(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から供給された直流電力を変換する電力変換手段と、該電力変換手段で変換された電力の供給を受ける交流電動機と、該交流電動機が発生すべきトルクの指令であるトルク指令を演算すると共に、該トルク指令と前記交流電動機の回転速度に基づいてトルク制御成分指令と界磁制御成分指令を演算し、これら指令に基づいて前記電力変換手段を制御するための信号を出力して前記電力変換手段を制御する制御手段とを有する電気車の制御装置において、前記交流電動機が回生制動を行っている場合、前記交流電動機が発生する回生制動トルクを前記電源の電圧に基づいて変え、前記電源の電圧が上昇した場合には前記回生制動トルクを大きくすることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気車の制御装置において、前記電源の電圧に基づいて前記トルク制御成分指令と前記界磁制御成分指令を補正し、前記回生制動トルクを変えることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電気車の制御装置において、前記トルク制御成分指令と前記界磁制御成分指令の補正量は、前記電源の電圧を入力とした任意の関数に基づいて設定されることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電気車の制御装置において、前記交流電動機の回生制動時における前記トルク指令は、前記交流電動機の力行制御時における前記トルク指令に対して大きくなるように設定されることを特徴とする電気車の制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電気車の制御装置において、前記交流電動機の回生制動時における前記トルク指令は、前記電源の電圧を入力とした任意の関数に基づいて設定されることを特徴とする電気車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電動機を制御する電気車の制御装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平３−７０４０２号公報に示されているように、電気自動車の制動を行うための制動力は一般に、液圧制動装置による機械制動力と回生制動による電気制動力により行われることがよく知られている。本内容は、機械制動力と回生制動力の合力によりまかなわれる制動力が、電気自動車の車速が高い場合、すなわち電動機の回転数が高く、回生制動トルクが低下している場合、その不足する回生制動トルクを電磁ブレーキによる制動装置の制動力に分担することによって、電気自動車の車速によらず常に一定の減速度を得ることが出来る点が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、電気自動車が高速域で走行している場合、つまり電動機が高速回転している場合に生じる制動力不足を補うものとして、電気自動車の駆動系に電磁ブレーキによる制動力に分担させているが、これは当然ながら余分な装置を電気自動車に付加することとなり、また車両が低速で走行している状態、つまり、電動機の回転数が低い場合にはこの電磁ブレーキによる制動力が不要であるため、制動力を補うためのこの余分な装置を付加することは得策ではないと考えられる。
【０００４】
本発明の目的は、電気車の走行時に、電動機が高速回転している場合でも回生制動力が低下しないようにし、一定以上の制動力を得られるようにした電気車の制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記電気車の制御装置は、電源から供給された直流電力を変換する電力変換手段と、この電力変換手段で変換された電力の供給を受ける交流電動機と、この交流電動機が発生すべきトルクの指令であるトルク指令を演算すると共に、このトルク指令と交流電動機の回転速度に基づいてトルク制御成分指令と界磁制御成分指令を演算し、これら指令に基づいて電力変換手段を制御するための信号を出力して電力変換手段を制御する制御手段とを有するものにおいて、交流電動機が回生制動を行っている場合、交流電動機が発生する回生制動トルクを電源の電圧に基づいて変え、電源の電圧が上昇した場合には回生制動トルクを大きくすることにより達成できる。
【０００６】
上記電気車の制御装置において、回生制動トルクは、電源の電圧に基づいてトルク制御成分指令と界磁制御成分指令を補正することにより変える。
【０００８】
上記電気車の制御装置において、トルク制御成分指令と界磁制御成分指令の補正量は、電源の電圧を入力とした任意の関数に基づいて設定される。
【０００９】
上記電気車の制御装置において、交流電動機の回生制動時におけるトルク指令は、交流電動機の力行制御時におけるトルク指令に対して大きくなるように設定される。
【００１０】
上記電気車の制御装置において、交流電動機の回生制動時におけるトルク指令は、電源の電圧を入力とした任意の関数に基づいて設定される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電気車の制御装置の実施例を図をもとに説明する。
【００１２】
図１は本発明の電気車の制御装置の基本構成を示す図である。電気車の制御装置には、運転者の意志を電気的な信号に変換するアクセル装置１，ブレーキ装置２，シフト装置３が備えられており、運転者が行った操作は電気信号として制御手段４の内部の演算手段５に伝達される。演算手段５はアクセル装置１，ブレーキ装置２，シフト装置３の信号と、電動機９の回転を回転検出手段１０で検出した信号である回転検出信号１２の信号を取り込み、駆動信号１１を演算出力する。駆動信号１１は電力変換手段６の内部の電力変換素子８に伝達され、電源７の電力を変換して電動機９に供給し、電動機９がトルクを発生して電気車を走行駆動する。電動機９に流れた電流は電流検出手段１３によって検出され電流検出信号１４として演算手段５に伝達される構成となっている。
【００１３】
図２は電気車の制御装置における、本発明を適用しない場合の電動機９の出力特性を示す図である。電動機９は制御手段４の演算手段５で演算する指令値をもとにトルクを発生するが、その出力トルク特性は横軸に電動機９の回転数Ｎｍ、縦軸に出力トルクτｍをとって表わすと図２に示すように電動機９の回転数が領域Ａの範囲では最大トルクを一定に出力できるようになっている。領域Ｂの電動機９の回転数Ｎｍが高速回転になるほど、出力できるトルクは電動機９の回転数Ｎｍに対して低下していき、最高回転数の時点ではτ１までのトルクになる。これは一般的な交流電動機制御の場合、電力変換手段６により電動機９に印加できる電圧が電源７の電圧により決まってしまうことと、交流電動機を高速まで回転させる場合、例えば永久磁石式同期電動機を用いた場合などは高速回転に応じて発生する誘起電圧を抑制し高速まで回転させる、いわゆる弱め界磁制御を行うため電動機９に流す電流に高速回転では弱め界磁をするための電流分が含まれることとなり、その結果電力変換手段６が通電できる電流制限の内トルクを発生するための電流分が相対的に小さくなるため、高速域で出力トルクが小さくなるという動作になる。
【００１４】
一般的な電動機の出力特性は、このように弱め界磁を行うことによって、定トルク，定出力（一定ワット），定電圧（定電動機電圧）という動作を行うようになっている。
【００１５】
図２に示す実施例においては、この弱め界磁を行うことにより、電動機９の回転数Ｎｍに対する電動機９の電圧Ｖ１は領域Ａの範囲では電動機９の回転数Ｎｍに比例して増加していき、領域Ｂでは電動機９の回転数Ｎｍによらず一定の電圧になるように弱め界磁制御している。この電動機９の電圧Ｖ１は、電源７の電圧ＶＢにより上限が決まる値であり、通常のＰＷＭインバータを例にとると、電圧ＶＢの７０％程度が電圧Ｖ１の上限値になる。また、ＰＷＭインバータなどの電力変換手段６は、流すことができる電流の最大値が電力変換素子８の容量によってきまることから、この通電可能最大電流と電圧Ｖ１から電動機９が出力できる最大トルクが決まることとなる。
【００１６】
言い換えれば、電圧ＶＢが高ければそれだけ電動機９の電圧Ｖ１を高くできるため、同じだけ電動機電流を流すとすれば、電動機９の電圧Ｖ１が高い方がトルクを多く発生できることになる。この最大トルク特性は力行の場合でも回生の場合でも基本的に対称であり、どのような動作状態でも出力可能なトルクは同じである。つまり最高回転における力行時の最大トルクをτ１、回生時の最大トルクをτ２とするとこのトルクはτ１＝τ２の特性となる。
【００１７】
図３は本発明の電気車の制御装置における、制御手段４の内部の演算手段５の処理内容の一例を示すブロック図である。アクセル装置１，ブレーキ装置２，シフト装置３からの信号はそれぞれアクセル信号１５，ブレーキ信号１６，シフト信号１７としてトルク指令演算手段１８に入力される。回転検出信号１２は回転数演算手段１９によって演算を行い、電動機回転数２０を算出しトルク指令演算手段１８に伝達する。トルク指令演算手段１８では、入力した信号をもとに電動機９が発生すべきトルクの演算を行い、トルク指令２１として出力する。トルク指令２１はトルク成分電流発生器２２と界磁成分電流発生器２３にそれぞれ入力し、同時に電動機回転数２０も入力してトルク成分電流指令２４と界磁成分電流指令２５を演算出力する。トルク成分電流指令２４と界磁成分電流指令２５は電流制御手段２６に伝達される。電流検出信号１４は電流変換手段２７によって変換を行い、変換電流値２８を出力する。電流制御手段２６はトルク成分電流指令２４と界磁成分電流指令２５と変換電流値２８をもとに電流制御を行い、電圧指令値２９を出力する。駆動信号発生手段３０では電圧指令値２９の値をもとに、電力変換手段６に伝達する駆動信号１１を生成し、電力変換手段６を動作させて電動機９に電流を流し、トルクを発生させる構成となっている。ここで、界磁成分電流発生器２３からの界磁成分電流指令２５は先に図２で述べた弱め界磁を行うための電流指令であり、図２で述べたように高速回転時に電動機９の電圧Ｖ１が一定になるように電動機９に電流を流す動作を行う。
【００１８】
図４は本発明の電気車の制御装置における制御ブロック図を示す図である。
【００１９】
図３で説明したブロック図と同様にトルク指令２１と電動機回転数２０からトルク成分電流指令２４と界磁成分電流指令２５を算出し電流制御手段２７で電流制御を行って駆動信号１１を発生するが、その処理の他に電源７の電圧検出値  ３１の値とアクセル装置１とブレーキ装置２とシフト装置３と電動機回転数２０の値から発生する力行／回生モードフラグ３３の値をもとに、力行／回生モードフラグ３３が回生モードを示している場合には補正係数算出手段３２において電源７の電圧ＶＢより電動機９の電圧Ｖ１を補正するための電圧補正係数３４を演算出力する。電圧補正係数３４は、トルク成分電流補正手段３５と界磁成分電流補正手段３６それぞれに伝達され、トルク成分電流補正手段３５ではトルク成分電流指令２４の値を、界磁成分電流補正手段３６では界磁成分電流指令２５を電圧補正係数３４によって補正を行う。この補正によって補正トルク成分電流指令３７と補正界磁成分電流指令３８を演算し、電流制御手段２６で電流制御を行い、駆動信号１１を発生して電力変換手段６を動作させ、電動機９に電流を通電してトルクを発生させる。
【００２０】
このような処理を行うことによって、トルク指令演算手段で電気車の制御装置の動作が力行か回生かを判別して、回生動作時には回生制動によって上昇する電源７の電圧ＶＢに応じて電動機９の電圧Ｖ１が高くなるように、つまり弱め界磁を弱くする動作をさせるよう電圧補正係数３４を発生し界磁成分電流指令２５を界磁成分電流補正手段３６によって補正する。界磁成分電流指令２５のみの補正では、トルク指令２１に対する電動機９の出力トルクが合わなくなることが想定されるため、その補正のために電圧補正係数３４の値によりトルク成分電流補正手段３５にてトルク成分電流指令２４も補正し、トルク指令２１に対する電動機９が発生するトルクが常に一致するように補正を行う。また、補正係数算出手段３２の演算方法は、電源７の電圧ＶＢに比例して電圧補正係数３４を発生させてもよいし、電源７の電圧ＶＢを入力とした関数または規定のパターンやテーブルをもとに電圧補正係数３４を発生させるようにしてもよい。また、この電圧補正係数３４による補正は、力行／回生の動作状態によらず、電源７の電圧ＶＢのみで補正を行うようにしてもよい。
【００２１】
図５に補正係数算出手段３２によって弱め界磁の補正を行う場合での、電源７の電圧ＶＢに対する電動機９の電圧Ｖ１の関係を示す。電源７の電圧ＶＢがＶＢ１  以下の場合には電動機９の電圧Ｖ１はＶ１ｍｉｎ  になるように弱め界磁を行う。回生制動によって電源７の電圧ＶＢが上昇してきた場合には電圧ＶＢに従ってＶＢａ  では電動機９の電圧Ｖ１はＶ１ａ、ＶＢｂではＶ１ｂ、ＶＢｃではＶ１ｃとなるように電動機９の電圧Ｖ１を弱め界磁制御を行うことにより調節していく。電源７の電圧ＶＢがＶＢ２まで達した場合には電動機９の電圧Ｖ１はＶ１ｍａｘ  以上上昇しないように補正を行う。このＶ１ｍａｘ  は電力変換手段６や電力変換素子８の耐圧などから決めるようにする。このように電源７の電圧ＶＢに応じて電動機９の電圧Ｖ１を変化させることによって、電圧ＶＢが高い場合には電動機９の電圧Ｖ１を高く設定できるため、電動機９に同じだけ電流を流した場合には電圧Ｖ１が高い方が電動機９への入力が大きいためにより大きなトルクを電動機９に発生させることができるようになる。
【００２２】
図６に本発明の電気車の制御装置における、電動機９の電圧Ｖ１を変化させた場合の最大トルク特性を示す。横軸に電動機９の回転数Ｎｍ、縦軸に出力トルクτｍと電動機９の電圧Ｖ１として表わすと、力行は正のトルク、回生は負のトルクで表わすことができる。ここで通常の力行においては、電動機９の回転数Ｎｍに対する電圧Ｖ１は、Ｖｌｍｉｎ  で示すようにある任意の回転数Ｎｆから弱め界磁制御によって電圧Ｖ１を一定になるように調整する。この電圧Ｖｌは電気車の制御装置の動作範囲内で、電源７の電圧ＶＢが一番低下した場合または動力性能を保証する下限の電圧ＶＢに合わせて設定するのが普通である。しかし回生制動を行った場合には電源７の電圧ＶＢも上昇する。そのために必ずしも電源７の電圧ＶＢが最も低下した場合に合わせて電動機９の電圧Ｖ１を決める必要はない。そこで回生制動時には上昇する電圧ＶＢに合わせて電動機９の電圧Ｖ１の上限を  Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｃと段階的または電圧ＶＢに比例するように弱め界磁制御を補正する。このようにすることによって、電動機９に同じだけの電流を流した場合には、電動機９の電圧を高くした方が回生制動のためのトルクを多く電動機９に発生させることができるようになるため、その結果回生制動のトルクは電動機９の電圧がＶ１ａの時はτａ、Ｖ１ｂの時はτｂ、Ｖ１ｃの時はτｃと、回生制動トルクも大きく発生させることができるようになる。
【００２３】
図７に本発明の電気車の制御装置を適用した場合の最大トルク特性を示す。先に述べたように従来の制御では、力行と回生のトルクが対象な出力となるため、図の斜線で示す領域のように回生制動トルクを高速域で力行時のトルク以上の値で、つまりτ１＝τ２からτ１＜τ２となるように制動トルクを発生させて、一定以上かつ回転数による制動力の変化の無い減速度を得たい場合にも、要求回生制動トルクτｒｔに対してτｕだけ制動トルクが不足することが避けられなかった。この場合には本来τｒｔのレベルの回生制動トルクが必要な高速域で逆に回生制動トルクが低下してしまうために、高速域でも強い回生制動トルクを必要とするバッテリフォークリフトなどに適用した場合、高速域で制動性能の低下を招いていた。しかし本発明の電気車の制御装置を適用した場合、回生制動による電源７の電圧ＶＢの上昇に応じて回生制動トルクをａカーブのレベルからｂカーブのレベルにまで回生制動トルクを上げることができるため、斜線で示したτｒｔのレベルの回生制動トルクをどの電動機回転数においても発生させることができるようになる。特に、高速域でも強い制動力を必要とするバッテリフォークリフト等の車両に適用した場合に走行性能を向上させることができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、力行動作や回生動作によって変化する電源の電圧に伴って電動機の電動機電圧を電源の電圧に応じて調整できるようになり、電動機の回転数が高速の時の弱め界磁によって発生する回生制動トルクの低下を抑制することが可能となり、電動機の回転によらず一定レベル以上の強い制動力を得ることができるようになる。
【００２５】
また、制御装置自体は従来の大きさ，容量のままで制動トルクだけを上げることができるために、装置を大型化せずに所望の動力性能を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気車の制御装置の基本構成を示す図である。
【図２】電気車の制御装置における、本発明を適用しない場合の最大トルク特性を示す図である。
【図３】本発明の電気車の制御装置における、制御手段４の内部の演算手段５の処理内容を示すブロック図である。
【図４】本発明の電気車の制御装置における制御ブロック図を示す図である。
【図５】補正係数算出手段３２によって弱め界磁の補正を行う場合での、電源７の電圧ＶＢに対する電動機９の電圧Ｖ１の関係を示す図である。
【図６】本発明の電気車の制御装置における、電動機９の電圧Ｖ１を変化させた場合の最大トルク特性を示す図である。
【図７】本発明の電気車の制御装置を適用した場合の力行と回生のトルク特性を示す図である。
【符号の説明】
１…アクセル装置、２…ブレーキ装置、３…シフト装置、４…制御手段、５…演算手段、６…電力変換手段、７…電源、９…電動機、１０…回転検出手段、  １１…駆動信号、１３…電流検出手段、１８…トルク指令演算手段、１９…回転数演算手段、２０…電動機回転数、２１…トルク指令、２２…トルク成分電流発生器、２３…界磁成分電流発生器、２４…トルク成分電流指令、２５…界磁成分電流指令、２６…電流制御手段、３０…駆動信号発生手段、３２…補正係数算出手段、３４…電圧補正係数、３５…トルク成分電流補正手段、３６…界磁成分電流補正手段、３７…補正トルク成分電流指令、３８…補正界磁成分電流指令。
【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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