(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単かつ安価な構成により、空転または滑走による加速または減速性能の低下を最小限に抑える。【解決手段】回転数偏差量演算部１２で求められるモータ２の回転数偏差量と、偏差量演算部１４で求められるモータ回転数の時間変化率偏差量の少なくとも一方を入力とするＰＩＤ調節器１６を設け、その出力値を用いてモータ２に対する周波数指令値、またはトルク指令値の一方を絞り込む制御をすることにより、構成が簡単で調整量の少ない電気車の再粘着制御を可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転周波数を検出または推定する手段と電力変換装置とを用いた電気車の再粘着制御装置において、
モータの回転周波数の検出値（推定値）またはモータ回転周波数の検出値（推定値）の時間変化率の少なくとも一方の値より演算される偏差量を入力値とするＰＩＤ調節器を設け、その出力値を用いてモータに対する周波数指令またはトルク指令の少なくとも一方を絞り込むことを特徴とする電気車の再粘着制御装置。
【請求項２】
前記ＰＩＤ調節器の入力値に対してしきい値を設定し、前記ＰＩＤ調節器の入力値がしきい値よりも小さいときは、ＰＩＤ調節器の入力値をゼロとすることを特徴とする請求項１に記載の電気車の再粘着制御装置。
【請求項３】
前記ＰＩＤ調節器の入力値がゼロのときは、一定時間後に前記ＰＩＤ調節器の出力値（積分項）をゼロまで低減することを特徴とする請求項２に記載の電気車の再粘着制御装置。
【請求項４】
前記ＰＩＤ調節器の出力部にローパスフィルタを挿入することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気車の再粘着制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モータの回転周波数を検出または推定する手段と、インバータなどの電力変換装置とを用いた電気車の制御において、駆動している車輪が空転または滑走したときこれを正常な状態、つまり粘着状態にするための再粘着制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は例えば特許文献１に開示されているこの種の制御装置を示す構成図である。同図において、１はインバータなどの電力変換装置、２は誘導電動機（モータ）、３はパルスジェネレータ（ＰＧ）、４は回転数（周波数）演算器、７は基準周波数選択器、８，１１は減算器、９は関数発生器、１０は変化率演算器で、これは４台のモータを１つの単位として駆動する場合の例である。すなわち、すべてのモータ２にそれぞれＰＧ３を設け、このＰＧ３の出力信号から回転数演算器４により、各モータ２の回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４を得るようにしている。なお、回転数演算器４には駆動輪の径のばらつきによる回転周波数の差異分を、惰行中の回転周波数によって補正する機能（車輪径差補正機能）を付加する場合もある。
【０００３】
回転数演算器４により求めた回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４は基準周波数選択器７、減算器８および変化率演算器１０にそれぞれ入力される。基準周波数選択器７では、上記回転周波数のほかに力行／制動信号が入力され、力行時には回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４のうちの最低周波数を、制動時には回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４のうちの最大周波数を、それぞれ基準周波数ｆｒ（ＲＥＦ）として選択する。減算器８では、各モータの周波数ｆｒ１〜ｆｒ４と基準周波数ｆｒ（ＲＥＦ）との差を演算する。ここで、減算器８にも力行／制動信号が入力され、力行時には各モータの回転周波数から基準周波数を減算し、制動時には基準周波数から各モータの回転周波数を減算することで値がゼロ、または正の値になるようにしている。また、変化率演算器１０では、回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４を入力して回転周波数の時間変化率を演算する。
【０００４】
減算器８で演算された回転周波数と基準周波数ｆｒとの差、および変化率演算器１０で演算された時間変化率が、関数発生器９に入力される。関数発生器９では、入力の値に応じたモータ電流指令の絞込み量となる値を出力する。関数発生器９の出力値は減算器１１に入力され、ここで本来のモータ電流指令から減算され、最終的に電力変換器１に入力するモータ電流指令が出力される構成となっている。
【０００５】
以上のような構成とすることで、それまでは、空転または滑走状態を検知した場合に、或る一定のパターンでモータ電流指令を低減していたものを、空転または滑走状態におけるモータの回転状態（回転周波数と基準周波数との差，回転周波数の時間変化率）をもとに、モータ電流指令の低減量を決定できる。これにより、空転または滑走状態に合わせた再粘着を図ることができ、電気車の加速または減速性能の低下を最小限に抑えられるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特許第３２４６０７５号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１１の装置では、車輪とレールとの間の粘着状態によって、大きく変化する空転または滑走時の回転周波数の挙動に応じてモータ電流指令の絞込み量を決定することで、空転または滑走による加速あるいは減速性能の低下を最小限に抑えることができる。
しかし、下記（１），（２）ような問題がある。
（１）必要となる関数発生器の入出力特性を作り込まなければならず、手間と時間が掛かる。これにより、開発費の増大、ひいては装置の高価格化を招く。
（２）性能を向上させようとすると、調整要素の増加、または関数発生器の情報量の増加につながり、制御装置への負担が増加する。
【０００８】
したがって、この発明の課題は、簡単かつ安価な構成で、空転または滑走による加速あるいは減速性能の低下を最小限に抑えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、モータの回転周波数を検出または推定する手段と電力変換装置とを用いた電気車の再粘着制御装置において、
モータの回転周波数の検出値（推定値）またはモータ回転周波数の検出値（推定値）の時間変化率の少なくとも一方の値より演算される偏差量を入力値とするＰＩＤ調節器を設け、その出力値を用いてモータに対する周波数指令またはトルク指令の少なくとも一方を絞り込むことを特徴とする。
【００１０】
上記請求項１の発明においては、前記ＰＩＤ調節器の入力値に対してしきい値を設定し、前記ＰＩＤ調節器の入力値がしきい値よりも小さいときは、ＰＩＤ調節器の入力値をゼロとすることができる（請求項２の発明）。この請求項２の発明においては、前記ＰＩＤ調節器の入力値がゼロのときは、一定時間後に前記ＰＩＤ調節器の出力値（積分項）をゼロまで低減することができる（請求項３の発明）。また、請求項１〜３の発明においては、前記ＰＩＤ調節器の出力部にローパスフィルタを挿入することができる（請求項４の発明）。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、簡単な構成で車輪とレールとの間の粘着状態により大きく変化する空転または滑走時の回転周波数の挙動に応じて、モータ電流指令の絞込み量を決定するようにしたので、空転または滑走による加速あるいは減速性能の低下を最小限に抑えることが可能となる。その結果、安価で調整の必要が少ない（他機種への適用が容易な）再粘着制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
図１において、１はインバータなどの電力変換装置、２は誘導電動機（モータ）、３はパルスジェネレータ（ＰＧ）、４は回転数（周波数）演算器、１１は減算器、１２は回転数演算値をもとに偏差量を演算する回転数偏差量演算部、１３は回転数演算値から回転数の時間変化率を求める時間変化率演算器、１４は回転数の時間変化率演算値をもとに偏差量を演算する偏差量演算部、１５は加算器、１６はＰＩＤ（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）調節器である。
【００１３】
図１に示すように、この発明の特徴はＰＩＤ調節器１６を用いて、空転または滑走状態になった場合の再粘着制御を行なうことにある。そこで、まずＰＩＤ調節器により再粘着制御が可能であることについて、以下に説明する。なお、空転は力行時の現象であり、滑走は制動時の現象であるが、発生原理と再粘着方法については、符号の違いや変化量の増減関係に違いはあるものの、基本的には同様に考えられるので、以下では空転の場合を例に説明することとする。
【００１４】
空転が発生すると、空転が発生した軸のモータ回転数は、他の車軸のモータ回転数よりも高くなる。空転が発生する原因は、モータが発生するトルクが車輪の粘着力を上回ってしまったためであり、この空転状態を回避するためには、基本的に次の２つの方法が考えられる。
（１）車輪とレールとの間の粘着力を大きくする。
（２）モータが発生するトルクを絞る。
【００１５】
上記（１）を実現する手段としては、車輪とレールに散砂することが挙げられるが、ここでは（２）の方法で再粘着させることを考える。
すなわち、空転が発生したときは、すばやくトルクを絞るようにする。ただし、必要以上に絞りすぎると、加速特性が悪化する。加速特性を悪化させないようにするためには、空転状態に応じた絞り量でトルクを絞るか、絞ったトルクを適切にもとの状態、またはもとの状態の近傍まで戻してやる必要がある。また、トルクをもとの状態に戻す過程で再度空転することも考えられるので、できるだけ緩やかな傾きでトルクをもとの状態に戻すことも重要である。
【００１６】
以上のことを勘案すると、空転が発生してからのトルクの絞り方については、概略図２に示すような特性にするのが望ましいと考えられる。図２の関係を保ちつつ空転の状況に応じて調整量が変化できれば、状況に応じた最適な再粘着制御が実現可能となる。
図２は再粘着制御時の電流指令値特性を示すが、これは３つの領域に分けて考えることができる。領域（ａ）は空転が生じた時点ですみやかに粘着状態に戻すための領域であり、そのためには粘着状態を確保できるレベルまで瞬時に電流指令値を絞り込む必要がある。
【００１７】
また、領域（ｂ）は、再粘着させた状態でできるだけ早くもとの状態に近づけるための領域であり、そのためには現在のモータの状況に応じて電流指令値をもとに戻す必要がある。さらに、領域（ｃ）は、再度空転が発生しないように、空転が発生した時点での電流指令値から或る一定量低減した状態で、電流指令値を保持している領域である。この領域では、モータの状態はすでに空転が発生する前の正常な状態に戻っているものと考えてよい。
【００１８】
ここで、空転したモータの回転周波数とトルク（電流）絞り量とトルク（電流）指令値との関係を図２に示す。
或るモータが回転すると、空転したモータの回転周波数は、急激に増加する（図２の（ａ）の領域）。この偏差量を用いて電流指令値を絞り込むことで、回転周波数の上昇は抑えられ、さらに、粘着状態での正常な回転周波数まで戻ることとなる（図２の（ｂ）の領域）。しかし、この状態で、電流指令値も空転が発生した時点の値まで戻してしまうと、再び空転が発生する可能性が高くなる。そこで、空転したモータの回転周波数が再粘着して正常な状態に戻ったとしても、電流指令値だけは、空転が発生した時点の値まで戻さずに、或る一定量低減した状態で保持する期間を設ける（図２の（ｃ）の領域）。
【００１９】
以上、３つの領域の特性は、空転したモータの回転周波数を偏差量として、領域（ａ）の特性は微分動作で、領域（ｂ）の特性は比例動作で、領域（ｃ）の特性は領域（ａ）〜（ｂ）の偏差量の積分動作としてそれぞれ実現できることから、いわゆるＰＩＤ調節器を用いれば良いことが分かる。このとき、空転状態を示す偏差量としては、上記に示す各モータの回転周波数にもとづくもの、または、各モータの回転周波数から回転周波数の時間変化率を求め、その回転周波数の時間変化率にもとづくもの、の少なくとも一方を利用することができる。図２（ｄ）の領域については、後述する。
以上のことから、空転が発生した場合の再粘着制御時の電流指令値の絞り量の特性を、ここではＰＩＤ調節器にて近似的に実現するものとする。
【００２０】
図３に図１の第１変形例を示す。
図１では、ＰＩＤ調節器１６の出力値をそのまま電流指令値の低減量として用いているが、図３のようにＰＩＤ調節器１６ａの出力値を電流指令値の低減率とし、減算器１７で１から減算し、乗算器１８でその値に本来の電流指令値を乗算することで、最終的な電流指令値とすることもできる。その他は、図１の場合と同様である。
また、図１および図３では電流指令値を絞り込むようにしているが、電流指令値の代わりに周波数指令値を絞り込むようにしても良く、その両方を絞り込むようにしても良い。
【００２１】
図４に図1，３に示す回転数偏差量演算部の具体例を示す。
基準周波数演算部１２１は、回転周波数演算器４で演算された回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４を入力され、基準周波数を演算する。この基準周波数と回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４とを減算器１２２にて減算することで、回転数にもとづく偏差量を演算する。このとき、力行／制動信号を用い、力行時には回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４から基準周波数を減算し、制動時には基準周波数から各モータの回転周波数ｆｒ１〜ｆｒ４を減算することで、空転時と滑走時の偏差量の増減関係を合わせるようにしている。
【００２２】
図５に図1，３に示す時間変化率偏差量演算部の具体例を示す。
これは、図４の入力ｆｒ１〜ｆｒ４を回転周波数の時間変化率Δｆｒ１／Δｔ〜Δｆｒ４／Δｔに変えた他は、図４と基本的に同じ構成となっている。なお、１４１は回転数の時間変化率基準値を演算する演算部であり、１４２は減算器である。
【００２３】
図６に図１の第２の変形例を示す。
図６では、図１の偏差量演算部１４の代わりに回転数の時間変化率の大小判別部１９を設け、これにより各モータの回転数の時間変化率Δｆｒ１／Δｔ〜Δｆｒ４／Δｔと設定値“αＳＥＴ”との大小関係を判別する。すなわち、回転数の時間変化率の大小判別部１９の出力を回転数偏差量調整部２０へ入力し、各モータの回転数の時間変化率Δｆｒ１／Δｔ〜Δｆｒ４／Δｔが設定値“αＳＥＴ”よりも小さい場合には、回転数偏差量はゼロとしてＰＩＤ調節器１６に入力し、設定値“αＳＥＴ”よりも大きい場合には、回転数偏差量演算部１２で演算された偏差量をそのままＰＩＤ調節器１６の入力とする。こうすることで、回転数の時間変化率が設定値以上になった場合に、回転数偏差量をもとに戻す再粘着制御が可能となる。
【００２４】
図６では、回転数の時間変化率に対して設定値を設け、かつ回転数偏差量をＰＩＤ調節器１６の入力値として用いたが、回転数偏差量に対して設定値を設け、かつ回転数の時間変化率偏差量をＰＩＤ調節器１６の入力値とすることも可能である。
図７に図１の第３の変形例を示す。これは、図１に示すものに対し、加算器１５とＰＩＤ調節器１６との間に偏差量調整部２１を設けた点が特徴である。
【００２５】
上記偏差量調整部２１では、図８にその特性を示すように、加算器１５で加算された偏差量に対してしきい値レベルを設定し、偏差量がしきい値レベル以下の場合は偏差量をゼロとしてＰＩＤ調節器１６に入力し、しきい値レベルを超えた場合には偏差量をそのままＰＩＤ調節器１６の入力とする。こうすることで、或る一定の偏差量になるまでは再粘着制御をしないので、不必要な状態で再粘着制御を実施しなくて済む。また、再粘着制御の頻繁な繰り返しによる加減速特性の低下を極力抑えることができる。
【００２６】
図９は再粘着制御特性の別の例を示す特性図である。
すなわち、図２の特性に対し、領域（ｃ）の後にＰＩＤ調節器の積分項をゼロまで戻し、空転が発生する前の状態まで戻す点が特徴である。
図２の領域（ｃ）で電流指令値を或る一定の低減量で保持している理由は、例えば大雨が降っている状態で、車輪とレールとの粘着状態が悪化している場合に、空転が発生した時点の電流指令値まで電流指令値を戻すと、状態が改善されておらず、再度空転が発生する可能性が高いためである。
【００２７】
しかし、部分的に車輪とレールとの粘着状態が悪化している場合には、再粘着制御を実行している間に粘着状態が改善されている可能性が高い。このような場合に、いつまでも一定の低減量を保持したままにしておくと、むやみに加減速特性の低下させることになる。
そこで、図９の特性図のように、領域（ｃ）が一定時間経過した後に、電流指令値を空転が発生する前の状態（図２（ｄ）の領域）まで戻すようにして、加減速特性の低下を抑えるようにする。
【００２８】
図１０に図１の第４の変形例を示す。
図１の構成において、ＰＩＤ調節器１６と減算器１１との間に、ローパスフィルタ２２を挿入した点が特徴である。このローパスフィルタ２２により、ＰＩＤ調節器１６の微分動作による急峻な変化率を、装置に合わせて調整することができる。これにより、再粘着制御時の急変動を抑え、乗り心地が悪くなるのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す構成図
【図２】この発明の原理説明図
【図３】図１の第１変形例を示す構成図
【図４】図１に示す回転数偏差量演算部の具体例を示すブロック図
【図５】図１に示す回転数の時間変化率偏差量演算部の具体例を示すブロック図
【図６】図１の第２変形例を示す構成図
【図７】図１の第３変形例を示す構成図
【図８】図７で用いられる偏差量調整部の特性例を示す特性図
【図９】再粘着制御特性の別の例を示す特性図
【図１０】図１の第４変形例を示す構成図
【図１１】従来例を示す構成図
【符号の説明】
【００３０】
１…電力変換装置、２…誘導電動機（モータ）、３…パルスジェネレータ（ＰＧ）、４…回転数（周波数）演算器、７…基準周波数選択器、８，１１，１７，１２２，１４２…減算器、９…関数発生器、１０…変化率演算器、１２…回転数偏差量演算部、１３…時間変化率演算器、１４…回転数の時間変化率偏差量演算部、１５…加算器、１６，１６ａ…ＰＩＤ調節器、１８…乗算器、１９…大小判別部、２０…回転数偏差量調整部、２１…偏差量調整部、２２…ローパスフィルタ、１２１…基準周波数演算部、１４１…回転数の時間変化率基準値演算部。
【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】
2006191736.tif 000009
【図８】
2006191736.tif 000010
【図９】
2006191736.tif 000011
【図１０】
2006191736.tif 000012
【図１１】
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