(57)【要約】【課題】永久磁石式同期電動機の速度検出に高価なレゾルバを用いることなく、精度の良い空転滑走制御を可能にする。【解決手段】永久磁石式同期電動機４の回転数を検出するパルスジェネレータ５と、トルク指令値から生成される電圧指令と永久磁石式同期電動機４に供給される電動機電流の検出信号とから永久磁石式同期電動機４の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部２と、パルスジェネレータ５からの出力パルス信号を用いて演算される速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電動機として永久磁石式同期電動機を使用し、この永久磁石式同期電動機をインバータ制御する電気車制御装置において、
前記永久磁石式同期電動機の回転数を検出するパルスジェネレータと、
トルク指令値から生成される電圧指令と前記永久磁石式同期電動機に供給される電動機電流の検出信号とから前記永久磁石式同期電動機の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部と、
前記パルスジェネレータからの出力パルス信号を用いて演算される速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し、前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部と、
を備えることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
主電動機として永久磁石式同期電動機を使用し、この永久磁石式同期電動機をインバータ制御する電気車制御装置において、
前記永久磁石式同期電動機の回転数を検出するパルスジェネレータと、
トルク指令値から生成される電圧指令と前記永久磁石式同期電動機に供給される電動機電流の検出信号とから前記永久磁石式同期電動機の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部と、
前記パルスジェネレータからの出力パルス信号を用いて演算される速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し、前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部と、
前記パルスジェネレータからの出力パルス信号を入力し、その変化率から車輪とレール間の滑走状況を推定してブレーキ力の加減を行うブレーキ力信号を生成するブレーキ制御装置と、
を備えることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項３】
主電動機として永久磁石式同期電動機を使用し、この永久磁石式同期電動機をインバータ制御する電気車制御装置において、
トルク指令値から生成される電圧指令と前記永久磁石式同期電動機に供給される電動機電流の検出信号とから前記永久磁石式同期電動機の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部と、
前記推定された回転子位置情報を微分して速度信号を生成する微分演算部と、
この微分演算部で生成された速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部と、
前記微分演算部で生成された速度信号から求められる速度パルス信号を入力し、その変化率から車輪とレール間の滑走状況を推定してブレーキ力の加減を行うブレーキ力信号を生成するブレーキ制御装置と、
を備えることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項４】
主電動機として永久磁石式同期電動機を使用し、この永久磁石式同期電動機をインバータ制御する電気車制御装置において、
前記永久磁石式同期電動機の回転数を検出するパルスジェネレータと、
トルク指令値から生成される電圧指令と前記永久磁石式同期電動機に供給される電動機電流の検出信号とから前記永久磁石式同期電動機の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部と、
前記パルスジェネレータからの出力パルス信号を用いて演算される速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部と、
車両惰行状態での前記パルスジェネレータからの出力パルス信号に基づいて演算される速度信号と他の電動機が駆動する車軸の速度信号とを用いて当該永久磁石式同期電動機が駆動する車輪の車輪直径値を補正する速度信号を生成する車輪径補正部と、
を備えることを特徴とする電気車制御装置。
【請求項５】
請求項１、２、４のいずれか１項に記載の電気車制御装置において、
センサレスベクトル制御部で得られるモータ回転速度推定値と、パルスジェネレータからの出力パルス信号を用いて演算される回転速度との偏差が許容値以上であった場合、システム異常と判定する判定部を備える、
ことを特徴とする電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式同期電動機の回転数検出用にパルスジェネレータを用いた電気車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来の永久磁石式同期電動機を用いた電気車制御装置の一例を示している。
【０００３】
同図に示すように、従来の電気車制御装置１０１は、トルク指令値を入力してベクトル制御を実行するベクトル制御部１０２と、このベクトル制御部１０２によって生成された電圧信号に基づいて生成されるＰＷＭ信号により駆動されるインバータ部１０３と、このインバータ部によって回転が制御される永久磁石式同期電動機（ＰＭＳＭ）１０４と、この永久磁石式同期電動機１０４の回転子位置を検出するレゾルバ１０５と、このレゾルバ１０５で検出された回転子位置を微分して速度信号に変換する微分演算部１０６と、この微分演算部１０６で演算された速度信号を入力して空転滑走制御を実行する空転滑走制御部１０７とを備えている。
【０００４】
周知のように、永久磁石式同期電動機１０４をベクトル制御する場合には、回転子の速度を検出するだけではなく、その位置も検出する必要がある。従来は、図５に示したように、位置検出にレゾルバ１０５を使用している。ベクトル制御部１０２では、レゾルバ１０５からの位置検出信号を入力してベクトル制御を実行する。また、微分演算部１０６では、位置検出信号を微分して速度信号を算出して空転滑走制御部１０７に供給する。空転滑走制御部１０７は、入力された速度信号の変化率（加速度）がある一定値を超えた場合に、電気車の車輪に空転が発生したと判定し、トルク調整信号を生成し、このトルク調整信号によりベクトル制御部１０２に供給されるトルク指令値を調整するようにしている。
【特許文献１】特開２００６−１５８０４６号公報
【特許文献２】特開２００４−３５０３８９号公報
【特許文献３】特開２００６−３３９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来の電気車制御装置１０１において、回転子の位置検出には高価なレゾルバ１０５が使用されている。しかし、このレゾルバ１０５は永久磁石式同期電動機１０４の回転子の絶対位置を検出できるものであるが、その位置検出信号にはリップルが乗ってしまい、このリップルがノイズとなり、空転滑走制御の精度が悪くなってしまうという問題がある。
【０００６】
また、レゾルバ１０５の位置検出信号に重畳されるリップル分を取り除くためには、別途、ノイズ除去用のフィルタ等が必要となり、その分だけ装置構成が複雑になるばかりでなく、制御に遅れが出てしまい、迅速な空転滑走制御が不可能になるという不具合があった。
【０００７】
そこで、レゾルバ１０５に代えてパルスジェネレータを使用することも考えられるが、パルスジェネレータで検出された速度パルス信号では、永久磁石式同期電動機のベクトル制御ができない。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、永久磁石式同期電動機の速度検出に高価なレゾルバを用いることなく、精度の良い空転滑走制御を可能にする電気車制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために請求項１の発明は、主電動機として永久磁石式同期電動機を使用し、この永久磁石式同期電動機をインバータ制御する電気車制御装置において、前記永久磁石式同期電動機の回転数を検出するパルスジェネレータと、トルク指令値から生成される電圧指令と前記永久磁石式同期電動機に供給される電動機電流の検出信号とから前記永久磁石式同期電動機の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部と、前記パルスジェネレータからの出力パルス信号を用いて演算される速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し、前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部とを備えることを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、主電動機として永久磁石式同期電動機を使用し、この永久磁石式同期電動機をインバータ制御する電気車制御装置において、前記永久磁石式同期電動機の回転数を検出するパルスジェネレータと、トルク指令値から生成される電圧指令と前記永久磁石式同期電動機に供給される電動機電流の検出信号とから前記永久磁石式同期電動機の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部と、前記パルスジェネレータからの出力パルス信号を用いて演算される速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し、前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部と、前記パルスジェネレータからの出力パルス信号を入力し、その変化率から車輪とレール間の滑走状況を推定してブレーキ力の加減を行うブレーキ力信号を生成するブレーキ制御装置とを備えることを特徴としている。
【００１１】
請求項３の発明は、主電動機として永久磁石式同期電動機を使用し、この永久磁石式同期電動機をインバータ制御する電気車制御装置において、トルク指令値から生成される電圧指令と前記永久磁石式同期電動機に供給される電動機電流の検出信号とから前記永久磁石式同期電動機の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部と、前記推定された回転子位置情報を微分して速度信号を生成する微分演算部と、この微分演算部で生成された速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部と、前記微分演算部で生成された速度信号から求められる速度パルス信号を入力し、その変化率から車輪とレール間の滑走状況を推定してブレーキ力の加減を行うブレーキ力信号を生成するブレーキ制御装置とを備えることを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明は、主電動機として永久磁石式同期電動機を使用し、この永久磁石式同期電動機をインバータ制御する電気車制御装置において、前記永久磁石式同期電動機の回転数を検出するパルスジェネレータと、トルク指令値から生成される電圧指令と前記永久磁石式同期電動機に供給される電動機電流の検出信号とから前記永久磁石式同期電動機の回転子位置を推定し、推定された回転子位置情報に基づいてベクトル制御を実行するセンサレスベクトル制御部と、前記パルスジェネレータからの出力パルス信号を用いて演算される速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部と、車両惰行状態での前記パルスジェネレータからの出力パルス信号に基づいて演算される速度信号と他の電動機が駆動する車軸の速度信号とを用いて当該永久磁石式同期電動機が駆動する車輪の車輪直径値を補正する速度信号を生成する車輪径補正部とを備えることを特徴としている。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１、２、４のいずれか１項に記載の電気車制御装置において、センサレスベクトル制御部で得られるモータ回転速度推定値と、パルスジェネレータからの出力パルス信号を用いて演算される回転速度との偏差が許容値以上であった場合、システム異常と判定する判定部を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成によれば、永久磁石式同期電動機の速度検出にはパルスジェネレータを使用し、また、センサレスベクトル制御で制御するようにしているので、従来のように高価なレゾルバが不要となるばかりでなく、精度の良い空転滑走制御が可能となる。また、ノイズを除去するためのフィルタも不要となり、装置構成の簡単化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
〈第１の実施形態〉
図１は本発明に係る電気車制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
【００１６】
同図に示す電気車制御装置１ａは、センサレスベクトル制御部２と、このセンサレスベクトル制御部２からの３相電圧指令によって永久磁石式同期電動機（ＰＭＳＭ）４を駆動制御するインバータ部３と、永久磁石式同期電動機４の回転数を検出して出力パルス信号を生成するパルスジェネレータ（ＰＧ）５と、このパルスジェネレータ５から出力されるパルス信号を速度信号に変換するパルス→速度変換部６と、パルス→速度変換部６からの速度信号を入力して空転滑走制御を実行する空転滑走制御部７と、この空転滑走制御部７から出力されるトルク調整信号（加速トルク又は減速トルク）をトルク指令値に加算してトルク指令値を調整する加算部８と、インバータ部３から同期電動機４に供給される３相出力電流を検出してセンサレスベクトル制御部２に出力する電流センサ９とを備えている。
【００１７】
センサレスベクトル制御部２は、入力されたトルク指令値からｄ軸、ｑ軸電流指令をそれぞれ生成する電流指令生成部２１と、電流指令生成部２１で生成されたｄ軸電流指令とフィードバックされたｄ軸電流検出信号とからＰＩ制御（比例・積分制御）を実行してしてｄ軸電圧指令Ｖｄを生成するＡＣＲ制御部２２と、電流指令生成部２１で生成されたｑ軸電流指令とフィードバックされたｑ軸電流検出信号とからＰＩ制御を実行してｑ軸電圧指令Ｖｑを生成するＡＣＲ制御部２３と、ｄ軸電圧指令Ｖｄとｑ軸電圧指令Ｖｑとを入力して３相電圧交流電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成してインバータ部３に供給する座標変換部２４と、電流センサ９で検出して得られた電流信号Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを入力して座標変換する座標変換部２５と、ｄ軸電圧指令Ｖｄ、ｑ軸電圧指令Ｖｑ、ｄ軸電流検出信号Ｉｄ、ｑ軸電流検出信号Ｉｑをそれぞれ入力して同期電動機４の回転子の位相を推定し、位相推定信号＾θを座標変換部２４，２５にそれぞれ供給するする位相推定部２６とを備えている。
【００１８】
空転滑走制御部７は、パルス→速度変換部６から出力された速度信号を入力して車輪とレール間の空転状況を推定しトルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う。
【００１９】
上記構成の第１の実施形態では、永久磁石式同期電動機４の速度検出には、パルスジェネレータ５を使用し、また、センサレスベクトル制御で制御するようにしているので、従来のように高価なレゾルバが不要となるばかりでなく、精度の良い空転滑走制御が可能となる。また、ノイズを除去するためのフィルタも不要となる。
【００２０】
〈第２の実施形態〉
図２は本発明に係る電気車制御装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００２１】
第２の実施形態における電気車制御装置１ｂの特徴は、永久磁石式同期電動機４に設けられたパルスジェネレータ５を空転滑走制御部７とブレーキ制御装置１１とで兼用するようにした点である。
【００２２】
すなわち、パルスジェネレータ５で検出された出力パルス信号は、パルス→速度変換部６を介して速度信号に変換されて空転滑走制御部７に供給される一方、ブレーキ制御装置１１に直接供給される。ブレーキ制御装置１１は、パルスジェネレータからの出力パルス信号を入力して、回転の変化率をみてブレーキ力信号を生成して空気圧制御部（図示せず）に供給する。これにより、ブレーキがロックすることにより発生する車輪の滑りを未然に防止することが可能となる。
【００２３】
従来における永久磁石式同期電動機では、レゾルバからの信号によりベクトル制御を実行し、ブレーキ制御装置１１は、パルスジェネレータから出力パルス信号によって実行されていたが、第２の実施形態では、１つのパルスジェネレータ５によって兼用することができ、装置構成を簡単化することが可能になる。
【００２４】
〈第３の実施形態〉
図３は本発明に係る電気車制御装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００２５】
第３の実施形態における電気車制御装置１ｃの特徴は、永久磁石式同期電動機４の速度検出用のパルスジェネレータは設けられおらず、センサレスベクトル制御部からの回転子推定位置信号から速度信号を得てブレーキ制御装置１１に供給する点にある。
【００２６】
すなわち、図１に示した位相推定部２６で生成される推定された回転子位置情報を微分して速度信号を生成する微分演算部１２と、この微分演算部１２で生成された速度信号に基づいて、車輪とレール間の空転状況を推定し前記トルク指令値に対する加速トルク又は減速トルクの加減を行う空転滑走制御部７と、微分演算部１２で生成された速度信号から速度パルス信号を生成する速度→パルス変換部１３と、生成された速度パルス信号を入力し、その変化率から車輪とレール間の滑走状況を推定してブレーキ力の加減を行うブレーキ力信号を生成するブレーキ制御装置１１とを備える構成となっている。
【００２７】
この第３の実施形態では、第２の実施形態のように、パルスジェネレータ５は設けられていないので、永久磁石式同期電動機４周りの構成がより一層簡素化される。
【００２８】
〈第４の実施形態〉
図４は本発明に係る電気車制御装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００２９】
第４の実施形態における電気車制御装置１ｄの特徴は、車輪径の違いによりトルク指令を補正するための回転数信号を得る点にある。
【００３０】
すなわち、パルスジェネレータ５からの出力パルス信号を速度信号に変換するパルス→速度変換部６と、車両惰行状態においてパルスジェネレータ５からの出力パルス信号に基づいてパルス→速度変換部６で生成される速度信号と他の電動機が駆動する車軸の速度信号とを用いて永久磁石式同期電動機４が駆動する車輪の車輪直径値を補正する回転数信号を生成する車輪径補正部１４と、車輪径補正部１４で生成された補正後回転数信号と、各車輪径補正部からの補正回転数信号とを入力してトルク指令補正値を生成するトルク指令補正部１５と、生成されたトルク指令補正を加算してトルク指令を補正する加算部１６とを備えている。
【００３１】
車輪径補正部６は、パルス→速度変換部６から出力される同期電動機４の速度信号を入力するとともに、図示しない他の３つの同期電動機の速度信号を入力して補正後回転数信号を生成してトルク指令補正部１５に供給する。例えば、各電動機がトルクを出力していない惰行時（全車輪が空転していないとき）に、各車輪の速度信号の違いに基づいて、基準となる車輪の径に対する各車輪の径を演算し、その車輪径の比率を用いて補正後回転数信号を演算する。
【００３２】
トルク指令補正部１５は、各車輪径補正部からの補正信号を入力してトルク指令補正値を演算して加算部１６に出力する。加算部１６では、トルク指令値をトルク指令補正値で補正して出力する。
【００３３】
第４の実施形態によれば、１つのパルスジェネレータ５により、空転滑走制御と、車輪径補正とを行うことができ、装置構成をより一層簡単化することができる。
【００３４】
〈他の実施形態〉
上記第１、第２、第４の各実施形態において、センサレスベクトル制御部２の位相推定部２６で得られる位相推定信号から演算される速度信号（モータ回転速度推定値）と、パルスジェネレータ５からの出力パルス信号を用いて演算される回転速度速度とを入力し、その偏差が許容値以上であった場合、システム異常と判定する判定部を備えるようにしても良い。
【００３５】
これにより、パルスジェネレータ５の異常、またはセンサレスベクトル制御部２の異常を早期に発見することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る電気車制御装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る電気車制御装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る電気車制御装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る電気車制御装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】従来の電気車制御装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ：電気車制御装置
２：センサレスベクトル制御部
３：インバータ部
４：永久磁石式同期電動機（ＰＭＳＭ）
５：パルスジェネレータ（ＰＧ）
６：パルス→速度変換部
７：空転滑走制御部
８：加算部
９：電流センサ
１１：ブレーキ制御装置
１２：微分演算部
１３：速度→パルス変換部
１４：車輪径補正部
１５：トルク指令補正部
【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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