(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】ベクトル制御演算器４０は、周波数指令値ω１＊を加速度推定装置５０に出力する。加速度推定装置５０は、ベクトル制御演算器４０から出力される周波数指令値ω１＊の時間変化（微分値）を算出することにより、４台の誘導電動機１１〜１４の平均加速度推定値αｉを算出し、空転・滑走検知器６０に出力する。空転・滑走検知器６０は、所定の閾値と、加速度推定値αｉとを比較し、加速度推定値αｉが所定の閾値を超えたと判断した場合に、空転・滑走が生じたと判定する。【選択図】　図１
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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周波数指令値の微分値を算出する算出手段を備え、この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】
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４】
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周波数指令値の微分値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。
【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）の出力周波数指令値（例えば、図１の周波数指令値ω１＊）の微分値を算出する算出手段を備え、この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４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周波数指令値の微分値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４に記載の発明によれば、インバータの出力周波数指令値の微分値を算出することにより、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、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。
【００１１】
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。
【００１２】
この請求項２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３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。
【００１３】
【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。
【００１４】
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＊及び周波数指令値ω１＊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。
【００１５】
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に出力する。
【００１６】
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、磁束分電流、及び周波数指令値ω１＊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。また算出した周波数指令値ω１＊を加速度推定装置５０に出力する。
【００１７】
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。
【００１８】
また、ベクトル制御演算器４０は、周波数指令値ω１＊を加速度推定装置５０に出力する。加速度推定装置５０は、ベクトル制御演算器４０から出力される周波数指令値ω１＊の時間変化（微分値）を算出することにより、４台の誘導電動機１１〜１４の平均加速度推定値αｉを算出し、空転・滑走検知器６０に出力する。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。
【００１９】
空転・滑走検知器６０は、所定の閾値と、加速度推定値αｉとを比較し、加速度推定値αｉが所定の閾値を超えたと判断した場合に、空転・滑走が生じたと判定して、トルク引下げ指令信号をベクトル制御演算器４０に出力する。
【００２０】
電動機制御装置７０は、ベクトル制御演算器４０と、加速度推定装置５０と、空転・滑走検知器６０とを備えて構成され、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。電動機制御装置７０は、例えば制御ボードとして電動機の制御装置の一部として実装されたり、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たりする。空転・滑走検知器６０が空転・滑走の発生を検知すると、電動機制御装置７０は、トルク分電流を低減させるようにインバータ２０を制御する等、公知の制御を実行する。
【００２１】
２．加速度推定装置による推定の原理
本実施の形態においては、電動機１０の駆動制御はベクトル制御により行われている。すなわち、電流センサ３０によってインバータ２０の出力電流値が検出され、その電流値に基づいてベクトル制御演算器４０がインバータ２０のフィードバック制御を行っている。
【００２２】
そして、インバータ２０の出力電流によって電動機１０の速度が制御されることとなるが、電動機１０の回転速度の時間変化、即ち加速度は、インバータ２０の出力周波数の時間変化に相当することとなる。従って、周波数指令値ω１＊の微分値を求めることにより、電動機１０の平均加速度の推定が可能となるものである。
【００２３】
３．試験
以下に１つの試験結果を開示することで、インバータの出力周波数の時間変化と、電動機の加速度との関係について説明する。
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２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。
【００２４】
図２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２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。
【００２５】
この解析区間において、インバータの出力周波数を次のように推定した。即ち、（１）〜（２）式を用いて電流センサ３０から出力される一括電流値ｉｕ，ｉｖから三相−二相変換を行った。そして、（３）及び（４）に基づき、α−β座標系（静止座標系）上の位相θを求めた。
【数１】
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【００２６】
次いで、位相θについて１００〜２５０Ｈｚを通過帯域とする帯域通過フィルタ（以下、ＢＰＦという。）演算を行った後、一階微分を求めることによりインバータの出力周波数（推定値）を算出した。
【００２７】
推定値であるため、周波数雑音を除去すべく、算出した出力周波数（推定値）について３Ｈｚ以下を通過域とする低域通過フィルタ（以下、ＬＰＦという。）演算を行った後、一階微分を行うことで加速度推定値αｉを算出した。
【００２８】
その結果を図３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）及び本試験において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。
【００２９】
図３より、インバータの出力周波数を推定（演算）する場合であっても、平均加速度の推定が精度良く実現できることが分かる。本実施の形態においては、インバータの出力周波数を一括電流値から推定（演算）することなく、ベクトル制御演算器４０が出力する周波数指令値ω１＊を用いて、加速度推定装置５０が算出する。このため、より精度のよい加速度推定値αｉの算出が可能である。
【００３０】
なお、出力周波数でなく周波数指令値ω１＊を用いるため、上記試験の演算方法を適宜設計変更して適用する必要があるが、その変更の範囲は、当業者が通常成し得る設計変更の範囲内である。
【００３１】
また、上記試験結果に基づけば、例えば、空転・滑走検知器６０は、加速度閾値を−５．０［ｋｍ／ｈ／ｓ］として記憶し、加速度推定装置５０から入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ことが可能である。
【００３２】
４．変形例
（１）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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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２】
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【００３６】
ここで、Ｋμは定数であり、一次電流ベクトルｉ１の振幅は例えば（３）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。
【００３７】
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。
【００３８】
（２）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。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、インバータの出力周波数指令値の微分値を算出することにより、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】試験結果の一例を示す図。
【図３】加速度推定値の算出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
７０　　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
６０　　空転・滑走検知器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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