(57)【要約】【課題】本発明の課題は、速度センサを用いずとも、また各誘導電動機の相対速度が小さい場合であっても、誘導電動機の駆動軸の空転又は滑走の検知等を可能とするための装置又は方法を実現すること。【解決手段】加速度推定装置５０は、電流センサ３０から出力される一括電流値Ｉｕ，Ｉｖから、静止座標系上の位相θを演算して出力する位相演算器５１と、位相θについて所定帯域を通過させ、位相θ′として出力するＢＰＦ５２と、位相θ′の一階微分を求めることによりインバータ周波数の推定値ｆ１を算出する微分演算器５３と、周波数ｆ１の所定域以下を通過させ、周波数ｆ１′として出力するＬＰＦ５４と、周波数ｆ１′の一階微分を求めることにより加速度推定値αｉを算出する微分演算器５５とを備えて構成される。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の誘導電動機をベクトル制御によって駆動するインバータの出力電流値の所定座標系における位相を演算する位相演算手段と、
前記位相演算手段により演算された位相の二階微分を算出する算出手段と、
を備え、前記算出手段による算出結果によって前記１以上の誘導電動機の平均加速度を推定することを特徴とする加速度推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度推定装置であって、
前記算出手段は、
前記位相演算手段により演算された位相について、帯域通過フィルタ演算及び一階微分演算を同順又は逆順に行う第１微分手段と、
前記第１微分手段による演算結果について、低域通過フィルタ演算及び一階微分演算を同順又は逆順に行う第２微分手段と、
を有し、前記第２微分手段による演算結果によって前記１以上の誘導電動機の平均加速度を推定することを特徴とする加速度推定装置。
【請求項３】
１以上の誘導電動機の駆動をベクトル制御する電動機制御装置であって、
請求項１又は２に記載の加速度推定装置と、
前記加速度推定装置による加速度の推定値に基づいて、前記１以上の誘導電動機の空転又は滑走を検知する検知手段と、
を備えることを特徴とする電動機制御装置。
【請求項４】
１以上の誘導電動機の駆動をベクトル制御する電動機制御装置であって、
請求項１又は２に記載の加速度推定装置と、
前記加速度推定装置による加速度の推定値に基づいて、前記１以上の誘導電動機の粘着力を推定する粘着力推定手段と、
を備えることを特徴とする電動機制御装置。
【請求項５】
１以上の誘導電動機をベクトル制御によって駆動するインバータの出力電流値の所定座標系における位相を演算した後、二階微分を算出することによって前記１以上の誘導電動機の平均加速度を推定する加速度推定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の加速度推定方法であって、
前記二階微分は、帯域通過フィルタ演算及び一階微分演算を同順又は逆順に演算した後、低域通過フィルタ演算及び一階微分演算を同順又は逆順に演算することにより算出することを特徴とする加速度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機に係る加速度推定装置、電動機制御装置及び加速度推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導電動機は種々の動力として利用されており、例えば機関車を含む鉄道車両や電気自動車等の電気車が挙げられる。中でも鉄道車両における誘導電動機の制御として、近年、速度センサレスベクトル制御の研究・開発が盛んに行われている。従来の誘導電動機の空転滑走・再粘着制御は、誘導電動機の回転子に連動した軸の速度を検出する速度センサからのパルスをもとにしたものであり、軸の速度、即ち誘導電動機の速度が得られることを前提としたものである。
【０００３】
速度センサレスベクトル制御は速度センサを用いないものである。このため、速度センサレスベクトル制御における空転滑走・再粘着制御は、速度センサを用いないことによる性能低下が生じないことが望まれる。
【０００４】
そこで、各車輪の速度差によって主電動機電流に差が生じることに着目した空転滑走・再粘着方式として、特開２００２−４４８０４号公報の発明が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各車輪の速度差に着目した方式は、各主電動機の相対速度が大きいときに有利であるが、全軸が空転したりして、相対速度が小さいときには、空転又は滑走の検知等が困難になると考えられる。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、速度センサを用いずとも、また各誘導電動機の相対速度が小さい場合であっても、誘導電動機の駆動軸の空転又は滑走の検知等を可能とするための装置又は方法を実現することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の加速度推定装置は、
１以上の誘導電動機（例えば、図１の電動機１０）をベクトル制御によって駆動するインバータ（例えば、図１のインバータ２０）の出力電流値の所定座標系（例えば、静止座標系）における位相を演算する位相演算手段（例えば、図１の位相演算器５１）と、
前記位相演算手段により演算された位相の二階微分を算出する算出手段と、
を備え、前記算出手段による算出結果によって前記１以上の誘導電動機の平均加速度を推定することを特徴とする。
【０００８】
また請求項５に記載の発明の加速度推定方法は、
１以上の誘導電動機をベクトル制御によって駆動するインバータの出力電流値の所定座標系における位相を演算した後、二階微分を算出することによって前記１以上の誘導電動機の平均加速度を推定することを特徴とする。
【０００９】
この請求項１又は５に記載の発明によれば、インバータの出力電流値について所定の演算を行うことにより、当該インバータが一括して駆動している誘導電動機の平均加速度を推定することができる。したがって、容易に誘導電動機の加速度を得ることができるため、各誘導電動機の相対速度が小さい場合であっても、誘導電動機の駆動軸の空転又は滑走の検知等が可能となる。尚、本発明は速度センサを用いたものでないため、ベクトル制御下は勿論、速度センサレスベクトル制御下においても適用が可能である。
【００１０】
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の加速度推定装置であって、
前記算出手段は、
前記位相演算手段により演算された位相について、帯域通過フィルタ演算（例えば、図１のＢＰＦ５２による演算）及び一階微分演算（例えば、図１の微分演算器５３による演算）を同順又は逆順に行う第１微分手段と、
前記第１微分手段による演算結果について、低域通過フィルタ演算（例えば、図１のＬＰＦ５４）及び一階微分演算（例えば、図１の微分演算器５５）を同順又は逆順に行う第２微分手段と、
を有し、前記第２微分手段による演算結果によって前記１以上の誘導電動機の平均加速度を推定することを特徴としている。
【００１１】
また請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の加速度推定方法であって、
前記二階微分は、帯域通過フィルタ演算及び一階微分演算を同順又は逆順に演算した後、低域通過フィルタ演算及び一階微分演算を同順又は逆順に演算することにより算出することを特徴としている。
【００１２】
この請求項２又は６に記載の発明によれば、単に二階微分の演算を行うのではなく、加速度の推定演算に不要なノイズを除去するために、帯域通過フィルタ及び低域通過フィルタの演算を行う。このことにより、より精度のよい平均加速度の推定が可能となる。
【００１３】
また請求項３に記載の発明は、１以上の誘導電動機の駆動をベクトル制御する電動機制御装置であって、
請求項１又は２に記載の加速度推定装置と、
前記加速度推定装置による加速度の推定値に基づいて、前記１以上の誘導電動機の空転又は滑走を検知する検知手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
また請求項４に記載の発明は、１以上の誘導電動機の駆動をベクトル制御する電動機制御装置であって、
請求項１又は２に記載の加速度推定装置と、
前記加速度推定装置による加速度の推定値に基づいて、前記１以上の誘導電動機の粘着力を推定する粘着力推定手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
この請求項３に記載の発明によれば、加速度推定装置によって推定された加速度を用いることで、例えば、速度センサレスベクトル制御において、各誘導電動機の相対速度が小さい場合であっても、誘導電動機の駆動軸の空転又は滑走の検知及びその際の制御が可能であり、また請求項４に記載の発明によれば、例えば、空転又は滑走後の再粘着制御を実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、電車を駆動する誘導電動機の制御装置の一部に適用した実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
１．主回路システム
図１は、電車の主回路システムの概略図である。インバータ２０には、パンタグラフ及びコンバータ等を介して架線の電力が供給される。またベクトル制御演算器４０から入力されるｕ相、ｖ相、ｗ相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいてインバータ２０は出力電圧を調整し、並列接続された４台の３相誘導電動機１１〜１４（以下、包括的に電動機１０という。）に一括して給電する。以下、インバータ２０から出力される電流を一括電流という。
【００１８】
電流センサ３１，３２（以下、包括的に電流センサ３０という。）は、インバータ２０の出力端に設けられ、インバータ２０から出力されるｕ相及びｖ相の一括電流をそれぞれ検出し、一括電流値ｉｕ，ｉｖとしてベクトル制御演算器４０及び加速度推定装置５０に出力する。
【００１９】
ベクトル制御演算器４０は、電流センサ３０からフィードバックされた一括電流値ｉｕ，ｉｖに基づいて、トルク分電流と磁束分電流を算出し、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を決定してインバータ２０に出力する。
【００２０】
すなわち、図１の主回路システムは、ベクトル制御によって電動機１０の駆動を制御する構成である。尚、本実施の形態において、ベクトル制御演算器４０は、定電流制御を行うものとして説明する。この場合、各誘導電動機の負荷にばらつきが生じても、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊としては一定値が出力されることとなる。また、定電流制御においては、通常、電動機のすべり周波数が一定値と考えられるため、インバータ周波数の微分値とロータ周波数の微分値とが略同一と考えられる。
【００２１】
またベクトル制御演算器４０及び加速度推定装置５０は、ＣＰＵや、プログラムを記憶したＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるコンピュータにより実現されるものであり、例えば制御ボードとして電動機の制御装置に実装される。またインバータ２０を含めて一体的にインバータ装置として構成され得る。
【００２２】
そして、加速度推定装置５０は、電流センサ３０から出力される一括電流値ｉｕ，ｉｖに基づいて、各誘導電動機１１〜１４の平均加速度を推定する。すなわち、速度センサを用いることなく、平均加速度の推定が可能であるため、速度センサレスベクトル制御においても加速度推定装置５０を適用可能である。
【００２３】
２．加速度推定装置
図２は、加速度推定装置５０の機能ブロック図である。加速度推定装置５０は、電流センサ３０から出力される一括電流値ｉｕ，ｉｖから、静止座標系上の位相θを演算して出力する位相演算器５１と、位相θについて所定帯域を通過させ、位相θ′として出力する帯域通過フィルタ（以下、ＢＰＦという。）５２と、位相θ′の一階微分を求めることによりインバータ周波数の推定値ｆ１を算出する微分演算器５３と、周波数ｆ１の所定域以下を通過させ、周波数ｆ１′として出力する低域通過フィルタ（以下、ＬＰＦという。）５４と、周波数ｆ１′の一階微分を求めることにより加速度推定値αｉを算出する微分演算器５５とを備えて構成される。
【００２４】
▲１▼位相演算器５１の動作原理
図３は、誘導電動機の一次側の三相巻線を示す図であり、図４は、図３の三相巻線を電気的・磁気的に等価な二相（α−β）巻線に変換した図である。ここで、ｕ相巻線とα相巻線の角度をゼロとする。
【００２５】
三相巻線の相電流は（１）〜（３）式となる。
【数１】
2004080935.tif 000003
【００２６】
三相−二相変換を行い、α−β座標系（静止座標系）において、一次電流ｉα，ｉβは（４）〜（５）式で表される。
【数２】
2004080935.tif 000004
【００２７】
（４）〜（５）式を整理すると（６）〜（７）式となる。
【数３】
2004080935.tif 000005
【００２８】
従って一次電流ベクトルｉ１の振幅｜ｉ１｜は、（８）式となる。
【数４】
2004080935.tif 000006
【００２９】
次に一次電流ベクトルｉ１とα軸とのなす角（位相）を求める。一次電流ベクトルｉ１の大きさ（振幅）は相電流の波高値の√（３／２）倍である。このため、一次電流ベクトルｉ１の振幅を相電流の波高値に合わせるため、一次電流ベクトルｉ１の振幅を√（２／３）倍して、一次電流ベクトルｉ１とα軸とのなす角（位相）を求めると、（９）式となる。
【数５】
2004080935.tif 000007
【００３０】
▲２▼ＢＰＦ５２〜微分演算器５５の動作原理
（９）式で得られる位相θについて基本波以外の周波数の影響を少なくするため、ＢＰＦ５２は、所定帯域を通過帯域として通過させ位相θ′として出力する。
【００３１】
インバータ周波数の推定値ｆ１は、位相θの時間変化率として求めることができるため、ＢＰＦ５２を通過した位相θ′を用いると、（１０）式により算出することができる。
【数６】
2004080935.tif 000008
【００３２】
微分演算器５５は、この（１０）式で求められたインバータ周波数の推定値ｆ１の時間変化を求めるわけであるが、電車の駆動軸の周波数変化に鑑み、周波数雑音を低減させるため、ｆ１を一旦ＬＰＦ５４に通過させた後に微分する。ＬＰＦ５４を通過したインバータ周波数の推定値をｆ１′とすると、加速度推定値αｉは（１１）式により算出することができる。尚、ベクトル制御による定電流制御下においては、すべり周波数がほぼ一定と考えられるため、インバータ周波数とロータ周波数とが略一致する。このため、（１１）式が成り立つものである。
【数７】
2004080935.tif 000009
【００３３】
３．実施例
新幹線電車を、時速２７５〜３００ｋｍ／ｈで試験走行させ、所定軸に毎分６リットルの散水を行った時の試験結果の一例が図５である。１２〜４２秒間に数回の空転が生じている。同図（ａ）において、Ｖｔ＿１，Ｖｔ＿２，Ｖｔ＿３，Ｖｔ＿４は各軸（それぞれ図１の電動機１１〜１４に相当する。）の進行方向速度［ｋｍ／ｈ］である。また、この間にベクトル制御演算器４０に入力されたトルク分電流指令値ｉ１ｑｒｅｆと磁束分電流指令値ｉ１ｄｅｆを同図（ｂ）に、各電動機の一次電流ベクトルの大きさｉ１＿１，ｉ１＿２，ｉ１＿３，ｉ１＿４を同図（ｃ）に示す。
【００３４】
図５の解析区間（３２秒〜４０秒間）において、Ｖｔ＿１，Ｖｔ＿２，Ｖｔ＿３，Ｖｔ＿４の全ての軸の速度が一時的に約１０ｋｍ／ｈ程度上昇し、空転の検知によってトルク分電流指令値ｉ１ｑｒｅｆが一時的に引き下げられている。このため図５の解析区間においては全軸空転が生じていると考えられる。
【００３５】
この解析区間において、本実施の形態の加速度推定装置５０を適用した。解析区間においてインバータ周波数は約１８０Ｈｚであるため、ＢＰＦ５２は１００〜２５０Ｈｚを通過帯域とした。また空転時におけるインバータ周波数の時間変化は高々数Ｈｚであるため、ＬＰＦ５４は３Ｈｚ以下を通過帯域とする急峻なカットオフ特性を持つようにした。
【００３６】
本実施例の適用結果を図６に示す。同図（ａ）は解析区間における４軸の平均速度（実測値）を、同図（ｂ）は（ａ）の平均速度から得られる平均加速度（実測値）及び加速度推定装置５０が算出した加速度推定値αｉを、同図（ｃ）はトルク分電流値ｉ１ｑｒｅｆを示す図である。尚、加速度（インバータ周波数の時間変化）は、車輪加速度に相当すると考えられるため、［ｋｍ／ｈ／ｓ］に換算している。
【００３７】
図６より、加速度推定装置５０による平均加速度の推定が精度良く実現できていることが分かる。すなわち、加速度推定装置５０の出力値が所定の加速度閾値を超えたか否かを判断することにより、空転の検知が可能となる。具体的には、例えば、加速度閾値を−５．０［ｋｍ／ｈ／ｓ］とし、加速度推定装置５０から出力される加速度推定値αｉが加速度閾値を超えたか否かを監視することにより空転を検知する検知部を構成し、電動機制御装置が具備することにより実現できる。勿論この検知部も加速度推定装置５０と同様、コンピュータ等が実装された制御基板等により実現可能である。尚、空転のみならず、滑走の検知も同様にして可能である。
【００３８】
４．変形例
（１）加速度推定装置の構成
図２において、位相演算器５１が出力した位相θについてＢＰＦ５２が所定帯域を通過させ、θ′として出力した後、微分演算器５３がインバータ周波数の推定値ｆ１を算出することとして説明した。しかし、微分演算器５３が、位相演算器５１の出力する位相θに基づいて、インバータ周波数数の推定値ｆ１を算出した後、ＢＰＦ５２が、ｆ１の所定帯域を通過させて出力する構成としてもよい。また同様に、ＬＰＦ５４と微分演算器５５との演算順序を入れ替えることとしてもよい。
【００３９】
（２）再粘着制御
加速度推定装置５０によって、速度センサレスベクトル制御において、電動機の平均加速度を制御よく推定することが可能となったが、加速度の推定が可能となった為に、例えば、空転・滑走後の再粘着制御に推定値を利用することが実現できる。
【００４０】
具体的に説明する。電動機の車軸とレールとの接線力に相当する負荷トルクは、空転・滑走によって変化する。その変化した負荷トルクを推定する方法として特開２００２−４４８０４号公報の数式（４）〜（８）が知られている。この内、（６）式である、ｄωｒ−ｎ／ｄｔ＝（ｄω１／ｄｔ）−（ｄωｓ−ｎ／ｄｔ）の（ｄω１／ｄｔ）の項に加速度推定装置５０による加速度推定値を利用することができる。
【００４１】
詳細には、同公報（６）式において、回転子角周波数ωｒ−ｎの時間変化は、一次角周波数ω１の時間変化からすべり角周波数ωｓ−ｎの時間変化を減算した値となる。しかし、すべり角周波数ωｓ−ｎは定電流制御においては一定と仮定できるため、簡単に同公報の（４）式を算出し、空転・滑走によって変化した負荷トルクを推定することで、再粘着制御を実現できる。
【００４２】
また次の方法により再粘着制御を行うこととしてもよい。即ち、粘着電流値Ｉμを推定する方法として、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）Ｈ１１年２月号「粘着力推定を行う空転再粘着制御　−粘着力推定方法と高速新幹線電車での試験結果−」に記載の（５）式が知られている。この式を本実施の形態に適用して変換すると次式となる
【数８】
2004080935.tif 000010
【００４３】
ここで、Ｋμは定数であり、一次電流ベクトルｉ１の振幅は（８）式から算出できる。そして、加速度推定値αｉは、加速度推定装置５０による推定値を利用することができる。すなわち、速度センサレスベクトル制御において、粘着力の推定を簡単に実現することができる。
【００４４】
なお、これらの変形例に示した粘着力推定の機能部は、加速度推定装置５０と同様、コンピュータ等が実装された制御基板等により実現可能である。
【００４５】
（３）インバータ２０と電動機１０
上記実施の形態においては、インバータ２０が４台の誘導電動機１１〜１４に一括して給電することとして説明したが、電動機の数はこれに限らない。即ち、インバータ２０が１台の電動機を給電・駆動することとしても、上記実施の形態を適用することが可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、インバータの出力電流値について所定の演算を行うことにより、当該インバータが一括して駆動している誘導電動機の平均加速度を推定することができる。したがって、容易に誘導電動機の加速度を得ることができるため、各誘導電動機の相対速度が小さい場合であっても、誘導電動機の駆動軸の空転又は滑走の検知等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電車の主回路システムの概略図。
【図２】加速度推定装置の機能ブロック図。
【図３】誘導電動機の一次側の三相巻線を示す図。
【図４】図３の三相巻線を電気的・磁気的に等価な二相（α−β）巻線に変換した図。
【図５】実施例の試験結果の一例を示す図。
【図６】実施例の適用結果の一例を示す図。
【符号の説明】
１０　　誘導電動機
２０　　インバータ
３０　　電流センサ
６０　　電動機制御装置
４０　　ベクトル制御演算器
５０　　加速度推定装置
５１　　位相演算器
５２　　ＢＰＦ
５３　　微分演算器
５４　　ＬＰＦ
５５　　微分演算器
【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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【図６】
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