(57)【要約】【課題】零速度近傍での制御におけるトルク特性を向上させた電気車制御装置を提供することにある。【解決手段】実施形態によれば、電気車制御装置は、電気車の動力源である誘導電動機に交流電力を出力するインバータと、前記インバータから出力される交流電流を検出する交流電流検出手段と、前記交流電流検出手段により検出された交流電流に基づいて、前記誘導電動機の外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、前記インバータから出力される交流電流に対する電流指令値及び前記外乱トルク推定手段より推定された前記外乱トルクに基づいて、前記誘導電動機のロータ角周波数を推定するロータ角周波数推定手段と、前記ロータ角周波数推定手段により推定された前記ロータ角周波数及び前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備える。【選択図】図１
2015012718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車の動力源である誘導電動機に交流電力を出力するインバータと、
前記インバータから出力される交流電流を検出する交流電流検出手段と、
前記交流電流検出手段により検出された交流電流に基づいて、前記誘導電動機の外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、
前記インバータから出力される交流電流に対する電流指令値及び前記外乱トルク推定手段より推定された前記外乱トルクに基づいて、前記誘導電動機のロータ角周波数を推定するロータ角周波数推定手段と、
前記ロータ角周波数推定手段により推定された前記ロータ角周波数及び前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御手段と
を備えることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
前記外乱トルク推定手段は、前記交流電流検出手段により検出された交流電流のトルク成分と、前記電流指令値のトルク成分との偏差に基づいて、比例積分演算することで、前記外乱トルクを推定すること
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】
前記ロータ角周波数推定手段は、ロータの慣性力が、発生トルクから外乱トルクを減算した力と釣り合う数式モデルに、前記外乱トルク推定手段により推定された前記外乱トルクを用いて、前記ロータ角周波数を推定すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
電気車の動力源である誘導電動機に交流電力を出力するインバータから出力される交流電流を検出し、
検出した交流電流に基づいて、前記誘導電動機の外乱トルクを推定し、
前記インバータから出力される交流電流に対する電流指令値及び推定した前記外乱トルクに基づいて、前記誘導電動機のロータ角周波数を推定し、
推定した前記ロータ角周波数及び前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御すること
を含むことを特徴とする電気車制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電気車を制御する電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、主電動機の回転速度を検出することなく主電動機のトルクを制御する速度センサレスベクトル制御を適用した場合、主電動機の誘起電圧に基づき回転速度すなわちロータ角周波数を推定する。
【０００３】
しかし、電気車が停止中や極低速域回転中は主電動機の誘起電圧が絶対的にごく小さい値となるため、検出器の誤差などによって、ロータ角周波数の推定に誤差が生じることにより、所定のトルクを出力できずに加速不良となる場合がある。
【０００４】
このため、極低速域では別の方法で速度推定を行う必要がある。例えば、勾配による外乱トルクを設定して、速度推定を行うことが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１４９６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、零速度近傍での制御をする場合（例えば、上り勾配で電気車を発進させる場合）、トルク不足を確実に解消するような電気車制御は知られていない。
【０００７】
例えば、勾配による外乱トルクを予め設定して、速度推定を行う場合、外乱トルクを設定するために想定された勾配と実際の勾配との間に差があると、トルク低下を生じる可能性がある。
【０００８】
そこで、本発明の実施形態による目的は、零速度近傍での制御におけるトルク特性を向上させた電気車制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態の観点に従った電気車制御装置は、電気車の動力源である誘導電動機に交流電力を出力するインバータと、前記インバータから出力される交流電流を検出する交流電流検出手段と、前記交流電流検出手段により検出された交流電流に基づいて、前記誘導電動機の外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段と、前記インバータから出力される交流電流に対する電流指令値及び前記外乱トルク推定手段より推定された前記外乱トルクに基づいて、前記誘導電動機のロータ角周波数を推定するロータ角周波数推定手段と、前記ロータ角周波数推定手段により推定された前記ロータ角周波数及び前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る電気車制御装置の構成を示す構成図。
【図２】従来型の電気車制御装置の３０‰上り勾配での発生トルクと発生トルク指令値との相関関係を示すグラフ図。
【図３】本実施形態に係る電気車制御装置の３０‰上り勾配での発生トルクと発生トルク指令値との相関関係を示すグラフ図。
【図４】従来型の電気車制御装置の１０‰上り勾配での発生トルクと発生トルク指令値との相関関係を示すグラフ図。
【図５】本実施形態に係る電気車制御装置の１０‰上り勾配での発生トルクと発生トルク指令値との相関関係を示すグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る電気車制御装置２０の構成を示す構成図である。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
【００１３】
電気車制御装置２０は、電気車の動力源である誘導電動機（主電動機）１を駆動制御する制御装置である。電気車制御装置２０は、速度センサを不要とし、ベクトル制御により、誘導電動機１の可変速制御を行う。電気車制御装置２０は、電気車が前進する場合に行う前進制御、電気車が後退する場合に行う後退制御、又は電気車が零速度近傍の場合に行う機械シミュレータ制御のいずれかを行う。なお、ここでは、機械シミュレータ制御を行う場合の電気車制御装置２０について主に説明し、その他の制御については説明を省略する。
【００１４】
電気車制御装置２０は、インバータ２、２つの座標変換器３，４、積分器５、電流制御器６、電圧調整器７、シミュレータ８、外乱トルク演算部９、すべり角周波数指令演算部１０、励磁電流演算部１１、トルク電流演算部１２、加算器１３、２つの減算器１４，１５、及び３つの電流検出器１６を備える。
【００１５】
励磁電流演算部１１には、誘導電動機１に対する２次磁束指令値Φ２＊が入力される。励磁電流演算部１１は、次式により、２次磁束指令値Φ２＊を用いて、インバータ２から出力される磁束電流（ｄｑ軸回転座標系のｄ軸電流）Ｉ１ｄに対する指令値である磁束電流指令値（ｄ軸電流指令値）Ｉ１ｄ＊を演算する。励磁電流演算部１１は、演算した磁束電流指令値Ｉ１ｄ＊を、電圧調整器７、シミュレータ８、すべり角周波数指令演算部１０、及び減算器１５に出力する。
【数１】
2015012718.tif 000003
【００１６】
ここで、Ｍｍは、相互インダクタンスである。
【００１７】
トルク電流演算部１２には、誘導電動機１に対する２次磁束指令値Φ２＊及びトルク指令値Ｔｏｒｑ＊が入力される。トルク電流演算部１２は、次式により、２次磁束指令値Φ２＊及びトルク指令値Ｔｏｒｑ＊を用いて、インバータ２から出力されるトルク電流（ｄｑ軸回転座標系のｑ軸電流）Ｉ１ｑに対する指令値であるトルク電流指令値（ｑ軸電流指令値）Ｉ１ｑ＊を演算する。トルク電流Ｉ１ｑは、磁束電流Ｉ１ｄに直交する電流である。磁束電流Ｉ１ｄとトルク電流Ｉ１ｑのベクトル和は、１次電流となる。トルク電流演算部１２は、演算したトルク電流指令値Ｉ１ｑ＊を、電圧調整器７、シミュレータ８、すべり角周波数指令演算部１０、及び減算器１４に出力する。
【数２】
2015012718.tif 000004
【００１８】
ここで、Ｌ２は、２次自己インダクタンス、Ｍｍは、相互インダクタンス、である。
【００１９】
３つの電流検出器１６は、インバータ２の出力側に設置されている。３つの電流検出器１６は、インバータ２から誘導電動機１に流れる各相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。電流検出器１６は、それぞれ検出した相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを座標変換器４に出力する。
【００２０】
座標変換器４は、積分器５により演算された位相θ１を用いて、３つの電流検出器１６により検出された三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗをｄｑ軸回転座標系のｄｑ軸電流Ｉ１ｄ，Ｉ１ｑに変換する。座標変換器４は、ｄ軸電流（磁束電流）Ｉ１ｄを減算器１５に、ｑ軸電流（トルク電流）Ｉ１ｑを減算器１４に出力する。
【００２１】
減算器１５は、励磁電流演算部１１により演算されたｄ軸電流指令値Ｉ１ｄ＊から座標変換器４により演算されたｄ軸電流Ｉ１ｄを引いた差分の値を電流制御器６に出力する。
【００２２】
電流制御器６は、減算器１５により演算されたｄ軸電流指令値Ｉ１ｄ＊とｄ軸電流Ｉ１ｄとの差分が零になるように、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を演算する。即ち、電流制御器６は、検出したｄ軸電流Ｉ１ｄをフィードバックして、ｄ軸電流Ｉ１ｄをｄ軸電流指令値Ｉ１ｄ＊に一致させるように制御する。電流制御器６は、演算したｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を座標変換器３に出力する。
【００２３】
電圧調整器７は、励磁電流演算部１１により演算されたｄ軸電流指令値Ｉ１ｄ＊及びトルク電流演算部１２により演算されたｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊を用いて、次式により、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を演算する。電圧調整器７は、演算したｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を座標変換器３に出力する。
【数３】
2015012718.tif 000005
【００２４】
ここで、σ＝１−Ｍｍ＾２／（Ｌ１・Ｌ２）である。また、Ｒ１は、一次巻線抵抗、Ｌ１は、一次自己インダクタンス、Ｌ２は、二次自己インダクタンス、Ｍｍは、相互インダクタンス、である。
【００２５】
座標変換器３は、積分器５により演算された位相θ１を用いて、電流制御器６及び電圧調整器７により演算されたｄｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を三相電圧指令値Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊に変換する。座標変換器３は、変換した三相電圧指令値Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊をインバータ２に出力する。
【００２６】
インバータ２は、電圧形インバータである。インバータ２は、座標変換器３から入力された三相電圧指令値Ｖｕ＊,Ｖｖ＊,Ｖｗ＊に基づいて、三角波比較ＰＷＭ(pulse width modulation)制御などにより生成されたゲート指令により、三相交流電力を発生させる。これにより、誘導電動機１が駆動制御される。
【００２７】
すべり角周波数指令演算部１０は、励磁電流演算部１１により演算されたｄ軸電流指令値Ｉ１ｄ＊及びトルク電流演算部１２により演算されたｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊を用いて、次式により、すべり角周波数指令値ωｓ＊を演算する。すべり角周波数指令演算部１０は、演算したすべり角周波数指令値ωｓ＊を加算器１３に出力する。
【数４】
2015012718.tif 000006
【００２８】
ここで、Ｒ２は、二次巻線抵抗、Ｌ２は、二次自己インダクタンス、である。
【００２９】
減算器１４は、座標変換器４により演算されたｑ軸電流Ｉ１ｑからトルク電流演算部１２により演算されたｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊を引いた差分を演算する。減算器１４は、演算したｑ軸電流Ｉ１ｑとｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊との差分を外乱トルク演算部９に出力する。
【００３０】
加算器１３には、すべり角周波数指令演算部１０により演算されたすべり角周波数指令値ωｓ＊及びシミュレータ８により演算されたロータ角周波数推定値（ロータ角加速度推定値）ωｒｅｅｓｔが入力される。加算器１３は、すべり角周波数指令値ωｓ＊とロータ角周波数推定値ωｒｅｅｓｔを加算して、インバータ出力周波数（１次角周波数）ω１を演算する。加算器１３は、演算したインバータ出力周波数ω１を積分器５、電圧調整器７及び外乱トルク演算部９に出力する。
【００３１】
外乱トルク演算部９には、予め設定されている外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔ、減算器１４により演算されたｑ軸電流Ｉ１ｑとｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊との差分、及び加算器１３により演算されたインバータ出力周波数ω１が入力される。外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔは、例えば、通勤電車などの満車時の３０‰の上り勾配などの状況を予め想定して決定される。ここで、勾配は、とり得る範囲（例えば、０‰から３０‰）が予め決まっている。そこで、外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔを決定するために想定する勾配は、とり得る範囲の最大値（例えば、３０‰）としてもよい。外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔは、想定した勾配及び等価慣性質量設定値を用いて求める。
【００３２】
外乱トルク演算部９は、インバータ出力周波数ω１に基づいて、機械シミュレータ制御を行う否かを判断する。外乱トルク演算部９は、例えば、インバータ出力周波数ω１が±１Ｈｚの範囲内であれば、機械シミュレータ制御を行うと判断する。外乱トルク演算部９は、機械シミュレータ制御を行うと判断すると、外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔ、及びｑ軸電流Ｉ１ｑとｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊との差分を用いて、次式に示す比例積分演算式により、外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔを演算する。外乱トルク演算部９は、演算した外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔをシミュレータ８に出力する。外乱トルク演算部９は、機械シミュレータ制御を行わないと判断すると、外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔを外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔとして出力する。
【数５】
2015012718.tif 000007
【００３３】
ここで、ＫＴＰは、外乱トルク演算部の比例ゲイン、ＫＴＩは、外乱トルク演算部の積分ゲイン、である。
【００３４】
シミュレータ８には、励磁電流演算部１１により演算されたｄ軸電流指令値Ｉ１ｄ＊、トルク電流演算部１２により演算されたｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊、及び外乱トルク演算部９により演算された外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔが入力される。シミュレータ８は、ｄ軸電流指令値Ｉ１ｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊、及び外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔを用いて、次式に示すシミュレータ数式モデルにより、ロータ角周波数推定値ωｒｅｅｓｔを演算する。シミュレータ８は、演算したロータ角周波数推定値ωｒｅｅｓｔを加算器１３に出力する。
【数６】
2015012718.tif 000008
【００３５】
ここで、Ｐは、極対数、Ｊｓｅｔは、回転慣性、Ｍｍは、相互インダクタンス、Ｌ２は、２次インダクタンス、である。回転慣性は、ギアや車輪の質量及び大きさなどにより決まるパラメータである。
【００３６】
このシミュレータ数式モデルは、ロータの慣性力が、発生トルクから外乱トルクを減算した力と釣り合う数式モデルである。また、外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔは、式（５）により常に変化するので、この数式モデルは、リアルタイムで逐次計算される。
【００３７】
これらの構成により、速度センサレスベクトル制御によるトルク制御系が形成される。
【００３８】
次に、電気車制御装置２０による機械シミュレータ制御の動作について説明する。機械シミュレータ制御は、例えば、上り勾配の零速度からの起動時などで実行される。上り勾配の零速度からの起動時では、電気車は、一度少し後退してから後退速度が徐々に減速し、零速度になった後に、前進に転じて速度が徐々に加速していく。このとき、電気車制御装置２０は、後退制御、機械シミュレータ制御、前進制御の順に実行される。
【００３９】
機械シミュレータ制御時に、ロータ角周波数推定値ωｒｅｅｓｔに誤差が生じて、すべり角周波数がすべり角周波数指令値ωｓ＊から変動すると、ｑ軸電流Ｉ１ｑがｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊から変動する。そこで、ｑ軸電流Ｉ１ｑとｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊との偏差を外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔに補償することで、ロータ角周波数推定値ωｒｅｅｓｔの誤差が減少する。これにより、ロータ角周波数推定値ωｒｅｅｓｔは、実際の外乱トルクに応じたものになるため、勾配によらず、トルク指令値Ｔｏｒｑ＊に従ったトルクが出力される。
【００４０】
次に、図２から図５を参照して、電気車制御装置２０による効果について説明する。図２から図５は、数値シミュレーションによる発生トルクＴｅと発生トルク指令値Ｔｅ＊との相関関係を示すグラフ図である。図２及び図４は、従来型の電気車制御を示し、図３及び図５は、本実施形態に係る電気車制御を示したものである。なお、ここでは、従来型の電気車制御は、シミュレータ８に常に固定の外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔが入力される構成とする。外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔは、通勤電車等の満車時で３０‰上り勾配を想定したものが設定されている。
【００４１】
図２及び図３は、通勤電車等の満車時で３０‰上り勾配での起動状態を想定したシミュレーション結果である。
【００４２】
従来型の制御では、図２に示すように、発生トルクＴｅは、最初の方は、発生トルク指令値Ｔｅ＊に追従しているが、時間経過とともにずれが生じる。それにより、ロータ角周波数推定値ωｒｅｅｓｔは時間経過とともに乖離する。
【００４３】
本実施形態の制御では、図３に示すように、発生トルクＴｅは、最初から最後まで、発生トルク指令値Ｔｅ＊に追従している。従って、適切な加速が行われたといえる。従って、外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔで想定した条件下でも、本実施形態の方が従来型よりもトルク制御に優れているといえる。
【００４４】
図４及び図５は、通勤電車等の満車時で１０‰上り勾配での起動状態を想定したシミュレーション結果である。
【００４５】
従来型の制御では、図４に示すように、零速度からの起動はできているが、発生トルクＴｅは発生トルク指令値Ｔｅ＊を下回っており、トルク低下が生じていることがわかる。これは、勾配３０‰相当に設定された外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔで、機械シミュレータ回転数推定式によって、ロータ角周波数推定値ωｒｅｅｓｔを求めるためである。
【００４６】
本実施形態の制御では、図５に示すように、勾配１０‰の場合でも、発生トルクＴｅは発生トルク指令値Ｔｅ＊に追従している。よって、勾配１０‰の場合も、零速度からトルク低下が生じることなく起動する。従って、外乱トルク設定値ＴＬｓｅｔで想定していない条件下では、本実施形態の方が従来型よりもトルク制御に優れている点が明確である。
【００４７】
本実施形態によれば、検出されたｑ軸電流Ｉ１ｑとｑ軸電流指令値Ｉ１ｑ＊との偏差に基づいて、外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔを演算し、この演算した外乱トルク推定値ＴＬｅｓｔを用いて、シミュレータ８によりロータ角周波数を推定する。これにより、電気車制御装置２０は、予め想定される勾配の範囲であれば、勾配などの外的要因により誘導電動機１に掛かる外乱トルクが変動した場合でも、トルク指令値Ｔｏｒｑ＊に追従するように誘導電動機１のトルクを出力させることができる。従って、零速度近傍での制御における誘導電動機１のトルク特性を向上させることができる。
【００４８】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１…誘導電動機、２…インバータ、３，４…座標変換器、５…積分器、６…電流制御器、７…電圧調整器、８…シミュレータ、９…外乱トルク演算部、１０…すべり角周波数指令演算部、１１…励磁電流演算部、１２…トルク電流演算部、１３…加算器、１４，１５…減算器、１６…電流検出器、２０…電気車制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015012718.tif 000011
【図４】
2015012718.tif 000012
【図５】
2015012718.tif 000013