(57)【要約】【課題】  誘導電動機を低速域でも安定に運転できる制御方法を提供すること。【解決手段】  本発明の誘導電動機の制御方法は、可変電圧可変周波数の交流電圧により誘導電動機を制御する場合に、第１の励磁電流指令と第１のトルク電流指令を入力し、第２の励磁電流指令と第２のトルク電流指令を出力する第２の制御ステップと第２の励磁電流指令と第２のトルク電流指令を入力し、速度推定値を出力する第１の制御ステップとがあり、前記速度推定値が予め定めた値以下では、第２の励磁電流指令の大きさを第２のトルク電流指令の大きさ以上にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された第１の励磁電流指令と第１のトルク電流指令に基づいて演算された可変電圧可変周波数の交流電圧により誘導電動機を制御する制御方法において、
第１の励磁電流指令と第１のトルク電流指令を入力し、第２の励磁電流指令と第２のトルク電流指令を出力する第１の制御ステップと、
前記第２の励磁電流指令と前記第２のトルク電流指令を入力し、第１の速度推定値を出力する第２の制御ステップと、
前記誘導電動機に流れる電流値と前記第２のトルク電流指令を入力し、第２の速度推定値を出力する第３の制御ステップと、を備え、
前記誘導電動機の速度が小さい領域では、前記第２の励磁電流指令の大きさを前記第２のトルク電流指令の大きさ以上となるよう制御され、かつ前記第１の速度推定値に基づき前記可変電圧可変周波数が制御され、
前記誘導電動機の速度が大きい領域では、前記第１の励磁電流指令と前記第２の励磁電流指令が一致するよう制御され、かつ前記第１のトルク電流指令と前記第２のトルク電流指令が一致するよう制御され、かつ前記第２の速度推定値に基づき前記可変電圧可変周波数が制御され、
前記第２の励磁電流指令と前記第２のトルク電流指令の積の大きさは、前記第１の励磁電流指令と前記第１のトルク電流指令との積の大きさ以上に制御され、
前記誘導電動機の速度が小さい領域と前記誘導電動機の速度が大きい領域との間に、第２の励磁電流指令を前記第１の励磁電流指令に、及び第２のトルク電流指令を前記第１のトルク電流指令に切り換える切り換え期間を有することを特徴とする誘導電動機の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の誘導電動機の制御方法において、
前記切り換え期間において、前記第１の速度推定値と前記第２の速度推定値に基づいて生成された推定速度が、予め定めた第１の推定値（ωr1）に達した時点が切り換え開始点であることを特徴とする誘導電動機の制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載の誘導電動機の制御方法において、
前記切り換え期間において、前記推定速度が、前記第１の推定値より大きい予め定めた第２の推定値（ωr2）に達した時点が切り換え終了点であることを特徴とする誘導電動機の制御方法。
【請求項４】
請求項１に記載の誘導電動機の制御方法において、
前記切り換え期間では、電流指令を時間の関数または速度の関数として切り換えることを特徴とする誘導電動機の制御方法。
【請求項５】
請求項１に記載の誘導電動機の制御方法を具備し、
前記誘導電動機により車輪を駆動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、インバータ制御の誘導電動機を速度センサレスベクトル制御で駆動制御する制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導電動機の速度センサレスベクトル制御を実現する方法として、例えば下記特許文献１に記載されているように、トルク電流の検出値が指令値に一致するように電流制御を行うことにより、電動機の回転速度を推定する方法がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３８４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記従来技術による制御方法では、電動機の誘起電圧に相当する量を演算して速度推定に利用しているため、誘起電圧が小さくなる低速域では電圧制御誤差の影響で速度推定精度が劣化し、制御が不安定になる。
【０００５】
本発明の目的は、低速域でも安定に誘導電動機を運転できる制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の誘導電動機の制御方法は、低速域では、トルク電流の検出値から速度を推定する第１の速度推定手段の出力をマスクし、励磁電流指令とトルク電流指令から速度を推定する第２の速度推定手段により速度を推定する。
【０００７】
さらに、電流指令切り換え手段により第１の励磁電流指令ｉd*と第１のトルク電流指令ｉq*を第２の励磁電流指令ｉd2*と第２のトルク電流指令ｉq2*に切り換え、安定な動作点で運転する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、後退起動を含む低速域でも安定に誘導電動機を運転できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳しく説明する。
【００１０】
（実施例１）
本実施例の誘導電動機の制御システムを図１に示す。本発明の誘導電動機の制御システムは、インバータ制御器１と、インバータ制御器１から送られる三相電圧指令ｖu*，ｖv*，ｖw*に従い、可変電圧，可変周波数の交流電圧に変換して誘導電動機４を駆動するインバータ２と、誘導電動機４と、インバータ２から誘導電動機４に流れる電流を検出する電流検出器３とからなる。
【００１１】
インバータ制御器１は、励磁電流指令ｉd*と、トルク電流指令ｉq*と、電流検出器３で検出した三相電流検出値ｉu，ｉv，ｉwとを入力して、三相電圧指令ｖu*，ｖv*，ｖw*をインバータ２へ出力する。
【００１２】
このインバータ制御器１の詳細な構成を以下説明する。増磁制御器１０３は、第１の励磁電流指令ｉd*と第１のトルク電流指令ｉq*を入力し、後述するアルゴリズムに従って、第２の励磁電流指令ｉd2*と第２のトルク電流指令ｉq2*とに変換する。
【００１３】
電流変換器１０２は、三相電流検出値ｉu，ｉv，ｉwと、位相指令θ*とを入力し、三相電流検出値ｉu，ｉv，ｉwを励磁電流ｉdとトルク電流ｉqとに変換して出力する。
【００１４】
電流制御器１０５ａ，１０５ｂは、励磁電流指令ｉd*と励磁電流ｉd、トルク電流指令ｉq*とトルク電流ｉqとがそれぞれ一致するよう、電圧補償値Δｖd0*と、電圧補償値Δｖq0*とを生成し、出力する。
【００１５】
出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂは、電流制御器１０５ａ，１０５ｂが出力する電圧補償値Δｖd0*，Δｖq0*と推定速度の関数であるＧ1（ωr＾）とを入力し、電圧補償値Δｖd0*，Δｖq0*に推定速度の関数であるＧ1（ωr＾）を乗じた、電圧補償値Δｖd*，Δｖq*を生成し、出力する。
【００１６】
速度推定器１１３は、電流制御器１１１と、出力ゲイン１１２ｃと、基準加速器１０７と、加算器１１６と、積分器１１０とを備えている。
【００１７】
電流制御器１１１は、トルク電流指令ｉq2*とトルク電流ｉqとの偏差を入力し、この偏差を基にした推定加速度α10を生成し、出力する。
【００１８】
出力ゲイン１１２ｃは、推定加速度α10を入力し、Ｇ2（ωr＾）を乗じ、推定加速度α1を生成し、出力する。
【００１９】
基準加速器１０７は、励磁電流指令ｉd2*とトルク電流指令ｉq2*とを入力し、励磁電流指令ｉd2*とトルク電流指令ｉq2*との積に基づいて推定加速度α2を生成し、出力する。
【００２０】
加算器１１６によりα1と推定加速度α2とを加算し、加算した値を積分器１１０に入力し、積分器１１０で積分し、推定速度ωr＾を生成し、出力する。
【００２１】
すべり演算器１０８は、電流指令ｉd2*と、電流指令ｉq2*とから（数１）式に基づいてすべり周波数指令ωs*を演算し、出力する。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
ただし、Ｒ2はモータの二次抵抗、Ｌ2はモータの二次側自己インダクタンスである。
【００２４】
加算器１１４でモータ速度ωr＾とすべり周波数指令ωs*を加算して、インバータ周波数指令ω1*を生成する。インバータ周波数指令ω1*を積分器１０９で積分し、位相指令θ*を生成する。
【００２５】
電圧指令演算器１０４は、励磁電流指令ｉd2*と、トルク電流指令ｉq2*と、インバータ周波数指令ω1*とから、（数２）式と（数３）式とに基づいて電圧指令ｖd0*，ｖq0*を演算し、出力する。
【００２６】
【数２】
2008187895.tif 000004
【００２７】
【数３】
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【００２８】
ただし、Ｒ1はモータの一次抵抗、Ｍはモータの相互インダクタンス、ｌσはモータの一次換算漏れインダクタンスである。
【００２９】
さらに、電圧指令演算器１０４が出力した電圧指令ｖd0*，ｖq0*と、出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂが出力する電圧補償値Δｖd*，Δｖq*とを、加算器１１５ａ，１１５ｂで、それぞれ加算し、電圧指令ｖd*，ｖq*を生成し出力する。電圧指令変換器１０６は入力した電圧指令ｖd*，ｖq*を、位相指令θ*に基づいて、三相電圧指令ｖu*，ｖv*，ｖw*に変換する。
【００３０】
次に、本実施例のインバータ制御器１の動作の一例を、図４に示すタイムチャートを用いて説明する。図４は、誘導電動機４が低速で逆転している状態から起動し、零速度を通過して正転方向に加速する場合の運転波形を示す。
【００３１】
推定速度がωr1以下の低速域（期間Ｔ0）では、図１の出力ゲイン１１２ｃのＧ2を０に設定する。この結果、電流制御器１１１が出力する推定加速度α10を基にして出力ゲイン１１２ｃが生成する推定加速度α1が０になり、基準加速器１０７により生成する推定加速度α2のみに基づいて電動機速度を推定する。これにより、低速域では電圧制御誤差の影響を受けることなく、電動機速度を推定できる。
【００３２】
また本実施例では図４に示すように、推定速度がωr1以下の低速域（期間Ｔ0）では、図１の出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂのＧ1を１に設定し、電流制御器１０５ａ，１０５ｂが出力する電圧補償値Δｖd0*，Δｖq0*と、出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂが出力する電圧補償値Δｖd*，Δｖq*とを一致させる。これにより、推定速度がωr1以下の低速域（期間Ｔ0）では、励磁電流およびトルク電流がそれぞれの指令値に一致するように制御される。なお、増磁制御器１０３は、推定速度がωr1以下の低速域（期間Ｔ0）では、励磁電流指令をｉd2*に、トルク電流指令をｉq2*に設定する。
【００３３】
一方、推定速度がωr1以上の高速域では誘起電圧が大きくなるため、励磁電流ｉdを低減して誘導電動機内部の磁束を小さくし、誘起電圧を下げることが望ましい。そこで、推定速度がωr1に達した時点で、後述の図２の動作点Ａへの切り換えを開始する。切り換え期間Ｔ1の間に、図１の増磁制御器１０３は、励磁電流指令をｉd2*からｉd*へ、トルク電流指令をｉq2*からｉq*へ、それぞれ図４に示すようなランプ状に切り換える。
【００３４】
また、切り換え期間Ｔ1の間に、図１の出力ゲイン１１２ａ，１１２ｂのＧ1を図４に示すように１から０へランプ状に切り換え、電流制御器１０５ａ，１０５ｂが出力する電圧補償値Δｖd0*，Δｖq0*をマスクする。さらに、切り換え期間Ｔ1の間に、出力ゲイン１１２ｃのＧ2を図４に示すように０から１へランプ状に切り換え、電流制御器１１１の出力する推定加速度α10に基づいた速度推定を行う。
【００３５】
期間Ｔ2では、速度センサレスベクトル制御で運転を継続する。これにより、高速域でも良好な制御が可能になる。
【００３６】
前記説明では、予め設定した切り換え期間Ｔ1内に、電流指令とゲインとを時間の関数として切り換えているが、前記推定速度ωr1より大きな切り換え終了速度ωr2を別に設定し、推定速度がωr1からωr2の間に、電流指令とゲインとを速度の関数として同様に切り換えても良い。
【００３７】
次に、図１の増磁制御器１０３が出力する励磁電流指令ｉd2*と、トルク電流指令ｉq2*との設定方法を、図２と図３とを用いて説明する。図２は、一次電流の大きさとが一定の場合の誘導電動機のすべり周波数と発生トルクとの関係を示す。
【００３８】
はじめに、図４の期間Ｔ2のベクトル制御で用いられる、図２の動作点Ａでの動作を説明する。動作点Ａでは、励磁電流指令ｉd2*＝ｉd*，トルク電流指令ｉq2*＝ｉq*，すべりωs0である。仮に速度推定誤差が発生し、推定速度が実速度を上回ったとすると、推定速度と実速度との差の分、すべりが大きくなり、発生トルクは減少する。この結果、誘導電動機が、必要なトルクを発生できなくなり、実速度の加速度が推定速度の加速度より小さくなり、速度推定誤差が増加する。推定速度が実速度を下回った場合も同様である。このように、動作点Ａでは安定した誘導電動機の運転ができない。
【００３９】
次に、動作点Ａと同一のトルクを発生できる図２の動作点Ｂでの動作を説明する。図２の動作点Ｂでは、励磁電流指令ｉd2*＝ｉq*，トルク電流指令ｉq2*＝ｉd*，すべりωs1であるとする。動作点Ｂでは、すべりが増加するとトルクも増加するため、速度推定誤差が発生した場合に速度推定誤差を低減する方向にトルクが変化する。このように、動作点Ｂでは安定して電動機の加速ができる。
【００４０】
すなわち、図２で、すべり変化に対するトルク変化のグラフの傾きが正であるような、トルク変化のグラフの極大値である動作点Ｃよりすべりの大きさが小さい範囲では安定であり、逆にグラフの傾きが負である、動作点Ｃよりすべりが大きい範囲では不安定になることがわかる。
【００４１】
次に動作点Ａ及び動作点Ｂと電流ベクトルの関係について図３を用いて説明する。図３は、図２の動作点Ａ及び動作点Ｂでの電流ベクトルを示し、電流ベクトルの大きさは等しい。図３に示す長方形Ｏ−ｉd−Ａ−ＩqおよびＯ−ｉd2−Ｂ−ｉq2の面積は、各動作点Ａ，Ｂで発生するトルクに比例する。図２で説明したように、動作点Ａと動作点Ｂとではトルクが等しい。なお、図３の説明では、磁束飽和の影響は無視している。
【００４２】
また、トルクが最大となる図２上の動作点Ｃは、図３に示すように、励磁電流ｉdとトルク電流ｉqとが等しいことを表す一点鎖線と、電流一定を表す円弧との交差点である。
【００４３】
以上説明したように、図１の増磁制御器１０３が出力する励磁電流指令ｉd2*をトルク電流指令ｉq2*よりも大きくなるように、すなわち図３で斜線を施した領域に励磁電流指令ｉd2*とトルク電流指令ｉq2*とが入るように、選べば、誘導電動機を安定に制御できる。
【００４４】
さらに、増磁制御器１０３が出力する励磁電流指令ｉd2*が、増磁制御器１０３に入力するトルク電流指令ｉq*と等しく、増磁制御器１０３が出力するトルク電流指令ｉq2*が、増磁制御器１０３に入力する励磁電流指令ｉd*と等しくなるように選べば、誘導電動機の発生トルクを、励磁電流指令ｉd*とトルク電流指令ｉq*とに対応するトルクに、等しくすることが可能になり、安定に制御できるだけでなく、過渡的な速度推定誤差の発生も抑制できる。
【００４５】
また、増磁制御器１０３が出力する励磁電流指令ｉd2*とトルク電流指令ｉq2*との積が、増磁制御器１０３に入力する励磁電流指令ｉd*とトルク電流指令ｉq*との積に等しくなるように選んでも、誘導電動機の発生トルクを、励磁電流指令ｉd*とトルク電流指令ｉq*とに対応するトルクに、等しくできる。この場合、励磁電流指令ｉd2*とトルク電流指令ｉq2*との組み合わせを適当に選ぶことで、誘導電動機の発生トルクを変化せずにモータ電流の大きさを低減できる。
【００４６】
（実施例２）
本実施例の電気車両を図５に示す。図５において、インバータ制御器１，インバータ２，電流検出器３，誘導電動機４は図１に示す実施例１と同一の構成であり、電気車両に搭載されている。
【００４７】
本実施例では、架線２０１および軌道２０７から、それぞれ集電器２０２および車輪２０６を介して受電した直流電圧を、受電フィルタ２０３を経由してインバータ２に入力する。受電フィルタ２０３はフィルタリアクトル２０３ａとフィルタコンデンサ２０３ｂとを備えている。
【００４８】
主幹制御器２１１は、運転士のノッチ操作をノッチ指令α*に変換して出力する。ノッチ指令α*を電流指令生成器２１４に入力し、電流指令生成器２１４が、励磁電流指令ｉd*と、トルク電流指令ｉq*とを生成し出力する。インバータ制御器１に励磁電流指令ｉd*と、トルク電流指令ｉq*とを入力し、インバータ制御器１は実施例１と同様に三相電圧指令ｖuvw*をインバータ２に出力する。誘導電動機４は、インバータ２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２０６を駆動する。なお、図５では誘導電動機４が１台の場合を示すが、１台のインバータ２の出力に２〜４台の複数台の誘導電動機４を並列に接続し、インバータ２の出力電流の検出値をインバータ制御器１に入力して実施例１と同様に制御しても良い。
【００４９】
本実施例によれば、後退起動を含む低速域でも安定に運転できる電気車両駆動システムが構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例１の誘導電動機の制御システムの説明図。
【図２】周波数と、一次電流の大きさとが一定の場合の、誘導電動機のすべり周波数と発生トルクとの関係を示す説明図。
【図３】電流指令と安定性の関係の説明図。
【図４】実施例１のインバータ制御器の動作の一例を示すタイムチャート。
【図５】実施例２の電気車両の制御ブロックの説明図。
【符号の説明】
【００５１】
１…インバータ制御器、２…インバータ、３…電流検出器、４…誘導電動機、１０３…増磁制御器、１０４…電圧指令演算器、１１３…速度推定器。
【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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