転速度推定値を演算する速度推定部と、を備え、前記速度推定部は、初期速度推定値を出力する初期速度推定部と、定常速度推定値を出力する定常速度推定部と、前記定常速度推定値および前記電気車の一編成中に有する外部からの速度情報であるバックアップ速度に基づいて補正係数を演算する補正係数演算部と、前記補正係数を記憶部に保持し、前記補正係数と前記バックアップ速度を乗算して補正速度を演算する補正速度算出部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、バックアップ速度を利用する方式であっても、速度推定精度の悪化を抑制することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る電気車制御装置を含む全体のシステム構成図
【図２】本実施の形態に係る速度推定部の詳細構成を示すブロック図
【図３】電気車の制御または電気車での表示に使用される速度情報の変遷を示す図
【図４】バックアップ速度とモータ実速度との間に誤差がある場合の従来技術に係る動作プロファイルを示す図
【図５】力行中のあるタイミングで補正速度の算出を行う場合の本実施の形態に係る動作プロファイルを示す図
【図６】本実施の形態の電気車制御装置における補正係数演算の処理フローを示すフローチャート
【図７】本実施の形態の電気車制御装置に係るハードウェア構成の一例を示すブロック図
【図８】本実施の形態の電気車制御装置に係るハードウェア構成の他の例を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず、本実施の形態に係る電気車制御装置を説明するにあたり、本明細書で使用する主要な用語の意味について明らかにしておく。
【００１１】
（バックアップ速度）
バックアップ速度は、電気車の車両において常設されている車速センサから得られる速度である。車速センサとしては、従輪と称される車両の非駆動輪に取り付けられたＰＧ（Pulse  Generator）センサが一般的である。ＰＧセンサで取得した速度情報は、電気車の一編成中に有する速度情報として、列車情報を管理する列車情報管理システムなどによって保持され、列車の運行または保安のために使用される。バックアップ速度を制御装置側から見ると、外部からの速度情報として位置づけられる。なお、従輪と車両の駆動輪である動輪とでは、車輪径が厳密には異なるので、バックアップ速度とモータの回転速度（以下、適宜「モータ速度」と称する）とは、必ずしも一致しない。このため、モータ速度を高精度に制御するのにバックアップ速度では不十分であり、モータに流れる電流（以下、適宜「モータ電流」と称する）を別途検出して速度推定を行ってモータを制御することが行われる。なお、動輪に車速センサを取り付けて動輪の速度を直接検出する場合もあり、このような方式はセンサ制御方式と称される。本発明が適用される方式は、動輪の速度を直接的には検出しない方式であり、センサレス制御方式と称される。
【００１２】
（定常速度推定）
センサレス制御方式において、モータの電圧指令と電流センサから取得したモータ電流とを用いて、モータ速度を推定する処理または方式を指して言う。モータを駆動するインバータがゲートオンしており、継続的に力行または回生しているときには、定常速度推定のアルゴリズム・シーケンスが適用される。なお、「定常」との用語は、下述の「初期速度推定」と区別するために付されている。
【００１３】
（初期速度推定）
電気車が惰行中のとき、インバータはゲートオフの状態である。この状態からインバータを再起動するときは、インバータの出力電圧周波数をモータ速度に合わせつつ、インバータをゲートオンする必要がある。惰行中は、モータが励磁されておらず速度推定ができないので、過電流などが生じないように再起動すべく、初期速度推定のアルゴリズム・シーケンスが用意されている。
【００１４】
（車輪径誤差）
動輪は、レールに動力を伝達するときに空転することもあるので摩耗が進むが、従輪はそれほどでもない。また、同一車両中の各車輪に径差が生じないように、車輪を切削する保守が行われることがある。このような理由によって、編成中の車輪にはある程度の径差、すなわち車輪径誤差が生ずる。
【００１５】
次に、本発明の実施の形態に係る電気車制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。また、以下の説明では、電動機が誘導電動機の場合を一例として説明するが、本発明に係る要部は、同期電動機に適用できることは言うまでもない。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る電気車制御装置を含む全体のシステム構成図である。図１において、本実施の形態に係る電気車制御装置は、電圧制御部３、ゲート駆動回路８および速度推定部２０を有してなる。ゲート駆動回路８は、電気車の構成要素であるインバータ１のスイッチング素子１ａを駆動するためのゲート駆動信号を生成してインバータ１に出力する。電圧制御部３は、電力変換装置であるインバータ１をパルス幅変調（Pulse  Width  Modulation：ＰＷＭ）制御するためのＰＷＭ信号を生成してゲート駆動回路８に出力する。速度推定部２０は、バックアップ速度ωbを使用して、電動機２の回転速度推定値である速度推定値ωeを生成して電圧制御部３に出力する。
【００１７】
次に、電気車について説明する。インバータ１における高電位側の接続端はパンタグラフ１５を介して架線１１に電気的に接続され、インバータ１における低電位側の接続端は車輪１６を介してレール１８に電気的に接続される。インバータ１は、直流を可変電圧可変周波数の交流に変換する電力変換装置である。インバータ１の交流側には、誘導電動機である電動機２が接続される。インバータ１は電動機２を駆動する。電動機２は、ギア１０を介して連結されている駆動輪１７を駆動することで電気車に駆動力を付与する。インバータ１と電動機２との間には、電流検出器４が設けられている。電流検出器４は、電動機２に流れる相電流であるモータ電流ｉu，ｉv，ｉwを検出する。電流検出器４が検出した相電流ｉu，ｉv，ｉwは、電圧制御部３に入力される。なお、図１では、直流電気車を一例として示したが、交流電気車にも適用可能であることは言うまでもない。
【００１８】
また、図１には、電圧制御部３の詳細構成が示されている。本実施の形態に係る電圧制御部３は、図示のように、電流指令生成部３１、すべり周波数演算部３２、電圧指令演算部３３、積分器３４、ＰＷＭ制御部３５および座標変換部３６を備えている。
【００１９】
座標変換部３６は、電流検出器４により検出されたモータ電流ｉu，ｉv，ｉwをｄｑ軸回転座標系の２軸に変換し、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqを演算する。ここで、ｄ軸およびｑ軸は、それぞれ磁束軸およびトルク軸と称される軸であり、両者はベクトル的に直交関係にある。
【００２０】
電流指令生成部３１は、下記（１），（２）式により、磁束指令Φ＊とトルク指令Ｔm＊とに基づいて、トルク軸電流指令であるｑ軸電流指令ｉq*と磁束軸電流指令であるｄ軸電流指令ｉd*とを演算する。
【００２１】
ｉd*＝Φ＊／Ｍ                  …（１）
ｉq*＝(Ｌ２×Ｔm＊)／(Ｍ×Φm＊)  …（２）
【００２２】
上記（１），（２）式において、Ｍは相互インダクタンス、Ｌ２は２次インダクタンスをそれぞれ表している。
【００２３】
すべり周波数演算部３２は、下記（３）式により、電流指令生成部３１からの出力であるｄ軸電流指令ｉd*およびｑ軸電流指令ｉq*に基づいて、付与すべきすべり周波数ｆsを演算する。なお、図１の例では、後述する速度推定部２０の出力に合わせるため、すべり周波数ｆsに２πを乗じたすべり速度ωsを出力している。
【００２４】
ｆs＝（Ｒ２×ｉq*）／（２π×Ｌ２×ｉq*）    …（３）
【００２５】
上記（３）式において、Ｒ２は２次抵抗、Ｌ２は２次インダクタンスをそれぞれ表している。
【００２６】
電圧指令演算部３３は、下記（４），（５）式により、電流指令生成部３１により演算されたｄ軸電流指令ｉd*およびｑ軸電流指令ｉq*、座標変換部３６の出力であるｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉq、ならびに、詳細は後述するが電圧制御部３内で生成され、電圧制御部３内で使用する角周波数ωiを入力とし、これらの入力に基づいてｄ軸電圧指令ｖd*およびｑ軸電圧指令ｖq*を演算する。
【００２７】
ｖd*＝Ｒ１×ｉd*−ωi×σ×Ｌ１×ｉq*＋（Ｋp＋Ｋi／ｓ）×（ｉd*−ｉd*）  …（４）
ｖq*＝Ｒ１×ｉq*＋ωi×σ×Ｌ１×ｉd*＋（Ｋp＋Ｋi／ｓ）×（ｉq*−ｉq*）  …（５）
【００２８】
上記（４），（５）式において、Ｒ１は１次抵抗、Ｌ１は１次インダクタンス、Ｌ２は２次インダクタンスをそれぞれ表している。また、Ｋpは電流制御比例ゲイン、Ｋiは電流制御積分ゲインをそれぞれ表している。さらに、σは下記（６）式で示される漏れインダクタンスである。
【００２９】
σ＝１−(Ｍ×Ｍ)／(Ｌ１×Ｌ２)      …（６）
【００３０】
積分器３４は、入力された角周波数ωiを積分して位相θiを演算する。角周波数ωiは、図示のようにすべり速度ωsと、詳細は後述するが速度推定部２０が生成した速度推定値ωeとを加算することで生成することができる。
【００３１】
ＰＷＭ制御部３５は、積分器３４により演算された位相θiおよび電圧指令演算部３３により演算されたｄ軸電圧指令ｖd*およびｑ軸電圧指令ｖq*に基づいて、インバータ１のスイッチング素子１ａをＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号を生成する。
【００３２】
次に速度推定部２０について説明する。速度推定部２０は、電圧指令演算部３３により演算されたｄ軸電圧指令ｖd*およびｑ軸電圧指令ｖq*、座標変換部３６の出力であるｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉq、ならびに、バックアップ速度ωbを入力とし、これらの入力に基づいて、電動機２の速度推定値ωeを生成して電圧制御部３に出力する。上述したように、バックアップ速度ωbは、電気車の一編成中に有する速度情報として入力されるものであり、図示しない列車情報管理システムが管理している速度情報、従輪に取り付けられた図示しない車速センサからの速度情報などが例示される。なお、以下の説明では、従輪に取り付けられた車速センサからの速度情報が入力される場合を一例として説明する。
【００３３】
図２は、図１に示した速度推定部２０の詳細構成を示すブロック図である。本実施の形態に係る速度推定部２０は、図２に示すように、初期速度推定部２０１、定常速度推定部２０２、補正係数演算部２０３、記憶部２０４、乗算器２０５、リミッタ２０６および出力切替器２０７を備えている。なお、記憶部２０４および乗算器２０５は、補正速度算出部２２として機能する。
【００３４】
初期速度推定部２０１は、ｄ軸電圧指令ｖd*およびｑ軸電圧指令ｖq*、ならびに、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqを入力とし、これらの入力に基づいて、初期速度推定値ωxを推定する。なお、初期速度推定値ωxを推定する手法は公知であり、ここでの詳細な説明は割愛する。
【００３５】
定常速度推定部２０２は、ｄ軸電圧指令ｖd*およびｑ軸電圧指令ｖq*、ならびに、ｄ軸電流ｉdおよびｑ軸電流ｉqを入力とし、これらの入力に基づいて、定常速度推定値ωyを推定する。なお、定常速度推定値ωyを推定する手法も公知であり、ここでの詳細な説明は割愛する。
【００３６】
補正係数演算部２０３は、バックアップ速度ωbおよび定常速度推定値ωyを入力とし、補正係数ｋを演算して記憶部２０４に記憶する。記憶部２０４には最新の補正係数ｋが保持され、乗算器２０５に出力される。補正係数ｋとしての典型的な例は、定常速度推定値ωyとバックアップ速度ωbとの比、すなわちωy／ωbを補正係数ｋとして算出することである。なお、後述するように積分処理を行って補正係数ｋを求めてもよい。また、補正係数演算部２０３は、補正係数ｋをリアルタイムに演算する必要はなく、補正係数ｋの算出頻度を１日に１回程度に設定してもよい。また、駆動輪の車輪径が有意的に変動するのは、数日単位もしくは週単位と考えることもできるので、これらの単位を補正係数ｋの算出頻度としてもよい。なお、列車の運行時に行う場合の留意点については後述する。
【００３７】
図２の説明に戻り、乗算器２０５は、バックアップ速度ωbに補正係数ｋを乗じたｋωbの値を補正速度としてリミッタ２０６に出力する。図２では、補正後のバックアップ速度である補正速度をωb'で表しており、バックアップ速度ωbと補正速度ωb'との間には、ωb'＝ｋωbの関係がある。
【００３８】
リミッタ２０６は、初期速度推定値ωxおよび補正速度ωb’を入力とし、これらの入力に基づいてリミッタ２０６の閾値を決定する。決定された閾値により、リミッタ２０６は、リミット範囲内に制限された初期速度推定値ωx'を生成する。なお、本実施の形態において、リミッタ２０６の機能については、上述した特許文献１に開示された手法を用いる。処理の細部は、特許文献１に詳細に開示されているため、ここでの詳細な説明は省略する。なお、特許文献１に記載された全ての内容もしくはその一部の内容は、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を構成する。
【００３９】
リミッタ２０６の出力、すなわちリミット範囲内に制限された初期速度推定値ωx'および定常速度推定値ωyは、出力切替器２０７に入力される。出力切替器２０７では、リミット範囲内に制限された初期速度推定値ωx'および定常速度推定値ωyのうちの何れか一つが選択され、選択された値が速度推定値ωeとして出力される。
【００４０】
上記の処理について一部補足する。記憶部２０４の出力である補正係数ｋは、定常速度推定値ωyとバックアップ速度ωbとの比で求めることができるので、演算時点における正確な車輪径情報がなくても車輪径誤差の影響を補正することが可能である。実際のところ、車輪を切削する前の標準の車輪径情報だけをインプットしておけば、列車を運行していく中で車輪が摩耗したり、メンテナンスのために車輪を切削したりしても、定常速度推定値ωyの値が摩耗または切削に追従して行くので、常に適切な補正係数に更新されて行くことになる。
【００４１】
次に、「速度」という用語が持つ意味について説明する。図３は、速度という概念を有し電気車での表示または電気車の制御に使用される情報の変遷を示す図である。従輪の速度情報を使用する場合、まずは、従輪に取り付けられたＰＧセンサの出力が取得され、ＰＧセンサの出力は従輪の回転速度に単位換算される。従輪の回転速度の単位としては、「Ｈｚ」、［ｒａｄ／ｓ］などが使用される。従輪の回転速度は従輪の車輪径を用いて車速に単位換算される。車速は運転台に表示される。車速の単位としては、「ｍ／ｓ」、［ｋｍ／ｈ］などが使用される。
【００４２】
また、車速は、動輪の車輪径を用いて動輪の回転速度に単位換算される場合がある。動輪の回転速度の単位としては、「Ｈｚ」、［ｒａｄ／ｓ］などが使用される。さらに、動輪の回転速度は、動輪の車輪径、ギア比、モータ極対数を用いてモータ機械速度およびモータ電気速度に単位換算される場合がある。モータ機械速度およびモータ電気速度の単位としては、「Ｈｚ」、［ｒａｄ／ｓ］などが使用される。
【００４３】
以上のように、電気車での表示または電気車の制御では、速度という概念を有する用語が複数存在するが、何れも１対１に対応し、且つ、それらの用語間で単位換算をしているに過ぎない。このため、バックアップ速度として、どのような用語のものを使用してもよい。
【００４４】
次に、本実施の形態の電気車制御装置における要部動作および電気車制御装置が有する効果について図４および図５の図面を参照して説明する。図４は、現状の課題を説明するための図であり、バックアップ速度とモータ実速度との間に誤差がある場合の動作プロファイルを示している。図５は、本実施の形態に係る電気車制御装置の動作を図４に対比して説明する図であり、力行中のあるタイミングで補正速度の算出を行う場合の動作プロファイルを示している。図４および図５において、実線で表す曲線Ｋ１はモータ実速度を表し、一点鎖線で示す曲線Ｋ２はバックアップ速度を表し、破線で示す曲線Ｋ３は推定速度を表している。
【００４５】
まず、図４に示す動作プロファイルについて説明する。ゼロ速起動からインバータ停止までの力行区間において、速度が比較的小さな速度域では、車輪径誤差影響は小さく、初期速度推定にはあまり影響しない。一方、この力行区間において、速度が比較的大きな速度域では、車輪径誤差の影響が大きくなり、バックアップ速度とモータ実速度との間の誤差が大きくなる。インバータ停止から再起動（「再力行」とも言う）までの惰行区間においては、モータトルクがゼロに制御され、モータ電流が流れないか、もしくはモータ電流が小さいので、一般的に速度推定は行われない。この状態で再力行を行うと、図示のように、バックアップ速度とモータ実速度との間に大きな誤差があり、また、リミッタの処理によって推定速度のリミット範囲が図示するようなΔｖの範囲に制限されるので、再起動時の初期速度推定が失敗する可能性が高くなるという課題があった。
【００４６】
これに対し、図５に示す動作プロファイルでは、ゼロ速起動からインバータ停止までの力行区間において、補正速度の算出処理を行う点が図４との相違点である。図示のように、力行区間におけるあるタイミングで、上述した補正速度の算出処理を実施すると、バックアップ速度とモータ実速度との間の誤差が小さくなり、バックアップ速度がモータ実速度に接近する。この状態で惰行区間を迎えても誤差は小さい。したがって、図示のように、誤差が小さい状態で再起動を実施することができ、また、リミッタ処理による推定速度のリミット範囲が悪さをすることもなく、再起動時の初期速度推定が失敗する可能性を大幅に低減することができる。なお、誤差が小さい状態で再起動を実施することができるので、構成を簡略化するために、リミッタを省略してもよい。また、あるタイミングとは、定常指定速度が第１の値よりも大きいときとすることができる。第１の値は、ある路線またはある走行区間における電気車の最高速度を元に、例えば当該最高速度の４０％値、または６０％値などと設定してもよい。
【００４７】
また、図５の動作プロファイルでは、補正速度の算出処理を力行区間において実施しているが、惰行区間において実施してもよい。惰行区間においては、通常、車速が一定に制御されるので、バックアップ速度の変動も小さくなり、補正速度の算出精度が高くなることが予想される。なお、トルク電流指令がゼロに設定されている場合、または、加速度がゼロの場合も、車速が一定の場合とほぼ同義であるため、このようなタイミングも算出処理実施のタイミングとして適している。
【００４８】
特に、車速センサの情報ではなく外部のシステムが管理している速度情報をバックアップ速度として貰う実施形態の場合、伝送遅延によってバックアップ速度更新の時間遅れがあるため、補正速度の算出処理を加速中に行うと、誤差が大きくなる可能性がある。このような場合でも、車速が一定の場合には、伝送遅延の影響を受けないので、誤差が大きくなるのを回避することができる。
【００４９】
なお、補正速度の算出処理を惰行区間において実施する場合、図５では、力行区間から惰行区間に移行する際に、インバータ１の動作を停止しているが、インバータ１の動作を短時間継続させて補正速度の算出処理を行ってもよい。定常速度の推定処理は、インバータ１の動作と連動するため、電気車制御装置から電動機２へのトルク指令がゼロになった後でも、インバータ１の動作を短時間継続させれば、定常速度の推定処理も継続するので、制御系の動作が安定している状態で、補正速度の算出処理を実施できるという効果がある。
【００５０】
次に、補正係数の演算に係る処理フローについて図６を参照して説明する。図６は、本実施の形態の電気車制御装置における補正係数演算の処理フローを示すフローチャートである。なお、図６のフローチャートをどの程度の演算周期で繰り返すかについては自由度があり、補正係数の更新頻度、後述するＣＰＵの能力に応じて決定することができる。
【００５１】
図６において、ステップＳ１０１では、定常速度推定が有効であるか否かを判定する。定常速度推定が有効でなければ（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、ステップＳ１０２に移行する。ステップＳ１０２では、後述するステップＳ１０６の処理で演算されている定常速度推定値ωyの積分値およびバックアップ速度ωbの積分値の双方をリセットして（以下「積分値のリセット処理」と称する）、ステップＳ１０１の処理に戻る。一方、定常速度推定が有効であれば（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。
【００５２】
ステップＳ１０３では、電気車が惰行中であるか否かを判定する。電気車が惰行中でなければ（ステップＳ１０３，Ｎｏ）、ステップＳ１０２に移行して積分値のリセット処理を行ってステップＳ１０１の処理に戻る。一方、電気車が惰行中であれば（ステップＳ１０３，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４に進む。
【００５３】
ステップＳ１０４では、定常速度推定値ωyおよびバックアップ速度ωbのうちの小さい方が判定値よりも大きいか否か、別言すれば定常速度推定値ωyおよびバックアップ速度ωbのうちの何れも判定値より大きいか否かを判定する。定常速度推定値ωyおよびバックアップ速度ωbのうちの何れか一つが判定値よりも小さい場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、ステップＳ１０２に移行して積分値のリセット処理を行ってステップＳ１０１の処理に戻る。一方、定常速度推定値ωyおよびバックアップ速度ωbのうちの何れも判定値より大きい場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進む。
【００５４】
ステップＳ１０５では、電気車に空転が発生しているか否かを検知する。電気車が空転を検知していれば（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に移行して積分値のリセット処理を行ってステップＳ１０１の処理に戻る。一方、電気車が空転を検知していなければ（ステップＳ１０５，Ｎｏ）、ステップＳ１０６に進む。
【００５５】
ステップＳ１０６では、第１の積分値である定常速度推定値ωyの積分値および第２の積分値であるバックアップ速度ωbの積分値を更新する。
【００５６】
ステップＳ１０７では、積分時間の経過時間を判定し、積分時間が所望する経過時間に達していなければ（ステップＳ１０７，Ｎｏ）、ステップＳ１０１の処理に戻る。一方、積分時間が所望する経過時間に達していれば（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８に進み、定常速度推定値ωyの積分値とバックアップ速度ωbの積分値との比を補正係数ｋとして演算し、図６の処理フローを終了する。
【００５７】
図６の処理フローによれば、定常速度推定値ωyの積分値およびバックアップ速度ωbの積分値を使用して補正係数ｋを演算しているので、定常速度推定値ωyおよびバックアップ速度ωbとして異常な値が紛れ込んで来ても、その影響を殆ど受けずに補正係数ｋを演算することができるという効果がある。
【００５８】
なお、図６の処理フローでは、惰行中ではない場合（ステップＳ１０３，Ｎｏ）、定常速度推定値ωyおよびバックアップ速度ωbのうちの何れか一つが判定値よりも小さい場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、電気車が空転を検知している場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）に、積分値のリセット処理を行っているが、積分値のリセット処理は行わず、そのときのデータのみを破棄することで対応してもよい。このような処理とすれば、過去に取得したデータを有効に活用できるという効果がある。
【００５９】
また、補正係数の演算の最中に運転指令によってインバータが動作を停止した場合には、インバータが動作を停止する前の積分値のみを使用して補正係数を演算し、補正係数を更新するようにしてもよい。このようにすれば、積分したデータを無駄にすることなく、補正係数の更新が可能になる。
【００６０】
最後に、電圧制御部３および速度推定部２０のハードウェア構成について説明する。図７は、電圧制御部３および速度推定部２０のハードウェア構成を示すブロック図である。電圧制御部３および速度推定部２０の機能をソフトウェアで実現する場合には、図７に示すように、演算を行うＣＰＵ（Central  Processing  Unit：中央処理装置）１００、ＣＰＵ１００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ１０２および信号の入出力を行うインターフェイス１０４を含む構成とすることができる。なお、ＣＰＵ１００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）などと称されるものであってもよい。また、メモリ１０２とは、例えば、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable  Programmable  ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically  EPROM）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital  Versatile  Disc）、ＢＤ（Blu-ray（登録商標）  Disc）などが該当する。
【００６１】
具体的には、メモリ１０２には、電圧制御部３および速度推定部２０の機能を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ１００は、インターフェイス１０４を介して、モータ電流ｉu，ｉv，ｉw、ｄ軸電流指令ｉd*、ｑ軸電流指令ｉq*、ｄ軸電流ｉd、ｑ軸電流ｉq、角周波数ωi、ｄ軸電圧指令ｖd*およびｑ軸電圧指令ｖq*、バックアップ速度ωb、および速度推定値ωeの情報を受領する。
【００６２】
電圧制御部３の機能を実現する場合、電圧制御部３用のプログラムをメモリ１０２に格納しておき、このプログラムをＣＰＵ１００が実行することにより、電圧制御部３の機能が実現される。
【００６３】
速度推定部２０の機能を実現する場合、速度推定部２０用のプログラムをメモリ１０２に格納しておき、このプログラムをＣＰＵ１００が実行することにより、速度推定部２０の機能が実現される。
【００６４】
電圧制御部３および速度推定部２０の機能をハードウェアで実現する場合には図８のように構成することができる。図８によれば、図７に示すＣＰＵ１００およびメモリ１０２に代えて処理回路１０３が設けられている。図８に示す構成の場合、演算を行うのは処理回路１０３であり、インターフェイス１０４を介して、モータ電流ｉu，ｉv，ｉw、ｄ軸電流指令ｉd*、ｑ軸電流指令ｉq*、ｄ軸電流ｉd、ｑ軸電流ｉq、角周波数ωi、ｄ軸電圧指令ｖd*およびｑ軸電圧指令ｖq*、バックアップ速度ωb、および速度推定値ωeの情報を受領する。
【００６５】
処理回路１０３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳｉＣ（Application  specific  integrated  circuit）、ＦＰＧＡ（Field-programmable  gate  array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。電圧制御部３および速度推定部２０の機能を処理回路１０３に構築することで、電圧制御部３および速度推定部２０の機能を実現することができる。
【００６６】
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１  インバータ、１ａ  スイッチング素子、２  電動機、３  電圧制御部、４  電流検出器、８  ゲート駆動回路、１０  ギア、１１  架線、１５  パンタグラフ、１６  車輪、１７  駆動輪、１８  レール、２０  速度推定部、２２  補正速度算出部、３１  電流指令生成部、３２  すべり周波数演算部、３３  電圧指令演算部、３４  積分器、３５  ＰＷＭ制御部、３６  座標変換部、１００  ＣＰＵ、１０２  メモリ、１０３  処理回路、１０４  インターフェイス、２０１  初期速度推定部、２０２  定常速度推定部、２０３  補正係数演算部、２０４  記憶部、２０５  乗算器、２０６  リミッタ、２０７  出力切替器。
【図１】
2017122296.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年6月21日(2018.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置をセンサレスで制御する電気車制御装置であって、
前記電力変換装置の出力電圧を制御する電圧制御部と、
前記電動機の回転速度推定値を演算する速度推定部と、
を備え、
前記速度推定部は、
定常速度推定値を出力する定常速度推定部と、
前記定常速度推定値および前記電気車の一編成中に有する外部からの速度情報であるバックアップ速度を入力とし、補正係数を演算する補正係数演算部と、
前記補正係数と前記バックアップ速度を乗算して補正速度を算出する補正速度算出部と、
を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記速度推定部は、
初期速度推定値を出力する初期速度推定部と、
前記初期速度推定値をリミット範囲内に制限するリミッタと、
を備え、
前記速度推定部は、前記補正速度に基づいて前記リミッタの閾値を決定する
ことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
前記補正速度算出部は、前記定常速度推定値が第１の値よりも大きいときに、前記補正速度を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
前記補正速度算出部は、前記補正係数を記憶部に保持し、前記補正係数の演算の最中に運転指令によって前記電力変換装置が動作を停止した場合には、前記記憶部に保持されている前回の演算で求めた補正係数を使用して前記補正速度を算出することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項５】
前記補正係数演算部は、前記定常速度推定値を積分した第１の積分値と、前記速度情報を積分した第２の積分値との比に基づいて前記補正係数を演算することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【請求項６】
前記補正係数演算部は、前記電気車が惰行中ではない場合、前記第１の積分値および前記第２の積分値をリセットすることを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
【請求項７】
前記補正係数演算部は、前記定常速度推定値および前記バックアップ速度のうちの何れか一つが判定値よりも小さい場合、前記第１の積分値および前記第２の積分値をリセットすることを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
【請求項８】
前記補正係数演算部は、前記電気車に空転が発生している場合、前記第１の積分値および前記第２の積分値をリセットすることを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
【請求項９】
前記補正係数演算部は、前記補正係数の演算の最中に運転指令によって前記電力変換装置が動作を停止した場合には、前記電力変換装置が動作を停止する前の演算結果に基づいて前記補正係数を更新することを特徴とする請求項５に記載の電気車制御装置。
【請求項１０】
前記補正速度算出部は、前記電気車が力行状態から惰行状態へ移行するとき、前記電動機へのトルク指令がゼロになった後でも前記電力変換装置の動作を継続させて前記補正速度を算出することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の電気車制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電気車を駆動する電動機に電力を供給する電力変換装置をセンサレスで制御する電気車制御装置であって、前記電力変換装置の出力電圧を制御する電圧制御部と、前記電動機の回転速度推定値を演算する速度推定部と、を備え、前記速度推定部は、定常速度推定値を出力する定常速度推定部と、前記定常速度推定値および前記電気車の一編成中に有する外部からの速度情報であるバックアップ速度を入力とし、補正係数を演算する補正係数演算部と、前記補正係数と前記バックアップ速度を乗算して補正速度を算出する補正速度算出部と、を備えたことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
これに対し、図５に示す動作プロファイルでは、ゼロ速起動からインバータ停止までの力行区間において、補正速度の算出処理を行う点が図４との相違点である。図示のように、力行区間におけるあるタイミングで、上述した補正速度の算出処理を実施すると、バックアップ速度とモータ実速度との間の誤差が小さくなり、バックアップ速度がモータ実速度に接近する。この状態で惰行区間を迎えても誤差は小さい。したがって、図示のように、誤差が小さい状態で再起動を実施することができ、また、リミッタ処理による推定速度のリミット範囲が悪さをすることもなく、再起動時の初期速度推定が失敗する可能性を大幅に低減することができる。なお、誤差が小さい状態で再起動を実施することができるので、構成を簡略化するために、リミッタを省略してもよい。また、あるタイミングとは、定常速度推定値が第１の値よりも大きいときとすることができる。第１の値は、ある路線またはある走行区間における電気車の最高速度を元に、例えば当該最高速度の４０％値、または６０％値などと設定してもよい。 
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
ステップＳ１０４では、定常速度推定値ωｙおよびバックアップ速度ωｂのうちの小さい方が判定値よりも大きいか等しいかを判定する。定常速度推定値ωｙおよびバックアップ速度ωｂのうちの何れか一つが判定値よりも小さい場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、ステップＳ１０２に移行して積分値のリセット処理を行ってステップＳ１０１の処理に戻る。一方、定常速度推定値ωｙおよびバックアップ速度ωｂのうちの何れも判定値より大きいか等しい場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進む。
【国際調査報告】
2017122296.tif 000011
2017122296.tif 000012
2017122296.tif 000013
2017122296.tif 000014